JP2013014084A - 圧電素子駆動回路、および流体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子を高い繰り返し周波数で駆動した場合でも圧電素子の本来の変形量を確保可能な小型の駆動回路を提供する。
【解決手段】圧電素子に印加すべき駆動信号の基準となる駆動波形信号を電力増幅して、コイルを通した後の駆動信号を圧電素子に印加する。コイルと圧電素子によって共振回路が形成されるが、駆動信号に位相進み補償をかけて負帰還させることによって共振ピークを抑制する。このときピークの抑制の程度を調整して少しだけ逆電圧を発生させる。こうすれば、圧電素子の残留歪みを逆電圧によって解消することができるので、高い繰り返し周波数で駆動した場合でも本来の変形量を確保できる。また、回路が複雑となることもない。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧電素子を駆動する技術に関する。

ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電素子は、正電圧を印加すると伸張し、正電圧を取り除くと収縮する特性（いわゆる圧電特性）を有している。この特性を利用すれば、駆動電圧を印加することによって高い反応速度で応答し、しかも小型で且つ大きな力を発生するアクチュエーターを構成することが可能である。このため圧電素子は、インクジェットプリンターに代表される流体噴射装置のアクチュエーターとして組み込まれるなど、工業的に広く利用されている。

また圧電素子には、例えば正電圧を印加して伸張させた後、その電圧を取り除いて収縮させた時に残留歪みが発生するという性質がある。この残留歪みは、電圧を取り除いた状態で暫く放置すれば解消されるが、残留歪みが残った状態で再び正電圧を印加すると、残留歪みの分だけ圧電素子の伸張量が減少するので、本来の圧電素子の能力を十分に発揮させることができない。同様なことは、負電圧を印加して圧電素子を収縮させるような使い方をした場合にも当て嵌まる。

そこで、圧電素子に印加した正電圧を取り除くだけでなく、続いて負電圧を印加することによって残留歪みを速やかに解消し、その結果、高い繰り返し周波数で電圧を印加した場合でも、圧電素子の本来の変形量が確保できるようにした技術が提案されている（特許文献１）。

特開２００６−２３１９２８号公報

しかし、上述した従来の技術では、圧電素子を変形させるための電圧を発生する電源の他に、残留歪みを解消するための低い電圧を発生する電源が別途必要となるため、圧電素子の駆動回路が大型化してしまうという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、圧電素子を高い繰り返し周波数で駆動した場合でも圧電素子の本来の変形量を確保しながら、圧電素子の駆動回路が大型化することを回避可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の圧電素子駆動回路は次の構成を採用した。すなわち、
圧電素子に対して所定の駆動信号を印加することによって、該圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路であって、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を出力する駆動波形信号出力回路と、
前記駆動波形信号と、前記圧電素子に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、
電源から電力の供給を受けて前記誤差信号を電力増幅することによって、前記電源の発生する電源電圧と該電源のグランド電圧との間で電圧が変化する電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、
前記電力増幅回路と前記圧電素子とを接続して、該電力増幅回路からの前記電力増幅信号を前記駆動信号として該圧電素子に供給する誘導性素子と、
前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませる補償である位相進み補償を行った信号を前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路と
を備え、
前記位相進み補償回路は、前記圧電素子に印加される前記駆動信号の最低電圧が、前記電源のグランド電圧よりも低い電圧となる回路である
ことを特徴とする。

こうした構成を有する本発明の圧電素子駆動回路においては、次のようにして圧電素子に駆動信号を印加する。先ず、駆動信号の基準となる駆動波形信号と、実際に圧電素子に印加された駆動信号から生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する。次に、誤差信号を電力増幅することによって、電源電圧と電源のグランド電圧との間で電圧が変化する電力増幅信号を生成する。そして、この電力増幅信号を、誘導性素子を介して圧電素子に供給することによって、圧電素子に駆動信号を印加する。誘導性素子は、圧電素子と組み合わされることによって共振回路が形成されるので、誘導性素子に印加される駆動信号に対して位相を進ませる補償（位相進み補償）を行った後、得られた信号を帰還信号として演算回路に負帰還させることによって、誘導性素子と圧電素子との間の共振特性を抑制する。但し、位相進み補償回路の特性を調整することによって（例えば、位相進み補償回路をＲＣ微分回路によって構成する場合は、回路の抵抗値あるいはコンデンサーのキャパシタンスの少なくとも一方を調整することによって）、共振特性を完全に抑制してしまうのではなく、圧電素子に印加される駆動信号の最低電圧が初期状態の電圧（電源のグランド電圧）よりも低い電圧となるように、共振特性を抑制する。

こうすれば、駆動信号の初期状態の電圧（電源のグランド電圧）よりも低い電圧を発生させる電源を用いなくても、駆動信号の最低電圧を、初期状態の電圧よりも低い電圧とすることができ、圧電素子に発生する残留歪みを小さくすることができる。このため、駆動回路が大型化することがない。そして、圧電素子に発生する残留歪みを小さくすることができるので、高い繰り返し周波数で圧電素子を駆動した場合でも、残留歪みによる影響をあまり受けることなく圧電素子を駆動することが可能となる。また、残留歪みが小さくなる分だけ、効率よく圧電素子を駆動することが可能となる。

また、上述した本発明の圧電素子駆動回路においては、圧電素子に印加される駆動信号の最低電圧とグランド電圧との電圧差が、駆動信号の最高電圧（圧電素子の変形量が最も大きくなる電圧）とグランド電圧との電圧差の１〜２割の値となるように、位相進み補償回路の特性を調整してもよい。

種々の条件で実験を行った結果、圧電素子の変形後に生じる残留歪みの大きさは、最も大きく変形した時の変形量の１〜２割となることが見いだされた。この変形量の最大値は、圧電素子に印加される駆動信号の初期状態の電圧（電源のグランド電圧）と、駆動信号の最高電圧との電圧差によって決まるから、この電圧差の１〜２割程度だけ、初期状態の電圧よりも低くしてやれば、圧電素子の残留歪みをほぼ解消することができる。このことから、駆動信号の最低電圧とグランド電圧との電圧差が、駆動信号の最高電圧とグランド電圧との電圧差の１〜２割の値となるように、位相進み補償回路の特性を調整しておけば、圧電素子に生じる残留歪みをほとんど解消できるので、圧電素子の本来の変形量を確保することが可能となる。

また、上述した本発明の圧電素子駆動回路においては、圧電素子に対して並列に接続された容量性素子を更に備えることとしてもよい。

上述したように、本発明の圧電素子駆動回路は、誘導性素子と圧電素子との間に発生する共振現象を利用することによって、圧電素子に印加される駆動信号の最低電圧が初期状態の電圧（電源のグランド電圧）よりも低い電圧としている。従って、こうした効果が得られるのは、共振回路の共振周波数の周辺の周波数範囲となる。ここで、共振周波数は誘導性素子のインダクタンスと圧電素子のキャパシタンスとによって決定されるが、圧電素子のキャパシタンスは、圧電素子の大きさや特性などによってある程度まで決まってしまう。従って、望ましい共振周波数を得るためには誘導性素子のインダクタンスを調整しなければならず、大きな誘導性素子が必要になってしまう場合も起こり得る。このような場合には、圧電素子に対して容量性素子（コンデンサーなど）を並列に接続することで、圧電素子のキャパシタンスはそのままでも、誘導性素子からは、圧電素子と容量性素子との合成キャパシタンスを有する容量性の負荷が接続されることと同じとなる。このため、大きな誘導性素子を搭載することを必須としないため、圧電素子駆動回路を小型化できる。

また、上述した本発明の圧電素子駆動回路においては、次のような電力増幅回路を搭載しても良い。すなわち、演算回路によって得られた誤差信号をパルス変調することによって変調信号を生成する変調回路と、電源から電力の供給を受けて変調信号をデジタル電力増幅することによって、電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路を備えた電力増幅回路を搭載しても良い。

こうした電力増幅回路を有する本発明の圧電素子駆動回路においては、誤差信号をパルス変調することによって変調信号を生成し、得られた変調信号を電力増幅することによって、電源電圧と電源のグランド電圧との間で電圧値が切り換わるパルス波状の電力増幅信号を生成する。ここで、デジタル電力増幅回路は、電源にプッシュ・プル接続されたオン抵抗の低い２つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えてパルス波状のままデジタル電力増幅しているため、誤差信号をアナログ波形のままアナログ電力増幅する場合に比べて電力損失を大幅に抑制することが可能である。また、上述したように、本発明の圧電素子駆動回路は、誘導性素子と圧電素子との間に発生する共振現象を利用しているが、この共振周波数以上の周波数領域では減衰特性を有した平滑フィルターを構成することになる。つまり、変調回路における変調周波数をこの共振周波数（もしくは遮断周波数）より十分に高く設定することで、電力増幅信号の変調成分が取り除かれて、電力増幅された信号成分（駆動波形信号の信号成分）を駆動信号として圧電素子に印加することが可能となる。

また、上述したように本発明の圧電素子駆動回路は、圧電素子を高い繰り返し周波数で駆動した場合でも、残留歪みの影響をほとんど受けることなく圧電素子を駆動することが可能であり、しかも回路を小型化できる。従って、圧電素子を駆動することによって流体を噴射する流体噴射装置に好適に適用することが可能であり、本発明は、流体噴射装置としての態様で把握することも可能である。すなわち、
流体が流入する流体室と、前記流体室を変形させる圧電素子と、前記流体室に流入された流体を噴射する噴射ノズルとを有する脈動発生部とを備え、
上述した本願発明の圧電素子駆動回路から出力された前記駆動信号を前記圧電素子に印加することによって、前記流体室に流入した流体が前記噴射ノズルから噴射される流体噴射装置として把握することも可能である。

このような本発明の流体噴射装置では、高い繰り返し周波数で圧電素子を駆動した場合でも、残留歪みによる影響を受けることなく圧電素子の変形量を十分に確保することができる。このため、噴射ノズルから高い繰り返し周波数で流体を噴射した場合でも、噴射量が安定した流体噴射装置を提供できる。

本実施例の圧電素子駆動回路を搭載した流体噴射装置を例示した説明図である。 本実施例の圧電素子駆動回路の回路構成を示した説明図である。 圧電素子の残留歪みによって圧電素子の実質的な変位が小さくなる様子を示した説明図である。 圧電素子に発生する残留歪みを、印加する電圧と圧電素子の変位とによって規定される平面上で表した説明図である。 本実施例の圧電素子駆動回路の周波数応答特性を解析するためのブロック線図である。 本実施例の圧電素子駆動回路の周波数応答特性を示すボード線図である。 本実施例の圧電素子駆動回路の動作を例示した説明図である。 本実施例の圧電素子駆動回路を用いて圧電素子を駆動した場合を例示した説明図である。 本実施例の圧電素子駆動回路を用いて駆動した圧電素子の挙動を、印加する電圧と圧電素子の変位とによって規定される平面上で表した説明図である。 変形例の圧電素子駆動回路の一部を示した説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．圧電素子駆動回路の回路構成：
Ｃ．圧電素子駆動回路の動作：
Ｄ．変形例：

Ａ．装置構成 ：
図１は、本実施例の圧電素子駆動回路２００を搭載した流体噴射装置１００の構成を示した説明図である。図示されているように流体噴射装置１００は、大きく分けると、流体を噴射する噴射ユニット１１０と、噴射ユニット１１０から噴射される流体を噴射ユニット１１０に向けて供給する流体供給手段１２０と、噴射ユニット１１０および流体供給手段１２０の動作を制御する制御ユニット１３０などから構成されている。

噴射ユニット１１０は、金属製の第１ケース１１４と、金属製の第２ケース１１３とを重ねた構造となっており、第２ケース１１３の前面には円管形状の流体噴射管１１２が立設され、流体噴射管１１２の先端にはノズル１１１が挿着されている。第２ケース１１３と第１ケース１１４との合わせ面には、円板形状の流体室１１５が形成されており、流体室１１５は、流体噴射管１１２を介してノズル１１１に接続されている。また、第１ケース１１４の内部には、積層型の圧電素子１１６が設けられている。流体供給手段１２０は、噴射しようとする流体（水、生理食塩水、薬液など）が貯められた流体容器１２３から、第１接続チューブ１２１を介して流体を吸い上げた後、第２接続チューブ１２２を介して噴射ユニット１１０の流体室１１５内に供給する。このため、流体室１１５は流体で満たされている。

そして、制御ユニット１３０から駆動信号を圧電素子１１６に印加すると、圧電素子１１６が伸張して流体室１１５が押し縮められ、その結果、流体室１１５内の流体が、ノズル１１１からパルス状に噴射される。また、駆動信号の印加を停止すると（駆動信号の電圧を初期状態の電圧に戻すと）圧電素子１１６が収縮して、押し縮められていた流体室１１５が元の形状まで復元する。もっとも圧電素子１１６は、駆動信号の印加を停止すると直ちに元の状態まで収縮するわけではない。詳細には後述するが、駆動信号の印加を停止してから暫くの間は、圧電素子１１６に若干（伸張量の１〜２割程度）の残留歪みが発生する。そして残留歪みが発生した状態で駆動信号を印加すると、残留歪みの分だけ圧電素子１１６の伸張量が少なくなるので、ノズル１１１から噴射される流体量が減少する。駆動信号の印加を停止した後に、更に低い電圧を印加すれば圧電素子１１６の残留歪みを解消することもできるが、そのために別電源を用いたのでは、制御ユニット１３０が大きくなってしまう。そこで、圧電素子１１６の残留歪みを、別電源を用いることなく解消するために、本実施例の制御ユニット１３０内には、以下に説明するような圧電素子駆動回路２００が搭載されている。

Ｂ．圧電素子駆動回路の回路構成 ：
図２は、本実施例の圧電素子駆動回路２００の回路構成を示した説明図である。図示されているように、圧電素子駆動回路２００は大きく分けると、駆動信号の基準となる駆動波形信号（以下、ＷＣＯＭ）を出力する駆動波形信号発生回路（駆動波形信号出力回路）２１０と、駆動波形信号発生回路２１０から受け取ったＷＣＯＭと後述する帰還信号（以下、ｄＣＯＭ）とに基づいて誤差信号（以下、ｄＷＣＯＭ）を出力する演算回路２２０と、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭを電力増幅して電力増幅信号（以下、Ｖｓ）を生成する電力増幅回路２３５と、電力増幅回路２３５からＶｓを受け取って、駆動信号（以下、ＣＯＭ）として噴射ユニット１１０の圧電素子１１６に供給するコイル２５０（誘導性素子）と、コイル２５０から圧電素子１１６に供給されたＣＯＭに対して位相を進ませる補償を加えて、ｄＣＯＭ（帰還信号）を生成する位相進み補償回路２７０とを備えている。ここで、電力増幅回路２３５は、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭをパルス変調して変調信号（以下、ＭＣＯＭ）に変換する変調回路２３０と、変調回路２３０からのＭＣＯＭを電力増幅して電力増幅信号（Ｖｓ）を生成するデジタル電力増幅回路２４０とを備えている。

このうち、駆動波形信号発生回路２１０は、ＷＣＯＭのデータを記憶した波形メモリーや、Ｄ／Ａ変換器を備えており、波形メモリーから読み出したデータをＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換することによって、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）を生成する。生成されたＷＣＯＭは、演算回路２２０の非反転入力端子に入力される。また、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）は演算回路２２０の反転入力端子に入力される。その結果、ＷＣＯＭとｄＣＯＭとの差分に相当する信号が、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として演算回路２２０から出力される。

続いて、変調回路２３０は、ｄＷＣＯＭを一定周期の三角波（以下、Ｔｒｉ）と比較して、ｄＷＣＯＭの方が大きければ高電圧状態、ｄＷＣＯＭの方が小さければ低電圧状態となるようなパルス波状のＭＣＯＭ（変調信号）を生成する。そして、得られたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅回路２４０に入力される。デジタル電力増幅回路２４０は、電源と、電源にプッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）と、これらスイッチ素子を駆動するゲートドライバーとを備えている。ＭＣＯＭが高電圧状態の場合は、電源側（ハイサイド側）のスイッチ素子がＯＮ状態になり、ローサイド側のスイッチ素子がＯＦＦ状態になって、電源の発生する電圧（電源電圧Ｖｄｄ）がＶｓとして出力される。また、ＭＣＯＭが低電圧状態の場合は、ハイサイド側のスイッチ素子がＯＦＦ状態になり、ローサイド側のスイッチ素子がＯＮ状態になって電源のグランド電圧ＧＮＤがＶｓとして出力される。従って、パルス波状に変化するＭＣＯＭを、電源電圧Ｖｄｄとグランド電圧ＧＮＤとの間でパルス波状に変化するＶｓに電力増幅できる。

また、この電力増幅では、電源にプッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えており、ＯＮ状態のスイッチ素子に電流が流れるが、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）のオン抵抗は非常に低いため、スイッチでの損失はほとんど発生しない。このため、誤差信号をアナログ波形のままアナログ電力増幅する場合に比べて電力損失を大幅に抑制することが可能である。その結果、電力効率の向上による省電力化が可能となるだけでなく、放熱のために大きなヒートシンクを設ける必要もなくなるので、回路を小型化することも可能となる。

こうして電力増幅されたＶｓ（電力増幅信号）を、コイル２５０を通した後、ＣＯＭ（駆動信号）として圧電素子１１６に印加する。詳細には後述するが、コイル２５０は、圧電素子１１６のキャパシタンスと組み合わされることによって平滑フィルター２６０を構成しており、変調回路２３０の変調周波数をこの平滑フィルター２６０の遮断周波数よりも高く設定することで、Ｖｓ中の変調成分が平滑フィルター２６０によって減衰し、Ｖｓの中の信号成分が取り出されてＣＯＭとして復調される。

また、圧電素子駆動回路２００は、圧電素子１１６に印加されるＣＯＭが負帰還されているため、フィードバック制御系となっているが、コイル２５０を通過したＣＯＭは、平滑フィルター２６０の位相特性によって、ＷＣＯＭに対して位相が遅れている。そこで、ＣＯＭを単純に負帰還させるのではなく、コンデンサーＣｈと抵抗Ｒｈとによって構成された位相進み補償回路２７０を通して位相を進ませる補償を行い、得られた信号をｄＣＯＭとして演算回路２２０の反転入力端子に入力することによって負帰還させている。

Ｃ．圧電素子駆動回路の動作 ：
以上のような構成を有する本実施例の圧電素子駆動回路２００は、残留歪みを解消するための別電源を備えていないにも拘わらず、圧電素子１１６に生じる残留歪みを速やかに解消することができるという優れた特性を有している（詳細には後述する）。その結果、回路の大型化あるいは複雑化を招くことなく、高い繰り返し周波数で（すなわち短い時間間隔で）圧電素子１１６を駆動することが可能となる。以下では、こうした優れた特性が得られる理由を説明するが、その準備として、圧電素子１１６に生じる残留歪みによって圧電素子１１６の実質的な変形量が少なくなってしまう現象について簡単に説明する。

図３は、ある波形の駆動信号を繰り返し圧電素子１１６に印加したときの、圧電素子１１６の変位を示した説明図である。図中に実線で示した波形は駆動信号を表しており、破線で示した波形は、駆動信号が印加されることによって生じる圧電素子１１６の変位を表している。尚、圧電素子１１６の変位とは、駆動信号が印加される前（初期状態）の長さを基準とした圧電素子１１６の変形量を意味している。また、横軸は時間の経過を表している。

図中に示した時点Ａから時点Ｂにかけて、駆動信号の電圧を、初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂに増加させると、圧電素子１１６が変形（伸張）して変位がＬａになる。その後、図中の時点Ｂから時点Ｃにかけて、駆動信号の電圧を電圧Ｖｂから電圧Ｖａに戻しても、圧電素子１１６の変位は完全には元に戻らずに、ｄＬの残留歪みが発生する。この残留歪みは、図３中に破線で示したように時間の経過とともに小さくなるが、残留歪みが完全には解消していない時点Ｄから、駆動信号の電圧を電圧Ｖａから電圧Ｖｂに増加させると、電圧が電圧Ｖｂに達した時点での圧電素子１１６の変位はＬａとなる。すなわち、時点Ｄからの変形量は、残留歪みの分だけ小さくなる。換言すれば、残留歪みが残るような条件（例えば高い繰り返し周波数で駆動するなどの条件）で圧電素子１１６を駆動すると、印加する電圧の変化量に応じて本来得られる筈の変形量が、残留歪みの分だけ少なくなる。

図４は、圧電素子１１６に残留歪みが発生する様子を、圧電素子１１６に印加する電圧と、圧電素子１１６の変位とによって規定される平面上で表した説明図である。図４（ａ）に示されるように、圧電素子１１６に印加する電圧を初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂに増加させると、図中に示した経路（１）を通って、圧電素子１１６の変位がＬａまで増加する。続いて、圧電素子１１６に印加する電圧を減少させると、圧電素子１１６の変位も図中の経路（２）を通って減少するが、初期状態の電圧Ｖａに戻しても、ｄＬの残留歪みが残ってしまう。この残留歪みｄＬは、初期状態の電圧Ｖａを保持していると時間の経過とともに減少するが、残留歪みが残ったまま、再び電圧を電圧Ｖｂまで増加させると、圧電素子１１６の変位は、図４（ａ）中に示した経路（３）を通ってＬａまで増加する。このように、圧電素子１１６に対して連続的に繰り返し駆動信号を印加すると、圧電素子１１６の変位は経路（３）を通って増加した後に経路（２）を通って減少することになって、圧電素子１１６の実質的な変位量が残留歪みの分だけ少なくなる。その結果、図１に示した流体噴射装置１００では、流体の噴射量が減少してしまう。

もちろん、圧電素子１１６の電圧を初期状態の電圧Ｖａに戻した後、残留歪みが解消するまで電圧Ｖａを保持すれば、圧電素子１１６の実質的な変位量が少なくなることを回避できる。しかし、図４（ｂ）に示すように、残留歪みｄＬがほぼ解消するまでには１秒程度の時間が必要となるので、高い繰り返し周波数で圧電素子１１６を駆動することができなくなる。これを避けようとすると、初期状態の電圧Ｖａよりも低い電圧を印加することで圧電素子１１６の残留歪みを打ち消す必要があり、そのためには、別途電源が必要となるので駆動回路が大型化および複雑化するという問題があった。

これに対して、図２に示す構成を有する本実施例の圧電素子駆動回路２００では、比較的簡単な回路構成でありながら、残留歪みの影響を受けることなく、高い繰り返し周波数で圧電素子１１６を駆動することが可能となる。以下では、圧電素子駆動回路２００の動作について説明する。

図５は、本実施例の圧電素子駆動回路２００の周波数応答特性を解析するためのブロック線図である。先ず、駆動波形信号発生回路２１０からのＷＣＯＭ（駆動波形信号）は、演算回路２２０で位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）が減算されて、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）を生成する。このｄＷＣＯＭは、変調回路２３０でＭＣＯＭ（変調信号）に変換された後、デジタル電力増幅回路２４０で増幅されてＶｓ（電力増幅信号）に変換され、平滑フィルター２６０で復調されてＣＯＭ（駆動信号）として出力される。出力されたＣＯＭは、位相進み補償回路２７０で位相進み補償が施された後、ｄＣＯＭとしてＷＣＯＭに対して負帰還されることによって、全体としてフィードバック制御系を構成している。

ここで、コイル２５０のインダクタンスをＬ、圧電素子１１６のキャパシタンスをＣｐとすると、平滑フィルター２６０の伝達関数Ｆ（ｓ）は、図５（ｂ）に示した式で与えられる。また、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）は、図５（ｃ）に示した式で与えられる。ここで、Ｃｈは、位相進み補償回路２７０を構成するコンデンサーのキャパシタンスを表しており、Ｒｈは位相進み補償回路２７０を構成する抵抗の抵抗値を表している。従って、圧電素子駆動回路２００の全体の伝達関数Ｈ（ｓ）は、デジタル電力増幅回路２４０で電力増幅する際のゲインをＧとすると、図５（ｄ）に示した式で与えられる。

図６は、圧電素子駆動回路２００の全体の伝達関数Ｈ（ｓ）の周波数応答特性を表すボード線図である。図６（ａ）にはゲイン線図が示されており、図６（ｂ）には位相線図が示されている。また、ゲイン線図および位相線図には、圧電素子駆動回路２００全体の伝達関数Ｈ（ｓ）の特性に加えて、電力増幅回路２３５を含めた平滑フィルター２６０の伝達関数Ｇ・Ｆ（ｓ）の特性や、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）の特性も示されている。

図６（ａ）のゲイン線図中に破線で示されているように、コイル２５０のインダクタンスは、圧電素子１１６（圧電素子）のキャパシタンスと共に共振回路を形成するので、図中に示された計算式で定まる共振周波数ｆ０の付近で、ゲインの鋭いピークが現れる。そこで、ＣＯＭを負帰還させることによってピークを抑制する。但し、図６（ｂ）に示されるように、平滑フィルター２６０の位相特性によって、ＣＯＭは共振周波数ｆ０よりも高い周波数領域で位相が１８０度遅れるから、ＣＯＭをそのまま負帰還させたのでは制御ユニット１３０が不安定となる虞がある。そこで、図６中に一点鎖線で示した特性の位相進み補償回路２７０を用いて位相を進ませる補償を行った後、ｄＣＯＭ（帰還信号）として負帰還させる。こうすれば、制御ユニット１３０を不安定にすることなく、ＣＯＭを負帰還させることが可能となり、その結果、図６（ａ）中に実線で示したようにゲイン線図に現れるピークを抑制することが可能となる。

ここで、本実施例の圧電素子駆動回路２００では、ゲインのピークを完全に抑制するのではなく、＋１ｄＢ（約１．２５倍）以上のピークを残している。このため、共振周波数ｆ０の周辺の周波数領域では、電力増幅回路２３５のゲインＧよりも少なくとも＋１ｄＢ（約１．２５倍）以上の大きなゲインが得られるようになる。本実施例の圧電素子駆動回路２００では、この特性を利用して、圧電素子１１６の残留歪みを解消する。

図７は、本実施例の圧電素子駆動回路２００の動作を例示した説明図である。図７（ａ）には、演算回路２２０が、駆動波形信号発生回路２１０からのＷＣＯＭ（駆動波形信号）と、補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）とを受け取って、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）を出力する様子が示されている。こうして出力されたｄＷＣＯＭは、変調回路２３０に入力されて、一定周期のＴｒｉ（三角波信号）と比較される。図７（ｂ）には、変調回路２３０で比較されるｄＷＣＯＭとＴｒｉとが示されている。変調回路２３０は、二つの信号を比較して、ｄＷＣＯＭの方が大きいときには高電圧状態となり、Ｔｒｉの方が大きいときには低電圧状態となるような、図７（ｃ）に示したＭＣＯＭ（変調信号）を生成して、デジタル電力増幅回路２４０に向けて出力する。デジタル電力増幅回路２４０では、ＭＣＯＭを、デジタル電力増幅回路２４０の電源が発生する電圧（電源電圧Ｖｄｄ）と、電源のグランド電圧ＧＮＤとの間で電圧が切り換わるＶｓ（電力増幅信号）に電力増幅して、コイル２５０に出力する。すると、コイル２５０に入力されたＶｓは、図６（ａ）に示したゲイン特性に従って、ＣＯＭ（駆動信号）に変換されて、圧電素子１１６に印加される。

ここで、図６（ａ）を用いて前述したように、圧電素子駆動回路２００の全体の伝達関数Ｈ（ｓ）は、コイル２５０のインダクタンスＬと、圧電素子１１６のキャパシタンスＣｐとによって決まる共振周波数ｆ０の付近でゲインが増加している。このため、ＣＯＭはＶｓの電圧範囲（電源のグランド電圧ＧＮＤ〜電源電圧Ｖｄｄ）に対して若干のオーバーシュートおよびアンダーシュートが発生する。このことは、図７（ａ）に示したＷＣＯＭの波形と、図７（ｄ）のＣＯＭの波形とを比べると明確になる。すなわちＷＣＯＭは、図７（ａ）に示したように初期状態の電圧から増加して、再び初期状態の電圧まで低下しているが、ＣＯＭは、初期状態の電圧から増加して、電圧が低下したときに初期状態の電圧よりも低い電圧まで低下しており、アンダーシュートが発生している。また、ＷＣＯＭとの比較からでは必ずしも明確では無いが、ＣＯＭは、初期状態の電圧から増加した際にもオーバーシュートが発生している。そして、このようなＣＯＭ（特に、アンダーシュートを伴うＣＯＭ）を用いて圧電素子１１６を駆動してやれば、圧電素子１１６に生じる残留歪みを速やかに解消して、高い繰り返し周波数でＣＯＭを印加することが可能となる。以下、この点について詳しく説明する。

図８は、アンダーシュートを伴うＣＯＭを圧電素子１１６に繰り返し印加したときの、圧電素子１１６の変位を示した説明図である。図中に実線で示した波形はＣＯＭを表している。図示されるようにＣＯＭは、初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂまで増加した後、電圧Ｖａよりも低い最低電圧Ｖ０まで低下し、その後は、電圧Ｖａの上下を振動しながら速やかに短時間で減衰する。ここで、ＣＯＭの振動が短時間で減衰するのは、本実施例の圧電素子駆動回路２００が、ＣＯＭに位相進み補償を行って負帰還させていることによる。また、図中に破線で示した波形は、このようなＣＯＭに対応して生じる圧電素子１１６の変位を表している。更に、図８の横軸は時間の経過を表している。

図中に示した時点Ａから時点Ｂにかけて、ＣＯＭを初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂに増加させると、圧電素子１１６の変位はＬａまで増加する。続いて、ＣＯＭを減少させると、図中に示した時点Ｃでは、初期状態の電圧Ｖａを通り越して、電圧ＶａよりもｄＶだけ低い電圧（最低電圧Ｖ０）まで減少する。図中に破線で示されるように、ＣＯＭが初期状態の電圧Ｖａまで戻った時点では圧電素子１１６には残留歪みが発生しているが、その状態から更に最低電圧Ｖ０までＣＯＭが減少することによって、残留歪みはほとんど解消される。その後は、ＣＯＭに生じる残留振動に伴って圧電素子１１６の変位も多少は変動するが、ＣＯＭの残留振動が短時間で減衰して初期状態の電圧Ｖａに落ち着くと、圧電素子１１６の変位もほぼ初期状態に復帰する。こうして圧電素子１１６の変位がほぼ初期状態に復帰した後は、再びＣＯＭを圧電素子１１６に印加することで、残留歪みの影響を受けることなく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。尚、最低電圧Ｖ０は、初期状態の電圧Ｖａよりも低い電圧であれば十分であり、必ずしも負電圧である必要はない。ここで、負電圧とは、ＣＯＭのグランド電圧（従って、圧電素子１１６のグランド電圧）よりも低い電圧を意味している。特に、本実施例の圧電素子１１６のように、いわゆる積層型と呼ばれる素子では、最低電圧Ｖ０が、大きな負電圧とならないようにしておくことが、圧電素子１１６の耐久性の観点から望ましい。

図９は、ＣＯＭが印加されたときの圧電素子１１６の挙動を、圧電素子１１６に印加される電圧と、圧電素子１１６の変位とによって規定される平面上で表した説明図である。図９中に「Ａ」と表示した状態（圧電素子１１６に初期状態の電圧Ｖａが印加されており、圧電素子１１６の変位が０の状態）は、上述の図８中に示した時点Ａでの状態に対応している。また、図９中に「Ｂ」と表示した状態（圧電素子１１６に電圧Ｖｂが印加されており、圧電素子１１６の変位がＬａの状態）は、図８中に示した時点Ｂでの状態に対応している。更に、図９中に「Ｃ」と表示した状態（アンダーシュートした電圧（最低電圧Ｖ０）が圧電素子１１６に印加された状態）は、図８中に示した時点Ｃでの状態に対応している。

図９に示されるように、ＣＯＭが初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂまで増加すると、圧電素子１１６の状態は、図中に示した経路（１）を通って状態Ａから状態Ｂに変化する。続いて、ＣＯＭが減少すると、圧電素子１１６の状態は、図中に示した経路（２）を通って変化する。このため、ＣＯＭが電圧Ｖａまで減少した時点では圧電素子１１６の変位は初期状態まで戻ることができずに残留歪みが発生する。しかしＣＯＭが電圧Ｖａから更に減少するので、圧電素子１１６の状態は経路（２）に沿って更に移動し、それに伴って残留歪みが減少する。そして、ＣＯＭが最低電圧Ｖ０まで減少すると、圧電素子１１６の状態は状態Ｃに達して、残留歪みはほぼ解消される。その後は、ＣＯＭが初期状態の電圧Ｖａを中心に振動することに伴って、状態Ａの周囲を変動するが、この変動は短時間で減速して初期状態である状態Ａに復帰する。この状態で再びＣＯＭを印加してやれば、圧電素子１１６は、上述した動作と同じ動作を繰り返す。

このように本実施例の圧電素子駆動回路２００では、アンダーシュートするＣＯＭを用いて圧電素子１１６を駆動している。このため、ＣＯＭがアンダーシュートする電圧（上述した実施例ではｄＶ）に相当する分だけ、圧電素子１１６に生じる残留歪みを小さくすることができる。尚、圧電素子１１６は、変形量の１割〜２割程度の残留歪みが発生することが通常である。従って、この残留歪みをＣＯＭのアンダーシュートによって解消するためには、アンダーシュートさせる電圧（上述した実施例ではｄＶ）を、圧電素子１１６に印加する電圧（初期状態の電圧Ｖａから電圧Ｖｂまでの電圧）の１割〜２割程度に設定しておくことが望ましい。

仮に、アンダーシュートを利用することなく、初期状態の電圧Ｖａよりも低い電圧（ここでは最低電圧Ｖ０）を印加して圧電素子１１６の残留歪みを解消しようとすると、以下の理由から、圧電素子１１６を駆動する回路の大型化および複雑化が避けられない。先ず、ＣＯＭは、デジタル電力増幅回路２４０で得られたＶｓ（電力増幅信号）をコイル２５０に通すことによって発生させている。デジタル電力増幅回路２４０では、変調回路２３０からのＭＣＯＭ（変調信号）を、電源の発生する電源電圧Ｖｄｄと電源のグランド電圧ＧＮＤとの間で電圧が切り換わる信号に電力増幅することによってＶｓを発生させている。本実施例では、このグランド電圧ＧＮＤが、ＣＯＭの初期状態の電圧Ｖａとなる。そして、初期状態の電圧Ｖａよりも低い電圧を発生させようとすると、グランド電圧ＧＮＤよりも低い電圧を発生する電源が別途必要となる。別途用意する電源は必ずしも負電源とは限らないが、何れにしても複数の電源が必要となるので圧電素子１１６を駆動する回路が大型化および複雑化してしまう。

これに対して、本実施例の圧電素子駆動回路２００では、図６を用いて前述したように、共振周波数ｆ０付近でのゲインのピークが少しだけ残るように、位相進み補償回路２７０の特性を設定しておくだけで良い。また、これまでの説明でも明らかなように、電力増幅回路に使用されるスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）の耐電圧は電源の発生する電源電圧Ｖｄｄと電源のグランド電圧ＧＮＤで設定すれば良く、必ずしも発生するＣＯＭの最大振幅を満足する必要が無い。一般的に、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）の耐電圧が低くなれば、オン抵抗も低くすることが可能となるため、更なる省電力効果が期待できる。このため、別途電源を必要としないだけでなく、放熱のために大きなヒートシンクを設ける必要もなくなるので、圧電素子駆動回路２００の大型化や複雑化を招くことがない。

また、本実施例の圧電素子駆動回路２００では、ＣＯＭに対して位相進み補償を行って負帰還させているので、ＣＯＭがアンダーシュートしても、その後の残留振動は短時間で減衰する。このため、ＣＯＭの印加後は、短時間で圧電素子１１６が初期状態（ＣＯＭの印加前の状態）に戻るので、高い繰り返し周波数でＣＯＭを印加した場合でも、残留歪みの影響を受けることなく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。

Ｄ．変形例 ：
以上に説明した実施例あるいは変形例では、コイル２５０と圧電素子１１６とによって平滑フィルター２６０が構成されるものとして説明した。しかし、圧電素子１１６に対して並列に接続されるようにコンデンサーを設けておき、このコンデンサーと、コイル２５０と、圧電素子１１６とによって平滑フィルター２６０を構成するようにしても良い。

図１０は、上述した構成である変形例の圧電素子駆動回路３００の一部を例示した説明図である。図示されるように、変形例の圧電素子駆動回路３００では、圧電素子１１６に対して並列に接続されるように、コンデンサー２５２（容量性素子）が設けられている。このような構成では、コイル２５０のインダクタンスＬと、圧電素子１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとによって共振回路が形成される。そして、互いに並列に接続された圧電素子１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとは、合成キャパシタンス（大きさは、Ｃｐ＋Ｃｃ）として取り扱うことができるため、この共振回路の共振周波数は、コイル２５０のインダクタンスＬと、合成キャパシタンスＣｐ＋Ｃｃとによって決まる周波数となる。

圧電素子駆動回路３００の駆動負荷である圧電素子１１６のキャパシタンスＣｐは、求める圧電性能に対応して、おおよその範囲内で決まっている。従って、仮にコンデンサー２５２がなかったとすると、共振周波数を所望の周波数に設定しようとするためにはコイル２５０のインダクタンスＬで調整する必要がある。その結果、大きなインダクタンスＬが必要となる場合では、大きなコイル２５０が必要になって、圧電素子駆動回路３００が大きくなってしまうことがある。ところが、このような場合でも、圧電素子１１６に並列にコンデンサー２５２を接続してやれば、コンデンサー２５２のキャパシタンスを適切に設定することで、コイル２５０を大きくすることなく、共振周波数を所望の周波数に設定することが可能となる。

以上、本実施例の圧電素子駆動回路について説明したが、本発明は上記すべての実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、上述した実施例あるいは変形例では、パルス変調方式として、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）と呼ばれる方式を用いるものとして説明した。しかし、パルス変調方式としてはＰＷＭに限らず、例えばパルス密度変調（ＰＤＭ）と呼ばれる方式など、他のパルス変調方式を用いても良い。特に、ＣＯＭ（駆動波形信号）とＶｓ（電力増幅信号）との差分を積分するΔΣ変調方式を用いれば、電源電圧の変動にも対応することが可能となる。

また、圧電素子駆動回路２００を適用する機器としては、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体噴射装置など、医療機器を含む様々な電子機器に適用することができる。特に医療機器では、安全性や薬剤や栄養剤の分量の均一性が求められるため、噴射量が安定する本願発明の圧電素子駆動回路２００、３００を提供することで、医療機器のニーズを満足することができる。

また、プロジェクターなどで発生する熱源を、冷媒液などの流体を循環することによって冷却する流体循環装置に用いられるダイアフラム型送液ポンプなどにも適用することが出来る。流体循環装置に当発明の圧電素子駆動回路２００、３００を適用することで、上述したように噴射量が安定し、高効率で小型な流体循環装置を提供することができる。

１００…流体噴射装置、 １１０…噴射ユニット、 １１１…ノズル、
１１２…流体噴射管、 １１３…第２ケース、 １１４…第１ケース、
１１５…流体室、 １１６…圧電素子、 １２０…流体供給手段、
１２１…第１接続チューブ、 １２２…第２接続チューブ、 １２３…流体容器、
１３０…制御ユニット、 ２００…圧電素子駆動回路、
２１０…駆動波形信号発生回路、 ２２０…演算回路、 ２３０…変調回路、
２３５…電力増幅回路、 ２４０…デジタル電力増幅回路、 ２５０…コイル、
２５２…コンデンサー、 ２６０…平滑フィルター、 ２７０…位相進み補償回路

Claims (5)

1. 圧電素子に対して所定の駆動信号を印加することによって、該圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路であって、
   前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を出力する駆動波形信号出力回路と、
   前記駆動波形信号と、前記圧電素子に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、
   電源から電力の供給を受けて前記誤差信号を電力増幅することによって、前記電源の発生する電源電圧と該電源のグランド電圧との間で電圧が変化する電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、
   前記電力増幅回路と前記圧電素子とを接続して、該電力増幅回路からの前記電力増幅信号を前記駆動信号として該圧電素子に供給する誘導性素子と、
   前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませる補償である位相進み補償を行った信号を前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路と
   を備え、
   前記位相進み補償回路は、前記圧電素子に印加される前記駆動信号の最低電圧が、前記電源のグランド電圧よりも低い電圧となる回路である
   ことを特徴とする圧電素子駆動回路。
2. 請求項１に記載の容量性負荷駆動回路であって、
   前記位相進み補償回路は、前記圧電素子に印加される前記駆動信号の最低電圧と前記グランド電圧との電圧差が、前記駆動信号の最高電圧と前記グランド電圧との電圧差の１〜２割の値となる回路である
   ことを特徴とする圧電素子駆動回路。
3. 前記圧電素子に対して並列に接続された容量性素子を更に備える請求項１または請求項２に記載の圧電素子駆動回路。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記電力増幅回路は、
   前記誤差信号をパルス変調することによって変調信号を生成する変調回路と、
   前記電源から電力の供給を受けて前記変調信号をデジタル電力増幅することによって、前記電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路を備える
   ことを特徴とする圧電素子駆動回路。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の圧電素子駆動回路と、
   流体が流入する流体室と、前記流体室を変形させる圧電素子と、前記流体室に流入された流体を噴射する噴射ノズルとを有する脈動発生部と
   を備え、
   前記圧電素子駆動回路から出力される前記駆動信号が前記圧電素子に印加されることによって、前記流体室に流入した流体が前記噴射ノズルから噴射される流体噴射装置。

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