(57)【要約】【課題】簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路を過大電流から保護する。【解決手段】超音波振動子ＴＤを駆動するトランジスタ発振回路２０と、これを保護する保護回路３０とを備え、保護回路３０は、発振回路２０への電源供給ラインを遮断するためのＦＥＴＱ２と、発振回路２０への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗Ｒ３と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持するＳＣＲとを有している。ＦＥＴＱ２はＳＣＲで制御され、ＳＣＲのオフ状態ではＦＥＴＱ２は導通状態となり、ＳＣＲのオン状態ではＦＥＴＱ２は遮断状態となって、発振回路２０への電力供給を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子を駆動するトランジスタ発振回路と、前記発振回路を保護する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記発振回路への電源供給ラインを遮断するための第１の半導体スイッチ素子と、
前記発振回路への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗と、
前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持する第２の半導体スイッチ素子とを有し、
前記第１の半導体スイッチ素子は前記第２の半導体スイッチ素子で制御され、前記第２の半導体スイッチ素子のオフ状態では前記第１の半導体スイッチ素子は導通状態となり、前記第２の半導体スイッチ素子のオン状態では前記第１の半導体スイッチ素子は遮断状態となって、前記発振回路への電力供給を遮断することを特徴とする超音波振動子駆動回路。
【請求項２】
前記第２の半導体スイッチ素子のゲートに時定数回路を介して前記電圧降下による電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子駆動回路。
【請求項３】
前記発振回路による超音波振動子の駆動をオン、オフするスイッチは、前記第２の半導体スイッチ素子の自己保持を解除しないように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波振動子駆動回路。
【請求項４】
前記第２の半導体スイッチ素子が、サイリスタ又はトライアックであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波振動子駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を発生して液体を霧化するための超音波振動子（圧電振動子）を駆動する超音波振動子駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を発生して液体を霧化する超音波霧化器が広く用いられている。そのような超音波霧化器において、超音波振動子自体又は超音波振動子両端間が短絡する事象が発生すると超音波振動子駆動回路のトランジスタが破損するおそれがあるため、保護対策が必要である。また、超音波振動子の劣化により漏洩電流が発生することが知られており、漏洩電流による超音波霧化器不具合に対する保護対策が必要となる。
【０００３】
図２は従来の超音波振動子駆動回路の基本的な回路構成を示す。この図において、超音波振動子駆動回路は、発振用トランジスタＱ１、コンデンサＣ１〜Ｃ４、コイルＬ１，Ｌ２、バイアス用抵抗Ｒ１，Ｒ２を介してトランジスタＱ１のコレクタ−ベース間に接続される超音波振動子ＴＤとを有するコルピッツ型発振回路であり、正側及び負側電源ライン間に直流電源１０が接続されている。
【０００４】
この図２の回路構成において、超音波振動子ＴＤの両端が短絡すると、発振用トランジスタＱ１のコレクタ−ベース間が短絡状態となり過大電流が流れ、トランジスタＱ１が破損してしまう。
【０００５】
図３は従来の超音波振動子駆動回路のもう一つの回路構成を示し、図２の回路構成に加えて、超音波振動子ＴＤに直列に直流カット用コンデンサＣ６を挿入している。この場合、コンデンサＣ６で直流成分の電流はカットでき、超音波振動子ＴＤの両端が短絡することに起因する発振用トランジスタＱ１の破損は回避できるが、トランジスタＱ１のベースには必ずバイアス電流をバイアス用抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して供給する必要があるため、バイアス電流供給側が短絡した場合には、ベース電流の流入を防止することは基本的に困難である。
【０００６】
下記特許文献１は、圧電振動子を用いる噴霧装置において、過電流保護機能を付加したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−７９７２８号公報  この特許文献１では、駆動回路と振動子間に電流電圧変換回路及び全波整流回路を設けさらにその出力を２値化するためのアナログ／ディジタル変換回路と、過大電流の事象を計測する為の論理演算機構が必要となる。マイコン等の処理回路を用いると高度の処理が可能だが、マイコン用の電源、マイコン自身の費用が発生する。消費電流も多少ではあるが増加する。
【０００８】
また、その他の過大電流対策として、駆動回路中に抵抗フューズを挿入し、過大電流が流れた際に、フューズが溶断することで回路接続を切断する構成が提案されている。しかし、この対策では、駆動回路部品が殆ど使える状態でも使用者が簡単に抵抗フューズを交換できないため、駆動回路を稼働させようとしても使用できず、販売者に機材を返却、修理する必要が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路を過大電流から保護することが可能な超音波振動子駆動回路を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、簡単な回路構成によってトランジスタ発振回路の過大電流乃至漏洩電流を検出して動作停止とすることで安全性を向上させることが可能な超音波振動子駆動回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は超音波振動子駆動回路である。この超音波振動子駆動回路は、超音波振動子を駆動するトランジスタ発振回路と、前記発振回路を保護する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記発振回路への電源供給ラインを遮断するための第１の半導体スイッチ素子と、前記発振回路への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持する第２の半導体スイッチ素子とを有し、
前記第１の半導体スイッチ素子は前記第２の半導体スイッチ素子で制御され、前記第２の半導体スイッチ素子のオフ状態では前記第１の半導体スイッチ素子は導通状態となり、前記第２の半導体スイッチ素子のオン状態では前記第１の半導体スイッチ素子は遮断状態となって、前記発振回路への電力供給を遮断することを特徴とする。
【００１２】
前記第１の態様において、前記第２の半導体スイッチ素子のゲートに時定数回路を介して前記電圧降下による電圧を印加するとよい。
【００１３】
前記第１の態様において、前記発振回路による超音波振動子の駆動をオン、オフするスイッチは、前記第２の半導体スイッチ素子の自己保持を解除しないように設けられているとよい。
【００１４】
前記第１の態様において、前記第２の半導体スイッチ素子が、サイリスタ又はトライアックであるとよい。
【００１５】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波振動子駆動回路によれば、簡単な回路構成の保護回路によって、トランジスタ発振回路を過大電流から保護可能である。また、トランジスタ発振回路の過大電流乃至漏洩電流を検出して動作停止とすることで安全性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る超音波振動子駆動回路の第１の実施の形態を示す回路図。
【図２】従来の基本的な超音波振動子駆動回路の回路図。
【図３】従来のもう一つの超音波振動子駆動回路の回路図。
【図４】本発明に係る超音波振動子駆動回路の第２の実施の形態を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１９】
図１は本発明に係る超音波振動子駆動回路の第１の実施の形態であって、図２と同様のトランジスタ発振回路（コルピッツ型発振回路）２０に保護回路３０を付加したものである。トランジスタ発振回路２０及び保護回路３０は駆動基板に搭載され、図２の場合と同様に、超音波振動子ＴＤは前記駆動基板に搭載されたトランジスタＱ１のコレクタ−ベース間に接続される。
【００２０】
保護回路３０は、トランジスタ発振回路２０と直流電源１０とを接続する負側電源ラインに直列に挿入された電流検出抵抗Ｒ３及び第１の半導体スイッチ素子としてのエンハンスメント（enhancement type）型のＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２と、正側電源ラインと負側電源ライン間に接続される抵抗Ｒ４及び第２の半導体スイッチ素子としてのサイリスタ（ＳＣＲ：登録商標）Ｑ３と、サイリスタＱ３のゲートに電流検出抵抗Ｒ３の電圧降下による電圧を印加するＣＲ時定数回路（コンデンサＣ５及び抵抗Ｒ５）とを有している。
【００２１】
なお、トランジスタ発振回路２０には、超音波振動子ＴＤの駆動をオン、オフするスイッチＳＷ１がバイアス用抵抗Ｒ１，Ｒ２とトランジスタＱ１のベース間に挿入され、抵抗Ｒ６がトランジスタＱ１のベースと電流検出抵抗Ｒ３の一端との間に接続されている。抵抗Ｒ６はスイッチＳＷ１がオフのときにトランジスタＱ１のベースを負側ラインの電位として、トランジスタＱ１を確実にオフ状態とするものである。
【００２２】
前記保護回路３０において、電流検出抵抗Ｒ３は発振回路２０への供給電流に比例する電圧降下を生じるものであり、その抵抗Ｒ３の両端の電圧がコンデンサＣ５及び抵抗Ｒ５からなる時定数回路を通してサイリスタＱ３のゲートに印加される（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２が導通時は前記電圧降下が実質的にサイリスタＱ３のゲートとカソード間電圧となる）。サイリスタＱ３はカソードを基準としたゲート電圧が、所定値（例えば１Ｖ）以上となったときにターンオンするものである。前記所定値は、直流電源１０から過大電流がトランジスタ発振回路２０に流れ込んだときの電流検出抵抗Ｒ３の電圧降下に相当する電圧値である。サイリスタＱ３がターンオンするとＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートは負側電源ラインと同電位となって、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２はオフとなる。
【００２３】
コンデンサＣ５及び抵抗Ｒ５からなる時定数回路の時定数は、電源電圧投入時に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２が導通状態になった直後に保護回路３０の保護機能が働くように設定する。すなわち、電源投入直後のＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２の内部抵抗が無視できない状態のときは、サイリスタＱ３のゲートとカソード間の電圧となる電流検出抵抗Ｒ３とＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２の直列抵抗値による電圧降下が大きくなり、サイリスタＱ３のゲート電圧が過大となって、過電流状態であると誤認してターンオンする可能性があるが、時定数回路の時定数（例えば数１０ｍｓ）でゲート電圧の上昇を緩やかにして電源投入直後のサイリスタＱ３の誤動作を回避している。また、前記時定数回路は外来ノイズ等に起因する急激なゲート電圧の変動も防止している。
【００２４】
図１の構成において、トランジスタ発振回路２０の発振用トランジスタＱ１のコレクタ−ベース間に超音波振動子ＴＤを接続した後、直流電源１０を正側電源ライン及び負側電源ライン間に接続して電源投入し、さらにトランジスタＱ１のベースバイアス回路に挿入されたスイッチＳＷ１をオンにすれば、コルピッツ型発振回路であるトランジスタ発振回路が発振して超音波振動子ＴＤで超音波振動を発生し、所要の液体霧化動作を行う。正常時は保護回路３０の電流検出抵抗Ｒ３の電圧降下はサイリスタＱ３がターンオンする所定値よりも低い電圧値である。このため、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートには抵抗Ｒ４を介して正側電源ラインの電圧が加わり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２はオン状態を維持している。また、スイッチＳＷ１をオフにすれば、トランジスタ発振回路２０の発振は停止し、超音波振動子ＴＤの超音波振動も停止する。
【００２５】
一方、超音波振動子ＴＤ自体の短絡状態等に起因して発振用トランジスタＱ１に過大電流が流れると、保護回路３０の電流検出抵抗Ｒ３の電圧降下がサイリスタＱ３がターンオンする所定値以上となり、この電圧値がコンデンサＣ５及び抵抗Ｒ５からなる時定数回路を通して、微小時間遅れでサイリスタＱ３のゲートに印加される（この時点ではＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２は導通しており、前記電圧降下がサイリスタＱ３のゲートとカソード間電圧となる）。このため、サイリスタＱ３がターンオンしてＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電位は負側電源ラインの電位となり（ゲート−ソース間が実質的に短絡され）、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２はオフ状態となる（トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断する）。サイリスタＱ３は一旦ターンオンすると、抵抗Ｒ４を通して電流が流れて、ターンオン状態を自己保持する。このため、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２もオフ状態を維持して、トランジスタ発振回路２０への通電停止を継続する。
【００２６】
スイッチＳＷ１のオン、オフ操作ではターンオンしたサイリスタＱ３をオフ状態に戻すことはできない。直流電源１０を一旦駆動回路から外し、その後直流電源１０を接続することで、サイリスタＱ３をオフ状態に戻すことができる。
【００２７】
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
【００２８】
(1) トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断するためのＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２と、発振回路２０への供給電流に比例する電圧降下を生じる電流検出抵抗Ｒ３と、前記電圧降下が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持するサイリスタＱ３とを有する簡単な回路構成の保護回路３０によって、トランジスタ発振回路２０を過大電流から保護可能である。
【００２９】
(2)  保護回路３０内のサイリスタＱ３は一旦ターンオン後はその状態を自己保持する。このため、過大電流の原因が除去されても再度トランジスタ発振回路２０に通電される不都合を除去できる。
【００３０】
(3) コンデンサＣ５及び抵抗Ｒ５からなる時定数回路を通してサイリスタＱ３のゲート電圧を供給しており、コンデンサＣ５の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した保護回路３０の動作を実現できる。
【００３１】
(4) 保護回路３０のサイリスタＱ３は正常動作状態ではオフであり、待機電流を消費しないし、過大電流検出後も抵抗Ｒ４を通した自己保持のための電流を消費するだけである。マイコン等の処理回路を使用しないので、ソフトウエア開発が不要で、簡単に回路を構成できる。
【００３２】
図４は本発明の第２の実施の形態を示す。この第２の実施の形態は、図２と同様のトランジスタ発振回路（コルピッツ型発振回路）２０に保護回路４０を付加したものである。トランジスタ発振回路２０及び保護回路４０は駆動基板に搭載され、図２の場合と同様に、超音波振動子ＴＤはトランジスタＱ１のコレクタ−ベース間に接続される。
【００３３】
保護回路４０は、超音波振動子ＴＤの直流電流成分（換言すれば、超音波振動子ＴＤ自体に流れる漏洩電流等）を検出し、それらの漏洩電流が所定閾値以上となった場合に、トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断してその動作を停止するものである。
【００３４】
保護回路４０は、トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断するための第１の半導体スイッチ素子としてのＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２と、ゲート電圧が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持する第２の半導体スイッチ素子としてのサイリスタＱ３と、サイリスタＱ３に直列に接続される停止表示部としての発光ダイオードＤ２と、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ４を有する増幅回路としてのソース・フォロアと、コンデンサＣ７，Ｃ８と、抵抗Ｒ４，Ｒ８〜Ｒ１４とを有する。
【００３５】
また、トランジスタ発振回路２０において、超音波振動子ＴＤの直流電流成分を検出するために、超音波振動子ＴＤの一端と発振用トランジスタＱ１のベース間に直流阻止コンデンサＣ９及び抵抗Ｒ７の直列接続が挿入されるとともに、超音波振動子ＴＤに対して直列に保護回路４０内の抵抗Ｒ８，Ｒ９が接続される。つまり、直流電源１０の正側及び負側電源ライン間に超音波振動子ＴＤ及び抵抗Ｒ８，Ｒ９の直列回路が接続され、抵抗Ｒ９が超音波振動子ＴＤの直流電流成分に比例した検出電圧を発生する電流検出抵抗となる。
【００３６】
保護回路４０において、抵抗Ｒ９と並列に交流成分を除去するためのコンデンサＣ７が接続されている。コンデンサＣ７の両端において、交流成分は、正側電流成分と負側電流成分を合計する（積分する）と「ゼロ」になるため、漏洩電流である直流成分だけが検出可能となる。
【００３７】
超音波振動子ＴＤの直流電流成分に比例した検出電圧を増幅する増幅回路としてのソース・フォロアは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ４を含み、そのゲートには抵抗Ｒ８とＲ９で分圧された電圧が印加されるようになっている。直流電源１０の供給電圧が例えば４８Ｖと高いため、一般的なＦＥＴで取り扱いやすい５Ｖ以下にベース電圧を下げている。ソース・フォロアの入力側はハイ・インピーダンスであり、抵抗Ｒ８，Ｒ９は充分高い抵抗値とすることが可能であり、トランジスタ発振回路２０に影響を及ぼさないようにすることが可能である。ソース・フォロアの出力側はロー・インピーダンスであり、サイリスタＱ３を確実にターンオンさせることができる。ソース・フォロアの出力電圧はコンデンサＣ８及び抵抗Ｒ１２からなるＣＲ時定数回路を通してサイリスタＱ３のゲートに供給される。コンデンサＣ８の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した動作を実現できる。
【００３８】
なお、トランジスタ発振回路２０の発振用トランジスタＱ１のベースバイアス回路に挿入されたコイルＬ３及びコンデンサＣ１０はトランジスタ発振回路２０の交流成分の流出防止のために設けられており、抵抗Ｒ１５はトランジスタＱ１のベース電流の安定化のためにコイルＬ３とトランジスタＱ１のベース間に挿入されている。定電圧ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ７はトランジスタＱ１の保護のために設けられている。
【００３９】
図４の第２の実施の形態において、超音波振動子ＴＤの漏洩電流が所定閾値以上となったとき、漏洩電流に比例する抵抗Ｒ９の両端の電圧が所定値以上となり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ４のソース電圧はサイリスタＱ３がターンオンする所定値以上となり、この電圧値がコンデンサＣ８及び抵抗Ｒ１２からなるＣＲ時定数回路を通して、サイリスタＱ３のゲートに印加される。このため、サイリスタＱ３がターンオンしてＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電位は負側電源ラインの電位となり（ゲート−ソース間が実質的に短絡され）、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２はオフ状態となる（トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断する）。サイリスタＱ３は一旦ターンオンすると、抵抗Ｒ４を通して電流が流れて、ターンオン状態を自己保持する。このため、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＱ２もオフ状態を維持して、トランジスタ発振回路２０への通電停止を継続する。サイリスタＱ３のターンオンによりトランジスタ発振回路２０の動作停止期間中、停止表示部としての発光ダイオードＤ２が点灯して異常を報知することができる。
【００４０】
第２の実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
【００４１】
(1) トランジスタ発振回路２０への電源供給ラインを遮断するためのＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ２と、超音波振動子ＴＤの直流電流成分（超音波振動子ＴＤ自体に流れる漏洩電流及び超音波振動子ＴＤに並列に流れる漏洩電流）に比例する電圧を生じる電流検出抵抗Ｒ９と、前記漏洩電流に比例する電圧が所定値以上でターンオンし、以後オン状態を自己保持するサイリスタＱ３とを有する保護回路４０によって、漏洩電流が所定閾値に達した場合に、トランジスタ発振回路２０の動作を停止して使用不能とすることで、漏洩電流に起因する不具合の発生を未然に防止できる。従って、簡単な回路構成で安全性を向上させることができる。
【００４２】
(2) 保護回路４０内のサイリスタＱ３は一旦ターンオン後はその状態を自己保持する。このため、トランジスタ発振回路２０の動作停止の原因が除去される前に、再使用する不都合を除去できる。また、前記動作停止は発光ダイオードＤ２の点灯で操作者に知らせることができる。
【００４３】
(3) コンデンサＣ８及び抵抗Ｒ１２からなる時定数回路を通してサイリスタＱ３のゲート電圧を供給しており、コンデンサＣ８の値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない安定した保護回路４０の動作を実現できる。
【００４４】
(4) 保護回路４０のサイリスタＱ３は正常動作状態ではオフであり、待機電流を消費しないし、漏洩電流の異常検出後も抵抗Ｒ４を通した自己保持のための電流を消費するだけである。マイコン等の処理回路を使用しないので、ソフトウエア開発が不要で、簡単に回路を構成できる。
【００４５】
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
【００４６】
各実施の形態においてはトランジスタ発振回路としてコルピッツ発振回路を例示したが、ハートレー発振回路、その他のトランジスタ発振回路を用いることも可能である。
【００４７】
各実施の形態において、第１の半導体スイッチ素子としてＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、その他の半導体スイッチ素子を使用可能であり、例えばバイポーラトランジスタを使用する回路構成も可能である。
【００４８】
第２の半導体スイッチ素子として、サイリスタを例示したが、トライアック等であってもよい。また、第２の半導体スイッチ素子としてフリップ・フロップを使用することも可能である。
【００４９】
第２の実施の形態において、漏洩電流の検出電圧の増幅回路は、ＦＥＴＱ４を有するソース・フォロアを含む構成であるが、演算増幅器を使用することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  直流電源
２０  トランジスタ発振回路
３０，４０  保護回路
Ｃ１〜Ｃ９  コンデンサ
Ｄ１  定電圧ダイオード
Ｄ２  発光ダイオード
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  コイル
Ｑ１  発振用トランジスタ
Ｑ２，Ｑ４  エンハンスメント型のＮ型ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ３  サイリスタ
Ｒ１〜Ｒ１５  抵抗
ＳＷ１  スイッチ
ＴＤ  超音波振動子
【図１】
2015192985.tif 000003
【図２】
2015192985.tif 000004
【図３】
2015192985.tif 000005
【図４】
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