JPH0561873B2 - - Google Patents

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JPH0561873B2
JPH0561873B2 JP59075623A JP7562384A JPH0561873B2 JP H0561873 B2 JPH0561873 B2 JP H0561873B2 JP 59075623 A JP59075623 A JP 59075623A JP 7562384 A JP7562384 A JP 7562384A JP H0561873 B2 JPH0561873 B2 JP H0561873B2
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electrostrictive
switch
voltage
circuit
pnpn
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Akira Tomono
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Priority to EP84308513A priority patent/EP0147112B1/en
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Publication of JPH0561873B2 publication Critical patent/JPH0561873B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Drive or control circuitry or methods for piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、論理制御電圧より高い電源電圧の極
性を切替えて、電歪振動装置を両方向に低電力で
大きく変位させる駆動回路に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a drive circuit that switches the polarity of a power supply voltage higher than a logic control voltage to largely displace an electrostrictive vibration device in both directions with low power.

〔従来技術〕[Prior art]

ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)など、電圧を
印加すると形状が変形する圧電材料は、薄い板状
にして、これに電極を設け何枚か張り合せ、これ
に電圧を印加することによつて駆動部品(アクチ
ユエータ)として用いることができる。
Piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT), which change shape when voltage is applied, can be made into thin plates, attached with electrodes, and then driven by applying voltage to several sheets. It can be used as a component (actuator).

第1図a〜cは、2枚張り合せたバイモルフ形
電歪振動子の従来構成を示す概略図である。第1
図aは、両側に電極を施した1対の電歪板1,2
が分極方向Aが同じになるように中央電極4を介
して接合した分極同方向構造のバイモルフ形電歪
振動子30とその駆動回路50を含み、第1図
b、第1図cは分極方向BおよびCが対向するよ
うに接合した分極対向構造のバイモルフ形電歪振
動子31とその駆動回路を含む。同図において、
3,5は電極、4は中央電極、6は電歪振動子支
持部、Eは電源である。60,61,62は、電
歪振動子の各電歪板に電圧を印加するための2端
子入力となるように電極を集束する回路であり、
駆動入力回路と呼ぶ。また、電歪振動子30,3
1と駆動入力回路0,61又は62とから成る装
置を電歪振動装置100,101又は102と呼
ぶ。
FIGS. 1a to 1c are schematic diagrams showing the conventional structure of a bimorph type electrostrictive vibrator made of two pieces laminated together. 1st
Figure a shows a pair of electrostrictive plates 1 and 2 with electrodes on both sides.
includes a bimorph type electrostrictive vibrator 30 with a same-polarization structure and its drive circuit 50, which are connected via a central electrode 4 so that the polarization directions A are the same, and FIGS. 1b and 1c show the polarization directions. It includes a bimorph type electrostrictive vibrator 31 having a polarization opposing structure in which B and C are joined so as to face each other, and a driving circuit thereof. In the same figure,
3 and 5 are electrodes, 4 is a center electrode, 6 is an electrostrictive vibrator support section, and E is a power source. 60, 61, and 62 are circuits that focus the electrodes so as to provide a two-terminal input for applying voltage to each electrostrictive plate of the electrostrictive vibrator;
It is called a drive input circuit. In addition, the electrostrictive vibrator 30, 3
1 and a drive input circuit 0, 61 or 62 is called an electrostrictive vibration device 100, 101 or 102.

まず、第1図aの動作を説明する。電源Eによ
つて、電極3,5及び中央電極4に電圧が加えら
れると、電界は電極3から中央電極4へ、電極5
から中央電極4へと発生する。このため電歪板1
では電界が分極方向Aと同方向に加えられ、電歪
板1の内部には矢印Dのように縮もうとする応力
が発生する。一方電歪板2では電界が分極方向A
と逆の方向に加えられるため、電歪板2の内部に
は矢印Eのように伸びようとする応力が発生す
る。電歪板1,2の内部に発生するそれぞれの応
力によつて電歪振動子30の先端は、支持部6を
支点として矢印Fのように上に変位する。次に、
スイツチSWを逆に投入し回路を短絡すると電荷
は放電するため30は復旧する。
First, the operation shown in FIG. 1a will be explained. When a voltage is applied to the electrodes 3, 5 and the center electrode 4 by the power source E, an electric field is applied from the electrode 3 to the center electrode 4, and from the electrode 5 to the center electrode 4.
is generated from the central electrode 4. Therefore, electrostrictive plate 1
Then, an electric field is applied in the same direction as the polarization direction A, and a stress that tends to contract as shown by arrow D is generated inside the electrostrictive plate 1. On the other hand, in the electrostrictive plate 2, the electric field is in the polarization direction A.
Since the stress is applied in the opposite direction, a stress that tends to expand as shown by arrow E is generated inside the electrostrictive plate 2. Due to the respective stresses generated inside the electrostrictive plates 1 and 2, the tip of the electrostrictive vibrator 30 is displaced upward in the direction of arrow F using the support portion 6 as a fulcrum. next,
If the switch SW is reversely turned on and the circuit is shorted, the charge will be discharged and 30 will be restored.

第1図bの動作も同様に説明される。すなわ
ち、図のように電圧を印加すると、電歪板1は縮
み、電歪板2′は伸びるため電歪振動子31の先
端は矢印Gのように上に変位する。
The operation of FIG. 1b is similarly explained. That is, when a voltage is applied as shown in the figure, the electrostrictive plate 1 contracts and the electrostrictive plate 2' expands, so that the tip of the electrostrictive vibrator 31 is displaced upward as indicated by arrow G.

第1図a,bとも、1つの電源で、1対の電歪
板のそれぞれに電界を加え応力を発生させる点で
効率的な回路と言えるが、動作変位量を増すため
に電圧を上昇させる場合に大きな欠点がある。す
なわち、電歪板1,2および2′は、分極方向と
同じ方向に電圧を印加した場合には、電圧を上げ
ても絶縁破壊を生じない限り、分極特性が劣化s
ることはないが、分極方向と逆の方向に電圧を印
加した場合には、絶縁破壊電圧より低い所定の電
圧で分極特性が劣化し減極する(このときの電圧
を分極劣化電圧と呼ぶ)。さらに、電圧を上げる
と分極は破壊し、電歪効果は失なわれる欠点があ
る。従つて、電源Eの電圧vは逆バイアスされた
電歪板の分極特性が化しない条件で上限が制限さ
れるため、第1図a,bの構成では変位量を大き
くすることが困難であつた。
Both Figures 1a and 1b can be said to be efficient circuits in that a single power supply applies an electric field to each of a pair of electrostrictive plates to generate stress, but the voltage is increased to increase the amount of operating displacement. There is a big drawback in this case. That is, when a voltage is applied to the electrostrictive plates 1, 2, and 2' in the same direction as the polarization direction, the polarization characteristics will deteriorate unless dielectric breakdown occurs even if the voltage is increased.
However, if a voltage is applied in the opposite direction to the polarization direction, the polarization characteristics deteriorate and depolarize at a predetermined voltage lower than the dielectric breakdown voltage (this voltage is called the polarization deterioration voltage). . Furthermore, when the voltage is increased, the polarization is destroyed and the electrostrictive effect is lost. Therefore, since the upper limit of the voltage v of the power source E is limited under the condition that the polarization characteristics of the reverse biased electrostrictive plate do not change, it is difficult to increase the amount of displacement in the configurations shown in Fig. 1 a and b. Ta.

第1図cは、高い電圧が印加できるように改良
された回路構成である。この回路は1対のダイオ
ードD1,D2のアノード同志を結合し、この結
合点を中央電極4に接続し、各カソードを電極
3,5にそれぞれ接続したものである。動作を説
明する。充電電流は矢印I1のように流れ、電歪
板1は図のように帯電する。この帯電によつて生
ずる電界の方向は分極方向Hと同じである。一
方、電流は電歪板2′には流れないため、この電
歪板2′は帯電せず、従つて電界は加わらない。
このため、この電歪振動装置102には電歪板1
が絶縁破壊を起さない範囲で高電圧を印加でき、
従つて大きな変位量が得られるというものであ
る。しかし、この構成では、電歪板2′は変位に
全く寄与しないばかりでなく、バネ性のため電歪
板1の変位力を防げる欠点があつた。
FIG. 1c shows a circuit configuration improved so that a high voltage can be applied. In this circuit, the anodes of a pair of diodes D1 and D2 are coupled together, this coupling point is connected to the central electrode 4, and each cathode is connected to the electrodes 3 and 5, respectively. Explain the operation. The charging current flows as indicated by the arrow I1, and the electrostrictive plate 1 is charged as shown in the figure. The direction of the electric field generated by this charging is the same as the polarization direction H. On the other hand, since no current flows through the electrostrictive plate 2', the electrostrictive plate 2' is not charged and therefore no electric field is applied to it.
Therefore, this electrostrictive vibration device 102 has an electrostrictive plate 1
high voltage can be applied within a range that does not cause dielectric breakdown,
Therefore, a large amount of displacement can be obtained. However, in this configuration, the electrostrictive plate 2' not only does not contribute to displacement at all, but also has the drawback that the displacing force of the electrostrictive plate 1 can be prevented due to its spring property.

次に、電歪振動子は一般にヒステリシス特性が
あるために、第1図a〜cに示す従来例のように
1方向のみの電圧を印加した場合には、復旧の
際、電荷を放電しても、変位が完全に戻らないこ
とがあり、このため実質的な変位量が減る欠点も
あつた。これを解決し、逆に変位させることで大
きな変位を得るために、第2図に示すように電源
回路と電歪振動装置100との間に極性切替スイ
ツチ70を設け、電源電圧を切替る方式が考えら
れている。
Next, since electrostrictive vibrators generally have hysteresis characteristics, when a voltage is applied in only one direction as in the conventional example shown in Figure 1 a to c, the charge is discharged upon recovery. However, the displacement may not return completely, which has the disadvantage that the actual amount of displacement decreases. In order to solve this problem and obtain a large displacement by displacing it in the opposite direction, a polarity switching switch 70 is provided between the power supply circuit and the electrostrictive vibration device 100 as shown in FIG. 2, and the power supply voltage is switched. is considered.

極性を切替えるための回路部品としては、電圧
が高い場合、従来、電磁リレー、トランジスタな
どが考えられるが、これらはいずれも電流によつ
て制御され消費電力が増大するため、電歪振動装
置の駆動には適さない欠点があつた。すなわち、
電歪振動装置そのものは極めて低電力で動作する
にもかかわらず、従来の切替回路では、その状態
を保持するために大きな電力を消費するため、結
局、低電力駆動が困難となつていた。
When the voltage is high, conventional circuit components for switching polarity include electromagnetic relays and transistors, but these are all controlled by current and increase power consumption, so they are difficult to drive electrostrictive vibration devices. It had some drawbacks that made it unsuitable. That is,
Although the electrostrictive vibrator itself operates with extremely low power, conventional switching circuits consume a large amount of power to maintain the state, making it difficult to drive with low power.

また、第2図の回路では、極性切替の際、充電
されていた電荷を電源を用いてキヤンセルする必
要があるため、無駄な電力が消費される欠点があ
る。すなわち、第2図において電歪振動装置10
0の静電容量をC、変位させるときの電圧をVと
すると電歪振動装置100に蓄えられるエネルギ
ーは1/2CV2である。この状態から極性切替スイ
ツチ70を切替えて逆に変位させる場合、電源E
は電歪振動装置100に帯電した電荷を打ち消す
ように逆の電荷を供給し、さらに逆に帯電させる
必要があるため、必要なエネルギーはCV2であ
る。従つて繰り返しの動作では1周期当り2CV2
のエネルギーが必要である。このように、従来の
駆動回路では、帯電した電荷を電源Eの電荷でキ
ヤンセルする必要があるため消費電力が増大し、
また動作毎に放電と充電を電源から行うため時定
数が長くなり動作が遅くなる欠点があつた。
Furthermore, the circuit shown in FIG. 2 has the disadvantage that it wastes power because it is necessary to cancel the stored charge using a power source when switching the polarity. That is, in FIG.
If the capacitance at 0 is C and the voltage at the time of displacement is V, the energy stored in the electrostrictive vibration device 100 is 1/2CV 2 . When changing the polarity switch 70 from this state to reverse displacement, the power source E
Since it is necessary to supply an opposite electric charge to the electrostrictive vibration device 100 so as to cancel out the electric charge charged thereon, and to further charge the electrostrictive vibration device 100 in the opposite direction, the required energy is CV2 . Therefore, in repetitive operation, 2CV 2 per cycle
energy is required. In this way, in conventional drive circuits, it is necessary to cancel the charged charges with the charges from the power source E, which increases power consumption.
In addition, since discharging and charging are performed from the power source each time the device is operated, the time constant becomes long, resulting in slow operation.

第3図は、数10〜数100枚の電歪板8aを、分
極方向が交互になるように接合した積層形電歪振
動子32を利用した積層形電歪振動装置103の
概略構成図である。駆動端子81に正、駆動端子
82に負の電圧を印加すると各電歪板80には分
極方向に電圧が加わり厚さ方向に膨張する。1枚
の電歪板の厚さの増加は僅かであるが、積層形に
することによつて、数10〜100μm程度の変位が得
られる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a laminated electrostrictive vibrator 103 that uses a laminated electrostrictive vibrator 32 in which several tens to hundreds of electrostrictive plates 8a are joined so that their polarization directions are alternate. be. When a positive voltage is applied to the drive terminal 81 and a negative voltage is applied to the drive terminal 82, a voltage is applied to each electrostrictive plate 80 in the polarization direction and expands in the thickness direction. Although the increase in the thickness of a single electrostrictive plate is small, by making it a laminated plate, a displacement of about several tens to 100 μm can be obtained.

積層形では、各電歪板80には同じ方向に電圧
が印加されるため、分極方向と同方向(矢印Iの
方向)には高電圧を印加し、変位を大きくするこ
とが多い。しかし、高電圧を印加すると、バイモ
ルフ形の場合と同様、ヒステリシスの影響も大き
くなる。
In the laminated type, voltage is applied to each electrostrictive plate 80 in the same direction, so a high voltage is often applied in the same direction as the polarization direction (direction of arrow I) to increase displacement. However, when a high voltage is applied, the effect of hysteresis increases as in the case of the bimorph type.

第4図は、印加電圧変位量特性例を示す図であ
る。1方向のみの電圧を印加するとヒステリシス
のため変位量は減少する。これを防止するために
は、電源の極性を切替え、第4図の太い実線のよ
うに、逆に変位させればよい。しかし、高電圧を
そのまま切替えた場合、各電極板には分極方向と
逆の方向に高電圧が印加されることになり、分極
が破壊することになる。従つて、逆方向に電圧を
切替える場合には、電源電圧を分極劣化電圧以下
に下げる必要があるが、従来このような回路は明
らかではなかつた。
FIG. 4 is a diagram showing an example of applied voltage displacement characteristics. When voltage is applied in only one direction, the amount of displacement decreases due to hysteresis. In order to prevent this, the polarity of the power source may be changed and the polarity may be reversed as shown by the thick solid line in FIG. However, if the high voltage is switched as is, the high voltage will be applied to each electrode plate in the opposite direction to the polarization direction, and the polarization will be destroyed. Therefore, when switching the voltage in the opposite direction, it is necessary to lower the power supply voltage below the polarization deterioration voltage, but such a circuit has not been known so far.

以上、まとめると 従来、電歪振動子を大きく変化させるために
必要な高電圧を印加できる効率の良い駆動入力
回路が実現されていない。
To summarize the above, until now, an efficient drive input circuit that can apply the high voltage necessary to significantly change the electrostrictive vibrator has not been realized.

高電圧を低電力で切替えることができ、ま
た、必要に応じて極性によつて電圧を変化させ
ることができ切替えた状態を低電力で保持でき
る容量性負荷電圧切替回路が実現されていな
い。
A capacitive load voltage switching circuit that can switch high voltage with low power, change the voltage depending on polarity as necessary, and maintain the switched state with low power has not been realized.

などの問題があつた。このため、従来の電歪振動
子は単位長さ当りの変位量が小さく、これを補お
うとする場合形状が大きくなる欠点があつた。ま
た、形状が大きくなると動作が遅く、高価にな
り、さらに壊れやすくなる欠点がある。電歪振動
子は小形、低電力なアクチユエータとして期待さ
れながらも、上記の欠点などのために普及が阻ま
れてきた。特に、貨幣処理装置、リレー、光スイ
ツチなどには変位量が十でなかつたため実用は困
難とされてきた。
There were problems such as. For this reason, the conventional electrostrictive vibrator has a drawback that the amount of displacement per unit length is small, and if an attempt is made to compensate for this, the shape becomes large. In addition, the larger the size, the slower the operation, the higher the cost, and the more easily broken. Although electrostrictive vibrators are expected to be small, low-power actuators, their widespread use has been hindered by the drawbacks mentioned above. In particular, it has been considered difficult to put it into practical use in money handling devices, relays, optical switches, etc. because the amount of displacement is not sufficient.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は上記欠点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、電歪振動子を低電力で大きく変
位させることのできる電歪振動装置駆動回路を提
供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks, and an object of the present invention is to provide an electrostrictive vibrator drive circuit that can largely displace an electrostrictive vibrator with low power.

かかる目的を達成するために、本発明は両側に
電極を設けた強誘電体電歪板を2つ以上重ねて形
成した電歪振動子と、2つの駆動端子をもつ駆動
入力回路とから成る電歪振動装置に、電源回路か
ら極性を切替えて電圧を印加し、この電歪振動装
置に充電されていた電荷を放電した後、逆に充電
することによつて前記電歪振動子を前の状態とは
逆に変位させる駆動回路において、極性を切替え
るために、論理制御電圧より高い電源電圧をオン
オフでき、制御電流のパルス通電又は制御電圧の
印加によつてスイツチのオン状態を電力をほとん
ど消費することなく保持できるPNPN素子構造
又はFET素子構造の半導体スイツチ4つをブリ
ツジ形に接続し、ブリツジの中の平行スイツチ2
つと斜スイツチ2つの駆動論理を反転させて駆動
することによつて、平行又は斜のスイツチ回路の
一方がオンの際、他方はオフとなるように制御す
るものである。
In order to achieve such an object, the present invention provides an electrostrictive vibrator comprising an electrostrictive vibrator formed by stacking two or more ferroelectric electrostrictive plates each having electrodes on both sides, and a drive input circuit having two drive terminals. The electrostrictive vibrator is returned to its previous state by applying a voltage to the strain vibrating device by switching the polarity from the power supply circuit, discharging the electric charge stored in the electrostrictive vibrating device, and then recharging the electrostrictive vibrating device. In a drive circuit that displaces the switch in the opposite direction, a power supply voltage higher than the logic control voltage can be turned on and off in order to switch the polarity, and the ON state of the switch can be turned on or off by pulsing the control current or applying the control voltage, consuming almost no power. Connect four semiconductor switches of PNPN element structure or FET element structure that can be held without moving in a bridge shape, and connect two parallel switches in the bridge.
By inverting the drive logic of the two parallel and diagonal switches and driving them, when one of the parallel or diagonal switch circuits is on, the other is controlled to be off.

以下、実施例とともに本発明を詳細に説明す
る。
The present invention will be described in detail below along with examples.

〔実施例〕〔Example〕

第5図は、本発明の基本思想を示す回路図であ
り、PNPNスイツチ(サイリスタ)ホトカプラ
を用いた極性切替スイツチ回路を含む。同図にお
いて、PN1〜PN4はPNPNスイツチであり、
ブリツジ回路71を形成している。すなわち、ア
ノード同志が共通に接続された1組のPNPNス
イツチPN1,PN3の共通接続端子K1を直流
電源回路の陽極に、カソード同志が共通に接続さ
れた1組のPNPNスイツチPN2,PN4の共通
接続端子K2を直流電源回路の陰極に接続し、
PNPNスイツチPN1のカソードとPNPNスイツ
チPN4のアノードとを接続し、電歪振動装置1
00の一方の駆動端子に、PNPNスイツチPN3
のカソードとPNPNスイツチPN2のアノードと
を接続し、電歪振動装置の他方の駆動端子に接続
してある。ZD5は定電圧ダイオードで、直流電
源Eの電圧vよりわずかに高い電圧で動作する特
性のものである。CRD1,CRD2は定電流ダイ
オード、C1,CAはコンデンサ、R11,R12は抵抗
である。また、電歪振動装置100は第1図aで
示したものと同じものであるが、その他第1図
b,cあるいは第3図に示したものや、後述する
電歪振動装置であつてもよい。
FIG. 5 is a circuit diagram showing the basic idea of the present invention, including a polarity changeover switch circuit using a PNPN switch (thyristor) photocoupler. In the same figure, PN1 to PN4 are PNPN switches,
A bridge circuit 71 is formed. That is, the common connection terminal K1 of a set of PNPN switches PN1 and PN3, whose anodes are commonly connected, is the anode of the DC power supply circuit, and the common connection terminal K1 of a set of PNPN switches PN2, PN4, whose cathodes are commonly connected, is connected to the anode of the DC power supply circuit. Connect terminal K2 to the cathode of the DC power supply circuit,
Connect the cathode of PNPN switch PN1 and the anode of PNPN switch PN4, and
Connect PNPN switch PN3 to one drive terminal of 00.
The cathode of the PNPN switch PN2 is connected to the anode of the PNPN switch PN2, and is connected to the other drive terminal of the electrostrictive vibration device. ZD5 is a constant voltage diode, which has the characteristic of operating at a voltage slightly higher than the voltage v of the DC power supply E. CRD1 and CRD2 are constant current diodes, C 1 and CA are capacitors, and R 11 and R 12 are resistors. Further, although the electrostrictive vibrating device 100 is the same as that shown in FIG. 1a, other electrostrictive vibrating devices such as those shown in FIG. good.

LED1〜LED4は、それぞれPNPNスイツチ
PN1〜PN4を照射し点弧させるための発光ダ
イオード、SW12,SW34はそれぞれFET,
MOS,CMOSなどの素子構造をもつ制御電力を
必要としないスイツチ、INVは論理入力レベル
を反転するインバータ、RHは高抵抗、SW5は切
替制御スイツチ、PULは第6図の波形図に示す
ように、論理制御電圧Egの電圧をオン、オフし、
間欠的なパルス電圧を繰り返して発生するパルス
発振回路であり、これらによつて論理制御回路7
2が構成されている。
LED1 to LED4 are each PNPN switch
Light emitting diodes for irradiating and igniting PN1 to PN4, SW12 and SW34 are FETs, respectively.
A switch that does not require control power and has an element structure such as MOS or CMOS, INV is an inverter that inverts the logic input level, R H is a high resistance, SW5 is a changeover control switch, and PUL is as shown in the waveform diagram in Figure 6. , turn on and off the voltage of the logic control voltage Eg,
This is a pulse oscillation circuit that repeatedly generates intermittent pulse voltages, and by these, the logic control circuit 7
2 are configured.

次に、動作を説明する。電源スイツチSWの投
入によつてコンデンサC1には、定電流ダイオー
ドCRD1を介して定電流が供給され充電される。
また、パルス発振回路PULは発振を開始する。
切替制御スイツチSW5が図のような場合、スイ
ツチSW12はオン状態、一方スイツチSW34
はオフ状態となり、発光ダイオードLED1及び
LED2のみが、パルス発振回路PULの発生する
パルス間欠電圧によつて駆動され発光する。
PNPNスイツチPN1及びPN2は最初のパルス
光を受光するとオンするため、電歪振動装置10
0には、定電流ダイオードCRD2を介して定電
流が流れる。電流が流れ始めると、PNPN素子
構造のスイツチPN1、及びPN2は、自己保持
機能のためのパルス光が去つた後でも、電歪振動
装置100が充電されるまで通電を継続する。電
歪振動装置100が充電され電流が流れなくなる
とPNPNスイツチPN1及びPN2は復旧する。
このように、本来1つのパルスで電歪振動装置1
00を駆動することも可能であるが、以下の理由
で連続パルス駆動が望ましい。すなわち、電歪振
動子にはヒステリシス特性があるため、静電容量
が動作中に変化することがある。このため1回の
パルス電歪振動装置100に十分な電荷を供給で
きず電源電圧に見合つた変位が得られない場合が
ある。また、電歪振動子の電極端部にはわずかな
がらリークが存在するため、十分に充電しても、
長い間には放電し、変位が戻つてしまうことがあ
る。特に、電極端部の絶縁処理が製造時に十分な
されていない振動子では湿度が高くなるとこの影
響が大きくなる。これを解決するため本実施例で
は、パルス発振回路PULによりパルス電流を連
続的に通電するようにしている。
Next, the operation will be explained. When the power switch SW is turned on, a constant current is supplied to the capacitor C1 via the constant current diode CRD1, and the capacitor C1 is charged.
Further, the pulse oscillation circuit PUL starts oscillating.
When the changeover control switch SW5 is as shown in the figure, the switch SW12 is in the on state, while the switch SW34 is in the on state.
is in the off state, and the light emitting diodes LED1 and
Only the LED 2 is driven by the intermittent pulse voltage generated by the pulse oscillation circuit PUL to emit light.
Since the PNPN switches PN1 and PN2 are turned on when receiving the first pulsed light, the electrostrictive vibrator 10
0, a constant current flows through the constant current diode CRD2. When the current begins to flow, the switches PN1 and PN2 having the PNPN element structure continue to be energized until the electrostrictive vibrator 100 is charged even after the pulsed light for the self-holding function has left. When the electrostrictive vibration device 100 is charged and current stops flowing, the PNPN switches PN1 and PN2 are restored.
In this way, the electrostrictive vibrator 1 is originally
Although it is possible to drive 00, continuous pulse driving is preferable for the following reasons. That is, since the electrostrictive vibrator has hysteresis characteristics, the capacitance may change during operation. For this reason, sufficient charge may not be supplied to the pulse electrostrictive vibration device 100 at one time, and a displacement commensurate with the power supply voltage may not be obtained. In addition, there is a slight leak at the electrode end of the electrostrictive vibrator, so even if it is fully charged,
Over a long period of time, discharge may occur and the displacement may return. In particular, in vibrators whose electrode ends are not sufficiently insulated at the time of manufacture, this effect increases as humidity increases. In order to solve this problem, in this embodiment, the pulse oscillation circuit PUL continuously supplies a pulse current.

パルスの間隔τ2については、制御電力を小さく
するためには、長い方が望ましいが、長くなり過
ぎると前記の理由で、変位の微少な戻りが生じる
ため、変位した側でパルス間隔に同期した微少な
振動が発生する。これを防止するためには100ms
以下が望ましい。
Regarding the pulse interval τ 2 , it is preferable to make it longer in order to reduce the control power, but if it becomes too long, a slight return of displacement will occur for the reason mentioned above, so it is necessary to synchronize with the pulse interval on the displaced side. A slight vibration occurs. 100ms to prevent this
The following are desirable.

一方、パルス幅を短かくすると、微少振動もな
くなり高速の繰り返し動作にも適するが、充電の
時定数より短かい場合、スイツチSW5を高速で
切替えると、平行に接続されたPNPNスイツチ
PN1,PN2が充電電流によつてオン状態に保
持されている間に、斜に接続されたPNPNスイ
ツチPN3,PN4が駆動されることが起きるた
めブリツジ回路は短絡することがある。これを防
止するためには0.5ms以上が望ましい。このよう
に、パルス幅としては結局0.5ms〜100msが望ま
しい。
On the other hand, if the pulse width is shortened, there will be no minute vibrations and it is suitable for high-speed repetitive operation, but if the pulse width is shorter than the charging time constant, switching switch SW5 at high speed will cause the PNPN switch connected in parallel to
While PN1 and PN2 are held on by the charging current, the diagonally connected PNPN switches PN3 and PN4 may be driven, so that the bridge circuit may be short-circuited. To prevent this, 0.5ms or more is desirable. In this way, the pulse width is preferably 0.5 ms to 100 ms.

パルス幅についてはPNPNスイツチの感度に
よつて決めるが、数10μsで十分である。従つてデ
ユーテイは1/50〜1/10000となり、電歪振動
子を保持するための制御電力は極めて小さくでき
る。
The pulse width is determined by the sensitivity of the PNPN switch, but several tens of microseconds is sufficient. Therefore, the duty is 1/50 to 1/10000, and the control power for holding the electrostrictive vibrator can be extremely small.

次に、一点鎖線で囲まれた平滑回路について説
明する。パルス幅を長くすると振動子が変位側で
微少に変位し、これを防止するためには、パルス
幅を許容値以下に短かくする必要があることを述
べたが、微少振動を防止する他の手段として、電
歪振動装置100とブリツジ回路71との間に平
滑回路を設ける方法が考えられる。平滑回路はコ
ンデンサCAと抵抗RA又はコンデンサCAと双方向
定電流ダイオードCRD−Aで構成できる。この
原理は、電歪振動装置100に充電する際、コン
デンサCAにも同時に充電し、電歪振動装置10
0の静電容量の変化、リークなどによつて低下し
た充電電圧をコンデンサCAから電荷を供給して
補なうものである。
Next, the smoothing circuit surrounded by the dashed line will be explained. As mentioned above, when the pulse width is increased, the vibrator is slightly displaced on the displacement side, and in order to prevent this, it is necessary to shorten the pulse width to a permissible value or less. As a means, a method of providing a smoothing circuit between the electrostrictive vibration device 100 and the bridge circuit 71 can be considered. The smoothing circuit can be composed of a capacitor C A and a resistor R A or a capacitor C A and a bidirectional constant current diode CRD-A. This principle is that when charging the electrostrictive vibrator 100, the capacitor C A is also charged at the same time, and the electrostrictive vibrator 100 is charged.
This is to supply charge from the capacitor C A to compensate for the charging voltage that has decreased due to changes in the capacitance of the capacitor, leakage, etc.

次に、定電流ダイオードCRD1及びCRD2の
作用について述べる。定電流ダイオードCRD1
はコンデンサC1の充電回路に、定電流ダイオー
ドCRD2は電歪振動装置の充電回路にそれぞれ
用いられた定電流回路である。これらは、いずれ
も抵抗R3,R4に置き換えることができるが抵
抗より良い点について述べる。第7図aないしf
はこれを説明する図である。第7図aに示すよう
に抵抗を介して充電した場合には、最初は大きな
電流が流れ(同図b)、電圧の立上りも速い(同
図c)。従つて、振動子の動作も速いが、充電と
ともに、電流値は指数関数的に急速に低下するた
め電圧の上昇も遅くなり、振動子は変位の大きな
最も重要なところで動作が遅くなる欠点がある。
Next, the action of constant current diodes CRD1 and CRD2 will be described. Constant current diode CRD1
is a constant current circuit used in the charging circuit of the capacitor C1, and the constant current diode CRD2 is used in the charging circuit of the electrostrictive vibration device. Both of these can be replaced with resistors R3 and R4, but we will discuss their advantages over resistors. Figure 7 a to f
is a diagram explaining this. When charging is performed through a resistor as shown in FIG. 7a, a large current initially flows (FIG. 7b) and the voltage rises quickly (FIG. 7c). Therefore, the vibrator operates quickly, but as it charges, the current value rapidly decreases exponentially, so the voltage rise also slows down, and the vibrator has the disadvantage that it operates slowly at the most important points where the displacement is large. .

一方、第7図dに示すように定電流ダイオード
CRDを用いて充電した場合には、容量Cで示し
た電歪振動装置には充電が進んでも最初とほぼ同
じ電流が流れ続け(同図e)、電圧は最初とほぼ
同じ勾配で上昇するため(同図f)、振動子は動
作の際、速度の変化が少なくかつ速い特徴があ
る。
On the other hand, as shown in Figure 7d, the constant current diode
When charging using a CRD, almost the same current as at the beginning continues to flow through the electrostrictive oscillator indicated by the capacity C even as charging progresses (e in the same figure), and the voltage rises at almost the same slope as at the beginning. (F in the same figure), the vibrator is characterized by small and fast speed changes during operation.

以上充電と保持の動作について述べたが、次に
スイツチの切替動作と、定電圧ダイオードZD5
の作用について説明する。スイツチSW5を接地
レベル(GND)に切替えるとスイツチSW34
はオンし、スイツチSW12はオフに切替わるた
め、発光ダイオードLED1及びLED2は発光を
停止し、光ダイオードLED3及びLED4はパル
ス発振回路PULから供給される次のパルス電流
によつて発光する。このためPNPNスイツチPN
3,PN4は点弧する。なお、PNPNスイツチN
1,PN2はパルス発振回路PULのパルス周期が
電歪振動装置100の充電時定数より長い場合、
前述のようにPNPNスイツチPN3及びPN4が
点弧される時にはオフ状態となつている。
PNPNスイツチPN3,PN4が点弧されると、
電歪振動装置100に充電されていた電荷は、
PNPNスイツチPN4、定電圧ダイオードZD5
(順方向)、PNPNスイツチPN3の経路で放電さ
れ、続いてコンデンサC1および電源Eから充電
電流が定電流ダイオードCRD2、PNPNスイツ
チPN3、電歪振動装置100、PNPNスイツチ
PN4の経路で流れ電歪振動装置は充電される。
このように、切替えの際、電歪振動装置に充電さ
れていた電荷を打ち消すために、定電圧ダイオー
ドZD5の順方向特性を用いることによつて無駄
な電力の消費を少なくすることができる。第8図
は、これを詳細に示すため、第5図の電源回路か
ら流れる電流を図示したものである。なお簡単の
ためここでは一点鎖線の平滑回路は省略してあ
る。定電圧ダイオードZD5がない場合を第8図
a,b、定電圧ダイオードZD5をつけた場合を
第8図c,dに示す。このように、定電圧ダイオ
ードZD5をつけた場合、第8図bの斜線で示す
放電のため電流が不要になるため無駄な電力は省
略される。また、定電圧ダイオードZD5をつけ
ることによつて充電時間がT1からT2に短かくな
り、従つて動作が速くなる利点もある。
The charging and holding operations have been described above, but next we will discuss the switching operations of the switch and the constant voltage diode ZD5.
The effect of this will be explained. When switch SW5 is switched to ground level (GND), switch SW34
is turned on and the switch SW12 is turned off, so that the light emitting diodes LED1 and LED2 stop emitting light, and the photodiodes LED3 and LED4 emit light by the next pulse current supplied from the pulse oscillation circuit PUL. For this reason, PNPN switch PN
3. PN4 fires. In addition, PNPN switch N
1. PN2 is when the pulse period of the pulse oscillation circuit PUL is longer than the charging time constant of the electrostrictive vibration device 100,
As mentioned above, when the PNPN switches PN3 and PN4 are turned on, they are in the off state.
When PNPN switches PN3 and PN4 are turned on,
The electric charge charged in the electrostrictive vibration device 100 is
PNPN switch PN4, constant voltage diode ZD5
(forward direction), the charging current is discharged through the path of the PNPN switch PN3, and then the charging current is transferred from the capacitor C1 and the power source E to the constant current diode CRD2, the PNPN switch PN3, the electrostrictive vibrator 100, and the PNPN switch.
The current electrostrictive vibration device is charged through the path of PN4.
In this manner, by using the forward characteristics of the constant voltage diode ZD5 to cancel out the charge that has been charged in the electrostrictive oscillation device at the time of switching, unnecessary power consumption can be reduced. FIG. 8 illustrates the current flowing from the power supply circuit of FIG. 5 in order to show this in detail. For simplicity, the smoothing circuit indicated by the dashed line is omitted here. The case where the constant voltage diode ZD5 is not provided is shown in FIGS. 8a and 8b, and the case where the constant voltage diode ZD5 is provided is shown in FIGS. 8c and d. In this way, when the constant voltage diode ZD5 is provided, no electric current is required due to the discharge shown by the diagonal lines in FIG. 8b, so that unnecessary power is omitted. Also, by adding the constant voltage diode ZD5, the charging time is shortened from T1 to T2 , which has the advantage of speeding up the operation.

以上の説明では、定電圧ダイオードZD5は順
方向特性のみが必要である。従つて、この替りに
ダイオードを用いてもよい。なお、ここで定電圧
ダイオードとした理由は、電源電圧を越えたサー
ジ電圧が侵入したときこれを吸収できる利点があ
るためである。
In the above description, the constant voltage diode ZD5 only needs to have forward characteristics. Therefore, a diode may be used instead. Note that the reason for using a constant voltage diode here is that it has the advantage of being able to absorb surge voltage exceeding the power supply voltage when it enters.

なお、第5図において、K1,K2端子に並列
にブリツジ回路71と同じ回路を接続することに
よつて、1つの電源を用いて複数の電歪振動装置
を動作させることができる。
In addition, in FIG. 5, by connecting the same circuit as the bridge circuit 71 in parallel to the K1 and K2 terminals, it is possible to operate a plurality of electrostrictive vibration devices using one power source.

第9図はホトカプラPNPNスイツチブリツジ
回路71を用いた2×2マトリツクス駆動回路の
実施例を示す回路図である。なお、パルス発振回
路PULのデユーテイを電歪振動子が微少振動し
ない範囲にすることを前提に、同図では微少振動
防止回路は省略してある。交叉点11を動作する
場合を例にとり簡単に説明する。
FIG. 9 is a circuit diagram showing an embodiment of a 2×2 matrix drive circuit using a photocoupler PNPN switch bridge circuit 71. Note that the minute vibration prevention circuit is omitted in the figure on the premise that the duty of the pulse oscillation circuit PUL is set within a range in which the electrostrictive vibrator does not vibrate minutely. A case in which the intersection point 11 is operated will be briefly explained as an example.

入力端子IN11に論理制御電圧を印加すると、
発光ダイオードLED1とLED2又は発光ダイオ
ードLED3とLED4のいずれかにパルス電流が
流れるため、対応するPNPNスイツチが点弧し、
電歪振動装置100Aが動作する。他の交叉点に
ついても同様である。
When a logic control voltage is applied to input terminal IN11,
Since a pulse current flows through either the light emitting diodes LED1 and LED2 or the light emitting diodes LED3 and LED4, the corresponding PNPN switch is fired,
The electrostrictive vibration device 100A operates. The same applies to other intersection points.

次に、本発明の実施例を説明する。第5図で
は、ホトカプラを用いてPNPNスイツチのゲー
トと論理制御回路とを分離する方法を説明した
が、PN逆接合を用いて分離することもできる。
第10図は、電流駆動形のPNPNスイツチを用
い、ゲート回路と論理制御回路をトランジスタの
PN逆接合を用いて分離する実施例を示す回路図
である。同図において、PN1′,PN3′はNゲ
ートPNPNスイツチ(サイリスタ)、PN2,PN
4はPゲートPNPNスイツチ(サイリスタ)、
RGA,RGKはそれぞれゲート・アノード抵抗、ゲ
ート・カソード抵抗である。また、Tr12,Tr
34はNPNトランジスタである。なお、本実施
例は、第5図に示す実施例と基本的構成について
は同じであるので、その相違点を中心に説明す
る。
Next, examples of the present invention will be described. In FIG. 5, a method of separating the gate of the PNPN switch and the logic control circuit using a photocoupler has been explained, but the separation can also be performed using a PN reverse junction.
Figure 10 uses a current-driven PNPN switch to connect the gate circuit and logic control circuit to transistors.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of separation using a PN reverse junction. In the same figure, PN1' and PN3' are N gate PNPN switches (thyristors), PN2, PN
4 is P gate PNPN switch (thyristor),
R GA and R GK are gate/anode resistance and gate/cathode resistance, respectively. Also, Tr12, Tr
34 is an NPN transistor. This embodiment has the same basic configuration as the embodiment shown in FIG. 5, so the explanation will focus on the differences.

PNPNスイツチPN1′はNゲートにゲート電
流IG1を通電することによつて点弧する。このゲ
ート電流は、論理制御電圧Egで動作する論理制
御回路73で制御するが、PNPNスイツチPN
1′のアノード、ゲートには電源Eの電圧vが印
加されているため、ゲート回路を論理制御回路7
3から分離して、ゲート電流だけを流せるように
する必要がある。本実施例では、NPNトランジ
スタのPN逆接合で分離されている。PNPNスイ
ツチPN3′についても同様である。
The PNPN switch PN1' is fired by applying a gate current I G1 to the N gate. This gate current is controlled by a logic control circuit 73 that operates with a logic control voltage Eg.
Since the voltage v of the power supply E is applied to the anode and gate of 1', the gate circuit is connected to the logic control circuit 7.
It is necessary to separate it from 3 so that only the gate current can flow. In this embodiment, they are separated by a PN reverse junction of an NPN transistor. The same applies to the PNPN switch PN3'.

動作を説明する。スイツチSW5が図の状態に
なりスイツチSW12がオンするとトランジスタ
Tr12にはパルス発振回路PULからベース電流
IB1が流れるため、コレクタcには増幅された電
流IG1が流れる。この電流は、PNPNスイツチPN
1′のNゲートを介して流れるためPNPNスイツ
チPN1′は点弧する。なお抵抗R8は電源IG1
適当な値に制御する抵抗である。また、PNPN
スイツチPN2のPゲートにはパルス発振回路
PULから直接ゲート電流IG2が図のように流れる
ため、PNPNスイツチPN2も点弧する。一方、
スイツチSW34はオフ状態のため、トランジス
タTr34にはベース電流は流れず従つて、電源
Eの電圧vはトランジスタTr34のPN逆接合で
阻止されている。また、PNPNスイツチPN4の
Pゲートにも電流は流れないため、電源Eの電圧
vはPNPNスイツチPN4のPN逆接合(ゲート
接合)で阻止されている。スイツチSW5を切り
替えるとPNPNスイツチPN1′,PN2はオフと
なり、PNPNスイツチPN3′,PN4が点弧す
る。その後の動作は第5図の実施例と同じであ
る。
Explain the operation. When switch SW5 becomes the state shown in the figure and switch SW12 is turned on, the transistor
Tr12 receives the base current from the pulse oscillation circuit PUL.
Since I B1 flows, an amplified current I G1 flows through collector c. This current is connected to the PNPN switch PN
Since the current flows through the N gate of PN1', the PNPN switch PN1' is turned on. Note that the resistor R8 is a resistor that controls the power source I G1 to an appropriate value. Also, PNPN
The P gate of switch PN2 has a pulse oscillation circuit.
Since the gate current I G2 flows directly from PUL as shown in the figure, the PNPN switch PN2 is also fired. on the other hand,
Since the switch SW34 is in the off state, no base current flows through the transistor Tr34, and therefore the voltage v of the power supply E is blocked by the PN reverse junction of the transistor Tr34. Furthermore, since no current flows through the P gate of the PNPN switch PN4, the voltage v of the power source E is blocked by the PN reverse junction (gate junction) of the PNPN switch PN4. When the switch SW5 is switched, the PNPN switches PN1' and PN2 are turned off, and the PNPN switches PN3' and PN4 are turned on. The subsequent operation is the same as the embodiment shown in FIG.

次に、スイツチの誤動作防止について説明す
る。PNPNスイツチには立上りの速い電圧が、
アノード・カソード間に印加されると、ゲート接
合には接合容量を介してサージ電流が流れるた
め、誤点弧する特性がある(これをdv/dt特性
と呼ぶ)。立上りの速い電圧は、主として極性切
替時に印加されるが、これによつて誤点弧する
と、ブリツジ回路74は短絡するため障害とな
る。これを防止するためには、ゲート抵抗RGK
はRGAを低くすればよいが、低くし過ぎるとゲー
ト感度が低下するため駆動電力は大きくなり省電
力化に反する。そこで、ここでは、小さな静電容
量をゲート抵抗に並列に入れる方法を第11図
a、第11図bに示す。200PF程度のコンデンサ
を用いる場合を例にとると、立上りが1MHz程度
の周波数成分に対しては約800Ωのインピーダン
スになる。ゲート抵抗RGX,RGAを5〜50KΩ程度
とすると、インビーダンスは1/10以下なるため
dv/dt耐量は向上する。またパルス幅50μs程度
で動作する場合、200PFは8KΩのインピーダン
スに相当するため、ゲート感度特性への影響は少
ない。コンデンサCGK,CGAはPNPNスイツチの
ゲート特性から決めるが、50〜500PF程度が適し
ている。また、電源電圧の立上りを鈍らせるため
の他の方法として、アノード、ゲート間に容量の
小さなコンデンサCAKを挿入してもよい。その
他、素子構造レベルで過度電流をバイパスさせる
回路を設けdv/dt耐量を上げてもよい。
Next, prevention of malfunction of the switch will be explained. The PNPN switch has a voltage that rises quickly,
When a voltage is applied between the anode and cathode, a surge current flows through the gate junction via the junction capacitance, resulting in false firing (this is called the dv/dt characteristic). A voltage with a fast rise is applied mainly during polarity switching, and if this causes false ignition, the bridge circuit 74 will be short-circuited, causing a problem. In order to prevent this, the gate resistance R GK or R GA may be lowered, but if it is lowered too much, the gate sensitivity will decrease and the driving power will increase, which is contrary to power saving. Therefore, here, a method of inserting a small capacitance in parallel with the gate resistor is shown in FIGS. 11a and 11b. For example, if a capacitor of about 200PF is used, the impedance will be about 800Ω for a frequency component with a rise of about 1MHz. If the gate resistances R GX and R GA are approximately 5 to 50KΩ, the impedance will be less than 1/10.
DV/DT resistance is improved. Furthermore, when operating with a pulse width of approximately 50 μs, 200PF corresponds to an impedance of 8KΩ, so there is little effect on gate sensitivity characteristics. Capacitors C GK and C GA are determined based on the gate characteristics of the PNPN switch, but approximately 50 to 500 PF is suitable. Furthermore, as another method for slowing the rise of the power supply voltage, a capacitor C AK with a small capacitance may be inserted between the anode and the gate. In addition, a circuit for bypassing transient current may be provided at the element structure level to increase the dv/dt tolerance.

なお、本実施例の回路部品のうち、PNPNス
イツチ、トランジスタ、ダイオード、定電流ダイ
オードはバイポーラ製造工程で作れるためIC化
が可能である。またパルス発振回路PUL、イン
バータINV、スイツチSW12,SW34は
CMOSプロセスでIC化ができる。従つて、本実
施例は2つのICで構成できる。
It should be noted that among the circuit components of this embodiment, the PNPN switch, transistor, diode, and constant current diode can be fabricated by a bipolar manufacturing process, so they can be integrated into an IC. In addition, the pulse oscillation circuit PUL, inverter INV, and switches SW12 and SW34 are
It can be made into an IC using the CMOS process. Therefore, this embodiment can be configured with two ICs.

第12図は、他の実施例を示す回路図である。
ブリツジ回路はNチヤネルFETで構成され、ゲ
ート回路75と論理制御回路76とはNチヤネル
エンハンスメント形MOSFETで分離されてい
る。FETはノーマリオン形スイツチであり、ゲ
ートに電圧を印加しない場合には数mAの定電流
が流れ、ソース電極に対して、ゲートに負の電圧
を印加するとドレイン電流は次第に制御され、数
Vの電圧でピンチオフ状態となる。FETはゲー
トに電圧を印加しない場合の定電流が数mAであ
ることから、アクチユエータの駆動用としては、
従来あまり用いられていないが、本発明では電歪
振動装置が小さな容量性負荷であるため、数mA
でも十分に使用が可能である。
FIG. 12 is a circuit diagram showing another embodiment.
The bridge circuit is composed of N-channel FETs, and the gate circuit 75 and logic control circuit 76 are separated by an N-channel enhancement type MOSFET. FET is a normally-on type switch, and when no voltage is applied to the gate, a constant current of several mA flows, and when a negative voltage is applied to the gate with respect to the source electrode, the drain current is gradually controlled, and a constant current of several mA flows. The voltage causes a pinch-off state. Since FET has a constant current of several mA when no voltage is applied to the gate, it is suitable for driving actuators.
Although it has not been used much in the past, in the present invention, the electrostrictive vibration device has a small capacitive load, so it
However, it is fully usable.

動作を説明する。NチヤネルFETは、ゲート
とソース間を数100K〜1MΩ程度の抵抗で短絡す
るものとする。スイツチSW5が同図の状態にあ
ると、Nチヤネルエンハンスメント形MOSFET
スイツチ111,112のゲートには電圧Egが
加わるため、上記スイツチは導通状態となる。こ
れによつて、NチヤネルFET121,122の
ゲートは、接地レベル、すなわちドレイン、ソー
スに対しては負のレベルになるため、これらのN
チヤネルFETはピンチオフ状態となる。一方、
FETスイツチ113,114のゲートは接地レ
ベルゆえオフ状態である。従つて、Nチヤネル
FET123,124には上記の数mAの定電流I
1が図のように流れ、電歪振動装置100は動作
する。
Explain the operation. In the N-channel FET, the gate and source are short-circuited with a resistance of several 100K to 1MΩ. When switch SW5 is in the state shown in the figure, the N-channel enhancement type MOSFET
Since voltage Eg is applied to the gates of switches 111 and 112, the switches become conductive. As a result, the gates of the N-channel FETs 121 and 122 are at the ground level, that is, a negative level with respect to the drain and source.
The channel FET is in a pinch-off state. on the other hand,
The gates of FET switches 113 and 114 are at ground level and are therefore in an off state. Therefore, N channel
The constant current I of several mA is applied to FET123 and 124.
1 flows as shown in the figure, and the electrostrictive vibration device 100 operates.

スイツチSW5を逆に投入すると、FETスイツ
チ111,112はオフ状態となるため、Nチヤ
ネルFEH121,122には定電流が流れ、一
方、FETスイツチ113,114はオン状態と
なるため、NチヤネルFET123,124はピ
ンチオフとなる。これによつてI1とは逆方向の
充電電流が流れ、電歪振動装置は逆に変位する。
When the switch SW5 is turned on in the opposite direction, the FET switches 111 and 112 are turned off, so a constant current flows through the N-channel FEHs 121 and 122. On the other hand, the FET switches 113 and 114 are turned on, so the N-channel FETs 123 and 112 are turned on. 124 is a pinch-off. As a result, a charging current flows in the direction opposite to I1, and the electrostrictive vibration device is displaced in the opposite direction.

次に、制御消費電力について述べる。同図のよ
うに電歪振動装置100に充電する際に、Nチヤ
ネルFET121,124のゲート抵抗Rhを介し
てI2,I3のようなゲート電流が流れるが、こ
の電流値はRhが500K〜1MΩの高抵抗のため極
めて小さい。また電歪振動装置100が充電され
た後には流れない。従つて、電歪振動装置が動作
した後、その状態を保持するために必要な制御電
力は零に近い。NチヤネルFET121ないし1
24は、同様の特性のNチヤネルデプレツシヨン
形MOSFETに置き換えることもできる。いずれ
もFETプロセスを用いてIC化することができる。
Next, control power consumption will be described. As shown in the figure, when charging the electrostrictive vibration device 100, gate currents such as I2 and I3 flow through the gate resistances Rh of the N-channel FETs 121 and 124, but this current value is 500K to 1MΩ. Extremely small due to high resistance. Furthermore, no current flows after the electrostrictive vibration device 100 is charged. Therefore, after the electrostrictive vibration device operates, the control power required to maintain its state is close to zero. N-channel FET121 or 1
24 can also be replaced with an N-channel depletion type MOSFET having similar characteristics. Both can be made into an IC using the FET process.

第13図は第12図のNチヤネルFET121
ないし124,FETスイツチ111ないし11
4をPチヤネルFETに置き換えた実施例である。
なお、動作は第12図の実施例と同様ゆえ説明は
省略する。
Figure 13 shows the N-channel FET121 in Figure 12.
or 124, FET switch 111 or 11
This is an example in which 4 is replaced with a P channel FET.
Note that since the operation is similar to that of the embodiment shown in FIG. 12, a description thereof will be omitted.

同様に、第14図は静電誘導形トランジスタ
SITを用いた実施例、第15図は高耐圧CMOSア
ナログスイツチを用いた実施例である。同図にお
いてSWA〜DはCMOSスイツチ、COA〜Dはゲート回
路である。
Similarly, Fig. 14 shows a static induction type transistor.
An example using SIT and FIG. 15 is an example using a high voltage CMOS analog switch. In the figure, SW A to D are CMOS switches, and CO A to D are gate circuits.

次に本発明の駆動回路により駆動される電歪振
動装置の実施例を説明する。
Next, an embodiment of an electrostrictive vibration device driven by the drive circuit of the present invention will be described.

第16図は、電歪振動子30を、両側に電極を
施した1対の電歪板1,2を中央電極4を介して
接合して形成し、駆動入力回路63を、電歪振動
子30の外側に形成された電極のうち、+分極と
接している電極3に定電流ダイオードZD1のカ
ソードを接続し、−分極と接している電極5に定
電圧ダイオードZD2のアノードを接続し、定電
圧ダイオードZD1のアノードと、定電圧ダイオ
ードZD2のカソードを共通にして駆動端子91
とし、中央電極を駆動端子92とすることによつ
て構成した電歪振動装置104の概略構成図であ
る。動作を説明する。駆動端子91と92との間
に電圧Eが印加されると、充電電流I2が同図の
ように流れ、電歪板1には、分極方向Kに電圧E
が、電歪板2には分極方向Lとは逆に電圧(E−
VZD2)が印加される。ここで、VZD2は定電圧ダイ
オードZD2の逆方向動作電圧である。このため、
電歪板1,2はそれぞれ矢印M,Nのように歪
み、電歪振動子30は矢印Oのように上に変位す
る。一方、逆の極性、すなわち、駆動端子92が
正、駆動端子91が負となるように電圧Eを印加
すると、電歪板2には、分極方向Lに電圧Eが、
電歪板1には、分極方向Kと逆に電圧(E−
VZD1)が印加される。このため、電歪振動子30
は矢印Oと逆の方向すなわち下に変位する。
In FIG. 16, an electrostrictive vibrator 30 is formed by joining a pair of electrostrictive plates 1 and 2 with electrodes on both sides via a central electrode 4, and a drive input circuit 63 is connected to the electrostrictive vibrator. Among the electrodes formed on the outside of 30, the cathode of the constant current diode ZD1 is connected to the electrode 3 that is in contact with the + polarization, and the anode of the constant voltage diode ZD2 is connected to the electrode 5 that is in contact with the - polarization. The anode of the voltage diode ZD1 and the cathode of the constant voltage diode ZD2 are connected to the drive terminal 91.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electrostrictive vibration device 104 configured by using a central electrode as a drive terminal 92. FIG. Explain the operation. When voltage E is applied between drive terminals 91 and 92, charging current I2 flows as shown in the figure, and voltage E is applied to electrostrictive plate 1 in polarization direction K.
However, the electrostrictive plate 2 has a voltage (E-) opposite to the polarization direction L.
V ZD2 ) is applied. Here, V ZD2 is the reverse operating voltage of the voltage regulator diode ZD2. For this reason,
The electrostrictive plates 1 and 2 are distorted as indicated by arrows M and N, respectively, and the electrostrictive vibrator 30 is displaced upward as indicated by arrow O. On the other hand, when voltage E is applied with opposite polarity, that is, the drive terminal 92 is positive and the drive terminal 91 is negative, the voltage E is applied to the electrostrictive plate 2 in the polarization direction L.
A voltage (E-) is applied to the electrostrictive plate 1 opposite to the polarization direction K.
V ZD1 ) is applied. For this reason, the electrostrictive vibrator 30
is displaced in the direction opposite to arrow O, that is, downward.

本電歪振動装置104では、(E−VZD2)<(電
歪板2の分極劣化電圧)(E−VZD1)<(電歪板1
の分極劣化電圧)の条件を満たせば、電圧Eは、
電歪板1又は2が絶縁破壊しない範囲で高電圧に
できる。例えば、Eを第1図aに対して2倍にし
た場合、電歪板1には2倍以上の縮み応力が生
じ、電歪板2には、第1図aの場合と同等の伸び
応力が生ずるため、電歪板30は、第1図aの場
合に比べ約1.5倍以上変位する。また、電圧Eを
3倍にすれば、同様にして、電歪板30は第1図
aに比べ約2倍〜3倍変位する。
In this electrostrictive vibration device 104, (E-V ZD2 )<(polarization deterioration voltage of electrostrictive plate 2)(E-V ZD1 )<(electrostrictive plate 1
If the conditions of polarization deterioration voltage) are satisfied, the voltage E becomes
A high voltage can be applied within a range that does not cause dielectric breakdown of the electrostrictive plate 1 or 2. For example, if E is doubled as compared to Fig. 1 a, the electrostrictive plate 1 will receive more than twice the compressive stress, and the electrostrictive plate 2 will have an elongation stress equivalent to that in Fig. 1 a. As a result, the electrostrictive plate 30 is displaced about 1.5 times or more compared to the case shown in FIG. 1a. Furthermore, if the voltage E is increased three times, the electrostrictive plate 30 will similarly be displaced about two to three times as compared to FIG. 1A.

次に、この電歪振動装置の具体例について述べ
る。ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)系のある種
の電歪材で構成した電歪振動装置104に電源電
圧を切替えて印加したときの動作変位量δを第1
図aに示す電歪振動装置100の動作変位量と比
較して第17図に示す。同図において、(回イ)
は本実施例装置104の動作変位量特性、(回ロ)
は第1図aに示す装置100の特性である。とも
に低い電圧では変位量δは単調に増加するが、
60V程度になると、電歪振動装置100では電歪
振動子を構成する電歪板の分極が破壊し変位量δ
は急激に減少する。分極の劣化は分極破壊電圧の
1/2程度から始まるためこの電歪振動装置では電
歪板に逆分極方向に印加できる定格電圧は30V程
度である。従つて変位量は1mm程度である。しか
し、電歪振動装置104では、逆分極方向には定
格の電圧VMを、順分極方向には絶縁破壊が起き
ない範囲で高電圧を印加できるため100V以上の
電源電圧を用いることも可能である。実験では
60Vで約2mm、100Vで約3mmの変位が得られ、
かつ劣化もなかつた。60Vは、前述のCMOSスイ
ツチで、また、100Vは前述のPNPNスイツチな
どで切換え可能ゆえ、現実的に使用が容易な電圧
である。このように、従来の電歪振動装置100
に比べ2倍〜3倍以上の変位が得られることを確
認した。
Next, a specific example of this electrostrictive vibration device will be described. The operating displacement amount δ when the power supply voltage is switched and applied to the electrostrictive vibration device 104 made of a certain kind of electrostrictive material based on lead zirconate titanate (PZT) is the first
FIG. 17 shows a comparison with the amount of operational displacement of the electrostrictive vibration device 100 shown in FIG. In the same figure, (time A)
is the operating displacement characteristic of the device 104 of this embodiment, (rotation)
are the characteristics of the device 100 shown in FIG. 1a. When both voltages are low, the displacement δ increases monotonically, but
When the voltage reaches about 60V, the polarization of the electrostrictive plate constituting the electrostrictive vibrator is destroyed in the electrostrictive vibrator 100, and the displacement δ is
decreases rapidly. Since deterioration of polarization begins at about 1/2 of the polarization breakdown voltage, the rated voltage that can be applied to the electrostrictive plate in the opposite polarization direction in this electrostrictive vibration device is about 30V. Therefore, the amount of displacement is about 1 mm. However, in the electrostrictive vibrator 104, the rated voltage V M can be applied in the reverse polarization direction, and a high voltage can be applied in the forward polarization direction within a range that does not cause dielectric breakdown, so it is also possible to use a power supply voltage of 100 V or more. be. In the experiment
A displacement of about 2mm can be obtained at 60V and about 3mm at 100V.
And there was no deterioration. 60V can be switched with the aforementioned CMOS switch, and 100V can be switched with the aforementioned PNPN switch, etc., so they are voltages that are actually easy to use. In this way, the conventional electrostrictive vibration device 100
It was confirmed that a displacement of 2 to 3 times greater than that of the conventional method can be obtained.

逆分極方向に電圧を印加した場合、電歪板によ
つては、分極劣化電圧以下でもわずかずつ分極が
劣化してゆくことがある。この劣化は、分極劣化
電圧以上を印加した場合よりはるかに小さいが、
長時間には数%〜10%程度減少することがある。
一方、電歪板には、分極方向に高電圧を印加する
と、劣化した分極が回復する性質がある。このよ
うな特性を利用すると、この駆動入力回路63を
用いた電歪振動装置104を本発明の駆動回路を
用いて振動させた場合には、以下のように分極の
劣化を防止できる利点もある。すなわち、第16
図において、長時間放置すると、電歪板2には、
逆分極方向に電圧が印加されるため、劣化もあり
える。しかし、印加電圧の極性が逆になると、電
歪板2には分極方向Lに高電圧が印加されるため
分極の劣化は回復する。このようにして、交互に
変位(振動)させることによつて分極の劣化は防
止できる。電歪板1についても同様である。
When a voltage is applied in the opposite polarization direction, depending on the electrostrictive plate, the polarization may deteriorate little by little even below the polarization deterioration voltage. This deterioration is much smaller than when applying a voltage higher than the polarization deterioration voltage, but
Over a long period of time, it may decrease by several to 10%.
On the other hand, an electrostrictive plate has the property of recovering deteriorated polarization when a high voltage is applied in the polarization direction. By utilizing such characteristics, when the electrostrictive vibration device 104 using the drive input circuit 63 is vibrated using the drive circuit of the present invention, there is an advantage that deterioration of polarization can be prevented as described below. . That is, the 16th
In the figure, if the electrostrictive plate 2 is left for a long time,
Since voltage is applied in the opposite polarization direction, deterioration may occur. However, when the polarity of the applied voltage is reversed, a high voltage is applied to the electrostrictive plate 2 in the polarization direction L, so that the deterioration of polarization is recovered. In this way, deterioration of polarization can be prevented by alternately displacing (vibrating). The same applies to the electrostrictive plate 1.

なお、第16図において、定電圧ダイオード
ZD1の動作電圧VZD1と、定電圧ダイオードZD2
の動作電圧VZD2とを変えてもよい。この場合、各
電歪板に加わる電圧を極性に応じて制御すること
ができるため、変位の方向によつて変位量を変え
ることができる。
In addition, in Fig. 16, the constant voltage diode
ZD1 operating voltage V ZD1 and constant voltage diode ZD2
The operating voltage V ZD2 may be changed. In this case, since the voltage applied to each electrostrictive plate can be controlled according to the polarity, the amount of displacement can be changed depending on the direction of displacement.

電歪振動子30は、高温、多湿中で高電圧が加
わると、近接した電極エツジ部で放置することが
ある。これによつて前述のように変位した側で微
少振動することがある。これを防止するため電極
エツジ部又は電極全面に絶縁性樹脂をコーテイン
グしてもよい。コーテイング材としてはポリウレ
タン、テフロンなどが適している。このうち、ポ
リウレタンは室温で塗布できるが、テフロンは加
熱処理が必要である。しかし、キユリー温度以上
加熱すると電歪板の分極は破壊する。これを解決
するために以下の方法が有効である。まず、電歪
振動子30を形成し、テフロンを塗布し、加熱処
理した後に分極を形成するための高電圧を印加す
るものである。この方法は、絶縁処理の後に分極
形成高電圧を印加するため、通常の方法より高い
電圧を印加して分極を形成できるため歩留りもよ
い。
When a high voltage is applied to the electrostrictive vibrator 30 in a high temperature and high humidity environment, the electrostrictive vibrator 30 may be left unattended at the adjacent electrode edges. This may cause slight vibrations on the displaced side as described above. To prevent this, the electrode edge portion or the entire surface of the electrode may be coated with an insulating resin. Suitable coating materials include polyurethane and Teflon. Among these, polyurethane can be applied at room temperature, but Teflon requires heat treatment. However, when heated above the Curie temperature, the polarization of the electrostrictive plate is destroyed. The following method is effective to solve this problem. First, the electrostrictive vibrator 30 is formed, coated with Teflon, and subjected to heat treatment, and then a high voltage is applied to form polarization. In this method, a high voltage for forming polarization is applied after the insulation treatment, so that polarization can be formed by applying a higher voltage than in a normal method, so the yield is good.

また、駆動端子1,2間には、サージを吸収す
るため、双方向定電圧制限素子VRを接続しても
よい。
Further, a bidirectional constant voltage limiting element VR may be connected between the drive terminals 1 and 2 in order to absorb surges.

第18図は、第16図の電歪振動装置と同様な
原理の他の構成例を示したものである。同図にお
いて、中央電極4−1,4−2は絶縁板14を介
して接合され、中央電極4−1には定電圧ダイオ
ードZD2のアノードが、中央電極4−2には定
電圧ダイオードZD1のアノードがそれぞれ接続
され、定電圧ダイオードZD1のカソードは電極
3に、定電圧ダイオードZD2のカソードは電極
5にそれぞれ接続され、電極3,5がそれぞれ駆
動端子91,92に接続されている。端子91,
92に電圧Eを印加すると電歪板1には分極方向
にEが、電歪板2には逆分極方向(E−VZD1)が
印加される。極性を逆にすると、電歪板2には分
極方向にEが、電歪板1には逆分極方向(E−
VZD2)が印加される。基本的動作については、第
16図と同様ゆえ省略する。
FIG. 18 shows another configuration example based on the same principle as the electrostrictive vibrator shown in FIG. 16. In the same figure, center electrodes 4-1 and 4-2 are connected via an insulating plate 14, the anode of a constant voltage diode ZD2 is connected to the center electrode 4-1, and the anode of a constant voltage diode ZD1 is connected to the center electrode 4-2. The anodes are connected to each other, the cathode of the constant voltage diode ZD1 is connected to the electrode 3, the cathode of the constant voltage diode ZD2 is connected to the electrode 5, and the electrodes 3 and 5 are connected to drive terminals 91 and 92, respectively. terminal 91,
When a voltage E is applied to 92, E is applied to the electrostrictive plate 1 in the polarization direction, and to the electrostrictive plate 2 in the reverse polarization direction (E-V ZD1 ). When the polarity is reversed, electrostrictive plate 2 has E in the polarization direction, and electrostrictive plate 1 has E in the opposite polarization direction (E-
V ZD2 ) is applied. The basic operation is the same as that in FIG. 16, so it will be omitted.

第19図a〜cは、第16図において電歪板
1,2を多層にした場合の電歪振動装置の実施例
である。電歪板の分極劣化電圧が30V、電源電圧
が60V、定電圧ダイオードの動作電圧が60V−
30V=30Vの場合を示してある。なお、電源電圧
−分極劣化電圧<定電圧ダイオードの動作電圧
VZDxを満たす範囲において、動作電圧VZD1
VZD2は異つてもよい。多層にする利点は、同じ電
圧を印加しても大きな力を得ることができる点に
ある。
FIGS. 19 a to 19 c show an embodiment of an electrostrictive vibration device in which the electrostrictive plates 1 and 2 in FIG. 16 are multilayered. The polarization deterioration voltage of the electrostrictive plate is 30V, the power supply voltage is 60V, and the operating voltage of the constant voltage diode is 60V−.
The case where 30V=30V is shown. In addition, power supply voltage - polarization deterioration voltage < operating voltage of voltage regulator diode
In the range that satisfies V ZD x, the operating voltage V ZD1 and
V ZD2 may be different. The advantage of having multiple layers is that a large force can be obtained even when the same voltage is applied.

第20図は、分極対向構造の電歪振動子31を
用いた電歪振動装置の構成例を示した概略構成図
である。すなわち、電歪振動装置105は、外側
の電極3,5を駆動端子91,92とし、電極
3,5にそれぞれ定電圧ダイオードZD3,ZD4
のアノードを接続し、当該定電圧ダイオードZD
3,ZD4のカソードに、それぞれダイオードの
カソードを接続し、当該ダイオードのアノード同
志を共通にして中央電極4に接続することによつ
て構成されるものである。
FIG. 20 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of an electrostrictive vibrator using an electrostrictive vibrator 31 having a polarization facing structure. That is, the electrostrictive vibration device 105 uses the outer electrodes 3 and 5 as drive terminals 91 and 92, and the electrodes 3 and 5 have constant voltage diodes ZD3 and ZD4, respectively.
Connect the anode of the constant voltage diode ZD
3. The cathode of each diode is connected to the cathode of ZD4, and the anodes of the diodes are connected to the central electrode 4 in common.

動作を説明する。駆動端子91,92間に電圧
Eが印加されると、充電電流I5が流れ、電歪板
1には、分極方向に(E−VZD4)、電歪板2′には
逆分極方向にVZD4の電圧が印加される。これによ
り、電歪板1は縮み、電歪板2′は伸びるため、
電歪振動子31の先端は第16図と同様上に変位
する。印加電圧の極性を逆にすると、電歪板2′
には分極方向Pに(E−VZD3)、電歪板1には分
極方向Qと逆にVZD3の電圧が印加され、電歪板1
は伸び、電歪板2′は縮むため先端は下に変位す
る。
Explain the operation. When voltage E is applied between drive terminals 91 and 92, charging current I5 flows, and electrostrictive plate 1 receives V in the polarization direction (E-V ZD4 ), and electrostrictive plate 2' receives V in the opposite polarization direction. Voltage ZD4 is applied. As a result, the electrostrictive plate 1 contracts and the electrostrictive plate 2' stretches, so
The tip of the electrostrictive vibrator 31 is displaced upward as in FIG. 16. When the polarity of the applied voltage is reversed, the electrostrictive plate 2'
is applied in the polarization direction P (E-V ZD3 ), and a voltage V ZD3 is applied to the electrostrictive plate 1 in the opposite direction to the polarization direction Q.
expands, and the electrostrictive plate 2' contracts, so its tip is displaced downward.

この駆動入力回路64では、VZD4<(電歪板
2′の分極劣化電圧) (E−VZD4)<(電歪板1の絶縁破壊電圧)、 VZD3<(電歪板1の分極劣化電圧)、 (E−VZD3)<(電歪板2′の絶縁破壊電圧) の条件を満たす限り、Eの電圧を上げることがで
き、従つて大きな変位を得ることができる。具体
例をあげて従来と比較すると、例えば、E=
90V,VZD3=VZD4=(分極劣化電圧)=30Vの場
合、電歪板1には60V、電歪板2′には30Vの電
圧が印加されるため、電歪振動子31は、第1図
bにおいてE=60Vすなわち電歪板1,2に印加
される電圧を30Vとした場合に比較し、1.5倍以
上変位する。
In this drive input circuit 64, V ZD4 <(polarization deterioration voltage of electrostrictive plate 2') (E-V ZD4 ) <(dielectric breakdown voltage of electrostrictive plate 1), V ZD3 <(polarization deterioration of electrostrictive plate 1). Voltage), (E-V ZD3 )<(Dielectric breakdown voltage of electrostrictive plate 2') As long as the following conditions are satisfied, the voltage of E can be increased, and therefore a large displacement can be obtained. If we give a specific example and compare it with the conventional one, for example, E=
90V, V ZD3 = V ZD4 = (polarization deterioration voltage) = 30V, a voltage of 60V is applied to the electrostrictive plate 1 and a voltage of 30V is applied to the electrostrictive plate 2', so the electrostrictive vibrator 31 In FIG. 1b, the displacement is 1.5 times or more compared to when E=60V, that is, the voltage applied to the electrostrictive plates 1 and 2 is 30V.

なお、上下に変位すなわち振動させることによ
つて分極の劣化を防止できるのは第16図の電歪
振動装置と同じである。
Note that, as in the electrostrictive vibrator shown in FIG. 16, deterioration of polarization can be prevented by vertically displacing or vibrating the vibrator.

第21図は、第20図の分極を逆にした構成例
である。動作原理は、第20図と同様ゆえ省略す
る。
FIG. 21 is an example of a configuration in which the polarization in FIG. 20 is reversed. The operating principle is the same as that in FIG. 20, and therefore will be omitted.

第22図は第20図において電歪板1,2′を
多層にした場合の電歪振動装置の実施例である。
FIG. 22 shows an embodiment of an electrostrictive vibrating device in which the electrostrictive plates 1 and 2' in FIG. 20 are multilayered.

第23図は積層構造の電歪振動子32を用いた
電歪振動装置の実施例を示した概略構成図であ
る。すなわち、積層形電歪振動装置106の駆動
入力回路65は、+分極と接する電極8に定電圧
ダイオードZD6のカソードを接続し、当該定電
圧ダイオードZD6のアノードを駆動端子91と
し、−分極と接する電極9を駆動端子92として
構成される。
FIG. 23 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an electrostrictive vibrator using an electrostrictive vibrator 32 having a laminated structure. That is, the drive input circuit 65 of the laminated electrostrictive vibration device 106 connects the cathode of a constant voltage diode ZD6 to the electrode 8 that is in contact with + polarization, and uses the anode of the constant voltage diode ZD6 as a drive terminal 91, which is in contact with - polarization. The electrode 9 is configured as a drive terminal 92.

動作を説明する。()の方向に電圧Eを印加
すると、各電歪板82には、分極方向Rに電圧E
が印加されるため、電歪振動子32の先端は伸び
る。次に極性を逆にし、()の方向に電圧を印
加すると、各電歪板82には逆分極方向に電圧
(E−VZD6)が印加されるため、第4図太実線の
ように変位する。この電歪振動装置106では、
E<(各電歪板の絶縁破壊電圧)、(E−VZD6)<
(各電歪板の分極劣化電圧)の条件を満たす限り、
Eの電圧を上げることができる。
Explain the operation. When voltage E is applied in the direction of ( ), voltage E is applied to each electrostrictive plate 82 in the polarization direction R.
is applied, the tip of the electrostrictive vibrator 32 extends. Next, when the polarity is reversed and a voltage is applied in the direction of (), a voltage (E-V ZD6 ) is applied to each electrostrictive plate 82 in the opposite polarization direction, so that the displacement occurs as shown by the thick solid line in Figure 4. do. In this electrostrictive vibration device 106,
E<(breakdown voltage of each electrostrictive plate), (E-V ZD6 )<
As long as the condition (polarization deterioration voltage of each electrostrictive plate) is satisfied,
E voltage can be increased.

電歪板82に逆分極方向に印加できる電圧は、
分極方向に比べかなり小さいが、第4図でわかる
ように、印加電圧の低い部分で変位量の変化率が
高いため、逆分極方向に印加する電圧が、劣化電
圧以下の低い電圧でもヒステリシスの影響を十分
に防止することができる。このため、逆に電圧を
印加しない第3図の電歪振動装置103に比べ、
同じ電圧Eでも30%程度変位量を大きくすること
ができる。
The voltage that can be applied to the electrostrictive plate 82 in the reverse polarization direction is
Although it is quite small compared to the polarization direction, as shown in Figure 4, the rate of change in displacement is high at low applied voltages, so even if the voltage applied in the opposite polarization direction is low, below the deterioration voltage, the effect of hysteresis can be sufficiently prevented. Therefore, compared to the electrostrictive vibration device 103 of FIG. 3 in which no voltage is applied,
Even with the same voltage E, the amount of displacement can be increased by about 30%.

次に、本発明の駆動回路により、駆動される電
歪振動装置の電歪振動子の構成例について説明す
る。本発明の駆動回路は、高電圧の直流電源の極
性を切替えて、電歪振動装置に印加し、当該装置
を大きく振動させるものであるが、装置の先端に
発生する力を利用する場合には、単に変位量が大
きいだけは不十分で、変位・力特性を考慮する必
要がある。第24図はこれを説明するための構成
図で、初め電歪振動子30がの状態になるよう
に電圧を印加しておき、この電圧の極性を逆にし
ての状態に変化させたときの変位・力特性は第
25図のようになる。この特性からわかるよう
に、逆に変位した始めの部分では大きな力が発生
するが、変位とともに力は弱くなりの状態で零
となる。すなわちの状態近傍で圧力を得ること
は困難である。このため、電歪振動装置を、継電
器、光スイツチなどに使用する場合、変位量を犠
性にして圧力を得ることによつて、切替時の接触
信頼性を確保しなければならない。
Next, a configuration example of an electrostrictive vibrator of an electrostrictive vibrating device driven by the drive circuit of the present invention will be described. The drive circuit of the present invention switches the polarity of a high voltage DC power supply and applies it to the electrostrictive vibration device to cause the device to vibrate greatly. However, when using the force generated at the tip of the device, , it is not enough to simply have a large amount of displacement; it is necessary to consider displacement and force characteristics. FIG. 24 is a configuration diagram for explaining this, in which a voltage is first applied so that the electrostrictive vibrator 30 is in the state, and when the polarity of this voltage is reversed and the state is changed to The displacement/force characteristics are shown in Figure 25. As can be seen from this characteristic, conversely, a large force is generated at the beginning of the displacement, but as the displacement increases, the force weakens and reaches zero. In other words, it is difficult to obtain pressure near the state of . Therefore, when an electrostrictive vibration device is used in a relay, an optical switch, etc., it is necessary to obtain pressure at the cost of displacement to ensure contact reliability during switching.

第26図は、電歪振動装置の変位・力特性を改
良するための構成例を示す概略図である。同図に
おいて、10は電歪振動子30の先端付近に設け
られた磁性片11,12は電歪振動子30が極性
の切替えられた印加電圧によつて振動する際、両
側に変位する到達点の近傍に、磁性片10に対向
するように設けられた固定永久磁石である。な
お、磁性片10、固定永久磁石11,12から成
る機構は、磁性片10と固定永久磁石11が接す
る、磁性片10と固定永久磁石12が接するのい
ずれかに力学的安定点があるフリツプフロツプ機
構である。また、第27図はの状態からの状
態への力を正として、電歪振動子30の先端の力
を示した図である。動作を説明する。の状態に
おいて、電歪振動子30には、磁性片10と固定
永久磁石11との吸引力によつて破線のような力
が働いている。ここで、印加電圧の特性を逆する
と一点鎖線のような力が加わるため、実線のよう
な力となり電歪振動子30はAの方向に動く。電
歪振動子30がの状態に近ずくと一点鎖線の力
は弱まるが、磁性片10と固定永久磁石12との
吸引力が増すための力の減少はない。このように
して、の状態でも機械的な安定な作用力を得る
ことが可能である。
FIG. 26 is a schematic diagram showing a configuration example for improving the displacement/force characteristics of the electrostrictive vibration device. In the figure, reference numerals 10 indicate magnetic pieces 11 and 12 provided near the tip of the electrostrictive vibrator 30, which are the reaching points that are displaced to both sides when the electrostrictive vibrator 30 vibrates due to an applied voltage whose polarity has been switched. A fixed permanent magnet is provided near the magnetic piece 10 so as to face the magnetic piece 10. The mechanism consisting of the magnetic piece 10 and the fixed permanent magnets 11 and 12 is a flip-flop mechanism in which the mechanical stability point is either where the magnetic piece 10 and the fixed permanent magnet 11 are in contact, or where the magnetic piece 10 and the fixed permanent magnet 12 are in contact. It is. Further, FIG. 27 is a diagram showing the force at the tip of the electrostrictive vibrator 30, assuming that the force from the state to the state is positive. Explain the operation. In this state, a force as indicated by the broken line is acting on the electrostrictive vibrator 30 due to the attractive force between the magnetic piece 10 and the fixed permanent magnet 11. Here, if the characteristics of the applied voltage are reversed, a force as shown by the dashed-dotted line is applied, resulting in a force as shown by the solid line, and the electrostrictive vibrator 30 moves in the direction A. As the electrostrictive vibrator 30 approaches the state of , the force indicated by the dashed dotted line weakens, but the force does not decrease because the attractive force between the magnetic piece 10 and the fixed permanent magnet 12 increases. In this way, it is possible to obtain a mechanically stable acting force even in the state of .

第28図は、フリツプフロツプ機構よる振動子
の変位時間短縮効果を示したものである。電歪振
動子30には、前述のように分極のヒステリシス
特性があるため、振動動作をする際最終変位点付
近で動作が急に遅くなる現象がある。第28図の
破線に示すように速度が遅くなると、当然のこと
ながら最終変位点までの動作時間Tは長くなる。
ここで、フリツプフロツプ機構を用いると、最終
変位点付近で電歪振動子30の先端に力が働くた
め実線に示すように動作は速くなり、従つて動作
時間は短かくなる。
FIG. 28 shows the effect of shortening the displacement time of the vibrator by the flip-flop mechanism. Since the electrostrictive vibrator 30 has polarization hysteresis characteristics as described above, there is a phenomenon in which the operation suddenly slows down near the final displacement point when vibrating. As shown by the broken line in FIG. 28, as the speed decreases, the operating time T until the final displacement point naturally increases.
Here, when a flip-flop mechanism is used, a force is applied to the tip of the electrostrictive vibrator 30 near the final displacement point, so the operation becomes faster as shown by the solid line, and therefore the operation time becomes shorter.

第29図は、磁石を用いる替りにバネを用いて
フリツプフロツプ機構を実現したものである。同
図において、13は、電歪振動子30の先端に取
り付けられ、の状態ではF1の方向へ、の状
態ではF2の方向へ力を発生するフリツプフロツ
プバネである。第30図に電歪振動子30の先端
の変位・力特性を示す。動作については、第26
図の電歪振動子30と同様ゆえ省略する。
FIG. 29 shows a flip-flop mechanism using a spring instead of a magnet. In the figure, reference numeral 13 denotes a flip-flop spring that is attached to the tip of the electrostrictive vibrator 30 and generates a force in the direction of F1 in the state of , and in the direction of F2 in the state of . FIG. 30 shows the displacement/force characteristics of the tip of the electrostrictive vibrator 30. Regarding the operation, see the 26th
Since it is similar to the electrostrictive vibrator 30 shown in the figure, the explanation will be omitted.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明は、両側に電極を
設けた強誘電体電歪板を2つ以上重ねて形成した
電歪振動子と、2つの駆動端子をもつ駆動入力回
路とから成る電歪振動装置に、電源回路から極性
を切替えて電圧を印加し、この電歪振動装置に充
電されていた電荷を放電した後、逆に充電するこ
とによつて前記電歪振動子を前の状態とは逆に変
位させる駆動回路において、極性を切替えるため
に、論理制御電圧より高い電源電圧をオンオフで
き、制御電流のパルス通電又は制御電圧の印加に
よつてスイツチのオン状態を電力をほとんど消費
することなく保持できるPNPN素子構造又は
FET素子構造の半導体スイツチ4つをブリツジ
形に接続し、ブリツジの中の平行スイツチ2つと
斜スイツチ2つの駆動論理を反転させて駆動する
ことによつて、平行又は斜のスイツチ回路の一方
がオンの際、他方はオフとなるように制御するも
のであるので、電歪振動子を低電力で大きく変位
させることができる。
As explained above, the present invention provides an electrostrictive resonator that includes an electrostrictive vibrator formed by stacking two or more ferroelectric electrostrictive plates each having electrodes on both sides, and a drive input circuit having two drive terminals. The electrostrictive vibrator is returned to its previous state by applying a voltage to the vibrating device by switching the polarity from the power supply circuit, discharging the electric charge stored in the electrostrictive vibrating device, and then recharging the electrostrictive vibrating device. In a drive circuit that displaces the switch in the opposite direction, a power supply voltage higher than the logic control voltage can be turned on and off in order to switch the polarity, and the on-state of the switch can be turned on or off by pulsing the control current or applying the control voltage, consuming almost no power. PNPN element structure that can be held without
By connecting four semiconductor switches with FET element structure in a bridge configuration and inverting the drive logic of the two parallel switches and two diagonal switches in the bridge, one of the parallel or diagonal switch circuits is turned on. At this time, the other is controlled to be turned off, so the electrostrictive vibrator can be largely displaced with low power.

また、スイツチ切替時に、電歪振動装置にそれ
まで充電されていた電荷を放電促進回路によつて
放電させたり、定電流回路を用いたり、スイツチ
に定電流特性を持たせたりすれば、放電、充電動
作を速くするため、電歪振動装置の動作を速くで
き、かつ駆動時の消費電力を低減できる。
In addition, when switching the switch, if the electric charge previously charged in the electrostrictive vibration device is discharged by a discharge promotion circuit, a constant current circuit is used, or the switch is given constant current characteristics, the discharge, Since the charging operation is made faster, the operation of the electrostrictive vibration device can be made faster and the power consumption during driving can be reduced.

さらに、スイツチ切替時に、電歪振動子の分極
方向には高電圧を、逆分極方向には分極劣化電圧
以下の電圧を印加するための駆動入力回路を用い
ることによつて、電歪振動装置に印加できる電圧
を従来よりはるかに高くでき、変位量を従来に比
べ2〜3倍に増加できる利点がある。また、この
駆動入力回路では、分極方向には必ず分極劣化電
圧以上の電圧が印加されるため、逆分極方向に加
えられた電圧によつて劣化した分極は、振動動作
によつて、分極方向に電圧が印加される際回復す
る利点がある。従つて信頼性が高い。また、 振動動作する際、両側に変位する到達点付近に
機械的安定点をもつ磁石又はバネで構成されるフ
リツプフロツプ機構を用いることによつて、変位
到達点における作用力を増すことができ、かつ動
作速度を速めることもできる利点がある。
Furthermore, by using a drive input circuit that applies a high voltage in the polarization direction of the electrostrictive vibrator and a voltage below the polarization deterioration voltage in the reverse polarization direction when switching the switch, the electrostrictive vibrator can be There are advantages in that the voltage that can be applied can be much higher than in the past, and the amount of displacement can be increased two to three times as compared to the past. In addition, in this drive input circuit, since a voltage higher than the polarization deterioration voltage is always applied in the polarization direction, the polarization degraded by the voltage applied in the opposite polarization direction is redirected in the polarization direction by oscillation. It has the advantage of recovering when a voltage is applied. Therefore, it is highly reliable. In addition, by using a flip-flop mechanism consisting of a magnet or a spring that has a mechanically stable point near the end point that is displaced on both sides during vibration operation, the acting force at the end point of displacement can be increased. It also has the advantage of increasing operating speed.

以上のような効果を有するので、本発明は、電
歪振動子をアクチユエータとして使用するあらゆ
る分野に適用できるが、特に光導波路切替用ス
イツチの導波路駆動部品、硬貨処理装置、磁
気カード搬送装置のカードチヤツク機構、ビデ
オのヘツド駆動部品、継電器の接点駆動部品、
カードパンチ機構のパンチピン駆動部品、イ
ンクジエツトプリンターのインクポンプ駆動機
構、ワイヤドツトプリンターのワイヤ駆動機構
などに応用した場合きわめて有効である。
Because of the above-mentioned effects, the present invention can be applied to all fields in which electrostrictive vibrators are used as actuators, but is particularly applicable to waveguide drive components of optical waveguide switching switches, coin processing devices, and magnetic card transfer devices. Card chuck mechanisms, video head drive parts, relay contact drive parts,
It is extremely effective when applied to punch pin drive parts of card punch mechanisms, ink pump drive mechanisms of ink jet printers, wire drive mechanisms of wire dot printers, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の電歪振動装置駆動回路の概略構
成図、第2図は他の従来技術の概略構成図、第3
図はさらに別の従来技術の概略構成図、第4図
は、第3図その印加電圧と変位量の関係を示す
図、第5図は本発明の一実施例を示す回路図、第
6図は、パルス発振回路の出力波形図、第7図は
定電流ダイオードの作用を説明するための図、第
8図は駆動端子に現われる電圧及び電源回路から
流れる電流を示した図、第9図は2×2マトリツ
クス駆動回路の実施例を示す回路図、第10図は
本発明の他の実施例を示す回路図、第11図はそ
のスイツチ誤動作を防止するための回路図、第1
2図は第3の実施例を示す回路図、第13図は第
4の実施例を示す回路図、第14図は第5の実施
例を示す回路図、第15図は第6の実施例を示す
回路図、第16図は電歪振動装置の構成例を示す
概略構成図、第17図は印加電圧と変位量の関係
を示すグラフ、第18図ないし第23図はそれぞ
れ電歪振動装置の他の構成例を示す概略構成図、
第24図は電歪振動子の構成例を示す概略構成
図、第25図はその変位・力・特性を示すグラ
フ、第26図はその電歪振動子の構成例を示す概
略構成図、第27図はその変位・力・特性を示す
グラフ、第28図は変位時間短縮効果を示すグラ
フ、第29図はさらに別の電歪振動子の構成例を
示す概略構成図、第30図はその変位・力・特性
を示すグラフである。 1,2,2′……電歪板、3,5……電極、4
……中央電極、30,31……電歪振動子、50
……駆動回路、71……ブリツジ回路、72……
論理制御回路、100〜106……電歪振動装
置、121〜124……NチヤネルFET、PN1
〜PN4……PNPNスイツチ、SIT1〜SIT4…
…静電誘導形トランジスタ、SWA〜SWD……高
耐圧CMOSアナログスイツチ。
Fig. 1 is a schematic diagram of a conventional electrostrictive vibrator drive circuit, Fig. 2 is a schematic diagram of another conventional technology, and Fig. 3 is a schematic diagram of a conventional electrostrictive vibrator drive circuit.
4 is a diagram showing the relationship between the applied voltage and displacement amount, FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic diagram of another conventional technology. is a diagram of the output waveform of the pulse oscillation circuit, Figure 7 is a diagram for explaining the action of a constant current diode, Figure 8 is a diagram showing the voltage appearing at the drive terminal and the current flowing from the power supply circuit, and Figure 9 is a diagram showing the voltage appearing at the drive terminal and the current flowing from the power supply circuit. FIG. 10 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention, FIG. 11 is a circuit diagram for preventing malfunction of the switch, and FIG.
Fig. 2 is a circuit diagram showing the third embodiment, Fig. 13 is a circuit diagram showing the fourth embodiment, Fig. 14 is a circuit diagram showing the fifth embodiment, and Fig. 15 is a circuit diagram showing the sixth embodiment. 16 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of an electrostrictive vibration device, FIG. 17 is a graph showing the relationship between applied voltage and displacement amount, and FIGS. 18 to 23 are each an electrostrictive vibration device A schematic configuration diagram showing another configuration example,
Figure 24 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of an electrostrictive vibrator, Figure 25 is a graph showing its displacement, force, and characteristics, and Figure 26 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of the electrostrictive vibrator. Fig. 27 is a graph showing its displacement, force, and characteristics, Fig. 28 is a graph showing the displacement time reduction effect, Fig. 29 is a schematic configuration diagram showing yet another example of the structure of an electrostrictive vibrator, and Fig. 30 is its configuration. It is a graph showing displacement, force, and characteristics. 1, 2, 2'... Electrostrictive plate, 3, 5... Electrode, 4
... Central electrode, 30, 31 ... Electrostrictive vibrator, 50
... Drive circuit, 71 ... Bridge circuit, 72 ...
Logic control circuit, 100 to 106... Electrostrictive vibration device, 121 to 124... N channel FET, PN1
~PN4...PNPN switch, SIT1~SIT4...
...Static induction transistor, SW A ~ SW D ... High voltage CMOS analog switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 強誘電体電歪板を複数枚重ねて形成した電歪
振動子に正逆の電圧を交互に供給する電歪振動装
置駆動回路において、 高耐圧半導体スイツチをブリツジ形に接続し、
そのブリツジ中の平行スイツチと斜スイツチの駆
動論理を反転させて駆動することによつて平行ま
たは斜めのスイツチ回路のいずれか一方がオンの
際は他方がオフとなるように制御するスイツチ回
路を備え、 各高耐圧半導体スイツチをPNPN素子構造の
スイツチで構成し、 かつ前記スイツチ回路は、 アノード同志が共通に接続された第1および第
2のPNPNスイツチの共通接続端子を電源回路
の陽極に接続すると共に、カソード同志が共通に
接続された第3および第4の1組のPNPNスイ
ツチの共通接続端子を電源回路の陰極に接続し、 前記第1のPNPNスイツチのアノードと第3
のPNPNスイツチのカソードを共通接続した上
で電歪振動装置の一方の電極に接続し、 前記第2のPNPNスイツチのアノードと第4
のPNPNスイツチのカソードを共通接続した上
で電歪振動装置の他方の電極に接続し、 各PNPNスイツチのゲートと論理制御回路と
をPNPN逆接合またはホトカプラによつて分離
し、 ゲート回路をパルス電圧で駆動することを特徴
とする電歪振動装置駆動回路。 2 強誘電体電歪板を複数枚重ねて形成した電歪
振動子に正逆の電圧を交互に供給する電歪振動装
置駆動回路において、 高耐圧半導体スイツチをブリツジ形に接続し、
そのブリツジ中の平行スイツチと斜スイツチの駆
動論理を反転させて駆動することによつて平行ま
たは斜めのスイツチ回路のいずれか一方がオンの
際は他方がオフとなるように制御するようスイツ
チ回路を備え、 各高耐圧半導体スイツチをFETスイツチで構
成し、 かつ前記スイツチ回路は、 入力端子同志が共通に接続された第1および第
2のFETスイツチの共通接続端子を電源回路の
陽極に接続するとともに、出力端子同志が共通に
接続された第3および第4の1組のFETスイツ
チの共通接続端子を電源回路の陰極に接続し、 前記第1のFETスイツチの出力端子と第3の
FETスイツチの出力端子を共通接続した上で電
歪振動装置の一方の電極に接続し、 前記第2のFETスイツチの入力端子と第4の
FETスイツチの出力端子を共通接続した上で電
歪振動装置の他方の電極に接続し、 各FETスイツチのゲートと論理制御回路とを
FETスイツチによつて分離することを特徴とす
る電歪振動装置駆動回路。
[Claims] 1. In an electrostrictive vibrator drive circuit that alternately supplies positive and reverse voltages to an electrostrictive vibrator formed by stacking a plurality of ferroelectric electrostrictive plates, a high voltage semiconductor switch is configured in a bridge type. connection,
The bridge is equipped with a switch circuit that inverts and drives the drive logic of the parallel switch and diagonal switch so that when either the parallel or diagonal switch circuit is on, the other is off. , each high-voltage semiconductor switch is configured with a switch having a PNPN element structure, and the switch circuit connects the common connection terminal of the first and second PNPN switches, whose anodes are commonly connected, to the anode of the power supply circuit. At the same time, the common connection terminals of a third and fourth set of PNPN switches whose cathodes are commonly connected are connected to the cathode of the power supply circuit, and the anode of the first PNPN switch and the third PNPN switch are connected to the cathode of the power supply circuit.
The cathodes of the PNPN switches are connected in common and then connected to one electrode of the electrostrictive vibration device, and the anode of the second PNPN switch and the fourth
The cathodes of the PNPN switches are commonly connected and then connected to the other electrode of the electrostrictive vibration device, the gates of each PNPN switch and the logic control circuit are separated by a PNPN reverse junction or a photocoupler, and the gate circuit is connected to a pulse voltage. An electrostrictive vibrator drive circuit characterized in that it is driven by. 2. In an electrostrictive vibrator drive circuit that alternately supplies positive and reverse voltages to an electrostrictive vibrator formed by stacking multiple ferroelectric electrostrictive plates, high voltage semiconductor switches are connected in a bridge configuration,
By reversing the drive logic of the parallel switch and diagonal switch in the bridge, the switch circuit is controlled so that when either the parallel or diagonal switch circuit is on, the other is off. Each high-voltage semiconductor switch is configured with a FET switch, and the switch circuit connects a common connection terminal of the first and second FET switches whose input terminals are commonly connected to the anode of the power supply circuit. , the common connection terminals of the third and fourth sets of FET switches whose output terminals are commonly connected are connected to the cathode of the power supply circuit, and the output terminals of the first FET switch and the third FET switch are connected to each other.
The output terminals of the FET switches are connected in common and then connected to one electrode of the electrostrictive vibrator, and the input terminals of the second FET switch and the fourth
The output terminals of the FET switches are connected in common and then connected to the other electrode of the electrostrictive vibration device, and the gates of each FET switch and the logic control circuit are connected.
An electrostrictive vibrator drive circuit characterized by separation by a FET switch.
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