JP2011062024A - 昇圧回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の櫛歯電極K10および第2の櫛歯電極K20は、第1の櫛歯アクチュエータαを構成する。第2の櫛歯電極K20と第3の櫛歯電極30は、可動部1として一体的に形成されている。第3の櫛歯電極K30および第4の櫛歯電極K40は、第2の櫛歯アクチュエータβを構成する。本実施の形態による昇圧回路は、可動部1を共有した2つの櫛歯アクチュエータα,βからなる3端子型櫛歯アクチュエータを用いている。第1の櫛歯電極K10と接地との間には、直流電源8と交流電源10とを直列に接続する。第4の櫛歯電極K40は接地し、可動部1(第2の櫛歯電極K20および第3の櫛歯電極K30)からボルテージフォロア12を介して昇圧出力を取り出す。
【選択図】図1
Description
図1は本発明を適用した昇圧回路を示す全体構成図である。本図において、K10は第1の櫛歯電極であり、固定部1に含まれている。K20は第2の櫛歯電極であり、可動部1に含まれている。これら第1の櫛歯電極K10および第2の櫛歯電極K20は、所定の空隙を開けた状態で歯合する第1の櫛歯アクチュエータαを構成する。
しかも、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)による非常に高いQ値を利用しているので、高効率の昇圧回路とすることができる。
のように表すことができる。
ここで、
などより、
となる。
いま
とし、微小変動に対して
に変化したとすれば、
として、
となる。これを、より説明的に記載すると、
となる。すなわち、
はガウスの定理
より電界を表すことが分かる。
および
は、それぞれ機械系における電気的影響と、電気系における機械的な影響を表している。すなわち、機械系においては、入力した電圧に係数(=M)をかけた電圧を出力する素子ということになり、PSpice(商標)においては電圧制御電圧源とみなすことができる。電気系においては、入力した電流に対し係数(=M)をかけた電流を吐き出す素子ということになり、電流制御電流源とみなすことができる。
実際の櫛歯アクチュエータにおいては、この一組の櫛歯がN個あるとして、静電容量はN倍される。この式を既述のラグランジュ方程式に当てはめることで、櫛歯アクチュエータの等価回路を導くことができる。櫛歯アクチュエータにおける電気機械結合係数をAとすると、Aは下記の式で表すことができる。
ここでX0は、直流電圧E0がかかっている場合の、櫛歯のオーバーラップ距離である。この電気機械結合係数が高くなればなるほど、櫛歯アクチュエータを昇圧回路として用いる場合、より高電圧を発生させることができ、かつ効率よく電流を伝えることが可能になる。
本実施の形態によれば、以下のような作用・効果を奏することができる。
(1)第1の櫛歯電極K10と、第1の櫛歯電極K10と所定の間隔をもって歯合する第2の櫛歯電極K20とを有する第1の櫛歯アクチュエータαと、第3の櫛歯電極K30と、第3の櫛歯電極K30と所定の間隔をもって歯合する第4の櫛歯電極K40とを有する第2の櫛歯アクチュエータβとを備え、第2の櫛歯電極K20と第3の櫛歯電極K30とが同じ動きをするよう一体的に可動部1として形成した3端子型櫛歯アクチュエータのいずれか一つの櫛歯電極から昇圧出力を得る構成としてあるので、簡易且つ小型な構成ながら消費電力を抑制した昇圧回路を実現することができる。
(1)これまで説明してきた実施の形態1では、昇圧出力を得るバッファアンプとしてボルテージフォロア12を用いたが、必ずしもボルテージフォロア12である必要はない。たとえば、FETなどインピーダンス変換ができる素子を利用ことも可能である。
すなわち、ボルテージフォロアに用いるオペアンプは、その原理上、自身の直流電源電圧以上の電圧を出力することはできないが、本発明では昇圧を目的とするものであることから、その昇圧された電圧より大きな直流電源が既に存在するというのは、実験環境ではともかく、実用上は現実的でない。実験環境ではJ−FET入力などの高入力インピーダンス型ボルテージフォロアが最も適切ではあるが、実際の応用場面では、FETを利用するのがより好適である。
換言すると、本発明を実施するためには、第1の櫛歯電極K10’と、第1の櫛歯電極K10’と所定の間隔をもって歯合する第2の櫛歯電極K20’とを有する第1の櫛歯アクチュエータα’と、第3の櫛歯電極K30’と、第3の櫛歯電極K30’と所定の間隔をもって歯合する第4の櫛歯電極K40’とを有する第2の櫛歯アクチュエータβ’とを備え、第2の櫛歯電極K20’と第3の櫛歯電極K30’とが同じ動きをするよう一体的に形成した3端子型櫛歯アクチュエータのいずれか一つの櫛歯電極から昇圧出力を得る構成をとればよい。
これまで説明してきた実施の形態1では、図1および図2に示したように、独立の交流電源10を用いるものとして説明を行ってきたが、3端子型櫛歯アクチュエータを自励発振器(図示せず)の帰還回路中に挿入して昇圧回路を構成することができる。この帰還回路中に接続する端子は、図1に示した第1の櫛歯電極K10および第4の櫛歯電極K40にそれぞれ設ける(図示せず)。直流電圧は可動部1(図1のK20,K30)に直接印加する。すなわち、実施の形態1では図6に示したように、交流電圧と直流電圧を櫛歯アクチュエータに対して印加する端子は固定部1への1つだけであるが、実施の形態2では、固定部1および2に交流印加端子を、可動部1に直流印加端子を別個に設ける。
本実施の形態によれば、以下のような作用・効果を奏することができる。
(1)3端子型櫛歯アクチュエータを自励発信器の帰還回路中に挿入(すなわち、第1の櫛歯電極K10および第4の櫛歯電極K40に接続端子を設ける)構成としてあるので、独立した交流電源10が不要となる。
一次側と二次側において、共通の可動部によって相対的な容量のスイッチングを行うことができ、高い電気機械結合係数を実現できる構造であれば、所定の昇圧を行うことができる。
前者の場合は、図9に示すように、固定部を垂直方向に絶縁層を介して積層する。
また、可動部は水平方向には移動しないように4方向ないし3方向から支持し、垂直方向に対して最も振動しやすいようにする。そして印加する交流電圧の周波数は垂直方向の共振周波数を用いる。このような構造にすれば寄生容量は多くなるが、省スペース化を図ることができる。
後者の場合は、図10に示すような構造をとる。この場合、櫛歯が長辺方向に対して左右に振動する。図10の構造を有することにより、移動距離は短いものの、櫛歯のギャップの変化を多めにとることができる。
実施の形態と変形例の一つとを組み合わせること、もしくは、実施の形態と変形例の複数とを組み合わせることも可能である。
変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
さらに、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
K20 第2の櫛歯電極
K30 第3の櫛歯電極
K40 第4の櫛歯電極
α 第1の櫛歯アクチュエータα
β 第2の櫛歯アクチュエータβ
12 ボルテージフォロア
Claims (5)
- 第1の櫛歯電極と、前記第1の櫛歯電極と所定の間隔をもって歯合する第2の櫛歯電極とを有する第1の櫛歯アクチュエータと、
第3の櫛歯電極と、前記第3の櫛歯電極と所定の間隔をもって歯合する第4の櫛歯電極とを有する第2の櫛歯アクチュエータとを備え、
前記第2の櫛歯電極および前記第3の櫛歯電極が同じ動きをするよう一体的に形成した3端子型櫛歯アクチュエータのいずれか一つの櫛歯電極から昇圧出力を得ることを特徴とする昇圧回路。 - 請求項1に記載の昇圧回路において、
前記第1の櫛歯電極には、直列接続された直流電源および交流電源を接続し、
一体的に形成された前記第2の櫛歯電極および前記第3の櫛歯電極から昇圧出力を取り出すことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項1に記載の昇圧回路において、
前記第1の櫛歯電極には交流電源を接続し、
一体的に形成された前記第2の櫛歯電極および前記第3の櫛歯電極には直流電源を接続し、
前記第4の櫛歯電極から昇圧出力を取り出すことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項1に記載の昇圧回路において、
前記3端子型櫛歯アクチュエータを自励発振器の帰還回路中に挿入したことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項4に記載の昇圧回路において、
前記第1の櫛歯電極および前記第4の櫛歯電極に接続端子を設けることにより、前記3端子型櫛歯アクチュエータを前記自励発振器の帰還回路中に挿入することを特徴とする昇圧回路。
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