(57)【要約】【課題】機械振動を応用した絶縁アンプは、１次側から２次側へ伝達する振動振幅は、振動体のＱ値に依存するため、変調レベルが安定せずアナログ信号を高精度で伝達できない。【解決手段】同一の振動体上に、等しい固有振動数を有する第１の振動部１１と第２の振動部１３とを形成する。第１の振動部１１と発振回路２０によりＡＧＣ機能付きの発振器を構成し、絶縁アンプ入力信号に基づいたＡＧＣ制御によって発振信号に絶縁アンプ入力信号による振幅変調をかけて第１の振動部１１を振動させ、第２の振動部１３から得られる信号を、ＡＧＣモニタ信号を基に復調することで絶縁アンプ出力信号を得る。【選択図】図１
2013239933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号と出力信号とが絶縁された絶縁アンプであって、
同一部材上に形成された等しい固有振動数を有する第１及び第２の振動部を備えた振動体と、
前記第１の振動部を前記固有振動数で振動させることにより自励発振する発振回路と、
前記第２の振動部に発生する振動に基づいて得られる電気信号を、前記発振回路からの信号に基づいて復調し、前記出力信号として出力する復調回路と、
を備え、
前記発振回路は、前記入力信号に基づいて前記第１の振動部の振幅を変化させる変調機能を有する
ことを特徴とする絶縁アンプ。
【請求項２】
前記振動体は、少なくとも２つの脚を有する形状であり、脚ごとに前記第１及び第２の振動部のどちらか一方が設けてある
ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁アンプ。
【請求項３】
キャパシタを設け、
前記キャパシタを介して、前記発振回路からの信号を前記復調回路に入力する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁アンプ。
【請求項４】
前記キャパシタは、前記振動体に電界が印加されても圧電特性が生じない方向に沿って、前記振動体にその電極が形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の絶縁アンプ。
【請求項５】
前記復調回路が形成された回路チップ、前記発振回路が形成された回路チップ、前記振動体が気密性パッケージ内に封入された
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の絶縁アンプ。
【請求項６】
前記振動体は水晶からなる
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の絶縁アンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１次側と２次側とを電気的に絶縁した絶縁アンプに関するものであり、特に振動伝達を利用した絶縁アンプの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、機械的な振動伝達を利用した絶縁アンプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１に記載の絶縁アンプを図４に示す。
図４に示すように、発振器１から得た信号で振動体２の１次側を機械的に駆動し、機械振動によって２次側に信号を伝達する構成となっている。
１次側と２次側との間の信号伝達に機械振動を利用しているため電気的には絶縁ができ、例えば、１次側と２次側との間の接地電位に数１０００Ｖの差があっても信号が伝達できる可能性がある。
【０００４】
振動体２は、圧電セラミックスで構成している。振動体２の２次側からは増幅器３、整流器４、コンパレータ５を介して論理信号を出力可能となっている。
【０００５】
また、詳細な開示はないが、外部からの入力信号Ｓ１により振動振幅に変調をかけられる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−１７９２７０号公報（第２頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の絶縁アンプは、主に論理信号の伝達を目的としており、振動体２を駆動する電気信号と機械的な振幅との関係については考慮されていないため、連続的なアナログ信号を伝達する用途に使うには課題が多い。
【０００８】
例えばこの例の場合、２次側へ伝達する振動振幅はＱ値に比例する。圧電セラミックスはＱ値の温度依存性が高い圧電材料であるので、機械振動の伝達特性が周囲温度の変化によって大きく変わってしまう。
また、仮に振動体２のＱ値が一定であっても、発振器１の出力周波数と振動体２の共振周波数とに差が生じれば１次側の機械的な振動振幅は変化してしまう。発振器１の出力周波数は振動体２の共振周波数とには相関がなく、この２つの周波数を常に一致させることは困難である。
【０００９】
このため、特許文献１に記載の絶縁アンプは、２次側での変調レベルは安定せず、アナログ信号を伝達する絶縁アンプとしては精度が保証できないという問題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決し、変調レベルが安定で高精度な絶縁アンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の絶縁アンプは、以下の構成を採用する。
【００１２】
入力信号と出力信号とが絶縁された絶縁アンプであって、
同一部材上に形成された等しい固有振動数を有する第１及び第２の振動部を備えた振動体と、
第１の振動部を固有振動数で振動させることにより自励発振する発振回路と、
第２の振動部に発生する振動に基づいて得られる電気信号を、発振回路からの信号に基づいて復調し、出力信号として出力する復調回路と、
を備え、
発振回路は、入力信号に基づいて第１の振動部の振幅を変化させる変調機能を有する
ことを特徴とする。
【００１３】
このような構成にすれば、振動体の１次側と２次側とが等しい固有振動数を有しているので、周囲温度の変化や進入するノイズ等の外乱の影響を受けず、高精度に信号の伝達ができる。
【００１４】
振動体は、少なくとも２つの脚を有する形状であり、脚ごとに第１及び第２の振動部のどちらか一方が設けてあるようにしてもよい。
【００１５】
このような構成にすれば、比較的省スペースで振動部を振動しやすくさせることができる。振動体の形状は、音叉形状や多脚形状とすることができる。
【００１６】
キャパシタを設け、
そのキャパシタを介して、発振回路からの信号を復調回路に入力するようにしてもよい。
【００１７】
このような構成にすれば、復調回路側で復調動作するのに必要な同期信号を発振回路側から得るために比較的簡単な回路を構成するだけでよく、別途振動部を設ける必要がないので、小型化が可能となる。
【００１８】
キャパシタは、振動体に電界が印加されても圧電特性が生じない方向に沿って、振動体にその電極が形成されているようにしてもよい。
【００１９】
このような構成にすれば、振動体とキャパシタを一体で形成できるから、キャパシタを外付けにすることが不要になると共に、振動体の材質にもよるが高耐圧のキャパシタを形成できる可能性がある。また、第１の振動部と第２の振動部との間のＤＣ（直流）成分の電気信号の伝達も遮断できる。
【００２０】
復調回路が形成された回路チップ、発振回路が形成された回路チップ、振動体が気密性パッケージ内に封入されたようにしてもよい。
【００２１】
このような構成にすれば、周囲温度の変化や進入するノイズ等の外乱の影響を受けにくくなると共に、小型化が可能である。
【００２２】
振動体は水晶からなるようにしてもよい。
【００２３】
このような構成にすれば、入手性がよく、加工性に優れた材料を振動体として用いることができ、低コストの絶縁アンプを実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の絶縁アンプによれば、ＡＧＣ機能によって機械的な振動振幅を制御することで
、振動体のＱ値やインピーダンス（ＣＩ値）の変化に信号伝達特性が依存しないようにすることができる。さらに、第２の振動部を上記発振器の第１の振動部と同一材質かつ同一部材上に形成することで振動部の固有振動数を等しくでき、周囲温度の変化などによる振動伝達精度を向上させることができる。
【００２５】
従って、本発明の絶縁アンプによれば、圧電性及び絶縁性のある部材で構成した振動体であれば、Ｑ値や共振周波数の変化の影響を受けず、変調レベルが安定で高精度なアナログ信号を伝達可能な絶縁アンプを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態による絶縁アンプの全体構成を説明するブロック図である。
【図２】本発明の絶縁アンプの第２の実施形態における振動体の構成を説明する上面図である。
【図３】本発明の絶縁アンプの第３の実施形態における振動体の構成を説明する上面図である。
【図４】特許文献１に示した従来の絶縁アンプの構成を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の絶縁アンプは、振動体の１次側を自励発振させ、振動体の２次側に発生する振動を検出して出力信号とするものである。入力信号に基づいて１次側を振幅変調し、２次側で復調するのである。
【００２８】
このようにすれば、振動体の１次側と２次側とが等しい固有振動数を有しているので、周囲温度の変化や進入するノイズ等の外乱の影響を受けず、高精度に信号の伝達ができるのである。
【００２９】
以下、図面を用いてこの絶縁アンプについて詳述する。説明にあっては、同一の構成には同一の番号を付与するものとし、説明は省略する。
【００３０】
［第１の実施形態の全体構成説明：図１］
まず、図１を用いて第１の実施形態の絶縁アンプの全体構成について説明する。
絶縁アンプは、振動体１０と、発振回路２０と、復調回路３０とで構成した、振動型の絶縁アンプである。
【００３１】
振動体１０は、絶縁材料であり、かつ圧電材料である水晶をエッチング加工などで所定の形状に成形した振動子である。この実施形態では、振動体１０はいわゆる音叉形状の振動子を用いる場合で説明する。
【００３２】
振動体１０は、２つの脚（振動脚）１０ａ、１０ｂを有しており、音叉形状となっている。２つの脚ごとに２つの振動部を分けて設けている。例えば、脚１０ａには第１の振動部１１を、脚１０ｂには第２の振動部１３を設けている。
【００３３】
振動体１０は、脚と脚とを繋ぐ連結部１０ｃを有しており、この連結部１０ｃ及び脚１０ａ、１０ｂの形状を別々に設計できるから、振動体として振動しやすい形状にすることができ、欲する振動特性と欲する外形形状（例えば、大きさ）とを両立できる。このため、振動体として省スペース化がしやすいという利点がある。さらに、音叉型水晶振動子の加工に関する公知の加工技術を流用できるため、加工に関るコストを削減することがしやすいという利点もある。
【００３４】
発振回路２０は、振動体１０の１次側である第１の振動部１１を逆圧電効果により駆動する発振回路である。発振回路２０は、第１の振動部１１へ流れる電流値を所定値にするＡＧＣ機能を有する。この機能により、振動体１０の機械的な振動振幅を所定値になるよう制御する。発振回路２０と第１の振動部１１とで発振器を構成している。
【００３５】
このＡＧＣ機能は発振回路２０中のＡＧＣ制御回路２３によって実現される。ＡＧＣ制御回路２３には絶縁アンプとしての入力信号である絶縁アンプ入力Ｓ２０が入力しており、この絶縁アンプ入力Ｓ２０の信号振幅に比例して第１の振動部１１の駆動電流値が定まるようになっている。すなわち、ＡＧＣ制御回路２３によって変調機能が実現されている。
【００３６】
復調回路３０は、振動体１０の２次側である第２の振動部１３に圧電効果により発生する信号を増幅し、発振回路２０から得られる発振信号Ｓ２１を乗算することで復調をかけ、絶縁アンプとしての出力信号である絶縁アンプ出力Ｓ３０を得る復調回路である。
【００３７】
なお、発振回路２０と復調回路３０とは異なる集積回路チップ上に形成し、動作させるために印加する電源配線も独立して設ける。発振回路２０と復調回路３０との間の信号伝達は振動体１０の機械的な振動を介して行うため、入力信号側と出力信号側との間で電気的な絶縁を得ることができる。
【００３８】
また、少なくとも振動体１０は、セラミックなどの高気密性パッケージ内に実装され、真空あるいは不活性ガスと共に封入されるものとする（図示せず）。
【００３９】
以下、それぞれの構成要素について、引き続き図１を用いて詳細に説明する。
【００４０】
振動体１０のそれぞれの音叉部分の表面上には、金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）といった材料を単層又は多層に形成した金属薄膜による電極を形成する。これらの電極は、振動体１０に圧電効果及び逆圧電効果を生じさせることができる位置に配置する。
【００４１】
特に第１の振動部１１に逆圧電効果を発生させるための電極は第１の電極対とし、第２の振動部１３から圧電効果による電流を取り出すための電極は第２の電極対としている。第１の電極対の信号は１次側信号Ｓ１１とし、第２の電極対の信号は２次側信号Ｓ１３としている。第１の振動部１１と第２の振動部１３とは機械的には連結部１０ｃにて連結されているが電気的には絶縁であり、この間を機械的な振動によって信号伝達することによって絶縁アンプとしての機能を実現している。
【００４２】
第１及び第２の振動部の固有振動数は、ともに等しくω１である。本実施形態では例として以下に示す値を有する。
ω１／（２・π）＝５０ｋＨｚ
【００４３】
また、発振回路２０はモニタ回路２１と可変ゲインアンプ２２、ＡＧＣ制御回路２３とで構成する。
【００４４】
発振回路２０は、振動体１０に対し、モニタ回路２１及び可変ゲインアンプ２２とで発振ループを形成した、いわゆるＡＧＣ機能を有する発振回路である。発振回路２０はＡＧＣ制御回路２３を備えており、第１の振動部１１の励振電流の実効値が絶縁アンプ入力Ｓ２０に比例するように可変ゲインアンプ２２のゲインを制御する機能を有している。モニタ回路２１は、第１の振動部１１の励振電流を電圧信号に変換するＩ−Ｖ変換回路である。
【００４５】
この構成では、ＡＧＣ制御回路２３により第１の振動部１１は発振制御がなされ、モニタ回路２１が出力する発振信号Ｓ２１は絶縁アンプ入力Ｓ２０に基づいた振幅を有する交流信号となる。
【００４６】
なお、ＡＧＣ制御回路２３の制御動作により、可変ゲインアンプ２２の出力である発振駆動信号Ｓ１１Ｂは、第１の振動部１１のインピーダンス変化に比例して振幅が変化する交流信号となる。一方、発振信号Ｓ２１は第１の振動部１１のインピーダンスによらない振幅の交流信号となる。この発振信号Ｓ２１は後述の復調回路３０での検波に用いる信号としても利用する。
【００４７】
復調回路３０は、振動体１０の第２の電極対に発生する２次側信号Ｓ１３を増幅する増幅回路３１と、この増幅回路３１の出力信号である増幅信号Ｓ３１に含まれる入力信号成分を検波（復調）する復調乗算回路３２と、この復調乗算回路３２の出力信号を増幅及び不要周波数成分の除去を行い、絶縁アンプ出力Ｓ３０として出力する後置フィルタ回路３３とで構成する。特に増幅回路３１は、第２の電極対に発生する電流信号を電圧信号に変換するＩ−Ｖ変換回路である。
【００４８】
復調乗算回路３２は、増幅回路３１の出力信号と、前述の発振信号Ｓ２１をＤＣカットした信号Ｓ２２とを乗算する演算回路である。この発振信号Ｓ２１をＤＣカットした信号Ｓ２２は復調動作のための同期信号であり、発振信号Ｓ２１に結合容量５１を介することで得ている。
【００４９】
復調乗算回路３２としては、発振信号Ｓ２１から得られるタイミングをもとに、増幅信号Ｓ３１を全波整流することで乗算を実現する回路要素を用いる。後置フィルタ回路３３には、搬送波に相当する発振器の発振周波数を十分除去可能な、カットオフ周波数が以下の値を有する２次フィルタを用いる。
ωｃ／（２・π）＝５００Ｈｚ
【００５０】
結合容量５１を設けることで、復調回路３０側で復調動作するのに必要な同期信号を発振回路２０側から得るために、別途振動部を設ける必要がないので、小型化が可能となる。
【００５１】
結合容量５１としては、上記の集積回路とは別に設けた、外付けの高耐圧のキャパシタ素子を用いる。外付けである理由は、集積回路上に形成できるキャパシタ素子は一般に絶縁耐圧が低いためである。結合容量５１の出力端は、抵抗３５を介して信号グラウンド端子ＧＮＤ２の電位へバイアスし、いわゆるハイパスフィルタの構成となるようにする。
【００５２】
もちろん、結合容量５１を用いなくともよい。その場合は、上述の通り別途振動部を設け、この新たな振動部の機械振動によって発振信号Ｓ２１を伝達させればよい。しかしながら、そのような構成にすることで、その分のスペースが必要となる。
【００５３】
なお、図示はしないが、この絶縁アンプは、前述の高気密性パッケージの外部に、発振回路２０を動作させる電源端子（図示せず）及び信号グラウンド端子ＧＮＤ１と、復調回路３０を動作させる電源端子（図示せず）及び信号グラウンド端子ＧＮＤ２と、絶縁アンプ入力Ｓ２０の外部端子と、絶縁アンプ出力Ｓ３０の外部端子とを備えている。
【００５４】
［第１の実施形態の動作説明：図１］
次に、再び図１を用いて第１の実施形態の絶縁アンプの動作について説明する。
【００５５】
第１の実施形態である絶縁アンプに電源を投入すると、発振回路２０は第１の振動部１
１の固有振動数に従った振動数ω１で発振動作を開始する。第１の振動部１１の機械的な発振振幅は、ＡＧＣ制御回路によって、絶縁アンプ入力Ｓ２０に印加された入力信号に従った値に制御される。
【００５６】
第２の振動部１３は、音叉形状を有する振動体１０の一部であり、第１の振動部１１と等しい固有振動数を持つため、機械的な振動が高効率で伝達し、第１の振動部１１と等しい振幅で機械的に振動する。
【００５７】
第２の振動部１３が振動することにより第２の電極対に誘起された電流は、増幅された後に発振信号Ｓ２１をＤＣカットした信号Ｓ２２で得られるタイミングで全波整流される。この復調で、ほぼ直流の成分と振動数が２・ω１以上の成分とをもつ信号とに変換される。高い振動数である後者の成分は次段の後置フィルタ回路３３により除去され、ほぼ直流の成分のみが絶縁アンプ出力Ｓ３０として出力される。
【００５８】
絶縁アンプ入力Ｓ２０が一定であるとき、周囲温度の変化などによって第１の振動部１１のインピーダンスが変化しても、発振回路２０のＡＧＣ機能によって機械的な振幅は一定に制御されている。これは、第１の振動部１１のインピーダンス変化に応じて発振駆動信号Ｓ１１Ｂの振幅を変化させることで第１の振動部１１の励振電流を一定に保っていることによる。これとほぼ同じ第２の振動部１３のインピーダンスが同様に変化しても、第２の振動部１３の機械的な変調レベルは一定となる。よって第２の電極対から取り出される信号振幅は振動体１０の影響を受けないことになる。
【００５９】
従って、絶縁アンプ出力Ｓ３０の出力振幅は、振動体１０の温度特性に依存せず絶縁アンプ入力Ｓ２０の信号振幅に正しく比例することになり、結果的に絶縁アンプの１次側から２次側へ正確に信号伝達がなされることが分かる。
【００６０】
また、上述の構成説明より分かるように、絶縁アンプ入力Ｓ２０の側と絶縁アンプ出力Ｓ３０の側とは電気的には絶縁されており、絶縁アンプとして動作することは明らかである。絶縁アンプの１次側と２次側の絶縁耐圧は、主に振動体１０の表面上に形成した電極間の耐圧で決まる。
【００６１】
［第２の実施形態：図２］
次に、図２を用いて、第２の実施形態の絶縁アンプの構成について説明する。
第２の実施形態の特徴は、接合容量を振動体と一体にしている点である。
【００６２】
図２に示した上面図は、第１の実施形態における振動体１０の別形態であり、それ以外の部分については第１の実施形態と同様であるため、詳細は省略する。
【００６３】
図２における振動体１０は、発振器のための第１の振動部１１と、信号伝達のための第２の振動部１３に加えて、図１における結合容量であるキャパシタを振動体１０の表面上に形成している。すなわち、結合容量５１を振動体１０の表面上に形成する。
【００６４】
振動体１０は、圧電体である水晶で形成するものとしたが、圧電体は誘電体でもある。よって、水晶の表面上に対向する電極を形成することで、集積回路上に形成するキャパシタと比較して耐圧の高いキャパシタを得ることができる。
【００６５】
また、表面に電界が印加されても圧電特性が生じない方向に沿って電極を形成することで、キャパシタに交流信号が印加された際の機械的な振動の発生を抑えることができる。このキャパシタを結合容量として利用することで、復調に必要な信号を、直流成分を遮断しつつ伝達することが可能となる。
【００６６】
もちろん、第２の実施形態に従えば、前述の第１の実施形態のような外付けのキャパシタが不要となるという効果も得られる。
【００６７】
［第３の実施形態の説明：図３］
すでに説明した実施形態では、振動体１０は、脚が２つの音叉形状の場合で説明したが、もちろんこれに限定されない。脚がより多い多脚形状を有する振動体であってもかまわない。その場合を図３を用いて説明する。
【００６８】
図３は、振動体１０の形状が音叉形状ではなく、４つの脚を有する、いわゆるＨ型音叉形状の場合である。図３において、１０ｐ、１０ｑ、１０ｒ、１０ｓは脚である。１０ｄはこれら４つの脚を連結する連結部である。
【００６９】
振動体１０としては、２つの音叉が互いの根元（連結部１０ｄ）で結合した形状に加工した圧電材料を利用することも可能である。
【００７０】
一方の音叉の脚１０ｐと他方の音叉の脚１０ｒとの組が第１の振動部１１に相当し、一方の音叉の脚１０ｑと他方の音叉の脚１０ｓとの組が第２の振動部１３に相当する。図３の振動体１０のそれぞれの脚表面に電極を適宜配置して１次側信号Ｓ１１及び２次側信号Ｓ１３を取り出せるようにすることで、すでに説明した実施形態と同様に、発振及び振動伝達が可能である。
【００７１】
図３に示す第３の実施形態による振動体１０は、すでに説明した第１の実施形態による振動体１０と比べて電極面積を大きくすることができる。これにより、インピーダンスが小さくでき、より小さな電圧振幅で発振させることが可能となる。このため、入力信号の入力可能電圧範囲がより大きくとれるという効果がある。
【００７２】
以上、すでに説明した実施形態では、多脚形状を有する振動体を説明したが、さらに他の形状を有しても構わない。例えば、ＡＴカット振動子に代表される厚みすべり振動を応用した振動体でもよい。この場合は、音叉形状のような脚を有する形状と比べ、振動する部分が小さくて済むため、絶縁アンプがより小型化できるという効果がある。
いずれしても、この絶縁アンプを搭載する電子機器の形状などに合わせて振動体の形状を決めることができる。
【００７３】
以上の説明から分かるように、本発明の絶縁アンプによれば、ＡＧＣ機能によって機械的な振動振幅を制御することで、振動体のＱ値やＣＩ値などの変化に信号伝達特性が依存しない、高精度な絶縁アンプを実現することが可能になる。
【００７４】
さらに、第２の振動部を上記発振器の第１の振動部と同一材質かつ同一部材上に形成することで、固有振動数を等しくでき、周囲温度の変化などによる振動伝達比率の変化を極小にできる。
【００７５】
また、上記の実施形態は、振動体と集積回路チップを気密性パッケージに封入したものであり、従来からあるＶＣＸＯやＴＣＸＯといった水晶発振器と類似した、簡単な構成になっている。特に振動体１０に用いる水晶は、エッチングによって加工ができるため生産性が高く、物性的にも安定なため信頼性も高い。このため、例えばトランスを用いて磁気的に信号伝達をするものや、受発光素子を用いて光学的に信号伝達する他の方式の絶縁アンプと比べて高信頼性でかつ小型化、低価格化が可能である。
【００７６】
なお、振動体１０には水晶を用いるものとしたが、材質はこれに限定されない。例えば
、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムといった圧電単結晶材料なども同様に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の絶縁アンプは、周囲温度やノイズ等の外乱の影響を受けず高精度なアナログ信号を伝達可能である。このため、例えば、モーターの制御のために駆動電流を計測するシステムのアンプや、蓄電池の充放電電流を計測するシステムのアンプに好適である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  振動体
１０ａ、１０ｂ、１０ｐ、１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ  脚
１０ｃ、１０ｄ  連結部
１１  第１の振動部
１３  第２の振動部
２０  発振回路
３０  復調回路
５１  結合容量
【図１】
2013239933.tif 000003
【図２】
2013239933.tif 000004
【図３】
2013239933.tif 000005
【図４】
2013239933.tif 000006