JP2024516318A - デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、を含む、デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法を開示する。本発明は、デジタル方式で駆動周波数を変更することにより、圧電セラミックトランスの昇圧比を変更して、最終的に出力電圧を安定化する。圧電セラミックトランスの出力電圧が安定し、環境適合性が高く、信頼性が高い。【選択図】図１
Description
本発明は、デジタル化駆動方法に関し、特に、デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法に関する。
圧電セラミックトランスを用いて高電圧マイナスイオンを発生させると、体積が小さく、動作周波数が高く、高電圧によって破壊されにくいという特性がある。従来の圧電セラミックトランスの駆動技術に用いられているアナログ技術は、圧電セラミックトランスの共振及び出力電圧を、アナログネガティブフィードバックの信号入力とする。アナログ方式の圧電セラミック駆動方式は、出力電圧が安定せず、発振せず、回路が複雑であり、環境温度による影響が大きいという欠点がある。
本発明は、上記問題を解決するために、圧電セラミックトランスの出力電圧を安定化するように、デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の技術手段を用いる。デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法は、
圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、
収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、を含む。
圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、
収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、を含む。
さらに、温度及び／湿度が変化した後、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集し、
収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整し、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力する。
収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整し、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力する。
さらに、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、駆動回路の電流が所定の電流を超えると、駆動回路をオフにする。
従来の技術に比べて、本発明は、以下の有益な効果を有する。本発明は、デジタル方式で駆動周波数を変更することにより、圧電セラミックトランスの昇圧比を変更して、最終的に出力電圧を安定化する。圧電セラミックトランスの出力電圧が安定し、環境適合性が高く、信頼性が高い。
実施例に係る回路（マイナスイオン発生回路）について、図１～図７を参照することができ、回路の説明の詳細について、実施例４を参照する。なお、デジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法は、上記回路に適用することを含むが、これらに限定されない。
本実施例に係るデジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法は、高電圧サンプリング回路により、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し（収集された出力電圧を電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信する）、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、
電流サンプリング回路により、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、駆動回路の電流が所定の電流を超えると、駆動回路をオフにするステップと、を含む。例えば、駆動回路は、電流サンプリング回路により、電流信号を収集してマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、駆動回路の電流が所定の電流（例えば、５００ｍＡ）を超えた場合、駆動回路（例えば、ＭＯＳトランジスタ）を強制的にオフにして、回路を保護して安全性及び信頼性を図る。
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し（収集された出力電圧を電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信する）、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、
電流サンプリング回路により、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、駆動回路の電流が所定の電流を超えると、駆動回路をオフにするステップと、を含む。例えば、駆動回路は、電流サンプリング回路により、電流信号を収集してマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、駆動回路の電流が所定の電流（例えば、５００ｍＡ）を超えた場合、駆動回路（例えば、ＭＯＳトランジスタ）を強制的にオフにして、回路を保護して安全性及び信頼性を図る。
本実施例に係るデジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法は、温度及び／湿度が変化した後、高電圧サンプリング回路により、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し（収集された出力電圧を電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信する）、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、
電流サンプリング回路により、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、駆動回路の電流が所定の電流を超えると、駆動回路をオフにするステップと、を含む。例えば、駆動回路は、電流サンプリング回路により、電流信号を収集してマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、電流が所定の電流（例えば、５００ｍＡ）を超えた場合、駆動回路（ＭＯＳトランジスタ）を強制的にオフにして、回路を保護して安全性及び信頼性を図る。
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し（収集された出力電圧を電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信する）、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、
電流サンプリング回路により、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、駆動回路の電流が所定の電流を超えると、駆動回路をオフにするステップと、を含む。例えば、駆動回路は、電流サンプリング回路により、電流信号を収集してマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、電流が所定の電流（例えば、５００ｍＡ）を超えた場合、駆動回路（ＭＯＳトランジスタ）を強制的にオフにして、回路を保護して安全性及び信頼性を図る。
基本的な手段は、実施例１又は実施例２と同じであり、同様に、収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し（収集された出力電圧を電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信する）、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップを含む。駆動信号の周波数を調整する場合、マイクロコントローラと外付け基準水晶発振器により、ＤＤＳ周波数発生器をソフトウェアで作って、駆動信号の周波数を調整する方式を用いるという点で相違する。すなわち、マイクロコントローラは、分周器により出力周波数を広範囲で調整してもよく、ソフトウェアＤＤＳにより出力周波数を精確に調整してもよいため、出力電圧を精確に制御することができる。
図１を参照すると、本実施例に係るマイナスイオン発生回路は、ダイオード倍電圧整流部分である倍電圧整流回路１と、分圧サンプリング回路である高電圧サンプリング回路２と、高電圧を出力し、かつカーボンブラシに接続されてマイナスイオンを放出するマイナスイオン放出カーボンブラシ３と、サンプリング電圧増幅バッファー回路であるフィードバック電圧信号増幅回路４と、圧電セラミックトランスの駆動回路であるｂｏｏｓｔ昇圧回路５と、圧電セラミックトランスの昇圧エネルギー変換モジュールである圧電セラミック昇圧回路６と、圧電セラミック駆動回路の過電流サンプリング回路である電流サンプリング回路７と、マイクロコントローラＤＤＳ発生器８と、温湿度収集モジュール９と、水晶クロックソース１０と、５Ｖ安定化電源１１と、１２Ｖ電源電圧入力回路１２とを含み、該マイナスイオン発生回路の電源モジュールは、５Ｖ安定化電源１１及び１２Ｖ電源電圧入力回路１２で構成され、該電源モジュールは、マイナスイオン発生回路全体に給電する。
温湿度調整に基づくマイナスイオン発生回路は、マイクロコントローラＤＤＳ発生器８を主制御ユニットとし、図１から分かるように、上記マイクロコントローラＤＤＳ発生器８は、電源モジュール、水晶クロックソース１０及び温湿度収集モジュール９に電気的に接続され、マイナスイオン放出カーボンブラシ３は、上記倍電圧整流回路１に電気的に接続され、上記倍電圧整流回路１は、上記圧電セラミック昇圧回路６に電気的に接続され、上記圧電セラミック昇圧回路６は、上記ｂｏｏｓｔ昇圧回路５に電気的に接続され、上記ｂｏｏｓｔ昇圧回路５は、上記マイクロコントローラＤＤＳ発生器８に電気的に接続される。
本実施例における主制御ユニットが用いる制御チップＵ２は、図２に示すＳＴＣ８Ａ８Ｋ６４Ｓ４Ａ１２＿ＬＱＦＰ４４チップを含むが、これに限定されない。上記マイクロコントローラＤＤＳ発生器に基準電圧発生回路が接続され、図２から分かるように、基準電圧発生回路は、制御チップＵ２の１２ピンに接続されたコンデンサＣ１６、コンデンサＣ１３、インダクタＬ３及び抵抗Ｒ１８を含み、コンデンサ１６、コンデンサＣ２５の他端は、アナロググランドＡＧＮＤに接続され、インダクタＬ３の他端は、コンデンサＣ１７及びコンデンサＣ１８に接続され、インダクタＬ３は、制御チップＵ２の１４ピンに接続されるとともに５Ｖ電源に接続され、コンデンサＣ１７、コンデンサＣ１８の他端は、グランド（ＧＮＤ）に接続され、コンデンサＣ１７とコンデンサＣ１３との間に抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２が接続され、抵抗Ｒ２１と抵抗Ｒ２２とは、グランド（ＥＡＲＴＨ）に接続される。抵抗Ｒ１８の他端は、電圧基準チップＣＪ４３１Ｋの２ピンに接続され、電圧基準チップＣＪ４３１Ｋの１ピンと抵抗Ｒ１８とは、制御チップＵ２の１１ピンに接続され、電圧基準チップＣＪ４３１Ｋの１ピンと３ピンとの間にコンデンサＣ１９が接続され、電圧基準チップＣＪ４３１Ｋの３ピンは、アナロググランド（ＡＧＮＤ）に接続される。
上記倍電圧整流回路に高電圧サンプリング回路が接続され、上記高電圧サンプリング回路は、フィードバック電圧信号増幅回路によりマイクロコントローラＤＤＳ発生器に接続される。上記ｂｏｏｓｔ昇圧回路に電流サンプリング回路が接続され、該電流サンプリング回路は、マイクロコントローラＤＤＳ発生器に電気的に接続される。
図３を参照すると、上記温湿度収集モジュールは、制御チップＵ１（例えば、ＡＨＴ２０）を含み、上記制御チップＵ１の１ピン及び６ピンは、空ピン（結線なし）であり、制御チップＵ１の２ピンは、５Ｖ電源に接続され、制御チップＵ１の３ピン、４ピンは、マイクロコントローラＤＤＳ発生器に接続され、制御チップＵ１の３ピンは、抵抗Ｒ２により５Ｖ電源に接続され、制御チップＵ１の４ピンは、抵抗Ｒ１により５Ｖ電源に接続され、制御チップＵ１の５ピンと２ピンとの間にコンデンサＣ１が接続され、上記制御チップＵ１の５ピンは、グランドに接続される。該温湿度収集モジュールは、温度データ及び湿度データを収集した後に、対応する信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器にフィードバックする。
また、引き継ぎ、図２を参照すると、該図から分かるように、制御チップＵ２の１８ピンにダイオードＤ６が接続され、ダイオードＤ６は、コネクタＰ２に接続される（プログラミング電流が逆にマイクロコントローラに流入することを防止する）。制御チップＵ２の２０ピンに抵抗Ｒ１２が接続され、抵抗Ｒ１２にコネクタＣＮ４が接続される（ＣＮ４を短絡させてＵＳＢプログラムダウンロードモードに切り替える）。
図４を参照すると、電源モジュールは、ＤＣＤＣ昇圧回路を用い、該回路は、電源管理チップＵ４（例えば、ＴＬＶ６１０４６ＡＤＢＶＲＵ４チップ）、コンデンサＣ１０、コンデンサＣ１１、ダイオードＤ７、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ１６を備え、電源管理チップＵ４の１ピンと６ピンとの間にインダクタＬ２が接続され、電源管理チップＵ４の６ピンは、５Ｖ電源端に接続され、電源管理チップＵ４の２ピンは、グランドに接続され、電源管理チップＵ４の４ピンは、抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１６との間に接続され、抵抗Ｒ１６の他端は、グランドに接続され、抵抗Ｒ１３の他端は、１２Ｖ電源端に接続され、ダイオードＤ７は、一端がグランドに接続され、他端が抵抗Ｒ１３に接続され、コンデンサＣ１１は、ダイオードＤ７に並列接続され、コンデンサＣ１０は、コンデンサＣ１１に並列接続され、電源管理チップＵ４の４ピンに抵抗Ｒ７が接続され、抵抗Ｒ７の他端は、グランドに接続され、電源管理チップＵ４の５ピンに１２Ｖ電源端が接続され、５Ｖ電源端には、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ１２が接続される。
図５を参照すると、該図から分かるように、ｂｏｏｓｔ昇圧回路５は、１２Ｖ電源に接続されたインダクタＬ１及びコンデンサＣ３を含み、コンデンサＣ３の他端は、電界効果トランジスタＱ１に接続され、電界効果トランジスタＱ１にコンデンサＣ４が並列接続され、インダクタＬ１も電界効果トランジスタＱ１に接続され、ｂｏｏｓｔ昇圧回路５は、圧電セラミック昇圧回路６に接続され、圧電セラミック昇圧回路６における圧電セラミックトランスＰＺＴ１は、倍電圧整流回路１に接続され、該倍電圧整流回路１は、圧電セラミックトランスＰＺＴ１の３ピン及び４ピンに接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１に並列接続されたダイオードＤ２と、ダイオードＤ２に並列接続されたダイオードＤ３と、ダイオードＤ３に並列接続されたダイオードＤ４と、を備え、ダイオードＤ２とダイオードＤ３との間にコンデンサＣ２が接続され、ダイオードＤ１とダイオードＤ２との間にコンデンサＣ５が接続される。倍電圧整流回路１は、マイナスイオン放出カーボンブラシ３に接続される。高電圧サンプリング回路２は、倍電圧整流回路１に接続され、高電圧サンプリング回路２は、ダイオードＤ２とダイオードＤ３との間に接続された抵抗Ｒ５を含み、抵抗Ｒ５は、抵抗Ｒ７、コンデンサＣ７及びコネクタＣＮ３（製品のデバッグに用いられて、マイクロコントローラがオペアンプバッファを省略して、直接的にネガティブ高電圧を収集してテストしやすい）に接続され、コンデンサＣ７にダイオードＤ５が並列接続され、コンデンサＣ７の一端は、グランドに接続され、抵抗Ｒ７は、抵抗Ｒ６に接続され、抵抗Ｒ６は、１２Ｖ電源に接続される。高電圧サンプリング回路２にフィードバック電圧信号増幅回路４が接続され、フィードバック電圧信号増幅回路４は、高電圧サンプリング回路２に接続されたオペアンプＵ５を含み、オペアンプＵ５の３ピンと４ピンとの間に抵抗Ｒ１５が接続され、オペアンプＵ５の５ピンは、１２Ｖ電源に接続され（コンデンサＣ１５は、一端が１２Ｖ電源に接続され、他端がグランドに接続される）、オペアンプＵ５の２ピンは、グランドに接続され、オペアンプＵ５の４ピンに抵抗Ｒ１９が接続され、抵抗Ｒ１９は、制御チップＵ２の２ピンに接続され、抵抗Ｒ２０は、コンデンサＣ２５に並列接続され、コンデンサＣ２５は、一端が抵抗Ｒ１９に接続され、他端がグランドに接続される。
引き継ぎ、図５を参照すると、該マイナスイオン発生回路は、電流サンプリング回路７をさらに含み、電流サンプリング回路７は、オペアンプＵ３を含み、該オペアンプＵ３の１ピンは、ｂｏｏｓｔ昇圧回路５、圧電セラミック昇圧回路６に接続され、オペアンプＵ３の２ピンは、グランドに接続され、オペアンプＵ３の４ピンは、抵抗Ｒ９及び制御チップＵ２の１ピンに接続され、オペアンプＵ３の５ピンは、基準電圧発生回路に接続され、オペアンプＵ３の５ピンと２ピンとの間にコンデンサＣ９が接続され、抵抗Ｒ９には、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ８が接続され、オペアンプＵ３の４ピンと３ピンとの間に抵抗Ｒ８が接続され、抵抗Ｒ８に抵抗Ｒ１０が接続され、抵抗Ｒ１０の他端は、グランドに接続され、オペアンプＵ３の１ピンに接続された抵抗Ｒ１１の他端は、グランドに接続される。
図５において、電界効果トランジスタＱ１に接続されたコネクタＰ１の１ピンは、制御チップＵ２の２７ピンに接続され、コネクタＰ１の３ピンは、制御チップＵ２の２３ピンに接続される。電界効果トランジスタＱ１には、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ダイオードが集積されて、静電によるデバイスへの損傷を抑制する。
図６を参照すると、該電源電圧変動収集回路（入力電圧の電源変動を収集する）は、コネクタＣＮ１（１２Ｖ単独給電保留コネクタ）を含み、該コネクタＣＮ１の１ピンは、グランドに接続され、コネクタＣＮ１の１ピンは、抵抗Ｒ４により制御チップＵ２の４ピンに接続され、コネクタＣＮ１の２ピンは、１２Ｖ電源に接続され、コネクタＣＮ１の２ピンは、抵抗Ｒ３により制御チップＵ２の４ピンに接続される。
図７を参照すると、該クロック発生回路（基準クロック周波数を発生させる）は、制御チップＵ２（制御チップＵ２の８ピン及び９ピン）に接続された外部水晶発振子Ｙ１を含み、外部水晶発振子Ｙ１の１ピンには、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ２０が接続され、外部水晶発振子Ｙ１の２ピンには、他端がグランドに接続されたコンデンサＣ２１が接続される。
表１は、温湿度とマイナスイオンとの関係テストデータを示す。
以上は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、本発明の保護範囲は、上記実施形態に限定されず、本発明の原理に属する技術手段は、いずれも本発明の保護範囲に属する。当業者であれば、本発明の原理から逸脱することなく、いくつかの改善を行うことができ、これらの改善も本発明の保護範囲に含まれると見なされるべきである。
Claims (3)
- 高電圧サンプリング回路により、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集するステップと、
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整するステップと、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力するステップと、を含む、ことを特徴とするデジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法。 - 温度及び／湿度が変化した後、高電圧サンプリング回路により、圧電セラミックトランスで整流された出力電圧を収集し、
収集された出力電圧信号をマイクロコントローラＤＤＳ発生器に送信し、マイクロコントローラＤＤＳ発生器が収集された出力電圧と所定の電圧とを比較して、差があると、駆動信号の周波数を調整し、
駆動信号の周波数により圧電セラミックトランスの昇圧比を調整することにより、圧電セラミックトランスが所定の電圧を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のデジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法。 - 電流サンプリング回路により、圧電セラミックトランスの駆動回路の電流を収集し、所定の電流を超えると、駆動回路をオフにする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のデジタルチップに基づく圧電セラミックトランスのデジタル化駆動方法。
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