JP6160800B1 - 圧電素子駆動回路および流体制御装置 - Google Patents

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Abstract

圧電素子駆動回路（１５０）は、昇圧回路（２２）、駆動回路（１０）、波形成形回路（１１０）、及び演算回路（１１１）を備える。駆動回路（１０）は、ＬＰＦ付き差動増幅回路（１２）、ＢＰＦ付き増幅回路（１３）、インバータ（１８）、抵抗（Ｒ６）及びコンパレータ（１７）を備える。駆動回路（１０）は、圧電ポンプ（２３）の圧電素子（Ｐ）に駆動信号を印加する。波形成形回路（１１０）は、電圧信号（Ｖｓｉｎ）を駆動回路（１０）から抽出する。波形成形回路（１１０）及び演算回路（１１１）は、電圧信号（Ｖｓｉｎ）に基づいて、圧電素子（Ｐ）に流れる駆動電流に相当する電圧値（Ｖｄ）を求める。演算回路（１１１）は、電圧値（Ｖｄ）に基づいて制御信号（Ｖｆｂ）を昇圧回路（２２）に出力する。昇圧回路（２２）は制御信号（Ｖｆｂ）に基づいてＤＣ電源電圧（Ｖｃ）の値を設定し、ＤＣ電源電圧（Ｖｃ）を出力する。

Description

本発明は、圧電素子に駆動信号を印加する圧電素子駆動回路、及びその圧電素子駆動回路を備える流体制御装置に関する。
従来、圧電素子に駆動信号を印加する圧電素子駆動回路が知られている。例えば特許文献１は、差動増幅回路、増幅回路および反転回路を備える圧電素子駆動回路を開示している。圧電素子駆動回路は、圧電ポンプに備えられる圧電素子に接続する。
この圧電素子駆動回路では、第１制御信号および第２制御信号に基づく駆動信号が圧電素子に印加される。差動増幅回路は、駆動信号に基づいて差動信号を生成する。増幅回路は差動信号を増幅して出力する。この出力信号は、第１制御信号となるとともに、反転回路によりその極性が反転されて第２制御信号となる。即ち、この圧電素子駆動回路ではフィードバックが行われている。
以上により、圧電素子駆動回路は、圧電素子を共振周波数で駆動させることができる。これにより圧電ポンプは、圧電素子の駆動により圧力（負圧又は正圧）を発生させ、流体を輸送する。
特開第２０１５−１５９７２４号
しかしながら、特許文献１の圧電素子駆動回路において、駆動電流が大きい程、圧電ポンプによって発生する圧力、流量又は効率が低下することがある。即ち、駆動電流が大きい程、電力損失が大きくなり、電池の寿命が短くなることがある。また、圧電素子に過大な駆動電流が流れると、圧電素子の振幅が極めて大きくなり、圧電素子にクラックが生じることがある。
そこで、圧力センサ又は流量センサによって圧電ポンプの圧力又は流量を測定し、測定結果に基づいて駆動電流を調整する方法も考えられるが、この方法では、少なくとも圧力センサ又は流量センサを使用する分、圧電素子駆動回路および流体制御装置の製造コストが大幅に増大する。
本発明の目的は、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子を最適条件で駆動できる圧電素子駆動回路、及び流体制御装置を提供することにある。
本発明の圧電素子駆動回路は、電源回路と、駆動回路と、制御回路と、を備える。電源回路は、ＤＣ電源電圧を出力する。駆動回路は、電源回路から出力されるＤＣ電源電圧に基づいて駆動信号を生成する。駆動回路は、駆動信号を圧電素子に印加する。制御回路は、圧電素子に流れる駆動電流に比例する電圧信号を駆動回路から抽出する。制御回路は例えば、正弦波の電圧信号を駆動回路から抽出することが好ましい。
制御回路は、電圧信号に基づいて、駆動電流の電流値に相当する電圧値を求める。制御回路は、電圧値に基づいて駆動電流の変化を抑制する制御信号を出力する。電源回路は、制御信号に基づいてＤＣ電源電圧の値を設定する。
この構成において電源回路は、制御信号に基づいて、駆動電流の変化を抑制するようにＤＣ電源電圧の値を設定し、ＤＣ電源電圧を出力する。これにより、制御回路は、駆動電流が変化しても、駆動電流を一定の電流値に調整する。
そのため、この構成の圧電素子駆動回路は、ポンプの圧力、ポンプの流量、又は効率が最大となる最適条件で圧電素子を常に駆動できる。その結果、電力損失が少なくなり、圧電素子駆動回路に接続する電池の寿命が延びる。
また、この構成の圧電素子駆動回路は、圧電素子に過大な駆動電流が流れることを防止できる。そのため、この構成の圧電素子駆動回路は、圧電素子にクラックが生じることを防止できる。
したがって、この構成の圧電素子駆動回路は、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子を最適条件で駆動できる。
また、電源回路は、電池から入力されるＤＣ電圧をＤＣ電源電圧に昇圧し、ＤＣ電源電圧を出力する昇圧回路であることが好ましい。
この構成の圧電素子駆動回路は、電池によって圧電素子を駆動する場合でも、圧電素子を大きな振幅で駆動することができる。
なお、駆動回路は、圧電素子に対して直列に接続された抵抗と、駆動電流により生じる抵抗の両端電圧を差動増幅し、電圧信号を出力する差動増幅回路と、を有することが好ましい。
また、制御回路は、非線形領域での増幅が可能な増幅回路を用いて、制御信号を出力するとよい。
この構成では、より安定で確実に、駆動電流を一定にできる。
また、本発明の流体制御装置は、本発明の圧電素子駆動回路と、本発明の圧電素子駆動回路により駆動される圧電素子を有し、圧電素子の駆動により流体を輸送する圧電ポンプと、を備える。例えば圧電ポンプは、負圧を発生させることによって流体を吸引したり、正圧を発生させることによって圧縮した流体を送出したりする。
この構成において本発明の流体制御装置は、本発明の圧電素子駆動回路を備えるため、本発明の圧電素子駆動回路と同様の効果を奏する。
本発明は、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子を最適条件で駆動できる。
第１実施形態に係る流体制御装置１００の構成を示すブロック図である。 図１に示す圧電素子駆動回路１５０の構成を示す回路図である。 図１に示す圧電素子駆動回路１５０における電圧波形を示す図である。 図１に示す昇圧回路２２の構成を示す回路図である。 図１に示す圧電ポンプ２３における効率、圧力、又は流量と圧電素子Ｐに供給される駆動電流との関係を示すグラフである。 図１に示す圧電素子Ｐに供給される駆動電流と圧電素子Ｐの振幅との関係を示すグラフである。 図１に示す圧電ポンプ２３が流量モード又は圧力モードで駆動しているときにおける、圧電素子Ｐの駆動電流と駆動電圧との関係を示すグラフである。 図１に示す流体制御装置１００と従来の流体制御装置とにおける圧電ポンプの駆動時間及び流量の関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る流体制御装置２００の構成を示すブロック図である。 図９に示す駆動回路２１０の構成を示す回路図である。 図９に示す圧電素子駆動回路２５０における電圧波形を示す図である。 第３の実施形態に係る流体制御装置３００の構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る流体制御装置４００の構成を示すブロック図である。
本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００について、図を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係る流体制御装置１００の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す圧電素子駆動回路１５０の構成を示す回路図である。図３は、図１に示す圧電素子駆動回路１５０における電圧波形を示す図である。図４は、図１に示す昇圧回路２２の構成を示す回路図である。
流体制御装置１００は図１に示すように、電池２１、圧電ポンプ２３、及び圧電素子駆動回路１５０を備える。圧電素子駆動回路１５０は、昇圧回路２２、駆動回路１０、波形成形回路１１０、演算回路１１１、及びＭＣＵ１１２を備える。ＭＣＵ１１２は、流体制御装置１００の各部の動作を制御する。
なお、波形成形回路１１０、演算回路１１１、及びＭＣＵ１１２が、本発明の制御回路を構成する。
圧電ポンプ２３は、圧電素子Ｐを備える。圧電ポンプ２３は、圧電素子Ｐの駆動により負圧又は正圧を発生させる。流体制御装置１００は、圧電ポンプ２３によって流体を輸送する。
なお、流体制御装置１００は例えば、圧電ポンプ２３の動作によって流体を吸引する吸引装置、圧電ポンプ２３の動作によって圧縮した流体を送出する加圧装置である。加圧装置は例えば、血圧計である。吸引装置は例えば、生体から鼻水を吸引する鼻水吸引装置、生体から痰を吸引する痰吸引装置、生体から母乳を吸引する搾乳装置、生体から胸水や血液などを吸引するドレナージである。
次に、図２、図３を用いて、圧電素子駆動回路１５０の構成について説明する。まず、駆動回路１０の構成について説明する。
駆動回路１０は、ＬＰＦ付き差動増幅回路１２、ＢＰＦ付き増幅回路１３、インバータ１８、抵抗Ｒ６およびコンパレータ１７を備える。駆動回路１０は、昇圧回路２２から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて駆動信号を生成する。
駆動回路１０は、圧電ポンプ２３の圧電素子Ｐに駆動信号を印加し、圧電素子Ｐを駆動する。圧電素子Ｐの第１端子は、インバータ１８の出力端子に接続する。圧電素子Ｐの第２端子は、抵抗Ｒ６に接続する。即ち抵抗Ｒ６は、圧電素子Ｐに直列に接続する。
抵抗Ｒ６の両端は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）付き差動増幅回路１２の入力端子に接続されている。ＬＰＦ付き差動増幅回路１２は、圧電素子Ｐに流れる駆動電流により生じる抵抗Ｒ６の両端電圧を差動増幅し、電圧信号を出力する。
ＬＰＦ付き差動増幅回路１２のローパスフィルタのカットオフ周波数は、圧電素子Ｐの所定振動モードの共振周波数が通過帯域内となり、当該共振周波数の３次高調波以上の周波数が減衰帯域内となるように設定されている。これにより、圧電素子Ｐの所定振動モードにおける共振周波数の高調波成分が抑制される。
ＬＰＦ付き差動増幅回路１２の出力端子は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）付き増幅回路１３の入力端子に接続する。ＢＰＦ付き増幅回路１３は、入力された電圧信号を所定ゲインで増幅し、出力する。
ＢＰＦ付き増幅回路１３のバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子Ｐの所定振動モードの共振周波数が通過帯域内となるように設定されている。さらに、ＢＰＦ付き増幅回路１３のバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子Ｐの所定振動モードと異なる振動モードの共振周波数や共振周波数の２次高調波の周波数や例えばスパイク状のノイズの周波数が減衰帯域内となるように設定されている。
これにより、圧電素子Ｐの所定振動モードと異なる振動モードの共振周波数成分や共振周波数の２次高調波成分が抑制される。このため、ＢＰＦ付き増幅回路１３の出力信号Ｖｓｉｎは図３に示すように、正弦波になる。
増幅回路１３の出力端子は、コンパレータ１７の入力端子に接続するとともに、インバータ１８の入力端子に接続する。コンパレータ１７の出力端子は、抵抗Ｒ６に接続する。インバータ１８の出力端子は圧電素子Ｐの第１端子に接続する。
コンパレータ１７は図３に示すように、昇圧回路２２から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第１駆動信号を生成する。コンパレータ１７は図３に示すように、入力信号Ｖｓｉｎのレベルが中点電圧ＶＭＣ以上の場合、出力信号のレベルをＨｉレベル（ＤＣ電源電圧Ｖｃ）にし、入力信号Ｖｓｉｎのレベルが中点電圧ＶＭＣ未満の場合、出力信号のレベルをＬｏｗレベル（電圧０Ｖ）にする。このため、コンパレータ１７の出力信号すなわち第１駆動信号はデューティ比５０％の矩形波となる。
インバータ１８は図３に示すように、昇圧回路２２から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第２駆動信号を生成する。インバータ１８は図３に示すように、入力信号Ｖｓｉｎのレベルが中点電圧ＶＭＣ以上の場合、出力信号のレベルをＬｏｗレベル（電圧０Ｖ）にし、入力信号Ｖｓｉｎのレベルが中点電圧ＶＭＣ未満の場合、出力信号のレベルをＨｉレベル（ＤＣ電源電圧Ｖｃ）にする。このため、インバータ１８の出力信号すなわち第２駆動信号は、コンパレータ１７の出力信号に対して位相が反転したデューティ比５０％の矩形波となる。
以上の結果、圧電素子Ｐに印加される駆動信号は図３に示すように、第１駆動信号または第２駆動信号の振幅に対して２倍の振幅（２Ｖｃ）を有するデューティ比５０％の矩形波となる。
次に、図２を用いて、波形成形回路１１０及び演算回路１１１の構成について説明する。
波形成形回路１１０は、コンデンサＣ１と、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５と、ダイオードＤ１と、平滑コンデンサＣ１１と、を備える。演算回路１１１は、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３と、を備える。ＭＣＵ１１２は、抵抗Ｒ７を介して演算回路１１１に接続する。
波形成形回路１１０は、圧電素子Ｐに流れる駆動電流に比例する電圧信号Ｖｓｉｎを駆動回路１０から抽出する。波形成形回路１１０及び演算回路１１１は、電圧信号Ｖｓｉｎに基づいて、圧電素子Ｐに流れる駆動電流に相当する電圧値Ｖｄを求める。
詳述すると、波形成形回路１１０は、ＢＰＦ付き増幅回路１３の出力信号Ｖｓｉｎに対して、コンデンサＣ１によってＤＣカットを行い、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５によって抵抗分圧を行い、ダイオードＤ１によって半波整流を行い、平滑コンデンサＣ１１によって平滑を行う。その後、波形成形回路１１０は、平滑された電圧Ｖｄを、平滑コンデンサＣ１１から演算回路１１１に出力する。
演算回路１１１は、入力した電圧Ｖｄを抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ２によって抵抗分圧し、昇圧回路２２に出力する。さらに、演算回路１１１は、ＤＣ電源電圧Ｖｃを抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２によって抵抗分圧し、昇圧回路２２に出力する。ＭＣＵ１１２のＤＣ出力は、抵抗Ｒ7及び抵抗Ｒ２によって抵抗分圧し、昇圧回路２２に出力する。これらにより、演算回路１１１は、電圧Ｖｆｂを、駆動電流の変化を抑制する制御信号として昇圧回路２２に出力する。
次に、図４を用いて、昇圧回路２２の構成について説明する。
昇圧回路２２は、昇圧制御回路１２２と、スイッチ素子Ｑ１と、インダクタＬと、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ２と、を備える。
昇圧制御回路１２２は図４に示すように、制御信号である電圧Ｖｆｂに基づいて、電池２１から入力される入力電源電圧Ｖｂ（この実施形態ではＤＣ１．５Ｖ）をスイッチ素子Ｑ１に対するスイッチング制御により昇圧する。そして、昇圧回路２２は、昇圧したＤＣ電源電圧Ｖｃ（この実施形態ではＤＣ３０Ｖ）を出力する。昇圧回路２２から出力されたＤＣ電源電圧Ｖｃは、駆動回路１０に供給される。
そして、駆動回路１０内の圧電素子Ｐの駆動電流に比例した正弦波信号Ｖｓｉｎは、波形成形回路１１０及び演算回路１１１を経て昇圧回路２２にフィードバックされる。昇圧回路２２は、以下の数式１に従って、電圧Ｖｆｂを一定に保つように（即ち駆動電流の変化を抑制するように）、駆動回路１０のＤＣ電源電圧Ｖｃを、電圧Ｖｄの変化方向とは逆方向に変化させる。昇圧回路２２の電圧Ｖｆｂの一定値は、昇圧回路２２内部で生成される基準電圧により常に一定に設定される。
Figure 0006160800
詳述すると、昇圧回路２２は、圧電素子Ｐの駆動電流が上昇した場合、電圧Ｖｄが上昇するため、ＤＣ電源電圧Ｖｃを減少し、逆に圧電素子Ｐの駆動電流が減少した場合、電圧Ｖｄが減少するため、ＤＣ電源電圧Ｖｃを上昇する。これにより、演算回路１１１は、圧電素子Ｐの駆動電流を一定の電流値に調整する。
なお、例えば抵抗Ｒ７が無限大であるとき、昇圧回路２２は、以下の数式２に従って、電圧Ｖｆｂを一定に保つように（即ち駆動電流の変化を抑制するように）、駆動回路１０のＤＣ電源電圧Ｖｃを、電圧Ｖｄの変化方向とは逆方向に変化させる。
Figure 0006160800
ここで、圧電素子Ｐの所定振動モードの共振周波数におけるフィードバック系のゲインを１以上とし、位相角を０°とするように、各回路素子の素子値および特性を設定することで、バルクハウゼンの発振条件を満たし、共振周波数による圧電素子Ｐの駆動が実現される。
次に、圧電素子Ｐに供給される駆動電流の変化によって生じる圧電ポンプ２３の傾向について以下説明する。
図５は、図１に示す圧電ポンプ２３における効率、圧力、又は流量と圧電素子Ｐに供給される駆動電流との関係を示すグラフである。図６は、図１に示す圧電素子Ｐに供給される駆動電流と圧電素子Ｐの振幅との関係を示すグラフである。図７は、図１に示す圧電ポンプ２３が流量モード又は圧力モードで駆動しているときにおける、圧電素子Ｐの駆動電流と駆動電圧との関係を示すグラフである。図８は、図１に示す流体制御装置１００と従来の流体制御装置とにおける圧電ポンプの駆動時間及び流量の関係を示すグラフである。
なお、図５〜図７中の点線は、圧電素子Ｐにクラックが生じる範囲を示している。また、図７において、流量モードは、背圧がゼロで流量があるモードであり、圧力モードは、流量がゼロで背圧（図は負圧）があるモードである。また、図８は、流体制御装置１００の圧電素子駆動回路１５０に接続した電池２１の寿命と従来の流体制御装置の圧電素子駆動回路に接続した電池２１の寿命とを比較した図である。図８は、圧電ポンプの駆動時間が長くなるにつれて電池２１の容量が減少し、電池２１の容量の減少に伴い圧電ポンプの流量が低下する様子を示している。なお、従来の流体制御装置の圧電素子駆動回路は例えば、特許文献１の圧電素子駆動回路である。
図５に示すように、圧電素子駆動回路１５０においても一般的な圧電素子駆動回路と同様に、駆動電流がＩ０より大きくなるにつれて、圧電ポンプ２３によって発生する圧力、流量又は効率が低下する。即ち、駆動電流がＩ０より大きくなるにつれて、電力損失が大きくなり、電池２１の寿命が短くなる。
また、図６に示すように、圧電素子Ｐの振幅と駆動電流の大きさとは比例関係にある。また、図７に示すように、圧電素子Ｐに供給される駆動電圧と駆動電流とは比例関係にある。ただし、流量モードと圧力モードでは、同じ駆動電圧でも駆動電流の電流値が異なる。
図５〜図７に示すように、電流値Ｉ１を超える過大な駆動電流が圧電素子Ｐに流れると、圧電素子Ｐの振幅が限界値Ａ１（図６参照）より大きくなり、圧電素子Ｐにクラックが生じることがある。
そこで、圧電素子駆動回路１５０における昇圧回路２２は前述したように、制御信号に基づいて、駆動電流の変化を抑制するようにＤＣ電源電圧Ｖｃの値を設定し、ＤＣ電源電圧Ｖｃを出力する。これにより、波形成形回路１１０及び演算回路１１１は、圧電素子Ｐの駆動電流が変化しても、駆動電流を一定の電流値に調整する。例えば、波形成形回路１１０及び演算回路１１１は、圧電素子Ｐの駆動電流が変化しても、駆動電流を一定の電流値Ｉ０（図５参照）に調整する。図６に示すように圧電素子Ｐの振幅も一定になる。
そのため、圧電素子駆動回路１５０は、圧電ポンプ２３の圧力、圧電ポンプ２３の流量、又は効率が最大となる最適条件で圧電素子Ｐを常に駆動できる。その結果、電力損失が少なくなる。そのため、例えば図８に示すように、圧電素子駆動回路１５０に接続する電池２１の寿命は、従来の圧電素子駆動回路に接続する電池２１の寿命より延びる。
また、圧電素子駆動回路１５０は、図５〜図７に示す電流値Ｉ１を超える過大な駆動電流が圧電素子Ｐに流れることを防止できる。そのため、この構成の圧電素子駆動回路１５０は、圧電素子Ｐにクラックが生じることを防止できる。例えば圧電素子駆動回路１５０は、利用者が流量モード及び圧力モードを意識することなく、過大な駆動電流によって圧電ポンプ２３が破壊されることを防ぐことができる。
したがって、圧電素子駆動回路１５０は、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子Ｐを最適条件で駆動できる。
例えば、２０ｋＰａを超える負圧環境下では、人体表層の粘膜が損傷する可能性がある。流体制御装置１００は、圧電ポンプ２３が人体の一部を吸引するとき、圧力センサを使用しなくても２０ｋＰａ以下で圧電素子Ｐを駆動できる。
また、圧電素子駆動回路１５０は、昇圧回路２２を備えるため、電池２１によって圧電素子Ｐを駆動する場合でも、圧電素子Ｐを大きな振幅で駆動することができる。
《第２の実施形態》
本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置２００について、図を参照して説明する。
図９は、第２の実施形態に係る流体制御装置２００の構成を示すブロック図である。図１０は、図９に示す駆動回路２１０の構成を示す回路図である。図１１は、図９に示す圧電素子駆動回路２５０における電圧波形を示す図である。流体制御装置２００が流体制御装置１００と相違する点は、圧電素子駆動回路２５０である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
ＭＣＵ１１２の出力端子はインバータ１８の入力端子に接続する。インバータ１８の出力端子は圧電素子Ｐの第２端子に接続する。ＭＣＵ１１２は、基準信号ｆｃを発生し、インバータ１８に出力する。
インバータ１８は図１１に示すように、基準信号ｆｃのレベルが中点電圧ＶＭＣ以上の場合、出力信号のレベルをＬｏｗレベル（電圧０Ｖ）にし、基準信号ｆｃのレベルが中点電圧ＶＭＣ未満の場合、出力信号のレベルをＨｉレベル（ＤＣ駆動電圧Ｖｃ）にする。
なお、図１０の内部回路はｆｃを制御用入力端とし、圧電素子Ｐの片側または両側を出力端とするハーフブリッジまたはフルブリッジでも良い。
図１１の基準信号は直流でも矩形波でも良い。
抵抗Ｒ２６は、圧電素子Ｐに直列に接続する。圧電素子Ｐの第１端子は、抵抗Ｒ２６を介してグランドＧＮＤに接続する。また、圧電素子Ｐの第１端子は、ＢＰＦ付き増幅回路１３の入力端子に接続する。
ＢＰＦ付き増幅回路１３は、圧電素子Ｐに流れる駆動電流により生じる抵抗Ｒ２６の両端電圧を所定ゲインで増幅し、電圧信号を出力する。ＢＰＦ付き増幅回路１３のバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子Ｐの所定振動モードの共振周波数が通過帯域内となるように設定されている。
さらに、ＢＰＦ付き増幅回路１３のバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子Ｐの所定振動モードと異なる振動モードの共振周波数や共振周波数の２次高調波の周波数や例えばスパイク状のノイズの周波数が減衰帯域内となるように設定されている。
これにより、圧電素子Ｐの所定振動モードと異なる振動モードの共振周波数成分や共振周波数の２次高調波成分が抑制される。このため、ＢＰＦ付き増幅回路１３の出力信号Ｖｓｉｎは図１１に示すように、正弦波になる。
そして、駆動回路１０内の圧電素子Ｐの駆動電流に比例した正弦波信号Ｖｓｉｎは、波形成形回路１１０及び演算回路１１１を経て昇圧回路２２にフィードバックされる。
圧電素子駆動回路２５０における昇圧回路２２も前述したように、制御信号Ｖｆｂに基づいて、駆動電流の変化を抑制するようにＤＣ電源電圧Ｖｃの値を設定し、ＤＣ電源電圧Ｖｃを出力する。これにより、波形成形回路１１０及び演算回路１１１は、圧電素子Ｐの駆動電流が変化しても、駆動電流を一定の電流値に調整する。
したがって、圧電素子駆動回路２５０は圧電素子駆動回路１５０と同様に、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子Ｐを最適条件で駆動できる。
《第３の実施形態》
本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置３００について、図を参照して説明する。
図１２は、第３の実施形態に係る流体制御装置３００の構成を示すブロック図である。流体制御装置３００が流体制御装置１００と相違する点は、圧電素子駆動回路３５０である。圧電素子駆動回路３５０が圧電素子駆動回路１５０と相違する点は、演算回路１１１を省略し、ＭＣＵ３１２が波形成形回路１１０及び昇圧回路２２に接続する点である。本実施形態では波形成形回路１１０及びＭＣＵ３１２が、本発明の制御回路を構成する。
ＭＣＵ３１２は、波形成形回路１１０から入力した電圧Ｖｄを参照し、圧電素子Ｐが任意の振幅で振動する電圧Ｖmcuを演算し、電圧Ｖｆｂを昇圧回路２２に出力する。これにより、電圧Ｖmcuが、駆動電流の変化を抑制する制御信号として昇圧回路２２に入力する。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
例えばＶmcuをフレキシブルに変化させることで、搾乳機の様に圧力をフレキシブルに変化させる必要がある吸引器で効果的に作用する。また、第１、第２の実施形態もこの効果を奏する。
圧電素子駆動回路３５０における昇圧回路２２も前述したように、制御信号Ｖmcuに基づいて、駆動電流の変化を抑制するようにＤＣ電源電圧Ｖｃの値を設定し、ＤＣ電源電圧Ｖｃを出力する。これにより、波形成形回路１１０及び演算回路１１１は、圧電素子Ｐの駆動電流が変化しても、駆動電流を一定の電流値に調整する。
したがって、圧電素子駆動回路３５０は圧電素子駆動回路１５０と同様に、圧力センサ及び流量センサを使用しなくても、圧電素子Ｐを最適条件で駆動できる。
なお、本実施形態ではＭＣＵ３１２は、波形成形回路１１０から入力した電圧Ｖｄを参照し、圧電素子Ｐが任意の振幅で振動する電圧Ｖmcuを演算し、電圧Ｖmcuを昇圧回路２２に出力するが、これに限るものではない。実施の際、電圧Ｖmcuを演算する機能を有さないＭＣＵと昇圧回路２２との間に平滑回路を設け、ＭＣＵが、波形成形回路１１０から入力した電圧Ｖｄに対応するＰＷＭ信号を平滑回路に出力してもよい。この場合、平滑回路は、ＰＷＭ信号を平滑した電圧Ｖmcuを昇圧回路２２に出力する。
《第４の実施形態》
本発明の第４の実施形態に係る流体制御装置４００について、図を参照して説明する。
図１３は、第４の実施形態に係る流体制御装置４００の構成を示すブロック図である。流体制御装置４００が流体制御装置１００と相違する点は、圧電素子駆動回路４５０の演算回路４１１である。演算回路４１１が演算回路１１１と相違する点は、ＦＥＴＭ１を追加した点である。流体制御装置４００の他の構成は、流体制御装置１００と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。
演算回路４１１は、ＦＥＴＭ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を備える。ＦＥＴＭ１のゲート端子は、波形成形回路１１０に接続されている。ＦＥＴＭ１のソース端子は、抵抗Ｒ３の一方端に接続されている。抵抗Ｒ３の他方端は、昇圧回路２２の出力端に接続されている。ＦＥＴＭ１のドレイン端子は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１との接続点（抵抗分圧点）に接続されている。
このような構成において、ＦＥＴＭ１を非線形領域で動作させる。言い換えれば、フィードバック用の波形成形回路１１０から入力される電圧Ｖｄの範囲において非線形領域となるようなＦＥＴＭ１を用いる。ＦＥＴＭ１は、非線形領域で動作することによって、入力電圧の増加に応じて、この入力電圧の増加分よりも出力電流を大きく増加させることができる。すなわち、入力電圧Ｖｄが増加すると、ＦＥＴＭ１の抵抗Ｒｆｅｔは小さくなる。
ここで、昇圧回路２２の出力電圧であるＤＣ電源電圧Ｖｃは、以下のように定義できる。
Figure 0006160800
したがって、演算回路４１１へ入力される電圧Ｖｄが増加すると、昇圧回路２２のＤＣ電源電圧Ｖｃは低下する。この際、ＤＣ電源電圧Ｖｃの低下量は、演算回路４１１へ入力される電圧Ｖｄの増加量よりも大きくなる。
すなわち、圧電体Ｐの駆動電流が増加すると、昇圧回路２２のＤＣ電源電圧Ｖｃは低下する。逆に、圧電体Ｐの駆動電流が減少すると、昇圧回路２２のＤＣ電源電圧Ｖｃは増加する。
したがって、本実施形態に係る圧電素子駆動回路４５０は、より安定で確実に、駆動電流を一定に保つことができる。
なお、ＦＥＴＭ１は、オペアンプ等の非線形領域での増幅が可能な他の増幅回路であってもよいが、ＦＥＴＭ１を用いることによって、安価且つ簡素な構成で、演算回路４１１を構成でき、有効である。
《他の実施形態》
なお、前記実施形態において圧電素子駆動回路１５０、２５０、３５０は、圧電ポンプ２３の圧電素子Ｐを駆動しているが、これに限るものではない。実施の際、圧電素子駆動回路１５０、２５０、３５０は例えば、圧電アクチュエータ、圧電トランス、又は圧電ＭＥＭＳ、モータ等にも適用できる。
また、前記実施形態において圧電素子駆動回路１５０、２５０、３５０は、電池２１に接続し、入力電源電圧Ｖｂを昇圧しているが、これに限るものではない。実施の際、圧電素子駆動回路１５０、２５０、３５０は、他の直流電源に接続してもよい。
また、前記実施形態において波形成形回路１１０は、ＢＰＦ付き増幅回路１３から出力される正弦波の電圧信号Ｖｓｉｎを駆動回路１０、２１０から抽出しているが、これに限るものではない。実施の際、波形成形回路１１０は例えば、ＢＰＦ付き増幅回路１３を通過する前の矩形波の電圧信号を駆動回路１０、２１０から抽出してもよい。
最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Ｐ…圧電素子
１０…駆動回路
１２…ＬＰＦ付き差動増幅回路
１３…ＢＰＦ付き増幅回路
１７…コンパレータ
１８…インバータ
２１…電池
２２…昇圧回路
２３…圧電ポンプ
１００…流体制御装置
１１０…波形成形回路
１１１…演算回路
１１２…ＭＣＵ
１２２…昇圧制御回路
１５０…圧電素子駆動回路
２００…流体制御装置
２１０…駆動回路
２５０…圧電素子駆動回路
３００…流体制御装置
３１２…ＭＣＵ
３５０…圧電素子駆動回路
４００…流体制御装置
４５０…圧電素子駆動回路

Claims (8)

  1. ＤＣ電源電圧を出力する電源回路と、
    前記電源回路から出力される前記ＤＣ電源電圧に基づいて駆動信号を生成し、前記駆動信号を圧電素子に印加する駆動回路と、
    前記圧電素子に流れる駆動電流に比例する電圧信号を前記駆動回路から抽出し、前記電圧信号に基づいて、前記駆動電流の電流値に相当する電圧値を求める制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記電圧値に基づいて前記駆動電流の変化を抑制する制御信号を出力し、
    前記電源回路は、前記制御信号に基づいて前記ＤＣ電源電圧の値を設定する、圧電素子駆動回路。
  2. 前記電源回路は、電池から入力されるＤＣ電圧を前記ＤＣ電源電圧に昇圧し、前記ＤＣ電源電圧を出力する昇圧回路である、請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
  3. 前記駆動回路は、前記圧電素子に対して直列に接続された抵抗と、前記駆動電流により生じる前記抵抗の両端電圧を差動増幅し、前記電圧信号を出力する差動増幅回路と、を有する、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子駆動回路。
  4. 前記制御回路は、正弦波の前記電圧信号を前記駆動回路から抽出する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子駆動回路。
  5. 前記制御回路は、非線形領域での増幅が可能な増幅回路を用いて、前記制御信号を出力する、
    請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子駆動回路。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の圧電素子駆動回路と、
    前記圧電素子駆動回路により駆動される前記圧電素子を有し、前記圧電素子の駆動により流体を輸送する圧電ポンプと、を備える、流体制御装置。
  7. 前記圧電ポンプは、負圧を発生させることによって前記流体を吸引する、請求項６に記載の流体制御装置。
  8. 前記圧電ポンプは、正圧を発生させることによって圧縮した前記流体を送出する、請求項６に記載の流体制御装置。
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