JP6004052B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子などの容量性負荷に駆動信号を用いて駆動する技術に関する。

インクジェットプリンターに搭載されている噴射ヘッドのように、圧電素子などの容量性負荷によって構成されて、駆動信号が印加されることによって動作するアクチュエーターは数多く存在する。この駆動信号を、アナログ増幅回路を用いて生成しようとすると、アナログ増幅回路内を大きな電流が流れるために大きな電力が消費される。その結果、電力効率が低下するだけでなく、回路基板が大きくなり、更には、消費された電力が熱に変わるので大きな放熱板が必要になって、ますます基板が大型化する。

そこで、アナログの駆動信号を直接増幅するのではなく、駆動信号の基準となる駆動波形信号をパルス変調して変調信号に一旦変換し、得られた変調信号を増幅した後に平滑フィルターを通すことによって、増幅された駆動信号を得るようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。変調信号の増幅は、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるだけで実現することが可能である。更に、平滑フィルターは、コイルとコンデンサーとを組み合わせたＬＣ回路を用いて実現できるので、原理的には電力を消費することがない。このため提案の技術によれば、大きな電力を消費することなく駆動信号を生成することが可能であり、回路基板を小型化することが可能である。

この提案の技術は、ＬＣ回路で平滑フィルターを構成しているため、ＬＣ回路の共振周波数でゲインにピークが現れる。通常は、電気負荷が有する抵抗値によって、あるいは別途にダンピング抵抗を挿入することによって出力ピークを抑制するが、この方法では抵抗によって電力消費が発生する。そこで、出力段からのフィードバックを行って、出力ピークを抑制することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、平滑フィルターを通った信号は位相が最大で１８０度まで遅れるので、出力段の信号でそのままフィードバックをかけると出力が発振する恐れがある。そこで、出力段の信号に位相進み補償をかけてからフィードバックすることが行われる。

また、出力段からの信号をフィードバックする際に、平滑フィルターから容量性負荷までの配線が有する抵抗の影響で駆動回路の動作が不安定になることを抑制するために、配線抵抗を考慮してフィードバックをかける技術（例えば、特許文献３参照）や、消費電力を抑制する目的で、パルス変調する際のキャリア周波数を駆動信号の波形に応じて切り換える技術（例えば、特許文献４参照）なども提案されている。

更に、流体をパルス状に噴射して対象物の切断又は切除等を行う技術が知られている。例えば、医療分野では、生体組織を切開又は切除する手術具としての流体噴射装置として、容積変更手段の駆動によって容積が変化される流体室と、この流体室に連通されたノズルとを備え、流体室に流体を供給すると共に容積変更手段を駆動することによって、流体を脈流に変換してノズルから流体をパルス状に高速噴射させるものが知られている。

特開２００７−１６８１７２号公報 特開２００９−１５３２７２号公報 特開２００５−３２９７１０号公報 特開２００７−１９０７０８号公報

しかし、上述した特許文献１〜特許文献４を初めとする従来の技術では、平滑フィルターで除去している筈のキャリア周波数のリップル（キャリアリップル）が駆動信号に重畳する場合があるという問題があった。そのため、容量性負荷であるアクチュエーターを適切に駆動できなくなり、特に医療分野においては切開の深さや方向の調節が非常に要求されるため、キャリア周波数の微小なリップル（キャリアリップル）が駆動信号に重畳することも許されない。

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、平滑フィルター後の駆動信号にキャリア周波数のリップルが重畳することを回避可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る液体噴射装置は、ノズルと、前記ノズルに接続され容積が変更可能な液体室と、前記ノズルと前記液体室とを連通する液体通路管と、を有する噴射ユニットと、駆動信号が容量性負荷に印加されることによって、前記容量性負荷が伸張して前記液体室の容積を変更する容量性負荷と、前記容量性負荷に前記駆動信号を印加することによって、前記容量性負荷を駆動する容量性負荷駆動回路と、を備え、前記液体室の容積を変更することによって、前記液体室に流入された液体を前記ノズルより噴射する液体噴射装置であって、前記容量性負荷駆動回路は、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変調信号を生成する変調回路と、前記変調信号を電力増幅してパルス波状の電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、前記パルス波状の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、前記平滑フィルターと前記容量性負荷とを接続し、前記平滑フィルターと前記容量性負荷との少なくとも一方を取替え可能に設けられた配線ケーブルと、を備え、前記配線ケーブルにはコンデンサーが設けられている。

本適用例によれば、容量性負荷に印加すべき駆動信号の基準となる駆動波形信号を、パルス変調することによって変調信号を生成し、得られた変調信号を電力増幅した後に平滑化することによって、駆動信号を生成する。こうして容量性負荷に印加された駆動信号に対して位相進み補償を行って帰還信号を生成し、駆動波形信号に負帰還させる。平滑フィルターから出力された駆動信号は、配線ケーブルを経由して容量性負荷に印加される。ここで配線ケーブルには、駆動信号のキャリアリップルの振幅を所定値以下に抑制するための補助コンデンサーが設けられている。

こうすれば、駆動信号の基準となる駆動波形信号に対して、容量性負荷に印加された駆動信号を負帰還させるので、平滑フィルターの共振の影響で駆動信号が歪んでしまうことを抑制することができる。また、駆動信号を負帰還させるに際しては、位相を進ませる補償（位相進み補償）を行ってから負帰還させているので、平滑フィルターによって位相が遅れた駆動信号を負帰還させることによって駆動信号の出力が不安定になってしまうこともない。更に、詳細には後述するが、平滑フィルターを通過した後の駆動信号にキャリアリップルが重畳する現象は、配線ケーブルが有するインダクタンス成分と容量性負荷との間の共振周波数がキャリア周波数に接近（あるいは一致）することに起因する。したがって、配線ケーブルに補助コンデンサーを設ければ、配線ケーブルが有するインダクタンス成分と容量性負荷との間の共振周波数をキャリア周波数からずらすことができるので、駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

また、配線ケーブルは平滑フィルターと容量性負荷の少なくとも一方を取替え可能に設けられているので、配線ケーブルの長さを所望の長さにできる。

［適用例２］上記適用例に記載の液体噴射装置において、前記配線ケーブルに設けられるコンデンサーは、前記配線ケーブルのインダクタンス値又はインピーダンス値に応じた容量のコンデンサーであることを特徴とする。

本適用例によれば、平滑フィルターを通った後の駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

［適用例３］上記適用例に記載の液体噴射装置において、前記配線ケーブルに設けられるコンデンサーは、前記配線ケーブルの長さに応じた容量のコンデンサーであることを特徴とする。

本適用例によれば、平滑フィルターを通った後の駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

［適用例４］上記適用例に記載の液体噴射装置において、前記配線ケーブルは、前記平滑フィルター側に接続される第一端子及び第二端子と、前記容量性負荷と前記第一端子とを接続する第三端子と、前記容量性負荷と前記第二端子とを接続する第四端子と、を有し、前記コンデンサーは、前記第三端子と前記第四端子との間に接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、容量性負荷の容量成分の大きさが、あたかも補助コンデンサーの分だけ大きくなったのと同じ状態にすることができる。その結果、配線ケーブルのインダクタンス成分と容量性負荷との間の共振周波数をキャリア周波数からずらすことが可能となり、駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

［適用例５］上記適用例に記載の液体噴射装置において、前記配線ケーブルは、前記平滑フィルター側に接続される第一端子及び第二端子と、前記容量性負荷と前記第一端子とを接続する第三端子と、前記容量性負荷と前記第二端子とを接続する第四端子と、を有し、前記コンデンサーは、前記第一端子と前記第三端子との間、又は前記第二端子と前記第四端子との間の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、配線ケーブルのインダクタンス成分と容量性負荷との間の共振周波数をキャリア周波数からずらすことができる。その結果、駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

［適用例６］本適用例に係る印刷装置は、上記適用例に記載の液体噴射装置を用いたことを特徴とする。

本適用例によれば、長さが異なるケーブルにおいても、配線ケーブルのインダクタンス成分と容量性負荷との間の共振周波数をキャリア周波数からずらし、キャリアリップルが重畳することを回避することができるため、複数のアクチュエーターを意図した駆動信号で駆動することができる。

［適用例７］本適用例に係る医療機器は、上記適用例に記載の液体噴射装置を用いたことを特徴とする。

本適用例によれば、医療機器として上記の流体噴射装置を用いることにより、手術具としての優れた特性をより効果的なものとして提供することができる。

本実施形態に係わる容量性負荷駆動回路を搭載した液体噴射装置の構成を示した説明図。 本実施形態に係わる容量性負荷駆動回路の回路構成を示した説明図。 本実施形態に係わるデジタル電力増幅器の回路構成を示した説明図。 本実施形態に係わるインダクタンス成分と抵抗成分とを含む回路モデルを示した説明図。 伝達関数Ｈ１についての説明図。 配線ケーブルが有するインダクタンス成分（及び抵抗成分）の影響でキャリアリップルが発生するメカニズムを示した説明図。 配線ケーブルが有するインダクタンス成分（及び抵抗成分）の影響でキャリアリップルが発生するメカニズムを示した説明図。 第１実施例の容量性負荷駆動回路の一部を示した回路図。 第１実施例の容量性負荷駆動回路で駆動信号の重畳するキャリアリップルを抑制可能な理由を示す説明図。 第２実施例の容量性負荷駆動回路の一部を示した回路図。 第２実施例の容量性負荷駆動回路で駆動信号の重畳するキャリアリップルを抑制可能な理由を示す説明図。 容量性負荷駆動回路を用いた液体噴射型印刷装置の一実施形態を示す概略図。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．容量性負荷駆動回路の回路構成：
Ｃ．キャリアリップルが発生するメカニズム：
Ｄ．第１実施例の容量性負荷駆動回路：
Ｅ．第２実施例の容量性負荷駆動回路：
Ｆ．液体噴射型印刷装置（プリンター）：

Ａ．装置構成：
図１は、本実施形態に係わる容量性負荷駆動回路を搭載した液体噴射装置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、液体を噴射する噴射ユニット１１０と、噴射ユニット１１０から噴射される液体を噴射ユニット１１０に向けて供給する供給ポンプ１２０と、噴射ユニット１１０及び供給ポンプ１２０の動作を制御する制御ユニット１３０などから構成されている。液体噴射装置１００は、パルス状の液体を噴射ユニット１１０から噴射することによって、生体組織を切除又は切開することに使用する手術具としてのウォータージェットメスの一例である。

噴射ユニット１１０は、金属製のフロントブロック１１３に、同じく金属製のリアブロック１１４を重ねてネジ止めした構造となっており、フロントブロック１１３の前面には円管形状の液体通路管１１２が立設され、液体通路管１１２の先端には噴射ノズル１１１が挿着されている。フロントブロック１１３とリアブロック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、液体通路管１１２を介して噴射ノズル１１１に接続されている。また、リアブロック１１４の内部には、積層型の圧電素子によって構成されたアクチュエーター１１６が設けられている。噴射ユニット１１０と制御ユニット１３０とは配線ケーブル１５０によって接続されており、制御ユニット１３０内の容量性負荷駆動回路２００からは、配線ケーブル１５０を介して駆動信号がアクチュエーター１１６に供給される。また、配線ケーブル１５０の一端側はコネクター１５２によって噴射ユニット１１０に取り付けられ、配線ケーブル１５０の他端側はコネクター１５４によって制御ユニット１３０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可能となっている。尚、このアクチュエーター１１６が、本発明における「容量性負荷」に対応する。

供給ポンプ１２０は、噴射しようとする液体（水、生理食塩水、薬液など）が貯められた液体タンク１２３から、チューブ１２１を介して液体を吸い上げた後、チューブ１２２を介して噴射ユニット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、制御ユニット１３０から駆動信号をアクチュエーター１１６に印加すると、アクチュエーター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、噴射ノズル１１１からパルス状に噴射される。アクチュエーター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。したがって、所望の特性のパルス状の液体を噴射するためには、精度の良い駆動信号をアクチュエーター１１６に印加する必要がある。そこで、このような駆動信号を生成するために、制御ユニット１３０内には、以下に説明するような容量性負荷駆動回路２００が搭載されている。

Ｂ．容量性負荷駆動回路の回路構成：
図２は、本実施形態に係わる容量性負荷駆動回路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容量性負荷駆動回路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からのＷＣＯＭ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）として噴射ユニット１１０のアクチュエーター１１６に供給する平滑フィルター２５０と、を備えている。

このうち、駆動波形信号発生回路２１０は、ＷＣＯＭのデータを記憶した波形メモリーや、Ｄ／Ａ変換器を備えており、波形メモリーから読み出したデータをＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換することによって、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）を生成する。また逆に、変調回路２３０を信号処理回路を用いてデジタル回路で構成することで、駆動波形信号発生回路２１０の波形メモリーから読み出したＷＣＯＭ（駆動波形信号）をデジタルデータのまま取り扱うようにしてもよい。

変調回路２３０では、ＷＣＯＭを一定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。上述した三角波の周期の逆数、すなわち周波数をキャリア周波数ｆｃと呼ぶ。変調回路２３０によって生成されたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅器２４０に入力される。デジタル電力増幅器２４０は、図３に示すように、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）と、電源と、これらスイッチ素子を駆動するゲートドライバーとを備えている。本実施例では、上述した電源の電圧はＶｄｄ［Ｖ］であるとする。ＭＣＯＭがＨｉｇｈ状態の場合は、ハイサイド側のスイッチ素子がＯＮ状態になり、ローサイド側のスイッチ素子がＯＦＦ状態になって、電源の電圧ＶｄｄがＡＣＯＭとして出力される。また、ＭＣＯＭがＬｏｗ状態の場合は、ハイサイド側のスイッチ素子がＯＦＦ状態になり、ローサイド側のスイッチ素子がＯＮ状態になってグランドの電圧が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て電力損失を大幅に抑制することが可能である。その結果、電力効率を向上させることが可能となるだけでなく、放熱のために大きなヒートシンクを設ける必要もなくなるので、回路を小型化することも可能となる。

こうして電力増幅された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、配線ケーブル１５０を介してアクチュエーター１１６に印加される。

ここで、前述した配線ケーブル１５０も、インダクタンス成分及び抵抗成分を含むインピーダンスを有している。したがって、この影響で、長さや特性の異なる種々の配線ケーブル１５０に取り替えられた場合に、アクチュエーター１１６に印加される信号（以下、ＲＣＯＭ）は何某かの変化が生じるものと思われる。実際に検討してみると、接続される配線ケーブル１５０の長さや種類、あるいはそれらによって決る配線ケーブル１５０のインダクタンス成分（及び抵抗成分）の大きさによっては、アクチュエーター１１６に印加されるＲＣＯＭにキャリアリップルが重畳し得ることが見いだされた。ここでキャリアリップルとは、アクチュエーター１１６に印加されるＲＣＯＭに含まれるキャリア周波数の信号成分を意味する。以下、この点について詳しく説明する。

Ｃ．キャリアリップルが発生するメカニズム：
上述したキャリアリップルが重畳し得る理由を説明するにあたり、先ず、ＡＣＯＭを入力信号、ＲＣＯＭを出力信号とした場合の伝達関数（以後、Ｈ１と表記する）について説明する必要がある。
伝達関数Ｈ１の構成要素として平滑フィルター２５０、配線ケーブル１５０、容量性負荷であるアクチュエーター１１６が挙げられる。配線ケーブル１５０に関しては種々の回路モデルが考えられるが、本実施例では、図４に示すように、インダクタンス成分と抵抗成分とを含む回路モデルを例に説明を行う。
便宜上、図４に示す配線ケーブル１５０の４つの端子に関して、平滑フィルター２５０のＣＯＭ出力側に接続される端子を第一端子、平滑フィルター２５０のグランド（ＧＮＤ）側に接続される端子を第二端子と呼ぶ。また、アクチュエーター１１６のＲＣＯＭが印加される側に接続される端子を第三端子、アクチュエーター１１６のＲＣＯＭが印加されるとは逆側に接続される端子を第四端子と呼ぶ。
図４に示すように、配線ケーブル１５０の第一端子から第三端子までと、第二端子から第四端子までの各々において、単位長あたりのインダクタンス成分がＬｃ〔Ｈ〕、単位長あたりの抵抗成分がＲｃ［Ω］であるとする。図５は、上述した伝達関数Ｈ１についての説明図である。本実施例では、図５に示すように平滑フィルター２５０のコイルのインダクタンスをＬｌｐｆ〔Ｈ〕とし、平滑フィルター２５０の容量成分のキャパシタンスをＣｌｐｆ［Ｆ］とする。更に、容量性負荷のキャパシタンスをＣｌｏａｄ［Ｆ］とする。

また便宜上、図５に示すように、平滑フィルター２５０のコイルのインピーダンスをＺ１とおき、配線ケーブル１５０の第一端子から第三端子までの間のインピーダンスをＺａとおき、アクチュエーター１１６に配線ケーブル１５０の第四端子から第二端子までの間を加えた部分のインピーダンスをＺｂとおくと、Ｚ１、Ｚａ、Ｚｂはそれぞれ以下の式で与えられる。
Ｚ１＝ｊω・Ｌｌｐｆ
Ｚａ＝Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ
Ｚｂ＝１／（ｊω・Ｃｌｏａｄ）＋（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）
また、図５（ａ）に示した回路構成の中で、平滑フィルター２５０のコイルに直列に接続された伝達要素（配線ケーブル１５０の往復部分とアクチュエーター１１６と平滑フィルター２５０の容量成分）のインピーダンスをＺ２とおくと、Ｚ２は、次式で与えられる。
Ｚ２＝｛１／（ｊω・Ｃｌｐｆ）｝//｛２（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）＋１／（ｊω・Ｃｌｏａｄ）｝
ただし、ωは角周波数で、周波数ｆに２倍の円周率πをかけたものである。ｊは虚数単位である。また//は、並列接続の合成インピーダンスを表す並列合成記号である。
すると、前述した伝達関数Ｈ１は、図５（ｂ）の式（１）で与えられる。図５（ｂ）の式（１）では、式の表記が複雑になることを避けるため、伝達関数Ｈ１をインピーダンスＺ１、Ｚ２、及びＺａ、Ｚｂで表している。ただし前述したように、インピーダンスＺ１、Ｚ２、及びＺａ、Ｚｂは、角周波数ω（又は周波数ｆ）や、配線ケーブル１５０のインダクタンス成分Ｌｃ等で表される。
したがって、式（１）に示す伝達関数Ｈ１を展開していくと、最終的には角周波数ω（又は周波数ｆ）や、配線ケーブル１５０のインダクタンス成分Ｌｃ、抵抗成分Ｒｃ等が含まれた式Ａ、Ｂによって、図５（ｂ）の式（２）の形で表すことができる。
また伝達関数Ｈ１のゲイン｜Ｈ１｜［ｄＢ］は、図５（ｂ）の式（３）で表される。式（２）と同様に、式（３）には角周波数ω（又は周波数ｆ）が含まれるため、伝達関数Ｈ１のゲイン｜Ｈ１｜は周波数に依存して変化するパラメーターである。

以上に、伝達関数Ｈ１に関する説明を行った。次に、上述したキャリアリップルが重畳し得る理由を説明するために、伝達関数Ｈ１のゲイン｜Ｈ１｜−周波数特性とキャリアリップルとの関係について説明を行う。
図６に配線ケーブル１５０がない場合（ケーブル長が０ｍの場合）の伝達関数Ｈ１のゲイン−周波数特性の例を示す。前述したように、キャリア周波数ｆｃは固定された一定の周波数である。
図６において、配線ケーブル１５０がない場合は、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインはｙ［ｄＢ］であるとする。前述したデジタル電力増幅器２４０の電源電圧をＶｄｄ［Ｖ］とすると、ＲＣＯＭに重畳されるキャリアリップルＶｒｐｐ［Ｖｐｐ］は、図６の式（４）で表される。ただし、式（４）は前述したパルス変調信号のデューティー比が５０％の場合のキャリアリップルである。
式（４）より、例えば、デジタル電力増幅器２４０の電源電圧を１００Ｖとし、図６に示すゲインｙが−４０［ｄＢ］であったとすると、ＲＣＯＭに重畳されるキャリアリップルは１Ｖｐｐと算出される。
一方、配線ケーブル１５０がある場合について考える。
前述した式（２）と同様に、式（３）には配線ケーブル１５０のインダクタンス成分Ｌｃ、抵抗成分Ｒｃ等が含まれる。したがって、配線ケーブル１５０がある場合で、長さや種類が異なる配線ケーブル１５０に取り替えられた場合、配線ケーブル１５０のインダクタンス成分Ｌｃ及び抵抗成分Ｒｃが変化するため、伝達係数Ｈ１のゲイン｜Ｈ１｜−周波数特性が変化してしまう。
図７に伝達関数Ｈ１のゲイン｜Ｈ１｜−周波数特性の一例を示す。尚、図７では、配線ケーブル１５０の単位長あたりの抵抗成分Ｒｃを数百ミリΩ程度とし、単位長あたりのインダクタンス成分Ｌｃを数μＨ程度と想定して、種々の配線長で得られるゲイン−周波数特性を例示している。

図７中に示した破線は、配線ケーブル１５０の長さが２［ｍ（メートル）］の場合のゲイン−周波数特性であり、一点鎖線は長さが１［ｍ］の場合のゲイン−周波数特性であり、二点鎖線は０．５［ｍ］の場合のゲイン−周波数特性である。また、実線は、配線ケーブル１５０なしの場合のゲイン−周波数特性を表している。図示されるように、配線ケーブル１５０を介してアクチュエーター１１６（容量性負荷）を接続すると、式（３）（伝達関数のゲイン｜Ｈ１｜）の関係から、平滑フィルター２５０の共振周波数ｆ０よりも高周波数側に、周波数ｆｘの共振が発生する。また、配線ケーブル１５０がより長いものに取り替えられると、配線ケーブル１５０のインダクタンス値がより大きくなるため、式（３）の関係から、前述した共振周波数ｆｘはより低くなる。したがって、図７中に示した配線ケーブル１５０の長さが１ｍの場合のように、接続する配線ケーブル１５０の長さ（あるいは長さによって決るインダクタンス）によっては、周波数ｆｘの共振ピークがキャリア周波数ｆｃに接近あるいは一致してしまう。その結果、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインが大きくなり、式（３）に示した関係から、アクチュエーター１１６に印加する駆動信号に非常に大きなキャリアリップルが残ってしまう場合が起こり得る。

図７を用いて、配線ケーブル１５０の有無及び接続される配線ケーブル１５０の長さによって、キャリアリップルの大きさがどの程度変化するかを説明する。ここで、デジタル電力増幅器２４０の電源電圧Ｖｄｄは１００Ｖとする。また、平滑フィルター２５０とアクチュエーター１１６とを繋ぐ配線ケーブル１５０は、０．５［ｍ］〜２［ｍ］までの間で種々の長さのものが接続されるものとする。
図７から、配線ケーブル１５０がない場合（０［ｍ］）と、配線ケーブル１５０のケーブル長が０．５［ｍ］の場合、１［ｍ］の場合、２［ｍ］の場合について、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインはそれぞれ−４０ｄｂ、−３８ｄｂ、−２０ｄｂ、−４５ｄｂとなる。式（４）から駆動信号に残るキャリアリップルは、それぞれ１Ｖｐｐ、１．２５Ｖｐｐ、１０Ｖｐｐ、０．５６Ｖｐｐとなる。したがって、本実施例の場合には１［ｍ］の長さの配線ケーブル１５０に取り替えられた場合に、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインが大きくなり、アクチュエーター１１６に印加する駆動信号に１０Ｖｐｐもの非常に大きなキャリアリップルが残ってしまう場合が起こり得る。デジタル電力増幅器２４０によって増幅されたＡＣＯＭを、平滑フィルター２５０を通して平滑化しているにも拘わらず、駆動信号にキャリアリップルが重畳することがあるのは、以上のようなメカニズムによるものと考えられる。

キャリアリップルが重畳していたのではアクチュエーター１１６を適切に駆動することができない。特に医療分野においては切開の深さや方向の調節が難しいことに直結するためこのような現象は許されない。しかし、配線中にダンピング抵抗を挿入したのでは、抵抗で電力を消費してしまうので電力効率が低下する。また、キャリアリップルの周波数成分が更に抑制されるように平滑フィルター２５０の特性を変更すると、平滑フィルター２５０の共振周波数ｆ０が低くなるので信号周波数の帯域が確保できなくなる。逆に、パルス変調時のキャリア周波数を高くすればキャリアリップルを抑制することができるが、パルス変調時あるいは変調信号の増幅時のスイッチング損失の増加を招くことになる。そこで、こうした問題を伴うことなく、キャリアリップルの無い駆動信号をアクチュエーター１１６に印加するために、以下のような方法を採用する。

Ｄ．第１実施例の容量性負荷駆動回路：
図８は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００の一部を示した回路図である。本実施例では、図４に示したのと同様に、配線ケーブル１５０が２本の線心を有しており、それぞれの線心は、抵抗成分（Ｒｃ）、インダクタンス（Ｌｃ）を有している。尚、図８では、１つの線心についての抵抗成分（Ｒｃ）及びインダクタンス（Ｌｃ）にのみ符号を付し、他の線心の抵抗成分やインダクタンスについては符号の表示を省略している。図８に示すように、配線ケーブル１５０の各端子の名称は、前述したのと同様に第一端子〜第四端子と称する。

本実施例では、平滑フィルター２５０とアクチュエーター１１６とを接続する配線ケーブル１５０に、アクチュエーター１１６と並列となるように補助コンデンサーＣａｓが設けられている。すなわち、配線ケーブル１５０の第三端子と第四端子との間にＣａｓが設けられている。配線ケーブル１５０のケーブル長に応じて補助コンデンサーＣａｓを設けて、その補助コンデンサーＣａｓのキャパシタンスを調整する。こうすれば、以下の理由から、平滑フィルター２５０を通った後の駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

図９は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００で駆動信号の重畳するキャリアリップルを抑制可能な理由を示す説明図である。図９（ａ）は、配線ケーブル１５０に補助コンデンサーＣａｓが設けられている場合のＡＣＯＭからＲＣＯＭまでの回路構成が示されている。図示されるように、補助コンデンサーＣａｓは、アクチュエーター１１６に対して並列に接続されている。図９（ａ）においても、平滑フィルター２５０のコイルのインピーダンスをＺ１とおき、配線ケーブル１５０の第一端子から第三端子までの間のインピーダンスをＺａとおく。また、アクチュエーター１１６及び補助コンデンサーＣａｓに配線ケーブル１５０の第四端子から第二端子までの間を加えた部分のインピーダンスをＺｂ’とおく。すると、Ｚ１、Ｚａ、Ｚｂ’はそれぞれ以下の式で与えられる。
Ｚ１＝ｊω・Ｌｌｐｆ
Ｚａ＝Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ
Ｚｂ’＝１／（ｊω・（Ｃｌｏａｄ＋Ｃａｓ））＋（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）
また、図９（ａ）に示した回路構成の中で、平滑フィルター２５０のコイルに直列に接続された伝達要素（配線ケーブル１５０の往復部分とアクチュエーター１１６と補助コンデンサーＣａｓと平滑フィルター２５０の容量成分）の伝達関数Ｚ２’は、次式で与えられる。
Ｚ２’＝｛１／（ｊω・Ｃｌｐｆ）｝//｛２（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）＋１／（ｊω・（Ｃｌｏａｄ＋Ｃａｓ））｝
ただし、ωは角周波数で、周波数ｆに２倍の円周率πをかけたものである。jは虚数単位である。また//は、並列接続の合成インピーダンスを表す並列合成記号である。
すると、ＡＣＯＭとＲＣＯＭとの間の伝達関数Ｈ２は、図９（ｂ）の式（５）で与えられる。

図９（ｃ）には、伝達関数Ｈ２のゲイン｜Ｈ２｜−周波数特性が示されている。図中の実線は補助コンデンサーＣａｓがない場合のゲイン−周波数特性であり、破線は補助コンデンサーＣａｓがある場合のゲイン−周波数特性である。ここで、補助コンデンサーを設けない場合は、配線ケーブル１５０のインダクタンス（Ｌｃ）等によって現れる共振ピークの周波数ｆｘがキャリア周波数ｆｃと一致（あるいは接近）するものと考える。また一例として、補助コンデンサーを設けない場合は、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインが−２０ｄｂであったとする。前述したように、式（４）より、この場合は１０Ｖｐｐもの非常に大きなキャリアリップルになってしまう。しかしそのような長さ、あるいは種類の配線ケーブル１５０が接続された場合でも、配線ケーブル１５０に補助コンデンサーＣａｓを設けることで、共振周波数をｆｘからｄｆだけ低くすることができる。ただし、ｄｆは式（５）の関係から、Ｃａｓの容量値の大きさに応じて決まる値である。その結果、図９（ｃ）に示すように、一例としてキャリア周波数ｆｃにおけるゲインが−４０ｄｂになったとすると、式（４）よりキャリアリップルは１Ｖｐｐにまで下げることが可能となる。尚、補助コンデンサーＣａｓの容量値は、共振ピークの周波数ｆｘをキャリア周波数ｆｃからずらす程度の小さな容量値でよい。このため、数Ω程度のダンピング抵抗を挿入する場合に対して、消費電力はほとんど変わらない。加えて、共振ピークの周波数ｆｘをずらす必要があるか否か、ずらす場合にはどの程度ずらすかと言ったことは、配線ケーブル１５０毎に決まっている。補助コンデンサーＣａｓは、最終的には式（４）や式（５）等を用いて、キャリアリップルすなわちキャリア周波数ｆｃにおけるゲイン｜Ｈ２｜が目標値以内となるように、容量値を選定し、配線ケーブル１５０に組み込んでおく。

したがって、配線ケーブル１５０毎に、適切な容量値の補助コンデンサーＣａｓが、配線ケーブル１５０に一体化した状態で設けられている。もちろん、共振ピークの周波数ｆｘがキャリア周波数ｆｃから十分に離れているような配線ケーブル１５０については、補助コンデンサーＣａｓを設ける必要はない。このようにすることで、どのような配線ケーブル１５０が接続された場合でも、アクチュエーター１１６に印加される駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

Ｅ．第２実施例の容量性負荷駆動回路：
以上に説明した第１実施例では、アクチュエーター１１６に並列に補助コンデンサーＣａｓを設けるものとして説明した。しかし、配線ケーブル１５０に並列に補助コンデンサーを設けるようにしても良い。以下に第２実施例について説明するが、第２実施例の説明にあたっては、第１実施例と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００の一部を示した回路図である。本実施例では、配線ケーブル１５０に並列に補助コンデンサーＣａｓ２が設けられている。ここで、図１０に示すように、配線ケーブル１５０の各端子の名称は、前述したのと同様に第一端子〜第四端子と称する。本実施例の配線ケーブル１５０は、４つの線心によって構成されている。１本目は第一端子と第三端子とを接続し、２本目は第一端子と第三端子とを補助コンデンサーＣａｓ２を介して接続する。更に、３本目は第二端子と第四端子とを接続し、４本目は第二端子と第四端子とを補助コンデンサーＣａｓ２を介して接続する。尚、これら４つの線心は、それぞれに抵抗成分（Ｒｃ）、インダクタンス（Ｌｃ）を有している。図１０では、１つの線心についての抵抗成分（Ｒｃ）及びインダクタンス（Ｌｃ）にのみ符号を付し、他の線心の抵抗成分やインダクタンスについては符号の表示を省略している。

図１１は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００で駆動信号の重畳するキャリアリップルを抑制可能な理由を示す説明図である。図１１（ａ）は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００におけるＡＣＯＭからＲＣＯＭまでの回路構成を示した説明図である。本実施例においても、平滑フィルター２５０のコイルのインダクタンスをＬｌｐｆとし、平滑フィルター２５０の容量成分のキャパシタンスをＣｌｐｆとし、配線ケーブル１５０の線心が有する抵抗値及びインダクタンスを、Ｒｃ、Ｌｃとし、更に、容量性負荷のキャパシタンスをＣｌｏａｄとしている。

図１１（ａ）においても、平滑フィルター２５０のコイルのインピーダンスをＺ１とおく。また、配線ケーブル１５０の第一端子から第三端子までの間の２本の線心のインピーダンスをＺａ”とおく。また、アクチュエーター１１６に配線ケーブル１５０の第四端子から第二端子までの間を加えた部分のインピーダンスをＺｂ”とおく。すると、Ｚ１、Ｚａ”、Ｚｂ”はそれぞれ以下の式で与えられる。
Ｚ１＝ｊω・Ｌｌｐｆ
Ｚａ”＝（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）//（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ＋１／（ｊω・Ｃａｓ２））
Ｚｂ”＝１／（ｊω・Ｃｌｏａｄ）＋（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）//｛（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ＋１／（ｊω・Ｃａｓ２））｝
また、図１１（ａ）に示した回路構成の中で、平滑フィルター２５０のコイルに直列に接続された伝達要素（配線ケーブル１５０の４本の線心部分とアクチュエーター１１６と平滑フィルター２５０の容量成分）の伝達関数Ｚ２は、次式で与えられる。
Ｚ２＝｛１／（ｊω・Ｃｌｐｆ）｝//｛２［（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ）//（Ｒｃ＋ｊω・Ｌｃ＋１／（ｊω・Ｃａｓ２））］＋１／（ｊω・Ｃｌｏａｄ）｝
ただし、ωは角周波数で、周波数ｆに２倍の円周率πをかけたものである。jは虚数単位である。すると、ＡＣＯＭとＲＣＯＭとの間の伝達関数Ｈ３は、図１１（ｂ）の式（６）で与えられる。

図１１（ｃ）には、伝達関数Ｈ３のゲイン｜Ｈ３｜-周波数特性が示されている。図中の実線は補助コンデンサーＣａｓ２がない場合のゲイン−周波数特性であり、破線は補助コンデンサーＣａｓ２がある場合のゲイン−周波数特性である。本実施例においても、補助コンデンサーを設けない場合は、配線ケーブル１５０のインダクタンス（Ｌｃ）等によって現れる共振ピークの周波数ｆｘがキャリア周波数ｆｃと一致（あるいは接近）するものと考える。また前述した例と同様に、補助コンデンサーを設けない場合は、キャリア周波数ｆｃにおけるゲインが−２０ｄｂ、すなわちキャリアリップルが１０Ｖｐｐであったとする。図示されるように、補助コンデンサーＣａｓ２を設けた配線ケーブル１５０を使用することで、共振周波数をｆｘからｄｆだけ低くすることができる。ただし、ｄｆは式（６）の関係から、Ｃａｓ２の容量値の大きさに応じて決まる値である。また、第２実施例においても第１実施例と同様に、共振ピークをずらす必要があるか否か、ずらす場合にはどの程度ずらすかと言ったことは、配線ケーブル１５０毎に決まっている。補助コンデンサーＣａｓ２は、最終的には式（４）や式（６）等を用いて、キャリアリップルすなわちキャリア周波数ｆｃにおけるゲイン｜Ｈ３｜が目標値以内となるように、容量値を選定し、配線ケーブル１５０に組み込んでおく。もちろん第２実施例においても、共振ピークがキャリア周波数ｆｃから十分に離れているような配線ケーブル１５０については、補助コンデンサーＣａｓ２を設ける必要はない。

このようにすることで、どのような配線ケーブル１５０が接続された場合でも、アクチュエーター１１６に印加される駆動信号にキャリアリップルが重畳することを回避することが可能となる。

Ｆ．液体噴射型印刷装置（プリンター）：
図１２は、本実施例の容量性負荷駆動回路を用いた液体噴射型印刷装置の一実施形態を示す概略図である。図１２（ａ）は概略構成正面図である。図１２（ｂ）は液体噴射ヘッド近傍の平面図である。

本実施例の液体噴射型印刷装置は、上記実施例に記載の容量性負荷駆動回路（図示せず）と、液体供給チューブを介して液体を供給する液体タンク（図示せず）と、液体タンクから供給された液体が流入する液体室（図示せず）と、容量性負荷であるアクチュエーター（図示せず）と、液体室に流入された液体を噴射する噴射ノズルとを有する複数の液体噴射ヘッド（噴射ユニット）２と、を備えている。液体噴射型印刷装置は、駆動信号がアクチュエーターに印加されることによって、液体室に流入された液体を噴射ノズルから噴射する。

液体噴射型印刷装置のうち、液体噴射ノズルの形成された液体噴射ヘッド２をキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液体噴射ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。

図１２（ａ）中の符号２は、印刷媒体１の搬送ライン上方に設けられた複数の液体噴射ヘッドであり、印刷媒体搬送方向に２列になるようにかつ印刷媒体搬送方向と交差する方向に並べて配設されて、夫々、ヘッド固定プレート１１に固定されている。各液体噴射ヘッド２の最下面には、多数のノズルが形成されており、この面がノズル面と呼ばれている。ノズルは、図１２（ｂ）に示すように、噴射する液体の色毎に、印刷媒体搬送方向と交差する方向に列状に配設されており、その列をノズル列とし、その列方向をノズル列方向とする。そして、印刷媒体搬送方向と交差する方向に配設された全ての液体噴射ヘッド２のノズル列によって、印刷媒体１の搬送方向と交差する方向の幅全長に及ぶラインヘッドが形成されている。印刷媒体１は、これらの液体噴射ヘッド２のノズル面の下方を通過するときに、ノズル面に形成されている多数のノズルから液体が噴射され、印刷が行われる。

液体噴射ヘッド２には、例えばイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクなどの液体が、図示しない各色の液体タンクから液体供給チューブを介して供給される。そして、各液体噴射ヘッド２に形成されているノズルから同時に必要箇所に必要量の液体を噴射することにより、印刷媒体１上に微小なドットを出力する。これを色毎に行うことにより、搬送部で搬送される印刷媒体１を一度通過させるだけで、所謂１パスによる印刷を行うことができる。

液体噴射ヘッドの各ノズルから液体を噴射する方法としては、静電方式、ピエゾ方式、膜沸騰液体噴射方式などがあり、本実施形態ではピエゾ方式を用いた。ピエゾ方式は、ノズルアクチュエーターである圧電素子に駆動信号を与えると、キャビティ内の振動板が変位してキャビティ内に圧力変化を生じ、その圧力変化によって液滴がノズルから噴射されるというものである。そして、駆動信号の波高値や電圧増減傾きを調整することで液滴の噴射量を調整することが可能となる。

図１２（ｂ）に示したように、ラインヘッド型印刷装置には複数の液体噴射ヘッドが用意されている。容量性負荷駆動回路と複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ前述した配線ケーブル１５０で接続される。ただし、複数の液体噴射ヘッドは印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺に配置されている為、容量性負荷駆動回路と複数の液体噴射ヘッドとを接続する各々の配線ケーブル１５０は、液体噴射ヘッドと容量性負荷駆動回路と位置関係によって、それぞれ適した長さのものが用意される。

すると、前述した理由から、複数の液体噴射ヘッドのうちの少なくとも一部は、ケーブルの長さによっては大きなキャリアリップルが重畳する可能性が生じる。その結果、液体噴射型印刷装置において、適切な液滴吐出制御が困難になり、印刷物の画質が低下する虞が発生する。

このような場合においても、本実施例によれば、配線ケーブルのインダクタンス成分と容量性負荷（液体噴射ヘッド）との間の共振周波数をキャリア周波数からずらし、キャリアリップルが重畳することを回避することができるため、複数のアクチュエーターを意図した駆動信号で駆動することができる。その結果、印刷物の画質の低下を回避することが可能となる。尚、本実施例は、静電方式にも適用可能である。

以上、各種実施例の容量性負荷駆動回路について説明したが、本発明は上記すべての実施例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流体噴射装置など、医療機器を含む様々な電子機器に本実施例の容量性負荷駆動回路を適用することで、電力効率が良く小型化の電子機器を提供することができる。また、インクジェットプリンターに搭載されて、インクを噴射する噴射ノズルを駆動するための容量性負荷駆動回路に対しても、本発明を好適に適用することが可能である。

１００…液体噴射装置 １１０…噴射ユニット １１１…噴射ノズル １１２…液体通路管 １１３…フロントブロック １１４…リアブロック １１５…液体室 １１６…アクチュエーター（容量性負荷） １２０…供給ポンプ １２１…チューブ １２２…チューブ １２３…液体タンク １３０…制御ユニット １５０…配線ケーブル １５２…コネクター １５４…コネクター ２００…容量性負荷駆動回路 ２１０…駆動波形信号発生回路 ２３０…変調回路 ２４０…デジタル電力増幅器 ２５０…平滑フィルター。

Claims (2)

1. ノズルに接続された液体室の容積を変更するための容量性負荷と、
   前記容量性負荷を駆動するための駆動信号を生成する容量性負荷駆動回路と、
   前記容量性負荷と前記容量性負荷駆動回路とを接続するための配線ケーブルと、を備え、
   前記容量性負荷駆動回路は、
   前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生させ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変調信号を生成する変調回路と、
   前記変調信号を電力増幅してパルス波状の電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
   前記パルス波状の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、を有し、
   前記配線ケーブルは、
   前記平滑フィルターの出力側に接続される第一端子と、
   前記平滑フィルターのグランド側に接続される第二端子と、
   前記第一端子と前記容量性負荷の入力端子とに接続される第三端子と、
   前記容量性負荷の出力端子と前記第二端子とに接続される第四端子と、
   前記容量性負荷と並列に接続されるように、前記第三端子と前記第四端子との間に設けられたコンデンサーと、を有し、
   前記コンデンサーは、前記配線ケーブルのインダクタンス値又はインピーダンス値に応じた容量を有し、前記配線ケーブルの所定の位置に設けられている、液体噴射装置。
2. 請求項１に記載の液体噴射装置において、
   前記配線ケーブルの共振ピークの周波数が、前記変調回路のキャリア周波数と異なる、液体噴射装置。