JP5903816B2 - Control device for pulsation generator and liquid ejecting apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、液体を噴射する技術に関する。 The present invention relates to a technique for ejecting liquid by applying a drive signal to a piezoelectric element to pressurize the liquid in a liquid chamber.
いわゆるインクジェットプリンターのように、圧電素子に駆動信号を印加してインクなどの液体を加圧することによって液体を噴射する液体噴射装置が知られている(例えば、特許文献1)。また、水や生理食塩水などの液体を加圧してノズルから噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置も提案されている(特許文献2)。これら液体噴射装置には駆動回路が搭載されており、駆動回路で生成した駆動信号を印加することによって圧電素子を駆動する。 A liquid ejecting apparatus that ejects a liquid by applying a driving signal to a piezoelectric element and pressurizing a liquid such as ink, as in a so-called inkjet printer, is known (for example, Patent Document 1). There has also been proposed a liquid ejecting apparatus for incising or excising living tissue by pressurizing a liquid such as water or physiological saline and ejecting the liquid from a nozzle (Patent Document 2). These liquid ejecting apparatuses are equipped with a drive circuit, and drive the piezoelectric element by applying a drive signal generated by the drive circuit.
圧電素子のような容量性負荷を高い電力効率で駆動可能な技術としては、いわゆるD級増幅器と呼ばれる技術が知られている。この技術では、電源とグランドとの間で、二つのスイッチ素子をプッシュ・プル接続しておき、二つのスイッチ素子の間の電圧を引き出して平滑フィルターに入力した後、駆動信号として外部に出力する。電源側のスイッチ素子をON(導通状態)として、グランド側のスイッチ素子をOFF(切断状態)とすれば、平滑フィルターには電源の電圧が入力され、逆に、電源側のスイッチ素子をOFFとして、グランド側のスイッチ素子をONとすれば、平滑フィルターにはグランドの電圧が入力される。従って、出力しようとする駆動信号の基準となる駆動波形信号をパルス変調して、得られた変調信号に基づいてスイッチ素子を駆動すれば、変調信号を電力増幅した電力増幅変調信号を、高い電力効率で生成することができる。そして、この電力増幅変調信号を平滑フィルターで平滑化すれば、駆動波形信号に対応する駆動信号を出力することができる。また、このD級増幅器に関する技術を利用して圧電素子を駆動する技術も提案されている(特許文献3)。 As a technique capable of driving a capacitive load such as a piezoelectric element with high power efficiency, a so-called class D amplifier is known. In this technology, two switch elements are connected in a push-pull manner between the power supply and the ground, the voltage between the two switch elements is extracted and input to the smoothing filter, and then output to the outside as a drive signal. . If the switch element on the power supply side is turned on (conducting state) and the switch element on the ground side is turned off (disconnected state), the power supply voltage is input to the smoothing filter. Conversely, the switch element on the power supply side is turned off. If the switch element on the ground side is turned ON, the ground voltage is input to the smoothing filter. Therefore, if the drive waveform signal that is the reference of the drive signal to be output is pulse-modulated and the switch element is driven based on the obtained modulation signal, the power amplification modulation signal obtained by power-amplifying the modulation signal is converted to high power. It can be generated with efficiency. Then, if this power amplification modulation signal is smoothed by a smoothing filter, a drive signal corresponding to the drive waveform signal can be output. In addition, a technique for driving a piezoelectric element using a technique related to the class D amplifier has been proposed (Patent Document 3).
ここで、変調信号を電力増幅する際に、プッシュ・プル接続された二つのスイッチ素子が同時のONになってしまうと、その瞬間に電源からグランドに向けて大きな突入電流が流れてスイッチ素子に損傷を与える。そこで、こうした事態を避けるため、一方のスイッチ素子がONで他方のスイッチ素子がOFFの状態から、一方のスイッチ素子がOFFで他方のスイッチ素子がONの状態に切り換える場合には、両方のスイッチ素子がOFFの状態(デッドタイム状態)を経由して切り換えることが行われる。尚、デッドタイム状態となっている時間は、「デッドタイム」と呼ばれる。 Here, when the power of the modulated signal is amplified, if two switch elements connected in push-pull are turned on at the same time, a large inrush current flows from the power source to the ground at that moment, and the switch element Cause damage. Therefore, in order to avoid such a situation, when switching from one switch element ON and the other switch element OFF to one switch element OFF and the other switch element ON, both switch elements Is switched via an OFF state (dead time state). The time in the dead time state is called “dead time”.
また、平滑フィルターに入力される電圧が切り換わる際には、平滑フィルターを構成する誘導成分によって逆起電力が発生する。そこで、デッドタイム状態中にスイッチ素子に過大な逆起電力が掛かることの無いように、電流をバイパスさせるダイオード(還流ダイオード)が、それぞれのスイッチ素子に対して並列に設けられている。 Further, when the voltage input to the smoothing filter is switched, a back electromotive force is generated by an inductive component constituting the smoothing filter. In order to prevent an excessive back electromotive force from being applied to the switch element during the dead time state, a diode (freewheeling diode) for bypassing the current is provided in parallel to each switch element.
しかし、二つのスイッチ素子のON/OFFを切り換える際に、スイッチ素子の寄生容量で充放電が発生することや、デッドタイム状態中に平滑フィルター側で生じた逆起電力によって還流ダイオードに電流が流れることなどに起因して、大きな電力損失が発生し、その結果、液体噴射装置を動作させる際の電力効率が低下することがあるという問題があった。 However, when switching ON / OFF of the two switch elements, charge / discharge occurs due to the parasitic capacitance of the switch elements, and current flows through the return diode due to the back electromotive force generated on the smoothing filter side during the dead time state. As a result, there is a problem that a large power loss occurs, and as a result, the power efficiency when operating the liquid ejecting apparatus may be lowered.
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、圧電素子に駆動信号を印加して液体を噴射する液体噴射装置を、高い電力効率で動作させることが可能な技術の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems of the prior art, and operates a liquid ejecting apparatus that ejects liquid by applying a driving signal to a piezoelectric element with high power efficiency. The purpose is to provide a technology that can be applied.
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の液体噴射装置は次の構成を採用した。すなわち、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第1の電圧発生源と、
前記第1の電圧発生源と直列接続される第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子と直列接続される第2のスイッチ素子と、
前記第2のスイッチ素子と直列接続され、前記第1の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第2の電圧発生源と、
前記第1のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第1の電圧発生源に接続された第1のダイオードと、
前記第2のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第2の電圧発生源に接続された第2のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
In order to solve at least a part of the problems described above, the liquid ejecting apparatus of the present invention employs the following configuration. That is,
In a liquid ejecting apparatus that ejects the liquid by applying a driving signal to the piezoelectric element to pressurize the liquid in the liquid chamber,
A drive waveform signal generating circuit for generating a drive waveform signal which is a reference of the drive signal;
A modulation circuit for pulse-modulating the drive waveform signal to generate a modulation signal that repeats a high voltage state and a low voltage state;
A digital power amplifier that amplifies the modulated signal to generate a power amplified modulated signal;
A smoothing filter that generates the drive signal by smoothing the power amplification modulation signal;
With
The digital power amplifier is:
A first voltage source;
A first switch element connected in series with the first voltage source;
A second switch element connected in series with the first switch element;
A second voltage generation source connected in series with the second switch element and generating a voltage lower than the first voltage generation source;
A first diode provided in parallel to the first switch element and having a cathode side connected to the first voltage generation source;
A second diode provided in parallel to the second switch element and having an anode connected to the second voltage generation source;
With
The digital power amplifier has a duty ratio that is a time ratio at which the modulation signal is in the high voltage state, a voltage of the driving waveform signal, or a dead time determined according to any of the voltages of the driving signal, The first switch element and the second switch element are driven.
このような構成を有する本発明の液体噴射装置においては、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のON/OFFを切り換えることによって、第1の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態(以下、第1の状態)と、第2の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態(以下、第2の状態)とを切り換えることができる。このとき第1のダイオードおよび第2のダイオードに存在する寄生容量では電荷の充放電が行われる。詳細には後述するが、この電荷の充放電に伴ってスイッチ素子を流れる電流が電力損失を発生させる。また、第1の状態と第2の状態とを切り換える際には、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子が何れもOFFの状態となるデッドタイム状態を経由させて切り換える。そして、詳細には後述するが、デッドタイム状態では、平滑フィルターのコイルに生じる逆起電力によって、ダイオードの寄生容量での電荷の回生や充電が行われる。電荷の回生や充電が完了すると、ONにしようとしている方のスイッチ素子に並列に接続されたダイオードの寄生容量に蓄えられていた電荷が、他方のダイオードの寄生容量に移し換えられたような状態となる。そして、このような状態から第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子をONに切り換えれば、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ONになったスイッチ素子を流れることがないので、電力損失の発生を回避することができる。また、寄生容量での電荷の回生および充電が完了するまでに要する時間は、変調信号のデューティー比に依存し、デューティー比は駆動波形信号や駆動信号の電圧に依存する。そこで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のON/OFFを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を駆動する。 In the liquid ejecting apparatus of the present invention having such a configuration, the voltage of the first voltage generation source is output as a power amplification modulation signal by switching ON / OFF of the first switch element and the second switch element. The state in which the voltage of the second voltage generation source is output as a power amplification modulation signal (hereinafter referred to as the second state) can be switched. At this time, charge and discharge are performed on the parasitic capacitances existing in the first diode and the second diode. As will be described later in detail, the current flowing through the switch element in association with charging and discharging of the electric charge causes power loss. Further, when switching between the first state and the second state, the switching is performed via a dead time state in which both the first switch element and the second switch element are in the OFF state. As will be described in detail later, in the dead time state, charge is regenerated and charged in the parasitic capacitance of the diode by the back electromotive force generated in the coil of the smoothing filter. When charge regeneration and charging are completed, the charge stored in the parasitic capacitance of the diode connected in parallel to the switch element that is going to be turned on is transferred to the parasitic capacitance of the other diode It becomes. If the first switch element or the second switch element is switched to ON from such a state, the charge stored in the parasitic capacitance does not flow through the ON switch element. Can be avoided. In addition, the time required to complete the regeneration and charging of the charge in the parasitic capacitance depends on the duty ratio of the modulation signal, and the duty ratio depends on the drive waveform signal and the voltage of the drive signal. Therefore, when switching ON / OFF of the first switch element and the second switch element, the dead time determined according to the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, or the voltage of the drive signal In time, the first switch element and the second switch element are driven.
こうすれば、第1のダイオードおよび第2のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子をONに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ONにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。 If it carries out like this, a 1st switch element or a 2nd switch element can be switched to ON at the timing which the charge regeneration and charge by the parasitic capacitance of the 1st diode and the 2nd diode were completed. For this reason, it is possible to avoid a power loss due to the charge stored in the parasitic capacitance flowing through the switch element that is turned on. As a result, a drive signal applied to the piezoelectric element of the liquid ejecting apparatus can be generated with high power efficiency, and the liquid ejecting apparatus can be operated with high power efficiency.
また、本発明の液体噴射装置は、第1の電圧発生源および第2の電圧発生源の代わりに、単に電源を備えた態様で把握することも可能である。このような態様で把握された本発明の液体噴射装置は、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
電源と、
前記電源の高電圧側に直列接続される第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子と前記電源の低電圧側との間に直列接続される第2のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記電源の高電圧側に接続される第1のダイオードと、
前記第2のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記電源の低電圧側に接続される第2のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
Further, the liquid ejecting apparatus of the present invention can be grasped in a mode in which a power source is simply provided instead of the first voltage generation source and the second voltage generation source. The liquid ejecting apparatus of the present invention ascertained in this manner is
In a liquid ejecting apparatus that ejects the liquid by applying a driving signal to the piezoelectric element to pressurize the liquid in the liquid chamber,
A drive waveform signal generating circuit for generating a drive waveform signal which is a reference of the drive signal;
A modulation circuit for pulse-modulating the drive waveform signal to generate a modulation signal that repeats a high voltage state and a low voltage state;
A digital power amplifier that amplifies the modulated signal to generate a power amplified modulated signal;
A smoothing filter that generates the drive signal by smoothing the power amplification modulation signal;
With
The digital power amplifier is:
Power supply,
A first switch element connected in series to the high voltage side of the power source;
A second switch element connected in series between the first switch element and the low voltage side of the power source;
A first diode provided in parallel to the first switch element and having a cathode side connected to a high voltage side of the power source;
A second diode provided in parallel to the second switch element and having an anode connected to the low voltage side of the power supply;
With
The digital power amplifier has a duty ratio that is a time ratio at which the modulation signal is in the high voltage state, a voltage of the driving waveform signal, or a dead time determined according to any of the voltages of the driving signal, The first switch element and the second switch element are driven.
このような態様の本発明の液体噴射装置においては、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のON/OFFを切り換えることによって、電源の高電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態(上述した第1の状態に相当)と、電源の低電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態(上述した第2の状態に相当)とを切り換えることができる。このとき第1のダイオードおよび第2のダイオードの寄生容量で電荷の充放電が行われ、この充放電に伴ってスイッチ素子を電流が流れると電力損失が発生する。そこで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のON/OFFを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を駆動する。 In the liquid ejecting apparatus according to the aspect of the invention, the voltage on the high-voltage side of the power supply is output as the power amplification modulation signal by switching the first switch element and the second switch element ON / OFF. It is possible to switch between a state (corresponding to the first state described above) and a state (corresponding to the second state described above) in which the voltage on the low voltage side of the power supply is output as a power amplification modulation signal. At this time, charges are charged and discharged by the parasitic capacitances of the first diode and the second diode, and power loss occurs when a current flows through the switch element due to the charging and discharging. Therefore, when switching ON / OFF of the first switch element and the second switch element, the dead time determined according to the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, or the voltage of the drive signal In time, the first switch element and the second switch element are driven.
こうすれば、第1のダイオードおよび第2のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子をONに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。 If it carries out like this, a 1st switch element or a 2nd switch element can be switched to ON at the timing which the charge regeneration and charge by the parasitic capacitance of the 1st diode and the 2nd diode were completed. For this reason, it is possible to avoid a power loss due to the charge stored in the parasitic capacitance flowing through the switch element. As a result, a drive signal applied to the piezoelectric element of the liquid ejecting apparatus can be generated with high power efficiency, and the liquid ejecting apparatus can be operated with high power efficiency.
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、次のようにしても良い。先ず、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに、デッドタイムが対応付けられたデッドタイム情報を記憶しておく。そして、デジタル電力増幅器は、デッドタイム情報に基づいて決定されたデッドタイムで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を駆動することによって電力増幅変調信号を生成する。 Further, in the liquid ejecting apparatus of the present invention described above, the following may be performed. First, dead time information in which the dead time is associated with any one of the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, or the voltage of the drive signal is stored. Then, the digital power amplifier generates a power amplification modulation signal by driving the first switch element and the second switch element with a dead time determined based on the dead time information.
こうすれば、デジタル電力増幅器が第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のON/OFFを切り換えるに際して、寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子をONに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ONにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となり、その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、デッドタイム情報に記憶されるデッドタイムは、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定することとなる情報であればよい。例えば、RC遅延回路を用いてデッドタイムを生成するのであれば、RC遅延回路の抵抗値Rやコンデンサー容量Cが決まるとデッドタイムが特定される。この場合の抵抗値Rやコンデンサー容量Cなどのように、デッドタイムを特定することとなる情報を、デッドタイムの代わりに記憶しておくこととしてもよい。 In this way, when the digital power amplifier switches on / off of the first switch element and the second switch element, the first switch element or the second switch is generated at the timing when the charge regeneration and the charge in the parasitic capacitance are completed. Can be switched on. For this reason, it is possible to avoid power loss due to the charge stored in the parasitic capacitance flowing through the switch element that is turned on, and as a result, the liquid ejecting apparatus can be operated with high power efficiency. Note that the dead time stored in the dead time information is not necessarily the dead time itself, but may be information that specifies the dead time. For example, if the dead time is generated using an RC delay circuit, the dead time is specified when the resistance value R and the capacitor capacitance C of the RC delay circuit are determined. Information for specifying the dead time, such as the resistance value R and the capacitor capacitance C in this case, may be stored instead of the dead time.
また、デッドタイムが駆動波形信号の電圧に対応付けられたデッドタイム情報が記憶されている場合には、デッドタイム情報を駆動波形信号発生回路に記憶しておき、駆動波形信号を変調回路に出力する際には、その駆動波形信号に対応するデッドタイムをデジタル電力増幅器に出力するようにしてもよい。変調回路は、駆動波形信号を変調信号に変換してデジタル電力増幅器に出力し、デジタル電力増幅器は、その変調信号に従って第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を切り換える。このとき、決定されたデッドタイムで第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子をONに切り換えた時に、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ONにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。 In addition, when dead time information in which the dead time is associated with the voltage of the drive waveform signal is stored, the dead time information is stored in the drive waveform signal generation circuit and the drive waveform signal is output to the modulation circuit. In doing so, a dead time corresponding to the drive waveform signal may be output to the digital power amplifier. The modulation circuit converts the drive waveform signal into a modulation signal and outputs the modulation signal to the digital power amplifier. The digital power amplifier switches the first switch element and the second switch element in accordance with the modulation signal. At this time, the first switch element and the second switch element may be switched with the determined dead time. Even if it does in this way, when the 1st switch element or the 2nd switch element is switched ON, the electric power stored in the parasitic capacitance can avoid the power loss by flowing through the switch element turned ON. It becomes possible.
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに基づいてデッドタイムを決定し、そしてデジタル電力増幅器は、決定されたデッドタイムで、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を駆動するようにしてもよい。 In the liquid ejecting apparatus of the present invention described above, the dead time is determined based on any one of the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the driving waveform signal, or the voltage of the driving signal, and the digital power amplifier is determined. The first switch element and the second switch element may be driven with a dead time.
詳細には後述するが、第1のダイオードおよび第2のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電に要する時間は、変調信号のデューティー比や、駆動波形信号の電圧、駆動信号の電圧などから容易に決定することができる。従って、これら何れかに基づいて決定したデッドタイムで、第1のスイッチ素子あるいは第2のスイッチ素子を切り換えてやれば、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧などに基づいて決定する事項は、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定可能な事項であればよい。例えば、デッドタイムを生成するRC遅延回路の抵抗値Rやコンデンサー容量Cなどを、デッドタイムの代わりに決定しても良い。 As will be described in detail later, the time required for charge regeneration and charging in the parasitic capacitances of the first diode and the second diode depends on the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, the voltage of the drive signal, and the like. Can be easily determined. Therefore, if the first switch element or the second switch element is switched with the dead time determined based on any of these, the power loss caused by the charge stored in the parasitic capacitance flowing through the switch element can be avoided. can do. As a result, the liquid ejecting apparatus can be operated efficiently. Note that the matter determined based on the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, the voltage of the drive signal, or the like does not necessarily need to be the dead time itself, and may be any matter that can specify the dead time. For example, the resistance value R and the capacitor capacitance C of the RC delay circuit that generates the dead time may be determined instead of the dead time.
また、デジタル電力増幅器は、デッドタイムを受け取るのではなく、変調信号や、駆動波形信号、あるいは駆動信号の何れかを受け取ってデッドタイムを決定してもよい。そして、決定したデッドタイムで第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。 Further, the digital power amplifier may determine the dead time by receiving any one of the modulation signal, the driving waveform signal, and the driving signal, instead of receiving the dead time. And you may make it switch a 1st switch element and a 2nd switch element with the determined dead time. Even in this case, it is possible to avoid a power loss due to the charge stored in the parasitic capacitance flowing through the switch element. As a result, the liquid ejecting apparatus can be operated efficiently.
また、上述した本発明の液体噴射装置は、圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することができる。このため、圧電素子に駆動信号を印加して液体を加圧することによって液体を噴射する各種の医療機器を、高い電力効率で動作させることが可能となる。尚、液体を噴射する医療機器としては、水や生理食塩水を噴射して生体組織を切開あるいは切除する機器に限らず、たとえば薬液や圧送する医療機器などとすることもできる。 In addition, the above-described liquid ejecting apparatus of the present invention can generate a drive signal applied to the piezoelectric element with high power efficiency. For this reason, various medical devices that eject liquid by applying a driving signal to the piezoelectric element to pressurize the liquid can be operated with high power efficiency. The medical device for ejecting the liquid is not limited to a device for incising or excising a biological tissue by ejecting water or physiological saline, and may be a medical device or a medical device for pumping, for example.
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:
A−1.全体構成:
A−2.圧電素子駆動回路の概要:
A−3.デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム:
A−4.デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム:
A−5.圧電素子駆動回路の詳細:
A−6.スイッチ駆動方法:
B.変形例:
B−1.第1変形例:
B−2.第2変形例:
B−3.第3変形例:
B−4.第4変形例:
B−5.第5変形例:
B−6.第6変形例:
Hereinafter, in order to clarify the contents of the present invention described above, examples will be described in the following order.
A. Device configuration:
A-1. overall structure:
A-2. Overview of the piezoelectric element drive circuit:
A-3. Mechanism of power loss in digital power amplifier:
A-4. Mechanisms to avoid power loss in digital power amplifiers:
A-5. Details of the piezoelectric element drive circuit:
A-6. Switch drive method:
B. Variations:
B-1. First modification:
B-2. Second modification:
B-3. Third modification:
B-4. Fourth modification:
B-5. Fifth modification:
B-6. Sixth modification:
A.装置構成 :
A−1.全体構成 :
図1は、本実施例の圧電素子駆動回路200を搭載した液体噴射装置100の構成を示した説明図である。図示されているように液体噴射装置100は、大きく分けると、液体を噴射するための脈動発生部110と、脈動発生部110に向けて液体を供給する液体供給手段120と、脈動発生部110および液体供給手段120の動作を制御する制御部130などから構成されている。液体噴射装置100は、パルス状の液体を脈動発生部110から噴射することによって、生体組織を切除または切開することに使用する手術具(ウォータージェットメス)として機能する。
A. Device configuration :
A-1. overall structure :
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a
脈動発生部110は、金属製の第2ケース113に、同じく金属製の第1ケース114を重ねてネジ止めなどによって堅固に結合し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液体噴射管112が立設され、液体噴射管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、薄い円板形状の液体室115が形成されており、液体室115は、液体噴射管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。脈動発生部110と制御部130とは配線ケーブル150によって接続されており、制御部130内の圧電素子駆動回路200からは、配線ケーブル150を介して駆動信号が圧電素子116に供給される。また、配線ケーブル150はコネクターによって脈動発生部110に取り付けられている。このため、配線ケーブル150は、長さや特性の異なる種々の配線ケーブル150に取り替えることができる。
The
液体供給手段120は、噴射しようとする液体(水、生理食塩水、薬液など)が貯められた液体容器123から、第1接続チューブ121を介して液体を吸い上げた後、第2接続チューブ122を介して脈動発生部110の液体室115内に供給する。このため、液体室115は液体で満たされた状態となっている。そして、制御部130から駆動信号を圧電素子116に印加すると、圧電素子116が伸張して液体室115が押し縮められ、その結果、液体室115内に充満していた液体が、ノズル111からパルス状に噴射される。圧電素子116の伸張量は、駆動信号として印加される電圧に依存する。また、駆動信号は、制御部130内に搭載された圧電素子駆動回路200によって生成されている。
The liquid supply means 120 sucks up the liquid from the
A−2.圧電素子駆動回路構成の概要 :
図2は、制御部130に搭載された圧電素子駆動回路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、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をデジタル的に電力増幅して電力増幅変調信号(以下、ACOM)を生成するデジタル電力増幅器240と、デジタル電力増幅器240からACOMを受け取って変調成分を取り除いた後、駆動信号(以下、COM)として脈動発生部110の圧電素子116に供給する平滑フィルター250と、平滑フィルター250から出力されたCOMに対して位相を進ませる補償(位相進み補償)を加えてdCOM(帰還信号)を生成する位相進み補償回路260とを備えている。尚、第1実施例の圧電素子駆動回路200には、COMに対して位相進み補償を加えたdCOMを負帰還させているが、負帰還させない構成とすることも可能である。この場合は、演算回路220や位相進み補償回路260が不要となる。その結果、変調回路230は、dWCOMではなく、WCOMに対してパルス変調を行う。
A-2. Overview of piezoelectric element drive circuit configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a circuit configuration of the piezoelectric
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。演算回路220では、こうして出力されたWCOMからdCOMを減算した信号を、dWCOM(誤差信号)として出力する。
Of these, the drive waveform
変調回路230では、dWCOMを一定周期(変調周期)の三角波と比較することによって、パルス波状のMCOM(変調信号)を生成(パルス変調)する。たとえばdWCOMの方が三角波よりも大きい期間では高電圧状態(出力が「H」)となり、dWCOMの方が三角波よりも小さい期間では低電圧状態(出力が「L」)となるようなMCOMが出力される。尚、MCOMが「H」となる時間比率は、「デューティー比(あるいはオンデューティー比)」と呼ばれる。変調回路230によって得られたMCOMは、デジタル電力増幅器240に入力される。詳細な構成については後述するが、デジタル電力増幅器240は、電源と、プッシュ・プル接続された2つのスイッチ素子(MOSFETなど)と、グランドGNDとが、この順序で直列に接続されている。MCOMの出力がONの場合は、電源側のスイッチ素子がONになり、グランドGND側のスイッチ素子がOFFになって、電源の電圧VddがACOMとして出力される。また、MCOMの出力がOFFの場合は、電源側のスイッチ素子がOFFになり、グランドGND側のスイッチ素子がONになってグランドGNDの電圧0がACOMとして出力される。その結果、変調回路230の動作電圧とグランドGNDとの間でパルス波状に変化するMCOMが、電源の電圧VddとグランドGNDの電圧0との間でパルス波状に変化するACOMに電力増幅される。この増幅では、プッシュ・プル接続された2つのスイッチ素子のON/OFFを切り換えているだけなので、アナログ波形を増幅する場合に比べれば、電力損失を抑制することが可能である。尚、本実施例では、1つの電源の高電圧側の電圧をVddとし、低電圧側の電圧をグランドGNDとしたが、発生する電圧の異なる2つの電源を用いて、電圧VddおよびグランドGNDを発生させても良い。すなわち、高い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧をVddとし、低い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧あるいは低電圧側の電圧をグランドGNDとしてもよい。このように2つの電源を用いれば、圧電素子116に対してマイナスのCOMを印加することができるので、圧電素子116の残留歪みによって圧電素子116の変位量が少なくなってしまう事態を回避することが可能となる。
The
こうして電力増幅されたACOM(電力増幅変調信号)は、LC回路によって構成される平滑フィルター250を通すことによってCOM(駆動信号)に変換され、圧電素子116に印加される。また、COMは演算回路220に負帰還されるが、平滑フィルター250を通過することによって、COMは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、コンデンサーと抵抗とによって構成された位相進み補償回路260を通して位相を進ませる補償(位相進み補償)を行い、得られた信号をdCOMとして演算回路220に負帰還させるようになっている。
The power-amplified ACOM (power amplification modulation signal) is converted into COM (driving signal) by passing through a smoothing
A−3.デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム :
上述したように、デジタル電力増幅器240は、大きな電力損失を伴うことなく、変調信号(MCOM)を電力増幅してACOMを生成することが可能である。しかし、デジタル電力増幅器240でも、ある条件が成立すると電力増幅時に大きな電力損失が発生することがある。
A-3. Mechanism of power loss in digital power amplifier:
As described above, the
図3は、デジタル電力増幅器240で電力損失が発生する様子を示した説明図である。図示されるように、たとえば負荷に対して一定電圧を出力する場合には、変調信号のデューティー比が上限付近になると急激に電力損失が増加する。変調信号のデューティー比が下限付近になった場合にも急激に電力損失が増加する。このような現象が生じると、WCOMを変調してMCOMに変換してから増幅している意味が無くなってしまうので対策が必要となる。そのためには、このような現象が生じるメカニズムを明らかにしなければならない。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing how power loss occurs in the
図4は、デジタル電力増幅器240の内部構成を示した回路図である。図示されるように、デジタル電力増幅器240は、プッシュ・プル接続された2つのスイッチ素子S1,S2を中心として構成されており、一方のスイッチ素子S1には電源Vddが接続され、他方のスイッチ素子S2にはグランドGNDが接続されている。尚、スイッチ素子S1が本発明の「第1のスイッチ素子」に対応し、スイッチ素子S2が本発明の「第2のスイッチ素子」に対応する。
FIG. 4 is a circuit diagram showing the internal configuration of the
更に、スイッチ素子S1には、グランドGND側から電源Vdd側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードD1が並列に接続され、スイッチ素子S2にも、グランドGND側から電源Vdd側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードD2が並列に接続されている。従って、還流ダイオードD1が本発明の「第1のダイオード」に対応し、還流ダイオードD2が本発明の「第2のダイオード」に対応する。また、還流ダイオードD1,D2には、端子間に寄生容量が存在する。図4では、還流ダイオードD1に存在する寄生容量を寄生容量C1と表し、還流ダイオードD2に存在する寄生容量を寄生容量C2と表している。尚、スイッチ素子S1,S2としては、MOSFETやIGBTなどの素子を用いることができる。 Furthermore, the switching element S1 is connected in parallel with a free-wheeling diode D1 in a direction that allows current to flow from the ground GND side toward the power supply Vdd side. The switching element S2 also connects from the ground GND side to the power supply Vdd side. A free-wheeling diode D2 is connected in parallel in a direction that allows current to flow in the direction of the current. Accordingly, the freewheeling diode D1 corresponds to the “first diode” of the present invention, and the freewheeling diode D2 corresponds to the “second diode” of the present invention. Further, the free-wheeling diodes D1 and D2 have a parasitic capacitance between the terminals. In FIG. 4, the parasitic capacitance existing in the free wheeling diode D1 is represented as a parasitic capacitance C1, and the parasitic capacitance existing in the freewheeling diode D2 is represented as a parasitic capacitance C2. Note that elements such as MOSFETs and IGBTs can be used as the switch elements S1 and S2.
ゲートドライバー242は、変調回路230から供給されるMCOMに基づいて、スイッチ素子S1を駆動するための駆動信号Vg1、およびスイッチ素子S2を駆動するための駆動信号Vg2を出力する。そして、高電圧状態(以下では、「H」と表記する)の駆動信号Vg1が出力されるとスイッチ素子S1がON(導通状態)となり、低電圧状態(以下では、「L」と表記する)の駆動信号Vg1が出力されるとスイッチ素子S1がOFF(非導通状態)となる。スイッチ素子S2についても同様に、駆動信号Vg2が「H」になるとスイッチ素子S2がONになり、駆動信号Vg2が「L」になるとスイッチ素子S2がOFFになる。ゲートドライバー242が駆動信号Vg1,Vg2を出力する処理の詳細については後述する。
Based on the MCOM supplied from the
図5は、デジタル電力増幅器240が電力増幅する動作を示した説明図である。図5(a)は、スイッチ素子S1がOFFでスイッチ素子S2がONであるから、ACOMとして電圧0が出力されている状態を表している。また、図5(d)は、スイッチ素子S1がONでスイッチ素子S2がOFFであるから、ACOMとして電圧Vddが出力されている状態を表している。デジタル電力増幅器240が平滑フィルター250に対してACOMを出力する際には、これら2つの状態が交互に切り換わる。尚、以下では、スイッチ素子S1がOFFでスイッチ素子S2がONの状態(ACOMとして電圧0が出力されている状態)を、「ACOMがLの状態」と称し、逆に、スイッチ素子S1がONでスイッチ素子S2がOFFの状態(ACOMとして電圧Vddが出力されている状態)を、「ACOMがHの状態」と称することがある。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the operation of the
また、2つのスイッチ素子S1,S2が同時にONになると、電源VddからグランドGNDに向かって大きな突入電流が流れてスイッチ素子S1,S2に損傷を与える。そこで、こうしたことを回避するために、ACOMが「H」の状態と「L」の状態とを切り換える際には、スイッチ素子S1およびスイッチ素子S2が何れもOFFとなる状態(デッドタイム状態)を経由して切り換える。図5(b)は、ACOMがLからHに切り換わる際のデッドタイム状態を示しており、図5(e)は、ACOMがLからHに切り換わる際のデッドタイム状態を示している。 Further, when the two switch elements S1 and S2 are turned on at the same time, a large inrush current flows from the power supply Vdd toward the ground GND, thereby damaging the switch elements S1 and S2. Therefore, in order to avoid such a situation, when the ACOM is switched between the “H” state and the “L” state, the switch element S1 and the switch element S2 are both turned off (dead time state). Switch via. FIG. 5B shows a dead time state when ACOM switches from L to H, and FIG. 5E shows a dead time state when ACOM switches from L to H.
ここで、図5(a)に示した状態(ACOMがLの状態)に着目すると、この状態では、還流ダイオードD1の一方の端子は電圧Vddに接続され、他方の端子はグランドGNDに接続されている。従って、還流ダイオードD1の寄生容量C1には電荷が蓄積(充電)される。また、還流ダイオードD2の寄生容量C2については、何れの端子もグランドGNDに接続されているので、電荷が蓄積されることはない。この状態からデッドタイム状態になると、図5(b)に示すように、スイッチ素子S2がOFFになる。 Here, focusing on the state shown in FIG. 5A (the state in which ACOM is L), in this state, one terminal of the freewheeling diode D1 is connected to the voltage Vdd, and the other terminal is connected to the ground GND. ing. Accordingly, charges are accumulated (charged) in the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1. In addition, as for the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2, since any terminal is connected to the ground GND, no charge is accumulated. When the dead time state is reached from this state, the switch element S2 is turned off as shown in FIG.
そしてデッドタイム状態が経過すると、今度はスイッチ素子S1がONになる。ここで、還流ダイオードD2の寄生容量C2のハイ側(電源Vddに近い側)の端子に着目すると、図5(a)に示した状態では、還流ダイオードD2の寄生容量C2のハイ側の端子はグランドGNDに接続されており、図5(b)の状態でもグランドGNDの電圧に保たれている。一方、還流ダイオードD1の寄生容量C1には電荷が蓄えられているから、スイッチ素子S1をONにした瞬間に、寄生容量C1に蓄えられていた電荷が還流ダイオードD2の寄生容量C2に流入する。図5(d)には、寄生容量C1から寄生容量C2に向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子S1で抵抗損失を発生させる。また、還流ダイオードD1の寄生容量C1に蓄えられていた電荷だけでは、還流ダイオードD2の寄生容量C2のハイ側の端子電圧をVddまで上昇させることができなかった場合は、電源Vddから電荷が供給される。このときの電流もスイッチ素子S1で抵抗損失を発生させる。 When the dead time state elapses, the switch element S1 is turned on this time. Here, when attention is paid to the high-side terminal (side closer to the power supply Vdd) of the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2, in the state shown in FIG. 5A, the high-side terminal of the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is It is connected to the ground GND, and is kept at the voltage of the ground GND even in the state of FIG. On the other hand, since the charge is stored in the parasitic capacitance C1 of the return diode D1, the charge stored in the parasitic capacitance C1 flows into the parasitic capacitance C2 of the return diode D2 at the moment when the switch element S1 is turned on. In FIG. 5D, the current flowing from the parasitic capacitance C1 toward the parasitic capacitance C2 is represented by a broken arrow. The current at this time causes resistance loss in the switch element S1. If the high-side terminal voltage of the parasitic capacitance C2 of the free-wheeling diode D2 cannot be increased to Vdd only by the charge stored in the parasitic capacitance C1 of the free-wheeling diode D1, the charge is supplied from the power supply Vdd. Is done. The current at this time also causes resistance loss in the switch element S1.
このようにして還流ダイオードD2の寄生容量C2に電荷が流れ込むと、最終的には図5(d)に示した状態(ACOMがHの状態)となる。この状態では、還流ダイオードD2の寄生容量C2のハイ側の端子は電源Vddに接続され、ロー側(ハイ側とは反対側)の端子はグランドGNDに接続されているので電荷が蓄積(充電)されている。また、還流ダイオードD1の寄生容量C1の端子は何れも電源Vddに接続されているので電荷が蓄積されることはない。 When the charge flows into the parasitic capacitance C2 of the free-wheeling diode D2 in this way, the state finally becomes as shown in FIG. 5D (ACOM is in the H state). In this state, the high-side terminal of the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is connected to the power supply Vdd, and the low-side (opposite side to the high side) terminal is connected to the ground GND. Has been. In addition, since the terminals of the parasitic capacitance C1 of the free-wheeling diode D1 are all connected to the power supply Vdd, no charge is accumulated.
以上では、図5(a)の状態(ACOMがLの状態)から図5(d)の状態(ACOMがHの状態)に切り換える場合について説明したが、今度は逆に、図5(d)の状態(ACOMがHの状態)から図5(a)の状態(ACOMがLの状態)に切り換える場合について説明する。図5(d)の状態からデッドタイム状態になると、図5(e)に示すように、スイッチ素子S1をOFFにする。この状態では、還流ダイオードD2の寄生容量C2には電荷が蓄えられて、ハイ側の端子電圧がVddとなっている。そしてデッドタイム状態が経過するとスイッチ素子S2がONになる。すると、還流ダイオードD2の寄生容量C2のハイ側の端子がグランドGNDに接続された状態となるので、寄生容量C2に貯まっていた電荷がグランドGNDに排出される。図5(d)には、寄生容量C2からグランドGNDに向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子S2で抵抗損失を発生させる。 In the above, the case of switching from the state of FIG. 5A (the state where ACOM is L) to the state of FIG. 5D (the state where ACOM is H) has been described, but this time, conversely, FIG. A case of switching from the state (ACOM is H state) to the state shown in FIG. 5A (ACOM is L state) will be described. When the dead time state is reached from the state shown in FIG. 5D, the switch element S1 is turned OFF as shown in FIG. In this state, charge is stored in the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2, and the high-side terminal voltage is Vdd. When the dead time state elapses, the switch element S2 is turned on. Then, since the high-side terminal of the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is connected to the ground GND, the charge stored in the parasitic capacitance C2 is discharged to the ground GND. In FIG. 5D, a current flowing from the parasitic capacitance C2 toward the ground GND is represented by a broken arrow. The current at this time causes resistance loss in the switch element S2.
また、還流ダイオードD1の寄生容量C1のハイ側の端子は電源Vddに接続されているので、還流ダイオードD2の寄生容量C2に貯まっていた電荷がグランドGNDに排出されて、寄生容量C2のハイ側端子の電圧が低下するに従って、還流ダイオードD1の寄生容量C1には電荷が蓄積(充電)されていき、最終的には、図5(a)に示した状態となる。 Further, since the high-side terminal of the parasitic capacitance C1 of the free-wheeling diode D1 is connected to the power supply Vdd, the charge stored in the parasitic capacitance C2 of the free-wheeling diode D2 is discharged to the ground GND, and the high-side of the parasitic capacitance C2 As the voltage at the terminal decreases, charges are accumulated (charged) in the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1, and finally the state shown in FIG.
以上は、デジタル電力増幅器240に平滑フィルター250が接続されていないものとして説明した。しかし、図1に示したようにデジタル電力増幅器240には平滑フィルター250が接続されているので、このことによる影響も考慮する必要がある。そこで、先ず始めに、一般的な平滑フィルターに一定電圧を急に印加したときの挙動や、平滑フィルターに印加されている電圧を急に0に落としたときの挙動について検討する。
The above description has been made assuming that the smoothing
図6は、コイルとコンデンサーとによって構成される一般的な平滑フィルターに、一定周期Tで電圧Eと電圧0とに切り換わる電圧を印加した時に、一般的な平滑フィルターのコイルに流れる電流を示している。本実施例のデジタル電力増幅器240の出力(ACOM)は、電圧VddとグランドGNDの電圧とを繰り返すから、図5の電圧Eを電圧Vddと読み替えれば、本実施例の平滑フィルター250に適用することができる。
FIG. 6 shows a current flowing through a coil of a general smoothing filter when a voltage that switches between a voltage E and a
一定周期Tの中で電圧E(電圧Vddに対応)を印加している時間をtonとすると、デューティー比Dは、ton/T(パーセント表示の場合は100×ton/T)となる。また、平滑フィルター250から出力される出力電圧Vout(COMに相当)は、ほぼ、D×Eによって決まる電圧となる。そして、このときにコイルには、電圧Eが印加されている期間では、電流がマイナス(電源側に逆流している状態)からほぼ直線的に増加してプラス(グランドGNDに向けて流れる状態)に転じ、印加される電圧が電圧0になっている期間では、プラスからほぼ直線的に減少してマイナスに転じるようなノコギリ刃状の電流が流れる。
If the time the application of the voltage E (corresponding to the voltage Vdd) in a constant period T and t on, the duty ratio D becomes t on / T (100 × t on / T in the case of percentages) . Further, the output voltage Vout (corresponding to COM) output from the smoothing
また、圧電素子駆動回路200によって駆動される対象が、容量性負荷の圧電素子116であるから、平滑フィルター250の出力電圧(COM)が一定の条件では、一周期の間でコンデンサーに出入りする電荷が等しくなり、プラス側への振幅の最大値とマイナス側への振幅の最大値とは等しくなる。
In addition, since the target driven by the piezoelectric
図7には、平滑フィルター250のコイルに流れる電流Iの算出式が示されている。図7(a)は、電圧E(電圧Vddに対応)を印加している期間について示したものであり、図7(b)は、印加する電圧を電圧0に落としている期間について示したものである。電圧Eを印加している期間にコイルに流れる電流Iは、図7(a)中の回路図で示される。平滑フィルター250を構成するコイルのインダクタンスをL、コンデンサーのキャパシタンスをC、コイルに流れる初期電流(電圧E印加時に流れていた電流)をI0、コンデンサーの初期電圧(電圧Eの印加時でのコンデンサーの端子間電圧)をE0とすると、電圧Eと、電流Iとの間には、(1)式で示した微分方程式が成立し、この方程式を解くと電流Iは(2)式によって求められる。ここで、ω0は、平滑フィルター250の共振周波数(=1/√(LC))である。そして、電圧Eが印加されている時間tonは平滑フィルター250の共振周期に比べると十分に短いから、cosω0tはほぼ1とみなすことができ、sinω0tはほぼω0tとみなすことができる。すると(2)式は、(3)式で近似することができ、電流Iは時間tの経過とともに直線的に増加することが分かる。
FIG. 7 shows a calculation formula for the current I flowing through the coil of the smoothing
平滑フィルター250に印加する電圧が電圧0に落とされている期間についても同様である。すなわち、印加する電圧を電圧0に落としている期間にコイルに流れる電流Iは、図7(b)中の回路図で示すことができ、印加する電圧は0であるから、電流Iは(4)式で示した微分方程式が成立する。そしてこの方程式を解くと、印加する電圧が電圧0の期間に流れる電流Iは(5)式によって求められる。また、sinω0tをω0tと近似して、cosω0tを1と近似すると、電流Iは(6)式で求めることができる。従って、印加する電圧が電圧0に落とされている期間では、電流Iは時間tの経過とともに直線的に減少することが分かる。
The same applies to the period during which the voltage applied to the smoothing
また、図6に示したように、電圧Eを印加した瞬間(t=0)では、電流I=−IAであるから、(3)式より、I0=−IAとなる。更に、初期電圧E0は、図6の出力電圧Vout(=D×E。圧電素子駆動回路200のCOMに相当)に等しいから、これらを(3)式に代入して整理すると、コイルに流れる電流の振幅IAは、図8(a)に示した(7)式によって示される。(7)式に示されるように、電流の振幅IAはデューティー比Dの二次関数であり、図8(b)に示すように、D=0.5(デューティー比Dが50%)の時に最大値となる。 Further, as shown in FIG. 6, at the moment (t = 0) when the voltage E is applied, the current I = −IA, and therefore, I 0 = −IA from the equation (3). Furthermore, since the initial voltage E 0 is equal to the output voltage Vout (= D × E, which corresponds to COM of the piezoelectric element driving circuit 200) in FIG. 6, when these are substituted into the equation (3) and arranged, they flow through the coil. The amplitude IA of the current is expressed by the equation (7) shown in FIG. As shown in the equation (7), the current amplitude IA is a quadratic function of the duty ratio D, and as shown in FIG. 8B, when D = 0.5 (the duty ratio D is 50%). Maximum value.
以上のことから次のようなことが分かる。デジタル電力増幅器240のACOMを平滑フィルター250で平滑化して、一定のCOMを負荷に印加する場合(デューティー比が一定の場合)、平滑フィルター250のコイルには、図6に示したようなノコギリ刃状の電流が流れる。電流の振幅がプラス側に最大となるのは、デジタル電力増幅器240のACOMが「H」から「L」の状態に切り換わる瞬間であり、マイナス側に最大となるのは、ACOMが「L」から「H」の状態に切り換わる瞬間である。また、電流Iの絶対値(すなわち振幅IA)は、デューティー比Dが50%の時に最大となり、デューティー比Dが50%から小さくなるにつれて、あるいは50%から大きくなるにつれて、振幅IAは小さくなる。尚、以上の説明では、COMが一定であるものとして説明した。この場合、一周期の間で圧電素子116に流入する電流と、流出する電流とは等しくなる。これに対して、COMが増加する場合は圧電素子116に流入する電流の方が多くなり、逆にCOMが減少する場合は圧電素子116から流出する電流の方が多くなる。従って、COMが変化する場合は、この圧電素子116に出入りする電流に相当する分だけ、平滑フィルター250のコイルに流れる電流Iが上方にシフト(増加)あるいは下方にシフト(減少)することになる。
From the above, the following can be understood. When the ACOM of the
デジタル電力増幅器240に平滑フィルター250を接続すると、平滑フィルター250のコイルに流れる電流Iがこのような挙動をすることを踏まえた上で、平滑フィルター250が接続された状態でのデジタル電力増幅器240の動作について考える。
When the smoothing
図9は、図5(a)の状態(ACOMがLの状態)から、図5(d)の状態(ACOMがHの状態)に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図9(a)に示されるように、ACOMがLの状態(スイッチ素子S1がOFFで、スイッチ素子S2がONの状態)では、還流ダイオードD1の寄生容量C1には電荷が蓄えられている。また、図8を用いて前述したように、ACOMがLからHに切り換わる直前には、平滑フィルター250のコイルからデジタル電力増幅器240に向かって大きさIAの電流が流れている。図9(a)では、コイルからの電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
FIG. 9 shows a phenomenon that occurs during the dead time state when the state of FIG. 5A (the state of ACOM is L) is switched to the state of FIG. 5D (the state that ACOM is H). It is explanatory drawing. As shown in FIG. 9A, in the state where ACOM is L (the switch element S1 is OFF and the switch element S2 is ON), charges are stored in the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1. Further, as described above with reference to FIG. 8, a current of magnitude IA flows from the coil of the smoothing
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子S1,S2を何れもOFFの状態にする。すると、平滑フィルター250のコイルには、自己誘導現象によって電流をそのまま流し続けようとする方向に起電力が発生する。しかし、スイッチ素子S2はOFFに切り換わっているので、こちらを流れることはできない。その一方で、還流ダイオードD2の寄生容量C2には電荷が全く蓄えられていないので、この寄生容量C2がコイルの逆起電力によって充電される。また、還流ダイオードD1の寄生容量C1については、コイルの逆起電力が発生する結果、寄生容量C1のロー側(電源Vddの反対側)の端子電圧が上昇するので、ハイ側の端子との端子間電圧が小さくなる。その結果、還流ダイオードD1の寄生容量C1に蓄えられていた電荷が電源Vddに回生される。図9(b)に示した破線の矢印は、還流ダイオードD2の寄生容量C2に電荷が充電され、還流ダイオードD1の寄生容量C1に蓄えられていた電荷が回生される様子を表している。
From this state, the switch elements S1 and S2 are both turned off in the dead time state. As a result, an electromotive force is generated in the coil of the smoothing
そして、図9(c)に示すように、還流ダイオードD1の寄生容量C1に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子S2のハイ側の端子電圧が電圧Vddに達するまで寄生容量C2に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子S1をONにしてやる。こうすれば、図5を用いて前述したように、ACOMの出力をLからHの状態に切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図9(a)の状態を、デッドタイム状態の間に図9(c)の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。ACOMの出力をHからLの状態に切り換える場合にも、同様なことが当て嵌まる。 Then, as shown in FIG. 9 (c), all the charges stored in the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1 are regenerated, and the parasitic capacitance C2 is charged until the high-side terminal voltage of the switching element S2 reaches the voltage Vdd. Is stored, the switch element S1 is turned on. In this way, as described above with reference to FIG. 5, no power loss occurs when the output of the ACOM is switched from the L state to the H state. That is, if the state of FIG. 9A can be brought to the state of FIG. 9C during the dead time state, the occurrence of power loss can be avoided. The same applies when switching the output of ACOM from H to L state.
図10は、図5(d)の状態(ACOMがHの状態)から、図5(a)の状態(ACOMがLの状態)に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図10(a)に示されるように、ACOMがHの状態(スイッチ素子S1がONで、スイッチ素子S2がOFFの状態)では、還流ダイオードD2の寄生容量C2に電荷が蓄えられる。また、図6を用いて前述したように、ACOMの出力がHからLの状態に切り換わる直前には、デジタル電力増幅器240から平滑フィルター250のコイルに向かって大きさがIAの電流が流れている。図10(a)では、デジタル電力増幅器240の電源Vddからコイルに向かって電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
FIG. 10 shows a phenomenon that occurs during the dead time state when switching from the state of FIG. 5D (ACOM is H state) to the state of FIG. 5A (ACOM is L state). It is explanatory drawing. As shown in FIG. 10A, when ACOM is H (switch element S1 is ON and switch element S2 is OFF), electric charge is stored in the parasitic capacitance C2 of the free wheel diode D2. Also, as described above with reference to FIG. 6, immediately before the output of the ACOM switches from H to L, a current having a magnitude of IA flows from the
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子S1,S2を何れもOFFの状態にする。すると、平滑フィルター250のコイルには自己誘導現象によって、電流をそのまま流し続けようとする方向に逆起電力が発生する。しかし、スイッチ素子S1はOFFに切り換わっているので、電源Vddから電荷を供給することができず、その一方で、還流ダイオードD2の寄生容量C2には端子間電圧がVddの電荷が蓄えられているので、この電荷がコイルに向かって供給される。また、これに伴ってスイッチ素子S2のハイ側の端子電圧が低下するので、還流ダイオードD1の寄生容量C1の端子間電圧が増加し、その結果として寄生容量C1に電荷が蓄えられることになる。図10(b)に示した破線の矢印は、還流ダイオードD2の寄生容量C2に電荷が蓄えられていた電荷が回生され、還流ダイオードD1の寄生容量C1に電荷が充電される様子を表している。
From this state, the switch elements S1 and S2 are both turned off in the dead time state. Then, a counter electromotive force is generated in a direction in which a current continues to flow through the coil of the smoothing
そして、図10(c)に示すように、還流ダイオードD2の寄生容量C2に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子S1の端子間電圧が電圧Vddに達するまで寄生容量C1に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子S2をONにしてやる。こうすれば、図5を用いて前述したように、ACOMをHからLに切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図10(a)の状態を、デッドタイム状態の間に図10(c)の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。 Then, as shown in FIG. 10C, all the charges stored in the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 are regenerated, and the charges are stored in the parasitic capacitance C1 until the voltage between the terminals of the switch element S1 reaches the voltage Vdd. After that, the switch element S2 is turned on. In this way, as described above with reference to FIG. 5, no power loss occurs when the ACOM is switched from H to L. That is, if the state of FIG. 10A can be brought to the state of FIG. 10C during the dead time state, the occurrence of power loss can be avoided.
このように、ACOMの出力を切り換えたときに、平滑フィルター250のコイルで大きな逆起電力が発生して、デッドタイム状態中に寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電が完了していれば、デジタル電力増幅器240で発生する電力損失を大幅に抑制することができる。図3に示した現象、すなわちデューティー比が下限付近の場合や逆に上限付近の場合に、圧電素子駆動回路200での電力損失が急激に増加する現象は、コイルで十分な大きさの逆起電力を発生させることができなくなったため、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できなかったことが原因で生じたものと考えられる。
As described above, when the output of ACOM is switched, a large back electromotive force is generated in the coil of the smoothing
A−4.デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム :
図11には、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できた場合と、完了できなかった場合とについて、デジタル電力増幅器240の動作が切り換わる様子が示されている。図11(a)はデッドタイム状態の期間内に余裕を持って電荷の回生および充電が完了した場合を示し、図11(b)はデッドタイム状態の期間ちょうどで電荷の回生および充電が間に合った場合を示し、図11(c)はデッドタイム状態内に電荷の回生および充電が完了しなかった場合を示している。
A-4. Mechanism to avoid power loss in digital power amplifier:
FIG. 11 shows how the operation of the
先ず始めに、最も単純な場合である図11(b)の場合について説明する。デジタル電力増幅器240から出力されるMCOMがLの状態からデッドタイム状態に切り換わる直前では、図6に示したようにコイルの電流Iはマイナス方向(デジタル電力増幅器240に向かって逆流する方向)に流れている。また、デジタル電力増幅器240が出力するACOMの電圧は0である。この状態を、状態[A]と呼ぶことにする。続いて、スイッチ素子S2をOFFに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図9(b)を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2が充電され、それに伴って、デジタル電力増幅器240が出力するACOMが上昇し、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧Vddに達する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2が充電されて、ACOMが上昇している状態を、状態[B]と呼ぶことにする。
First, the case of FIG. 11B, which is the simplest case, will be described. Immediately before the MCOM output from the
デッドタイム状態を終了して、デジタル電力増幅器240が出力するACOMがHの状態になると、図6を用いて前述したように、初めのうちはコイルにマイナス方向(コイルからデジタル電力増幅器240に逆流する方向)の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、プラス方向(デジタル電力増幅器240からコイルに向かう方向)に電流が流れるようになる。ACOMが電圧Vddで、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態を、状態[C]と呼び、コイルの電流が逆転してプラス方向の電流が流れるようになった状態を、状態[D]と呼ぶことにする。
When the dead time state is terminated and the ACOM output from the
その後、ACOMがHの状態から、スイッチ素子S1をOFFに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図10(b)を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2の電荷が回生され、還流ダイオードD1の寄生容量C1に電荷が充電されて、それに伴ってACOMが低下する。そして、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧0まで低下する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2から電荷が回生されて、ACOMが低下している状態を、状態[E]と呼ぶことにする。 Thereafter, when the switching element S1 is switched off from the state where ACOM is H to shift to the dead time state, as described above with reference to FIG. 10B, the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is caused by the back electromotive force of the coil. Is regenerated, and the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1 is charged, and ACOM decreases accordingly. And when the dead time state ends, the voltage just drops to zero. A state in which the charge is regenerated from the parasitic capacitance C2 of the return diode D2 by the back electromotive force of the coil and the ACOM is lowered is referred to as a state [E].
デッドタイム状態を終了して、ACOMがLの状態になると、図6を用いて前述したように、初めのうちはコイルにプラス方向の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、マイナス方向に電流が流れるようになる。ACOMが電圧0で、コイルにプラス方向の電流が流れている状態を、状態[F]と呼ぶことにする。また、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態は、前述した状態[A]である。 When the dead time state is terminated and ACOM is in the L state, as described above with reference to FIG. 6, a positive current flows through the coil at first, but the current direction is reversed in the middle. As a result, current flows in the negative direction. A state in which ACOM is 0 and a positive current flows through the coil is referred to as a state [F]. The state in which a negative current flows through the coil is the state [A] described above.
以上では、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量C1,C2での電荷の回生と充電とがちょうど完了した場合に、デジタル電力増幅器240の動作が切り換わる様子について説明した。これに対して、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量C1,C2での電荷の回生と充電とが余裕を持って完了する場合には、デジタル電力増幅器240の動作は図11(a)に示すように切り換わる。
In the above, the state in which the operation of the
先ず、デジタル電力増幅器240が出力するACOMがLの状態の時は、前述した状態[A]となっており、デッドタイム状態に切り換わると状態[B](すなわち、コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2が充電されて、ACOMが上昇していく状態)となる。そして、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードD2の寄生容量C2への充電が完了し(すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧Vddに達し)て、それ以降は、還流ダイオードD1を通って、電荷が電源Vddに逆流する状態となる。このような状態を、状態[G]と呼ぶ。状態[G]では、デジタル電力増幅器240が出力するACOMは、還流ダイオードD1の電圧降下分だけ、電圧Vddよりも高くなる。
First, when the ACOM output from the
その後、ACOMがHの状態では、前述した状態[C](ACOMが電圧Vddで、コイルの電流がマイナスの状態)から、前述した状態[D](ACOMが電圧Vddで、コイルの電流がプラスの状態)へと推移した後、デッドタイム状態になると、前述した状態[E](コイルの逆起電力によって還流ダイオードD2の寄生容量C2の電荷が回生されて、ACOMが低下していく状態)となる。そして、この場合も、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードD2の寄生容量C2からの電荷の回生が完了し(すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧0まで低下し)て、それ以降は、還流ダイオードD2を介してグランド側から電荷を吸い出す状態となる。このような状態を、状態[H]と呼ぶ。状態[H]では、ACOMは、還流ダイオードD2の電圧降下分だけ、電圧0よりも低くなる。
Thereafter, in the state where ACOM is H, from the state [C] described above (ACOM is voltage Vdd and the coil current is negative), the state [D] (ACOM is voltage Vdd and the coil current is positive). When the dead time state is reached after transitioning to the state of (5), the state [E] described above (the state in which the charge of the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is regenerated by the back electromotive force of the coil and the ACOM decreases) It becomes. Also in this case, if a sufficiently large back electromotive force is generated in the coil, the regeneration of charge from the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is completed before the dead time state ends. (That is, the terminal voltage on the high side of the parasitic capacitance decreases to a voltage of 0), and thereafter, the charge is sucked out from the ground side via the freewheeling diode D2. Such a state is referred to as a state [H]. In the state [H], ACOM becomes lower than the
これに対して、コイルで発生する逆起電力が不足しているために、デッドタイム状態の期間内では、寄生容量C1,C2での電荷の回生と充電とが完了しない場合には、デジタル電力増幅器240の動作は図11(c)に示すように切り換わる。ACOMがLの状態からデッドタイム状態に切り換わって、デッドタイム状態が終了するまでの動作は、図11(a)あるいは図11(b)を用いて前述した動作と同様である。すなわち、状態[A]から状態[B]へと切り換わる。
On the other hand, if the back electromotive force generated in the coil is insufficient and the regeneration and charging of the charges in the parasitic capacitors C1 and C2 are not completed within the dead time period, the digital power The operation of the
しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードD2の寄生容量C2への充電が完了しない(すなわち、寄生容量C2のハイ側の端子電圧が電圧Vddに達しない)。同様に、還流ダイオードD1の寄生容量C1からの電荷の回生も完了しない。このため、図5(a)の状態から図5(d)の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子S1で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもデジタル電力増幅器240の出力するACOMが電圧Vddに達していないから、スイッチ素子S1がONに切り換わることで、ACOMが電圧Vddまで上昇するようになる。このような状態を、状態[I]と呼ぶ。
However, if the magnitude of the counter electromotive force generated in the coil is insufficient, charging of the free-wheeling diode D2 to the parasitic capacitance C2 is not completed even when the dead time state ends (that is, the high side of the parasitic capacitance C2). Terminal voltage does not reach the voltage Vdd). Similarly, the regeneration of charge from the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1 is not completed. For this reason, similarly to the case of switching from the state of FIG. 5A to the state of FIG. 5D, power loss due to resistance occurs in the switch element S1. In addition, since the ACOM output from the
また、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、ACOMをHからLに切り換える時にも同様な現象が発生する。すなわち、ACOMがHの状態からデッドタイム状態に切り換えることに伴って、状態[D]から状態[E]に切り換わる。しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードD2の寄生容量C2からの電荷の回生が完了しない(すなわち、寄生容量C2のハイ側の端子電圧が電圧0まで低下しない)。このため、図5(d)の状態から図5(a)の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子S2で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもACOMが電圧0まで低下していないから、スイッチ素子S2がONに切り換わった後に、ACOM圧が電圧0まで低下するようになる。このような状態を、状態[J]と呼ぶ。 In addition, if the magnitude of the counter electromotive force generated in the coil is insufficient, the same phenomenon occurs when the ACOM is switched from H to L. That is, when the ACOM is switched from the H state to the dead time state, the state [D] is switched to the state [E]. However, if the magnitude of the back electromotive force generated in the coil is insufficient, the regeneration of the charge from the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is not completed even when the dead time state ends (that is, the parasitic capacitance C2 The terminal voltage on the high side does not drop to 0). For this reason, similarly to the case of switching from the state of FIG. 5D to the state of FIG. 5A, power loss due to resistance occurs in the switch element S2. Further, even when the dead time state ends, ACOM does not decrease to 0, so that the ACOM pressure decreases to 0 after the switching element S2 is turned ON. Such a state is referred to as a state [J].
以上に説明したように、デジタル電力増幅器240が状態[I]あるいは状態[J]になると電力損失が発生する。そして、これらの状態は、ACOMがLからHに、あるいはHからLに切り換わる度に(従って、パルス変調のキャリア周波数fcに対応する非常に高い頻度で)発生するから、結果的に、たいへんに大きな電力損失を発生させる。従って、このようなデジタル電力増幅器240での電力損失を回避するためには、状態[I]および状態[J]が発生しないようにすればよい。そこで、これらの状態が発生しないための条件について検討する。
As described above, power loss occurs when the
図12(a)は、状態[I]および状態[J]が発生しない条件を説明した図である。状態[I]は、状態[B]でのデッドタイム状態が経過した時に、デジタル電力増幅器240の出力(ACOM)が電圧Vddに達していない場合に発生する。換言すれば、状態[I]が発生しないための条件は、デッドタイム状態内に、ACOMが電圧0から電圧Vdd以上に上昇することである。ここで、還流ダイオードD1の寄生容量C1のキャパシタンスをCd(H)、還流ダイオードD2の寄生容量C2のキャパシタンスをCd(L)とすると、状態[B]でのACOMの電圧Vの上昇は、図12(a)中に示した(8)式で表示される。尚、(8)式中のIAは、デッドタイム状態に切り換わった瞬間にコイルに流れていた電流の大きさであり、図8中の(7)式によって与えられる。従って、ACOMがLからHに切り換わる際のデッドタイム状態をTd1とすると、状態[I]が発生しないための条件は、Td1が、図12(b)中に示した(10)式を満足することとなる。
FIG. 12A is a diagram for explaining conditions under which the state [I] and the state [J] do not occur. State [I] occurs when the output (ACOM) of
同様に、状態[J]は、状態[E]でのデッドタイム状態が経過した時に、ACOMが電圧Vddから電圧0まで低下していない場合に発生する。状態[E]でのACOMの電圧Vの低下は、図12(a)中に示した(9)式で表示される。従って、ACOMがHからLに切り換わる際のデッドタイム状態をTd2として、図8中の(7)式を代入して整理すると、状態[J]が発生しないための条件は、Td2が、図12(c)中に示した(11)式を満足することとなる。
Similarly, state [J] occurs when ACOM has not dropped from voltage Vdd to
ここで、Cd(H)、Cd(L)は、還流ダイオードD1,D2の特性値として予め求めておくことができる。Lは、平滑フィルター250のコイルのインダクタンスであり、Vddは、電源Vddが発生する電圧であり、fcは変調回路230がパルス変調する際のキャリア周波数である。従って、WCOMに対応するデューティー比Dが分かれば、(10)式および(11)式を満足させるTd1,Td2を容易に決定することができる。そして、このようにして決定したデッドタイム状態でスイッチ素子S1,S2を駆動すれば、たとえデューティー比が上限付近や下限付近の値となっても、デジタル電力増幅器240での電力損失を増加させないようにすることが可能となる。本実施例の圧電素子駆動回路200は、このような原理に基づいて、デジタル電力増幅器240での電力損失が増加することを回避する。
Here, Cd (H) and Cd (L) can be obtained in advance as the characteristic values of the free-wheeling diodes D1 and D2. L is an inductance of the coil of the smoothing
A−5.圧電素子駆動回路の詳細 :
図13は、本実施例の圧電素子駆動回路200で、デジタル電力増幅器240での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図2を用いて前述したように、駆動波形信号発生回路210は、COM(駆動信号)の元となるWCOM(駆動波形信号)を出力しており、内蔵する波形メモリー212にWCOMのデータを記憶している。
A-5. Details of piezoelectric element drive circuit:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a method for avoiding an increase in power loss in the
図13(b)は、波形メモリー212にWCOMのデータが記憶されている様子を示した説明図である。図示されるようにWCOMのデータは、WCOMの出力を開始してからの経過時間と、そのときに出力する電圧値と、デッドタイムTdとが記憶されている。また、WCOMとして出力する電圧値と、デューティー比Dとは一対一の関係となる。尚、図12では、ACOMがLからHに切り換わるときのデッドタイム状態と、ACOMがHからLに切り換わるときのデッドタイム状態とを区別していたが、図12中に示した(10)式と(11)式とを比べれば明らかなように、どちらの場合も必要なデッドタイムTd1,Td2は同じ値となる。そこで、図13(b)では、ACOMがLからHに切り換わる場合と、HからLに切り換わる場合とを区別することなく、単にデッドタイムTdが記憶されている。
FIG. 13B is an explanatory diagram showing a state in which WCOM data is stored in the
駆動波形信号発生回路210は、波形メモリー212から読み出した電圧値をWCOMとして演算回路220に出力し、また、その電圧値に対応付けて記憶されていたデッドタイムTdを、デジタル電力増幅器240に出力する。すると、デジタル電力増幅器240は、変調回路230からのMCOMに従ってスイッチ素子S1,S2を駆動する際に、デッドタイム状態の継続時間がデッドタイムTdとなるように、以下のような処理を行う。
The drive waveform
A−6.スイッチ駆動方法 :
図14は、デジタル電力増幅器240内のゲートドライバー242がスイッチ素子S1,S2を駆動するための行うスイッチ駆動処理のフローチャートである。スイッチ駆動処理では、先ず始めに、変調回路230から受け取ったMCOMが「H」であるか否かを判断する(ステップS100)。その結果、MCOMが「H」であると判断した場合は(ステップS100:yes)、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子S2はOFFにすればよいので、駆動信号Vg2の出力を「L」とする(ステップS102)。
A-6. Switch drive method:
FIG. 14 is a flowchart of a switch drive process performed for the
続いて、駆動信号Vg1が既に「H」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子S1が既にONに切り換わっているか否かを判断する(ステップS104)。駆動信号Vg1が「H」でなかった場合は(ステップS104:no)、MCOMは「H」になっているがスイッチ素子S1は未だONに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路210から指定されたデッドタイムTdの計時を開始する(ステップS106)。そして、デッドタイムTdが経過したか否かを判断し(ステップS108)、デッドタイムTdが経過していない場合は(ステップS108:no)、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムTdが経過したと判断したら(ステップS108:yes)、駆動信号Vg1を「H」にする(ステップS110)。その結果、スイッチ素子S1がONに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。これに対して駆動信号Vg1が既に「H」になっていた場合は(ステップS104:yes)、既にデッドタイム状態が終了して、ACOMが「H」の状態に切り換わっていると考えられるので、そのまま先頭に戻って、MCOMが「H」であるか否かを判断して(ステップS100)、上述した続く一連の処理を行う。 Subsequently, it is determined whether or not the drive signal Vg1 has already been “H”, in other words, whether or not the switch element S1 has already been switched on (step S104). If the drive signal Vg1 is not “H” (step S104: no), the MCOM is “H”, but the switch element S1 has not yet been turned on, so the drive waveform signal generation circuit Time measurement of the designated dead time Td is started from 210 (step S106). Then, it is determined whether or not the dead time Td has elapsed (step S108). If the dead time Td has not elapsed (step S108: no), the time measurement is continued as it is. As a result, if it is determined that the dead time Td has elapsed (step S108: yes), the drive signal Vg1 is set to “H” (step S110). As a result, the switch element S1 is switched ON, and the dead time state ends. On the other hand, if the drive signal Vg1 has already been “H” (step S104: yes), it is considered that the dead time state has already ended and the ACOM has switched to the “H” state. Then, the process returns to the top as it is, and it is determined whether or not the MCOM is “H” (step S100), and the series of processes described above are performed.
この結果、MCOMが「L」に切り換わると、ステップS100では「no」と判断する。そしてこの場合は、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子S1はOFFにすればよいので、駆動信号Vg1の出力を「L」とする(ステップS112)。続いて、駆動信号Vg2が既に「H」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子S2が既にONに切り換わっているか否かを判断する(ステップS114)。その結果、駆動信号Vg2が既に「H」になっていた場合は(ステップS114:yes)、MCOMが「L」になっていることに対応して、既にスイッチ素子S2がONに切り換わっていることになるので、そのまま先頭に戻って、MCOMが「H」であるか否かの判断を行い(ステップS100)、上述した続く一連の処理を行う。 As a result, when MCOM switches to “L”, it is determined as “no” in step S100. In this case, the switch element S1 may be turned off regardless of whether or not the dead time state has ended, so the output of the drive signal Vg1 is set to “L” (step S112). Subsequently, it is determined whether or not the drive signal Vg2 has already been “H”, in other words, whether or not the switch element S2 has already been switched on (step S114). As a result, when the drive signal Vg2 has already been “H” (step S114: yes), the switch element S2 has already been turned on in response to the MCOM being “L”. Therefore, the process returns to the top as it is to determine whether or not MCOM is “H” (step S100), and the series of processes described above are performed.
これに対して、駆動信号Vg2が「H」でなかった場合は(ステップS114:no)、MCOMは「L」になっているがスイッチ素子S2は未だONに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路210から指定されたデッドタイムTdの計時を開始する(ステップS116)。そして、デッドタイムTdが経過したか否かを判断し(ステップS118)、デッドタイムTdが経過していない場合は(ステップS118:no)、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムTdが経過したと判断したら(ステップS118:yes)、駆動信号Vg2を「H」にする(ステップS120)。その結果、スイッチ素子S2がONに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。
On the other hand, when the drive signal Vg2 is not “H” (step S114: no), the MCOM is “L”, but the switch element S2 is not yet turned ON. Time measurement of the dead time Td designated by the drive waveform
図15は、上述したスイッチ駆動処理によってスイッチ素子S1,S2が切り換わる様子を示した説明図である。図中に示されるように、MCOMがLからHに切り換わると、駆動信号Vg2がHからLに切り換わってスイッチ素子S2がOFFになる。スイッチ素子S2がOFFに切り換わった直後は、未だスイッチ素子S1はOFFのままなので、デッドタイム状態が開始される。 FIG. 15 is an explanatory diagram showing a state in which the switch elements S1 and S2 are switched by the switch driving process described above. As shown in the figure, when the MCOM is switched from L to H, the drive signal Vg2 is switched from H to L, and the switch element S2 is turned OFF. Immediately after the switch element S2 is switched OFF, the switch element S1 is still OFF, and a dead time state is started.
デッドタイム状態では、平滑フィルター250のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードD1の寄生容量C1の回生と共に、還流ダイオードD2の寄生容量C2への充電が行われ、その結果、ACOMが上昇していく。そして、駆動波形信号発生回路210から指定されたデッドタイムTdが経過すると、駆動信号Vg1をLからHに切り換えることによってスイッチ素子S1をONにする。デッドタイムTdは、図12中に示した(10)式あるいは(11)式に従って決定されている。このため、デッドタイム状態が開始されてからデッドタイムTdが経過すると、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ACOMがちょうど電圧Vddに達した時点で、スイッチ素子S1がONに切り換わる。
In the dead time state, the parasitic capacitance C1 of the freewheeling diode D1 is regenerated and the parasitic capacitance C2 of the freewheeling diode D2 is charged by the back electromotive force of the coil of the smoothing
その結果、寄生容量C1に貯まっていた電荷がスイッチ素子S1を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電が完了してから、スイッチ素子S1がONに切り換わるまでに時間がかかると、図11(a)を用いて前述したように還流ダイオードD1を電流が流れるが、この時にも還流ダイオードD1の順方向効果電圧に、流れる電流を乗算した分の電力損失が発生する。本実施例の圧電素子駆動回路200では、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子S1をONに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードD1の電力損失も回避することが可能となる。
As a result, it can be avoided that the electric charge stored in the parasitic capacitance C1 flows through the switch element S1 and power is lost. Further, if it takes time for the switching element S1 to be turned on after the regeneration and charging of the charges in the parasitic capacitors C1 and C2 are completed, as described above with reference to FIG. In this case, a power loss corresponding to the forward effect voltage of the freewheeling diode D1 multiplied by the flowing current occurs. In the piezoelectric
MCOMがHからLに切り換わる場合も、ほぼ同様なことが当て嵌まる。すなわち、MCOMがLに切り換わったことに伴って、駆動信号Vg1がHからLに切り換わってスイッチ素子S1がOFFになる。スイッチ素子S1がOFFになっただけでは、スイッチ素子S2がOFFのままなので、デッドタイム状態が開始される。 The same applies when MCOM switches from H to L. That is, as the MCOM is switched to L, the drive signal Vg1 is switched from H to L, and the switch element S1 is turned OFF. Since the switch element S2 remains OFF only when the switch element S1 is turned OFF, the dead time state is started.
デッドタイム状態では、平滑フィルター250のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードD2の寄生容量C2の回生と共に、還流ダイオードD1の寄生容量C1への充電が行われ、その結果、ACOMが低下していく。そして、駆動波形信号発生回路210から指定されたデッドタイムTdが経過すると、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ACOMがちょうど電圧0まで低下するので、このタイミングで、駆動信号Vg2をLからHに切り換えることによってスイッチ素子S2をONにする。その結果、寄生容量C2に貯まっていた電荷がスイッチ素子S2を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、圧電素子駆動回路200では、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子S2をONに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードD2の電力損失も回避することが可能となる。
In the dead time state, the parasitic capacitance C2 of the return diode D2 is regenerated and the parasitic capacitance C1 of the return diode D1 is charged by the back electromotive force of the coil of the smoothing
尚、上述した実施例では、駆動信号Vg1あるいは駆動信号Vg2を「L」から「H」に切り換える際には、タイマーを用いてデッドタイムTdを計時してから切り換えることとしていた。しかし、必ずしもタイマーを用いてデッドタイムTdを計時しなくてもよい。例えば、遅延時間がデッドタイムTdとなるように抵抗値Rあるいはコンデンサー容量Cを調整したRC遅延回路を用いて、駆動信号Vg1あるいは駆動信号Vg2が「L」から「H」に切り換わるタイミングを、デッドタイムTdだけ遅らせるようにしても良い。また、デッドタイムTdを変更する際には、抵抗値Rあるいはコンデンサー容量Cを連続的に可変できるようにして任意のデッドタイムTdを実現可能としても良いが、複数種類の抵抗値R(あるいはコンデンサー容量C)を設定しておき、これらの中から適切な抵抗値R(あるいはコンデンサー容量C)を選択するようにしても良い。また、スイッチ素子S1,S2は、駆動信号Vg1あるいは駆動信号Vg2が「H」になってゲート端子に電流(ゲート電流)が流れることによってONになる。従って、駆動信号Vg1,Vg2が抵抗(ゲート抵抗)を介してゲート端子に接続されるようにしておき、このゲート抵抗の抵抗値Rを変更する(あるいは抵抗値Rを切り換える)ことで、ゲート電流の電流値を調整することによって、デッドタイムTdを調整するようにしても良い。 In the above-described embodiment, when the drive signal Vg1 or the drive signal Vg2 is switched from “L” to “H”, the switching is performed after the dead time Td is measured using a timer. However, it is not always necessary to measure the dead time Td using a timer. For example, the timing at which the drive signal Vg1 or the drive signal Vg2 switches from “L” to “H” using an RC delay circuit in which the resistance value R or the capacitor capacitance C is adjusted so that the delay time becomes the dead time Td. The dead time Td may be delayed. In addition, when changing the dead time Td, the resistance value R or the capacitor capacitance C may be continuously variable so that an arbitrary dead time Td can be realized, but a plurality of types of resistance values R (or capacitors) A capacitance C) may be set, and an appropriate resistance value R (or capacitor capacitance C) may be selected from these. The switch elements S1 and S2 are turned on when the drive signal Vg1 or the drive signal Vg2 becomes “H” and a current (gate current) flows through the gate terminal. Accordingly, the drive signals Vg1 and Vg2 are connected to the gate terminal via the resistance (gate resistance), and the gate current is changed by changing the resistance value R of the gate resistance (or switching the resistance value R). The dead time Td may be adjusted by adjusting the current value.
B.変形例 :
上述した本実施例の圧電素子駆動回路200には幾つかの変形例が存在している。以下ではこれらの変形例について簡単に説明する。尚、これら変形例を説明するにあたって、上述した本実施例の圧電素子駆動回路200と異なる構成についてのみ説明し、本実施例と同様な構成については、同じ番号を付すことによって説明を省略する。
B. Modified example:
There are several modifications of the piezoelectric
B−1.第1変形例 :
上述した実施例では、駆動波形信号発生回路210の波形メモリー212にデッドタイムTdが記憶されており、駆動波形信号発生回路210が演算回路220に向かってWCOMを出力することに合わせて、そのWCOMに対応するデッドタイムTdが、駆動波形信号発生回路210からデジタル電力増幅器240に出力されるものとして説明した。しかし、WCOMに応じたデッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力することができるのであれば、必ずしも駆動波形信号発生回路210からデッドタイムTdを出力しなくても良い。
B-1. First modification:
In the above-described embodiment, the dead time Td is stored in the
図16は、第1変形例の圧電素子駆動回路200が、デジタル電力増幅器240での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図示されるように、第1変形例の圧電素子駆動回路200では、駆動波形信号発生回路210の外部にデッドタイム情報記憶メモリー270が設けられており、このデッドタイム情報記憶メモリー270に、WCOMの電圧値と、デッドタイムTdとが対応付けられたテーブル(デッドタイム情報)が記憶されている。そして、駆動波形信号発生回路210は、デジタル電力増幅器240に向かってWCOMを出力するとともに、デッドタイム情報記憶メモリー270を参照して、WCOMに対応するデッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力するようにしても良い。
FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating a method in which the piezoelectric
尚、上述した第1変形例では、デッドタイム情報記憶メモリー270には、WCOMとデッドタイムTdとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されているものとして説明したが、これに限らず、dWCOMとデッドタイムTdとを対応付けたテーブルや、MCOMのデューティー比とデッドタイムTdとを対応付けたテーブルを、デッドタイム情報記憶メモリー270に記憶しておいても良い。そして、例えばdWCOMとデッドタイムTdとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、演算回路220がdWCOMを出力する際、あるいは変調回路230がdWCOMを受け取った際に、デッドタイム情報記憶メモリー270のデッドタイム情報を参照して、デッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力するようにしても良い。また、MCOMのデューティー比とデッドタイムTdとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、変調回路230がMCOMを出力する際にMCOMのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力しても良い。あるいは、MCOMを受け取ったデジタル電力増幅器240がMCOMのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムTdを読み出すようにしても良い。
In the first modification described above, the dead time
B−2.第2変形例 :
上述した実施例あるいは変形例では、デッドタイムTdが予め記憶されており、WCOMや、dWCOM、MCOMのデューティー比などに応じて適切なデッドタイムTdを読み出してデジタル電力増幅器240に出力されるものとして説明した。しかし、デッドタイムTdは、図12中に示した(10)式あるいは(11)式を用いて簡単に算出することができるから、WCOMからデッドタイムTdを算出するようにしてもよい。
B-2. Second modification:
In the above-described embodiment or modification, the dead time Td is stored in advance, and an appropriate dead time Td is read according to the duty ratio of WCOM, dWCOM, MCOM, etc., and output to the
図17は、WCOMからデッドタイムTdを算出する第2変形例の圧電素子駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第2変形例の圧電素子駆動回路200では、駆動波形信号発生回路210がデジタル電力増幅器240に向けてWCOMを出力すると、そのWCOMがデッドタイム決定回路280にも入力される。デッドタイム決定回路280は、受け取ったWCOMをデューティー比Dに変換し、デューティー比Dから図12中の(10)式あるいは(11)式に従ってデッドタイムTdを算出する。そして、得られたデッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力する。このようにしても、寄生容量C1,C2での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子S1,S2を切り換えることができるので、還流ダイオードD1,D2での電力損失を回避することができ、電力効率よく圧電素子116を駆動することが可能となる。尚、デッドタイム決定回路280が、本発明における「デッドタイム決定手段」に対応する。
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the piezoelectric
B−3.第3変形例 :
上述した第2変形例では、WCOMからデューティー比Dを求めて、デッドタイムTdを算出するものとして説明した。しかし、WCOMからではなく、dWCOMからデューティー比Dを求めてデッドタイムTdを算出するようにしてもよい。
B-3. Third modification:
In the above-described second modification, the duty ratio D is obtained from WCOM, and the dead time Td is calculated. However, the dead time Td may be calculated by obtaining the duty ratio D from dWCOM instead of from WCOM.
図18は、dWCOMからデッドタイムTdを算出する第3変形例の圧電素子駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第3変形例の圧電素子駆動回路200では、演算回路220から変調回路230に向かって出力されたdWCOMが、デッドタイム決定回路280にも入力される。デッドタイム決定回路280は、受け取ったdWCOMをデューティー比Dに変換して、図12中の(10)式あるいは(11)式に従ってデッドタイムTdを算出し、デジタル電力増幅器240に出力する。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the piezoelectric
駆動波形信号発生回路210が出力したWCOMは、dCOMが負帰還されてdWCOMに変換され、そのdWCOMがパルス変調されたMCOMがデジタル電力増幅器240に供給される。従って、駆動波形信号発生回路210がデジタル電力増幅器240に向けて出力するWCOMと、デジタル電力増幅器240が受け取るMCOMとは、厳密には対応していない。このことから、dWCOMからデューティー比Dを求めてデッドタイムTdを算出した方が、適切なタイミングでスイッチ素子S1,S2を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子116を駆動することが可能となる。
The WCOM output from the drive waveform
B−4.第4変形例 :
また、WCOMやdWCOMから求めたデューティー比Dではなく、MCOMから計測したデューティー比Dを用いてデッドタイムTdを算出するようにしてもよい。
B-4. Fourth modification:
Further, the dead time Td may be calculated using the duty ratio D measured from the MCOM instead of the duty ratio D obtained from the WCOM or dWCOM.
図19は、dWCOMからデッドタイムTdを算出する第4変形例の圧電素子駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第4変形例の圧電素子駆動回路200では、変調回路230からデジタル電力増幅器240に向かって出力されたMCOMが、デッドタイム決定回路280にも入力される。デッドタイム決定回路280は、MCOMを受け取ると、そのMCOMのデューティー比Dを計測し、図12中の(10)式あるいは(11)式に従ってデッドタイムTdを算出する。そして得られたデッドタイムTdをデジタル電力増幅器240に出力する。
FIG. 19 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the piezoelectric
変調回路230では、dWCOMを三角波と比較することによってMCOMを生成するが、三角波が歪んだり、ドリフトしたりしていると、dWCOMから推定されるMCOMのデューティー比Dと、実際に変調回路230で得られるMCOMのデューティー比Dとが一致しなくなる。そして、デジタル電力増幅器240には変調回路230で得られたMCOMが供給される。従って、MCOMのデューティー比DをdWCOMから推定するのではなく、MCOMから計測した方が、適切なタイミングでスイッチ素子S1,S2を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子116を駆動することが可能となる。
The
B−5.第5変形例 :
上述した変形例のように、WCOMからデッドタイムTdを算出するには、ある程度の時間が必要となる。このため、WCOMの電圧値に対応するデッドタイムTdを算出した時点では、その電圧値に対応するACOMが既にデジタル電力増幅器240から出力されている場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路210からデジタル電力増幅器240までの間の何れかの位置に遅延回路290を挿入することによって、ACOMを出力するタイミングを調整しても良い。
B-5. Fifth modification:
As in the above-described modification, a certain amount of time is required to calculate the dead time Td from WCOM. For this reason, when the dead time Td corresponding to the voltage value of WCOM is calculated, the ACOM corresponding to the voltage value may already be output from the
図20は、遅延回路290を備えた第5変形例の圧電素子駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。図示した例では、変調回路230とデジタル電力増幅器240との間に遅延回路290が設けられている。このため、デッドタイム決定回路280がWCOMからデッドタイムTdを算出するまでの間に、そのWCOMに対応するACOMがデジタル電力増幅器240から出力されないようになっている。こうすれば、デジタル電力増幅器240は、デッドタイム決定回路280から出力されるデッドタイムTdに基づいて、適切なタイミングでスイッチ素子S1,S2を切り換えることができるので、電力効率よく圧電素子116を駆動することが可能となる。
FIG. 20 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the piezoelectric
また、駆動波形信号発生回路がWCOMを出力してから変調回路がMCOMに変換するために掛かる時間が、デッドタイムTdを算出する時間よりも長い場合、その電圧値に対応するMCOMが未だ変調回路230から出力されていない場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路210とデッドタイム決定回路280までの間か、デッドタイム決定回路280とデジタル電力増幅回路240の間の何れかの位置に遅延回路を挿入することによって、デッドタイムが挿入されるタイミングを調整しても良い。
Further, if the time taken for the modulation circuit to convert to MCOM after the drive waveform signal generation circuit outputs WCOM is longer than the time for calculating the dead time Td, the MCOM corresponding to the voltage value is still in the modulation circuit. There may be a case where the signal is not output from 230. Therefore, dead time is inserted by inserting a delay circuit between the drive waveform
尚、上述した第5変形例では、デッドタイム決定回路280はWCOMに基づいてデッドタイムTdを算出するものとして説明したが、dWCOMや、MCOMに基づいてデッドタイムTdを算出するようにしても構わない。
In the fifth modification described above, the dead
B−6.第6変形例 :
上述した本実施例あるいは各種の変形例では、圧電素子駆動回路200が液体噴射装置100の圧電素子116を駆動するものとして説明した。しかし、インクジェットプリンターでインクを噴射する噴射ノズルは、アクチュエーターとして圧電素子を利用しているので、噴射ノズルの圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路200としても好適に適用することができる。
B-6. Sixth modification:
In the above-described embodiment or various modifications, it has been described that the piezoelectric
図21は、インクジェットプリンターに搭載された噴射ヘッド400の大まかな内部構造を示した説明図である。噴射ヘッド400の底面(印刷媒体2に向いている面)には、インクを噴射する複数の噴射ノズル402が設けられている。噴射ノズル402はそれぞれインク室404に接続されており、インク室404には、図示しないインクカートリッジから供給されたインクが満たされている。インク室404の上には圧電素子406が設けられており、圧電素子406にCOM(駆動信号)を印加すると、圧電素子406が変形してインク室404を加圧することによって、噴射ノズル402からインクが噴射される。
FIG. 21 is an explanatory diagram showing a rough internal structure of the
COM(駆動信号)は、インクジェットプリンターに搭載された制御回路450の制御の下で圧電素子駆動回路200によって生成される。また、生成されたCOMは、ゲートユニット460を介して圧電素子406に供給される。ゲートユニット460は、複数のゲート素子462が並列に接続された回路ユニットであり、ゲート素子462は、制御回路450からの制御の下で、個別に導通状態または切断状態とすることが可能である。従って、圧電素子駆動回路200から出力されたCOMは、制御回路450によって予め導通状態に設定されたゲート素子462だけを通過して、対応する圧電素子406に印加され、その噴射ノズル402からインクが噴射される。
COM (drive signal) is generated by the piezoelectric
ここで、圧電素子406に印加されるCOMは、図22に示すような波形の信号が用いられる。すなわち、インクを噴射する前には、圧電素子406を初期状態から一旦収縮させるために、COMの電圧が上昇し、その後、圧電素子406を大きく伸張させるために、COMが大きく低下する。その結果、初期状態の電圧(初期電圧)よりも低くなった後、再び上昇して、初期電圧に戻る波形となっている。このような波形となっている関係上、噴射ヘッド400がインクを噴射していない待機状態でも、圧電素子406には比較的低い初期電圧(すなわち、制御信号Vcのデューティー比が小さな値となる電圧)のCOMが印加されている。従って、このようなCOMを出力する圧電素子駆動回路200に、上述した本実施例あるいは各種の変形例の圧電素子駆動回路200を適用すれば、待機状態中にも電力損失が発生することを回避することが可能となる。
Here, as the COM applied to the
以上、各種の圧電素子駆動回路200について説明したが、本発明は上記すべての実施例や各種の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、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液体噴射装置など、医療機器を含む様々な電子機器を駆動するための圧電素子駆動回路に対しても、本発明の圧電素子駆動回路200を好適に適用することができる。
Although various piezoelectric
尚、上述した実施例および各種の変形例では、スイッチS1と還流ダイオードD1、スイッチS2と還流ダイオードD2はそれぞれ異なる素子の場合の説明をしたが、ひとつの素子がスイッチと還流ダイオードを含んでいる場合においても適用することができる。例えば、スイッチとしてMOSFETを用いた場合には、MOSFETに内蔵される寄生ダイオードが還流ダイオードの役割を果たす。この場合は、本発明におけるスイッチS1と還流ダイオードD1、スイッチS2と還流ダイオードD2が同一素子内に存在していることになる。本発明は、MOSFETのように1つの素子でスイッチと還流ダイオードの役割を果たす素子においても適用することができる。 In the above-described embodiment and various modifications, the switch S1 and the free wheel diode D1, and the switch S2 and the free wheel diode D2 are described as different elements. However, one element includes the switch and the free wheel diode. It can also be applied in some cases. For example, when a MOSFET is used as a switch, a parasitic diode built in the MOSFET serves as a free wheel diode. In this case, the switch S1 and the freewheeling diode D1, and the switch S2 and the freewheeling diode D2 in the present invention exist in the same element. The present invention can also be applied to a device such as a MOSFET that functions as a switch and a free wheel diode with a single device.
100…液体噴射装置、 110…脈動発生部、 111…ノズル、
112…液体噴射管、 113…第2ケース、 114…第1ケース、
115…液体室、 116…圧電素子、 120…液体供給手段、
121…第1接続チューブ、 122…第2接続チューブ、 123…液体容器、
130…制御部、 150…配線ケーブル、 200…圧電素子駆動回路、
210…駆動波形信号発生回路、 212…波形メモリー、 220…演算回路、
230…変調回路、 240…デジタル電力増幅器、
242…ゲートドライバー、 250…平滑フィルター、 260…補償回路、
270…デッドタイム情報記憶メモリー、 280…デッドタイム決定回路、
290…遅延回路、 400…噴射ヘッド、 402…噴射ノズル、
404…インク室、 406…圧電素子、 450…制御回路、
460…ゲートユニット、 462…ゲート素子、
S1…スイッチ素子、 C1…寄生容量、 D1…還流ダイオード、
S2…スイッチ素子、 C2…寄生容量、 D2…還流ダイオード
DESCRIPTION OF
112 ... Liquid injection pipe, 113 ... Second case, 114 ... First case,
115 ... Liquid chamber, 116 ... Piezoelectric element, 120 ... Liquid supply means,
121 ... 1st connection tube, 122 ... 2nd connection tube, 123 ... Liquid container,
130 ... Control unit, 150 ... Wiring cable, 200 ... Piezoelectric element drive circuit,
210 ... Drive waveform signal generation circuit, 212 ... Waveform memory, 220 ... Calculation circuit,
230 ... modulation circuit, 240 ... digital power amplifier,
242 ...
270 ... Dead time information storage memory, 280 ... Dead time determination circuit,
290 ... Delay circuit, 400 ... Ejecting head, 402 ... Ejecting nozzle,
404 ... Ink chamber, 406 ... Piezoelectric element, 450 ... Control circuit,
460 ... Gate unit, 462 ... Gate element,
S1 ... switch element, C1 ... parasitic capacitance, D1 ... freewheeling diode,
S2 ... switch element, C2 ... parasitic capacitance, D2 ... reflux diode
Claims (4)
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第1の電圧発生源と、
前記第1の電圧発生源と直列接続される第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子と直列接続される第2のスイッチ素子と、
前記第2のスイッチ素子と直列接続され、前記第1の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第2の電圧発生源と、
前記第1のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第1の電圧発生源に接続された第1のダイオードと、
前記第2のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第2の電圧発生源に接続された第2のダイオードと、
を備え、
前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードはそれぞれ寄生容量を有し、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を駆動することを特徴とする脈動発生装置用制御装置。 A control device for a pulsation generator that can be connected to a pulsation generator for ejecting liquid by applying a drive signal to a piezoelectric element to excise or incise a living tissue,
A drive waveform signal generating circuit for generating a drive waveform signal which is a reference of the drive signal;
A modulation circuit for pulse-modulating the drive waveform signal to generate a modulation signal that repeats a high voltage state and a low voltage state;
A digital power amplifier that amplifies the modulated signal to generate a power amplified modulated signal;
A smoothing filter that generates the drive signal by smoothing the power amplification modulation signal;
With
The digital power amplifier is:
A first voltage source;
A first switch element connected in series with the first voltage source;
A second switch element connected in series with the first switch element;
A second voltage generation source connected in series with the second switch element and generating a voltage lower than the first voltage generation source;
A first diode provided in parallel to the first switch element and having a cathode side connected to the first voltage generation source;
A second diode provided in parallel to the second switch element and having an anode connected to the second voltage generation source;
With
Each of the first diode and the second diode has a parasitic capacitance;
The digital power amplifier has a duty ratio that is a time ratio at which the modulation signal is in the high voltage state, a voltage of the driving waveform signal, or a dead time determined according to any of the voltages of the driving signal, A pulsation generator control device that drives the first switch element and the second switch element.
前記デッドタイムが、前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに対応付けられたデッドタイム情報を記憶しているデッドタイム情報記憶手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記デッドタイム情報に基づいて決定された前記デッドタイムで、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする脈動発生装置用制御装置。 In the pulsation generator control device according to claim 1 ,
The dead time is provided with dead time information storage means for storing dead time information associated with any one of the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, or the voltage of the drive signal,
The pulsation generator control apparatus, wherein the digital power amplifier drives the first switch element and the second switch element with the dead time determined based on the dead time information.
前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに基づいて、前記デッドタイムを決定するデッドタイム決定手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、決定された前記デッドタイムで、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする脈動発生装置用制御装置。 In the pulsation generator control device according to claim 1 ,
A dead time determining means for determining the dead time based on any one of the duty ratio of the modulation signal, the voltage of the drive waveform signal, or the voltage of the drive signal;
The pulsation generator control apparatus, wherein the digital power amplifier drives the first switch element and the second switch element with the determined dead time.
請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載の脈動発生装置用制御装置と、
を備えたことを特徴とする液体噴射装置。 A pulsation generator for ejecting liquid by applying a drive signal to the piezoelectric element to excise or incise biological tissue;
The pulsation generator control device according to any one of claims 1 to 3,
A liquid ejecting apparatus comprising:
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