液体噴射装置、医療機器
【課題】圧電素子に駆動信号を印加して液体を噴射する液体噴射装置を高い電力効率で動作させる。
【解決手段】圧電素子に印加する駆動信号を、Ｄ級増幅器を用いて生成する。デジタル電力増幅器では、プッシュ・プル接続された二つのスイッチ素子を、変調信号のデューティー比、変調信号に変調する前の駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じたデッドタイムで駆動する。こうすれば、二つのスイッチ素子の寄生容量での電荷の回生および充電が完了した後に、スイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。その結果、ＯＮにしようするスイッチ素子の寄生容量に蓄えられた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れて電力損失が発生することを回避することができるので、高い電力効率で駆動信号を生成して圧電素子を駆動することが可能となる。
【解決手段】圧電素子に印加する駆動信号を、Ｄ級増幅器を用いて生成する。デジタル電力増幅器では、プッシュ・プル接続された二つのスイッチ素子を、変調信号のデューティー比、変調信号に変調する前の駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じたデッドタイムで駆動する。こうすれば、二つのスイッチ素子の寄生容量での電荷の回生および充電が完了した後に、スイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。その結果、ＯＮにしようするスイッチ素子の寄生容量に蓄えられた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れて電力損失が発生することを回避することができるので、高い電力効率で駆動信号を生成して圧電素子を駆動することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、液体を噴射する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるインクジェットプリンターのように、圧電素子に駆動信号を印加してインクなどの液体を加圧することによって液体を噴射する液体噴射装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、水や生理食塩水などの液体を加圧してノズルから噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置も提案されている（特許文献２）。これら液体噴射装置には駆動回路が搭載されており、駆動回路で生成した駆動信号を印加することによって圧電素子を駆動する。
【０００３】
圧電素子のような容量性負荷を高い電力効率で駆動可能な技術としては、いわゆるＤ級増幅器と呼ばれる技術が知られている。この技術では、電源とグランドとの間で、二つのスイッチ素子をプッシュ・プル接続しておき、二つのスイッチ素子の間の電圧を引き出して平滑フィルターに入力した後、駆動信号として外部に出力する。電源側のスイッチ素子をＯＮ（導通状態）として、グランド側のスイッチ素子をＯＦＦ（切断状態）とすれば、平滑フィルターには電源の電圧が入力され、逆に、電源側のスイッチ素子をＯＦＦとして、グランド側のスイッチ素子をＯＮとすれば、平滑フィルターにはグランドの電圧が入力される。従って、出力しようとする駆動信号の基準となる駆動波形信号をパルス変調して、得られた変調信号に基づいてスイッチ素子を駆動すれば、変調信号を電力増幅した電力増幅変調信号を、高い電力効率で生成することができる。そして、この電力増幅変調信号を平滑フィルターで平滑化すれば、駆動波形信号に対応する駆動信号を出力することができる。また、このＤ級増幅器に関する技術を利用して圧電素子を駆動する技術も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
ここで、変調信号を電力増幅する際に、プッシュ・プル接続された二つのスイッチ素子が同時のＯＮになってしまうと、その瞬間に電源からグランドに向けて大きな突入電流が流れてスイッチ素子に損傷を与える。そこで、こうした事態を避けるため、一方のスイッチ素子がＯＮで他方のスイッチ素子がＯＦＦの状態から、一方のスイッチ素子がＯＦＦで他方のスイッチ素子がＯＮの状態に切り換える場合には、両方のスイッチ素子がＯＦＦの状態（デッドタイム状態）を経由して切り換えることが行われる。尚、デッドタイム状態となっている時間は、「デッドタイム」と呼ばれる。
【０００５】
また、平滑フィルターに入力される電圧が切り換わる際には、平滑フィルターを構成する誘導成分によって逆起電力が発生する。そこで、デッドタイム状態中にスイッチ素子に過大な逆起電力が掛かることの無いように、電流をバイパスさせるダイオード（還流ダイオード）が、それぞれのスイッチ素子に対して並列に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−８１０１４号公報
【特許文献２】特開２００８−８２２０２号公報
【特許文献３】特開２００７−９６３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、二つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際に、スイッチ素子の寄生容量で充放電が発生することや、デッドタイム状態中に平滑フィルター側で生じた逆起電力によって還流ダイオードに電流が流れることなどに起因して、大きな電力損失が発生し、その結果、液体噴射装置を動作させる際の電力効率が低下することがあるという問題があった。
【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、圧電素子に駆動信号を印加して液体を噴射する液体噴射装置を、高い電力効率で動作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】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の液体噴射装置は次の構成を採用した。すなわち、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第１の電圧発生源と、
前記第１の電圧発生源と直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子と直列接続され、前記第１の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第２の電圧発生源と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第１の電圧発生源に接続された第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第２の電圧発生源に接続された第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
【００１０】
このような構成を有する本発明の液体噴射装置においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、第１の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（以下、第１の状態）と、第２の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（以下、第２の状態）とを切り換えることができる。このとき第１のダイオードおよび第２のダイオードに存在する寄生容量では電荷の充放電が行われる。詳細には後述するが、この電荷の充放電に伴ってスイッチ素子を流れる電流が電力損失を発生させる。また、第１の状態と第２の状態とを切り換える際には、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が何れもＯＦＦの状態となるデッドタイム状態を経由させて切り換える。そして、詳細には後述するが、デッドタイム状態では、平滑フィルターのコイルに生じる逆起電力によって、ダイオードの寄生容量での電荷の回生や充電が行われる。電荷の回生や充電が完了すると、ＯＮにしようとしている方のスイッチ素子に並列に接続されたダイオードの寄生容量に蓄えられていた電荷が、他方のダイオードの寄生容量に移し換えられたような状態となる。そして、このような状態から第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えれば、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮになったスイッチ素子を流れることがないので、電力損失の発生を回避することができる。また、寄生容量での電荷の回生および充電が完了するまでに要する時間は、変調信号のデューティー比に依存し、デューティー比は駆動波形信号や駆動信号の電圧に依存する。そこで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動する。
【００１１】
こうすれば、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の液体噴射装置は、第１の電圧発生源および第２の電圧発生源の代わりに、単に電源を備えた態様で把握することも可能である。このような態様で把握された本発明の液体噴射装置は、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
電源と、
前記電源の高電圧側に直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と前記電源の低電圧側との間に直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記電源の高電圧側に接続される第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記電源の低電圧側に接続される第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
【００１３】
このような態様の本発明の液体噴射装置においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、電源の高電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（上述した第１の状態に相当）と、電源の低電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（上述した第２の状態に相当）とを切り換えることができる。このとき第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量で電荷の充放電が行われ、この充放電に伴ってスイッチ素子を電流が流れると電力損失が発生する。そこで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動する。
【００１４】
こうすれば、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。
【００１５】
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、次のようにしても良い。先ず、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに、デッドタイムが対応付けられたデッドタイム情報を記憶しておく。そして、デジタル電力増幅器は、デッドタイム情報に基づいて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動することによって電力増幅変調信号を生成する。
【００１６】
こうすれば、デジタル電力増幅器が第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるに際して、寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となり、その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、デッドタイム情報に記憶されるデッドタイムは、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定することとなる情報であればよい。例えば、ＲＣ遅延回路を用いてデッドタイムを生成するのであれば、ＲＣ遅延回路の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃが決まるとデッドタイムが特定される。この場合の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃなどのように、デッドタイムを特定することとなる情報を、デッドタイムの代わりに記憶しておくこととしてもよい。
【００１７】
また、デッドタイムが駆動波形信号の電圧に対応付けられたデッドタイム情報が記憶されている場合には、デッドタイム情報を駆動波形信号発生回路に記憶しておき、駆動波形信号を変調回路に出力する際には、その駆動波形信号に対応するデッドタイムをデジタル電力増幅器に出力するようにしてもよい。変調回路は、駆動波形信号を変調信号に変換してデジタル電力増幅器に出力し、デジタル電力増幅器は、その変調信号に従って第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換える。このとき、決定されたデッドタイムで第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えた時に、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。
【００１８】
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに基づいてデッドタイムを決定し、そしてデジタル電力増幅器は、決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動するようにしてもよい。
【００１９】
詳細には後述するが、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電に要する時間は、変調信号のデューティー比や、駆動波形信号の電圧、駆動信号の電圧などから容易に決定することができる。従って、これら何れかに基づいて決定したデッドタイムで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子を切り換えてやれば、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧などに基づいて決定する事項は、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定可能な事項であればよい。例えば、デッドタイムを生成するＲＣ遅延回路の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃなどを、デッドタイムの代わりに決定しても良い。
【００２０】
また、デジタル電力増幅器は、デッドタイムを受け取るのではなく、変調信号や、駆動波形信号、あるいは駆動信号の何れかを受け取ってデッドタイムを決定してもよい。そして、決定したデッドタイムで第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。
【００２１】
また、上述した本発明の液体噴射装置は、圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することができる。このため、圧電素子に駆動信号を印加して液体を加圧することによって液体を噴射する各種の医療機器を、高い電力効率で動作させることが可能となる。尚、液体を噴射する医療機器としては、水や生理食塩水を噴射して生体組織を切開あるいは切除する機器に限らず、たとえば薬液や圧送する医療機器などとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施例の圧電素子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２】本実施例の圧電素子駆動回路の回路構成を示した説明図である。
【図３】一定電圧出力時のデジタル電力増幅器での消費電力がデューティー比に応じて増加する様子を示した説明図である。
【図４】デジタル電力増幅器の詳細な構成を示した回路図である。
【図５】デジタル電力増幅器での電力増幅時に電力損失が発生する理由を示した説明図である。
【図６】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流がほぼ直線的に変化する様子を示した説明図である。
【図７】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流がほぼ直線的に変化する理由を示した説明図である。
【図８】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流の振幅が、デューティー比に応じて変化する様子を示した説明図である。
【図９】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに大きな電流が流れる条件では、電力増幅時の電力損失が低下する理由を示した説明図である。
【図１０】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに大きな電流が流れる条件では、電力増幅時の電力損失が低下する理由を示した説明図である。
【図１１】一定電圧の出力時のデジタル電力増幅器の動作を、平滑フィルターのコイルに流れる電流の大きさに応じて示した説明図である。
【図１２】一定電圧の出力時にデジタル電力増幅器で電力損失が発生しない条件を示した説明図である。
【図１３】本実施例の圧電素子駆動回路の一部を例示した説明図である。
【図１４】本実施例のデジタル電力増幅器が二つのスイッチを駆動するために行うスイッチ駆動処理のフローチャートである。
【図１５】スイッチ駆動処理でスイッチを駆動したときに電圧が切り換わる様子を示した説明図である。
【図１６】第１変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１７】第２変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１８】第３変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１９】第４変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図２０】第５変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図２１】圧電素子駆動回路を用いて駆動される印刷装置の噴射ヘッドを例示した説明図である。
【図２２】噴射ヘッドを駆動するために出力される駆動信号の電圧波形を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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：
Ａ−１．全体構成：
Ａ−２．圧電素子駆動回路の概要：
Ａ−３．デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム：
Ａ−４．デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム：
Ａ−５．圧電素子駆動回路の詳細：
Ａ−６．スイッチ駆動方法：
Ｂ．変形例：
Ｂ−１．第１変形例：
Ｂ−２．第２変形例：
Ｂ−３．第３変形例：
Ｂ−４．第４変形例：
Ｂ−５．第５変形例：
Ｂ−６．第６変形例：
【００２４】
Ａ．装置構成 ：
Ａ−１．全体構成 ：
図１は、本実施例の圧電素子駆動回路２００を搭載した液体噴射装置１００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、液体を噴射するための脈動発生部１１０と、脈動発生部１１０に向けて液体を供給する液体供給手段１２０と、脈動発生部１１０および液体供給手段１２０の動作を制御する制御部１３０などから構成されている。液体噴射装置１００は、パルス状の液体を脈動発生部１１０から噴射することによって、生体組織を切除または切開することに使用する手術具（ウォータージェットメス）として機能する。
【００２５】
脈動発生部１１０は、金属製の第２ケース１１３に、同じく金属製の第１ケース１１４を重ねてネジ止めなどによって堅固に結合した構造となっており、第２ケース１１３の前面には円管形状の液体噴射管１１２が立設され、液体噴射管１１２の先端にはノズル１１１が挿着されている。第２ケース１１３と第１ケース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、液体噴射管１１２を介してノズル１１１に接続されている。また、第１ケース１１４の内部には、積層型の圧電素子１１６が設けられている。脈動発生部１１０と制御部１３０とは配線ケーブル１５０によって接続されており、制御部１３０内の圧電素子駆動回路２００からは、配線ケーブル１５０を介して駆動信号が圧電素子１１６に供給される。また、配線ケーブル１５０はコネクターによって脈動発生部１１０に取り付けられている。このため、配線ケーブル１５０は、長さや特性の異なる種々の配線ケーブル１５０に取り替えることができる。
【００２６】
液体供給手段１２０は、噴射しようとする液体（水、生理食塩水、薬液など）が貯められた液体容器１２３から、第１接続チューブ１２１を介して液体を吸い上げた後、第２接続チューブ１２２を介して脈動発生部１１０の液体室１１５内に供給する。このため、液体室１１５は液体で満たされた状態となっている。そして、制御部１３０から駆動信号を圧電素子１１６に印加すると、圧電素子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、ノズル１１１からパルス状に噴射される。圧電素子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。また、駆動信号は、制御部１３０内に搭載された圧電素子駆動回路２００によって生成されている。
【００２７】
Ａ−２．圧電素子駆動回路構成の概要 ：
図２は、制御部１３０に搭載された圧電素子駆動回路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圧電素子駆動回路２００は、駆動信号の基準となる駆動波形信号（以下、ＷＣＯＭ）を出力する駆動波形信号発生回路２１０と、駆動波形信号発生回路２１０から受け取った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をパルス変調して変調信号（以下、ＭＣＯＭ）に変換する変調回路２３０と、変調回路２３０からのＭＣＯＭをデジタル的に電力増幅して電力増幅変調信号（以下、ＡＣＯＭ）を生成するデジタル電力増幅器２４０と、デジタル電力増幅器２４０からＡＣＯＭを受け取って変調成分を取り除いた後、駆動信号（以下、ＣＯＭ）として脈動発生部１１０の圧電素子１１６に供給する平滑フィルター２５０と、平滑フィルター２５０から出力されたＣＯＭに対して位相を進ませる補償（位相進み補償）を加えてｄＣＯＭ（帰還信号）を生成する位相進み補償回路２６０とを備えている。尚、第１実施例の圧電素子駆動回路２００には、ＣＯＭに対して位相進み補償を加えたｄＣＯＭを負帰還させているが、負帰還させない構成とすることも可能である。この場合は、演算回路２２０や位相進み補償回路２６０が不要となる。その結果、変調回路２３０は、ｄＷＣＯＭではなく、ＷＣＯＭに対してパルス変調を行う。
【００２８】
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。演算回路２２０では、こうして出力されたＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算した信号を、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として出力する。
【００２９】
変調回路２３０では、ｄＷＣＯＭを一定周期（変調周期）の三角波と比較することによって、パルス波状のＭＣＯＭ（変調信号）を生成（パルス変調）する。たとえばｄＷＣＯＭの方が三角波よりも大きい期間では高電圧状態（出力が「Ｈ」）となり、ｄＷＣＯＭの方が三角波よりも小さい期間では低電圧状態（出力が「Ｌ」）となるようなＭＣＯＭが出力される。尚、ＭＣＯＭが「Ｈ」となる時間比率は、「デューティー比（あるいはオンデューティー比）」と呼ばれる。変調回路２３０によって得られたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅器２４０に入力される。詳細な構成については後述するが、デジタル電力増幅器２４０は、電源と、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）と、グランドＧＮＤとが、この順序で直列に接続されている。ＭＣＯＭの出力がＯＮの場合は、電源側のスイッチ素子がＯＮになり、グランドＧＮＤ側のスイッチ素子がＯＦＦになって、電源の電圧ＶｄｄがＡＣＯＭとして出力される。また、ＭＣＯＭの出力がＯＦＦの場合は、電源側のスイッチ素子がＯＦＦになり、グランドＧＮＤ側のスイッチ素子がＯＮになってグランドＧＮＤの電圧０がＡＣＯＭとして出力される。その結果、変調回路２３０の動作電圧とグランドＧＮＤとの間でパルス波状に変化するＭＣＯＭが、電源の電圧ＶｄｄとグランドＧＮＤの電圧０との間でパルス波状に変化するＡＣＯＭに電力増幅される。この増幅では、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えているだけなので、アナログ波形を増幅する場合に比べれば、電力損失を抑制することが可能である。尚、本実施例では、１つの電源の高電圧側の電圧をＶｄｄとし、低電圧側の電圧をグランドＧＮＤとしたが、発生する電圧の異なる２つの電源を用いて、電圧ＶｄｄおよびグランドＧＮＤを発生させても良い。すなわち、高い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧をＶｄｄとし、低い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧あるいは低電圧側の電圧をグランドＧＮＤとしてもよい。このように２つの電源を用いれば、圧電素子１１６に対してマイナスのＣＯＭを印加することができるので、圧電素子１１６の残留歪みによって圧電素子１１６の変位量が少なくなってしまう事態を回避することが可能となる。
【００３０】
こうして電力増幅されたＡＣＯＭ（電力増幅変調信号）は、ＬＣ回路によって構成される平滑フィルター２５０を通すことによってＣＯＭ（駆動信号）に変換され、圧電素子１１６に印加される。また、ＣＯＭは演算回路２２０に負帰還されるが、平滑フィルター２５０を通過することによって、ＣＯＭは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、コンデンサーと抵抗とによって構成された位相進み補償回路２６０を通して位相を進ませる補償（位相進み補償）を行い、得られた信号をｄＣＯＭとして演算回路２２０に負帰還させるようになっている。
【００３１】
Ａ−３．デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム ：
上述したように、デジタル電力増幅器２４０は、大きな電力損失を伴うことなく、変調信号（ＭＣＯＭ）を電力増幅してＡＣＯＭを生成することが可能である。しかし、デジタル電力増幅器２４０でも、ある条件が成立すると電力増幅時に大きな電力損失が発生することがある。
【００３２】
図３は、デジタル電力増幅器２４０で電力損失が発生する様子を示した説明図である。図示されるように、たとえば負荷に対して一定電圧を出力する場合には、変調信号のデューティー比が上限付近になると急激に電力損失が増加する。変調信号のデューティー比が下限付近になった場合にも急激に電力損失が増加する。このような現象が生じると、ＷＣＯＭを変調してＭＣＯＭに変換してから増幅している意味が無くなってしまうので対策が必要となる。そのためには、このような現象が生じるメカニズムを明らかにしなければならない。
【００３３】
図４は、デジタル電力増幅器２４０の内部構成を示した回路図である。図示されるように、デジタル電力増幅器２４０は、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を中心として構成されており、一方のスイッチ素子Ｓ１には電源Ｖｄｄが接続され、他方のスイッチ素子Ｓ２にはグランドＧＮＤが接続されている。尚、スイッチ素子Ｓ１が本発明の「第１のスイッチ素子」に対応し、スイッチ素子Ｓ２が本発明の「第２のスイッチ素子」に対応する。
【００３４】
更に、スイッチ素子Ｓ１には、グランドＧＮＤ側から電源Ｖｄｄ側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードＤ１が並列に接続され、スイッチ素子Ｓ２にも、グランドＧＮＤ側から電源Ｖｄｄ側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードＤ２が並列に接続されている。従って、還流ダイオードＤ１が本発明の「第１のダイオード」に対応し、還流ダイオードＤ２が本発明の「第２のダイオード」に対応する。また、還流ダイオードＤ１，Ｄ２には、端子間に寄生容量が存在する。図４では、還流ダイオードＤ１に存在する寄生容量を寄生容量Ｃ１と表し、還流ダイオードＤ２に存在する寄生容量を寄生容量Ｃ２と表している。尚、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの素子を用いることができる。
【００３５】
ゲートドライバー２４２は、変調回路２３０から供給されるＭＣＯＭに基づいて、スイッチ素子Ｓ１を駆動するための駆動信号Ｖｇ１、およびスイッチ素子Ｓ２を駆動するための駆動信号Ｖｇ２を出力する。そして、高電圧状態（以下では、「Ｈ」と表記する）の駆動信号Ｖｇ１が出力されるとスイッチ素子Ｓ１がＯＮ（導通状態）となり、低電圧状態（以下では、「Ｌ」と表記する）の駆動信号Ｖｇ１が出力されるとスイッチ素子Ｓ１がＯＦＦ（非導通状態）となる。スイッチ素子Ｓ２についても同様に、駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」になるとスイッチ素子Ｓ２がＯＮになり、駆動信号Ｖｇ２が「Ｌ」になるとスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。ゲートドライバー２４２が駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を出力する処理の詳細については後述する。
【００３６】
図５は、デジタル電力増幅器２４０が電力増幅する動作を示した説明図である。図５（ａ）は、スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦでスイッチ素子Ｓ２がＯＮであるから、ＡＣＯＭとして電圧０が出力されている状態を表している。また、図５（ｄ）は、スイッチ素子Ｓ１がＯＮでスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦであるから、ＡＣＯＭとして電圧Ｖｄｄが出力されている状態を表している。デジタル電力増幅器２４０が平滑フィルター２５０に対してＡＣＯＭを出力する際には、これら２つの状態が交互に切り換わる。尚、以下では、スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦでスイッチ素子Ｓ２がＯＮの状態（ＡＣＯＭとして電圧０が出力されている状態）を、「ＡＣＯＭがＬの状態」と称し、逆に、スイッチ素子Ｓ１がＯＮでスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦの状態（ＡＣＯＭとして電圧Ｖｄｄが出力されている状態）を、「ＡＣＯＭがＨの状態」と称することがある。
【００３７】
また、２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が同時にＯＮになると、電源ＶｄｄからグランドＧＮＤに向かって大きな突入電流が流れてスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２に損傷を与える。そこで、こうしたことを回避するために、ＡＣＯＭが「Ｈ」の状態と「Ｌ」の状態とを切り換える際には、スイッチ素子Ｓ１およびスイッチ素子Ｓ２が何れもＯＦＦとなる状態（デッドタイム状態）を経由して切り換える。図５（ｂ）は、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態を示しており、図５（ｅ）は、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態を示している。
【００３８】
ここで、図５（ａ）に示した状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に着目すると、この状態では、還流ダイオードＤ１の一方の端子は電圧Ｖｄｄに接続され、他方の端子はグランドＧＮＤに接続されている。従って、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄積（充電）される。また、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２については、何れの端子もグランドＧＮＤに接続されているので、電荷が蓄積されることはない。この状態からデッドタイム状態になると、図５（ｂ）に示すように、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。
【００３９】
そしてデッドタイム状態が経過すると、今度はスイッチ素子Ｓ１がＯＮになる。ここで、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側（電源Ｖｄｄに近い側）の端子に着目すると、図５（ａ）に示した状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子はグランドＧＮＤに接続されており、図５（ｂ）の状態でもグランドＧＮＤの電圧に保たれている。一方、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄えられているから、スイッチ素子Ｓ１をＯＮにした瞬間に、寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に流入する。図５（ｄ）には、寄生容量Ｃ１から寄生容量Ｃ２に向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子Ｓ１で抵抗損失を発生させる。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷だけでは、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧をＶｄｄまで上昇させることができなかった場合は、電源Ｖｄｄから電荷が供給される。このときの電流もスイッチ素子Ｓ１で抵抗損失を発生させる。
【００４０】
このようにして還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が流れ込むと、最終的には図５（ｄ）に示した状態（ＡＣＯＭがＨの状態）となる。この状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子は電源Ｖｄｄに接続され、ロー側（ハイ側とは反対側）の端子はグランドＧＮＤに接続されているので電荷が蓄積（充電）されている。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の端子は何れも電源Ｖｄｄに接続されているので電荷が蓄積されることはない。
【００４１】
以上では、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）から図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）に切り換える場合について説明したが、今度は逆に、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）から図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に切り換える場合について説明する。図５（ｄ）の状態からデッドタイム状態になると、図５（ｅ）に示すように、スイッチ素子Ｓ１をＯＦＦにする。この状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には電荷が蓄えられて、ハイ側の端子電圧がＶｄｄとなっている。そしてデッドタイム状態が経過するとスイッチ素子Ｓ２がＯＮになる。すると、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子がグランドＧＮＤに接続された状態となるので、寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がグランドＧＮＤに排出される。図５（ｄ）には、寄生容量Ｃ２からグランドＧＮＤに向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子Ｓ２で抵抗損失を発生させる。
【００４２】
また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１のハイ側の端子は電源Ｖｄｄに接続されているので、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がグランドＧＮＤに排出されて、寄生容量Ｃ２のハイ側端子の電圧が低下するに従って、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄積（充電）されていき、最終的には、図５（ａ）に示した状態となる。
【００４３】
以上は、デジタル電力増幅器２４０に平滑フィルター２５０が接続されていないものとして説明した。しかし、図１に示したようにデジタル電力増幅器２４０には平滑フィルター２５０が接続されているので、このことによる影響も考慮する必要がある。そこで、先ず始めに、一般的な平滑フィルターに一定電圧を急に印加したときの挙動や、平滑フィルターに印加されている電圧を急に０に落としたときの挙動について検討する。
【００４４】
図６は、コイルとコンデンサーとによって構成される一般的な平滑フィルターに、一定周期Ｔで電圧Ｅと電圧０とに切り換わる電圧を印加した時に、一般的な平滑フィルターのコイルに流れる電流を示している。本実施例のデジタル電力増幅器２４０の出力（ＡＣＯＭ）は、電圧ＶｄｄとグランドＧＮＤの電圧とを繰り返すから、図５の電圧Ｅを電圧Ｖｄｄと読み替えれば、本実施例の平滑フィルター２５０に適用することができる。
【００４５】
一定周期Ｔの中で電圧Ｅ（電圧Ｖｄｄに対応）を印加している時間をｔｏｎとすると、デューティー比Ｄは、ｔｏｎ／Ｔ（パーセント表示の場合は１００×ｔｏｎ／Ｔ）となる。また、平滑フィルター２５０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（ＣＯＭに相当）は、ほぼ、Ｄ×Ｅによって決まる電圧となる。そして、このときにコイルには、電圧Ｅが印加されている期間では、電流がマイナス（電源側に逆流している状態）からほぼ直線的に増加してプラス（グランドＧＮＤに向けて流れる状態）に転じ、印加される電圧が電圧０になっている期間では、プラスからほぼ直線的に減少してマイナスに転じるようなノコギリ刃状の電流が流れる。
【００４６】
また、圧電素子駆動回路２００によって駆動される対象が、容量性負荷の圧電素子１１６であるから、平滑フィルター２５０の出力電圧（ＣＯＭ）が一定の条件では、一周期の間でコンデンサーに出入りする電荷が等しくなり、プラス側への振幅の最大値とマイナス側への振幅の最大値とは等しくなる。
【００４７】
図７には、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉの算出式が示されている。図７（ａ）は、電圧Ｅ（電圧Ｖｄｄに対応）を印加している期間について示したものであり、図７（ｂ）は、印加する電圧を電圧０に落としている期間について示したものである。電圧Ｅを印加している期間にコイルに流れる電流Ｉは、図７（ａ）中の回路図で示される。平滑フィルター２５０を構成するコイルのインダクタンスをＬ、コンデンサーのキャパシタンスをＣ、コイルに流れる初期電流（電圧Ｅ印加時に流れていた電流）をＩ０、コンデンサーの初期電圧（電圧Ｅの印加時でのコンデンサーの端子間電圧）をＥ０とすると、電圧Ｅと、電流Ｉとの間には、（１）式で示した微分方程式が成立し、この方程式を解くと電流Ｉは（２）式によって求められる。ここで、ω０は、平滑フィルター２５０の共振周波数（＝１／√（ＬＣ））である。そして、電圧Ｅが印加されている時間ｔｏｎは平滑フィルター２５０の共振周期に比べると十分に短いから、ｃｏｓω０ｔはほぼ１とみなすことができ、ｓｉｎω０ｔはほぼω０ｔとみなすことができる。すると（２）式は、（３）式で近似することができ、電流Ｉは時間ｔの経過とともに直線的に増加することが分かる。
【００４８】
平滑フィルター２５０に印加する電圧が電圧０に落とされている期間についても同様である。すなわち、印加する電圧を電圧０に落としている期間にコイルに流れる電流Ｉは、図７（ｂ）中の回路図で示すことができ、印加する電圧は０であるから、電流Ｉは（４）式で示した微分方程式が成立する。そしてこの方程式を解くと、印加する電圧が電圧０の期間に流れる電流Ｉは（５）式によって求められる。また、ｓｉｎω０ｔをω０ｔと近似して、ｃｏｓω０ｔを１と近似すると、電流Ｉは（６）式で求めることができる。従って、印加する電圧が電圧０に落とされている期間では、電流Ｉは時間ｔの経過とともに直線的に減少することが分かる。
【００４９】
また、図６に示したように、電圧Ｅを印加した瞬間（ｔ＝０）では、電流Ｉ＝−ＩＡであるから、（３）式より、Ｉ０＝−ＩＡとなる。更に、初期電圧Ｅ０は、図６の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｄ×Ｅ。圧電素子駆動回路２００のＣＯＭに相当）に等しいから、これらを（３）式に代入して整理すると、コイルに流れる電流の振幅ＩＡは、図８（ａ）に示した（７）式によって示される。（７）式に示されるように、電流の振幅ＩＡはデューティー比Ｄの二次関数であり、図８（ｂ）に示すように、Ｄ＝０．５（デューティー比Ｄが５０％）の時に最大値となる。
【００５０】
以上のことから次のようなことが分かる。デジタル電力増幅器２４０のＡＣＯＭを平滑フィルター２５０で平滑化して、一定のＣＯＭを負荷に印加する場合（デューティー比が一定の場合）、平滑フィルター２５０のコイルには、図６に示したようなノコギリ刃状の電流が流れる。電流の振幅がプラス側に最大となるのは、デジタル電力増幅器２４０のＡＣＯＭが「Ｈ」から「Ｌ」の状態に切り換わる瞬間であり、マイナス側に最大となるのは、ＡＣＯＭが「Ｌ」から「Ｈ」の状態に切り換わる瞬間である。また、電流Ｉの絶対値（すなわち振幅ＩＡ）は、デューティー比Ｄが５０％の時に最大となり、デューティー比Ｄが５０％から小さくなるにつれて、あるいは５０％から大きくなるにつれて、振幅ＩＡは小さくなる。尚、以上の説明では、ＣＯＭが一定であるものとして説明した。この場合、一周期の間で圧電素子１１６に流入する電流と、流出する電流とは等しくなる。これに対して、ＣＯＭが増加する場合は圧電素子１１６に流入する電流の方が多くなり、逆にＣＯＭが減少する場合は圧電素子１１６から流出する電流の方が多くなる。従って、ＣＯＭが変化する場合は、この圧電素子１１６に出入りする電流に相当する分だけ、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉが上方にシフト（増加）あるいは下方にシフト（減少）することになる。
【００５１】
デジタル電力増幅器２４０に平滑フィルター２５０を接続すると、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉがこのような挙動をすることを踏まえた上で、平滑フィルター２５０が接続された状態でのデジタル電力増幅器２４０の動作について考える。
【００５２】
図９は、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）から、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図９（ａ）に示されるように、ＡＣＯＭがＬの状態（スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦで、スイッチ素子Ｓ２がＯＮの状態）では、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄えられている。また、図８を用いて前述したように、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる直前には、平滑フィルター２５０のコイルからデジタル電力増幅器２４０に向かって大きさＩＡの電流が流れている。図９（ａ）では、コイルからの電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
【００５３】
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を何れもＯＦＦの状態にする。すると、平滑フィルター２５０のコイルには、自己誘導現象によって電流をそのまま流し続けようとする方向に起電力が発生する。しかし、スイッチ素子Ｓ２はＯＦＦに切り換わっているので、こちらを流れることはできない。その一方で、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には電荷が全く蓄えられていないので、この寄生容量Ｃ２がコイルの逆起電力によって充電される。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１については、コイルの逆起電力が発生する結果、寄生容量Ｃ１のロー側（電源Ｖｄｄの反対側）の端子電圧が上昇するので、ハイ側の端子との端子間電圧が小さくなる。その結果、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が電源Ｖｄｄに回生される。図９（ｂ）に示した破線の矢印は、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が充電され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が回生される様子を表している。
【００５４】
そして、図９（ｃ）に示すように、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子Ｓ２のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達するまで寄生容量Ｃ２に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子Ｓ１をＯＮにしてやる。こうすれば、図５を用いて前述したように、ＡＣＯＭの出力をＬからＨの状態に切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図９（ａ）の状態を、デッドタイム状態の間に図９（ｃ）の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。ＡＣＯＭの出力をＨからＬの状態に切り換える場合にも、同様なことが当て嵌まる。
【００５５】
図１０は、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）から、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図１０（ａ）に示されるように、ＡＣＯＭがＨの状態（スイッチ素子Ｓ１がＯＮで、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦの状態）では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が蓄えられる。また、図６を用いて前述したように、ＡＣＯＭの出力がＨからＬの状態に切り換わる直前には、デジタル電力増幅器２４０から平滑フィルター２５０のコイルに向かって大きさがＩＡの電流が流れている。図１０（ａ）では、デジタル電力増幅器２４０の電源Ｖｄｄからコイルに向かって電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
【００５６】
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を何れもＯＦＦの状態にする。すると、平滑フィルター２５０のコイルには自己誘導現象によって、電流をそのまま流し続けようとする方向に逆起電力が発生する。しかし、スイッチ素子Ｓ１はＯＦＦに切り換わっているので、電源Ｖｄｄから電荷を供給することができず、その一方で、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には端子間電圧がＶｄｄの電荷が蓄えられているので、この電荷がコイルに向かって供給される。また、これに伴ってスイッチ素子Ｓ２のハイ側の端子電圧が低下するので、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の端子間電圧が増加し、その結果として寄生容量Ｃ１に電荷が蓄えられることになる。図１０（ｂ）に示した破線の矢印は、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が蓄えられていた電荷が回生され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に電荷が充電される様子を表している。
【００５７】
そして、図１０（ｃ）に示すように、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧が電圧Ｖｄｄに達するまで寄生容量Ｃ１に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子Ｓ２をＯＮにしてやる。こうすれば、図５を用いて前述したように、ＡＣＯＭをＨからＬに切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図１０（ａ）の状態を、デッドタイム状態の間に図１０（ｃ）の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。
【００５８】
このように、ＡＣＯＭの出力を切り換えたときに、平滑フィルター２５０のコイルで大きな逆起電力が発生して、デッドタイム状態中に寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電が完了していれば、デジタル電力増幅器２４０で発生する電力損失を大幅に抑制することができる。図３に示した現象、すなわちデューティー比が下限付近の場合や逆に上限付近の場合に、圧電素子駆動回路２００での電力損失が急激に増加する現象は、コイルで十分な大きさの逆起電力を発生させることができなくなったため、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できなかったことが原因で生じたものと考えられる。
【００５９】
Ａ−４．デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム ：
図１１には、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できた場合と、完了できなかった場合とについて、デジタル電力増幅器２４０の動作が切り換わる様子が示されている。図１１（ａ）はデッドタイム状態の期間内に余裕を持って電荷の回生および充電が完了した場合を示し、図１１（ｂ）はデッドタイム状態の期間ちょうどで電荷の回生および充電が間に合った場合を示し、図１１（ｃ）はデッドタイム状態内に電荷の回生および充電が完了しなかった場合を示している。
【００６０】
先ず始めに、最も単純な場合である図１１（ｂ）の場合について説明する。デジタル電力増幅器２４０から出力されるＭＣＯＭがＬの状態からデッドタイム状態に切り換わる直前では、図６に示したようにコイルの電流Ｉはマイナス方向（デジタル電力増幅器２４０に向かって逆流する方向）に流れている。また、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭの電圧は０である。この状態を、状態［Ａ］と呼ぶことにする。続いて、スイッチ素子Ｓ２をＯＦＦに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図９（ｂ）を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電され、それに伴って、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭが上昇し、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧Ｖｄｄに達する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電されて、ＡＣＯＭが上昇している状態を、状態［Ｂ］と呼ぶことにする。
【００６１】
デッドタイム状態を終了して、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭがＨの状態になると、図６を用いて前述したように、初めのうちはコイルにマイナス方向（コイルからデジタル電力増幅器２４０に逆流する方向）の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、プラス方向（デジタル電力増幅器２４０からコイルに向かう方向）に電流が流れるようになる。ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態を、状態［Ｃ］と呼び、コイルの電流が逆転してプラス方向の電流が流れるようになった状態を、状態［Ｄ］と呼ぶことにする。
【００６２】
その後、ＡＣＯＭがＨの状態から、スイッチ素子Ｓ１をＯＦＦに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図１０（ｂ）を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の電荷が回生され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に電荷が充電されて、それに伴ってＡＣＯＭが低下する。そして、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧０まで低下する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２から電荷が回生されて、ＡＣＯＭが低下している状態を、状態［Ｅ］と呼ぶことにする。
【００６３】
デッドタイム状態を終了して、ＡＣＯＭがＬの状態になると、図６を用いて前述したように、初めのうちはコイルにプラス方向の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、マイナス方向に電流が流れるようになる。ＡＣＯＭが電圧０で、コイルにプラス方向の電流が流れている状態を、状態［Ｆ］と呼ぶことにする。また、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態は、前述した状態［Ａ］である。
【００６４】
以上では、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とがちょうど完了した場合に、デジタル電力増幅器２４０の動作が切り換わる様子について説明した。これに対して、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とが余裕を持って完了する場合には、デジタル電力増幅器２４０の動作は図１１（ａ）に示すように切り換わる。
【００６５】
先ず、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭがＬの状態の時は、前述した状態［Ａ］となっており、デッドタイム状態に切り換わると状態［Ｂ］（すなわち、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電されて、ＡＣＯＭが上昇していく状態）となる。そして、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が完了し（すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達し）て、それ以降は、還流ダイオードＤ１を通って、電荷が電源Ｖｄｄに逆流する状態となる。このような状態を、状態［Ｇ］と呼ぶ。状態［Ｇ］では、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭは、還流ダイオードＤ１の電圧降下分だけ、電圧Ｖｄｄよりも高くなる。
【００６６】
その後、ＡＣＯＭがＨの状態では、前述した状態［Ｃ］（ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルの電流がマイナスの状態）から、前述した状態［Ｄ］（ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルの電流がプラスの状態）へと推移した後、デッドタイム状態になると、前述した状態［Ｅ］（コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の電荷が回生されて、ＡＣＯＭが低下していく状態）となる。そして、この場合も、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２からの電荷の回生が完了し（すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧０まで低下し）て、それ以降は、還流ダイオードＤ２を介してグランド側から電荷を吸い出す状態となる。このような状態を、状態［Ｈ］と呼ぶ。状態［Ｈ］では、ＡＣＯＭは、還流ダイオードＤ２の電圧降下分だけ、電圧０よりも低くなる。
【００６７】
これに対して、コイルで発生する逆起電力が不足しているために、デッドタイム状態の期間内では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とが完了しない場合には、デジタル電力増幅器２４０の動作は図１１（ｃ）に示すように切り換わる。ＡＣＯＭがＬの状態からデッドタイム状態に切り換わって、デッドタイム状態が終了するまでの動作は、図１１（ａ）あるいは図１１（ｂ）を用いて前述した動作と同様である。すなわち、状態［Ａ］から状態［Ｂ］へと切り換わる。
【００６８】
しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が完了しない（すなわち、寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達しない）。同様に、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１からの電荷の回生も完了しない。このため、図５（ａ）の状態から図５（ｄ）の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子Ｓ１で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもデジタル電力増幅器２４０の出力するＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄに達していないから、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わることで、ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄまで上昇するようになる。このような状態を、状態［Ｉ］と呼ぶ。
【００６９】
また、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、ＡＣＯＭをＨからＬに切り換える時にも同様な現象が発生する。すなわち、ＡＣＯＭがＨの状態からデッドタイム状態に切り換えることに伴って、状態［Ｄ］から状態［Ｅ］に切り換わる。しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２からの電荷の回生が完了しない（すなわち、寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧が電圧０まで低下しない）。このため、図５（ｄ）の状態から図５（ａ）の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子Ｓ２で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもＡＣＯＭが電圧０まで低下していないから、スイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わった後に、ＡＣＯＭ圧が電圧０まで低下するようになる。このような状態を、状態［Ｊ］と呼ぶ。
【００７０】
以上に説明したように、デジタル電力増幅器２４０が状態［Ｉ］あるいは状態［Ｊ］になると電力損失が発生する。そして、これらの状態は、ＡＣＯＭがＬからＨに、あるいはＨからＬに切り換わる度に（従って、パルス変調のキャリア周波数ｆｃに対応する非常に高い頻度で）発生するから、結果的に、たいへんに大きな電力損失を発生させる。従って、このようなデジタル電力増幅器２４０での電力損失を回避するためには、状態［Ｉ］および状態［Ｊ］が発生しないようにすればよい。そこで、これらの状態が発生しないための条件について検討する。
【００７１】
図１２（ａ）は、状態［Ｉ］および状態［Ｊ］が発生しない条件を説明した図である。状態［Ｉ］は、状態［Ｂ］でのデッドタイム状態が経過した時に、デジタル電力増幅器２４０の出力（ＡＣＯＭ）が電圧Ｖｄｄに達していない場合に発生する。換言すれば、状態［Ｉ］が発生しないための条件は、デッドタイム状態内に、ＡＣＯＭが電圧０から電圧Ｖｄｄ以上に上昇することである。ここで、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１のキャパシタンスをＣｄ（Ｈ）、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のキャパシタンスをＣｄ（Ｌ）とすると、状態［Ｂ］でのＡＣＯＭの電圧Ｖの上昇は、図１２（ａ）中に示した（８）式で表示される。尚、（８）式中のＩＡは、デッドタイム状態に切り換わった瞬間にコイルに流れていた電流の大きさであり、図８中の（７）式によって与えられる。従って、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態をＴｄ１とすると、状態［Ｉ］が発生しないための条件は、Ｔｄ１が、図１２（ｂ）中に示した（１０）式を満足することとなる。
【００７２】
同様に、状態［Ｊ］は、状態［Ｅ］でのデッドタイム状態が経過した時に、ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄから電圧０まで低下していない場合に発生する。状態［Ｅ］でのＡＣＯＭの電圧Ｖの低下は、図１２（ａ）中に示した（９）式で表示される。従って、ＡＣＯＭがＨからＬに切り換わる際のデッドタイム状態をＴｄ２として、図８中の（７）式を代入して整理すると、状態［Ｊ］が発生しないための条件は、Ｔｄ２が、図１２（ｃ）中に示した（１１）式を満足することとなる。
【００７３】
ここで、Ｃｄ（Ｈ）、Ｃｄ（Ｌ）は、還流ダイオードＤ１，Ｄ２の特性値として予め求めておくことができる。Ｌは、平滑フィルター２５０のコイルのインダクタンスであり、Ｖｄｄは、電源Ｖｄｄが発生する電圧であり、ｆｃは変調回路２３０がパルス変調する際のキャリア周波数である。従って、ＷＣＯＭに対応するデューティー比Ｄが分かれば、（１０）式および（１１）式を満足させるＴｄ１，Ｔｄ２を容易に決定することができる。そして、このようにして決定したデッドタイム状態でスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動すれば、たとえデューティー比が上限付近や下限付近の値となっても、デジタル電力増幅器２４０での電力損失を増加させないようにすることが可能となる。本実施例の圧電素子駆動回路２００は、このような原理に基づいて、デジタル電力増幅器２４０での電力損失が増加することを回避する。
【００７４】
Ａ−５．圧電素子駆動回路の詳細 ：
図１３は、本実施例の圧電素子駆動回路２００で、デジタル電力増幅器２４０での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図２を用いて前述したように、駆動波形信号発生回路２１０は、ＣＯＭ（駆動信号）の元となるＷＣＯＭ（駆動波形信号）を出力しており、内蔵する波形メモリー２１２にＷＣＯＭのデータを記憶している。
【００７５】
図１３（ｂ）は、波形メモリー２１２にＷＣＯＭのデータが記憶されている様子を示した説明図である。図示されるようにＷＣＯＭのデータは、ＷＣＯＭの出力を開始してからの経過時間と、そのときに出力する電圧値と、デッドタイムＴｄとが記憶されている。また、ＷＣＯＭとして出力する電圧値と、デューティー比Ｄとは一対一の関係となる。尚、図１２では、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わるときのデッドタイム状態と、ＡＣＯＭがＨからＬに切り換わるときのデッドタイム状態とを区別していたが、図１２中に示した（１０）式と（１１）式とを比べれば明らかなように、どちらの場合も必要なデッドタイムＴｄ１，Ｔｄ２は同じ値となる。そこで、図１３（ｂ）では、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる場合と、ＨからＬに切り換わる場合とを区別することなく、単にデッドタイムＴｄが記憶されている。
【００７６】
駆動波形信号発生回路２１０は、波形メモリー２１２から読み出した電圧値をＷＣＯＭとして演算回路２２０に出力し、また、その電圧値に対応付けて記憶されていたデッドタイムＴｄを、デジタル電力増幅器２４０に出力する。すると、デジタル電力増幅器２４０は、変調回路２３０からのＭＣＯＭに従ってスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動する際に、デッドタイム状態の継続時間がデッドタイムＴｄとなるように、以下のような処理を行う。
【００７７】
Ａ−６．スイッチ駆動方法 ：
図１４は、デジタル電力増幅器２４０内のゲートドライバー２４２がスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動するための行うスイッチ駆動処理のフローチャートである。スイッチ駆動処理では、先ず始めに、変調回路２３０から受け取ったＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。その結果、ＭＣＯＭが「Ｈ」であると判断した場合は（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子Ｓ２はＯＦＦにすればよいので、駆動信号Ｖｇ２の出力を「Ｌ」とする（ステップＳ１０２）。
【００７８】
続いて、駆動信号Ｖｇ１が既に「Ｈ」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子Ｓ１が既にＯＮに切り換わっているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。駆動信号Ｖｇ１が「Ｈ」でなかった場合は（ステップＳ１０４：ｎｏ）、ＭＣＯＭは「Ｈ」になっているがスイッチ素子Ｓ１は未だＯＮに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄの計時を開始する（ステップＳ１０６）。そして、デッドタイムＴｄが経過したか否かを判断し（ステップＳ１０８）、デッドタイムＴｄが経過していない場合は（ステップＳ１０８：ｎｏ）、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムＴｄが経過したと判断したら（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）、駆動信号Ｖｇ１を「Ｈ」にする（ステップＳ１１０）。その結果、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。これに対して駆動信号Ｖｇ１が既に「Ｈ」になっていた場合は（ステップＳ１０４：ｙｅｓ）、既にデッドタイム状態が終了して、ＡＣＯＭが「Ｈ」の状態に切り換わっていると考えられるので、そのまま先頭に戻って、ＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かを判断して（ステップＳ１００）、上述した続く一連の処理を行う。
【００７９】
この結果、ＭＣＯＭが「Ｌ」に切り換わると、ステップＳ１００では「ｎｏ」と判断する。そしてこの場合は、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子Ｓ１はＯＦＦにすればよいので、駆動信号Ｖｇ１の出力を「Ｌ」とする（ステップＳ１１２）。続いて、駆動信号Ｖｇ２が既に「Ｈ」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子Ｓ２が既にＯＮに切り換わっているか否かを判断する（ステップＳ１１４）。その結果、駆動信号Ｖｇ２が既に「Ｈ」になっていた場合は（ステップＳ１１４：ｙｅｓ）、ＭＣＯＭが「Ｌ」になっていることに対応して、既にスイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わっていることになるので、そのまま先頭に戻って、ＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かの判断を行い（ステップＳ１００）、上述した続く一連の処理を行う。
【００８０】
これに対して、駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」でなかった場合は（ステップＳ１１４：ｎｏ）、ＭＣＯＭは「Ｌ」になっているがスイッチ素子Ｓ２は未だＯＮに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄの計時を開始する（ステップＳ１１６）。そして、デッドタイムＴｄが経過したか否かを判断し（ステップＳ１１８）、デッドタイムＴｄが経過していない場合は（ステップＳ１１８：ｎｏ）、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムＴｄが経過したと判断したら（ステップＳ１１８：ｙｅｓ）、駆動信号Ｖｇ２を「Ｈ」にする（ステップＳ１２０）。その結果、スイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。
【００８１】
図１５は、上述したスイッチ駆動処理によってスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が切り換わる様子を示した説明図である。図中に示されるように、ＭＣＯＭがＬからＨに切り換わると、駆動信号Ｖｇ２がＨからＬに切り換わってスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦに切り換わった直後は、未だスイッチ素子Ｓ１はＯＦＦのままなので、デッドタイム状態が開始される。
【００８２】
デッドタイム状態では、平滑フィルター２５０のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の回生と共に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が行われ、その結果、ＡＣＯＭが上昇していく。そして、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄが経過すると、駆動信号Ｖｇ１をＬからＨに切り換えることによってスイッチ素子Ｓ１をＯＮにする。デッドタイムＴｄは、図１２中に示した（１０）式あるいは（１１）式に従って決定されている。このため、デッドタイム状態が開始されてからデッドタイムＴｄが経過すると、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ＡＣＯＭがちょうど電圧Ｖｄｄに達した時点で、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わる。
【００８３】
その結果、寄生容量Ｃ１に貯まっていた電荷がスイッチ素子Ｓ１を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電が完了してから、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わるまでに時間がかかると、図１１（ａ）を用いて前述したように還流ダイオードＤ１を電流が流れるが、この時にも還流ダイオードＤ１の順方向効果電圧に、流れる電流を乗算した分の電力損失が発生する。本実施例の圧電素子駆動回路２００では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ１をＯＮに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードＤ１の電力損失も回避することが可能となる。
【００８４】
ＭＣＯＭがＨからＬに切り換わる場合も、ほぼ同様なことが当て嵌まる。すなわち、ＭＣＯＭがＬに切り換わったことに伴って、駆動信号Ｖｇ１がＨからＬに切り換わってスイッチ素子Ｓ１がＯＦＦになる。スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦになっただけでは、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦのままなので、デッドタイム状態が開始される。
【００８５】
デッドタイム状態では、平滑フィルター２５０のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の回生と共に、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１への充電が行われ、その結果、ＡＣＯＭが低下していく。そして、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄが経過すると、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ＡＣＯＭがちょうど電圧０まで低下するので、このタイミングで、駆動信号Ｖｇ２をＬからＨに切り換えることによってスイッチ素子Ｓ２をＯＮにする。その結果、寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がスイッチ素子Ｓ２を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、圧電素子駆動回路２００では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ２をＯＮに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードＤ２の電力損失も回避することが可能となる。
【００８６】
尚、上述した実施例では、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２を「Ｌ」から「Ｈ」に切り換える際には、タイマーを用いてデッドタイムＴｄを計時してから切り換えることとしていた。しかし、必ずしもタイマーを用いてデッドタイムＴｄを計時しなくてもよい。例えば、遅延時間がデッドタイムＴｄとなるように抵抗値Ｒあるいはコンデンサー容量Ｃを調整したＲＣ遅延回路を用いて、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２が「Ｌ」から「Ｈ」に切り換わるタイミングを、デッドタイムＴｄだけ遅らせるようにしても良い。また、デッドタイムＴｄを変更する際には、抵抗値Ｒあるいはコンデンサー容量Ｃを連続的に可変できるようにして任意のデッドタイムＴｄを実現可能としても良いが、複数種類の抵抗値Ｒ（あるいはコンデンサー容量Ｃ）を設定しておき、これらの中から適切な抵抗値Ｒ（あるいはコンデンサー容量Ｃ）を選択するようにしても良い。また、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２は、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」になってゲート端子に電流（ゲート電流）が流れることによってＯＮになる。従って、駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２が抵抗（ゲート抵抗）を介してゲート端子に接続されるようにしておき、このゲート抵抗の抵抗値Ｒを変更する（あるいは抵抗値Ｒを切り換える）ことで、ゲート電流の電流値を調整することによって、デッドタイムＴｄを調整するようにしても良い。
【００８７】
Ｂ．変形例 ：
上述した本実施例の圧電素子駆動回路２００には幾つかの変形例が存在している。以下ではこれらの変形例について簡単に説明する。尚、これら変形例を説明するにあたって、上述した本実施例の圧電素子駆動回路２００と異なる構成についてのみ説明し、本実施例と同様な構成については、同じ番号を付すことによって説明を省略する。
【００８８】
Ｂ−１．第１変形例 ：
上述した実施例では、駆動波形信号発生回路２１０の波形メモリー２１２にデッドタイムＴｄが記憶されており、駆動波形信号発生回路２１０が演算回路２２０に向かってＷＣＯＭを出力することに合わせて、そのＷＣＯＭに対応するデッドタイムＴｄが、駆動波形信号発生回路２１０からデジタル電力増幅器２４０に出力されるものとして説明した。しかし、ＷＣＯＭに応じたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力することができるのであれば、必ずしも駆動波形信号発生回路２１０からデッドタイムＴｄを出力しなくても良い。
【００８９】
図１６は、第１変形例の圧電素子駆動回路２００が、デジタル電力増幅器２４０での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図示されるように、第１変形例の圧電素子駆動回路２００では、駆動波形信号発生回路２１０の外部にデッドタイム情報記憶メモリー２７０が設けられており、このデッドタイム情報記憶メモリー２７０に、ＷＣＯＭの電圧値と、デッドタイムＴｄとが対応付けられたテーブル（デッドタイム情報）が記憶されている。そして、駆動波形信号発生回路２１０は、デジタル電力増幅器２４０に向かってＷＣＯＭを出力するとともに、デッドタイム情報記憶メモリー２７０を参照して、ＷＣＯＭに対応するデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力するようにしても良い。
【００９０】
尚、上述した第１変形例では、デッドタイム情報記憶メモリー２７０には、ＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されているものとして説明したが、これに限らず、ｄＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたテーブルや、ＭＣＯＭのデューティー比とデッドタイムＴｄとを対応付けたテーブルを、デッドタイム情報記憶メモリー２７０に記憶しておいても良い。そして、例えばｄＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、演算回路２２０がｄＷＣＯＭを出力する際、あるいは変調回路２３０がｄＷＣＯＭを受け取った際に、デッドタイム情報記憶メモリー２７０のデッドタイム情報を参照して、デッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力するようにしても良い。また、ＭＣＯＭのデューティー比とデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、変調回路２３０がＭＣＯＭを出力する際にＭＣＯＭのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力しても良い。あるいは、ＭＣＯＭを受け取ったデジタル電力増幅器２４０がＭＣＯＭのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムＴｄを読み出すようにしても良い。
【００９１】
Ｂ−２．第２変形例 ：
上述した実施例あるいは変形例では、デッドタイムＴｄが予め記憶されており、ＷＣＯＭや、ｄＷＣＯＭ、ＭＣＯＭのデューティー比などに応じて適切なデッドタイムＴｄを読み出してデジタル電力増幅器２４０に出力されるものとして説明した。しかし、デッドタイムＴｄは、図１２中に示した（１０）式あるいは（１１）式を用いて簡単に算出することができるから、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９２】
図１７は、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第２変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第２変形例の圧電素子駆動回路２００では、駆動波形信号発生回路２１０がデジタル電力増幅器２４０に向けてＷＣＯＭを出力すると、そのＷＣＯＭがデッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、受け取ったＷＣＯＭをデューティー比Ｄに変換し、デューティー比Ｄから図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出する。そして、得られたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力する。このようにしても、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることができるので、還流ダイオードＤ１，Ｄ２での電力損失を回避することができ、電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。尚、デッドタイム決定回路２８０が、本発明における「デッドタイム決定手段」に対応する。
【００９３】
Ｂ−３．第３変形例 ：
上述した第２変形例では、ＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めて、デッドタイムＴｄを算出するものとして説明した。しかし、ＷＣＯＭからではなく、ｄＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めてデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９４】
図１８は、ｄＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第３変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第３変形例の圧電素子駆動回路２００では、演算回路２２０から変調回路２３０に向かって出力されたｄＷＣＯＭが、デッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、受け取ったｄＷＣＯＭをデューティー比Ｄに変換して、図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出し、デジタル電力増幅器２４０に出力する。
【００９５】
駆動波形信号発生回路２１０が出力したＷＣＯＭは、ｄＣＯＭが負帰還されてｄＷＣＯＭに変換され、そのｄＷＣＯＭがパルス変調されたＭＣＯＭがデジタル電力増幅器２４０に供給される。従って、駆動波形信号発生回路２１０がデジタル電力増幅器２４０に向けて出力するＷＣＯＭと、デジタル電力増幅器２４０が受け取るＭＣＯＭとは、厳密には対応していない。このことから、ｄＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めてデッドタイムＴｄを算出した方が、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【００９６】
Ｂ−４．第４変形例 ：
また、ＷＣＯＭやｄＷＣＯＭから求めたデューティー比Ｄではなく、ＭＣＯＭから計測したデューティー比Ｄを用いてデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９７】
図１９は、ｄＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第４変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第４変形例の圧電素子駆動回路２００では、変調回路２３０からデジタル電力増幅器２４０に向かって出力されたＭＣＯＭが、デッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、ＭＣＯＭを受け取ると、そのＭＣＯＭのデューティー比Ｄを計測し、図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出する。そして得られたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力する。
【００９８】
変調回路２３０では、ｄＷＣＯＭを三角波と比較することによってＭＣＯＭを生成するが、三角波が歪んだり、ドリフトしたりしていると、ｄＷＣＯＭから推定されるＭＣＯＭのデューティー比Ｄと、実際に変調回路２３０で得られるＭＣＯＭのデューティー比Ｄとが一致しなくなる。そして、デジタル電力増幅器２４０には変調回路２３０で得られたＭＣＯＭが供給される。従って、ＭＣＯＭのデューティー比ＤをｄＷＣＯＭから推定するのではなく、ＭＣＯＭから計測した方が、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【００９９】
Ｂ−５．第５変形例 ：
上述した変形例のように、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するには、ある程度の時間が必要となる。このため、ＷＣＯＭの電圧値に対応するデッドタイムＴｄを算出した時点では、その電圧値に対応するＡＣＯＭが既にデジタル電力増幅器２４０から出力されている場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路２１０からデジタル電力増幅器２４０までの間の何れかの位置に遅延回路２９０を挿入することによって、ＡＣＯＭを出力するタイミングを調整しても良い。
【０１００】
図２０は、遅延回路２９０を備えた第５変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示した例では、変調回路２３０とデジタル電力増幅器２４０との間に遅延回路２９０が設けられている。このため、デッドタイム決定回路２８０がＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するまでの間に、そのＷＣＯＭに対応するＡＣＯＭがデジタル電力増幅器２４０から出力されないようになっている。こうすれば、デジタル電力増幅器２４０は、デッドタイム決定回路２８０から出力されるデッドタイムＴｄに基づいて、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることができるので、電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【０１０１】
また、駆動波形信号発生回路がＷＣＯＭを出力してから変調回路がＭＣＯＭに変換するために掛かる時間が、デッドタイムＴｄを算出する時間よりも長い場合、その電圧値に対応するＭＣＯＭが未だ変調回路２３０から出力されていない場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路２１０とデッドタイム決定回路２８０までの間か、デッドタイム決定回路２８０とデジタル電力増幅回路２４０の間の何れかの位置に遅延回路を挿入することによって、デッドタイムが挿入されるタイミングを調整しても良い。
【０１０２】
尚、上述した第５変形例では、デッドタイム決定回路２８０はＷＣＯＭに基づいてデッドタイムＴｄを算出するものとして説明したが、ｄＷＣＯＭや、ＭＣＯＭに基づいてデッドタイムＴｄを算出するようにしても構わない。
【０１０３】
Ｂ−６．第６変形例 ：
上述した本実施例あるいは各種の変形例では、圧電素子駆動回路２００が液体噴射装置１００の圧電素子１１６を駆動するものとして説明した。しかし、インクジェットプリンターでインクを噴射する噴射ノズルは、アクチュエーターとして圧電素子を利用しているので、噴射ノズルの圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路２００としても好適に適用することができる。
【０１０４】
図２１は、インクジェットプリンターに搭載された噴射ヘッド４００の大まかな内部構造を示した説明図である。噴射ヘッド４００の底面（印刷媒体２に向いている面）には、インクを噴射する複数の噴射ノズル４０２が設けられている。噴射ノズル４０２はそれぞれインク室４０４に接続されており、インク室４０４には、図示しないインクカートリッジから供給されたインクが満たされている。インク室４０４の上には圧電素子４０６が設けられており、圧電素子４０６にＣＯＭ（駆動信号）を印加すると、圧電素子４０６が変形してインク室４０４を加圧することによって、噴射ノズル４０２からインクが噴射される。
【０１０５】
ＣＯＭ（駆動信号）は、インクジェットプリンターに搭載された制御回路４５０の制御の下で圧電素子駆動回路２００によって生成される。また、生成されたＣＯＭは、ゲートユニット４６０を介して圧電素子４０６に供給される。ゲートユニット４６０は、複数のゲート素子４６２が並列に接続された回路ユニットであり、ゲート素子４６２は、制御回路４５０からの制御の下で、個別に導通状態または切断状態とすることが可能である。従って、圧電素子駆動回路２００から出力されたＣＯＭは、制御回路４５０によって予め導通状態に設定されたゲート素子４６２だけを通過して、対応する圧電素子４０６に印加され、その噴射ノズル４０２からインクが噴射される。
【０１０６】
ここで、圧電素子４０６に印加されるＣＯＭは、図２２に示すような波形の信号が用いられる。すなわち、インクを噴射する前には、圧電素子４０６を初期状態から一旦収縮させるために、ＣＯＭの電圧が上昇し、その後、圧電素子４０６を大きく伸張させるために、ＣＯＭが大きく低下する。その結果、初期状態の電圧（初期電圧）よりも低くなった後、再び上昇して、初期電圧に戻る波形となっている。このような波形となっている関係上、噴射ヘッド４００がインクを噴射していない待機状態でも、圧電素子４０６には比較的低い初期電圧（すなわち、制御信号Ｖｃのデューティー比が小さな値となる電圧）のＣＯＭが印加されている。従って、このようなＣＯＭを出力する圧電素子駆動回路２００に、上述した本実施例あるいは各種の変形例の圧電素子駆動回路２００を適用すれば、待機状態中にも電力損失が発生することを回避することが可能となる。
【０１０７】
以上、各種の圧電素子駆動回路２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例や各種の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液体噴射装置など、医療機器を含む様々な電子機器を駆動するための圧電素子駆動回路に対しても、本発明の圧電素子駆動回路２００を好適に適用することができる。
【０１０８】
尚、上述した実施例および各種の変形例では、スイッチＳ１と還流ダイオードＤ１、スイッチＳ２と還流ダイオードＤ２はそれぞれ異なる素子の場合の説明をしたが、ひとつの素子がスイッチと還流ダイオードを含んでいる場合においても適用することができる。例えば、スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴに内蔵される寄生ダイオードが還流ダイオードの役割を果たす。この場合は、本発明におけるスイッチＳ１と還流ダイオードＤ１、スイッチＳ２と還流ダイオードＤ２が同一素子内に存在していることになる。本発明は、ＭＯＳＦＥＴのように1つの素子でスイッチと還流ダイオードの役割を果たす素子においても適用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…液体噴射装置、 １１０…脈動発生部、 １１１…ノズル、
１１２…液体噴射管、 １１３…第２ケース、 １１４…第１ケース、
１１５…液体室、 １１６…圧電素子、 １２０…液体供給手段、
１２１…第１接続チューブ、 １２２…第２接続チューブ、 １２３…液体容器、
１３０…制御部、 １５０…配線ケーブル、 ２００…圧電素子駆動回路、
２１０…駆動波形信号発生回路、 ２１２…波形メモリー、 ２２０…演算回路、
２３０…変調回路、 ２４０…デジタル電力増幅器、
２４２…ゲートドライバー、 ２５０…平滑フィルター、 ２６０…補償回路、
２７０…デッドタイム情報記憶メモリー、 ２８０…デッドタイム決定回路、
２９０…遅延回路、 ４００…噴射ヘッド、 ４０２…噴射ノズル、
４０４…インク室、 ４０６…圧電素子、 ４５０…制御回路、
４６０…ゲートユニット、 ４６２…ゲート素子、
Ｓ１…スイッチ素子、 Ｃ１…寄生容量、 Ｄ１…還流ダイオード、
Ｓ２…スイッチ素子、 Ｃ２…寄生容量、 Ｄ２…還流ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、液体を噴射する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるインクジェットプリンターのように、圧電素子に駆動信号を印加してインクなどの液体を加圧することによって液体を噴射する液体噴射装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、水や生理食塩水などの液体を加圧してノズルから噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置も提案されている（特許文献２）。これら液体噴射装置には駆動回路が搭載されており、駆動回路で生成した駆動信号を印加することによって圧電素子を駆動する。
【０００３】
圧電素子のような容量性負荷を高い電力効率で駆動可能な技術としては、いわゆるＤ級増幅器と呼ばれる技術が知られている。この技術では、電源とグランドとの間で、二つのスイッチ素子をプッシュ・プル接続しておき、二つのスイッチ素子の間の電圧を引き出して平滑フィルターに入力した後、駆動信号として外部に出力する。電源側のスイッチ素子をＯＮ（導通状態）として、グランド側のスイッチ素子をＯＦＦ（切断状態）とすれば、平滑フィルターには電源の電圧が入力され、逆に、電源側のスイッチ素子をＯＦＦとして、グランド側のスイッチ素子をＯＮとすれば、平滑フィルターにはグランドの電圧が入力される。従って、出力しようとする駆動信号の基準となる駆動波形信号をパルス変調して、得られた変調信号に基づいてスイッチ素子を駆動すれば、変調信号を電力増幅した電力増幅変調信号を、高い電力効率で生成することができる。そして、この電力増幅変調信号を平滑フィルターで平滑化すれば、駆動波形信号に対応する駆動信号を出力することができる。また、このＤ級増幅器に関する技術を利用して圧電素子を駆動する技術も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
ここで、変調信号を電力増幅する際に、プッシュ・プル接続された二つのスイッチ素子が同時のＯＮになってしまうと、その瞬間に電源からグランドに向けて大きな突入電流が流れてスイッチ素子に損傷を与える。そこで、こうした事態を避けるため、一方のスイッチ素子がＯＮで他方のスイッチ素子がＯＦＦの状態から、一方のスイッチ素子がＯＦＦで他方のスイッチ素子がＯＮの状態に切り換える場合には、両方のスイッチ素子がＯＦＦの状態（デッドタイム状態）を経由して切り換えることが行われる。尚、デッドタイム状態となっている時間は、「デッドタイム」と呼ばれる。
【０００５】
また、平滑フィルターに入力される電圧が切り換わる際には、平滑フィルターを構成する誘導成分によって逆起電力が発生する。そこで、デッドタイム状態中にスイッチ素子に過大な逆起電力が掛かることの無いように、電流をバイパスさせるダイオード（還流ダイオード）が、それぞれのスイッチ素子に対して並列に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−８１０１４号公報
【特許文献２】特開２００８−８２２０２号公報
【特許文献３】特開２００７−９６３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、二つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際に、スイッチ素子の寄生容量で充放電が発生することや、デッドタイム状態中に平滑フィルター側で生じた逆起電力によって還流ダイオードに電流が流れることなどに起因して、大きな電力損失が発生し、その結果、液体噴射装置を動作させる際の電力効率が低下することがあるという問題があった。
【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、圧電素子に駆動信号を印加して液体を噴射する液体噴射装置を、高い電力効率で動作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】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の液体噴射装置は次の構成を採用した。すなわち、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第１の電圧発生源と、
前記第１の電圧発生源と直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子と直列接続され、前記第１の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第２の電圧発生源と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第１の電圧発生源に接続された第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第２の電圧発生源に接続された第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
【００１０】
このような構成を有する本発明の液体噴射装置においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、第１の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（以下、第１の状態）と、第２の電圧発生源の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（以下、第２の状態）とを切り換えることができる。このとき第１のダイオードおよび第２のダイオードに存在する寄生容量では電荷の充放電が行われる。詳細には後述するが、この電荷の充放電に伴ってスイッチ素子を流れる電流が電力損失を発生させる。また、第１の状態と第２の状態とを切り換える際には、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子が何れもＯＦＦの状態となるデッドタイム状態を経由させて切り換える。そして、詳細には後述するが、デッドタイム状態では、平滑フィルターのコイルに生じる逆起電力によって、ダイオードの寄生容量での電荷の回生や充電が行われる。電荷の回生や充電が完了すると、ＯＮにしようとしている方のスイッチ素子に並列に接続されたダイオードの寄生容量に蓄えられていた電荷が、他方のダイオードの寄生容量に移し換えられたような状態となる。そして、このような状態から第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えれば、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮになったスイッチ素子を流れることがないので、電力損失の発生を回避することができる。また、寄生容量での電荷の回生および充電が完了するまでに要する時間は、変調信号のデューティー比に依存し、デューティー比は駆動波形信号や駆動信号の電圧に依存する。そこで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動する。
【００１１】
こうすれば、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の液体噴射装置は、第１の電圧発生源および第２の電圧発生源の代わりに、単に電源を備えた態様で把握することも可能である。このような態様で把握された本発明の液体噴射装置は、
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
電源と、
前記電源の高電圧側に直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と前記電源の低電圧側との間に直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記電源の高電圧側に接続される第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記電源の低電圧側に接続される第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする。
【００１３】
このような態様の本発明の液体噴射装置においては、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、電源の高電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（上述した第１の状態に相当）と、電源の低電圧側の電圧が電力増幅変調信号として出力される状態（上述した第２の状態に相当）とを切り換えることができる。このとき第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量で電荷の充放電が行われ、この充放電に伴ってスイッチ素子を電流が流れると電力損失が発生する。そこで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換える際には、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動する。
【００１４】
こうすれば、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。その結果、液体噴射装置の圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することが可能となり、液体噴射装置を高い電力効率で動作させることが可能となる。
【００１５】
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、次のようにしても良い。先ず、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに、デッドタイムが対応付けられたデッドタイム情報を記憶しておく。そして、デジタル電力増幅器は、デッドタイム情報に基づいて決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動することによって電力増幅変調信号を生成する。
【００１６】
こうすれば、デジタル電力増幅器が第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるに際して、寄生容量での電荷の回生および充電が完了したタイミングで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えることができる。このため、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となり、その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、デッドタイム情報に記憶されるデッドタイムは、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定することとなる情報であればよい。例えば、ＲＣ遅延回路を用いてデッドタイムを生成するのであれば、ＲＣ遅延回路の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃが決まるとデッドタイムが特定される。この場合の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃなどのように、デッドタイムを特定することとなる情報を、デッドタイムの代わりに記憶しておくこととしてもよい。
【００１７】
また、デッドタイムが駆動波形信号の電圧に対応付けられたデッドタイム情報が記憶されている場合には、デッドタイム情報を駆動波形信号発生回路に記憶しておき、駆動波形信号を変調回路に出力する際には、その駆動波形信号に対応するデッドタイムをデジタル電力増幅器に出力するようにしてもよい。変調回路は、駆動波形信号を変調信号に変換してデジタル電力増幅器に出力し、デジタル電力増幅器は、その変調信号に従って第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換える。このとき、決定されたデッドタイムで第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子をＯＮに切り換えた時に、寄生容量に蓄えられていた電荷が、ＯＮにしたスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することが可能となる。
【００１８】
また、上述した本発明の液体噴射装置においては、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧の何れかに基づいてデッドタイムを決定し、そしてデジタル電力増幅器は、決定されたデッドタイムで、第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を駆動するようにしてもよい。
【００１９】
詳細には後述するが、第１のダイオードおよび第２のダイオードの寄生容量での電荷の回生および充電に要する時間は、変調信号のデューティー比や、駆動波形信号の電圧、駆動信号の電圧などから容易に決定することができる。従って、これら何れかに基づいて決定したデッドタイムで、第１のスイッチ素子あるいは第２のスイッチ素子を切り換えてやれば、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。尚、変調信号のデューティー比、駆動波形信号の電圧、あるいは駆動信号の電圧などに基づいて決定する事項は、必ずしもデッドタイムそのものである必要はなく、デッドタイムを特定可能な事項であればよい。例えば、デッドタイムを生成するＲＣ遅延回路の抵抗値Ｒやコンデンサー容量Ｃなどを、デッドタイムの代わりに決定しても良い。
【００２０】
また、デジタル電力増幅器は、デッドタイムを受け取るのではなく、変調信号や、駆動波形信号、あるいは駆動信号の何れかを受け取ってデッドタイムを決定してもよい。そして、決定したデッドタイムで第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子を切り換えるようにしてもよい。このようにしても、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ素子を流れることによる電力損失を回避することができる。その結果、液体噴射装置を電力効率良く動作させることが可能となる。
【００２１】
また、上述した本発明の液体噴射装置は、圧電素子に印加する駆動信号を高い電力効率で生成することができる。このため、圧電素子に駆動信号を印加して液体を加圧することによって液体を噴射する各種の医療機器を、高い電力効率で動作させることが可能となる。尚、液体を噴射する医療機器としては、水や生理食塩水を噴射して生体組織を切開あるいは切除する機器に限らず、たとえば薬液や圧送する医療機器などとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施例の圧電素子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２】本実施例の圧電素子駆動回路の回路構成を示した説明図である。
【図３】一定電圧出力時のデジタル電力増幅器での消費電力がデューティー比に応じて増加する様子を示した説明図である。
【図４】デジタル電力増幅器の詳細な構成を示した回路図である。
【図５】デジタル電力増幅器での電力増幅時に電力損失が発生する理由を示した説明図である。
【図６】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流がほぼ直線的に変化する様子を示した説明図である。
【図７】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流がほぼ直線的に変化する理由を示した説明図である。
【図８】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに流れる電流の振幅が、デューティー比に応じて変化する様子を示した説明図である。
【図９】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに大きな電流が流れる条件では、電力増幅時の電力損失が低下する理由を示した説明図である。
【図１０】一定電圧の出力時に平滑フィルターのコイルに大きな電流が流れる条件では、電力増幅時の電力損失が低下する理由を示した説明図である。
【図１１】一定電圧の出力時のデジタル電力増幅器の動作を、平滑フィルターのコイルに流れる電流の大きさに応じて示した説明図である。
【図１２】一定電圧の出力時にデジタル電力増幅器で電力損失が発生しない条件を示した説明図である。
【図１３】本実施例の圧電素子駆動回路の一部を例示した説明図である。
【図１４】本実施例のデジタル電力増幅器が二つのスイッチを駆動するために行うスイッチ駆動処理のフローチャートである。
【図１５】スイッチ駆動処理でスイッチを駆動したときに電圧が切り換わる様子を示した説明図である。
【図１６】第１変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１７】第２変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１８】第３変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図１９】第４変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図２０】第５変形例の圧電素子駆動回路の詳細な構成を示した説明図である。
【図２１】圧電素子駆動回路を用いて駆動される印刷装置の噴射ヘッドを例示した説明図である。
【図２２】噴射ヘッドを駆動するために出力される駆動信号の電圧波形を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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：
Ａ−１．全体構成：
Ａ−２．圧電素子駆動回路の概要：
Ａ−３．デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム：
Ａ−４．デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム：
Ａ−５．圧電素子駆動回路の詳細：
Ａ−６．スイッチ駆動方法：
Ｂ．変形例：
Ｂ−１．第１変形例：
Ｂ−２．第２変形例：
Ｂ−３．第３変形例：
Ｂ−４．第４変形例：
Ｂ−５．第５変形例：
Ｂ−６．第６変形例：
【００２４】
Ａ．装置構成 ：
Ａ−１．全体構成 ：
図１は、本実施例の圧電素子駆動回路２００を搭載した液体噴射装置１００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、液体を噴射するための脈動発生部１１０と、脈動発生部１１０に向けて液体を供給する液体供給手段１２０と、脈動発生部１１０および液体供給手段１２０の動作を制御する制御部１３０などから構成されている。液体噴射装置１００は、パルス状の液体を脈動発生部１１０から噴射することによって、生体組織を切除または切開することに使用する手術具（ウォータージェットメス）として機能する。
【００２５】
脈動発生部１１０は、金属製の第２ケース１１３に、同じく金属製の第１ケース１１４を重ねてネジ止めなどによって堅固に結合した構造となっており、第２ケース１１３の前面には円管形状の液体噴射管１１２が立設され、液体噴射管１１２の先端にはノズル１１１が挿着されている。第２ケース１１３と第１ケース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、液体噴射管１１２を介してノズル１１１に接続されている。また、第１ケース１１４の内部には、積層型の圧電素子１１６が設けられている。脈動発生部１１０と制御部１３０とは配線ケーブル１５０によって接続されており、制御部１３０内の圧電素子駆動回路２００からは、配線ケーブル１５０を介して駆動信号が圧電素子１１６に供給される。また、配線ケーブル１５０はコネクターによって脈動発生部１１０に取り付けられている。このため、配線ケーブル１５０は、長さや特性の異なる種々の配線ケーブル１５０に取り替えることができる。
【００２６】
液体供給手段１２０は、噴射しようとする液体（水、生理食塩水、薬液など）が貯められた液体容器１２３から、第１接続チューブ１２１を介して液体を吸い上げた後、第２接続チューブ１２２を介して脈動発生部１１０の液体室１１５内に供給する。このため、液体室１１５は液体で満たされた状態となっている。そして、制御部１３０から駆動信号を圧電素子１１６に印加すると、圧電素子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、ノズル１１１からパルス状に噴射される。圧電素子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。また、駆動信号は、制御部１３０内に搭載された圧電素子駆動回路２００によって生成されている。
【００２７】
Ａ−２．圧電素子駆動回路構成の概要 ：
図２は、制御部１３０に搭載された圧電素子駆動回路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圧電素子駆動回路２００は、駆動信号の基準となる駆動波形信号（以下、ＷＣＯＭ）を出力する駆動波形信号発生回路２１０と、駆動波形信号発生回路２１０から受け取った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をパルス変調して変調信号（以下、ＭＣＯＭ）に変換する変調回路２３０と、変調回路２３０からのＭＣＯＭをデジタル的に電力増幅して電力増幅変調信号（以下、ＡＣＯＭ）を生成するデジタル電力増幅器２４０と、デジタル電力増幅器２４０からＡＣＯＭを受け取って変調成分を取り除いた後、駆動信号（以下、ＣＯＭ）として脈動発生部１１０の圧電素子１１６に供給する平滑フィルター２５０と、平滑フィルター２５０から出力されたＣＯＭに対して位相を進ませる補償（位相進み補償）を加えてｄＣＯＭ（帰還信号）を生成する位相進み補償回路２６０とを備えている。尚、第１実施例の圧電素子駆動回路２００には、ＣＯＭに対して位相進み補償を加えたｄＣＯＭを負帰還させているが、負帰還させない構成とすることも可能である。この場合は、演算回路２２０や位相進み補償回路２６０が不要となる。その結果、変調回路２３０は、ｄＷＣＯＭではなく、ＷＣＯＭに対してパルス変調を行う。
【００２８】
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。演算回路２２０では、こうして出力されたＷＣＯＭからｄＣＯＭを減算した信号を、ｄＷＣＯＭ（誤差信号）として出力する。
【００２９】
変調回路２３０では、ｄＷＣＯＭを一定周期（変調周期）の三角波と比較することによって、パルス波状のＭＣＯＭ（変調信号）を生成（パルス変調）する。たとえばｄＷＣＯＭの方が三角波よりも大きい期間では高電圧状態（出力が「Ｈ」）となり、ｄＷＣＯＭの方が三角波よりも小さい期間では低電圧状態（出力が「Ｌ」）となるようなＭＣＯＭが出力される。尚、ＭＣＯＭが「Ｈ」となる時間比率は、「デューティー比（あるいはオンデューティー比）」と呼ばれる。変調回路２３０によって得られたＭＣＯＭは、デジタル電力増幅器２４０に入力される。詳細な構成については後述するが、デジタル電力増幅器２４０は、電源と、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴなど）と、グランドＧＮＤとが、この順序で直列に接続されている。ＭＣＯＭの出力がＯＮの場合は、電源側のスイッチ素子がＯＮになり、グランドＧＮＤ側のスイッチ素子がＯＦＦになって、電源の電圧ＶｄｄがＡＣＯＭとして出力される。また、ＭＣＯＭの出力がＯＦＦの場合は、電源側のスイッチ素子がＯＦＦになり、グランドＧＮＤ側のスイッチ素子がＯＮになってグランドＧＮＤの電圧０がＡＣＯＭとして出力される。その結果、変調回路２３０の動作電圧とグランドＧＮＤとの間でパルス波状に変化するＭＣＯＭが、電源の電圧ＶｄｄとグランドＧＮＤの電圧０との間でパルス波状に変化するＡＣＯＭに電力増幅される。この増幅では、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えているだけなので、アナログ波形を増幅する場合に比べれば、電力損失を抑制することが可能である。尚、本実施例では、１つの電源の高電圧側の電圧をＶｄｄとし、低電圧側の電圧をグランドＧＮＤとしたが、発生する電圧の異なる２つの電源を用いて、電圧ＶｄｄおよびグランドＧＮＤを発生させても良い。すなわち、高い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧をＶｄｄとし、低い電圧を発生させる方の電源の高電圧側の電圧あるいは低電圧側の電圧をグランドＧＮＤとしてもよい。このように２つの電源を用いれば、圧電素子１１６に対してマイナスのＣＯＭを印加することができるので、圧電素子１１６の残留歪みによって圧電素子１１６の変位量が少なくなってしまう事態を回避することが可能となる。
【００３０】
こうして電力増幅されたＡＣＯＭ（電力増幅変調信号）は、ＬＣ回路によって構成される平滑フィルター２５０を通すことによってＣＯＭ（駆動信号）に変換され、圧電素子１１６に印加される。また、ＣＯＭは演算回路２２０に負帰還されるが、平滑フィルター２５０を通過することによって、ＣＯＭは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、コンデンサーと抵抗とによって構成された位相進み補償回路２６０を通して位相を進ませる補償（位相進み補償）を行い、得られた信号をｄＣＯＭとして演算回路２２０に負帰還させるようになっている。
【００３１】
Ａ−３．デジタル電力増幅器で電力損失が発生するメカニズム ：
上述したように、デジタル電力増幅器２４０は、大きな電力損失を伴うことなく、変調信号（ＭＣＯＭ）を電力増幅してＡＣＯＭを生成することが可能である。しかし、デジタル電力増幅器２４０でも、ある条件が成立すると電力増幅時に大きな電力損失が発生することがある。
【００３２】
図３は、デジタル電力増幅器２４０で電力損失が発生する様子を示した説明図である。図示されるように、たとえば負荷に対して一定電圧を出力する場合には、変調信号のデューティー比が上限付近になると急激に電力損失が増加する。変調信号のデューティー比が下限付近になった場合にも急激に電力損失が増加する。このような現象が生じると、ＷＣＯＭを変調してＭＣＯＭに変換してから増幅している意味が無くなってしまうので対策が必要となる。そのためには、このような現象が生じるメカニズムを明らかにしなければならない。
【００３３】
図４は、デジタル電力増幅器２４０の内部構成を示した回路図である。図示されるように、デジタル電力増幅器２４０は、プッシュ・プル接続された２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を中心として構成されており、一方のスイッチ素子Ｓ１には電源Ｖｄｄが接続され、他方のスイッチ素子Ｓ２にはグランドＧＮＤが接続されている。尚、スイッチ素子Ｓ１が本発明の「第１のスイッチ素子」に対応し、スイッチ素子Ｓ２が本発明の「第２のスイッチ素子」に対応する。
【００３４】
更に、スイッチ素子Ｓ１には、グランドＧＮＤ側から電源Ｖｄｄ側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードＤ１が並列に接続され、スイッチ素子Ｓ２にも、グランドＧＮＤ側から電源Ｖｄｄ側に向かって電流が流れることを許容する向きの還流ダイオードＤ２が並列に接続されている。従って、還流ダイオードＤ１が本発明の「第１のダイオード」に対応し、還流ダイオードＤ２が本発明の「第２のダイオード」に対応する。また、還流ダイオードＤ１，Ｄ２には、端子間に寄生容量が存在する。図４では、還流ダイオードＤ１に存在する寄生容量を寄生容量Ｃ１と表し、還流ダイオードＤ２に存在する寄生容量を寄生容量Ｃ２と表している。尚、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの素子を用いることができる。
【００３５】
ゲートドライバー２４２は、変調回路２３０から供給されるＭＣＯＭに基づいて、スイッチ素子Ｓ１を駆動するための駆動信号Ｖｇ１、およびスイッチ素子Ｓ２を駆動するための駆動信号Ｖｇ２を出力する。そして、高電圧状態（以下では、「Ｈ」と表記する）の駆動信号Ｖｇ１が出力されるとスイッチ素子Ｓ１がＯＮ（導通状態）となり、低電圧状態（以下では、「Ｌ」と表記する）の駆動信号Ｖｇ１が出力されるとスイッチ素子Ｓ１がＯＦＦ（非導通状態）となる。スイッチ素子Ｓ２についても同様に、駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」になるとスイッチ素子Ｓ２がＯＮになり、駆動信号Ｖｇ２が「Ｌ」になるとスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。ゲートドライバー２４２が駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を出力する処理の詳細については後述する。
【００３６】
図５は、デジタル電力増幅器２４０が電力増幅する動作を示した説明図である。図５（ａ）は、スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦでスイッチ素子Ｓ２がＯＮであるから、ＡＣＯＭとして電圧０が出力されている状態を表している。また、図５（ｄ）は、スイッチ素子Ｓ１がＯＮでスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦであるから、ＡＣＯＭとして電圧Ｖｄｄが出力されている状態を表している。デジタル電力増幅器２４０が平滑フィルター２５０に対してＡＣＯＭを出力する際には、これら２つの状態が交互に切り換わる。尚、以下では、スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦでスイッチ素子Ｓ２がＯＮの状態（ＡＣＯＭとして電圧０が出力されている状態）を、「ＡＣＯＭがＬの状態」と称し、逆に、スイッチ素子Ｓ１がＯＮでスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦの状態（ＡＣＯＭとして電圧Ｖｄｄが出力されている状態）を、「ＡＣＯＭがＨの状態」と称することがある。
【００３７】
また、２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が同時にＯＮになると、電源ＶｄｄからグランドＧＮＤに向かって大きな突入電流が流れてスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２に損傷を与える。そこで、こうしたことを回避するために、ＡＣＯＭが「Ｈ」の状態と「Ｌ」の状態とを切り換える際には、スイッチ素子Ｓ１およびスイッチ素子Ｓ２が何れもＯＦＦとなる状態（デッドタイム状態）を経由して切り換える。図５（ｂ）は、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態を示しており、図５（ｅ）は、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態を示している。
【００３８】
ここで、図５（ａ）に示した状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に着目すると、この状態では、還流ダイオードＤ１の一方の端子は電圧Ｖｄｄに接続され、他方の端子はグランドＧＮＤに接続されている。従って、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄積（充電）される。また、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２については、何れの端子もグランドＧＮＤに接続されているので、電荷が蓄積されることはない。この状態からデッドタイム状態になると、図５（ｂ）に示すように、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。
【００３９】
そしてデッドタイム状態が経過すると、今度はスイッチ素子Ｓ１がＯＮになる。ここで、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側（電源Ｖｄｄに近い側）の端子に着目すると、図５（ａ）に示した状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子はグランドＧＮＤに接続されており、図５（ｂ）の状態でもグランドＧＮＤの電圧に保たれている。一方、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄えられているから、スイッチ素子Ｓ１をＯＮにした瞬間に、寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に流入する。図５（ｄ）には、寄生容量Ｃ１から寄生容量Ｃ２に向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子Ｓ１で抵抗損失を発生させる。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷だけでは、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧をＶｄｄまで上昇させることができなかった場合は、電源Ｖｄｄから電荷が供給される。このときの電流もスイッチ素子Ｓ１で抵抗損失を発生させる。
【００４０】
このようにして還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が流れ込むと、最終的には図５（ｄ）に示した状態（ＡＣＯＭがＨの状態）となる。この状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子は電源Ｖｄｄに接続され、ロー側（ハイ側とは反対側）の端子はグランドＧＮＤに接続されているので電荷が蓄積（充電）されている。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の端子は何れも電源Ｖｄｄに接続されているので電荷が蓄積されることはない。
【００４１】
以上では、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）から図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）に切り換える場合について説明したが、今度は逆に、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）から図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に切り換える場合について説明する。図５（ｄ）の状態からデッドタイム状態になると、図５（ｅ）に示すように、スイッチ素子Ｓ１をＯＦＦにする。この状態では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には電荷が蓄えられて、ハイ側の端子電圧がＶｄｄとなっている。そしてデッドタイム状態が経過するとスイッチ素子Ｓ２がＯＮになる。すると、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のハイ側の端子がグランドＧＮＤに接続された状態となるので、寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がグランドＧＮＤに排出される。図５（ｄ）には、寄生容量Ｃ２からグランドＧＮＤに向かって流れる電流を、破線の矢印で表している。このときの電流がスイッチ素子Ｓ２で抵抗損失を発生させる。
【００４２】
また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１のハイ側の端子は電源Ｖｄｄに接続されているので、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がグランドＧＮＤに排出されて、寄生容量Ｃ２のハイ側端子の電圧が低下するに従って、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄積（充電）されていき、最終的には、図５（ａ）に示した状態となる。
【００４３】
以上は、デジタル電力増幅器２４０に平滑フィルター２５０が接続されていないものとして説明した。しかし、図１に示したようにデジタル電力増幅器２４０には平滑フィルター２５０が接続されているので、このことによる影響も考慮する必要がある。そこで、先ず始めに、一般的な平滑フィルターに一定電圧を急に印加したときの挙動や、平滑フィルターに印加されている電圧を急に０に落としたときの挙動について検討する。
【００４４】
図６は、コイルとコンデンサーとによって構成される一般的な平滑フィルターに、一定周期Ｔで電圧Ｅと電圧０とに切り換わる電圧を印加した時に、一般的な平滑フィルターのコイルに流れる電流を示している。本実施例のデジタル電力増幅器２４０の出力（ＡＣＯＭ）は、電圧ＶｄｄとグランドＧＮＤの電圧とを繰り返すから、図５の電圧Ｅを電圧Ｖｄｄと読み替えれば、本実施例の平滑フィルター２５０に適用することができる。
【００４５】
一定周期Ｔの中で電圧Ｅ（電圧Ｖｄｄに対応）を印加している時間をｔｏｎとすると、デューティー比Ｄは、ｔｏｎ／Ｔ（パーセント表示の場合は１００×ｔｏｎ／Ｔ）となる。また、平滑フィルター２５０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（ＣＯＭに相当）は、ほぼ、Ｄ×Ｅによって決まる電圧となる。そして、このときにコイルには、電圧Ｅが印加されている期間では、電流がマイナス（電源側に逆流している状態）からほぼ直線的に増加してプラス（グランドＧＮＤに向けて流れる状態）に転じ、印加される電圧が電圧０になっている期間では、プラスからほぼ直線的に減少してマイナスに転じるようなノコギリ刃状の電流が流れる。
【００４６】
また、圧電素子駆動回路２００によって駆動される対象が、容量性負荷の圧電素子１１６であるから、平滑フィルター２５０の出力電圧（ＣＯＭ）が一定の条件では、一周期の間でコンデンサーに出入りする電荷が等しくなり、プラス側への振幅の最大値とマイナス側への振幅の最大値とは等しくなる。
【００４７】
図７には、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉの算出式が示されている。図７（ａ）は、電圧Ｅ（電圧Ｖｄｄに対応）を印加している期間について示したものであり、図７（ｂ）は、印加する電圧を電圧０に落としている期間について示したものである。電圧Ｅを印加している期間にコイルに流れる電流Ｉは、図７（ａ）中の回路図で示される。平滑フィルター２５０を構成するコイルのインダクタンスをＬ、コンデンサーのキャパシタンスをＣ、コイルに流れる初期電流（電圧Ｅ印加時に流れていた電流）をＩ０、コンデンサーの初期電圧（電圧Ｅの印加時でのコンデンサーの端子間電圧）をＥ０とすると、電圧Ｅと、電流Ｉとの間には、（１）式で示した微分方程式が成立し、この方程式を解くと電流Ｉは（２）式によって求められる。ここで、ω０は、平滑フィルター２５０の共振周波数（＝１／√（ＬＣ））である。そして、電圧Ｅが印加されている時間ｔｏｎは平滑フィルター２５０の共振周期に比べると十分に短いから、ｃｏｓω０ｔはほぼ１とみなすことができ、ｓｉｎω０ｔはほぼω０ｔとみなすことができる。すると（２）式は、（３）式で近似することができ、電流Ｉは時間ｔの経過とともに直線的に増加することが分かる。
【００４８】
平滑フィルター２５０に印加する電圧が電圧０に落とされている期間についても同様である。すなわち、印加する電圧を電圧０に落としている期間にコイルに流れる電流Ｉは、図７（ｂ）中の回路図で示すことができ、印加する電圧は０であるから、電流Ｉは（４）式で示した微分方程式が成立する。そしてこの方程式を解くと、印加する電圧が電圧０の期間に流れる電流Ｉは（５）式によって求められる。また、ｓｉｎω０ｔをω０ｔと近似して、ｃｏｓω０ｔを１と近似すると、電流Ｉは（６）式で求めることができる。従って、印加する電圧が電圧０に落とされている期間では、電流Ｉは時間ｔの経過とともに直線的に減少することが分かる。
【００４９】
また、図６に示したように、電圧Ｅを印加した瞬間（ｔ＝０）では、電流Ｉ＝−ＩＡであるから、（３）式より、Ｉ０＝−ＩＡとなる。更に、初期電圧Ｅ０は、図６の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｄ×Ｅ。圧電素子駆動回路２００のＣＯＭに相当）に等しいから、これらを（３）式に代入して整理すると、コイルに流れる電流の振幅ＩＡは、図８（ａ）に示した（７）式によって示される。（７）式に示されるように、電流の振幅ＩＡはデューティー比Ｄの二次関数であり、図８（ｂ）に示すように、Ｄ＝０．５（デューティー比Ｄが５０％）の時に最大値となる。
【００５０】
以上のことから次のようなことが分かる。デジタル電力増幅器２４０のＡＣＯＭを平滑フィルター２５０で平滑化して、一定のＣＯＭを負荷に印加する場合（デューティー比が一定の場合）、平滑フィルター２５０のコイルには、図６に示したようなノコギリ刃状の電流が流れる。電流の振幅がプラス側に最大となるのは、デジタル電力増幅器２４０のＡＣＯＭが「Ｈ」から「Ｌ」の状態に切り換わる瞬間であり、マイナス側に最大となるのは、ＡＣＯＭが「Ｌ」から「Ｈ」の状態に切り換わる瞬間である。また、電流Ｉの絶対値（すなわち振幅ＩＡ）は、デューティー比Ｄが５０％の時に最大となり、デューティー比Ｄが５０％から小さくなるにつれて、あるいは５０％から大きくなるにつれて、振幅ＩＡは小さくなる。尚、以上の説明では、ＣＯＭが一定であるものとして説明した。この場合、一周期の間で圧電素子１１６に流入する電流と、流出する電流とは等しくなる。これに対して、ＣＯＭが増加する場合は圧電素子１１６に流入する電流の方が多くなり、逆にＣＯＭが減少する場合は圧電素子１１６から流出する電流の方が多くなる。従って、ＣＯＭが変化する場合は、この圧電素子１１６に出入りする電流に相当する分だけ、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉが上方にシフト（増加）あるいは下方にシフト（減少）することになる。
【００５１】
デジタル電力増幅器２４０に平滑フィルター２５０を接続すると、平滑フィルター２５０のコイルに流れる電流Ｉがこのような挙動をすることを踏まえた上で、平滑フィルター２５０が接続された状態でのデジタル電力増幅器２４０の動作について考える。
【００５２】
図９は、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）から、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図９（ａ）に示されるように、ＡＣＯＭがＬの状態（スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦで、スイッチ素子Ｓ２がＯＮの状態）では、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１には電荷が蓄えられている。また、図８を用いて前述したように、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる直前には、平滑フィルター２５０のコイルからデジタル電力増幅器２４０に向かって大きさＩＡの電流が流れている。図９（ａ）では、コイルからの電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
【００５３】
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を何れもＯＦＦの状態にする。すると、平滑フィルター２５０のコイルには、自己誘導現象によって電流をそのまま流し続けようとする方向に起電力が発生する。しかし、スイッチ素子Ｓ２はＯＦＦに切り換わっているので、こちらを流れることはできない。その一方で、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には電荷が全く蓄えられていないので、この寄生容量Ｃ２がコイルの逆起電力によって充電される。また、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１については、コイルの逆起電力が発生する結果、寄生容量Ｃ１のロー側（電源Ｖｄｄの反対側）の端子電圧が上昇するので、ハイ側の端子との端子間電圧が小さくなる。その結果、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が電源Ｖｄｄに回生される。図９（ｂ）に示した破線の矢印は、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が充電され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷が回生される様子を表している。
【００５４】
そして、図９（ｃ）に示すように、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子Ｓ２のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達するまで寄生容量Ｃ２に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子Ｓ１をＯＮにしてやる。こうすれば、図５を用いて前述したように、ＡＣＯＭの出力をＬからＨの状態に切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図９（ａ）の状態を、デッドタイム状態の間に図９（ｃ）の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。ＡＣＯＭの出力をＨからＬの状態に切り換える場合にも、同様なことが当て嵌まる。
【００５５】
図１０は、図５（ｄ）の状態（ＡＣＯＭがＨの状態）から、図５（ａ）の状態（ＡＣＯＭがＬの状態）に切り換わる際のデッドタイム状態中に発生する現象を示した説明図である。図１０（ａ）に示されるように、ＡＣＯＭがＨの状態（スイッチ素子Ｓ１がＯＮで、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦの状態）では、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が蓄えられる。また、図６を用いて前述したように、ＡＣＯＭの出力がＨからＬの状態に切り換わる直前には、デジタル電力増幅器２４０から平滑フィルター２５０のコイルに向かって大きさがＩＡの電流が流れている。図１０（ａ）では、デジタル電力増幅器２４０の電源Ｖｄｄからコイルに向かって電流が流れる様子が、破線の矢印によって表されている。
【００５６】
この状態から、デッドタイム状態ではスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を何れもＯＦＦの状態にする。すると、平滑フィルター２５０のコイルには自己誘導現象によって、電流をそのまま流し続けようとする方向に逆起電力が発生する。しかし、スイッチ素子Ｓ１はＯＦＦに切り換わっているので、電源Ｖｄｄから電荷を供給することができず、その一方で、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２には端子間電圧がＶｄｄの電荷が蓄えられているので、この電荷がコイルに向かって供給される。また、これに伴ってスイッチ素子Ｓ２のハイ側の端子電圧が低下するので、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の端子間電圧が増加し、その結果として寄生容量Ｃ１に電荷が蓄えられることになる。図１０（ｂ）に示した破線の矢印は、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に電荷が蓄えられていた電荷が回生され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に電荷が充電される様子を表している。
【００５７】
そして、図１０（ｃ）に示すように、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２に蓄えられていた電荷を全て回生し、スイッチ素子Ｓ１の端子間電圧が電圧Ｖｄｄに達するまで寄生容量Ｃ１に電荷を蓄えた後に、スイッチ素子Ｓ２をＯＮにしてやる。こうすれば、図５を用いて前述したように、ＡＣＯＭをＨからＬに切り換える際に生じる電力損失は全く生じない。すなわち、図１０（ａ）の状態を、デッドタイム状態の間に図１０（ｃ）の状態まで持って行くことができれば、電力損失の発生を回避することができる。
【００５８】
このように、ＡＣＯＭの出力を切り換えたときに、平滑フィルター２５０のコイルで大きな逆起電力が発生して、デッドタイム状態中に寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電が完了していれば、デジタル電力増幅器２４０で発生する電力損失を大幅に抑制することができる。図３に示した現象、すなわちデューティー比が下限付近の場合や逆に上限付近の場合に、圧電素子駆動回路２００での電力損失が急激に増加する現象は、コイルで十分な大きさの逆起電力を発生させることができなくなったため、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できなかったことが原因で生じたものと考えられる。
【００５９】
Ａ−４．デジタル電力増幅器での電力損失を回避するメカニズム ：
図１１には、デッドタイム状態の期間内に寄生容量での電荷の回生および充電が完了できた場合と、完了できなかった場合とについて、デジタル電力増幅器２４０の動作が切り換わる様子が示されている。図１１（ａ）はデッドタイム状態の期間内に余裕を持って電荷の回生および充電が完了した場合を示し、図１１（ｂ）はデッドタイム状態の期間ちょうどで電荷の回生および充電が間に合った場合を示し、図１１（ｃ）はデッドタイム状態内に電荷の回生および充電が完了しなかった場合を示している。
【００６０】
先ず始めに、最も単純な場合である図１１（ｂ）の場合について説明する。デジタル電力増幅器２４０から出力されるＭＣＯＭがＬの状態からデッドタイム状態に切り換わる直前では、図６に示したようにコイルの電流Ｉはマイナス方向（デジタル電力増幅器２４０に向かって逆流する方向）に流れている。また、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭの電圧は０である。この状態を、状態［Ａ］と呼ぶことにする。続いて、スイッチ素子Ｓ２をＯＦＦに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図９（ｂ）を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電され、それに伴って、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭが上昇し、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧Ｖｄｄに達する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電されて、ＡＣＯＭが上昇している状態を、状態［Ｂ］と呼ぶことにする。
【００６１】
デッドタイム状態を終了して、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭがＨの状態になると、図６を用いて前述したように、初めのうちはコイルにマイナス方向（コイルからデジタル電力増幅器２４０に逆流する方向）の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、プラス方向（デジタル電力増幅器２４０からコイルに向かう方向）に電流が流れるようになる。ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態を、状態［Ｃ］と呼び、コイルの電流が逆転してプラス方向の電流が流れるようになった状態を、状態［Ｄ］と呼ぶことにする。
【００６２】
その後、ＡＣＯＭがＨの状態から、スイッチ素子Ｓ１をＯＦＦに切り換えてデッドタイム状態に移行すると、図１０（ｂ）を用いて前述したように、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の電荷が回生され、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１に電荷が充電されて、それに伴ってＡＣＯＭが低下する。そして、デッドタイム状態が終了する時に、ちょうど電圧０まで低下する。コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２から電荷が回生されて、ＡＣＯＭが低下している状態を、状態［Ｅ］と呼ぶことにする。
【００６３】
デッドタイム状態を終了して、ＡＣＯＭがＬの状態になると、図６を用いて前述したように、初めのうちはコイルにプラス方向の電流が流れているが、途中で電流の向きが逆転して、マイナス方向に電流が流れるようになる。ＡＣＯＭが電圧０で、コイルにプラス方向の電流が流れている状態を、状態［Ｆ］と呼ぶことにする。また、コイルにマイナス方向の電流が流れている状態は、前述した状態［Ａ］である。
【００６４】
以上では、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とがちょうど完了した場合に、デジタル電力増幅器２４０の動作が切り換わる様子について説明した。これに対して、デッドタイム状態の期間内で、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とが余裕を持って完了する場合には、デジタル電力増幅器２４０の動作は図１１（ａ）に示すように切り換わる。
【００６５】
先ず、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭがＬの状態の時は、前述した状態［Ａ］となっており、デッドタイム状態に切り換わると状態［Ｂ］（すなわち、コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２が充電されて、ＡＣＯＭが上昇していく状態）となる。そして、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が完了し（すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達し）て、それ以降は、還流ダイオードＤ１を通って、電荷が電源Ｖｄｄに逆流する状態となる。このような状態を、状態［Ｇ］と呼ぶ。状態［Ｇ］では、デジタル電力増幅器２４０が出力するＡＣＯＭは、還流ダイオードＤ１の電圧降下分だけ、電圧Ｖｄｄよりも高くなる。
【００６６】
その後、ＡＣＯＭがＨの状態では、前述した状態［Ｃ］（ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルの電流がマイナスの状態）から、前述した状態［Ｄ］（ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄで、コイルの電流がプラスの状態）へと推移した後、デッドタイム状態になると、前述した状態［Ｅ］（コイルの逆起電力によって還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の電荷が回生されて、ＡＣＯＭが低下していく状態）となる。そして、この場合も、コイルで十二分な大きさの逆起電力が発生している場合は、デッドタイム状態が終了する前に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２からの電荷の回生が完了し（すなわち、寄生容量のハイ側の端子電圧が電圧０まで低下し）て、それ以降は、還流ダイオードＤ２を介してグランド側から電荷を吸い出す状態となる。このような状態を、状態［Ｈ］と呼ぶ。状態［Ｈ］では、ＡＣＯＭは、還流ダイオードＤ２の電圧降下分だけ、電圧０よりも低くなる。
【００６７】
これに対して、コイルで発生する逆起電力が不足しているために、デッドタイム状態の期間内では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生と充電とが完了しない場合には、デジタル電力増幅器２４０の動作は図１１（ｃ）に示すように切り換わる。ＡＣＯＭがＬの状態からデッドタイム状態に切り換わって、デッドタイム状態が終了するまでの動作は、図１１（ａ）あるいは図１１（ｂ）を用いて前述した動作と同様である。すなわち、状態［Ａ］から状態［Ｂ］へと切り換わる。
【００６８】
しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が完了しない（すなわち、寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧が電圧Ｖｄｄに達しない）。同様に、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１からの電荷の回生も完了しない。このため、図５（ａ）の状態から図５（ｄ）の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子Ｓ１で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもデジタル電力増幅器２４０の出力するＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄに達していないから、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わることで、ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄまで上昇するようになる。このような状態を、状態［Ｉ］と呼ぶ。
【００６９】
また、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、ＡＣＯＭをＨからＬに切り換える時にも同様な現象が発生する。すなわち、ＡＣＯＭがＨの状態からデッドタイム状態に切り換えることに伴って、状態［Ｄ］から状態［Ｅ］に切り換わる。しかし、コイルで発生する逆起電力の大きさが不足していると、デッドタイム状態が終了しても、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２からの電荷の回生が完了しない（すなわち、寄生容量Ｃ２のハイ側の端子電圧が電圧０まで低下しない）。このため、図５（ｄ）の状態から図５（ａ）の状態に切り換えた場合と同様に、スイッチ素子Ｓ２で抵抗による電力損失が発生する。また、デッドタイム状態が終了してもＡＣＯＭが電圧０まで低下していないから、スイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わった後に、ＡＣＯＭ圧が電圧０まで低下するようになる。このような状態を、状態［Ｊ］と呼ぶ。
【００７０】
以上に説明したように、デジタル電力増幅器２４０が状態［Ｉ］あるいは状態［Ｊ］になると電力損失が発生する。そして、これらの状態は、ＡＣＯＭがＬからＨに、あるいはＨからＬに切り換わる度に（従って、パルス変調のキャリア周波数ｆｃに対応する非常に高い頻度で）発生するから、結果的に、たいへんに大きな電力損失を発生させる。従って、このようなデジタル電力増幅器２４０での電力損失を回避するためには、状態［Ｉ］および状態［Ｊ］が発生しないようにすればよい。そこで、これらの状態が発生しないための条件について検討する。
【００７１】
図１２（ａ）は、状態［Ｉ］および状態［Ｊ］が発生しない条件を説明した図である。状態［Ｉ］は、状態［Ｂ］でのデッドタイム状態が経過した時に、デジタル電力増幅器２４０の出力（ＡＣＯＭ）が電圧Ｖｄｄに達していない場合に発生する。換言すれば、状態［Ｉ］が発生しないための条件は、デッドタイム状態内に、ＡＣＯＭが電圧０から電圧Ｖｄｄ以上に上昇することである。ここで、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１のキャパシタンスをＣｄ（Ｈ）、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２のキャパシタンスをＣｄ（Ｌ）とすると、状態［Ｂ］でのＡＣＯＭの電圧Ｖの上昇は、図１２（ａ）中に示した（８）式で表示される。尚、（８）式中のＩＡは、デッドタイム状態に切り換わった瞬間にコイルに流れていた電流の大きさであり、図８中の（７）式によって与えられる。従って、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる際のデッドタイム状態をＴｄ１とすると、状態［Ｉ］が発生しないための条件は、Ｔｄ１が、図１２（ｂ）中に示した（１０）式を満足することとなる。
【００７２】
同様に、状態［Ｊ］は、状態［Ｅ］でのデッドタイム状態が経過した時に、ＡＣＯＭが電圧Ｖｄｄから電圧０まで低下していない場合に発生する。状態［Ｅ］でのＡＣＯＭの電圧Ｖの低下は、図１２（ａ）中に示した（９）式で表示される。従って、ＡＣＯＭがＨからＬに切り換わる際のデッドタイム状態をＴｄ２として、図８中の（７）式を代入して整理すると、状態［Ｊ］が発生しないための条件は、Ｔｄ２が、図１２（ｃ）中に示した（１１）式を満足することとなる。
【００７３】
ここで、Ｃｄ（Ｈ）、Ｃｄ（Ｌ）は、還流ダイオードＤ１，Ｄ２の特性値として予め求めておくことができる。Ｌは、平滑フィルター２５０のコイルのインダクタンスであり、Ｖｄｄは、電源Ｖｄｄが発生する電圧であり、ｆｃは変調回路２３０がパルス変調する際のキャリア周波数である。従って、ＷＣＯＭに対応するデューティー比Ｄが分かれば、（１０）式および（１１）式を満足させるＴｄ１，Ｔｄ２を容易に決定することができる。そして、このようにして決定したデッドタイム状態でスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動すれば、たとえデューティー比が上限付近や下限付近の値となっても、デジタル電力増幅器２４０での電力損失を増加させないようにすることが可能となる。本実施例の圧電素子駆動回路２００は、このような原理に基づいて、デジタル電力増幅器２４０での電力損失が増加することを回避する。
【００７４】
Ａ−５．圧電素子駆動回路の詳細 ：
図１３は、本実施例の圧電素子駆動回路２００で、デジタル電力増幅器２４０での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図２を用いて前述したように、駆動波形信号発生回路２１０は、ＣＯＭ（駆動信号）の元となるＷＣＯＭ（駆動波形信号）を出力しており、内蔵する波形メモリー２１２にＷＣＯＭのデータを記憶している。
【００７５】
図１３（ｂ）は、波形メモリー２１２にＷＣＯＭのデータが記憶されている様子を示した説明図である。図示されるようにＷＣＯＭのデータは、ＷＣＯＭの出力を開始してからの経過時間と、そのときに出力する電圧値と、デッドタイムＴｄとが記憶されている。また、ＷＣＯＭとして出力する電圧値と、デューティー比Ｄとは一対一の関係となる。尚、図１２では、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わるときのデッドタイム状態と、ＡＣＯＭがＨからＬに切り換わるときのデッドタイム状態とを区別していたが、図１２中に示した（１０）式と（１１）式とを比べれば明らかなように、どちらの場合も必要なデッドタイムＴｄ１，Ｔｄ２は同じ値となる。そこで、図１３（ｂ）では、ＡＣＯＭがＬからＨに切り換わる場合と、ＨからＬに切り換わる場合とを区別することなく、単にデッドタイムＴｄが記憶されている。
【００７６】
駆動波形信号発生回路２１０は、波形メモリー２１２から読み出した電圧値をＷＣＯＭとして演算回路２２０に出力し、また、その電圧値に対応付けて記憶されていたデッドタイムＴｄを、デジタル電力増幅器２４０に出力する。すると、デジタル電力増幅器２４０は、変調回路２３０からのＭＣＯＭに従ってスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動する際に、デッドタイム状態の継続時間がデッドタイムＴｄとなるように、以下のような処理を行う。
【００７７】
Ａ−６．スイッチ駆動方法 ：
図１４は、デジタル電力増幅器２４０内のゲートドライバー２４２がスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を駆動するための行うスイッチ駆動処理のフローチャートである。スイッチ駆動処理では、先ず始めに、変調回路２３０から受け取ったＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。その結果、ＭＣＯＭが「Ｈ」であると判断した場合は（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子Ｓ２はＯＦＦにすればよいので、駆動信号Ｖｇ２の出力を「Ｌ」とする（ステップＳ１０２）。
【００７８】
続いて、駆動信号Ｖｇ１が既に「Ｈ」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子Ｓ１が既にＯＮに切り換わっているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。駆動信号Ｖｇ１が「Ｈ」でなかった場合は（ステップＳ１０４：ｎｏ）、ＭＣＯＭは「Ｈ」になっているがスイッチ素子Ｓ１は未だＯＮに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄの計時を開始する（ステップＳ１０６）。そして、デッドタイムＴｄが経過したか否かを判断し（ステップＳ１０８）、デッドタイムＴｄが経過していない場合は（ステップＳ１０８：ｎｏ）、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムＴｄが経過したと判断したら（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）、駆動信号Ｖｇ１を「Ｈ」にする（ステップＳ１１０）。その結果、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。これに対して駆動信号Ｖｇ１が既に「Ｈ」になっていた場合は（ステップＳ１０４：ｙｅｓ）、既にデッドタイム状態が終了して、ＡＣＯＭが「Ｈ」の状態に切り換わっていると考えられるので、そのまま先頭に戻って、ＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かを判断して（ステップＳ１００）、上述した続く一連の処理を行う。
【００７９】
この結果、ＭＣＯＭが「Ｌ」に切り換わると、ステップＳ１００では「ｎｏ」と判断する。そしてこの場合は、デッドタイム状態が終了したか否かに拘わらずスイッチ素子Ｓ１はＯＦＦにすればよいので、駆動信号Ｖｇ１の出力を「Ｌ」とする（ステップＳ１１２）。続いて、駆動信号Ｖｇ２が既に「Ｈ」になっているか否か、換言すれば、スイッチ素子Ｓ２が既にＯＮに切り換わっているか否かを判断する（ステップＳ１１４）。その結果、駆動信号Ｖｇ２が既に「Ｈ」になっていた場合は（ステップＳ１１４：ｙｅｓ）、ＭＣＯＭが「Ｌ」になっていることに対応して、既にスイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わっていることになるので、そのまま先頭に戻って、ＭＣＯＭが「Ｈ」であるか否かの判断を行い（ステップＳ１００）、上述した続く一連の処理を行う。
【００８０】
これに対して、駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」でなかった場合は（ステップＳ１１４：ｎｏ）、ＭＣＯＭは「Ｌ」になっているがスイッチ素子Ｓ２は未だＯＮに切り換わっていないことになるので、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄの計時を開始する（ステップＳ１１６）。そして、デッドタイムＴｄが経過したか否かを判断し（ステップＳ１１８）、デッドタイムＴｄが経過していない場合は（ステップＳ１１８：ｎｏ）、そのまま計時を継続する。その結果、デッドタイムＴｄが経過したと判断したら（ステップＳ１１８：ｙｅｓ）、駆動信号Ｖｇ２を「Ｈ」にする（ステップＳ１２０）。その結果、スイッチ素子Ｓ２がＯＮに切り換わって、デッドタイム状態が終了する。
【００８１】
図１５は、上述したスイッチ駆動処理によってスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２が切り換わる様子を示した説明図である。図中に示されるように、ＭＣＯＭがＬからＨに切り換わると、駆動信号Ｖｇ２がＨからＬに切り換わってスイッチ素子Ｓ２がＯＦＦになる。スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦに切り換わった直後は、未だスイッチ素子Ｓ１はＯＦＦのままなので、デッドタイム状態が開始される。
【００８２】
デッドタイム状態では、平滑フィルター２５０のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１の回生と共に、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２への充電が行われ、その結果、ＡＣＯＭが上昇していく。そして、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄが経過すると、駆動信号Ｖｇ１をＬからＨに切り換えることによってスイッチ素子Ｓ１をＯＮにする。デッドタイムＴｄは、図１２中に示した（１０）式あるいは（１１）式に従って決定されている。このため、デッドタイム状態が開始されてからデッドタイムＴｄが経過すると、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ＡＣＯＭがちょうど電圧Ｖｄｄに達した時点で、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わる。
【００８３】
その結果、寄生容量Ｃ１に貯まっていた電荷がスイッチ素子Ｓ１を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電が完了してから、スイッチ素子Ｓ１がＯＮに切り換わるまでに時間がかかると、図１１（ａ）を用いて前述したように還流ダイオードＤ１を電流が流れるが、この時にも還流ダイオードＤ１の順方向効果電圧に、流れる電流を乗算した分の電力損失が発生する。本実施例の圧電素子駆動回路２００では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ１をＯＮに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードＤ１の電力損失も回避することが可能となる。
【００８４】
ＭＣＯＭがＨからＬに切り換わる場合も、ほぼ同様なことが当て嵌まる。すなわち、ＭＣＯＭがＬに切り換わったことに伴って、駆動信号Ｖｇ１がＨからＬに切り換わってスイッチ素子Ｓ１がＯＦＦになる。スイッチ素子Ｓ１がＯＦＦになっただけでは、スイッチ素子Ｓ２がＯＦＦのままなので、デッドタイム状態が開始される。
【００８５】
デッドタイム状態では、平滑フィルター２５０のコイルの逆起電力によって、還流ダイオードＤ２の寄生容量Ｃ２の回生と共に、還流ダイオードＤ１の寄生容量Ｃ１への充電が行われ、その結果、ＡＣＯＭが低下していく。そして、駆動波形信号発生回路２１０から指定されたデッドタイムＴｄが経過すると、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了して、ＡＣＯＭがちょうど電圧０まで低下するので、このタイミングで、駆動信号Ｖｇ２をＬからＨに切り換えることによってスイッチ素子Ｓ２をＯＮにする。その結果、寄生容量Ｃ２に貯まっていた電荷がスイッチ素子Ｓ２を流れて電力が損失されることを回避することができる。また、圧電素子駆動回路２００では、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ２をＯＮに切り換えることができるので、余分な還流ダイオードＤ２の電力損失も回避することが可能となる。
【００８６】
尚、上述した実施例では、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２を「Ｌ」から「Ｈ」に切り換える際には、タイマーを用いてデッドタイムＴｄを計時してから切り換えることとしていた。しかし、必ずしもタイマーを用いてデッドタイムＴｄを計時しなくてもよい。例えば、遅延時間がデッドタイムＴｄとなるように抵抗値Ｒあるいはコンデンサー容量Ｃを調整したＲＣ遅延回路を用いて、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２が「Ｌ」から「Ｈ」に切り換わるタイミングを、デッドタイムＴｄだけ遅らせるようにしても良い。また、デッドタイムＴｄを変更する際には、抵抗値Ｒあるいはコンデンサー容量Ｃを連続的に可変できるようにして任意のデッドタイムＴｄを実現可能としても良いが、複数種類の抵抗値Ｒ（あるいはコンデンサー容量Ｃ）を設定しておき、これらの中から適切な抵抗値Ｒ（あるいはコンデンサー容量Ｃ）を選択するようにしても良い。また、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２は、駆動信号Ｖｇ１あるいは駆動信号Ｖｇ２が「Ｈ」になってゲート端子に電流（ゲート電流）が流れることによってＯＮになる。従って、駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２が抵抗（ゲート抵抗）を介してゲート端子に接続されるようにしておき、このゲート抵抗の抵抗値Ｒを変更する（あるいは抵抗値Ｒを切り換える）ことで、ゲート電流の電流値を調整することによって、デッドタイムＴｄを調整するようにしても良い。
【００８７】
Ｂ．変形例 ：
上述した本実施例の圧電素子駆動回路２００には幾つかの変形例が存在している。以下ではこれらの変形例について簡単に説明する。尚、これら変形例を説明するにあたって、上述した本実施例の圧電素子駆動回路２００と異なる構成についてのみ説明し、本実施例と同様な構成については、同じ番号を付すことによって説明を省略する。
【００８８】
Ｂ−１．第１変形例 ：
上述した実施例では、駆動波形信号発生回路２１０の波形メモリー２１２にデッドタイムＴｄが記憶されており、駆動波形信号発生回路２１０が演算回路２２０に向かってＷＣＯＭを出力することに合わせて、そのＷＣＯＭに対応するデッドタイムＴｄが、駆動波形信号発生回路２１０からデジタル電力増幅器２４０に出力されるものとして説明した。しかし、ＷＣＯＭに応じたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力することができるのであれば、必ずしも駆動波形信号発生回路２１０からデッドタイムＴｄを出力しなくても良い。
【００８９】
図１６は、第１変形例の圧電素子駆動回路２００が、デジタル電力増幅器２４０での電力損失の増加を回避する方法を示した説明図である。図示されるように、第１変形例の圧電素子駆動回路２００では、駆動波形信号発生回路２１０の外部にデッドタイム情報記憶メモリー２７０が設けられており、このデッドタイム情報記憶メモリー２７０に、ＷＣＯＭの電圧値と、デッドタイムＴｄとが対応付けられたテーブル（デッドタイム情報）が記憶されている。そして、駆動波形信号発生回路２１０は、デジタル電力増幅器２４０に向かってＷＣＯＭを出力するとともに、デッドタイム情報記憶メモリー２７０を参照して、ＷＣＯＭに対応するデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力するようにしても良い。
【００９０】
尚、上述した第１変形例では、デッドタイム情報記憶メモリー２７０には、ＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されているものとして説明したが、これに限らず、ｄＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたテーブルや、ＭＣＯＭのデューティー比とデッドタイムＴｄとを対応付けたテーブルを、デッドタイム情報記憶メモリー２７０に記憶しておいても良い。そして、例えばｄＷＣＯＭとデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、演算回路２２０がｄＷＣＯＭを出力する際、あるいは変調回路２３０がｄＷＣＯＭを受け取った際に、デッドタイム情報記憶メモリー２７０のデッドタイム情報を参照して、デッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力するようにしても良い。また、ＭＣＯＭのデューティー比とデッドタイムＴｄとを対応付けたデッドタイム情報が記憶されている場合には、変調回路２３０がＭＣＯＭを出力する際にＭＣＯＭのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力しても良い。あるいは、ＭＣＯＭを受け取ったデジタル電力増幅器２４０がＭＣＯＭのデューティー比を検出して、デューティー比に対応付けられたデッドタイムＴｄを読み出すようにしても良い。
【００９１】
Ｂ−２．第２変形例 ：
上述した実施例あるいは変形例では、デッドタイムＴｄが予め記憶されており、ＷＣＯＭや、ｄＷＣＯＭ、ＭＣＯＭのデューティー比などに応じて適切なデッドタイムＴｄを読み出してデジタル電力増幅器２４０に出力されるものとして説明した。しかし、デッドタイムＴｄは、図１２中に示した（１０）式あるいは（１１）式を用いて簡単に算出することができるから、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９２】
図１７は、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第２変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第２変形例の圧電素子駆動回路２００では、駆動波形信号発生回路２１０がデジタル電力増幅器２４０に向けてＷＣＯＭを出力すると、そのＷＣＯＭがデッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、受け取ったＷＣＯＭをデューティー比Ｄに変換し、デューティー比Ｄから図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出する。そして、得られたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力する。このようにしても、寄生容量Ｃ１，Ｃ２での電荷の回生および充電がちょうど完了したタイミングで、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることができるので、還流ダイオードＤ１，Ｄ２での電力損失を回避することができ、電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。尚、デッドタイム決定回路２８０が、本発明における「デッドタイム決定手段」に対応する。
【００９３】
Ｂ−３．第３変形例 ：
上述した第２変形例では、ＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めて、デッドタイムＴｄを算出するものとして説明した。しかし、ＷＣＯＭからではなく、ｄＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めてデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９４】
図１８は、ｄＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第３変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第３変形例の圧電素子駆動回路２００では、演算回路２２０から変調回路２３０に向かって出力されたｄＷＣＯＭが、デッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、受け取ったｄＷＣＯＭをデューティー比Ｄに変換して、図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出し、デジタル電力増幅器２４０に出力する。
【００９５】
駆動波形信号発生回路２１０が出力したＷＣＯＭは、ｄＣＯＭが負帰還されてｄＷＣＯＭに変換され、そのｄＷＣＯＭがパルス変調されたＭＣＯＭがデジタル電力増幅器２４０に供給される。従って、駆動波形信号発生回路２１０がデジタル電力増幅器２４０に向けて出力するＷＣＯＭと、デジタル電力増幅器２４０が受け取るＭＣＯＭとは、厳密には対応していない。このことから、ｄＷＣＯＭからデューティー比Ｄを求めてデッドタイムＴｄを算出した方が、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【００９６】
Ｂ−４．第４変形例 ：
また、ＷＣＯＭやｄＷＣＯＭから求めたデューティー比Ｄではなく、ＭＣＯＭから計測したデューティー比Ｄを用いてデッドタイムＴｄを算出するようにしてもよい。
【００９７】
図１９は、ｄＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出する第４変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示されるように、第４変形例の圧電素子駆動回路２００では、変調回路２３０からデジタル電力増幅器２４０に向かって出力されたＭＣＯＭが、デッドタイム決定回路２８０にも入力される。デッドタイム決定回路２８０は、ＭＣＯＭを受け取ると、そのＭＣＯＭのデューティー比Ｄを計測し、図１２中の（１０）式あるいは（１１）式に従ってデッドタイムＴｄを算出する。そして得られたデッドタイムＴｄをデジタル電力増幅器２４０に出力する。
【００９８】
変調回路２３０では、ｄＷＣＯＭを三角波と比較することによってＭＣＯＭを生成するが、三角波が歪んだり、ドリフトしたりしていると、ｄＷＣＯＭから推定されるＭＣＯＭのデューティー比Ｄと、実際に変調回路２３０で得られるＭＣＯＭのデューティー比Ｄとが一致しなくなる。そして、デジタル電力増幅器２４０には変調回路２３０で得られたＭＣＯＭが供給される。従って、ＭＣＯＭのデューティー比ＤをｄＷＣＯＭから推定するのではなく、ＭＣＯＭから計測した方が、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることが可能となり、その結果、より電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【００９９】
Ｂ−５．第５変形例 ：
上述した変形例のように、ＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するには、ある程度の時間が必要となる。このため、ＷＣＯＭの電圧値に対応するデッドタイムＴｄを算出した時点では、その電圧値に対応するＡＣＯＭが既にデジタル電力増幅器２４０から出力されている場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路２１０からデジタル電力増幅器２４０までの間の何れかの位置に遅延回路２９０を挿入することによって、ＡＣＯＭを出力するタイミングを調整しても良い。
【０１００】
図２０は、遅延回路２９０を備えた第５変形例の圧電素子駆動回路２００の詳細な構成を示した説明図である。図示した例では、変調回路２３０とデジタル電力増幅器２４０との間に遅延回路２９０が設けられている。このため、デッドタイム決定回路２８０がＷＣＯＭからデッドタイムＴｄを算出するまでの間に、そのＷＣＯＭに対応するＡＣＯＭがデジタル電力増幅器２４０から出力されないようになっている。こうすれば、デジタル電力増幅器２４０は、デッドタイム決定回路２８０から出力されるデッドタイムＴｄに基づいて、適切なタイミングでスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を切り換えることができるので、電力効率よく圧電素子１１６を駆動することが可能となる。
【０１０１】
また、駆動波形信号発生回路がＷＣＯＭを出力してから変調回路がＭＣＯＭに変換するために掛かる時間が、デッドタイムＴｄを算出する時間よりも長い場合、その電圧値に対応するＭＣＯＭが未だ変調回路２３０から出力されていない場合も起こり得る。そこで、駆動波形信号発生回路２１０とデッドタイム決定回路２８０までの間か、デッドタイム決定回路２８０とデジタル電力増幅回路２４０の間の何れかの位置に遅延回路を挿入することによって、デッドタイムが挿入されるタイミングを調整しても良い。
【０１０２】
尚、上述した第５変形例では、デッドタイム決定回路２８０はＷＣＯＭに基づいてデッドタイムＴｄを算出するものとして説明したが、ｄＷＣＯＭや、ＭＣＯＭに基づいてデッドタイムＴｄを算出するようにしても構わない。
【０１０３】
Ｂ−６．第６変形例 ：
上述した本実施例あるいは各種の変形例では、圧電素子駆動回路２００が液体噴射装置１００の圧電素子１１６を駆動するものとして説明した。しかし、インクジェットプリンターでインクを噴射する噴射ノズルは、アクチュエーターとして圧電素子を利用しているので、噴射ノズルの圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路２００としても好適に適用することができる。
【０１０４】
図２１は、インクジェットプリンターに搭載された噴射ヘッド４００の大まかな内部構造を示した説明図である。噴射ヘッド４００の底面（印刷媒体２に向いている面）には、インクを噴射する複数の噴射ノズル４０２が設けられている。噴射ノズル４０２はそれぞれインク室４０４に接続されており、インク室４０４には、図示しないインクカートリッジから供給されたインクが満たされている。インク室４０４の上には圧電素子４０６が設けられており、圧電素子４０６にＣＯＭ（駆動信号）を印加すると、圧電素子４０６が変形してインク室４０４を加圧することによって、噴射ノズル４０２からインクが噴射される。
【０１０５】
ＣＯＭ（駆動信号）は、インクジェットプリンターに搭載された制御回路４５０の制御の下で圧電素子駆動回路２００によって生成される。また、生成されたＣＯＭは、ゲートユニット４６０を介して圧電素子４０６に供給される。ゲートユニット４６０は、複数のゲート素子４６２が並列に接続された回路ユニットであり、ゲート素子４６２は、制御回路４５０からの制御の下で、個別に導通状態または切断状態とすることが可能である。従って、圧電素子駆動回路２００から出力されたＣＯＭは、制御回路４５０によって予め導通状態に設定されたゲート素子４６２だけを通過して、対応する圧電素子４０６に印加され、その噴射ノズル４０２からインクが噴射される。
【０１０６】
ここで、圧電素子４０６に印加されるＣＯＭは、図２２に示すような波形の信号が用いられる。すなわち、インクを噴射する前には、圧電素子４０６を初期状態から一旦収縮させるために、ＣＯＭの電圧が上昇し、その後、圧電素子４０６を大きく伸張させるために、ＣＯＭが大きく低下する。その結果、初期状態の電圧（初期電圧）よりも低くなった後、再び上昇して、初期電圧に戻る波形となっている。このような波形となっている関係上、噴射ヘッド４００がインクを噴射していない待機状態でも、圧電素子４０６には比較的低い初期電圧（すなわち、制御信号Ｖｃのデューティー比が小さな値となる電圧）のＣＯＭが印加されている。従って、このようなＣＯＭを出力する圧電素子駆動回路２００に、上述した本実施例あるいは各種の変形例の圧電素子駆動回路２００を適用すれば、待機状態中にも電力損失が発生することを回避することが可能となる。
【０１０７】
以上、各種の圧電素子駆動回路２００について説明したが、本発明は上記すべての実施例や各種の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液体噴射装置など、医療機器を含む様々な電子機器を駆動するための圧電素子駆動回路に対しても、本発明の圧電素子駆動回路２００を好適に適用することができる。
【０１０８】
尚、上述した実施例および各種の変形例では、スイッチＳ１と還流ダイオードＤ１、スイッチＳ２と還流ダイオードＤ２はそれぞれ異なる素子の場合の説明をしたが、ひとつの素子がスイッチと還流ダイオードを含んでいる場合においても適用することができる。例えば、スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴに内蔵される寄生ダイオードが還流ダイオードの役割を果たす。この場合は、本発明におけるスイッチＳ１と還流ダイオードＤ１、スイッチＳ２と還流ダイオードＤ２が同一素子内に存在していることになる。本発明は、ＭＯＳＦＥＴのように1つの素子でスイッチと還流ダイオードの役割を果たす素子においても適用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…液体噴射装置、 １１０…脈動発生部、 １１１…ノズル、
１１２…液体噴射管、 １１３…第２ケース、 １１４…第１ケース、
１１５…液体室、 １１６…圧電素子、 １２０…液体供給手段、
１２１…第１接続チューブ、 １２２…第２接続チューブ、 １２３…液体容器、
１３０…制御部、 １５０…配線ケーブル、 ２００…圧電素子駆動回路、
２１０…駆動波形信号発生回路、 ２１２…波形メモリー、 ２２０…演算回路、
２３０…変調回路、 ２４０…デジタル電力増幅器、
２４２…ゲートドライバー、 ２５０…平滑フィルター、 ２６０…補償回路、
２７０…デッドタイム情報記憶メモリー、 ２８０…デッドタイム決定回路、
２９０…遅延回路、 ４００…噴射ヘッド、 ４０２…噴射ノズル、
４０４…インク室、 ４０６…圧電素子、 ４５０…制御回路、
４６０…ゲートユニット、 ４６２…ゲート素子、
Ｓ１…スイッチ素子、 Ｃ１…寄生容量、 Ｄ１…還流ダイオード、
Ｓ２…スイッチ素子、 Ｃ２…寄生容量、 Ｄ２…還流ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第１の電圧発生源と、
前記第１の電圧発生源と直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子と直列接続され、前記第１の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第２の電圧発生源と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第１の電圧発生源に接続された第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第２の電圧発生源に接続された第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項２】
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
電源と、
前記電源の高電圧側に直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と前記電源の低電圧側との間に直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記電源の高電圧側に接続される第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記電源の低電圧側に接続される第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置において、
前記デッドタイムが、前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに対応付けられたデッドタイム情報を記憶しているデッドタイム情報記憶手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記デッドタイム情報に基づいて決定された前記デッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置において、
前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに基づいて、前記デッドタイムを決定するデッドタイム決定手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、決定された前記デッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の液体噴射装置を備える医療機器。
【請求項１】
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
第１の電圧発生源と、
前記第１の電圧発生源と直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子と直列接続され、前記第１の電圧発生源よりも低い電圧を発生させる第２の電圧発生源と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記第１の電圧発生源に接続された第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記第２の電圧発生源に接続された第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項２】
圧電素子に駆動信号を印加して液体室の液体を加圧することによって、該液体を噴射する液体噴射装置において、
前記駆動信号の基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
前記駆動波形信号をパルス変調して、高電圧状態と低電圧状態とを繰り返す変調信号を生成する変調回路と、
該変調信号を電力増幅して電力増幅変調信号を生成するデジタル電力増幅器と、
前記電力増幅変調信号を平滑化することによって前記駆動信号を生成する平滑フィルターと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、
電源と、
前記電源の高電圧側に直列接続される第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子と前記電源の低電圧側との間に直列接続される第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、カソード側が前記電源の高電圧側に接続される第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子に対して並列に設けられ、且つ、アノード側が前記電源の低電圧側に接続される第２のダイオードと、
を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記変調信号が前記高電圧状態となる時間比率であるデューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに応じて決定されたデッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置において、
前記デッドタイムが、前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに対応付けられたデッドタイム情報を記憶しているデッドタイム情報記憶手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、前記デッドタイム情報に基づいて決定された前記デッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置において、
前記変調信号の前記デューティー比、前記駆動波形信号の電圧、あるいは前記駆動信号の電圧の何れかに基づいて、前記デッドタイムを決定するデッドタイム決定手段を備え、
前記デジタル電力増幅器は、決定された前記デッドタイムで、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を駆動する
ことを特徴とする液体噴射装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の液体噴射装置を備える医療機器。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−６３５４４（Ｐ２０１３−６３５４４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２８０１（Ｐ２０１１−２０２８０１）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【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２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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