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. 2. 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 1 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 2009/12/7 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 2 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 2009/12/7 3 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) 2009/12/7 二次側(発電部) GRD 二次側電極 (出力) 4 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 2009/12/7 入力電圧の周波数（Hz) 5 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 2009/12/7 ～20cm 圧電素子 6 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 2009/12/7 0.5 1 1.5 出力電流（A） 2 2.5 7 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 2009/12/7 8 おしまい 2009/12/7 9 Back up 2009/12/7 10 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 2009/12/7 駆動周波数 100kHz～250Hz(およそ) 改良後 11 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  2 2009/12/7 12