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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
1.
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3.
4.
2009/12/7
Contents
背景
圧電素子
動作確認
まとめと今後
陣内・柴田 研究室
岸田 拓也
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1. 背景
－ATLAS実験－
シ
リ
コ
ン
検
出
器
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
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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
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電力損失
電力損失大！！
電源
ケーブルでの電力損失率を減らしたい！！
損失電力 rI 2 rI


送電電力 VI V
読み出しASIC
ケーブル
→ 必要な場所までは高電圧×低電流で流せばいい
高電圧×低電流
電源
ケーブル
低電圧×高電流
変
圧
器
読み出しASIC
検出器(読み出しASIC)の近くに変圧器(DC-DC converter)を置きたい
・小型化
・放射線に強い
圧電素子
・磁場の影響を受けない
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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。
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)
＋
Push!!
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
Push!!
－ － － － －
一般的なタイプ
今回用いるタイプ
ROSEN型圧電素子 etc…
一次側電極
(入力)
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)
振動
一次側(駆動部)
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二次側(発電部)
GRD
二次側電極
(出力)
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圧電素子の等価回路
個々の圧電素子で決まった物理定数
入
力
出
力
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』
Gain(dB)
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
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入力電圧の周波数（Hz)
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今回の小型電源(変圧器)のメイン回路図
スイッチ回路：矩形波を作る
INPUT(V)
圧電素子
AC’→AC
AC→DC
DC→AC’
OUTPUT
(V)
外付けコイル：
矩形波から正弦波成分を取り出す
～15cm
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～20cm
圧電素子
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３．動作確認
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。
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
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
駆動電圧24Vに対する出力電圧・電流の関係
出力電圧（V)
2
125.6kHz
133kHz
1.5
161.3kHz
1
165.6kHz
0.5
203.3kHz
-20dB
2.5
0
0
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0.5
1
1.5
出力電流（A）
2
2.5
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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
・最初
可変抵抗の幅
0～10kΩ
駆動周波数
0～数MHz
広すぎ！！
・改良後
可変抵抗の幅
620～1.12kΩ
最初
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駆動周波数
100kHz～250Hz(およそ)
改良後
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dB（デシベル）
入力電圧：Vin
とすると
出力電圧：Vout
 Vout
x (dB)  10 log10 
 Vin
2

Vout
  20 log10
Vin

入力電力：Pin
とすると
出力電力：Pout
Pout
x (dB)  10 log10
Pin
 P  V 
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