発振回路及び霧化装置
【課題】 少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能な発振回路を提供する。
【解決手段】 発振回路１は、入力される信号を増幅する増幅部１０と、一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２とを有し、増幅部１０の出力端に一次側コイルＬ１が接続されたトランス２０と、トランス２０の二次側コイルＬ２に一端が接続されるとともに、他端が圧電振動子４０を介して増幅部１０の入力端に接続される帰還部３０とを備える。増幅部１０及び前記トランス２０は特定の共振周波数を持たず、帰還部３０は、トランス２０の二次側コイルＬ２から出力される信号の内、圧電振動子４０を共振させる周波数の発振信号を選択して増幅部１０へ帰還させる。
【解決手段】 発振回路１は、入力される信号を増幅する増幅部１０と、一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２とを有し、増幅部１０の出力端に一次側コイルＬ１が接続されたトランス２０と、トランス２０の二次側コイルＬ２に一端が接続されるとともに、他端が圧電振動子４０を介して増幅部１０の入力端に接続される帰還部３０とを備える。増幅部１０及び前記トランス２０は特定の共振周波数を持たず、帰還部３０は、トランス２０の二次側コイルＬ２から出力される信号の内、圧電振動子４０を共振させる周波数の発振信号を選択して増幅部１０へ帰還させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振回路、及び該発振回路を用いた霧化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発振回路は、さまざまな電子機器において広く利用されている。例えば、特許文献１には、発振回路を利用して超音波振動子を振動させて液体の噴霧を行う噴霧装置が開示されている。このような噴霧装置では、液体の霧化を促進するため、より高い電圧で超音波振動子を駆動することが好ましい。そこで、特許文献１に記載の回路では、電源電圧を昇圧する昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設け、電源電圧を該昇圧回路で噴霧に必要な電圧まで昇圧して発振回路に印加している。そのため、この発振回路によれば、電源電圧よりも高い電圧振幅で超音波振動子を駆動することができる。
【０００３】
また、特許文献２には、発振回路を構成する増幅回路と帰還回路との間に、トランジスタと昇圧コイルとからなる昇圧回路が設けられた発振回路が開示されている。このトランジスタのベースは増幅回路の出力端に接続され、エミッタは接地され、コレクタは昇圧コイルと接続されている。この発振回路によれば、昇圧コイルによって昇圧された信号で圧電振動子を励振駆動することができる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の回路では、発振回路の前段に、電源電圧を昇圧するための昇圧電源回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設ける必要があるため、部品点数が増加し、ひいてはコストの増大や実装面積の増大といった問題が生じる。また、特許文献２に開示されている発振回路では、受動素子で等価的に表される圧電振動子や水晶振動子等を用いた場合には、振動子が安定して自励振を続ける際に、その振動中心に相当する電位、すなわち電源電圧を中心として上下に等しい電圧幅だけ電圧振幅が得られる。そのため、この発振回路で得られる昇圧発振出力の振幅は、電源電圧の２倍までが限界となる。
【０００５】
一方、特許文献３には、増幅部にトランス（変圧器）を導入した発振回路が開示されている。この発振回路では、増幅部を構成するトランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されている。また、該トランスの二次側コイルとコンデンサとが並列に接続されて並列共振回路が形成されるとともに、トランスで昇圧された電圧が圧電トランス（圧電振動子）に印加される構成となっている。この発振回路によれば、より少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−７６１５７号公報
【特許文献２】特許第２９５２８１５号公報
【特許文献３】特公昭６０−５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３に開示されている発振回路では、二次側コイルＬ２とコンデンサＣ１とで形成された並列共振回路により、圧電振動子の共振周波数成分のみを取り出す構成とされているため、図１２に示されるように、ゲインが大きく取れる反面、並列共振周波数１／｛２π√（Ｌ２・Ｃ１）｝付近で位相、ゲインが急変する。そのため、回路定数Ｌ２、Ｃ１のばらつきに対する発振周波数の変動が大きくなる。すなわち、部品ばらつきによって、発振周波数が大きくずれる。この発振回路を例えば超音波霧化器に適用した場合には、部品ばらつきによって圧電振動子の発振周波数がずれることにより、霧化の効率が低下するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能な発振回路、及び該発振回路を用いた霧化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る発振回路は、入力される信号を増幅する増幅部と、一次側コイルと二次側コイルとを有し、増幅部の出力端に一次側コイルが接続されたトランスと、トランスの二次側コイルに一端が接続されるとともに、他端が振動子を介して増幅部の入力端に接続される帰還部とを備え、増幅部及びトランスが特定の共振周波数を持たず、帰還部が、トランスの二次側コイルから出力される信号の内、振動子を共振させる周波数の信号を選択して増幅部へ帰還させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る発振回路によれば、増幅部と帰還部との間にトランスが挿入されている。そのため、高圧電源を設けることなく、トランスの巻数比に応じて、電源電圧の２倍以上の振幅を持った発振信号を生成して、振動子に印加することができる。ここで、増幅部は共振周波数を持たず、専ら帰還部で振動子の共振周波数の信号を選択するように構成されている。このように、増幅部及びトランスは共振周波数（共振回路）を有しないため、ゲインは小さいが、振動子の共振周波数付近においてゲイン、位相回転量が略一定（フラット）になるように設計することができる。よって、増幅部を構成する部品の定数ばらつきによる発振周波数への影響を低減することができる。その結果、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る発振回路では、増幅部が、トランジスタを有し、該トランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されたエミッタ接地型増幅回路であり、ベースとトランスの二次側コイルとの間に帰還部が接続されていることが好ましい。
【００１２】
この場合、トランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されているため、コレクタ端では、電源電圧を中心として該電源電圧の２倍の振幅を持った発振信号が生成される。そして、この発振信号がトランスによってさらに昇圧される。よって、電源電圧をＶｃｃ、トランスの一次側コイルの巻数をＬ１、二次側コイルの巻数をＬ２とすると、２Ｖｃｃ√（Ｌ２／Ｌ１）の振幅を持った発振信号を振動子に印加することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る発振回路では、帰還部が、コルピッツ型又はハートレー型の帰還回路により構成されていることが好ましい。このようにすれば、増幅部が共振回路を有していなくても、すなわち、増幅部が共振周波数を選択する機能を有していなくても、帰還部で発振周波数を決定することができる。
【００１４】
本発明に係る発振回路では、振動子が、圧電振動子であることが好ましい。この場合、振動子として周波数安定性が高い圧電振動子を用いることにより、安定した発振信号を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明に係る霧化装置は、上記発振回路と、圧電振動子に液体を供給する供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る霧化装置によれば、上述した発振回路を備えているため、電源電圧の２倍以上の振幅を持ち、かつ発振周波数変動が小さい発振信号により圧電振動子を駆動することができる。よって、霧化に好適な振幅・周波数を持った発振信号を圧電振動子に印加することができる。その結果、好ましい粒子径の霧を大量に発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図２】第１実施形態に係る発振回路の増幅部（トランスを含む）のシミュレーションモデルを示す図である。
【図３】第１実施形態に係る発振回路の増幅部（トランスを含む）のゲイン・位相特性を示す図である。
【図４】圧電振動子の等価回路を示す回路図である。
【図５】第１実施形態に係る発振回路の動作を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係る発振回路における回路定数ばらつきと発振周波数との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る発振回路の変形例を示す回路図である。
【図８】第２実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図９】第２実施形態に係る発振回路の動作を説明するための図である。
【図１０】第３実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図１１】実施形態に係る超音波霧化装置の霧化粒子噴射部を示す模式図である。
【図１２】従来の発振回路の増幅部のゲイン、位相特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
［第１実施形態］
まず、図１を用いて、第１実施形態に係る発振回路１の構成について説明する。図１は、発振回路１の構成を示す回路図である。
【００２１】
発振回路１は、直流電源電圧Ｖｃｃに制限されることなく、圧電振動子４０に適切な電圧を印加して、発振させることができるコルピッツ型の発振回路である。そのため、発振回路１は、入力（又は帰還）される発振信号を増幅する増幅部１０と、一次側コイル（インダクタ）Ｌ１と二次側コイル（インダクタ）Ｌ２とを有し、増幅部１０から出力される発振信号を昇圧するトランス２０と、トランス２０によって昇圧された発振信号を圧電振動子４０を介して増幅部１０に帰還させる帰還部３０とを備えている。なお、増幅部１０及びトランス２０の（ゲイン、位相回転量）を（Ａｖ、θｖ）とし、帰還部３０の（ゲイン、位相回転量）を（Ａβ、θβ）とした場合に、発振回路１は、次式（１）（２）の発振条件（振幅条件及び位相条件）を満たしている。
振幅条件： Ａｖ・Ａβ≧１ ・・・（１）
位相条件： θｖ＋θβ＝３６０・ｎ （ｎ＝０，１，２，・・） ・・・（２）
続いて、発振回路１の各構成要素をより具体的に説明する。
【００２２】
増幅部１０は、励振用のＮＰＮトランジスタＱ１と、そのバイアス抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、によって構成されたエミッタ接地型の増幅回路である。より詳細には、電源Ｖｃｃ−ＧＮＤ間に挿入された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続部に、トランジスタＱ１のベースが接続されており、該ベースには帰還部３０を介して帰還される発振信号が入力される。一方、トランジスタＱ１のエミッタは、抵抗Ｒ３を介して接地されている。また、コレクタには、トランス２０の一次側コイルＬ１が接続されており、増幅部１０で増幅された信号は、このトランス２０に出力される。
【００２３】
トランス２０は、一次側コイル（インダクタ）Ｌ１と二次側コイル（インダクタ）Ｌ２とを有して構成された信号昇圧用のトランスである。ここで、一次側コイルＬ１の一端及び二次側コイルＬ２の一端は電源Ｖｃｃに接続され、一次側コイルＬ１の他端は、トランジスタＱ１のコレクタに接続されている。トランス２０は、増幅部１０から出力される発振信号を一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２との巻数比Ｌ２／Ｌ１に応じて昇圧して出力する。そして、トランス２０によって昇圧された発振信号は、二次側コイルＬ２の他端から出力され、帰還部３０を構成する圧電振動子４０に印加されるとともに、該圧電振動子４０（帰還部３０）を介して上述した増幅部１０を構成するトランジスタＱ１のベースに戻される。なお、トランス２０によって昇圧された発振信号は、Ｖｏｓｃ点から取り出すこともできる。
【００２４】
ここで、図２に示される増幅部１０（トランス２０を含む）のシミュレーションモデルを用いて演算した増幅部１０（トランス２０を含む）のゲイン、位相特性を図３に示す。図２に示されるように、このシミュレーションモデルでは、トランジスタＱ１としてＱＣ１８１５（２ＳＣ１８１５）を用い、抵抗Ｒ１，Ｒ２＝１０ｋΩ、抵抗Ｒ３＝４．７Ω、トランス２０の一次側コイルＬ１＝３０μＨ、二次側コイルＬ２＝１８０μＨ、コンデンサＣ３＝１μＦと設定した。また、電源電圧Ｖｃｃ＝３Ｖ、入力信号源Ｖ１をＡＣ１０Ｖとしてシミュレーションを行った。
【００２５】
シミュレーションの結果を図３に示す。図３の横軸は周波数（ｋＨｚ）、縦軸はゲイン（ｄＢ：左目盛）及び位相（ｄｅｇ：右目盛）である。また、ゲインを実線で、位相を破線で示した。増幅部１０（トランス２０を含む）は並列共振回路を含んでいないため、ゲインは低いが、図３に示されるように、ゲイン及び位相回転量は圧電振動子４０の共振周波数（１１５ｋＨｚ）付近において略一定となっている。そのため、回路定数ばらつきの発振周波数に及ぼす影響が非常に小さい。
【００２６】
帰還部３０は、圧電振動子４０と帰還コンデンサＣ１，Ｃ２とからなる所謂コルピッツ型の帰還回路として構成されている。具体的には、圧電振動子４０の入力端子がトランス２０の二次側コイルＬ２に接続されるとともに、圧電振動子４０の出力端子が増幅部１０のトランジスタＱ１のベースに接続されている。また、圧電振動子４０の入力端子がコンデンサＣ１を介して接地されるとともに、圧電振動子４０の出力端子がコンデンサＣ２を介して接地されている。帰還部３０は、上述した位相条件を満たすように位相回転量を調整する。また、帰還部３０は、発振回路１の発振周波数を決定する周波数選択機能を有している。すなわち、帰還部３０は、トランス２０の二次側コイルＬ２から出力される信号の内、圧電振動子４０を共振させる周波数の発振信号を選択して増幅部１０へ戻す働きをする。
【００２７】
圧電振動子４０は、例えば、ＰＺＴやチタン酸バリウム等の圧電セラミックスから形成されている。圧電振動子４０は、図４に示されるように、コイルＬｓ、コンデンサＣｓ、及び抵抗器Ｒｓの直列回路と、コンデンサＣｐとが並列接続された等価回路で表される。圧電振動子４０は、特定の周波数で共振特性を示し、電圧が印加されると逆圧電効果によって強い機械的振動を起こし、その機械的振動に見合った電圧を圧電効果によって出力する。なお、この機械的振動が、例えば、液体の霧化等に利用される。
【００２８】
次に、図１及び図５を併せて参照しつつ、発振回路１の動作について説明する。ここで、図５は、発振回路１の動作を説明するための図であり、発振回路１各部の動作波形を（ａ）〜（ｄ）に示す。具体的には、図５（ａ）はトランジスタＱ１のベース電位Ｖｂ（Ｖ）を示し、（ｂ）は一次側コイルＬ１の誘導起電流ＩＬの変化割合ｄＩＬ／ｄｔ（ｍＡ）を示す。また、（ｃ）はトランジスタＱ１のコレクタ電位Ｖｃ（図１のＶｃ点の電位）（Ｖｐｐ）を示し、（ｄ）は、発振回路１の出力Ｖｏｓｃ（図１のＶｏｓｃ点の電位）（Ｖｐｐ）を示す。ここでは、上記各動作波形を（１）第１過程〜（４）第４過程（図５において破線で区切られた（１）〜（４）に対応）に分けて説明する。
【００２９】
（１）第１過程
第１過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈ（０．６Ｖ）よりも大きく、かつベース電位Ｖｂが増加する過程である。この過程では、まず、ベース電位Ｖｂが増加し始めることに伴い、トランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間が導通し始め、トランジスタＱ１が次第にＯＮ状態となる。それにより、図１に示す矢印の向き（以下「＋」方向という）に一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが増加し始める。一方、電流Ｉｃが増加するに従って、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃの増加を妨げる方向（「−」方向）に、誘導起電流ＩＬが流れる。その結果、コイルＬ１には誘導起電圧−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔが発生する。第１過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＜０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ＋Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔと昇圧される。なお、コイルＬ１で位相遅れが９０°生じるため、ベース電位Ｖｂに対してコレクタ電位Ｖｃは常に９０°遅れる。
【００３０】
（２）第２過程
第２過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも大きく、かつベース電位Ｖｂが減少する過程である。この過程では、ベース電位Ｖｂが減少し始めることに伴って、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが減少し始める。そのため、その変化を妨げる向き（「＋」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるように、Ｖｃ点（図１参照）に誘導起電圧が発生する。第２過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＞０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなり、減少を始める。ただし、トランジスタＱ１のコレクタ電位ＶｃはＧＮＤ以下にはならないため、コレクタ電位Ｖｃ＝ＧＮＤとなったところで減少は止まる。
【００３１】
（３）第３過程
第３過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも小さく、かつベース電位Ｖｂがさらに減少する過程である。この過程において、ベース電位Ｖｂが減少すると、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃがさらに減少する。ただし、その減少割合は次第に低下する。それに伴い、その変化を妨げる向き（「＋」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるようにＶｃ点に発生する誘導起電圧も徐々に低下する。よって、第３過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＞０であるため、コレクタ電位ＶｃはＶｃｃ−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなるが、ここで、−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔの値が次第に減少するため、Ｖｃ点の電位は徐々に増加する。
【００３２】
（４）第４過程
第４過程は、ベース電位ＶｂがトランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも小さく、かつベース電位Ｖｂが増加する過程である。この過程において、ベース電位Ｖｂが増加に転じると、それに合わせて、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが増加に転じる。よって、その変化を妨げる向き（「−」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるように、Ｖｃ点に誘導起電圧が発生する。第４過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＜０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ＋Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなり、さらに増加する。ただし、その増加割合は徐々に低下する。
【００３３】
このように、コレクタ電位Ｖｃ（Ｖｃ点）には、電源電圧Ｖｃｃを基準として、±Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔだけ昇圧された信号が出力される。ただし、上述したようにコレクタ電位Ｖｃ＜ＧＮＤとはならないので、得られる振幅の下限はＧＮＤである。また、圧電振動子４０は機械的共振子であり、基準バイアス電圧に対して正負方向に等しく振動することから、Ｖｃ点で得られる発振振幅は最大で２×Ｖｃｃ（Ｖｐｐ）となる。
【００３４】
そして、次に、得られた発振信号Ｖｃは、トランス２０の二次側コイルＬ２に伝達されることで、電源電圧範囲（Ｖｃｃ−ＧＮＤ）に制限されることなく、√（Ｌ２／Ｌ１）倍に昇圧されて出力される（図５（ｄ）参照）。従って、Ｖｏｓｃ点（図１参照）で得られる振動振幅Ｖｏｓｃは、２×Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）となる。
【００３５】
本実施形態によれば、トランジスタＱ１のコレクタにトランス２０の一次側コイルＬ１が接続されているため、コレクタ端では、電源電圧Ｖｃｃを中心として該電源電圧Ｖｃｃの２倍の振幅を持った発振信号が生成される。そして、この発振信号がトランス２０によってさらに昇圧されるため、電源電圧Ｖｃｃ×２×√（Ｌ２／Ｌ１）の発振振幅Ｖｏｓｃを得ることができる。よって、トランス２０の巻数比Ｌ２／Ｌ１を適切に設定することで、圧電振動子４０を、電源電圧Ｖｃｃの２倍以上の発振振幅Ｖｏｓｃで駆動することができる。また、増幅部１０及びトランス２０は共振周波数を持たず、専ら帰還部３０で圧電振動子４０の共振周波数の発振信号を選択するように構成されている。このように、増幅部１０及びトランス２０は共振周波数（共振回路）を持たないため、ゲインは小さいが、圧電振動子４０の共振周波数付近においてゲイン、位相回転量が略一定になるように設計することができる。よって、増幅部１０を構成する部品の定数ばらつきによる発振周波数への影響を低減することができる。その結果、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【００３６】
ここで、発振回路１における回路定数ばらつきと発振周波数との関係を図６に示す。また、図６には、増幅部に並列共振回路を含む上記特許文献３記載の従来技術における回路定数ばらつきと発振周波数との関係も併せて示した。図６の実線は、発振回路１を構成するトランス２０の二次側コイルＬ２、及び帰還部３０のコンデンサＣ１，Ｃ２の定数を±１０％変化させたときの発振周波数変動量をシミュレーションにより求めた結果である。また、図６の破線は、従来技術の増幅部の並列共振回路の二次側コイルＬ２、コンデンサＣ１の定数を±１０％変化させたときの発振周波数変動量をシミュレーションにより求めた結果である。図６に示されるように、発振回路１では、部品の定数が±１０％変化したとしても、発振周波数変動量は略ゼロである。このように、発振回路１は、部品の定数ばらつきに対する発振周波数の安定性に優れていることがシミュレーションによっても確認された
【００３７】
さらに、本実施形態によれば、振動子として周波数安定性が高い圧電振動子４０を用いることにより、より安定した発振信号を得ることができる。
【００３８】
［第１実施形態の変形例］
上述した発振回路１では、一次側コイルＬ１の一端及び二次側コイルＬ２の一端は共に電源Ｖｃｃに接続されていたが、一次側コイルＬ１の一端を電源Ｖｃｃに接続するとともに、二次側コイルＬ２の一端をＧＮＤに接続する構成としてもよい。ここで、このように構成した発振回路１Ａを図７に示す。発振回路１Ａによれば、上述した発振回路１と同様の効果を奏することができる。さらに、この発振回路１Ａによれば、ＧＮＤ電位を基準に±Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔだけ昇圧された信号がＶｃ点に出力されるため、直流電圧が印加されない形で圧電振動子４０を駆動することが可能となる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、図８を用いて、第２実施形態に係る発振回路２の構成について説明する。図８は、発振回路２の構成を示す回路図である。なお、図８において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４０】
発振回路２は、トランジスタを用いた増幅部１０に代えて、オペアンプを用いた増幅部１２が用いられている点で上述した発振回路１と異なっている。また、それに合わせて、トランス２０の接続形態が発振回路１と異なっている。なお、その他の構成は、発振回路１と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
増幅部１２は、オペアンプＵ１と、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２とで構成された反転増幅器を有している。より具体的には、両電源タイプのオペアンプＵ１と、帰還部３０とオペアンプＵ１の反転入力端子（−）とを接続する抵抗Ｒ２１と、オペアンプＵ１の出力端子と反転入力端子（−）とを接続する帰還（フィードバック）抵抗Ｒ２２とで反転増幅器が構成されている。オペアンプＵ１の非反転入力端子（＋）は、接地されている。また、オペアンプＵ１の出力端子とトランス２０のコイルＬ１とはコンデンサＣ２３を介して接続されている。このコンデンサＣ２３は、オペアンプＵ１の出力端子とトランス２０の一次側コイルＬ１とが直流的に短絡されることを防ぐための直流成分カット用コンデンサである。
【００４２】
上述したように、トランス２０の一次側コイルＬ１の一端はコンデンサＣ２３を介してオペアンプＵ１の出力端子に接続されており、該一次側コイルＬ１の他端は接地されている。一方、トランス２０の二次側コイルＬ２の一端は帰還部３０に接続されており、該二次側コイルＬ２の他端は接地されている。トランス２０によって昇圧された発振信号は、二次側コイルＬ２の一端から出力され、帰還部３０を構成する圧電振動子４０に印加されるとともに、該圧電振動子４０（帰還部３０）及び抵抗Ｒ２１を介してオペアンプＵ１の反転入力端子（−）にフィードバックされる。なお、帰還部３０の構成は、上述した第１実施形態のものと同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４３】
次に、図８及び図９を併せて参照しつつ、発振回路２の動作について説明する。ここで、図９は、発振回路２の動作を説明するための図であり、発振回路２各部の動作波形を（ａ）〜（ｃ）に示す。具体的には、図９（ａ）はオペアンプＵ１の入力電圧ＡＭＰ＿ＩＮ（Ｖｐｐ）を示し、（ｂ）はオペアンプＵ１の出力電圧ＡＭＰ＿ＯＵＴ（Ｖｐｐ）を示し、（ｃ）は発振回路２の出力ＯＳＣ＿ＯＵＴ（Ｖｐｐ）を示す。
【００４４】
まず、図９（ａ）に示される発振信号がオペアンプＵ１の反転入力端子（−）に入力された場合、この入力信号に対して位相が１８０°変化（反転）した出力信号（増幅信号）がオペアンプＵ１の出力端子から出力される（図９（ｂ）参照）。なお、増幅部１２では、増幅素子であるオペアンプＵ１に供給される電源電圧範囲（Ｖｃｃ−Ｖｅｅ）の振幅を持った出力信号が得られる。
【００４５】
オペアンプＵ１から出力された発振信号は、トランス２０の一次側コイルＬ１に入力される。ここで、トランス２０は受動素子であるため、オペアンプＵ１に供給される電源電圧幅に制限を受けることが無く、一次側コイルＬ１に入力された信号を√（Ｌ２／Ｌ１）倍に昇圧して二次側コイルＬ２から出力する。その結果、発振回路２の出力Ｖｏｓｃは、Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）となる。
【００４６】
本実施形態によれば、電源電圧Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）の発振振幅Ｖｏｓｃを得ることができる。よって、トランス２０の巻数比Ｌ２／Ｌ１を適切に設定することで、圧電振動子４０を、電源電圧Ｖｃｃの２倍以上の発振振幅Ｖｏｓｃで駆動することができる。
【００４７】
［第３実施形態］
次に、図１０を用いて、第３実施形態に係る発振回路３の構成について説明する。図１０は、発振回路３の構成を示す回路図である。なお、図１０において第２実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４８】
発振回路３は、オペアンプＵ１の反転増幅器を用いた増幅部１２に代えて、ＣＭＯＳインバータを用いた増幅部１３が用いられている点で上述した発振回路２と異なっている。なお、その他の構成は、発振回路２と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。本実施形態によっても、上述した第２実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
【００４９】
続いて、図１１を参照しつつ、発振回路１を用いた超音波霧化装置１００について説明する。図１１は、超音波霧化装置１００の霧化粒子噴射部を示す模式図である。
【００５０】
超音波霧化装置１００の霧化粒子噴射部は、フレーム１０１に支持された円盤状の圧電振動子（圧電セラミック）４０と、圧電振動子４０の中心部に形成され、該圧電振動子４０の振動面に液体を供給するオリフィス（供給手段）１０２とを備えている。圧電振動子４０には、該圧電振動子４０を超音波振動させる発振回路１が接続されている。また、オリフィス１０２には、図示省略した貯留タンクから配管を通して、例えば芳香剤を含む液体などが供給される。
【００５１】
このような超音波霧化装置１００において、発振回路１の電源がＯＮされた場合、発振回路１から出力される発振信号によって圧電振動子４０が駆動されて超音波振動を開始するとともに、オリフィス１０２から例えば芳香剤を含む液体などが圧電振動子４０の振動面に供給される。ここで、圧電振動子４０から機械的エネルギーを得て液体の霧化に利用する場合は、圧電振動子４０に高電圧を印加することが好ましい。そのため、超音波霧化装置１００では、発振回路１の電源電圧Ｖｃｃを３Ｖとし、発振回路１を構成する増幅部１０及びトランス２０によって発振信号を増幅・昇圧し、電源電圧Ｖｃｃ以上の自励振振幅を得ている。より具体的には、安定して霧化を得るために、圧電振動子４０の共振周波数において、１０Ｖｐｐにて自励振させている。その結果、圧電振動子４０が超音波振動することによって、圧電振動子４０の表面に供給される例えば芳香剤を含む液体が霧化され、霧化粒子噴射部から外部へ放出される。
【００５２】
本実施形態によれば、圧電振動子４０を駆動する発振回路に上述した発振回路１を適用しているため、電源電圧Ｖｃｃ×２×√（Ｌ２／Ｌ１）倍の振幅を持ち、かつ発振周波数変動が小さい発振信号を圧電振動子４０に供給することができる。よって、霧化に好適な振幅・周波数を持った発振信号で圧電振動子４０を駆動することができる。その結果、用途に適した好ましい粒子径の霧を大量に発生させることが可能となる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、帰還部３０をコルピッツ型の帰還回路で構成したが、これに代えて、例えばハートレー型の帰還回路等で構成することもできる。
【００５４】
また、上記実施形態では、振動子として圧電振動子を用いたが、これに代えて、例えば水晶振動子等を用いてもよい。また、上記実施形態では、発振回路１を超音波霧化装置１００に適用したが、他の発振回路１Ａ，２，３を用いてもよい。なお、発振回路１〜３の適用対象は超音波霧化装置には限られない。
【符号の説明】
【００５５】
１，１Ａ，２，３ 発振回路
１０，１２，１３ 増幅部
Ｑ１ トランジスタ
Ｕ１ オペアンプ
Ｎ１ インバータ
２０ トランス
Ｌ１ 一次側コイル
Ｌ２ 二次側コイル
３０ 帰還部
４０ 圧電振動子
１００ 超音波霧化装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振回路、及び該発振回路を用いた霧化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発振回路は、さまざまな電子機器において広く利用されている。例えば、特許文献１には、発振回路を利用して超音波振動子を振動させて液体の噴霧を行う噴霧装置が開示されている。このような噴霧装置では、液体の霧化を促進するため、より高い電圧で超音波振動子を駆動することが好ましい。そこで、特許文献１に記載の回路では、電源電圧を昇圧する昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設け、電源電圧を該昇圧回路で噴霧に必要な電圧まで昇圧して発振回路に印加している。そのため、この発振回路によれば、電源電圧よりも高い電圧振幅で超音波振動子を駆動することができる。
【０００３】
また、特許文献２には、発振回路を構成する増幅回路と帰還回路との間に、トランジスタと昇圧コイルとからなる昇圧回路が設けられた発振回路が開示されている。このトランジスタのベースは増幅回路の出力端に接続され、エミッタは接地され、コレクタは昇圧コイルと接続されている。この発振回路によれば、昇圧コイルによって昇圧された信号で圧電振動子を励振駆動することができる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の回路では、発振回路の前段に、電源電圧を昇圧するための昇圧電源回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設ける必要があるため、部品点数が増加し、ひいてはコストの増大や実装面積の増大といった問題が生じる。また、特許文献２に開示されている発振回路では、受動素子で等価的に表される圧電振動子や水晶振動子等を用いた場合には、振動子が安定して自励振を続ける際に、その振動中心に相当する電位、すなわち電源電圧を中心として上下に等しい電圧幅だけ電圧振幅が得られる。そのため、この発振回路で得られる昇圧発振出力の振幅は、電源電圧の２倍までが限界となる。
【０００５】
一方、特許文献３には、増幅部にトランス（変圧器）を導入した発振回路が開示されている。この発振回路では、増幅部を構成するトランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されている。また、該トランスの二次側コイルとコンデンサとが並列に接続されて並列共振回路が形成されるとともに、トランスで昇圧された電圧が圧電トランス（圧電振動子）に印加される構成となっている。この発振回路によれば、より少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−７６１５７号公報
【特許文献２】特許第２９５２８１５号公報
【特許文献３】特公昭６０−５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３に開示されている発振回路では、二次側コイルＬ２とコンデンサＣ１とで形成された並列共振回路により、圧電振動子の共振周波数成分のみを取り出す構成とされているため、図１２に示されるように、ゲインが大きく取れる反面、並列共振周波数１／｛２π√（Ｌ２・Ｃ１）｝付近で位相、ゲインが急変する。そのため、回路定数Ｌ２、Ｃ１のばらつきに対する発振周波数の変動が大きくなる。すなわち、部品ばらつきによって、発振周波数が大きくずれる。この発振回路を例えば超音波霧化器に適用した場合には、部品ばらつきによって圧電振動子の発振周波数がずれることにより、霧化の効率が低下するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能な発振回路、及び該発振回路を用いた霧化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る発振回路は、入力される信号を増幅する増幅部と、一次側コイルと二次側コイルとを有し、増幅部の出力端に一次側コイルが接続されたトランスと、トランスの二次側コイルに一端が接続されるとともに、他端が振動子を介して増幅部の入力端に接続される帰還部とを備え、増幅部及びトランスが特定の共振周波数を持たず、帰還部が、トランスの二次側コイルから出力される信号の内、振動子を共振させる周波数の信号を選択して増幅部へ帰還させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る発振回路によれば、増幅部と帰還部との間にトランスが挿入されている。そのため、高圧電源を設けることなく、トランスの巻数比に応じて、電源電圧の２倍以上の振幅を持った発振信号を生成して、振動子に印加することができる。ここで、増幅部は共振周波数を持たず、専ら帰還部で振動子の共振周波数の信号を選択するように構成されている。このように、増幅部及びトランスは共振周波数（共振回路）を有しないため、ゲインは小さいが、振動子の共振周波数付近においてゲイン、位相回転量が略一定（フラット）になるように設計することができる。よって、増幅部を構成する部品の定数ばらつきによる発振周波数への影響を低減することができる。その結果、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る発振回路では、増幅部が、トランジスタを有し、該トランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されたエミッタ接地型増幅回路であり、ベースとトランスの二次側コイルとの間に帰還部が接続されていることが好ましい。
【００１２】
この場合、トランジスタのコレクタにトランスの一次側コイルが接続されているため、コレクタ端では、電源電圧を中心として該電源電圧の２倍の振幅を持った発振信号が生成される。そして、この発振信号がトランスによってさらに昇圧される。よって、電源電圧をＶｃｃ、トランスの一次側コイルの巻数をＬ１、二次側コイルの巻数をＬ２とすると、２Ｖｃｃ√（Ｌ２／Ｌ１）の振幅を持った発振信号を振動子に印加することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る発振回路では、帰還部が、コルピッツ型又はハートレー型の帰還回路により構成されていることが好ましい。このようにすれば、増幅部が共振回路を有していなくても、すなわち、増幅部が共振周波数を選択する機能を有していなくても、帰還部で発振周波数を決定することができる。
【００１４】
本発明に係る発振回路では、振動子が、圧電振動子であることが好ましい。この場合、振動子として周波数安定性が高い圧電振動子を用いることにより、安定した発振信号を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明に係る霧化装置は、上記発振回路と、圧電振動子に液体を供給する供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る霧化装置によれば、上述した発振回路を備えているため、電源電圧の２倍以上の振幅を持ち、かつ発振周波数変動が小さい発振信号により圧電振動子を駆動することができる。よって、霧化に好適な振幅・周波数を持った発振信号を圧電振動子に印加することができる。その結果、好ましい粒子径の霧を大量に発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図２】第１実施形態に係る発振回路の増幅部（トランスを含む）のシミュレーションモデルを示す図である。
【図３】第１実施形態に係る発振回路の増幅部（トランスを含む）のゲイン・位相特性を示す図である。
【図４】圧電振動子の等価回路を示す回路図である。
【図５】第１実施形態に係る発振回路の動作を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係る発振回路における回路定数ばらつきと発振周波数との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る発振回路の変形例を示す回路図である。
【図８】第２実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図９】第２実施形態に係る発振回路の動作を説明するための図である。
【図１０】第３実施形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図１１】実施形態に係る超音波霧化装置の霧化粒子噴射部を示す模式図である。
【図１２】従来の発振回路の増幅部のゲイン、位相特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
［第１実施形態］
まず、図１を用いて、第１実施形態に係る発振回路１の構成について説明する。図１は、発振回路１の構成を示す回路図である。
【００２１】
発振回路１は、直流電源電圧Ｖｃｃに制限されることなく、圧電振動子４０に適切な電圧を印加して、発振させることができるコルピッツ型の発振回路である。そのため、発振回路１は、入力（又は帰還）される発振信号を増幅する増幅部１０と、一次側コイル（インダクタ）Ｌ１と二次側コイル（インダクタ）Ｌ２とを有し、増幅部１０から出力される発振信号を昇圧するトランス２０と、トランス２０によって昇圧された発振信号を圧電振動子４０を介して増幅部１０に帰還させる帰還部３０とを備えている。なお、増幅部１０及びトランス２０の（ゲイン、位相回転量）を（Ａｖ、θｖ）とし、帰還部３０の（ゲイン、位相回転量）を（Ａβ、θβ）とした場合に、発振回路１は、次式（１）（２）の発振条件（振幅条件及び位相条件）を満たしている。
振幅条件： Ａｖ・Ａβ≧１ ・・・（１）
位相条件： θｖ＋θβ＝３６０・ｎ （ｎ＝０，１，２，・・） ・・・（２）
続いて、発振回路１の各構成要素をより具体的に説明する。
【００２２】
増幅部１０は、励振用のＮＰＮトランジスタＱ１と、そのバイアス抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、によって構成されたエミッタ接地型の増幅回路である。より詳細には、電源Ｖｃｃ−ＧＮＤ間に挿入された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続部に、トランジスタＱ１のベースが接続されており、該ベースには帰還部３０を介して帰還される発振信号が入力される。一方、トランジスタＱ１のエミッタは、抵抗Ｒ３を介して接地されている。また、コレクタには、トランス２０の一次側コイルＬ１が接続されており、増幅部１０で増幅された信号は、このトランス２０に出力される。
【００２３】
トランス２０は、一次側コイル（インダクタ）Ｌ１と二次側コイル（インダクタ）Ｌ２とを有して構成された信号昇圧用のトランスである。ここで、一次側コイルＬ１の一端及び二次側コイルＬ２の一端は電源Ｖｃｃに接続され、一次側コイルＬ１の他端は、トランジスタＱ１のコレクタに接続されている。トランス２０は、増幅部１０から出力される発振信号を一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２との巻数比Ｌ２／Ｌ１に応じて昇圧して出力する。そして、トランス２０によって昇圧された発振信号は、二次側コイルＬ２の他端から出力され、帰還部３０を構成する圧電振動子４０に印加されるとともに、該圧電振動子４０（帰還部３０）を介して上述した増幅部１０を構成するトランジスタＱ１のベースに戻される。なお、トランス２０によって昇圧された発振信号は、Ｖｏｓｃ点から取り出すこともできる。
【００２４】
ここで、図２に示される増幅部１０（トランス２０を含む）のシミュレーションモデルを用いて演算した増幅部１０（トランス２０を含む）のゲイン、位相特性を図３に示す。図２に示されるように、このシミュレーションモデルでは、トランジスタＱ１としてＱＣ１８１５（２ＳＣ１８１５）を用い、抵抗Ｒ１，Ｒ２＝１０ｋΩ、抵抗Ｒ３＝４．７Ω、トランス２０の一次側コイルＬ１＝３０μＨ、二次側コイルＬ２＝１８０μＨ、コンデンサＣ３＝１μＦと設定した。また、電源電圧Ｖｃｃ＝３Ｖ、入力信号源Ｖ１をＡＣ１０Ｖとしてシミュレーションを行った。
【００２５】
シミュレーションの結果を図３に示す。図３の横軸は周波数（ｋＨｚ）、縦軸はゲイン（ｄＢ：左目盛）及び位相（ｄｅｇ：右目盛）である。また、ゲインを実線で、位相を破線で示した。増幅部１０（トランス２０を含む）は並列共振回路を含んでいないため、ゲインは低いが、図３に示されるように、ゲイン及び位相回転量は圧電振動子４０の共振周波数（１１５ｋＨｚ）付近において略一定となっている。そのため、回路定数ばらつきの発振周波数に及ぼす影響が非常に小さい。
【００２６】
帰還部３０は、圧電振動子４０と帰還コンデンサＣ１，Ｃ２とからなる所謂コルピッツ型の帰還回路として構成されている。具体的には、圧電振動子４０の入力端子がトランス２０の二次側コイルＬ２に接続されるとともに、圧電振動子４０の出力端子が増幅部１０のトランジスタＱ１のベースに接続されている。また、圧電振動子４０の入力端子がコンデンサＣ１を介して接地されるとともに、圧電振動子４０の出力端子がコンデンサＣ２を介して接地されている。帰還部３０は、上述した位相条件を満たすように位相回転量を調整する。また、帰還部３０は、発振回路１の発振周波数を決定する周波数選択機能を有している。すなわち、帰還部３０は、トランス２０の二次側コイルＬ２から出力される信号の内、圧電振動子４０を共振させる周波数の発振信号を選択して増幅部１０へ戻す働きをする。
【００２７】
圧電振動子４０は、例えば、ＰＺＴやチタン酸バリウム等の圧電セラミックスから形成されている。圧電振動子４０は、図４に示されるように、コイルＬｓ、コンデンサＣｓ、及び抵抗器Ｒｓの直列回路と、コンデンサＣｐとが並列接続された等価回路で表される。圧電振動子４０は、特定の周波数で共振特性を示し、電圧が印加されると逆圧電効果によって強い機械的振動を起こし、その機械的振動に見合った電圧を圧電効果によって出力する。なお、この機械的振動が、例えば、液体の霧化等に利用される。
【００２８】
次に、図１及び図５を併せて参照しつつ、発振回路１の動作について説明する。ここで、図５は、発振回路１の動作を説明するための図であり、発振回路１各部の動作波形を（ａ）〜（ｄ）に示す。具体的には、図５（ａ）はトランジスタＱ１のベース電位Ｖｂ（Ｖ）を示し、（ｂ）は一次側コイルＬ１の誘導起電流ＩＬの変化割合ｄＩＬ／ｄｔ（ｍＡ）を示す。また、（ｃ）はトランジスタＱ１のコレクタ電位Ｖｃ（図１のＶｃ点の電位）（Ｖｐｐ）を示し、（ｄ）は、発振回路１の出力Ｖｏｓｃ（図１のＶｏｓｃ点の電位）（Ｖｐｐ）を示す。ここでは、上記各動作波形を（１）第１過程〜（４）第４過程（図５において破線で区切られた（１）〜（４）に対応）に分けて説明する。
【００２９】
（１）第１過程
第１過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈ（０．６Ｖ）よりも大きく、かつベース電位Ｖｂが増加する過程である。この過程では、まず、ベース電位Ｖｂが増加し始めることに伴い、トランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間が導通し始め、トランジスタＱ１が次第にＯＮ状態となる。それにより、図１に示す矢印の向き（以下「＋」方向という）に一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが増加し始める。一方、電流Ｉｃが増加するに従って、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃの増加を妨げる方向（「−」方向）に、誘導起電流ＩＬが流れる。その結果、コイルＬ１には誘導起電圧−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔが発生する。第１過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＜０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ＋Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔと昇圧される。なお、コイルＬ１で位相遅れが９０°生じるため、ベース電位Ｖｂに対してコレクタ電位Ｖｃは常に９０°遅れる。
【００３０】
（２）第２過程
第２過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも大きく、かつベース電位Ｖｂが減少する過程である。この過程では、ベース電位Ｖｂが減少し始めることに伴って、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが減少し始める。そのため、その変化を妨げる向き（「＋」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるように、Ｖｃ点（図１参照）に誘導起電圧が発生する。第２過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＞０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなり、減少を始める。ただし、トランジスタＱ１のコレクタ電位ＶｃはＧＮＤ以下にはならないため、コレクタ電位Ｖｃ＝ＧＮＤとなったところで減少は止まる。
【００３１】
（３）第３過程
第３過程は、ベース電位Ｖｂが、トランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも小さく、かつベース電位Ｖｂがさらに減少する過程である。この過程において、ベース電位Ｖｂが減少すると、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃがさらに減少する。ただし、その減少割合は次第に低下する。それに伴い、その変化を妨げる向き（「＋」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるようにＶｃ点に発生する誘導起電圧も徐々に低下する。よって、第３過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＞０であるため、コレクタ電位ＶｃはＶｃｃ−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなるが、ここで、−Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔの値が次第に減少するため、Ｖｃ点の電位は徐々に増加する。
【００３２】
（４）第４過程
第４過程は、ベース電位ＶｂがトランジスタＱ１の閾値Ｖｔｈよりも小さく、かつベース電位Ｖｂが増加する過程である。この過程において、ベース電位Ｖｂが増加に転じると、それに合わせて、一次側コイルＬ１に流れる電流Ｉｃが増加に転じる。よって、その変化を妨げる向き（「−」方向）に誘導起電流ＩＬが流れるように、Ｖｃ点に誘導起電圧が発生する。第４過程では、ｄＩＬ／ｄｔ＜０であるため、コレクタ電位Ｖｃは、Ｖｃｃ＋Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔとなり、さらに増加する。ただし、その増加割合は徐々に低下する。
【００３３】
このように、コレクタ電位Ｖｃ（Ｖｃ点）には、電源電圧Ｖｃｃを基準として、±Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔだけ昇圧された信号が出力される。ただし、上述したようにコレクタ電位Ｖｃ＜ＧＮＤとはならないので、得られる振幅の下限はＧＮＤである。また、圧電振動子４０は機械的共振子であり、基準バイアス電圧に対して正負方向に等しく振動することから、Ｖｃ点で得られる発振振幅は最大で２×Ｖｃｃ（Ｖｐｐ）となる。
【００３４】
そして、次に、得られた発振信号Ｖｃは、トランス２０の二次側コイルＬ２に伝達されることで、電源電圧範囲（Ｖｃｃ−ＧＮＤ）に制限されることなく、√（Ｌ２／Ｌ１）倍に昇圧されて出力される（図５（ｄ）参照）。従って、Ｖｏｓｃ点（図１参照）で得られる振動振幅Ｖｏｓｃは、２×Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）となる。
【００３５】
本実施形態によれば、トランジスタＱ１のコレクタにトランス２０の一次側コイルＬ１が接続されているため、コレクタ端では、電源電圧Ｖｃｃを中心として該電源電圧Ｖｃｃの２倍の振幅を持った発振信号が生成される。そして、この発振信号がトランス２０によってさらに昇圧されるため、電源電圧Ｖｃｃ×２×√（Ｌ２／Ｌ１）の発振振幅Ｖｏｓｃを得ることができる。よって、トランス２０の巻数比Ｌ２／Ｌ１を適切に設定することで、圧電振動子４０を、電源電圧Ｖｃｃの２倍以上の発振振幅Ｖｏｓｃで駆動することができる。また、増幅部１０及びトランス２０は共振周波数を持たず、専ら帰還部３０で圧電振動子４０の共振周波数の発振信号を選択するように構成されている。このように、増幅部１０及びトランス２０は共振周波数（共振回路）を持たないため、ゲインは小さいが、圧電振動子４０の共振周波数付近においてゲイン、位相回転量が略一定になるように設計することができる。よって、増幅部１０を構成する部品の定数ばらつきによる発振周波数への影響を低減することができる。その結果、少ない部品点数で電源電圧の２倍以上の振幅を得ることができ、かつ、回路を構成する電子部品の定数ばらつきに起因する発振周波数変動を低減することが可能となる。
【００３６】
ここで、発振回路１における回路定数ばらつきと発振周波数との関係を図６に示す。また、図６には、増幅部に並列共振回路を含む上記特許文献３記載の従来技術における回路定数ばらつきと発振周波数との関係も併せて示した。図６の実線は、発振回路１を構成するトランス２０の二次側コイルＬ２、及び帰還部３０のコンデンサＣ１，Ｃ２の定数を±１０％変化させたときの発振周波数変動量をシミュレーションにより求めた結果である。また、図６の破線は、従来技術の増幅部の並列共振回路の二次側コイルＬ２、コンデンサＣ１の定数を±１０％変化させたときの発振周波数変動量をシミュレーションにより求めた結果である。図６に示されるように、発振回路１では、部品の定数が±１０％変化したとしても、発振周波数変動量は略ゼロである。このように、発振回路１は、部品の定数ばらつきに対する発振周波数の安定性に優れていることがシミュレーションによっても確認された
【００３７】
さらに、本実施形態によれば、振動子として周波数安定性が高い圧電振動子４０を用いることにより、より安定した発振信号を得ることができる。
【００３８】
［第１実施形態の変形例］
上述した発振回路１では、一次側コイルＬ１の一端及び二次側コイルＬ２の一端は共に電源Ｖｃｃに接続されていたが、一次側コイルＬ１の一端を電源Ｖｃｃに接続するとともに、二次側コイルＬ２の一端をＧＮＤに接続する構成としてもよい。ここで、このように構成した発振回路１Ａを図７に示す。発振回路１Ａによれば、上述した発振回路１と同様の効果を奏することができる。さらに、この発振回路１Ａによれば、ＧＮＤ電位を基準に±Ｌ１・ｄＩＬ／ｄｔだけ昇圧された信号がＶｃ点に出力されるため、直流電圧が印加されない形で圧電振動子４０を駆動することが可能となる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、図８を用いて、第２実施形態に係る発振回路２の構成について説明する。図８は、発振回路２の構成を示す回路図である。なお、図８において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４０】
発振回路２は、トランジスタを用いた増幅部１０に代えて、オペアンプを用いた増幅部１２が用いられている点で上述した発振回路１と異なっている。また、それに合わせて、トランス２０の接続形態が発振回路１と異なっている。なお、その他の構成は、発振回路１と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
増幅部１２は、オペアンプＵ１と、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２とで構成された反転増幅器を有している。より具体的には、両電源タイプのオペアンプＵ１と、帰還部３０とオペアンプＵ１の反転入力端子（−）とを接続する抵抗Ｒ２１と、オペアンプＵ１の出力端子と反転入力端子（−）とを接続する帰還（フィードバック）抵抗Ｒ２２とで反転増幅器が構成されている。オペアンプＵ１の非反転入力端子（＋）は、接地されている。また、オペアンプＵ１の出力端子とトランス２０のコイルＬ１とはコンデンサＣ２３を介して接続されている。このコンデンサＣ２３は、オペアンプＵ１の出力端子とトランス２０の一次側コイルＬ１とが直流的に短絡されることを防ぐための直流成分カット用コンデンサである。
【００４２】
上述したように、トランス２０の一次側コイルＬ１の一端はコンデンサＣ２３を介してオペアンプＵ１の出力端子に接続されており、該一次側コイルＬ１の他端は接地されている。一方、トランス２０の二次側コイルＬ２の一端は帰還部３０に接続されており、該二次側コイルＬ２の他端は接地されている。トランス２０によって昇圧された発振信号は、二次側コイルＬ２の一端から出力され、帰還部３０を構成する圧電振動子４０に印加されるとともに、該圧電振動子４０（帰還部３０）及び抵抗Ｒ２１を介してオペアンプＵ１の反転入力端子（−）にフィードバックされる。なお、帰還部３０の構成は、上述した第１実施形態のものと同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４３】
次に、図８及び図９を併せて参照しつつ、発振回路２の動作について説明する。ここで、図９は、発振回路２の動作を説明するための図であり、発振回路２各部の動作波形を（ａ）〜（ｃ）に示す。具体的には、図９（ａ）はオペアンプＵ１の入力電圧ＡＭＰ＿ＩＮ（Ｖｐｐ）を示し、（ｂ）はオペアンプＵ１の出力電圧ＡＭＰ＿ＯＵＴ（Ｖｐｐ）を示し、（ｃ）は発振回路２の出力ＯＳＣ＿ＯＵＴ（Ｖｐｐ）を示す。
【００４４】
まず、図９（ａ）に示される発振信号がオペアンプＵ１の反転入力端子（−）に入力された場合、この入力信号に対して位相が１８０°変化（反転）した出力信号（増幅信号）がオペアンプＵ１の出力端子から出力される（図９（ｂ）参照）。なお、増幅部１２では、増幅素子であるオペアンプＵ１に供給される電源電圧範囲（Ｖｃｃ−Ｖｅｅ）の振幅を持った出力信号が得られる。
【００４５】
オペアンプＵ１から出力された発振信号は、トランス２０の一次側コイルＬ１に入力される。ここで、トランス２０は受動素子であるため、オペアンプＵ１に供給される電源電圧幅に制限を受けることが無く、一次側コイルＬ１に入力された信号を√（Ｌ２／Ｌ１）倍に昇圧して二次側コイルＬ２から出力する。その結果、発振回路２の出力Ｖｏｓｃは、Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）となる。
【００４６】
本実施形態によれば、電源電圧Ｖｃｃ×√（Ｌ２／Ｌ１）の発振振幅Ｖｏｓｃを得ることができる。よって、トランス２０の巻数比Ｌ２／Ｌ１を適切に設定することで、圧電振動子４０を、電源電圧Ｖｃｃの２倍以上の発振振幅Ｖｏｓｃで駆動することができる。
【００４７】
［第３実施形態］
次に、図１０を用いて、第３実施形態に係る発振回路３の構成について説明する。図１０は、発振回路３の構成を示す回路図である。なお、図１０において第２実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４８】
発振回路３は、オペアンプＵ１の反転増幅器を用いた増幅部１２に代えて、ＣＭＯＳインバータを用いた増幅部１３が用いられている点で上述した発振回路２と異なっている。なお、その他の構成は、発振回路２と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。本実施形態によっても、上述した第２実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
【００４９】
続いて、図１１を参照しつつ、発振回路１を用いた超音波霧化装置１００について説明する。図１１は、超音波霧化装置１００の霧化粒子噴射部を示す模式図である。
【００５０】
超音波霧化装置１００の霧化粒子噴射部は、フレーム１０１に支持された円盤状の圧電振動子（圧電セラミック）４０と、圧電振動子４０の中心部に形成され、該圧電振動子４０の振動面に液体を供給するオリフィス（供給手段）１０２とを備えている。圧電振動子４０には、該圧電振動子４０を超音波振動させる発振回路１が接続されている。また、オリフィス１０２には、図示省略した貯留タンクから配管を通して、例えば芳香剤を含む液体などが供給される。
【００５１】
このような超音波霧化装置１００において、発振回路１の電源がＯＮされた場合、発振回路１から出力される発振信号によって圧電振動子４０が駆動されて超音波振動を開始するとともに、オリフィス１０２から例えば芳香剤を含む液体などが圧電振動子４０の振動面に供給される。ここで、圧電振動子４０から機械的エネルギーを得て液体の霧化に利用する場合は、圧電振動子４０に高電圧を印加することが好ましい。そのため、超音波霧化装置１００では、発振回路１の電源電圧Ｖｃｃを３Ｖとし、発振回路１を構成する増幅部１０及びトランス２０によって発振信号を増幅・昇圧し、電源電圧Ｖｃｃ以上の自励振振幅を得ている。より具体的には、安定して霧化を得るために、圧電振動子４０の共振周波数において、１０Ｖｐｐにて自励振させている。その結果、圧電振動子４０が超音波振動することによって、圧電振動子４０の表面に供給される例えば芳香剤を含む液体が霧化され、霧化粒子噴射部から外部へ放出される。
【００５２】
本実施形態によれば、圧電振動子４０を駆動する発振回路に上述した発振回路１を適用しているため、電源電圧Ｖｃｃ×２×√（Ｌ２／Ｌ１）倍の振幅を持ち、かつ発振周波数変動が小さい発振信号を圧電振動子４０に供給することができる。よって、霧化に好適な振幅・周波数を持った発振信号で圧電振動子４０を駆動することができる。その結果、用途に適した好ましい粒子径の霧を大量に発生させることが可能となる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、帰還部３０をコルピッツ型の帰還回路で構成したが、これに代えて、例えばハートレー型の帰還回路等で構成することもできる。
【００５４】
また、上記実施形態では、振動子として圧電振動子を用いたが、これに代えて、例えば水晶振動子等を用いてもよい。また、上記実施形態では、発振回路１を超音波霧化装置１００に適用したが、他の発振回路１Ａ，２，３を用いてもよい。なお、発振回路１〜３の適用対象は超音波霧化装置には限られない。
【符号の説明】
【００５５】
１，１Ａ，２，３ 発振回路
１０，１２，１３ 増幅部
Ｑ１ トランジスタ
Ｕ１ オペアンプ
Ｎ１ インバータ
２０ トランス
Ｌ１ 一次側コイル
Ｌ２ 二次側コイル
３０ 帰還部
４０ 圧電振動子
１００ 超音波霧化装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される信号を増幅する増幅部と、
一次側コイルと二次側コイルとを有し、前記増幅部の出力端に一次側コイルが接続されたトランスと、
前記トランスの二次側コイルに一端が接続されるとともに、他端が振動子を介して前記増幅部の入力端に接続される帰還部と、を備え、
前記増幅部及び前記トランスは特定の共振周波数を持たず、
前記帰還部は、前記トランスの二次側コイルから出力される信号の内、前記振動子を共振させる周波数の信号を選択して前記増幅部へ帰還させることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記増幅部は、トランジスタを有し、該トランジスタのコレクタに前記トランスの一次側コイルが接続されたエミッタ接地型増幅回路であり、ベースと前記トランスの二次側コイルとの間に前記帰還部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記帰還部は、コルピッツ型又はハートレー型の帰還回路により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振回路。
【請求項４】
前記振動子は、圧電振動子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発振回路。
【請求項５】
請求項４に記載の発振回路と、
前記圧電振動子に液体を供給する供給手段と、を備えることを特徴とする霧化装置。
【請求項１】
入力される信号を増幅する増幅部と、
一次側コイルと二次側コイルとを有し、前記増幅部の出力端に一次側コイルが接続されたトランスと、
前記トランスの二次側コイルに一端が接続されるとともに、他端が振動子を介して前記増幅部の入力端に接続される帰還部と、を備え、
前記増幅部及び前記トランスは特定の共振周波数を持たず、
前記帰還部は、前記トランスの二次側コイルから出力される信号の内、前記振動子を共振させる周波数の信号を選択して前記増幅部へ帰還させることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記増幅部は、トランジスタを有し、該トランジスタのコレクタに前記トランスの一次側コイルが接続されたエミッタ接地型増幅回路であり、ベースと前記トランスの二次側コイルとの間に前記帰還部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記帰還部は、コルピッツ型又はハートレー型の帰還回路により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振回路。
【請求項４】
前記振動子は、圧電振動子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発振回路。
【請求項５】
請求項４に記載の発振回路と、
前記圧電振動子に液体を供給する供給手段と、を備えることを特徴とする霧化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１０１０７２（Ｐ２０１１−１０１０７２Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２５３４（Ｐ２００９−２５２５３４）
【出願日】平成２１年１１月３日（２００９．１１．３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３日（２００９．１１．３）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]