JP5346309B2

JP5346309B2 - 圧電トランスデューサ用の発電器

Info

Publication number: JP5346309B2
Application number: JP2010058872A
Authority: JP
Inventors: デニス・クロッペンシュタイン; ダニエル・バウール
Original assignee: チップトップチップス・サール
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: IL204501A; JP2010220466A; CN101841251A; EP2230027B1; EP2230027A1; RU2010109757A; RU2473154C2; US20100231090A1; US8217552B2; CN101841251B; IL204501A0

Description

本発明は、圧電トランスデューサに電力供給するための発電器に関し、具体的には歯科医療において使用できるものに関する（本出願では、「圧電トランスデューサ」という表現は電気信号を他の量に変換する任意の圧電素子を指す。具体的には、この定義から圧電モータは圧電トランスデューサの一例となる）。

圧電トランスデューサのインピーダンスは、それが受ける動作条件に従ってかなり変化し得ることが知られている。圧電素子のインピーダンスは、一方では直列共振に相当する周波数に対してはその最小値に達し、他方では機械的負荷の増加はインピーダンスの増加を引き起こす。これらのインピーダンスの変化は、いくつかの問題を伴う。実際、トランスデューサが「電流源」タイプの発電器によって給電される場合は、トランスデューサに供給される電力は、インピーダンスに比例する。それにより電力は、制御されない形で増大する。したがってたとえば、その装置が歯石除去のために用いられる場合は、歯石を除去しようとして歯を損傷し得る。一方、トランスデューサが「電圧源」タイプの発電器によって給電される場合は、供給される電力は、インピーダンスの増加に対して双曲線則に従って減少する。したがって、より機械的な仕事が必要なときに、発電器はより少ない電力を供給することになり、これは全く理想的ではない。さらに、機械的負荷がないときは、トランスデューサに印加される電力は制御されない形で増大し、これは結果として圧電工具の破損を生じ得る。

特許文書仏国特許第２，３９１，００１号は、上記の問題の解決策を提案している。この文書に記載される圧電トランスデューサに給電するための発電器は、その一次巻線が発振器によって励振され、その二次巻線がトランスデューサに給電するように接続された変圧器を備える。発振器自体は、一定電流発生器（電流源）と電圧発生器（電圧源）とによって並列に給電される。負荷のインピーダンスが調整可能閾値より低いままである限りは電圧発生器を阻止し、一方、負荷のインピーダンスが調整可能閾値を超えるとすぐに電流発生器を阻止するための手段が設けられる。

上述の文書からの図１Ａは、それぞれ最小電力（曲線Ｉ）、中間電力（曲線ＩＩ）、および最大電力（曲線ＩＩＩ）の場合における、トランスデューサのインピーダンスＺに従って供給される電力Ｐを示す図である。中間電力に相当する曲線ＩＩを考察すると、トランスデューサのインピーダンスＺが基準閾値Ｚｂより低いままである限りは、トランスデューサに供給される電力Ｐはインピーダンスに比例して増加することが分かる。インピーダンスが閾値を超えると、一定電流発生器は阻止され、電圧発生器は解放される。この時点で供給される電力は、インピーダンスが増大するにつれて双曲線則に従って減少する。

仏国特許第２，３９１，００１号

いま述べた圧電トランスデューサに電力供給するための発電器は、（図１Ａの曲線ＩおよびＩＩの概して三角形の形によって示されるように）トランスデューサの非常に正確なインピーダンス値に対してのみ最大電力を供給するという欠点を有する。本発明の目的は（図１Ｂの第１の曲線の概して台形の形状によって示されるような）インピーダンスの変化する区間で明らかに一定の電力を供給する発電器を提供することである。

本発明は、添付請求項１による圧電トランスデューサに電力を供給するための発電器を提供することによってこの目的を達成する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な実施例としてのみ示され、添付の図面を参照した以下の説明を読むことにより明らかとなろう。

従来技術の発電器によって供給される電力の、圧電トランスデューサのインピーダンスの関数としてのグラフである。本発明による発電器によって供給される電力と、従来技術の発電器によって供給される電力との比較を可能にするグラフである。本発明の特定の実施形態の電気回路図である。図２の発電器の変圧器の巻線における電流と電圧を示す、圧電トランスデューサのインピーダンスの３つの値の１つに対応するグラフである。

図２は、本発明の特定の実施形態による発電器の電気回路図である。圧電トランスデューサに電力を供給するための発電器は２つの変圧器１１Ａと１１Ｂを備え、それぞれが一次巻線Ｌ１および二次巻線Ｌ２を含む。２つの二次巻線Ｌ２のそれぞれは、その端子の一方によって圧電素子５の一方の電極に接続され、その他方の端子によって接地に接続され、さらにダイオード（それぞれ１３および１５）が各二次巻線と圧電素子５の間に挿入される。

変圧器１１Ａおよび１１Ｂの各一次巻線Ｌ１は、スイッチ（それぞれ１９Ａおよび１９Ｂ）と直列に、電源の両端子間に接続される。本実施例では電源は、参照番号１７の電圧源からなり、その一方の端子は両方の一次巻線Ｌ１に接続され、他方の端子は接地される。スイッチ１９Ａおよび１９Ｂ、ならびに本明細書で述べられる他のすべてのスイッチは、トランジスタの形で実装することができる電気的に制御されるスイッチである。圧電トランスデューサ５の両電極は、それぞれが２つの変圧器のうちの１つの二次巻線Ｌ２に接続されると共に、それぞれダイオード２３とスイッチ２１Ｂ、ダイオード２５とスイッチ２１Ａを介して接地に接続される。これは一方では圧電素子５は変圧器１１Ａの二次巻線Ｌ２の両端子間に、ダイオード１３、ダイオード２５、およびスイッチ２１Ａと直列に接続され、他方では圧電素子５は変圧器１１Ｂの二次巻線Ｌ２の両端子間に、ダイオード１５、ダイオード２３、およびスイッチ２１Ｂと直列に接続されることを意味する。

スイッチ１９Ａおよび２１Ｂは、ここでは「直接（非反転）」信号として指定される第１の発振制御信号によって駆動され、他方のスイッチ１９Ｂおよび２１Ａは、以降では「反転」として指定される、第１の発振制御信号と逆位相の第２の発振制御信号によって駆動されるようになっている。本実施例では両方の制御信号は、連続する正および負の半周期からなる方形の電圧を供給する同じ発振器２７からのものである。負の半周期の間はスイッチ１９Ａおよび２１Ｂは開かれ、スイッチ１９Ｂおよび２１Ａは閉じられる。正の半周期の間は、その逆となる。負の半周期の間は、変圧器１１Ａの二次巻線Ｌ２、圧電素子５、ダイオード１３および２５、ならびにスイッチ２１Ａによって形成される回路が閉じられ、変圧器１１Ａに蓄積されたエネルギーは負荷に移動される。同時にスイッチ１９Ｂが閉じられ、変圧器１１Ｂの一次巻線Ｌ１は電圧源１７に直接接続される。一次巻線を通る電流は、磁束の増加を発生する。それにより、磁気回路内にエネルギーが蓄積される。正の半周期の間は、その逆となる。変圧器１１Ｂの二次巻線Ｌ２は、圧電素子５、ダイオード１５および２３、ならびにスイッチ２１Ｂを含む回路内で放電しながらそのエネルギーを送り返し、一方、変圧器１１Ａの一次巻線Ｌ１を通る電流はその磁気回路内に誘導性エネルギーを蓄積する。図３Ａのグラフは、変圧器１１Ａまたは１１Ｂのうちの一方の、巻線Ｌ１、Ｌ２およびＬ３内の電流および電圧の動作を示す。変圧器の一次巻線内の電流ＩＬ１は、半周期の間に規則的に増加した後にゼロに低下し、後続の半周期の持続時間の間、そのままとなることが分かる。２つの半周期の間の遷移にて、二次巻線が引き継ぐ。電流ＩＬ２は、その大きさが減少し、二次巻線を循環することが分かる。図示の実施例では、電流ＩＬ２は、蓄積エネルギーが完全に消費されるまで循環する。二次巻線の両端子間の電圧ＵＬ２の変化は、ＩＬ２の大きさの変化によく似ている。

２つの変圧器１１Ａおよび１１Ｂを有し、圧電素子５を一方の変圧器および他方の変圧器に交互に接続することにより、圧電素子に交番電圧を供給できることが理解されよう。当業者であれば、要するにスイッチ１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂの機能は、変圧器１１Ａおよび１１Ｂを、いわゆる「フライバック」モードにて機能させるように駆動することにあることが理解されよう。

さらに図２上で２つの抵抗（それぞれ３９Ａおよび３９Ｂとして参照される）が、一次巻線Ｌ１と、スイッチ１９Ａおよび１９Ｂに直列に接続されることが分かる。抵抗３９Ａおよび３９Ｂは、それぞれ変圧器１１Ａおよび１１Ｂの一次巻線Ｌ１を循環する電流の大きさの測定を可能にするために設けられる。Ｌ１内の電流の測定値は、電流の大きさの最大値の検出を可能にするために用いることができる。この最大値は、圧電素子５がその共振周波数で振動していることを示す。実際、すでに述べたように、圧電素子のインピーダンスは共振周波数にてその最小値に達する。したがって共振周波数では、二次巻線Ｌ２の両端子間に接続された負荷は最小となる。このような状態では、変圧器に蓄積されたエネルギーを完全に消費するには、負荷が不十分となることが起こり得る。この状況は、図３Ｃのグラフによって示される。このグラフを参照すると、負荷が特に低いときは、電流ＩＬ２および電圧ＵＬ２は、半周期の終了前にゼロまで低下するのに十分な時間がないことが分かる。さらに二次巻線内で消費されなかったエネルギーが、後続の半周期の開始時に一次巻線内に見出される。半周期の開始時に一次巻線Ｌ１内に電流ＩＬ１が現れるのは（図３Ｂ）、この消費されないエネルギーが原因である。したがってある閾値未満では、インピーダンスが低いほど、一次巻線内の電流ＩＬ１の大きさが大きくなることが理解されよう。このことから最大の大きさの電流ＩＬ１は、トランスデューサが共振点で振動することを示す。有利には、抵抗３９Ａおよび３９Ｂを通る電流ＩＬ１の測定値は、発振器２７が圧電素子５の共振周波数で発振するように、発振器発２７を駆動させるためのフィードバックループ（図示せず）内で用いることができる。

図２上で変圧器１１Ａおよび１１Ｂはさらに、第３の巻線Ｌ３を備えることが分かる。変圧器１１Ａの巻線Ｌ３は、電圧源１７と接地の間に、ダイオード３１および１つの抵抗３５と直列に接続される。同様に変圧器１１Ｂの巻線Ｌ３は、電圧源１７と接地の間に、ダイオード３３および１つの抵抗３７と直列に接続される。以下でより詳細に理解されるようにＬ３巻線の機能は、二次巻線Ｌ２から供給される最大電力を制限することである。

変圧器の一方に蓄積されたエネルギーが負荷へ移動されるときにＬ２内の電流の大きさが減少する速度は、当然、負荷に関連するインピーダンスに依存する。インピーダンスが高いほど電流の減少は速くなり、二次巻線の両端子間の電圧は高くなる。図３Ｂのグラフは、圧電トランスデューサ５に対する機械的負荷が特に高い状況での、図２の発電器の動作を表す。図３Ｂ上で、電流ＩＬ２の大きさは、図３Ａよりも明らかに速く減少することが分かる。さらに半周期の開始時での電圧ＵＬ２も、図３Ａの場合よりもかなり高い。何らかの理由により圧電素子に対する機械的負荷が制御されない形で増加すると、ＵＬ２の出力電圧は発電器を損傷する点まで増加し得ることが理解されよう。これが、この実施例において各変圧器１１Ａおよび１１Ｂが、一次巻線Ｌ１および二次巻線Ｌ２に誘導的に結合された三次巻線Ｌ３を備える理由である。

再び図２を参照すると、ダイオード３１および３３は、それらのカソードによって巻線Ｌ３に、それらのアノードによって接地に接続されていることが分かる。各巻線Ｌ３の他方の端子は電圧源１７の正端子に接続されているので、通常はダイオードは負電圧ＵＬ３を受ける。このような状態ではダイオード３１および３３は電流の通過を防止する。しかしＬ３に誘起される電圧が連続する供給電圧を超えると、結果としてダイオードに対する電圧ＵＬ３は一時的に正となり、電流ＩＬ３がＬ３内を循環し始める。この一時的な電流ＩＬ３は、巻線Ｌ２の両端子間の電圧ＵＬ２を制限する効果を有する。したがって巻線Ｌ３が存在することにより、Ｌ２とＬ３の誘導の値間の関係の選択によって決まる値に電圧ＵＬ２を制限することが可能になる。

図１Ｂは、いま述べた発電器によって供給される電力の動作を、圧電トランスデューサのインピーダンスの関数として示す第１の曲線を含むグラフである。グラフはまた、前述の特許文書仏国特許第２，３９１，００１号に記載されたもののような従来技術の発電器の動作に相当する第２の曲線を含む。図１Ｂ上で第１の曲線は、第１の増加する部分、第２の一定な部分、および最後に第３の減少する部分を含むことが分かる。第２の部分はグラフの中央部分のすべてを占め、したがってインピーダンスの中央値に対応する。この区間では、本発明による発電器によって供給される電力は明らかに一定であり、発電器の動作は図３Ａのグラフによって表されるものに対応する。曲線の第１の部分は、変圧器に蓄積されたエネルギーを半周期の終了前に完全に消費するには不十分なインピーダンス値に相当する。この曲線の第１の部分は、発電器の動作が図３Ｃのグラフによって表されるものと同様となる区間に相当する。この区間では供給される電力は、インピーダンスに比例して減少される。曲線の第３の部分は、最も高いインピーダンスに対応する。この領域での発電器の動作は、図３Ｂのグラフによって表されるものに相当する。この領域では、二次巻線Ｌ２の両端子間の電圧は巻線Ｌ３によって制限され、それによりインピーダンスが増大するに従って電流は減少する。

本発明のもう１つの利点は、変圧器１１Ａおよび１１Ｂが、圧電トランスデューサ５と電源１７との間に電気的絶縁を生ずることである。図２上で、電気的絶縁によって分離された２つの領域への発電器の分離は、破線４０の矩形によって表される。さらに図２上で、スイッチ２１Ａと２１Ｂは破線の矩形の内側にあることが分かる。スイッチの駆動のレベルでの電気的絶縁を確実にするために、発振器２７と、両スイッチを駆動するように設計された１つの増幅器／インバータ４５との間に、光結合素子４３が挿入される。

１１Ａ，１１Ｂ変圧器；１３，１５ダイオード；１７電圧源；
１９Ａ，１９Ｂ，２１Ａ，２１Ｂスイッチ；
２３，２５，３１，３３ダイオード；２７発振器，
３５，３７，３９Ａ，３９Ｂ抵抗；４０電気的絶縁；
４３光結合素子；４５増幅器／インバータ。

Claims

圧電トランスデューサ用の発電器であって、一次巻線（Ｌ１）および二次巻線（Ｌ２）をそれぞれ含む２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）と、超音波周波数発振器によって駆動される４つのスイッチ（１９Ａ、１９Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ）とを備え、前記４つのスイッチのうちの２つのスイッチ（２１Ａ、２１Ｂ）は各変圧器の二次巻線を交互に前記圧電負荷（５）に接続され、他の２つのスイッチ（１９Ａ、１９Ｂ）は前記２つの一次巻線を交互に電源（１７）に接続され、それにより、「正の半周期」と呼ばれる第１の半周期の間は、前記２つの変圧器のうちの一方の一次巻線は電力の充電をされ、他方の変圧器の二次巻線は前記圧電負荷に電力の放電をし、かつ「負の半周期」と呼ばれる第２の半周期の間は、前記一方の変圧器の二次巻線は圧電負荷に電力の放電をし、他方の変圧器の一次巻線は電力の充電をされるよう構成されて成る発電器。
各変圧器が、固定電圧に維持された三次巻線（Ｌ３）と、前記三次巻線と直列のダイオード（３１、３３）とを備え、それにより前記三次巻線（Ｌ３）の両端子間の負電圧が制限される、請求項１に記載の圧電トランスデューサ用の発電器。
前記２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つが、先行の半周期から残る消費されないエネルギーの存在によって引き起こされる、電流の、生じ得る台形の形状を検出するように電流の形状を監視することを可能にするために、前記一次巻線（Ｌ１）内の電流を測定するための回路（３９Ａ、３９Ｂ）を備える、請求項１に記載の圧電トランスデューサ用の発電器。
前記２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つが、先行の半周期から残る消費されないエネルギーの存在によって引き起こされる、電流の、生じ得る台形の形状を検出するように電流の形状を監視することを可能にするために、前記一次巻線（Ｌ１）内の電流を測定するための回路（３９Ａ、３９Ｂ）を備える、請求項２に記載の圧電トランスデューサ用の発電器。
前記２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つが、前記三次巻線（Ｌ３）に電流が流れているかどうかを検出し、それにより前記三次巻線の両端子間の負電圧が制限されたかどうかを検出することを可能にするために、前記三次巻線内の電流を測定するための追加の回路（３５、３７）を備える、請求項２に記載の圧電トランスデューサ用の発電器。
前記２つの変圧器（１１Ａ、１１Ｂ）の少なくとも１つが、前記三次巻線（Ｌ３）に電流が流れているかどうかを検出し、それにより前記三次巻線の両端子間の負電圧が制限されたかどうかを検出することを可能にするために、前記三次巻線内の電流を測定するための追加の回路（３５、３７）を備える、請求項４に記載の圧電トランスデューサ用の発電器。