JP2013193030A

JP2013193030A - 周波数調整回路及び周波数調整方法

Info

Publication number: JP2013193030A
Application number: JP2012063149A
Authority: JP
Inventors: Jun Uenosono; 純上之園; Akihiro Harada; 朗太原田; Yoshio Kimura; 好男木村; Satoru Watanabe; 悟渡邉
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: JP5999590B2

Abstract

【課題】駆動周波数の調整時間を短縮可能な電気機器を十分に駆動する周波数調整方法及びこの調整方法を実現できる回路規模が小さい１チップ化が可能な周波数調整回路を提供する。
【解決手段】周波数調整回路は半導体基板に１チップ形成され、圧電素子１０に流れる電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路１、共振周波数検知回路２、共振周波数検知回路２から制御信号を受け取りこの制御信号を出力する周波数を変える周波数可変発振回路３及び圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路４を有する。周波数掃引間隔を固定し、周波数の低い方から高い方への一方向のみの掃引で圧電素子を十分に駆動できる共振周波数を検出する。従来のものと異なり、1つのステップで圧電素子を十分に駆動可能な周波数に調整できる。回路規模を抑え駆動周波数の調整時間を短縮することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、簡単な操作で周波数を調整することができる周波数調整回路及びこの周波数調整回路を用いた調整方法に関するものである。

スマートフォンやモバイルｗｉ−ｆｉルーター等、小型化の進む携帯機器分野において、ファンに代わる冷却装置として圧電ブロアがある。
圧電ブロアは圧電素子に電圧を印加して共振振動させることによりダイアフラムを屈曲させて流体の輸送を行う装置である。

特許文献１に記載された圧電ブロアの駆動周波数調整機構は、Ａ／Ｄコンバータを含む演算回路、Ｄ／Ａコンバータとシンセサイザを含む駆動電圧印加回路、アンプ回路、駆動電圧モニタ回路、駆動電流モニタ回路で構成されており、圧電素子の駆動周波数調整を４つの手順で行っている。
特許文献１には、圧電素子に所定の周波数の駆動電圧を印加することのできる駆動電圧印加手段と、前記圧電素子の駆動時に前記圧電素子に流れる駆動電流をモニタする駆動電流モニタ手段と、前記駆動電流モニタ手段によってモニタしている駆動電流が最大となるように、前記駆動電圧印加手段から前記圧電素子に印加される駆動電圧の周波数制御を行なう制御手段とを備えることを特徴とする圧電素子の駆動電圧周波数調整機構が開示されている。

この駆動電圧の周波数制御は、所定の周波数範囲で前記制御手段により駆動電圧の周波数を所定の間隔で変化させ、各周波数の駆動電流値を前記駆動電流モニタ手段で測定することにより、駆動電流が最大値を示す周波数を求める第１のステップと、第１のステップで求めた周波数より所定の値だけ低周波側または高周波側の周波数を始点として、前記制御手段により駆動電圧の周波数を第１のステップにおける間隔より狭い間隔で変化させ、各周波数の駆動電流値を前記駆動電流モニタ手段で測定することにより、駆動電流が最大値を示す周波数を求め、その周波数での駆動電流値を前記制御手段に記憶させる第２のステップと、第２のステップで求めた周波数を始点として、駆動電流が最大値を示す周波数を中心にして前記制御手段により第２のステップにおける間隔より狭い間隔で低周波側および高周波側に周波数を変化させ、各周波数での駆動電流値を前記駆動電流モニタ手段で測定し、各測定値を前記制御手段に入力して、記憶させた駆動電流値と比較することにより、駆動電流値がより大きくなる側の周波数を選択してその周波数での駆動電流値を前記制御手段に記憶させる操作を繰り返し、駆動電流値が直前の操作で選択した周波数の低周波側または高周波側のいずれの周波数で測定しても、直前の操作で記憶させた駆動電流値よりも小さくなる周波数を求め、その周波数での駆動電流値を前記制御手段に記憶させる第３のステップと、第３のステップで求めた周波数に固定して駆動電圧印加手段により駆動電圧を印加しながら駆動電流を所定の時間毎に前記駆動電流モニタ手段で測定し、駆動電流が所定の閾値以下となった場合、前記制御手段により駆動電圧の周波数を第３のステップと同じ間隔で低周波側または高周波側に変化させることで、駆動電流が最大値を示す周波数に調整する第４のステップとを備えることを特徴としている。

特開２００９−８９５０４号公報

従来技術である特許文献1の周波数調整方法は手順が複雑であり、それを実現する為の回路構成が大規模になり、１チップの半導体回路で実現するのが困難であるという問題があった。
本発明は、スマートフォンやモバイルwi-fiルーター等の小型の精密電子機器に搭載でき、従来より駆動周波数の調整時間を短縮可能な電気機器を十分に駆動する周波数調整方法及びこの調整方法を実現できる従来より回路規模が小さい１チップ化が可能な周波数調整回路を提供する。

本発明の周波数調整回路の一態様は、電気機器を所定の駆動周波数で駆動する駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路と、前記電気機器の駆動時に流れる駆動電流をモニタし当該駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路と、変換された前記第１の電圧に基づいて前記駆動周波数を設定する制御信号を出力する共振周波数検知回路と、前記制御信号により設定された前記駆動周波数を持つ発振信号を出力する周波数可変発振回路とを具備し、前記共振周波数検知回路は、前記第１の電圧の最大値を保持する最大電圧保持回路、電圧比較回路及び前記駆動周波数の設定信号を生成するアップダウンカウンタを有し、前記駆動周波数を掃引した前記駆動電圧を前記電気機器に印加したときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧にオフセット電圧を加えた第２の電圧と前記最大電圧保持回路の出力とを前記電圧比較回路で比較し、その出力により前記アップダウンカウンタの設定値を増減させ、その出力によって前記周波数可変発振回路の出力する前記発振信号の前記駆動周波数を制御することを特徴としている。

前記電気機器は、圧電素子である様にしても良い。前記共振周波数検知回路は、さらに、前記電流/電圧変換回路から受け取った第１の電圧を比較し易い様に直流化するサンプルホールド回路及び前記電圧比較回路の誤動作防止の為に前記サンプルホールド回路の出力電圧と前記最大電圧保持回路の出力電圧とのいずれかにオフセット電圧を加えるオフセット電圧印加回路を具備するようにしても良い。

本発明の周波数調整方法の一態様は、前記電気機器を駆動する周波数を設定後、前記周波数可変発振回路を用いて可変可能な最低周波数から掃引を開始する動作と、これまでの最大駆動電流より現在の駆動電流の方が大きい場合は前記駆動周波数値を１段階上げる動作と、この動作を現在の駆動電流の方がこれまでの最大駆動電流より小さくなるまで続け、現在の駆動電流の方が小さくなった場合には１つ前の駆動周波数が共振周波数に最も近いと判断して駆動周波数を戻して駆動周波数掃引を終了する動作とを有する上記周波数調整回路を用いた周波数調整方法であることを特徴としている。

本発明の周波数調整方法は周波数掃引間隔を固定し、周波数の低い方から高い方への一方向のみの掃引で圧電素子などの電気機器を十分に駆動可能な共振周波数を検出するものである。その実現には周波数可変発振回路、電気機器へ駆動電圧を印加する回路、電気機器に流れる駆動電流をモニタする回路、駆動電流を電圧に変換する回路、アップダウンカウンタで構成すればよく、従来のように演算装置を必要としないので回路規模を抑え駆動周波数の調整時間を短縮することが可能になる。

実施例1の周波数調整回路を説明するブロック図。実施例1の周波数調整方法の周波数掃引範囲を説明する概略図。図１の回路構成を用いた圧電素子の駆動周波数調整方法を説明するフローチャート図。図１の回路構成を用いた周波数調整方法を説明する概略図。実施例２に係る圧電ブロアの断面図。実施例３に係る周波数調整回路を説明するオフセット電圧印加回路が電圧源の場合のブロック図。実施例３に係る周波数調整回路を説明するオフセット電圧印加回路が電流源と抵抗の場合のブロック図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図1乃至図４を参照して実施例１の周波数調整回路及び調整方法を説明する。
実施例１の周波数調整回路は、半導体基板に１チップ形成され、圧電素子１０に流れる電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路１、共振周波数検知回路２、共振周波数検知回路２から制御信号を受け取りこの制御信号を出力する周波数を変える周波数可変発振回路３、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路４で構成されている。
共振周波数検知回路２は、電流/電圧変換回路１から受け取った電圧を比較し易い様に直流電圧に変換するサンプルホールド回路５、これまでの最大電流を変換した電圧Ａを保持する最大電圧保持回路６、誤検出が発生しないように電圧Ｂにオフセット電圧Ｃを加えて電圧Ｄを出力するオフセット電圧印加回路７、これまでの周波数掃引で圧電素子１０に流れる最大電流を変換した電圧Ａと電圧Ｄを比較する電圧比較回路８、電圧比較回路８の比較結果を受けて可変周波数発振回路４の周波数制御信号を増減させるアップダウンカウンタ９で構成される。

次に、この周波数調整回路を用いた周波数調整方法を説明する。
図２は、縦軸が圧電素子のインピーダンスを表し、横軸が周波数を表す。この調整方法では、電流は多く流れるが、圧電素子が振動しない副共振周波数の影響を受けないように周波数掃引範囲を設定し、周波数掃引間隔は圧電素子を十分駆動可能な周波数を検出するように設定する。図２によれば、副共振周波数は、共振周波数より低い領域に副共振周波数１があり、共振周波数より高い領域に副共振周波数２がある。この調整方法では、周波数の低い方から高い方への一方向掃引を行うので、周波数掃引範囲に関して、副共振周波数１を含む領域は、不適（×）であり、副共振周波数を含まない領域（○）及び副共振周波数２を含む領域（○）は、適している。

以下、図３のフローチャートを参照して、この実施例の周波数調製方法を説明する。
初めに、初期化動作として、リセット信号を最大電圧保持回路６、電圧比較回路８、アップダウンカウンタ９に入力し、周波数設定を設定可能な最低周波数とし、最大電圧保持回路６の保持電圧Ａを０Ｖとする。
次に、アップダウンカウンタ９からの制御信号で設定した周波数で圧電素子１０を駆動し、電流/電圧変換回路１でその周波数での圧電素子に流れる電流を取得して電圧に変換する。前記圧電素子に流れる電流を変換した電圧は、サンプルホールド回路５で直流化した電圧Ｂとして最大電圧保持回路６に入力する。サンプルホールド回路５から出力した電圧Ｂが最大電圧保持回路６の保持する電圧Ａより高ければ最大電圧保持回路６が保持する電圧Ａを電圧Ｂと同じ電圧値に更新する。電圧Ｂが電圧Ａより低ければ最大電圧を変更しない。

次に、電圧Ａとオフセット電圧印加回路７において電圧Ｂにオフセット電圧Ｃを加えて形成された電圧Ｄとを電圧比較回路８で比較し、電圧Ｄが電圧Ａと等しいか大きい場合は圧電素子１０の共振周波数が現在の周波数設定より高い周波数にあるので周波数可変発振回路３の周波数を上げる為にアップダウンカウンタ９へＵＰ信号を入力する。
この動作を電圧Ｄが電圧Ａを下回る周波数になるまで繰り返す。
電圧Ｄが電圧Ａを下回った場合、即ち、圧電素子１０の共振周波数を通過した事を検出した時、現在の設定周波数は圧電素子１０の共振周波数よりも高い事になるので、圧電素子１０の共振周波数に最も近い周波数となるように駆動周波数の設定を戻した後に周波数掃引を終了し、圧電素子１０の駆動周波数を固定する。
この時周波数設定を戻す数は接続した圧電素子１０のインピーダンス特性とオフセット電圧Ｃの電圧値に合わせて調整する必要がある。

圧電素子１０の駆動による発熱や周囲の温度環境変化によって圧電素子１０の共振周波数は変動するので、これに対応する為、この実施例の周波数調整方法では、所定の時間間隔でリセット信号を最大電圧保持回路６、電圧比較回路８、アップダウンカウンタ９に入力してこれらの回路を初期状態に戻して、再度圧電素子１０のインピーダンスが最小となる周波数の検出動作を行う。

次に、図４を参照して、周波数調整方法を説明する。
図４は、縦軸を電圧に変換した駆動電流とし、横軸を掃引時の駆動周波数とする。図４には、駆動電流を電圧に変換した電圧Ｂの最大値（電圧Ａ）の変化及び電圧Ｂにオフセット電圧を加えた電圧Ｄの変化が記載されている。電圧Ｄは駆動周波数の増加とともに上昇し、圧電素子の共振周波数で最大となり、その電圧にて固定される。共振周波数を超えると駆動周波数の増加とともに圧電素子のインピーダンスは増加するため駆動電流も減り電圧Ｂも減少する。電圧Ｄは、電圧Ｂよりも常にオフセット電圧分だけ高い電圧を示し、共振周波数まではその関係は変わらない。共振周波数を超えると、電圧Ｄは、減少した電圧Ｂに対してオフセット電圧が加えられるため、電圧Ｂの減少に伴って減少し、やがて電圧Ａ（電圧Ｂの最大値）よりも小さくなる。この電圧Ｄが電圧Ａを下回ったときが検出タイミングである。

しかしながら、その検出タイミングでは、図４に示されるとおり、電圧Ｂが最大になった直後のタイミング（即ち、共振周波数）を通り過ごしているため、共振周波数の設定は、上記検出タイミング時の周波数ではなく、電圧Ｂが最大になった直後のものに戻さなくてはならない。そのため、駆動周波数の設定を戻した後に周波数掃引を終了し駆動周波数を固定することになる。戻す設定数は、オフセット量及び周波数掃引の間隔を加味して決められる。図４の場合は２つ前の周波数に戻される場合である。

以上、この実施例の周波数調整方法は周波数掃引間隔を固定し、周波数の低い方から高い方への一方向のみの掃引で圧電素子を十分に駆動できる共振周波数を検出するものであり、従来のように演算装置を必要としないので回路規模を抑え駆動周波数の調整時間を短縮することが可能である。この調整方法を用いる事で従来の特許文献1に記載された発明のものより小規模な回路構成と1つのステップで圧電素子を十分に駆動可能な周波数に調整できる。

次に、図５を参照して実施例２を説明する。この実施例では実施例１に記載された周波数調整回路を適用した圧電ブロアを説明する。圧電ブロアは、内部基板と外部容器から構成された筐体１５と圧電素子１０が取り付けられたダイアフラム１１とから構成されている。筐体１５は、ダイアフラム支持体１４と内部基板と外部容器との間に流体通路１２が形成され、外部容器には噴出口が設けられている。内部基板に固定されたダイアフラム支持体１４にダイアフラム１１が固定され、ダイアフラム１１にはセラミックなどからなる圧電素子１０が取り付けられている。圧電素子１０の両側に設けた駆動用電極１０ａ、１０ｂ間に交流電圧信号を印加すると圧電効果によって圧電素子１０が振動する。この振動によって、ダイアフラム１１を屈曲させ、ポンプ室(図示せず)に吸排気させることによって、流体１３（空気）が、筐体１５とダイアフラム支持体１４に囲まれた流体通路１２を経由して、噴出する。
この実施例により、周波数調整回路及び周波数調整方法が実施例１と同じ作用効果が認められると共に流体を効率良く、安定して流すことができる。

次に、図６及び図７を参照して実施例３を説明する。
図６及び図７は、図１に記載された周波数可変発振回路３、圧電素子駆動回路４、最大電圧保持回路６、オフセット電圧印加回路７及び電圧比較回路８をより詳しく記述したものである。
電流/電圧変換回路１は、圧電素子１０の駆動用電極１０ａに接続されたＰＭＯＳトランジスタＰ１と並列に配置した電流モニタ用ＰＭＯＳトランジスタＰ２に流れる電流を抵抗で受けて電圧に変換し、サンプルホールド回路５に入力して電圧比較回路８が比較し易い電圧Ｂに調整する。

周波数可変発振回路３は、可変抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２、Ｒ３と容量Ｃ１を用いたＣＲ発振回路を用い、圧電素子駆動回路４へクロックを供給する。
圧電素子駆動回路４は圧電素子１０を駆動するのに十分な電流を流せるインバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３を用い、圧電素子１０の電極１０ａ、１０ｂへ逆位相の信号を印加する。圧電素子駆動回路４を構成するインバータＩＮＶ１は、インバータＩＮＶ２の後段に接続され、信号の位相を逆転するために用いられる。ＰＭＯＳトランジスタＰ１は、インバータＩＮＶ３を構成するトランジスタであり、ＰＭＯＳトランジスタＰ２は、電流モニタ回路として圧電素子駆動回路４に含まれる。

最大電圧保持回路６は、差動増幅器ＡＭＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ３、容量Ｃ２及びＮＭＯＳトランジスタを具備している。差動増幅器ＡＭＰ１の出力をＰＭＯＳトランジスタＰ３のゲート端子に接続し、容量Ｃ２で保持した電圧Ａよりサンプルホールド回路５の出力から入力した電圧Ｂの方が高い場合はＰＭＯＳトランジスタＰ３をオンして容量Ｃ２に電荷を蓄え、容量Ｃ２で保持した電圧Ａより電圧Ｂの方が低い場合はＰＭＯＳトランジスタＰ３をオフにして保持した電圧Ａが変化しないようにする。リセット信号は、ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極に入力される。ＮＭＯＳトランジスタは、一方の電極が接地され、他方の電極は差動増幅器ＡＭＰ１の正入力端（＋）に接続されている。差動増幅器ＡＭＰ１の負入力端（−）はサンプルホールド回路５の出力端に接続されている。差動増幅器ＡＭＰ１の出力（電圧Ａ）は、ＰＭＯＳトランジスタＰ３の一方の電極と容量Ｃ２の一方の電極との接続点から出力され、電圧比較回路８に入力される。ＰＭＯＳトランジスタＰ３の他方の電極は電源に接続され、容量Ｃ２の他方の電極は、接地されている。

オフセット電圧印加回路７は、図６に示すように電圧源Ｖ１で構成する場合と図７に示すように電流源ＶＩ１と抵抗Ｒ４で構成する場合などがある。また、電圧Ｂにオフセット電圧Ｃを加えるという方法ではなく電圧Ａからオフセット電圧Ｃを引くという方法でも同等の作用効果が得られる。
電圧比較回路８は、最大電圧保持回路６及びオフセット電圧印加回路７の出力が入力されるコンパレータＣＭＰ１とカウンタ制御回路１６とを使用し、電圧Ｄが電圧Ａより大きければカウンタ制御回路１６がＵＰ信号を出力、電圧Ｄが電圧Ａより小さければカウンタ制御回路１６がＤＯＷＮ信号を出力する。
アップダウンカウンタ９は、標準的なフリップフロップを使用し、ＵＰ信号でカウントアップ、ＤＯＷＮ信号でカウントダウンし、７ビットの周波数可変信号を周波数可変発振回路３の可変抵抗Ｒ１に出力する。
上記実施例を用いる事で、実施例１と同等の効果を得る事ができる。

１・・・電流／電圧変換回路
２・・・共振周波数検知回路
３・・・周波数可変発振回路
４・・・圧電素子駆動回路
５・・・サンプルホールド回路
６・・・最大電圧保持回路
７・・・オフセット電圧印加回路
８・・・最大電圧比較回路
９・・・アップダウンカウンタ
１０・・・圧電素子
１０ａ、１０ｂ・・・圧電素子駆動用電極
１１・・・ダイアフラム
１２・・・流体通路
１３・・・流体
１４・・・ダイアフラム支持体
１５・・・圧電ブロア筐体
１６・・・アップダウンカウンタ制御回路

Claims

電気機器を所定の駆動周波数で駆動する駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路と、前記電気機器の駆動時に流れる駆動電流をモニタし当該駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路と、変換された前記第１の電圧に基づいて前記駆動周波数を設定する制御信号を出力する共振周波数検知回路と、前記制御信号により設定された前記駆動周波数を持つ発振信号を出力する周波数可変発振回路とを具備し、前記共振周波数検知回路は、前記第１の電圧の最大値を保持する最大電圧保持回路、電圧比較回路及び前記駆動周波数の設定信号を生成するアップダウンカウンタを有し、前記駆動周波数を掃引した前記駆動電圧を前記電気機器に印加したときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧にオフセット電圧を加えた第２の電圧と前記最大電圧保持回路の出力とを前記電圧比較回路で比較し、その出力により前記アップダウンカウンタの設定値を増減させ、その出力によって前記周波数可変発振回路の出力する前記発振信号の前記駆動周波数を制御することを特徴とする周波数調整回路。
前記電気機器は、圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の周波数調整回路。
前記共振周波数検知回路は、さらに、前記電流/電圧変換回路から受け取った第１の電圧を比較し易い様に直流化するサンプルホールド回路及び前記電圧比較回路の誤動作防止の為に前記サンプルホールド回路の出力電圧と前記最大電圧保持回路の出力電圧とのいずれかにオフセット電圧を加えるオフセット電圧印加回路を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周波数調整回路。
前記電気機器を駆動する周波数を設定後、前記周波数可変発振回路を用いて可変可能な最低周波数から掃引を開始する動作と、これまでの最大駆動電流より現在の駆動電流の方が大きい場合は前記駆動周波数値を１段階上げる動作と、この動作を現在の駆動電流の方がこれまでの最大駆動電流より小さくなるまで続け、現在の駆動電流の方が小さくなった場合には１つ前の駆動周波数が共振周波数に最も近いと判断して駆動周波数を戻して駆動周波数掃引を終了する動作とを有する請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の周波数調整回路を用いたことを特徴とする周波数調整方法。