JP2009233515A - 圧電素子の駆動装置、電子機器、および、圧電素子駆動周波数の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランス2と、トランス2の1次側に入力される制御信号CSに追従して周波数が変化する駆動信号DSをトランス2の2次側で発生させ、圧電素子PZに印加する駆動回路3と、コントローラ5とを有する。コントローラ5は、制御信号CSの周波数を所定の周波数範囲FR内で複数回変化させて、当該周波数を変化させるごとに圧電素子PZのインピーダンス変化に応じた検出電位Vdetを検出し、検出電位Vdetの推移に基づいて圧電素子PZの共振周波数frを求める。
【選択図】図1
Description
この駆動回路は、トランスの1次巻線にスイッチングのためのトランジスタを接続し、2次巻線に圧電素子を接続し、トランジスタのスイッチング動作により、圧電素子の駆動電圧を発生、制御する回路である。
共振周波数近傍の駆動では、効率がよく低消費電力となるため好ましい。
そこで、特許文献1、2では、トランスの2次側の電圧と電流の位相比較によって、共振点の変化に対応した駆動周波数の制御を行う。
本発明では、この周波数の変化範囲として「所定の周波数範囲」が決められており、制御回路は、この範囲内で制御信号の周波数を変化させる。変化させる周波数ステップ等は任意である。また、所定の周波数範囲を変化させることもできる(第9形態参照)。
この場合、さらに、第10形態のように周波数範囲を選択可能な周波数帯域が予め決めておき、これ以上選択できない場合、故障の可能性があるため、制御回路は駆動を中止して異常警告のための命令を出力するようにしてもよい。
例えば、通常、共振周波数では検出値が、ある値以下となるという大まかな目安として、この閾値を用いることができる。検出ポイントが粗くて複数の検出値全てが閾値より大きい場合でも、最小の検出値付近が共振周波数に近いと推測できる等の理由から、第3形態では、最小値によって共振周波数を推定している。ただし、第6形態のように、閾値とは無関係に最小値によって共振周波数を推定しても構わない。
複数の最小値が存在する場合、その何れに対して共振周波数が最も近いかは未知である。その一方で、周波数が小さいほど制御信号を発生させるときの消費電力が小さく、また、圧電素子の駆動周波数が共振点からずれているときは、そのずれ量が同じなら周波数が小さい方が圧電素子等で消費される電力の面で有利である。第7形態は、共振周波数に最も近いかは未知であるにしても、少なくとも、共振周波数までのずれ量が同じなら周波数は低い方が低消費電力であることを考慮して、その分、より低消費電力になる可能性が高い周波数を選択するという趣旨である。
ここで検出値が閾値と同じになることは、例えば検出ポイントが粗い場合などでは求めることができないので、検出値を直線または近似曲線で結んで検出値の軌跡を求める。そして、この軌跡が閾値の一定レベルを示す直線と交差する交差点を求める。検出値の最小値が閾値以下の場合、この交差点は2つ以上存在する。交差点が2つのときは、当該2つの交差点に対応する2つの周波数の平均値を共振周波数と推定する。一方、交差点が3以上存在するときは、当該3以上の交差点にそれぞれが対応する3以上の周波数で、最小の周波数とつぎに小さい周波数の平均値を共振周波数と推定する。この周波数の低い側を選ぶ趣旨は、第7形態と同様である。
また、第12形態では、温度検出素子を設け、温度に応じて上記所定時間を変更する。例えば、温度が上がるほど所定時間を短くして、共振周波数に応じた周波数制御の頻度を上げるとよい。
本実施形態は、本発明の「圧電素子の駆動装置」の実施形態に関する。
図1に、圧電素子PZの駆動装置のブロック図を示す。
図1に図解する駆動装置1は、電磁結合トランス2と、駆動回路(DRV.)3と、マイクロコンピュータなどからなり「制御回路」としてのコントローラ5と、と、温度検出回路(T_DET)8と、ディスプレイ9とを有する。
また、図1においては、コントローラ5が、アナログからデジタルへの変換ポート(ADP、以下、ADポート5Aという)と、所定のデューティ比を有する所定周波数の制御信号CSを発生し、停止制御等を行うタイマパルスユニット(TPU)5Bとを有する。タイマパルスユニット5Bは、出力する制御信号CSに対し、デューティ比の制御、周波数(周期)の制御を行うことができ、また、コントローラ5に対する外部からの指示、または、コントローラ5自身の判断によって、制御信号CSの停止制御を行うことができるように構成されている。
図1は、温度検出回路8からの検出温度に応じて、制御信号CSの停止制御、周波数制御を行うことができる構成の例を示すものである。
ハードウエアで実現する場合、例えば、2進アップカウンタ、コンパレータおよびレジスタ等からタイマパルスユニット5Bを構成してよい。ソフトウエアで実現する場合、コントローラ5をDSP等のプログラムにより実行制御されるコンピュータベースのICデバイスで構成し、その機能によりタイマパルスユニット5Bを実現してよい。
図1に示す構成においては、駆動信号DSがADポート5Aによりアナログの直流電圧に変換された後、その電圧レベルがデジタルデータとして読み取られる。
以下、図1および図2を参照して各構成を説明する。
図示例の駆動回路3は、それぞれトランジスタ等から形成される2つのスイッチSW1,SW2を有する。スイッチSW1,SW2は、それぞれ、操作片を2つの接点の何れかに切り替えるスイッチである。スイッチSW1の操作片は電源電圧Vccに接続され、スイッチSW2の操作片は電源電圧の基準となる電圧、例えば接地電圧GNDに接続されている。
制御信号CSの制御パルスがハイレベル(以下、“H”と表記)のときに、例えば図2に示すような接続状態となる。これにより、当該制御パルスが“H”をとる短い期間だけ、1次巻線W1においてスイッチSW1側からスイッチSW2側に電流が流れる。この電流を、以下、「正電流I(+)」と表記する。制御パルスがオフするローレベル(以下、“L”と表記)になると、スイッチSW1,SW2は共にオフして、1次巻線W1はハイインピーダンス状態となる。
次の制御パルスが入力されると、駆動回路3は図2とは反対の接続状態となり、1次巻線W1に流れる電流の向きが反転する。このときの電流を、以下、「負電流I(-)」と表記する。制御パルスがオフすると、スイッチSW1,SW2は共にオフして、1次巻線W1はハイインピーダンス状態となる。
以上の動作が繰り返されることにより、1次巻線W1に正電流I(+)と負電流I(-)が、それぞれ所定の短い時間だけ交互に流れ、正電流I(+)が流れる期間と負電流I(-)が流れる期間の間に、電流が流れない期間をもつ断続的な電流駆動が行われる。
この場合、駆動回路3は、第1制御信号(以下、CS1により表記)でスイッチSW1,SW2による正電流I(+)駆動を制御し、第2制御信号(以下、CS2により表記)でスイッチSW1,SW2による負電流I(-)駆動を制御する。これにより、駆動回路3は簡単な回路で形成でき、上述したと同様に、1次巻線W1を正電流I(+)と負電流I(-)で交互に、かつ、断続的に駆動できる。
この実施例における検波回路7は、電磁結合トランス2の2次巻線W2に出現する圧電素子PZの駆動電圧Vdを検出する回路である。
図2に示す検波回路7は、3つの抵抗R71〜R73、ダイオードD7およびキャパシタC7により構成されている。
2次巻線W2および圧電素子PZと並列に、抵抗R71とダイオードD7と抵抗R72の直列回路を接続し、抵抗R72と並列にキャパシタC7と抵抗R73を接続している。ダイオードD7のカソードから出力(検出電位Vdet)が取り出される。
このようにして得られた検出電位Vdetは、コントローラ5に入力され、内部のADポート5Aで検出電位がデジタル値として読み取られる。
第1の機能の詳細は後述する。
第2の機能(駆動電圧制御)に関し、コントローラ5は、圧電素子PZの駆動力を強める(または弱める)指令を外部から受け取る(または検出温度等から自己判断する)と、この指令に含まれる制御量だけ制御信号CSのデューティ比を変化させる。このとき検波回路7を有することから、制御信号CSのデューティ比を変化させた結果が、電磁結合トランス2の2次巻線W2に出現する駆動電圧Vdに正確に反映されたかをコントローラ5が確認できる。コントローラ5は、この確認の結果、デューティ比の変化が不十分あるいは過度に行われたことを知ることから、その知った情報を基に所望の駆動電圧Vdにするために制御信号CSのデューティ比を微調整できる。
なお、ディーティ比によって駆動電圧が変化することは、後述する動作において説明する。
次に、共振周波数変更のための構成を説明する。
制御信号CSにより制御される駆動回路3は、電磁結合トランス2の1次巻線W1に電流を流すオン状態、電流を流さないオフ状態を、入力される上記制御信号CSにより規定される所定の周波数で繰り返し1次巻線W1に設定するように動作する。このとき例えば、上記オン状態が制御パルスのハイレベル(“H”)に、上記オフ状態が制御パルスのローレベル(“L”)に対応する。
このための構成として、図2に示すように、リアクタンス素子4を電磁結合トランス2の2次巻線W2に並列接続している。
以上より、極めて効率的な動作が可能で、低消費電力である。
共振回路へのリアクタンス素子4の追加は、図2に示すように圧電素子PZと並列にコンデンサを接続することで達成される。あるいは、圧電素子PZと並列または直列にインダクタを接続してもよい。
なお、リアクタンス素子4の追加は必須でなく、圧電素子PZの大きさや材料と、これに伴って決まる等価回路の定数の大きさによってはリアクタンス素子4がなくても、単に、電磁結合トランス2の2次側に圧電素子PZを接続しただけでも共振周波数付近での駆動が可能な場合もある。
圧電素子PZは、図4に示すように、直列接続の容量C1とインダクタンスL1と抵抗R1とを有するとともに、それらに並列な容量C0を有してなる等価回路として表すことができる。
このとき圧電素子PZ1の等価容量成分(主にC1)とリアクタンス素子4としての容量C(図2)との合成容量、ならびに、圧電素子PZの等価インダクタンス成分(L1)と第2巻線コイルW21との合成インダクタンスにより共振回路の共振周波数が決められる。
また、第1制御信号CS1が“L”の状態で第2制御信号CS2が“H”になると、向きが反対の負電流I(-)が1次巻線W1に流れる。
第2制御信号CS2の“H”の期間は、図3(B)に示すように、第1制御信号CS1のパルスと180度位相が異なる同一周期Tのパルスの、短い持続時間(ON(-)で表示)により規定される。2つのパルスの持続時間(いわゆるパルス幅)は異なってもよいが、ここでは同じとする。
ON(+)時間と次のON(-)時間との間、当該ON(-)時間と次のON(+)時間との間には、それぞれ、1次巻線W1に電流が流れない一定のオフ状態の期間が存在する。
オフ状態の期間は、図2に示すスイッチSW1,SW2が共にオフしていることから、1次巻線W1の両端から駆動回路3を見てハイインピーダンス状態となる。よって、オフ状態の期間にはトランジスタのオフリーク程度しか電流が流れないため、実質的に消費電力はゼロに等しい。
パルスをオンして電流が流れ始め、続いて飽和するが、図3(C)の例では、その飽和時点でパルスをオフするようにON(+)時間、ON(-)時間が決められている。また、未飽和領域では電流値が減少し、入力電力は低下する。一方、飽和後は、それ以上パルス幅を長くしても動作的に余り意味がなく、電力消費が増えるだけである。よって、ON(+)時間とON(-)時間をそれぞれ最大で電流飽和の時間付近に設定することが望ましい。
トランジスタのオン抵抗が無視できるとすると、ON(+)時間の1次側電圧Vi(+)、ON(-)時間の1次側電圧Vi(-)は、ともにほぼ電源電圧Vccの大きさ(例えば5[V]程度)となる。この間欠的な短い時間の電圧は、強制的に1次側の動作で1次巻線W1に設定される。一方、その間のオフ期間は1次巻線W1に対し1次側の電圧強制力が解除されるが、2次側の影響で共振回路の共振周波数に依存した電圧が1次側にも現れる。
1次側電圧Viと2次側電圧(駆動電圧Vd)の波高値の比率は、電磁結合トランス2の巻線比によって決められる。
完全に周波数が一致していない場合、間欠的な1次側の電圧設定時に1次側電圧Viの波形の不連続点が生じるが、動作周波数自体は1次側の電流駆動周波数で決まるため、一定の周波数で圧電素子を駆動すること自体は可能である。ただし、この場合、駆動のスムーズさは失われ、効率としても低下する。
ところで、例えば環境温度等の要因によって、共振周波数がずれることがある。すると、電磁結合トランスの2次側共振回路が低消費電力駆動の動作点からはずれ、消費電力が極端に大きくなる。また、デューティ比制御で想定している振幅が得られなくなり、圧電素子PZの制御精度が低下する。
定常状態の温度、例えば室温(25[℃])では、コントローラ5が出力する制御信号CSの周波数fが上がると、一般的な傾向では、検出電位Vdetでモニタされている電磁結合トランス2の出力電圧(駆動電圧Vd)の時間平均された振幅も上昇し、より大きな駆動力が圧電素子PZに与えられる。しかし、ある周波数f0より低い周波数領域では、リアクタンス素子4を含む電磁結合トランス2の2次側の共振回路において、インダクタンス成分より容量成分が支配的になることに起因して、周波数fの上昇とともに駆動電圧Vdの平均的振幅(検出電位Vdet)も低下する。
よって、図5に示すように検出電位Vdetの周波数依存特性のカーブは、周波数f0で最小の値をとる。この周波数f0は共振回路の共振周波数に対応しており、この周波数f0で駆動装置1は最も効率がよい省電力駆動を行う。
したがって、一定の周波数f0で、かつ、一定のディーティ比で、制御信号CS(2相駆動の場合は、第1制御信号CS1および第2制御信号CS2)が設定され、これにより圧電素子PZが駆動されている最中に温度が上昇すると、図5の例では、駆動電圧Vdの平均的な振幅レベルが上昇し、圧電素子PZに必要以上の駆動力が加わってしまう。
このような温度等による影響で共振周波数がずれる現象に適応させる目的で、本実施形態では、周波数サーチを行い、そのサーチ結果に基づいて制御信号CSの周波数を共振点付近の駆動となるように制御する周波数サーチ制御を実行する。
この制御の実行は、検出電位Vdetを用いたコントローラ5が行う。具体的な制御の手法を、以下に種々述べるが、この手順はコントローラ5が実行するプログラムのシーケンスとして与えられる。
図6に示す制御では、任意の事項であるが、上記特徴に対応する基本制御に加えて、周波数範囲FRの設定が有効であったかを検出値の最大値と最小値の差を所定の基準値と比較する制御と、その比較の結果等に基づいて周波数範囲FRを変更する制御と、周波数範囲FRを選択可能な周波数帯域内で周波数範囲FR選択の余地がなくなった等の理由から周波数範囲FRの変更ができない場合は異常があるとして警告を発する制御とを行っている。
これらの付加的な任意の制御は、その何れか1つを付加する、任意の2つの制御を選択して付加するなど組み合わせは自由である。
なお、特に断らない限り、図6の制御は図1に示すコントローラ5が実行する。
図6では初期値として周波数f1(i=1)が選択される。
この圧電素子駆動では、制御信号CSが変化してから圧電素子PZの振動が定常状態に安定するまで時間がかかるため、図6における次のステップST3により示す待機時間の経過を設けている。
その場合、ステップST6にて変数iをインクリメントして、処理フローがステップST2の前に戻される。
したがって、ステップST5でi=mとなるまでステップST2〜ST6が繰り返される。図7の場合は、m=9であるため、この繰り返しサイクルも9回である。
ステップST7では、コントローラ5が、上記繰り返しサイクルの途中で検出され、メモリに蓄積されている複数の検出値に基づいて、設定されている周波数範囲FRが適正化かを判断する。
具体的には、蓄積されている複数の検出値から最大値Vdet(max)と最小値Vdet(min)を調べ、その差ΔVdetを求める。そして、差ΔVdetを、所定の基準値Vrefと比較する。この比較の結果、差ΔVdetが基準値Vref以上なら、現在設定されている周波数範囲FRは有効であり、この範囲内に共振周波数frが存在するものと仮推定する。一方、差ΔVdetが基準値Vref未満の場合、ステップST7が「NO」となるためステップST8に進む。
この判断が「NO」の場合、更なる選択が不可能であるため、何らかの異常が生じている可能性があるとして、コントローラ5が図1に示すディスプレイ9に「異常警告」を表示させるなどの処理を行う(ステップST10)。具体的には、圧電素子の駆動を中止して異常警告のための指令を、ディスプレイ9の画像制御部へ出力する。これにより、ユーザに異常を知らせることができる。
よって、ステップST1〜ST9が、ステップST7で共振周波数が含まれる可能性が高い周波数範囲FRが見つかって、処理フローが次のステップST11に抜けるか、または、ステップST8で全ての周波数範囲FR選択がされたことが検出されて異常警告の場合となるまで繰り返される。警告後は、図6に示す処理を終了する。
この方法では、図9に示す最小値Vdet(min)に対応する制御信号CSの周波数を共振周波数frと推定する。
最小値が複数ある場合は、制御信号CS発生時の消費電力がより小さい、最も小さい周波数の最小値を共振周波数frとしてよい。
なお、制御信号CSの周波数が同じ場合でも、そのデューティ比が異なると共振周波数frが変化する。デューティ比が大きいほど圧電素子PZのインピーダンスが大きくなるからである。このことから、上記最小値とデューティ比とを用いて共振周波数frを推定してもよい。
この方法では、図10に示すように、例えば共振周波数frがこれ以下であると分かっている閾値Vthを設け、検出点を結んだ軌跡が閾値Vthのレベルを示す直線と交わる2つの交点にそれぞれ対応する制御信号CSの周波数の平均値を共振周波数frと推定する。よって、この方法による共振周波数frは、2つの交点からの距離AとBが等しい周波数となる。
図10には、最小値付近の検出点が2つ存在し、その最小値を共振周波数frとすると、真の共振周波数frとは若干のずれがある。しかし、この方法では、軌跡と閾値Vthの交点から共振周波数frを推定するため、より真値に近い周波数を共振周波数frと推定できる利点がある。
ただし、一般には、共振周波数frは最も小さい側に生じることが多い。また、仮に最も小さい側でなくとも、最も小さい周波数に対応する交点と、その次に小さい周波数の交点とで周波数の平均をとっても、真の共振周波数frに近い周波数を選択できるため、大きな不利益はない。また、この場合、より低周波数での駆動であるため、制御信号CSの発生時の消費電力に限れば最小にできるという利点もある。よって、この最も小さい周波数に対応する交点と、その次に小さい周波数の交点とで周波数の平均をとる方法は、より望ましい。
図6のステップST4では、検出値を得るごとに有効な検出値かどうかを判断することが望ましい。
この方法は、図10に示すように、1つの検出値を得たときは、その検出値が隣接する検出値、例えば1つ前に得た検出値のウインドウW内に入っているかを検討する。このウインドウWは、例えば、検出点Pを中心にインピーダンス変化(Vdet)の幅がプラス側とマイナス側に設定されているものである。
例えば、検出点P3の次に得た検出点P4は、検出点P3のウインドウW3に入っていないのでノイズ等が大きな異常点と判断し、推定の基礎データから除去する。一方、正常な検出点、例えば検出点P6は、検出点P5のウインドウW5に入っているため基礎データに用いられている。
このように検出ごとにノイズ等による異常を吟味すれば、ノイズの影響を除去して共振周波数frがノイズにより誤って推定されることを有効に防止できる。
本実施形態では、第1実施形態では図6の処理サイクルを定期的に行っていたが、この処理サイクルの周期を、温度に応じて変化させる。このため、本実施形態では図1に示す温度検出回路8、特に温度検出素子8Aを駆動装置1に備えることが必要である。
温度検出回路8が出力した温度検出信号Stはコントローラ5に送られ、内部のADポート5Aで検出電位がデジタル値として読み取られる。
本実施形態は、第1または第2実施形態に示す駆動回路の適用例として、ポンプ装置を示すものである。本発明のポンプ装置は、エアその他の気体、液体などの流体のポンプ装置として広く適用可能であるが、ここでは、特に、発熱した空冷対象物(例えばIC等の電子デバイス)を空冷する空冷装置、あるいは、細い管に一定の空気流を起こす装置等に応用できるエアポンプ装置を一例として説明する。
エアポンプ装置は、モバイル機器や据え置き機器におけるセット内温度上昇対策システムとして有用である。特にモバイル機器は、筐体が小型であるため、旧来のファン式の空冷装置が配置できない場合がある。
圧電素子を用いたエアポンプ装置(以下、単に、「圧電ポンプ」という)は、小型でエアの排出圧がファン式では得られないほど高くできるという特徴を有するため、モバイル機器のセット内温度上昇対策システムとして特に有用である。
しかし、電子装置の筐体は通常密閉されており、何も技術的対策をしなければ、発生した熱は自然に放熱される分しか逃がすことができず、このことが小型化への技術的障害となる。
よって、そのような要請に応えるために、第1または第2実施形態の周波数スイープ制御が適している。
図12に図解する電子機器は、静止画または動画を撮影するデジタルカメラ、ゲーム機、携帯電話、音楽や映像の(録画)再生機、コンピュータ、カーナビゲーション装置、その他のマルチメディア機器など、どのようなものでもよい。
本実施形態の電子機器100は、回路部品102や電源制御部品103などの全ての発熱部品からの放熱を効率的に集めることができる位置、大きさ、形状、材質の、ある程度遮蔽された空間を形成する集熱部104を有している。
集熱部104は、熱伝導率が高い材質から形成され集熱のためのフィン(不図示)を各部品の放熱部分に接触または近接するようにして配置されている。集熱部104内の空間内のエアは、集熱部104のフィンや外壁を通して集められた熱により熱せられる。
圧電ポンプPZPは、図1に示す圧電素子PZを内蔵し、駆動装置1に接続されている。駆動装置1は回路基板101に実装してよい。また、そのうち温度検出回路8内の温度検出素子8Aは、図12における集熱部104内、排気口100Cの近くなど、個々の部品からの発熱を統合して決まるセット内温度を的確に検出可能な位置に配置される。
圧電ポンプPZPは、このような電子機器100の構造と、その構造内への配置によって、集熱部104内で風を起こし、IC等の発熱体からの熱を強制的にこの風によって放出するエア移送駆動源として機能する。
図解する圧電ポンプPZPは、「圧電素子PZ」としての圧電体ユニット31、保護リング32、ダイヤフラム33、第1スペーサ34、中板35、第2スペーサ36、天板37を有する。
第1スペーサ34は、例えばステンレス等の腐食に強く高剛性の材料からなり、内部空間がポンプ室34Aとなるようにリング形状に形成されている。
ダイヤフラム33は、圧電体ユニット31の圧電体が振動するのに合わせて振動する振動部材の一種であり、薄くて変形自在であるが強度的には強い材質のものが望ましい。またダイヤフラム33は、第1スペーサ34との接触面で気密性を高める役目もある。
第2スペーサ36は、例えば四方からエアの吸入経路を確保する内部の空間(4つの通路)が形成されている。4つの通路の先端はほぼ閉じられているが、小さい吸入口が開口している。また、天板37の中央にエアの吐出口37Aが開口している。これにより、吐出口37Aと連通口35Aに連通するベンチュリノズル部36Aが第2スペーサ36の中央部に形成される。
圧電体ユニット31によってゆっくりダイヤフラム33を上下させた場合、吸引によってポンプ室34Aの容積が大きくなり外部から図14(A)に示す経路でエアが入ってくる。また、吐出によってポンプ室34Aの容積が小さくなり内部のエアが、図14(B)のように連通口35A、ベンチュリノズル部36Aを通って吐出口37Aから勢いよく吐き出される。
圧電ポンプPZPは、上面視が20[mm]程度、厚さが1[mm]程度の小型の空冷装置として用いることができる。駆動回路は第1実施形態に既に説明した図2に示すものを使用し、20[VP-P]、20[kHz]駆動の場合、吐出口37Aから噴出する連続エア流の静圧が1〜数[Pa]が得られる。
このとき、図6に示す第1実施形態で説明した周波数スイープ制御を行い、または、第2実施形態の周波数スイープ制御のサイクル周期を温度によって変更する。
環境変動要因として、環境温度による周波数特性のずれは大きく、このずれを補正して常に最も効率が高い適な動作周波数を制御することは、省電力化において有効である。
以上より、発熱を有効に防止しながら、低消費電力な電子機器を簡単な駆動装置構成によって実現できる。構成が簡単なこと自体も、当該電子機器の低消費電力化に寄与する。
より詳細には、排気口付近では非常に複雑な空気流が形成されているため、排気口からの風切音を低減させる目的で、適切な風量に制御することも必須の機能である。
そこで、本実施形態では、例えば図15に示すように、記録モードと再生モードにおいて、固定風量とするか、温度に依存して風量制御するかの組み合わせを決め、これを風量モード1〜4として規定してもよい。コントローラ5は、記録モード、再生モード、排熱、消費電力等の観点から総合的に、これらの風量モードを適宜切り替える制御を行うことで、排気口からの風切音、デバイス自体の共振音等を装置のマイクから拾うことを有効にできる。
圧電素子PZのインピーダンス変化に対応して変化する検出電位Vdet以外のパラメータを、圧電素子PZから取得してもよい。
第1実施形態では、周波数帯域内で、その一部である周波数範囲FRを設定して、これを周波数帯域内で変更して共振周波数frを求めた。
しかしながら、温度等が仕様により決められている保証温度範囲などで最大限変化しても共振周波数の変化がある程度小さいなどの特段の事情がある場合は、共振周波数frが含まれる範囲で周波数範囲FRを固定して、この範囲内を1度だけサーチするようにしてもよい。つまり、図6のステップST8とST9を省略して、ステップST7の判断が「NO」の場合にステップST10の「警告」を行うようにしてもよい。
図6の制御では、周波数を共振周波数fr内で順番に選択して検出値を求めたが、ランダムに選択して複数の検出値を求めてもよい。また、順番に検出値を求めて共振周波数frが存在しそうな範囲を絞ってから、さらに細かく順番に又はランダムに検出値を求めてもよい。
また、図6に示すステップST7の判断で「NO」が続く場合、あるいは、さらにステップST8で「NO」となる場合、いきなりステップST10の警告としないで、周波数のステップを細かくするなどしてから再度、図6の処理を始めからやり直してもよい。
図2に示すリアクタンス素子4は、電磁結合トランス2の1次側巻線W1に、1次巻線W1と並列接続することも可能である。
リアクタンス素子4の耐電圧仕様やリアクタンス値に応じて、リアクタンス素子4を接続する巻線側を、電磁結合トランス2の1次側と2次側の何れにするかを決定すればよい。
駆動回路3の構成は、2点切り替えの2つのスイッチ構成、これを4つのトランジスタにより実現したHブリッジ構成に限らず、1つのトランジスタ(および、逆流防止用のダイオード)による構成でもよい。この場合、2相信号駆動はできないため効率の点では低いが、駆動回路3が簡素化できる利点がある。
駆動回路3においてスイッチング動作が行われている期間において、任意の期間、制御パルスの駆動回路3への入力を停止すると、共振回路(巻線回路)の銅損等で失われるエネルギーを電磁結合トランス2の1次側からの間欠的な電流駆動で補う動作が停止するため、停止期間が長いほど入力電力は下がる。このため圧電素子PZの振動エネルギーも低下する。つまり、停止制御を行うと、圧電素子PZの動作(振動エネルギー、あるいは、平均的な振動振幅)を、任意の期間、停止させることで調整することができる。
以上の本実施形態では、携帯機器に適応した、小型かつ低消費電力の圧電素子の駆動装置が実現できる。
さらに本発明の圧電素子の駆動装置は、液晶等の表示装置画面のタッチセンサにクリック感を与える装置、さらには、電磁結合トランス2の2次巻線回路を2回路に増やすことで、駆動回路3を増やすことなく同相駆動出力と同時に、逆相駆動出力を得ることができるので、逆相駆動による圧電モータへの応用も可能である。
Claims (19)
- トランスと、
前記トランスの1次側に入力される制御信号に追従して周波数が変化する駆動信号を前記トランスの2次側で発生させ、当該駆動信号を圧電素子に印加する駆動回路と、
前記制御信号の周波数を所定の周波数範囲内で複数回変化させて、当該周波数を変化させるごとに前記圧電素子のインピーダンス変化を検出し、当該インピーダンス変化の推移に基づいて前記圧電素子の共振周波数を求め、求めた共振周波数が得られるように前記制御信号の周波数を制御する制御回路と、
を有する圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記制御信号の周波数を前記所定の周波数範囲内で複数回変化させて得られた複数の検出値で、最大値と最小値の差が所定の基準値以上のときは前記複数の検出値の推移に基づいて前記圧電素子の共振周波数を求め、前記差が前記基準値未満のときは前記複数の検出値を無効にする
請求項1に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記差が基準値以上の場合に、前記最小値が所定の閾値以上のときは当該最小値が得られた前記制御信号の周波数を前記共振周波数と推定する
請求項2に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記差が基準値以上の場合に、前記最小値が所定の閾値未満のときは、隣り合う検出値間を直線または近似曲線で結んで検出値の軌跡を求め、当該検出値の軌跡が前記閾値の一定レベルを示す直線と交差する交差点が2つのときは、当該2つの交差点に対応する2つの周波数の平均値を前記共振周波数と推定し、前記交差点が3以上のときは、当該3以上の交差点にそれぞれが対応する3以上の周波数で、最小の周波数と次に小さい周波数の平均値を前記共振周波数と推定する
請求項3に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記差が基準値以上の場合に、前記最小値が複数存在するときは、当該複数の最小値がそれぞれ対応する複数の周波数の中で最小の周波数を前記共振周波数と推定する
請求項3に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記制御信号の周波数を前記所定の周波数範囲内で複数回変化させて得られた複数の検出値で、最小値が得られた前記制御信号の周波数を前記共振周波数と推定する
請求項1に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記最小値が複数存在するときは、当該複数の最小値がそれぞれ対応する複数の周波数の中で最小の周波数を前記共振周波数と推定する
請求項6に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記制御信号の周波数を前記所定の周波数範囲内で複数回変化させて得られた複数の検出値で、最小値が所定の閾値未満のときは、隣り合う検出値間を直線または近似曲線で結んで検出値の軌跡を求め、当該検出値の軌跡が前記閾値の一定レベルを示す直線と交差する交差点が2つのときは、当該2つの交差点に対応する2つの周波数の平均値を前記共振周波数と推定し、前記交差点が3以上のときは、当該3以上の交差点にそれぞれが対応する3以上の周波数で、最小の周波数と次に小さい周波数の平均値を前記共振周波数と推定する
請求項1に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記複数の検出値が無効となった場合に、前記周波数範囲を変更して前記インピーダンス変化の検出を再度行い、当該周波数範囲の変更とインピーダンス変化の検出を、最大値と最小値の差が所定の基準値以上となる前記複数の検出値が得られるまで繰り返す
請求項2に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記周波数範囲を選択可能な周波数帯域が予め決められており、
前記制御回路は、選択されて既に前記インピーダンス変化の検出が行われた全ての前記周波数範囲によって、前記周波数帯域に含まれる周波数全てが選択された場合は、前記圧電素子の駆動を中止して異常警告のための指令を出力する
請求項9に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記制御信号の周波数を所定の周波数範囲で複数回変化させて前記共振周波数を求め、求めた共振周波数が得られるように前記制御信号の周波数を制御する動作を、所定時間の経過ごとに繰り返す
請求項1に記載の圧電素子の駆動装置。 - 温度検出素子を有し、
前記制御回路は、前記温度検出素子の検出温度に応じて、前記制御信号の周波数を制御する動作を繰り返すときの前記所定時間を変更する
請求項11に記載の圧電素子の駆動装置。 - 前記制御回路は、前記制御信号の振幅を一定としたときに前記圧電素子のインピーダンスに応じた値をとる前記駆動信号の電圧レベルの変化を検出する
請求項1に記載の圧電素子の駆動装置。 - 圧電素子と、当該圧電素子の圧電体で、または、当該圧電体とともに振動する振動部材で、一方の面が塞がれたポンプ室とを有し、前記ポンプ室の流体吸入口から吸い込んだ流体を吐出口から排出するポンプと、
2次側に前記圧電素子が接続されたトランスと、
前記トランスの1次側に入力される制御信号に追従して周波数が変化する駆動信号を前記2次側で発生させ、当該駆動信号を前記圧電素子に印加する駆動回路と、
前記制御信号の周波数を所定の周波数範囲内で複数回変化させて、当該周波数を変化させるごとに前記圧電素子のインピーダンス変化を検出し、当該インピーダンス変化の推移に基づいて前記圧電素子の共振周波数を求め、求めた共振周波数が得られるように前記制御信号の周波数を制御する制御回路と、
を有する電子機器。 - 圧電素子を含む共振回路の共振周波数に応じた周波数に、前記圧電素子を駆動するための駆動信号の周波数を制御する圧電素子駆動周波数の制御方法であって、
前記駆動信号の周波数を所定の周波数範囲内で複数回変化させるステップと、
前記周波数を変化させるごとに前記圧電素子のインピーダンス変化を検出するステップと、
複数の検出値の推移に基づいて前記共振周波数を求めるステップと、
求めた前記共振周波数が得られるように前記駆動信号の周波数を決定するステップと、
を含む圧電素子駆動周波数の制御方法。 - 前記共振周波数を求めるステップでは、
前記複数の検出値で最大値と最小値の差を求め、
前記差を所定の基準値と比較し、
前記比較の結果、前記差が前記所定の基準値以上のときは前記複数の検出値の推移に基づいて前記圧電素子の共振周波数を求め、前記差が前記所定の基準値未満のときは前記複数の検出値を無効とする
請求項15に記載の圧電素子駆動周波数の制御方法。 - 前記共振周波数を求めるステップでは、前記駆動信号の周波数を前記所定の周波数範囲内で複数回変化させて得られた複数の検出値で、最小値が得られた前記駆動信号の周波数を前記共振周波数と推定する
請求項15に記載の圧電素子駆動周波数の制御方法。 - 前記共振周波数を求めるステップでは、前記駆動信号の周波数を前記所定の周波数範囲内で複数回変化させて得られた複数の検出値で、最小値が所定の閾値未満のときは、隣り合う検出値間を直線または近似曲線で結んで検出値の軌跡を求め、当該検出値の軌跡が前記閾値の一定レベルを示す直線と交差する交差点が2つのときは、当該2つの交差点に対応する2つの周波数の平均値を前記共振周波数と推定し、前記交差点が3以上のときは、当該3以上の交差点にそれぞれが対応する3以上の周波数で、最小の周波数と次に小さい周波数の平均値を前記共振周波数と推定する
請求項15に記載の圧電素子駆動周波数の制御方法。 - 前記駆動信号の周波数を変化させる際に、トランスの1次側に制御信号を与えたときに、前記制御信号に追従して周波数および振幅が変化する前記駆動信号を、前記トランスの2次側に接続される前記圧電素子に供給することとし、前記制御信号を介して前記駆動信号の周波数を変化させ、
前記制御回路は、前記制御信号の振幅を一定としたときに前記圧電素子のインピーダンスに応じた値をとる前記駆動信号の電圧レベルの変化を検出する
請求項15に記載の圧電素子駆動周波数の制御方法。
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