圧電素子を用いた高エネルギー素粒子実験用小型電源の開発

Contents1. 背景2. 圧電素子3. 動作確認4. まとめと今後

陣内・柴田　研究室岸田　拓也

2009/12/7 1

2009/12/7 2

－ ATLAS 実験－

ATLAS 実験のアップグレード　→　シリコン検出器の高集積化　　→　チャンネル数の増加

消費電力の増加

ケーブル数は増加できない　→　損失電力の軽減が必要

1. 背景

シリコン検出器

検出器 ( 読み出し ASIC) の近くに変圧器 (DC-DC converter) を置きたい

電源 読み出し ASICケーブル

ケーブルでの電力損失率を減らしたい！！

→ 　必要な場所までは高電圧 × 低電流で流せばいい

電源 読み出し ASICケーブル

変圧器

高電圧 × 低電流低電圧 × 高電流

・小型化・放射線に強い・磁場の影響を受けない

電力損失

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圧 電 素 子

V

rI

VI

rI

2

送電電力損失電力

電力損失大！！

2. 圧電素子圧電素子とは：圧電効果を用いた変圧素子のこと。

ROSEN 型圧電素子 etc… 輪郭広がり振動モードを利用した圧電素子一次側電極

( 入力 ) 二次側電極( 出力 )

一次側 ( 駆動部 ) 二次側 ( 発電部 )

一般的なタイプ 今回用いるタイプ

GRD

一次側電極( 入力 )

二次側電極( 出力 )

加えられた圧力に応じた電圧が物質に発生する効果。( 逆もある )

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Push!!Push!!＋

－

＋

－

＋

－

＋

－

＋

－

＋

振動

圧電素子の等価回路

圧電素子の共振周波数が決定

入力電圧 (100mV) の周波数と出力電圧（ gain ）の関係　『 gain 特性曲線』

24V に対して 2V を得たいとすると、 gain が約 1/10 のこのあたりを動作周波数領域とする

Gain(dB)

入力電圧の周波数（ Hz)2009/12/7 5

入力

出力

個々の圧電素子で決まった物理定数

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今回の小型電源 ( 変圧器 ) のメイン回路図

圧電素子

外付けコイル：　矩形波から正弦波成分を取り出す

スイッチ回路：矩形波を作る

圧電素子～ 20cm

～ 15cm

DC→AC’AC’→AC AC→DC

INPUT(V)

OUTPUT

(V)

３．動作確認

出力電圧がぶれずに一定の値を取る周波数の位置＝　 Gain 特性曲線の該当する位置

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5

駆動電圧 24Vに対する出力電圧・電流の関係

125.6kHz133kHz161.3kHz165.6kHz203.3kHz

出力電流（ A）

出力電圧（

V)

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圧電素子の温度や出力の負荷等によって gain 特性曲線の形は変わる。　　　　→　まずは入力電圧の周波数を手動で調節し、動作点を探す。

見つかった動作点に対して、負荷を重くしても動作するか確認　　　　　　　　　　　　　　　　＝　制御回路の制御能力に依存

-20d

B

４．まとめと今後・圧電素子を用いた小型電源を用いることでケーブル中での電力損失を　抑えることがこの開発の目的

・制御回路がどの程度の範囲まで安定に動作しているかの確認中

・動作周波数の様々な依存性を調査中

・外付けのコイルを取り外した状態での測定及び評価

・実機（シリコン検出器）での試用

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おしまい

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Back up

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改良点駆動周波数の決定：　　回路中のある可変抵抗の値を調節しなければならない

可変抵抗の幅0 ～ 10kΩ

駆動周波数0 ～数 MHz

・最初

・改良後

可変抵抗の幅620 ～ 1.12kΩ

駆動周波数100kHz ～ 250Hz( およ

そ )

広すぎ！！

最初 改良後

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dB （デシベル）

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入力電圧： Vin

出力電圧： Vout

in

out

in

out

V

V

V

VdBx 10

2

10 log20log10)(

とすると

入力電力： Pin

出力電力： Pout

とすると

in

out

P

PdBx 10log10)(

2VP