JP4277144B2

JP4277144B2 - Self-oscillation type signal converter

Info

Publication number: JP4277144B2
Application number: JP37575098A
Authority: JP
Inventors: 耕司戸田
Original assignee: 耕司戸田
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP2000184700A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力電気信号を所定の電圧の電気信号に変換した後、制御、整流して出力する自励発振型信号変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源は通信機器や情報機器などの電子機器の電源として広く用いられているが、従来のスイッチング電源は入力した直流電源を半導体の高速スイッチング作用を利用することにより高周波電力に変換し、さらに制御、整流して所定の直流を得るものであった。スイッチング電源を小型化するには高周波化技術の促進、各種の部品のダウンサイジング等の必要があるものの、高周波化はスイッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失の増加をもたらすことから、スイッチング電源の小型化は困難であった。スイッチング周波数が１ＭＨｚを越えると、スイッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失が著しく増加するので、これ以上の小型化は困難な状況にある。スイッチング用半導体の損失を最少限に抑えるためにはスイッチング回路に発生するスイッチ動作の遅れを共振などの方法により改善する必要がある。電磁トランスの損失を最少限に抑えるためには材料を改善する必要があるが、大幅な改善は困難な状況にあった。
【０００３】
圧電トランスをスイッチング電源の電源回路に応用するために様々な試みが行なわれてきた。従来の圧電トランスとしては圧電磁器による分極変化型圧電トランス、積層圧電磁器による縦振動型圧電トランスなどが主に挙げられる。これら従来の圧電トランスは、材料の弾性的な損失や電気的および弾性的なヒステリシスなどのために大振幅動作が困難であるという問題、電源回路に応用する際、負荷抵抗の小さな場合の電圧比を制御することが難しく、また大電力により破損しやすいという問題、基板の支持方法が難しく、電力増加とともに支持を強固にする必要もあって、素子の損失を増加させる原因になっているという問題等を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチング電源を小型化するには高周波化技術の促進、各種の部品のダウンサイジング等の必要がある。圧電トランスをスイッチング電源の電源回路に応用するために様々な型の圧電トランスが提案されている。しかし従来の圧電トランスでは、素子の支持方法が難しい、圧電トランスの内部損失抵抗が大きい等の問題点を有する。
【０００５】
本発明の目的は、入力電気信号をその電圧とは異なる電圧の電気信号に高効率で変換して出力することができ、しかも互いに異なる電圧を有する電気信号を同時に出力することも可能で、入力用の電極に接続された回路と出力用の電極に接続された回路とを絶縁状態に保つことができ、高周波駆動が可能で、小型軽量で、スイッチング用半導体の損失を抑えることができ、しかも回路構成が簡単な自励発振型信号変換装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の自励発振型信号変換装置は、四角柱状の圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る自励発振型信号変換装置であって、
前記１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂と、第１の回路から成り、
前記１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒと、スイッチと、第２の回路から成り、
前記圧電磁器の分極軸は前記圧電磁器の両端面に垂直で、
前記電極Ｐ₁およびＰ₂は前記圧電磁器の側面Ａに設けられ、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は前記圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられ、
前記側面ＡおよびＢは互いに平行で、
前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、
前記電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられており、
前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されていて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、
前記圧電磁器、前記電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂は複合体を形成し、
前記第１の回路は、前記電極Ｐ₁とＰ₂の間に接続されることにより、前記複合体に前記圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加して、前記複合体に弾性振動を励振し、
前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数とほぼ等しく、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記弾性振動を電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換し、
前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、
前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組の出力用端子を形成し、前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nにおける少なくとも１組の前記出力用端子が前記スイッチを介して前記第２の回路と電気的に接続されたときに、前記出力用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気信号が前記第２の回路に出力され、
前記第２の回路は、前記第２の回路に出力される前記電気信号を整流して直流電力を生成する。
【０００７】
請求項２に記載の自励発振型信号変換装置は、前記電極Ｑ₁およびＱ₂によって電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される前記弾性振動が、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動で成る。
【０００８】
請求項３に記載の自励発振型信号変換装置は、前記圧電磁器の前記両端面の形状が正四角形で成る。
【０００９】
請求項４に記載の自励発振型信号変換装置は、前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂が、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されている。
【００１０】
請求項５に記載の自励発振型信号変換装置は、前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂が、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の自励発振型信号変換装置は、四角柱状の圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る簡単な構造を有する。１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂と、第１の回路から成る。１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒと、スイッチと、第２の回路から成る。圧電磁器の分極軸はその圧電磁器の両端面に垂直である。電極Ｐ₁およびＰ₂は圧電磁器の側面Ａに設けられている。電極Ｑ₁およびＱ₂は圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられている。側面ＡおよびＢは互いに平行で、側面ＣおよびＤは互いに平行である。電極Ｐ₁およびＰ₂は互いに電気的に絶縁されており、電極Ｑ₁およびＱ₂は互いに電気的に絶縁されている。電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されている。圧電磁器、電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂は複合体を形成する。負荷抵抗ＲはＮ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ_(i+1)との間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられている。第１の回路は、電極Ｐ₁とＰ₂の間に接続されている。もしも、第１の回路から電極Ｐ₁とＰ₂の間に圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合体に弾性振動が励振される。このとき、圧電磁器の共振周波数は複合体の共振周波数とほぼ等しい。複合体に励振された弾性振動のうち電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しくなる。従って、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つの間から、その２つの間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号を出力することが可能になる。つまり、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つで成る１組の出力用端子がスイッチを介して第２の回路と電気的に接続されると、その出力用端子に含まれる２つの端子の間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号が第２の回路に出力される。しかも２組以上の出力用端子から、互いに異なった電気信号が第２の回路に出力されることも可能である。たとえば、端子Ｔ₀と端子Ｔ₂の間からは、部分Ｒ₁とＲ₂の合計に等しい抵抗に対応する電圧、つまり、電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電圧を有する電気信号が出力される。また、端子Ｔ₀とＴ₁の間から電圧Ｖ₁を有する電気信号が同時に出力されたり、端子Ｔ₀とＴ_Nの間から電圧Ｖ_OUTの電気信号が同時に出力されることもある。第２の回路に出力された電気信号は整流され、直流電力が生成される。
【００１２】
本発明の自励発振型信号変換装置では、圧電磁器の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強される。従って、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【００１３】
本発明の自励発振型信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に平行な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。このような構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強されることから、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【００１４】
本発明の自励発振型信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。このような構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強されることから、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明の自励発振型信号変換装置の一実施例を示す構成図である。本実施例は圧電磁器２、１組の入力用デバイスおよび３組の出力用デバイスから成る。但し、図１では３組の出力用デバイスのうち１組のみが描かれている。入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂と、端子Ｚ₁およびＺ₂と、第１の回路３から成る。各出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒと、端子Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂およびＴ₃と、スイッチ５と、第２の回路から成る。端子Ｚ₁およびＺ₂は第１の回路３を介して直流電源Ｖ_dcと接続されている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ₃の間に接続されている。端子Ｔ₃は第２の回路４と直接接続しており、端子Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₂のうちの１つはスイッチ５を介して第２の回路４と接続する。圧電磁器２、電極Ｐ₁およびＰ₂、３組の電極Ｑ₁およびＱ₂は複合体１を形成する。
【００１６】
図２は図１の自励発振型信号変換装置の部分構成図である。図２では複合体１、負荷抵抗Ｒ、端子Ｚ₁およびＺ₂、１組の出力用デバイスにおける端子Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂およびＴ₃のみが描かれている。複合体１は、上述した通り、圧電磁器２、電極Ｐ₁およびＰ₂、３組の電極Ｑ₁およびＱ₂から成り、図２では上方から見たときの平面図として描かれている。圧電磁器２は縦および横がともに５ｍｍで、高さが６ｍｍの直方体で成る。電極Ｐ₁およびＰ₂は圧電磁器２の側面Ａに互いに電気的に絶縁された状態で設けられ、電極Ｑ₁およびＱ₂は圧電磁器２の側面Ｂ，ＣおよびＤに互いに電気的に絶縁された状態で設けられている。側面ＡおよびＢは互いに平行で、側面ＣおよびＤは互いに平行である。図２では各電極の厚さは誇張して描かれている。端子Ｚ₁およびＺ₂はそれぞれ電極Ｐ₁およびＰ₂に設けられ、端子Ｔ₀およびＴ₃はそれぞれ電極Ｑ₁およびＱ₂に設けられている。負荷抵抗Ｒは３個の部分Ｒ₁，Ｒ₂およびＲ₃から成る。部分Ｒ₁とＲ₂の間には端子Ｔ₁が、部分Ｒ₂とＲ₃の間には端子Ｔ₂が設けられている。
【００１７】
図３は複合体１の斜視図である。上述した通り、圧電磁器２は縦および横がともに５ｍｍで、高さが６ｍｍの直方体で成る。圧電磁器２の共振周波数は約２７７ｋＨｚであり、圧電磁器２の分極軸は、圧電磁器２の互いに平行な２つの端面に垂直、つまり高さ方向に平行である。
【００１８】
図４は第１の回路３の一実施例を示す構成図である。第１の回路３は複合体励振回路で成り、コイルＬ₁、トランジスタＴ_r、抵抗Ｒ_a，Ｒ_b，Ｒ_cおよびＲ_d、ダイオードＤ₁およびＤ₂、コンデンサＣ₁，Ｃ₂およびＣ₃、ツェナーダイオードＺＤおよびインバータＩＣを含む。もしも直流電源Ｖ_dcから第１の回路３を介して電極Ｐ₁とＰ₂の間に圧電磁器２の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合体１は励振されて弾性振動をする。この弾性振動は電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に再び変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ₁に対応する電圧Ｖ₁と、部分Ｒ₂に対応する電圧Ｖ₂と、部分Ｒ₃に対応する電圧Ｖ₃の合計と等しくなる（Ｖ_OUT＝Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃）。従って、端子Ｔ₀とＴ₃の間から電圧Ｖ_OUTの電気信号、端子Ｔ₁とＴ₃の間から電圧（Ｖ₂＋Ｖ₃）の電気信号、または端子Ｔ₂とＴ₃の間から電圧Ｖ₃の電気信号を出力することが可能となる。
【００１９】
図５は第２の回路４の一実施例を示す構成図である。第２の回路４は整流回路で成り、コンデンサＣ₁、ダイオードＤ₁，Ｄ₂，Ｄ₃およびＤ₄を含む。端子Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₂のうちの１つと、端子Ｔ₃を介して第２の回路４に入力された電気信号は、再び直流の電気信号として第２の回路４から出力される。
【００２０】
図６は図１の自励発振型信号変換装置における負荷抵抗Ｒの大きさと、変圧比（Ｖ_OUT／Ｖ_IN）との関係の一実施例を示す特性図である。但し、図６は入力電圧Ｖ_INが１２Ｖの場合の特性を示す。負荷抵抗Ｒの値を調整することにより、出力電圧Ｖ_OUTを降圧または昇圧させることが可能であることが分かる。
【００２１】
図７は図１の複合体１の替わりに用いられる複合体６の斜視図である。複合体６は圧電磁器２、電極Ｐ₁およびＰ₂、３組の電極Ｑ₁およびＱ₂から成り、各電極の配置が複合体１とは異なる。すなわち、電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。電極Ｑ₁およびＱ₂も、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。このような複合体６は、複合体１と同様な機能を有する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の自励発振型信号変換装置は、圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る。１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂と、第１の回路から成り、電極Ｐ₁およびＰ₂は圧電磁器の側面Ａに設けられている。１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒと、スイッチと、第２の回路から成り、電極Ｑ₁およびＱ₂は圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられている。圧電磁器の分極軸はその両端面に垂直である。電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されている。圧電磁器、電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂は複合体を形成する。負荷抵抗ＲはＮ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ_(i+1)との間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられている。もしも、第１の回路から電極Ｐ₁とＰ₂の間に電圧Ｖ_INを印加すると、複合体に弾性振動が励振される。複合体に励振された弾性振動のうち電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動が、その電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しくなる。従って、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つで成る１組の出力用端子がスイッチを介して第２の回路と電気的に接続されると、その出力用端子に含まれる２つの端子の間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号が第２の回路に出力される。しかも２組以上の出力用端子から、互いに異なった電気信号が第２の回路に出力されることも可能である。第２の回路に出力された電気信号は整流され、直流電力が生成される。
【００２３】
本発明の自励発振型信号変換装置では、圧電磁器の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強される。従って、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【００２４】
本発明の自励発振型信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に平行な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。また、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。このような構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強されることから、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自励発振型信号変換装置の一実施例を示す構成図。
【図２】図１の自励発振型信号変換装置の部分構成図。
【図３】複合体１の斜視図。
【図４】第１の回路３の一実施例を示す構成図。
【図５】第２の回路４の一実施例を示す構成図。
【図６】図１の自励発振型信号変換装置における負荷抵抗Ｒの大きさと、変圧比（Ｖ_OUT／Ｖ_IN）との関係の一実施例を示す特性図。
【図７】図１の複合体１の替わりに用いられる複合体６の斜視図。
【符号の説明】
１複合体
２圧電磁器
３複合体励振回路
４整流回路
５スイッチ
６複合体
Ｒ負荷抵抗
Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁，Ｑ₂ 電極
Ｚ₁，Ｚ₂，Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃ 端子
Ｌ₁ コイル
Ｔ_r トランジスタ
Ｒ_a，Ｒ_b，Ｒ_c，Ｒ_d 抵抗
Ｄ₁，Ｄ₂ ダイオード
Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃ コンデンサ
ＺＤツェナーダイオード
ＩＣインバータ
Ｖ_dc 直流電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a self-excited oscillation type signal converter that converts an input electric signal into an electric signal having a predetermined voltage, and then performs control, rectification, and output.
[0002]
[Prior art]
Switching power supplies are widely used as power supplies for electronic equipment such as communication equipment and information equipment. Conventional switching power supplies convert the input DC power into high-frequency power by utilizing the high-speed switching action of semiconductors, and further control Rectified to obtain a predetermined direct current. To reduce the size of switching power supplies, it is necessary to promote high-frequency technology and downsizing various components. However, high frequency increases switching semiconductor loss and electromagnetic transformer loss. Miniaturization was difficult. If the switching frequency exceeds 1 MHz, the loss of the semiconductor for switching and the loss of the electromagnetic transformer increase remarkably, so that further miniaturization is difficult. In order to minimize the loss of the semiconductor for switching, it is necessary to improve the delay of the switch operation generated in the switching circuit by a method such as resonance. In order to minimize the loss of the electromagnetic transformer, it is necessary to improve the material, but it has been difficult to improve significantly.
[0003]
Various attempts have been made to apply a piezoelectric transformer to a power supply circuit of a switching power supply. Conventional piezoelectric transformers mainly include a polarization change type piezoelectric transformer using a piezoelectric ceramic and a longitudinal vibration type piezoelectric transformer using a laminated piezoelectric ceramic. These conventional piezoelectric transformers have a problem that large amplitude operation is difficult due to elastic loss of materials, electrical and elastic hysteresis, and voltage ratio when load resistance is small when applied to power supply circuits. The problem is that it is difficult to control the power supply and is easily damaged by high power, the substrate support method is difficult, and the support needs to be strengthened along with the increase in power, causing the loss of the element to increase. Etc.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to reduce the size of the switching power supply, it is necessary to promote high frequency technology and downsize various components. Various types of piezoelectric transformers have been proposed in order to apply the piezoelectric transformer to a power supply circuit of a switching power supply. However, the conventional piezoelectric transformer has problems such as difficulty in supporting the element and large internal loss resistance of the piezoelectric transformer.
[0005]
The object of the present invention is to convert an input electric signal into an electric signal having a voltage different from the voltage with high efficiency and output it, and also to output electric signals having different voltages at the same time. The circuit connected to the output electrode and the circuit connected to the output electrode can be kept insulative, can be driven at high frequency, is small and lightweight, and can suppress the loss of the switching semiconductor. An object of the present invention is to provide a self-excited oscillation type signal converter having a simple circuit configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The self-excited oscillation type signal converter according to claim 1 is a self-excited oscillation type signal converter comprising a quadrangular prism-shaped piezoelectric ceramic, a set of input devices, and at least a set of output devices.
The set of input devices consists of electrodes P ₁ and P ₂ and a first circuit,
The set of output devices includes electrodes Q ₁ and Q ₂ , a load resistor R, a switch, and a second circuit,
The polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to both end faces of the piezoelectric ceramic,
The electrodes P ₁ and P ₂ are provided on the side surface A of the piezoelectric ceramic,
The electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided on one of the side surfaces B, C and D of the piezoelectric ceramic,
Said side faces A and B are parallel to each other,
Said side faces C and D are parallel to each other,
The electrodes P ₁ and P ₂ are electrically insulated from each other,
The electrodes Q ₁ and Q ₂ are electrically insulated from each other,
The electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided with terminals T ₀ and T _N, respectively.
The load resistor R is connected between the terminals T ₀ and T _N and consists of N parts R _i (i = 1, 2,... N), and the parts R _i and R _{(i +} pin between _{_{1) T i {i = 1,2}} , ...... (N-1)} is provided,
The piezoelectric ceramic, the electrodes P ₁ , P ₂ , Q ₁ and Q ₂ form a composite,
The first circuit is connected between the electrodes P ₁ and P _{2 so} as to apply a voltage V _IN having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic to the composite, Exciting elastic vibration,
The resonance frequency of the piezoelectric ceramic is approximately equal to the resonance frequency of the composite,
The electrodes Q ₁ and Q ₂ convert the elastic vibration into an electric signal of voltage V _OUT ,
The voltage V _OUT is equal to the sum of the voltages V _i (i = 1, 2,... N) corresponding to the portion R _i ,
Any two form a set of output terminals, at least one pair of said output terminals said in the terminal T _0, T _i and T _N switches of said terminals T _0, T _i and T _N An electrical signal corresponding to a voltage between two terminals included in the output terminal is output to the second circuit when electrically connected to the second circuit via
The second circuit rectifies the electrical signal output to the second circuit to generate DC power.
[0007]
3. The self-excited oscillation type signal converter according to claim 2, wherein the elastic vibration converted into an electric signal of voltage V _OUT by the electrodes Q ₁ and Q ₂ is the electrode Q of the side surfaces B, C and D. It consists of elastic vibration that vibrates in a direction perpendicular to the side surface on which ₁ and Q ₂ are provided.
[0008]
In the self-excited oscillation type signal converter according to claim 3, the shape of the both end faces of the piezoelectric ceramic is a regular square.
[0009]
In the self-excited oscillation type signal converter according to claim 4, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two equal parts by a straight line parallel to the polarization axis, and the side surfaces B, C and the electrode Q ₁ and Q ₂ in the side surface of the electrode Q ₁ and Q ₂ are provided among the D is substantially bisected by a line parallel to the polarization axis.
[0010]
In the self-oscillation type signal converter according to claim 5, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis, and the side surfaces B, C and the electrode Q ₁ and Q ₂ in the side surface of the electrode Q ₁ and Q ₂ are provided among the D is substantially bisected by a line perpendicular to the polarization axis.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The self-oscillation type signal converter of the present invention has a simple structure comprising a quadrangular prism-shaped piezoelectric ceramic, a set of input devices, and at least a set of output devices. One set of input devices consists of electrodes P ₁ and P ₂ and a first circuit. One set of output devices includes electrodes Q ₁ and Q ₂ , a load resistor R, a switch, and a second circuit. The polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to both end faces of the piezoelectric ceramic. The electrodes P ₁ and P ₂ are provided on the side surface A of the piezoelectric ceramic. The electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided on one of the side surfaces B, C and D of the piezoelectric ceramic. Sides A and B are parallel to each other, and side surfaces C and D are parallel to each other. The electrodes P ₁ and P ₂ are electrically insulated from each other, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are electrically insulated from each other. Electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided with terminals T ₀ and T _N, respectively. The load resistor R is connected between the terminals T ₀ and T _N. The piezoelectric ceramic, electrodes P ₁ , P ₂ , Q ₁ and Q ₂ form a composite. The load resistance R is composed of N portions R _i (i = 1, 2,... N), and between the portions R _i and R _{(i + 1)} , terminals T _i {i = 1, 2,. .. (N-1)} are provided. The first circuit is connected between the electrodes P ₁ and P ₂ . If a voltage V _IN having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic is applied between the electrodes P ₁ and P ₂ from the first circuit, elastic vibration is excited in the composite. At this time, the resonance frequency of the piezoelectric ceramic is substantially equal to the resonance frequency of the composite. Among the elastic vibrations excited by the composite, the elastic vibration that vibrates in a direction perpendicular to the side surface on which the electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided is converted into an electric signal of voltage V _OUT between the electrodes Q ₁ and Q _2. The At this time, the voltage V _OUT is equal to the sum of the voltages V _i (i = 1, 2,... N) corresponding to the portion R _i . Therefore, an electric signal having a voltage corresponding to the magnitude of the resistance between the two terminals T ₀ , T _i and T _N can be output. That is, when a set of output terminals composed of any two of the terminals T ₀ , T _i, and T _N is electrically connected to the second circuit via the switch, the output terminal includes the output terminal. An electrical signal having a voltage corresponding to the magnitude of the resistance between the two terminals is output to the second circuit. In addition, it is possible to output different electrical signals from the two or more sets of output terminals to the second circuit. For example, an electric signal having a voltage corresponding to a resistance equal to the sum of the portions R ₁ and R ₂ , that is, a voltage equal to the sum of the voltages V ₁ and V ₂ is output from between the terminals T ₀ and T _2. The In addition, an electric signal having a voltage V ₁ may be output simultaneously from between the terminals T ₀ and T ₁ , or an electric signal having a voltage V _OUT may be output simultaneously from between the terminals T ₀ and T _N. The electrical signal output to the second circuit is rectified to generate DC power.
[0012]
In the self-oscillation type signal conversion device of the present invention, the combined vibration of the composite is enhanced by adopting a structure in which the shape of both end faces of the piezoelectric ceramic is a regular square. Therefore, the input electrical signal is efficiently converted into the output electrical signal.
[0013]
In the self-excited oscillation type signal converter according to the present invention, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are approximately divided into two by a straight line parallel to the polarization axis of the piezoelectric ceramic, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are also divided into the electrodes Q _1. On the side surface on which Q ₂ and Q ₂ are provided, a structure almost equally divided by a straight line parallel to the polarization axis is possible. By adopting such a structure, since the combined vibration of the composite is enhanced, the input electric signal is efficiently converted into the output electric signal.
[0014]
In the self-oscillation type signal converter according to the present invention, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric ceramic, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are also divided into the electrodes Q _1. On the side surface on which Q ₂ and Q ₂ are provided, a structure almost equally divided by a straight line perpendicular to the polarization axis is possible. By adopting such a structure, since the combined vibration of the composite is enhanced, the input electric signal is efficiently converted into the output electric signal.
[0015]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a self-excited oscillation type signal converter according to the present invention. This embodiment comprises a piezoelectric ceramic 2, one set of input devices, and three sets of output devices. However, in FIG. 1, only one set is illustrated among the three sets of output devices. The input device includes electrodes P ₁ and P ₂ , terminals Z ₁ and Z _2, and a first circuit 3. Each output device includes electrodes Q ₁ and Q ₂ , a load resistor R, terminals T ₀ , T ₁ , T ₂ and T ₃ , a switch 5, and a second circuit. Terminals Z ₁ and Z ₂ are connected to a DC power source V _dc via the first circuit 3. The load resistor R is connected between the terminals T ₀ and T ₃ . The terminal T ₃ is directly connected to the second circuit 4, and _{one of the} terminals T ₀ , T ₁ and T ₂ is connected to the second circuit 4 via the switch 5. The piezoelectric ceramic 2, the electrodes P ₁ and P ₂ , and the three sets of electrodes Q ₁ and Q ₂ form a composite 1.
[0016]
FIG. 2 is a partial configuration diagram of the self-excited oscillation type signal converter of FIG. In FIG. 2, only the composite body 1, the load resistor R, the terminals Z ₁ and Z ₂ , and the terminals T ₀ , T ₁ , T ₂ and T ₃ in one set of output devices are depicted. Composite 1 as described above, made of a piezoelectric ceramic 2, the electrodes P ₁ and P _2, 3 pairs of electrodes Q ₁ and Q _2, is depicted as a plan view when viewed from above in FIG. The piezoelectric ceramic 2 is a rectangular parallelepiped having 5 mm in length and width and 6 mm in height. The electrodes P ₁ and P ₂ are provided on the side surface A of the piezoelectric ceramic 2 while being electrically insulated from each other, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are electrically insulated from each other on the side surfaces B, C and D of the piezoelectric ceramic 2. It is provided in the state. Sides A and B are parallel to each other, and side surfaces C and D are parallel to each other. In FIG. 2, the thickness of each electrode is exaggerated. Terminals Z ₁ and Z ₂ are provided on electrodes P ₁ and P ₂ , respectively, and terminals T ₀ and T ₃ are provided on electrodes Q ₁ and Q ₂ , respectively. The load resistance R consists of three parts R ₁ , R ₂ and R ₃ . A terminal T ₁ is provided between the portions R ₁ and R ₂ , and a terminal T ₂ is provided between the portions R ₂ and R ₃ .
[0017]
FIG. 3 is a perspective view of the composite 1. As described above, the piezoelectric ceramic 2 is a rectangular parallelepiped having a vertical and horizontal length of 5 mm and a height of 6 mm. The resonance frequency of the piezoelectric ceramic 2 is about 277 kHz, and the polarization axis of the piezoelectric ceramic 2 is perpendicular to two mutually parallel end faces of the piezoelectric ceramic 2, that is, parallel to the height direction.
[0018]
FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the first circuit 3. The first circuit 3 is composed of a composite excitation circuit, and includes a coil L ₁ , a transistor _Tr , resistors R _a , R _b , R _c and R _d , diodes D ₁ and D ₂ , capacitors C ₁ , C ₂ and C _3. A zener diode ZD and an inverter IC. If a voltage V _IN having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic 2 is applied between the electrodes P ₁ and P ₂ via the first circuit 3 from the DC power source V _dc , the composite 1 is excited and elastically vibrated. do. This elastic vibration is again converted into an electric signal of voltage V _OUT between the electrodes Q ₁ and Q ₂ . At this time, the voltages V ₁ is the voltage V _OUT corresponding to the portion R _1, a voltage V ₂ corresponding to the portion R _2, equal to the sum of the voltage V ₃ corresponding to the partial _{_{_{R 3 (V OUT = V 1}}} + V ₂ + V ₃ ). Therefore, an electric signal of voltage V _OUT from the terminals T ₀ and T ₃ , an electric signal of voltage (V ₂ + V ₃ ) from the terminals T ₁ and T ₃ , or a voltage V from the terminals T ₂ and T _3. ₃ electrical signals can be output.
[0019]
FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the second circuit 4. The second circuit 4 is a rectifier circuit and includes a capacitor C ₁ , diodes D ₁ , D ₂ , D ₃ and D ₄ . The electric signal input to the second circuit 4 via one of the terminals T ₀ , T ₁ and T ₂ and the terminal T ₃ is output from the second circuit 4 again as a DC electric signal.
[0020]
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the magnitude of the load resistance R and the transformation ratio (V _OUT / V _IN ) in the self-excited oscillation type signal converter of FIG. However, FIG. 6 shows the characteristics when the input voltage V _IN is 12V. It can be seen that the output voltage V _OUT can be stepped down or stepped up by adjusting the value of the load resistance R.
[0021]
FIG. 7 is a perspective view of a complex 6 used instead of the complex 1 of FIG. The composite 6 includes a piezoelectric ceramic 2, electrodes P ₁ and P ₂ , and three sets of electrodes Q ₁ and Q ₂ , and the arrangement of each electrode is different from that of the composite 1. In other words, the electrodes P ₁ and P ₂ are substantially equally divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric ceramic 2 while being electrically insulated from each other. The electrodes Q ₁ and Q ₂ are also equally divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric ceramic 2 while being electrically insulated from each other. Such a complex 6 has the same function as the complex 1.
[0022]
【The invention's effect】
The self-excited oscillation type signal converter of the present invention comprises a piezoelectric ceramic, a set of input devices, and at least a set of output devices. One set of input devices includes electrodes P ₁ and P ₂ and a first circuit, and the electrodes P ₁ and P ₂ are provided on the side surface A of the piezoelectric ceramic. One set of output devices consists of electrodes Q ₁ and Q ₂ , a load resistor R, a switch, and a second circuit, and electrodes Q ₁ and Q ₂ are _one of side surfaces B, C, and D of the piezoelectric ceramic. Is provided. The polarization axis of the piezoelectric ceramic is perpendicular to both end faces. Electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided with terminals T ₀ and T _N, respectively. The load resistor R is connected between the terminals T ₀ and T _N. The piezoelectric ceramic, electrodes P ₁ , P ₂ , Q ₁ and Q ₂ form a composite. The load resistance R is composed of N portions R _i (i = 1, 2,... N), and between the portions R _i and R _{(i + 1)} , terminals T _i {i = 1, 2,. .. (N-1)} are provided. If the voltage V _IN is applied between the electrodes P ₁ and P ₂ from the first circuit, elastic vibration is excited in the composite. Among the elastic vibrations excited by the composite, the elastic vibration that vibrates in the direction perpendicular to the side surface on which the electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided is converted into an electric signal of voltage V _OUT between the electrodes Q ₁ and Q _2. Is done. At this time, the voltage V _OUT is equal to the sum of the voltages V _i (i = 1, 2,... N) corresponding to the portion R _i . Accordingly, when a set of output terminals composed of any two of the terminals T ₀ , T _i, and T _N is electrically connected to the second circuit via the switch, the output terminals are included in the output terminals. An electrical signal having a voltage corresponding to the magnitude of the resistance between the two terminals is output to the second circuit. In addition, it is possible to output different electrical signals from the two or more sets of output terminals to the second circuit. The electrical signal output to the second circuit is rectified to generate DC power.
[0023]
In the self-oscillation type signal conversion device of the present invention, the combined vibration of the composite is enhanced by adopting a structure in which the shape of both end faces of the piezoelectric ceramic is a regular square. Therefore, the input electrical signal is efficiently converted into the output electrical signal.
[0024]
In the self-excited oscillation type signal converter according to the present invention, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are approximately divided into two by a straight line parallel to the polarization axis of the piezoelectric ceramic, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are also divided into the electrodes Q _1. On the side surface on which Q ₂ and Q ₂ are provided, a structure almost equally divided by a straight line parallel to the polarization axis is possible. Further, the electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric ceramic, and the electrodes Q ₁ and Q ₂ are also on the side surface on which the electrodes Q ₁ and Q ₂ are provided. A structure substantially bisected by a straight line perpendicular to the polarization axis is possible. By adopting such a structure, since the combined vibration of the composite is enhanced, the input electric signal is efficiently converted into the output electric signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a self-excited oscillation type signal converter according to the present invention.
2 is a partial configuration diagram of the self-excited oscillation type signal conversion device of FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective view of the composite body 1;
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of the first circuit 3;
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of the second circuit 4;
6 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the magnitude of the load resistance R and the transformation ratio (V _OUT / V _IN ) in the self-excited oscillation type signal converter of FIG. 1; FIG.
7 is a perspective view of a composite 6 used instead of the composite 1 shown in FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
1 complex 2 piezoelectric ceramic 3 complex excitation circuit 4 rectifying circuit 5 switch 6 complex R load resistance _{_{_{P 1, P 2, Q 1}}} , Q 2 electrodes _{_{_{Z 1, Z 2, T 0}}} , T 1, T 2, T _3- terminal L ₁ coil _Tr transistor R _a , R _b , R _c , R _d resistance D ₁ , D ₂ diode C ₁ , C ₂ , C ₃ capacitor ZD Zener diode IC Inverter V _dc DC power supply

Claims

A piezoelectric ceramic having two end faces perpendicular to the height direction of the quadrangular prism and four side surfaces A, B, C and D parallel to the height direction, a set of input devices, and at least a self-oscillation type signal converter consisting of a set of output devices, said set of input devices and electrodes P ₁ and P _2, comprises a first circuit, said set of output devices the electrode Q ₁ and Q _2, a load resistor R, and the switch comprises a second circuit, the polarization axis of the piezoelectric ceramic is a parallel to the height direction of the rectangular prism, the electrodes P ₁ and P ₂ provided on the side a of the piezoelectric ceramic, the electrode Q ₁ and Q ₂ are the side B of the piezoelectric ceramic, provided on one of C and D, the side a and B are parallel to each other , the side C and D are parallel to each other, the electrode P ₁ And P ₂ is electrically insulated from each other, the electrode Q ₁ and Q ₂ are electrically are insulated, respectively provided with terminals T ₀ and T _N is the electrode Q ₁ and Q ₂ together The load resistor R is connected between the terminals T ₀ and T _N and consists of N parts R _i (i = 1, 2,... N), and the parts R _i and Terminals T _i {i = 1, 2,... (N−1)} are provided between R _{(i + 1)} , and the piezoelectric ceramic, the electrodes P ₁ , P ₂ , Q ₁ and Q ₂ are A composite is formed, and the first circuit is connected between the electrodes P ₁ and P ₂ to apply a voltage _VIN having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic to the composite. The composite is excited by elastic vibration, and the resonance frequency of the piezoelectric ceramic is the resonance frequency of the composite. Substantially equal, the electrode _{Q 1} and _{Q 2} converts the elastic vibration into an electric signal of the voltage _{V OUT,} the voltage _{V OUT,} the voltage _V i (i = 1,2 corresponding to the portion _{R i,} ... ... equal to the sum of N), the two any of the terminals _T 0, _{T i} and _{T N} are formed a pair of output terminals, at least one pair of the terminals _T 0, _{T i} and _{T N} When the output terminal is electrically connected to the second circuit via the switch, an electrical signal corresponding to a voltage between two terminals included in the output terminal is the second signal. A self-excited oscillation type signal converter that rectifies the electrical signal output to the circuit and generates the DC power by rectifying the electrical signal output to the second circuit.

It said elastic vibration is converted into an electric signal of the voltage V _OUT by the electrode Q ₁ and Q _2, the vibration the side B, and a direction perpendicular to the side surface of the electrode Q ₁ and Q ₂ are provided among the C and D 2. The self-excited oscillation type signal converter according to claim 1, wherein the self-oscillation type signal converter is formed by elastic vibration.

The self-oscillation type signal conversion device according to claim 1 or 2, wherein the piezoelectric ceramic has a shape of a regular tetragon on both end surfaces of the piezoelectric ceramic.

The electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two equal parts by a straight line parallel to the polarization axis, and the electrodes Q ₁ and Q _{2 of the} side surfaces B, C, and D are provided. wherein the side electrodes Q ₁ and Q _2, self-oscillation type signal converter according to claim 1, 2 or 3 are substantially bisected by a line parallel to the polarization axis.

The electrodes P ₁ and P ₂ on the side surface A are substantially divided into two by a straight line perpendicular to the polarization axis, and the electrodes Q ₁ and Q _{2 of the} side surfaces B, C, and D are provided. wherein the side electrodes Q ₁ and Q _2, self-oscillation type signal converter according to claim 1, 2 or 3 are substantially bisected by a line perpendicular to the polarization axis.