JP2013236439A

JP2013236439A - 周波数調整回路

Info

Publication number: JP2013236439A
Application number: JP2012106531A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kimura; 好男木村; Satoru Watanabe; 悟渡邉
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-21

Abstract

【課題】電流／電圧変換信号のダイナミックレンジを広くして誤検出を防止し、位相差検出回路を不要とする周波数調整回路を提供する。
【解決手段】圧電ブロア等の電気機器を駆動する駆動電圧印加回路４、駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つクロック信号を生成する信号生成回路７と、圧電素子の駆動時に流れる駆動電流を常時モニタして駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路１と、クロック信号に同期して定期的に第１の電圧を保持するサンプルホールド回路と、制御信号を出力する共振周波数検知回路９と、駆動周波数の掃引時に制御信号により設定された周波数の発振信号を駆動電圧印加回路４に供給する周波数可変発振回路３とを備え、駆動電流をモニタするためのサンプルホールドタイミングを、電気機器を共振周波数で駆動した際に、駆動電圧と駆動電流の位相差が０となり駆動電流が最大となる駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、簡単な操作で周波数を精度よく調整することができる周波数調整回路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ヤ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

従来の圧電素子の周波数調整回路では、圧電素子の共振周波数を検出する際に駆動電圧と圧電素子に流れる電流の位相関係を考慮せずに電流をモニタしていた。また、従来の周波数調整回路は、共振周波数の誤検出を防止するために、誤検出防止用位相差検出回路を別途用意することが必要であった。
本発明は、このような事情によりなされたものであって、電流／電圧変換信号のダイナミックレンジを広くして誤検出を防止し、また位相差検出回路を不要とする周波数調整回路を提供する。

本発明の周波数調整回路は、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、前記駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つクロック信号を生成する信号生成回路と、前記電気機器の駆動時に流れる駆動電流を常時モニタして当該駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路と、前記クロック信号に同期して定期的に第１の電圧を保持するサンプルホールド回路と、定期的に更新される前記サンプルホールド回路に保持された前記第１の電圧の最大値を保持する最大電圧保持回路及び電圧比較回路を有し、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、前記第１の電圧と前記最大電圧保持回路に保持された第２の電圧とを前記電圧比較回路により比較し、その比較結果に基づいた制御信号を出力する共振周波数検知回路と、前記駆動周波数の掃引時に前記制御信号により設定された周波数の発振信号を前記駆動電圧印加回路に対して供給する周波数可変発振回路とを具備し、前記第１の電圧を前記サンプルホールド回路に保持するタイミングを、前記電気機器を共振周波数で駆動した際に、前記駆動電圧と前記駆動電流の位相差が０となり前記駆動電流が最大となる前記駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行うことを特徴としている。前記電気機器は、圧電素子であっても良い。前記駆動電圧の波形は、ｓｉｎ波、矩形波，三角波から選ばれるようにしても良い。前記クロック信号と前記発振信号は、同じ発振源から作成されるようにしても良い。

本発明の周波数調整回路は、電流／電圧変換信号のダイナミックレンジが広くなり、誤検出が少なくなる。また、位相差検出回路を不要とするので1チップの半導体回路で実現することが可能になる。

実施例１に係る周波数調整回路を説明するブロック図。図１の周波数調整回路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２に係る周波数調整方法の周波数掃引範囲を説明する特性図。図２に係る周波数調整方法を説明する圧電素子の周波数特性図。図２に係る周波数調整方法における駆動電圧および圧電素子電流波形を示す特性図。従来の周波数調整方法におけるモニタポイントを説明する特性図。図２に係る周波数調整方法におけるモニタポイントを説明する特性図。図１のサンプルホールドクロック発生回路におけるサンプルホールドクロック作成のタイミング図。図１の周波数調整回路に用いる圧電素子駆動回路の詳細を説明する回路図。図１の周波数調整回路に用いる最大電圧保持回路の詳細を説明する回路図。図５の駆動電圧の波形を説明する波形図および圧電素子の駆動電流経路説明図。従来および図２に係る周波数調整方法におけるサンプリング方法による電流モニタ信号の違いを説明する特性図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

まず、図１乃至図１１を参照して実施例１を説明する。
この実施例では、駆動電圧を印加する電気機器として、圧電ブロアなどに用いられる圧電素子を例示する。図１に示すように、周波数調整回路９は、圧電素子１０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（駆動回路）４と、前記駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つクロック信号を生成する信号生成回路（サンプルホールドクロック発生回路）７と、圧電素子１０の駆動時に流れる駆動電流を常時モニタして当該駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換）１と、前記クロック信号に同期して定期的に第１の電圧を保持するサンプルホールド回路（サンプルホールド）５と、定期的に更新される前記サンプルホールド回路５に保持された前記第１の電圧を電圧Ｂとし、電圧Ｂのそれまでの最大値を保持する最大電圧保持回路（ピークホールド）６及び電圧比較回路（共振周波数検出）８を有し、前記駆動周波数を掃引した前記駆動電圧を圧電素子１０に印加したときに、前記第１の電圧（電圧Ｂ）と、電圧Ｂのそれまでの最大値である最大電圧保持回路６に保持された第２の電圧（電圧Ａ）とを電圧比較回路８により比較し、その比較結果に基づいた制御信号を出力する共振周波数検知回路２と、前記駆動周波数の掃引時に前記制御信号により設定された周波数の発振信号を前記駆動電圧印加回路４に対して供給する周波数可変発振回路３とを具備し、前記第１の電圧を前記サンプルホールド回路５に保持するタイミングを、圧電素子１０を共振周波数で駆動した際に、前記駆動電圧と前記駆動電流の位相差が０となり前記駆動電流が最大となる前記駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行う。

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ように直流電圧に変換し一時的に保持するサンプルホールド回路５、サンプルホールド回路５に保持した電圧Ｂのうちのこれまでの最大値を電圧Ａとして保持する最大電圧保持回路６および電圧Ａと現在の圧電素子駆動電流を変換しサンプルホールド回路５に保持した電圧Ｂとを比較する電圧比較回路８を備えている。なお、この周波数調整回路を用いた調整方法は、共振周波数が圧電素子を効率よく駆動可能な共振周波数よりも低い周波数で電流は多く流れるが圧電素子が駆動しない副共振周波数が存在し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可能ように設定する。

次に、図２のフローチャート、図３、図９および図１０を参照して周波数調整方法を説明する。この周波数調整方法は、圧電素子１０を駆動する周波数を設定後、周波数可変発振回路３を用いて可変可能な最低周波数から掃引を開始するステップと、これまでの最大駆動電流（サンプルホールド回路５に保持した電圧に対応する駆動電流の最大値）より現在の駆動電流（サンプルホールド回路５に保持した電圧に対応する駆動電流）の方が大きい場合は駆動周波数値を１段階上げるステップと、このステップ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設定を１段階戻して駆動周波数掃引を終了するステップとを有し、サンプルホールドタイミングを前記電気機器を共振周波数で駆動した際に、前記駆動電圧と前記駆動電流の位相差が０となり前記駆動電流が最大となる前記駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行うことを特徴としている。

まず、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（１）。
設定した周波数で圧電素子を駆動し（２）、図９に示す圧電素子駆動回路４に含まれる電流モニタ回路Ｐ２でその周波数での駆動電流を取得し電圧に変換する（３）。モニタリング時において、サンプルホールドタイミングを前記電気機器を共振周波数で駆動した際に、前記駆動電圧と前記駆動電流の位相差が０となり前記駆動電流が最大となる前記駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行う。電圧に変換された電流／電圧変換回路１の出力信号は、上記サンプルホールタイミング毎に一時的にサンプルホールド回路５に保持され、このサンプルホールド回路５を介して最大電圧保持回路６に入力する。最大電圧保持回路６は、図１０に示すように、差動増幅器ＡＭＰ１、ＰＭＯＳトランジスタＰ３および容量Ｃ２で構成される。差動増幅器ＡＭＰ１の出力はＰＭＯＳトランジスタＰ３のゲート端子に接続される。差動増幅器ＡＭＰ１における各入力の比較において、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に電圧Ｂに応じた電荷を蓄え、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。

そして、最大電圧保持回路６において、電圧Ａと電圧Ｂとを比較（４）し、サンプルホールド回路５に保持された電圧Ｂが最大電圧保持回路６の保持電圧（電圧Ａ）より高ければ最大電圧保持回路６の保持電圧を現在の駆動電流を電圧に変換した値にする（４）、（５）。即ち、保持電圧Ａは、０Ｖから（４）で比較した元の電圧Ｂになる。電圧Ｂが電圧Ａより小さければ最大電圧は変更しない（６）。
次に、電圧比較回路（共振周波数検出）８において、最大電圧保持回路６で生成された電圧Ａとサンプルホールド回路５から出力する電圧Ｂとを比較し（７）、電圧Ｂが電圧Ａと等しいか大きい場合は圧電素子の共振周波数がより高い周波数にあるので、電圧比較回路８からの制御信号により周波数可変発振回路３の周波数を上げる（８）。以上の動作を、図３の駆動電流／周波数特性図に示されているように、低い周波数から高い周波数へ掃引し、電圧Ｂが電圧Ａを下回る周波数になるまで繰り返す。図３では、駆動電流が最も大きい周波数が共振周波数を示す。
電圧Ｂが電圧Ａを下回った場合、即ち圧電素子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の共振周波数よりも高い為、駆動周波数が圧電素子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（９）、圧電素子の駆動周波数を固定する。

周波数調整回路９を構成する圧電素子駆動回路４は、周波数可変発振回路３の出力信号を入力し、その出力信号は、電流／電圧変換回路１に入力する。
電流/電圧変換回路１は、圧電素子１０の駆動用電極に接続された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、圧電素子駆動回路４に対して制御信号に基づいた周波数のクロック（ＤＲＶ＿ＣＬＫ）を供給し、また、サンプルホールドクロック発生回路７に発振信号を入力し、サンプルホールドクロック回路７は、サンプルホールド回路５にクロック（ＳＨ＿ＣＬＫ）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の駆動電極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、信号の位相を反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。

次に、図４乃至図８、図１１および図１２を参照して電流モニタ用サンプルホールドタイミングについて説明する。
サンプルホールドクロック発生回路７は、駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つクロック信号を生成する信号生成回路であり、電流／電圧変換回路１は、圧電素子１０の駆動時に流れる駆動電流を常時モニタして当該駆動電流を電圧Ｂに変換する。また、サンプルホールド回路５は、サンプルホールドクロック発生回路７にて生成されたクロック信号に同期して定期的に電圧Ｂを取り込み保持する。
サンプルホールドのタイミングを制御するクロック信号は、圧電素子を駆動する駆動信号と共に図８に示すように生成される。周波数可変発振回路３は、図８に示される信号（発振器源振）（Ｑ１）を生成する。この信号Ｑ１は、Ｄｕｔｙ調整のために分周されて分周信号（Ｑ２）を作成する。この分周信号Ｑ２の立下りエッジからワンショットパルス信号（Ｑ３）を作成する。分周信号Ｑ２を分周して駆動信号（ＤＲＶ＿ＣＬＫ）を作成する。ワンショットパルスＱ３と駆動信号ＤＲＶ＿ＣＬＫのＡＮＤ信号によりサンプルホールドクロック信号ＳＨ＿ＣＬＫを作成する。このサンプルホールドクロック信号は、駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つが、この実施例の場合は駆動電圧が矩形波であるので、変化タイミングは最大振幅区間の実質的に中央にある。

図４は、圧電素子を駆動したときの周波数特性を説明する特性図である。横軸は、周波数（Ｈｚ）を表し、縦軸左は、インピーダンス（Ω）を表し、縦軸右は、駆動電圧と圧電素子電流の位相（ｄeｇ）を表す。図には位相曲線（点線）とインピーダンス曲線（実線）が記載されている。横軸は、共振周波数（Ｂ）と共振周波数以前の領域（Ａ）と共振周波数以後の領域（Ｃ）とを含んでいる。
図５は、駆動電圧と圧電素子電流の波形を表し、図６は、電流波形に付せられた従来の方法によるモニタポイントを示し、図７は、電流波形に付せられたこの実施例の方法によるモニタリングポイントを示している。図５乃至図７の波形図は、それぞれ共振周波数（Ｂ）、共振周波数以前（共振周波数よりも低い周波数での駆動）の領域（Ａ）および共振周波数以後（共振周波数よりも高い周波数での駆動）の領域（Ｃ）に分かれている。

図１１は、圧電素子を振動させる駆動電圧を説明する図である。図１１（ａ）に示される駆動電圧ＯＵＴ＿Ｎ、ＯＵＴ＿Ｐは、それぞれ圧電素子の両端子ＯＵＴ＿Ｎ、ＯＵＴ＿Ｐに加えられる（図１１（ｂ））。そして、駆動電圧ＯＵＴ＿Ｎ、ＯＵＴ＿Ｐは互いに逆相になるので、図１１（ａ）のＯＵＴ＿Ｎ−ＯＵＴ＿Ｐの波形に記載されているように圧電素子からみた振幅は２倍になる。
図１２は、実施例と従来例のサンプリング方法の違いによる効果の違いを説明する特性図である。図において、縦軸は、電流モニタ信号（サンプリングした電流値）を表し、横軸は、中央に共振周波数を配した駆動電圧の周波数を表す。曲線ａは、位相に関係なく電流ピーク時（掃引時の駆動周波数における電流波形の最大値）にサンプリングした従来の方法による結果である。曲線ｂは、共振周波数で駆動した際に、駆動電圧と駆動電流の位相差が０となり駆動電流が最大となる駆動電圧の最大振幅時のタイミングでサンプリングしたこの実施例の方法による結果である。図１２に記載されているように、従来方法では電流ピーク時にのみサンプリングするので、共振周波数以外の周波数でも電流モニタ信号が高く、ダイナミックレンジが狭い。この実施例の方法では共振周波数で駆動した際に、駆動電圧と駆動電流の位相差が０となり駆動電流が最大となる駆動電圧の最大振幅時のタイミングでサンプリングするので、共振周波数以外の周波数の電流モニタ信号が低く、ダイナミックレンジが広くなる。したがって、誤検出が少なくなる。

以上、この実施例は、電流／電圧変換信号のダイナミックレンジが広くなり、誤検出が少なくなる。また、位相差検出回路を不要とするので1チップの半導体回路で周波数調整回路を実現することが可能になる。

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・・・サンプルホールドクロック発生回路
８・・・電圧比較回路
９・・・周波数調整回路
１０・・・圧電素子

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、前記駆動電圧の最大振幅時に変化タイミングを持つクロック信号を生成する信号生成回路と、前記電気機器の駆動時に流れる駆動電流を常時モニタして当該駆動電流を第１の電圧に変換する電流／電圧変換回路と、前記クロック信号に同期して定期的に前記第１の電圧を保持するサンプルホールド回路と、定期的に更新される前記サンプルホールド回路に保持された前記第１の電圧の最大値を保持する最大電圧保持回路及び電圧比較回路を有し、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、前記第１の電圧と前記最大電圧保持回路に保持された第２の電圧とを前記電圧比較回路により比較し、その比較結果に基づいた制御信号を出力する共振周波数検知回路と、前記駆動周波数の掃引時に前記制御信号により設定された周波数の発振信号を前記駆動電圧印加回路に対して供給する周波数可変発振回路とを具備し、前記第１の電圧を前記サンプルホールド回路に保持するタイミングを、前記電気機器を共振周波数で駆動した際に、前記駆動電圧と前記駆動電流の位相差が０となり前記駆動電流が最大となる前記駆動電圧の最大振幅時のタイミングで行う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。
前記駆動電圧の波形は、ｓｉｎ波、矩形波，三角波から選ばれることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された周波数調整回路。
前記クロック信号と前記発振信号は、同じ発振源から作成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の周波数調整回路。