JP2001342963A - ポンプ、ポンプ用逆止弁及びポンプ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型化を図りながら高速駆動が可能なポンプを
提供する。 【解決手段】ポンプ室１０の中心位置に、吐出ノズルＢ
が配置されている。また、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１
に近い位置において、ポンプ室１０の中心位置から所定
距離の円周（ダイヤフラム外径と相似な図形の周）上
に、複数の吸入ノズルＡが等距離間隔で配置されてい
る。ここで、ポンプ室１０内の排除体積（可動壁の変位
に伴い排除される体積）分を満たすために、１つの吸入
ノズルＡから吸入された流体が到達するべき最も離れた
位置までの直線的な距離を最大移動距離L _A と称する
と、各吸入ノズルＡの最大移動距離L _A は、互いに等し
い値ｒ１となるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子等のア
クチュエータによりピストンあるいはダイヤフラムなど
の可動壁を振動させることでポンプ室内の容積を変更
し、吸入及び吐出動作を行なうポンプ、ポンプ用逆止弁
及びポンプ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子は、１周期の変位は小さいが応
答周波数が高く、素子の共振周波数までの間は、高周波
で駆動するほど出力エネルギが大きく取れる特性を有し
ている。このため、ダイアフラムポンプに代表されるよ
うな可動壁を駆動する往復動ポンプの駆動源として圧電
素子（若しくは、圧電素子のような特性を有するアクチ
ュエータ）を使用する場合には、高周波駆動できるポン
プ構成とすることで、ポンプの出力エネルギが大きくな
り、電動モータを用いるものより小型軽量なポンプ構成
となる。

【０００３】ところで、高周波駆動できるポンプ構成と
するためには、可動壁の変位に伴い排除される体積（排
除体積）分の動作流体がポンプ内を通過する通過時間を
短くする必要がある。この通過時間を短くする一つの方
法として、ポンプを構成している逆止弁を通過する動作
流体の抵抗（流体抵抗）を減らす方法が知られており、
具体的な技術として、例えば特開平５−２８８１５１号
公報（先願技術１と称する）には、逆止弁を多数使用す
ることが記載されており、日本機械学会論文集（Ｃ編）
６０巻５７１号９５６ページの「圧電素子を動力源とす
る油圧式アクチュエータに関する研究」（先願技術２と
称する）には、流量をＱとして並列配置した弁の個数を
ｎとし、弁の損失をＱ³ ／ｎ² に比例するという記載か
ら、弁を並列配置して流体抵抗を低減することが記載さ
れている。

【０００４】また、圧電素子を駆動源としたポンプに使
用する逆止弁の具体的な技術として、例えば特開平５−
１７２０６０号公報（先願技術３と称する）には、シリ
コンゴム製で放射状のアームを持つ円形弁が記載されて
おり、金属材料を弁体に用いた小型逆止弁としては、日
本機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５６４号２１３ページ
の「圧電素子を動力源とする油圧式アクチュエータに関
する研究」（先願技術４と称する）にピアノ線によって
位置規制された円盤型逆止弁が記載され、日本機械学会
論文集（Ｃ編）６５巻６３１号２１５ページの「共振駆
動を用いた高パワー密度の圧電マイクロポンプ」（先願
技術５と称する）にリード弁を逆止弁として使用するこ
とが記載されている。

【０００５】一方、ダイヤフラムポンプに代表されるよ
うな可動壁を弾性支持する往復動ポンプでは、その弾性
と可動壁自体の質量等の関係から決まる共振周波数が温
度等の影響で変動しやすく、様々な環境で、最適な駆動
周波数を選択する必要があり、温度による共振周波数の
変動を小さくする先願技術として、例えば、特開平１１
−２３６８８０号公報（先願技術６と称する）に、振動
板をバネ座金の付勢力により挟持することが記載されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電素子を
駆動素子としたポンプを高周波駆動するために排除体積
分の動作流体の通過時間を短くするためには、ポンプ室
内の流体抵抗を減らすことも無視できない。ところが、
前述した先願技術１及び先願技術２は、ポンピ室の流体
抵抗を減らすことに関して何等開示していなかった。

【０００７】一方、ポンプ用逆止弁として示した先願技
術３は、アーム部の伸長によって動作するため、その構
造では高速駆動時に内部損失の大きいゴムを使用する必
要があり、その結果、応答性の低下と弁の寿命が短いと
いう課題がある。また、先願技術４及び先願技術５の逆
止弁は、円盤型弁、リード弁ともに十分な弁リフト量を
確保しなければ流路断面積が確保できず損失が発生し、
逆に十分な弁リフト量を確保すると弁の高速移動が必要
で応答性が悪化するという課題がある。また、円盤型弁
においては、弁体の位置規制構造の複雑さから直径４ｍ
ｍ程度が小型化の限界であり、圧電素子を用いたポンプ
の目的の小型化をも阻害していた。

【０００８】さらに、往復動ポンプとして示した先願技
術６は、ポンプ自体の温度による可動板の変位への影響
は防止できるが、他の要因による影響を防ぐことが不可
能である。例えば、シリコンゴムでできた流体室に、動
作流体を圧送して変形させるようなフレキシブルアクチ
ュエータの駆動原としてポンプを用いるような場合、シ
リコンゴム製の流体室や動作流体自体が温度によって膨
張する等の影響を受け、全体圧力の変化等が生じると、
この全体圧力の変化がダイヤフラムの変形に影響を与
え、結果的に可動版の共振周波数の変化をもたらしてし
まうのである。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、効果的にポンプ室内の流体抵抗を削減し、高速
駆動が可能なポンプを提供するとともに、長寿命かつ内
部損失の小さい金属材料を用いた高速応答の逆止弁を簡
単な構造で安価に製造可能なポンプ用逆止弁を提供する
とともに、最適な駆動状態で効率的な駆動が実現できる
ポンプ制御方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１請求項に記載の発明は、ピストンあるいはダイ
ヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室
と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポン
プ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプに
おいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくともどち
らか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複
数のノズルは、ポンプ室中心に対して周方向に略等距離
間隔で配置されており、他の一方の管路が有するノズル
は、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポ
ンプ室中心に近い位置に配置されている。

【００１１】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のポンプにおいて、前記複数のノズルは、前記ポンプ
室の中心位置から距離の異なる、複数の周上に配置され
ている。また、請求項３記載の発明は、ピストンあるい
はダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポン
プ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、
ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポン
プにおいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくとも
どちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前
記複数のノズルは、各ノズルに対する流体の最大移動距
離が略等しい位置に配置されており、他の一方の管路を
有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位
置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されている。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項１乃
至３の何れかに記載のポンプにおいて、前記複数のノズ
ルは、吸入管路を有するノズルであり、前記ポンプ室中
心に近い位置に配置されているノズルは、吐出管路を有
するノズルである。また、請求項５記載の発明は、ピス
トンあるいはダイヤフラム等の容積が変更可能なポンプ
室を備えたポンプに用いられるポンプ用逆止弁におい
て、リング状流路と、前記流路を開閉する、螺旋状アー
ムで支持されたリング状薄板を具備しているようにし
た。

【００１３】また、請求項６記載の発明は、請求項５記
載のポンプ用逆止弁において、リング状流路の外径を、
３ｍｍ以下とした。また、請求項７記載の発明は、請求
項１乃至４の何れかに記載のポンプにおいて、請求項５
記載のポンプ用逆止弁、或いは請求項５、６記載のポン
プ用逆止弁を備えるようにした。

【００１４】一方、請求項８記載の発明は、ピストン、
或いはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能な
ポンプ室と、前記可動壁を駆動するアクチュエータとを
有するポンプにおいて、前記可動壁の共振周波数を演算
する可変周波数手段を備え、当該可変周波数手段が、前
記ポンプ室内の環境に応じて前記アクチュエータを制御
するようにしたポンプ制御方法である。

【００１５】また、請求項９記載の発明は、請求項８記
載のポンプ制御方法において、前記ポンプ室内の動作流
体の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサ
の検出結果を前記可変周波数手段の演算値とするように
した。また、請求項１０記載の発明は、請求項８又は９
記載のポンプ制御方法において、前記ポンプ室の内部、
流入側、流出側の少なくとも一箇所の動作流体の圧力を
検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出結果に基
づいて流体送出量を演算する圧力−流体送出量変換手段
とを備え、当該圧力−流体送出量変換手段が、前記アク
チュエータを制御するようにした。

【００１６】また、請求項１１記載の発明は、請求項８
乃至１０の何れかに記載のポンプ制御方法において、前
記ポンプ室内の動作流体の温度を検出する温度センサ
と、前記温度センサの検出結果に基づいて前記圧力−流
体送出量変換手段の流体送出量を補正する補正手段とを
備えるようにした。さらに、請求項１２記載の発明は、
請求項８乃至１１の何れかに記載のポンプ制御方法にお
いて、請求項１乃至４の何れかに記載のポンプ、或いは
請求項７記載のポンプを制御するようにした。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る複数の実施
形態について図面を参照しながら説明する。先ず、図１
は、圧電素子を駆動源とした一般的なポンプ２の構造を
縦断面で示すものであり、円筒形状のケース４内の底部
に圧電素子６を配置し、圧電素子６の上部に積層した状
態で円形のダイヤフラム８を配置している。ダイヤフラ
ム８は、外周縁がケース４の内壁に固定支持されて弾性
変形自在となっている。

【００１８】ダイヤフラム８とケース４の上壁との間の
狭い空間がポンプ室１０であり、このポンプ室１０に向
けて、吸入逆止弁Ａｖを設けた吸入ノズルＡ、吐出逆止
弁Ｂｖを設けた吐出ノズルＢが開口している。そして、
吸入ノズルＡに流入管路１２が接続し、吐出ノズルＢに
流出管路１６が接続している。そして、圧電素子６に交
流電圧が供給されることによってダイヤフラム８が振動
してポンプ室１０の容積が連続的に変化し、ポンプ室１
０の容積が増大するときが吸入行程となり、吸入逆止弁
Ａｖが開いて吸入管路１２側から動作流体が流入し、ポ
ンプ室１０の容積が減少するときが吐出行程となり、吐
出逆止弁Ｂｖが開いて吐出ノズル１６側から動作流体が
流出する。なお、図１は、吐出行程時のポンプ２内部を
示している。

【００１９】次に、本発明に係るノズルの配置位置の第
１実施形態について図２を参照して説明する。図２は、
ポンプ室１０に連通する複数のノズルの配置位置を平面
視で模式的に示した図であり、実線の円Ｓ１が円形のダ
イヤフラム８の外形線（平面視で見たポンプ室１０の外
形線）であり、この外形線Ｓ１内に納まっている複数の
白抜きの丸（○印）が吸入ノズルＡの配置位置、黒丸
（●印）が吐出ノズルＢの配置位置である。吐出ノズル
Ｂは、ポンプ室１０の中心位置に配置されている。複数
の吸入ノズルＡは、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１に近い
位置において、ポンプ室１０の中心位置から所定距離
の、円周（ダイヤフラム外径と相似な図形の周）上に等
距離間隔で配置されている。

【００２０】ここで、ポンプ室１０内の排除体積分を満
たすために、１つの吸入ノズルＡから吸入された流体が
到達するべき最も離れた位置までの直線的な距離を、最
大移動距離L _A と称すると、図２に示したものは、各吸
入ノズルＡの最大移動距離L _A が等しい値ｒ１となるよ
うに配置されている。一方、本発明に沿っていない場合
のノズルの配置を図４に示す。

【００２１】ここで、平板間の距離が一定である平行平
板間の流体抵抗Ｒは、定数Ｃ、流路の平均断面積Ｓ、平
均流路長さＬとすると、Ｒ＝Ｃ×（Ｌ／Ｓ）として記述
される。図２と図４とで、１つの吸入ノズルＡが受け持
つ流路の平均断面積Ｓ、平均流路長Ｌを見比べると、流
路の平均断面積Ｓは図２の方が大きく、平均流路長Ｌは
図２の方が短いことがわかる。

【００２２】従って、複数のノズルは、本発明のように
配置することでポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削
減することができる。その結果、流量が増えるので、吸
入行程で排除体積分の流体を吸入するまでの時間が少な
くて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能とな
る。また、図２では、吐出ノズルＢをポンプ室１０の中
心に配置しているが、このように、吐出ノズルＢを、吸
入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０の中心に
近くになるように配置すると、吐出ノズルＢからポンプ
室の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポンプ室１０か
ら吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を少
なくすることができるため、吐出行程でも排除体積分の
流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポンプをよ
り高周波駆動することが可能となる。さらに、図示して
いない吸入管路１２と流出管路１６を、立体的に交差さ
せることなく配置させることができるため、吸入管路１
２と流出管路１６の形状が単純になり、これら管路内の
流体抵抗を増やさないで複数のノズルを配置することが
できる。

【００２３】次に、本発明に係るノズルの配置位置の第
２実施形態について図３を参照して説明する。本実施形
態は、図３に示すように、ポンプ室１０の中心位置に吐
出ノズルＢが配置されているとともに、第１実施形態よ
りも数の多い吸入ノズルＡが、ポンプ室１０の中心位置
から距離の異なる複数の円周（ダイヤフラムと外径の相
似な図形の周）上である、吐出ノズルＢの近くと、ダイ
ヤフラム８の外形線Ｓ１に近い位置に配置されている。
また、各吸入ノズルＡの最大移動距離Ｌ_A が等しい値ｒ
２となるようにも配置されている。

【００２４】多くの吸入ノズルＡを配置する方法として
Ｓ１に近い位置にだけ配置することを考えられるが、そ
のような配置よりは、図３のようにポンプ室１０の中心
位置から距離の異なる複数の周上に、周方向に等距離間
隔で配置した方が、１つの吸入ノズルＡが受け持つ流路
の平均断面積Ｓを大きく、平均流路長Ｌを短くでき、流
体抵抗を小さくできる。

【００２５】さらに、図３のように、ポンプ室１０の中
心位置から複数の周までの距離を、各吸入ノズルＡの最
大移動距離Ｌ_A を等しくするような関係に決めること
で、ポンプ室１０の中心位置からノズルを配置する複数
の周までの距離を合理的に定めて配置することができ、
より流体抵抗を減らすことができる。従って、本発明に
よる配置によって、吸入ノズルＡから流入する流体に対
するポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削減すること
ができ、その結果、流量が増えるので、吸入行程で排除
体積分の流体を吸入するまでの時間が少なくて済み、ポ
ンプをより高周波駆動することが可能となる。

【００２６】また、図３では、吐出ノズルＢをポンプ室
１０の中心に配置しているが、このように、吐出ノズル
Ｂを、吸入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０
の中心に近くなるように配置すると、吐出ノズルＢから
ポンプ室１０の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポン
プ室から吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵
抗を少なくすることができるため、吐出行程でも排除体
積分の流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポン
プをより高周波駆動することが可能となる。さらに、図
示していない吸入管路と１２と流出管路１６を、立体的
に交差させることなく配置させることができるため、吸
入管路と１２と流出管路１６の形状が単純になり、これ
ら管路内の流体抵抗を増やさないで複数ノズルを配置す
ることができる。

【００２７】以上、第１及び第２実施形態では、吸入ノ
ズルＡが複数である場合を示している。これは動作流体
が液体の場合、ポンプを駆動した時にポンプ室１０内外
に発生する圧力差が、吐出行程よりも吸入行程の方が少
ないためである。具体的には、吸入行程ではポンプ室１
０内の圧力は真空状態までしか低下しないが、吐出行程
では、ダイヤフラム８を駆動するアクチュエータの発生
力に関係して圧力を上昇させることができるからであ
る。

【００２８】一方、ポンプ室１０内の圧力差、流体抵
抗、流量の関係は、圧力差／流体抵抗＝流量の関係を有
している。従って、吸入行程で圧力差が少ない場合に
は、吸入ノズルを大きくして流体抵抗を減らす必要があ
るが、この際、１つの大きな吸入ノズルＡを設け、逆止
弁を構成するための弁板をそのノズルに取り付けると、
吐出行程で発生するポンプ室１０内の高圧力で弁板がた
わみ易く、破壊され易くなる問題が生じる。そこで、吸
入ノズルＡの総面積が吐出ノズルＢの総面積よりも大き
くなる関係を保ちながら、吸入ノズルＡを複数個にして
いるのである。

【００２９】従って、動作流体が気体等で、吐出行程、
吸入行程での圧力差にあまり差がない場合には、吐出ノ
ズルが複数であっても構わない。次に、図５から図８
は、本発明に係る逆止弁、すなわち、図１で示した吸入
逆止弁Ａｖ、吐出逆止弁Ｂｖの具体例な実施形態を示す
ものであり、本実施形態の逆止弁の説明を容易にするた
めに、図９に従来の逆止弁の動作状態の縦断面図で示
し、図１０に従来の逆止弁の上面図を示している。

【００３０】図５から図８に示すように、本実施形態の
逆止弁の弁ケース１０４は、カップ状で中心に内側弁座
となる突起が形成され、弁座の周囲には、複数の流入孔
２０３が開けられている。外側弁座１０３は、リング状
で貫通し直径の異なる中心穴が開けられている。直径の
小さい中心穴は、直径が３ｍｍ以下であるが、前記弁ケ
ース１０４の内側弁座となる突起よりわずかに大きく、
両者が組み合わされリング状流路２０１が形成される。
外側弁座１０３の直径の大きい中心穴は、周方向流路２
０２を構成している。

【００３１】弁体１０１は、金属薄板をエッチングして
製作され、２重のリングを螺旋状アームが接続する形状
となる。弁体１０１は弁押えリング１０２を弁ケース１
０４に圧入することで外側リングが押さえられ、弁ケー
ス１０４に固定される。次に、本実施形態の逆止弁の動
作について図８に基いて説明する。図中矢印は流体の流
れを示す。図８において流体は、図下方から上方へは流
れることが可能で、逆方向には逆止弁の作用によって流
れが阻止される。

【００３２】流入側と流出側の圧力差が小さい場合や、
流入側より流出側の圧力が大きい場合、弁体１０１の内
側リングは、弁ケース１０４の突起と、外側弁座１０３
に流体圧力や弁体１０１の螺旋状アーム部の弾性によっ
て圧接する。弁体１０１の内側リングの内周はリング状
流路２０１の内周より小さく、外周はリング状流路２０
１の外周より大きくなっているためリング状流路は閉鎖
され、その結果、流体の流れも阻止される。

【００３３】流入側の圧力が流出側より十分高くなる
と、圧力差によって弁体１０１の内側リングを図中上方
に移動する力が発生する。その結果、弁体１０１の螺旋
状アーム部が変形して、弁体１０１の内側リングが上方
に移動し流体の流路が構成される。流体は弁体１０１の
内側リングの内側と外側の両方から流出することがで
き、従って外側にしか流失できない円盤型弁や、従来例
を示した図９及び図１０のようにリード弁の自由端方向
にしか流出できないリード弁より、同一断面積の流路を
確保するための弁の移動量が小さくて済む。そのため、
弁の高速応答が可能になり、高速動作が可能な圧電ポン
プ等の逆止弁に応用することで、小型高性能ポンプが構
成できるのである。

【００３４】また、本実施形態の逆止弁はアーム部を螺
旋状にすることで、アーム部の伸縮ではなく主に曲がり
を利用して弁の動きに対応するため、弁体を薄くするこ
とで弱い圧力でも十分な弁リフトが確保できる。従っ
て、シリコンゴム等に比較して高剛性の金属材料を弁体
に用いることができ、長寿命と高速動作時の内部損失の
低減を可能にした。

【００３５】さらに、高速応答性に優れ大きな流路を確
保できるリング弁を、簡単な構造で実現できるため、リ
ング状流路の外径を３ｍｍ以下に構成できる。リング状
流路の外径を３ｍｍ以下にすることで、弁全体の外径が
約５ｍｍとなり、ダイヤフラムポンプ等の圧力室の底面
に吸入側、吐出側の二つの弁を並べて配置しても、ポン
プの圧力室の内径を１０ｍｍ以下、ポンプ本体の外径を
１５ｍｍ以下にすることができる。

【００３６】ポンプの外径を１５ｍｍ以下に構成したポ
ンプは、ほぼ、人間の指の太さの中にポンプを内蔵する
ことができる。近年、高齢化社会等の要求により、人間
の身近で人間をサポートするロボットが求められている
が、本発明のポンプとシリンダ等で構成されるアクチュ
エータユニットを用いることで人間の手と同サイズのロ
ボットハンドが構成でき、人間の生活環境にある人間の
ために設計された機器や道具類を扱うことが可能なロボ
ットが構成できるのである。

【００３７】次に、図１１及び図１２に示すものは、第
１、第２実施形態で示したポンプのように、圧電素子
（アクチュエータ）を駆動源とし、この圧電素子を駆動
してダイヤフラムを往復変位させることでポンプ室の容
積変化を行うポンプ２０と、このポンプ２０を駆動させ
る駆動装置２２、ポンプ２０の駆動により対象物Ｗを昇
降させる昇降機構２４とを備えた装置を示す第３実施形
態である。

【００３８】ポンプ２０には、制御弁（図示せず）を介
してシリコンゴム製のリザーバ流体室２６及びアクチュ
エータ流体室２８が接続しており、リザーバ流体室２６
からアクチュエータ流体室２８に向けて動作流体が流動
するようにポンプ２０を駆動すると、図１２に示すよう
にアクチュエータ流体室２８の容積拡大により対象物Ｗ
が上昇し、アクチュエータ流体室２８からリザーバ流体
室２６に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０を
駆動すると、図１１に示すように、アクチュエータ流体
室２８の容積減少により対象物Ｗが下降するようになっ
ている。

【００３９】ここで、ポンプ２０内には、動作流体の温
度を測定する温度センサ３０と、動作流体の圧力を測定
する圧力センサ３２が配設されており、これらセンサが
検出した情報は、駆動装置２２に入力する。駆動装置２
２は、ポンプ２０の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する
駆動回路３３と、温度−周波数相関変更回路３４と、可
変周波数回路３６、圧力−流体送出量相関変更回路３
８、温度補正回路４０とを備えている。

【００４０】駆動回路３３が圧電素子に出力する駆動信
号ＳＤは、所定の周波数の正弦波信号であり、可変周波
数回路３２から所定の駆動周波数ｆｄが入力される。ま
た、温度−駆動周波数相関変更回路３４は、温度センサ
３０が測定した動作流体の温度変化に対応して最適な駆
動周波数をデータマップ化した記憶部を備えた回路であ
る。つまり、ダイヤフラムは、共振周波数領域では往動
変位が大きくなるが、その共振周波数は温度の影響で変
動しやすく、この温度−駆動周波数相関変更回路３４に
おいて動作流体の温度変化に対応した最適な駆動周波数
を設定する。

【００４１】また、圧力−流体送出量相関変更回路３８
は、圧力センサ３２が測定したポンプ室内の動作流体の
圧力に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流
体の絶対量を演算等により算出する回路であり、前記動
作流体の絶対量を算出することで現在の装置の駆動量を
判断する。また、温度補正回路４０は、圧力−流体送出
量相関変更回路３８で算出した動作流体の絶対量を、温
度センサ３０が測定した動作流体の温度で補正する回路
である。温度が変化するとダイヤフラムは膨張、或いは
収縮して動作流体の絶対量が変化するので、この温度補
正回路４０で補正された動作流体の絶対量は高精度の値
となる。

【００４２】そして、可変周波数回路３６は、温度−駆
動周波数相関変更回路３４から最適な駆動周波数が入力
し、温度補正回路４０から現在のアクチュエータ流体室
２８側の動作流体の絶対量が入力し、これらの値に基づ
いて、駆動周波数ｆｄを可変周波数回路３６に入力す
る。そして、可変周波数回路４６から駆動周波数ｆｄが
入力した駆動回路３３は、圧電素子に対して、現在の動
作流体の温度に最適な駆動信号ＳＤを出力する。

【００４３】本実施形態によると、動作流体の温度に対
応してダイヤフラムが共振周波数領域で往動変位するよ
うに、圧電素子に対して最適な値の駆動信号ＳＤを入力
して制御しているので、最も効率の良いポンプ２０の駆
動状態を実現することができる。また、ポンプ２０内に
設けた温度センサ３０及び圧力センサ３２からの測定情
報に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流体
の絶対量を高精度に把握するようにしているので、高精
度のアクチュエータ駆動を行うことができる。

【００４４】次に、図１３から図１５は、第３実施形態
に対してセンサの配置位置と、駆動装置の構成が異なる
第４実施形態の装置を示すものである。本実施形態の圧
力センサ３２は、リザーバ流体室２６側のポンプ内流路
に配設されており、リザーバ流体室２６内の圧力を測定
している。そのため、圧力センサ３２の測定情報は、リ
ザーバ流体室２６内に十分な圧力で動作流体が封入され
ているものとすると、リザーバ流体室２６内の体積と相
関関係にある。

【００４５】本実施形態の駆動装置４４は、ポンプ２０
の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する駆動回路３３と、
可変周波数回路３６と、駆動周波数設定回路４６とを備
えている。そして、駆動装置４４は、図１２に示すよう
に、リザーバ流体室２６からアクチュエータ流体室２８
に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０が駆動す
る際に、所定時間の停止時間を設けて断続的に駆動信号
ＳＤを出力する。

【００４６】ここで、図１４の第１駆動区間では、周波
数をスイープ駆動しながら最適な駆動周波数ｆｄを求め
ており、以降の第２、第３…駆動区間では、検出した最
適な駆動周波数ｆｄに基づいて駆動を行っている。第１
駆動区間では、駆動周波数設定回路４８が、図１５のフ
ローチャートで示す動作を行う。

【００４７】図１５のフローチャートに基づいて説明す
ると、駆動周波数設定回路４８の動作を説明すると、先
ず、ステップＳ２において、第１駆動区間の時間Ｔ₁ が
経過しているか否かを判断する。第１駆動区間の時間Ｔ
₁ が経過していない場合には、ステップＳ４に移行し、
周波数をスイープ駆動する。次いで、ステップＳ６に移
行し、単位時間当たりの圧力変化ΔＰと、その周波数ｆ
ｄを記憶する。次いで、周波数ｆｄを駆動周波数として
可変周波数回路３６に出力する。

【００４８】そして、第１駆動区間の時間Ｔ₁ が経過し
ていない場合には、ステップＳ８から再度ステップＳ４
に移行して、前述したステップを繰り返す。そして、第
１駆動区間の時間Ｔ₁ が経過した場合には、ステップＳ
１０に移行し、記憶している複数の単位時間当たりの圧
力変化ΔＰの中から、最大の圧力変化ΔＰ_max を算出す
る。次いで、ステップＳ１２に移行し、最大の圧力変化
ΔＰ _max に対応した最適な周波数ｆｄ_max を設定する。

【００４９】次に、図１４を参照しながら本実施形態の
動作を説明する。駆動回路３３からスイープ駆動した周
波数ｆｄに基づいて駆動信号ＳＤを出力していくと、所
定の時間ｔ₁ において、リザーバ流体室２６内が最大の
圧力変化ΔＰ_max となり、駆動周波数設定回路４８は、
最大の圧力変化ΔＰ_max 及び最適な周波数ｆｄ_max を記
憶する。

【００５０】第１駆動区間が経過した後、第２駆動区間
の開始と同時に、駆動回路３３は、最適な周波数ｆｄ
_max に対応した駆動信号ＳＤを出力し、次回移行の第３
…駆動区間においても、最適な周波数ｆｄ_max に対応し
た駆動信号ＳＤを出力し続ける。本実施形態によると、
単位時間当たりで圧力変化が大きいとき（最大の圧力変
化ΔＰ_max ）の周波数ｆｄ_max を求め、その周波数ｆｄ
_max に対応した駆動信号ＳＤを圧電素子に入力している
ので、効率の良いポンプ２０の駆動状態を実現すること
ができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１から請求
項４記載のポンプによると、ポンプ室内の流体抵抗を効
果的に削減することができ、その結果、流量が増えるの
で、排除体積（可動壁の変位に伴い排除される体積）分
の流体がポンプ室内を通過する通過時間を短くできる。
従って、ポンプをより高周波駆動することが可能とな
り、小型化で高出力のポンプが実現できる。

【００５２】また、請求項７記載のポンプによると、高
速応答の逆止弁と組み合わせるため、ポンプをより一層
高周波駆動することが可能となり、より小型で高出力の
ポンプが実現できる。また、請求項５及び６記載のポン
プ用逆止弁によると、小型で高出力のポンプの構成を可
能にし、また、本発明の逆止弁を用いたポンプは、人間
生活環境の中で作業をするロボット等を構成できる。

【００５３】また、請求項８から１２記載のポンプ制御
方法によると、動作流体の温度、圧力の変化に対応して
可動壁が共振周波数領域で往動変位するように、アクチ
ュエータに最適な制御情報を入力しているので、効率の
良いポンプを実現することができる。また、ポンプに設
けた温度センサ及び圧力センサからの測定情報に基づい
て、ポンプ内の動作流体の移動量を高精度に把握するよ
うにしているので、高精度の駆動を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アクチュエータとして圧電素子を使用した一般
的なポンプの構造を示す縦断面である。

【図２】本発明に係るポンプの第１実施形態のノズルの
配置位置を示した図である。

【図３】本発明に係るポンプの第２実施形態のノズルの
配置位置を示した図である。

【図４】本発明に係るノズルの配置を説明するために本
発明と異なるノズル配置のポンプを示す図である。

【図５】本発明に係るポンプ用逆止弁の縦断面図であ
る。

【図６】本発明に係るポンプ用逆止弁の上面図である。

【図７】本発明に係るポンプ用逆止弁の底面図である。

【図８】本発明に係るポンプ用逆止弁の動作状態図であ
る。

【図９】従来の逆止弁の動作状態の縦断面図である。

【図１０】従来の逆止弁の上面図である。

【図１１】本発明に係る第３実施形態のポンプを使用し
た装置を示す図である。

【図１２】第３実施形態において装置の作動状態を示す
図である。

【図１３】本発明に係る第４実施形態のポンプを使用し
た装置を示す図である。

【図１４】第４実施形態においてアクチュエータを駆動
する駆動装置の動作を示す図である。

【図１５】第４実施形態における駆動周波数設定回路の
動作を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

２、２０ ポンプ ６ 圧電素子（アクチュエータ） ８ ダイヤフラム（可動壁） １０ ポンプ室 １２ 流入管路 １６ 流出管路 ２２、４４ 駆動装置 ３３ 駆動回路 ３４ 温度−駆動周波数相関変更回路 ３６ 可変周波数回路（可変周波数手段） ３８ 圧力−流体送出量相関変更回路（圧力−流体送出
量変換手段） ４０ 温度補正回路（補正手段） ４６ 駆動周波数設定回路 ３０ 温度センサ ３２ 圧力センサ １０１ 弁体 １０２ 弁押えリング １０３ 外側弁座 １０４ 弁ケース ２０１ リング状流路 ２０２ 周方向流路 ２０３ 流入孔 ３０１ リード弁弁体 ３０２ 弁押え ３０３ リード弁ケース ４０１ 円形流路 Ａ 吸入ノズル Ｂ 吐出ノズル Ａｖ 吸入逆止弁 Ｂｖ 吐出逆止弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H045 AA03 AA08 AA22 AA25 BA33 CA03 CA19 CA29 DA07 EA34 3H071 AA01 AA06 BB01 CC14 CC31 CC34 DD04 DD12 DD13 3H077 AA01 AA11 CC02 CC09 DD06 EE02 EE34 EE37 FF12 FF36

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンあるいはダイヤフラム等の可動
   壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作
   流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出
   させる流出管路とを備えたポンプにおいて、 流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方
   は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズ
   ルは、ポンプ室中心に対して周方向に略等距離間隔で配
   置されており、他の一方の管路が有するノズルは、前記
   複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中
   心に近い位置に配置されていることを特徴とするポン
   プ。
2. 【請求項２】 前記複数のノズルは、前記ポンプ室の中
   心位置から距離の異なる、複数の周上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 【請求項３】 ピストンあるいはダイヤフラム等の可動
   壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作
   流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出
   させる流出管路とを備えたポンプにおいて、 流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方
   は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズ
   ルは、各ノズルに対する流体の最大移動距離が略等しい
   位置に配置されており、他の一方の管路を有するノズル
   は、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポ
   ンプ室中心に近い位置に配置されていることを特徴とす
   るポンプ。
4. 【請求項４】 前記複数のノズルは、吸入管路を有する
   ノズルであり、前記ポンプ室中心に近い位置に配置され
   ているノズルは、吐出管路を有するノズルであることを
   特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のポンプ。
5. 【請求項５】 ピストンあるいはダイヤフラム等の容積
   が変更可能なポンプ室を備えたポンプに用いられるポン
   プ用逆止弁において、リング状流路と、前記流路を開閉
   する、螺旋状アームで支持されたリング状薄板を具備し
   たことを特徴とするポンプ用逆止弁。
6. 【請求項６】 リング状流路の外径は、３ｍｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項５記載のポンプ用逆止弁。
7. 【請求項７】 請求項５記載のポンプ用逆止弁、或いは
   請求項５、６記載のポンプ用逆止弁を備えたことを特徴
   とする請求項１乃至４の何れかに記載のポンプ。
8. 【請求項８】 ピストン、或いはダイヤフラム等の可動
   壁により容積が変更可能なポンプ室と、前記可動壁を駆
   動するアクチュエータとを有するポンプにおいて、 前記可動壁の共振周波数を演算する可変周波数手段を備
   え、当該可変周波数手段が、前記ポンプ室内の環境に応
   じて前記アクチュエータを制御するようにしたことを特
   徴とするポンプ制御方法。
9. 【請求項９】 前記ポンプ室内の動作流体の温度を検出
   する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果を前
   記可変周波数手段の演算値とすることを特徴とする請求
   項８記載のポンプ制御方法。
10. 【請求項１０】 前記ポンプ室の内部、流入側、流出側
    の少なくとも一箇所の動作流体の圧力を検出する圧力セ
    ンサと、前記圧力センサの検出結果に基づいて流体送出
    量を演算する圧力−流体送出量変換手段とを備え、当該
    圧力−流体送出量変換手段が、前記アクチュエータを制
    御するようにしたことを特徴とする請求項８又は９記載
    のポンプ制御方法。
11. 【請求項１１】 前記ポンプ室内の動作流体の温度を検
    出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づ
    いて前記圧力−流体送出量変換手段の流体送出量を補正
    する補正手段とを備えたことを特徴とする請求項８乃至
    １０の何れかに記載のポンプ制御方法。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至４の何れかに記載のポン
    プ、或いは請求項７記載のポンプを制御することを特徴
    とする請求項８乃至１１の何れかに記載のポンプ制御方
    法。