JP5754221B2

JP5754221B2 - 圧電素子駆動回路

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Publication number: JP5754221B2
Application number: JP2011090210A
Authority: JP
Inventors: 義宣中山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: JP2012109517A

Description

本発明は、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路に関する。

生体に対する薬剤の投与を持続的あるいは緩やかに行うためには、一般的に、点滴静脈注射（以下、点滴と略称する）が用いられる。この点滴静脈注射を行うための医療機器を、点滴装置と呼ぶ。点滴装置では、薬液を収容した容器にチューブの一端を接続し、そのチューブの他端に装着された注射針を介して生体内に薬液を注入する。チューブの途中には、薬液の注入速度（単位時間当たりの注入量）を調整するための薬液注入量調整装置が設けられる。従来、薬液注入量調整装置としては、点滴筒およびクランプを有し、看護師などの医療従事者が点滴筒内における薬液の滴下状況を見ながらクランプを操作するものが用いられていた。

これに対し、薬液の移送および注入速度の調整を、薬液注入ポンプと呼ばれる装置を用いて行う場合もある。この薬液注入ポンプでは、例えば、回転数を制御する機構を持ったモータにより注射筒を駆動して、所定の注入速度で生体に対して薬液を注入する。このような薬液注入ポンプを用いた場合には、薬液の移送および注入速度の調整を自動的に行うことが可能である。

ところで、このような点滴装置を小型軽量化すると共に電池駆動して、携帯可能とする製品の開発が進められている。上述したモータを用いた薬液注入ポンプでは、消費電力が大きく、点滴装置を携帯可能とした際の電池駆動に向いていないと共に、小型化も困難である。そこで、点滴装置に用いる薬液注入ポンプとして、圧電素子によるアクチュエータを用いて薬液の移送を行うマイクロポンプを適用する技術の開発が進められている。

この圧電素子をアクチュエータに用いたマイクロポンプは、例えば、薬液が通過する圧力室の片面に圧電素子を接着して設けた構造を有する。このようなマイクロポンプでは、昇圧された所定周期で脈動する周期的なパルスや正弦波の電圧信号を印加することで、圧電素子を駆動してポンプの圧力室の片面を振動させ、この振動よって薬液が通過する圧力室の体積を変化させることで、薬液の移送を行う。薬液の注入速度は、圧電素子に印加する駆動電圧信号の周波数または振幅を制御することで調整できる。

圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路としては、例えば、特許文献１〜５に記載されたものが知られている。

ところで、圧電素子は、振動を伝達する対象物に直接接着して利用される力学的な素子であるため、振動方向によってその強度が異なる。すなわち、圧電素子が対象物との接着面側への移動を伴う場合は比較的丈夫であるが、接着面とは反対側への移動を伴う場合、その強度が弱くなる。したがって、圧電素子に対して振幅が正負対象となる駆動を行うようにすると、大きな振幅での駆動を行うことができず、非対称な駆動が求められる場合が多い。また、材料の特性によっては、反対側の電界が大きくなると、圧電材料のもつ分極も反転してしまうため、反転した分極に対する動作、すなわち下の方向へ歪が戻ってゆくといった性質を持つものもある。図８は、典型的な圧電素子材料（TiBO3など）のもつ材料の両端に印加した電界に対する歪の変化を相対的に示したものである。最初は、原点から出発し、ある電圧まで正方向へ印加することで歪がグラフの上方向へ変化し、電圧を反対に下げ始めると歪が少なくなる。ここで、元いた電界ゼロ以下のところでも暫くは、歪が減少し続け、ある電圧に達すると歪の現象が止まる。このときに、圧電材料の分極が反転するとされている。もとの分極と反対になったことで、外部から印加される電界に対してまたもとの上方向への変化を始める。すなわち分極が反転すると、外部電界に対する歪の方向も反転する。電界に対して、単調な変化を求めるアプリケーションでは、図８に示した圧電素子材料の場合、せいぜい−５位から２０の範囲のみ、または、−２０位から＋５位の範囲のみで使用しなければならない。また、頻繁な分極の反転は、圧電素子の寿命にも悪い影響をもたらす。

圧電素子に対して非対称な駆動を行う方法としては、圧電素子に供給される駆動電圧信号に直流バイアスを印加することが知られている（特許文献１、特許文献３、特許文献５参照）。しかしながら、圧電素子の寿命低下を抑制しながら、圧電素子から対象物に伝達される振動を最適化するには、駆動電圧信号に印加する直流バイアスを、圧電素子の耐久性を維持できる範囲で最適な電圧値にする必要がある。これに対して、特許文献１にて開示される駆動回路の構成では、直流バイアスの電圧値を選択することができない。また、特許文献３にて開示される駆動回路では、ＨＶバイアスの記述はあるものの、具体的なバイアス方法が開示されておらず、直流バイアスの電圧値を選択できる構成となっていない。

また、特許文献５には、直流バイアス（Ｖａ１，Ｖａ２）を駆動電圧Ｖｄに加えて、圧電アクチュエータやユニモルフなどの圧電素子に印加する駆動回路が記載されている。ユニモルフなどにおいては、いわゆるヒステリシスによる変位にあわせて適切な直流バイアスを印加しなければならないだけでなく、圧電素子の分極方向に沿ったバイアスには比較的強く、反対方向のバイアスには弱いことを考慮した駆動をしなければならない。しかしながら、いずれもバイアスを印加する必要性は記載されているものの、具体的な直流バイアスのための回路の開示はない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧電素子の寿命低下を招くことなく最適な振幅で圧電素子を駆動することができる圧電素子駆動回路を提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる圧電素子駆動回路は、所定周期で極性が変化する周期的電圧信号を一次側から入力し、該周期的電圧信号を昇圧して二次側から出力する変圧器と、カソードが前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの一方に接続されたダイオードと、一方の電極が前記ダイオードのアノードに接続された第１のキャパシタと、一方の電極が前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの他方に接続され、他方の電極が前記第１のキャパシタの他方の電極に接続された第２のキャパシタと、一方の電極が前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの一方と前記ダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、他方の電極が前記第２のキャパシタの他方の端子と前記第１のキャパシタの他方の端子との共通接続点に接続された圧電素子と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの容量比に応じた直流バイアスが圧電素子を駆動する駆動電圧信号に印加されるので、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの容量比を適切に設定することで、駆動電圧信号に印加する直流バイアスを最適な電圧値とすることができ、圧電素子の寿命低下を招くことなく最適な振幅で圧電素子を駆動することができるという効果を奏する。

図１は、薬液注入システムの概略構成を示す構成図である。図２は、マイクロポンプの構造の一例を示す図である。図３は、マイクロポンプの動作を説明する図である。図４は、薬液注入量調整装置における薬液の流量制御の一例を示すフローチャートである。図５は、本実施形態の圧電素子駆動回路の概略構成を示す回路図である。図６は、本実施形態の圧電素子駆動回路の動作を説明するための波形図である。図７は、コンデンサＣ２・Ｃ３の容量比と駆動電圧信号の最大電圧および最低電圧との関係を示す図である。図８は、典型的な圧電素子材料の両端に印加した電界に対する歪の変化を相対的に示した図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる圧電素子駆動回路の最良な実施の形態を詳細に説明する。以下に示す実施の形態は、薬液注入システムに用いられるマイクロポンプの圧電素子を駆動する駆動回路に本発明を適用した例である。

（薬液注入システム）
先ず、薬液注入システムについて説明する。図１は、本実施形態に適用可能な薬液注入システム２００の概略構成を示す構成図である。薬液注入システム２００は、生体に注入される薬液ＬＭが収容された容器１０と、容器１０に一端が接続され、他端に生体２２の血管内に一端が刺し入れられる注射針２０が取り付け具１８を介して設けられ、容器１０から生体２２内に至る薬液注入管路と、該薬液注入管路の途中に接続された薬液注入量調整装置１００とを備えている。

容器１０は、薬液ＬＭを生体２２の一部、例えば血管内に注入する際に、薬液注入量調整装置１００の一端すなわちマイクロポンプ１２の一端（供給端）にチューブ１５_１を介して接続される。チューブ１５_１としては、弾力性が高く自己拡張性のある可撓性チューブが使用されている。

薬液注入量調整装置１００の他端すなわち流量センサ１４の排出端には、チューブ１５_２の一端が、接続される。チューブ１５_２の他端（先端）には、先端に注射針２０が固定された取り付け具１８が接続される。薬液ＬＭを血管内に注入する際には、看護師などが、注射針２０を生体２２の内部に体表面を介して刺し入れ、その先端を血管内に留置させる。その際、看護師などは、注射針２０の先端が血管内から抜けないよう、注射針２０の根元あるいは取り付け具１８を、例えば粘着テープ等を用いて、生体２２の体表面に固定する。図１では、この固定後の状態が示されている。

チューブ１５_２としては、チューブ１５_１と同様に、可撓性チューブが使用されている。チューブ１５_２が撓むことにより、その先端部が動いても、薬液ＬＭが流れる流路が確保される。

薬液注入システム２００において、容器１０から生体２２の血管まで、順に、チューブ１５_１、薬液注入量調整装置１００、チューブ１５_２および注射針２０により、薬液ＬＭが流れる流路が構成されている。この流路の途中には、薬液注入量調整装置１００の構成各部を含め、流路を閉ざす部材は存在しない。したがって、この流路は、容器１０から生体２２の血管まで通じる１つの開放路を構成している。

なお、容器１０から注射針２０まで通じる流路の途中に、薬液ＬＭの逆流を防止する弁を設けてもよい。ただし、この弁は、薬液ＬＭが順方向（容器１０から注射針２０に向かう方向）に流れる際には、流体に抵抗力を及ぼさない、あるいは抵抗力を及ぼすが無視できる程度のものを用いるものとする。

薬液注入量調整装置１００の構成、機能などについて詳細に説明する。薬液注入量調整装置１００は、マイクロポンプ１２、流量センサ１４および制御ユニット１６を有する。マイクロポンプ１２は、その一端すなわち供給端が上述したチューブ１５_１を介して容器１０に接続される。流量センサ１４は、マイクロポンプ１２の他端すなわち排出端にチューブ１５_０を介して一端すなわち供給端が接続される。制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２および流量センサ１４に電気的に接続され、流量センサ１４の出力に応じてマイクロポンプ１２を制御する。

ここで、チューブ１５_０としては、マイクロポンプ１２と流量センサ１４とを接続し、両者間に薬液ＬＭを流すことができるのであれば、材質、形態を問わず、いかなる管状部材を使用してもよい。

本実施形態では、マイクロポンプ１２として、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ技術）で製造された、圧電素子を駆動源とするダイヤフラムポンプを採用する。ダイヤフラムポンプは、容積ポンプの一種であって、ダイヤフラムの容積の変化を利用して薬液ＬＭを移送する。

図２は、マイクロポンプ１２の構造の一例を示す図であり、図２（Ａ）は、マイクロポンプ１２の縦断面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）中のＡ−Ａ線断面に相当する。

図２（Ａ）に示されるように、マイクロポンプ１２は、その一部がダイヤフラムの役割を担う板状の第１基板１２１と、第１基板１２１の一方の面（−Ｚ側の面）に接合された第２基板１２２と、第１基板１２１の他方の面（＋Ｚ側の面）の中央部に固定された圧電素子１２４とを有する。一例として、第１基板１２１は硼珪酸ガラス、第２基板１２２はシリコンを用いて構成する。なお、第１基板１２１の圧電素子１２４と接する部分を含む部分が、ダイヤフラムの役割を担っている。この部分を、便宜上、ダイヤフラム部ＤＰと呼ぶ。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、第２基板１２２には、第１基板１２１に対向する一面から一定の深さの凹部が形成されている。この凹部は、Ｘ軸方向の中央部に位置する平面視矩形の圧力室１２６と、該圧力室１２６の−Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ａと、圧力室１２６の＋Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ｂとの３つの部分からなる。なお、圧力室１２６は、実際には、第１基板１２１が、第２基板１２２に形成された凹部を覆うように、第２基板１２２と接合されることで形成される。図２（Ａ）および図２（Ｂ）の例では、便宜上、第２基板１２２に圧力室１２６が形成されているものとしている。

凹溝１２８ａの内部の−Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ａの内部空間とを連通する貫通孔１２９ａが形成されている。また、凹溝１２８ｂの内部の＋Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ｂの内部空間とを連通する貫通孔１２９ｂが形成されている。

貫通孔１２９ａは、圧力室１２６を含むマイクロポンプ１２の内部空間への薬液ＬＭの入口の役目を果たし、貫通孔１２９ｂは、内部空間からの薬液ＬＭの出口の役目を果たす。以下では、貫通孔１２９ａおよび１２９ｂを、それぞれ入口１２９ａおよび出口１２９ｂと記述する。入口１２９ａおよび出口１２９ｂは、それぞれ、マイクロポンプ１２の供給口、排出口をそれぞれ構成する管状部材（図示しない）に接続されている。

図２（Ｂ）に例示されるように、凹溝１２８ａおよび１２８ｂは、共に、−Ｘ端から＋Ｘ端に向かって、すなわち入口側から出口側に向かって、徐々にその断面積が広くなっており、ディフューザの役目を兼ねる。以下では、凹溝１２８ａおよび１２８ｂを、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂと記述する。なお、ディフューザは、流体の持つ運動のエネルギを圧力のエネルギに変換するためのものである。

上述のように、本実施形態に適用可能なマイクロポンプ１２は、第２基板１２２に設けられた入口１２９ａから出口１２９ｂまで、順に、ディフューザ１２８ａ、圧力室１２６、ディフューザ１２８ｂを介して、１つの流路が形成される。この流路は、その途中に流路を閉ざす部材は設けられていないので、入口１２９ａから出口１２９ｂまで通じる１つの開放路を構成する。すなわち、マイクロポンプ１２は、バルブレスマイクロポンプである。

図３を用いて、マイクロポンプ１２の動作について概略的に説明する。圧電素子１２４に電圧が印加されていない状態では、図３（Ａ）に示されるように、圧電素子１２４と接合された第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、撓みのない平面状を保っている。この状態の圧力室１２６は、非収縮状態にある。一方、圧電素子１２４に電圧が印加されると、図３（Ｂ）に示されるように、第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、矢印で示されるように、−Ｚ方向に撓む。これにより、圧力室１２６は収縮し、収縮状態となる。

したがって、圧電素子１２４に電圧パルスを印加して駆動させてダイヤフラム部ＤＰを振動させることにより、圧力室１２６に対し、収縮状態と非収縮状態とを繰り返させることができる。このとき、圧力室１２６の収縮率（ダイヤフラム部ＤＰの撓み量）は、電圧パルスの電圧値に応じて定まり、圧力室１２６の収縮／膨張の繰り返し数は、電圧パルスの周波数によって定まる。

図３（Ａ）に示されるように、圧力室１２６が収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａと出口１２９ｂの両方から流体（薬液ＬＭ）が圧力室１２６に流れ込む。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂから流れ込む流体を、それぞれ、矢印ｆ_１およびｆ_２を用いて表している。矢印ｆ_１およびｆ_２の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流体の量の程度を表す。

ここで、流体ｆ_１およびｆ_２は、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂを通過する。ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、上述したように、何れも、＋Ｘ方向に向けて断面積が徐々に広くなっている。そのため、ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、＋Ｘ方向に流れる流体に対し小さい抵抗を、−Ｘ方向に流れる流体に対し大きな抵抗を、それぞれ及ぼす。したがって、図３（Ａ）の状態では、流体ｆ_１はディフューザ１２８ａにより小さい抵抗を受け、流体ｆ_２はディフューザ１２８ｂにより大きな抵抗を受けるため、流体ｆ_１の流量は、流体ｆ_２の流量より大きくなる。

一方、図３（Ｂ）に示されるように、圧力室１２６が非収縮状態から収縮状態に遷移すると、圧力室１２６から入口１２９ａと出口１２９ｂの両方へ流体が流れ出る。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂへ流れ出る流体を、それぞれ、矢印ｆ_３およびｆ_４を用いて表している。矢印ｆ_３およびｆ_４の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流量を表す。流体ｆ_３はディフューザ１２８ａより大きな抵抗を受け、流体ｆ_４はディフューザ１２８ｂより小さな抵抗を受けるため、流体ｆ_４の流量は、流体ｆ_３の流量より大きくなる。

圧力室１２６が１回、収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａから圧力室１２６に対し、正味|ｆ_１−ｆ_３|の量の流体が流れ込むと共に、圧力室１２６から出口１２９ｂに対し、正味|ｆ_４−ｆ_２|の量の流体が流れ出る。したがって、入口１２９ａから出口１２９ｂに対し、正味ｆ＝|ｆ_１−ｆ_３|＝|ｆ_４−ｆ_２|の量の流体が流れる。

ここで、流体は非圧縮性であることを想定している。なお、圧力室１２６の容積を容積Ｗ、非収縮状態の容積に対する収縮状態の容積の比である収縮率を収縮率βとすると、関係ｆ＝Ｗ（１−β）が成り立つ。

圧力室１２６が収縮状態および非収縮状態を繰り返すことにより、入口１２９ａから出口１２９ｂに対する定常的な流体の流れが発生する。圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数をωとすると、単位時間当たりの体積流量Ｆ＝ωｆ＝ωＷ(１−β)の流体が、入口１２９ａから出口１２９ｂに流れる。

体積流量Ｆは、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖとパルスの周波数の少なくとも一方を調整することにより、制御することができる。圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを大きくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが大きくなる。同様に、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを小さくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが小さくなる。したがって、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値を変えることによって、圧力室１２６の収縮率βを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。

また、パルスの周波数を大きくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが大きくなる。同様に、パルスの周波数を小さくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが小さくなる。したがって、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数を変えることによって、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。

なお、原理上、電圧パルスの周波数は、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωに等しいので、電圧パルスの周波数を文字ωを用いて表記する。

流量センサ１４としては、一例として熱質量式センサが用いられている。熱質量式センサでは、その内部に設けられた管路に流体（薬液ＬＭ）を流し、管壁を介して流体からセンサへ、あるいはセンサから流体へ伝導する熱量を計測することによって、管路内を流れる流体の流量を計測する。この熱質量式センサを流量センサ１４として採用した場合、流体内にプローブを挿入することがないので、流体の流れに障害を与えることなく、その流量を計測することができる。

制御ユニット１６は、例えばマイクロプロセッサをその中枢部として構成されており、薬液注入量調整装置１００全体を統括的に制御する。

制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４とは、電気的に接続されている。流量センサ１４から制御ユニット１６に、薬液ＬＭの流量の計測情報が供給される。制御ユニット１６は、その流量の計測情報に基づいて、薬液ＬＭの流量が定められた目標量に一致するように、マイクロポンプ１２（正確には、圧電素子１２４）に印加する電圧パルスの電圧値Ｖおよび周波数ωの少なくとも一方を調整する。マイクロポンプ１２の制御の詳細については、後述する。

なお、制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４の少なくとも一方とを、無線の通信路を介して接続してもよい。

制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力の監視も行っている。マイクロポンプ１２の動力は、流体（薬液ＬＭ）を順方向に流すためにその流体に加える圧力（正確には、圧力のエネルギ）であるが、動力として、実際にマイクロポンプ１２が流体（薬液ＬＭ）に加えている具体的な圧力を考える必要はなく、その圧力に関係する量を考えれば良い。動力Ｐは、マイクロポンプ１２の構成より、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの関数Ｐ(Ｖ，ω)となる。

例えば、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの積を動力Ｐと定義することができる。より具体的には、動力Ｐは、Ｐ(Ｖ，ω)≡Ｖωと定義することができる。これに限らず、印加される電圧パルスの電圧値が常に一定値Ｖ_０であり、周波数ωのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ_０，ω)≡ωと定義してもよい。また、周波数が常に一定周波数ω_０であり、電圧値Ｖのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ，ω_０)≡Ｖと定義してもよい。

ここで、制御ユニット１６は、記憶装置（図示しない）を備えており、所定の時間（Δｔとする）毎に、動力Ｐの監視結果を記憶装置に記憶する。記憶された監視結果は、記憶されてから一定時間後に消去される。従って、記憶装置内には、常に現在から一定時間内の監視結果（一定数の最新の監視結果）が保存される。

制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力Ｐの監視情報に基づいて、後述する方法により薬液ＬＭの投薬状況を診断する。そして、制御ユニット１６は、投薬状況の異常を検知した際には、薬液ＬＭの注入を停止したり、警報を発する、といった緊急処置を実行する。そして、正常に、定められた量（目標注入量）の薬液ＬＭの注入が完了した際に、薬液ＬＭの注入を停止する、といった終了処置を実行する。

その他、制御ユニット１６には、操作者が薬液ＬＭの（目標）注入量と（目標）注入時間などを入力するための図示されない操作パネル、薬液ＬＭの注入状況を表示する図示されない表示パネル、注入状況の異常を伝える図示されない警報装置などのインターフェースが備えられている。

次に、図４のフローチャートを用いて、薬液注入量調整装置１００における薬液ＬＭの流量制御の一例について説明する。図４のフローチャートの各処理は、制御ユニット１６内のマイクロプロセッサの制御により実行される。

薬液ＬＭの注入開始に先立って、操作者が、操作パネル上から、生体２２に注入する薬液ＬＭの総量（目標注入量）Ｗ_０とその量の薬液ＬＭの注入を完了する目標注入時間Ｔ_０を入力する。その後、操作者が操作パネルを操作して、注入開始の指示を入力すると、図４のフローチャートの処理が開始される。

ステップＳ２０２で、先ず、制御ユニット１６は、入力された目標注入量Ｗ_０と目標注入時間Ｔ_０とを記憶装置に記憶すると共に、目標注入量Ｗ_０と目標注入時間Ｔ_０とに基づいて、単位時間当たりの薬液ＬＭの目標流量（目標量）Ｆ_０を決定する。そして、次のステップＳ２０４で、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を開始する。

次のステップＳ２０６〜ステップＳ２１２で、制御ユニット１６は、流量センサ１４から供給される薬液ＬＭの流量Ｆと、先に決定された目標量Ｆ_０との比較結果に基づき、流量Ｆが目標量Ｆ_０に一致するように、マイクロポンプ１２の動力Ｐ(Ｖ，ω)を調整する。すなわち、制御ユニット１６は、ステップＳ２０６で流量Ｆと目標量Ｆ_０とを比較し、流量Ｆと目標量Ｆ_０とが異なっているか否かを判定する。若し、異なっていない、すなわち流量Ｆと目標量Ｆ_０とが等しいと判定されたら、処理はステップＳ２１４に移行される。

一方、ステップＳ２０６で、流量Ｆと目標量Ｆ_０とが異なっていると判定されたら、処理はステップＳ２０８に移行され、流量Ｆが目標量Ｆ_０を超えているか否かが判定される。若し、超えていると判定されたら、処理がステップＳ２１０に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を弱める。一方、流量Ｆが目標量Ｆ_０以下であると判定されたら、処理はステップＳ２１２に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を強める。ステップＳ２１０またはステップＳ２１２の処理が行われると、処理はステップＳ２１４に移行される。

ここで、制御ユニット１６は、流体の流量Ｆの調整のため、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数ωを一定に保ちつつ電圧値Ｖを調整しても良いし、電圧値Ｖを一定に保ちつつ周波数ωを調整しても良いし、あるいは電圧値Ｖと周波数ωとの両方を調整してもよい。

ステップＳ２１４で、制御ユニット１６は、薬液ＬＭの注入量Ｆ_０・ｔ（ｔは経過時間）と目標注入量Ｗ_０とを比較し、注入量Ｆ_０・ｔが目標注入量Ｗ_０以上になったか否かを判定する。若し、注入量Ｆ_０・ｔが目標注入量Ｗ_０未満、すなわち、注入量Ｆ_０・ｔが目標注入量Ｗ_０に満たない場合、処理がステップＳ２０６に戻され、ステップＳ２０６〜２１２の処理を再び行う。

一方、ステップＳ２１４で、注入量Ｆ_０・ｔが目標注入量Ｗ_０以上になったと判定されたら、処理はステップＳ２１６に移行される。この場合には、薬液ＬＭの注入が正常に終了したと判断することができる。ステップＳ２１６では、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を停止する。それと共に、警報を発するなどの終了処置を実行する。そして、図４のフローチャートによる一連の処理が終了される。

（圧電素子駆動回路）
次に、マイクロポンプ１２の圧力室１２６を収縮状態および非収縮状態にさせる圧電素子１２４を駆動するための圧電素子駆動回路について、さらに詳しく説明する。ここで、既に説明したように、圧電素子１２４は、接着構造から来る特性として、駆動電圧信号の電位の正負によって機械的な強度が異なる。そこで、本実施形態の圧電素子駆動回路は、圧電素子１２４を駆動するための駆動電圧信号に対して直流バイアスを印加して圧電素子１２４に供給する構成となっている。

図５は、本実施形態の圧電素子駆動回路の概略構成を示す回路図である。なお、図５では、本実施形態に特徴的な部分のみが示され、例えばトランス（変圧器）Ｔの一次側に入力される周期的電圧信号Ｖｉｎを生成するための詳細な回路構成など、本実施形態に特徴的でない部分は省略されている。また、容量性負荷である圧電素子１２４は、等価回路的にはキャパシタとみなせるため、図５においては、圧電素子１２４をキャパシタＣ１として表現している（以下では、圧電素子Ｃ１と表記する）。

周期的電圧信号発生器Ｖは、所定周期で極性が変化する周期的電圧信号Ｖｉｎを生成し、トランス（変圧器）Ｔの一次側の端子ＴＲ１，ＴＲ２に入力する。

トランスＴは、一次側の端子ＴＲ１，ＴＲ２に入力された周期的電圧信号Ｖｉｎを、一次側と二次側の巻線比に応じた昇圧比で昇圧し、二次側の端子Ｔ３，Ｔ４から駆動電圧信号Ｖｏｕｔとして出力する。トランスＴは、一次側の端子ＴＲ１と、二次側の端子ＴＲ４とで極性が一致するように構成される。トランスＴの一次側と二次側の巻線比は、例えば１：２５とされる。この場合、二次側の端子ＴＲ３，ＴＲ４から出力される駆動電圧信号Ｖｏｕｔは、一次側の端子ＴＲ１，ＴＲ２に入力された周期的電圧信号Ｖｉｎを２５倍に昇圧した電圧信号となる。

トランスＴの二次側の端子ＴＲ４には、ダイオードＤ１のカソードが接続される。ダイオードＤ１のアノードには、コンデンサＣ２（第１のキャパシタ）の一方の電極が接続される。これらダイオードＤ１とコンデンサＣ２の直列接続により整流回路が構成され、この整流回路によって直流バイアス電圧が発生する。なお、コンデンサＣ２としては、例えば容量が２μＦ（マイクロファラド）程度のものが用いられる。

トランスＴの二次側の端子ＴＲ３には、コンデンサＣ３（第２のキャパシタ）の一方の電極が接続される。コンデンサＣ３の他方の電極は、整流回路を構成するコンデンサＣ２の他方の電極に接続される。圧電素子Ｃ１は、一方の電極が、トランスＴの二次側の端子ＴＲ４と整流回路を構成するダイオードＤ１のカソードとの共通接続点に接続され、他方の電極が、コンデンサＣ３の他方の電極と整流回路を構成するコンデンサＣ２の他方の電極との共通接続点に接続される。つまり、圧電素子Ｃ１は、トランスＴの二次側に対して、整流回路と並列に接続される。

本実施形態の圧電素子駆動回路では、以上の回路構成によって、トランスＴの二次側の端子ＴＲ４とダイオードＤ１のカソードとの共通接続点と、コンデンサＣ３の他方の電極とコンデンサＣ２の他方の電極との共通接続点との間、すなわち、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの電圧成分に対して、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との容量比で決まる直流バイアスを印加することができる。そして、この直流バイアスが印加された駆動電圧信号Ｖｏｕｔにて圧電素子Ｃ１が駆動される。

ここで、コンデンサＣ３としては、静電容量が圧電素子Ｃ１よりも十分に大きなものを用いることが望ましい。例えば、圧電素子Ｃ１の静電容量が１０ｎＦ（ナノファラド）の場合、コンデンサＣ３としては、例えば容量が１μＦ（マイクロファラド）程度のものを用いることが望ましい。コンデンサＣ３の容量を圧電素子Ｃ１の１００倍程度とすれば、トランスＴの二次側から出力される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの電圧（すなわち、トランスＴの二次側の端子ＴＲ３，ＴＲ４間で発生する電圧）の交流成分のほとんど全て（約９９％）を、圧電素子Ｃ１に印加させることが可能となる（すなわち、トランスＴの二次側出力と負荷である圧電素子Ｃ１とを、コンデンサＣ３によって良好に交流結合させることができる）。

駆動電圧信号Ｖｏｕｔに印加される直流バイアスは、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の直列容量でダイオードＤ１によって整流された直流電圧となる。つまり、コンデンサＣ３に充電される直流電圧をＶｄｃ３、駆動電圧信号Ｖｏｕｔのピーク間電圧をＶｐｐ、コンデンサＣ２の容量をＣ２、コンデンサＣ３の容量をＣ３とすると、Ｖｄｃ３＝Ｖｐｐ×Ｃ２／（Ｃ２＋Ｃ３）だけ、駆動電圧信号Ｖｏｕｔが直流的に正方向にバイアスされる。したがって、コンデンサＣ２の容量とコンデンサＣ３の容量の比率の設定によって、駆動電圧信号Ｖｏｕｔに印加する直流バイアスを最適な電圧値とすることが可能であり、圧電素子Ｃ１の寿命低下を招くことなく最適な振幅で圧電素子Ｃ１を駆動することができる。換言すると、本実施形態の圧電素子駆動回路では、狙いとする直流バイアスの電圧値に応じてコンデンサＣ２とコンデンサＣ３の容量比を定めておくことにより、圧電素子Ｃ１の寿命低下を招くことなく最適な振幅で圧電素子Ｃ１を駆動することができる。

図５に示した本実施形態の圧電素子駆動回路は、いわゆる自己バイアス印加機能付き昇圧回路の構成を有している。自己バイアス印加機能付き昇圧回路とは、一次側から入力した周期的電圧信号を二次側で昇圧する変圧器を有し、電圧波形の一部を整流して得る直流電圧を変圧器の二次側より得た周期的電圧信号に印加する。本実施形態の圧電素子駆動回路は、具体的には、一次側から入力した周期的電圧信号を二次側で昇圧する変圧器としてのトランスＴと、電圧波形の一部を整流して得る直流電圧を、トランスＴの二次側より得た周期的電圧信号に印加する自己バイアス印加回路（ダイオードＤ１とコンデンサＣ２の整流回路およびコンデンサＣ３）と、直流電圧が印加された周期的電圧信号によって駆動される圧電素子Ｃ１と、を備える。そして、圧電素子Ｃ１が、一次側より二次側の巻数が多いトランスＴの二次側に対して、容量（コンデンサＣ３）と直列に接続され、かつ、ダイオードＤ１と並列に接続されている。

つまり、本実施形態の圧電素子駆動回路は、圧電素子Ｃ１と容量（コンデンサＣ３）とを直列に変圧器（トランスＴ）に接続し、かつ、圧電素子Ｃ１と並列にダイオードＤ１を接続する（したがって、容量（コンデンサＣ３）は、ダイオードＤ１とも直列に変圧器（トランスＴ）と接続される。）。このように構成することで、圧電素子Ｃ１に印加される周期的な電圧は、容量（コンデンサＣ３）を通していわゆる交流結合を起こし、かつ、同じ容量（コンデンサＣ３）によってダイオードＤ１で整流された直流電圧を蓄える一種の平滑回路としても働く。したがって、圧電素子Ｃ１には、交流結合による周期的波形が印加されると同時に容量（コンデンサＣ３）に蓄えられた直流電圧が加算されるため、圧電素子Ｃ１の耐久性の弱い向きへの電圧の印加をなくすことができる。

図５に示した本実施形態の圧電素子駆動回路では、トランスＴの一次側からＶｉｎが入力され、一次側より二次側の巻数が多い巻数比１：２５のトランスＴにより２５倍の電圧に昇圧される。そして、トランスＴの二次側から出力される周期的な高電圧波形が容量（コンデンサＣ３）を通して、その大部分の電圧が圧電素子Ｃ１に印加される。また、ダイオードＤ１とコンデンサＣ２によって構成される整流回路からは、ダイオードＤ１によって整流された直流電圧がコンデンサＣ２に蓄えられるため、圧電素子Ｃ１には、直流バイアスが加わった周期的な高電圧波形が印加されることになる。つまり、コンデンサＣ２の他方の電極側がトランスＴの二次側の端子ＴＲ３に対して負側に充電されることにより、コンデンサＣ２の他方の電極側を基準としてトランスＴの二次側の端子ＴＲ３は、周期的な高電圧の振幅分だけ正側へバイアスされ、これが圧電素子Ｃ１に印加されるため、圧電素子Ｃ１の一方の電極（図５の上側の電極）に向かって正電位側（Ｖｏｕｔ）へ直流バイアスが印加されることになる。したがって、耐久性に方向性のある圧電素子Ｃ１を図５の下側に対しＶｏｕｔ側が正電位方向に強い向きに接続すればよい。また、圧電素子Ｃ１の耐久性の向きを反対にするときは、ダイオードＤ１の向きを反対にすることで同様の効果が得られる。

次に、本実施形態の圧電素子駆動回路による動作の一例について、図６を用いて簡単に説明する。図６（Ａ）は、トランスＴの一次側に入力される周期的電圧信号Ｖｉｎ（トランスＴの一次側の端子ＴＲ１，ＴＲ２間の電圧）の波形、図６（Ｂ）は、トランスＴの二次側から出力される駆動電圧信号Ｖｏｕｔ（トランスＴの二次側の端子ＴＲ３，ＴＲ４間の電圧）の波形、図６（Ｃ）は、直流バイアスが印加された駆動電圧信号Ｖｏｕｔ（トランスＴの二次側の端子ＴＲ４とダイオードＤ１のカソードとの共通接続点と、コンデンサＣ３の他方の電極とコンデンサＣ２の他方の電極との共通接続点との間の電圧）の波形について、それぞれシミュレーションにより得られた波形図を示している。また、図６（Ｄ）は、トランスＴに流れる電流と圧電素子Ｃ１に流れる電流との差を取って示したもので、直流バイアスが安定するまでに流れる電流Ｉｄ１のシミュレーション結果を示している。

図６（Ａ）に示すように、トランスＴの一次側には、±５Ｖのやや立ち上がりおよび立ち下がりの遅い台形波の周期的電圧信号Ｖｉｎが入力される。そして、この周期的電圧信号ＶｉｎがトランスＴによって約２５倍に昇圧され、トランスＴの二次側からは、図６（Ｂ）に示すように、周期的電圧信号Ｖｉｎと同様に上下の電圧の振り幅が対象な±１２５Ｖ（２５０Ｖｐｐ）の台形波の駆動電圧信号Ｖｏｕｔが出力される。なお、ここでは、トランスＴの一次側に入力される周期的電圧信号Ｖｉｎを台形波としているが、これに限定されるものではなく、トランスＴの帯域が許す限り方形波や正弦波でもよい。

本実施形態の圧電素子駆動回路では、このトランスＴの二次側から出力される±１２５Ｖの駆動電圧信号Ｖｏｕｔに対して、ダイオードＤ１で整流された−１２５ＶをコンデンサＣ２およびコンデンサＣ３で分圧した直流電圧が、直流バイアスとして印加される。その結果、圧電素子Ｃ１に対しては、図６（Ｃ）に示すように、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との容量比に応じて正電位側にシフトした駆動電圧信号Ｖｏｕｔが印加される。

このとき、コンデンサＣ３に比較的容量の大きなものを用いているため、直流バイアスが安定するまでに時間を要し、その間、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔのピーク間電圧が減少して、その分、圧電素子Ｃ１には図６（Ｄ）に示すような余分な電流が流れる。しかしながら、直流バイアスは１０数ミリ秒程度の極めて短時間で安定し、その後は圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔも安定して、圧電素子Ｃ１に余分な電流も流れないため、問題となることはない。

また、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔは、図６（Ｃ）に示すように、負極側の電圧が初期状態から略一定であるため、圧電素子Ｃ１の強度的に弱い方向への振動が不安定になることはなく、圧電素子Ｃ１の耐久性の観点からも有利である。

図７は、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３との容量比に対する圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの最大電圧および最低電圧の関係をシミュレーションした結果を示す図である。図７では、横軸が、コンデンサＣ３の容量を１μＦで固定とし、コンデンサＣ２の容量を可変とした場合のコンデンサＣ２とコンデンサＣ３との容量比を示し、縦軸が、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの最大電圧および最低電圧の電圧値を示している。なお、図中の上側のグラフが、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの定常状態（直流バイアスが安定した後の状態）での最大電圧の変化を表し、下側のグラフが、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの定常状態での最低電圧の変化を表している。

図７のシミュレーションの結果から、コンデンサＣ２の容量が大きくなるほど（図７の横軸右方向）、駆動電圧信号Ｖｏｕｔの振幅はそのままで、最低電圧がゼロボルトに近づくことがわかる。コンデンサＣ２の容量が大きくなると、電源投入時の電流は、図６（Ｄ）に示したように、余分な電流Ｉｄ１が加わる分だけ大きくなるが、定常状態に達した後は、余分な電流はほとんど流れない。逆に、コンデンサＣ２の容量がコンデンサＣ３の容量に比べ小さくなると、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔは、電圧の極性方向に関して限りなく対象な振動電圧になることがわかる。もしこれ以上低い電圧にシフトしたい場合は、ダイオードＤ１の極性を変えるか、圧電素子Ｃ１自体の極性を反対に接続すればよい。

以上説明したように、本実施形態の圧電素子駆動回路によれば、低電圧の周期的電圧信号ＶｉｎをトランスＴにより昇圧した電圧信号である駆動電圧信号Ｖｏｕｔに対し、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の容量比に応じた直流バイアスを印加して、バイアスされた駆動電圧信号Ｖｏｕｔにより圧電素子Ｃ１を駆動するので、圧電素子Ｃ１の耐久性を維持できる範囲で、最適な振幅で圧電素子Ｃ１を非対称に駆動することができる。すなわち、本実施形態の圧電素子駆動回路では、上記の回路構成によって、圧電素子Ｃ１に供給される駆動電圧信号Ｖｏｕｔに印加する直流バイアスの電圧値を、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の容量比により、駆動電圧信号Ｖｏｕｔのピーク間電圧Ｖｐｐの半分程度の範囲で選択できるので、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の容量比を適切に設定することで、駆動電圧信号Ｖｏｕｔに印加する直流バイアスを最適な電圧値とすることができ、圧電素子Ｃ１の寿命低下を招くことなく最適な振幅で圧電素子Ｃ１を駆動することができる。また、波形の加工をしやすい低電圧で周期的な波形信号を整形したのち昇圧し、かつ、直流バイアス電圧を加えるようにしているので、圧電素子Ｃ１の耐久性の弱い向きへの電圧印加を抑え、圧電素子Ｃ１を長時間安定に駆動することができる。

また、本実施形態の圧電素子駆動回路では、コンデンサＣ３として、静電容量が圧電素子Ｃ１よりも十分に大きなものを用いることにより、トランスＴの二次側から出力される駆動電圧信号Ｖｏｕｔの電圧成分のほとんど全てを圧電素子Ｃ１に印加させることができ、圧電素子Ｃ１を効率よく駆動することが可能となる。

なお、本発明は、上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や変更を加えて具体化することができる。また、上記の実施形態は、薬液注入システム２００に用いられるマイクロポンプ１２の圧電素子１２４（Ｃ１）を駆動するための圧電素子駆動回路に本発明を適用した例であるが、本発明は、この例に限らず、様々な用途で用いられる圧電素子を駆動するための各種圧電素子駆動回路に対して広く適用可能である。

１２４（Ｃ１）圧電素子
Ｔトランス（変圧器）
Ｄ１ダイオード
Ｃ２コンデンサ（第１のキャパシタ）
Ｃ３コンデンサ（第２のキャパシタ）

特開昭５８−１０９０３号公報特開昭６１−４４６５３号公報特開２００１−１９７５９６号公報特表平９−５０６１８９号公報特開平６−２３２４６９号公報

Claims

所定周期で極性が変化する周期的電圧信号を一次側から入力し、該周期的電圧信号を昇圧して二次側から出力する変圧器と、
カソードが前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの一方に接続されたダイオードと、
一方の電極が前記ダイオードのアノードに接続された第１のキャパシタと、
一方の電極が前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの他方に接続され、他方の電極が前記第１のキャパシタの他方の電極に接続された第２のキャパシタと、
一方の電極が前記変圧器の二次側の２つの端子のうちの一方と前記ダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、他方の電極が前記第２のキャパシタの他方の端子と前記第１のキャパシタの他方の端子との共通接続点に接続された圧電素子と、を備えることを特徴とする圧電素子駆動回路。
前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの容量比は、前記圧電素子に印加する直流バイアスの電圧値に応じて予め定められた容量比であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
前記第２のキャパシタは、静電容量が前記圧電素子よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子駆動回路。
一次側から入力した周期的電圧信号を二次側で昇圧する変圧器と、
ダイオードと容量とを含み、電圧波形の一部を整流して得る直流電圧を、前記変圧器の二次側より得た前記周期的電圧信号に印加する自己バイアス印加回路と、
前記直流電圧が印加された前記周期的電圧信号によって駆動される圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、一次側より二次側の巻数が多い前記変圧器の二次側に対して、前記容量と直列に接続され、かつ、前記ダイオードと並列に接続されていることを特徴とする圧電素子駆動回路。