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JP4861216B2 - Drive power circuit - Google Patents
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Description

本発明は、容量性負荷としてみなすことができるデバイスの駆動電源回路に関するものである。   The present invention relates to a drive power supply circuit for a device that can be regarded as a capacitive load.

この種の容量性負荷としては、例えば、MEMS(MicroElectro Mechanical System、即ち微小電気機械システム)がある。このMEMSを駆動する駆動電源回路としては、チャージポンプ型の電圧コンバータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許3558976号公報
As this type of capacitive load, for example, there is a MEMS (MicroElectro Mechanical System). As a drive power supply circuit for driving the MEMS, a charge pump type voltage converter is known (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent No. 3558976

ところで、MEMSなどの容量性負荷を電圧で駆動する駆動装置には、速い周波数での高電圧駆動や応答改善のために、駆動能力の高い大電力の駆動電源回路が必要である。   By the way, a drive device that drives a capacitive load such as MEMS with a voltage requires a high-power drive power supply circuit with high drive capability for high-voltage drive at a high frequency and response improvement.

しかしながら、従来の高電圧回路において使用されるチャージポンプ型の電圧コンバータは、コイル、スイッチ、ダイオード、コンデンサの順番で接続されているため、低い電圧から高い電圧へは制御できるが、高い電圧から低い電圧に下げるためには放電を待つ必要があるため、高速制御に対応できないという問題があった。   However, since the charge pump type voltage converter used in the conventional high voltage circuit is connected in the order of coils, switches, diodes, and capacitors, it can be controlled from a low voltage to a high voltage, but from a high voltage to a low voltage. In order to lower the voltage, it is necessary to wait for the discharge, and thus there is a problem that high-speed control cannot be supported.

そこで、本発明では、小さなエネルギーで高電圧を高速に得ることが可能な駆動電源回路を実現することができる駆動電源回路を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a drive power supply circuit capable of realizing a drive power supply circuit capable of obtaining a high voltage at a high speed with small energy.

上記課題を解決するため、本発明は、容量性負荷としてみなすことができるデバイスに電源回路からの電圧を印加して、前記デバイスを前記電圧で駆動する駆動電源回路において、前記電源回路からの電圧をコイル,ダイオードを介して前記デバイスに印加可能に設け、前記ダイオードと前記デバイスとの間を1つのスイッチング素子を介して接地すると共に、前記スイッチング素子をON・OFF制御する制御手段を設けた駆動電源回路としたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the present invention provides a drive power supply circuit that drives a device with the voltage by applying a voltage from a power supply circuit to a device that can be regarded as a capacitive load. Is provided so that it can be applied to the device via a coil and a diode, and the diode and the device are grounded via a single switching element, and a control means for controlling ON / OFF of the switching element is provided. A power supply circuit is provided.

本発明の構成によれば、小さなエネルギーで高電圧を高速に得ることが可能な駆動電源回路を実現することができる。   According to the configuration of the present invention, it is possible to realize a drive power supply circuit capable of obtaining a high voltage at a high speed with small energy.

以下、この発明の実施の形態にかかる容量性負荷としてみなすことができるデバイスの駆動電圧制御回路を図面に基づいて説明する。
[構成]
図1は、MEMSである平行平面型の静電アクチュエータ1を容量性負荷の一例として概略的に示したものである。この静電アクチュエータ1は、間隔をおいて設けられた導電性の固定部2,2と、この固定部2,2間に配設された方形状で導電性の平面鏡(ミラー)3と、この平面鏡3を固定部2,2に取り付けている軸状で導電性のねじりばね4,4を有する。尚、この固定部2,2の少なくとも一方はアースされている。また、平面鏡3の下方には平面状の下部電極5,6が配設されている。
A device drive voltage control circuit that can be regarded as a capacitive load according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Constitution]
FIG. 1 schematically shows a parallel plane type electrostatic actuator 1 which is a MEMS as an example of a capacitive load. The electrostatic actuator 1 includes conductive fixing portions 2 and 2 provided at intervals, a square and conductive flat mirror (mirror) 3 disposed between the fixing portions 2 and 2, and It has shaft-like and conductive torsion springs 4 and 4 for attaching the plane mirror 3 to the fixing portions 2 and 2. At least one of the fixing portions 2 and 2 is grounded. In addition, planar lower electrodes 5 and 6 are disposed below the plane mirror 3.

ここで、図2に示したように、ねじりばね4,4にトルクが作用していないときには平面鏡3が破線で示した状態となっている。この状態におけるねじりばね4,4の中心線(軸線)Oを通り且つ破線で示した平面鏡3に垂直となる仮想平面7を想定すると、下部電極5,6は仮想平面7の左右に位置させられている。即ち、下部電極5,6は、ねじりばね4,4の中心線の下方の部分を中心に左右に分けて平面鏡3の下方に配設されている。   Here, as shown in FIG. 2, when no torque acts on the torsion springs 4 and 4, the plane mirror 3 is in a state indicated by a broken line. Assuming a virtual plane 7 that passes through the center line (axis) O of the torsion springs 4 and 4 in this state and is perpendicular to the plane mirror 3 indicated by the broken line, the lower electrodes 5 and 6 are positioned on the left and right sides of the virtual plane 7. ing. That is, the lower electrodes 5, 6 are arranged below the plane mirror 3 by dividing the lower electrodes 5, 6 into the left and right with the portion below the center line of the torsion springs 4, 4 as the center.

この初期状態(VR=VL)では、平面鏡3と下部電極5,6は平行になっており、VR<VLの場合はA1の方向に、VR>VLの場合はその逆に平面鏡3が傾くことになる。   In this initial state (VR = VL), the plane mirror 3 and the lower electrodes 5 and 6 are parallel, and the plane mirror 3 is inclined in the direction of A1 when VR <VL, and conversely when VR> VL. become.

また、下部電極5,6と平面鏡3は図3に示したように、容量性負荷としてみなすことができるため、コンデンサCL,CRを構成し、このコンデンサCL,CRには図3に示した駆動電源回路8,8′からの駆動電圧が印加されるようになっている。   Since the lower electrodes 5 and 6 and the plane mirror 3 can be regarded as capacitive loads as shown in FIG. 3, capacitors CL and CR are formed, and the capacitors CL and CR have the driving shown in FIG. A drive voltage from the power supply circuits 8 and 8 'is applied.

この駆動電源回路8は、電圧を増幅する増幅器9と、この増幅器9の出力側に一端が接続されたコイル10と、コイル10の他端にアノード側が接続されたダイオード11と、ダイオード11のカソード側にドレインが接続された1つのFET(スイッチング素子)12を有する。また、このダイオード11のカソード側はコンデンサCLを構成する下部電極5に接続され、1つのFET12のソースはアース(接地)されている。   The drive power supply circuit 8 includes an amplifier 9 for amplifying a voltage, a coil 10 having one end connected to the output side of the amplifier 9, a diode 11 having an anode connected to the other end of the coil 10, and a cathode of the diode 11. One FET (switching element) 12 having a drain connected to the side is provided. The cathode side of the diode 11 is connected to the lower electrode 5 constituting the capacitor CL, and the source of one FET 12 is grounded (grounded).

また、駆動電源回路8′は、駆動電源回路8のダイオード11と同様なダイオード11′を有する。このダイオード11′のカソード側はコンデンサCRを構成する下部電極6に接続されている。尚、駆動電源回路8′は駆動電源回路8と同様に構成されているので、駆動電源回路8に付した符号に「′」を付した符号を付してその説明は省略する。   Further, the drive power supply circuit 8 ′ has a diode 11 ′ similar to the diode 11 of the drive power supply circuit 8. The cathode side of the diode 11 'is connected to the lower electrode 6 constituting the capacitor CR. Since the drive power supply circuit 8 ′ is configured in the same manner as the drive power supply circuit 8, the reference numerals assigned to the drive power supply circuit 8 are denoted by “′” and description thereof is omitted.

そして、この駆動電源回路8,8′は制御回路(制御手段)13により動作制御されるようになっている。   The drive power supply circuits 8 and 8 'are controlled in operation by a control circuit (control means) 13.

この制御回路13は、負荷制御プログラムがインストールされたパソコン14と、パソコン14の制御プログラムにより制御内容が書き込まれるFPGA(Field Programable Gate Array)15と、FPGA15からの制御内容により動作制御されるゲートドライバ16を有する。このゲートドライバ16は、FPGA15からの制御内容に基づいて、駆動電源回路8,8′の1つのFET12,12′のゲートに制御電圧(制御信号)を印加するようになっている。   The control circuit 13 includes a personal computer 14 in which a load control program is installed, an FPGA (Field Programmable Gate Array) 15 in which control content is written by the control program of the personal computer 14, and a gate driver whose operation is controlled by the control content from the FPGA 15. 16 The gate driver 16 applies a control voltage (control signal) to the gates of the FETs 12 and 12 ′ of the drive power supply circuits 8 and 8 ′ based on the control contents from the FPGA 15.

また、制御回路13は、FPGA15からのデジタルの制御内容をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換回路17と、デジタル/アナログ変換回路17からの制御内容に基づいて制御電圧を出力するレベル変換回路18を有する。このレベル変換回路18は、駆動電源回路8,8′の増幅器9,9′に制御電圧を入力する。
[作用]
次に、このような構成の駆動電圧制御回路の作用を説明する。
The control circuit 13 also converts a digital control content from the FPGA 15 into an analog signal, and a level conversion circuit 18 that outputs a control voltage based on the control content from the digital / analog conversion circuit 17. Have The level conversion circuit 18 inputs a control voltage to the amplifiers 9 and 9 'of the drive power supply circuits 8 and 8'.
[Action]
Next, the operation of the drive voltage control circuit having such a configuration will be described.

パソコン14からは、FPGA15に平面鏡3を制御したい角度に応じた電圧データを入力する。このデータはそのままD/A17に伝えられても良いし、またある規則に従った形に変換されてD/A17に伝えられても良い。   From the personal computer 14, voltage data corresponding to an angle at which the plane mirror 3 is desired to be controlled is input to the FPGA 15. This data may be transmitted to the D / A 17 as it is, or may be converted into a form according to a certain rule and transmitted to the D / A 17.

FPGA15はパソコン14からのデータを受け取ったあとに、又は変換開始の命令を受けたあとに、図4にあるt1のタイミングでD/A17のデータをデータCD1に更新し、t2−t3のタイミングで書き込み命令を出力する。   After receiving the data from the personal computer 14 or receiving the conversion start command, the FPGA 15 updates the data of the D / A 17 to the data CD1 at the timing t1 in FIG. 4, and at the timing t2 to t3. Output a write command.

レベル変換回路18では、D/A17の出力に従いあるBias Levelに対して対称となる信号V1とV2を生成する。   The level conversion circuit 18 generates signals V1 and V2 that are symmetric with respect to a certain bias level according to the output of the D / A 17.

FPGA15は、レベル変換回路18の変換時間を考慮したt4−t6のスイッチタイミング信号をゲートドライバ16に出力する。   The FPGA 15 outputs a t4-t6 switch timing signal to the gate driver 16 in consideration of the conversion time of the level conversion circuit 18.

これはt5の状態がt4−t6の間の前半部分に来るようにすることで、チャージアップで作られる電圧値の安定度を上げることが出来る。   This is because the stability of the voltage value created by the charge-up can be increased by setting the state of t5 to be in the first half between t4 and t6.

このt4−t6の間に負荷としてのコンデンサCL,CRのクリアと、コイル10,10’へのエネルギーチャージが行われる。   During the period from t4 to t6, the capacitors CL and CR as loads are cleared and the coils 10 and 10 'are charged with energy.

実験機では350nsec程度の時間を必要としているが、コイルやコンデンサの容量の関係で変化する。   The experimental machine requires a time of about 350 nsec, but varies depending on the capacity of the coil and capacitor.

スイッチングの終了したt6からt7にかけて、コイルにチャージされたエネルギーがコンデンサCL,CRに移動し、出力電圧VL,VRが発生する。   From t6 to t7 when switching ends, the energy charged in the coil moves to the capacitors CL and CR, and output voltages VL and VR are generated.

さらに、図4の波形では、CD2としてt8以後は平面鏡3を平行状態にする場合を示しているので、V1,V2が共にBias Levelになり、出力電圧VL,VRもBias Levelになっている。   Furthermore, since the waveform of FIG. 4 shows a case where the plane mirror 3 is set in a parallel state after t8 as CD2, V1 and V2 are both Bias Level, and the output voltages VL and VR are also Bias Level.

このCD2ではVR=VLになるので平面鏡3は破線位置に復帰し、平行状態となる。
(変形例)
また、図5に示したように、駆動電源回路8のFET12のドレインとコンデンサCLの下部電極5との間にバッファー回路20を介装し、駆動電源回路8′のFET12′のドレインとコンデンサCRの下部電極6との間にバッファー回路20′を介装した構成としてもよい。
In this CD2, VR = VL, so that the plane mirror 3 returns to the position of the broken line and is in a parallel state.
(Modification)
Further, as shown in FIG. 5, a buffer circuit 20 is interposed between the drain of the FET 12 of the drive power supply circuit 8 and the lower electrode 5 of the capacitor CL, and the drain of the FET 12 'of the drive power supply circuit 8' and the capacitor CR. A buffer circuit 20 ′ may be interposed between the lower electrode 6 and the lower electrode 6.

このバッファー回路20,20′は、コンデンサC1,C1′に入力された電圧がそのまま出力されるプッシュプル型のアンプとみなすことが出来る。このため、コンデンサC1,C1′を負荷とみなすことで図3の構成と同じ効果を得ることが出来る。   The buffer circuits 20 and 20 ′ can be regarded as push-pull amplifiers that output the voltages input to the capacitors C1 and C1 ′ as they are. For this reason, the same effect as the structure of FIG. 3 can be acquired by regarding capacitor | condenser C1, C1 'as a load.

以上説明したように、この発明の実施の形態の駆動電源回路(8,8′)は、容量性負荷としてみなすことができるデバイス(コンデンサCL,CR)に電源回路からの電圧を印加して、前記デバイス(コンデンサCL,CR)を前記電圧で駆動するようになっている。しかも、前記電源回路からの電圧をコイル(10,10′),ダイオード(11,11′)を介して前記デバイス(コンデンサCL,CR)に印加可能に設け、前記ダイオード(11,11′)と前記デバイス(コンデンサCL,CR)との間を1つのスイッチング素子(FET12,12′)を介して接地すると共に、前記スイッチング素子(FET12,12′)をON・OFF制御する制御手段(制御回路13)を設けている。   As described above, the drive power supply circuit (8, 8 ') according to the embodiment of the present invention applies the voltage from the power supply circuit to the devices (capacitors CL, CR) that can be regarded as capacitive loads, The device (capacitors CL and CR) is driven by the voltage. In addition, the voltage from the power supply circuit can be applied to the devices (capacitors CL, CR) via the coils (10, 10 ') and diodes (11, 11'), and the diodes (11, 11 ') The device (capacitors CL, CR) is grounded via one switching element (FET12, 12 '), and control means (control circuit 13) controls the switching element (FET12, 12') ON / OFF. ).

この構成によれば、小さなエネルギーで高電圧を高速に得ることができる。   According to this configuration, a high voltage can be obtained at high speed with small energy.

以上、MEMSである静電アクチュエータ1を容量性負荷の一例として説明したが、上述した駆動電源回路で制御される容量性負荷はこれに限定されるものではない。例えば、上述した駆動電源回路は、その他ピエゾ駆動装置、電気光学変調器などの容量性負荷を電圧で駆動する駆動装置にも適用することができる。   The electrostatic actuator 1 that is a MEMS has been described as an example of the capacitive load. However, the capacitive load controlled by the drive power supply circuit described above is not limited to this. For example, the drive power supply circuit described above can be applied to other drive devices that drive capacitive loads such as piezoelectric drive devices and electro-optic modulators with voltage.

この発明に係る駆動電源回路で駆動される容量性負荷の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the capacitive load driven with the drive power supply circuit which concerns on this invention. 図1のB1−B1線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the B1-B1 line | wire of FIG. 図1,図2の容量性負荷の駆動電圧制御回路の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a drive voltage control circuit for the capacitive load of FIGS. 1 and 2. 図3の駆動電圧制御回路による動作説明のタイムチャートである。It is a time chart of operation | movement description by the drive voltage control circuit of FIG. 図1,図2の容量性負荷の駆動電圧制御回路図の他の例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing another example of a drive voltage control circuit diagram of the capacitive load of FIGS. 1 and 2.

符号の説明Explanation of symbols

8,8′・・・駆動電源回路
VL,VR・・・コンデンサ(容量性負荷、デバイス)
10,10′・・・コイル
11,11′・・・ダイオード
12,12′・・・FET(スイッチング素子)
13・・・制御回路(制御手段)
8, 8 '... drive power supply circuit VL, VR ... capacitor (capacitive load, device)
10, 10 '... coil 11, 11' ... diode 12, 12 '... FET (switching element)
13 ... Control circuit (control means)

Claims (1)

容量性負荷としてみなすことができるデバイスに電源回路からの電圧を印加して、前記デバイスを前記電圧で駆動する駆動電源回路において、
前記電源回路からの電圧をコイル,ダイオードを介して前記デバイスに印加可能に設け、前記ダイオードと前記デバイスとの間を1つのスイッチング素子を介して接地すると共に、前記スイッチング素子をON・OFF制御する制御手段を設けたことを特徴とする駆動電源回路。
In a drive power supply circuit that applies a voltage from a power supply circuit to a device that can be regarded as a capacitive load, and drives the device with the voltage,
A voltage from the power supply circuit is provided to be able to be applied to the device via a coil and a diode, and the diode and the device are grounded via a single switching element, and the switching element is ON / OFF controlled. A drive power supply circuit comprising a control means.
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