JP6075532B2 - 容量性負荷駆動回路、液体噴射型印刷装置、液体噴射装置、流体輸送装置および医療機器 - Google Patents

容量性負荷駆動回路、液体噴射型印刷装置、液体噴射装置、流体輸送装置および医療機器 Download PDF

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Description

本発明は、圧電素子などの容量性負荷に駆動信号を印加し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たアクチュエーターは数多く存在する。このような容量性負荷であるアクチュエーターを駆動するためには、ある程度の電力を有する駆動信号が必要となる。そこで、駆動信号の元となる駆動波形信号を電力増幅することによって駆動信号を生成することが行われる。ここで、アナログの駆動波形信号をアナログ的に電力増幅してアナログの駆動信号を直接生成したのでは大きな電力損失が発生して電力効率が低下する。そこで、いわゆるD級増幅器を用いて電力増幅する技術が提案されている。
D級増幅器は、次のようにして電力増幅を行う。まず、アナログの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する。パルス変調には幾つかの方式が知られているが、パルス幅変調(Pulse Width Modulation、PWM)と呼ばれる方式が使用されることが一般的である。パルス幅変調では、変調しようとする駆動波形信号を、一定周期で繰り返される三角波形と比較して、駆動波形信号の電圧の方が三角波形の電圧よりも高い期間ではONを出力し、逆に駆動波形信号の電圧の方が低い期間ではOFFを出力することによって、ONとOFFとを繰り返す変調信号を生成する。このようにして得られた変調信号は、駆動波形信号の電圧が高くなるほど、一変調周期内でのONの期間の比率、すなわちデューティー比が高くなる。
D級増幅器では、パルス変調によって得られたデジタルの変調信号を電力増幅した後、平滑フィルターを通してアナログ信号に変換することによって、電力増幅された駆動信号を生成する。このようにしてデジタルの変調信号を電力増幅すれば、アナログの駆動波形信号をアナログのまま電力増幅する場合に比べて電力損失を大幅に低減することができるので、駆動信号を生成する際の電力損失を大幅に低減することが可能である。例えば、特許文献1の発明もD級増幅路を用いており電力損失を低減することができる。
特開2005−329710号公報
ここで、特許文献1の発明はダイオードD0およびコンデンサーC0によって構成されるブートストラップ回路を含んでいる。そして、D級増幅路では電力増幅後に元のアナログ駆動信号に戻すためのローパスフィルタ(LPF)を設けてアナログ駆動信号を復調する。LPFは、例えばコイルとコンデンサーにより構成され、容量性負荷によって構成されたアクチュエーターを駆動する。そのため、ゲートドライバーの動作開始前におけるLPFの信号入力部の電位は、ゲートドライバーに供給される高電位と同じである。つまり、抵抗性負荷を駆動する場合のように、ゲートドライバーの動作開始前に接地電位となっているわけではない。
すると、ゲートドライバーが動作を開始すると、接地された側(以下、ローサイド)のスイッチング素子(特許文献1では例えば図2のトランジスターQ25が対応)に急激に
電流が流れる。そして、LPFの入力部の電位が接地電位になると、ブートストラップ回路のコンデンサーC0をチャージするために、ダイオードD0に急激な電流が流れる。このとき、定格以上の電流が流れると、ローサイドのトランジスターQ25およびダイオードD0が劣化するおそれがある。
この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、ブートストラップダイオードやローサイドのスイッチング素子に過電流が流れることを防止し、信頼性の高い容量性負荷駆動回路、液体噴射型印刷装置、液体噴射装置、流体輸送装置および医療機器の提供を目的とする。
(1)本発明は、容量成分を有する容量性負荷に対して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であって、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変調信号を生成する変調回路と、プッシュプル回路を構成し、前記変調信号を電力増幅した信号である電力増幅変調信号を生成する2つのスイッチング素子と、前記変調信号に基づいて、前記2つのスイッチング素子のうち接地電位側の第1のスイッチング素子のON/OFFを切り換える第1のゲートドライバーと、前記第1のスイッチング素子とは異なる第2のスイッチング素子のON/OFFを切り換える第2のゲートドライバーと、前記2つのスイッチング素子が接続された接点である第1のノードに、第1のコンデンサーが電気的に接続されたブートストラップ回路と、前記第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーに所定の電位を供給する電源と、前記電源から前記ブートストラップ回路への供給路に設けられた第1の抵抗と、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、を含む。
本発明の容量性負荷駆動回路は、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。
本発明の容量性負荷駆動回路では、プッシュプル接続された2つのスイッチング素子で変調信号を電力増幅する。2つのスイッチング素子は、ローサイドのスイッチング素子である第1のスイッチング素子と、ハイサイド(高電位側)のスイッチング素子である第2のスイッチング素子と、を含む。
そして、本発明の容量性負荷駆動回路は、第1のスイッチング素子、第2のスイッチング素子のON/OFFをそれぞれ切り換える第1のゲートドライバー、第2のゲートドライバーを含む。第1のゲートドライバーは接地電位と電源からの所定の電位とをとり得るゲート信号を生成する。本発明の容量性負荷駆動回路では、第2のゲートドライバーも第1のゲートドライバーと同じ電位差を有するゲート信号を生成できるように、ブートストラップ回路を含んで構成される。
ここで、本発明の容量性負荷駆動回路は、第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーが動作する前や動作を停止するスタンバイ時などにおいて、電力増幅変調信号や駆動信号が伝わる配線の電位が、電源から第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーに供給される所定の電位(接地電位以外の電位)に等しくなる。つまり、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子がOFFの場合、駆動する負荷が容量性負荷であることから直流電流が流れず、第2のゲートドライバーからのリーク電流によって電力増幅変調信号や駆動信号が伝わる配線の電位は前記所定の電位に等しくなる。
第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とが接続される接点(ノード)を第
1のノードとする。第1のノードは電力増幅変調信号が伝わる配線上にある。ブートストラップ回路を構成する第1のコンデンサーであるブートストラップコンデンサーの一端は第1のノードに接続されている。第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーが動作する前やスタンバイ時などにおいて、第1のノードは所定の電位に等しいため、ブートストラップコンデンサーの端子間電圧はほぼゼロとなっている。
この状態から第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーを動作させて、ローサイドのスイッチング素子(第1のスイッチング素子)がONとなると、第1のスイッチング素子には急激に電流が流れて、第1のノードが所定の電位から接地電位に変化する。すると、ブートストラップコンデンサーをチャージするために、電源からブートストラップ回路を構成するダイオードであるブートストラップダイオード、ブートストラップコンデンサー、第1のスイッチング素子、接地電位(以下、GNDとも表す)を通る経路で電流が流れる。
ここで、電源からブートストラップ回路への供給路に電流を制限する素子が全く設けられていない場合、例えば10A程度まで大きい電流が急激に流れることもあり得る。このとき、定格以上の電流が流れることでブートストラップダイオードや第1のスイッチング素子が劣化するおそれがある。
しかし、本発明の容量性負荷駆動回路は、電源からブートストラップ回路への供給路に第1の抵抗を設けている。例えば、第1の抵抗の抵抗値を10Ω程度とすれば、10A程度まで大きい電流が流れていた場合でも1A程度に抑えることが可能である。つまり、本発明の容量性負荷駆動回路は、ゲートドライバーの動作開始時に、ブートストラップダイオードやローサイドのスイッチング素子に過電流が流れることを防止する。そのため、これらの素子の劣化を防ぎ、信頼性の高い容量性負荷駆動回路を提供することができる。
(2)この容量性負荷駆動回路において、前記ブートストラップ回路は、前記第1のコンデンサーと電気的に接続されるダイオードを含み、前記第1の抵抗は、前記ダイオードと第2のゲートドライバーとが接続された接点を第2のノードとして、前記第2のノードと前記電源との間に設けられてもよい。
本発明によれば、ブートストラップダイオードやローサイドのスイッチング素子に流れる電流を制限する第1の抵抗を、第2のノードと電源との間に設ける。第2のノードは、ブートストラップダイオードと第2のゲートドライバーとが接続される接点である。このとき、ブートストラップダイオードを設けても、ゲートドライバーからのゲート信号をなまらせることがない。
なお、第1の抵抗は、ブートストラップダイオードのアノード側に設けられてもよいし、カソード側に設けられてもよい。
(3)この容量性負荷駆動回路において、前記ブートストラップ回路は、前記電源と電気的に接続されるダイオードを含み、前記第1の抵抗は、前記ダイオードと第2のゲートドライバーとが接続された接点を第2のノードとして、前記第2のノードと前記第1のコンデンサーとの間に設けられてもよい。
(4)この容量性負荷駆動回路において、前記電源と第1のゲートドライバーとが接続された接点を第3のノードとして、前記第3のノードと前記接地電位との間に設けられた第2のコンデンサーと、前記第3のノードと前記第2のコンデンサーとの間に設けられた第2の抵抗を含んでもよい。
(5)この容量性負荷駆動回路において、前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の抵抗値が等しくてもよい。
これらの発明によれば、ブートストラップダイオードやローサイドのスイッチング素子
に流れる電流を制限する第1の抵抗を、第2のノードとブートストラップコンデンサーとの間に設ける。このとき、第1の抵抗を設けることで、第2のゲートドライバーからのゲート信号をなまらせることになる。しかし、このゲート信号がなまることで生じる、第2のスイッチング素子がON状態となるタイミングの遅延を利用して、2つのスイッチング素子が同時にON状態となることで生じる短絡を回避することができる。
このとき、第2の抵抗を、第3のノードと第2のコンデンサーとの間に設けてもよい。第2のコンデンサーは、電源と第1のゲートドライバーとが接続される接点(第3のノード)と接地電位との間に接続されている。このとき、第2の抵抗を設けることで、第1のゲートドライバーからのゲート信号をなまらせることになる。そのため、第1のスイッチング素子がON状態となるタイミングも遅延させて、2つのスイッチング素子が同時にOFF状態になるデッドタイムを容易に設けることができる。
第2の抵抗は第1の抵抗と同じ抵抗値であってもよい。このとき、第2のスイッチング素子がON状態となるタイミングの遅延と、第1のスイッチング素子がON状態となるタイミングの遅延とは等しい。そのため、デッドタイムをさらに容易に設けることができる。
(6)本発明は、前記のいずれかに記載の容量性負荷駆動回路を含む、液体噴射型印刷装置である。
(7)本発明は、前記のいずれかに記載の容量性負荷駆動回路を含む、液体噴射装置である。
(8)本発明は、前記のいずれかに記載の容量性負荷駆動回路を含む、流体輸送装置である。
(9)本発明は、前記のいずれかに記載の容量性負荷駆動回路を含む、医療機器である。
これらの発明に係る液体噴射型印刷装置、液体噴射装置、流体輸送装置、医療機器は、ブートストラップダイオードやローサイドのスイッチング素子に過電流が流れることを防止する信頼性の高い容量性負荷駆動回路を含む。そのため、液体噴射型印刷装置、液体噴射装置、流体輸送装置、医療機器としての信頼性も高めることができる。
液体噴射型印刷装置は例えばインクジェットプリンターである。インクカートリッジと印字ヘッド(インクジェットヘッドともいう)とが一体的に備えられたキャリッジなどと称される移動体が印刷媒体上をその搬送方向と交差する方向に往復しながらその印字ヘッドのノズルから液体インク滴を吐出(噴射)して印刷媒体上に微小なインクドットを形成することで、当該印刷媒体上に所定の文字や画像を描画して所望の印刷物を作成する。容量性負荷駆動回路は例えば噴射ヘッドの圧電素子に駆動信号を与える。
液体噴射装置は例えば医療用の装置として知られている。体腔内に導入されるチューブにポンプから液体を高圧で供給し、チューブ先端のノズルから液体を噴射し流体圧によって体腔内組織の切除を行う手術装置も液体噴射装置の一例である。また、流体室の容積を容積変更手段により急激に変化させ流体を脈流に変換してノズルからパルス状に高速噴射させ、衝撃圧によって生体組織の切除や切開を行う装置も液体噴射装置の一例である。容量性負荷駆動回路は例えば脈流発生部の圧電素子に駆動信号を与える。
流体輸送装置は例えば投薬ポンプといった安定した流量の液体を輸送する装置であり、複数の押圧軸を流体の流入側から流出側にむかって順次押圧する押出機構を備えていてもよい。容量性負荷駆動回路は例えば押出機構の圧電素子に駆動信号を与える。なお、安定した流量の液体を輸送し滴下することで例えば点滴装置にも応用できる。つまり、容量性負荷駆動回路は前記の液体噴射装置や流体輸送装置に限らず様々な医療機器にも適用可能である。
第1実施例の容量性負荷駆動回路を搭載したインクジェットプリンターを例示した説明図である。 第1実施例の容量性負荷駆動回路が噴射ヘッドを駆動する様子を示した説明図である。 第1実施例の容量性負荷駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。 第1実施例の容量性負荷駆動回路が駆動信号を生成する動作の概要を示した説明図である。 比較例の容量性負荷駆動回路の構成を示す図である。 比較例の容量性負荷駆動回路の問題を説明するための図である。 第2実施例の容量性負荷駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。 ゲート信号の波形の例を示す図である。 ゲート信号の改善した波形の例を示す図である。 従来の手法によるゲート充電時の電流の経路を説明する図である。 従来の手法によるゲート放電時の電流の経路を説明する図である。 第2実施例の容量性負荷駆動回路のゲート充電時の電流の経路を説明する図である。 第2実施例の容量性負荷駆動回路のゲート放電時の電流の経路を説明する図である。 適用例の流体噴射装置を例示した説明図である。 適用例の流体噴射装置の脈流発生部について、流体の噴射方向に沿った切断面を示す断面図である。 別の適用例の流体輸送装置を含む流体輸送器の外観を例示した説明図である。 流体輸送装置の流体輸送の仕組みを説明するための図である。
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
A.第1実施例:
A−1.装置構成:
A−2.容量性負荷駆動回路の回路構成:
A−3.容量性負荷駆動回路の動作:
B.第2実施例:
C.適用例:
D.その他:
A.第1実施例:
A−1.装置構成:
図1は、本実施例の容量性負荷駆動回路200を搭載したインクジェットプリンター10を例示した説明図である。図示したインクジェットプリンター10は、主走査方向に往復動しながら印刷媒体3上にインクドットを形成するキャリッジ23と、キャリッジ23を往復動させる駆動機構33と、印刷媒体3の紙送りを行うためのプラテンローラー36などから構成されている。キャリッジ23には、インクを収容したインクカートリッジ16や、インクカートリッジ16が装着されるキャリッジケース22、キャリッジケース22の底面側(印刷媒体3に向いた側)に搭載されてインクを噴射する噴射ヘッド24などが設けられており、インクカートリッジ16内のインクを噴射ヘッド24に導いて、噴射ヘッド24から印刷媒体3にインクを噴射することによって画像を印刷する。
キャリッジ23を往復動させる駆動機構33は、プーリーによって張設されたタイミングベルト35や、プーリーを介してタイミングベルト35を駆動するステップモータ34などから構成されている。タイミングベルト35の一部はキャリッジケース22に固定されており、タイミングベルト35を駆動することでキャリッジケース22を往復動させることができる。また、プラテンローラー36は、図示しない駆動モータやギア機構とともに、印刷媒体3の紙送りを行う紙送り機構を構成しており、印刷媒体3を副走査方向に所定量ずつ紙送りすることが可能となっている。
インクジェットプリンター10には、全体の動作を制御するプリンター制御回路50や、噴射ヘッド24を駆動するための容量性負荷駆動回路200も搭載されている。プリンター制御回路50は、容量性負荷駆動回路200や、駆動機構33、紙送り機構などが、印刷媒体3を紙送りしながら、噴射ヘッド24を駆動してインクを噴射する全体の動作を制御している。
図2は、プリンター制御回路50の制御の下で、容量性負荷駆動回路200が噴射ヘッド24を駆動する様子を示した説明図である。先ず始めに、噴射ヘッド24の内部構造について簡単に説明する。図示されている様に、印刷媒体3に向いている噴射ヘッド24の底面には、インク滴を噴射する複数の噴射口100が設けられている。各噴射口100はそれぞれインク室102に接続されており、インク室102には、インクカートリッジ16から供給されたインクが満たされている。各インク室102の上にはピエゾ素子104が設けられている。ピエゾ素子104に電圧を印加すると、ピエゾ素子104が変形してインク室102を加圧することによって、噴射口100からインクが噴射される。また、ピエゾ素子104は印加する電圧値に応じて変形量が変わる。ピエゾ素子104に適切な電圧波形を印加してインク室102の変形量やタイミングを制御することで、適切な分量のインクを適切なタイミングで噴射することができる。
ピエゾ素子104に印加する電圧である駆動信号408は、プリンター制御回路50からの制御信号400に基づいて容量性負荷駆動回路200によって生成される。また、生成された駆動信号408は、ゲートユニット300を介してピエゾ素子104に供給される。ゲートユニット300は、複数のゲート素子302が並列に接続された回路ユニットであり、各ゲート素子302は、プリンター制御回路50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、容量性負荷駆動回路200から出力された駆動信号408は、プリンター制御回路50によって予め導通状態に設定されたゲート素子302だけを通過して、対応するピエゾ素子104に印加され、その噴射口100からインクが噴射される。
A−2.容量性負荷駆動回路の回路構成:
図3は、本実施例の容量性負荷駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。図示されているように、容量性負荷駆動回路200は、駆動信号408の基準となる駆動波形信号402を制御信号400に基づいて生成する駆動波形信号発生回路210と、駆動波形信号402をパルス変調して変調信号404を生成する変調回路222と、変調信号404を増幅して電力増幅変調信号406を生成するデジタル電力増幅回路223と、電力増幅変調信号406の高周波数成分を取り除いて駆動信号408を生成する平滑フィルター226を含んで構成されている。
デジタル電力増幅回路223は、ゲートドライバー回路220とプッシュプル回路を構成し電力増幅変調信号406を生成する2つのスイッチング素子を含む。本実施例の容量性負荷駆動回路200では、2つのスイッチング素子はN型のMOSFET(トランジスターM1、トランジスターM2)であるが、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスター(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)といった他の種類の素子が用いられても
よい。
図3のように、トランジスターM1とトランジスターM2は、電源から供給される電位VDD(以下、単にVDDとする)と接地電位であるGND(以下、単にGNDとする)との間でプッシュプル接続されている。そして、トランジスターM1とトランジスターM2のON/OFFを切り換えることによって、電力増幅変調信号406を生成する。なお、トランジスターM1とトランジスターM2とが接続されている接点(ノード)を第1のノードN1とする。第1のノードは電力増幅変調信号406が伝わる配線上にある。また、GNDに接続されているトランジスターM1は本発明の第1のスイッチング素子に対応し、VDDに接続されているトランジスターM2は本発明の第2のスイッチング素子に対応する。
ゲートドライバー回路220は、変調信号404のレベルを調整するレベルシフター224と、レベルシフター224を経由した変調信号404に基づいてトランジスターM1のON/OFFを切り換えるローサイドドライバー228L(本発明の第1のゲートドライバーに対応)と、レベルシフター224を経由した変調信号404に基づいてトランジスターM2のON/OFFを切り換えるハイサイドドライバー228H(本発明の第2のゲートドライバーに対応)と、ブートストラップ回路と、を含む。
ブートストラップ回路は、ブートストラップダイオードD1とブートストラップコンデンサーC3とを含んで構成され、ブートストラップコンデンサーC3の一端は、第1のノードN1と電気的に接続されている。ここで、ローサイドドライバー228Lは、電位がVGである電源(本発明の電源に対応し、以下、電源VGとする)と直接に接続されている。一方、ハイサイドドライバー228Hは、ブートストラップダイオードD1、第1の抵抗R1を介して、電源VGと接続されている。詳細には、ブートストラップコンデンサーC3とハイサイドドライバー228Hとが接続されている接点を第2のノードN2として、第2のノードN2と電源VGとの間に、直列に接続されたブートストラップダイオードD1と第1の抵抗R1とが配置されている。ここで、第1の抵抗R1は、図3のようにブートストラップダイオードD1のアノード側に設けられてもよいし、カソード側に設けられてもよい。
なお、本実施例では、コンデンサーC2とローサイドドライバー228Lとが接続されている接点を第3のノードN3とする。また、ローサイドドライバー228LからトランジスターM1のON/OFFを切り換えるのに出力される信号をゲート信号GLとし、ハイサイドドライバー228HからトランジスターM2のON/OFFを切り換えるのに出力される信号をゲート信号GHとする。
なお、イネーブル信号410はゲートドライバー回路220の動作、停止を切り換える信号であり、本実施例ではプリンター制御回路50から出力される。また、駆動信号408が印加される容量性負荷Z1は、図2のピエゾ素子104が対応する。
図4は、容量性負荷駆動回路200が駆動信号408を生成する動作の概要を示した説明図である。駆動波形信号発生回路210は、制御信号400に基づいて例えば図4のような駆動波形信号402を生成する。なお、駆動波形信号402は図4のようなアナログ信号に限られるものではなく、例えばDCレベルで出力される信号であってもよい。
駆動波形信号発生回路210は、例えば演算器を備えており制御信号400に基づいて演算によって駆動波形信号402を生成してもよい。また、例えば波形を記憶する波形メモリーを備えており、波形メモリーを参照して制御信号400に対応する駆動波形信号402を生成してもよい。
変調回路222は、駆動波形信号発生回路210からの駆動波形信号402を受け取ると、所定の変調を行って変調信号404を生成する。所定の変調とは、本実施例ではパルス幅変調(Pulse-Width Modulation、PWM)であるが、例えばパルス密度変調(Pulse-Density Modulation、PDM)といった他の変調方式が用いられてもよい。
変調回路222は、駆動波形信号402を、一定周期で繰り返される三角波形と比較して、駆動波形信号402の電圧の方が三角波形の電圧よりも高い期間ではONを出力し、逆に駆動波形信号402の電圧の方が低い期間ではOFFを出力することによって、ONとOFFとを繰り返す変調信号404を生成する。このようにして得られた変調信号404は、例えば図4のように、駆動波形信号402の電圧が高くなるほどデューティー比が高くなっている。
デジタル電力増幅回路223は、変調信号404を受け取って電力増幅を行う。図3に示したように、デジタル電力増幅回路223は、プッシュプル接続されたトランジスターM1、トランジスターM2、ゲートドライバー回路等を用いて電力を増幅する。図4に示した例では、デジタル電力増幅回路223は、変調信号404の電圧をVDDまで増幅した電力増幅変調信号406を生成する。
そして、平滑フィルター226は、電力増幅変調信号406を平滑化して、広いパルス幅に変調されている部分は電圧値が高く、狭いパルス幅に変調されている部分は電圧値が低いアナログの駆動信号408を生成する。図3に示したように、平滑フィルター226は、コイルL1とコンデンサーC1とを組み合わせることによって容易に実現することができる。
本実施例の容量性負荷駆動回路200では、デジタル電力増幅回路223でスイッチング素子(トランジスターM1、トランジスターM2)のON/OFFを切り換えることで電力を増幅するため、余分な電力が消費されることがない。また、平滑フィルター226も、コイルL1やコンデンサーC1のように電力を消費しない部品で構成することができる。このため、アナログの駆動波形信号402をアナログのまま電力増幅する場合に比べて電力損失を大幅に低減することができるので、駆動信号408を生成する際の電力損失を大幅に低減することが可能である。
A−3.容量性負荷駆動回路の動作:
本実施例の容量性負荷駆動回路200の構成は図3を参照して説明した通りであり、ローサイドドライバー228Lからのゲート信号GLは、ハイレベルとローレベルの電位差がVGである。そして、ハイサイドドライバー228Hからのゲート信号GHも、ゲート信号GLと同じ電位差(すなわちVG)になるように、本実施例の容量性負荷駆動回路200はブートストラップダイオードD1とブートストラップコンデンサーC3を有するブートストラップ回路を含んで構成されている。
さらに、本実施例の容量性負荷駆動回路200は、ブートストラップダイオードD1と直列に接続される第1の抵抗R1を含んでいる。ここで、容量性負荷駆動回路200の第1の抵抗R1の機能について説明するために、まず比較例の容量性負荷駆動回路1200を示す。
図5は、比較例の容量性負荷駆動回路1200の構成を示す図である。また、図6は、図5の容量性負荷駆動回路1200のいくつかの信号を表す波形図である。なお、図1〜図4と同じ要素には同じ符号を付しており詳細な説明を省略する。例えば、図6に示す信号やブートストラップコンデンサーC3も本実施例の容量性負荷駆動回路200の同じ符
号の要素と共通である。
比較例の容量性負荷駆動回路1200は、本実施例の容量性負荷駆動回路200と異なり、ゲートドライバー回路1220に第1の抵抗R1を含まない。ここで、容量性負荷駆動回路1200も容量性負荷Z1を駆動する。そのため、ゲートドライバー回路1220の動作開始前、または停止時における第1のノードN1の電位は、ハイサイドドライバー228Hに供給される電位のVGに等しくなる。つまり、トランジスターM1およびトランジスターM2がOFFの場合、駆動する負荷が容量性負荷Z1であることから直流電流が流れず、ハイサイドドライバー228Hからのリーク電流によって第1のノードN1の電位はVGとなる。
ここで、ブートストラップコンデンサーC3の一端は第1のノードN1と電気的に接続されている。ゲートドライバー回路1220の動作開始前、または停止時において、第1のノードN1はVGに等しいため、ブートストラップコンデンサーC3の端子間電圧はほぼゼロとなっている。
図6を用いて説明すると、時刻0〜T1の間は、ゲートドライバー回路1220を動作状態にするイネーブル信号410がローレベルとなっており、ゲートドライバー回路1220の動作開始前に該当する。このとき、図6のようにC3の端子間電圧はほぼゼロとなっている。なお、図6に示すように、変調信号404、ゲート信号GH、ゲート信号GLについてもローレベルになっているものとする。
ここで、時刻T1において、イネーブル信号410がハイレベルとなりゲートドライバー回路1220の動作が開始されると、ゲート信号GLはゲート信号GHとは対称的にハイレベルとなりトランジスターM1はON状態となる。すると、トランジスターM1に急激に電流が流れて、第1のノードN1の電位はGNDとなる。
すると、ブートストラップコンデンサーC3をチャージするために、電源VGからブートストラップダイオードD1、ブートストラップコンデンサーC3、トランジスターM1、GNDを経路として急激な電流が流れる。図5の点線は、この電流の経路を示している。
ここで、比較例の容量性負荷駆動回路1200では、この電流を制限する素子が全く設けられておらず、例えば10A程度まで大きい電流が急激に流れることもあり得る。このとき、定格以上の電流が流れることでブートストラップダイオードD1やトランジスターM1が劣化するおそれがある。すなわち、比較例の容量性負荷駆動回路1200では、これらの素子に過電流が流れるおそれがあり、回路の信頼性が損なわれる可能性があった。
ここで、再び図3を参照して本実施例の容量性負荷駆動回路200について説明する。本実施例の容量性負荷駆動回路200では、電源VGからブートストラップ回路への供給路、具体的は電源VGと第2のノードN2の間に第1の抵抗R1を設けている。例えば、第1の抵抗R1の抵抗値を10Ω程度とすれば、比較例において10A程度まで大きい電流が流れていた場合を想定しても、1A程度に抑えることが可能である。
つまり、本実施例の容量性負荷駆動回路200は、ゲートドライバー回路220の動作開始時に、ブートストラップダイオードD1やトランジスターM1に過電流が流れることを防止する。そのため、これらの素子の劣化を防ぎ、信頼性の高い容量性負荷駆動回路200を提供することができる。
また、図3のように、第2のノードN2は、ブートストラップダイオードD1とハイサ
イドドライバー228Hとが接続される接点である。そのため、電源VGと第2のノードN2の間にブートストラップダイオードD1を設けても、ゲート信号GHをなまらせることがない。そのため、容量性負荷駆動回路200の設計が容易になる。また、例えば後述するデッドタイムを確保した比較例の容量性負荷駆動回路1200が既に存在するような場合に、第1の抵抗R1を追加することで、ゲート信号GHに影響することなく、ブートストラップダイオードD1やトランジスターM1に過電流が流れることを防止する改良設計を可能とする。
B.第2実施例:
以下では、第2実施例について説明する。図7は本実施例の容量性負荷駆動回路200の詳細な構成を示した説明図である。本実施例の容量性負荷駆動回路200は、第1実施例と異なり、第1の抵抗R1は第2のノードN2とブートストラップコンデンサーC3との間に配置されている。また、第1実施例と異なり、ローサイドドライバー228L側にも第2の抵抗R2が設けられている。なお、その他の要素について、図1〜図6と同じ要素については同じ符号を付しており詳細な説明を省略する。
このとき、第1の抵抗R1は、電源VGからブートストラップ回路への供給路に設けられており、第1実施例と同様にブートストラップダイオードD1やトランジスターM1に過電流が流れることを防止できる。一方、第1実施例とは異なり、第1の抵抗R1はゲート信号GHの波形をなまらせる。しかし、第2実施例では、このような性質を利用することで、第1の抵抗R1に過電流の防止およびゲート信号GHの波形整形という機能の両方をもたせて、回路規模の小さな容量性負荷駆動回路200を実現することができる。なお、第2の抵抗R2はゲート信号GLの波形をなまらせるために設けられている。本実施例では、ゲート信号GHとゲート信号GLとの波形を同じにするために、第2の抵抗R2の抵抗値は第1の抵抗R1と同じであるが、異なっていてもよい。
図8〜図9は、ゲート信号GH、GLのタイミングを示す図である。なお、図1〜図7と同じ要素には同じ符号を付しており詳細な説明を省略する。図8は、プッシュプル接続されたトランジスターM1、M2に入力されるゲート信号GL、GHを、変調信号404に基づいて互いに反転した信号になるように生成した場合の例を示す。このとき、理想的にはトランジスターM1、M2は排他動作するが、実際にはゲート信号GL、GHが有限の立ち上がり時間、立ち下がり時間を有することから同時にONする期間が生じてしまう。特に、本実施例のようにスイッチング素子としてMOSFETを用いる場合、ON抵抗を低くして効率を高めるために、ゲートの閾値thよりも大きな飽和電圧を設定する。そのため、ゲート信号GH、GLを同じタイミングで充放電させると、図8のt1〜t4のようにトランジスターM1、M2が同時にONする期間が生じて、VDDとGNDとの間で短絡状態が生じてしまう。
図9は改良したゲート信号GH、GLのタイミングの例を示す図であって、図8で示した短絡状態を解消することができる。図9の例では、トランジスターM1、M2の充電時に立ち上がり時間を遅らせる。つまり、トランジスターM1、M2がONするタイミングが図8の場合に比べて遅れている。このとき、図9のdt1〜dt4のように、トランジスターM1、M2が同時にOFFする期間であるデッドタイムを確保でき、VDDとGNDとの間で短絡状態が生じることはない。例えば、製造ばらつきや温度依存によってトランジスターM1、M2のONタイミングは前後するが、デッドタイムが存在することでこのような変動があっても短絡状態を回避できる。
図10〜図11は、図9に示したゲート信号GH、GLを実現するための、従来の手法による回路の構成例を示している。なお、図1〜図9と同じ要素には同じ符号を付しており詳細な説明を省略する。また、図10〜図11および後に参照する図12〜図13にお
いては、重複説明を避けるためにハイサイドドライバー228H側だけについて説明するが、ローサイドドライバー228L側についても同様である。すなわち、ハイサイドドライバー228Hをローサイドドライバー228Lに、第2のノードN2を第3のノードN3に、ブートストラップコンデンサーC3をコンデンサーC2に、ゲート信号GHをゲート信号GLに、トランジスターM2をトランジスターM1に、そして後述する第1の抵抗R1を第2の抵抗R2に置き換えることができる。
図10は従来の手法によるゲート充電時の電流の経路を説明する図である。電流の経路は図10の点線で示している(後述する図11〜図13についても同様)。従来の手法では、ゲート信号GHが伝わる配線に抵抗RxとダイオードDxとを図10のように並列に設けている。トランジスターM2の充電時には、抵抗Rxによって立ち上がり時間が遅れる。
図11は従来の手法によるゲート放電時の電流の経路を説明する図である。回路の構成は図10と同じであり要素の説明は省略する。トランジスターM2の放電時には、ダイオードDxでバイパスすることで、立ち下がり時間を遅らせないようにすることができる。従って、抵抗RxとダイオードDxとを用いる従来の手法でも、図9のようにデッドタイムdt1〜dt4を確保することはできる。
一方、図12〜図13は、本実施例の容量性負荷駆動回路200によって図9に示したゲート信号GH、GLを実現できることを説明するための図である。図12は、図10に対応するものであり、ゲート充電時の電流の経路を説明する図である。本実施例では、ブートストラップコンデンサーC3に直列に第1の抵抗R1を設けている。そのため図12のように、充電時にはブートストラップコンデンサーC3から第1の抵抗R1を介してトランジスターM2のゲートを駆動することで立ち上がり時間が遅れる。
図13は、図11に対応するものであり、ゲート放電時の電流の経路を説明する図である。図13に示すように、トランジスターM2の放電時には、ブートストラップコンデンサーC3および第1の抵抗R1を経由しないので、立ち下がり時間を遅らせないようにすることができる。
図12〜図13に示したように、本実施例の容量性負荷駆動回路200によっても、図9のようにデッドタイムdt1〜dt4を確保することができる。このとき、従来の手法に比べて、ダイオードDxが不要であるため、回路規模を小さくすることができる。つまり、本実施例の容量性負荷駆動回路200は、第1実施例と同様にブートストラップダイオードD1やトランジスターM1に過電流が流れることを防止できるだけでなく、従来の手法と比べて回路規模の小さな容量性負荷駆動回路200を実現することができる。
C.適用例:
前記の実施例では、容量性負荷駆動回路200がインクジェットプリンター10に搭載されているとして説明した。しかし、容量性負荷駆動回路200は、インクジェットプリンター10に限らず様々な装置に搭載されて、その装置の信頼性も高めることができる。
例えば、容量性負荷駆動回路200は流体噴射装置1として適用され得る。図14は、1つの適用例である流体噴射装置1を例示した説明図である。流体噴射装置1は、細密な物体および構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、ここでは生体組織を切開または切除することに好適な流体噴射装置1であるとして説明する。従って、ここでの流体は、例えば水または生理食塩水等の液体である。
図14において、流体噴射装置1は、流体を収容する流体供給容器2と、流体供給手段
としてのポンプ14と、ポンプ14から供給される流体を脈流(以降、パルス流ともいう)に変換させる脈流発生部21とポンプ14と脈流発生部21の駆動を制御する駆動制御部15と、を備えている。ポンプ14と脈流発生部21とは流体供給チューブ4によって接続されている。
脈流発生部21には、細いパイプ状の接続流路管90が接続され、接続流路管90の先端部には流路径が縮小された流体噴射開口部96を有するノズル95が挿着されている。なお、接続流路管90は、流体噴射時において変形しない程度の剛性を有している。
また、脈流発生部21には、噴射指令切替え手段25を有し、本適用例では噴射指令切替え手段としてパルス流噴射を選択するパルス流指令スイッチ26と、連続流噴射を選択する連続流指令スイッチ27と、流体噴射を停止するOFFスイッチ28とが備えられている。
このように構成される流体噴射装置1における流体の流動を簡単に説明する。流体供給容器2に収容された流体は、ポンプ14によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ4を介して脈流発生部21に供給される。脈流発生部21には、流体室80(図15参照)と、この流体室80の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子30とダイアフラム40と、が備えられており、圧電素子30を駆動して流体室80内において脈流を発生させ、接続流路管90、ノズル95を介して流体噴射開口部96から流体を例えばパルス状に高速噴射する。
なお、脈流発生部21が駆動を停止している場合には、ポンプ14から供給された流体は流体室80を通って、流体噴射開口部96から連続流噴射される。
ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。
同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。
図15は、本適用例に係る脈流発生部21を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図である。なお、図15は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。脈流発生部21は、ポンプ14から流体供給チューブ4を介して流体室80に流体を供給する入口流路81と、流体室80の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子30およびダイアフラム40と、流体室80に連通する出口流路82と、を有して構成されている。入口流路81には流体供給チューブ4が接続されている。
ダイアフラム40は、例えば円盤状の金属薄板からなり、ケース52とケース70によって密着されている。圧電素子30は、本適用例では積層型圧電素子を例示しており、両端部の一方がダイアフラム40に、他方が底板60に固着されている。
流体室80は、ケース70のダイアフラム40に対向する面に形成される凹部とダイアフラム40とによって形成される空間である。流体室80の略中央部には出口流路82が開口されている。
ケース70とケース52とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。ケース70には、出口流路82に連通する接続流路91を有する接続流路管90が嵌着され、接続流路管90の先端部にはノズル95が挿着されている。そして、ノズル95には、流路径が縮小された流体噴射開口部96が開口されている。
圧電素子30は、図2のピエゾ素子104に対応し、容量性負荷駆動回路200からの駆動信号408(図14参照)によって変形量や変形タイミングが制御される。そして、図15の矢印Aのように流体室80を押すことにより、先端のノズル95から流体をパルス状に噴射できる。流体噴射装置1は例えば医療用の装置として用いられる。具体的には、体腔内に導入される流体供給チューブ4にポンプ14から液体を高圧で供給し、先端のノズル95から液体を噴射し流体圧によって体腔内組織の切除を行う手術装置として使用できる。
また、容量性負荷駆動回路200は、安定した流量の液体を輸送する流体輸送装置20として適用され得る。
図16は、本適用例の流体輸送装置20を含む流体輸送器1Aの外観を示す斜視図である。図16において、流体輸送器1Aは、流体を蠕動運動によって輸送する流体輸送装置20と、流体を収容するパック状の流体収容容器94と、から構成されている。そして、流体輸送装置20と流体収容容器94とは、チューブ4Aによって連通されている。
流体収容容器94は、可撓性を有する合成樹脂からなり、例えばシリコン系樹脂によって形成されている。流体収容容器94の一方の端部にはチューブ保持部92が設けられ、チューブ4Aが圧着または熱溶着または接着等の手段で、流体が漏洩しないように密閉固定されている。
チューブ4Aは、一方の端部が流体収容容器94の内部に連通し、流体輸送装置20内を通り、流体輸送装置20の外部に延在され、流体収容容器94内に収容されている流体を流体輸送装置20によって外部に輸送される。
流体輸送装置20は、下蓋84、ポンプユニット枠31、チューブ枠32、上蓋83を順次重ねて、それらを固定螺子97(図は、上蓋固定螺子を示す)等によって一体化されている。この流体輸送装置20の内部に流体を輸送するための押出機構が格納されている。
なお、下蓋84、ポンプユニット枠31、チューブ枠32、上蓋83および流体収容容器94は、流体輸送器1Aを生体に装着する場合においては、生体整合性の優れた材料、例えば、ポリスルホン、ウレタン等の合成樹脂を採用することが好ましい。
図17は、流体輸送装置20の流体輸送の仕組みを説明するための図である。ピエゾ素子104に印加する電圧である駆動信号408は、押出制御回路50A(図16では不図示)からの制御信号400に基づいて容量性負荷駆動回路200によって生成される。また、生成された駆動信号408は、ゲートユニット300を介してピエゾ素子104に供給される。ゲートユニット300は、複数のゲート素子302が並列に接続された回路ユニットであり、各ゲート素子302は、押出制御回路50A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、容量性負荷駆動回路200から出力された駆動信号408は、押出制御回路50Aによって順にゲート素子302を通過して、対応するピエゾ素子104に印加され、対応する押圧軸106を押し出す。押圧軸106は、チューブ4Aの流体が流れる方向に対して略直角方向に配置されている。そし
て、チューブ4Aは、複数の押圧軸106によって順に押圧される。そのため、流体輸送装置20はチューブ4A内の流体を蠕動運動によって輸送することができる。
なお、本発明で使用される流体としては、水や食塩水、薬液、油類、芳香液、インク等流動性がある液体の他、気体を用いることができる。例えば薬液を用いた場合、流体輸送装置20は投薬ポンプとして使用可能であり、様々な医療機器に適用することができる。
D.その他:
本発明は、前記の実施例および適用例で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1 流体噴射装置、1A 流体輸送器、2 流体供給容器、3 印刷媒体、4 流体供給チューブ、4A チューブ、10 インクジェットプリンター、14 ポンプ、15 駆動制御部、16 インクカートリッジ、20 流体輸送装置、21 脈流発生部、22 キャリッジケース、23 キャリッジ、24 噴射ヘッド、25 手段、26 パルス流指令スイッチ、27 連続流指令スイッチ、28 OFFスイッチ、30 圧電素子、31 ポンプユニット枠、32 チューブ枠、33 駆動機構、34 ステップモータ、35 タイミングベルト、36 プラテンローラー、40 ダイアフラム、50 プリンター制御回路、50A 押出制御回路、52 ケース、60 底板、70 ケース、80 流体室、81 入口流路、82 出口流路、83 上蓋、84 下蓋、90 接続流路管、91 接続流路、92 チューブ保持部、94 流体収容容器、95 ノズル、96 流体噴射開口部、97 固定螺子、100 噴射口、102 インク室、104 ピエゾ素子、106 押圧軸、200 容量性負荷駆動回路、210 駆動波形信号発生回路、220 ゲートドライバー回路、222 変調回路、223 デジタル電力増幅回路、224 レベルシフター、226 平滑フィルター、228H ハイサイドドライバー、228L ローサイドドライバー、300 ゲートユニット、302 ゲート素子、400
制御信号、402 駆動波形信号、404 変調信号、406 電力増幅変調信号、408 駆動信号、410 イネーブル信号、1200 容量性負荷駆動回路、1220 ゲートドライバー回路、C1 コンデンサー、C2 コンデンサー、C3 ブートストラップコンデンサー、D1 ブートストラップダイオード、Dx ダイオード、GH ゲート信号、GL ゲート信号、L1 コイル、M1 トランジスター、M2 トランジスター、N1 第1のノード、N2 第2のノード、N3 第3のノード、R1 第1の抵抗、R2 第2の抵抗、Rx 抵抗、Z1 容量性負荷

Claims (5)

  1. 容量成分を有する容量性負荷に対して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であって、
    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変調信号を生成する変調回路と、
    プッシュプル回路を構成し、前記変調信号を電力増幅した信号である電力増幅変調信号を生成する2つのスイッチング素子と、
    前記変調信号に基づいて、前記2つのスイッチング素子のうち接地電位側の第1のスイッチング素子のON/OFFを切り換える第1のゲートドライバーと、前記第1のスイッチング素子とは異なる第2のスイッチング素子のON/OFFを切り換える第2のゲートドライバーと、
    前記2つのスイッチング素子が接続された接点である第1のノードに、第1のコンデンサーが電気的に接続されたブートストラップ回路と、
    前記第1のゲートドライバーおよび第2のゲートドライバーに所定の電位を供給する電源と、
    前記電源から前記ブートストラップ回路への供給路に設けられた第1の抵抗と、
    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、
    前記電源と第1のゲートドライバーとが接続された接点である第3のノードと前記接地電位との間に設けられた第2のコンデンサーと、
    前記第3のノードと前記第2のコンデンサーとの間に設けられた第2の抵抗と、を含み、
    前記ブートストラップ回路は、
    前記電源と電気的に接続されるダイオードを含み、
    前記第1の抵抗は、
    前記ダイオードと第2のゲートドライバーとが接続された接点を第2のノードとして、前記第2のノードと前記第1のコンデンサーとの間に設けられ、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の抵抗値が等しい、容量性負荷駆動回路。
  2. 請求項1に記載の容量性負荷駆動回路を含む、液体噴射型印刷装置。
  3. 請求項1に記載の容量性負荷駆動回路を含む、液体噴射装置。
  4. 請求項1に記載の容量性負荷駆動回路を含む、流体輸送装置。
  5. 請求項1に記載の容量性負荷駆動回路を含む、医療機器。
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