(57)【要約】【課題】簡素な回路構成を持ち、かつ、容量性負荷に蓄積されたエネルギーを効率良く回収・再利用することができる容量性負荷および容量性負荷駆動回路を備える装置を提供する。【解決手段】容量性負荷３１１と容量性負荷駆動回路３０１とを備える装置において、電源電圧が供給された電源端子３０９ａと、接地端子Ｃ（０）と、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）と、容量性負荷の接続を切り替えるためのスイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）とを設け、接地端子を容量性負荷に接続した後にコンデンサを初期電位の低い方から順に容量性負荷に接続し、容量性負荷を電源端子と接続し、コンデンサを初期電位の高い方から順に容量性負荷に接続する。また、コンデンサの静電容量成分、容量性負荷の静電容量、スイッチング素子のスイッチング時間、および容量性負荷に対するコンデンサの充放電経路の抵抗値を所定の関係式を満たすように設定する。【選択図】  図１２
2004223770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える装置において、
上記容量性負荷駆動回路は、
電源から電源電位が付与された電源端子と、
基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、
基準電位と電源電位との間の初期電位が付与されたエネルギー蓄積素子と、
基準電位端子、エネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、
上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、
エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立することを特徴とする装置。
【請求項２】
容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える装置において、
上記容量性負荷駆動回路は、
電源から電源電位が付与された電源端子と、
基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、
基準電位と電源電位との間で、かつ互いに異なる初期電位が付与された複数のエネルギー蓄積素子と、
基準電位端子、複数のエネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、
上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が基準電位に近い方から順に容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が電源電位に近い方から順に容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、
エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立することを特徴とする装置。
【請求項３】
容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶ、発生する電圧波形のスルーレート（１０％−９０％の立上がり速度）をＳＲとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
を満たすことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
を満たすことを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶ、駆動パルスの１周期の間における個々のエネルギー蓄積素子による充電ステップの実行回数をＮ、発生する電圧波形のスルーレート（１０％−９０％の立上がり速度）をＳＲとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
Ｎ＝３の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
を満たすことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項６】
容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶ、駆動パルスの１周期の間における個々のエネルギー蓄積素子による充電ステップの実行回数をＮとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
Ｎ＝３の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
を満たすことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄとすると、
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．０１
であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
上記容量性負荷が、インクを加圧することによりインクを液滴状に吐出させるインクジェットヘッドに備えられた静電駆動電極または圧電素子であり、
上記容量性負荷駆動回路が、インクジェットヘッドの静電駆動電極または圧電素子を駆動する駆動回路であることを特徴とする請求項１ないし７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える装置に関するものである。より詳細には、本発明は、容量性負荷である圧電素子または静電駆動電極などをインクの吐出に用いる画像形成装置、プラズマディスプレイの放電電極、または液晶ディスプレイの駆動回路等に備えられる、容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える、画像形成装置、表示装置、電圧パルス発生装置、直流（ＤＣ）−交流（ＡＣ）変換器（コンバータ）等の装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電素子をインク吐出に用いるインクジェットプリンタ（例えば特許文献１や特許文献２参照）や、静電方式のインクジェットプリンタ、熱式のインクジェットプリンタ（例えば特許文献３参照）等のインクジェットプリンタが知られている。
【０００３】
圧電素子をインク吐出に用いるインクジェットプリンタにおいては、インクジェットヘッドのノズル開口につながった圧力発生室に圧電素子が備えられている。容量性負荷である圧電素子に電圧を印加して駆動信号とし、圧電素子に充電と放電とを繰り返させることによって、インクをノズル開口より吐出させている。ここでは、このような容量性負荷を駆動する容量性負荷駆動回路について考える。
【０００４】
上記のような従来の容量性負荷駆動回路の一例であるプッシュプル回路による駆動回路を、図７に示す。容量性負荷駆動回路は、図７（ａ）の回路図に示すように、容量性負荷であるコンデンサＣＬに接続されている。容量性負荷駆動回路に印加される主電圧Ｖに対して、コンデンサＣＬは、コンデンサＣＬにエネルギーを供給するための充電経路に備えられたトランジスタＶｕｐｄおよび、コンデンサＣＬよりエネルギーを除去するための放電経路に備えられたトランジスタＶｄｗｎｄで制御されることにより駆動される。
【０００５】
トランジスタＶｕｐｄおよびＶｄｗｎｄの動作を制御する制御信号の波形を示したものが、図７（ｂ）および（ｃ）の波形図である。２つのトランジスタＶｕｐｄおよびＶｄｗｎｄが図７（ｂ）および（ｃ）の制御信号により動作すると、コンデンサＣＬの端子電圧Ｖ０は図７（ｄ）で示されるように時間変化し、抵抗Ｒに流れる電流Ｉｃは図７（ｅ）で示されるように時間変化する。
【０００６】
したがって、図７（ａ）に示すようなプッシュプル方式では、トランジスタＶｕｐｄをＯＮにして充電経路を介して容量性負荷に充電電流を流した後、トランジスタＶｄｗｎｄをＯＮにして放電経路を介して電荷を全部グラウンドに放電していた。
【０００７】
従来の容量性負荷駆動回路では、コンデンサＣＬに蓄積された電荷を全てグランドに放電してしまうので、コンデンサＣＬに蓄積されていた静電エネルギーを全て捨てることになり、消費電力が大きいという問題があった。例えば、Ｖｕｐｄの周波数ｆを１２６ｋＨｚ、コンデンサＣＬのキャパシタンスＣＬを０．１μＦ、主電圧Ｖを２０Ｖとすると、平均電源電流は、
ｆ×ＣＬ×Ｖ＝０．２５２０Ａ
であり、消費電力は５．０４Ｗである。
【０００８】
このため、容量性負荷から放電される電荷を回収し、容量性負荷の充電に再利用することで、消費電力の低減を図る容量性負荷駆動回路が提案されている。例えば、特許文献４には、印刷動作中、圧電素子（圧電振動素子）から放電される放電電流を用いて磁気回路による相互誘導作用で二次電源（二次電池、あるいは大容量キャパシタ）を充電し、二次電源に蓄えた電荷を再度、圧電素子の充電に用いる記録ヘッド駆動回路が開示されている。
【０００９】
また、プラズマディスプレイパネルの放電セルの駆動を行う駆動回路において、ＬＣ共振による電力回収を行う技術が知られている（特許文献５参照）。このような放電セルからＬＣ共振による電力回収を行う駆動回路の一例を図１０に基づいて説明する。なお、図１０において、Ｃｄは容量性負荷であるプラズマディスプレイパネルの容量成分（容量性負荷）、Ｃｓｓはコンデンサ、Ｓ１〜Ｓ４はスイッチ、Ｌはインダクタ、Ｄ１・Ｄ２は整流ダイオード、２Ｖ０は電源電圧２Ｖ０を供給する電源端子をそれぞれ示す。
【００１０】
まず、初期状態で、コンデンサＣｓｓに初期電位Ｖ０を与えておく。この初期状態でのＣｄの電位は０であるものとする。また、コンデンサＣｓｓのキャパシタンスＣｓｓは、容量性負荷ＣｄのキャパシタンスＣｄに比べて十分大きいものとする。
【００１１】
次に、上記構成における容量性負荷Ｃｄの充放電動作を、容量性負荷Ｃｄの端子電圧Ｖの変化とスイッチＳ１〜Ｓ４の状態を示す図１１を参照しながら説明する。なお、スイッチＳ１〜Ｓ４は、図１１に「Ｏｎ」と示す期間以外はＯＦＦ状態である。
【００１２】
まず、充電時には、スイッチＳ１〜Ｓ４のうちスイッチＳ１のみをＯＮにする。すると、コンデンサＣｓｓからインダクタＬを通して容量性負荷Ｃｄに電流が流れ、容量性負荷Ｃｄが充電される（図１１の▲１▼）。ＬＣ共振により容量性負荷Ｃｄは端子電圧ＶがＶ０以上になるまで充電される（図１１の▲２▼）。電流が反転しようとすると、整流ダイオードＤ１により阻止され、容量性負荷Ｃｄの端子電圧Ｖはクランプされる（図１１の▲３▼）。その後、スイッチＳ１をＯＦＦにし、次いでスイッチＳ３をＯＮにする。すると、容量性負荷Ｃｄは端子電圧Ｖが２Ｖ０まで充電される（図１１の▲４▼）。
【００１３】
放電時には、スイッチＳ３をＯＦＦにし、次いでスイッチＳ２をＯＮにする。これにより、容量性負荷ＣｄからインダクタＬを通してコンデンサＣｓｓに電流が流れ、容量性負荷Ｃｄが放電される一方、コンデンサＣｓｓが充電される（図１１の▲５▼）。ＬＣ共振により容量性負荷Ｃｄは端子電圧ＶがＶ０以上になるまで充電される（図１１の▲６▼）。電流が反転しようとすると、整流ダイオードＤ２により阻止され、容量性負荷Ｃｄの端子電圧Ｖはクランプされる（図１１の▲７▼）。その後、スイッチＳ２をＯＦＦにし、次いでスイッチＳ４をＯＮにする。すると、容量性負荷Ｃｄは端子電圧Ｖが０になるまで放電される（図１１の▲８▼）。以上のようにして、上記構成では、ＬＣ共振を用いて容量性負荷ＣｄからコンデンサＣｓｓへ電力を回収することができる。
【００１４】
また、上述したようなＬＣ共振による電力回収を行う回路において、複数のインダクタＬを切り替えて使用する先行例もある（特許文献６参照）。
【００１５】
また、特許文献７・８には、エネルギ回収の為にインダクタを挿入した物が記載されている。
【００１６】
また、容量性負荷からの放電時に電荷をコンデンサに蓄えておき、蓄えきれない電荷のみグランドに放電し、充電の際にはコンデンサに蓄えた電荷を再度、圧電素子の充電に用い、充電しきれなかった電荷のみ電源から供給する方式が知られている。例えば、特許文献９には、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子等の容量性負荷の駆動回路において、コンデンサを設け、容量性負荷を放電させる際に充電電荷の一部をコンデンサに移した後、残りの充電電荷を放電し、コンデンサに移された電荷を容量性負荷に返した後に充電を開始させることにより、容量性負荷に充電された電荷の一部を再利用する技術が開示されている。特許文献９には、静電エネルギーの回収・再利用の一手法として、図８に示すように、１個のコンデンサ２６３で容量性負荷（ＥＬ素子）２６１から静電エネルギーを回収し、再利用することが開示されている。
【００１７】
次に、特許文献９に開示されている容量性負荷の駆動回路の具体的な動作について図９に基づいて説明する。なお、図８および図９では、動作原理が理解しやすいように、特許文献９に記載されている駆動電圧発生回路を電源電圧ＶＨの電源端子ＶＨで、特許文献９に記載されている駆動電圧発生回路のＯＮ／ＯＦＦ制御を、スイッチ２６２で模式的に示している。
【００１８】
まず、初期状態として図８（ａ）に示すように、容量性負荷２６１および回生用のコンデンサ２６３を、ＯＮ状態のスイッチ２６４・２６５を介して接地しておく。このとき、スイッチ２６２をＯＦＦ状態とし、電源端子ＶＨ（図示しない駆動電圧発生回路）から容量性負荷２６１への駆動電圧の供給を停止していることとする。
【００１９】
次に、図９（ｂ）に示すように、スイッチ２６４・２６５をＯＦＦ状態にしてスイッチ２６２をＯＮ状態にする。これにより、電源端子ＶＨからＯＮ状態のスイッチ２６２を介して容量性負荷２６１へ電源電圧ＶＨが出力され、容量性負荷２６１は、電源端子ＶＨからの電源電圧ＶＨにより充電される。これにより、容量性負荷２６１の端子電位が、電源電圧ＶＨと等しくなるまで上昇する。
【００２０】
次に、図９（ｃ）に示すように、スイッチ２６２をＯＦＦ状態にすると共にスイッチ２６５をＯＮ状態にする。これにより、電源端子ＶＨから容量性負荷２６１への駆動電圧の供給が停止され、容量性負荷２６１の一端がコンデンサ２６３に接続される。この結果、容量性負荷２６１に充電された電荷の一部がコンデンサ２６３へ移動していき、容量性負荷２６１が放電されると共に、容量性負荷２６１に蓄積された静電エネルギーの一部が容量性負荷２６１からコンデンサ２６３に回収される。
【００２１】
次に、図９（ｄ）に示すように、スイッチ２６５をＯＦＦ状態にしてスイッチ２６４をＯＮ状態にする。これにより、容量性負荷２６１の残りの電荷が、スイッチ２６３を介してグランド（図示しない電源端子）に放電される。すなわち、容量性負荷２６１に残ったエネルギーは、スイッチ２６３を通じて消費される。したがって、このステップにより、容量性負荷２６１の電圧は、接地電位になる。
【００２２】
さらにコンデンサ２６３に回収した静電エネルギーを初期電荷”０”の容量性負荷２６１に再利用するために、図９（ｅ）に示すように、スイッチ２６４をＯＦＦ状態にして、スイッチ２６５をＯＮ状態にする。これにより、コンデンサ２６３の充電電荷が容量性負荷２６１に移動し、コンデンサ２６３から容量性負荷２６１へ電力が回生されることとなる。
【００２３】
その後、図９（ａ）〜図９（ｅ）までの動作を繰り返すことにより容量性負荷２６１が駆動される。以上のようにして、容量性負荷２６１から放出（放電）された電荷の一部をコンデンサ２６３に回収して容量性負荷２６１に戻すことで、容量性負荷２６１に電力が回生される。
【００２４】
なお、液晶表示パネルに蓄えられた電荷を回収、再利用することによって消費電力を低減する技術も知られている（特許文献１０〜１２参照）。
【００２５】
また、特許文献１３には、モータ制御回路が開示されている。
【００２６】
【特許文献１】
特開昭６３−２４７０５１号公報（公開日：昭和６３年（１９８８）１０月１３日）
【００２７】
【特許文献２】
特開２００１−１００４３号公報（公開日：平成１３年（２００１）１月１６日）
【００２８】
【特許文献３】
特開２０００−２３８２４５号公報（公開日：平成１２年（２０００）９月５日）
【００２９】
【特許文献４】
特開平１１−３１４３６４号公報（公開日：平成１１年（１９９９）１１月１６日）
【００３０】
【特許文献５】
米国特許第４８６６３４９号（公開日：１９８９年９月１２日）
【００３１】
【特許文献６】
特開平２−８７１８９号公報（公開日：平成２年（１９９０）３月２８日）
（特許第２７７１５２３号）
【００３２】
【特許文献７】
特開平１１−１７０５２９号公報（公開日：平成１１年（１９９９）６月２９日）
【００３３】
【特許文献８】
特開２０００−２１８７８２号公報（公開日：平成１２年（２０００）８月２日）
【００３４】
【特許文献９】
特開平９−３２２５６０号公報（公開日：平成９年（１９９７）１２月１２日）
（特許第３１２０２１０号）
【００３５】
【特許文献１０】
特開平１１−３２６８６３号公報（公開日：平成１１年（１９９９）１１月２６日）
【００３６】
【特許文献１１】
特開平１１−３５２４５９号公報（公開日：平成１１年（１９９９）１２月２４日）
【００３７】
【特許文献１２】
特開平２００１−２２３２９号公報（公開日：平成１３年（２００１）１月２６日）
【００３８】
【特許文献１３】
特開平１１−２０６１９１号公報（公開日：平成１１年（１９９９）７月２６日）
【００３９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献４に記載されている磁気回路による相互誘導作用を用いた電力回生回路では、相互誘導作用の変換効率、並びに充電回路の効率により、容量性負荷に蓄積された静電エネルギーを効率良く回収・再利用することができない。
【００４０】
特許文献４の記録ヘッド駆動回路では、圧電素子の放電電流からインダクタンス間の相互誘導により誘導起電力を発生させ、発生した誘導起電力により二次電池または大容量コンデンサを充電している。この構成では、静電エネルギーの回収・再利用を繰り返し行うことができるが、インダクタンスが必要であるため、構成が複雑になると共に、インダクタンスの直流抵抗成分による静電エネルギーの損失、並びにインダクタンス間の相互誘導効率による損失が生じ、電荷の回収効率が低下するという問題がある。さらに誘導起電力により二次電池または大容量コンデンサを充電するための充電回路による損失が加わり、系全体の回収効率は５０％を超えない。
【００４１】
特許文献５・６の構成は、以下の問題点を有している。
【００４２】
まず、特許文献５の構成は、駆動対象となる容量性負荷の静電容量値が固定あるいは変動の少ない用途にしか適用できない。すなわち、例えばインクジェットヘッドにおける多数の圧電素子を駆動する場合、インクの吐出を行わせる圧電素子の数によって、容量性負荷の静電容量値が大きく変化する。また、プラズマディスプレイにおいても、１つの駆動回路で多数の発光素子を駆動する場合、発光させる発光素子の数によって容量性負荷の静電容量値が大きく変化する。特許文献５の構成では、容量性負荷の静電容量が変化すると、ＬＣ共振周波数が変化し、回路の動作特性が変化する。特に容量性負荷の静電容量値が大きくなった場合、波形の立ち上がりが遅くなり、スイッチＳ１がＯＮになっている期間内に容量性負荷の端子電圧が所定の電圧まで立ち上がらなくなる可能性があり、回生率の低下をもたらす可能性がある。そのため、特許文献５の構成は、静電容量値が大きく変化する容量性負荷、例えば圧電素子を用いたインクジェットヘッドの容量成分の駆動には適用することは難しい。特許文献５の回路をインクジェットヘッドの個々の圧電素子毎に設けることも考えられるが、そうした場合、多数のインダクタＬを設けることになり、回路規模が非常に大きくなってしまう。
【００４３】
容量性負荷の静電容量の変化に合わせてインダクタＬのインダクタンスＬを連続的に変化させれば、上記の問題は解決できるが、インダクタＬのインダクタンスＬを連続的に変化させることは困難である。
【００４４】
また、複数のインダクタＬを切り替えて使用する特許文献６の構成は、上記の問題をある程度まで解決できるものの、インダクタＬを複数設ける分、回路の規模が大きくなる。そのため、この構成は、限られた用途にしか使用できない。
【００４５】
また、インダクタＬ（コイル）を用いた構成に共通する問題として、回路規模が大きくなる、磁束の漏洩があるために回路の配置が難しい、コストが高くつつくといった問題もある。
【００４６】
また、特許文献７・８には、静電エネルギーを回収・再利用する技術は記載されていない。
【００４７】
特許文献９の容量性負荷駆動回路は、コンデンサへの電荷の回収効率が低く、容量性負荷の電力回生率（初期電力に対する回生電力の割合）が低いという問題点を有している。
【００４８】
すなわち、まず、図９（ｂ）のステップでは、容量性負荷２６１の端子電位Ｖ（Ｃｄ）は、
Ｖ（Ｃｄ）＝ＶＨ
となる。
【００４９】
図９（ｃ）のステップで容量性負荷２６１のエネルギーの一部がコンデンサ２６３により回収されたとき、容量性負荷２６１の端子電位Ｖ（Ｃｄ）およびコンデンサ２６３の端子電位Ｖ（Ｃｓ）は、容量性負荷２６１の静電容量をＣｄ、コンデンサ２６３の静電容量をＣｓとすれば、
Ｖ（Ｃｄ）＝Ｖ（Ｃｓ）＝｛Ｃｄ／（Ｃｄ＋Ｃｓ）｝ＶＨ
となる。例えば、容量性負荷２６１の静電容量とコンデンサ２６３の静電容量とが等しい場合には、コンデンサ２６３に電圧ＶＨ／２が供給される。
【００５０】
図９（ｅ）のステップにより容量性負荷２６１に供給される電圧Ｖ（Ｃｄ）は、
Ｖ（Ｃｄ）＝［Ｃｄ・Ｃｓ／（Ｃｄ＋Ｃｓ）２  ］ＶＨ
となる。例えば、容量性負荷２６１の静電容量とコンデンサ２６３の静電容量とが等しい場合には、電圧ＶＨ／４が容量性負荷２６１に供給できる。この電力回生後の容量性負荷２６１の端子電位Ｖ（Ｃｄ）が最も大きいときに最大の電力回生率が得られる。このときの初期電圧ＶＨからの電圧の回生率をＲｅとすると、
Ｒｅ＝Ｃｄ・Ｃｓ／（Ｃｄ＋Ｃｓ）２
となる。これを容量性負荷２６１とコンデンサ２６３との静電容量比Ｘ＝Ｃｄ／Ｃｓで表すと、
Ｒｅ＝Ｘ／（１＋Ｘ）２
となる。したがって、電力回生率は、Ｘ＝１の場合、すなわち容量性負荷２６１の静電容量とコンデンサ２６３の静電容量とが等しい場合に最大となり、
Ｒｅ＝１／（１＋１）２＝１／４
となる。そのため、特許文献７の構成では、理論上の最大回生率は２５％である。すなわち、特許文献７の構成では、原理上、再利用効率は最大でも２５％である。また、繰り返し充放電を行うと、残留電荷により再利用効率は２５％よりずっと低くなる。
【００５１】
なお、特許文献８〜１０の構成においても、液晶表示パネルに蓄えられた電荷を効率的に回収、再利用することはできない。また、特許文献１３には、静電エネルギーを回収・再利用する技術は記載されていない。
【００５２】
本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡素な回路構成を持ち、かつ、容量性負荷に蓄積されたエネルギーを効率良く回収・再利用することができ、消費電力が低減された、容量性負荷駆動回路と、容量性負荷とを備える画像形成装置等の装置を提供することにある。
【００５３】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、上記の課題を解決するために、容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える装置において、上記容量性負荷駆動回路は、電源から電源電位が付与された電源端子と、基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、基準電位と電源電位との間の初期電位が付与されたエネルギー蓄積素子と、基準電位端子、エネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立することを特徴としている。
【００５４】
また、本発明の装置は、上記の課題を解決するために、容量性負荷と、容量性負荷を充放電させるための容量性負荷駆動回路とを備える装置において、上記容量性負荷駆動回路は、電源から電源電位が付与された電源端子と、基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、基準電位と電源電位との間で、かつ互いに異なる初期電位が付与された複数のエネルギー蓄積素子と、基準電位端子、複数のエネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が基準電位に近い方から順に容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が電源電位に近い方から順に容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立することを特徴としている。
【００５５】
上記各構成によれば、容量性負荷の端子電圧の絶対値を減少させて容量性負荷を放電させたときに、第１のエネルギー蓄積素子の蓄積静電エネルギーを、容量性負荷へのエネルギー供給前とほぼ等しくなるように回生することができる。したがって、第１のエネルギー蓄積素子が見かけ上エネルギーを消費しなくなり、高い効率で電力回生を行うことができる。
【００５６】
さらに、上記各構成によれば、第１〜第３のステップの間に、容量性負荷の電圧が、最終到達電圧（第１の充電ステップを無限時間継続したときに容量性負荷の電圧が到達する最終の電圧）の９０％に到達する。これにより、エネルギー蓄積素子から容量性負荷への電荷の流出によるエネルギー蓄積素子の電圧変化が小さくなり、パルス発生時の電力回生率が良好となり、消費電力をより一層低減できる。また、１回のパルス発生によるエネルギー蓄積素子の電圧変化が小さくなるので、この電圧変化を補正することなく次のパルス発生を行うことが可能となる。
【００５７】
エネルギー蓄積素子を備える本発明の装置（２段の装置）は、容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶとし、発生する電圧波形のスルーレート（１０％−９０％の立上がり速度）をＳＲとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
を満たすことが好ましい。
エネルギー蓄積素子を備える本発明の装置（２段の装置）は、容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
を満たすことが好ましい。
【００５８】
複数のエネルギー蓄積素子を備える本発明の装置（３段以上の装置）は、容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶ、駆動パルスの１周期の間における個々のエネルギー蓄積素子による充電ステップの実行回数をＮとし、発生する電圧波形のスルーレート（１０％−９０％の立上がり速度）をＳＲとし
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
Ｎ＝３の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
を満たすことが好ましい。
複数のエネルギー蓄積素子を備える本発明の装置（３段以上の装置）は、容量性負荷の静電容量をＣｄ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、最終到達電圧をＶ、駆動パルスの１周期の間における個々のエネルギー蓄積素子による充電ステップの実行回数をＮとし、
ｙ＝Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）とすると、
Ｎ＝３の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
を満たすことが好ましい。
【００５９】
上記構成によれば、発生する波形に必要なスルーレートとして回路のパラメータ、更に、接続維持時間について駆動波形発生回路を安定に動作させることが可能になる。特にインクジェットプリンタのように高速なスルーレートを必要とする場合、スルーレートの下限値を５０（Ｖ／μｓｅｃ）とすることでインクの吐出が安定する。従って、上述のようにすることで、急峻な波形のパルスを容量性負荷に印加することができ、装置の応答性が良好となる。
【００６０】
なお、上記各不等式において、右辺の値（例えばＶ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６））は、駆動回路の限界を超えない範囲内でできる限り大きくすればよく、上限は特に限定されるものではない。
【００６１】
上記各構成の容量性負荷駆動回路と、この容量性負荷駆動回路によって充放電される容量性負荷とを備える装置は、上記エネルギー蓄積素子の静電容量成分が、容量性負荷の静電容量の１００倍以上であることが好ましい。
【００６２】
本願発明に用いるコンデンサ等のエネルギー蓄積素子は、発生させるパルスの波形に依存するが、立ち上がりの急峻な波形のパルスを得るためには、周波数特性（充放電特性）の良いもの（等価抵抗Ｒが小さいもの）が好ましい。これにより、容量性負荷の電圧がある程度飽和した状態で次の段へ移れるので、立ち上がりの急峻な波形のパルスを得ることができる。等価抵抗Ｒを小さくしてエネルギー蓄積素子の充放電特性を向上させるためには、例えばエネルギー蓄積素子に接続されたスイッチング素子のＯＮ抵抗を小さくすればよい。
【００６３】
上記エネルギー蓄積素子の静電容量成分が、容量性負荷の静電容量の１００倍以上である場合、駆動系を安定動作させることができる。また、上記エネルギー蓄積素子の静電容量成分が、容量性負荷の静電容量の１００倍未満である場合、容量性負荷の変動量に対する電力回生率の低下が大きくなる。
【００６４】
なお、本願明細書において「容量性負荷」とは、静電容量が主成分である負荷を指すものとする。容量性負荷としては、画像形成装置等に備えられる圧電素子（圧電体）、静電方式のインクジェットヘッドに備えられる静電駆動電極（静電アクチュエータ）、画像形成装置プラズマディスプレイの放電電極、液晶ディスプレイの電圧印加電極、圧電アクチュエータ（圧電素子）、コンデンサ、静電モータ、静電画像形成装置等が挙げられる。さらに消費電流が比較的小さい場合において直流−交流変換装置や電圧波形発生装置などへの応用も考えられる。
【００６５】
エネルギー蓄積素子としては、二次電池やコンデンサなどを用いることができる。
【００６６】
コンデンサは、二次電池などより内部抵抗が小さいことにより、それ自体における損失は二次電池より小さく、高効率で静電エネルギーを回収して再利用することができる。
【００６７】
また、コンデンサは、充放電を多数回繰り返しても劣化が小さく寿命が長いので、長期間使用することができる。
【００６８】
さらに、コンデンサは、一般に二次電池より周波数特性に優れているので、１０μｓ程度のパルス駆動においても、効率良く静電エネルギーの回収を行うことができる。
【００６９】
コンデンサとしては、上記の特性（充放電による劣化特性、内部インピーダンス、および周波数特性）に優れているフィルムコンデンサ、タンタルコンデンサ、電気二重層コンデンサ、機能性高分子コンデンサ、およびセラミックコンデンサーが特に望ましい。
【００７０】
一方、二次電池は、静電エネルギーの蓄積（充電）に時間がかかる一方、比較的大きなエネルギーを蓄積することができるため、電圧を長時間維持することができる。そのため、電源から電圧を供給しない状態で長時間にわたって容量性負荷駆動回路を動作させることができるという利点がある。
【００７１】
二次電池としては、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、酸化銀・カドミウム電池などのアルカリ蓄電器の他、マンガン・リチウム電池、カーボン・リチウム電池、リチウム・ポリマー電池、リチウムイオン電池などのリチウム二次電池を用いることができる。二次電池の中では、リチウムイオン電池が、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池のようなメモリ効果がなく、充電・放電を繰り返し行うのに適しているので、好ましい。
【００７２】
また、上記構成によれば、容量性負荷の充電時に、複数のエネルギー蓄積素子から容量性負荷に順次、異なる電圧を供給して、容量性負荷の駆動電圧を順次昇圧する一方、容量性負荷の放電時に、複数のエネルギー蓄積素子から容量性負荷に順次、異なる電圧を供給して、容量性負荷の駆動電圧を順次降圧することができる。したがって、切り替え手段の切り替えタイミングを調整することにより種々の駆動電圧波形を得ることが可能である。
【００７３】
上記分圧手段は、電源から供給された電圧をｎ等分（ｎは２以上）に分圧するものであることがより好ましい。これにより、容量性負荷への充電時のエネルギーの流れと、容量性負荷からの放電時のエネルギー蓄積素子へのエネルギーの流れを最も効率よく相殺でき、かつエネルギー蓄積素子および容量性負荷の突入電流をより一層小さく抑えることができ、エネルギー損失をより一層低減できる。
【００７４】
上記容量性負荷は、インクを液滴状に吐出させるインクジェットヘッドに備えられた、インクを加圧するための圧電素子であることが好ましい。
【００７５】
上記の構成によれば、一般に、消費電力が大きく、誘電率が高く（例えば、ｅｘｐε≒４３００程度）、キャパシタンスが大きく（例えば、８０ｐＦ×３２０ｃｈ＝０．０２５６μＦ）、負荷への充放電において高い繰り返し周波数（１０ｋｐｐｓ〜１５０ｋｐｐｓ）で駆動されるインクジェットヘッドの圧電素子に対して、高効率なエネルギー回収・再利用が可能となるので、特に大きな消費電力低減効果が得られる。
【００７６】
本発明の装置は、上記容量性負荷が、インクを加圧することによりインクを液滴状に吐出させるインクジェットヘッドに備えられた静電駆動電極または圧電素子であり、上記容量性負荷駆動回路が、インクジェットヘッドの静電駆動電極または圧電素子を駆動する駆動回路である場合、電圧パルスを発生しつつ、同パルス発生サイクル中に電力の回生を行うため、圧電素子または静電駆動電極（静電アクチュエータ）駆動時の消費電力が少ないという特徴がある。したがって、消費電力が低減された画像形成装置を提供できる。
【００７７】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態を、図１ないし図３に基づいて以下に説明する。
【００７８】
図１に示すように、本実施形態の容量性負荷駆動回路１は、９個のコンデンサ（エネルギー蓄積素子）２からなる蓄電器３、１０個の抵抗４からなる分圧器（分圧手段）５、トランジスタ（スイッチング部）６、スイッチ（切り替え手段）７、抵抗８、および電源端子９を備えている。本実施形態の容量性負荷駆動回路１は、容量性負荷であるコンデンサ１１に対して電圧Ｖを印加してコンデンサ１１を充放電させるものである。
【００７９】
容量性負荷駆動回路１には、容量性負荷駆動回路１の外部に設けられた図示しない主電源より電源端子９を介して電源電圧ＶＨが供給されている。そして、電源電圧ＶＨは、電源端子９からトランジスタ６を介して分圧器５に印加されている。
【００８０】
トランジスタ６は、制御電圧Ｑに応じて、電源端子９と分圧器５との接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチの役割を持つものである。本実施形態では、トランジスタ６は、ＰＮＰ型トランジスタであり、エミッタに電源端子９が接続され、コレクタに分圧器５が接続され、ベースに制御電圧Ｑが印加されている。トランジスタ６は、駆動時には常に導通状態（ＯＮ）である。したがって、トランジスタ６を省き、電源端子９を直接、分圧器５に接続してもかまわない。
【００８１】
分圧器５は、外部の主電源から供給された電源電圧ＶＨを１０個の抵抗４で分圧するものである。分圧器５は、電源端子９とグラウンド（電源電圧の基準となる電位の点；典型的には電位が０の点）との間に１０個の抵抗４を直接に接続した構成であり、これら抵抗４により外部の主電源からの電源電圧ＶＨを互いに異なる電圧Ｖ１〜Ｖ９に分圧するようになっている。すなわち、トランジスタ６が導通状態であり、分圧器５に正の電源電圧ＶＨが供給されている時（以下、「電力供給時」と称する）には、抵抗４間を接続する９つの接続点ａ・ｂ・ｃ・ｄ・ｅ・ｆ・ｇ・ｈ・ｉに、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９（ただし０＜Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６＜Ｖ７＜Ｖ８＜Ｖ９＜ＶＨを満たす）が発生する。より詳細には、電圧Ｖ１〜Ｖ９は、接続点から電源端子９までの間に存在する抵抗４の抵抗値の総和をＲ１、接続点からグラウンドまでの間に存在する抵抗４の抵抗値の総和をＲ２とすると、ＶＨ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）で表される。本実施形態では、個々の抵抗４として、同一の抵抗値を持つ抵抗素子を用いている。したがって、本実施形態において、電圧Ｖ１〜Ｖ９は、Ｖ１＝ＶＨ／１０，Ｖ２＝２ＶＨ／１０，Ｖ３＝３ＶＨ／１０，Ｖ４＝４ＶＨ／１０，Ｖ５＝５ＶＨ／１０，Ｖ６＝６ＶＨ／１０，Ｖ７＝７ＶＨ／１０，Ｖ８＝８ＶＨ／１０，Ｖ９＝９ＶＨ／１０となる。
【００８２】
蓄電器３は、グラウンドと分圧器５との間に並列に接続された９個のコンデンサ２ａ〜２ｉからなっている。また、コンデンサ２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄ・２ｅ・２ｆ・２ｇ・２ｈ・２ｉはそれぞれ、前記の接続点ａ・ｂ・ｃ・ｄ・ｅ・ｆ・ｇ・ｈ・ｉに接続されている。したがって、電力供給時には、コンデンサ２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄ・２ｅ・２ｆ・２ｇ・２ｈ・２ｉに対して、分圧器５で分圧された電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９が端子電圧（スイッチ７と接続されている端子の電圧）として印加される。
【００８３】
このようにして、分圧器５によって、蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉの端子電圧が所定の電圧Ｖ１〜Ｖ９に調整され、各コンデンサ２ａ〜２ｉに異なる端子電圧Ｖ１〜Ｖ９が分配される。これにより、電力供給時に、コンデンサ２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄ・２ｅ・２ｆ・２ｇ・２ｈ・２ｉにそれぞれ、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９に対応する電荷（静電エネルギー）が蓄積される。
【００８４】
本実施形態では、コンデンサ２ａ〜２ｉとして、コンデンサ１１のキャパシタンスＣＬより充分に大きい同一のキャパシタンス（静電容量）Ｃを持つコンデンサを用いている。したがって、コンデンサ２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄ・２ｅ・２ｆ・２ｇ・２ｈ・２ｉに蓄積される電荷はそれぞれ、Ｃ・Ｖ１，Ｃ・Ｖ２，Ｃ・Ｖ３，Ｃ・Ｖ４，Ｃ・Ｖ５，Ｃ・Ｖ６，Ｃ・Ｖ７，Ｃ・Ｖ８，Ｃ・Ｖ９となる。
【００８５】
なお、コンデンサ２ａ〜２ｉのキャパシタンスＣは、コンデンサ１１のキャパシタンスＣＬの１０倍以上であることが好ましい。これにより、静電エネルギーの回収効率を向上させることができる。
【００８６】
蓄電器３および分圧器５は、スイッチ７および抵抗８を介してコンデンサ１１と接続されている。スイッチ７は、１１個の接点Ｔ０〜Ｔ１０を持ち、これら接点Ｔ０〜Ｔ１０のうちの１つを選択的に出力端（抵抗８と接続されている端）に接続するものである。１１個の接点Ｔ０〜Ｔ１０のうち、接点Ｔ０は接地されており、接点Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９は、コンデンサ２ａ・２ｂ・２ｃ・２ｄ・２ｅ・２ｆ・２ｇ・２ｈ・２ｉにそれぞれ接続されており、Ｔ１０は電源端子９に接続されている。したがって、コンデンサ１１の駆動時には、接点Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０にそれぞれ、電圧０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、ＶＨが印加されている。
【００８７】
スイッチ７は、初期状態（駆動動作開始前の状態）では接点Ｔ０に接続されており、駆動動作を開始すると、接点Ｔ０から接点Ｔ１０へ順に接点を切り替えた後、接点Ｔ１０から接点Ｔ０へ順に接点を切り替える動作を繰り返し行う。また、スイッチ７には、コンデンサ１１をパルス駆動するための同期信号ＳＹＮＣが図示しない同期信号源から入力されており、同期信号ＳＹＮＣに応じて接点Ｔ０〜Ｔ１０の切り替え動作を行う。なお、同期信号ＳＹＮＣおよび接点Ｔ０〜Ｔ１０の切り替えタイミングの詳細については後述する。
【００８８】
抵抗８は、コンデンサ（容量性負荷）１１に対して流れる電流を制限するためのものである。スイッチ７に半導体スイッチを用いる場合、半導体スイッチのＯＮ抵抗として抵抗８は等価的に挿入される。
【００８９】
次に、容量性負荷駆動回路１の動作について、図２および図３に基づいて説明する。なお、ここでは、ＶＨが正の電圧であるものとして説明する。
【００９０】
図２は、容量性負荷駆動回路１の動作を示すタイミングチャートである。図２（ａ）は、スイッチ７に入力される同期信号ＳＹＮＣの波形を示す波形図である。図２（ｂ）は、トランジスタ６の動作を制御するトランジスタ６の制御電圧Ｑの波形を示す波形図である。図２（ｃ）は、コンデンサ１１に印加されている電圧Ｖの波形を示す波形図である。
【００９１】
図３は、図２に示すタイミングチャートの一部を拡大して示すと共に、スイッチ７の動作状態を示すものである。図３（ａ）は、図２（ａ）に示す同期信号ＳＹＮＣの波形の一部を拡大して示す波形図である。図３（ｂ）は、図１のスイッチ７の動作状態、すなわち接点Ｔ０〜Ｔ１０のうちのいずれが接続されているかを示すタイミングチャートである。図３（ｃ）は、図２（ｂ）に示す制御電圧Ｑの波形の一部を拡大して示す波形図である。図３（ｄ）は、図２（ｃ）に示す電圧Ｖの波形の一部を拡大して示す波形図である。
【００９２】
まず、コンデンサ１１の駆動動作を開始する前の準備動作として、図２（ｂ）に示すように制御電圧Ｑが高レベルとなり、トランジスタ６が導通状態（ＯＮ）にされる。これにより、外部からの電源電圧ＶＨを分圧器５で分圧することによって得られた、互いに異なる所定の電圧Ｖ１〜Ｖ９が、蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉに端子電圧として印加され、コンデンサ２ａ〜２ｉが充電される。本実施形態では、トランジスタ６は、その後、コンデンサ１１の駆動動作を終了するまで常に導通状態となっている。また、このとき、スイッチ７が接点Ｔ０に接続されており、コンデンサ１１は接地されている。
【００９３】
このコンデンサ２ａ〜２ｉの端子電圧を所定の電圧Ｖ１〜Ｖ９に調整する準備の後、図２（ａ）に示すように同期信号ＳＹＮＣがアクティブとなり、駆動動作が開始される。このとき、トランジスタ６が導通状態となる時点（準備動作開始時点）から同期信号ＳＹＮＣがアクティブとなる時点（駆動動作開始時点）までの時間ｔ０は、コンデンサ２ａ〜２ｉが十分に充電できるように充電の時定数の２．５倍以上に設定することが好ましい。
【００９４】
そして、同期信号ＳＹＮＣに応じてスイッチ７を接点Ｔ０から接点Ｔ１０に順に切り替えることによって、異なる複数の電圧Ｖ１〜Ｖ９、およびＶＨが、コンデンサ１１に電圧Ｖとして印加されることになる。これにより、図２（ｃ）および図３（ｃ）に示すように、コンデンサ１１に、電圧Ｖとしてほぼ台形の階段状パルス電圧が印加される。
【００９５】
次に、コンデンサ１１の駆動動作について、詳細に説明する。ここで、同期信号ＳＹＮＣは、図３（ａ）に示すように、一定の周期Ｔを持ち、かつ、パルス幅がｔのパルス信号である。例えば、周期Ｔは８μｓ、パルス幅ｔは０．３２μｓに設定される。
【００９６】
コンデンサ１１の駆動時には、まず、同期信号ＳＹＮＣの立ち上がりに同期して、スイッチ７が接点Ｔ０から接点Ｔ１へと切り替えられる。スイッチ７が接点Ｔ１へ切り替えられると、蓄電器３のコンデンサ２ａとコンデンサ１１とが接続される。このとき、コンデンサ２ａの端子電圧はＶ１であり、コンデンサ１１の端子電圧は接地電位であるので、コンデンサ２ａからコンデンサ１１に静電エネルギー（電荷）が供給され、コンデンサ１１が充電される。
【００９７】
このときにコンデンサ２ａに蓄積されている電荷はＣ・Ｖ１であるので、コンデンサ１１のキャパシタンスをＣＬとし、コンデンサ２ａのみからコンデンサ１１に電荷が供給されるとすれば、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｃ・Ｖ１／（Ｃ＋ＣＬ）
である。そして、コンデンサ２ａのキャパシタンスＣはコンデンサ１１のキャパシタンスＣＬより充分に大きいので、電圧Ｖは、分圧器５によって生成された所定の電圧Ｖ１にほぼ等しいとみなすことができる。したがって、スイッチ７の接点Ｔ０から接点Ｔ１への切り替えにより、電圧Ｖ１がコンデンサ２ａからコンデンサ１１に印加される。
【００９８】
その後、スイッチ７の接続が、接点Ｔ１から接点Ｔ２、接点Ｔ２から接点Ｔ３、接点Ｔ３から接点Ｔ４、接点Ｔ４から接点Ｔ５、接点Ｔ５から接点Ｔ６、接点Ｔ６から接点Ｔ７、接点Ｔ７から接点Ｔ８、接点Ｔ８から接点Ｔ９へと切り替えられる。これらのスイッチ７の切り替えにより、コンデンサ１１はコンデンサ２ｂ〜２ｉに対して端子電圧の低い順に接続される。これにしたがって、接点Ｔ０から接点Ｔ１への切り替えと同様にして、コンデンサ２ｂ〜２ｉより順次、コンデンサ１１に静電エネルギーが供給され、コンデンサ１１に電圧Ｖ２〜Ｖ９が低い順で印加される。その結果、コンデンサ１１の電圧Ｖは電圧Ｖ９まで上昇する。
【００９９】
次に、スイッチ７の接続が、接点Ｔ９から接点Ｔ１０へと切り替えられると、コンデンサ１１が電源端子９に接続され、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、外部からの電源電圧ＶＨと等しくなる。
【０１００】
以上のようにして、コンデンサ１１の電圧Ｖは、図３（ｄ）に示すように、ほぼ階段状に０から電源電圧ＶＨまで上昇してゆく。
【０１０１】
次に、スイッチ７の接点が接点Ｔ１０に保持され、コンデンサ１１の電圧Ｖが電源電圧ＶＨに維持された後、スイッチ７の接点が接点Ｔ１０から接点Ｔ９に切り替えられる。これにより、蓄電器３のコンデンサ２ｉとコンデンサ１１とが接続される。
【０１０２】
このときにコンデンサ２ｉに蓄積されている電荷はＣ・Ｖ９であるので、コンデンサ２ｉにコンデンサ１１のみから電荷が供給されるとすれば、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、
Ｖ＝（ＣＬ・ＶＨ＋Ｃ・Ｖ９）／（Ｃ＋ＣＬ）
である。そして、コンデンサ２ｉのキャパシタンスＣはコンデンサ１１のキャパシタンスＣＬより充分に大きいので、電圧Ｖは、電圧Ｖ９にほぼ等しくなる。したがって、スイッチ７の接点Ｔ１０から接点Ｔ９への切り替えにより、コンデンサ１１がコンデンサ２ｉに接続され、コンデンサ１１の電圧Ｖは、図３（ｄ）に示すように、分圧器５によって調整された所定の電圧Ｖ９に減少する。
【０１０３】
このとき、コンデンサ２ｈにコンデンサ１１を接続した後にコンデンサ２ｉに接続するステップにおいてコンデンサ２ｉからコンデンサ１１にエネルギーが注入されるため、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間にコンデンサ１１以外の回路から蓄電器３へのエネルギー供給が行われないとすれば、コンデンサ１１を電源端子９に接続した後にコンデンサ２ｉに接続する直前におけるコンデンサ２ｉの端子電圧は、厳密には、Ｖ９ではなくＶ９よりも若干小さい値になる。
【０１０４】
しかしながら、次にＶ９よりも若干小さい端子電圧となったコンデンサ２ｉに対して電源電圧ＶＨに充電されたコンデンサ１１を接続すると、コンデンサ１１の端子電圧が電源電圧ＶＨでありコンデンサ２ｉの端子電圧より大きいので、コンデンサ１１からコンデンサ２ｉに静電エネルギー（電荷）が回収され、コンデンサ１１が放電される。このとき、コンデンサ２ｉの電圧は、コンデンサ１１からエネルギーを回収することでほぼＶ９に等しい値（Ｖ９と見なせる値）まで復帰する（回生される）。
【０１０５】
その後、スイッチ７の接続が、接点Ｔ９から接点Ｔ８、接点Ｔ８から接点Ｔ７、接点Ｔ７から接点Ｔ６、接点Ｔ６から接点Ｔ５、接点Ｔ５から接点Ｔ４、接点Ｔ４から接点Ｔ３、接点Ｔ３から接点Ｔ２、接点Ｔ２から接点Ｔ１へと切り替えられる。これらのスイッチ７の切り替えにより、コンデンサ１１はコンデンサ２ａ〜２ｈに対して端子電圧の高い順に接続される。これにしたがって、接点Ｔ１０から接点Ｔ９への切り替えと同様にして、コンデンサ１１よりコンデンサ２ａ〜２ｈに順次エネルギーが回収され、コンデンサ１１に電圧Ｖ１〜Ｖ８が高い順で印加される。
【０１０６】
最後に、スイッチ７の接続が、接点Ｔ１から接点Ｔ０へと切り替えられると、コンデンサ１１が接地され、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖはグラウンドと同じ０となる。ここで電圧Ｖを０にするのは、コンデンサ１１にたまる電荷を０にして、安定した繰り返し動作をさせるためである。
【０１０７】
以上のようにして、コンデンサ１１の電圧Ｖは、図３（ｄ）に示すように、ほぼ階段状に電源電圧ＶＨから０まで減少してゆく。
【０１０８】
なお、スイッチ７のステップダウンの最後（接点Ｔ１から接点Ｔ０への切り替え）においては、コンデンサ１１に蓄えた電荷をコンデンサ２ａ〜２ｉに戻さずに全てグラウンドに落とすので、コンデンサ１１に蓄えていた静電エネルギーの一部を捨てることになる。本実施形態では、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、最大ＶＨであり、スイッチ７のステップダウンの最後におけるコンデンサ１１の電圧Ｖは、Ｖ１、すなわちＶＨ／１０に等しい。したがって、コンデンサ１１に蓄えられる電荷はＣＬ・ＶＨ、スイッチ７のステップダウンの最後にコンデンサ１１から放電される電荷はＣＬ・ＶＨ／１０である。したがって、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間にコンデンサ１１以外の回路から蓄電器３へのエネルギー供給が行われることがなく、スイッチ７のステップダウンの最後以外は、コンデンサ１１から放電された電荷が全てコンデンサ２ａ〜２ｉに回収されるとすれば、コンデンサ１１からコンデンサ２ａ〜２ｉに回収される電荷は９ＣＬ・ＶＨ／１０である。それゆえ、静電エネルギーの回収効率は９／１０＝９０％となる。
【０１０９】
このようにして、スイッチ７を接点Ｔ０から接点Ｔ１０へ順次切り替えてコンデンサ１１の印加電圧Ｖをステップアップし、その後、逆にスイッチ７を接点Ｔ１０から接点Ｔ０へ順次切り替えてコンデンサ１１の印加電圧Ｖをステップダウンすることにより、蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉからコンデンサ１１に静電エネルギーを供給し、かつ、コンデンサ１１に蓄えた静電エネルギーをほぼ蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉに回収することができる。
【０１１０】
以上のように、本実施形態の容量性負荷駆動回路１は、主電源の電圧をｎ分割に分配して蓄電器３に蓄え、蓄電器３とコンデンサ１１との接続の切り替えを行うことで、蓄電器３からコンデンサ１１ヘ静電エネルギーを供給し、コンデンサ１１から放電された静電エネルギーを蓄電器３へ回収する構成であるので、高効率なエネルギー回収・再利用が可能となる。
【０１１１】
〔実施の形態１Ａ〕
本発明の他の実施の形態について図４１ないし図４３に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１１２】
本実施形態の容量性負荷駆動回路は、以下の相違点以外は、実施の形態１の容量性負荷駆動回路１と同様の構成を備えている。
【０１１３】
第１の相違点は、実施の形態１の容量性負荷駆動回路１では、分圧器５の９つの接続点（分圧点）ａ〜ｉと、接点Ｔ１〜Ｔ９に接続されたラインとを直接的に接続していたのに対し、図４１に示すように、本実施形態の容量性負荷駆動回路１Ａは、分圧器５の９つの接続点（分圧点）ａ〜ｉと、接点Ｔ１〜Ｔ９に接続されたラインとの間にそれぞれ、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９が設けられている点である。スイッチＳＷ１〜ＳＷ９は、分圧器５から蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉへの電圧の供給を制御するスイッチング部として設けられているものであり、コンデンサ１１の充電前の所定期間のみ接続状態となるように制御されている。
【０１１４】
第２の相違点は、実施の形態１の容量性負荷駆動回路１が、トランジスタ６を備え、図２および図３に示すタイミングチャートに従って動作するのに対し、容量性負荷駆動回路１Ａは、トランジスタ６に代えて、図４２および図４３のタイミングチャートに示す制御電圧Ｑによって動作が制御されるスイッチ１６Ａを備える点である。
【０１１５】
すなわち、スイッチ１６Ａは、実施の形態１のトランジスタ６とは異なり、図４２に示すように、コンデンサ１１の充電が開始される前の期間（このとき、コンデンサ１１はスイッチ７の接点Ｔ０に接続され接地されている）に、所定時間ｔ０、導通状態（ＯＮ）となるように制御されている。なお、前記のスイッチＳＷ１〜ＳＷ９も、スイッチ１６Ａの制御電圧Ｑと同様の制御電圧によって動作が制御される。
【０１１６】
実施の形態１では、蓄電器３と分圧器５とが常時接続され、また、駆動時には分圧器５に対して電源電圧が常に供給されるようになっているので、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間に他の回路から蓄電器３にエネルギー供給が行われる。このようなエネルギー供給が行われると、コンデンサ１１から蓄電器３へのエネルギー回収効率が悪くなる恐れがある。
【０１１７】
これに対し、本実施形態では、前記の第１および第２の相違点により、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間に他の回路から蓄電器３にエネルギー供給が行われないようになっている。これにより、他の回路からのエネルギー供給によってコンデンサ１１から蓄電器３へのエネルギー回収効率が悪くなることを回避できる。
【０１１８】
次に、容量性負荷駆動回路１Ａによるコンデンサ１１の駆動動作について、図４２および図４３に基づいて説明する。ここで、同期信号ＳＹＮＣは、図４２（ａ）に示すように、一定の周期Ｔを持ち、かつ、パルス幅がｔのパルス信号である。例えば、周期Ｔは８μｓ、パルス幅ｔは０．３２μｓに設定される。なお、ＶＨは正の電圧として説明を行う。
【０１１９】
図４２は、容量性負荷駆動回路１Ａの動作を示すタイミングチャートである。図４２（ａ）は、スイッチ７に入力される同期信号ＳＹＮＣの波形を示す波形図である。図４２（ｂ）は、スイッチ１６Ａの動作を制御する制御電圧Ｑの波形を示す波形図である。図４２（ｃ）は、コンデンサ１１に印加されている電圧Ｖの波形を示す波形図である。
【０１２０】
図４３は、図４２に示すタイミングチャートの一部を拡大して示すと共に、スイッチ７の動作状態を示すものである。図４３（ａ）は、図４２（ａ）に示す同期信号ＳＹＮＣの波形の一部を拡大して示す波形図である。図４３（ｂ）は、図１のスイッチ７の動作状態、すなわち接点Ｔ０〜Ｔ１０のうちのいずれが接続されているかを示すタイミングチャートである。図４３（ｃ）は、図４２（ｂ）に示す制御電圧Ｑの波形の一部を拡大して示す波形図である。図４３（ｄ）は、図４２（ｃ）に示す電圧Ｖの波形の一部を拡大して示す波形図である。
【０１２１】
コンデンサ１１の駆動時には、まず、実施の形態１と同様に、スイッチ７の接続が、接点Ｔ０から接点Ｔ１、接点Ｔ１から接点Ｔ２、接点Ｔ２から接点Ｔ３、接点Ｔ３から接点Ｔ４、接点Ｔ４から接点Ｔ５、接点Ｔ５から接点Ｔ６、接点Ｔ６から接点Ｔ７、接点Ｔ７から接点Ｔ８、接点Ｔ８から接点Ｔ９へと切り替えられ、コンデンサ２ａ〜２ｉからコンデンサ１１へ静電エネルギーが供給される。次に、スイッチ７の接続が接点Ｔ９から接点Ｔ１０へと切り替えられ、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは電源電圧ＶＨと等しくなる。以上のようにして、コンデンサ１１の電圧Ｖは、図３（ｄ）に示すように、ほぼ階段状に０から電源電圧ＶＨまで上昇してゆく。
【０１２２】
次に、スイッチ７の接点が接点Ｔ１０から接点Ｔ９に切り替えられる。これにより、蓄電器３のコンデンサ２ｉとコンデンサ１１とが接続される。
【０１２３】
このときにコンデンサ２ｉに蓄積されている電荷はＣ・Ｖ９であり、コンデンサ２ｉには、ほぼコンデンサ１１のみから電荷が供給されるので、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、
Ｖ＝（ＣＬ・ＶＨ＋Ｃ・Ｖ９）／（Ｃ＋ＣＬ）
である。そして、コンデンサ２ｉのキャパシタンスＣはコンデンサ１１のキャパシタンスＣＬより充分に大きいので、電圧Ｖは、ほぼ電圧Ｖ９に等しくなる。
【０１２４】
このとき、このとき、コンデンサ２ｈにコンデンサ１１を接続した後にコンデンサ２ｉに接続するステップにおいてコンデンサ２ｉからコンデンサ１１にエネルギーが注入され、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間にコンデンサ１１以外の回路から蓄電器３へのエネルギー供給が行われないので、コンデンサ１１を電源端子９に接続した後にコンデンサ２ｉに接続する直前におけるコンデンサ２ｉの端子電圧は、厳密には、Ｖ９ではなくＶ９よりも若干小さい値になる。
【０１２５】
しかしながら、次にＶ９よりも若干小さい端子電圧となったコンデンサ２ｉに対して電源電圧ＶＨに充電されたコンデンサ１１を接続すると、コンデンサ１１の端子電圧が電源電圧ＶＨでありコンデンサ２ｉの端子電圧より大きいので、コンデンサ１１からコンデンサ２ｉに静電エネルギー（電荷）が回収され、コンデンサ１１が放電される。このとき、コンデンサ２ｉの電圧は、コンデンサ１１からエネルギーを回収することでほぼＶ９に等しい値（Ｖ９と見なせる値）まで復帰する（回生される）。
【０１２６】
その後、スイッチ７の接続が、接点Ｔ９から接点Ｔ８、接点Ｔ８から接点Ｔ７、接点Ｔ７から接点Ｔ６、接点Ｔ６から接点Ｔ５、接点Ｔ５から接点Ｔ４、接点Ｔ４から接点Ｔ３、接点Ｔ３から接点Ｔ２、接点Ｔ２から接点Ｔ１へと切り替えられ、コンデンサ１１からコンデンサ２ａ〜２ｈにエネルギーが回収される。最後に、スイッチ７の接続が、接点Ｔ１から接点Ｔ０へと切り替えられると、コンデンサ１１が接地され、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖはグラウンドと同じ０となる。
【０１２７】
以上のようにして、コンデンサ１１の電圧Ｖは、図３（ｄ）に示すように、ほぼ階段状に電源電圧ＶＨから０まで減少してゆく。
【０１２８】
なお、スイッチ７のステップダウンの最後（接点Ｔ１から接点Ｔ０への切り替え）においては、コンデンサ１１に蓄えた電荷をコンデンサ２ａ〜２ｉに戻さずに全てグラウンドに落とすので、コンデンサ１１に蓄えていた静電エネルギーの一部を捨てることになる。本実施形態では、コンデンサ１１に印加される電圧Ｖは、最大ＶＨであり、スイッチ７のステップダウンの最後におけるコンデンサ１１の電圧Ｖは、Ｖ１、すなわちＶＨ／１０に等しい。本実施形態では電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間にコンデンサ１１以外の回路から蓄電器３へのエネルギー供給が行われることがないので、スイッチ７のステップダウンの最後以外は、コンデンサ１１から放電された電荷がほぼコンデンサ２ａ〜２ｉに回収される。したがって、コンデンサ１１に蓄えられる電荷はＣＬ・ＶＨ、スイッチ７のステップダウンの最後にコンデンサ１１から放電される電荷はＣＬ・ＶＨ／１０である。したがって、コンデンサ１１からコンデンサ２ａ〜２ｉに回収される電荷は９ＣＬ・ＶＨ／１０である。それゆえ、静電エネルギーの回収効率は９／１０＝９０％となる。
【０１２９】
このようにして、スイッチ７を接点Ｔ０から接点Ｔ１０へ順次切り替えてコンデンサ１１の印加電圧Ｖをステップアップし、その後、逆にスイッチ７を接点Ｔ１０から接点Ｔ０へ順次切り替えてコンデンサ１１の印加電圧Ｖをステップダウンすることにより、蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉからコンデンサ１１に静電エネルギーを供給し、かつ、コンデンサ１１に蓄えた静電エネルギーをほぼ蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉに回収することができる。
【０１３０】
以上のように、本実施形態の容量性負荷駆動回路１Ａは、主電源の電圧をｎ分割に分配して蓄電器３に蓄え、蓄電器３とコンデンサ１１との接続の切り替えを行うことで、蓄電器３からコンデンサ１１ヘ静電エネルギーを供給し、コンデンサ１１から放電された静電エネルギーを蓄電器３へ回収する構成であるので、高効率なエネルギー回収・再利用が可能となる。
【０１３１】
また、蓄電器３のコンデンサ２ａ〜２ｉを端子電圧の大きさの順に切り替えるので、コンデンサ２ａ〜２ｉおよびコンデンサ１１の突入電流を小さく抑えることができ、エネルギー損失を低減できる。また、コンデンサ１１をパルス駆動することができる。また、スイッチ７の切り替え段数ｎを大きく取ることにより、消費電力をより一層低減できる。
【０１３２】
さらに、実施の形態１および１Ａの容量性負荷駆動回路１および１Ａは、直列接続された抵抗４による分圧器５を有する構成であるので、コンデンサ２ａ〜２ｉの端子電圧が所定の電圧Ｖ１〜Ｖ９に調整され、安定した繰り返し動作ができる。
【０１３３】
なお、実施の形態１および１Ａでは、出力電圧Ｖがとり得る電圧値（０，Ｖ１〜Ｖ９，ＶＨ）の間隔、すなわちＶ１−０，Ｖ２−Ｖ１，Ｖ３−Ｖ２，Ｖ４−Ｖ３，Ｖ５−Ｖ４，Ｖ６−Ｖ５，Ｖ７−Ｖ６，Ｖ８−Ｖ７，Ｖ９−Ｖ８，ＶＨ−Ｖ９が、等しい値ＶＨ／１０になるようにしていた。しかしながら、必ずしもこの間隔を等しくする必要はない。ただし、この間隔を等しくする方がエネルギー回収効率が高くなるという利点がある。また、この間隔を等しくする方がコンデンサ２ａ〜２ｉおよびコンデンサ１１の突入電流をより一層小さく抑えることができる。
【０１３４】
また、本実施形態１および１Ａでは、蓄電器３のコンデンサ数を１０個にしていたが、この数は２個以上であれば、特に限定されるものではない。なお、蓄電器３のコンデンサ数をｎ個（ｎは２以上の整数）とした場合、静電エネルギーの回収効率はｎ／（ｎ＋１）となる。
【０１３５】
また、本実施形態１および１Ａの容量性負荷駆動回路１および１Ａでは、一連のパルス発生の際にスイッチ７をＴ０からＴ１０まで使用したが、必要とするパルス波高値がＶＨより低い場合、スイッチ７の一部の接点を使用せず、コンデンサ１１の電圧Ｖの上昇を任意の電圧ｍ・ＶＨ／１０（ｍは２以上９以下の整数）で止めても、十分な駆動動作が可能である。例えば、必要とするパルス波高値が９ＶＨ／１０の場合、スイッチ７の接点Ｔ０からＴ９までを使用するような形式であってもかまわない。同様に、コンデンサ１１の電圧Ｖの上昇を任意の電圧ｍ・ＶＨ／１０（ｍは２以上９以下の整数）で止めても、十分な駆動動作が可能である。コンデンサ１１の電圧Ｖの上昇を任意の電圧ｍ・ＶＨ／１０（ｍは２以上９以下の整数）で止めた場合、静電エネルギーの回収効率は（ｍ−１）／ｍとなる。
【０１３６】
これらスイッチ７の一部の接点を使用しない方式においては、蓄電器３について一部にコンデンサ１１へのエネルギーの供給とコンデンサ１１からのエネルギー回収とのアンバランスが生じるコンデンサ（２ａ〜ｉのいずれか）が存在するため、分圧器５からのエネルギー供給などにより生じたアンバランスを是正する必要がある。
【０１３７】
実施の形態１Ａは、容量性負荷であるコンデンサ１１への電圧パルス印加において、電圧波形の立上げの際に蓄電器３からコンデンサ１１にエネルギーを逐次供給し、逆に電圧波形立ち下げの際にコンデンサ１１から蓄電器３にエネルギーを回収することにより系としての消費電力を削減する手法であり、電圧パルスの立上げから立ち下げまでの間に他の回路から蓄電器３にエネルギー供給が行われると、コンデンサ１１から蓄電器３へのエネルギー回収効率が悪くなる。
【０１３８】
したがって、蓄電器３に生じたエネルギー供給とエネルギー回収とのアンバランスの是正はコンデンサ１１への波形発生が行われていない期間に行うか、あるいはコンデンサ１１への印加波形の時間に比べてゆっくりと行われる必要がある。
【０１３９】
また、本実施形態１および１Ａの容量性負荷駆動回路１および１Ａでは、ロータリー型のスイッチ７を用いていたが、切り替え手段として、並列に設けた１１個の１接点スイッチを用いてもよい。
【０１４０】
〔実施の形態２〕
次に、本発明のさらに他の実施形態を図４に基づいて以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１４１】
本実施形態の容量性負荷駆動回路は、図４に示すように、実施の形態１と同一の容量性負荷駆動回路１、あるいは図４４に示す実施の形態１Ａと同一の容量性負荷駆動回路１Ａである。
【０１４２】
本実施形態では、容量性負荷駆動回路１または１Ａの駆動対象となる容量性負荷の構成のみが実施の形態１および１Ａと異なる。言い換えると、本実施形態は、容量性負荷駆動回路１または１Ａの使用方法のみが実施の形態１および１Ａと異なる。
【０１４３】
実施の形態１または１Ａでは、駆動対象の容量性負荷がコンデンサ１１であったのに対し、本実施形態では、駆動対象である容量性負荷を、図４および図４４に示すように、インクジェットヘッド２３に備えられた複数個の圧電素子２１としたものである。また、インクジェットヘッド２３には、圧電素子２１に加えて、容量性負荷駆動回路１または１Ａと圧電素子２１との接続をＯＮ／ＯＦＦするアナログスイッチ２２が備えられている。
【０１４４】
上記の使用方法によれば、誘電率が高く、かつ、キャパシタンスが大きい圧電素子２１への充放電により、高い繰り返し周波数で駆動され、かつ、消費電力が大きいインクジェットヘッド２３の駆動において、高効率なエネルギー回収・再利用が可能となる。
【０１４５】
本実施形態の容量性負荷駆動回路１Ａと、静電エネルギー回収を行わない従来の容量性負荷駆動回路とにおいて、インクジェットヘッド２３を駆動したときの消費電力を見積もってみる。
【０１４６】
まず、インクジェットヘッド２３が、ＹＭＣＫの４色のヘッドを持ち、各色のヘッド毎に６４個の圧電素子２１およびインク吐出ノズルが設けられ、各色のヘッドのうち最大３色のヘッドが同時にＯＮされるものと仮定する。すると、容量性負荷駆動回路に接続される圧電素子２１の数は、最高で６４×３個となる。したがって、個々の圧電素子２１のキャパシタンスが８０ｐＦである場合、容量性負荷駆動回路に接続される圧電素子２１のキャパシタンスの合計は、最大で、
８０×６４×３＝０．０１５３μＦ
となる。
【０１４７】
そして、従来の容量性負荷駆動回路において、駆動電圧として、波高値２０Ｖ、パルス幅が８μｓの矩形波を圧電素子２１に印加した場合、容量性負荷駆動回路から圧電素子２１に流れる電流Ｉは、
Ｉ＝０．０１５３μＦ×２０Ｖ÷８μｓ＝０．０３８４Ａ
となる。したがって、従来の容量性負荷駆動回路は、１パルスあたりの消費電力Ｅが、
Ｅ＝０．０３８４Ａ×２０Ｖ＝０．７６８Ｗ
となる。
【０１４８】
これに対し、本実施形態の容量性負荷駆動回路１Ａを用い、Ｖ１＝２（Ｖ）、Ｖ２＝４（Ｖ）、Ｖ３＝６（Ｖ）、Ｖ４＝８（Ｖ）、Ｖ５＝１０（Ｖ）、Ｖ６＝１２（Ｖ）、Ｖ７＝１４（Ｖ）、Ｖ８＝１６（Ｖ）、Ｖ９＝１８（Ｖ）、ＶＨ＝２０（Ｖ）とし、インクジェットヘッド２３に従来の容量性負荷駆動回路を用いた場合と同様の動作を行わせた場合、１パルスあたりの消費電力が、０．０７７Ｗとなる。
【０１４９】
したがって、本実施形態の容量性負荷駆動回路１Ａでは、消費電力が、従来の容量性負荷駆動回路の１／１０でよい。この１／１０は、最後にエネルギーを蓄電器３のコンデンサに戻さずにグランドに放出する分によるものであり、それ以外はコンデンサに戻されるために消費されない。
【０１５０】
本実施例の場合、十分な電力回収を行うためには、蓄電器３を構成するコンデンサ２のそれぞれの静電容量はインクジェットヘッド２３の圧電素子２１を最大数駆動したときの負荷容量（上記例では８０×６４×３＝０．０１５３μＦ）よりも大きい必要がある。
【０１５１】
なお、本実施形態の装置では、コンデンサを用いて電力を回収しているため、ＬＣ共振を用いて電力を回収する回路と異なり、多数の容量性負荷（圧電素子２１）を同時に駆動しても、１つの容量性負荷を駆動する場合と同等の動作特性（回生効率等）を得ることができる。
【０１５２】
〔実施の形態３〕
本発明を適用したインクジェットプリンタ（画像形成装置）の実施の一形態を、図４、図５、および図６に基づいて説明する。
【０１５３】
図５は、インクジェットプリンタ（画像形成装置）の要部を示す斜視図である。
【０１５４】
図５に示すように、本実施形態のインクジェットプリンタ（画像形成装置）２１０では、キャリッジ２１１がタイミングベルト２１２を介してパルスモータ２１３に接続され、ガイド部材２１４に案内されて記録用紙２１５の紙幅方向に往復動するように構成されている。
【０１５５】
インクジェットヘッド２３は、キャリッジ２１１の上部に載置されているインクカートリッジ２１７からインクの補給を受けてキャリッジ２１１の移動に合わせて記録用紙２１５にインク滴を吐出してドットを形成し、記録用紙２１５に画像や文字を印刷する。
【０１５６】
図６は、インクジェットヘッド２３の構成を示す断面図である。
【０１５７】
図６に示すように、インクジェットヘッド２３では、ノズルプレート２２０にノズル開口２２１が形成され、流路形成板２２２には、圧力発生室２２３を区画する通孔、圧力発生室２２３に両側で連通する２つのインク供給口２２４を区画する通孔または溝、およびこれらのインク供給口２２４にそれぞれ連通する２つの共通のインク室２２５を区画する通孔が形成されている。振動板２２６は、弾性変形可能な薄板から構成され、ピエゾ素子などの圧電素子２１の先端に当接し、流路形成板２２２を挟んでノズルプレート２２０と液密に一体に固定され、流路ユニット２２８を構成している。圧電素子２１は、固定基板２３２に固定されている。
【０１５８】
このような構成により、圧電素子２１が収縮して圧力発生室２２３が膨張すると、共通のインク室２２５のインクがインク供給口２２４を経由して圧力発生室２２３に流れ込む。所定時間の経過後に圧電素子２１が伸長して圧力発生室２２３が収縮すると、圧力発生室２２３のインクが圧縮されてノズル開口２２１からインク滴が吐出する。
【０１５９】
インクジェットヘッド２３の圧電素子２１には、図４に示すように、容量性負荷駆動回路１がアナログスイッチ２２を介して接続されている。容量性負荷駆動回路１は、ノズル開口２２１からインク滴を吐出させるのに必要な電圧値の台形波を発生させるように構成されている。また、アナログスイッチ２２は、容量性負荷駆動回路１の出力電圧Ｖを、印刷データに対応する圧電素子２１に対して選択的に印加する。
【０１６０】
以上のようにして、本発明にかかる容量性負荷駆動回路１をインクジェットプリンタ（画像形成装置）２１０の圧電素子の駆動に用いることで、インクジェットプリンタ（画像形成装置）２１０の消費電力を低く抑えることができる。
【０１６１】
なお、以上、インクを加圧することによりインクを液滴状に吐出させるインク吐出手段として圧電素子を用いたインクジェットプリンタ（画像形成装置）２１０において、本発明にかかる容量性負荷駆動回路を圧電素子（容量性負荷）の駆動に用いた例について説明した。しかしながら、本発明にかかる容量性負荷駆動回路は、インク吐出手段として静電駆動電極を用いた静電方式（２つの電極（静電駆動電極）間に電圧を印加することによる電極間の静電吸引力を用いてインクを吐出する方式など）のインクジェットプリンタにおける静電駆動電極の駆動にも用いることができ、その場合にも同様の消費電力抑制効果を得ることができる。
【０１６２】
また、本発明にかかるインクジェットプリンタあるいは画像形成装置は、当然ながら、印刷専用の装置でなくともよく、複写機やファクシミリ装置等の機能を兼ね備える複合機であってもよい。
【０１６３】
〔実施の形態４〕
ここで、本発明の原理について説明する。
【０１６４】
図２３の回路において、図２３（ａ）に示すように、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１の初期電位をＶ０、容量性負荷Ｃｄの初期電位を０とする。ｔ＝０でスイッチＳＷ１をＯＮにすると、図２３（ｂ）に示すように、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１と容量性負荷Ｃｄとの電位差により、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１から容量性負荷Ｃｄへ電流Ｉが流れ、容量性負荷Ｃｄが充電される。この時の容量性負荷Ｃｄの両端電圧は、以下の式で表される。
【０１６５】
【数１】
2004223770.tif 000003
【０１６６】
スイッチＳＷ１のＯＮ後、十分に時間が経過すると、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１の電圧Ｖｓと容量性負荷Ｃｄの電圧Ｖｄとの差（エネルギー蓄積素子Ｃｓ１と容量性負荷Ｃｄとの電位差）がなくなり、電流Ｉは０になる。この電圧Ｖｓ・Ｖｄおよび電流Ｉの時間変化を図２４（ａ）（ｂ）に示す。この飽和電圧を、Ｖ１とする。
【０１６７】
【数２】
2004223770.tif 000004
【０１６８】
次に、スイッチＳＷ１をＯＦＦとし、初期電位Ｖ０＋ΔＶのエネルギー蓄積素子Ｃｓ２に容量性負荷Ｃｄを接続する（図２５参照）。容量性負荷Ｃｄは、容量性負荷Ｃｄとエネルギー蓄積素子Ｃｓ２との電位差によって充電される。このときの容量性負荷Ｃｄの両端電圧は、以下の式で表される。
【０１６９】
【数３】
2004223770.tif 000005
【０１７０】
スイッチＳＷ２のＯＮ後、十分に時間が経過すると、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１と容量性負荷Ｃｄとの電位差がなくなり、電流Ｉは０になる（図２５参照）。この飽和電圧をＶ２とする。
【０１７１】
【数４】
2004223770.tif 000006
【０１７２】
さらに、スイッチＳＷ２をＯＦＦにし、スイッチＳＷ１をＯＮにする（図２６参照）。容量性負荷Ｃｄとエネルギー蓄積素子Ｃｓ２との電位差によって、容量性負荷Ｃｄが放電される。この時の容量性負荷Ｃｄの両端電圧は、以下の式で表される。
【０１７３】
【数５】
2004223770.tif 000007
【０１７４】
スイッチＳＷ１のＯＮ後、十分に時間が経過すると、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１と容量性負荷Ｃｄとの電位差がなくなり、電流Ｉは０になる。この飽和電圧をＶ３とする。
【０１７５】
【数６】
2004223770.tif 000008
【０１７６】
いま容量性負荷Ｃｄの静電容量Ｃｄに比べてエネルギー蓄積素子Ｃｓ１の静電容量Ｃｓ１およびエネルギー蓄積素子Ｃｓ２の静電容量Ｃｓ２が十分に大きい場合を考えると、以下の式が成立する。
【０１７７】
【数７】
2004223770.tif 000009
【０１７８】
従って、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１については、初期電位Ｖ０と、容量性負荷Ｃｄを充電した後の電位Ｖ１と、容量性負荷Ｃｄから回生を受けた後の電位Ｖ３とがほぼ等しくなり、エネルギー蓄積素子Ｃｓ１と容量性負荷Ｃｄとの間ではエネルギーロスが見かけ上０になる。
【０１７９】
次に、動作原理説明のための実施形態として、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１を例に挙げて説明する。
【０１８０】
容量性負荷駆動回路３０１は、圧電素子等の容量性負荷３１１を充放電することで容量性負荷３１１を駆動するものであり、容量性負荷３１１とグラウンドとの間に並列に接続されたエネルギー蓄積素子としてのコンデンサＣ（１）、Ｃ（２）、およびＣ（３）を備えている。また、電源電圧ＶＨを供給するための直流電源（電源）である電力源３０９が設けられている。
【０１８１】
図示しないが、これらコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）に初期電位（初期電荷）を付与する初期電位付与手段が設けられている。この初期電位付与手段は、電力源３０９から供給されている電源電圧ＶＨと接地電位（＝０）との間の電位差（電圧）を４等分に分割（分圧）し、分圧によって生成された３つの電位Ｖ１（＝１／４・ＶＨ）、Ｖ２（＝２／４・ＶＨ）、およびＶ３（＝３／４・ＶＨ）をそれぞれコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）に初期電位として付与するものである。この初期電位付与手段は、例えば、グラウンド（接地点）と電力源３０９との間に接続され、接地電位と電源電圧ＶＨとの間の電位差を分圧し、分圧された電圧をコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）が接続されている分圧点に供給する分圧手段である。上記分圧手段としては、例えば、前述した分圧器５と同様、電源電圧Ｖが供給されている電力供給点ＶＨ（電源端子）とグラウンド（接地端子）との間に直列に接続された４つの抵抗を備える抵抗分圧回路を用いることができる。
【０１８２】
さらに、容量性負荷３１１とコンデンサＣ（１）、Ｃ（２）、およびＣ（３）との間にはそれぞれ、スイッチング素子Ｓ（１）、Ｓ（２）、およびＳ（３）が接続され、電力源３０９と容量性負荷３１１との間にはスイッチング素子Ｓ（４）が接続され、接地電位Ｇと容量性負荷３１１との間にはスイッチング素子Ｓ（０）が接続されている。この形態では、スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）によって切り替え手段が構成されている。一方、容量性負荷３１１の他端はグラウンドに接続されている。また、コンデンサＣ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）の他端は接地点（基準電位端子、接地端子）Ｃ（０）を介してグラウンドに接続されている。
【０１８３】
以上の構成を備える容量性負荷駆動回路３０１の動作について、以下、図１３〜図１６に基づいて説明する。なお、以下、説明の都合上、電源電圧ＶＨが正電位である場合について説明する。電源電圧ＶＨが負電位である場合の動作も、電位の極性および電荷移動方向が逆になる以外は同様である。
【０１８４】
初期的に、図１３（ａ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）のうちスイッチング素子Ｓ（０）のみを接続状態（ＯＮ状態）とし、容量性負荷３１１には電荷が蓄積されていない状態（初期状態）とする（図４５のＳ０）。
【０１８５】
第１のステップとして、図１３（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（０）を切断状態（ＯＦＦ状態）とし、次いで、スイッチング素子Ｓ（１）を接続状態とする。このとき、コンデンサＣ（１）には電位Ｖ１（＝１／４・ＶＨ）のエネルギーが蓄積されており、容量性負荷３１１には電荷が蓄積されていないため、コンデンサＣ（１）と容量性負荷３１１との間には、ＶＨ／４の電位差がある。この電位差ＶＨ／４により、コンデンサＣ（１）の静電容量Ｃ１と容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（１）から容量性負荷３１１へ移動する。すなわち、コンデンサＣ（１）から容量性負荷３１１への静電エネルギー（以下、適宜、単に「エネルギー」と呼ぶ）の注入が行われ、容量性負荷３１１が充電される（図４５のＳ１）。コンデンサＣ（１）の電位は容量性負荷３１１に流れ込んだ電荷分低くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（１）から流れ込んだ電荷分高くなる。コンデンサＣ（１）の静電容量Ｃ１が容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄより十分に大きい（Ｃ１＞Ｃｄ）場合、コンデンサＣ（１）の電位変化は小さい。スイッチング素子Ｓ（１）が接続状態とされている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（１）と容量性負荷３１１の電位は等しくなる。したがって、充電後のコンデンサＣ（１）および容量性負荷３１１のの電位は、コンデンサＣ（１）の初期電位ＶＨ／４（＝Ｖ１）より若干低い電位となる（図１５参照）。この電位をＶ１’とする。
【０１８６】
第２のステップとして、図１３（ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（１）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（２）を接続状態とする。このときコンデンサＣ（２）には電位Ｖ１’よりも高い電位である電位Ｖ２のエネルギーが蓄積されているため、コンデンサＣ（２）の静電容量Ｃ２と容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（２）から容量性負荷３１１へ移動する。すなわち、電位差Ｖ２‐Ｖ１’（＝ＶＨ／４＋α；αはＶＨと比較して小さい値）によって、コンデンサＣ（２）から容量性負荷３１１にエネルギーの注入が行われ、容量性負荷３１１がさらに充電される（図４５のＳ２）。コンデンサＣ（２）の電位は容量性負荷３１１に流れ込んだ電荷分低くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（２）から流れ込んだ電荷分高くなる。コンデンサＣ（２）の静電容量Ｃ２が容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄより十分に大きい（Ｃ２＞Ｃｄ）場合、コンデンサＣ（２）の電位変化は小さい。スイッチング素子Ｓ（２）が接続されている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（２）と容量性負荷３１１の電位はほぼ等しくなる。したがって、充電後のコンデンサＣ（２）および容量性負荷３１１の電位は、コンデンサＣ（２）の初期電位２ＶＨ／４（＝Ｖ２）より若干低い電位となる（図１５参照）。この電位をＶ２’とする。
【０１８７】
第３のステップとして、図１３（ｄ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（２）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（３）を接続状態とする。このときコンデンサＣ（３）には電位Ｖ２’よりも高い電位である電位Ｖ３のエネルギーが蓄積されているため、コンデンサＣ（３）の静電容量Ｃ３と容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（３）から容量性負荷３１１へ移動する。すなわち、電位差Ｖ３‐Ｖ２’（＝ＶＨ／４＋α）によって、コンデンサＣ（３）から容量性負荷３１１にエネルギーの注入が行われ、容量性負荷３１１がさらに充電される（図４５のＳ３）。コンデンサＣ（３）の電位は容量性負荷３１１に流れ込んだ電荷分低くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（３）から流れ込んだ電荷分高くなる。コンデンサＣ（３）の静電容量Ｃ３が容量性負荷３１１の静電容量Ｃｄより十分に大きい（Ｃ３＞Ｃｄ）場合、コンデンサＣ（３）の電位変化は小さい。スイッチング素子Ｓ（３）が接続されている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（３）と容量性負荷３１１の電位はほぼ等しくなる。したがって、充電後のコンデンサＣ（３）および容量性負荷３１１の電位は、コンデンサＣ（３）の初期電位３ＶＨ／４（＝Ｖ３）より若干低い電位となる（図１５参照）。この電位をＶ３’とする。
【０１８８】
第４のステップとして、図１３（ｄ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（３）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（４）を接続状態とする。このとき、電源電圧（電源電位）ＶＨは電位Ｖ３’よりも高いため、これらの電位差ＶＨ−Ｖ３’（＝ＶＨ／４＋α）によって電力源３０９から容量性負荷３１１にエネルギーの注入が行われ、容量性負荷３１１がさらに充電される（図４５のＳ４）。スイッチング素子Ｓ（４）が接続されている時間が十分に長い場合、充電後の容量性負荷３１１の電位は、電源電圧ＶＨまで吊上げられる。
【０１８９】
第５のステップとして、図１４（ａ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（４）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（３）を接続状態とする（図４５のＳ５）。このとき容量性負荷３１１には、コンデンサＣ（３）の電位Ｖ３’よりも高い電位である電位ＶＨのエネルギーが蓄積されているため、ＶＨ／４＋αである電位差ＶＨ−Ｖ３’によって、コンデンサＣ（３）の静電容量Ｃ３と容量性負荷の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（３）に移動し、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（３）へ充電される。これにより、コンデンサＣ（３）の電位は容量性負荷３１１から流れ込んだ電荷分高くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（３）へ流れ込んだ電荷分低くなる。スイッチング素子Ｓ（３）が接続されている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（３）と容量性負荷３１１の電位は等しくなる。充電の結果としてコンデンサＣ（３）の電位はほぼ元のＶ３＝３ＶＨ／４に戻り、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（３）へエネルギーの回生が行われたことになる（図４５のＳ５）。
【０１９０】
第６のステップとして、図１４（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（３）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（２）を接続状態とする（図４５のＳ６）。このとき容量性負荷３１１には電位Ｖ２’よりも高い電位である電位Ｖ３のエネルギーが蓄積されているため、ＶＨ／４＋αである電位差Ｖ３−Ｖ２’によって、コンデンサＣ（２）の静電容量Ｃ２と容量性負荷の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（２）に移動し、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（２）へ充電される。これにより、コンデンサＣ（２）の電位は容量性負荷３１１から流れ込んだ電荷分高くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（２）へ流れ込んだ電荷分低くなる。スイッチング素子Ｓ（２）が接続されている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（２）と容量性負荷３１１の電位は等しくなる。充電の結果としてコンデンサＣ（２）の電位はほぼ元のＶ２＝２ＶＨ／４に戻り、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（２）にエネルギーの回生が行われたことになる（図４５のＳ６）。
【０１９１】
第７のステップとして、図１４（ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（２）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（１）を接続状態とする（図４５のＳ７）。このとき容量性負荷３１１には、電位Ｖ１’よりも高い電位である電位Ｖ２のエネルギーが蓄積されているため、ＶＨ／４＋αである電位差Ｖ２−Ｖ１’によって、コンデンサＣ（１）の静電容量Ｃ１と容量性負荷の静電容量Ｃｄとの比率に応じた電荷がコンデンサＣ（１）に移動し、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（１）へ充電される。これにより、コンデンサＣ（１）の電位は容量性負荷３１１から流れ込んだ電荷分高くなり、逆に容量性負荷３１１の電位はコンデンサＣ（１）へ流れ込んだ電荷分低くなる。スイッチング素子Ｓ（１）が接続されている時間が十分に長い場合、エネルギーの移動によりコンデンサＣ（１）と容量性負荷３１１の電位は等しくなる。充電の結果としてコンデンサＣ（１）の電位はほぼ元のＶ１＝ＶＨ／４に戻り、容量性負荷３１１からコンデンサＣ（１）にエネルギーの回生が行われたことになる（図４５のＳ７）。
【０１９２】
第８のステップとして、図１４（ｄ）に示すように、スイッチング素子Ｓ（１）を切断状態とし、次いでスイッチング素子Ｓ（０）を接続状態とする。このとき容量性負荷３１１には接地電位’よりも高い電位である電位Ｖ１’のエネルギーが蓄積されているため、電位差ＶＨ／４＋αである電位差Ｖ１’によって容量性負荷３１１の電荷が接地電位に流出（放電）、つまり消費（破棄）される（図４５のＳ８）。その後、Ｓ１に戻る。
【０１９３】
以上、第１〜第８のステップＳ１〜Ｓ８において、エネルギー的に見ると、第１のステップＳ１で容量性負荷３１１に注入されたコンデンサＣ（１）の蓄積エネルギーは、第７のステップＳ７で容量性負荷３１１からコンデンサＣ（１）に戻されるエネルギーによって回生される。第２のステップＳ２で容量性負荷３１１に注入されたエネルギーは、第６のステップＳ６で容量性負荷３１１からコンデンサＣ（１）に戻されるエネルギーによって回生される。第３のステップＳ３で容量性負荷３１１に注入されたエネルギーは、第５のステップＳ５で容量性負荷３１１からコンデンサＣ（１）に戻されるエネルギーによって回生される。つまり、第１〜第８のステップＳ１〜Ｓ８を総合すると、第１〜第８のステップＳ１〜Ｓ８において、容量性負荷３１１へのエネルギー注入は第４のステップＳ４で行われ、エネルギー消費は第８のステップＳ８で行われ、その他のステップにおけるエネルギーの輸送は、相対するステップによりキャンセルされる（図１５参照）ため、エネルギー注入・消費は見かけ上行われないことになる。結果的に、同じ１／４・ＶＨに相当するエネルギーだけが消費されることになる。つまり電圧ＶＨを充電し、そのまま放電するＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌなどの方式に比べ２５％のエネルギー消費で充放電ができる。
【０１９４】
さらに具体的な例として、上記４段の容量性負荷駆動回路３０１を用いて波高値１０Ｖｐｐのパルスを作成する際に場合の電圧変化について記述する。１０Ｖを４分割すると１段当りの電位差は２．５Ｖになり、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）のそれぞれの電位２．５Ｖ、５．０Ｖ、７．５Ｖと、接地電位０Ｖおよび電源電位１０Ｖとの５つの電位に分割される。また、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の静電容量は、容量性負荷３１１の静電容量に比べて大きい方が好ましいが、動作を判りやすくするために、容量性負荷３１１の４倍とする。また、系に用いるスイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）には、通常半ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＧＴＯサイリスタなどの半導体スイッチを用いるが、半導体スイッチの場合、ＯＮ抵抗が無視できないため、容量性負荷３１１への充放電は特定の時定数を持つ指数関数的に行われる。従って、波形形成の場合はスイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）のＯＮ時間と容量性負荷３１１への充放電時定数との関係が重要になるが、簡単化のためにスイッチング素子のＯＮ抵抗は非常に小さく、スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）のＯＮ抵抗による系の影響は無視できる程度の十分長いスイッチング時間で次段へ切り替えるとの前提で計算を行う。計算結果を表１に示す。表１において、Ｖｄは容量性負荷３１１の電位、Ｖｓ＿０は接地電位、Ｖｓ＿ｎ（ｎは１〜３）は各段のコンデンサＣ（ｎ）の電位、Ｖｓ＿４は電源電位を表す。
【０１９５】
【表１】
2004223770.tif 000010
【０１９６】
この結果から明らかなように、各コンデンサから容量性負荷へエネルギーが注入されると、それに伴い各コンデンサの電位も減少する。しかし、逆に容量性負荷から各コンデンサへエネルギーが注入されると各コンデンサの電位は元に戻り、結果として電力が回生される。
【０１９７】
以上のように、本実施形態に係る容量性負荷駆動回路３０１は、電力源３０９から電源電位ＶＨが付与された電源端子３０９ａと、接地電位（基準電位）が付与された接地端子Ｃ（０）（基準電位端子）と、接地電位と電源電位ＶＨとの間で、かつ互いに異なる初期電位Ｖ（１）〜Ｖ（３）が付与された３個のコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）と、接地端子Ｃ（０）、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）、および電源端子３０９ａを選択的に容量性負荷３１１と接続するためのスイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）とを備え、上記スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）は、接地端子Ｃ（０）を容量性負荷３１１に接続した後に各コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）をその初期電位が接地電位に近い方から順に容量性負荷３１１に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧を電源電位ＶＨに近づくように変化させる第１のステップ（Ｓ１〜Ｓ３）と、その後に容量性負荷３１１を電源端子３０９ａと選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を増大させる第２のステップ（Ｓ４）と、その後に各コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）をその初期電位が電源電位ＶＨに近い方から順に容量性負荷３１１に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を減少させると共に、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の蓄積静電エネルギーを第１のステップの前とほぼ等しくなるように回生する第３のステップ（Ｓ５〜Ｓ７）とを実行するようになっている構成である。
【０１９８】
なお、ここでは、接地電位と電源電位ＶＨとの間で、かつ互いに異なる初期電位が付与されたコンデンサの数が３個であり、容量性負荷３１１を充電（または放電）するステップの数（スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（４）の電位の種類の数より１つ小さく、コンデンサの数より１つ多い；以下、「段数」と呼ぶ）が４段である場合について説明した。
【０１９９】
しかしながら、段数は２段以上であれば特に限定されるものではない。理想的には、２段の場合には回生効率５０％、３段には回生効率６６．７％、４段の場合には回生効率７５％、５段の場合には回生効率８０％、と段数を増加させるほど回生効率は高くなる。しかしながら、段数を増加させるほど電圧立上げに必要な時間は長くなり、かつ必要な回路数も増加する。従って、段数は、必要な駆動波形や回路のサイズ、コストなどにより決定すればよい。一般には、高速立上げが必要な場合には３〜４段の回路構成が好ましく、電力消費を抑制したい場合には４〜５段の回路構成が好ましい。
【０２００】
また、上記の説明では、電源電圧ＶＨを４段で均等分割した場合を用いて説明したが、必ずしも均等に分割する必要は無い。しかしながら、本実施形態の容量性負荷駆動回路３０１は、コンデンサＣ（Ｉ）（Ｉ＝１，２，３）からＶ（Ｉ−１）（ただしＶ（０）＝０）の電位を持つ容量性負荷３１１へのエネルギー注入（Ｓ１〜Ｓ３）によるコンデンサＣ（Ｉ）のエネルギー減少分を、Ｖ（Ｉ）（ただしＶ（４）＝ＶＨ）の電位を持つ容量性負荷３１１からＣ（Ｉ）へエネルギー注入することにより回生する（Ｓ５〜Ｓ８）原理で電力回生を行うことから、理想的な電力回生を行うためには均等分割が最も好ましい。
【０２０１】
ここで、容量性負荷３１１の時定数とコンデンサＣ（Ｉ）のスイッチング時間について考察する。
【０２０２】
図２７に示す回路において、コンデンサＣｓに初期電位が付与され、容量性負荷Ｃｄが放電されている状態を考えると、スイッチＳＷのＯｎ後、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図２８に示すように時間の経過に従って上昇する。十分に時間が経過すると、容量性負荷Ｃｄは、コンデンサＣｓと電位差がなくなり、電流Ｉは０になる。本願明細書では、この飽和電圧を「到達電圧」と呼ぶ。
【０２０３】
図２７に示す回路において、ある時間（スイッチング時間（Ｔｓ））が経過した時点でスイッチを切るとすると、スイッチング時間（Ｔｓ）が時定数（τｏ＝Ｒ・Ｃｄ；Ｒはエネルギー蓄積素子と容量性負荷とを含む充電経路もしくは放電経路の直流抵抗成分、Ｃｄは容量性負荷の静電容量）より短い場合、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図２９（ａ）に示すように変化する。したがって、本発明に係る３段の容量性負荷駆動回路においては、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図２９（ｂ）に示すように変化する。
【０２０４】
スイッチング時間（Ｔｓ）が時定数（τｏ＝Ｒ・Ｃｄ）と等しい場合、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図３０（ａ）に示すように変化する。したがって、本発明に係る３段の容量性負荷駆動回路においては、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図３０（ｂ）に示すように変化する。
【０２０５】
スイッチング時間（Ｔｓ）が時定数（τｏ＝Ｒ・Ｃｄ）より長い場合、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図３１（ａ）に示すように変化する。したがって、本発明に係る３段の容量性負荷駆動回路においては、容量性負荷Ｃｄの電圧は、図３１（ｂ）に示すように変化する。
【０２０６】
本発明の容量性負荷駆動回路において、エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子と容量性負荷とを含む充電経路もしくは放電経路の直流抵抗成分をＲ、エネルギー蓄積素子のスイッチング時間（切り替え時間；容量性負荷への接続が継続される時間）をＴｓとすると、
τｏ≦Ｔｓ≦２．５・τｏ
（但し、τｏ＝Ｒ・Ｃｄ）
であることが好ましい。Ｔｓ＜τｏであると、得られるパルスの波高値が到達電圧の６３％以下になり、容量性負荷へのエネルギー供給効率が低下する。また、Ｔｓ＞２．５・τｏとすると、スイッチング時間が極端に長くなってしまう。
【０２０７】
〔実施の形態５〕
次に、本発明のさらに他の実施形態について図１６ないし図１９に基づいて以下に説明する。なお、説明の便宜上、前記実施の形態４にて示した各部材と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０２０８】
本実施形態に係る容量性負荷駆動回路３０２は、実施の形態４の容量性負荷駆動回路３０１における電力源３０９とそれに接続されたスイッチング素子Ｓ（４）との間にエネルギー蓄積素子としてのコンデンサＣ（Ｎ）を追加し、段数（コンデンサ数）を一般化したものである。
【０２０９】
本実施形態に係る容量性負荷駆動回路３０２は、図１６および図１７に示すように、接地電位（基準電位）Ｖ（０）（＝０）を有する接地端子Ｃ（０）と、０でない初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）（Ｎは２以上の自然数）を持つＮ個のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）（エネルギー蓄積素子）と、接地端子Ｃ（０）（基準電位端子）と容量性負荷３１１とを接続するスイッチング素子Ｓ（０）（切り替え手段）と、コンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）（切り替え手段）と容量性負荷３１１を選択的に接続するＮ個のスイッチング素子Ｓ（１）…Ｓ（Ｎ）とを有し、コンデンサＣ（Ｎ）が電力発生源に（直接、若しくは何らかの回路を介して）接続されているパルス発生回路であって、上記Ｎ個のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）は、０でない第１の初期電位Ｖ（Ｉ）を持つコンデンサＣ（Ｉ）（第１のエネルギー蓄積素子）と、初期電位Ｖ（Ｉ）と同極性でかつ初期電位Ｖ（Ｉ）より絶対値の大きい第２の初期電位Ｖ（Ｉ＋１）を持つコンデンサＣ（Ｉ＋１）（第２のエネルギー蓄積素子）とを含み、スイッチング素子Ｓ（０）〜Ｓ（Ｎ）（切り替え手段）が、容量性負荷３１１を接地端子またはコンデンサＣ（Ｉ−１）（接地端子または第３のエネルギー蓄積素子）と選択的に接続した後に容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の電位（端子電圧）をコンデンサＣ（Ｉ）の初期電位に近づくように変化させる第１の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ＋１）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の電位（端子電圧）の絶対値を増大させる第２の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の電位（端子電圧）の絶対値を減少させると共にコンデンサＣ（Ｉ）の蓄積静電エネルギーを第１の充電ステップの前とほぼ等しくなるように回生する放電ステップとを実行するようになっている。なお、図１６においても、初期電荷を与える回路は省略している。
【０２１０】
上記構成の動作を図１７に基づいて説明する。
【０２１１】
パルス発生のエネルギー消費は、コンデンサＣ（Ｎ）からコンデンサＣ（Ｎ−１）への電荷移動分が接地電位に向かって輸送され、接地端子Ｃ（０）で消費される。図１７（ａ）から図１７（ｆ）のサイクルは、実施の形態４におけるステップＳ１〜Ｓ８のサイクルと同様の効果を奏する。すなわち、図１７（ａ）から図１７（ｂ）への移行の際にコンデンサＣ（Ｉ）から流出した電荷と、図１７（ｄ）から図１７（ｅ）への移行の際にコンデンサＣ（Ｉ）へ流入する電荷とをほぼ等しくすることで、図１７（ａ）から図１７（ｆ）のサイクルにおいてコンデンサＣ（Ｉ）は見かけ上エネルギー消費をしなくなる。
【０２１２】
したがって、少なくとも図１７（ａ）から図１７（ｆ）のサイクルを実行するようになっていればよく、Ｎ個のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）の全てを使用しても一部を使用してもよい。使用するコンデンサは、発生しようとするパルスに応じて適宜設定すればよい。例えば、ベース電位が接地電位で、パルス振幅の大きいパルスを発生したい場合には、全てのコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）を使用すればよい。また、発生しようとするパルスの波高値が電源電圧ＶＨより低い場合や、ベース電位が接地電位でないパルスを発生したい場合には、一部のコンデンサのみを使用すればよい。
【０２１３】
したがって、本実施形態に係る容量性負荷駆動回路３０２は、異なる複数の初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）（Ｎは２以上の自然数）が付与された複数のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）と、上記コンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）を選択的に容量性負荷３１１と接続するためのスイッチング素子Ｓ（１）…Ｓ（Ｎ）とを備え、上記複数のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）は、０でない第１の初期電位Ｖ（Ｉ）を持つコンデンサＣ（Ｉ）と、第１の初期電位Ｖ（Ｉ）より絶対値の大きい第２の初期電位Ｖ（Ｉ＋１）を持つコンデンサＣ（Ｉ＋１）と、第１の初期電位Ｖ（Ｉ）と同極性でかつ第１の初期電位Ｖ（Ｉ）より絶対値の小さい電位である第３の初期電位Ｖ（Ｉ−１）を持つコンデンサＣ（Ｉ−１）とを含み、スイッチング素子Ｓ（１）…Ｓ（Ｎ）は、容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ−１）と選択的に接続した後にコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷の端子電圧３１１を第１の初期電位に近づくように変化させる第１の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１を第２の初期電位Ｖ（Ｉ＋１）とエネルギー蓄積素子に選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を増大させる第２の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を減少させると共に、第１のコンデンサＣ（Ｉ）の蓄積静電エネルギーを第１の充電ステップの前とほぼ等しくなるように回生する放電ステップとを実行するようになっている構成であってもよい。
【０２１４】
また、初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）は、正であってもよく、負であってもよいが、初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）が正の場合、例えば図１８に示すパルスを発生できる。また、初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）が負の場合、例えば図１９に示すパルスを発生できる。
【０２１５】
なお、本実施形態において、電力源３０９に接続されているコンデンサＣ（Ｎ）は無くても動作する（通常は電力源３０９に内蔵される）。
【０２１６】
それゆえ、本実施形態に係る容量性負荷駆動回路３０２は、電力源３０９から電源電位ＶＨが付与された電源端子（ＶＨ）と、異なる複数の初期電位Ｖ（１）…Ｖ（Ｎ）（Ｎは２以上の自然数）が付与されたＮ個のコンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）と、上記コンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）および電源端子（ＶＨ）を選択的に容量性負荷３１１と接続するためのスイッチング素子Ｓ（１）…Ｓ（Ｎ）とを備え、上記コンデンサＣ（１）…Ｃ（Ｎ）は、電源電位ＶＨと同極性でかつ電源電位ＶＨより絶対値の小さい第１の初期電位Ｖ（Ｉ）を持つコンデンサＣ（Ｉ）と、第１の初期電位Ｖ（Ｉ）と同極性でかつ第１の初期電位Ｖ（Ｉ）より絶対値の小さい電位である第３の初期電位Ｖ（Ｉ−１）を持つコンデンサＣ（Ｉ−１）とを含み、上記スイッチング素子Ｓ（１）…Ｓ（Ｎ）が、容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ−１）と選択的に接続した後にコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧を第１の初期電位Ｖ（Ｉ）に近づくように変化させる第１の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１を電源端子（ＶＨ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を増大させる第２の充電ステップと、その後に容量性負荷３１１をコンデンサＣ（Ｉ）と選択的に接続することで容量性負荷３１１の端子電圧の絶対値を減少させると共に、コンデンサＣ（Ｉ）の蓄積静電エネルギーを第１の充電ステップの前とほぼ等しくなるように回生する放電ステップとを実行するようになっている構成であってもよい。
【０２１７】
次に、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１において、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の静電容量成分、容量性負荷３１１の静電容量、スイッチング素子Ｓ（１）〜Ｓ（３）のスイッチング時間、および充放電経路の抵抗値の設定について考察する。容量性負荷３１１の電圧は、第１〜第３のステップの間に到達電圧（第１〜第３のステップを無限時間継続したときに容量性負荷３１１の電圧が到達する最終の電圧）の９０％に到達することが望ましいと考えられる。そこで、そのための条件を求める。
【０２１８】
まず、スイッチング素子Ｓ（１）のスイッチング時間は第１のステップの時間、スイッチング素子Ｓ（２）のスイッチング時間は第２のステップの時間、スイッチング素子Ｓ（３）のスイッチング時間は第３のステップの時間であり、これらは互いに等しいものとする。
【０２１９】
ここで、容量性負荷３１１の静電容量をＣｄ（単位Ｆ）、容量性負荷３１１に対するコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の充放電経路の抵抗値の各々をＲ（単位Ω）とすると、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の各々の充放電の時定数τ０（単位ｓｅｃ）は、次式
τ０＝Ｒ・Ｃｄ
で表される。コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の静電容量成分をＣｓ（単位Ｆ）、負荷容量比Ｃｄ／ＣｓをＸ、スイッチング素子Ｓ（１）〜Ｓ（３）のスイッチング時間をＴｓ（単位ｓｅｃ）とすると、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％に到達する条件は、理論計算により求めることができ、図４６の実線に示すようになる。図４６は、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対して、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％以上となる最大の負荷容量比Ｘ（＝Ｃｄ／Ｃｓ）を表す。
【０２２０】
図４６に示すように、Ｔｓ／τ０＜２．５の場合、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％に到達する条件は、近似曲線
Ｘ＝０．１６４（Ｔｓ／τ０）０．２１９８
にほぼ等しい。一方、Ｔｓ／τ０≧２．５の場合、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％に到達する条件は、直線
Ｘ＝０．２
にほぼ等しい。
【０２２１】
したがって、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％以上となる条件は、近似的に、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
で表される。
【０２２２】
それゆえ、上記条件を満たせば、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％以上となり、好ましい。上の式が成立しない場合、コンデンサＣ（１）〜（３）から容量性負荷３１１への電荷の流出によるコンデンサＣ（１）〜（３）の電圧変化が大きくなり、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％に達成しない。この結果、パルス発生時の電力回生率が悪化し、容量性負荷駆動回路の省エネ駆動を害する。また、上の式が成立しない場合、１回のパルス発生によるＣ（１）〜（３）の電圧変化が大きく、次のパルス発生までにその電圧変化を補正する必要が生じる。
【０２２３】
以上の説明では、第１〜第３のステップの間に容量性負荷３１１の電圧が到達電圧の９０％以上となる条件について考察したが、エネルギー回生率を向上させることも重要である。
【０２２４】
図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１において、容量性負荷３１１の静電容量をＣｄ（単位Ｆ）、容量性負荷３１１に対するコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の充放電経路の抵抗値の各々をＲ（単位Ω）とすると、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の各々の充放電の時定数τ０（単位ｓｅｃ）は、次式
τ０＝Ｒ・Ｃｄ
で表される。コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の静電容量成分をＣｓ（単位Ｆ）、負荷容量比Ｃｄ／ＣｓをＸ、スイッチング素子Ｓ（１）〜Ｓ（３）のスイッチング時間をＴｓ（単位ｓｅｃ）とすると、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対するエネルギー消費率（１からエネルギー回生率を引いた値に等しい）の変化は、理論計算により、図４９に示すように求めることができる。
【０２２５】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを２段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対するエネルギー消費率の変化は、図４７に示すようになる。
【０２２６】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを３段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対するエネルギー消費率の変化は、図４８に示すようになる。
【０２２７】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを５段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対するエネルギー消費率の変化は、図５０に示すようになる。
【０２２８】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを６段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比Ｔｓ／τ０に対するエネルギー消費率の変化は、図５１に示すようになる。なお、図４７〜図５１には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００１の場合も、負荷容量比Ｘが０．００３の場合とほぼ同様であった。
【０２２９】
これらの結果から、エネルギー消費率はＴｓ／τ０に大きく依存するものの、負荷容量比Ｘが
Ｘ≦０．０１
を満たす場合に、容量性負荷の静電容量Ｃｄが増大してもエネルギー消費率を十分に低下できることが分かった。上の式が成立する場合、コンデンサの出力電圧を減じること無く有効に容量性負荷３１１に与えることが可能となる。また、Ｘ≦０．０１である場合、コンデンサあるいは容量性負荷の静電容量のバラツキや変動（温度変化など）により駆動電圧が変動することが抑制され、信頼性の高い吐出動作が可能となり、容量性負荷３１１を含む駆動系（容量性負荷駆動回路によって駆動される系）を安定動作させることができる。一方、上の式が成立しない場合、容量性負荷の静電容量Ｃｄの増大時にエネルギー回生率が悪化する。
【０２３０】
次に、容量性負荷に印加されるパルスの波形のスルーレート（１０％−９０％）（パルスが波高値の１０％から９０％まで立ち上がるのに必要な時間に対する、パルスが波高値の１０％から９０％まで立ち上がるときの電圧変化量）が良好となる条件について考察する。
【０２３１】
図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１において、容量性負荷３１１の静電容量をＣｄ（単位Ｆ）、容量性負荷３１１に対するコンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の充放電経路の抵抗値の各々をＲ（単位Ω）とすると、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の各々の充放電の時定数τ０（単位Ｓｅｃ）は、次式
τ０＝Ｒ・Ｃｄ
で表される。コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）の静電容量成分をＣｓ（単位Ｆ）、スイッチング素子Ｓ（１）〜Ｓ（３）のスイッチング時間をＴｓ（単位ｓｅｃ）、最終到達電圧（コンデンサＣ（１）〜Ｃ（３）による充電を無限時間かけて行った場合に容量性負荷３１１が到達する電圧）をＶ（＝３ＶＨ／４）、容量性負荷３１１に印加されるパルスの波形のスルーレート（１０％−９０％）ＳＲ（単位Ｖ／μｓｅｃ）とし、
ｘ＝Ｔｓ／τ０
とすると、負荷容量比Ｘを０．００１から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比ｘ＝Ｔｓ／τ０に対するスルーレート（１０％−９０％）ＳＲの変化は、理論計算により、図５４に示すように求めることができる。なお、図５４には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００３〜０．０３の場合も、負荷容量比Ｘが０．００１の場合とほぼ同様であった。
【０２３２】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを２段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００１から０．１まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比ｘ＝Ｔｓ／τ０に対するスルーレート（１０％−９０％）ＳＲの変化の変化は、図５２に示すようになる。なお、図５２には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００３の場合も、負荷容量比Ｘが０．００１の場合とほぼ同様であった。
【０２３３】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを３段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００１から０．１まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比ｘ＝Ｔｓ／τ０に対するスルーレート（１０％−９０％）ＳＲの変化の変化は、図５３に示すようになる。なお、図５３には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００３〜０．０１の場合も、負荷容量比Ｘが０．００１の場合とほぼ同様であった。
【０２３４】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを５段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比ｘ＝Ｔｓ／τ０に対するスルーレート（１０％−９０％）ＳＲの変化の変化は、図５５に示すようになる。なお、図５５には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００３〜０．０３の場合も、負荷容量比Ｘが０．００１の場合とほぼ同様であった。
【０２３５】
また、図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路３０１における段数のみを６段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数τ０とスイッチ時間Ｔｓとの比ｘ＝Ｔｓ／τ０に対するスルーレート（１０％−９０％）ＳＲの変化の変化は、図５６に示すようになる。なお、図５６には示していないが、負荷容量比Ｘが０．００３〜０．１の場合も、負荷容量比Ｘが０．００１の場合とほぼ同様であった。
【０２３６】
以上の結果から、駆動パルスの１周期の間における個々のコンデンサによる充電ステップの実行回数（段数）をＮとすると、スルーレート（１０％−９０％）ＳＲの限界値は、
Ｎ＝２（２段）の場合、ＳＲ＝Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
Ｎ＝３（３段）の場合、ＳＲ＝Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４（４段）の場合、ＳＲ＝Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５（５段以上）の場合、ＳＲ＝Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
で表されることが分かった。したがって、スルーレート設計の上で、上の式を基準にスイッチング時間および段数を設定することができる。
【０２３７】
従って、装置に要求されるスルーレートＳＲを満たすために回路パラメータ、スイッチ時間は、
Ｎ＝２（２段）の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
Ｎ＝３（３段）の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４（４段）の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５（５段以上）の場合、ＳＲ≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）
であればよい。
【０２３８】
さらに、インクジェット方式などの５０（Ｖ／μｓｅｃ）以上の高スルーレートが必要な装置においては下記の条件を満たす必要がある。
【０２３９】
Ｎ＝２（２段）の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．００９ｙ２−０．１００ｙ＋０．３８６）
Ｎ＝３（３段）の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．０７１ｙ２−０．２２９ｙ＋０．４１４）
Ｎ＝４（４段）の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１３８ｙ２−０．３３６ｙ＋０．４３４）
Ｎ≧５（５段以上）の場合、５０（Ｖ／μｓｅｃ）≦Ｖ／（Ｒ・Ｃｄ）＊（０．１５３ｙ２−０．３５６ｙ＋０．４１３）である。
【０２４０】
また、図５２〜図５６の結果から、回路の段数を増加させると波形のスルーレートは減少することが分かる。
【０２４１】
〔実施の形態６〕
本発明の容量性負荷駆動回路は、複数のエネルギー蓄積素子に蓄積した静電エネルギーを容量性負荷に供給することによって容量性負荷を充電した後、容量性負荷の放電によるエネルギーをエネルギー蓄積素子に回収することによってエネルギー蓄積素子の蓄積静電エネルギーを容量性負荷への供給前とほぼ同し電位まで回生するようになっているが、この回生は限られた時間の間に行われるため、完全に元の電位に戻るわけではない。そのため、初期電位を付与した後、エネルギーを注入することなく繰り返し充放電を行った場合、図４０に示すように、各エネルギー蓄積素子の電圧のドリフト（最高電位と最低電位との中間値に近づく現象）が起こる。すなわち、最高電位と最低電位との中間値より高い初期電位を持つエネルギー蓄積素子は、容量性負荷からのエネルギーの回収が不足し、電位が上昇していく。一方、最高電位と最低電位との中間値より低い初期電位を持つエネルギー蓄積素子は、容量性負荷からのエネルギーの回収が過剰になり、電位が上昇していく。
【０２４２】
なお、図４０は、図１２の容量性負荷駆動回路３０１の段数を６段に変更した構成の、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（５）を備える容量性負荷駆動回路において、電源電圧を６等分に分割した初期電位をコンデンサＣ（１）〜Ｃ（５）に付与した後にエネルギーを注入することなく繰り返し容量性負荷３１１の充放電を行ったときのコンデンサＣ（１）〜Ｃ（５）の電圧変化を示す図である。
【０２４３】
そこで、実施の形態５の容量性負荷駆動回路３０２に対して、接地端子Ｃ（０）と、電力源３０９に接続されたコンデンサＣ（Ｎ）とを除くコンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）に対応する電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）（直流電源）を有し、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）とコンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）とを抵抗回路Ｒ（１）〜Ｒ（Ｎ−１）で接続し、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からエネルギーを注入することによって、上述した電圧のドリフトを防止するようにしている。
【０２４４】
図２１に示すように、実施の形態５の容量性負荷駆動回路３０２に対して、コンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）にそれぞれ接続された電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）およびそれに付随する抵抗Ｒ（１）〜Ｒ（Ｎ−１）を追加した構成でもよく、図２０に示すように、接地端子Ｃ（０）に代えて、電力源３０９と同極性の第２の電力源（基準電源、基準電位端子、直流電源）３１９およびコンデンサＣ（０）を備える以外は、実施の形態５の容量性負荷駆動回路３０２と同様の構成を備えている容量性負荷駆動回路３０３に対して、それぞれコンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）に接続された電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）およびそれに付随する抵抗Ｒ（１）〜Ｒ（Ｎ−１）を追加した構成でもよい。図２１に示す構成の場合、例えば図２２に示すパルスを発生できる。
【０２４５】
ここで、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）とコンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）との間に設けられる抵抗Ｒ（１）…Ｒ（Ｎ−１）について、抵抗Ｒ（１）…Ｒ（Ｎ−１）とコンデンサＣ（１）〜Ｃ（Ｎ−１）の容量成分と定まる時定数が、容量性負荷３１１に印加される駆動パルスの周期の５０倍以上あることが好ましい。
【０２４６】
すなわち、容量性負荷３１１に印加される駆動パルスの周期（図２２参照）を発生パルス周期Ｔｐ、コンデンサＣ（ｉ）（ｉ＝１、…、Ｉ−１、Ｉ、Ｉ＋１、…、Ｎ−１）の静電容量をＣ（ｉ）、電力源３３９（Ｉ）とコンデンサＣ（Ｉ）との間に設けられる抵抗Ｒ（ｉ）の抵抗値をＲ（ｉ）とすると、コンデンサＣ（ｉ）の時定数τ（ｉ）は、
τ（ｉ）＝Ｃ（ｉ）×Ｒ（ｉ）
となる。ここで、
Ｔｐ＊１０≦τ（ｉ）＝Ｃ（ｉ）×Ｒ（ｉ）
であることが好ましく、
Ｔｐ×５０≦τ（ｉ）＝Ｃ（ｉ）×Ｒ（ｉ）
であることがより好ましい。
【０２４７】
その理由を以下に説明する。
【０２４８】
電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給速度が速すぎると、本発明回路による回生が行われる前に電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）から電力供給が行われてしまい、系全体の電力回生効率の悪化を招く。
【０２４９】
容量性負荷３１１へのエネルギー注入と回生の時間間隔中の電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給を５％以内に抑えるために、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給の時定数は３１１へのエネルギー注入から回生までの時間間隔の２０倍以上あればよい。また、容量性負荷３１１へのエネルギー注入と回生の時間間隔中の電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給を１％以内に抑えるために、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給の時定数は容量性負荷３１１へのエネルギー注入から回生までの時間間隔の１００倍以上あればよい。
【０２５０】
一方、エネルギーの注入から回生までの時間間隔の最大は、発生パルス周期Ｔｐの１／２と考えられる。従って、電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給の時定数τ（ｉ）は、発生パルス周期Ｔｐの１０倍以上あれば、容量性負荷３１１へのエネルギー注入と回生の時間間隔中の電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給を５％以内に抑えることができる。電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給の時定数τ（ｉ）は、発生パルス周期Ｔｐの５０倍以上あれば、３１１へのエネルギー注入と回生の時間間隔中の電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給を１％以内に抑えることができ、電力回生への影響はほぼ無視できる。
【０２５１】
τ（ｉ）／Ｔｐの上限についての明確な制限は存在しないが、τ（ｉ）／Ｔｐが大きすぎると電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの供給が行われないことになり、なんらかの理由でエネルギーの供給と回生の間にアンバランスが生じた場合、系の安定化が図れなくなる。つまり電力源３３９（１）〜３３９（Ｎ−１）からの電力供給の時定数τ（ｉ）はエネルギー回生率への影響が少ない範囲でできる限り小さい値が好ましい。
【０２５２】
〔実施の形態７〕
マトリクス型表示装置は、表示素子アレイ（表示素子）３４０、列選択ドライブ回路３４１、行選択ドライブ回路３４２、および行選択ドライブ回路３４２に電力を供給するための電力源３４９を備える。表示素子アレー３４０は、行選択ドライブ回路（駆動回路）３４２と列選択ドライブ回路（駆動回路）３４１とより選択され、特定パルスが印加される。ここで言う表示素子アレイとは、液晶表示素子アレイ、放電ディスプレイ（プラズマディスプレイ）、ＥＬ素子アレイなどを示す。このとき、列選択ドライブ回路３４１に列パルスを供給するための列パルス発生回路として本発明の容量性負荷駆動回路を用いることで列パルスの発生と表示素子アレイからの電力の回収を行う。図３２では、前記実施の形態６の容量性負荷駆動回路３０５を列パルス発生回路（電力回生回路を含む）として用いた場合を示しているが、容量性負荷駆動回路の構成は特に限定されるものではない。
【０２５３】
なお、行選択ドライブ回路３４２側にパルス発生装置が必要な場合、電力源３４９の代わりに本発明の容量性負荷駆動回路を用いてもよい。
【０２５４】
〔実施の形態８〕
インクジェットプリンタにおいては、公知であるセラミック等の圧電材料を利用した剪断モード型の記録ヘッド（例えば特開昭６３−２４７０５１号公報）を使用できる。剪断モード型のインクジェットプリンタに用いられる記録ヘッドの構成及び機能について、以下に説明する。
【０２５５】
図３３は、記録ヘッドにおける一部分を、記録媒体側から見た状態で示した平面図である。一方、図３４は、記録ヘッドの縦断面図である。
【０２５６】
図３３に示すように、記録ヘッド１１００は、圧電材料２００と、天板３００と、複数のインク室４００とを備えている。
【０２５７】
圧電材料２００は櫛歯状に形成されており、各櫛歯の隙間にインク室４００…が嵌め込まれるように形成されている。
【０２５８】
インク室４００は、両側面に形成された駆動電極５００と、吐出ノズル６００とを備えている。このインクジェットプリンタでは、隣接するインク室４００の駆動電極５００同士の間に電界を発生させることにより吐出ノズル６００からインクを吐出する。詳細は後述する。
【０２５９】
天板３００は、複数のインク室４００を圧電材料２００中に嵌合させるためのものであり、導電性樹脂からなる接続電極を備えている。
【０２６０】
また、図３４に示すように、インクは、記録ヘッド１１００内のインクタンク７００内に蓄えられており、複数のインク室４００における吐出ノズル６００に接続された共通インクパス８００を介して、後述する手順により吐出ノズルから吐出される。
【０２６１】
次に、剪断モード型のインクジェットプリンタがインクを吐出する状態について説明する。なお、以下の説明では、隣り合う３つのインク室をそれぞれＡチャンネル・Ｂチャンネル・Ｃチャンネルとして区別する。また、以下の説明では、Ｂチャンネルのインク室からインクを吐出する場合について説明するが、Ａチャンネル・Ｃチャンネルのインク室からのインク吐出についても同様である。
【０２６２】
この記録ヘッド１１００は、Ａチャンネル・Ｂチャンネル・Ｃチャンネルのインク室の駆動電極５００（容量性負荷）を、本発明に係る容量性負荷駆動回路で駆動する構成となっている。
【０２６３】
図３５（ａ）に示すように、インクの吐出を行わない通常状態において、Ａチャンネル・Ｂチャンネル・Ｃチャンネルのインク室のうち、いずれのインク室の駆動電極にも電界が付与されていない。また、圧電材料は、駆動電極の表面と平行な方向即ち駆動電界に直交する方向に分極している。
【０２６４】
その後、図３６に示すように、Ｂチャンネルのインク室の駆動電極５００に対して吐出パルスを与える。一方、Ａチャンネル・Ｂチャンネルのインク室については、吐出パルスは与えない。
【０２６５】
そうすると、Ｂチャンネルのインク室の駆動電極５００から、ＡチャンネルおよびＣチャンネルのインク室の駆動電極５００に向かって電界が発生する。この電界の向きにしたがって、圧電材料は移動しようとする。その結果、図３５（ｂ）に示すように、Ｂチャネルのインク室の側壁が拡張する。
【０２６６】
その後、図３６に示すように、共通パルスを、ＡチャンネルおよびＣチャンネルのインク室の駆動電極５００について与える。そうすると、ＡチャンネルおよびＣチャンネルのインク室の駆動電極５００から、Ｂチャンネルのインク室の駆動電極５００に向かって電界が生じる。その結果、図３５（ｃ）に示すように、Ｂチャンネルのインク室の側壁が収縮し、Ｂチャンネルのインク室内の体積が減少する。これによって、Ｂチャンネルのインク室の吐出ノズルからインクが吐出する。
【０２６７】
なお、いずれのチャンネルからもインクを吐出しない場合は、ＡチャンネルおよびＣチャンネルのインク室の駆動電極５００に共通パルスを与えると同時に、Ｂチャンネルのインク室の駆動電極５００に、共通パルスと同じ電位の非吐出パルスを与える。これにより、Ａ〜Ｃチャンネルのインク室の駆動電極５００は同じ電位となるので、各駆動電極間５００に電界は発生しなくなる。したがって、いずれのチャンネルのインク室も、側壁が拡張したり収縮したりすることがないので、インク吐出は行われない。
【０２６８】
このように、記録ヘッド１１００は、順次に行われる吐出のＡ〜Ｃチャンネルの切替えを繰り返して吐出すること、即ち３相駆動することによりにより印字動作を成し遂げるものである。
【０２６９】
また、吐出パルスを与える時間ＡＬ、共通パルスを与える時間ＡＬ’は、以下の式▲１▼によって決定される。
【０２７０】
ＡＬ（  ｏｒ  ＡＬ’）＝インク室長さ／インク中における音速      …▲１▼
したがって、３つのチャンネルのインク室長さがすべて同じであれば、
ＡＬ’＝２ＡＬ
となる。なお、一般的なインクジェットプリンタであれば、ＡＬ＝２μｓ程度である。
【０２７１】
〔実施の形態９〕
次に、インクを記録媒体へ吐出して印刷を行うインクジェットプリンタの回復動作時の吐出動作を改良し、実施の形態８よりも高精度かつ高速度に印刷を行うことが可能なインクジェットプリンタの実施の一形態について説明する。
【０２７２】
図３７に示すように、インクジェットプリンタ１００１は、給紙部（給紙装置）１００２、分離部１００３、搬送部１００４、印刷部（印字部）１００５および排出部１００６から構成される。
【０２７３】
給紙部１００２とは、印刷を行う際にシートＰを供給するものであり、給紙トレイ１００７および図示されないピックアップローラよりなる。印刷を行わない際には、シートＰを保管する機能を果たす。
【０２７４】
分離部１００３は、給紙部１００２より供給されるシートＰを、印刷部１００５へ一枚ずつ供給するためのものであり、給紙ローラ１００８および分離装置１００９よりなる。分離装置１００９では、パッド部分（シートとの接触部分）とシートとの摩擦が、シート間の摩擦より大きくなるように設定されている。また、給紙ローラ１００８では、給紙ローラ１００８とシートとの摩擦が、パッドとシートとの摩擦や、シート間の摩擦よりも大きくなるように設定されている。そのため、２枚のシートが分離部１００３まで送られてきたとしても、給紙ローラ１００８によって、これらのシートを分離し、上側のシートのみを搬送部１００４に送ることができる。
【０２７５】
搬送部１００４は、分離部１００３より一枚ずつ供給されるシートＰを、印刷部１００５へと搬送するためのものであり、ガイド板１０１０およびローラ対１０１１（搬送機構）よりなる。ローラ対１０１１は、シートＰを記録ヘッド１１００とプラテン１０１３の間に送り込む際に、記録ヘッド１１００からのインクがシートＰの適切な位置に吹き付けられるように、シートＰの搬送を調整する部材である。
【０２７６】
印刷部１００５は、搬送部４のローラ対１０１１より供給されるシートＰへ印刷を行うためのものであり、記録ヘッド１１００（印字ヘッド）、記録ヘッド１１００を搭載したキャリッジ１０１４、キャリッジ１０１４を案内するための部材であるガイドシャフト１０１５（図３８参照）、および印刷時にシートＰの台となるプラテン１０１３より構成される。
【０２７７】
排出部１００６は、印刷が行われたシートＰをインクジェットプリンタ１００１の外へ排出するためのものであり、インク乾燥部（図示されない）、排出ローラ１０１６および排出トレイ１０１７よりなる。
【０２７８】
上記の構成において、インクジェットプリンタ１００１は、次のような動作によって印刷を行う。
【０２７９】
まず、図示しないコンピュータ等から、画像情報に基づく印刷要求が、インクジェットプリンタ１００１に対してなされる。印刷要求を受信したインクジェットプリンタ１００１は、給紙トレイ１００７上のシートＰを、ピックアップローラによって給紙部１００２より搬出する。
【０２８０】
次に、搬出されたシートＰは、給紙ローラ１００８によって分離部１００３を通過し、搬送部１００４へと送られる。搬送部１００４では、ローラ対１０１１によって、シートＰを記録ヘッド１０１２とプラテン１０１３の間へと送る。
【０２８１】
そして、印刷部１００５では、記録ヘッド１０１２の吐出ノズルよりプラテン１０１３上のシートＰへ、画像情報に対応してインクが吹き付けられる。この時、シートＰはプラテン１０１３上で一端停止されている。インクを吹き付けつつ、キャリッジ１０１４は、ガイドシャフト１０１５に案内されて、主走査方向Ｄ２に渡って一ライン分走査される。それが終了すると、シートＰは、プラテン１０１３上で副走査方向Ｄ１に一定の幅だけ移動させられる。印刷部１００５において、上記処理が画像情報に対応し継続して実施されることにより、シートＰ全面に印刷がなされる。
【０２８２】
印刷が行われたシートＰは、インク乾燥部を経て、排出ローラ１０１６によって排出トレイ１０１７に排出される。その後、シートＰは印刷物としてユーザに提供される。
【０２８３】
次に、本実施の形態のインクジェットプリンタ１００１の制御系について説明する。
【０２８４】
図３９に示すように、インクジェットプリンタ１００１の制御部１０１８は、インターフェース部１０１９と、メモリ１０２０と、画像処理部１０２１と、駆動系制御部１０２２とを備えている。
【０２８５】
インターフェース部１０１９は、外部機器と画像処理部１０２１および駆動系制御部１０２２との信号のやりとりを行う回路である。
【０２８６】
画像処理部１０２１は、インターフェース部１０１９からの画像情報に基づいて画像処理を行う。また、画像処理部１０２１は、記録ヘッド１１００の駆動を制御するヘッド駆動回路１０２３に接続されている。
【０２８７】
駆動系制御部１０２２は、キャリッジ１０１４の駆動、およびシートＰの搬送を制御する。具体的には、駆動系制御部１０２２は、キャリッジモータの駆動を制御するキャリッジ駆動回路１０２４、および用紙搬送モータの駆動を制御する用紙搬送駆動回路１０２５とに接続されている。
【０２８８】
以上の構成により、インクジェットプリンタは記録ヘッド１１００、キャリッジ１０１４、用紙搬送モータ等を駆動し、印刷作業を行う。
【０２８９】
次に、本実施の形態の特徴点である記録ヘッド１１００のインク吐出動作について説明する。
【０２９０】
記録ヘッド１１００は、図３３に示す圧電材料２００と、天板３００と、複数のインク室４００と、駆動電極５００とを備える、剪断モード型のインクジェットプリンタに用いられるものである。
【０２９１】
印字のための吐出動作においては、複数のインク室４００は、隣り合う３つのインク室をＡチャンネル、Ｂチャンネル、およびＣチャンネルに分け３相駆動を行う。この記録ヘッド１１００は、Ａチャンネル・Ｂチャンネル・Ｃチャンネルのインク室の駆動電極５００（容量性負荷）を、本発明に係る容量性負荷駆動回路で駆動する構成となっている。この駆動は、図３５および図３６を用いて詳細説明した３相駆動であり、ここでは説明を省略する。
【０２９２】
【発明の効果】
本発明の装置は、以上のように、容量性負荷駆動回路は、電源から電源電位が付与された電源端子と、基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、基準電位と電源電位との間の初期電位が付与されたエネルギー蓄積素子と、基準電位端子、エネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後にエネルギー蓄積素子を容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立する構成である。
【０２９３】
また、本発明の装置は、以上のように、容量性負荷駆動回路は、電源から電源電位が付与された電源端子と、基準電源から供給された電源電位と異なる基準電源電位、または接地電位が基準電位として付与された基準電位端子と、基準電位と電源電位との間で、かつ互いに異なる初期電位が付与された複数のエネルギー蓄積素子と、基準電位端子、複数のエネルギー蓄積素子、および電源端子を選択的に容量性負荷と接続するための切り替え手段とを備え、上記切り替え手段は、基準電位端子を容量性負荷に接続した後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が基準電位に近い方から順に容量性負荷に接続する第１の充電ステップと、その後に容量性負荷を電源端子と選択的に接続する第２の充電ステップと、その後に各エネルギー蓄積素子をその初期電位が電源電位に近い方から順に容量性負荷に接続する放電ステップとを実行するようになっており、エネルギー蓄積素子の静電容量成分をＣｓ、容量性負荷の静電容量をＣｄ、エネルギー蓄積素子の接続が持続される時間をＴｓ、切り替え手段を含む、容量性負荷に対するエネルギー蓄積素子の充放電経路の抵抗値をＲとすると、
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）＜２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．１６４｛Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）｝０．２１９８
Ｔｓ／（Ｒ・Ｃｄ）≧２．５の場合
Ｃｄ／Ｃｓ≦０．２
が成立する構成である。
【０２９４】
上記各構成によれば、容量性負荷の端子電圧の絶対値を減少させて容量性負荷を放電させたときに、第１のエネルギー蓄積素子の蓄積静電エネルギーを、容量性負荷へのエネルギー供給前とほぼ等しくなるように回生することができる。したがって、第１のエネルギー蓄積素子が見かけ上エネルギーを消費しなくなり、高い効率で電力回生を行うことができる。
【０２９５】
さらに、上記各構成によれば、第１〜第３のステップの間に、容量性負荷の電圧が、最終到達電圧（第１の充電ステップを無限時間継続したときに容量性負荷の電圧が到達する最終の電圧）の９０％に到達する。これにより、エネルギー蓄積素子から容量性負荷への電荷の流出によるエネルギー蓄積素子の電圧変化が小さくなり、パルス発生時の電力回生率が良好となり、消費電力をより一層低減できる。また、１回のパルス発生によるエネルギー蓄積素子の電圧変化が小さくなるので、この電圧変化を補正することなく次のパルス発生を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２】図１の容量性負荷駆動回路の動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は同期信号の波形図、（ｂ）はトランジスタの制御電圧の波形図、（ｃ）はコンデンサへの印加電圧の波形図である。
【図３】図２に示すタイミングチャートの一部を拡大して示すと共にスイッチの動作状態を示すものであり、（ａ）は同期信号の波形図、（ｂ）はスイッチの動作状態を示すタイミングチャート、（ｃ）はトランジスタの制御電圧の波形図、（ｄ）は、コンデンサへの印加電圧の波形図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタ（画像形成装置）の要部を示す斜視図である。
【図６】図３のインクジェットプリンタ（画像形成装置）が備えるインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図７】従来の容量性負荷駆動回路の一例を示す図であり、（ａ）は容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図、（ｂ）（ｃ）は容量性負荷駆動回路が備える２つのトランジスタの動作を制御する制御電圧の波形図、（ｄ）は駆動されるコンデンサの端子電圧の波形図、（ｅ）は容量性負荷駆動回路の抵抗に流れる電流の波形図である。
【図８】従来の容量性負荷駆動回路の一例を示す回路図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は図９に示す従来の容量性負荷駆動回路の動作を説明するための回路図である。
【図１０】従来の容量性負荷駆動回路の他の一例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示す従来の容量性負荷駆動回路の動作を説明するための波形図であり、容量性負荷の端子電圧およびスイッチの状態を示している。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、図１２に示す容量性負荷駆動回路の動作を説明するための回路図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は、図１２に示す容量性負荷駆動回路の動作を説明するための回路図である。
【図１５】図１２に示す容量性負荷駆動回路の動作を説明するための波形図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は、図１６に示す容量性負荷駆動回路の動作を説明するための回路図である。
【図１８】図１６に示す容量性負荷駆動回路によって発生されるパルスの一例の波形を示す波形図である。
【図１９】図１６に示す容量性負荷駆動回路によって発生されるパルスの他の一例の波形を示す波形図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２１】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２２】図２１に示す容量性負荷駆動回路によって発生されるパルスの一例の波形を示す波形図である。
【図２３】本発明の原理を説明するための回路図の１つである。
【図２４】本発明の原理を説明するための図の１つであり、（ａ）は電圧変化を示すグラフ、（ｂ）は電流変化を示すグラフである。
【図２５】本発明の原理を説明するための他の回路図である。
【図２６】本発明の原理を説明するための他の回路図である。
【図２７】本発明にかかる容量性負荷駆動回路における１つのコンデンサから容量性負荷へのエネルギー供給を模式的に表した図である。
【図２８】コンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフである。
【図２９】（ａ）１つのコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、（ｂ）は本発明にかかる容量性負荷駆動回路における複数のコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、いずれも、コンデンサからのスイッチング時間（Ｔｓ）が時定数（Ｒ・Ｃｄ）より短い場合を示す。
【図３０】（ａ）１つのコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、（ｂ）は本発明にかかる容量性負荷駆動回路における複数のコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、いずれも、スイッチング時間（Ｔｓ）が時定数と等しい場合を示す。
【図３１】（ａ）１つのコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、（ｂ）は本発明にかかる容量性負荷駆動回路における複数のコンデンサからのエネルギー供給による容量性負荷の電圧変化を示すグラフであり、いずれも、、スイッチング時間（Ｔｓ）が時定数より長い場合を示す。
【図３２】本発明の実施の一形態にかかる容量性負荷駆動回路を用いた表示装置を示す図である。
【図３３】記録ヘッドにおける一部分を記録媒体側から見た状態で示した平面図である。
【図３４】記録ヘッドの縦断面図である。
【図３５】（ａ）〜（ｃ）は、図３４の記録ヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図３６】図３４の記録ヘッドの動作を説明するためのパルス波形図である。
【図３７】本発明の他の実施の形態にかかる容量性負荷駆動回路を用いたインクジェットプリンタ（画像形成装置）を示す断面図である。
【図３８】本発明の他の実施の形態にかかる容量性負荷駆動回路を用いたインクジェットプリンタ（画像形成装置）を示す斜視図である。
【図３９】図３７のインクジェットプリンタ（画像形成装置）の制御系を示すブロック図である。
【図４０】本発明の実施の一形態にかかる容量性負荷駆動回路において繰り返し容量性負荷の充放電を行ったときのエネルギー蓄積素子の電圧変化を示す図である。
【図４１】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図４２】図４１の容量性負荷駆動回路の動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）は同期信号の波形図、（ｂ）はスイッチの制御電圧の波形図、（ｃ）はコンデンサへの印加電圧の波形図である。
【図４３】図４２に示すタイミングチャートの一部を拡大して示すと共にスイッチの動作状態を示すものであり、（ａ）は同期信号の波形図、（ｂ）はスイッチの動作状態を示すタイミングチャート、（ｃ）はスイッチ（切り替え手段）の制御電圧の波形図、（ｄ）は、コンデンサへの印加電圧の波形図である。
【図４４】本発明のさらに他の実施の形態に係る容量性負荷駆動回路の構成を示す回路図である。
【図４５】本発明の実施の一形態に係る容量性負荷駆動方法を示すフローチャートである。
【図４６】図１２に示す容量性負荷駆動回路において、時定数とスイッチ時間との比に対して、第１〜第３のステップの間に容量性負荷の電圧が到達電圧の９０％以上となる最大の負荷容量比を表すグラフである。
【図４７】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを２段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスイッチング素子のエネルギー消費率の変化を表すグラフである。
【図４８】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを３段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスイッチング素子のエネルギー消費率の変化を表すグラフである。
【図４９】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスイッチング素子のエネルギー消費率の変化を表すグラフである。
【図５０】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを５段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスイッチング素子のエネルギー消費率の変化を表すグラフである。
【図５１】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを６段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスイッチング素子のエネルギー消費率の変化を表すグラフである。
【図５２】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを２段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００１から０．１まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスルーレート（１０％−９０％）の変化を表すグラフである。
【図５３】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを３段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００１から０．１まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスルーレート（１０％−９０％）の変化を表すグラフである。
【図５４】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路において、負荷容量比を０．００１から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスルーレート（１０％−９０％）の変化を表すグラフである。
【図５５】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを５段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスルーレート（１０％−９０％）の変化を表すグラフである。
【図５６】図１２に示す４段の容量性負荷駆動回路における段数のみを６段に変更した容量性負荷駆動回路において、負荷容量比Ｘを０．００３から０．３まで変化させたときの、時定数とスイッチ時間との比に対するスルーレート（１０％−９０％）の変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１  容量性負荷駆動回路
２ａ〜２ｉ  コンデンサ（エネルギー蓄積素子）
３  蓄電器
４  抵抗
５  分圧器（分圧手段）
６  トランジスタ（スイッチング部）
７  スイッチ（切り替え手段）
９  電源端子
１１  コンデンサ（容量性負荷）
１６Ａ  スイッチ（スイッチング部）
２１  圧電素子（容量性負荷）
２３  インクジェットヘッド
２１０  インクジェットプリンタ（画像形成装置）
３０１，３０２，３０３，３０５  容量性負荷駆動回路
３０９，３１９，３３９  電力源（電源、直流電源）
３１１  容量性負荷
Ｃ（０）  接地端子（基準電位端子）
Ｃ（１）〜Ｃ（３），Ｃ（０）〜Ｃ（Ｎ）  コンデンサ（エネルギー蓄積素子）
Ｓ（０）〜Ｓ（４），Ｓ（０）〜Ｓ（Ｎ）  スイッチング素子（切り替え手段）
Ｒ（１）〜Ｒ（Ｎ−１）  抵抗回路
ＳＷ１〜ＳＷ９  スイッチ（スイッチング部）
【図１】
2004223770.tif 000011
【図２】
2004223770.tif 000012
【図３】
2004223770.tif 000013
【図４】
2004223770.tif 000014
【図５】
2004223770.tif 000015
【図６】
2004223770.tif 000016
【図７】
2004223770.tif 000017
【図８】
2004223770.tif 000018
【図９】
2004223770.tif 000019
【図１０】
2004223770.tif 000020
【図１１】
2004223770.tif 000021
【図１２】
2004223770.tif 000022
【図１３】
2004223770.tif 000023
【図１４】
2004223770.tif 000024
【図１５】
2004223770.tif 000025
【図１６】
2004223770.tif 000026
【図１７】
2004223770.tif 000027
【図１８】
2004223770.tif 000028
【図１９】
2004223770.tif 000029
【図２０】
2004223770.tif 000030
【図２１】
2004223770.tif 000031
【図２２】
2004223770.tif 000032
【図２３】
2004223770.tif 000033
【図２４】
2004223770.tif 000034
【図２５】
2004223770.tif 000035
【図２６】
2004223770.tif 000036
【図２７】
2004223770.tif 000037
【図２８】
2004223770.tif 000038
【図２９】
2004223770.tif 000039
【図３０】
2004223770.tif 000040
【図３１】
2004223770.tif 000041
【図３２】
2004223770.tif 000042
【図３３】
2004223770.tif 000043
【図３４】
2004223770.tif 000044
【図３５】
2004223770.tif 000045
【図３６】
2004223770.tif 000046
【図３７】
2004223770.tif 000047
【図３８】
2004223770.tif 000048
【図３９】
2004223770.tif 000049
【図４０】
2004223770.tif 000050
【図４１】
2004223770.tif 000051
【図４２】
2004223770.tif 000052
【図４３】
2004223770.tif 000053
【図４４】
2004223770.tif 000054
【図４５】
2004223770.tif 000055
【図４６】
2004223770.tif 000056
【図４７】
2004223770.tif 000057
【図４８】
2004223770.tif 000058
【図４９】
2004223770.tif 000059
【図５０】
2004223770.tif 000060
【図５１】
2004223770.tif 000061
【図５２】
2004223770.tif 000062
【図５３】
2004223770.tif 000063
【図５４】
2004223770.tif 000064
【図５５】
2004223770.tif 000065
【図５６】
2004223770.tif 000066