圧電素子駆動回路
【課題】圧電素子によるアクチュエータの、正弦波を用いた長時間の駆動を可能とする圧電素子駆動回路を提供する。
【解決手段】トランスＴ１の一次側に正弦波信号が入力される。トランスＴ１の二次側には、二次側の巻き線の例えば両端に端子３、端子５およびセンタータップ４が設けられる。センタータップ４は、ダイオードＤ１のアノードに接続される。ダイオードＤ１のカソードがダイオードＤ２のカソードに接続されると共に、コンデンサＣ１の一方の電極に接続される。コンデンサＣ１の他方の電極がダイオードＤ３のアノードに接続されると共に、圧電素子Ｃ２の第２の電極と、圧電素子Ｃ３の第１の電極との共通接続点に接続される。圧電素子Ｃ３の第２の電極は、トランスＴ１の端子３に接続される。一方、圧電素子Ｃ２の第１の電極は、ダイオードＤ３のカソード、ダイオードＤ２のアノードおよびトランスＴ１の端子５にそれぞれ接続される。
【解決手段】トランスＴ１の一次側に正弦波信号が入力される。トランスＴ１の二次側には、二次側の巻き線の例えば両端に端子３、端子５およびセンタータップ４が設けられる。センタータップ４は、ダイオードＤ１のアノードに接続される。ダイオードＤ１のカソードがダイオードＤ２のカソードに接続されると共に、コンデンサＣ１の一方の電極に接続される。コンデンサＣ１の他方の電極がダイオードＤ３のアノードに接続されると共に、圧電素子Ｃ２の第２の電極と、圧電素子Ｃ３の第１の電極との共通接続点に接続される。圧電素子Ｃ３の第２の電極は、トランスＴ１の端子３に接続される。一方、圧電素子Ｃ２の第１の電極は、ダイオードＤ３のカソード、ダイオードＤ２のアノードおよびトランスＴ１の端子５にそれぞれ接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体に対する薬剤の投与を持続的あるいは緩やかに行うためには、一般的に、点滴静脈注射（以下、点滴と略称する）が用いられる。この点滴静脈注射を行うための医療機器を、点滴装置と呼ぶ。点滴装置では、薬液を収容した容器にチューブの一端を接続し、そのチューブの他端に装着された注射針を介して生体内に薬液を注入する。チューブの途中には、薬液の注入速度（単位時間当たりの注入量）を調整するための薬液注入量調整装置が設けられる。従来、薬液注入量調整装置としては、点滴筒およびクランプを有し、看護師などの医療従事者が点滴筒内における薬液の滴下状況を見ながらクランプを操作するものが用いられていた。
【０００３】
これに対し、薬液の移送および注入速度の調整を、薬液注入ポンプと呼ばれる装置を用いて行う場合もある。この薬液注入ポンプでは、例えば、回転数を制御する機構を持ったモータにより注射筒を駆動して、所定の注入速度で生体に対して薬液を注入する。このような薬液注入ポンプを用いた場合には、薬液の移送および注入速度の調整を自動的に行うことが可能である。
【０００４】
ところで、このような点滴装置を小型軽量化すると共に電池駆動して、携帯可能とする製品の開発が進められている。上述したモータを用いた薬液注入ポンプでは、消費電力が大きく、点滴装置を携帯可能とした際の電池駆動に向いていないと共に、小型化も困難である。そこで、点滴装置に用いる薬液注入ポンプとして、圧電素子によるアクチュエータを用いて薬液の移送を行うマイクロポンプを適用する技術の開発が進められている。
【０００５】
この圧電素子をアクチュエータに用いたマイクロポンプは、例えば、薬液が通過する圧力室の片面にアクチュエータが設けられた構造を有する。このようなマイクロポンプでは、圧電素子に対して矩形波や正弦波など所定周期で電圧が変化する信号を印加してアクチュエータを振動させ、この振動よって薬液が通過する圧力室の体積を変化させることで、薬液の移送を行う。薬液の注入速度は、アクチュエータに印加する信号の周波数または振幅を制御することで、調整できる。
【０００６】
特許文献１には、正弦波の信号を用いてアクチュエータを駆動する技術が開示されている。また、特許文献２には、矩形波の信号を用いてアクチュエータを駆動する技術が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロポンプに用いるアクチュエータには、ユニモルフやバイモルフと呼ばれる種類の圧電素子が用いられる。これらのアクチュエータは、駆動電圧が例えば１００Ｖ前後と比較的高く、小型の電子回路を用いての周波数や振幅の制御が困難であるという問題点があった。
【０００８】
ここで、圧電素子によるアクチュエータの駆動信号として矩形波を用いれば、チョッパ回路などを利用して比較的容易に高電圧の駆動信号を得ることができる。しかしながら、矩形波の駆動信号は、アクチュエータに不要な振動を発生させ、駆動時の騒音が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
さらに、圧電素子によるアクチュエータは、板状の圧電素子に対して他の圧電素子や金属板を接着させて形成されるため、この接着構造からくる特性として、駆動信号の電位の正負によって機械的な強度が異なる。そのため、圧電素子によるアクチュエータは、ＤＣ成分の無い、振幅が正負対称の正弦波を長時間印加するような駆動方法には適していないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧電素子によるアクチュエータの、正弦波を用いた長時間の駆動を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、正弦波信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成された正弦波信号が一次側に入力され、二次側に、第１の端子および第２の端子と、第１の端子および第２の端子の中点から引き出される第３の端子とを備えるトランスと、第１の端子に一方の電極が接続される圧電素子と、一方の電極が圧電素子の他方の電極に接続され、他方の電極が第２の端子に接続される第１のキャパシタと、一方の電極が圧電素子の他方の電極と第１のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第２のキャパシタと、カソードが第２のキャパシタの他方の電極に接続され、アノードが第３の端子に接続される第１のダイオードと、カソードが第２のキャパシタと第１のダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、アノードが圧電素子の一方の電極と第１の端子との共通接続点に接続される第２のダイオードと、カソードが圧電素子の一方の電極と第１の端子と第２のダイオードのアノードとの共通接続点に接続され、アノードが圧電素子の他方の電極と第１のキャパシタの一方の電極と第２のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第３のダイオードとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子によるアクチュエータの、正弦波を用いた長時間の駆動が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の各実施形態に適用可能な薬液注入システムの構成を概略的に示す略線図である。
【図２】図２は、マイクロポンプの一例の構造を示す略線図である。
【図３】図３は、マイクロポンプの動作について概略的に説明するための略線図である。
【図４】図４は、薬液注入量調整装置における薬液の流量制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態に採用するマイクロポンプの一例の構成を示す略線図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図１１】図１１は、信号生成回路から出力される信号の波形と、圧電素子に印加される電圧の波形とのシミュレーション結果を示す略線図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２の実施形態に適用可能なマイクロポンプの一例の構造を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜各実施形態に共通の構成＞
以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧電素子駆動回路の実施形態を詳細に説明する。先ず、本発明の各実施形態に共通の構成について説明する。図１は、本発明の各実施形態に適用可能な薬液注入システム２００の構成を概略的に示す。薬液注入システム２００は、生体に注入される薬液ＬＭが収容された容器１０と、容器１０に一端が接続され、他端に生体２２の血管内に一端が刺し入れられる注射針２０が取り付け具１８を介して設けられ、容器１０から生体２２内に至る薬液注入管路と、該薬液注入管路の途中に接続された薬液注入量調整装置１００とを備えている。
【００１５】
容器１０は、薬液ＬＭを生体２２の一部、例えば血管内に注入する際に、薬液注入量調整装置１００の一端すなわちマイクロポンプ１２の一端（供給端）にチューブ１５1を介して接続される。チューブ１５1としては、弾力性が高く自己拡張性のある可撓性チューブが使用されている。
【００１６】
薬液注入量調整装置１００の他端すなわち流量センサ１４の排出端には、チューブ１５2の一端が、接続される。チューブ１５2の他端（先端）には、先端に注射針２０が固定された取り付け具１８が接続される。薬液ＬＭを血管内に注入する際には、看護師などが、注射針２０を生体２２の内部に体表面を介して刺し入れ、その先端を血管内に留置させる。その際、看護師などは、注射針２０の先端が血管内から抜けないよう、注射針２０の根元あるいは取り付け具１８を、例えば粘着テープ等を用いて、生体２２の体表面に固定する。図１では、この固定後の状態が示されている。
【００１７】
チューブ１５2としては、チューブ１５1と同様に、可撓性チューブが使用されている。チューブ１５2が撓むことにより、その先端部が動いても、薬液ＬＭが流れる流路が確保される。
【００１８】
薬液注入システム２００において、容器１０から生体２２の血管まで、順に、チューブ１５1、薬液注入量調整装置１００、チューブ１５2および注射針２０により、薬液ＬＭが流れる流路が構成されている。この流路の途中には、薬液注入量調整装置１００の構成各部を含め、流路を閉ざす部材は存在しない。したがって、この流路は、容器１０から生体２２の血管まで通じる１つの開放路を構成している。
【００１９】
なお、容器１０から注射針２０まで通じる流路の途中に、薬液ＬＭの逆流を防止する弁を設けてもよい。ただし、この弁は、薬液ＬＭが順方向（容器１０から注射針２０に向かう方向）に流れる際には、流体に抵抗力を及ぼさない、あるいは抵抗力を及ぼすが無視できる程度のものを用いるものとする。
【００２０】
薬液注入量調整装置１００の構成、機能などについて詳細に説明する。薬液注入量調整装置１００は、マイクロポンプ１２、流量センサ１４および制御ユニット１６を有する。マイクロポンプ１２は、その一端すなわち供給端が上述したチューブ１５1を介して容器１０に接続される。流量センサ１４は、マイクロポンプ１２の他端すなわち排出端にチューブ１５0を介して一端すなわち供給端が接続される。制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２および流量センサ１４に電気的に接続され、流量センサ１４の出力に応じてマイクロポンプ１２を制御する。
【００２１】
ここで、チューブ１５0としては、マイクロポンプ１２と流量センサ１４とを接続し、両者間に薬液ＬＭを流すことができるのであれば、材質、形態を問わず、いかなる管状部材を使用してもよい。
【００２２】
本発明の各実施形態では、マイクロポンプ１２として、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ技術）で製造された、圧電素子を駆動源とするダイヤフラムポンプを採用する。ダイヤフラムポンプは、容積ポンプの一種であって、ダイヤフラムの容積の変化を利用して薬液ＬＭを移送する。
【００２３】
図２は、マイクロポンプ１２の一例の構造を示す。図２（Ａ）には、マイクロポンプ１２の縦断面図が示され、図２（Ｂ）には、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図が示されている。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）中のＡ−Ａ線断面に相当する。
【００２４】
図２（Ａ）に示されるように、マイクロポンプ１２は、その一部がダイヤフラムの役割を担う板状の第１基板１２１と、第１基板１２１の一方の面（−Ｚ側の面）に接合された第２基板１２２と、第１基板１２１の他方の面（＋Ｚ側の面）の中央部に固定された圧電素子１２４とを有する。一例として、第１基板１２１は硼珪酸ガラス、第２基板１２２はシリコンを用いて構成する。なお、第１基板１２１の圧電素子１２４と接する部分を含む部分が、ダイヤフラムの役割を担っている。この部分を、便宜上、ダイヤフラム部ＤＰと呼ぶ。
【００２５】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、第２基板１２２には、第１基板１２１に対向する一面から一定の深さの凹部が形成されている。この凹部は、Ｘ軸方向の中央部に位置する平面視矩形の圧力室１２６と、該圧力室１２６の−Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ａと、圧力室１２６の＋Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ｂとの３つの部分からなる。なお、圧力室１２６は、実際には、第１基板１２１が、第２基板１２２に形成された凹部を覆うように、第２基板１２２と接合されることで形成される。図２（Ａ）および図２（Ｂ）の例では、便宜上、第２基板１２２に圧力室１２６が形成されているものとしている。
【００２６】
凹溝１２８ａの内部の−Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ａの内部空間とを連通する貫通孔１２９ａが形成されている。また、凹溝１２８ｂの内部の＋Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ｂの内部空間とを連通する貫通孔１２９ｂが形成されている。
【００２７】
貫通孔１２９ａは、圧力室１２６を含むマイクロポンプ１２の内部空間への薬液ＬＭの入口の役目を果たし、貫通孔１２９ｂは、内部空間からの薬液ＬＭの出口の役目を果たす。以下では、貫通孔１２９ａおよび１２９ｂを、それぞれ入口１２９ａおよび出口１２９ｂと記述する。入口１２９ａおよび出口１２９ｂは、それぞれ、マイクロポンプ１２の供給口、排出口をそれぞれ構成する管状部材（図示しない）に接続されている。
【００２８】
図２（Ｂ）に例示されるように、凹溝１２８ａおよび１２８ｂは、共に、−Ｘ端から＋Ｘ端に向かって、すなわち入口側から出口側に向かって、徐々にその断面積が広くなっており、ディフューザの役目を兼ねる。以下では、凹溝１２８ａおよび１２８ｂを、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂと記述する。なお、ディフューザは、流体の持つ運動のエネルギを圧力のエネルギに変換するためのものである。
【００２９】
上述のように、本発明の各実施形態に適用可能なマイクロポンプ１２は、第２基板１２２に設けられた入口１２９ａから出口１２９ｂまで、順に、ディフューザ１２８ａ、圧力室１２６、ディフューザ１２８ｂを介して、１つの流路が形成される。この流路は、その途中に流路を閉ざす部材は設けられていないので、入口１２９ａから出口１２９ｂまで通じる１つの開放路を構成する。すなわち、マイクロポンプ１２は、バルブレスマイクロポンプである。
【００３０】
図３を用いて、マイクロポンプ１２の動作について概略的に説明する。圧電素子１２４に電圧が印加されていない状態では、図３（Ａ）に示されるように、圧電素子１２４と接合された第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、撓みのない平面状を保っている。この状態の圧力室１２６は、非収縮状態にある。一方、圧電素子１２４に電圧が印加されると、図３（Ｂ）に示されるように、第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、矢印で示されるように、−Ｚ方向に撓む。これにより、圧力室１２６は収縮し、収縮状態となる。
【００３１】
したがって、圧電素子１２４に電圧パルスを印加して駆動させてダイヤフラム部ＤＰを振動させることにより、圧力室１２６に対し、収縮状態と非収縮状態とを繰り返させることができる。このとき、圧力室１２６の収縮率（ダイヤフラム部ＤＰの撓み量）は、電圧パルスの電圧値に応じて定まり、圧力室１２６の収縮／膨張の繰り返し数は、電圧パルスの周波数によって定まる。
【００３２】
図３（Ａ）に示されるように、圧力室１２６が収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａと出口１２９ｂの両方から流体（薬液ＬＭ）が圧力室１２６に流れ込む。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂから流れ込む流体を、それぞれ、矢印ｆ1およびｆ2を用いて表している。矢印ｆ1およびｆ2の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流体の量の程度を表す。
【００３３】
ここで、流体ｆ1およびｆ2は、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂを通過する。ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、上述したように、何れも、＋Ｘ方向に向けて断面積が徐々に広くなっている。そのため、ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、＋Ｘ方向に流れる流体に対し小さい抵抗を、−Ｘ方向に流れる流体に対し大きな抵抗を、それぞれ及ぼす。したがって、図３（Ａ）の状態では、流体ｆ1はディフューザ１２８ａにより小さい抵抗を受け、流体ｆ2はディフューザ１２８ｂにより大きな抵抗を受けるため、流体ｆ1の流量は、流体ｆ2の流量より大きくなる。
【００３４】
一方、図３（Ｂ）に示されるように、圧力室１２６が非収縮状態から収縮状態に遷移すると、圧力室１２６から入口１２９ａと出口１２９ｂの両方へ流体が流れ出る。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂへ流れ出る流体を、それぞれ、矢印ｆ3およびｆ4を用いて表している。矢印ｆ3およびｆ4の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流量を表す。流体ｆ3はディフューザ１２８ａより大きな抵抗を受け、流体ｆ4はディフューザ１２８ｂより小さな抵抗を受けるため、流体ｆ4の流量は、流体f3の流量より大きくなる。
【００３５】
圧力室１２６が１回、収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａから圧力室１２６に対し、正味|ｆ1−ｆ3|の量の流体が流れ込むと共に、圧力室１２６から出口１２９ｂに対し、正味|ｆ4−ｆ2|の量の流体が流れ出る。したがって、入口１２９ａから出口１２９ｂに対し、正味ｆ＝|ｆ1−ｆ3|＝|ｆ4−ｆ2|の量の流体が流れる。
【００３６】
ここで、流体は非圧縮性であることを想定している。なお、圧力室１２６の容積を容積Ｗ、非収縮状態の容積に対する収縮状態の容積の比である収縮率を収縮率βとすると、関係ｆ＝Ｗ（１−β）が成り立つ。
【００３７】
圧力室１２６が収縮状態および非収縮状態を繰り返すことにより、入口１２９ａから出口１２９ｂに対する定常的な流体の流れが発生する。圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数をωとすると、単位時間当たりの体積流量Ｆ＝ωｆ＝ωＷ(１−β)の流体が、入口１２９ａから出口１２９ｂに流れる。
【００３８】
体積流量Ｆは、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖとパルスの周波数の少なくとも一方を調整することにより、制御することができる。圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを大きくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが大きくなる。同様に、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを小さくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが小さくなる。したがって、圧電素子に印加する電圧パルスの電圧値を変えることによって、圧力室１２６の収縮率βを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。
【００３９】
また、パルスの周波数を大きくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが大きくなる。同様に、パルスの周波数を小さくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが小さくなる。したがって、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数を変えることによって、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。
【００４０】
なお、原理上、電圧パルスの周波数は、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωに等しいので、電圧パルスの周波数を文字ωを用いて表記する。
【００４１】
流量センサ１４としては、一例として熱質量式センサが用いられている。熱質量式センサでは、その内部に設けられた管路に流体（薬液ＬＭ）を流し、管壁を介して流体からセンサへ、あるいはセンサから流体へ伝導する熱量を計測することによって、管路内を流れる流体の流量を計測する。この熱質量式センサを流量センサ１４として採用した場合、流体内にプローブを挿入することがないので、流体の流れに障害を与えることなく、その流量を計測することができる。
【００４２】
制御ユニット１６は、例えばマイクロプロセッサをその中枢部として構成されており、薬液注入量調整装置１００全体を統括的に制御する。
【００４３】
制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４とは、電気的に接続されている。流量センサ１４から制御ユニット１６に、薬液ＬＭの流量の計測情報が供給される。制御ユニット１６は、その流量の計測情報に基づいて、薬液ＬＭの流量が定められた目標量に一致するように、マイクロポンプ１２（正確には、圧電素子１２４）に印加する電圧パルスの電圧値Ｖ及び周波数ωの少なくとも一方を調整する。マイクロポンプ１２の制御の詳細については、後述する。
【００４４】
なお、制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４の少なくとも一方とを、無線の通信路を介して接続してもよい。
【００４５】
制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力の監視も行っている。マイクロポンプの動力は、流体（薬液ＬＭ）を順方向に流すためにその流体に加える圧力（正確には、圧力のエネルギ）であるが、動力として、実際にマイクロポンプ１２が流体（薬液ＬＭ）に加えている具体的な圧力を考える必要はなく、その圧力に関係する量を考えれば良い。動力Ｐは、マイクロポンプ１２の構成より、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの関数Ｐ(Ｖ，ω)となる。
【００４６】
例えば、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの積を動力Ｐと定義することができる。より具体的には、動力Ｐは、Ｐ(Ｖ，ω)≡Ｖωと定義することができる。これに限らず、印加される電圧パルスの電圧値が常に一定値Ｖ0であり、周波数ωのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ0，ω)≡ωと定義してもよい。また、周波数が常に一定周波数ω0であり、電圧値Ｖのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ，ω0)≡Ｖと定義してもよい。
【００４７】
ここで、制御ユニット１６は、記憶装置（図示しない）を備えており、所定の時間（Δｔとする）毎に、動力Ｐの監視結果を記憶装置に記憶する。記憶された監視結果は、記憶されてから一定時間後に消去される。従って、記憶装置内には、常に現在から一定時間内の監視結果（一定数の最新の監視結果）が保存される。
【００４８】
制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力Ｐの監視情報に基づいて、後述する方法により薬液ＬＭの投薬状況を診断する。そして、制御ユニット１６は、投薬状況の異常を検知した際には、薬液ＬＭの注入を停止したり、警報を発する、といった緊急処置を実行する。そして、正常に、定められた量（目標注入量）の薬液ＬＭの注入が完了した際に、薬液ＬＭの注入を停止する、といった終了処置を実行する。
【００４９】
その他、制御ユニット１６には、操作者が薬液の（目標）注入量と（目標）注入時間などを入力するための図示されない操作パネル、薬液ＬＭの注入状況を表示する図示されない表示パネル、注入状況の異常を伝える図示されない警報装置などのインターフェースが備えられている。
【００５０】
次に、図４のフローチャートを用いて、薬液注入量調整装置１００における薬液ＬＭの流量制御の一例について説明する。図４のフローチャートの各処理は、制御ユニット１６内のマイクロプロセッサの制御により実行される。
【００５１】
薬液ＬＭの注入開始に先立って、操作者が、操作パネル上から、生体２２に注入する薬液ＬＭの総量（目標注入量）Ｗ0とその量の薬液ＬＭの注入を完了する目標注入時間Ｔ0を入力する。その後、操作者が操作パネルを操作して、注入開始の指示を入力すると、図４のフローチャートの処理が開始される。
【００５２】
ステップＳ２０２で、先ず、制御ユニット１６は、入力された目標注入量Ｗ0と目標注入時間Ｔ0とを記憶装置に記憶すると共に、目標注入量Ｗ0と目標注入時間Ｔ0とに基づいて、単位時間当たりの薬液ＬＭの目標流量（目標量）Ｆ0を決定する。そして、次のステップＳ２０４で、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を開始する。
【００５３】
次のステップＳ２０６〜ステップＳ２１２で、制御ユニット１６は、流量センサ１４から供給される薬液ＬＭの流量Ｆと、先に決定された目標量Ｆ0との比較結果に基づき、流量Ｆが目標量Ｆ0に一致するように、マイクロポンプ１２の動力Ｐ(Ｖ，ω)を調整する。すなわち、制御ユニット１６は、ステップＳ２０６で流量Ｆと目標量Ｆ0とを比較し、流量Ｆと目標量Ｆ0とが異なっているか否かを判定する。若し、異なっていない、すなわち流量Ｆと目標量Ｆ0とが等しいと判定されたら、処理はステップＳ２１４に移行される。
【００５４】
一方、ステップＳ２０６で、流量Ｆと目標量Ｆ0とが異なっていると判定されたら、処理はステップＳ２０８に移行され、流量Ｆが目標量Ｆ0を超えているか否かが判定される。若し、超えていると判定されたら、処理がステップＳ２１０に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を弱める。一方、流量Ｆが目標量Ｆ0以下であると判定されたら、処理はステップＳ２１２に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を強める。ステップＳ２１０またはステップＳ２１２の処理が行われると、処理はステップＳ２１４に移行される。
【００５５】
ここで、制御ユニット１６は、流体の流量Ｆの調整のため、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数ωを一定に保ちつつ電圧値Ｖを調整しても良いし、電圧値Ｖを一定に保ちつつ周波数ωを調整しても良いし、あるいは電圧値Ｖと周波数ωとの両方を調整してもよい。
【００５６】
ステップＳ２１４で、制御ユニット１６は、薬液ＬＭの注入量Ｆ0・ｔ（ｔは経過時間）と目標注入量Ｗ0とを比較し、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0以上になったか否かを判定する。若し、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0未満、すなわち、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0に満たない場合、処理がステップＳ２０６に戻され、ステップＳ２０６〜２１２の処理を再び行う。
【００５７】
一方、ステップＳ２１４で、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0以上になったと判定されたら、処理はステップＳ２１６に移行される。この場合には、薬液ＬＭの注入が正常に終了したと判断することができる。ステップＳ２１６では、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を停止する。それと共に、警報を発するなどの終了処置を実行する。そして、図４のフローチャートによる一連の処理が終了される。
【００５８】
＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。本第１の実施形態では、マイクロポンプ１２の圧力室１２６を収縮状態および非収縮状態にさせる圧電素子１２４を、正弦波による駆動信号で駆動する。ここで、既に説明したように、圧電素子１２４は、接着構造から来る特性として、駆動信号の電位の正負によって機械的な強度が異なる。そこで、本第１の実施形態では、圧電素子１２４を駆動させる正弦波による駆動信号に対してＤＣバイアスを与える。
【００５９】
また、本第１の実施形態では、圧力室１２６の両面にそれぞれ圧電素子１２４を配置する構成を採用し、これら圧力室１２６の両面に配置された圧電素子１２４を、互いに逆相の正弦波を用いて駆動する。
【００６０】
図５は、本第１の実施形態に採用するマイクロポンプ１２の一例の構成を示す。図５の各図において、上述の図２と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５（Ａ）は、マイクロポンプ１２の外観図、図５（Ｂ）は、上述した図２（Ｂ）に対応する断面図である。また、図５（Ｃ）は、圧力室１２６の両面に設けられる圧電素子１２４ａおよび１２４ｂの電気的な接続を示す。
【００６１】
なお、圧電素子は、等価回路的にはキャパシタと見做せるため、以下では、各回路図において圧電素子をキャパシタとして表現する。
【００６２】
図５（Ａ）に例示されるように、第１基板１２１の中央部に第１の圧電素子１２４ａが固定されると共に、第２基板１２２における圧電素子１２４ａと対向する位置に、第２の圧電素子１２４ｂが固定される。このとき、第１の圧電素子１２４ａおよび第２の圧電素子１２４ｂは、接着構造から規定される向きを同一方向に揃えて、第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定される。より具体的には、第１の圧電素子１２４ａは、接着構造から規定される向きにおける第１の面が第１基板１２１に固定される。一方、第２の圧電素子１２４ｂは、接着構造から規定される向きにおける第１の面に対向する第２の面が第２基板１２２に固定される。なお、この場合、第１基板１２１と第２基板１２２は、同一の材料で構成されるのが望ましい。
【００６３】
図５（Ｃ）に示されるように、第１の圧電素子１２４における第１の面の電極が端子３００に接続される。第１の圧電素子１２４ａにおける第１の面に対向する第２の面の電極と、第２の圧電素子１２４ｂの第１の面の電極とが共通して端子３０１に接続される。また、第２の圧電素子１２４ｂの第２の面の電極が、端子３０２に接続される。
【００６４】
この図５（Ｃ）に例示される構成において、端子３００および端子３０１の間、ならびに、端子３０１および端子３０２の間に、互いに逆相の正弦波を印加する。上述したように、圧電素子１２４ａと圧電素子１２４ｂとは、向きを揃えて第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定されているので、例えば圧電素子１２４ａが圧力室１２６の内側に向けて撓むタイミングでは、圧電素子１２４ｂも、圧力室１２６の内側に向けて撓むことになる。したがって、圧力室１２６の片面のみに圧電素子を設けた場合に比べ、収縮状態における圧力室１２６の収縮率を高くすることができる。
【００６５】
図６は、本第１の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す。なお、図６では、本第１の実施形態の説明に必要な部分のみが示され、例えばＯＰアンプなど集積回路の周辺回路など、本第１の実施形態に直接的な関連性の薄い部分は省略されている。また、図６において、Ｖｃｃは図示されない電源供給部から供給される電源、ＧＮＤは、共通のアース電位を示す。
【００６６】
信号生成器ＩＣ１は、信号データ生成器ＩＣ１は、例えばプログラム可能な論理回路（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）であり、正弦波を構成するための信号データ（以下、正弦波データ）を生成する。例えば、信号生成器ＩＣ１は、制御ユニット１６の制御に従い、指定された振幅および周波数の正弦波を構成する正弦波データを生成する。また、正弦波データの出力タイミングを調整することで、正弦波データから生成される正弦波信号の位相を制御することも可能である。生成された正弦波データは、バスＢＵＳを介して正弦波変換器ＩＣ２に供給される。また、信号データ生成器ＩＣ１は、生成した正弦波データに同期したクロックＣＬＫを出力し、正弦波変換器ＩＣ２に供給する。
【００６７】
正弦波変換器ＩＣ２は、Ｄ／Ａ変換器を有し、信号データ生成器ＩＣ１から供給された正弦波データをＤ／Ａ変換して、アナログ信号による正弦波信号を生成する。正弦波変換器ＩＣ２から出力された正弦波信号は、緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２を介してトランスＴ１の一方の一次側端子１に供給され、トランスＴ１の端子１および接地された端子２間を通してトランスＴ１を駆動する。トランスＴ１は、一次側の端子１と、二次側の端子５とで極性が一致するように構成される。
【００６８】
緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２は、正弦波変換器ＩＣ２から出力された正弦波信号を、トランスＴ１を駆動可能な電力まで電流増幅するアンプである。図６の例では、増幅率が同一の複数の緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２が並列接続されて、１の緩衝回路が構成されている。
【００６９】
これに限らず、１の緩衝回路のみを使用してもよい。また、正弦波変換器ＩＣ２の出力を接地電位から浮かせ、それぞれの信号線を２の緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２にそれぞれ接続して、これら緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２で互いに逆位相、同じ増幅率で増幅して、トランスＴ１の一次側の端子１および端子２にそれぞれ供給してもよい。この場合、実質的に倍の電圧の正弦波信号を得ることができる。さらに、トランスＴ１を駆動するために、バイポーラトランジスタなどでは、エミッタフォロアの接地側の負荷としてトランスＴ１の一次側を接続して緩衝回路としてもよいし、電圧増幅を行うために、エミッタ接地回路、プッシュプル回路などを緩衝回路として用いることができる。
【００７０】
トランスＴ１の二次側には、二次側の巻き線の例えば両端に端子３（第２の端子）および端子５（第１の端子）がそれぞれ設けられると共に、当該端子３および端子５の中点から引き出されるセンタータップ４（第３の端子）が設けられる。センタータップ４は、図示されない高抵抗を介して接地されると共に、ダイオードＤ１（第１のダイオード）のアノードに接続される。ダイオードＤ１のカソードがダイオードＤ２（第２のダイオード）のカソードに接続されると共に、コンデンサＣ１（第２のキャパシタ）の一方の電極に接続される。コンデンサＣ１の他方の電極がダイオードＤ３（第３のダイオード）のアノードに接続されると共に、圧電素子Ｃ２の第２の電極と、圧電素子Ｃ３（第１のキャパシタ）の第１の電極との共通接続点に接続される。圧電素子Ｃ３の第２の電極は、トランスＴ１の端子３に接続される。一方、圧電素子Ｃ２の第１の電極は、ダイオードＤ３のカソード、ダイオードＤ２のアノードおよびトランスＴ１の端子５にそれぞれ接続される。
【００７１】
なお、圧電素子Ｃ２またはＣ３の第１の電極は、上述した接着構造により規定される第１および第２の面のうち一方、例えば第１の面に対応し、第２の電極は第２の面に対応するものとする。
【００７２】
図６の構成において、トランスＴ１のセンタータップ４が、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ１を介して、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点に接続されている。これにより、圧電素子Ｃ２およびＣ３に対して、互いに逆位相の正弦波による駆動信号がそれぞれ印加される。
【００７３】
なお、圧電素子Ｃ２およびＣ３とで同程度の振動を発生させるためには、これら圧電素子Ｃ２およびＣ３それぞれに対して略等しい電圧を印加する必要がある。そのため、圧電素子Ｃ２およびＣ３として、静電容量が略等しいものが選択される。
【００７４】
図６の回路構成によれば、コンデンサＣ１は、トランスＴ１の端子３および端子５から出力される正弦波における両極値電圧の１／２の電圧を保持し続ける。このコンデンサＣ１に保持される電圧が、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点の電圧に対して、正電位側のＤＣバイアスとなって作用する。したがって、トランスＴ１の二次側全体の電位が、センタータップ４の電位に対して正電位側にシフトされることになり、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、共通接続点を基準として互いに逆位相の正弦波による駆動信号が、正電位側に当該正弦波の振幅の１／２だけＤＣバイアスを掛けられた電圧の信号として印加されることになる。
【００７５】
図６において、ダイオードＤ２およびＤ３は、それぞれ整流に用いられる。また、ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１に蓄積された電荷のトランスＴ１側へのリークを防止する役目を担う。トランスＴ１の出力信号の位相によっては、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がセンタータップ４側にリークしてしまうことになる。このようなリークが発生すると、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧が不均衡になる。ダイオードＤ１をセンタータップ４とコンデンサＣ１との間に挿入することでこのリークが抑止され、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧が不均衡になることが防がれる。
【００７６】
なお、ダイオードＤ１の代わりに１ＭΩ（メガオーム）乃至１０ＭΩ程度の高抵抗を挿入することでも、コンデンサＣ１からセンタータップ４へのリークを抑止する効果を得ることができる。しかしながら、高抵抗では、ダイオードＤ１に比べてリークの抑止力が弱いため、圧電素子Ｃ２およびＣ３に加えるＤＣバイアス電圧が不安定になる。
【００７７】
図６において、トランスＴ１は、例えば、一次側の±３Ｖ程度の入力に対して、二次側で±８０Ｖ乃至±２００Ｖ程度の出力が得られる巻数比のものが用いられる。また、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、それぞれ４ｎＦ（ナノファラド）程度の静電容量を有する。コンデンサＣ１は、圧電素子Ｃ２およびＣ３の静電容量よりは大きな、例えば５ｎＦ乃至１０ｎＦの静電容量とする。
【００７８】
図７を用いて、図６の回路における動作について、概略的に説明する。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、それぞれ、トランスＴ１の一次側に印加される正弦波と、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧の波形のシミュレーション結果を示す。正弦波３２０は、トランスＴ１の一次側に入力される信号の例を示す。波形３２１および３２１’は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧の波形の例を示し、波形３２２および３２２’は、圧電素子Ｃ３に印加される電圧の波形の例を示す。なお、正弦波３２０は、煩雑さを避けるために、０Ｖの位置をずらして表示している。
【００７９】
図７（Ａ）は、トランスＴ１に対する正弦波３２０の入力を、正弦波の位相が０°から開始した場合の例である。この場合、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧は、波形３２１および波形３２２の先頭側（左側）に例示されるように、一次側に対する正弦波３２０の入力と略同時に、正電位側のみにシフトしている。これは、すなわち、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点の電圧が正電位側にのみ、シフトしていることを意味する。
【００８０】
図７（Ｂ）は、トランスＴ１に対する正弦波３２０の入力を、正弦波の位相が２７０°から開始した場合の例である。この場合には、波形３２１’の先頭側に例示されるように、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、一次側に対する正弦波３２０の入力直後における第１サイクルの半波分が負電位側にシフトする。そして、次の半波において正電位側へのＤＣバイアスに移行する。
【００８１】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）の説明から分かるように、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波は、トランスＴ１の端子３の出力が正弦波の立ち上がりの位相から開始されるように位相制御されていると好ましい。より具体的な例として、トランスＴ１の極性が図６に例示されるように設定されている場合には、一次側に対して入力される正弦波が０°の位相から入力開始されるように位相制御する。図６の例では、信号データ生成器ＩＣ１や正弦波変換器ＩＣ２などにより、トランスＴ１の一次側に印加する正弦波の位相を制御することができる。また、トランスＴ１に対する正弦波の入力開始時における立ち上がりの振幅を徐々に大きくするように制御することで、突入時の負電位を抑制することができる。
【００８２】
なお、図６に示される構成において、ダイオードＤ２およびＤ３の向きを逆としても、同様の効果を得ることができる。
【００８３】
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、トランスＴ１の二次側においてセンタータップ４に対して接続したコンデンサＣ１に蓄積される電荷を利用して、トランスＴ１の二次側の出力に対して全体的にＤＣバイアスを掛けることができる。また、トランスＴ１の二次側に発生する正弦波信号を整流してコンデンサＣ１に供給している。そのため、正弦波信号の両極値間電圧の１／２のＤＣ電圧が圧電素子Ｃ２またはＣ３の共通接続点に印加され、圧電素子Ｃ２およびＣ３に対して、印加される正弦波信号の最低電圧が０ＶになるようなＤＣバイアスを容易に得ることができる。これにより、簡易な回路構成により、印加電圧に方向性が要求される圧電素子Ｃ２およびＣ３の劣化を抑制することが可能になる。
【００８４】
また、トランスＴ１のセンタータップ４とコンデンサＣ１との間に、リーク防止用のダイオードＤ１を挿入しているために、圧電素子Ｃ２またはＣ３の共通接続点を基準として、互いに逆位相の正弦波による駆動信号を、正負何れかのＤＣバイアスを掛けて圧電素子Ｃ２またはＣ３にそれぞれ印加することができる。
【００８５】
また、リーク防止用のダイオードＤ１とダイオードＤ２とは、同じ側の電極で共通接続点に接続されている。そのため、トランスＴ１のセンタータップ４の電位が、センタータップ４にダイオードＤ１を介して接続されるコンデンサＣ１の、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点側の電位より低くなる周期のときに発生するリーク電流をＤＣバイアスに影響せずに防止できる。これにより、コンデンサＣ１に対して最初に充電がなされるとき以外には、センタータップ４側へのリークが抑制される。
【００８６】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述の第１の実施形態では、一対の圧電素子Ｃ２およびＣ３を互いに逆相の正弦波で駆動したのに対し、本第２の実施形態では、１の圧電素子、あるいは、接着構造で規定される方向を揃えて並列接続された複数の圧電素子を、１の正弦波で駆動する。
【００８７】
図８は、本第２の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す。なお、図８において、上述した図６と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００８８】
図８において、トランスＴ１の一次側の構成が図６に示した構成と若干異なる。信号生成器ＩＣ３は、基本矩形波を生成し、コンデンサＣ５による交流結合を介して正弦波変換器ＩＣ４に供給する。また、信号生成器ＩＣ３は、当該基本矩形波に同期した、矩形波によるクロックＣＬＫを生成し、正弦波変換器ＩＣ４に供給する。
【００８９】
正弦波変換器ＩＣ４は、例えばスイッチトキャパシタ（ＳＷＣ）回路からなり、信号生成器ＩＣ３から供給された基本矩形波とクロックＣＬＫとから正弦波信号を生成する。正弦波変換器ＩＣ４から出力された正弦波信号は、緩衝回路ＢＦ３でトランスＴ１を駆動するのに十分な電流に電流増幅され、トランスＴ１の端子１に入力される。トランスＴ１の端子２は、接地される。
【００９０】
なお、トランスＴ１の一次側の構成は、この図８の構成に限られない。すなわち、上述した図６に例示したトランスＴ１の一次側構成を、本第２の実施形態に適用してもよい。同様に、この図８に示すトランスＴ１の一次側構成を、図６に示した第１の実施形態における圧電素子駆動回路に適用してもよい。
【００９１】
図８において、トランスＴ１の二次側の構成は、図６の圧電素子Ｃ３の代わりにコンデンサＣ５が挿入されている以外は、図６の構成と共通である。このコンデンサＣ５（第１のキャパシタ）は、トランスＴ１の端子３と、圧電素子Ｃ２、コンデンサＣ１およびダイオードＤ３の共通接続点とを交流接続するために設けられる。
【００９２】
また、コンデンサＣ５は、静電容量が圧電素子Ｃ２よりも十分大きなものが選択される。例えば、コンデンサＣ５は、圧電素子Ｃ２の静電容量の１００倍程度の静電容量を持つものが用いられる。
【００９３】
すなわち、上述の図６の構成においては、圧電素子Ｃ２およびＣ３それぞれに略等しい電圧が印加される必要があったため、圧電素子Ｃ２およびＣ３の静電容量を略等しくしていた。これに対して、本第２の実施形態では、トランスＴ１の二次側における正弦波信号の電圧は、全て圧電素子Ｃ２に対して印加されるのが望ましい。コンデンサＣ５の静電容量を、圧電素子Ｃ２の静電容量よりも十分大きくすることで、トランスＴ１の二次側に発生する正弦波信号の電圧成分（すなわち、トランスＴ１の端子３および端子５間で発生する電圧）を、略全て圧電素子Ｃ２に印加させることが可能となる。
【００９４】
なお、コンデンサＣ５の静電容量を調整することで、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号の電圧を調整することが可能である。コンデンサＣ５の静電容量を調整した場合であっても、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号の下限値が略０Ｖに収束するように、圧電素子Ｃ２に対するＤＣバイアス電圧が作用する。
【００９５】
この図８に示す第２の実施形態による構成でも、定常状態において、トランスＴ１の二次側全体の電位を、センタータップ４の電位に対して正電位側にシフトさせることになり、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号は、正電位側に当該正弦波の振幅の１／２だけＤＣバイアスを掛けられた電圧の信号として印加される。
【００９６】
図９および図１０を用いて、図８の回路における動作について、概略的に説明する。図９および図１０は、図８のトランスＴ１の一次側に対して、周波数が１２００Ｈｚ、振幅が±２．１Ｖの正弦波信号を入力した場合のシミュレーション結果を示す。トランスＴ１の巻数比を１：２５とした場合、２次側の出力は、２．１Ｖｐｐ×２×２５＝１０５Ｖｐｐとなる。
【００９７】
図９は、リーク防止用のダイオードＤ１が無い場合のシミュレーション結果の例を示す。図９（Ａ）は、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波信号を示し、図９（Ｂ）は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧を示す。コンデンサＣ５に、比較的静電容量の大きなものを用いているため、圧電素子Ｃ２に印加されるＤＣバイアスが安定するまで一定の時間を要し、その間、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、徐々に増加する。ＤＣバイアスが安定して以降は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、安定する。
【００９８】
図９（Ｃ）は、リーク防止用のダイオードＤ１が無い場合に、図８におけるダイオードＤ１の位置に流れるリーク電流を示す。このように、トランスＴ１の一次側への正弦波信号の入力直後に最大のリーク電流が流れ、ＤＣバイアスが安定的になるに連れてリーク電流が減少し、所定の値で安定する。
【００９９】
図１０は、図８の通りにリーク防止用のダイオードＤ１がある場合のシミュレーション結果の例を示す。図１０（Ａ）は、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波信号を示し、図１０（Ｂ）は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧を示す。図１０（Ｂ）に示されるように、ダイオードＤ１を挿入した場合の圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、上述の図９（Ｂ）の例に対して若干、負電位側にも印加される。ＤＣバイアス電圧が安定して以降は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、上述の１０５Ｖｐｐに近い値で安定する。
【０１００】
なお、上述した第１の実施形態の例では、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、トランスＴ１の二次側の出力電圧を、互いに静電容量によって正弦波成分の電圧比を略１：１に分け合うと共に、本第２の実施形態のコンデンサＣ５のように大きな静電容量を用いていない。そのため、トランスＴ１の一次側に正弦波信号が入力されるのに伴い、略瞬時に圧電素子Ｃ２およびＣ３に対してＤＣバイアスが掛かり、これら圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧も極めて短時間で安定的となる（図示しない）。
【０１０１】
図１０（Ｃ）は、リーク防止用のダイオードＤ１に流れるリーク電流を示す。このように、リーク電流は、トランスＴ１の一次側に対する正弦波信号の入力が開始された直後に若干ピークが発生した以降は、略０Ｖに抑制されている。これにより、トランスＴ１の二次側の出力が圧電素子Ｃ２において効率的に利用されていることが分かる。なお、第１の実施形態で説明したように、ダイオードＤ１の代わりに高抵抗を挿入してもよい。
【０１０２】
このように、本第２の実施形態では、トランスＴ１の二次側の正弦波信号を有効に使うために、圧電素子Ｃ２に比べ静電容量が十分大きいコンデンサＣ５を、圧電素子Ｃ２に対してトランスＴ１のセンタータップ４に対して対称位置に用いている。そのため、圧電素子Ｃ２に対するＤＣバイアスが安定化するまで、ある程度の時間を要する。しかしながら、図１０（Ｂ）から分かるように、圧電素子Ｃ２に対して負電位が印加される時間は高々数１０ｍｓ（ミリ秒）であり、圧電素子Ｃ２の駆動に際して何ら問題になるものではない。
【０１０３】
実際のシミュレーションの結果では、第１の実施形態による図６の構成では、圧電素子Ｃ２およびＣ３を同じ静電容量にすることで、１ｍｓ以内という極めて短時間でＤＣバイアスが定常状態に達した（図示しない）。本第２の実施形態による図８の構成では、コンデンサＣ５として圧電素子Ｃ２よりも十分大木は静電容量のものを選択しているため、図１０（Ｂ）に例示されるように、ＤＣバイアスが定常状態になるまでに、２０ｍｓ程度の時間を要している。
【０１０４】
また、図４のフローチャートを用いて説明したようなサーボ動作により、正弦波信号の振幅など、圧電素子Ｃ２の駆動条件が頻繁に変化するような応用では、緩衝回路ＢＦ３の駆動能力を大きくすることが有効である。この場合、コンデンサＣ５の静電容量と、緩衝回路ＢＦ３の駆動能力とを、両者の兼ね合いで決定すると好ましい。過渡的にＤＣバイアスがやや負電位側に偏ったとしても、急激な変化でなければ大きな負電位になることはないため、回路のパラメータの設定により抑制可能であり、問題にはならない。
【０１０５】
図１１は、信号生成回路ＩＣ１から出力される信号の波形と、圧電素子Ｃ２に印加される電圧の波形とのシミュレーション結果を示す。波形３３０および３３１は、それぞれ、信号生成回路ＩＣ１から出力される基本矩形波およびクロックＣＬＫの例である。これら基本矩形波およびクロックＣＬＫは、信号生成回路ＩＣ１において、ハード的またはプロセッサなどの制御に従いソフトウェア的に生成される。図１１では、クロックＣＬＫは、周波数が高いため、図１１では滲んだような表現になっている。
【０１０６】
波形３３２は、定常状態において圧電素子Ｃ２に印加される正弦波電圧を示す。信号生成回路ＩＣ１から出力されたこれら基本矩形波およびクロックＣＬＫに基づき、正弦波変換回路ＩＣ２で正弦波が生成され、この正弦波がトランスＴ１で昇圧されて、波形３３２に例示されるような正弦波電圧とされる。図１１によれば、この正弦波電圧は、ピーク間電圧Ｖｐｐが略１０５Ｖであるのに対し、最低電圧が略０Ｖとなっているのが分かる。
【０１０７】
図１２は、本第２の実施形態に適用可能なマイクロポンプ１２の一例の構造を示す。なお、図１２において、上述した図５と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略している。この例では、図８における圧電素子Ｃ２を並列接続して用いる。すなわち、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）において、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の１２４ｃ2が、並列接続された２個の圧電素子Ｃ２にそれぞれ対応する。
【０１０８】
図１２（Ａ）に例示されるように、これら第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2は、同相の正弦波電圧を印加したときに互いに逆方向に振動するように、圧力室１２６の両面に配置される。例えば、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2は、上述した、接着構造から規定される第１の面あるいは第２の面を互いに対向させて、第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定される。
【０１０９】
図１２（Ｂ）に例示されるように、第１の圧電素子１２４ａの第１の面の電極が端子３０３に接続され、第２の面の電極が端子３０４に接続される。また、第２の圧電素子１２４ｂの第２の面の電極が端子３０５に接続され、第１の面の電極が端子３０６に接続される。さらに、端子３０３と端子３０６とが接続され、端子３０４と端子３０５とが接続される。端子３０３と端子３０６との接続点が、図８における圧電素子Ｃ２の一方の電極に対応し、端子３０４と端子３０５との接続点が、他方の電極に対応する。
【０１１０】
このようにして、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2の圧力室１２６への配置および図８の回路への接続を行うことで、１の正弦波電圧により、例えば第１の圧電素子１２４ｃ1が圧力室１２６の内側に向けて撓むタイミングで、第２の圧電素子１２４ｃ2も、圧力室１２６の内側に向けて撓むことになる。したがって、圧力室１２６の片面のみに圧電素子を設けた場合に比べ、収縮状態における圧力室１２６の収縮率を高くすることができる。
【０１１１】
なお、図８に示される構成において、ダイオードＤ２およびＤ３の向きを逆としても、同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
以上説明したように、本第２の実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様に、トランスＴ１の二次側においてセンタータップ４に対して接続したコンデンサＣ１に蓄積される電荷を利用して、トランスＴ１の二次側の出力に対して全体的にＤＣバイアスを掛けることができる。そのため、簡易な回路構成により、印加電圧に方向性が要求される圧電素子Ｃ２の劣化を抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【０１１３】
１，２，３，５ 端子
４ センタータップ
ＩＣ１ 信号データ生成器
ＩＣ２，ＩＣ４ 正弦波変換器
ＩＣ３ 信号生成器
Ｔ１ トランス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ ダイオード
Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５ コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３ 圧電素子
１２ マイクロポンプ
１６ 制御ユニット
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１４】
【特許文献１】特開平８−１０９９４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１８７７２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体に対する薬剤の投与を持続的あるいは緩やかに行うためには、一般的に、点滴静脈注射（以下、点滴と略称する）が用いられる。この点滴静脈注射を行うための医療機器を、点滴装置と呼ぶ。点滴装置では、薬液を収容した容器にチューブの一端を接続し、そのチューブの他端に装着された注射針を介して生体内に薬液を注入する。チューブの途中には、薬液の注入速度（単位時間当たりの注入量）を調整するための薬液注入量調整装置が設けられる。従来、薬液注入量調整装置としては、点滴筒およびクランプを有し、看護師などの医療従事者が点滴筒内における薬液の滴下状況を見ながらクランプを操作するものが用いられていた。
【０００３】
これに対し、薬液の移送および注入速度の調整を、薬液注入ポンプと呼ばれる装置を用いて行う場合もある。この薬液注入ポンプでは、例えば、回転数を制御する機構を持ったモータにより注射筒を駆動して、所定の注入速度で生体に対して薬液を注入する。このような薬液注入ポンプを用いた場合には、薬液の移送および注入速度の調整を自動的に行うことが可能である。
【０００４】
ところで、このような点滴装置を小型軽量化すると共に電池駆動して、携帯可能とする製品の開発が進められている。上述したモータを用いた薬液注入ポンプでは、消費電力が大きく、点滴装置を携帯可能とした際の電池駆動に向いていないと共に、小型化も困難である。そこで、点滴装置に用いる薬液注入ポンプとして、圧電素子によるアクチュエータを用いて薬液の移送を行うマイクロポンプを適用する技術の開発が進められている。
【０００５】
この圧電素子をアクチュエータに用いたマイクロポンプは、例えば、薬液が通過する圧力室の片面にアクチュエータが設けられた構造を有する。このようなマイクロポンプでは、圧電素子に対して矩形波や正弦波など所定周期で電圧が変化する信号を印加してアクチュエータを振動させ、この振動よって薬液が通過する圧力室の体積を変化させることで、薬液の移送を行う。薬液の注入速度は、アクチュエータに印加する信号の周波数または振幅を制御することで、調整できる。
【０００６】
特許文献１には、正弦波の信号を用いてアクチュエータを駆動する技術が開示されている。また、特許文献２には、矩形波の信号を用いてアクチュエータを駆動する技術が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロポンプに用いるアクチュエータには、ユニモルフやバイモルフと呼ばれる種類の圧電素子が用いられる。これらのアクチュエータは、駆動電圧が例えば１００Ｖ前後と比較的高く、小型の電子回路を用いての周波数や振幅の制御が困難であるという問題点があった。
【０００８】
ここで、圧電素子によるアクチュエータの駆動信号として矩形波を用いれば、チョッパ回路などを利用して比較的容易に高電圧の駆動信号を得ることができる。しかしながら、矩形波の駆動信号は、アクチュエータに不要な振動を発生させ、駆動時の騒音が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
さらに、圧電素子によるアクチュエータは、板状の圧電素子に対して他の圧電素子や金属板を接着させて形成されるため、この接着構造からくる特性として、駆動信号の電位の正負によって機械的な強度が異なる。そのため、圧電素子によるアクチュエータは、ＤＣ成分の無い、振幅が正負対称の正弦波を長時間印加するような駆動方法には適していないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧電素子によるアクチュエータの、正弦波を用いた長時間の駆動を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、正弦波信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成された正弦波信号が一次側に入力され、二次側に、第１の端子および第２の端子と、第１の端子および第２の端子の中点から引き出される第３の端子とを備えるトランスと、第１の端子に一方の電極が接続される圧電素子と、一方の電極が圧電素子の他方の電極に接続され、他方の電極が第２の端子に接続される第１のキャパシタと、一方の電極が圧電素子の他方の電極と第１のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第２のキャパシタと、カソードが第２のキャパシタの他方の電極に接続され、アノードが第３の端子に接続される第１のダイオードと、カソードが第２のキャパシタと第１のダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、アノードが圧電素子の一方の電極と第１の端子との共通接続点に接続される第２のダイオードと、カソードが圧電素子の一方の電極と第１の端子と第２のダイオードのアノードとの共通接続点に接続され、アノードが圧電素子の他方の電極と第１のキャパシタの一方の電極と第２のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第３のダイオードとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子によるアクチュエータの、正弦波を用いた長時間の駆動が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の各実施形態に適用可能な薬液注入システムの構成を概略的に示す略線図である。
【図２】図２は、マイクロポンプの一例の構造を示す略線図である。
【図３】図３は、マイクロポンプの動作について概略的に説明するための略線図である。
【図４】図４は、薬液注入量調整装置における薬液の流量制御の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態に採用するマイクロポンプの一例の構成を示す略線図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す回路図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態による圧電素子駆動回路の動作を説明するための略線図である。
【図１１】図１１は、信号生成回路から出力される信号の波形と、圧電素子に印加される電圧の波形とのシミュレーション結果を示す略線図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２の実施形態に適用可能なマイクロポンプの一例の構造を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜各実施形態に共通の構成＞
以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧電素子駆動回路の実施形態を詳細に説明する。先ず、本発明の各実施形態に共通の構成について説明する。図１は、本発明の各実施形態に適用可能な薬液注入システム２００の構成を概略的に示す。薬液注入システム２００は、生体に注入される薬液ＬＭが収容された容器１０と、容器１０に一端が接続され、他端に生体２２の血管内に一端が刺し入れられる注射針２０が取り付け具１８を介して設けられ、容器１０から生体２２内に至る薬液注入管路と、該薬液注入管路の途中に接続された薬液注入量調整装置１００とを備えている。
【００１５】
容器１０は、薬液ＬＭを生体２２の一部、例えば血管内に注入する際に、薬液注入量調整装置１００の一端すなわちマイクロポンプ１２の一端（供給端）にチューブ１５1を介して接続される。チューブ１５1としては、弾力性が高く自己拡張性のある可撓性チューブが使用されている。
【００１６】
薬液注入量調整装置１００の他端すなわち流量センサ１４の排出端には、チューブ１５2の一端が、接続される。チューブ１５2の他端（先端）には、先端に注射針２０が固定された取り付け具１８が接続される。薬液ＬＭを血管内に注入する際には、看護師などが、注射針２０を生体２２の内部に体表面を介して刺し入れ、その先端を血管内に留置させる。その際、看護師などは、注射針２０の先端が血管内から抜けないよう、注射針２０の根元あるいは取り付け具１８を、例えば粘着テープ等を用いて、生体２２の体表面に固定する。図１では、この固定後の状態が示されている。
【００１７】
チューブ１５2としては、チューブ１５1と同様に、可撓性チューブが使用されている。チューブ１５2が撓むことにより、その先端部が動いても、薬液ＬＭが流れる流路が確保される。
【００１８】
薬液注入システム２００において、容器１０から生体２２の血管まで、順に、チューブ１５1、薬液注入量調整装置１００、チューブ１５2および注射針２０により、薬液ＬＭが流れる流路が構成されている。この流路の途中には、薬液注入量調整装置１００の構成各部を含め、流路を閉ざす部材は存在しない。したがって、この流路は、容器１０から生体２２の血管まで通じる１つの開放路を構成している。
【００１９】
なお、容器１０から注射針２０まで通じる流路の途中に、薬液ＬＭの逆流を防止する弁を設けてもよい。ただし、この弁は、薬液ＬＭが順方向（容器１０から注射針２０に向かう方向）に流れる際には、流体に抵抗力を及ぼさない、あるいは抵抗力を及ぼすが無視できる程度のものを用いるものとする。
【００２０】
薬液注入量調整装置１００の構成、機能などについて詳細に説明する。薬液注入量調整装置１００は、マイクロポンプ１２、流量センサ１４および制御ユニット１６を有する。マイクロポンプ１２は、その一端すなわち供給端が上述したチューブ１５1を介して容器１０に接続される。流量センサ１４は、マイクロポンプ１２の他端すなわち排出端にチューブ１５0を介して一端すなわち供給端が接続される。制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２および流量センサ１４に電気的に接続され、流量センサ１４の出力に応じてマイクロポンプ１２を制御する。
【００２１】
ここで、チューブ１５0としては、マイクロポンプ１２と流量センサ１４とを接続し、両者間に薬液ＬＭを流すことができるのであれば、材質、形態を問わず、いかなる管状部材を使用してもよい。
【００２２】
本発明の各実施形態では、マイクロポンプ１２として、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ技術）で製造された、圧電素子を駆動源とするダイヤフラムポンプを採用する。ダイヤフラムポンプは、容積ポンプの一種であって、ダイヤフラムの容積の変化を利用して薬液ＬＭを移送する。
【００２３】
図２は、マイクロポンプ１２の一例の構造を示す。図２（Ａ）には、マイクロポンプ１２の縦断面図が示され、図２（Ｂ）には、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図が示されている。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）中のＡ−Ａ線断面に相当する。
【００２４】
図２（Ａ）に示されるように、マイクロポンプ１２は、その一部がダイヤフラムの役割を担う板状の第１基板１２１と、第１基板１２１の一方の面（−Ｚ側の面）に接合された第２基板１２２と、第１基板１２１の他方の面（＋Ｚ側の面）の中央部に固定された圧電素子１２４とを有する。一例として、第１基板１２１は硼珪酸ガラス、第２基板１２２はシリコンを用いて構成する。なお、第１基板１２１の圧電素子１２４と接する部分を含む部分が、ダイヤフラムの役割を担っている。この部分を、便宜上、ダイヤフラム部ＤＰと呼ぶ。
【００２５】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、第２基板１２２には、第１基板１２１に対向する一面から一定の深さの凹部が形成されている。この凹部は、Ｘ軸方向の中央部に位置する平面視矩形の圧力室１２６と、該圧力室１２６の−Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ａと、圧力室１２６の＋Ｘ側の端部に連通する凹溝１２８ｂとの３つの部分からなる。なお、圧力室１２６は、実際には、第１基板１２１が、第２基板１２２に形成された凹部を覆うように、第２基板１２２と接合されることで形成される。図２（Ａ）および図２（Ｂ）の例では、便宜上、第２基板１２２に圧力室１２６が形成されているものとしている。
【００２６】
凹溝１２８ａの内部の−Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ａの内部空間とを連通する貫通孔１２９ａが形成されている。また、凹溝１２８ｂの内部の＋Ｘ端部に対応する第２基板１２２の底壁には、第２基板１２２の外部と凹溝１２８ｂの内部空間とを連通する貫通孔１２９ｂが形成されている。
【００２７】
貫通孔１２９ａは、圧力室１２６を含むマイクロポンプ１２の内部空間への薬液ＬＭの入口の役目を果たし、貫通孔１２９ｂは、内部空間からの薬液ＬＭの出口の役目を果たす。以下では、貫通孔１２９ａおよび１２９ｂを、それぞれ入口１２９ａおよび出口１２９ｂと記述する。入口１２９ａおよび出口１２９ｂは、それぞれ、マイクロポンプ１２の供給口、排出口をそれぞれ構成する管状部材（図示しない）に接続されている。
【００２８】
図２（Ｂ）に例示されるように、凹溝１２８ａおよび１２８ｂは、共に、−Ｘ端から＋Ｘ端に向かって、すなわち入口側から出口側に向かって、徐々にその断面積が広くなっており、ディフューザの役目を兼ねる。以下では、凹溝１２８ａおよび１２８ｂを、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂと記述する。なお、ディフューザは、流体の持つ運動のエネルギを圧力のエネルギに変換するためのものである。
【００２９】
上述のように、本発明の各実施形態に適用可能なマイクロポンプ１２は、第２基板１２２に設けられた入口１２９ａから出口１２９ｂまで、順に、ディフューザ１２８ａ、圧力室１２６、ディフューザ１２８ｂを介して、１つの流路が形成される。この流路は、その途中に流路を閉ざす部材は設けられていないので、入口１２９ａから出口１２９ｂまで通じる１つの開放路を構成する。すなわち、マイクロポンプ１２は、バルブレスマイクロポンプである。
【００３０】
図３を用いて、マイクロポンプ１２の動作について概略的に説明する。圧電素子１２４に電圧が印加されていない状態では、図３（Ａ）に示されるように、圧電素子１２４と接合された第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、撓みのない平面状を保っている。この状態の圧力室１２６は、非収縮状態にある。一方、圧電素子１２４に電圧が印加されると、図３（Ｂ）に示されるように、第１基板１２１のダイヤフラム部ＤＰは、矢印で示されるように、−Ｚ方向に撓む。これにより、圧力室１２６は収縮し、収縮状態となる。
【００３１】
したがって、圧電素子１２４に電圧パルスを印加して駆動させてダイヤフラム部ＤＰを振動させることにより、圧力室１２６に対し、収縮状態と非収縮状態とを繰り返させることができる。このとき、圧力室１２６の収縮率（ダイヤフラム部ＤＰの撓み量）は、電圧パルスの電圧値に応じて定まり、圧力室１２６の収縮／膨張の繰り返し数は、電圧パルスの周波数によって定まる。
【００３２】
図３（Ａ）に示されるように、圧力室１２６が収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａと出口１２９ｂの両方から流体（薬液ＬＭ）が圧力室１２６に流れ込む。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂから流れ込む流体を、それぞれ、矢印ｆ1およびｆ2を用いて表している。矢印ｆ1およびｆ2の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流体の量の程度を表す。
【００３３】
ここで、流体ｆ1およびｆ2は、それぞれディフューザ１２８ａおよび１２８ｂを通過する。ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、上述したように、何れも、＋Ｘ方向に向けて断面積が徐々に広くなっている。そのため、ディフューザ１２８ａおよび１２８ｂは、＋Ｘ方向に流れる流体に対し小さい抵抗を、−Ｘ方向に流れる流体に対し大きな抵抗を、それぞれ及ぼす。したがって、図３（Ａ）の状態では、流体ｆ1はディフューザ１２８ａにより小さい抵抗を受け、流体ｆ2はディフューザ１２８ｂにより大きな抵抗を受けるため、流体ｆ1の流量は、流体ｆ2の流量より大きくなる。
【００３４】
一方、図３（Ｂ）に示されるように、圧力室１２６が非収縮状態から収縮状態に遷移すると、圧力室１２６から入口１２９ａと出口１２９ｂの両方へ流体が流れ出る。ここで、入口１２９ａと出口１２９ｂへ流れ出る流体を、それぞれ、矢印ｆ3およびｆ4を用いて表している。矢印ｆ3およびｆ4の向きが流体の移送される向きを表し、太さが流量を表す。流体ｆ3はディフューザ１２８ａより大きな抵抗を受け、流体ｆ4はディフューザ１２８ｂより小さな抵抗を受けるため、流体ｆ4の流量は、流体f3の流量より大きくなる。
【００３５】
圧力室１２６が１回、収縮状態から非収縮状態に遷移すると、入口１２９ａから圧力室１２６に対し、正味|ｆ1−ｆ3|の量の流体が流れ込むと共に、圧力室１２６から出口１２９ｂに対し、正味|ｆ4−ｆ2|の量の流体が流れ出る。したがって、入口１２９ａから出口１２９ｂに対し、正味ｆ＝|ｆ1−ｆ3|＝|ｆ4−ｆ2|の量の流体が流れる。
【００３６】
ここで、流体は非圧縮性であることを想定している。なお、圧力室１２６の容積を容積Ｗ、非収縮状態の容積に対する収縮状態の容積の比である収縮率を収縮率βとすると、関係ｆ＝Ｗ（１−β）が成り立つ。
【００３７】
圧力室１２６が収縮状態および非収縮状態を繰り返すことにより、入口１２９ａから出口１２９ｂに対する定常的な流体の流れが発生する。圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数をωとすると、単位時間当たりの体積流量Ｆ＝ωｆ＝ωＷ(１−β)の流体が、入口１２９ａから出口１２９ｂに流れる。
【００３８】
体積流量Ｆは、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖとパルスの周波数の少なくとも一方を調整することにより、制御することができる。圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを大きくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが大きくなる。同様に、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの電圧値Ｖを小さくすれば、圧電素子１２４の伸縮量、すなわち、ダイヤフラム部ＤＰの撓みが小さくなる。したがって、圧電素子に印加する電圧パルスの電圧値を変えることによって、圧力室１２６の収縮率βを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。
【００３９】
また、パルスの周波数を大きくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが大きくなる。同様に、パルスの周波数を小さくすれば、ダイヤフラム部ＤＰの振動数、すなわち、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωが小さくなる。したがって、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数を変えることによって、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωを調整することができる。それにより、流量Ｆ＝ωＷ(１−β)を制御することができる。
【００４０】
なお、原理上、電圧パルスの周波数は、圧力室１２６の収縮状態および非収縮状態の単位時間の繰り返し回数ωに等しいので、電圧パルスの周波数を文字ωを用いて表記する。
【００４１】
流量センサ１４としては、一例として熱質量式センサが用いられている。熱質量式センサでは、その内部に設けられた管路に流体（薬液ＬＭ）を流し、管壁を介して流体からセンサへ、あるいはセンサから流体へ伝導する熱量を計測することによって、管路内を流れる流体の流量を計測する。この熱質量式センサを流量センサ１４として採用した場合、流体内にプローブを挿入することがないので、流体の流れに障害を与えることなく、その流量を計測することができる。
【００４２】
制御ユニット１６は、例えばマイクロプロセッサをその中枢部として構成されており、薬液注入量調整装置１００全体を統括的に制御する。
【００４３】
制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４とは、電気的に接続されている。流量センサ１４から制御ユニット１６に、薬液ＬＭの流量の計測情報が供給される。制御ユニット１６は、その流量の計測情報に基づいて、薬液ＬＭの流量が定められた目標量に一致するように、マイクロポンプ１２（正確には、圧電素子１２４）に印加する電圧パルスの電圧値Ｖ及び周波数ωの少なくとも一方を調整する。マイクロポンプ１２の制御の詳細については、後述する。
【００４４】
なお、制御ユニット１６と、マイクロポンプ１２および流量センサ１４の少なくとも一方とを、無線の通信路を介して接続してもよい。
【００４５】
制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力の監視も行っている。マイクロポンプの動力は、流体（薬液ＬＭ）を順方向に流すためにその流体に加える圧力（正確には、圧力のエネルギ）であるが、動力として、実際にマイクロポンプ１２が流体（薬液ＬＭ）に加えている具体的な圧力を考える必要はなく、その圧力に関係する量を考えれば良い。動力Ｐは、マイクロポンプ１２の構成より、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの関数Ｐ(Ｖ，ω)となる。
【００４６】
例えば、印加される電圧パルスの電圧値Ｖと周波数ωとの積を動力Ｐと定義することができる。より具体的には、動力Ｐは、Ｐ(Ｖ，ω)≡Ｖωと定義することができる。これに限らず、印加される電圧パルスの電圧値が常に一定値Ｖ0であり、周波数ωのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ0，ω)≡ωと定義してもよい。また、周波数が常に一定周波数ω0であり、電圧値Ｖのみが可変である場合、単にＰ(Ｖ，ω0)≡Ｖと定義してもよい。
【００４７】
ここで、制御ユニット１６は、記憶装置（図示しない）を備えており、所定の時間（Δｔとする）毎に、動力Ｐの監視結果を記憶装置に記憶する。記憶された監視結果は、記憶されてから一定時間後に消去される。従って、記憶装置内には、常に現在から一定時間内の監視結果（一定数の最新の監視結果）が保存される。
【００４８】
制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の動力Ｐの監視情報に基づいて、後述する方法により薬液ＬＭの投薬状況を診断する。そして、制御ユニット１６は、投薬状況の異常を検知した際には、薬液ＬＭの注入を停止したり、警報を発する、といった緊急処置を実行する。そして、正常に、定められた量（目標注入量）の薬液ＬＭの注入が完了した際に、薬液ＬＭの注入を停止する、といった終了処置を実行する。
【００４９】
その他、制御ユニット１６には、操作者が薬液の（目標）注入量と（目標）注入時間などを入力するための図示されない操作パネル、薬液ＬＭの注入状況を表示する図示されない表示パネル、注入状況の異常を伝える図示されない警報装置などのインターフェースが備えられている。
【００５０】
次に、図４のフローチャートを用いて、薬液注入量調整装置１００における薬液ＬＭの流量制御の一例について説明する。図４のフローチャートの各処理は、制御ユニット１６内のマイクロプロセッサの制御により実行される。
【００５１】
薬液ＬＭの注入開始に先立って、操作者が、操作パネル上から、生体２２に注入する薬液ＬＭの総量（目標注入量）Ｗ0とその量の薬液ＬＭの注入を完了する目標注入時間Ｔ0を入力する。その後、操作者が操作パネルを操作して、注入開始の指示を入力すると、図４のフローチャートの処理が開始される。
【００５２】
ステップＳ２０２で、先ず、制御ユニット１６は、入力された目標注入量Ｗ0と目標注入時間Ｔ0とを記憶装置に記憶すると共に、目標注入量Ｗ0と目標注入時間Ｔ0とに基づいて、単位時間当たりの薬液ＬＭの目標流量（目標量）Ｆ0を決定する。そして、次のステップＳ２０４で、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を開始する。
【００５３】
次のステップＳ２０６〜ステップＳ２１２で、制御ユニット１６は、流量センサ１４から供給される薬液ＬＭの流量Ｆと、先に決定された目標量Ｆ0との比較結果に基づき、流量Ｆが目標量Ｆ0に一致するように、マイクロポンプ１２の動力Ｐ(Ｖ，ω)を調整する。すなわち、制御ユニット１６は、ステップＳ２０６で流量Ｆと目標量Ｆ0とを比較し、流量Ｆと目標量Ｆ0とが異なっているか否かを判定する。若し、異なっていない、すなわち流量Ｆと目標量Ｆ0とが等しいと判定されたら、処理はステップＳ２１４に移行される。
【００５４】
一方、ステップＳ２０６で、流量Ｆと目標量Ｆ0とが異なっていると判定されたら、処理はステップＳ２０８に移行され、流量Ｆが目標量Ｆ0を超えているか否かが判定される。若し、超えていると判定されたら、処理がステップＳ２１０に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を弱める。一方、流量Ｆが目標量Ｆ0以下であると判定されたら、処理はステップＳ２１２に移行され、制御ユニット１６は、動力Ｐ(Ｖ，ω)を強める。ステップＳ２１０またはステップＳ２１２の処理が行われると、処理はステップＳ２１４に移行される。
【００５５】
ここで、制御ユニット１６は、流体の流量Ｆの調整のため、圧電素子１２４に印加する電圧パルスの周波数ωを一定に保ちつつ電圧値Ｖを調整しても良いし、電圧値Ｖを一定に保ちつつ周波数ωを調整しても良いし、あるいは電圧値Ｖと周波数ωとの両方を調整してもよい。
【００５６】
ステップＳ２１４で、制御ユニット１６は、薬液ＬＭの注入量Ｆ0・ｔ（ｔは経過時間）と目標注入量Ｗ0とを比較し、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0以上になったか否かを判定する。若し、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0未満、すなわち、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0に満たない場合、処理がステップＳ２０６に戻され、ステップＳ２０６〜２１２の処理を再び行う。
【００５７】
一方、ステップＳ２１４で、注入量Ｆ0・ｔが目標注入量Ｗ0以上になったと判定されたら、処理はステップＳ２１６に移行される。この場合には、薬液ＬＭの注入が正常に終了したと判断することができる。ステップＳ２１６では、制御ユニット１６は、マイクロポンプ１２の稼働を停止する。それと共に、警報を発するなどの終了処置を実行する。そして、図４のフローチャートによる一連の処理が終了される。
【００５８】
＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。本第１の実施形態では、マイクロポンプ１２の圧力室１２６を収縮状態および非収縮状態にさせる圧電素子１２４を、正弦波による駆動信号で駆動する。ここで、既に説明したように、圧電素子１２４は、接着構造から来る特性として、駆動信号の電位の正負によって機械的な強度が異なる。そこで、本第１の実施形態では、圧電素子１２４を駆動させる正弦波による駆動信号に対してＤＣバイアスを与える。
【００５９】
また、本第１の実施形態では、圧力室１２６の両面にそれぞれ圧電素子１２４を配置する構成を採用し、これら圧力室１２６の両面に配置された圧電素子１２４を、互いに逆相の正弦波を用いて駆動する。
【００６０】
図５は、本第１の実施形態に採用するマイクロポンプ１２の一例の構成を示す。図５の各図において、上述の図２と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５（Ａ）は、マイクロポンプ１２の外観図、図５（Ｂ）は、上述した図２（Ｂ）に対応する断面図である。また、図５（Ｃ）は、圧力室１２６の両面に設けられる圧電素子１２４ａおよび１２４ｂの電気的な接続を示す。
【００６１】
なお、圧電素子は、等価回路的にはキャパシタと見做せるため、以下では、各回路図において圧電素子をキャパシタとして表現する。
【００６２】
図５（Ａ）に例示されるように、第１基板１２１の中央部に第１の圧電素子１２４ａが固定されると共に、第２基板１２２における圧電素子１２４ａと対向する位置に、第２の圧電素子１２４ｂが固定される。このとき、第１の圧電素子１２４ａおよび第２の圧電素子１２４ｂは、接着構造から規定される向きを同一方向に揃えて、第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定される。より具体的には、第１の圧電素子１２４ａは、接着構造から規定される向きにおける第１の面が第１基板１２１に固定される。一方、第２の圧電素子１２４ｂは、接着構造から規定される向きにおける第１の面に対向する第２の面が第２基板１２２に固定される。なお、この場合、第１基板１２１と第２基板１２２は、同一の材料で構成されるのが望ましい。
【００６３】
図５（Ｃ）に示されるように、第１の圧電素子１２４における第１の面の電極が端子３００に接続される。第１の圧電素子１２４ａにおける第１の面に対向する第２の面の電極と、第２の圧電素子１２４ｂの第１の面の電極とが共通して端子３０１に接続される。また、第２の圧電素子１２４ｂの第２の面の電極が、端子３０２に接続される。
【００６４】
この図５（Ｃ）に例示される構成において、端子３００および端子３０１の間、ならびに、端子３０１および端子３０２の間に、互いに逆相の正弦波を印加する。上述したように、圧電素子１２４ａと圧電素子１２４ｂとは、向きを揃えて第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定されているので、例えば圧電素子１２４ａが圧力室１２６の内側に向けて撓むタイミングでは、圧電素子１２４ｂも、圧力室１２６の内側に向けて撓むことになる。したがって、圧力室１２６の片面のみに圧電素子を設けた場合に比べ、収縮状態における圧力室１２６の収縮率を高くすることができる。
【００６５】
図６は、本第１の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す。なお、図６では、本第１の実施形態の説明に必要な部分のみが示され、例えばＯＰアンプなど集積回路の周辺回路など、本第１の実施形態に直接的な関連性の薄い部分は省略されている。また、図６において、Ｖｃｃは図示されない電源供給部から供給される電源、ＧＮＤは、共通のアース電位を示す。
【００６６】
信号生成器ＩＣ１は、信号データ生成器ＩＣ１は、例えばプログラム可能な論理回路（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）であり、正弦波を構成するための信号データ（以下、正弦波データ）を生成する。例えば、信号生成器ＩＣ１は、制御ユニット１６の制御に従い、指定された振幅および周波数の正弦波を構成する正弦波データを生成する。また、正弦波データの出力タイミングを調整することで、正弦波データから生成される正弦波信号の位相を制御することも可能である。生成された正弦波データは、バスＢＵＳを介して正弦波変換器ＩＣ２に供給される。また、信号データ生成器ＩＣ１は、生成した正弦波データに同期したクロックＣＬＫを出力し、正弦波変換器ＩＣ２に供給する。
【００６７】
正弦波変換器ＩＣ２は、Ｄ／Ａ変換器を有し、信号データ生成器ＩＣ１から供給された正弦波データをＤ／Ａ変換して、アナログ信号による正弦波信号を生成する。正弦波変換器ＩＣ２から出力された正弦波信号は、緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２を介してトランスＴ１の一方の一次側端子１に供給され、トランスＴ１の端子１および接地された端子２間を通してトランスＴ１を駆動する。トランスＴ１は、一次側の端子１と、二次側の端子５とで極性が一致するように構成される。
【００６８】
緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２は、正弦波変換器ＩＣ２から出力された正弦波信号を、トランスＴ１を駆動可能な電力まで電流増幅するアンプである。図６の例では、増幅率が同一の複数の緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２が並列接続されて、１の緩衝回路が構成されている。
【００６９】
これに限らず、１の緩衝回路のみを使用してもよい。また、正弦波変換器ＩＣ２の出力を接地電位から浮かせ、それぞれの信号線を２の緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２にそれぞれ接続して、これら緩衝回路ＢＦ１およびＢＦ２で互いに逆位相、同じ増幅率で増幅して、トランスＴ１の一次側の端子１および端子２にそれぞれ供給してもよい。この場合、実質的に倍の電圧の正弦波信号を得ることができる。さらに、トランスＴ１を駆動するために、バイポーラトランジスタなどでは、エミッタフォロアの接地側の負荷としてトランスＴ１の一次側を接続して緩衝回路としてもよいし、電圧増幅を行うために、エミッタ接地回路、プッシュプル回路などを緩衝回路として用いることができる。
【００７０】
トランスＴ１の二次側には、二次側の巻き線の例えば両端に端子３（第２の端子）および端子５（第１の端子）がそれぞれ設けられると共に、当該端子３および端子５の中点から引き出されるセンタータップ４（第３の端子）が設けられる。センタータップ４は、図示されない高抵抗を介して接地されると共に、ダイオードＤ１（第１のダイオード）のアノードに接続される。ダイオードＤ１のカソードがダイオードＤ２（第２のダイオード）のカソードに接続されると共に、コンデンサＣ１（第２のキャパシタ）の一方の電極に接続される。コンデンサＣ１の他方の電極がダイオードＤ３（第３のダイオード）のアノードに接続されると共に、圧電素子Ｃ２の第２の電極と、圧電素子Ｃ３（第１のキャパシタ）の第１の電極との共通接続点に接続される。圧電素子Ｃ３の第２の電極は、トランスＴ１の端子３に接続される。一方、圧電素子Ｃ２の第１の電極は、ダイオードＤ３のカソード、ダイオードＤ２のアノードおよびトランスＴ１の端子５にそれぞれ接続される。
【００７１】
なお、圧電素子Ｃ２またはＣ３の第１の電極は、上述した接着構造により規定される第１および第２の面のうち一方、例えば第１の面に対応し、第２の電極は第２の面に対応するものとする。
【００７２】
図６の構成において、トランスＴ１のセンタータップ４が、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ１を介して、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点に接続されている。これにより、圧電素子Ｃ２およびＣ３に対して、互いに逆位相の正弦波による駆動信号がそれぞれ印加される。
【００７３】
なお、圧電素子Ｃ２およびＣ３とで同程度の振動を発生させるためには、これら圧電素子Ｃ２およびＣ３それぞれに対して略等しい電圧を印加する必要がある。そのため、圧電素子Ｃ２およびＣ３として、静電容量が略等しいものが選択される。
【００７４】
図６の回路構成によれば、コンデンサＣ１は、トランスＴ１の端子３および端子５から出力される正弦波における両極値電圧の１／２の電圧を保持し続ける。このコンデンサＣ１に保持される電圧が、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点の電圧に対して、正電位側のＤＣバイアスとなって作用する。したがって、トランスＴ１の二次側全体の電位が、センタータップ４の電位に対して正電位側にシフトされることになり、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、共通接続点を基準として互いに逆位相の正弦波による駆動信号が、正電位側に当該正弦波の振幅の１／２だけＤＣバイアスを掛けられた電圧の信号として印加されることになる。
【００７５】
図６において、ダイオードＤ２およびＤ３は、それぞれ整流に用いられる。また、ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１に蓄積された電荷のトランスＴ１側へのリークを防止する役目を担う。トランスＴ１の出力信号の位相によっては、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がセンタータップ４側にリークしてしまうことになる。このようなリークが発生すると、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧が不均衡になる。ダイオードＤ１をセンタータップ４とコンデンサＣ１との間に挿入することでこのリークが抑止され、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧が不均衡になることが防がれる。
【００７６】
なお、ダイオードＤ１の代わりに１ＭΩ（メガオーム）乃至１０ＭΩ程度の高抵抗を挿入することでも、コンデンサＣ１からセンタータップ４へのリークを抑止する効果を得ることができる。しかしながら、高抵抗では、ダイオードＤ１に比べてリークの抑止力が弱いため、圧電素子Ｃ２およびＣ３に加えるＤＣバイアス電圧が不安定になる。
【００７７】
図６において、トランスＴ１は、例えば、一次側の±３Ｖ程度の入力に対して、二次側で±８０Ｖ乃至±２００Ｖ程度の出力が得られる巻数比のものが用いられる。また、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、それぞれ４ｎＦ（ナノファラド）程度の静電容量を有する。コンデンサＣ１は、圧電素子Ｃ２およびＣ３の静電容量よりは大きな、例えば５ｎＦ乃至１０ｎＦの静電容量とする。
【００７８】
図７を用いて、図６の回路における動作について、概略的に説明する。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、それぞれ、トランスＴ１の一次側に印加される正弦波と、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧の波形のシミュレーション結果を示す。正弦波３２０は、トランスＴ１の一次側に入力される信号の例を示す。波形３２１および３２１’は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧の波形の例を示し、波形３２２および３２２’は、圧電素子Ｃ３に印加される電圧の波形の例を示す。なお、正弦波３２０は、煩雑さを避けるために、０Ｖの位置をずらして表示している。
【００７９】
図７（Ａ）は、トランスＴ１に対する正弦波３２０の入力を、正弦波の位相が０°から開始した場合の例である。この場合、圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧は、波形３２１および波形３２２の先頭側（左側）に例示されるように、一次側に対する正弦波３２０の入力と略同時に、正電位側のみにシフトしている。これは、すなわち、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点の電圧が正電位側にのみ、シフトしていることを意味する。
【００８０】
図７（Ｂ）は、トランスＴ１に対する正弦波３２０の入力を、正弦波の位相が２７０°から開始した場合の例である。この場合には、波形３２１’の先頭側に例示されるように、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、一次側に対する正弦波３２０の入力直後における第１サイクルの半波分が負電位側にシフトする。そして、次の半波において正電位側へのＤＣバイアスに移行する。
【００８１】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）の説明から分かるように、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波は、トランスＴ１の端子３の出力が正弦波の立ち上がりの位相から開始されるように位相制御されていると好ましい。より具体的な例として、トランスＴ１の極性が図６に例示されるように設定されている場合には、一次側に対して入力される正弦波が０°の位相から入力開始されるように位相制御する。図６の例では、信号データ生成器ＩＣ１や正弦波変換器ＩＣ２などにより、トランスＴ１の一次側に印加する正弦波の位相を制御することができる。また、トランスＴ１に対する正弦波の入力開始時における立ち上がりの振幅を徐々に大きくするように制御することで、突入時の負電位を抑制することができる。
【００８２】
なお、図６に示される構成において、ダイオードＤ２およびＤ３の向きを逆としても、同様の効果を得ることができる。
【００８３】
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、トランスＴ１の二次側においてセンタータップ４に対して接続したコンデンサＣ１に蓄積される電荷を利用して、トランスＴ１の二次側の出力に対して全体的にＤＣバイアスを掛けることができる。また、トランスＴ１の二次側に発生する正弦波信号を整流してコンデンサＣ１に供給している。そのため、正弦波信号の両極値間電圧の１／２のＤＣ電圧が圧電素子Ｃ２またはＣ３の共通接続点に印加され、圧電素子Ｃ２およびＣ３に対して、印加される正弦波信号の最低電圧が０ＶになるようなＤＣバイアスを容易に得ることができる。これにより、簡易な回路構成により、印加電圧に方向性が要求される圧電素子Ｃ２およびＣ３の劣化を抑制することが可能になる。
【００８４】
また、トランスＴ１のセンタータップ４とコンデンサＣ１との間に、リーク防止用のダイオードＤ１を挿入しているために、圧電素子Ｃ２またはＣ３の共通接続点を基準として、互いに逆位相の正弦波による駆動信号を、正負何れかのＤＣバイアスを掛けて圧電素子Ｃ２またはＣ３にそれぞれ印加することができる。
【００８５】
また、リーク防止用のダイオードＤ１とダイオードＤ２とは、同じ側の電極で共通接続点に接続されている。そのため、トランスＴ１のセンタータップ４の電位が、センタータップ４にダイオードＤ１を介して接続されるコンデンサＣ１の、圧電素子Ｃ２およびＣ３の共通接続点側の電位より低くなる周期のときに発生するリーク電流をＤＣバイアスに影響せずに防止できる。これにより、コンデンサＣ１に対して最初に充電がなされるとき以外には、センタータップ４側へのリークが抑制される。
【００８６】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述の第１の実施形態では、一対の圧電素子Ｃ２およびＣ３を互いに逆相の正弦波で駆動したのに対し、本第２の実施形態では、１の圧電素子、あるいは、接着構造で規定される方向を揃えて並列接続された複数の圧電素子を、１の正弦波で駆動する。
【００８７】
図８は、本第２の実施形態による圧電素子駆動回路の一例を示す。なお、図８において、上述した図６と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００８８】
図８において、トランスＴ１の一次側の構成が図６に示した構成と若干異なる。信号生成器ＩＣ３は、基本矩形波を生成し、コンデンサＣ５による交流結合を介して正弦波変換器ＩＣ４に供給する。また、信号生成器ＩＣ３は、当該基本矩形波に同期した、矩形波によるクロックＣＬＫを生成し、正弦波変換器ＩＣ４に供給する。
【００８９】
正弦波変換器ＩＣ４は、例えばスイッチトキャパシタ（ＳＷＣ）回路からなり、信号生成器ＩＣ３から供給された基本矩形波とクロックＣＬＫとから正弦波信号を生成する。正弦波変換器ＩＣ４から出力された正弦波信号は、緩衝回路ＢＦ３でトランスＴ１を駆動するのに十分な電流に電流増幅され、トランスＴ１の端子１に入力される。トランスＴ１の端子２は、接地される。
【００９０】
なお、トランスＴ１の一次側の構成は、この図８の構成に限られない。すなわち、上述した図６に例示したトランスＴ１の一次側構成を、本第２の実施形態に適用してもよい。同様に、この図８に示すトランスＴ１の一次側構成を、図６に示した第１の実施形態における圧電素子駆動回路に適用してもよい。
【００９１】
図８において、トランスＴ１の二次側の構成は、図６の圧電素子Ｃ３の代わりにコンデンサＣ５が挿入されている以外は、図６の構成と共通である。このコンデンサＣ５（第１のキャパシタ）は、トランスＴ１の端子３と、圧電素子Ｃ２、コンデンサＣ１およびダイオードＤ３の共通接続点とを交流接続するために設けられる。
【００９２】
また、コンデンサＣ５は、静電容量が圧電素子Ｃ２よりも十分大きなものが選択される。例えば、コンデンサＣ５は、圧電素子Ｃ２の静電容量の１００倍程度の静電容量を持つものが用いられる。
【００９３】
すなわち、上述の図６の構成においては、圧電素子Ｃ２およびＣ３それぞれに略等しい電圧が印加される必要があったため、圧電素子Ｃ２およびＣ３の静電容量を略等しくしていた。これに対して、本第２の実施形態では、トランスＴ１の二次側における正弦波信号の電圧は、全て圧電素子Ｃ２に対して印加されるのが望ましい。コンデンサＣ５の静電容量を、圧電素子Ｃ２の静電容量よりも十分大きくすることで、トランスＴ１の二次側に発生する正弦波信号の電圧成分（すなわち、トランスＴ１の端子３および端子５間で発生する電圧）を、略全て圧電素子Ｃ２に印加させることが可能となる。
【００９４】
なお、コンデンサＣ５の静電容量を調整することで、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号の電圧を調整することが可能である。コンデンサＣ５の静電容量を調整した場合であっても、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号の下限値が略０Ｖに収束するように、圧電素子Ｃ２に対するＤＣバイアス電圧が作用する。
【００９５】
この図８に示す第２の実施形態による構成でも、定常状態において、トランスＴ１の二次側全体の電位を、センタータップ４の電位に対して正電位側にシフトさせることになり、圧電素子Ｃ２に印加される正弦波信号は、正電位側に当該正弦波の振幅の１／２だけＤＣバイアスを掛けられた電圧の信号として印加される。
【００９６】
図９および図１０を用いて、図８の回路における動作について、概略的に説明する。図９および図１０は、図８のトランスＴ１の一次側に対して、周波数が１２００Ｈｚ、振幅が±２．１Ｖの正弦波信号を入力した場合のシミュレーション結果を示す。トランスＴ１の巻数比を１：２５とした場合、２次側の出力は、２．１Ｖｐｐ×２×２５＝１０５Ｖｐｐとなる。
【００９７】
図９は、リーク防止用のダイオードＤ１が無い場合のシミュレーション結果の例を示す。図９（Ａ）は、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波信号を示し、図９（Ｂ）は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧を示す。コンデンサＣ５に、比較的静電容量の大きなものを用いているため、圧電素子Ｃ２に印加されるＤＣバイアスが安定するまで一定の時間を要し、その間、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、徐々に増加する。ＤＣバイアスが安定して以降は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、安定する。
【００９８】
図９（Ｃ）は、リーク防止用のダイオードＤ１が無い場合に、図８におけるダイオードＤ１の位置に流れるリーク電流を示す。このように、トランスＴ１の一次側への正弦波信号の入力直後に最大のリーク電流が流れ、ＤＣバイアスが安定的になるに連れてリーク電流が減少し、所定の値で安定する。
【００９９】
図１０は、図８の通りにリーク防止用のダイオードＤ１がある場合のシミュレーション結果の例を示す。図１０（Ａ）は、トランスＴ１の一次側に入力される正弦波信号を示し、図１０（Ｂ）は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧を示す。図１０（Ｂ）に示されるように、ダイオードＤ１を挿入した場合の圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、上述の図９（Ｂ）の例に対して若干、負電位側にも印加される。ＤＣバイアス電圧が安定して以降は、圧電素子Ｃ２に印加される電圧は、上述の１０５Ｖｐｐに近い値で安定する。
【０１００】
なお、上述した第１の実施形態の例では、圧電素子Ｃ２およびＣ３は、トランスＴ１の二次側の出力電圧を、互いに静電容量によって正弦波成分の電圧比を略１：１に分け合うと共に、本第２の実施形態のコンデンサＣ５のように大きな静電容量を用いていない。そのため、トランスＴ１の一次側に正弦波信号が入力されるのに伴い、略瞬時に圧電素子Ｃ２およびＣ３に対してＤＣバイアスが掛かり、これら圧電素子Ｃ２およびＣ３に印加される電圧も極めて短時間で安定的となる（図示しない）。
【０１０１】
図１０（Ｃ）は、リーク防止用のダイオードＤ１に流れるリーク電流を示す。このように、リーク電流は、トランスＴ１の一次側に対する正弦波信号の入力が開始された直後に若干ピークが発生した以降は、略０Ｖに抑制されている。これにより、トランスＴ１の二次側の出力が圧電素子Ｃ２において効率的に利用されていることが分かる。なお、第１の実施形態で説明したように、ダイオードＤ１の代わりに高抵抗を挿入してもよい。
【０１０２】
このように、本第２の実施形態では、トランスＴ１の二次側の正弦波信号を有効に使うために、圧電素子Ｃ２に比べ静電容量が十分大きいコンデンサＣ５を、圧電素子Ｃ２に対してトランスＴ１のセンタータップ４に対して対称位置に用いている。そのため、圧電素子Ｃ２に対するＤＣバイアスが安定化するまで、ある程度の時間を要する。しかしながら、図１０（Ｂ）から分かるように、圧電素子Ｃ２に対して負電位が印加される時間は高々数１０ｍｓ（ミリ秒）であり、圧電素子Ｃ２の駆動に際して何ら問題になるものではない。
【０１０３】
実際のシミュレーションの結果では、第１の実施形態による図６の構成では、圧電素子Ｃ２およびＣ３を同じ静電容量にすることで、１ｍｓ以内という極めて短時間でＤＣバイアスが定常状態に達した（図示しない）。本第２の実施形態による図８の構成では、コンデンサＣ５として圧電素子Ｃ２よりも十分大木は静電容量のものを選択しているため、図１０（Ｂ）に例示されるように、ＤＣバイアスが定常状態になるまでに、２０ｍｓ程度の時間を要している。
【０１０４】
また、図４のフローチャートを用いて説明したようなサーボ動作により、正弦波信号の振幅など、圧電素子Ｃ２の駆動条件が頻繁に変化するような応用では、緩衝回路ＢＦ３の駆動能力を大きくすることが有効である。この場合、コンデンサＣ５の静電容量と、緩衝回路ＢＦ３の駆動能力とを、両者の兼ね合いで決定すると好ましい。過渡的にＤＣバイアスがやや負電位側に偏ったとしても、急激な変化でなければ大きな負電位になることはないため、回路のパラメータの設定により抑制可能であり、問題にはならない。
【０１０５】
図１１は、信号生成回路ＩＣ１から出力される信号の波形と、圧電素子Ｃ２に印加される電圧の波形とのシミュレーション結果を示す。波形３３０および３３１は、それぞれ、信号生成回路ＩＣ１から出力される基本矩形波およびクロックＣＬＫの例である。これら基本矩形波およびクロックＣＬＫは、信号生成回路ＩＣ１において、ハード的またはプロセッサなどの制御に従いソフトウェア的に生成される。図１１では、クロックＣＬＫは、周波数が高いため、図１１では滲んだような表現になっている。
【０１０６】
波形３３２は、定常状態において圧電素子Ｃ２に印加される正弦波電圧を示す。信号生成回路ＩＣ１から出力されたこれら基本矩形波およびクロックＣＬＫに基づき、正弦波変換回路ＩＣ２で正弦波が生成され、この正弦波がトランスＴ１で昇圧されて、波形３３２に例示されるような正弦波電圧とされる。図１１によれば、この正弦波電圧は、ピーク間電圧Ｖｐｐが略１０５Ｖであるのに対し、最低電圧が略０Ｖとなっているのが分かる。
【０１０７】
図１２は、本第２の実施形態に適用可能なマイクロポンプ１２の一例の構造を示す。なお、図１２において、上述した図５と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略している。この例では、図８における圧電素子Ｃ２を並列接続して用いる。すなわち、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）において、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の１２４ｃ2が、並列接続された２個の圧電素子Ｃ２にそれぞれ対応する。
【０１０８】
図１２（Ａ）に例示されるように、これら第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2は、同相の正弦波電圧を印加したときに互いに逆方向に振動するように、圧力室１２６の両面に配置される。例えば、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2は、上述した、接着構造から規定される第１の面あるいは第２の面を互いに対向させて、第１基板１２１および第２基板１２２にそれぞれ固定される。
【０１０９】
図１２（Ｂ）に例示されるように、第１の圧電素子１２４ａの第１の面の電極が端子３０３に接続され、第２の面の電極が端子３０４に接続される。また、第２の圧電素子１２４ｂの第２の面の電極が端子３０５に接続され、第１の面の電極が端子３０６に接続される。さらに、端子３０３と端子３０６とが接続され、端子３０４と端子３０５とが接続される。端子３０３と端子３０６との接続点が、図８における圧電素子Ｃ２の一方の電極に対応し、端子３０４と端子３０５との接続点が、他方の電極に対応する。
【０１１０】
このようにして、第１の圧電素子１２４ｃ1および第２の圧電素子１２４ｃ2の圧力室１２６への配置および図８の回路への接続を行うことで、１の正弦波電圧により、例えば第１の圧電素子１２４ｃ1が圧力室１２６の内側に向けて撓むタイミングで、第２の圧電素子１２４ｃ2も、圧力室１２６の内側に向けて撓むことになる。したがって、圧力室１２６の片面のみに圧電素子を設けた場合に比べ、収縮状態における圧力室１２６の収縮率を高くすることができる。
【０１１１】
なお、図８に示される構成において、ダイオードＤ２およびＤ３の向きを逆としても、同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
以上説明したように、本第２の実施形態によれば、上述の第１の実施形態と同様に、トランスＴ１の二次側においてセンタータップ４に対して接続したコンデンサＣ１に蓄積される電荷を利用して、トランスＴ１の二次側の出力に対して全体的にＤＣバイアスを掛けることができる。そのため、簡易な回路構成により、印加電圧に方向性が要求される圧電素子Ｃ２の劣化を抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【０１１３】
１，２，３，５ 端子
４ センタータップ
ＩＣ１ 信号データ生成器
ＩＣ２，ＩＣ４ 正弦波変換器
ＩＣ３ 信号生成器
Ｔ１ トランス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ ダイオード
Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５ コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３ 圧電素子
１２ マイクロポンプ
１６ 制御ユニット
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１４】
【特許文献１】特開平８−１０９９４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１８７７２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成された正弦波信号が一次側に入力され、二次側に、第１の端子および第２の端子と、該第１の端子および該第２の端子の中点から引き出される第３の端子とを備えるトランスと、
前記第１の端子に一方の電極が接続される圧電素子と、
一方の電極が前記圧電素子の他方の電極に接続され、他方の電極が前記第２の端子に接続される第１のキャパシタと、
一方の電極が前記圧電素子の他方の電極と前記第１のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第２のキャパシタと、
カソードが前記第２のキャパシタの他方の電極に接続され、アノードが前記第３の端子に接続される第１のダイオードと、
カソードが前記第２のキャパシタの他方の電極と前記第１のダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、アノードが前記圧電素子の一方の電極と前記第１の端子との共通接続点に接続される第２のダイオードと、
カソードが前記圧電素子の一方の電極と前記第１の端子と前記第２のダイオードのアノードとの共通接続点に接続され、アノードが前記圧電素子の他方の電極と前記第１のキャパシタの一方の電極と前記第２のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第３のダイオードと
を有する
ことを特徴とする圧電素子駆動回路。
【請求項２】
前記第１のキャパシタは、前記圧電素子と静電容量が略等しい他の圧電素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項３】
前記第１のキャパシタは、静電容量が前記圧電素子に対して十分大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項４】
前記信号生成手段は、
前記第１の端子の出力が正弦波の立ち上がりの位相から開始されるように位相制御して、前記正弦波信号を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項５】
前記第１のダイオードの代わりに高抵抗を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項１】
正弦波信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成された正弦波信号が一次側に入力され、二次側に、第１の端子および第２の端子と、該第１の端子および該第２の端子の中点から引き出される第３の端子とを備えるトランスと、
前記第１の端子に一方の電極が接続される圧電素子と、
一方の電極が前記圧電素子の他方の電極に接続され、他方の電極が前記第２の端子に接続される第１のキャパシタと、
一方の電極が前記圧電素子の他方の電極と前記第１のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第２のキャパシタと、
カソードが前記第２のキャパシタの他方の電極に接続され、アノードが前記第３の端子に接続される第１のダイオードと、
カソードが前記第２のキャパシタの他方の電極と前記第１のダイオードのカソードとの共通接続点に接続され、アノードが前記圧電素子の一方の電極と前記第１の端子との共通接続点に接続される第２のダイオードと、
カソードが前記圧電素子の一方の電極と前記第１の端子と前記第２のダイオードのアノードとの共通接続点に接続され、アノードが前記圧電素子の他方の電極と前記第１のキャパシタの一方の電極と前記第２のキャパシタの一方の電極との共通接続点に接続される第３のダイオードと
を有する
ことを特徴とする圧電素子駆動回路。
【請求項２】
前記第１のキャパシタは、前記圧電素子と静電容量が略等しい他の圧電素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項３】
前記第１のキャパシタは、静電容量が前記圧電素子に対して十分大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項４】
前記信号生成手段は、
前記第１の端子の出力が正弦波の立ち上がりの位相から開始されるように位相制御して、前記正弦波信号を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧電素子駆動回路。
【請求項５】
前記第１のダイオードの代わりに高抵抗を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の圧電素子駆動回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１８７７４８（Ｐ２０１１−１８７７４８Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２３７８（Ｐ２０１０−５２３７８）
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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