容量性負荷駆動回路及び液体噴射装置
【課題】電源電圧を超えた電圧の駆動信号を発生させることが可能で、しかも環境温度や部品の製造ばらつきの影響を受けることなく安定した駆動信号を発生させることが可能な容量性負荷駆動回路及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】容量性負荷駆動回路は、駆動信号（ＣＯＭ）の基準となる駆動波形信号（ＷＣＯＭ）を出力する駆動波形信号出力回路２１０と、ＷＣＯＭと、帰還信号（ｄＣＯＭ）との差分を取ることによって誤差信号（ｄＷＣＯＭ）を生成する演算回路２２０と、電力増幅信号（Ｖｓ）を生成する電力増幅回路２８０と、電圧バイアス信号（Ｖｂ）を生成するブートストラップ回路２９０と、ブートストラップ回路２９０からのＶｂをＣＯＭとして容量性負荷に供給する誘導性素子２５０と、誘導性素子２５０からのＣＯＭに対して、位相を進ませたｄＣＯＭとして演算回路２２０に負帰還させる位相進み補償回路２７０と、を有する。
【解決手段】容量性負荷駆動回路は、駆動信号（ＣＯＭ）の基準となる駆動波形信号（ＷＣＯＭ）を出力する駆動波形信号出力回路２１０と、ＷＣＯＭと、帰還信号（ｄＣＯＭ）との差分を取ることによって誤差信号（ｄＷＣＯＭ）を生成する演算回路２２０と、電力増幅信号（Ｖｓ）を生成する電力増幅回路２８０と、電圧バイアス信号（Ｖｂ）を生成するブートストラップ回路２９０と、ブートストラップ回路２９０からのＶｂをＣＯＭとして容量性負荷に供給する誘導性素子２５０と、誘導性素子２５０からのＣＯＭに対して、位相を進ませたｄＣＯＭとして演算回路２２０に負帰還させる位相進み補償回路２７０と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量成分が変動する容量性負荷を駆動する技術や、あるいは容量成分が異なる複数の容量性負荷を切り換えて駆動する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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などのように、所定の駆動信号を印加することによって液体を噴射するなどの動作を行うアクチュエーターは数多く存在する。アクチュエーターの動作は印加される電圧に依存するため、アクチュエーターの性能を十分に引き出すためには、高い電圧まで印加可能であることが望ましい。そこで、アクチュエーターへ印加する駆動波形信号を電力増幅してアクチュエーターに印加することが行われる。
【０００３】
駆動波形信号を電力増幅する方法としては、例えばＤ級増幅器を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参考）。この方法では、駆動波形信号をパルス変調してパルス波状の変調信号に変換した後に電力増幅を行う。パルス変調の方式としては、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式又はパルス密度変調（ＰＤＭ）方式のいずれも適用可能であるが、パルス幅変調されることが通常である。そして、得られたパルス波状の変調信号を電力増幅することによって、電源電圧とグランドとの間で変化するパルス波状の変調信号（電力増幅変調信号）に変換した後、平滑フィルターを用いて変調成分を取り除くことによって、電力増幅された駆動波形信号（駆動信号）を生成する。
【０００４】
また、無線周波数帯域（ＲＦ）での電力増幅に用いられるＥ級増幅器も知られている。Ｅ級増幅器では、誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷が有するキャパシタンスとの間で生じる共振現象を利用して電力増幅を行うため、電源電圧を超えた電圧を発生させることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２９７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の技術では、駆動波形信号を電源電圧以上の電圧に増幅して駆動信号を生成し、しかも環境温度や素子温度、製造ばらつきの影響を受けることなく安定して駆動信号を生成することができないという問題がある。例えばＤ級増幅器では、パルス波状の変調信号のデューティー比を変化させることによって電圧を変化させているので、グランドに相当するデューティー比０％から、電源電圧に相当するデューティー比１００％までの間でしか電圧を変化させることができない。しかも、パルス幅変調でデューティー比１００％を実現しようとすると、無限に狭い幅のパルスが必要となるが、出力可能なパルス幅には限界があるので、実際には電源電圧まで増幅することも不可能である。また、パルス密度変調した場合は、電源電圧まで増幅することが可能となるが、パルスの発生周波数が低い部分が発生して、この部分では平滑フィルターでパルス成分を十分に除去することができないため、得られる駆動信号が歪んでしまう。
【０００７】
更に、Ｅ級増幅器では、誘導性素子のインダクタンスＬと容量性負荷が有するキャパシタンスＣとの間で生じる共振現象（ＬＣ共振）を利用して電力増幅を行うが、共振が発生する周波数（共振周波数）は、環境温度や、素子の温度変化、あるいは素子の製造ばらつきの影響で変化する。そして、ＬＣ共振はＱ値が高いため、共振周波数が変化すると増幅率が大きく変化してしまう。このため、駆動波形信号を安定して電力増幅して駆動信号を生成することができない。
【０００８】
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、電源電圧を超えた電圧の駆動信号を発生させることが可能で、しかも環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定した駆動信号を発生させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
［適用例１］容量成分を有する容量性負荷に対して所定の駆動信号を印加することによって、該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出力する駆動波形信号出力回路と、前記駆動波形信号と前記容量性負荷に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、前記誤差信号を電力増幅することにより、電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、前記電力増幅信号の電圧をバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成するブートストラップ回路と、前記ブートストラップ回路と前記容量性負荷とを接続して、該ブートストラップ回路からの前記電圧バイアス信号を前記駆動信号として該容量性負荷に供給する誘導性素子と、前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませた前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路とを備えることを要旨とする。
【００１１】
これによれば、本発明の容量性負荷駆動回路においては、次のようにして容量性負荷に駆動信号を印加する。まず、駆動信号の基準となる駆動波形信号と実際に容量性負荷に印加された駆動信号から生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する。次に、この誤差信号を電力増幅して、電力増幅信号を生成する。そして、この電力増幅信号の電圧をバイアスした電圧バイアス信号を生成し、誘導性素子を介して容量性負荷に供給することによって、容量性負荷に駆動信号を印加する。誘導性素子と容量性負荷とが組み合わされると共振回路が形成されるので、誘導性素子のインダクタンスと、容量性負荷のキャパシタンスとによって決定される共振周波数では、容量性負荷に印加される駆動信号の電圧振幅が、電力増幅回路から生成された電力増幅信号若しくは誘導性素子に供給した電圧バイアス信号の電圧振幅よりも大きくなる。そこで、容量性負荷に印加される駆動信号に対して位相を進ませる補償（位相進み補償）を行った後、得られた信号を帰還信号として演算回路に負帰還させることによって、誘導性素子と容量性負荷との間の共振特性を電力増幅回路のゲイン以上の所望のゲインとなるように抑制する。
【００１２】
誘導性素子と容量性負荷とによって形成される共振回路は、誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷のキャパシタンスとによって決まる共振周波数の近傍で、鋭い共振ピークを発生させる。そして、誘導性素子のインダクタンスや容量性負荷のキャパシタンスは、環境温度の変化や素子の製造ばらつきによって変動する。したがって、これらの影響によって共振周波数が変動するので、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号に対する駆動信号のゲインは大きく変動する。また、誘導性素子や容量性負荷は、使用中の電力損失によって温度が上昇するから、容量性負荷の駆動中にゲインが大きく変動することも起こり得る。これに対して本発明の容量性負荷駆動回路では、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た後に負帰還させることで、共振特性を抑制しているので、共振周波数の周辺でゲインが大きく変動することがない。このため、環境温度の変化や素子の製造ばらつきによって共振周波数が変動しても、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号に対する駆動信号のゲインは大きく変動することがない。
【００１３】
位相進み補償によるゲインの調整によっては、容量性負荷に印加される駆動信号の電圧が負電圧となる場合が生じる。しかし、ピエゾアクチュエーターのような圧電素子を用いた場合、圧電素子に所定値以上の負電圧が印加されると、圧電素子を破壊する虞がある。そこで、ブートストラップ回路により電力増幅信号の電圧をバイアスすることで、容量性負荷に印加された駆動信号の電圧が所定値以上の負電圧になることを防ぐことが可能となる。その結果、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号を超えた電圧振幅を有する駆動信号を発生させることが可能で、しかも環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定した駆動信号を発生させることが可能となる。
【００１４】
［適用例２］上記容量性負荷駆動回路であって、前記容量性負荷に対して並列に接続された容量性素子を備えることとしてもよい。
【００１５】
これによれば、上述したように、本発明の容量性負荷駆動回路は、誘導性素子と容量性負荷との間に発生する共振現象を利用することによって、電圧バイアス信号を増幅して駆動信号を生成している。したがって、こうした効果が得られるのは、共振回路の共振周波数の周辺の周波数範囲となる。ここで、共振周波数は誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷のキャパシタンスとによって決定されるが、容量性負荷のキャパシタンスは、容量性負荷の大きさや特性などによってある程度まで決まってしまう。したがって、望ましい共振周波数を得るためには誘導性素子のインダクタンスを大きくしなければならず、大きな誘導性素子が必要になってしまう場合も起こり得る。このような場合には、容量性負荷に対して容量性素子（コンデンサーなど）を並列に接続することで、容量性負荷のキャパシタンスはそのままでも、誘導性素子からは、容量性負荷と容量性素子との合成キャパシタンスを有する容量性負荷が接続されているように見える。このため、大きな誘導性素子を搭載する必要がなくなるので、容量性負荷駆動回路が大きくなってしまうことを回避することが可能となる。
【００１６】
［適用例３］上記容量性負荷駆動回路であって、前記ブートストラップ回路は、前記電力増幅回路に供給される電源に接続され、前記電力増幅信号を前記電源の電圧だけバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成する回路であってもよい。
【００１７】
言い換えれば、ブートストラップ回路は、電力増幅回路に供給される電源と共通に接続され、電力増幅信号の電圧をその電源の電圧でバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成することとしてもよい。
【００１８】
これによれば、電力増幅回路とブートストラップ回路との供給電源を共通化することによって、新たに電源を設けることがないため、電源に係る基板の面積の縮小やコストの削減が可能となる。
【００１９】
［適用例４］上記容量性負荷駆動回路であって、前記電力増幅回路は、前記誤差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変調回路と、前記変調信号を電力増幅することにより、パルス波状の電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路と、を備えることとしてもよい。
【００２０】
これによれば、誘導性素子は、容量性負荷と組み合わされることによって共振周波数よりも高い周波数領域では平滑フィルターを構成するため、変調回路における変調周波数をこの共振周波数よりも十分に大きく設定することで、デジタル電力増幅回路から生成されるパルス波状の電力増幅信号の変調周波数成分が取り除かれて、電力増幅された信号成分（駆動波形信号）が駆動信号として容量性負荷に印加される。ここで、デジタル電力増幅回路では、入力された変調信号をデジタル増幅するので、アナログ波形をアナログ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となる。
【００２１】
［適用例５］上記容量性負荷駆動回路であって、前記変調回路は、前記誤差信号をパルス幅変調することによって前記変調信号を生成する回路であってもよい。
【００２２】
言い換えれば、変調回路は、誤差信号をパルス変調して変調信号を生成するに際して、誤差信号に応じてパルス幅を異ならせるいわゆるパルス幅変調することとしてもよい。
【００２３】
これによれば、パルス幅変調は、極めて簡単な回路で実現することができるので、コンパクトな容量性負荷駆動回路を容易に実現することが可能となる。
【００２４】
［適用例６］上記容量性負荷駆動回路であって、前記変調回路は、前記誤差信号をパルス密度変調することによって前記変調信号を生成する回路であってもよい。
【００２５】
言い換えれば、変調回路は、誤差信号をパルス変調して変調信号を生成するに際して、誤差信号に応じてパルスの密度（発生頻度）を異ならせるいわゆるパルス密度変調することとしてもよい。
【００２６】
これによれば、詳細なメカニズムについては後述するが、パルス密度変調を用いれば、電源電圧の変動などによる影響が抑制されるようにパルス変調することができる。このため、たとえ何らかの理由で電源電圧の変動などが生じても、こうしたことによる影響を受けることなく、安定した駆動信号を生成することが可能となる。
【００２７】
［適用例７］上記のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路を有することを特徴とする液体噴射装置。
【００２８】
これによれば、かかる本発明の液体噴射装置では、上述した容量性負荷駆動回路によって、安定した駆動信号が生成されるので、アクチュエーターの動作を精度良く制御することができ、その結果、噴射する液体の量や液滴のサイズ、液体の噴射速度などを精度良く制御して液体を適切に噴射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施例の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。
【図２】本実施例の容量性負荷駆動回路の回路構成を示した説明図。
【図３】本実施例の容量性負荷駆動回路の周波数応答特性を解析するためのブロック線図。
【図４】本実施例のフィードバック回路の伝達関数の周波数応答特性を表すボード線図。
【図５】本実施例の容量性負荷駆動回路が、駆動波形信号から駆動信号を生成する動作を例示した説明図。
【図６】第１変形例の容量性負荷駆動回路で用いられる電力増幅回路及びブートストラップ回路の回路構成を示した説明図。
【図７】第１変形例の容量性負荷駆動回路が駆動波形信号から駆動信号を生成する動作を例示した説明図。
【図８】第２変形例の容量性負荷駆動回路の一部を例示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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．容量性負荷駆動回路の動作：
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．第１変形例：
Ｄ−２．第２変形例：
【００３１】
Ａ．装置構成：
図１は、本実施例の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。
【００３２】
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ような構造となっており、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。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。
【００３３】
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ようになっている。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、アクチュエーター１１６の能力を十分に引き出すためには、大きな電圧振幅を出力可能でしかも精度の良い駆動信号を生成して、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本実施例の容量性負荷駆動回路２００が搭載されている。
【００３４】
Ｂ．容量性負荷駆動回路の回路構成：
図２は、本実施例の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は大きく分けると、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（駆動波形信号出力回路）２１０と、駆動波形信号発生回路２１０から受け取ったＷＣＯＭと後述する帰還信号（以下、ｄＣＯＭ）とに基づいて誤差信号（以下、ｄＷＣＯＭ）を出力する演算回路２２０と、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭを電力増幅して電力増幅信号（以下、Ｖｓ）を生成する電力増幅回路２８０と、電力増幅回路２８０からＶｓの電圧をバイアス電圧（以下、Ｖｃｃ）でバイアスすることによって、電圧バイアス信号（以下、Ｖｂ）を生成するブートストラップ回路２９０と、ブートストラップ回路２９０からＶｂを受け取って、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に供給するコイル（誘導性素子）２５０と、コイル２５０からアクチュエーター１１６に供給されたＣＯＭに対して位相を進ませる補償を加えて、ｄＣＯＭ（帰還信号）を生成する位相進み補償回路２７０とを備えている。
【００３５】
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。こうして出力されたＷＣＯＭは、演算回路２２０の非反転入力端子に入力される。また、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）は演算回路２２０の反転入力端子に入力される。その結果、ＷＣＯＭとｄＣＯＭとの差分に相当する信号が、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として演算回路２２０から出力される。
【００３６】
続いて、ｄＷＣＯＭは電力増幅回路２８０に入力される。ここで、電力増幅回路２８０は、変調回路２３０と、デジタル電力増幅回路２４０とを備えている。ｄＷＣＯＭが入力された変調回路２３０は、ｄＷＣＯＭを一定周期の三角波（以下、Ｔｒｉ）と比較して、ｄＷＣＯＭの方が大きければＨｉｇｈ状態（変調回路２３０の動作電圧）、Ｔｒｉの方が大きければＬｏｗ状態（グランド電圧）となるようなパルス波状の変調信号（以下、ＭＣＯＭ）を生成する。そして、得られたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅回路２４０に入力される。デジタル電力増幅回路２４０は、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。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Ｖｓ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Ｖｓとして出力される。したがって、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を、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Ｖｓに電力増幅することができる。
【００３７】
また、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、ｄＷＣＯＭをアナログ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。
【００３８】
続いて、Ｖｓはブートストラップ回路２９０に入力される。ブートストラップ回路２９０は、ブートストラップコンデンサー２９２とブートストラップダイオード２９４とを備えている。ブートストラップ回路２９０に入力されたＶｓは、ブートストラップコンデンサー２９２の一端に入力され、ブートストラップダイオード２９４を介してブートストラップコンデンサー２９２の他端に接続されたＶｃｃによりバイアスされて、Ｖｂ（電圧バイアス信号）として出力される。
【００３９】
こうして出力されたＶｂ（電圧バイアス信号）を、コイル２５０を通した後、ＣＯＭ（駆動信号）としてアクチュエーター１１６に印加する。詳細には後述するが、コイル２５０は、アクチュエーター１１６の容量成分と組み合わされることによって共振回路２６０を構成しているが、共振回路２６０の共振周波数よりも高い周波数領域では平滑フィルターとなるので、Ｖｂ中の変調成分が共振回路２６０によって減衰する結果、Ｖｂ中の信号成分が取り出されてＣＯＭとして復調される。加えて、本実施例の容量性負荷駆動回路２００では、Ｖｂをコイル２５０に通して変調成分を減衰させるだけでなく、Ｖｂ中の信号成分を増幅している。このため、デジタル電力増幅回路２４０では、電圧Ｖｄｄまでしか電力増幅できないにも拘わらず、電圧Ｖｄｄ以上の電圧を含んだＣＯＭを出力することが可能となる。こうしたことが可能となる理由についても、後ほど詳しく説明する。
【００４０】
また、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭを負帰還させてフィードバック回路を構成するが、コイル２５０を通過したＣＯＭは、共振回路２６０の位相特性によって、ＷＣＯＭに対して位相が遅れている。そこで、ＣＯＭを単純に負帰還させるのではなく、コンデンサーＣｈと抵抗Ｒｈとによって構成された位相進み補償回路２７０を通して位相を進ませる補償を行い、得られた信号をｄＣＯＭとして演算回路２２０の反転入力端子に入力することによって負帰還させるようになっている。
【００４１】
Ｃ．容量性負荷駆動回路の動作：
図３は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００の周波数応答特性を解析するためのブロック線図である。まず、駆動波形信号発生回路２１０からのＷＣＯＭ（駆動波形信号）は、演算回路２２０で位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）が減算されて、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）を生成する。このｄＷＣＯＭは、電力増幅回路２８０で増幅されてＶｓ（電力増幅信号）に変換された後、ブートストラップ回路２９０でＶｓの電圧がＶｃｃでバイアスされてＶｂ（電圧バイアス信号）に変換され、共振回路２６０で復調されてＣＯＭ（駆動信号）として出力される。こうして出力されたＣＯＭは、位相進み補償回路２７０で位相進み補償が施された後、ｄＣＯＭとしてＷＣＯＭに対して負帰還されることによって、全体としてフィードバック回路を構成している。ここで、ブートストラップ回路２９０のバイアス電圧は、ほぼ直流電圧であり、位相進み補償回路２７０でその直流電圧成分が遮断されるので、図３（Ａ）は、図３（Ｂ）のように書き換えることができる。
【００４２】
ここで、コイル２５０のインダクタンスをＬ、アクチュエーター（圧電素子）１１６のキャパシタンスをＣｐとすると、共振回路２６０の伝達関数Ｆ（ｓ）は、図３（Ｃ）に示した式で与えられる。また、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）は、図３（Ｄ）に示した式で与えられる。ここで、Ｃｈは、位相進み補償回路２７０を構成するコンデンサーのキャパシタンスを表しており、Ｒｈは位相進み補償回路２７０を構成する抵抗の抵抗値を表している。したがって、演算回路２２０、電力増幅回路２８０、共振回路２６０、位相進み補償回路２７０で構成されるフィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）は、電力増幅回路２８０で電力増幅する際のゲインをＧとすると、図３（Ｅ）に示した式で与えられる。尚、出力されるＣＯＭ（駆動信号）は、図３（Ｆ）で表される。
【００４３】
図４は、本実施例のフィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）の周波数応答特性を表すボード線図である。図４（Ａ）にはゲイン線図が示されており、図４（Ｂ）には位相線図が示されている。また、ゲイン線図及び位相線図には、フィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）の特性に加えて、電力増幅回路２８０を含めた共振回路２６０の伝達関数Ｇ・Ｆ（ｓ）の特性や、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）の特性も示されている。
【００４４】
図４（Ａ）のゲイン線図中に破線で示されているように、コイル２５０の誘導成分は、アクチュエーター（圧電素子）１１６の容量成分と共に共振回路を形成するので、図中に示された計算式で定まる共振周波数ｆ０の付近で、ゲインの鋭いピークが現れる。そこで、ＣＯＭを負帰還させることによって、ピークの鋭さ（Ｑ値）を抑制する。ただし、図４（Ｂ）に示されるように、共振回路２６０の位相特性によって、ＣＯＭは共振周波数ｆ０よりも高い周波数領域で位相が１８０度遅れるから、ＣＯＭをそのまま負帰還させたのでは制御ユニット１３０が不安定となる虞がある。そこで、図４中に一点鎖線で示した特性の位相進み補償回路２７０を用いて位相を進ませる補償を行った後、ｄＣＯＭ（帰還信号）として負帰還させる。こうすれば、制御ユニット１３０を不安定にすることなく、ＣＯＭを負帰還させることが可能となり、その結果、図４（Ａ）中に実線で示したようにゲイン線図に現れるピークの鋭さ（Ｑ値）を抑制することが可能となる。
【００４５】
ここで、本実施例の容量性負荷駆動回路２００では、ゲインのピークを完全に抑制するのではなく、ある程度のピークを残している。このため、共振周波数ｆ０の周辺の周波数領域では、電力増幅回路２８０のゲインＧよりも大きなゲインが得られるようになっている。もちろん、ＣＯＭを負帰還させているので、電力増幅回路２８０及び共振回路２６０の伝達関数Ｇ・Ｆ（ｓ）に比べると、ゲインの変化はなだらかとなっている。このため、環境温度や、アクチュエーター１１６の温度変化、あるいはコイル２５０やアクチュエーター１１６の製造ばらつきの影響で、共振周波数が変化しても、そのことによってゲインが大きく変化することはない。その結果、電力増幅回路２８０で電力増幅した以上の電圧を含むＣＯＭ（駆動信号）を出力可能でありながら、環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定したＣＯＭを発生させることが可能となる。
【００４６】
尚、以上の説明から明らかなように、ゲインの変動を抑制する観点からすれば、共振特性をできるだけ抑制することが望ましい。一方、Ｖｓ（電力増幅信号）に対してできるだけ大きなＣＯＭ（駆動信号）を生成する観点からすれば、共振特性はできるだけ抑制しないことが望ましい。すなわち、ゲインの変動を抑制することと、大きなゲインを確保することとは、互いに二律背反する関係にある。経験上からは、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが、１．５倍以上から５倍以下の範囲に収まるように（代表的にはゲインが２倍から４倍程度となるように）共振特性を抑制すると、ある程度のゲインを確保しながら、安定したＣＯＭを発生させることが可能となる。
【００４７】
また、位相進み補償回路２７０の調整により、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍以上となる場合、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が負電圧となる場合が生じる。しかし、アクチュエーター１１６に所定値以上の負電圧が印加されると、アクチュエーター１１６を破壊する虞がある。このため、ブートストラップ回路２９０によりＶｓの電圧をＶｃｃでバイアスすることで、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が所定値以上の負電圧になるのを防ぐことが可能となる。こうしたことが可能となる理由についても、後ほど詳しく説明する。
【００４８】
図５は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００が、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）からＣＯＭ（駆動信号）を生成する動作を例示した説明図である。図５（Ａ）中に示した太い実線は、駆動波形信号発生回路２１０から出力されるＷＣＯＭを表している。また、図５（Ａ）中に示した破線は、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）を表している。図２を用いて前述したように、ＷＣＯＭは演算回路２２０の非反転入力端子に入力され、ｄＣＯＭは演算回路２２０の反転入力端子に入力されるので、演算回路２２０からは、ＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算した差分の信号が、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として出力される。そして、このｄＷＣＯＭが、変調回路２３０でＭＣＯＭ（変調信号）にパルス変調される。
【００４９】
図５（Ｂ）には、変調回路２３０でｄＷＣＯＭをＭＣＯＭに変換する様子が示されている。変調回路２３０では、図５（Ｂ）中に太い実線で表されたｄＷＣＯＭと、細い破線で表されたＴｒｉ（三角波）とを比較する。そして、ｄＷＣＯＭの方が大きければ、変調回路２３０の動作電圧を出力し（Ｈｉｇｈ状態）、Ｔｒｉの方が大きければ、グランド電圧を出力する（Ｌｏｗ状態）。その結果、グランド電圧と、変調回路２３０の動作電圧との間で、パルス波状に電圧が変化する変調信号（ＭＣＯＭ）が生成される。図５（Ｃ）には、こうして得られたＭＣＯＭが示されている。
【００５０】
続いて、ＭＣＯＭをデジタル電力増幅回路２４０で電力増幅する。図２を用いて前述したように、デジタル電力増幅回路２４０は、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）の接続状態をＭＣＯＭによって切り換えることにより、図５（Ｄ）に示したような、電源の電圧Ｖｄｄとグランド電圧とに切り換わるパルス波形、すなわちＶｓ（電力増幅信号）を生成し、このＶｓの電圧をＶｃｃだけバイアスさせてＶｂ（電圧バイアス信号）を生成する。そして、このＶｓをコイル２５０に通すことによって、図５（Ｅ）に示したように変調成分が除かれて、信号成分が復調される。
【００５１】
こうして復調された信号成分は、デジタル電力増幅回路２４０でＭＣＯＭが電力増幅されていることに対応して、元になった信号（ＷＣＯＭ）よりも最大電圧が大きくなっている。加えて、図４（Ａ）を用いて前述したように、伝達関数Ｈ（ｓ）のゲインが電力増幅回路２８０のゲインＧよりも大きくなっているので、Ｖｓから復調された信号成分の最大電圧は、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも大きくなる。更に、伝達関数Ｈ（ｓ）の位相は、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ比較的広い周波数領域でなだらかに変化しているので、Ｖｓに含まれる信号成分を復調する際に波形を歪ませることもない。また、ブートストラップ回路２９０によりＶｓの電圧をＶｃｃでバイアスしているので、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの中心電圧もＶｃｃだけバイアスされる。したがって、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍以上の場合においても、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が所定値以上の負電圧になることを防ぐことが可能となる。その結果、図５（Ｅ）に例示したように、駆動波形信号発生回路２１０から出力されたＷＣＯＭが、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも更に大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を得ることが可能となる。
【００５２】
また、共振回路２６０の共振周波数ｆ０は、コイル２５０のインダクタンスＬと、アクチュエーター（圧電素子）１１６のキャパシタンスＣｐによって決まるから、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響によって共振周波数ｆ０は変化する。しかし、図４（Ａ）を用いて前述したように、伝達関数Ｈ（ｓ）のゲインは、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ比較的広い周波数領域でなだらかに変化していることから、たとえ共振周波数ｆ０が変化したとしても、そのことによってゲインが大きく変化することはない。その結果、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響を受けることなく、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも更に大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を、安定して発生させることが可能となる。
【００５３】
Ｄ．変形例：
上述した実施例の容量性負荷駆動回路２００には、いくつかの変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。尚、以下の変形例においては、上述した実施例と同様な構成部分については、上述した実施例と同様の符番を付すこととして、詳細な説明を省略する。
【００５４】
Ｄ−１．第１変形例：
上述した実施例では、変調回路２３０が、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）と呼ばれる方法を用いて、ｄＷＣＯＭをパルス変調するものとして説明した。しかし、パルス変調する方式はパルス幅変調方式に限られるものではなく、例えばパルス密度変調（ＰＤＭ）と呼ばれる方式を用いてパルス変調することも可能である。以下では、ＰＤＭと呼ばれる方式で変調する本変形例について説明する。
【００５５】
図６は、本変形例の容量性負荷駆動回路２００で用いられる電力増幅回路２８５及びブートストラップ回路２９０の回路構成を示した説明図である。本変形例の電力増幅回路２８５は、変調回路２３５、及びデジタル電力増幅回路２４０から構成されている。変調回路２３５は、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）と、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓ（電力増幅信号）を抵抗Ｒｓ及び抵抗Ｒｇで分圧した信号との差分を積分する積分器２３６と、積分器２３６で得られた積分信号（以下、Ｖｔ）をパルス変調するヒステリシスコンパレーター２３７から構成されている。ここでヒステリシスコンパレーター２３７とは、出力がＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に切り換わるための閾値ｔｈ１と、Ｈｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に切り換わるための閾値ｔｈ２（ｔｈ１＞ｔｈ２）とが異なる値に設定されたコンパレーターである。また、ブートストラップ回路２９０は、デジタル電力増幅回路２４０へ供給する電源（電圧Ｖｄｄ）に接続されており、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓの電圧をＶｄｄでバイアスする。
【００５６】
図７は、本変形例の容量性負荷駆動回路２００が、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）からＣＯＭ（駆動信号）を生成する動作を例示した説明図である。図７（Ａ）中に示した太い実線は、駆動波形信号発生回路２１０から出力されるＷＣＯＭを表しており、図７（Ａ）中に示した破線は、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）を表している。本変形例の容量性負荷駆動回路２００においても、ＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算することによってｄＷＣＯＭ（誤差信号）を生成する。そして、このｄＷＣＯＭを、図６に示した変調回路２３５に入力することによってパルス変調する。
【００５７】
図７（Ｂ）には、変調回路２３５の中の積分器２３６の動作が表されている。図６に示したように積分器２３６は、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）と、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓ（電力増幅信号）を抵抗Ｒｓ及び抵抗Ｒｇで分圧した信号との差分を積分して、Ｖｔ（積分信号）を生成する。したがって、差分が大きければＶｔは速やかに変化し、逆に差分が小さければＶｔはゆっくりと変化することとなって、結局、図７（Ｂ）中に細い破線で示した三角波形となる。そして、このＶｔをヒステリシスコンパレーター２３７によってパルス変調することにより、図７（Ｃ）に示したＭＣＯＭを得ることができる。
【００５８】
こうしてＭＣＯＭが得られたら、得られたＭＣＯＭをデジタル電力増幅回路２４０で電力増幅することによって、図７（Ｄ）に示すＶｓ（電力増幅信号）を生成し、このＶｓの電圧をＶｄｄでバイアスしてＶｂ（電圧バイアス信号）を生成した後、このＶｂをコイル２５０に通すことによって信号成分を復調する。こうすれば、図７（Ｅ）に示すように、電力増幅されたＣＯＭを得ることができる。
【００５９】
以上に示した第１変形例においても、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ周波数領域では、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインを、１．５倍以上から５倍以下の範囲に設定しておくことで、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄよりも高い電圧を有するＣＯＭを発生させることが可能となる。また、伝達関数Ｈ（ｓ）の位相線図から明らかなように、Ｖｓに対するＣＯＭの位相はなだらかに変化しているので、Ｖｓから信号成分を復調してＣＯＭを生成する際に波形が歪むこともない。更に、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響を受けることなく、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄよりも大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を、安定して発生させることができる。
【００６０】
加えて、上述した変形例のようにＰＤＭ方式でパルス変調した場合、前述のＰＷＭ方式でパルス変調した場合に比べて、次のような利点も得ることができる。まず、デジタル電力増幅回路２４０で得られるＶｓは、グランド電圧と、電源電圧Ｖｄｄとの間で電圧値が切り換わるパルス波形となる。したがって、何らかの理由で電源電圧Ｖｄｄが変動すると、Ｖｓの振幅が変化する。このため、ＰＷＭ方式でパルス変調した場合には、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄの変動やトランジスターの特性のばらつきなどが、そのままＣＯＭに影響を与えてしまう。ところが、ＰＤＭ方式でパルス変調した場合には、以下の理由から、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄの変動や、トランジスターの特性のばらつきが、ＣＯＭに与える影響を抑制することが可能となる。
【００６１】
まず、ＰＤＭ方式では、ヒステリシスコンパレーター２３７に入力されるＶｔ（積分信号）は、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭと、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓを分圧した値との差を積分することによって得られる。したがって、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが低下すると、Ｖｔの立下りの傾きは緩やかとなる。その結果、ヒステリシスコンパレーター２３７から出力されるＭＣＯＭがＨｉｇｈ状態となる期間が長くなる。また、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが上昇すると、Ｖｔの立下りの傾きは急になる。その結果、ヒステリシスコンパレーター２３７から出力されるＭＣＯＭがＬｏｗ状態となる期間が長くなる。
【００６２】
すなわち、何らかの理由でデジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが低下すると、ＭＣＯＭはＨｉｇｈ状態の期間が長めの信号となり、逆に電源電圧Ｖｄｄが高くなると、ＭＣＯＭはＬｏｗ状態の期間が長めの信号となる。そして、ＭＣＯＭのＨｉｇｈ状態の期間が長めとなれば、共振回路２６０に通した後に得られる電圧は高めとなり、ＭＣＯＭのＬｏｗ状態の期間が長めとなれば、共振回路２６０に通した後に得られる電圧は低めとなる。結局、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが変動しても、その影響がＣＯＭに現れないようにＭＣＯＭが変化する。このため、ＰＤＭ方式を用いてパルス変調した場合には、電源電圧Ｖｄｄの変動の影響を受けることなく、常に安定したＣＯＭ（駆動信号）を生成することが可能となる。
【００６３】
また、ブートストラップ回路２９０でバイアスする電圧を電力増幅回路２８５に供給される電源電圧Ｖｄｄと共通にしており、ブートストラップ回路２９０用に新たに電源を設けることないため、電源に係る基板の面積の縮小やコストの削減が可能となる。尚、この場合では、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍から４倍の場合においても、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が負電圧になることがない。
【００６４】
Ｄ−２．第２変形例：
以上に説明した実施例あるいは第１変形例では、コイル２５０とアクチュエーター（圧電素子）１１６とによって共振回路２６０が構成されるものとして説明した。しかし、アクチュエーター１１６に対して並列に接続されるようにコンデンサーを設けておき、このコンデンサーと、コイル２５０と、アクチュエーター１１６とによって共振回路２６０を構成するようにしても良い。
【００６５】
図８は、このようにして構成された本変形例の容量性負荷駆動回路２００の一部を例示した説明図である。図示されるように、本変形例の容量性負荷駆動回路２００では、アクチュエーター１１６に対して並列に接続されるように、コンデンサー（容量性素子）２５２が設けられている。このような構成では、コイル２５０のインダクタンスＬと、アクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとによって共振回路が形成される。そして、互いに並列に接続されたアクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとは、合成キャパシタンス（大きさは、Ｃｐ＋Ｃｃ）として取り扱うことができるから、この共振回路の共振周波数は、コイル２５０のインダクタンスＬと、合成キャパシタンスＣｐ＋Ｃｃとによって決まる周波数となる。
【００６６】
容量性負荷駆動回路２００の駆動負荷であるアクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐは、多くの場合、決まっている。したがって、仮にコンデンサー２５２がなかったとすると、共振周波数を所望の周波数に設定しようとするためにはコイル２５０のインダクタンスＬで調整する必要がある。その結果、場合によっては、大きなコイル２５０が必要になって、容量性負荷駆動回路２００が大きくなってしまうことがある。ところが、このような場合でも、アクチュエーター１１６に並列にコンデンサー２５２を接続してやれば、コンデンサー２５２のキャパシタンスを適切に設定することで、コイル２５０を大きくすることなく、共振周波数を所望の周波数に設定することが可能となる。
【００６７】
尚、以上に説明した実施例あるいは各変形例では、電力増幅回路２８０として変調回路２３０及びデジタル電力増幅回路２４０を用いているが、これに限らず、別の電力増幅回路を用いてもよい。例えば、ＣＯＭ（駆動信号）が非常に複雑な形状や高いスルーレートを有している場合などは、電力増幅回路としてＡＢ級増幅器などのアナログ増幅器を用いることで非常に歪の少ないＣＯＭを生成することが可能となる。
【００６８】
以上、実施例及び各変形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及び各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。例えば、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体噴射装置など、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。
【符号の説明】
【００６９】
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（圧電素子）、１２０…供給ポンプ、１２１，１２２…チューブ、１２３…液体タンク、１３０…制御ユニット、２００…容量性負荷駆動回路、２１０…駆動波形信号発生回路（駆動波形信号出力回路）、２２０…演算回路、２３０，２３５…変調回路、２３６…積分器、２３７…ヒステリシスコンパレーター、２４０…デジタル電力増幅回路、２５０…コイル（誘電性素子）、２５２…コンデンサー（容量性素子）、２６０…共振回路、２７０…位相進み補償回路、２８０，２８５…電力増幅回路、２９０…ブートストラップ回路、２９２…ブートストラップコンデンサー、２９４…ブートストラップダイオード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量成分が変動する容量性負荷を駆動する技術や、あるいは容量成分が異なる複数の容量性負荷を切り換えて駆動する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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などのように、所定の駆動信号を印加することによって液体を噴射するなどの動作を行うアクチュエーターは数多く存在する。アクチュエーターの動作は印加される電圧に依存するため、アクチュエーターの性能を十分に引き出すためには、高い電圧まで印加可能であることが望ましい。そこで、アクチュエーターへ印加する駆動波形信号を電力増幅してアクチュエーターに印加することが行われる。
【０００３】
駆動波形信号を電力増幅する方法としては、例えばＤ級増幅器を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参考）。この方法では、駆動波形信号をパルス変調してパルス波状の変調信号に変換した後に電力増幅を行う。パルス変調の方式としては、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式又はパルス密度変調（ＰＤＭ）方式のいずれも適用可能であるが、パルス幅変調されることが通常である。そして、得られたパルス波状の変調信号を電力増幅することによって、電源電圧とグランドとの間で変化するパルス波状の変調信号（電力増幅変調信号）に変換した後、平滑フィルターを用いて変調成分を取り除くことによって、電力増幅された駆動波形信号（駆動信号）を生成する。
【０００４】
また、無線周波数帯域（ＲＦ）での電力増幅に用いられるＥ級増幅器も知られている。Ｅ級増幅器では、誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷が有するキャパシタンスとの間で生じる共振現象を利用して電力増幅を行うため、電源電圧を超えた電圧を発生させることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２９７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の技術では、駆動波形信号を電源電圧以上の電圧に増幅して駆動信号を生成し、しかも環境温度や素子温度、製造ばらつきの影響を受けることなく安定して駆動信号を生成することができないという問題がある。例えばＤ級増幅器では、パルス波状の変調信号のデューティー比を変化させることによって電圧を変化させているので、グランドに相当するデューティー比０％から、電源電圧に相当するデューティー比１００％までの間でしか電圧を変化させることができない。しかも、パルス幅変調でデューティー比１００％を実現しようとすると、無限に狭い幅のパルスが必要となるが、出力可能なパルス幅には限界があるので、実際には電源電圧まで増幅することも不可能である。また、パルス密度変調した場合は、電源電圧まで増幅することが可能となるが、パルスの発生周波数が低い部分が発生して、この部分では平滑フィルターでパルス成分を十分に除去することができないため、得られる駆動信号が歪んでしまう。
【０００７】
更に、Ｅ級増幅器では、誘導性素子のインダクタンスＬと容量性負荷が有するキャパシタンスＣとの間で生じる共振現象（ＬＣ共振）を利用して電力増幅を行うが、共振が発生する周波数（共振周波数）は、環境温度や、素子の温度変化、あるいは素子の製造ばらつきの影響で変化する。そして、ＬＣ共振はＱ値が高いため、共振周波数が変化すると増幅率が大きく変化してしまう。このため、駆動波形信号を安定して電力増幅して駆動信号を生成することができない。
【０００８】
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、電源電圧を超えた電圧の駆動信号を発生させることが可能で、しかも環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定した駆動信号を発生させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
［適用例１］容量成分を有する容量性負荷に対して所定の駆動信号を印加することによって、該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出力する駆動波形信号出力回路と、前記駆動波形信号と前記容量性負荷に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、前記誤差信号を電力増幅することにより、電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、前記電力増幅信号の電圧をバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成するブートストラップ回路と、前記ブートストラップ回路と前記容量性負荷とを接続して、該ブートストラップ回路からの前記電圧バイアス信号を前記駆動信号として該容量性負荷に供給する誘導性素子と、前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませた前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路とを備えることを要旨とする。
【００１１】
これによれば、本発明の容量性負荷駆動回路においては、次のようにして容量性負荷に駆動信号を印加する。まず、駆動信号の基準となる駆動波形信号と実際に容量性負荷に印加された駆動信号から生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する。次に、この誤差信号を電力増幅して、電力増幅信号を生成する。そして、この電力増幅信号の電圧をバイアスした電圧バイアス信号を生成し、誘導性素子を介して容量性負荷に供給することによって、容量性負荷に駆動信号を印加する。誘導性素子と容量性負荷とが組み合わされると共振回路が形成されるので、誘導性素子のインダクタンスと、容量性負荷のキャパシタンスとによって決定される共振周波数では、容量性負荷に印加される駆動信号の電圧振幅が、電力増幅回路から生成された電力増幅信号若しくは誘導性素子に供給した電圧バイアス信号の電圧振幅よりも大きくなる。そこで、容量性負荷に印加される駆動信号に対して位相を進ませる補償（位相進み補償）を行った後、得られた信号を帰還信号として演算回路に負帰還させることによって、誘導性素子と容量性負荷との間の共振特性を電力増幅回路のゲイン以上の所望のゲインとなるように抑制する。
【００１２】
誘導性素子と容量性負荷とによって形成される共振回路は、誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷のキャパシタンスとによって決まる共振周波数の近傍で、鋭い共振ピークを発生させる。そして、誘導性素子のインダクタンスや容量性負荷のキャパシタンスは、環境温度の変化や素子の製造ばらつきによって変動する。したがって、これらの影響によって共振周波数が変動するので、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号に対する駆動信号のゲインは大きく変動する。また、誘導性素子や容量性負荷は、使用中の電力損失によって温度が上昇するから、容量性負荷の駆動中にゲインが大きく変動することも起こり得る。これに対して本発明の容量性負荷駆動回路では、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た後に負帰還させることで、共振特性を抑制しているので、共振周波数の周辺でゲインが大きく変動することがない。このため、環境温度の変化や素子の製造ばらつきによって共振周波数が変動しても、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号に対する駆動信号のゲインは大きく変動することがない。
【００１３】
位相進み補償によるゲインの調整によっては、容量性負荷に印加される駆動信号の電圧が負電圧となる場合が生じる。しかし、ピエゾアクチュエーターのような圧電素子を用いた場合、圧電素子に所定値以上の負電圧が印加されると、圧電素子を破壊する虞がある。そこで、ブートストラップ回路により電力増幅信号の電圧をバイアスすることで、容量性負荷に印加された駆動信号の電圧が所定値以上の負電圧になることを防ぐことが可能となる。その結果、電力増幅信号若しくは電圧バイアス信号を超えた電圧振幅を有する駆動信号を発生させることが可能で、しかも環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定した駆動信号を発生させることが可能となる。
【００１４】
［適用例２］上記容量性負荷駆動回路であって、前記容量性負荷に対して並列に接続された容量性素子を備えることとしてもよい。
【００１５】
これによれば、上述したように、本発明の容量性負荷駆動回路は、誘導性素子と容量性負荷との間に発生する共振現象を利用することによって、電圧バイアス信号を増幅して駆動信号を生成している。したがって、こうした効果が得られるのは、共振回路の共振周波数の周辺の周波数範囲となる。ここで、共振周波数は誘導性素子のインダクタンスと容量性負荷のキャパシタンスとによって決定されるが、容量性負荷のキャパシタンスは、容量性負荷の大きさや特性などによってある程度まで決まってしまう。したがって、望ましい共振周波数を得るためには誘導性素子のインダクタンスを大きくしなければならず、大きな誘導性素子が必要になってしまう場合も起こり得る。このような場合には、容量性負荷に対して容量性素子（コンデンサーなど）を並列に接続することで、容量性負荷のキャパシタンスはそのままでも、誘導性素子からは、容量性負荷と容量性素子との合成キャパシタンスを有する容量性負荷が接続されているように見える。このため、大きな誘導性素子を搭載する必要がなくなるので、容量性負荷駆動回路が大きくなってしまうことを回避することが可能となる。
【００１６】
［適用例３］上記容量性負荷駆動回路であって、前記ブートストラップ回路は、前記電力増幅回路に供給される電源に接続され、前記電力増幅信号を前記電源の電圧だけバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成する回路であってもよい。
【００１７】
言い換えれば、ブートストラップ回路は、電力増幅回路に供給される電源と共通に接続され、電力増幅信号の電圧をその電源の電圧でバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成することとしてもよい。
【００１８】
これによれば、電力増幅回路とブートストラップ回路との供給電源を共通化することによって、新たに電源を設けることがないため、電源に係る基板の面積の縮小やコストの削減が可能となる。
【００１９】
［適用例４］上記容量性負荷駆動回路であって、前記電力増幅回路は、前記誤差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変調回路と、前記変調信号を電力増幅することにより、パルス波状の電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路と、を備えることとしてもよい。
【００２０】
これによれば、誘導性素子は、容量性負荷と組み合わされることによって共振周波数よりも高い周波数領域では平滑フィルターを構成するため、変調回路における変調周波数をこの共振周波数よりも十分に大きく設定することで、デジタル電力増幅回路から生成されるパルス波状の電力増幅信号の変調周波数成分が取り除かれて、電力増幅された信号成分（駆動波形信号）が駆動信号として容量性負荷に印加される。ここで、デジタル電力増幅回路では、入力された変調信号をデジタル増幅するので、アナログ波形をアナログ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となる。
【００２１】
［適用例５］上記容量性負荷駆動回路であって、前記変調回路は、前記誤差信号をパルス幅変調することによって前記変調信号を生成する回路であってもよい。
【００２２】
言い換えれば、変調回路は、誤差信号をパルス変調して変調信号を生成するに際して、誤差信号に応じてパルス幅を異ならせるいわゆるパルス幅変調することとしてもよい。
【００２３】
これによれば、パルス幅変調は、極めて簡単な回路で実現することができるので、コンパクトな容量性負荷駆動回路を容易に実現することが可能となる。
【００２４】
［適用例６］上記容量性負荷駆動回路であって、前記変調回路は、前記誤差信号をパルス密度変調することによって前記変調信号を生成する回路であってもよい。
【００２５】
言い換えれば、変調回路は、誤差信号をパルス変調して変調信号を生成するに際して、誤差信号に応じてパルスの密度（発生頻度）を異ならせるいわゆるパルス密度変調することとしてもよい。
【００２６】
これによれば、詳細なメカニズムについては後述するが、パルス密度変調を用いれば、電源電圧の変動などによる影響が抑制されるようにパルス変調することができる。このため、たとえ何らかの理由で電源電圧の変動などが生じても、こうしたことによる影響を受けることなく、安定した駆動信号を生成することが可能となる。
【００２７】
［適用例７］上記のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路を有することを特徴とする液体噴射装置。
【００２８】
これによれば、かかる本発明の液体噴射装置では、上述した容量性負荷駆動回路によって、安定した駆動信号が生成されるので、アクチュエーターの動作を精度良く制御することができ、その結果、噴射する液体の量や液滴のサイズ、液体の噴射速度などを精度良く制御して液体を適切に噴射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施例の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。
【図２】本実施例の容量性負荷駆動回路の回路構成を示した説明図。
【図３】本実施例の容量性負荷駆動回路の周波数応答特性を解析するためのブロック線図。
【図４】本実施例のフィードバック回路の伝達関数の周波数応答特性を表すボード線図。
【図５】本実施例の容量性負荷駆動回路が、駆動波形信号から駆動信号を生成する動作を例示した説明図。
【図６】第１変形例の容量性負荷駆動回路で用いられる電力増幅回路及びブートストラップ回路の回路構成を示した説明図。
【図７】第１変形例の容量性負荷駆動回路が駆動波形信号から駆動信号を生成する動作を例示した説明図。
【図８】第２変形例の容量性負荷駆動回路の一部を例示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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．容量性負荷駆動回路の動作：
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．第１変形例：
Ｄ−２．第２変形例：
【００３１】
Ａ．装置構成：
図１は、本実施例の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。
【００３２】
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ような構造となっており、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。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。
【００３３】
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ようになっている。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、アクチュエーター１１６の能力を十分に引き出すためには、大きな電圧振幅を出力可能でしかも精度の良い駆動信号を生成して、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本実施例の容量性負荷駆動回路２００が搭載されている。
【００３４】
Ｂ．容量性負荷駆動回路の回路構成：
図２は、本実施例の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は大きく分けると、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（駆動波形信号出力回路）２１０と、駆動波形信号発生回路２１０から受け取ったＷＣＯＭと後述する帰還信号（以下、ｄＣＯＭ）とに基づいて誤差信号（以下、ｄＷＣＯＭ）を出力する演算回路２２０と、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭを電力増幅して電力増幅信号（以下、Ｖｓ）を生成する電力増幅回路２８０と、電力増幅回路２８０からＶｓの電圧をバイアス電圧（以下、Ｖｃｃ）でバイアスすることによって、電圧バイアス信号（以下、Ｖｂ）を生成するブートストラップ回路２９０と、ブートストラップ回路２９０からＶｂを受け取って、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に供給するコイル（誘導性素子）２５０と、コイル２５０からアクチュエーター１１６に供給されたＣＯＭに対して位相を進ませる補償を加えて、ｄＣＯＭ（帰還信号）を生成する位相進み補償回路２７０とを備えている。
【００３５】
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。こうして出力されたＷＣＯＭは、演算回路２２０の非反転入力端子に入力される。また、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）は演算回路２２０の反転入力端子に入力される。その結果、ＷＣＯＭとｄＣＯＭとの差分に相当する信号が、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として演算回路２２０から出力される。
【００３６】
続いて、ｄＷＣＯＭは電力増幅回路２８０に入力される。ここで、電力増幅回路２８０は、変調回路２３０と、デジタル電力増幅回路２４０とを備えている。ｄＷＣＯＭが入力された変調回路２３０は、ｄＷＣＯＭを一定周期の三角波（以下、Ｔｒｉ）と比較して、ｄＷＣＯＭの方が大きければＨｉｇｈ状態（変調回路２３０の動作電圧）、Ｔｒｉの方が大きければＬｏｗ状態（グランド電圧）となるようなパルス波状の変調信号（以下、ＭＣＯＭ）を生成する。そして、得られたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅回路２４０に入力される。デジタル電力増幅回路２４０は、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。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Ｖｓ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Ｖｓとして出力される。したがって、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を、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Ｖｓに電力増幅することができる。
【００３７】
また、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、ｄＷＣＯＭをアナログ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。
【００３８】
続いて、Ｖｓはブートストラップ回路２９０に入力される。ブートストラップ回路２９０は、ブートストラップコンデンサー２９２とブートストラップダイオード２９４とを備えている。ブートストラップ回路２９０に入力されたＶｓは、ブートストラップコンデンサー２９２の一端に入力され、ブートストラップダイオード２９４を介してブートストラップコンデンサー２９２の他端に接続されたＶｃｃによりバイアスされて、Ｖｂ（電圧バイアス信号）として出力される。
【００３９】
こうして出力されたＶｂ（電圧バイアス信号）を、コイル２５０を通した後、ＣＯＭ（駆動信号）としてアクチュエーター１１６に印加する。詳細には後述するが、コイル２５０は、アクチュエーター１１６の容量成分と組み合わされることによって共振回路２６０を構成しているが、共振回路２６０の共振周波数よりも高い周波数領域では平滑フィルターとなるので、Ｖｂ中の変調成分が共振回路２６０によって減衰する結果、Ｖｂ中の信号成分が取り出されてＣＯＭとして復調される。加えて、本実施例の容量性負荷駆動回路２００では、Ｖｂをコイル２５０に通して変調成分を減衰させるだけでなく、Ｖｂ中の信号成分を増幅している。このため、デジタル電力増幅回路２４０では、電圧Ｖｄｄまでしか電力増幅できないにも拘わらず、電圧Ｖｄｄ以上の電圧を含んだＣＯＭを出力することが可能となる。こうしたことが可能となる理由についても、後ほど詳しく説明する。
【００４０】
また、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭを負帰還させてフィードバック回路を構成するが、コイル２５０を通過したＣＯＭは、共振回路２６０の位相特性によって、ＷＣＯＭに対して位相が遅れている。そこで、ＣＯＭを単純に負帰還させるのではなく、コンデンサーＣｈと抵抗Ｒｈとによって構成された位相進み補償回路２７０を通して位相を進ませる補償を行い、得られた信号をｄＣＯＭとして演算回路２２０の反転入力端子に入力することによって負帰還させるようになっている。
【００４１】
Ｃ．容量性負荷駆動回路の動作：
図３は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００の周波数応答特性を解析するためのブロック線図である。まず、駆動波形信号発生回路２１０からのＷＣＯＭ（駆動波形信号）は、演算回路２２０で位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）が減算されて、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）を生成する。このｄＷＣＯＭは、電力増幅回路２８０で増幅されてＶｓ（電力増幅信号）に変換された後、ブートストラップ回路２９０でＶｓの電圧がＶｃｃでバイアスされてＶｂ（電圧バイアス信号）に変換され、共振回路２６０で復調されてＣＯＭ（駆動信号）として出力される。こうして出力されたＣＯＭは、位相進み補償回路２７０で位相進み補償が施された後、ｄＣＯＭとしてＷＣＯＭに対して負帰還されることによって、全体としてフィードバック回路を構成している。ここで、ブートストラップ回路２９０のバイアス電圧は、ほぼ直流電圧であり、位相進み補償回路２７０でその直流電圧成分が遮断されるので、図３（Ａ）は、図３（Ｂ）のように書き換えることができる。
【００４２】
ここで、コイル２５０のインダクタンスをＬ、アクチュエーター（圧電素子）１１６のキャパシタンスをＣｐとすると、共振回路２６０の伝達関数Ｆ（ｓ）は、図３（Ｃ）に示した式で与えられる。また、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）は、図３（Ｄ）に示した式で与えられる。ここで、Ｃｈは、位相進み補償回路２７０を構成するコンデンサーのキャパシタンスを表しており、Ｒｈは位相進み補償回路２７０を構成する抵抗の抵抗値を表している。したがって、演算回路２２０、電力増幅回路２８０、共振回路２６０、位相進み補償回路２７０で構成されるフィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）は、電力増幅回路２８０で電力増幅する際のゲインをＧとすると、図３（Ｅ）に示した式で与えられる。尚、出力されるＣＯＭ（駆動信号）は、図３（Ｆ）で表される。
【００４３】
図４は、本実施例のフィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）の周波数応答特性を表すボード線図である。図４（Ａ）にはゲイン線図が示されており、図４（Ｂ）には位相線図が示されている。また、ゲイン線図及び位相線図には、フィードバック回路の伝達関数Ｈ（ｓ）の特性に加えて、電力増幅回路２８０を含めた共振回路２６０の伝達関数Ｇ・Ｆ（ｓ）の特性や、位相進み補償回路２７０の伝達関数β（ｓ）の特性も示されている。
【００４４】
図４（Ａ）のゲイン線図中に破線で示されているように、コイル２５０の誘導成分は、アクチュエーター（圧電素子）１１６の容量成分と共に共振回路を形成するので、図中に示された計算式で定まる共振周波数ｆ０の付近で、ゲインの鋭いピークが現れる。そこで、ＣＯＭを負帰還させることによって、ピークの鋭さ（Ｑ値）を抑制する。ただし、図４（Ｂ）に示されるように、共振回路２６０の位相特性によって、ＣＯＭは共振周波数ｆ０よりも高い周波数領域で位相が１８０度遅れるから、ＣＯＭをそのまま負帰還させたのでは制御ユニット１３０が不安定となる虞がある。そこで、図４中に一点鎖線で示した特性の位相進み補償回路２７０を用いて位相を進ませる補償を行った後、ｄＣＯＭ（帰還信号）として負帰還させる。こうすれば、制御ユニット１３０を不安定にすることなく、ＣＯＭを負帰還させることが可能となり、その結果、図４（Ａ）中に実線で示したようにゲイン線図に現れるピークの鋭さ（Ｑ値）を抑制することが可能となる。
【００４５】
ここで、本実施例の容量性負荷駆動回路２００では、ゲインのピークを完全に抑制するのではなく、ある程度のピークを残している。このため、共振周波数ｆ０の周辺の周波数領域では、電力増幅回路２８０のゲインＧよりも大きなゲインが得られるようになっている。もちろん、ＣＯＭを負帰還させているので、電力増幅回路２８０及び共振回路２６０の伝達関数Ｇ・Ｆ（ｓ）に比べると、ゲインの変化はなだらかとなっている。このため、環境温度や、アクチュエーター１１６の温度変化、あるいはコイル２５０やアクチュエーター１１６の製造ばらつきの影響で、共振周波数が変化しても、そのことによってゲインが大きく変化することはない。その結果、電力増幅回路２８０で電力増幅した以上の電圧を含むＣＯＭ（駆動信号）を出力可能でありながら、環境温度や部品の製造ばらつきなどの影響を受けることなく安定したＣＯＭを発生させることが可能となる。
【００４６】
尚、以上の説明から明らかなように、ゲインの変動を抑制する観点からすれば、共振特性をできるだけ抑制することが望ましい。一方、Ｖｓ（電力増幅信号）に対してできるだけ大きなＣＯＭ（駆動信号）を生成する観点からすれば、共振特性はできるだけ抑制しないことが望ましい。すなわち、ゲインの変動を抑制することと、大きなゲインを確保することとは、互いに二律背反する関係にある。経験上からは、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが、１．５倍以上から５倍以下の範囲に収まるように（代表的にはゲインが２倍から４倍程度となるように）共振特性を抑制すると、ある程度のゲインを確保しながら、安定したＣＯＭを発生させることが可能となる。
【００４７】
また、位相進み補償回路２７０の調整により、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍以上となる場合、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が負電圧となる場合が生じる。しかし、アクチュエーター１１６に所定値以上の負電圧が印加されると、アクチュエーター１１６を破壊する虞がある。このため、ブートストラップ回路２９０によりＶｓの電圧をＶｃｃでバイアスすることで、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が所定値以上の負電圧になるのを防ぐことが可能となる。こうしたことが可能となる理由についても、後ほど詳しく説明する。
【００４８】
図５は、本実施例の容量性負荷駆動回路２００が、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）からＣＯＭ（駆動信号）を生成する動作を例示した説明図である。図５（Ａ）中に示した太い実線は、駆動波形信号発生回路２１０から出力されるＷＣＯＭを表している。また、図５（Ａ）中に示した破線は、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）を表している。図２を用いて前述したように、ＷＣＯＭは演算回路２２０の非反転入力端子に入力され、ｄＣＯＭは演算回路２２０の反転入力端子に入力されるので、演算回路２２０からは、ＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算した差分の信号が、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として出力される。そして、このｄＷＣＯＭが、変調回路２３０でＭＣＯＭ（変調信号）にパルス変調される。
【００４９】
図５（Ｂ）には、変調回路２３０でｄＷＣＯＭをＭＣＯＭに変換する様子が示されている。変調回路２３０では、図５（Ｂ）中に太い実線で表されたｄＷＣＯＭと、細い破線で表されたＴｒｉ（三角波）とを比較する。そして、ｄＷＣＯＭの方が大きければ、変調回路２３０の動作電圧を出力し（Ｈｉｇｈ状態）、Ｔｒｉの方が大きければ、グランド電圧を出力する（Ｌｏｗ状態）。その結果、グランド電圧と、変調回路２３０の動作電圧との間で、パルス波状に電圧が変化する変調信号（ＭＣＯＭ）が生成される。図５（Ｃ）には、こうして得られたＭＣＯＭが示されている。
【００５０】
続いて、ＭＣＯＭをデジタル電力増幅回路２４０で電力増幅する。図２を用いて前述したように、デジタル電力増幅回路２４０は、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）の接続状態をＭＣＯＭによって切り換えることにより、図５（Ｄ）に示したような、電源の電圧Ｖｄｄとグランド電圧とに切り換わるパルス波形、すなわちＶｓ（電力増幅信号）を生成し、このＶｓの電圧をＶｃｃだけバイアスさせてＶｂ（電圧バイアス信号）を生成する。そして、このＶｓをコイル２５０に通すことによって、図５（Ｅ）に示したように変調成分が除かれて、信号成分が復調される。
【００５１】
こうして復調された信号成分は、デジタル電力増幅回路２４０でＭＣＯＭが電力増幅されていることに対応して、元になった信号（ＷＣＯＭ）よりも最大電圧が大きくなっている。加えて、図４（Ａ）を用いて前述したように、伝達関数Ｈ（ｓ）のゲインが電力増幅回路２８０のゲインＧよりも大きくなっているので、Ｖｓから復調された信号成分の最大電圧は、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも大きくなる。更に、伝達関数Ｈ（ｓ）の位相は、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ比較的広い周波数領域でなだらかに変化しているので、Ｖｓに含まれる信号成分を復調する際に波形を歪ませることもない。また、ブートストラップ回路２９０によりＶｓの電圧をＶｃｃでバイアスしているので、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの中心電圧もＶｃｃだけバイアスされる。したがって、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍以上の場合においても、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が所定値以上の負電圧になることを防ぐことが可能となる。その結果、図５（Ｅ）に例示したように、駆動波形信号発生回路２１０から出力されたＷＣＯＭが、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも更に大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を得ることが可能となる。
【００５２】
また、共振回路２６０の共振周波数ｆ０は、コイル２５０のインダクタンスＬと、アクチュエーター（圧電素子）１１６のキャパシタンスＣｐによって決まるから、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響によって共振周波数ｆ０は変化する。しかし、図４（Ａ）を用いて前述したように、伝達関数Ｈ（ｓ）のゲインは、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ比較的広い周波数領域でなだらかに変化していることから、たとえ共振周波数ｆ０が変化したとしても、そのことによってゲインが大きく変化することはない。その結果、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響を受けることなく、Ｖｓの最大電圧（電圧Ｖｄｄ）よりも更に大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を、安定して発生させることが可能となる。
【００５３】
Ｄ．変形例：
上述した実施例の容量性負荷駆動回路２００には、いくつかの変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。尚、以下の変形例においては、上述した実施例と同様な構成部分については、上述した実施例と同様の符番を付すこととして、詳細な説明を省略する。
【００５４】
Ｄ−１．第１変形例：
上述した実施例では、変調回路２３０が、いわゆるパルス幅変調（ＰＷＭ）と呼ばれる方法を用いて、ｄＷＣＯＭをパルス変調するものとして説明した。しかし、パルス変調する方式はパルス幅変調方式に限られるものではなく、例えばパルス密度変調（ＰＤＭ）と呼ばれる方式を用いてパルス変調することも可能である。以下では、ＰＤＭと呼ばれる方式で変調する本変形例について説明する。
【００５５】
図６は、本変形例の容量性負荷駆動回路２００で用いられる電力増幅回路２８５及びブートストラップ回路２９０の回路構成を示した説明図である。本変形例の電力増幅回路２８５は、変調回路２３５、及びデジタル電力増幅回路２４０から構成されている。変調回路２３５は、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）と、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓ（電力増幅信号）を抵抗Ｒｓ及び抵抗Ｒｇで分圧した信号との差分を積分する積分器２３６と、積分器２３６で得られた積分信号（以下、Ｖｔ）をパルス変調するヒステリシスコンパレーター２３７から構成されている。ここでヒステリシスコンパレーター２３７とは、出力がＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に切り換わるための閾値ｔｈ１と、Ｈｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に切り換わるための閾値ｔｈ２（ｔｈ１＞ｔｈ２）とが異なる値に設定されたコンパレーターである。また、ブートストラップ回路２９０は、デジタル電力増幅回路２４０へ供給する電源（電圧Ｖｄｄ）に接続されており、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓの電圧をＶｄｄでバイアスする。
【００５６】
図７は、本変形例の容量性負荷駆動回路２００が、ＷＣＯＭ（駆動波形信号）からＣＯＭ（駆動信号）を生成する動作を例示した説明図である。図７（Ａ）中に示した太い実線は、駆動波形信号発生回路２１０から出力されるＷＣＯＭを表しており、図７（Ａ）中に示した破線は、位相進み補償回路２７０からのｄＣＯＭ（帰還信号）を表している。本変形例の容量性負荷駆動回路２００においても、ＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算することによってｄＷＣＯＭ（誤差信号）を生成する。そして、このｄＷＣＯＭを、図６に示した変調回路２３５に入力することによってパルス変調する。
【００５７】
図７（Ｂ）には、変調回路２３５の中の積分器２３６の動作が表されている。図６に示したように積分器２３６は、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）と、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓ（電力増幅信号）を抵抗Ｒｓ及び抵抗Ｒｇで分圧した信号との差分を積分して、Ｖｔ（積分信号）を生成する。したがって、差分が大きければＶｔは速やかに変化し、逆に差分が小さければＶｔはゆっくりと変化することとなって、結局、図７（Ｂ）中に細い破線で示した三角波形となる。そして、このＶｔをヒステリシスコンパレーター２３７によってパルス変調することにより、図７（Ｃ）に示したＭＣＯＭを得ることができる。
【００５８】
こうしてＭＣＯＭが得られたら、得られたＭＣＯＭをデジタル電力増幅回路２４０で電力増幅することによって、図７（Ｄ）に示すＶｓ（電力増幅信号）を生成し、このＶｓの電圧をＶｄｄでバイアスしてＶｂ（電圧バイアス信号）を生成した後、このＶｂをコイル２５０に通すことによって信号成分を復調する。こうすれば、図７（Ｅ）に示すように、電力増幅されたＣＯＭを得ることができる。
【００５９】
以上に示した第１変形例においても、共振回路２６０の共振周波数ｆ０を含んだ周波数領域では、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインを、１．５倍以上から５倍以下の範囲に設定しておくことで、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄよりも高い電圧を有するＣＯＭを発生させることが可能となる。また、伝達関数Ｈ（ｓ）の位相線図から明らかなように、Ｖｓに対するＣＯＭの位相はなだらかに変化しているので、Ｖｓから信号成分を復調してＣＯＭを生成する際に波形が歪むこともない。更に、環境温度の変化や、コイル２５０やアクチュエーター（圧電素子）１１６の製造ばらつきの影響を受けることなく、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄよりも大きな電圧を含んだＣＯＭ（駆動信号）を、安定して発生させることができる。
【００６０】
加えて、上述した変形例のようにＰＤＭ方式でパルス変調した場合、前述のＰＷＭ方式でパルス変調した場合に比べて、次のような利点も得ることができる。まず、デジタル電力増幅回路２４０で得られるＶｓは、グランド電圧と、電源電圧Ｖｄｄとの間で電圧値が切り換わるパルス波形となる。したがって、何らかの理由で電源電圧Ｖｄｄが変動すると、Ｖｓの振幅が変化する。このため、ＰＷＭ方式でパルス変調した場合には、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄの変動やトランジスターの特性のばらつきなどが、そのままＣＯＭに影響を与えてしまう。ところが、ＰＤＭ方式でパルス変調した場合には、以下の理由から、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄの変動や、トランジスターの特性のばらつきが、ＣＯＭに与える影響を抑制することが可能となる。
【００６１】
まず、ＰＤＭ方式では、ヒステリシスコンパレーター２３７に入力されるＶｔ（積分信号）は、演算回路２２０からのｄＷＣＯＭと、デジタル電力増幅回路２４０からのＶｓを分圧した値との差を積分することによって得られる。したがって、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが低下すると、Ｖｔの立下りの傾きは緩やかとなる。その結果、ヒステリシスコンパレーター２３７から出力されるＭＣＯＭがＨｉｇｈ状態となる期間が長くなる。また、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが上昇すると、Ｖｔの立下りの傾きは急になる。その結果、ヒステリシスコンパレーター２３７から出力されるＭＣＯＭがＬｏｗ状態となる期間が長くなる。
【００６２】
すなわち、何らかの理由でデジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが低下すると、ＭＣＯＭはＨｉｇｈ状態の期間が長めの信号となり、逆に電源電圧Ｖｄｄが高くなると、ＭＣＯＭはＬｏｗ状態の期間が長めの信号となる。そして、ＭＣＯＭのＨｉｇｈ状態の期間が長めとなれば、共振回路２６０に通した後に得られる電圧は高めとなり、ＭＣＯＭのＬｏｗ状態の期間が長めとなれば、共振回路２６０に通した後に得られる電圧は低めとなる。結局、デジタル電力増幅回路２４０の電源電圧Ｖｄｄが変動しても、その影響がＣＯＭに現れないようにＭＣＯＭが変化する。このため、ＰＤＭ方式を用いてパルス変調した場合には、電源電圧Ｖｄｄの変動の影響を受けることなく、常に安定したＣＯＭ（駆動信号）を生成することが可能となる。
【００６３】
また、ブートストラップ回路２９０でバイアスする電圧を電力増幅回路２８５に供給される電源電圧Ｖｄｄと共通にしており、ブートストラップ回路２９０用に新たに電源を設けることないため、電源に係る基板の面積の縮小やコストの削減が可能となる。尚、この場合では、Ｖｓに対するＣＯＭのゲインが２倍から４倍の場合においても、アクチュエーター１１６に印加されるＣＯＭの電圧が負電圧になることがない。
【００６４】
Ｄ−２．第２変形例：
以上に説明した実施例あるいは第１変形例では、コイル２５０とアクチュエーター（圧電素子）１１６とによって共振回路２６０が構成されるものとして説明した。しかし、アクチュエーター１１６に対して並列に接続されるようにコンデンサーを設けておき、このコンデンサーと、コイル２５０と、アクチュエーター１１６とによって共振回路２６０を構成するようにしても良い。
【００６５】
図８は、このようにして構成された本変形例の容量性負荷駆動回路２００の一部を例示した説明図である。図示されるように、本変形例の容量性負荷駆動回路２００では、アクチュエーター１１６に対して並列に接続されるように、コンデンサー（容量性素子）２５２が設けられている。このような構成では、コイル２５０のインダクタンスＬと、アクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとによって共振回路が形成される。そして、互いに並列に接続されたアクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐと、コンデンサー２５２のキャパシタンスＣｃとは、合成キャパシタンス（大きさは、Ｃｐ＋Ｃｃ）として取り扱うことができるから、この共振回路の共振周波数は、コイル２５０のインダクタンスＬと、合成キャパシタンスＣｐ＋Ｃｃとによって決まる周波数となる。
【００６６】
容量性負荷駆動回路２００の駆動負荷であるアクチュエーター１１６のキャパシタンスＣｐは、多くの場合、決まっている。したがって、仮にコンデンサー２５２がなかったとすると、共振周波数を所望の周波数に設定しようとするためにはコイル２５０のインダクタンスＬで調整する必要がある。その結果、場合によっては、大きなコイル２５０が必要になって、容量性負荷駆動回路２００が大きくなってしまうことがある。ところが、このような場合でも、アクチュエーター１１６に並列にコンデンサー２５２を接続してやれば、コンデンサー２５２のキャパシタンスを適切に設定することで、コイル２５０を大きくすることなく、共振周波数を所望の周波数に設定することが可能となる。
【００６７】
尚、以上に説明した実施例あるいは各変形例では、電力増幅回路２８０として変調回路２３０及びデジタル電力増幅回路２４０を用いているが、これに限らず、別の電力増幅回路を用いてもよい。例えば、ＣＯＭ（駆動信号）が非常に複雑な形状や高いスルーレートを有している場合などは、電力増幅回路としてＡＢ級増幅器などのアナログ増幅器を用いることで非常に歪の少ないＣＯＭを生成することが可能となる。
【００６８】
以上、実施例及び各変形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及び各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。例えば、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体噴射装置など、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。
【符号の説明】
【００６９】
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（圧電素子）、１２０…供給ポンプ、１２１，１２２…チューブ、１２３…液体タンク、１３０…制御ユニット、２００…容量性負荷駆動回路、２１０…駆動波形信号発生回路（駆動波形信号出力回路）、２２０…演算回路、２３０，２３５…変調回路、２３６…積分器、２３７…ヒステリシスコンパレーター、２４０…デジタル電力増幅回路、２５０…コイル（誘電性素子）、２５２…コンデンサー（容量性素子）、２６０…共振回路、２７０…位相進み補償回路、２８０，２８５…電力増幅回路、２９０…ブートストラップ回路、２９２…ブートストラップコンデンサー、２９４…ブートストラップダイオード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量成分を有する容量性負荷に対して所定の駆動信号を印加することによって、該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出力する駆動波形信号出力回路と、
前記駆動波形信号と、前記容量性負荷に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、
前記誤差信号を電力増幅することによって、電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、
前記電力増幅信号の電圧をバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成するブートストラップ回路と、
前記ブートストラップ回路と前記容量性負荷とを接続して、該ブートストラップ回路からの前記電圧バイアス信号を前記駆動信号として該容量性負荷に供給する誘導性素子と、
前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませた前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路と、
を備えることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項２】
前記容量性負荷に対して並列に接続された容量性素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の容量性負荷駆動回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記ブートストラップ回路は、前記電力増幅回路に供給される電源に接続され、前記電力増幅信号を該電源の電圧だけバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記電力増幅回路は、
前記誤差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変調回路と、
前記変調信号を電力増幅することにより、パルス波状の電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路と、
を備えることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項５】
請求項４に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記変調回路は、前記誤差信号をパルス幅変調することによって前記変調信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項６】
請求項４に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記変調回路は、前記誤差信号をパルス密度変調することによって前記変調信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路を有することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項１】
容量成分を有する容量性負荷に対して所定の駆動信号を印加することによって、該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出力する駆動波形信号出力回路と、
前記駆動波形信号と、前記容量性負荷に印加された駆動信号を用いて生成された帰還信号との差分を取ることによって誤差信号を生成する演算回路と、
前記誤差信号を電力増幅することによって、電力増幅信号を生成する電力増幅回路と、
前記電力増幅信号の電圧をバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成するブートストラップ回路と、
前記ブートストラップ回路と前記容量性負荷とを接続して、該ブートストラップ回路からの前記電圧バイアス信号を前記駆動信号として該容量性負荷に供給する誘導性素子と、
前記誘導性素子からの前記駆動信号に対して、位相を進ませた前記帰還信号として前記演算回路に負帰還させる位相進み補償回路と、
を備えることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項２】
前記容量性負荷に対して並列に接続された容量性素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の容量性負荷駆動回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記ブートストラップ回路は、前記電力増幅回路に供給される電源に接続され、前記電力増幅信号を該電源の電圧だけバイアスすることによって、電圧バイアス信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記電力増幅回路は、
前記誤差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変調回路と、
前記変調信号を電力増幅することにより、パルス波状の電力増幅信号を生成するデジタル電力増幅回路と、
を備えることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項５】
請求項４に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記変調回路は、前記誤差信号をパルス幅変調することによって前記変調信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項６】
請求項４に記載の容量性負荷駆動回路であって、
前記変調回路は、前記誤差信号をパルス密度変調することによって前記変調信号を生成する回路であることを特徴とする容量性負荷駆動回路。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路を有することを特徴とする液体噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３５２０１（Ｐ２０１２−２３５２０１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１００８４２（Ｐ２０１１−１００８４２）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]