以下、本発明の実施の形態を図面に基づい� ��説明する。
実施の形態1.
 図1は、本発明の実施の形態1に係る超音波� �生装置100を説明するための説明図である。� �2は、超音波発生装置100の制御部15の機能を� �明するための説明図である。図1及び図2に基 づいて、超音波発生装置100bについて詳細に� �明する。また、図1及び図2には、超音波発生 装置100の概略構成を併せて図示している。な お、図1を含め、以下の図面では各構成部材� �大きさの関係が実際のものとは異なる場合� �ある。

 超音波発生装置100は、PZT(チタン酸ジルコ ン酸鉛)等の圧電素子で構成される超音波振� �子にパルス電圧を印加し、振動子を発振さ� �ることによって、超音波を発生させるよう� �なっている。図1及び図2に示すように、超音 波発生装置100は、振動子(超音波振動子)10と� �ホーン11と、振動板12とを有している。振動� ��10には、圧電素子が設けられ、図示省略の� �電極端子及び負電極端子を介してパルス電� �が印加され、発振するようになっている。� �まり、振動子10は、パルス電圧が印加される ことによって、所定の周波数範囲(一般的に40 kHz前後)の音波(超音波)を発振する機能を有し ているのである。

 ホーン11は、両端面が開口され、内部に� �響通路が形成されるように構成されており� �その一端部に振動子10が配置されている。ま た、ホーン11は、円錐台形状に構成され、振� ��子10側から振動板12側に向けて徐々に縮径さ れているのが好ましい。振動板12は、ホーン1 1の他端部(振動子10が配置されている端部の� �対側の端部)を塞ぐように取り付けられてお� ��、振動子10の発振(振動)と共振することによ って共振波である超音波を作り出す機能を有 している。なお、図1及び図2では、ホーン11� �び振動板12が設けられている場合を例に示し ているが、これらがなくても振動子10の発振� ��よって超音波を作り出すことができる。

 図1に示すように、制御部15は、周波数発� ��部(パルス発振部)16、発振制御部17及び周波� ��スイープ18で構成されている。この制御部15 は、図2に示すように、振動子10の電圧変動を 検知し、所定の必要周波数間隔でパルス電圧 をスイープさせて振動子10を発振させる機能� ��有している。具体的には、周波数発振部16� �パルス電圧を周期的に繰り返し発信させる� �能を有し、発振制御部17が振動板10の電圧変� ��を監視し、その電圧情報を周波数スイープ1 8に伝達する機能を有し、周波数スイープ18が 発振制御部17の電圧情報に基づいて電圧変動� ��検知し、所定の周波数間隔でパルス電圧を� ��イープさせるための指令を周波数発振部16� �伝達する機能を有している。

 また、制御部15と振動子10との間には、昇 圧トランス13及び増幅部14が設けられる回路� �成となっている。昇圧トランス13は、周波数 発振部16から発信されたパルス電圧を昇圧す� ��機能を有している。増幅部14は、昇圧トラ� �ス13で昇圧されたパルス電圧を増幅する機能 を有している。なお、図1及び図2では、昇圧� ��ランス13及び増幅部14が設けられている場合 を例に示しているが、これらがなくても振動 子10を発振させて超音波を作り出すことがで� ��る。

 ここで、超音波発生装置100の超音波発生� ��仕組みについて説明する。まず、制御部15� �周波数発振部16から所定周波数のパルス電圧 を周期的に繰り返し発信させる。このパルス 電圧は、昇圧トランス13で昇圧され、増幅部1 4で増幅されてから振動子10に伝達される。そ うすると、振動子10は、所定の周波数範囲の� ��波を発振する。超音波発生装置100は、振動� ��10の発振によって、ホーン11を介して振動板 12が共振し、この共振によって超音波を放射� ��るようになっている。

 そして、制御部15の発振制御部17では、振 動板10で発生している共振周波数の電圧変動� ��監視しており、その電圧情報を周波数スイ� ��プ18に伝達する。電圧情報を受け取った周� �数スイープ18は、電圧が変動したかどうかを 検知し、電圧が変動した場合にはパルス電圧 を所定の間隔でスイープさせるための指令を 周波数発振部16に伝達する。指令を受けた周� ��数発振部16では、その指令された所定の必� �周波数間隔でパルス電圧をスイープさせて� �動子10を発振させる。つまり、超音波発生装 置100は、振動子10の電圧変動によって、振動� ��10に加えるパルス電圧の周波数間隔を適宜� �更することができるようになっている。

 図3は、共振周波数を最適化するための処 理の流れを示すフローチャートである。図4� �、周波数スイープを図案化したグラフであ� �。図3及び図4に基づいて、この実施の形態1� �係る超音波発生装置100の特徴事項である共� �周波数の最適化について詳細に説明する。� �4では、横軸が周波数(f)を、縦軸が尖鋭度(Q)� ��それぞれ示している。なお、この尖鋭度は� ��電圧値(V)と同一である。尖鋭度は、振動子1 0の発振による振動板12の共振の状態を表す音 響特性の傾向を示すものであり、確実な共振 現象が発生しているときは、急峻なピークを 有する傾向を示す。

 超音波発生装置100では、外乱により、加� ��に必要な共振周波数が変化してしまうこと� ��ある。そこで、超音波発生装置100は、発生� ��ている超音波の共振周波数を最適化するた� ��の以下に示す一連の処理を実行するように� ��っている。電源投入時に、事前に任意設定� ��た「最大電圧閾値(たとえば、12V等と設定)� �における共振周波数を探知する。すなわち� �第1段階として、所定の周波数間隔(第1の周� �数間隔:たとえば5Hz間隔等)で周波数スイープ を行ない、最大電圧閾値近傍で最大となる共 振周波数の存在範囲を大まかに探知し決定す る(ステップS101)。図4の矢印A及び矢印Bが周波 数スイープを示し、破線で示す共振周波数が 所定の周波数スイープ間隔(Fs)に伴う変化状� �を示している。

 次に、第2段階として、所定の周波数間隔 (第2の周波数間隔:たとえば0.1Hz間隔等)での周 波数スイープを第1段階で決定した存在範囲� �少なくとも1回行ない、最大電圧閾値近傍で� ��大となる共振周波数(図4で示す実線の共振� �波数)を細かく探知する(ステップS102)。この� ��うにして、予め設定してある所定の最大電� ��閾値が発生する共振周波数を探知する。第1 段階の周波数スイープ及び第2段階の周波数� �イープは、所定の時間間隔(たとえば、第1段 階の周波数スイープと第2段階の周波数スイ� �プを併せて1分間)で行なうように設定してお く。また、第2段階の周波数スイープは、最� �な共振周波数を探知するまでの時間、繰り� �し実行させるとよい。なお、第2周波数間隔� ��、第1周波数間隔よりも狭い周波数間隔であ るものとする。

 そして、ここで探知した共振周波数のパ� ��ス電圧を周波数発振部16から昇圧トランス13 に発信し、増幅部14を経て振動子10に伝達し� �振動子10を駆動する(ステップS103)。すなわち 、超音波発生装置100は、最大電圧閾値をモニ ターすることで、最大の共振周波数を探知す ることができ、この最大の共振周波数のパル ス電圧で振動子10を駆動することができるよ� ��になっているのである。その後、外乱によ� ��て超音波素子表面(図1及び図2では振動板12� �表面)の状態が変化すると、それに伴って共� ��周波数も変動する。

 この共振周波数が変化すると、それに伴� ��て最大電圧閾値も変化(たとえば、任意設定 した最大電圧閾値よりも低い電圧値に変化)� �ることになる。そこで、発振制御部17の最大 電圧閾値の電圧情報に基づいて周波数スイー プ18が最大電圧閾値の変動を検知する(ステッ プS104)。最大電圧閾値が変動していなければ( ステップS104;NO)、共振周波数も変化していな� ��ため、このままのパルス電圧で振動子10を� �動し、最大電圧閾値の変動の監視を継続す� �。

 一方、最大電圧閾値が変動していれば(ス テップS104;YES)、共振周波数も変化しているた め、共振周波数の最適化を実行する。つまり 、上記動作と同様に、第1段階として、第1周� ��数間隔で周波数スイープを行ない、最大電� ��閾値近傍で最大となる共振周波数を大まか� ��探知する(ステップS105)。次に、第2段階とし て、第2周波数間隔で周波数スイープを少な� �とも1回行ない、最大電圧閾値近傍で最大と� ��る共振周波数を詳細に探知する(ステップS10 6)。つまり、超音波発生装置100は、最大電圧� ��値をモニターすることによって、最大電圧� ��値となる共振周波数を保つことができるの� ��ある。

 そして、ここで探知した共振周波数のパ� ��ス電圧を周波数発振部16から昇圧トランス13 に発信し、増幅部14を経て振動子10に伝達し� �振動子10を再駆動する(ステップS107)。この動 作を繰り返し、振動子10の駆動状態を最適に� ��つことができるようになっている。したが� ��て、超音波発生装置100は、回路構成を複雑� ��することなく、外乱によって適宜変化する� ��振周波数の変動を最大電圧閾値の変化で監� ��し、共振周波数の最適化を随時行い、最適� ��した共振周波数の超音波を常時発生するこ� ��ができる。つまり、最大の共振周波数での� ��音波発生を安定的に実行することができる� ��である。なお、周波数スイープを2段階で実 行した場合を例に説明したが、これに限定す るものではない。

実施の形態2.
 図5は、本発明の実施の形態2に係る超音波� �化装置200を説明するための説明図である。� �5に基づいて、超音波発生装置100を備えた設� ��機器の一例である超音波霧化装置200につい� ��説明する。この超音波霧化装置200は、超音� ��を発生することによって水や薬剤等の液体( 以下、単に源水23と称する)を霧化させ、霧化 した液体(以下、単に霧化液体24と称する)を� �望の場所に噴霧して供給することができる� �のである。

 図5に示すように、超音波霧化装置200には 、超音波発生装置100に加え、霧化用タンク21� ��送風ファン25とが設けられている。霧化用� �ンク21には、源水23を振動板12の表面に供給� �るための流水口22が設けられている。この流 水口22の液体出口は、振動板12の表面の近傍� �配置されている。また、霧化用タンク21には 、源水23を振動板12の表面に所定量供給でき� �ように弁装置等で構成された流量制御装置� �備えておくとよい。この超音波霧化装置200� �、超音波によって源水23を霧化し、霧化液体 24を振動板12から噴霧させ、霧化液体24を超音 波振動波に乗せることで所定の噴霧距離を得 ることができるものである。

 この超音波霧化装置200には、超音波発生� ��置100が備えられているので、共振周波数の� ��適化を随時行ない、最適化した共振周波数� ��超音波を常時発生することができる。つま� ��、最大の共振周波数での超音波発生を安定� ��に実行することができるのである。したが� ��て、所望の場所に噴霧させる霧化液体24の� �給量の安定化を図ることができ、外乱によ� �て霧化液体24が噴霧されなくなってしまうと いうことを効果的に防止することができるよ うになっている。

 なお、実施の形態2では、超音波発生装置 100を備えた設備機器の一例として超音波霧化 装置200を図示して説明したが、超音波発生装 置100を超音波霧化装置200以外の設備機器でも 超音波を利用する設備機器、たとえば空気調 和装置や空気清浄機、超音波加工装置、超音 波接合装置、測距センサ、超音波洗浄装置、 超音波美容装置等に備えることもできる。し たがって、それらの設備機器も、共振周波数 の最適化を随時行ない、最適化した共振周波 数の超音波を常時発生することができる。つ まり、最大の共振周波数での超音波発生を安 定的に実行することができるのである。

実施の形態3.
 また、上記実施例では、超音波振動子の安� ��動作手段について述べたが、超音波振動子� ��寿命や故障により、圧電効果による電圧発� ��が出来なくなった場合に、不安定な動作を� ��こすことになる。
 そこで、図6は実施の形態3に係る超音波発� �装置100を説明するための説明図であり、超� �波振動子10の電圧変動を発振制御部17で検知� ��るようにし、超音波振動子10の電圧の低下� �任意時間検知したら、電圧低下=寿命又は故� ��と判断するON-OFF回路(ソフトSW)27を負荷する� ��とで、超音波振動子10の駆動を停止するこ� �が可能となる。