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JP2007533902A - 圧電装置、およびそれを駆動するための方法ならびに回路 - Google Patents

圧電装置、およびそれを駆動するための方法ならびに回路 Download PDF

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JP2007533902A JP2007506354A JP2007506354A JP2007533902A JP 2007533902 A JP2007533902 A JP 2007533902A JP 2007506354 A JP2007506354 A JP 2007506354A JP 2007506354 A JP2007506354 A JP 2007506354A JP 2007533902 A JP2007533902 A JP 2007533902A
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ブラウント，ジム
ジョーンズ，ガルス・エス
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Abstract

駆動回路（１８）は、圧電アクチュエータ（１４）を有する装置（１０）のために予め定められた波形形状の波形を有する駆動信号を生成する。駆動回路（１４）は、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データを記憶するメモリ（１４０）を含む。駆動回路は、波形の周期を構成する複数のポイントの各々について、駆動信号が予め定められた波形形状にとって適切な振幅を有するように、波形形状データを利用する。波形形状データは、好ましくは、装置の１つ以上の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである。好ましくは、波形形状データは波形方程式を解くことによって作成されており、波形方程式は、装置の少なくとも１つの動作パラメータを最適化するよう求められた係数を有する。波形方程式について求められた係数の数は、装置の帯域幅内にある波形の高調波の数に依存する。他の局面は、駆動回路を利用する装置、装置を動作させるための方法、駆動回路（たとえば圧電アクチュエータを有する装置のための駆動信号を生成する駆動回路）によって利用されるメモリ（２１２）、および最適化された波形形状データを発生させるための機器および方法に関与する。

Description

本願は、同時に出願された以下の米国特許出願、すなわち米国特許出願第１０／８１５，９７５号「圧電装置、およびそれを駆動するための方法ならびに回路」（Piezoelectric Devices And Methods And Circuits For Driving Same）、米国特許出願第１０／８１６，０００号「圧電装置、およびそれを駆動するための方法ならびに回路」、および米国特許出願第１０／８１５，９７８号「圧電装置、およびそれを駆動するための方法ならびに回路」に関する。これらはすべて、それら全体がここに引用により援用される。
背景
１．発明の分野
この発明は圧電素子に関し、特に、たとえばポンプなどの装置に利用される圧電素子を駆動するための回路および方法に関する。
２．関連技術および他の考慮事項
圧電素子とは、機械的圧力を受けると電圧を生成する結晶材料である。それらのさまざまな特性に鑑みて、圧電素子は、ダイヤフラム変位ポンプにおけるアクチュエータとして使用されてきた。一般に、ポンプにおいて使用されるタイプの圧電アクチュエータは、規則的に反転する高電圧電界による励振を必要とする。用途により、励振電圧は２５〜１０００ボルト以上であってもよく、電界反転の頻度は数分の１サイクル／秒〜数千サイクル／秒であってもよい。通常、この励振信号は、１．５〜２５ボルトという比較的低い電圧源から導出されなければならない。この導出または変換がエネルギ効率に非常に優れていること、および関連する構成要素が安価であることが望ましい。
加えて、圧電アクチュエータおよびそれらを採用している装置が共に多くの共振特性をしばしば有する場合には、電界反転が単調であること、たとえば正弦波であることが望ましい。
ポンプアクチュエータとして使用される圧電素子を駆動するためのかなり有効な駆動回路の一例が、米国特許出願第１０／３８０，５４７号および米国特許出願第１０／３８０，５８９号（共に２００３年３月１７日に出願され、「圧電アクチュエータおよびそれを用いるポンプ」（Piezoelectric Actuator and Pump Using Same）と題されており、それら全体がここに引用により援用される）に開示されている。その駆動回路はＥＬランプ駆動回路を含んでおり、それは元々エレクトロルミネセント（ＥＬ）ランプを駆動するために設計されたものの、今では引用文献において圧電ポンプを駆動するために巧みに採用されている。このＥＬランプ駆動回路は、カラーＬＣＤの背面照光および自動車用途のために意図された、高パワーのスイッチモード集積回路（ＩＣ）インバータである。この特に設計されたＥＬランプドライバＩＣと、放電回路などのいくつかの構成要素とが、ＥＬランプ駆動回路の完成品を構成している。
より詳細に説明すると、このＥＬランプ駆動回路は、比較的高い周波数の発振器または状態機械を使用してフライバック回路を駆動し、蓄積キャパシタに蓄積される高電圧電荷を生成する。蓄積キャパシタは次に直流電流の高電圧源として取扱われ、直流電流がブリッジタイプのスイッチング回路に印加され、それは、第２の発振器または状態機械によって、もしくはフライバック発振器から導出された信号によって駆動され、反転した電界効果を生成する。
これらのＥＬランプ駆動回路はエレクトロルミネセント照明業界においてすでに広範に採用されており、したがって、回路素子の多くは「ワンチップ」解決策に統合されている。このＥＬランプ駆動技術／回路は進化して、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）および電子ゲームなどの手持ち型電子装置のディスプレイを駆動するようになった。回路は、低い周波数と少ない電流引込みとで、および比較的高い周波数で動作可能であり、携帯用途にとっては非常に魅力あるものになっている。さらに、放電回路設計に搭載されると、ＥＬ回路は、ＥＬランプシステムノイズ、すなわち他のＩＣまたはチップの動作に影響を与えるノイズを最小限に抑える。
圧電ポンプにおける全体的に巧妙で全体的に有利なその利用にも拘らず、ＥＬランプ駆動回路を使用するいくつかの局面は問題をはらんでいる。いくつかの問題例をここで簡単に説明する。
第１の問題例としては、ＥＬランプドライバは、一旦設置されるとそれが固定周波数でしか動作しないという点で制限されている。ＥＬランプドライバにおいて使用される発振器および／または状態機械は固定されている。したがってＥＬランプ駆動回路は「モナ・リザ」、すなわち各回路が固定フライバック周波数を有する回路である。その結果、圧電ポンプで使用される場合、ＥＬランプ駆動回路は、固定された圧電駆動周波数と、固定された出力電圧対入力電圧／負荷比とを提供する。圧電ポンプで使用される場合、ＥＬランプ駆動回路は、製造時点で構成要素の値を変えることによって、ある特定の圧電用途に「調整」される。
第２の問題例としては、ＥＬランプ駆動回路からの出力波形は、（ＥＬランプ駆動回路による波形出力における鋭いピークに起因する）負荷の下でも圧電において可聴ノイズを作り出す修正された鋸波である。これは、１つには、未加工で幾分直流の電流源を採用しているＥＬランプ駆動回路のアーキテクチャに起因する。この電流源は反転電界を生成するためにブリッジ回路によってデジタル式に切換えられ、そのため、結果として生じる駆動波形は純粋なものとは程遠い。方形波および鋸波は、不規則に時間変化する周波数成分信号が典型的である状態では一般的である。しかしながら、非音声用途では、圧電アクチュエータおよびそれを採用している装置は通常、最大限の効率を得るために純粋な周波数で動作すること、および最小量の可聴ノイズしか生成しないことを必要とする。そのため、目標とする基本駆動周波数以外の周波数成分を有する駆動波形が印加されると、その異質の周波数成分は圧電素子の作業出力を少ししか増大させず、しかしながら望ましくないアクチュエータ可聴ノイズを多大に増加させる。
第３の問題例としては、ＥＬランプ駆動回路への唯一の可変ユーザ入力は電圧入力（Ｖｉｎ）である。ＥＬランプドライバアーキテクチャは、圧電アクチュエータをバイポーラ式に駆動するためにユニポーラ電圧源を採用している。この事実を考慮すると、圧電アクチュエータの両「側」がシステム接地以外の電圧電位を受けることは避けられない。導電性液体を汲み上げるポンプなどの用途では、アクチュエータの流体側が常にシステム接地のままであることが非常に望ましい。これは、ＥＬランプ駆動回路を使用しては達成できない。
現在の駆動アプローチは、外部制御入力を受入れ、またはローカルアクチュエータに関連したパラメータを監視する手段を有していない。共振検出、圧力フィードバック、温度フィードバック、外部変調などの能力は、考慮すらされていない。一旦設置された基板における周波数または電圧を変更する能力の欠如は、逆圧、温度および他の動作条件に対処するために周波数または電圧を最適化しようとする際に、回路の能力を厳しく制限する。
簡単な概要
駆動回路は、圧電アクチュエータを有する装置のために予め定められた波形形状の波形を有する駆動信号を生成する。駆動回路は、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データを記憶するメモリを含む。駆動回路は、波形の周期を構成する複数のポイントの各々について、駆動信号が予め定められた波形形状にとって適切な振幅を有するように、波形形状データを利用する。
例示的な一実現例では、駆動回路は、メモリに記憶された波形形状データを使用してデジタル信号を発生させるコントローラを含む。
例示的な態様では、波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある。たとえば、例示的な一態様では、波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある振幅値を含む。別の例示的な態様では、波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にあるパルス幅変調値を含む。
波形形状データは、好ましくは、装置の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである。装置がポンプである例示的な一実現例では、波形形状データによって最適化される動作パラメータは、ポンプ内の流体流、ポンプ内の圧力、加速度、およびノイズの無さのうちの１つであり得る。代替的な一実施例では、波形形状データは、ポンプの複数の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである。
好ましくは、波形形状データは波形方程式を解くことによって作成されており、波形方程式は、装置の少なくとも１つの動作パラメータを最適化するよう求められた係数を有する。波形方程式について求められた係数の数は、装置の帯域幅内にある波形の高調波の数に依存する。
その局面のうちの別のものでは、この開示は、駆動回路を利用する、または取入れている装置に関与する。非限定的な一例では、そのような装置は圧電ポンプである。そのようなポンプは、たとえば、少なくとも部分的にポンプ室を規定するための、かつポンプ室と連通する入口および出口を規定するためのポンプ本体をさらに含む。圧電アクチュエータはポンプ本体内に位置し、入口と出口との間の流体を汲み上げるための駆動信号に応答する。
その局面のうちの別のものでは、この開示は、駆動回路（たとえば、圧電アクチュエータを有する装置のための駆動信号を生成する駆動回路）によって利用されるメモリにも関与する。メモリは、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データを記憶する。
その局面のうちのさらに別のものでは、この開示は、圧電アクチュエータを有する圧電装置を動作させる方法にも関与し、圧電アクチュエータは駆動信号に応答する。そのような方法のいくつかの態様は、メモリに記憶された波形形状データを使用して、駆動信号が予め定められた波形形状の波形を有するように駆動信号を生成するステップと、次に駆動信号を圧電アクチュエータに印加するステップとを含む。いくつかのそのような方法では、波形の周期を構成する複数のポイントの各々について、駆動信号が予め定められた波形形状にとって適切な振幅を有するように、波形形状データを使用して駆動信号を生成する。
その局面のうちのさらに別のものでは、この開示は、ターゲット圧電装置のターゲット
駆動回路によって使用されるための波形形状データを作成する方法にも関与する（その圧電装置は、その駆動回路によって発生する駆動信号を受取る圧電アクチュエータを含む）。そのような方法は、動作装置の動作圧電アクチュエータに印加すべき駆動信号を発生させるステップと、装置の動作パラメータに従って装置からフィードバック信号を取得するステップと、フィードバック信号を使用して波形方程式の係数を求めるステップと、波形方程式を解いて波形形状データを取得するステップと、波形形状データをメモリに記憶させるステップとを含む。いくつかの例示的な態様では、この方法はさらに、ターゲット駆動回路にメモリをインストールするステップを含む。他の例示的な態様では、この方法はさらに、メモリから波形形状データを読出すステップと、波形形状データをターゲット駆動回路の別のメモリに記憶させるステップとを含む。さらに他の例示的な態様では、この方法はさらに、波形形状データをプロセッサに記憶させるステップを含む。いくつかの例示的な実現例では、この方法はさらに、波形形状の周期を構成する複数のポイントと対の関係にあるメモリ内の波形形状データをフォーマット化するステップを含む。好ましくは、フィードバック信号を使用して、１つ以上の動作パラメータの点で装置の性能を最適化する係数を求める。
前述のおよび他の目的、特徴、および利点は、添付図面に図示されているような以下の好ましい実施例のより特定的な説明から明らかであり、図面では、さまざまな図全体を通し、参照符号は同じ部分を指している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、発明の原理を例示することに強調がおかれている。
図面の詳細な説明
以下の説明では、限定のためではなく説明のために、特定のアーキテクチャ、インターフェイス、手法といった特定の詳細が、この発明の完全な理解を提供するために述べられる。しかしながら、これらの特定の詳細からそれた他の実施例でこの発明が実践されてもよいことは、当業者には明らかである。他の点では、この発明の説明を不必要な詳細で不明瞭にしないよう、周知の装置、回路および方法の詳細な説明は省略されている。さらに、図面のいくつかには個々の機能ブロックが図示されている。当業者であれば、個々のハードウェア回路を用いて、好適にプログラムされたデジタルマイクロプロセッサまたは汎用コンピュータとともに機能するソフトウェアを用いて、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を用いて、および／または１つ以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いて機能が実現されてもよいことを理解するであろう。この詳細な説明に表れる表題または本文の見出しは、ここに説明する発明をどのようにも定義または限定せず、単に読者の便宜のために挿入されている。
１．０ 代表的な圧電ポンプ構造
図１および図２は、駆動回路と、駆動回路によって駆動される圧電アクチュエータのホストとして働く例示的な利用装置とを図示するための単なる非限定的な例としての役割を果たす代表的な圧電ポンプ１０を示している。少なくとも部分的に圧電素子から構成されるアクチュエータを有すること以外は、ポンプ１０の図示された物理的構造は重大ではない。実際、ここに開示される駆動方法および駆動回路は、多くのタイプの利用装置で使用可能であり、ポンプ１０の構造上の構成要素のうちのいくつかまたはすべての変形を有する異なるタイプの利用装置を含むもののそれらに限定されない。
図１および図２の例示的なポンプ１０は一般に、薄い円筒の形をしている。ポンプ１０は、ポンプ本体１２と、圧電アクチュエータ１４と、ポンプカバー１６と、圧電アクチュエータ駆動回路１８とを含む。ポンプ本体１２は入口２２と出口２４とを有し、それらの一方または双方はポンプ本体１２の一部であってもよく、またはポンプ本体１２に別の方法で固締された別個の部品であってもよい。ポンプカバー１６は、任意の好適な手段によ
ってポンプ本体１２に固締されてもよい。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、図１に示すように、ポンプ本体上の外部に位置付けられてもよい。また、これに代えて、ポンプカバーは、圧電アクチュエータ駆動回路１８を構成する回路素子を有する回路基板（たとえばプリント回路基板、プリント配線基板）を部分的にまたは全体的に含んでいてもよい。この代替例では、回路基板は、ポンプ用の機械的または構造的部品という追加機能を果たす。圧電アクチュエータ駆動回路１８のさらに別の位置も可能であり、圧電アクチュエータ駆動回路１８が、圧電アクチュエータ１４への電気導線／接続を含む適切な導線および／または導通を有することが理解される。
ポンプ室３０は、ポンプ本体１２の中央にたとえば成型または機械加工によって形成される。ポンプ１０の寸法、ひいてはポンプ室３０の寸法は特定の用途に依存する。台座３２は,ポンプ本体１２の内部のポンプ室３０の上部に設けられる。図２に示すように、圧電アクチュエータ１４は台座３２の上に取付けられて、ポンプ室３０の上部にダイヤフラム（隔壁）を形成する。圧電アクチュエータ１４と本質的に同じ外径を有するシールワッシャ３４が、台座３２の上にある。Ｏリングシール３６が圧電アクチュエータ１４の上部に位置して、圧電アクチュエータ１４を所定の位置に保持する。
例示された一実施例では、圧電アクチュエータ１４は、１つ以上の高耐久化層（たとえば金属層）に／間に積層された圧電ウェハの形を取り得る。そのような圧電アクチュエータの一例は、米国特許出願第１０／３８０，５４７号および米国特許出願第１０／３８０，５８９号（共に２００３年３月１７日に出願され、「圧電アクチュエータおよびそれを用いるポンプ」と題されており、それら全体がここに引用により援用される）に例示されている。しかしながら、ここに開示される駆動方法および駆動回路は、任意の特定のタイプの圧電アクチュエータに制限されない。
上述のように、図１および図２に示すような例示的なポンプの構造的局面は制約的ではない。たとえば、ポンプ本体の形状寸法、サイズ、組成および内部構成は、他の実施例または用途では変わり得る。さらに、ポンプ本体における圧電アクチュエータ１４の載置または密封もしくは位置付けの態様は重大ではない。さらに、入口および出口の位置、数、配向および構造は重大ではなく、そのような入口および／または出口の１つ以上に、またはその近くにあり得る任意の特定の弁の存在またはタイプも重大ではない。
圧電アクチュエータ駆動回路１８は、好ましくは電子プリント回路基板（ＰＣＢ）に具現化されているものの、必ずしもそうである必要はない。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、実施例および態様のいくつかが他の実施例および態様とともに実現される状態では、多くの異なる形または実施例を取り得、多くの異なる実施態様を有し得る（たとえば、いくつかの実施例／態様は、さらに他の実施例および態様を実現するために組合せられることが可能である）。
２．０ 駆動回路の例示的な実施例
圧電アクチュエータ駆動回路１８の一般的で非限定的な例を、図３および図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ（１）、図３Ｅ（２）、図３Ｆ、図３Ｇ、図３Ｈ（１）、図３Ｈ（２）、図３Ｉ（１）、図３Ｉ（２）、図３Ｉ（３）、図３Ｊに示す。例示的な実施例および態様の各々では、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、一連の低電力長周期デジタルパルスを変換回路１０２に印加し、そのため変換回路１０２は、圧電アクチュエータ１４によって一体化されるパケット電荷を印加することができる。これらの実施例の各々では、圧電アクチュエータ駆動回路１８は駆動信号を圧電アクチュエータ１４に印加し、圧電アクチュエータ１４は利用装置を構成するかまたはそれに隣接もしくは近接している。圧電アクチュエータ１４を使用する、または取入れている特定の利用装置は、用途および／または環境に依存する。ここで説明する１つの例示的で非限定的な利用装置は、圧電
ポンプである。
２．１ デジタルパルスを提供する駆動回路
図３に簡略化された形で示されるように、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、デジタルパルス発生器１００と変換回路１０２とを含む。電源１０３は、パルス発生器１００および変換回路１０２の双方に電力を供給する。パルス発生器１００は、低電圧長周期デジタルパルスを変換回路１０２に供給する。変換回路１０２は、高電圧短周期パルス（電荷パケット）の流れを圧電アクチュエータ１４への線１０４上に出力する。このため、その局面のうちの１つとして、図３の（およびここに説明する駆動回路の他のすべての実施例の）圧電アクチュエータ駆動回路１８は、圧電アクチュエータ１４によって一体化されるデジタルパルスストリーム（たとえば一連の電荷パケット）を出力する。
２．２ フィードバック信号を受取る駆動回路
その動作の一局面として、圧電アクチュエータ１４は実際に、圧電アクチュエータ駆動回路１８の一部としての役割を果たす。たとえばそのキャパシタンスなどにより、圧電アクチュエータ１４は、変換回路１０２によって出力された短周期パルス（電荷パケット）を、線１０４上の駆動信号として一体化する。線１０４上の駆動信号の一体化に鑑み、線１０４上の駆動信号は実際に、正弦波の一般的形状を得る。このため、圧電アクチュエータ１４は、圧電アクチュエータ駆動回路１８の波形（たとえば線１０４上に印加される駆動信号）を形作るのに寄与する。
変換回路１０２は、パルス発生器１００からデジタルパルスを受取り、高電圧短周期パルス（電荷パケット）の流れを線１０４上に発生させる。図示された例示的な実施例では、パルス発生器１００から変換回路１０２に印加されたデジタルパルスは、パルス幅変調と、線１０４上の駆動信号として生じる正弦波波形の振幅および周期に影響を与える周期またはサイクルとを有する。基本的な例示のため、図４Ａは、パルス幅変調された一連のデジタルパルスを示している。図４Ａの信号は周期Ｐを有し、デジタルパルスはパルス幅Ｗを有している。後で説明するように、幅Ｗを有する正のパルスは、線１０４上の駆動信号としての電荷の次の送出のために変換回路１０２のインダクタンスが充電される周期Ｐの一部に対応している。
図３Ａは、パルス発生器１００が線１０５上のフィードバック信号を受取る圧電アクチュエータ駆動回路１８Ａの一実施例／態様を示している。線１０５上のフィードバック信号は、好ましくは、さまざまな目的に利用可能な電圧フィードバック信号であり、そのような場合にはアナログ信号である。たとえば、線１０５上の電圧フィードバック信号は、圧電アクチュエータ１４の共振またはキャパシタンスを求めるために利用可能である。線１０５上の電圧フィードバック信号を用いて、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、圧電アクチュエータ１４へ印加するための所望するどんな波形も構築することができる。このため、その局面のうちの別のものとして、圧電アクチュエータ駆動回路は、フィードバック信号を利用して、圧電アクチュエータ１４のための駆動信号の波形を形作ることができる。
２．３ アナログ入力信号を受取る駆動回路
図３Ｂは、駆動回路へのアナログ入力信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｂの一実施例／態様を示している。このアナログ入力信号はユーザ入力装置から取得され、それらのうちの２つを、図３Ｂに示すユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８として、図３Ｂに例示する。より少ない、またはより多い数のユーザ入力装置が利用可能であることが理解されるべきである。ユーザ入力装置１０６および１０８は、たとえば、ユーザが選択した数に従ってアナログ信号を発生させる、または印加する可変抵抗器またはトリマー抵抗器もしくは任意の他
の装置であり得る。例示的な一実施例では、ユーザ入力装置１０６は、パルス発生器１００によって変換回路１０２に印加されるパルス幅変調されたデジタルパルスの周期Ｐ（図４参照）を設定することによって、線１０４上の駆動信号の周期を設定するために使用可能である。ユーザ入力装置１０８は、パルス発生器１００によって変換回路１０２に印加されるパルス幅変調されたデジタルパルスのパルス幅Ｗ（図４参照）を設定することによって、線１０４上の駆動信号の電圧／振幅を設定するために使用可能である。ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８は、（たとえばパルス発生器１００を構成し得るマイクロコントローラの）接地とＡ／Ｄ基準レベルとの間の電圧を発生させるために、ユーザによって調節される。動作の一局面として、これらの信号は、ソフトウェアにおいて、周波数およびポンプのピークツーピーク駆動電圧のための制御信号に変換可能である。通常、ユーザは抵抗器を（たとえば）周波数６０Ｈｚ、ピークツーピーク駆動電圧３５０ボルトに設定するかもしれない。このため、その局面のうちの別のものとして、圧電アクチュエータ駆動回路は、アナログ入力信号を利用して、圧電アクチュエータにデジタルパルスとして印加される駆動信号に影響を与えることができる。
２．４ デジタル入力信号を受取る駆動回路
図３Ｃは、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）などを介して入力されるデジタル信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃの一実施例／態様を示している。図３Ｃの特定の例示では、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）は、（図示されているようなデスクトップ、またはラップトップもしくは他のコンピュータ状端末であり得る）コンピュータ１０９にあり、キーボード、ポインタ（たとえばマウス）、タッチスクリーン、または他の好適な入力装置の形を取り得る。コンピュータ１０９からのデジタル信号は、コネクタ１１０を介してパルス発生器１００に印加可能である。このため、その局面のうちの別のものとして、圧電アクチュエータ駆動回路は、デジタル入力信号を利用して、圧電アクチュエータに印加される駆動信号に影響を与えることができる。
２．５ 利用装置のセンサからの入力信号を受取る駆動回路
図３Ｄは、たとえばポンプ１０のポンプ室３０といった利用装置の内部に配置されたセンサ１１２−３Ｄによって発生したデジタル信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄの一実施例／態様を示している。例示された実施例では、センサ１１２−３Ｄは、ポンプ室３０内の流体に浸漬されており、または少なくとも部分的に流体と接触している。センサ１１２−３Ｄは、ポンプ室３０の内壁と同一平面上に取付け可能であり、またはポンプ室３０内に他の方法で配置可能である。センサ１１２−３Ｄは、圧電アクチュエータ１４およびポンプ１０の動作と関わりがあるポンプ室３０内の流体の適切なパラメータ、たとえば温度、粘度、圧力、または圧電アクチュエータ１４の撓みなどを感知可能である。センサ１１２−３Ｄの使用は、ポンプの感知された動作パラメータに依存して、駆動回路が駆動信号を（たとえば動的に）変化させるのを容易にする態様の一例である。
２．６ 利用装置内／上のどこかにあるセンサからの入力信号を受取る駆動回路
図３Ｄが利用装置の内部に配置されたセンサを示しているのに対し、図３Ｅ（１）および図３Ｅ（２）は、利用装置の周囲、たとえばポンプ１０の周囲のどこかに配置されたそれぞれのセンサ１１２−３Ｅ（１）および１１２−３Ｅ（２）によって発生したデジタル信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｅ（１）および１８Ｅ（２）の実施例／態様を示している。図３Ｅ（１）では、センサ１１２−３Ｅ（１）はポンプの後部に位置しており、圧電アクチュエータ１４と当接するよう図示されている。センサ１１２−３Ｅ（１）は、たとえば圧電アクチュエータ１４の変位を感知するために使用可能であり、ポンプ室３０内の流体にさらされてはいない。図３Ｅ（２）のセンサ１１２−３Ｅ（２）は出口２４に位置付けられており、ポン
プ１０の動作に関わる適切なパラメータ、たとえば温度、粘度、流量、または圧力なども感知可能である。
２．７ サービス対象装置の内部にあるセンサからの入力信号を受取る駆動回路
図３Ｆは、サービス対象装置１１４−３Ｆ内に配置されたセンサ１１２−３Ｆによって発生したデジタル信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｆの一実施例／態様を示している。装置１１４−３Ｆは、ポンプ１０によって汲み上げられた流体がサービス対象装置を包囲して、貫通して、または近接して向けられる、もしくは循環されるという意味で、サービス対象装置と呼ばれる。サービス対象装置１１４−３Ｆは、たとえば、電子部品（たとえば、冷却を招くプロセッサまたは他の熱放散電気装置、熱交換器（汲み上げられた流体によって冷却される）、または医療機器であり得る。そのため、流体流の経路は、ポンプ１０の出口２４からサービス対象装置１１４−３Ｆへ、そしてサービス対象装置１１４−３Ｆからポンプ１０の入口２２へと戻るよう例示されている。
２．８ サービス対象装置に近接するセンサからの入力信号を受取る駆動回路
図３Ｇは、サービス対象装置１１４−３Ｇ上またはその近傍に配置されたセンサ１１２−３Ｇによって発生したデジタル信号に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇの一実施例／態様を示している。サービス対象装置１１４−３Ｇの独自性および本質は、ポンプ１０の用途および使用に依存しており、上述のもののような電子分野および医療分野での用途を含むものの、それらに限定されない。
２．１０ 送出スケジューラとともに動作する駆動回路
図３Ｈ（１）は、送出スケジューラ１６０とともに機能する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇの一実施例／態様を示している。送出スケジューラ１６０から入力を受取ることにより、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇは、圧電アクチュエータ１４の非連続的な動作を制御する。たとえば、送出スケジューラ１６０は、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇを制御してもよく、または、圧電アクチュエータ１４への線１０４上の駆動信号の印加のタイミングについての情報を圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇに供給してもよい。送出スケジューラ１６０は、線１０５上のフィードバックを受取る実施例において利用可能であるが、必ずしも利用される必要はなく、そのため、図３Ｈ（１）では線１０５は破線で示されている。
送出スケジューラ１６０の論理および動作は、アプリケーションによって異なり得る。たとえば、送出スケジューラ１６０は、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇに、（たとえば送出スケジューラ１６０または圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｇへの外部刺激または信号に応答して）１つ以上の有限時間周期の間、駆動信号を供給するよう命令してもよい。そのような有限送出のためのシナリオの一例は、所定の流れおよび／または容積量に従って流体（たとえば薬剤）を送出または投与するためのポンプにおいて圧電アクチュエータ１４を駆動することを伴う。
また、これに代えて、送出スケジューラ１６０は、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｈに、圧電アクチュエータ１４への線１０４上の駆動信号を始動または終了させるために監視されるべき或る感知条件を知らせてもよい。たとえば、（たとえば流体の）温度が予め定義された温度範囲外にあることが検出された場合、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｈは、圧電アクチュエータ１４に駆動信号を印加し、それによりそれを取入れた利用装置をオンにするよう、送出スケジューラ１６０を介して命令されてもよい。
送出スケジューラ１６０はさまざまなやり方で実現可能である。たとえば、送出スケジ
ューラ１６０のための論理は、デジタルパルス発生器のマイクロプロセッサに含まれ、グラフィカルユーザインターフェイスまたは他の入力装置を介してアクセスされ得る。また、これに代えて、送出スケジューラ１６０は、図３Ｃを参照して理解されるように、別個のプロセッサまたはコンピュータであってもよい。
図３Ｈ（２）によって総称的に例示されたさらに別の実施例／態様では、送出スケジューラ１６０は、適切な通信チャネル１６４を介してデジタルパルス発生器１００に接続された遠隔ユニット１６２を含んでいてもよい。たとえば、通信チャネル１６４は無線ネットワークであってもよく、その場合、送出スケジューラ１６０および遠隔ユニット１６２は共に、ユーザが無線インターフェイス（たとえば無線周波数または他の電磁スペクトル）を通してプログラミング情報（たとえば駆動信号開始および／または停止時刻）を送出スケジューラ１６０に送信できるよう、無線局（たとえばモバイル終端を有するラップトップ、携帯電話、ブルートゥースユニットなど）を含む。
別の例としては、遠隔ユニットはブラウザであってもよく、通信チャネル１６４は、たとえばインターネットといったパケットネットワークを含み得る。そのような例では、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｈ、または利用装置自体が、それ自体のインターネットまたはネットワークアドレスを有していてもよい。
これらのまたは他の実現例のいずれかを用いて、ユーザは、送出スケジューラ１６０が圧電アクチュエータ１４への駆動信号の印加および停止のタイミングを制御できるよう、遠隔ユニットを介して送出スケジューラ１６０にデータを入力することができる。
２．１１ 複数のアクチュエータを駆動する駆動回路
図３Ｉ（１）〜図３Ｉ（３）は、複数の圧電アクチュエータのために働く圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｉ（１）〜１８Ｉ（３）の実施例／態様を示している。図３Ｉ（ｘ）の独特の要素は、対応する挿入的接尾辞「ｘ」を有しており、各図３Ｉ（ｘ）について、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｉ（ｘ）は複数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yのために働き、ここでｙは１〜ｎの範囲にある。各実施例について、複数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yは、それぞれの複数の利用装置（たとえば複数のポンプ１０）に取入れられてもよく、または複数のタイプの利用装置にも取入れられてもよい。たとえば、圧電アクチュエータ１４（ｘ）1がポンプに含まれ、圧電アクチュエータ１４（ｘ）2がファンまたは他のタイプの（ポンプではない）利用装置に含まれていてもよい。また、これに代えて、他の実施例では、単一の装置またはシステムで複数の圧電アクチュエータが利用されてもよい。圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｉ（ｘ）は好ましくは、複数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yの各々について別個の変換回路１０２（ｘ）yを含むが、必ずしもそうである必要はない。
図３Ｉ（１）の実施例／態様では、パルス発生器１００によって発生する同じＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂデジタルパルスが、別個の圧電アクチュエータ１４（１）1および１４（１）nにそれぞれ関連する変換回路１０２（１）1および１０２（１）nに印加される。図３Ｉ（１）の実施例／態様は、複数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yが並列で、および／または時刻同期して機能する際に特に好適である。
図３Ｉ（２）の実施例／態様では、パルス発生器１００（２）は変換回路１０２（２）yのうちの少なくとも２つのために異なるＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂデジタルパルスを生成し、そのため複数の圧電アクチュエータ１４（２）yは異なるように駆動される。図３Ｉ（２）の実施例／態様は、線１０５（２）y上のフィードバック信号、または他の入力信号（たとえば図３Ｄ、図３Ｅ（１）および図３Ｅ（２）を参照して説明されたようなセンサ入力信号など）が異なるＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂデジタルパルスを必要とする
かまたは招く場合に特に有益である。異なるＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂデジタルパルスは、独自に機能する／感知された複数の圧電アクチュエータ１４（２）yの同期またはタイミングを取るために、もしくは他の方法で各圧電アクチュエータ１４（２）yを独自に駆動するために必要とされる場合がある。たとえば、並列で駆動される２つの圧電アクチュエータ１４（２）yが、それでもなお、流体特性、管の長さ、管の組成などの異なる要因に鑑みて、異なるＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂデジタルパルスを必要とする場合がある。図３Ｉ（３）は、圧電アクチュエータ１４（３）yの１つ以上が流体操作に関して直列で位置している、図３Ｉ（２）の実施例の変形を示している。
前述の説明から理解されるように、所望すれば、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｉ（ｘ）のための入力信号を、１つ以上のアナログ入力装置または１つ以上のデジタル入力装置（たとえばセンサ）から取得することが可能であり、そのため圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｉ（ｘ）は（複数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yのために働くことに加え）いずれかの前述の実施例の属性を呈し得る。
２．１２ アナログおよびデジタル入力信号を受取る駆動回路
図３Ｊは、１つ以上のアナログ入力信号および１つ以上のデジタル信号の双方に従って、または影響されて線１０４上の駆動信号が発生する圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｊの一実施例／態様を示している。図示された非限定的な例では、２つのアナログ信号が、ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８から受取られている。１つ以上のデジタル信号が、コネクタ１１０を介してパルス発生器１００によって受取られ、前述の実施例で例示のために図示されたもののようなユーザ入力装置またはセンサによって生成され得る。
３．０ 例示的な駆動回路実現例
ここでの駆動回路または圧電アクチュエータ駆動回路（圧電アクチュエータ駆動回路１８など）への以下の包括的な言及は、１つ以上のタイプの圧電アクチュエータ駆動回路、たとえば概して上述されたタイプの駆動回路に言及し得る。駆動回路または圧電アクチュエータ駆動回路（圧電アクチュエータ駆動回路１８など）への言及は、ここに提供される例によって制約または限定されない。
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄは、（たとえば上述の圧電アクチュエータ駆動回路１８のうちの１つ以上のために利用可能な）圧電アクチュエータ駆動回路１８の例示的な（非限定的な）実現例をより詳細に示している。前述のように、ここに説明する圧電アクチュエータ駆動回路１８は、圧電アクチュエータを有するポンプのための駆動信号を生成し、その圧電アクチュエータは駆動回路の一部を形成して、圧電アクチュエータのための駆動信号の波形を形作る役割を果たす。
３．１ 第１の例示的な駆動回路：構造
図５Ａの例示的な実施例では、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、パルス発生器１００と、変換回路１０２と、圧電アクチュエータ１４とを含む。変換回路１０２は、パルス発生器１００によって生成されたデジタルパルスを用いて、高電圧短周期パルス（電荷パケット）を生成する。以下に説明するように、圧電アクチュエータ１４は、その容量性により、電荷パケットを一体化して、好ましくは正弦波に近似する駆動電界を産出する。圧電アクチュエータのキャパシタンスは本質的に固定されているものの、発生器のデジタルパルスをパルスごとに制御する（たとえばパルス幅変調デューティサイクルを変える）ことによって、任意の複雑度の波形が生成可能である。
図５Ａの非限定的で例示的な実施例では、パルス発生器１００は、（１つ以上のマイクロコントローラ１１６を有する）マイクロコントローラベースのパルス幅変調器（ＰＷＭ
）回路を含み、変換回路１０２はフライバック回路を含む。フライバック回路１０２は、電気接地に対してバイポーラである電位を生成する。フライバック回路１０２によって生成されるパルスが圧電アクチュエータ１４における機械的非効率性およびノイズのうちの１つに寄与しないよう、好ましくは、フライバック回路１０２によって生成される電荷パケットの周波数は、圧電アクチュエータ１４が機械的に応答する能力のものよりも大きい。有利には、図５Ａの実施例では、フライバック回路１０２と圧電アクチュエータ１４との間に、ブリッジ変換回路も電荷蓄積回路も接続される必要はない。
例示された非限定的な実施例では、パルス発生器１００はマイクロコントローラ１１６を含むよう図示されている。パルス発生器１００は、１つ以上のマイクロコントローラまたはプロセッサおよび／または他の回路を含んでいてもよい。加えて、ここにマイクロコントローラ１１６に起因する或る動作または機能性が、マイクロコントローラ１１６を含むマイクロプロセッサを含むもののそれに限定されない１つ以上のプロセッサによって実行されることも考慮され得る。この点に関し、たとえば、図３Ｉ（２）および図３Ｉ（３）の実施例／態様では、パルス発生器１００（２）および１００（３）はそれぞれ、複数のまたは偶数のｙ個のマイクロコントローラを、ｙ個の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yを制御するために含んでいてもよい。また、これに代えて、図３Ｉ（２）および図３Ｉ（３）の実施例／態様のためのパルス発生器１００（２）および１００（３）は、ｙ個の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yを駆動するためのマルチタスク能力および異なる出力ピン配置を有する好適なマイクロコントローラを含んでいてもよい。
圧電アクチュエータ駆動回路１８は、電源１０３に接続されている。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、電源モニタ１１８を含む。電源モニタ１１８は、入力電圧分割網１１９（電源１０３と接地との間で直列に接続されている抵抗Ｒ１およびＲ２を含む）と、電源１０３と接地との間に接続された入力キャパシタンスＣ１と、電圧入力調整器１２０とを含む。抵抗Ｒ１、Ｒ２によって形成された電圧分割網は、入力供給電圧を監視するために（ピン１１８において印加された）マイクロコントローラ１１６へのアナログ入力を発生させる役割を果たす。これにより、マイクロコントローラ１１６は、ソフトウェアを介して、変動する供給のために回路性能全体を最大にするよう調整を行なう。キャパシタＣ１は、電源１０３からの主要供給をフィルタにかける。電圧入力調整器１２０は、パルス発生器１００に接続された入力端子と、マイクロコントローラ１１６のピン１５に接続された出力端子とを有する。
有利には、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、ユーザ入力および外部センサ入力を含む入力を受取ることができる。この目的を達成するために、それぞれ抵抗器（トリマー抵抗器）Ｒ８およびＲ９の形をした２つの例示的なユーザ入力装置１０６および１０８が、マイクロコントローラ１１６のピン１７と接地との間に接続されている。より多い、またはより少ない数のユーザ入力装置を設けることができる。コネクタ１１０は、マイクロコントローラ１１６の一定のピンに接続された導線を有する。上述のように、コネクタ１１０のピンのうちのいくつかは、線１０４上に印加される駆動信号の波形を形作る際にマイクロコントローラ１１６によって利用され得る信号を生成する源（たとえばコンピュータまたは１つ以上のセンサ）に接続されてもよい。そのような外部センサの数は、ユーザの要望および／またはポンプ１０の使用の用途または環境に従って変更可能である。
（抵抗Ｒ６およびＲ７を含む）フィードバック電圧分割網の形をした出力モニタ１２２は、線１０４上に印加される駆動信号と接地との間に接続されている。抵抗Ｒ６とＲ７との間のフィードバック電圧分割網のノードは、マイクロコントローラ１１６のピン１９に接続されている。
前述の事項から理解されるように、パルス発生器１００はマイクロコントローラであり
得る。また、パルス発生器１００は、ここに説明した一般的な目的のためにフライバック回路１０２および圧電アクチュエータ１４によって使用されるのに好適なパルスを発生させるＡＳＩＣまたは任意の他の装置もしくは回路でもあり得る。図示された非限定的で例示的な実施例では、パルス発生器１００は、ＡＴＴＩＮＹ２６Ｌマイクロコントローラなどのマイクロコントローラ１１６である。
図示された実施例のマイクロコントローラ１１６についてのピン接続を、ここで簡単に説明する。ピン１、２、３および４は、回路内プログラミングピンとして、および以下に説明する機能として二役をこなす。たとえば、ピン２および４は、マイクロコントローラ１１６に具現化されたソフトウェア制御パルス幅変調器の出力であり、フライバック回路１０２を駆動するために使用される。特に、信号ＰＷＭ−Ａは、ピン２から線１２４を伝ってフライバック回路１０２へ出力され、信号ＰＷＭ−Ｂはピン４から線１２６を伝ってフライバック回路１０２へ出力される。パルス幅変調された信号ＰＷＭ−Ａは、周期Ｐと（正の）パルス幅Ｗとを有するような、図４Ａに示すもののような正のデジタルパルスを含む。パルス幅変調された信号ＰＷＭ−Ｂは、周期Ｐと（負の）パルス幅Ｗとを同様に有するような、図４Ｂに示すもののような負のデジタルパルスを含む。
ピン２および３は、他のシステムとの通信のためにマイクロコントローラ１１６に２線式シリアルインターフェイスバス１２８を提供する（たとえば、バス１２８を介して、一連のポンプがデスクトップコンピュータなどの別のシステムによって遠隔で制御可能である）。ピン５は、電圧入力調整器１２０の出力端子に、およびフィルタ「バイパス」キャパシタＣ２に接続されている。ピン７、８、９、１１、１２および２０は、温度センサまたは圧力センサといったさまざまなものがポンプに取付けられてその動作を制御することができるよう、外部アナログおよび／またはデジタル通信を提供する汎用入力／出力ピンである。ピン１３および１４はそれぞれユーザ入力装置１０８およびユーザ入力装置１０６からの入力信号である。ピン１７は、（たとえばユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８のための）アクセスをマイクロコントローラ１１６のアナログ基準バンドパス基準電圧に提供する。ピン１７と接地との間に接続されたキャパシタＣ３は、マイクロコントローラ１１６のアナログデジタル変換器のためのアナログ基準電圧用バイパスキャパシタである。ピン１８は、電源モニタ１０３からのアナログ入力であり、入力電圧分割網１１９の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間のノードに接続されている。ピン１９は、出力モニタ１２２のためのアナログ入力であり、出力モニタ１２２を含む電圧分割網の抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ８との間のノードに接続されている。
フライバック回路１０２は、トランジスタＱ１と、トランジスタＱ２と、トランジスタＱ３と、トランジスタＱ４とを含む。図示された実施例では、トランジスタは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。マイクロコントローラ１１６のピン２から出力されたパルス幅変調された信号ＰＷＭ−Ａは、線１２４を伝い、キャパシタＣ４を介してトランジスタＱ１のゲートに印加され、マイクロコントローラ１１６のピン４から出力されたパルス幅変調された信号ＰＷＭ−Ｂは、線１２６上を伝ってトランジスタＱ２のゲートに印加される。線１２６と接地との間に接続された抵抗Ｒ１０は、ノイズ排除性を高めるプルダウンとしての役割を果たす。
トランジスタＱ１のソースは、線１３０によって電源１０３に接続されている。トランジスタＱ２のドレインは、線１３２によってインダクタＬ２を介して電源１０３に接続されている。トランジスタＱ２のソースは接地に接続されている。
抵抗Ｒ３およびダイオードＤ１は、線１２４と１３０との間に接続されている。キャパシタＣ４、抵抗Ｒ３およびダイオードＤ１は、主要供給電圧がマイクロコントローラ１１６の供給電圧を大幅に上回った場合でもマイクロコントローラ１１６がトランジスタＱ１
をオンおよびオフにすることができるよう、主要供給電圧を下回る或るマイクロコントローラ出力電圧レベルに至るまでマイクロコントローラ１１６の出力にバイアスをかける役割を果たす。
トランジスタＱ１のドレインは、インダクタンスＬ１を通って接地に接続され、また、ダイオードＤ２の陰極に接続されている。ダイオードＤ２の陰極は、スナバキャパシタＣ５を通って接地に接続され、また、トランジスタＱ３のエミッタに接続されている。トランジスタＱ３のドレインは、抵抗Ｒ４を取って接地に接続されている。トランジスタＱ３のコレクタは、線１０４を介して圧電アクチュエータ１４に接続されている。
トランジスタＱ４のエミッタは、線１３２により、インダクタＬ２およびダイオードＤ３を通って電源１０３に接続されている。ダイオードＤ３の陽極は、インダクタＬ２に、およびトランジスタＱ２のドレインに接続されている。ダイオードＤ３の陰極は、スナバキャパシタＣ６を通って接地に接続され、また、トランジスタＱ４のエミッタに接続されている。トランジスタＱ４のゲートは、抵抗Ｒ５を通って線１３２に接続されている。トランジスタＱ３のコレクタは、線１０４を介して圧電アクチュエータ１４に接続されている。
トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、インダクタＬ１、インダクタＬ２、ダイオードＤ２、およびダイオードＤ３は、上述のような正および負の高電圧フライバックパルスを発生させるための主要構成要素である。キャパシタＣ５およびＣ６は、制御トランジスタＱ３およびＱ４の周波数応答能力の範囲内にフライバックパルスの基本周波数成分を収めるようにする「スナバ」キャパシタである。
トランジスタＱ３、トランジスタＱ４、抵抗Ｒ４、および抵抗Ｒ５は、フライバック電圧のためのステアリング回路を形成しており、他の場合では回路を機能不全にするであろう電荷クロス伝導を防止する。
抵抗Ｒ６およびＲ７は、出力モニタ１２２のための分圧器を形成しており、マイクロコントローラ１１６に出力電圧の監視、ひいては駆動電圧の調整を行なわせるようにする役割を果たす。駆動電圧の調整は、マイクロコントローラ１１６がＰＷＭ−Ａとして線１２４上に、およびＰＷＭ−Ｂとして線１２６上に印加されたパルスバーストのパルス幅Ｗ（図４Ｂ参照）を変えることによって達成される。線１０４上に印加された実際の駆動信号は本質的に、変換回路１０２に印加されたパルス幅変調された信号、たとえば線１２４上に印加された信号ＰＷＭ−Ａ、および線１２６上に印加された信号ＰＷＭ−Ｂから導出される。
３．２ 第１の例示的な駆動回路：動作
動作中に、圧電アクチュエータ駆動回路１８のパルス発生器１００（たとえば、マイクロコントローラ１１６）は出力パルスを発生させる。特に、図３に示される実施例では、パルスサイクルの前半または正の半分（たとえば、前半のサイクル）の間、マイクロコントローラ１１６は、図４Ａに示される信号などのパルス幅変調信号ＰＷＭ−Ａを線１２４上で発生させる。次いで、サイクルの後半または負の半分（たとえば、後半のサイクル）の間、マイクロコントローラ１１６は、図４Ｂに示される信号などの対応するパルス幅変調信号ＰＷＭ−Ｂを線１２６上で発生させる。サイクル全体は周波数または周期ＰまたはPumpRateに対応し、これらは１つの例示的な実施例ではユーザ入力値であり得る。
フライバック回路１０２は、マイクロコントローラ１１６によって発生される信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂによって駆動される。示される実施例では、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂは、周波数が１２５ＫＨｚの可変周波数パルス列である。たとえば６０Ｈｚ
で駆動されるポンプの典型的な動作中に、前半のサイクルの間、約１／１２０秒続くパルスのバーストはＰＷＭ−Ａとして線１２４に沿って送られるであろうが、線１２６上のＰＷＭ−Ｂの信号は接地に保持される（トランジスタＱ２を「オフ」にする）。線１２４に沿ってＰＷＭ−Ａとして印加される一連のデジタルパルスの例は図４Ａに示される。逆に、後半のサイクルの間、線１２４上のＰＷＭ−Ａ信号はハイに保持され（トランジスタＱ１をオフにする）、同一の一連の駆動パルスは信号ＰＷＭ−Ｂとして線１２６に沿ってトランジスタＱ２に送られる。線１２６に沿ってＰＷＭ−Ｂとして印加される一連のデジタルパルスの例は図４Ｂに示される。
後に本明細書に説明されるように、線１２４に沿って信号ＰＷＭ−Ａとしておよび線１２６に沿って信号ＰＷＭ−Ｂとして印加されるデジタルパルスのパルス幅は、１つ以上の要因に従ってマイクロコントローラ１１６によって制御されることが可能である。たとえば、励振電圧および反転頻度は、アクチュエータの負荷、アクチュエータの共振、ポンプ圧力、温度などの局所的に監視される外部制御信号またはパラメータに基づいて動的に操作されることが可能である。さらに、１つの例示的なモードでは、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂの周期Ｐは、以下に記載されるように所望であれば調整されることが可能である。
マイクロコントローラ１１６から線１２４に沿ってフライバック回路１０２に印加されるＰＷＭ−Ａデジタルパルスは、トランジスタＱ１のスイッチをオンおよびオフにさせる。オンであるとき、トランジスタＱ１は磁束をインダクタＬ１に蓄積させる。トランジスタＱ１がオフになったすぐ後、蓄積された磁束は、ダイオードＤ２およびキャパシタＣ５によって取込まれる負の「フライバック」電圧を発生させ、トランジスタＱ３を導通させ、したがって、取込まれた電荷はさらにポンプ１０および特に圧電アクチュエータ１４に分散される。
前半のサイクルの終わりに、たとえば１／１２０秒の周期の終わりに、線１２４上の信号ＰＷＭ−Ａはハイに保持され（トランジスタＱ１をオフにする）、同一の一連の駆動パルスは信号ＰＷＭ−Ｂとして線１２６に沿ってトランジスタＱ２に送られ、インダクタＬ２から一連の正のフライバックパルスを発生させる。これらのフライバックパルスは、ダイオードＤ３、キャパシタＣ６およびトランジスタＱ４を介してポンプ１０に供給される。これらの正のパルスは最初に、制御された態様でポンプの中の負の電荷を放電する働きをし、次いでポンプの中に正の電荷を構築する働きをする。
このように、パルス発生器１００はデジタルパルスをフライバック回路１０２に印加する。フライバック回路１０２はデジタルパルスを受取り、電荷パケット（たとえば３５）を生成する。変換回路１０２によって線１０４に沿って出力される電荷パケットは、図４Ｃに示されるものと同等の態様で基本的には現われ、周波数Ｆおよび振幅を有する。電荷パケットの振幅は、線１２４および１２６に沿って変換回路１０２に印加されるＰＷＭパルスのパルス幅Ｗと関連する。
線１０４に沿って印加される繰返すフライバックまたは電荷パケットは、ポンプのキャパシタンス、つまり圧電アクチュエータ１４の中に電荷を構築し、正弦波に近似する電圧曲線の形をとる線１０４上の信号をもたらす。言い換えると、圧電アクチュエータは、駆動信号の波形を成形するために正の電荷パケットと負の電荷パケットとを一体化するように使用される。上述の周期が何度も繰返され、その結果、ポンプ１０は図４Ｄに示される態様で６０Ｈｚの正弦波に近似する線１０４上の駆動信号を「見る」。マイクロコントローラ１１６のピン１９に印加される、出力モニタ１２２からのフィードバック信号は、一体化された電圧である。１２５ＫＨｚのパルス周波数は、応答時間が１２５ＫＨｚよりも非常に遅いために、ポンプによって完全に除去される。
このように、フライバック回路１０２は圧電アクチュエータ１４に、圧電アクチュエータ１４によって電界に一体化される電荷パルス、たとえば電荷パケットを印加する。圧電アクチュエータ１４は、電荷パケットをより低い周波数の励振信号に変換する。言い換えると、圧電アクチュエータ１４の中に電荷を構築することによって（たとえば、多少の電荷を加えることによって）、圧電アクチュエータ１４は圧電アクチュエータ１４で波形を構築することに関与する。このような一体化によって、圧電アクチュエータ１４は基本的には電源１０３のための電荷蓄積装置の役割を果たす。基本的に、圧電アクチュエータ１４は電源におけるフィルタキャパシタンスとよく似たように作動する。
電荷発生構成要素トランジスタＱ１、インダクタＬ１、トランジスタＱ２およびインダクタＬ２は常にデジタル方式で駆動されており（オンでもオフでも）、したがって、最高効率で動作している（切換電源理論）。しかしながら、ポンプ１０は正弦波の駆動波形を「見る」。これは、この擬似切換電源の構成の中で一次電荷蓄積装置として圧電アクチュエータ１４自体を使用することによって絶対最小数の部品を用いて達成される。
フライバック信号の最速の構成要素は、キャパシタＣ５およびキャパシタＣ６によって「抑えられる」。フライバック高周波数の大部分は、ポンプ自体によってフィルタにかけられる。１２５ＫＨｚのＰＷＭ／フライバック周波数は、機械的に応答するポンプの能力を少なくとも２桁上回る。
このように、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、切換タイプの駆動供給回路の一体化した部品としてポンプキャパシタンス自体、たとえば圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを使用する。
これまでに記載された実施例の局面では、圧電アクチュエータ駆動回路１８はマイクロコントローラベースのパルス幅変調器（ＰＷＭ）回路である可能性があり、マイクロコントローラベースのパルス幅変調器（ＰＷＭ）回路は、システム接地に対してバイポーラである電位を生成する能力を非常に独自に有するフライバック回路を駆動するために使用される。ブリッジ切換回路も電荷蓄積回路も利用されない。その代わりに、フライバック回路は、アクチュエータの所望の駆動周波数に等しい率で、正のパルスを生成することと負のパルスを生成することとを切換える。回路の効率およびＥＭＩ低減のために、パルスのより高い周波数の構成要素のうちのいくつかは容量的にフィルタをかけられる。パルスは次いで圧電アクチュエータに直接に渡され、正弦波に非常に近く近似する駆動電界を生み出すように圧電アクチュエータの容量性の性質によって一体化される。フライバックパルスの周波数は、機械的に応答するアクチュエータの能力よりも大きいように設計され、そのため、フライバックパルスは機械的な非効率またはアクチュエータにおけるノイズの一因にはならない。
図３Ｉは、圧電アクチュエータ駆動回路１８の変形例を示す。特に、図３Ｉの圧電アクチュエータ駆動開路１８（３Ａ）は、同一の電圧および周波数で一度にいくつかの圧電素子を駆動する。図３Ｉに基本的に示されるように、マイクロコントローラ１１６は線１２４上の信号ＰＷＭ−Ａおよび線１２６上の信号ＰＷＭ−Ｂを複数のフライバック回路１０２1から１０２nに供給する。複数のフライバック回路１０２1から１０２nの各々は、それぞれの線１０４1から１０４nに沿って、対応する圧電アクチュエータ１４1から１４nに駆動信号を印加する。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、複数のポンプの圧電アクチュエータが複数のダイヤフラムポンプの用途向けに適切に位相を等しくされることを確実にする。いずれの位相整合もＰＷＭ信号を反転させることによって達成され得る。
３．３ 第２の例示的な駆動回路：構造
図５Ｃは、図３ならびに図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ（１）、図３Ｅ（２）、図３Ｆ、図３Ｇ、図３Ｈ（１）、図３Ｈ（２）、図３Ｉ（１）、図３Ｉ（２）、図３Ｉ（３）、および図３Ｊのすべての実施例とともに利用されることも可能である駆動回路１８Ｃの別の実現例を示す。図５Ｃに示されるように、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは、パルス発生器１００、変換回路１０２Ｃおよび圧電アクチュエータ１４を含む。変換回路１０２Ｃは、高電圧で短い周期のパルス（電荷パケット）を生成するために、パルス発生器１００によって生成されたデジタルパルスを使用する。以前に記載されたのと同様の態様で、圧電アクチュエータ１４は、その容量性の性質によって、線１０４上の駆動信号の波形を成形するように電荷パケットを一体化する。好ましくは、圧電１４アクチュエータは、正弦波に概して近似する駆動電界を生み出すように電荷パケットを一体化する。
図５Ｃの非限定的で例示的な実施例では、パルス発生器１００は、マイクロコントローラベースのパルス幅変調器（ＰＷＭ）回路を含む。以前に説明されたように、パルス発生器１００は１つ以上のマイクロコントローラもしくはプロセッサおよび／または他の回路を含んでもよいことが理解されるべきである。さらに、本明細書においてマイクロコントローラに帰する特定の動作または機能性は、マイクロプロセッサを含むがマイクロプロセッサに限定されない１つ以上のプロセッサによって実行されると考えられることもできる。マイクロコントローラなどではなく、パルス発生器１００は、本明細書に記載される一般的な目的のために変換回路１０２および圧電アクチュエータ１４によって使用されるのに好適なパルスを発生させる任意のＡＳＩＣまたは他の装置もしくは回路である可能性もある。
駆動回路１８Ｃは、単一の圧電アクチュエータを駆動する実施例および複数の圧電アクチュエータを駆動する実施例を含むすべての実施例とともに利用されることが可能である。たとえば、再び図３Ｉ（２）および図３Ｉ（３）の実施例／態様に関して、パルス発生器１００（２）および１００（３）は、それぞれのｙ数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yを制御するための複数のマイクロコントローラまたはｙ数のマイクロコントローラさえ含んでもよい。代替的には、図３Ｉ（２）および図３Ｉ（３）の実施例／態様のためのパルス発生器１００（２）および１００（３）は、ｙ数の圧電アクチュエータ１４（ｘ）yを駆動するためのマルチタスク式機能および異なる出力ピンの構成を有する好適なマイクロコントローラを含んでもよい。
圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは電源１０３に接続される。以前の実施例を参照して理解される電源モニタも含まれることが可能である。
有利に、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは、ユーザ入力および外部センサ入力を含む入力を受取ることができる。圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃによって受取られる可能な入力は、図３ならびに図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ（１）、図３Ｅ（２）、図３Ｆ、図３Ｇ、図３Ｈ（１）、図３Ｈ（２）、図３Ｉ（１）、図３Ｉ（２）、図３Ｉ（３）、および図３Ｊに関連して以前に記載されたものすべてを含む。ユーザ入力装置１０６および１０８、他の信号源、外部センサなどからの入力が含まれるが、これらの入力に限定されない。さらに、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは、電圧フィードバック信号が線１０５に沿ってパルス発生器１００に与えられる状態で、出力モニタ１２２を任意に有し得る。
圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃのパルス発生器は、たとえば図５Ａの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ａの二重のＰＷＭパルス列ではなく単一のＰＷＭパルス列を発生させる。本明細書における説明の多くは図５Ａの実施例のＰＷＭデジタルパルスＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂを参照するが、いずれのこのような参照も、図５Ｃの圧電アクチュエータ
駆動回路１８Ｃのパルス発生器によって出力される単一のＰＷＭパルス列に同様に当てはまることが理解されるべきである。
圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは線１０４上でバイポーラ駆動信号を発生させ、圧電アクチュエータ１４または他の容量性負荷に印加する。圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃの典型的ではあるが非限定的な適用例は、５ボルトのＤＣ電源から圧電ポンプを駆動するというものであり、＋３００ボルトから−１００ボルトまで変動するおよそ６０Ｈｚの正弦波である励振電圧を圧電アクチュエータで発生させる。
圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃはユニポーラ電源を使用する。変換回路１０２Ｃは、比較的小さい電圧の電力切換素子Ｑ１およびトランスＴ１を含み、トランスＴ１はタップを持たない二次トランスを１つだけ有するが、高電圧のバイポーラ出力を発生させる。変換回路１０２Ｃは単一のユニポーラパルス源に関連して機能し、単一のユニポーラ極性制御信号は動作に必要である。示される実現例では、パルス発生器１００はユニポーラパルス源およびユニポーラ極性制御信号の供給源の両方の役割を果たす。さらに、パルス発生器は線１０５に沿って圧電アクチュエータ１４からフィードバック信号を受取る。
変換回路１０２Ｃはさらに、トランジスタＱ２およびＱ３を含む。トランジスタＱ２およびＱ３のゲートは、抵抗器Ｒ１およびＲ２を介してそれぞれに極性駆動信号の供給源に接続される。トランジスタＱ３のエミッタは電源１０３に接続され、トランジスタＱ３のコレクタはダイオードＤ２を介してトランスＴ１の二次トランスに接続される。図５Ｃでは、電流Ｉ４はトランスＴ１の二次トランスとダイオードＤ２との間の電流を示す。トランジスタＱ２のコレクタはダイオードＤ１を介してトランスＴ１の二次トランスに接続される。図５Ｃでは、電流Ｉ３はトランジスタＱ２のコレクタとダイオードＤ２との間の電流を示す。
圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃでは、トランスＴ１の二次トランスの「遅い側」で（電圧に対する）電流を制御することによって極性切換が達成される。これは、大量生産される非常に低コストで遅い高電圧のトランジスタの使用を可能にする。さらに、単一の低電位で低周波数のユニポーラステアリング信号のみが動作に必要である。このような簡略さは、できる限り複数の、より複雑な、より高い電圧駆動およびバイアス要件を有するより高価なＳＣＲまたはＭＯＳＦＥＴＳまたはトランジスタと対照的である。
バイポーラ電圧発生は、トランスの巻線の寄生キャパシタンスによって発生される、半分のサイクルでのトランスＴ１の「共振戻り」起電力（ｅｍｆ）を捉えることによって圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃで達成される。逆説的に、トランスにおける寄生キャパシタンスは概して、トランスおよびその関連の回路の効率を低減する設計障害であると考えられる。しかしながら、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは、反対のｅｍｆを発生させるためにトランスＴ１の寄生キャパシタンスを巧妙におよび独自に使用する。有利に、これはトランスＴ１が非常に低コストで製造されることができるようにする。代替的には、図５Ｄの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄの中でＴ１′として示されるトランスなどの２つの二次トランス（またはタップ付き二次トランス）が利用されることが可能である。図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃの素子と共通の、図５Ｄの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄの素子は同程度に少ない。図５ＣのトランスＴ１の使用が好ましいが、それにもかかわらず、トランスＴ１′を有する図５Ｄの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄは、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃおよび圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄの両方に共通する極性切換の考慮すべき事項に特に鑑みて、かなり有用である。
３．４ 第２の例示的な駆動回路：動作
図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃは２つのモードで動作し、モードは変換回
路１０２Ｃに印加される極性駆動信号の論理レベルによって決定される。極性駆動信号の出力極性との関係は、二次トランスに対する一次トランスの巻線の意味によって決定される。いくつかの例示的な圧電アクチュエータの物理学は、アクチュエータが負の電位よりも高い正の電位（たとえば、＋３００、−１００）で駆動されることを必要とする。圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃによってもたらされる寄生／共振戻り技術は、「戻り」を捉えるときよりも一次フライバックｅｍｆを捉えるときにより高い電位を自然に生成する。したがって、効率および利便性のために、本明細書において利用されるトランスは、駆動回路が以下に記載されるように動作するように巻かれる。他の構成が確実に可能であり、本明細書に記載される実施例の範囲内である。
図２０Ａは、図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃを動作させる第１のモードについての信号図を示す。第１のモードでは、極性駆動信号はローであり、正に向かう圧電駆動波をもたらす。図２０Ｂは、図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃを動作させる第２のモードについての信号図を示す。第２のモードでは、極性駆動信号はハイであり、負に向かう圧電駆動波をもたらす。図５Ｄの圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄは同様に動作され得ることが理解される。
図２０Ａに示される動作の第１のモードでは、パルス発生器１００は入力レベル（たとえば、５ボルト）のパルス列を発生させ、そのパルス幅は「PWM Drive」で任意に変調されてもよい。このようなパルス列は図２０Ａで信号ＰＷＭによって示される。極性駆動信号はローであり、そのため、トランジスタＱ３は「オン」であり、したがって、電流は必要に応じてダイオードＤ２に流入し得る。ＰＷＭ駆動パルスがハイであるとき、トランジスタＱ１は「オン」であり、電流はトランスＴ１の一次トランスに流入し、磁束をトランスの鉄芯に蓄積する。
信号ＰＷＭの各々のハイのパルスの終わりに、トランジスタＱ１は「オフ」になり、一次トランスＴ１は、一次トランス（Ｖ１）および二次トランス（Ｖ２）で「フライバック」正電荷パルスを発生させることによって反応する（ｖ＝ｄｉ／ｄｔ）。示される例示的な実施例では、二次トランスは一次トランスに対して１５：１の割合で巻かれ、そのため、Ｖ２における誘導電圧はＶ１よりも１５倍大きい。トランジスタＱ３が順方向バイアスをかけられるので、電流はＩ２から（線１０４に沿って）圧電アクチュエータ１０４に流れることができ、圧電アクチュエータで電位の正のステップ（Ｓ＋）が結果として生じる。例示的な実現例では、ＰＷＭ駆動パルスは約１００ＫＨｚで発生する。これらのＰＷＭパルスの個々のパルス幅は、いずれの正の方向の振幅／波の形状も圧電アクチュエータ１４で誘導されることができるように変調されることが可能である。
図１０Ｂに示される動作の第２のモードでは、パルス発生器１００は入力レベル（たとえば、５ボルト）のパルス列を発生させ、そのパルス幅は「PWM Drive」で任意に変調されてもよい。これは第１のモードと同様の態様であるが、ＰＷＭパルス幅は異なってもよい。第２のモードでは、極性駆動信号はハイであり、そのためトランジスタＱ２は「オン」であり、したがって電流は必要に応じてダイオードＤ１に流入し得る。PWM Driveパルスがハイであるとき、トランジスタＱ１は「オン」であり、電流はトランスＴ１の一次トランスに流入し、磁束をトランスの鉄芯に蓄積する。
第１のモードと同様に、各々のハイのパルスの終わりに、トランジスタＱ１は「オフ」になり、トランスＴ１の一次トランスは、一次トランス（Ｖ１）および二次トランス（Ｖ２）で「フライバック」正電荷パルスを発生させることによって反応する（ｖ＝ｄｉ／ｄｔ）。しかしながら、第２のモードでは、トランジスタＱ３は「オフ」であり、したがって、電流はダイオードＤ２に流入することができず、その方向のためにダイオードＤ１に流入することもない。これは、フライバック電位をトランスＴ１に「閉じ込めさせ」、ト
ランスの抵抗損失中で部分的に放散させ、残りはトランスＴ１の寄生キャパシタンスに蓄積される。寄生キャパシタンスおよびトランスのインダクタンスは、極性が逆のＶ２において「戻り」電荷を生成することによってすぐ後に応答するＬＣ共振回路を形成する。その新しい極性のために、電流はここで圧電アクチュエータ１４からダイオードＤ１およびトランジスタＱ２を通って流出することができ、圧電アクチュエータ１４で電位の負の方向のステップを誘導する。ＰＷＭ駆動パルスの個々のパルス幅は、いずれの負の方向の振幅／波の形状も圧電アクチュエータ１４で誘導されることができるように変調されることが可能である。
したがって、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｃ（もしくは、圧電アクチュエータ駆動回路１８Ｄ）を使用してＰＷＭ駆動および極性駆動信号のデューティサイクルならびに／または周波数を適切に変調することによって、実質的に任意の所望のバイポーラ波形が圧電または他の容量性負荷で誘導されることが可能である。
４．０ 例：アナログ入力を受取る駆動回路
図３Ｂに示される実施例などの実施例では、たとえば、圧電アクチュエータ駆動回路１８はユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８を介してユーザ入力を受取る。特に示される実現例では、ユーザ入力装置１０６は線１０４に沿って印加される駆動信号の周期／周波数を設定するために使用されることができるトリマー抵抗器であり、ユーザ入力装置１０８は線１０４に沿って印加される駆動信号の電圧／振幅を設定するために使用されることができるトリマー抵抗器である。ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８からのアナログ信号はマイクロコントローラ１１６のピン１４および１３にそれぞれ印加され、線１０４に沿って印加される駆動信号の電圧および周波数に最終的に影響を及ぼす。線１０４に沿って圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号は、マイクロコントローラ１１６から出力されるデジタルＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂ信号に基づき、そのため、線１０４に沿って印加される駆動信号はそれ自体がデジタルである。したがって、ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８によって生成され、マイクロコントローラ１１６に印加される信号は、マイクロコントローラ１１６がデジタル駆動信号を発生させることに従うアナログ入力信号の２つの例である。アナログ入力信号はマイクロコントローラ１１６の内部（マルチチャネル）アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に印加される。周波数／周期および振幅／電圧以外のパラメータまたは基準を圧電アクチュエータ駆動回路１８に供給するために同等のユーザ入力装置が利用され得ることが理解される。
５．０ 駆動信号：固定ＰＷＭモード
上述のように、１つの示される実施例では、線１０４に沿って圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号は、マイクロコントローラ１１６から出力されるデジタルＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂ信号に基づく。以下に記載される動作のＰＷＭサーボモードでは、変換回路１０２に印加されるパルス幅変調信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅は、圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号の波形を変化させるために変化されることが可能であり、ポンプ１０のリアルタイムの動作中に動的に変化されることさえ可能である。しかしながら、固定ＰＷＭモードとして公知の別の実施例では、パルス発生器１００によって実行される論理（たとえば、ソフトウェア）は、信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂのパルス幅が均一であるように構成される。
固定ＰＷＭモードは、圧電アクチュエータ１４の共振を判断する場合のように、圧電アクチュエータ駆動回路１８の動作中に選択的に開始され、終了されてもよい。これに対して、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅が決して変化しないことが予想される特定の「固定」用途では、圧電アクチュエータ１４のための動作パラメータ（たとえば、駆動信号のパルス幅、周波数）は不揮発性記憶装置に格納されてもよい。たとえば、固定ＰＷＭモードに必要な動作パラメータは、製造時に、適用時に、またはさらに言えばいつで
もマイクロコントローラ１１６に「バーンイン」されてもよい。したがって、マイクロコントローラ１１６は基本的にはいずれの用途でも動作するように構成されることが可能である。
６．０ 駆動信号：最適化された波形モード
圧電アクチュエータ駆動回路は、最適化された波形モードでも動作することができる。最適化された波形モードでは、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、基本的には一定の波形の形状を維持するために予め格納された値を使用する。図１２に示される例示的な正弦波形は、ポイントＸ1、Ｘ2...などを有する３６０度の周期の波形を示す働きをし、各々のポイントは１つの周期の１度または数分の１度に対応する。各々のポイントＸにおいて、波形は対応する（電圧）振幅Ｖを有する。たとえば、ポイントＸ1では、図１２の波形は振幅Ｖ1を有する。
最適化された波形モードでは、最適化された波形を有する駆動信号を発生させるために利用される特定の値は、圧電アクチュエータ１４のための駆動信号を発生させる際にパルス発生器１００によって使用されるテーブル（図５Ｂのルックアップテーブル１４０など）に準備され、予め格納される。図１８Ａのテーブル１４０−１８Ａによって代表的に示される１つの実現例では、最適化された波形を生み出す予め格納された値は、振幅値自体である（たとえば、対応するポイントＸ1、Ｘ2などに関連付けられる値Ｖ1、Ｖ2など）。
図１８Ｂのテーブル１４０−１８Ｂによって代表的に示される別の実現例では、最適化された波形を生み出す予め格納された値は、ポイントＸ1、Ｘ2などの各々についてのパルス幅変調値であるかまたはそれらのパルス幅変調値を含み、このパルス幅変調値は所望のそれぞれの振幅、したがって所望の全体波形を生み出す。言い換えると、最適化された波形モードの第２の実現例では、周期Ｐの間に波形に沿って選択された間隔またはポイントで、線１２４および１２６上の信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのために利用されるようにパルス幅を判断するためにルックアップテーブル１４０−１８Ｂが利用される。したがって、最適化された波形モードのこの実現例のバージョンは、線１２４および１２６上の信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅が少なくとも最初に使用するためにそれぞれに予め格納されるという点で固定ＰＷＭモードに似ている。これらの予め格納されたＰＷＭの値は、入力信号に基づいて（たとえば、センサ入力信号またはユーザ入力信号には基づかずに）後に動的に調整される場合もあれば、調整されない場合もある。
上述の一例として、ポイントＸ1＝Ｐ／２０では、ＰＷＭルックアップテーブル１４０からの第１の値がＰＷＭ−Ａ信号のパルス幅のために利用され、ポイントＸ2＝２*Ｐ／２０では、ＰＷＭルックアップテーブル１４０からの第２の値がＰＷＭ−Ａ信号のパルス幅のために利用されるなどである。中間ポイント、たとえばこの例ではポイント１０*Ｐ／２０では、ＰＷＭ−Ａ信号ではなく信号ＰＷＭ−Ｂが利用され、この場合にはＰＷＭ−Ｂの適切な値はＰＷＭルックアップテーブル１４０から得られ、ポイント１１*Ｐ／２０ではＰＷＭルックアップテーブル１４０の別の対応する値が続くなどである。
したがって、ルックアップテーブル１４０は、波形ポイントおよび適切なパルス幅の値（上述のように、任意の特定のパルス幅の値はＰＷＭ−Ａ信号またはＰＷＭ−Ｂ信号のためのものである）の対を含む。さらに本明細書に記載されるように、ＰＷＭルックアップテーブル１４０に格納されるパルス幅の値は、圧電アクチュエータが利用されている特定のポンプに従って、ポンプが利用される特定の環境に従って、１つ以上の基準（たとえば、センサ入力値）に従って、および／または上述の１つ以上に従って予め定められるかまたは「最適化」されることができる。
ルックアップテーブル１４０は好ましくは不揮発性メモリに格納される。典型的には、
ルックアップテーブル１４０はマイクロコントローラ１１６に格納される。代替的には、いくつかの用途の場合、ルックアップテーブル１４０はさらにマイクロコントローラ１１６に外付けであってもよい。図５Ｂにおけるルックアップテーブル１４０の図は、圧電アクチュエータ駆動回路にルックアップテーブル１４０を与える任意の態様を包含するように意図される。本明細書に記載される最適化は利用装置としてのポンプの１つの特定の例と関連しているが、他の圧電利用装置のための波形の最適化も包含され、本明細書において明白な実現例である。
７．０ 駆動信号制御プログラム：概要
ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８から受取られるアナログ入力信号などの入力信号を扱う際にマイクロコントローラ１１６によって実現される論理の１つの例示的なモードの例示的な基本ステップならびに動作の固定ＰＷＭモードおよびＰＷＭサーボモードは、図６Ａ〜図６Ｇに関連して理解される。マイクロコントローラ１１６によって実現される論理は、マイクロコントローラ１１６によって実行されるプログラム可能命令（たとえば、駆動信号制御プログラム１５０）の形態であり得る。代替的には、同等の命令は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用して、および／または１つ以上のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用して、汎用コンピュータの形態を取るマイクロコントローラ１１６とともに実行されることが可能である。本明細書に記載される駆動信号制御プログラム１５０のステップおよび任意の構成要素のルーチンまたは他のルーチンのステップは単に例証のためのものであり、さまざまな他の論理および／もしくはプログラミング技術を使用して実現または達成され得ることが理解されるべきである。
前に記載されたように、示される例では、ユーザ入力装置１０６は線１０４に沿って印加される駆動信号の周期／周波数を設定するために使用されることができるトリマー抵抗器であり、ユーザ入力装置１０８は線１０４に沿って印加される駆動信号の電圧／振幅を設定するために使用されることができるトリマー抵抗器である。「周期」または「周波数」によって、図４ＡにＰとして示される周期などの周期、たとえば信号ＰＷＭ−Ａの起動に続く信号ＰＷＭ−Ｂの起動で構成される周期が意味される。図６Ａ〜図６Ｇの論理では、ユーザ入力装置１０６によって入力される値はCheckRateInputと称される。なぜなら、ユーザ入力周期はポンプが動作する率にも対応するためである。「振幅」または「電圧」によって、線１２４および１２６に沿って印加される信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅Ｗにそれぞれに関連し（たとえば、導出され）、フライバック回路１０２が実際にインダクタＬ１（図５Ａ参照）を荷電する持続時間にも関連する、図４Ｄに示される振幅または電圧Ａが意味される。図６Ａ〜図６Ｇの論理では、振幅または電圧を設定するためにユーザ入力装置１０８によって入力される値は、SetVoltsInputと称される。
７．１ 駆動信号制御プログラム：メインルーチン
図６Ａは、駆動信号制御プログラム１５０のメインルーチンにかかわる選択された基本ステップを示す。図６Ａのメインルーチンは、ステップ６Ａ−１で開始されるのだが、基本的には初期化およびユーザインターフェイスモニタリングにかかわる。メインルーチンのステップ６Ａ−２は概して、オンボードアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）のポート、メモリ、タイマ（割込タイマを含む）、チャネル選択などのもの、および特定のＰＷＭの値を初期化するために特定の他の初期化ルーチンを呼出すメインルーチンを示す。ステップ６Ａ−３として、メインルーチンは、図６Ｂを参照して以下に記載される割込処理ルーチンのための割込を含む特定の割込をイネーブルにする。ステップ６Ａ−４では、メインルーチンは周期カウンタ（「Counter」）および半周期カウンタ（「CounterHalf」）のデフォルト値を設定する。ステップ６Ａ−５において、プロセッサがリセット段階に入らないように、メインルーチンはウォッチドッグタイマをリセットする。
ステップ６Ａ−６において、メインルーチンは、ポンプ１０の動作に影響を及ぼす外部
ユーザデジタル入力が受取られたかどうかを判断するために調べる。外部ユーザデジタル入力が受取られたかどうかを調べることは、スタートビットがシリアルインターフェイスバス（ユニバーサルシリアルインターフェイス（ＵＳＩ）バス）１２８上で設定されたかどうかを調べることを伴う可能性がある。外部ユーザデジタル入力が受取られた場合、ステップ６Ａ−７において、外部ユーザデジタル入力の受取を扱うようにルーチンが呼出される（ＵＳＩハンドラ）。ステップ６Ａ−６における判断がノーである場合、およびステップ６Ａ−７の実行の後、実行はステップ６Ａ−６に戻る。
７．２ 駆動信号制御プログラム：割込処理ルーチン
図６Ｂは、Timer０ ISRとも略称を付けられている割込処理ルーチンにかかわる基本ステップを示す。図６Ｂの割込処理ルーチンは毎秒３９０６回実行され、ステップ６Ｂ−１において開始される。図６Ｂの割込処理ルーチンは、タイマ（Timer ０）に対してオーバーフローが発生するたびに呼出される。言い換えると、示される実施例では、このオーバーフロー、したがって図６Ｂの割込処理ルーチンの呼出は３９０６Ｈｚの率で発生する。
ポンプ１０の動作がソフトウェアによって終了されるかまたは止められることができるので、ポンプ１０のソフトウェア終了が存在したかどうかの調査がステップ６Ｂ−２において行なわれる。ソフトウェア終了の場合には、ステップ６Ｂ−３において示されるように、図６Ｂの割込処理ルーチンも終了される。
図６Ｂの割込処理ルーチンは、変数CounterおよびCounterHalfを利用する。変数CounterおよびCounterHalfのデフォルト値は、メインルーチンのステップ６Ａ−４において設定される。その後、変数Counterの値は、図６Ｇに示されるCheckRateInputルーチンによって（ユーザ入力に従って、たとえばユーザ入力装置１０８において）リセットされる。図６Ｇの示されるCheckRateInputルーチンの実行は、値CounterResetを得るまたは計算し、この値は変数Counterをリセットするために使用される。値CounterResetは、３９０６（値タイマＴ０）を、ユーザ入力装置１０６から取得されるユーザ入力値PumpRateで除算することによって計算される。したがって、カウンタはCounterReset＝３９０６／PumpRateとしてリセットされる。変数Counterがリセットされた後、変数CounterHalfはCounter／２としてリセットされる。
変数Counterの値は、駆動信号の周期または周波数（図４Ａ〜図４Ｄ参照）に影響を及ぼす。この例では、変数Counterの値は、ユーザ入力装置１０６においてユーザによって設定される値に依存する。以下に説明されるように、カウンタCounterは周波数の跡を追い、図４Ｃの電荷パケットの構築を通じて実際に波形を辿る。
ポンプの動作が終了されないことがステップ６Ｂ−２において判断されるとき、ステップ６Ｂ−４においてカウンタCounterはデクリメントされる。ステップ６Ｂ−５は、カウンタCounterの（デクリメントされたばかりの）値が波形の半分の直前のポイントに対応するかどうか（たとえば、Counterが値CounterHalf＋１に到達したかどうか）調べることを伴う。
イエスの判断がステップ６Ｂ−５において行なわれる場合、ステップ６Ｂ−６として、図６Ｂの割込処理ルーチンは線１２４および１２６上の信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂの両方をオフにする。信号ＰＷＭ−Ａが正の方向に圧電アクチュエータ１４を駆動し、信号ＰＷＭ−Ｂが負の方向に圧電アクチュエータ１４を駆動することが想起される。そして、図４Ｄの波形の中間ポイントに近づくと、信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂの両方がオフにされる。
信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂは、その後のステップ６Ｂ−７の準備をするために波形の中間ポイントの直前でオフにされる。ステップ６Ｂ−７は、マイクロコントローラ１１６のマルチチャネルアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）から得られる電圧を調べることを伴う。ＰＷＭ信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂは、万一ＡＤＣからの電圧判断と干渉するかもしれないノイズをそれらの信号が発生させる場合には、オフにされる。
そして、ステップ６Ｂ−６において信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂがオフにされるとすぐに、ステップ６Ｂ−７において電圧の測定ができる限りすばやく行われる。ステップ６Ｂ−７のＡＤＣ読取は、ポンプ１０に印加される電圧の読取である。この読取は、ポンプが振幅の所望の設定値で駆動されていることを確実にするように行なわれる。言い換えると、ステップ６Ｂ−７における読取は、ポンプ１０に印加される図４Ｄの駆動信号の振幅Ａの読取である。以前に説明されたように、ポンプへの出力における電圧は、たとえばＲ６およびＲ７（たとえば、図５Ａ参照）を含む分圧器の中間ポイントにおいて電圧モニタ１２２から得られる。ポンプ１０に印加される実際の電圧（４００ボルトと同じぐらい高いかまたは４００ボルト付近である可能性があるだろう）は、マイクロコントローラ１１６のＡＤＣで読取可能ではない場合があり、このため、出力モニタ１２２の分圧器はマイクロコントローラ１０６のために電圧をより低い電圧まで（たとえば、２．６８ボルト未満に）下げる。
このように、波形の中間の直前のポイントが到達されたというイエスの判断がステップ６Ｂ−５においてなされるとき、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂがオフにされ、ステップ６Ｂ−１４において図６Ｂの割込処理ルーチンを終了する前に、ポンプ１０への電圧のサンプルが取られる。したがって、電圧のサンプルは（できる限りピークに最も近い）波形上の最高ポイントで取られる。
ステップ６Ｂ−５におけるノーの判断は、波形がサンプリングポイントにない（中間波形ポイントの直前ではない）ことを意味する。ノーの判断がステップ６Ｂ−５においてなされるとき、デクリメントされたCounterの値がCounterHalfに厳密に等しい（波形がその厳密な中間ポイントに到達したことを意味する）かどうかの調査がステップ６Ｂ−８において実行される。ステップ６Ｂ−８における調査がイエスである場合、ステップ６Ｂ−９として、図６Ｂの割込処理ルーチンは信号ＰＷＭ−Ｂ（線１２６に沿って変換回路１０２に印加される負のＰＷＭ信号）をオンにするようにマイクロコントローラ１１６を促し、そのため、図４Ｃの負の一連の電荷パケットが形成されることが可能である。その後、図６Ｂの割込処理ルーチンは終了される（ステップ６Ｂ−１４）。
ステップ６Ｂ−８における調査がノーである（これは、波形の形成がその中間ポイントを過ぎていることを意味する）場合、Counterの値が１に到達したかどうかの調査がステップ６Ｂ−１０においてなされる。Counterが１に到達することは、負のパルスの形成が基本的に完了されることを意味する。したがって、ステップ６Ｂ−１０における判断がノーである場合、ステップ６Ｂ−１１において、図６Ｂの割込処理ルーチンは線１２４上の信号ＰＷＭ−Ａおよび線１２６上の信号ＰＷＭ−Ｂの両方をオフにするようにマイクロコントローラ１１６に命令し、この時点で、図６Ｂの割込処理ルーチンは終了される（ステップ６Ｂ−１４）。
ステップ６Ｂ−１０における調査がノーである場合、Counterのデクリメントされた値が０に到達したかどうかのさらなる調査がステップ６Ｂ−１２においてなされる。もし到達していれば、新しい波形の形成を始めるときであり、したがって、ステップ６Ｂ−１３において、図６Ｂの割込処理ルーチンは信号ＰＷＭ−Ａをオンにし、新しいパルスの正の部分を始めるために線１２４に沿って印加するようにマイクロコントローラ１１６を促す（新しい波形は図６Ｂの割込処理ルーチンの連続する繰返しの間に形成されることになる
）。次いで、ステップ６Ｂ−１４において、図６Ｂの割込処理ルーチンは終了される。
任意のステップとして、ステップ６Ｂ−１１において信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂの両方をオフにした後、ユーザ入力装置１０６のＡＤＣにおける電圧は再びステップ６Ｂ−７の態様で調べられることができるであろう。
このように、図６Ｂの割込処理ルーチンの繰返される実行は、図４Ｃの電荷パケットなどの一連の電荷パケットの形成をもたらし、この電荷パケットは線に沿って印加される線１０４に沿って圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号である。図６Ｂの割込処理ルーチンはポンプの率を制御する。Counterの値は、タイマ（Timer ０）周波数（たとえば、３９０６）を、所望の率（PumpRate）を示すユーザ入力値で除算することによって設定される。Counterの値は、割込処理ルーチンの各々の実行中にデクリメントされ、割込処理ルーチンの各々の実行時に、ステップ６Ｂ−５、ステップ６Ｂ−８、ステップ６Ｂ−１０、およびステップ６Ｂ−１２の比較のうちの少なくとも１つが実行される。
図６Ｂの割込処理ルーチンの実行の結果、線１０４に沿って印加される信号は一連の正の電荷パケットの後に一連の負の電荷パケットが続くように現われるであろうということが予想されるであろう。これらの連なりは、信号が図４Ｃの電荷パケットの包絡線の形状と同等の全体的に方形波の形状を有するであろうように配置される。このような場合には、図４Ｃに示される電荷パケットは、ユーザ入力値InputVoltに依存する振幅と、ユーザ入力値RateInputに依存する周期とを有するであろう。しかしながら、前に記載されたように、圧電アクチュエータ１４はたとえば線１０４に沿って印加される信号を一体化する働きをし、そのため、少なくとも１つの例示的な実現例では、線１０４上の実際の波形はむしろ図４Ｄに示される正弦波形に近いように現われる。図４Ｄにおける一体化された信号の波形は図４Ｃの信号と同一の周期を有するが、図４Ｄの一体化された信号は正方形の形状よりも正弦波の形状を有する。特に、図４Ｄにおける一体化された信号の波形のパルスの各々のサイクルは、第１の正の傾斜する部分４Ｄ−１、第２の正の傾斜する部分４Ｄ−２、ピーク４Ｄ−３、第１の負の傾斜する部分４Ｄ−４、および第２の負の傾斜する部分４Ｄ−５を有する。
一体化された波形の形状は、（たとえば、図５Ａの回路におけるそれぞれに線１２４および１２６上のＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂ信号の）パルス幅変調を特に考慮して、駆動回路の制御下にある。基本的には正弦形状の波形が本明細書において記載されるが、駆動回路は複雑な波形の形状を含む他の波の形状を達成するために、さまざまな（たとえば、各々のおよびすべての）ＰＷＭパルスの後の波形をサンプリングすることができ、ＰＷＭ周期を調整することができるであろうということが専ら可能である。
７．３ 駆動信号制御プログラム：ＡＤＣを調べる
上述のステップ６Ｂ−７は、マイクロコントローラ１１６のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を調べることを伴う。ステップ６Ｂ−７は基本的には、CheckAtoDsと名づけられるルーチンの実行を伴う。ルーチンCheckAtoDsの選択された例示的な基本ステップは図６Ｃに示される。
ルーチンCheckAtoDsはステップ６Ｃ−１において開始される。マイクロコントローラ１１６のＡＤＣはマルチチャネルＡＤＣであり、したがって、対応する数の供給源からいくつかのチャネルでアナログ信号を受取ることができることが想起される。たとえば、マイクロコントローラ１１６のマルチチャネルＡＤＣは、ポンプ１０の圧電アクチュエータ１４に印加される線１０４上の電圧に関する、出力モニタ１２２からの電圧フィードバック信号と、ユーザ入力装置１０６およびユーザ入力装置１０８から入力される２つの別個の他の電圧信号とを受取る。
ルーチンCheckAtoDsは、予め定められたシーケンスで、出力モニタ１２２からの電圧を受取るＡＤＣのチャネルと、RateInputを示すユーザ入力装置１０６からの電圧を受取るＡＤＣのチャネルと、VoltInputを示すユーザ入力装置１０８からの電圧を受取るＡＤＣのチャネルと、電源１０３からの供給電圧を受取るＡＤＣのチャネルとを調べるように構成される。ルーチンCheckAtoDsの動作の順序付けはカウンタAtoDCtrに基づき、このカウンタAtoDCtrは、ステップ６Ｃ−２０においてインクリメントされるときには１から６まで数える。
ルーチンCheckAtoDsのステップ６Ｃ−２において、カウンタAtoDCtrが現在１という値を有するかどうかの調査が実行される。ステップ６Ｃ−２における調査がイエスである場合、ステップ６Ｃ−３において、ルーチンCheckAtoDsはマイクロコントローラ１１６のＡＤＣの以前に選択されたチャネルから以前に読取られた値を処理する。特に、ステップ６Ｃ−３において、ルーチンCheckAtoDsはルーチンCheckVoltsを呼出す。ルーチンCheckVoltsは、出力モニタ１２２から得られる、マイクロコントローラ１１６のＡＤＣによってたった今デジタルに変換された電圧フィードバック信号を実際には処理する。ステップ６Ｃ−３において処理されるデジタル電圧値は、そのピーク（図４Ｄ参照）における駆動信号の振幅Ａに対応するはずである。そうでなければ、以下に記載されるように、ルーチンCheckVoltsは、線１０４に沿って印加される駆動信号に所望の振幅を達成するために、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅を調整する。デジタル方式で変換されたフィードバック電圧信号を処理するためにルーチンCheckVoltsを呼出した後、ルーチンCheckAtoDsは、ステップ６Ｃ−４において、選択されたチャネルがそこに印加されたアナログ情報を取得するように、ユーザ入力装置１０８を扱うＡＤＣのチャネルを（ステップ６Ｃ−４において）選択することによって、次の実行の準備をする。その後、ルーチンCheckAtoDsは、（ステップ６Ｃ−２０において）カウンタAtoDCtrをインクリメントし、終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
ルーチンCheckAtoDsに入ったときに（ステップ６Ｃ−５において判断されるように）カウンタAtoDCtrの値が２である場合、ルーチンCheckAtoDsは、ユーザ入力装置１０８を扱うＡＤＣのチャネルが、ユーザ入力装置１０８から得られかつステップ６Ｃ−４の以前の実行時に読取られたアナログ値を処理するように、ルーチンCheckVoltsInputを呼出す。ユーザ入力装置１０８において設定されるユーザ設定値はVoltInputに対応し、線１２４および１２６に沿って信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂとしてそれぞれに印加されるデジタルパルスのパルス幅を求め、したがって、線１０４上の駆動信号の振幅を求めることが想起される。アナログ値を読取るようにＡＤＣの適切なチャネルをイネーブルにした後、ステップ６Ｃ−７において、ルーチンCheckAtoDsは再び、出力モニタ１２２からの電圧（したがって、線１０４に沿って印加される駆動信号）の読取を扱うＡＤＣのチャネルを選択する。ステップ６Ｃ−７のチャネル選択は、ルーチンCheckAtoDsの次の実行に備えて、そこに印加されたアナログ値を読取る選択されたチャネルをもたらす。その後、カウンタAtoDCtrがインクリメントされ（ステップ６Ｃ−２０）、ルーチンCheckAtoDsは終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
ルーチンCheckAtoDsに入ったときに（ステップ６Ｃ−８において判断されるように）カウンタAtoDCtrの値が３である場合、ステップ６Ｃ−９において、ルーチンCheckAtoDsは再び、出力モニタ１２２から取得されるデジタル方式で変換されたフィードバック電圧（圧電アクチュエータ１４への駆動信号として印加される電圧の実際の振幅を表わす）を処理するために、ルーチンCheckVoltsを呼出す。必要であれば、その処理の際に、ルーチンCheckVoltsは、圧電アクチュエータ１４への駆動信号に所望の振幅を達成するために、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅を調整する。次いで、ルーチンCheckAtoDsは、ステップ６Ｃ−１０において、選択されたチャネルがそこに印加されたアナログ情報を取
得するように、ユーザ入力装置１０６を扱うＡＤＣのチャネルを（ステップ６Ｃ−１０において）選択することによって次の実行の準備をする。その後、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−２０において）カウンタAtoDCtrをインクリメントし、終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
ルーチンCheckAtoDsに入ったときに（ステップ６Ｃ−１１において判断されるように）カウンタAtoDCtrの値が４である場合、ルーチンCheckAtoDsは、ユーザ入力装置１０６を扱うＡＤＣのチャネルが、ユーザ入力装置１０６から得られかつステップ６Ｃ−１０の以前の実行時に読取られたアナログ値を処理するように、ルーチンCheckRateInputを呼出す。ユーザ入力装置１０８において設定されるユーザ設定値は、RateInputまたはPumpRateに対応し、線１０４に沿って圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号の周波数または周期を求めることが想起される。アナログ値を読取るようにＡＤＣの適切なチャネルをイネーブルにした後、ステップ６Ｃ−１３において、ルーチンCheckAtoDsは再び、出力モニタ１２２からの電圧（したがって、線１０４に沿って印加される駆動信号）の読取を扱うＡＤＣのチャネルを選択する。ステップ６Ｃ−１３のチャネル選択は、ルーチンCheckAtoDsの次の実行に備えて、そこに印加されたアナログ値を読取る選択されたチャネルをもたらす。その後、カウンタAtoDCtrはインクリメントされ（ステップ６Ｃ−２０）、ルーチンCheckAtoDsは終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
ルーチンCheckAtoDsに入ったときに（ステップ６Ｃ−１４において判断されるように）カウンタAtoDCtrの値が５である場合、ステップ６Ｃ−１５において、ルーチンCheckAtoDsは再び、出力モニタ１２２から取得されるデジタル方式で変換されたフィードバック電圧（圧電アクチュエータ１４への駆動信号として印加される電圧の実際の振幅を表わす）を処理するために、ルーチンCheckVoltsを呼出す。必要であれば、その処理の際に、ルーチンCheckVoltsは、圧電アクチュエータ１４への駆動信号に所望の振幅を達成するために、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅を調整する。次いで、ルーチンCheckAtoDsは、ステップ６Ｃ−１６において、選択されたチャネルがそこに印加されたアナログ情報を取得するように、電源１０３からの供給電圧を扱うＡＤＣのチャネルを（ステップ６Ｃ−１６において）選択することによって次の実行の準備をする。その後、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−２０において）カウンタAtoDCtrをインクリメントし、終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
ルーチンCheckAtoDsに入ったときに（ステップ６Ｃ−１７において判断されるように）カウンタAtoDCtrの値が６である場合、ステップ６Ｃ−１８において、ルーチンCheckAtoDsは変数SupplyVoltsRawを、ステップ６Ｃ−１６において読取られたデジタル方式で変換された値に設定し、カウンタAtoDCtrの値を０に戻すようにリセットする。次いで、ステップ６Ｃ−１９において、ルーチンCheckAtoDsは再び、出力モニタ１２２からの電圧（したがって、線１０４に沿って印加される駆動信号）の読取を扱うＡＤＣのチャネルを選択する。ステップ６Ｃ−１９のチャネル選択は、ルーチンCheckAtoDsの次の実行に備えて、そこに印加されたアナログ値を読取る選択されたチャネルをもたらす。その後、カウンタAtoDCtrはインクリメントされ（ステップ６Ｃ−２０）、ルーチンCheckAtoDsは終了される（ステップ６Ｃ−２１）。
このように、上述および図６Ｃから見られるように、ルーチンCheckAtoDsは、線１０４上の圧電アクチュエータ１４への駆動信号が適切なまたは所望の振幅を確実に有するようにするために、ルーチンCheckVoltsを呼出す。さらに、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−６において）、ユーザ入力装置１０８から得られるユーザ入力電圧が、駆動信号の所望の振幅がユーザによって変更されたことを示すかどうか、およびもし示すのであれば所望の振幅の調整を行なうかどうかを判断するために、ルーチンCheckVoltsInputを呼出す。同様に、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−１２において）、ユーザ入力装置１
０６から得られるユーザ入力電圧が、駆動信号の所望の周波数がユーザによって変更されたことを示すかどうか、およびもし示すのであれば所望の周波数の調整を行なうかどうかを判断するために、ルーチンCheckRateInputを呼出す。
７．４ 駆動信号制御プログラム：CheckVoltsInputルーチン
ルーチンCheckAtoDsのステップ６Ｃ−３、ステップ６Ｃ−９、およびステップ６Ｃ−１５において呼出されたルーチンCheckVoltsInputにおける基本ステップは図６Ｄに示される。ルーチンCheckVoltsInputはステップ６Ｄ−１において開始される。次いで、ステップ６Ｄ−２において、出力モニタ１２２を扱うチャネルによって（ステップ６Ｃ−１９、ステップ６Ｃ−７およびステップ６Ｃ−１３においてそれぞれに）読取られたばかりの（たった今デジタル方式で変換された）電圧は、変数actual＿voltsの値として設定される。ステップ６Ｄ−３において、ポンプ短絡検出が実行される。短絡状態がポンプ１０に対して存在することが分かった場合、短絡タイムアウトカウンタが切れた後（ステップ６Ｄ−５）、ウォッチドッグタイマのリセットは待たれる（ステップ６Ｄ−６）。短絡が検出されない場合、ステップ６Ｄ−７において短絡タイマはリセットされる。
ステップ６Ｄ−８において、変数actual＿voltsの値が変数SetVoltsを超えるかどうかの調査がなされる。変数SetVoltsの値は、線１０４上の圧電アクチュエータ１４のための駆動信号に所望の実際の振幅を表わす。変数SetVoltsの値は、ユーザ入力、たとえばユーザ入力装置１０８によって与えられるかまたは図３Ｃの実施例によって以前に示された態様でＧＵＩから与えられるVoltInputなどのアナログ入力によって設定されることが可能である。いずれにしても、変数actual＿voltsの値が変数SetVoltsの値を超えることがステップ６Ｄ−８において判断される場合、ステップ６Ｄ−９において変数ＰＷＭカウンタはデクリメントされる。これに対して、変数actual＿voltsの値が変数SetVoltsの値未満であるかまたは変数SetVoltsの値に等しいことがステップ６Ｄ−１０において判断される場合、ステップ６Ｄ−１１において変数ＰＷＭカウンタはインクリメントされる。変数ＰＭＷカウンタのデクリメント（ステップ６Ｄ−９）またはインクリメント（ステップ６Ｄ−１１）の後、変数ＰＷＭカウンタの値は値ＰＷＭとしてルーチンＰＷＭ Setに送られる。
７．５ 駆動信号制御プログラム：ＰＷＭ設定ルーチン
ルーチンＰＷＭ Setは、線１２４に沿って変換回路１０２に印加される信号ＰＷＭ−Ａおよび線１２６に沿って変換回路１０２に印加される信号ＰＷＭ−Ｂの両方に含まれるデジタルパルスのパルス幅Ｗを調整する（適宜増加または減少させる）働きをする。パルス幅Ｗは、変換回路１０２のインダクタＬ１が荷電されている電荷時間の時間量に対応することが想起される。ルーチンＰＷＭ Setの例示的な基本ステップは図６Ｅに示される。ルーチンＰＷＭ Setはステップ６Ｅ−１において開始される。ステップ６Ｅ−２において、ルーチンＰＷＭ Setは、（図６ＤのルーチンCheckVoltsから得られた）変数ＰＷＭが許容し得る最大（ＰＷＭ最大）を超えたかどうかを調べる。もし超えていれば、ステップ６Ｅ−３において変数ＰＷＭはＰＷＭ最大に設定され、その後、ステップ６Ｅ−６においてルーチンＰＷＭ Setは終了される。変数ＰＷＭが許容し得る最大を超えていない場合、ステップ６Ｅ−４において、ルーチンＰＷＭ Setは信号ＰＷＭ−Ａ（ＰＷＭ正）および信号ＰＷＭ−Ｂ（ＰＷＭ負）の両方のパルス幅をＰＷＭの値に設定し、そのため、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂは所望のパルス幅Ｗ（図４Ａ参照）を有することになる。
図７Ａ〜図７Ｄは、線１２４および１２６上の信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅を変化させることが線１０４上の圧電アクチュエータ１４の駆動信号にどのように影響を及ぼすかを図示する。図７Ａ〜図７Ｄに示される周期Ｐ1は図４Ａ〜図４Ｄに示される周期Ｐに似ており、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのデジタルパルスはパルス幅Ｗを
有する。周期Ｐ1では、圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号は振幅Ａを有し、この振幅Ａはパルス幅Ｗに依存する。しかしながら、ユーザ入力値VoltInputが（たとえば、ユーザ入力装置１０８を介して実現される設定の変化によって）変更される場合、ルーチンCheckVoltsInputはVoltInputのために使用されるように新しい制御電圧を得て、ルーチンCheckVoltsはそれに従ってＰＷＭ値をインクリメントまたはデクリメントする。たとえば、VoltInputのユーザ入力値が増加される場合、ＰＷＭ値はインクリメントされる（ステップ６Ｄ−１１）。図７Ａ〜図７Ｄは、周期Ｐ2に影響を及ぼすパルス幅のこのようなインクリメントを示し、そのため、周期Ｐ2では（図７Ａおよび図７Ｂにそれぞれに示される）信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのデジタルパルスの幅はＷからＷ′に増加される。信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルスのパルス幅の増加の結果、線に沿って印加されるパルス出力、線１０４に沿って印加される駆動信号の振幅、および圧電アクチュエータ１４による一体化から結果として生じる正弦波の振幅は周期Ｐ2の間にＡからＡ′に増加される。図７Ａ〜図７Ｄでは、周期Ｐ1およびＰ2は、異なる添字を有するが、同一の持続期間を有する。図７Ａ〜図７Ｄにおける周期Ｐについての異なる添字は単に、ＷからＷ′へのパルス幅の変化およびＡからＡ′への結果として生じる振幅の変化を強調するためのものである。パルス幅のこの変化、したがって圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号の振幅の変化は、ポンプのリアルタイムの動作中に駆動信号（たとえば、駆動信号の形状）を動的に変化させる一例である。
上述のように、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−６において）、ユーザ入力装置１０８から得られるユーザ入力電圧が、駆動信号の所望の振幅がユーザによって変更されたことを示すかどうかを判断するために、ルーチンCheckVoltsInputを呼出す。必要であれば、ルーチンCheckVoltsInputは所望の振幅の調整を行なう。ルーチンCheckVoltsInputの例示的な実現例の基本ステップは図６Ｆに示される。ルーチンCheckVoltsInputはステップ６Ｆ−１において開始される。ステップ６Ｆ−２において、ユーザ入力装置１０８を扱うチャネルによって（ルーチンCheckAtoDsのステップ６Ｃ−４において）読取られたばかりの（たった今デジタル方式で変換された）電圧は、変数volts＿ctlの値として設定される。念のため、（１）トリマー抵抗器１０６および１０８がイネーブルにされているという調査、および（２）取得されたばかりの変数volts＿ctlの値が閾値を超えるという調査がステップ６Ｆ−３においてなされる。ステップ６Ｆ−３のいずれかの条件が満たされない場合、ステップ６Ｆ−７においてルーチンCheckVoltsInputは終了される。
ステップ６Ｆ−４において、変数volts＿ctlの値が変数ＭＡＸ＿ＶＯＬＴＳ未満であるかどうかの調査がなされる。変数ＭＡＸ＿ＶＯＬＴＳの値は、圧電アクチュエータ１４のための駆動信号の最大許容振幅を表わす。変数volts＿ctlの値が変数ＭＡＸ＿ＶＯＬＴＳ未満である場合、ステップ６Ｆ−５において変数SetVoltsの値は変数volts＿ctlに等しく設定される。そうでなければ、ステップ６Ｆ−６において変数volts＿ctlは値ＭＡＸ＿ＶＯＬＴＳに設定される。変数volts＿ctlの値が（ステップ６Ｆ−５またはステップ６Ｆ−６において）確立された後、ステップ６Ｆ−７においてルーチンCheckVoltsInputは終了される。
７．６ 駆動信号制御プログラム：CheckRateInputルーチン
上述のように、ルーチンCheckAtoDsは（ステップ６Ｃ−１２において）、ユーザ入力装置１０６から得られるユーザ入力電圧が、駆動信号の所望の周波数がユーザによって変更されたことを示すかどうかを判断するために、ルーチンCheckRateInputを呼出す。必要であれば、ルーチンCheckRateInputは所望の周波数の調整を行なう。ルーチンCheckRateInputの例示的な実現例の基本ステップは図６Ｇに示される。ルーチンCheckRateInputはステップ６Ｇ−１において開始される。念のため、トリマー抵抗器１０６および１０８がイネーブルにされているという調査がステップ６Ｇ−２においてなされる。ステップ６Ｇ−２の調査がイエスである場合、ステップ６Ｇ−３において、変数PumpRateの値は、ユーザ入
力装置１０６を扱うチャネルによって（ルーチンCheckAtoDsのステップ６Ｃ−１０において）読取られたばかりの（たった今デジタル方式で変換された）電圧に設定される。ステップ６Ｇ−２の調査がノーであることが判明した場合、変数PumpRateの値が値ＭＩＮ＿ＲＡＴＥ未満であるかどうかの調査がステップ６Ｇ−４においてなされる。ステップ６Ｇ−４における調査がイエスである場合、ステップ６Ｇ−５において変数PumpRateの値は値ＭＩＮ＿ＲＡＴＥに等しく設定される。これに対して、ステップ６Ｇ−６において、変数PumpRateの値が値ＭＡＸ＿ＲＡＴＥよりも大きいかどうかの調査がなされる。ステップ６Ｇ−６における調査がイエスである場合、ステップ６Ｇ−７において変数PumpRateの値は値ＭＡＸ＿ＲＡＴＥに等しく設定される。ステップ６Ｇ−９において終了する前に、ステップ６Ｇ−８において、ルーチンCheckRateInputは変数CounterResetを求めるために変数PumpRateの値を使用する。特に、ステップ６Ｇ−８において、ルーチンCheckRateInputは、変数CounterResetを求めるために、３９０６（図６Ｂの割込処理ルーチンが呼出される周波数）を変数PumpRateの値で除算する。以前に説明されたように、変数CounterResetの値は、変数Counterの値を確立するために使用される。変数Counterは、図６Ｂの割込処理ルーチンを参照して以前に説明されたように、線１０４上の圧電アクチュエータ１４への駆動信号のための周期または周波数の所望の設定に影響を及ぼす。
図８Ａ〜図８Ｄは、線１０４に沿って印加される駆動信号の周期または周波数の変化を図示する。図８Ａ〜図８Ｄでは、ＰAは図４Ａ〜図４Ｄにおける周期Ｐと同等の持続時間を有する第１の周期を指す。しかしながら、図８Ａ〜図８Ｄの周期ＰBは、（たとえば、ユーザ入力装置１０６を介して入力され得る）変数PumpRateの新しいユーザ入力値に従ってどのように周期が変化され得るかを示す。特に、図８Ａ〜図８Ｄは、変数PumpRateの新しい（より小さな）値を考慮して周期ＰAよりも短い周期ＰBを示す。上で説明されたように、線１０４に沿って印加される駆動信号の周期は、図６Ｇを参照して上述されたルーチンCheckRateInputを使用して実現される。圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号の周期または周波数のこの変化は、ポンプのリアルタイムの動作中に駆動信号（たとえば、駆動信号の形状）を動的に変化させる別の例である。
ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂの波形のパルス周期は、「リアルタイム」でパルスごとに調整されることができ、際限ない数々の駆動波形の可能性を生成する。このような複雑な波形のために、デジタル信号プロセッサタイプのマイクロコントローラを利用することが必要であり得る。
８．０ 圧電アクチュエータのパラメータを求める
上述の圧電アクチュエータ駆動回路１８の１つ以上の実施例および動作のモードのうちの１つの使用例は、圧電アクチュエータ１４もしくは圧電アクチュエータ１４が動作するシステムの１つ以上のパラメータまたは特徴を求めることを伴う。
８．１ 圧電アクチュエータのキャパシタンスを求める
ポンプ１０の正確な動作のために、圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを正確に求めることが重要である。原則として、より高いキャパシタンスの圧電素子はより低いキャパシタンスの圧電素子よりも多くのエネルギを有し、より遠くに移動させる。圧電アクチュエータ１４で利用される特定の圧電材料は規定または公称キャパシタンスを有し得るが、同一の生産ロットで製造される圧電素子のキャパシタンスは部品ごとに５％ほども異なる場合があり、異なるロットで製造される同一のタイプの圧電素子のキャパシタンスは２５％ほども異なる場合があることが経験から明らかである。
本明細書に記載される圧電アクチュエータ駆動回路１８の実施例によって、ポンプ製造業者はそのタイプについての公称キャパシタンスとは異なる圧電素子を使用することができる。有利に、圧電アクチュエータ駆動回路１８のこれらの実施例は、自動的に実際のキ
ャパシタンスを求め、それによって、実際のキャパシタンスを考慮して適切な電圧を送出する。言い換えると、圧電アクチュエータ駆動回路１８は圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを検出し、それに従って駆動信号をカスタマイズする。たとえば、セラミックが時間とともに劣化する圧電アクチュエータ１４の場合、圧電アクチュエータ駆動回路１８は負荷（たとえば、圧電アクチュエータ１４）を検査することができ、その後、ある期間にわたる圧電素子の劣化または変化を補償するためにより高い電圧で圧電アクチュエータ１４を駆動する。
図９Ａは、動作の例示的なモードのための圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを求めるキャパシタンスチェックルーチンにかかわるいくつかの選択された代表的な基本ステップを示す。図９Ａのキャパシタンスチェックルーチンは、マイクロコントローラ１１６によって実行され、ステップ９Ａ−１において開始される。ステップ９Ａ−２において、キャパシタンスチェックルーチンは、圧電アクチュエータ駆動回路１８のＰＷＭサーボ機能をオフにする。言い換えると、キャパシタンスチェックルーチンは（図６Ｄに示された）ルーチンCheckVoltsの呼出をディスエーブルにし、圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号を制御するための固定ＰＷＭモードに入る。固定ＰＷＭモードでは、ステップ９Ａ−３として、デジタルパルスがパルス発生器１００によって発生され、線１２４および１２６に沿ってそれぞれに印加される信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのこのパルス幅は一貫しており、圧電アクチュエータ１４にパルスの状態で印加される電荷の量（たとえば、メモリに予め格納され得る確認可能な電荷の量）は公知である。ステップ９Ａ−４として、ユーザ入力装置１０６は、圧電アクチュエータ１４に印加される電荷に注目する。
電荷の公知の量を（クーロン単位で）圧電アクチュエータに印加し、その後（ステップ９Ａ−５において）圧電アクチュエータで電圧を（ボルト単位で）測定することによって、キャパシタンスは直接に計算されることができる。電圧測定は、出力モニタ１２２によって線１０５に沿ってマイクロコントローラ１０６に印加される電圧フィードバック信号によって得られる。キャパシタンスチェックルーチンは、出力モニタ１２２によって線１０５に沿ってマイクロコントローラ１０６に印加される電圧フィードバック信号をサンプリングする。
代替的には、キャパシタンスチェックルーチンは、波形に沿った連続するポイント、特に波形のピークにおいておよび波形のピーク後に、出力モニタ１２２から得られる電圧フィードバック信号をサンプリングする。たとえば、キャパシタンスチェックルーチンは、図１０Ａの波形などの波形のピークＫ付近の時間の中のいくつかのポイントにおいて電圧測定値を求める。線Ｓ10Aは、ピークＫ後の図１０Ａの波形についての電圧測定値の傾きを示す。キャパシタンス定数を求める１つの方法は、この傾きを使用することである。さらなる代替例として、ＰＷＭモードが終了されることができ、２つの正確にタイミングが取れた電圧読取が行なわれることができる。次いで、キャパシタンスは、（実験的にまたは製造およびＥＥＰＲＯＭなどのメモリへの格納時に）回路の抵抗性のリークを知り、単純なＲＣ時定数計算を使用して計算されることができる。
圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを求めた後、（ステップ９Ａ−７によって示されるように）キャパシタンスチェックルーチンは終了することが可能である。しかしながら、より好ましくは、キャパシタンスチェックルーチンはキャパシタンス補償ルーチンを呼出す、またはキャパシタンス補償ルーチンによって受け継がれることができる。図９Ｂは、キャパシタンス補償ルーチンにかかわる選択された基本ステップを示し、キャパシタンス補償ルーチンは、マイクロコントローラ１１６によって実行され、ステップ９Ｂ−１において開始される。
ステップ９Ｂ−２において、キャパシタンス補償ルーチンは、圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスを考慮して、ＰＷＭ信号（たとえば、図５Ａの回路における線１２４上の信号ＰＷＭ−Ａおよび線１２６上の信号ＰＷＭ−Ｂ、または図５Ｃの回路におけるＰＷＭ信号）に適切なパルス幅の値を求める。言い換えると、キャパシタンス補償ルーチンはここで、圧電アクチュエータへの駆動信号を制御するために、圧電アクチュエータの検出されたパラメータを使用する。圧電アクチュエータ１４のキャパシタンスは、キャパシタンスチェックルーチン（図９Ａ参照）の以前の実行によって求められたかもしれない。パルス幅の値はいくつかの方法のうちのいずれでも求められ得る。たとえば、ステップ９Ｂ−２のパルス幅の値の決定は、（圧電アクチュエータ１４の測定されたキャパシタンス値を示す）格納されたフィードバック電圧値と、（圧電アクチュエータ１４のための対応する電荷をもたらす）格納されたパルス幅の値との間で対になった対応を有するルックアップテーブルなどを調べることを伴ってもよい。別の例として、キャパシタンス補償ルーチンはパルス幅の計算を行なってもよい。基本的な例として、以前に求められたキャパシタンスは、所望のアクチュエータ電圧をもたらすことになるＰＷＭ幅の設定を求めるために好適な方程式の中で使用されることが可能である。代替的には、ルックアップテーブルの動作はパルス幅を求めるためにも使用されてもよい。
キャパシタンスを考慮してＰＷＭ信号（たとえば、線１２４上のＰＷＭ−Ａおよび線１２６上の信号ＰＷＭ−Ｂ）に必要なパルス幅を求めた後、ステップ９Ｂ−３として、キャパシタンス補償ルーチンは値ＰＷＭを、ステップ９Ｂ−２において求められた適切なキャパシタンスを求められたパルス幅の値に設定する。次いで、ステップ９Ｂ−４として、キャパシタンス補償ルーチンは動作の固定ＰＷＭモードを起動すべきかまたは動作のＰＷＭサーボモードを起動すべきかを調べる。
ステップ９Ｂ−４において動作の固定ＰＷＭモードが選択される場合、ステップ９Ｂ−５として、キャパシタンス補償ルーチンは固定ＰＷＭモードを開始させるかまたは固定ＰＷＭモードをイネーブルにする。固定ＰＷＭモードを開始させるまたはイネーブルにすることは基本的には、一貫したＰＷＭの値（ステップ９Ｂ−２において求められ、ステップ９Ｂ−３において設定された値）が信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅を形成するために一貫して利用されることを意味する。言い換えると、固定ＰＷＭモードでは、ルーチンCheckVoltsは省略され、そのため、ＰＷＭの値はフィードバック信号または他の信号によって更新されない。
ステップ９Ｂ−４において動作のＰＷＭサーボモードが選択される場合、ステップ９Ｂ−６として、キャパシタンス補償ルーチンはＰＷＭサーボモードを開始させるかまたはＰＷＭサーボモードをイネーブルにする。ＰＷＭサーボモードを開始させるまたはイネーブルにすることは基本的には、ＰＷＭの値が出力モニタ１２２によって線１０５に沿って印加されるフィードバック電圧信号などの入力に従って更新または変更され得ることを意味する。そうする際に、キャパシタンス補償ルーチンは最初に固定ＰＷＭモードをオフにする必要があるかもしれない（たとえば、ステップ９Ａ−２などにおいて、固定ＰＷＭモードがオンにされていた場合）。ＰＷＭサーボの機能性をオンにすることは、ルーチンCheckVoltsをマイクロコントローラ１１６の実行の一部として含むことを伴い、そのため、ＰＷＭの値は入力値（たとえば、ステップ６Ｄ−２において得られたＡＤＣ読取値）に従って更新される（たとえば、ステップ６Ｄ−９においてデクリメントされる、またはステップ６Ｄ−１１においてインクリメントされる）。
図１０Ａは、第１の例示的な圧電アクチュエータのキャパシタンスを求めるための（たとえば、キャパシタンスチェックルーチンのステップ９Ａ−５において得られた）電圧測定値の波形を示すように上述された。図１０Ｂは、第２の例示的な圧電アクチュエータのキャパシタンスを求めるために得られる電圧測定値の別の波形を図示する。図１０Ｂの第
２の圧電アクチュエータは、図１０Ａの第１の圧電アクチュエータよりも少ないキャパシタンスを偶然有し、これは図１０Ｂの波形の傾きが図１０Ａの波形の傾きよりも（負の方向に）大きいという事実によって図示される。
８．２ 圧電システムのインピーダンス／共振を求める
圧電アクチュエータ駆動回路１８は、圧電アクチュエータ１４が動作するシステムのインピーダンスを求めることを容易にし、インピーダンスは圧電アクチュエータ１４の共振周波数を表わす。たとえば、圧電アクチュエータ１４がポンプで動作するとき、システムのインピーダンスは圧電ポンプ、取付けられた管、流体粘性、閉じ込められた空気などを含む。システムのインピーダンスはこのシステムの共振周波数と関係がある。周波数スペクトルにおける低インピーダンスのポイントは共振周波数を示す。このシステムの共振周波数が分かっている場合、ポンプの性能はその特定のシステムのために最適化されることが可能である。典型的には、システムの共振周波数は４０から１３０Ｈｅｒｔｚのどこかである。２つの異なるシステムの中の１つのポンプは２つの異なる共振周波数を有することになり、したがって、リアルタイムでシステムの共振周波数を測定できることが望ましい。一旦共振周波数がわかると、マイクロコントローラは最大性能を求めて駆動周波数を調整することが可能である。
２つの例示的で非限定的なインピーダンス／共振決定手法は、インピーダンス測定法およびインパルス応答法である。インピーダンス測定法およびインパルス応答法の両方は、ポンプ１０のリアルタイムの動作中、たとえば、圧電アクチュエータ１４がポンプ１０の中で流体を実際に汲み上げている間に好ましくは実現される。
８．２．１ インピーダンス測定法
第１の手法は、以前に記載されたキャパシタンス法と非常に似ている。定電力駆動がさまざまな駆動周波数で印加され、信号減衰が測定される。最大減衰が発生する周波数は最小インピーダンスを示し、したがって、共振周波数を示す。
インピーダンス測定法の例示的な基本ステップは図１１Ａに示される。インピーダンス測定法では、ポンプ１０の共振周波数は、多くの異なる周波数で圧電アクチュエータ１４の一連の粗いインピーダンス測定を行なうことによって、および最小周波数を見つけることによって、間接的に見つけられる。インピーダンス測定法を実現するためのルーチンは、マイクロコントローラ１１６によって実行されることができ、ステップ１１Ａ−１において開始される。
ステップ１１Ａ−２として、インピーダンス測定ルーチンは圧電アクチュエータ駆動回路１８のＰＷＭサーボ機能をオフにする。これは、電圧制御サーボ回路がディスエーブルにされた状態で圧電アクチュエータ１４を駆動することによって、特定の周波数の圧電アクチュエータ１４のインピーダンスが作られるためである。これは、（図６Ｄに示された）ルーチンCheckVoltsの呼出をディスエーブルにするかまたはそうでなければルーチンCheckVoltsを省略し、ステップ１１Ａ−３によって示される固定ＰＷＭモードに入るインピーダンス測定ルーチンによって達成される。固定ＰＷＭモードでは、マイクロコントローラ１１６は固定パルス幅変調を有する信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂを発生させ、そのため、圧電アクチュエータ１４は定電力入力で駆動され、定電力入力はそのインピーダンスに比例する、圧電アクチュエータ１４で達成されるピーク電圧に変換することになる。
残りのステップで、図１１Ａのインピーダンス測定ルーチンは、一連の励振周波数にわたって掃引し、各々の周波数ごとに電圧フィードバック測定を行ない、電圧フィードバック信号を正規化し、次いで最小のインピーダンスを求める。ステップ１１Ａ−４において、インピーダンス測定ルーチンは最初の励振周波数を設定する。励振周波数が設定された
状態で、ステップ１１Ａ−５において、インピーダンス測定ルーチンは圧電アクチュエータ１４からのピーク電圧フィードバック信号を（出力モニタ１２２から線１０５に沿って）得る。ステップ１１Ａ−５において得られた電圧フィードバック信号は、生成された励振周波数に関連付けられて格納される。ステップ１１Ａ−６において、インピーダンス測定ルーチンは、それが掃引する励振周波数の全帯域を完了したかどうかを判断する。完了していなければ、ステップ１１Ａ−７において帯域の次の励振周波数が選択され、その後、ステップ１１Ａ−５において次の励振周波数のためのピーク電圧フィードバックが得られ、格納される。したがって、インピーダンス測定ルーチンは、励振周波数の帯域を通じて駆動信号を変更しており、励振周波数の各々ごとのフィードバック信号から電圧値を得ている。
励振周波数の全帯域が調べられたことがステップ１１Ａ−６において判断された後、ステップ１１Ａ−８において、全帯域にわたって得られたピーク電圧フィードバック信号値が正規化される。次いで、ステップ１１Ａ−９として、インピーダンス測定ルーチンは、最小インピーダンス値（つまり、最小電圧フィードバックピーク値）をもたらす走査範囲で特定の励振周波数としてポンプ１０の共振周波数を求める。
８．２．２ インパルス応答法
第２の手法は、動的インピーダンスを測定することによってではなく、システムのインパルス応答を測定することによって共振周波数を測定する。これは、ハンマーを用いて音叉を打ち、その音叉の周波数を測定することと全く等価である。圧電は電気インパルスで打たれ、次いでポンプシステムの中に伝わる物理的な衝撃波のための電圧フィードバック線を介して「聞かれ」、次いで圧電に「戻り」、物理的に圧電を移動させ、反響した電気インパルスを発生させる。インパルス励振とエコーとの間の時間の逆数は、システムの共振周波数である。
インパルス応答法の例示的な基本ステップは図１１Ｂに示される。インパルス応答法を実現するためのルーチンは、マイクロコントローラ１１６によって実行されることができ、ステップ１１Ｂ−１において開始される。以前の記載を考慮して理解されるように、ステップ１１Ｂ−２において、インパルス応答ルーチンは、圧電アクチュエータ駆動回路１８のＰＷＭサーボ機能をオフにする。次いで、インパルス応答ルーチンの残りのステップで、ポンプ１０の共振周波数はステップ機能駆動信号を用いて圧電ダイヤフラム（たとえば、圧電アクチュエータ１４）を「検査（ping）し」、次いで、「エコー」を探すために圧電アクチュエータ１４の両端の電圧を連続的に監視することによって直接に測定される。エコー周期の逆数は共振周波数である。
ステップ１１Ｂ−４として、マイクロコントローラ１１６はステップ機能駆動モードを開始させ、ステップ機能駆動モードでは、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅はステップ機能に従って設定される。つまり、信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのパルス幅は最初に第１の値で設定され、次いで第２の（より大きな）値に増加され、次いで第３の（さらにより大きな）値に増加されるなどである。言い換えると、インパルス応答ルーチンは駆動信号を変化させ、その間中、ステップ１１Ｂ−５として、線に沿った出力モニタ１２２からの電圧フィードバック信号線１０５に沿った電圧フィードバック信号は、マイクロコントローラ１１６またはいくつかの他のプロセッサによって監視される。エコーが見つけられるとき、ステップ１１Ｂ−６において、エコー周期の逆数は圧電アクチュエータ１４の共振周波数として考えられる。
９．０ センサ信号を受取る駆動回路
上述のように、コネクタ１１０は１つ以上のセンサに接続されることが可能である。このようなセンサは、対応するセンサ信号を圧電アクチュエータ駆動回路１８および特にマ
イクロコントローラ１１６に供給する。たとえば、図１９は、アクチュエータ駆動回路１８に印加される、たとえばセンサからのデジタル入力信号を示す。パルス発生器（たとえば、マイクロコントローラ１１６）は、デジタル入力を受取り、デジタル入力信号を線１０５上のフィードバック信号と組合せて、組合せられた出力１９１を生成する信号論理組合せ機能１９０を有する。信号論理組合せ機能に入力される前に、線１０５上のフィードバック信号はアナログからデジタルに変換されることができる。当業者は、幅広く理解されている制御理論を考慮して信号論理組合せ機能１９０の働きを理解する。なぜなら、信号論理組合せ機能１９０は基本的には、パルス発生器１００の出力を修正するためにデジタル入力信号を使用するためである。
図１９に示されるデジタル入力信号は、図３Ｃに示されるグラフィカルユーザインターフェイスなどから、または図３Ｄに示されるポンプ内センサから、または図３Ｅ、図３Ｆおよび図３Ｇに示される（たとえば）その他の場所に位置するセンサからのものであり得る。たとえば、ポンプが冷却のために使用され、検出された温度が上昇していることをパルス発生器１００へのデジタル入力信号が示す場合、制御理論を使用して、信号論理組合せ機能１９０はポンプ動作を強めるであろう。逆に、デジタル入力信号によって示されるように温度が低下する場合、パルス発生器はポンプ動作を低下させるであろう。
１０．０ 駆動信号の波形の最適化
以前に示されたように、波形最適化モードでは、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、最適化された波形を有する駆動信号を発生させてポンプの圧電アクチュエータ１４に印加するために、以前に準備されたおよび／または予め格納された情報（たとえば、波形形状データ）を使用し得る。以前に準備されたおよび予め格納された情報は、ルックアップテーブル１４０（図５Ｂ参照）などのテーブルに格納されることができる。この情報は、波形が１つ以上の基準（たとえば、１つ以上の動作パラメータ／変数）に対して最適化されるように準備されることができる。波形形状データは、より効率的に、より少ないノイズのために、および願わくは最小限の（もしあれば）電荷回復措置を用いて供給される電力を圧電アクチュエータに使用させる目的を含む目的のために波形最適化モードで最適化される。
１０．１ 波形最適化装置
図１３は、波形最適化値のテーブルを生成する例示的な実施例の波形オプティマイザー２００を示す。波形オプティマイザー２００によって作り出される波形最適化値は、ターゲット圧電ポンプのための駆動信号を発生させるためのターゲット駆動回路によって波形形状データとして使用されるように意図される。これらの波形最適化値を作り出すために、波形オプティマイザー２００は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）２０１に印加される駆動信号を発生させ、その後アナログ駆動信号は（増幅器２０２によって）増幅され、線２０４に沿って圧電アクチュエータに印加される。圧電アクチュエータは動作ポンプの中に位置する。圧電アクチュエータ１４およびポンプ１０の素子を参照するために以前の図と同一の参照数字が図１３で利用されているが、波形オプティマイザー２００によって準備される波形最適化データはターゲットポンプおよびターゲット圧電アクチュエータのためのものであり、ターゲットポンプおよびターゲットアクチュエータは波形最適化データの生成中に駆動される同一のポンプ／圧電アクチュエータであり得るが、必ずしも同一のポンプ／圧電アクチュエータではないことが理解されるべきである。この点に関して、波形オプティマイザー２００によって準備される波形最適化データは、別の（しかしながら、好ましくは同様のタイプの）圧電アクチュエータのためのものである場合もあれば、波形最適化データの生成中に利用されるものとは別の（しかしながら、好ましくは同様のタイプの）ポンプのためのものである場合もある。
以前に示されたように、波形オプティマイザー２００によって準備される波形データは
、１つ以上の動作パラメータ、たとえば１つ以上の基準に対して最適化されることができる。最適化可能な基準の例は、流れ（たとえば、ポンプを通る流体の流量）、加速度、ノイズのなさ、圧力、温度、高度、電力消費、および他のアナログもしくはデジタルフィードバック装置からの信号または入力を含む。駆動信号波形の最適化は典型的には、最適化される動作パラメータに関する信号（たとえば、フィードバック信号）を得るためにセンサを使用することを伴う。２つ以上のこのようなセンサが利用されてもよく、このようなセンサの位置および／または位置決めは検出／最適化されるパラメータに依存する。簡潔にするために、図１３は総称的に単一のセンサ１１２−１３を示す。利用されるセンサのタイプおよび性質に応じて、波形オプティマイザー２００は、センサ信号を波形オプティマイザー２００によって使用可能なものにするセンサインターフェイス２０８を含んでもよい。たとえば、センサインターフェイス２０８はアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２２２（図１６参照）を含んでもよい。
続く説明には、最適化されるパラメータがポンプを通る流体の流れである、例示的で非限定的な波形最適化シナリオが記載される。このような例示的なシナリオでは、センサは流量計である可能性があり、この流量計はポンプの出口またはポンプの出口から下流に位置決めされてもよいことが理解されるべきである。
波形オプティマイザー２００は線２０４に沿って駆動信号を出力する。１つの例示的な実施例では、波形オプティマイザー２００は駆動信号として使用されるデジタル出力信号を発生させるための、以前に記載されたパルス発生器および／またはマイクロコントローラのものと似た構成要素ならびに動作を有することが認識される。さらに、波形オプティマイザー２００は典型的には、波形最適化プログラム２１０などの実行可能なプログラムを含む。波形最適化プログラム２１０は、圧電アクチュエータに印加されるべき駆動信号を発生させるため、および波形最適化データ値のテーブルを得るために解かれる波形方程式を発生させるためにメモリに格納された命令に基づいてステップを実行する。波形最適化データ値は、図１３にテーブル２１２として示される波形オプティマイザー２００のテーブルメモリに格納される。
入力／出力装置２２０は波形オプティマイザー２００に接続され、そのため、テーブル２１２に格納された波形最適化データはそこから取出されることができる。入力／出力装置２２０は、（テーブル２１２からデータ値を読取るための）ディスプレイ、または（リードオンリメモリ（ＲＯＭ）に値を格納するためのＲＯＭバーナーなどの）ハードウェアメモリ生成装置などのさまざまな形態を取り得る。
１０．２ 波形最適化伝達技術
図１４は、圧電ポンプのパルス発生器が最適化された波形を生成できるようにするための手順の一般的な局面またはイベントを示す。イベント１４−１として、波形オプティマイザー２００は、機能ポンプの中で動作している圧電アクチュエータに駆動信号を印加するように（図１３に示される例示的な態様で）接続される間、（たとえば、波形最適化プログラム２１０を実行することによって）波形最適化手順を実行する。上述のように、この接続にかかわる特定のアクチュエータまたはポンプは、波形最適化データが利用されることになるターゲットアクチュエータ／ポンプと同一のものである場合もあれば、同一のものでない場合もある。図１４に示されるように、イベント１４−１の実行中に、波形オプティマイザー２００は波形最適化に影響を及ぼす１つ以上の動作パラメータ（「基準」）に関するフィードバックまたは少なくとも境界条件を受取ってもよい。上述の例示的なセンサ１１２−１３は、動作パラメータの１つのタイプのための信号を印加する一例である。いくつかの実施例では、波形最適化は１つだけの動作パラメータのために実行され得るが、図１４は任意の数（「Ｎ」）の動作パラメータのための入力を考慮する。
波形オプティマイザー２００の出力は、波形形状データとしても公知の波形最適化データのテーブルまたは一覧である。このようなテーブルのための波形最適化データの生成は、図１４のイベント１４−２として示される。このようなテーブルの例示的なフォーマットは、後に記載される図１８Ａおよび図１８Ｂに示される。
波形オプティマイザー２００によって生成される波形最適化データは後に、ターゲットポンプにおいて線１０４に沿って圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号を線に沿って印加される波形を最適化するために（本明細書に記載される実施例などの）ターゲット圧電アクチュエータ駆動回路１８において使用されることになる。波形オプティマイザー２００によって生成される波形最適化データのターゲットポンプへの伝達は、図１４にイベント１４−３Ａ、１４−３Ｂおよび１４−３Ｃによってそれぞれに示されるモードなどのいくつかのモードで発生し得る。
波形最適化データ伝達モード１４−３Ａとして、波形オプティマイザー２００によって生成される特定の波形最適化データは、利用されるターゲットポンプのパルス発生器１００を含むかまたはパルス発生器１００にアクセス可能なメモリテーブルへの入力であり得る。たとえば、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）などは、波形オプティマイザー２００によって作り出された波形最適化データを圧電アクチュエータ駆動回路１８のためのメモリに入力するために利用されることが可能である。メモリは、（たとえば、マイクロコントローラ１１６のための）オンボードメモリである可能性もあれば、メモリの他の形態（たとえば、リードオンリメモリ（ＲＯＭ））である可能性もある。
波形最適化データ伝達モード１４−３Ｂとして、波形オプティマイザー２００によって生成される特定の波形最適化データは、メモリチップまたは他のメモリ装置にテーブル形式で格納されることができ、その後、波形最適化データを有するメモリチップ／装置はターゲットポンプの圧電アクチュエータ駆動回路１８にインストールされることが可能である。このモードは図１５Ａおよび図１５Ｂにも示され、ターゲットポンプのパルス発生器１００に基本的には組入れられる、メモリテーブル２１２の形式の波形最適化データのバージョンを示す。
波形最適化データ伝達モード１４−３Ｃとして、波形オプティマイザー２００によって生成される特定の波形最適化データは、テーブル形式で、またはそうでなければターゲットポンプのマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラに格納されることができる。たとえば、伝達モード１４−３Ｃでは、マイクロコントローラ１１６全体およびおそらく圧電アクチュエータ駆動回路１８全体がターゲットポンプに供給される。
１０．３ 波形最適化データ準備手順
波形オプティマイザー２００によって実行される波形最適化プログラム２１０の論理は、さまざまな方法で順に行なわれることができ、配置されることができ、フォーマット化されることができ、プログラムされることができる。さらに、波形オプティマイザー２００は、分散された態様でまたは統合された態様で、以下に示される例示的なステップなどの基本的な動作を実行する１つ以上のコントローラ、プロセッサまたはＡＳＩＣを含んでもよい。図１６に示される１つの非限定的で例示的な構成では、波形最適化プログラム２１０は、ダイナミックローダブルライブラリ２２６に関連して機能するプログラムインターフェイスツール２２４を含む。好適なプログラムインターフェイスツールの一例は、ナショナルインスツルメンツラボＶＩＥＷ（National Instruments LabVIEW）（登録商標）である。ダイナミックローダブルライブラリ２２６は、コンパイラによって作られるモジュールであり、たとえばＣなどのプログラミング言語で書かれるコードであってもよい。プログラムインターフェイスツールまたはプログラミングアプローチの他のタイプが代替的に利用されてもよい。
図１７Ａ〜図１７Ｄは、波形オプティマイザー２００によって実行される非限定的で例示的な波形最適化手順において行なわれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。ステップ１７−１は波形最適化手順の始まりを表わす。
基本的には、波形最適化手順は最初に波動方程式の係数を求める。波動方程式の係数は、ポンプの少なくとも１つの動作パラメータを最適化するために求められる。次いで、波形最適化手順は、ポンプの圧電アクチュエータ駆動回路によって利用されることができる波形形状データを得るために波形方程式を解き、そのため、波形の周期内の複数のポイントの各々ごとに、駆動信号は予め定められた波形の形状（たとえば、ポンプのために最適化される波形の形状）に適切な振幅を有する。波形形状データはメモリ（図１３のテーブルメモリ２１２など）に格納され、図１４のイベント１４−３Ａ、１４−３Ｂおよび１４−３Ｃによって示されるモードなどのモードで圧電アクチュエータ駆動回路に伝達されることができる。波形形状データは、振幅値、たとえば図１８Ａのテーブル１４０−１８Ａの態様のように波形周期の複数のポイントが対になった振幅値の形態を取ってもよい。代替的にまたは追加として、波形形状データは、たとえば図１８Ｂのテーブル１４０−１８Ｂの態様で波形周期の複数のポイントが対になったパルス幅変調値の形態を取ってもよい。
任意の好適な基本波形方程式は、たとえば正弦波、方形波、矩形波などの波形オプティマイザー２００によって利用されることが可能である。ここで記載される非限定的で例示的なモードでは、方程式１の一般的な形態を有する基本波動方程式が利用される。
Figure 2007533902
方程式１では、Ｄはボルト単位の駆動振幅であり、ｆはＨｚ単位の動作周波数であり、Ｎは考慮されるべき高調波の数であり、ｉ＝０,...Ｎ−１は高調波の指数範囲である。
上に記載され、以下により詳細に説明されるように、方程式１の波形方程式の係数ＡiおよびＢiが最初に求められ、その後、波形方程式がその振幅（電圧）Ｖのために解かれる。方程式１では、係数ＡiおよびＢiについて、添字ｉは基本項の対（ｉ＝０のとき）および高調波項の対（ｉ＞０の項）のサイン項ならびにコサイン項にそれぞれに関連付けられる。
ステップ１７−２からステップ１７−４は、波形最適化手順で利用されるさまざまな変数のための初期化動作を伴う。これらの初期化動作は、図１７Ｃに示される例示的なステップを有する係数決定ルーチンの呼出の準備として実行される。係数決定ルーチンは、さらなる高調波項が波形方程式に加えられるときに、係数添字カウンタｉとしても公知の係数のための高調波の対のカウンタがインクリメントされる外側ループの実行を伴う。したがって、ステップ１７−２として、係数添字カウンタｉは０で初期化される。さらに、係数決定ルーチンによって実行される各々の係数の決定は、特定の値step＿sizeによって係数の大きさを増加または減少させることを伴う。したがって、ステップ１７−３として、最初のstep＿size（たとえば、０．２）が選択される。さらに、係数決定ルーチンは項の高調波の対のサイン項およびコサイン項の対の両方のために波形方程式の係数を求めるが、１つの項（「アクティブな」項）だけが任意の所与の時間に求められた係数を有する。したがって、ステップ１７−４として、サイン項は第１のアクティブな項（たとえば、active＿term＝sine）として設定される。
上述のように、波形最適化手順は、１つ以上の動作パラメータ（たとえば、動作基準）に従って最適化される波形形状データを生成することが可能である。１つ以上のこれらの動作パラメータに対して特定の境界条件が存在する可能性があり、その範囲内でポンプは動作しなければならない。たとえば、流体の流れがこのような動作パラメータである場合、ポンプの動作は流れの値の特定の範囲内でのみ許容可能であり得る。したがって、任意のステップ１７−５は、波形最適化手順のための境界条件を入力することを伴う。たとえば、ステップ１７−５において、上部の流体流量および／または下部の流体流量が波形最適化手順に入力されてもよい。
次のステップ１７−１０は、波形方程式の係数を求めるための係数決定ルーチンの実行を伴う。前触れとして波形方程式の係数ＡiおよびＢiの公称予備値がステップ１７−７において得られる。１つの例示的な実現例では、係数ＡiおよびＢiのこれらの公称予備値は好ましくは不揮発性メモリに格納される。次いで、波形方程式の係数ＡiおよびＢiのこれらの公称予備値を使用して、波形方程式は、動作するポンプの圧電アクチュエータに線２０４に沿って印加される駆動信号を発生させるために、ステップ１７−８において波形オプティマイザー２００によって利用される。ステップ１７−９によって示されるように、波形最適化プログラム２１０は、さらなる動作を継続する前に（好ましくは予め定められた）整定時間を待つ。整定時間はポンプの利用の分野に依存するが、たとえば約２０秒であってもよい。整定時間が経過した後、シンボル１７−１０によって示されるように、波形最適化プログラム２１０は図１７Ｂに示されるステップで実行を継続する。
図１７Ｂのステップ１７−１０として、波形方程式の係数は第１の動作基準に基づいて計算される。このステップ１７−１０は基本的には、図１７Ｃに示されるサブステップを有する係数決定ルーチンを呼出すことを伴う。後に説明されるように、図１７Ｃの係数決定ルーチンの実行は（図１７Ｄに示される）テーブル生成ルーチンを呼出し、テーブル生成ルーチンは最終的には（図１３のテーブル２１２などの）波形形状データのテーブルの生成をもたらす。
ステップ１７−１０の係数決定ルーチンが波形方程式のすべての係数、たとえばすべての高調波項の対を求めた後、ステップ１７−１１において波形最適化プログラム２１０は係数をさらに正確なものにする機会を与える。特に、ステップ１７−１０において求められた係数から始まり、その係数を基にして、波形オプティマイザーはステップ１７−１０を基本的には繰返すことによって動作し続ける。そのようにする前に、ステップ１７−１２において適切なカウンタおよび値がリセットまたは再初期化される。たとえば、係数添字カウンタは０で再初期化され、step＿sizeの値は再びリセットされ、active＿termはサイン項を指し示すように設定される。波形オプティマイザーは、ステップ１７−１０を数回繰返すように元に戻ってもよく、そのたびに最後のループの間に計算された係数を次にくるループの開始係数として使用する。たとえば、ステップ１７−１０が第１の基準に基づいて三回実行されるようにループが繰返されてもよい。
さらに正確にすることに加えて、オプションとして、波形オプティマイザーは冗長性検査のための機会ももたらす。つまり、第１の基準に対して波形係数を最初に求めた後、ステップ１７−１３において、波形オプティマイザーは、新しく初期化された係数で最初からやり直すことができ、ステップ１７−１０の冗長性によって起動される実行がステップ１７−１０の元々の実行と同等の係数を生み出したかどうかを調べるためにステップ１７−１０を一回以上実行する。ステップ１７−１３の冗長性検査は、同一の基本的な波形方程式または別の波形方程式を使用することを伴い得る。ステップ１７−１１の冗長性検査は、所望の回数実行されることが可能である。示されていないが、ステップ１７−１０の係数決定ルーチンを繰返す前に、ステップ１７−１２と同様の態様で、適切なカウンタおよび値がリセットまたは再初期化されることが認識される。（ステップ１７−１３におい
て判断されるように）冗長性検査が実行された場合、図１７Ｃの係数決定ルーチンによって準備される波形形状データのテーブルの複数のバージョン（係数決定ルーチンの各々の実行ごとに１つのバージョン）が存在することになる。ステップ１７−１４は、両方のテーブルにおいて係数が同様に収束することを確認するために複数のバージョンを比較することを伴う。確認が比較によって得られない場合、適切な措置（たとえば、係数決定ルーチンのさらなる繰返し、または多数決、または一方のテーブルもしくは他方のテーブルを受入れるための予め定められた論理の実現）が取られ得る。
上述のように、いくつかの用途および／または動作のモードでは、波形最適化プログラム２１０は１つの動作パラメータのみ（たとえば、１つの基準のみ）に基づいて波形形状データを最適化し得る。これに対して、他の用途および／または動作のモードでは、波形最適化プログラム２１０は複数の動作パラメータ（たとえば、２つ以上の基準）に基づいて波形形状データを最適化し得る。ステップ１７−１５からステップ１７−１８と称される図１７Ｂの一連のステップは、最適化が複数の動作基準に基づくかまたは複数の動作基準を考慮に入れるときに実行されることができる。これらの複数の基準ステップが任意である（たとえば、１つだけの動作パラメータのために最適化されるモードに対しては実行されないかもしれない）ので、これらのステップは破線で枠を付けられて示される。
例示的で非限定的な実現例では、波形最適化プログラム２１０が複数の動作基準に基づいてその最適化を実行する（たとえば、多変数最適化）場合、波形方程式の係数は一つずつおよびシーケンシャルな態様で考慮される。たとえば、波形方程式の係数は最初に、係数決定ルーチンの第１の実行によって、第１の動作パラメータ（たとえば第１のフィードバック信号に基づく第１の動作基準）に対してステップ１７−１０において求められる。次いで、係数の第１の組が求められた後、それらの係数は（ステップ１７−１６において）係数決定ルーチンの第２の実行のための開始ポイントとして利用され、係数決定ルーチンの第２の実行中に、第２の動作パラメータが（たとえば、第２のフィードバック信号に基づいて）係数決定に影響を及ぼす。同様に、最適化が依存する他の動作基準が存在する場合、最も最近に求められた係数が（ステップ１７−１８において）係数決定ルーチンの別の実行のための開始ポイントとして利用され、係数決定ルーチンの別の実行中に、別の動作パラメータが（たとえば、さらに別のフィードバック信号に基づいて）係数決定に影響を及ぼす。
もちろん、係数決定ルーチンの各々の実行の前に、適切な初期化およびリセットがなされなければならない（たとえば、ｉ＝０、step＿size、active＿term＝sine）。これらの初期化およびリセットはステップ１７−１５およびステップ１７−１７によって表され、これらはそれぞれのステップ１７−１６およびステップ１７−１８に先行する。
複数の基準を受取る（たとえば、複数のセンサ入力を受取る）ときに波形最適化を実行するための他の技術が可能である。たとえば、代替的な実現例として、ステップ１７−１０などのステップは、（一次入力と考えられる）センサ／入力のうちの１つに対して実行されることができる。たとえば、一次入力はポンプにおける流れであるかもしれない。波形オプティマイザ−は、ニ次基準として考えられる他のセンサからの信号の後を辿ることもする。特に、この代替的な実現例における波形オプティマイザ−は、ニ次基準センサのために受取られた入力信号が確実にニ次基準のための所定の境界値内であるようにするために監視する。ニ次基準センサのために受取られた入力信号が所定の境界値内である限り、一次センサのために得られた読取は有効化され、波形係数を計算するために使用される。しかしながら、ニ次センサのための入力がその境界条件以外であるときにはいつでも、一次入力信号は廃棄され、したがって、係数計算では使用されない。したがって、複数のセンサ入力のすべてが境界条件内であるときに集められたデータのみが、一次入力に基づいて波形係数を計算するために使用される。
必要に応じてわずかな動作パラメータが、または必要なだけ多くの動作パラメータが考慮され、最終的な係数が求められた後、図１７Ｄのテーブル生成ルーチンは最終波形形状データを含む。ステップ１７−１９として、最終波形形状データはテーブル２１２に格納またはバーンインされる。
上記の例示的な説明では、係数を求める際に複数の動作基準が基本的にはシーケンシャルに考慮されたが、他の実施例では、波形方程式の係数はすべての動作基準を基本的には同時に考慮しながら求められ得ることが理解されるべきである。
１０．３．１ 係数決定ルーチン
係数決定ルーチンの例示的なシナリオに関わる基本ステップは図１７Ｃに示される。以前に示されたように、係数決定ルーチンは、波形最適化プログラム２１０の波形最適化手順が波形方程式の係数を求める準備が整うたびに呼出される。たとえば、図１７Ａおよび図１７Ｂの波形最適化手順の例示的な論理では、波形方程式の係数が第１の動作基準に従って波形形状データを最適化するために求められることになるとき、ステップ１７−１０において係数決定ルーチンが呼出される。さらに、図１７Ａおよび図１７Ｂの波形最適化手順の例示的な論理では、波形形状データがポンプのための複数の動作基準に依存して最適化されることになるとき、係数決定ルーチンは図１７Ｂにおける例示的なステップ１７−１６および例示的なステップ１７−１８におけるように複数の動作基準の各々ごとに後に呼出されてもよい。
続く説明から明らかであるように、係数決定ルーチンは、ステップの外側ループ内で入れ子にされたステップの内側ループを含む。ステップの外側ループは、係数添字カウンタｉをインクリメントする。つまり、外側ループの第１の実行中に、内側ループは、波形方程式の項の基本的な対についてサイン項の係数Ａ0およびコサイン項の係数Ｂ0の両方を求めるために必要に応じて何度でも繰返して実行される。外側ループの第２の実行中に、内側ループは、波形方程式の項の第１の高調波の対についてサイン項の係数Ａ1およびコサイン項の係数Ｂ1の両方を求めるために必要に応じて何度でも繰返して実行される。同様に、外側ループの第３の実行中に、内側ループは、波形方程式の項の第２の高調波の対についてサイン項の係数Ａ2およびコサイン項の係数Ｂ2の両方を求めるために必要に応じて何度でも繰返して実行されるなどである。
ステップの内側ループは、波形方程式の単一の項の最適化された係数値を求めるために必要に応じて何度でも繰返して実行される。波形方程式の項の所与の対（たとえば、項の基本的な対または項の高調波の対のいずれか）について、内側ループは最初に、サイン項の最適係数を見つけるために（active＿term＝sineである間）必要に応じて何度でも実行される。サイン項の最適係数が求められた後、内側ループがコサイン項の最適係数を見つけるために必要に応じて何度でも実行されるようにactive＿termは（active＿term＝cosineに）切換えられる。したがって、任意の所与の瞬間に求められる係数は、（サイン項またはコサイン項のいずれかを示す）active＿term変数および（項がどちらの項の対に属するか、つまり項の基本的な対（ｉ＝０）に属するか、または項の高調波の対のうちの１つ（ｉ＞０）に属するかを示す）係数添字カウンタｉによって求められる。
係数決定ルーチンの始まりはステップ１７Ｃ−１によって示される。係数決定ルーチンが起動された後、ステップ１７Ｃ−２として、波形オプティマイザー２００に接続された動作ポンプの圧電アクチュエータ１４に駆動信号を印加するために波形方程式の現在の既存のバージョンが使用される。その後、たとえばおそらく時間遅延の後、ステップ１７Ｃ−３として、係数決定ルーチンはポンプから受取られたフィードバック信号を評価する。たとえば、係数決定ルーチンのこの実行にとって関心のある基準がポンプにおける流体の
流れである場合、ステップ１７Ｃ−３として流量計からのセンサ信号が評価される。
この評価に関連して、ステップ１７Ｃ−４として、係数決定ルーチンは基準センサからのフィードバック信号がその基準の必要条件と一致するかどうかを判断する。たとえば、フィードバック信号が流体の流れである場合、ステップ１７Ｃ−３の論理はポンプを通る流体の流れが（所望のごとく）増加し続けるか、または流体の流れが不所望に減少するかどうかを判断し得る。フィードバックが必要条件と一致する場合（たとえば、流体の流れが増加し続ける場合）、次いでステップ１７Ｃ−５として、求められている係数の現在の値は最新の最良の係数として格納される。これに対して、フィードバックが必要条件と一致しない場合（たとえば、流体の流れが増加するのではなく減少する場合）、次いで係数決定ルーチンは係数を求めようとする際に進みすぎたことを知り、したがって、ステップ１７Ｃ−６として、係数決定ルーチンは係数の添字ｉのための最新の最良の係数値を使用することを受け入れる。
ステップ１７Ｃ−４のフィードバック一致調査は、波形最適化プログラム２１０が係数、したがって波形形状データを現在最適化しようとしていることを考慮して、１つの動作基準を参照して記載されてきた。ステップ１７Ｃ−４のフィードバック一致調査は、波形形状データを最適化するために波形オプティマイザー２００も要求され得る他の動作基準に関する調査も伴ってもよいことが理解されるべきである。たとえば、ポンプを通る流体の流れが増加していることを流量計からの信号が確実に示すようにステップ１７Ｃ−４において調べている間に、ステップ１７Ｃ−４における調査は、別の動作パラメータ（たとえば、動作基準）に関するフィードバック信号またはセンサ信号がその他のパラメータ／基準のための境界条件内であることを判断することを伴ってもよい。例として、流体の流れだけではなく流体の温度も考慮して波形形状データが最適化される例示的な実施例を考慮されたい。このような例では、ステップ１７Ｃ−４において実行される第２の調査は、ポンプ室の中の温度を示す信号が確実に境界条件の範囲内である（たとえば、予め定められた温度を上回るかもしくは予め定められた温度未満である、または第１の予め定められた温度と第２の予め定められた温度との間である）ようにするというものであってもよい。
基準センサからのフィードバック信号がその基準の必要条件に一致することがステップ１７Ｃ−４において判断される場合、ステップ１７Ｃ−５の後に、step＿sizeの値が予め定められた値未満であるかまたは予め定められた値に等しいかどうかの調査がなされる。示されるモードでは、係数決定ルーチンによって利用されるstep＿sizeの予め定められた最小値は０．００１である。
変数step＿sizeがその予め定められた最小値に到達していない場合、係数決定ルーチンの内側ループのさらなる繰返しが係数を最適化するのに必要である。同一の係数のための内側ループのさらなる実行に備えて、ステップ１７Ｃ−８からステップ１７Ｃ−１０が実行される。ステップ１７Ｃ−８において、変数step＿sizeの符号および大きさが調整される（たとえば、より小さな値にデクリメントされる）。これは、係数決定ルーチンが現在扱われている係数の最適値により近づくにつれてstep＿sizeを減少させるためになされる。１つの例示的な実現例では、ステップ１７Ｃ−８において、step＿sizeの値は半分にされる。ステップ１７Ｃ−９において、係数決定ルーチンによって現在扱われている項の新しい係数値は、（ステップ１７Ｃ−８において計算されたばかりの）変数step＿sizeの値を現在の項の最新の最良の係数値に加算することによって計算される。次いで、ステップ１７Ｃ−１０として、波形方程式は、係数決定ルーチンによって現在扱われている項の係数がステップ１７Ｃ−９において求められたばかりの値を有するように更新される。その後、ステップ１７Ｃ−１０において更新される波形方程式が駆動信号をポンプに印加するために使用されるように内側ループが繰返される（ステップ１７Ｃ−２に戻るように分岐
する）。
変数step＿sizeがその予め定められた最小値に到達したことがステップ１７Ｃ−７において判断される場合、係数決定ルーチンの内側ループのさらなる繰返しは係数を最適化するのに必要ではない。この時点で、係数決定ルーチンによって現在扱われている項の係数の最適値は、少なくとも最適化が現在実行されている動作基準に対して求められている。したがって、係数決定ルーチンはここで、波形方程式の次の項の係数を求める準備ができており、ステップ１７Ｃ−１１を継続する。
予め定められた最小値に到達する変数step＿sizeの値は、係数決定ルーチンが特定の項の係数を求めることで終了されることを認識し得る１つの方法に過ぎない。係数決定ルーチンは、ステップ１７Ｃ−４の必要条件の調査が満たされないときに（少なくとも現在の基準の）最適係数を求めたことも認識することができる。ステップ１７Ｃ−４の調査が失敗する（たとえば、流体の流れが増加するのではなく減少し始める）とき、係数決定ルーチンは係数の値の増加の際に行き過ぎたことを認識する。したがって、このような場合には、ステップ１７Ｃ−６として、係数決定ルーチンは現在扱われている項の係数として（ステップ１７Ｃ−５の以前の実行時に求められた）係数の最新の最良の値を使用する。その後、係数決定ルーチンはステップ１７Ｃ−１１を継続する。
ステップ１７Ｃ−１１は、係数決定ルーチンが現在最適化されている基準の最適係数を見つけたばかりであることを認識するときに実行される。係数決定ルーチンはここで、波形方程式の次の項のための内側ループを（必要に応じて何度でも）実行する準備ができている。処理されたばかりの項がサインであった場合、次の項はコサインになり、その逆の場合も同様である。このために、ステップ１７Ｃ−１１として、係数決定ルーチンは（たとえば、サインからコサインへ、またはコサインからサインへ）active＿term変数を切換える。
ステップ１７Ｃ−１２として、係数決定ルーチンは、所与の項の対についてサイン項およびコサイン項の両方の係数が完了されたかどうかを確認する。係数の添字ｉが０である場合、ステップ１７Ｃ−１２として、係数決定ルーチンは基本項の対についてサイン項の係数Ａ0およびコサイン項の係数Ｂ0が完了されたかどうかを調べる。または、係数の添字ｉが１である場合、ステップ１７Ｃ−１２として、係数決定ルーチンは第１の高調波項の対のサイン項の係数Ａ1およびコサイン項の係数Ｂ1が完了されたかどうかを調べる。所与の項の対の両方の係数が処理されていない場合、内側ループが項の対のコサイン項の係数を求めるために必要に応じて繰返し実行されることができるように実行はステップ１７Ｃ−２に戻る。
所与の項の対のサイン項およびコサイン項の両方の最適係数が求められたことがステップ１７Ｃ−１２において判断されたとき、すべての項の対が処理されたかどうかのさらなる調査がステップ１７Ｃ−１３においてなされる。言い換えると、ステップ１７Ｃ−１３は、係数添字カウンタの値が、波形方程式が最適化されている高調波の最大数に等しいかどうかを判断する。示される実施例では、波形方程式の７つの高調波がポンプの帯域幅内にあると考えられ、このために、係数決定ルーチンは、ステップ１７Ｃ−１３における調査がｉ＝７であることを示すときにすべての項の対のすべての係数を見つけたことを認識する。
（ステップ１７Ｃ−１３において判断されるように）係数が求められる必要のある他の項の対が残っているとき、係数決定ルーチンの外側ループが再び開始される。この点に関して、ステップ１７Ｃ−１４として、さまざまな再初期化およびリセットが発生する。たとえば、係数添字カウンタの値はインクリメントされ（たとえば、ｉ＝ｉ＋１）、step＿
sizeの値は再びその初期値にリセットされ、active＿term＝sineである。ステップ１７Ｃ−１５として、新しい高調波のための項の新しい対が波形方程式に加えられる。その後、外側ループは再び、ステップ１７Ｃ−２に戻るように分岐することによって、今回は新しい高調波項の対のために内側ループを起動する。
（ステップ１７Ｃ−１３において判断されるように）波形方程式のすべての項の対の係数の最適値が（少なくとも現在のところ考えられる動作基準に対して）求められたとき、ステップ１７Ｃ−１６として、図１７Ｄのテーブル生成ルーチンが実行される。図１７Ｄのテーブル生成ルーチンが完了され、図１８Ａのテーブル２１２−１８Ａまたは図１８Ｂのテーブル２１２−１８Ｂなどのテーブルのバージョンが係数決定ルーチンのこの実行の間に生成された後、係数決定ルーチンはステップ１７Ｃ−１７によって示されるように終了される。
１０．３．２ テーブル生成ルーチン
図１７Ｄのテーブル生成ルーチンは、係数決定ルーチン（図１７Ｃ参照）のいくつかの可能な実行のうちの１つが（少なくとも係数決定ルーチンが呼出された動作基準に対して）波形方程式の最適係数を求めたことを判断するたびに、呼出される。図１７Ｃの係数決定ルーチンの例示的な論理では、テーブル生成ルーチンはステップ１７Ｃ−１６として呼出される。
テーブル生成ルーチンへの入りはステップ１７Ｄ−１として示される。この時点で、最適化された基準に対して求められる波形方程式のすべての最適化された係数は公知である。ステップ１７Ｄ−２として、波形オプティマイザー２００によって実行される波形最適化プログラム２１０は、波形に沿った各々のポイントごとに振幅（たとえば、電圧Ｖ）を求めるために、波形に沿った各々のポイントごとに波形方程式（波形方程式はここで公知の最適化された係数を有する）を解くかまたは評価する。波形周期が３６０度として考えられるので、波形に沿ったポイントは度として考えられる（または、ポイントの数は数分の１度のように十分に大きいものであるはずである）。図１２の例示的な正弦波形では、各々のポイントＸ1,Ｘ2,...などは１つの周期の１度または数分の１度に対応し、波形に沿った各々のポイントＸは対応する（電圧）振幅Ｖを有する。
ステップ１７Ｄ−３として、テーブル生成ルーチンはステップ１７Ｄ−２において求められた振幅値を使用して初期テーブルを構築する。例示的なこのようなテーブルは、概して図１８Ａに示されるテーブル２１２−１８Ａのフォーマットに似たフォーマットを有し、振幅値Ｖは波形に沿った対応する周期ポイントＸと対になる。
１つの実現例では、波形方程式がステップ１７Ｄ−２において評価されるポイントＸの数は１０００を超えてもよい（たとえば、１００００または２００００でさえあってもよい）。しかしながら、現実的な問題として、はるかに小さい数のポイントの値が実際には必要である。したがって、任意のステップ１７Ｄ−４として、ステップ１７Ｄ−３において生成されたテーブルの大きさは、波形に沿って選択された（好ましくは、等間隔に置かれた）ポイントのみを使用することによって低減されてもよい。たとえば、ステップ１７Ｄ−３において生成されたテーブルの大きさが２００００ポイントである場合、テーブルの大きさは波形に沿った１０００番目のポイントごとのみを利用することによって低減されてもよい。
別の任意の動作ではあるが、好ましい動作として、ステップ１７Ｄ−５として、テーブル生成ルーチンは、それが生成するテーブルの中に、ポイントＸ1、Ｘ2などの各々ごとにパルス幅変調値を含むこともでき、このパルス幅変調値は所望のそれぞれの振幅、したがって所望の全体的な波形を生み出す。このようなテーブルの例示的なフォーマットは図１
８Ｂのテーブル１４０−１８Ｂによって示される。この実現例では、テーブル１４０−１８Ｂは、周期Ｐを通る波形に沿って選択された間隔またはポイントにおいて（ターゲットポンプのための圧電アクチュエータ駆動回路１８によって利用されるように）線１２４および１２６上の信号ＰＷＭ−ＡおよびＰＷＭ−Ｂのためのパルス幅をもたらす。
図１７Ｄのテーブル生成ルーチンがそのテーブルの生成を完了した後、テーブル生成ルーチンはステップ１７Ｄ−６によって示されるように終了される。図１７Ａおよび図１７Ｂの波形最適化プログラム２１０が完了された際に、そのように生成されたテーブルがテーブルの最新バージョンとして残る場合、ステップ１７−１９として、テーブルは適切に格納され、バーンインされ、または利用される。言い換えると、そこに格納される波形形状データをターゲットポンプのためのターゲット圧電アクチュエータ駆動回路に伝達するための選択された伝達モードと一致するテーブルが格納または利用される。
１１．０ 駆動回路：投与量送出のスケジューリング
マイクロコントローラ１１６の内部クロックシステムは、（１）フライバック回路１０２のための信号ＰＷＭ−Ａおよび信号ＰＷＭ−Ｂを発生させるため、および（２）印加された電界の反転を制御するために使用される。これらの信号はもっぱらソフトウェア制御下にあり、したがって、駆動振幅および周波数はリアルタイムでおよび無限の数の方法で操作されることができる。たとえば、圧電ポンプは、連続的な流れを生成するために（たとえば）６０Ｈｚで４００ボルトという従来の態様で駆動されることができ、または予定通りに患者に少量の薬剤を確実に送出するために１分ごとに４００ボルトで１／３０秒の間（１ポンプ「ストローク」）たとえば６０Ｈｚというもっぱら従来とは異なる、はるかにより複雑な態様で駆動されることができる。このような従来とは異なる動作は、図３Ｈ（１）および図３Ｈ（２）に関連して記載される送出スケジューラ１６０によって起動されることができる。このような例の場合、駆動回路は駆動信号を動的に変化させ、それによって、基本的には非連続的な投与量の流体がポンプによって送出されるように駆動信号は時間が経つにつれて変化する。
低流量の用途では、ポンプは非常に遅い周波数（つまり、１分あたり１ストローク）で駆動されてもよい。この回路によって、フライバック発生は、ポンプがある期間の間電気的に浮動することになる方法でいつでも割込まれることが可能であり、機械的なポンプのストロークサイクルの中のいずれのポイントでもポンプの位置を保持する。したがって、マイクロコンピュータはトランスデューサを浮動させることができ、ある期間の間スリープ状態に行くことができ、フライバック発生が再開するまでポンプがその前回の位置に留まることになることを知っている。これによって、低流量の用途で非常に低い電力消費が可能になる。非常に長い「浮動」期間は、わずかな回路の修正によって達成されることができる。
さらに、マイクロコントローラおよび送出スケジューラ１６０の正確なタイミング機能は、１日に１度工場に水を供給するために圧電ポンプを使用するなどの世界の時刻に関連する方法で特定の用途において圧電アクチュエータを制御するためにさらに利用される。
１２．０ 駆動回路を用いた２方向の通信
不揮発性オンボードメモリによっても、各々の圧電制御回路１８または圧電作動ホスト（利用）装置は直列化され、独自に特定されることが可能である。これは、製造品質制御に役立ち、アクチュエータが特定のリモートシステムの用途で利用されるときには特に重要である。たとえば、図３Ｈ（２）に示される通信チャネル１６４および通信インターフェイスは、１つ以上のポンプと制御エンティティ（たとえば、リモートユニット１６２）との間の２方向の通信をもたらすことができる。上述の直列化によって、ネットワークの中の各々のポンプは個々に制御可能であり、監視されるいずれの局所的なパラメータもシ
ステムコントローラによってアクセス可能である。
１３．０ エピローグ
圧電アクチュエータ１４を駆動するためにさまざまな周波数で動作する、電子プリント回路基板（ＰＣＢ）の形態で好ましいが排他的ではないように実施される圧電アクチュエータ駆動回路１８は、比較的低いＤＣ電圧を非常に高いＡＣ電圧まで進める。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、いくつかの例を挙げると、（たとえば）首振り扇風機、空気圧縮機、スピーカ励振器、エアゾール器（たとえば、超音波撹拌器）、アクチュエータ、アクティブ弁、精密アクチュエータなどの、ポンプ以外の電気化学装置を駆動することもできるであろう。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、圧電素子および他の電気化学装置を駆動するために必要な電圧および周波数をもたらし、圧電アクチュエータ１４の効率を最適化するのに必要な電圧および周波数を変更するオンボード機能を有利に有する。
圧電アクチュエータ駆動回路１８は、電圧、周波数、波形およびフィードバックループの点で、圧電／電気化学装置を基本的には完全に制御する。圧電アクチュエータ駆動回路１８は、電力増幅器、信号発生器およびオシロスコープなどの大きな検査ならびに駆動装置が圧電装置を検査、評価および動かす必要性を排除する。圧力および温度などのフィードバックループによって、ＰＤＣは効率的な動作に適切な周波数を自動的に設定することができる。
動作のＰＷＭサーボモードでは、マイクロコントローラ１１６は、従来の切換電源の種類の方法で印加電圧を調整するために、トランスデューサに印加される電圧を連続的に監視し、ＰＷＭの特徴を動的に変更する。マイクロコントローラ１１６がポンプ駆動環境の要素−電圧、ＰＷＭデューティ、駆動周波数にアクセスできるので、アクチュエータの負荷および／または効率は駆動周波数を負荷に相互に関連付けることによって測定されることができる。これは、たとえば圧電ポンプにおける非常に価値ある機能である。この機能を使用して、ポンプの「共振周波数」は動的に求められることができ、ポンプ逆圧が測定され得ることが予想される。
マイクロコントローラ１１６を有する圧電アクチュエータ駆動回路１８は、調整抵抗器および温度もしくは圧力トランスデューサによって、またはオン／オフスイッチと同じぐらい単純な何かによってさえもたらされる入力などの外部ローカル入力を監視することができる。これらの入力は、圧電アクチュエータ１４に印加される駆動信号を制御することによって圧電アクチュエータ１４を制御するために使用され得る。
上述のように、マイクロコンピュータは多くの利用可能なデジタル／アナログＩ／Ｏ線を有する。これらは、デジタルまたはアナログセンサ手段によって、温度、圧力、ダイヤフラムの位置、流れなどのものを監視するために使用されることができる。これらの入力は次いで、多くの方法でソフトウェアを介してポンプを制御するためにマイクロコンピュータの中で使用されることができる。入力は、システム監視のための２線式シリアルインターフェイスを介して制御システムに戻るように供給されることもできる。
１つ以上の複数のおよび別個の局面に従って、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、エレクトロルミネッセント（ＥＬ）ランプ駆動装置および他の回路に勝るいくつかの利点を提供する。これらの利点の中で、圧電アクチュエータ駆動回路１８はその選択された局面に従って以下をもたらすことができる。
・ 圧電素子（たとえば、圧電アクチュエータ１４）のための共振周波数の自動的な探索。これによって、変化する圧力および流れの下での最適性能を保証する。
・ １つ以上のフィードバックループ。これによって、１つ以上のセンサが駆動信号、したがって駆動波形に影響を及ぼすための検出された情報（圧力および温度など）を提供できる。
・ 圧電素子からの直接のフィードバック。これによって、圧電素子によってなされる「動作」の検出が可能になる。
・ 電力消費の低減、およびリモート検出用途のためのスリープモード。
・ ＥＬランプ駆動装置による、以前に達成可能であったものよりも高い電圧。
・ 可変駆動信号波形。これによって、圧電がより静かに、およびより効率的になる。
・ 電界において変更されることができないキャパシタまたは抵抗器などのボード構成要素によって電圧および周波数トリマー／抵抗器を設定するのではなく、ボード上で電圧および周波数トリマー／抵抗器を制御すること。
・ プリントデジタル回路上の複数の駆動電子機器。これによって、いくつかの圧電素子が同一の電圧および周波数で１度に駆動されることができる。
・ 「注射器」のようなモード。つまり、非常に正確な流れのための圧電素子の注意深い位置決め。
・ 圧電素子を十分な偏向位置に位置決めでき、液体圧電弁の開発を可能にするようにそこに圧電素子を保持できるようにするための「設定および保持」機能。
基本的には、圧電アクチュエータ駆動回路１８によって、圧電素子（たとえば、圧電アクチュエータ１４）がその動作の範囲内で常に最適効率および正確性で動作できるようになる。これによって、以下のものが可能になる。
・ 正確な汲み上げを必要とする薬剤注入のために使用される圧電ポンプ。
・ 空気ではなく液体の冷却を使用するより効果的な電子冷却装置。（たとえば、コンピュータ製造業者は、受動的な冷却で現在のところ達成されることができる周波数よりもはるかに高い周波数でプロセッサを動作させることができ、それによって、コンピュータ／電子機器産業全体の様相を変える）
・ （たとえば、コンピュータ産業にとって）これまで以上により小さく、より軽量におよびより安くされる圧電装置。
・ 燃料電池のための技術を可能にする圧電ポンプ。
このように、圧電アクチュエータ駆動回路１８は、アクチュエータ駆動信号を反転させる必要な高電圧を発生させ、変化する周波数および電圧で圧電素子または電気化学装置を駆動し、アクチュエータおよびその環境の多くの鍵となるパラメータを監視するための手段、および外部入力を受取るための手段をもたらす。圧電アクチュエータ駆動回路１８の別個に実現可能な局面に従って、これらのパラメータおよび入力は、圧電アクチュエータを制御し、その性能を最適化するためにリアルタイムで作用されることが可能である。圧電アクチュエータの動作特徴は、いつでもマイクロコントローラの中にプログラムされることができ、既存の構造の「モナリザ」特徴を完全に排除する。
さらに、本明細書に記載される駆動回路は、（たとえば、インストールされた後）周波数または電圧を動的に変化させる機能を有し、それによって、周波数または電圧の最適化を容易にし、逆圧、温度および他の動作条件に対処する。
この発明は、最も実用的および好ましい実施例であると現在のところ考えられているものに関連して記載されてきたが、この発明は開示される実施例に限定されるべきではなく、それどころか、特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれるさまざまな修正例および等価の構成を包含するように意図されることが理解されるべきである。
例示的な圧電ポンプの上面図である。 線２−２に沿った図１のポンプの側断面図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路の一実施例の概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路において発生する信号の波形図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路において発生する信号の波形図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路において発生する信号の波形図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路において発生する信号の波形図である。 例示的で非限定的な圧電アクチュエータ駆動回路の詳細な概略図である。 ＰＷＭルックアップテーブルを含むことを示す例示的で非限定的な圧電アクチュエータ駆動回路の詳細な概略図である。 別の例示的で非限定的な圧電アクチュエータ駆動回路の詳細な概略図である。 図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路の変形例の詳細な概略図である。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 例示的で非限定的な実施例に従った、パルス発生器によるさまざまなルーチンの実行時に行なわれる基本ステップを示すフローチャートである。 圧電アクチュエータのための駆動信号のパルス幅変調の変化および振幅の対応する変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号のパルス幅変調の変化および振幅の対応する変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号のパルス幅変調の変化および振幅の対応する変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号のパルス幅変調の変化および振幅の対応する変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号の周波数または周期の変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号の周波数または周期の変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号の周波数または周期の変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 圧電アクチュエータのための駆動信号の周波数または周期の変化を図示するための例示的な信号の波形図である。 キャパシタンスチェックルーチンに含まれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 キャパシタンス補償ルーチンに含まれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 圧電アクチュエータのキャパシタンスの決定に関与する原理を図示する波形の波形図である。 圧電アクチュエータのキャパシタンスの決定に関与する原理を図示する波形の波形図である。 インピーダンス測定ルーチンに含まれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 インピーダンスインパルス応答ルーチンに含まれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 圧電ポンプのための駆動信号用の最適化された波形の波形図である。 圧電ポンプのための駆動信号用の波形最適化値のテーブルを生成する波形オプティマイザーの使用を示す概略図である。 圧電ポンプのパルス発生器が最適化された波形を生成できるようにするための手順の一般的な局面の概略図である。 開ループ制御手法を用いて最適化された波形を生成する圧電ポンプのための駆動回路の概略図である。 閉ループ制御手法を用いて最適化された波形を生成する圧電ポンプのための駆動回路の概略図である。 例示的な波形オプティマイザーの概略図である。 図１７Ａ〜図１７Ｄの関係を示す概略図である。 波形最適化手順において行なわれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 波形最適化手順において行なわれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 波形最適化手順において行なわれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 波形最適化手順において行なわれる例示的な基本ステップを示すフローチャートである。 例示的な一実施例に従った、最適化された波形テーブルの概略図である。 別の例示的な一実施例に従った、最適化された波形テーブルの概略図である。 例示的な圧電アクチュエータ駆動回路によるデジタル入力信号の受取および取扱を示す概略図である。 図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路を動作させる第１のモードについての信号図である。 図５Ｃの圧電アクチュエータ駆動回路を動作させる第２のモードについての信号図である。

Claims (32)

  1. ポンプであって、
    少なくとも部分的にポンプ室を規定するためのポンプ本体と、
    ポンプ本体内に位置し、流体を汲み上げるための駆動信号に応答する圧電アクチュエータと、
    駆動信号が予め定められた波形形状の波形を有するように駆動信号を生成する駆動回路とを含み、駆動回路はメモリを含み、メモリは、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データをその中に記憶する、ポンプ。
  2. 圧電アクチュエータを有する装置のための駆動信号を生成する駆動回路であって、駆動回路は、駆動信号が予め定められた波形形状の波形を有するように駆動信号を生成するよう構成されており、駆動回路はメモリを含み、メモリは、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データをその中に記憶する、駆動回路。
  3. 圧電アクチュエータを有する装置のための駆動信号を生成する駆動回路によって使用されるメモリであって、メモリは、駆動信号を生成する際に駆動回路によって利用される波形形状データをその中に記憶する、メモリ。
  4. 駆動回路は、メモリに記憶された波形形状データを使用してデジタル信号を発生させるコントローラを含む、請求項１または２に記載の機器。
  5. 駆動回路は、波形の周期を構成する複数のポイントの各々について、駆動信号が予め定められた波形形状にとって適切な振幅を有するように、波形形状データを利用する、請求項１、２または３に記載の機器。
  6. 波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある、請求項１、２、または３に記載の機器。
  7. 波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある振幅値を含む、請求項１、２または３に記載の機器。
  8. 波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にあるパルス幅変調値を含む、請求項１、２または３に記載の機器。
  9. 装置はポンプである、請求項２または３に記載の機器。
  10. 波形形状データは、ポンプの動作パラメータを最適化するよう作成されたものである、請求項１または９に記載の機器。
  11. 波形形状データによって最適化される動作パラメータは、ポンプ内の流体流、ポンプ内の圧力、加速度、およびノイズの無さのうちの１つである、請求項１０に記載の機器。
  12. 波形形状データは、ポンプの複数の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである、請求項１０に記載の機器。
  13. 波形形状データは波形方程式を解くことによって作成されており、波形方程式は、ポンプの少なくとも１つの動作パラメータを最適化するよう求められた係数を有する、請求項１または９に記載の機器。
  14. 波形方程式について求められた係数の数は、ポンプの帯域幅内にある波形の高調波の数に依存する、請求項１３に記載の機器。
  15. 波形形状データは、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある、請求項３に記載の機器。
  16. ポンプ本体内に位置する圧電アクチュエータを有する装置を動作させる方法であって、圧電アクチュエータは駆動信号に応答し、前記方法は、
    メモリに記憶された波形形状データを使用して、駆動信号が予め定められた波形形状の波形を有するように駆動信号を生成するステップと、
    駆動信号を圧電アクチュエータに印加するステップとを含む、方法。
  17. ターゲット駆動回路によって発生する駆動信号を受取る圧電アクチュエータを含む装置のターゲット駆動回路によって使用されるための波形形状データを作成する方法であって、
    動作装置の動作圧電アクチュエータに印加すべき駆動信号を発生させるステップと、
    装置の動作パラメータに従ってポンプからフィードバック信号を取得するステップと、
    フィードバック信号を使用して波形方程式の係数を求めるステップと、
    波形方程式を解いて波形形状データを取得するステップと、
    波形形状データをメモリに記憶させるステップとを含む、方法。
  18. 波形の周期を構成する複数のポイントの各々について、駆動信号が予め定められた波形形状にとって適切な振幅を有するように、波形形状データを使用して駆動信号を生成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある波形形状データをフォーマット化するステップをさらに含む、請求項１６または１７に記載の方法。
  20. 波形形状データは振幅値を含み、前記方法はさらに、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある波形形状データをフォーマット化するステップを含む、請求項１６または１７に記載の方法。
  21. 波形形状データはパルス幅変調値を含み、前記方法はさらに、波形の周期を構成する複数のポイントと対の関係にある波形形状データをフォーマット化するステップを含む、請求項１６または１７に記載の方法。
  22. 波形形状データは、装置の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである、請求項１６または１７に記載の方法。
  23. 装置はポンプであり、圧電アクチュエータは、ポンプ本体の入口と出口との間の流体を汲み上げるための駆動信号に応答する、請求項１６または１７に記載の方法。
  24. 波形形状データによって最適化される動作パラメータは、ポンプ内の流体流、ポンプ内の圧力、加速度、およびノイズの無さのうちの１つである、請求項２３に記載の方法。
  25. 波形形状データは、ポンプの複数の動作パラメータを最適化するよう作成されたものである、請求項２３に記載の方法。
  26. 波形形状データは波形方程式を解くことによって作成されており、波形方程式は、装置の少なくとも１つの動作パラメータを最適化するよう求められた係数を有する、請求項１
    ６または１７に記載の方法。
  27. 波形形状データは波形方程式を解くことによって作成されており、波形方程式は、装置の少なくとも１つの動作パラメータを最適化するよう求められた係数を有する、請求項１６または１７に記載の方法。
  28. 装置の帯域幅内にある波形の高調波の数に依存して、波形方程式について係数の数を求めるステップをさらに含む、請求項１６または１７に記載の方法。
  29. ターゲット駆動回路にメモリをインストールするステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  30. メモリから波形形状データを読出すステップと、波形形状データをターゲット駆動回路の別のメモリに記憶させるステップとをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  31. 波形形状データをプロセッサに記憶させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  32. フィードバック信号を使用して、動作パラメータの点で性能を最適化する波形方程式の係数を求めるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
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