2014 Fiscal Year Research-status Report
圧電単結晶の共振を利用する超小形ＡＣアダプタ実用化のための高効率駆動回路の実現
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25420239
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
広瀬 精二 山形大学, 理工学研究科, 名誉教授 (70007201)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 英樹 東北工業大学, 工学部, 准教授 (90396581)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高効率駆動回路 / 圧電トランス / 圧電単結晶 / スイッチング / ＡＣアダプタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.圧電単結晶を用いた圧電トランスの改良の検討：ここで扱う圧電トランスは，圧電単結晶LiNbO3の薄い矩形板に励振されるラーメモードと呼ばれる共振振動を用いて電圧の変換を行う。他にも振動が起きるがそれらは不要振動である。26年度は以下の研究を行った。（1）有限要素法解析によって不要振動の分布を明らかにした。（2）圧電トランスに接続される負荷抵抗と不要振動の発生周波数との関係を詳しく検討した。（3）不要振動の性質の比較・検討を行うため，構造と振動パターンの異なる超音波モータのステータ振動子についての検討も行った。（4）共振振動励振のための電極のうち，同電位の電極を結ぶ接続電極を施す改良を加え，支持ピン数を12本から8本に減少させて構造の簡素化をはかった。（5）このとき共振尖鋭度Q≒8000程度の高い値を実験的に達成した。（6）実機応用のときに問題となる音響放射を検討するため，条件がさらに厳しい超音波モータをモデルとして音場特性の解析を行った。
2.圧電トランス駆動用スイッチング回路改良の検討：（1）MOSFETについて，ゲート入力容量の影響を詳しく調べるため，回路シミュレータによる解析と実験により，波形分析，効率測定を行った。（2）MOSFETに加えて高周波トランジスタを用いたスイッチング回路を構成した。（3）高周波トランジスタには，スピードアップコンデンサとショットキーダイオードを併用して効率の向上をはかった。（4）高周波トランジスタのスイッチング駆動波形のduty比の調整などにより効率向上がさらにはかられ，最終的に総合効率86％の高効率が得られた。これにより，FETの他に高周波トランジスタも圧電トランスのスイッチング駆動・回路構成素子として機能することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1.圧電単結晶を用いた圧電トランスの改良の進展：（1）圧電トランスに接続される負荷抵抗と不要振動の発生周波数との関係を詳しく検討し，動作点設定の指針を得ることができた。（2）同電位の電極を結ぶ接続電極を施す改良を加え，前年度まで12本必要であった支持ピン数を8本に減少させて構造の簡素化をはかった。電極を加工したにも拘わらず共振尖鋭度Q（共振の良さを表す指標）≒8000程度の高い値を実験的に達成でき，簡易支持構造で高Qという改良が加えられた。（3）条件がさらに厳しい超音波モータをモデルとして音場特性の解析を行った。この結果から，圧電単結晶トランスの実機応用の際に問題となる音響放射の検討が進展する。
2.圧電トランス駆動用スイッチング回路改良の進展：（1）MOSFETについて，回路シミュレータによる解析と実験により，波形分析，効率測定を行い，ゲート入力容量の影響を詳しく調べた。この結果，更に詳しい特性分析が可能となった。（2）MOSFETは端子間容量によってスイッチング特性に高周波限界があるので，さらにスイッチング素子の種類を広げ高周波トランジスタを用いたスイッチング回路を構成した。スピードアップコンデンサとショットキーダイオードを併用し，またスイッチング駆動波形のduty比の調整などにより効率向上が更にはかられ，最終的に総合効率86％の高効率が得られ，FETの他に高周波トランジスタも圧電トランスのスイッチング駆動・回路構成素子として機能することが明らかにされた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究進捗状況に基づき，今後は以下のように研究を推進していく。
1.圧電単結晶LiNbO3を用いた圧電トランスの動作特性の検討の継続：圧電トランス本体の特性や支持構造の経時変化も含め，更なる性能向上のため，以下の項目について検討を行う。（1）圧電トランス特性や不要振動が及ぼす影響の経時変化計測。（2）支持構造が及ぼす影響の経時変化計測
2.スイッチング励振回路の比較・評価と更なる効率向上の検討：これまでの研究によって，MOSFETによる高周波数帯でのスイッチング特性ならびに，高周波トランジスタによるスイッチング特性が把握できたので，今後は両者の比較・評価ならびに更なる効率向上の検討を行う。具体的には以下の検討を行っていく。（1）MOSFET，高周波トランジスタ出力端子に挿入するインダクタンス値の算定と挿入インダクタンスのQ値向上による高効率化の検討。（2）倍電圧整流回路などを適切に使用して，圧電トランスと負荷インピーダンスとの整合特性の改善。（3）充電電池を整流回路の平滑回路に組み入れることによる回路の簡素化の検討
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