JP2004060632A

JP2004060632A - ポンプ

Info

Publication number: JP2004060632A
Application number: JP2002326913A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Takagi; 高城　邦彦; Takeshi Seto; 瀬戸　毅
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: EP1369585B1; CN1467375A; US20040018100A1; EP1369585A3; EP1369585A2; CN1307368C; JP4396095B2; US7056096B2

Abstract

【課題】機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、高負荷圧力に対応し、高周波駆動に対応し、さらに、ポンピング１周期当たりの吐出流体体積も増加させ駆動効率の良いポンプの提供を目的とする。
【解決手段】ケース７の底部に配置した円形のダイヤフラム５は、外周緑がケース７に固定支持されている。ダイヤフラムの底面には、ダイヤフラム５を動かすための圧電素子６が配置されている。ダイヤフラム６とケース７の上壁との間の空間がポンプ室３であり、このポンプ室へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と運通した出口流路２とが開口している。このポンプは、周期制御手段により、ポンプ吐出流体体積、吐出圧力を増加させたダイヤフラムの周期となるように、圧電素子を駆動制御している。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行う容積形ポンプに関連し、特に、信頼性が高くかつ流量が多いポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に、逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。（例えば特許文献１参照）
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。（例えば特許文献２参照）
【０００３】
さらに、弁部に可動部品を使わず、ポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。（例えば特許文献３及び非特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２０３５７号公報
【特許文献２】特開平０８−３１２５３７号公報
【特許文献３】特表平０８−５０６８７４号公報
【非特許文献１】Ａｎｄｅｒｓ　Ｏｌｓｓｏｎ，　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｖａｌｖｅ‐ｌｅｓｓ　ｐｕｍｐ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｕｓｉｎｇ　ｄｅｅｐ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ，１９９６　ＩＥＥＥ　９ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏ　Ｅ１ｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ．４７９−４８４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が２個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
【０００６】
特許文献２の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
【０００７】
ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献２の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型で高出力なポンプを実現できない問題がある。
【０００８】
特許文献３の構成は、ポンプ室体積の増減に従い圧縮構成要素を通過する流体の、流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力（負荷圧力）が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献１によると、最大負荷圧力は０．７６０気圧程度である。
【０００９】
そこで本発明は、機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、高負荷圧力に対応し、高周波駆動に対応し、ポンプ吐出流体体積も増加させ、さらに駆動効率の良いポンプの提供を目的とする。
【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を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備えている。
【００１１】
ここで、イナータンス値Ｌとは、流路の断面積をＳ、流路の長さをｌ、動作流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンス値Ｌを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。つまり、イナータンス値Ｌとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値Ｌが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値Ｌが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００１２】
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
また、ここで言う入口流路とは、入口接続管の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路が合流している場合は、ポンプ室内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【００１３】
この請求項１のポンプによると、入口流路の合成イナータンス値を出口流路の合成イナータンス値よりも小さくしてあるので、入口流路の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積（＝吐出流体体積）を増加させることができる。
また、周期制御手段を備えることで、排除流体体積の無駄な消費を防止し、ポンプ吐出流体体積、吐出圧力が増加するので、駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載されているように、周期制御手段は、前記出口流路より下流側の負荷圧力に応じて前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
また、請求項３に記載されているように、前記周期制御手段は、前記可動壁のポンプ室容積圧縮行程での変位時間、変位量、または、変位速度に応じて前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
【００１５】
また、請求項４に記載されているように、周期制御手段は、前記ポンプ室の圧力を検出するポンプ圧力検出手段の検出情報に基づいて前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
また、請求項５に記載されているように、周期制御手段は、前回の可動壁の運動が終了した後、前記ポンプ圧力検出手段が圧力上昇を検出したときに、次回の可動壁の運動を開始させる制御を行うことが好ましい。
【００１６】
また、請求項６に記載されているように、周期制御手段は、所定の値と前記ポンプ圧力検出手段の検出値とを用いた演算値に基づいて、前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
また、請求項７に記載されているように、前記所定の値は、前記アクチュエータを駆動する前に、前記ポンプ圧力検出手段が測定した前記ポンプ室の圧力であることが好ましい。
【００１７】
また、請求項８に記載されているように、前記所定の値は、前回の駆動波形を印可して所定の時間が経過した後に、前記ポンプ圧力検出手段が測定した前記ポンプ室の圧力であることが好ましい。
また、請求項９に記載されているように、前記所定の値は、予め入力された、前記出口流路より下流側の負荷圧力に略相当する値であることが好ましい。
【００１８】
また、請求項１０に記載されているように、前記出口流路より下流側の負荷圧力を検出する負荷圧力検出手段を備え、前記所定の値は、前記負荷圧力検出手段の測定値であることが好ましい。
また、請求項１１に記載されているように、前記演算値は、前記ポンプ圧力検出手段で検出した検出値が前記所定の値以上となる期間について、前記検出値と前記所定の値との差を時間積分した演算値であることが好ましい。
【００１９】
さらに、請求項１２に記載されているように、前記入口流路に受動型の弁を備え、前記周期制御手段は、前記弁の変位を検出し、その検出値に基づいて前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
また、請求項１３に記載されているように、前記周期制御手段は、前記出口流路を含んだ下流側の流速を検出する流速測定手段の検出情報に基づき、前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
【００２０】
また、請求項１４に記載されているように、周期制御手段は、前回の可動壁の運動が終了した後、前記流速測定手段が流速増加を検出したとき以降に、次回の可動壁の運動を開始させる制御を行うことが好ましい。
また、請求項１５に記載されているように、周期制御手段は、前記流速測定手段が測定した流速の最大値と最小値との差により、前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
【００２１】
また、請求項１６に記載されているように、前記周期制御手段は、前記入口流路の吸入体積、又は前記出口流路の吐出体積を検出する移動流体体積測定手段の検出情報に基づき、前記可動壁の運動周期を変更することが好ましい。
さらに、請求項１７に記載されているとうに、前記アクチュエータは、圧電素子であることが好ましい。
【００２２】
さらにまた、請求項１８に記載されているように、前記アクチュエータは、超磁歪素子であることが好ましい。
【００２３】
また、請求項１９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を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、ポンプ内圧力変動が１周期生じる間に、前記アクチュエータを複数回駆動する。
この請求項１９記載の発明によると、吐出流体体積を増やせるとともに、逆止弁の耐久性が向上する。
【００２４】
また、請求項２０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を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記ポンプ室の容積変化量が最大となる周波数と、ポンプ内流体共振周波数とをほぼ等しくした。
この請求項２０記載の発明によると、ポンプからの吐出流体体積を減らすことなくアクチュエータ単体の変位量をより少なく駆動することが可能とり、アクチュエータの内部損失が減るため効率よくポンプを駆動する効果がある。
【００２５】
また、請求項２１に記載されているように、請求項１９乃至２０記載の発明において前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さくすることが、吸入流量を増やし吐出流体体積を増加させる点で好ましい。
さらに、請求項２２に記載されているように、請求項１９乃至２１記載の発明において、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通していることが好ましい。
【００２６】
また、請求項２３に記載されているように、請求項１９乃至２２記載の発明において、前記アクチュエータは、圧電素子であることが好ましい。
また、請求項２４に記載されているように、請求項１９乃至２２記載の発明において、前記アクチュエータは、超磁歪素子であることが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の各実施形態に係わるポンプの構造について図１で説明する。図１は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース７の底部に円形のダイヤフラム５を配置している。ダイヤフラム５は、外周緑がケース７に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム５の底面には、ダイヤフラム５を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子６が配置されている。
【００２８】
ダイヤフラム５とケース７の上壁との間の狭い空間がポンプ室３であり、このポンプ室３へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と運通した細い穴のあいた管路である出口流路２とが開口している。そして、入口流路１を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素を接続するための入口接続管８となっている。また、出口流路２を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素を接続するための出口接続管９となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分１５ａ，１５ｂがある。
【００２９】
ここで、イナータンス値Ｌの定義を行なう。流路の断面積をＳ、流路の長さをｌ、動作流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンス値Ｌを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００３０】
つまりイナータンス値Ｌとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値Ｌが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値Ｌが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【００３１】
また、ここで言う入口流路とは、入口接続管８の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室３内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路１が合流している場合は、ポンプ室３内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【００３２】
図１に基づいて、入口流路１、出口流路２の流路長さ、面積の記号関係を説明する。入口流路１において、逆止弁４近傍の縮径管路部の長さをＬ１、面積をＳ１とし、残りの拡大された管路部の長さをＬ２、面積をＳ２とする。また、出口流路２において、出口流路２の管路の長さをＬ３、面積をＳ３とする。
以上の記号と、動作流体の密度ρを用いて、入口流路１、出口流路２のイナータンス関係を説明する。
【００３３】
入口流路１のイナータンスは、ρ×Ｌ１／Ｓ１＋ρ×Ｌ２／Ｓ２として算出される。一方、出口流路２のイナータンスは、ρ×Ｌ３／Ｓ３として算出される。そして、これら流路は、ρ×Ｌ１／Ｓ１＋ρ×Ｌ２／Ｓ２＜ρ×Ｌ３／Ｓ３を満たす寸法関係となっている。
以上の構成において、ダイヤフラム５の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守るために、出口流路２に弁要素が配置されても、少なくともポンプ動作時にポンプ室と連通していれば構わない。また、逆止弁４は、流体の圧力差によって開閉するものだけではなく、流体の圧力差以外の力で開閉を制御することができるタイプのものを使用しても構わない。
【００３４】
さらに、ダイヤフラム５を動かすアクチュエータ６には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム５とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高い圧電素子６を使用することで、高周波駆動による流量増加ができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様に高い周波数特性を有する超磁歪素子を使用しても良い。
【００３５】
また、機械的開閉弁は吸入側のみに配置すれば良いため、弁による流量減少を減らすとともに信頼性も高くなる。
なお、本実施形態から第８実施形態までの全てにおいて、ポンプ内に導かれる動作流体は水を使用している。ただし、アルコール系、油系、何らかの添加剤を加えたもの等、他の流体を使用しても良い。
【００３６】
次に、図１で示した構造のポンプにおけるダイヤフラムの運動周期について図２、図３、図４及び図５を用いて説明する。
図２には、ポンプを運転したときの、ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１、ポンプ室３の内圧の波形Ｗ２、出口流路２を通過する流体の体積速度（出口管路の断面積×流体の流速であり、この場合は流量と等しい量。）の波形Ｗ３、逆止弁４を通過する流体の体積速度Ｗ４の波形を示している。また、図２に示している負荷圧力Ｐ_ｆｕは、出口流量２より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Ｐ_ｋｙは、入口流路１より上流側の流体圧力である。
【００３７】
ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子６が延びてポンプ室３の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子６が縮んでポンプ室３の容積が増大している過程である。
そして、約４．５μｍ変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム５の最大変位量、即ち、ポンプ室３の容積が最小となるダイヤフラム５の変位位置である。
【００３８】
ポンプ室３の内圧変化の波形Ｗ２に示すように、ポンプ室３の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室３の内圧上昇が開始する。そして、ポンプ室３の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室３の内圧最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大の地点は、ダイヤフラム５による排除流体の体積速度と、波形Ｗ３で示した出口流路２の流体の体積速度とが等しくなる点である。
【００３９】
この理由は、この時刻より前では、
排除流体の体積速度　−　出口流路２を通過する流体の体積速度　＞　０
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体が圧縮され、ポンプ室３内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
排除流体の体積速度　−　出口流路２を通過する流体の体積速度　＜　０
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室３内の圧力は降下するからである。
【００４０】
ポンプ室３内の圧力は、各時刻によるポンプ室３内の流体の体積変化をΔＶとすると、
ΔＶ　＝　ダイヤフラムによる排除流体体積　＋　吸入流体体積　−　吐出流体体積
と流体の圧縮率との関係に従って変化する。したがって、ポンプ室３の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Ｐ_ｆｕよりもポンプ室３内の圧力が低下する場合もある。
【００４１】
さらに、図２の場合では、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐ_ｋｙよりも低下し、絶対０気圧に近づいたところで、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対０気圧付近で飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Ｐ_ｋｙも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。
【００４２】
また、出口流路２の流体の体積速度の波形Ｗ３に示すように、出口流路２内では、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐ_ｆｕよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐ_ｆｕより低下すると、出口流路２内の流体の体積速度も減少し始める。
ポンプ室３内圧力と負荷圧力Ｐ_ｆｕとの差圧をΔＰ_ｏｕｔ、出口流路２での流体抵抗をＲ_ｏｕｔ、イナータンスをＬ_ｏｕｔ、流体の体積速度をＱ_ｏｕｔとおくと、出口流路２内の流体には、
【００４３】
【数１】

【００４４】
という関係が成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔＰ_ｏｕｔとＲ_ｏｕｔ×Ｑ_ｏｕｔとの差をイナータンス値Ｌ_ｏｕｔで割ったものと等しい。そして、１周期分の波形Ｗ３で示されている流体の体積速度を積分した値が、１周期当たりの吐出流体体積となる。
また、逆止弁４を通過する流体の体積速度変化の波形Ｗ４に示すように、入口流路１では、ポンプ室３の圧力が吸入側圧力Ｐ_ｋｙよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁４が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室３の圧力が上昇し、吸入側圧力Ｐ_ｋｙよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁４の逆止効果によって逆流は防がれている。
【００４５】
ポンプ室３の圧力と吸入側圧力Ｐ_ｋｙとの差圧をΔＰ_ｉｎ、出口流路２での流体抵抗をＲ_ｉｎ、イナータンスをＬ_ｉｎ、流体の体積速度をＱ_ｉｎとおくと、入口流路１内の流体でも、
【００４６】
【数２】

【００４７】
という関係が成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔＰ_ｉｎとＲ　_ｉｎ×Ｑ_ｉｎとの差を入口流路１のイナータンス値Ｌ_ｉｎで割ったものと等しい。
そして、１周期分の波形Ｗ４で示されている流体の体積速度を積分した値が、１周期当たりの吸入流体体積である。そして、この吸入流体体積は、波形Ｗ３で算出した吐出流体体積と等しい。
【００４８】
ここで、イナータンスの定義式を時間積分すると、
【００４９】
【数３】

【００５０】
となる。イナータンス値は一定なので、ある管路において、その両端の差圧の積分値が大きいほどその期間での管路内流体の流体体積速度Ｑの変化量が大きくなる。出口流路２で考えると、ポンプ室３の内圧と負荷圧力Ｐ_ｆｕとの差圧の積分値が大きいほど、出口流路２内部の流体には吐出方向へ向う速い流れ（＝大きな運動量も持った流れ）が生じ、吐出流体体積が増加する。その運動量が減少するまでには、入口流路１側から多くの流体をポンプ室３内に導入することができ、それと共に吐出流体体積と吸入流体体積とが等しくなるまでの時間も長くなる。つまり、出口流路２において（３）式の左辺の値の大きさによって、１サイクル当りのポンプの吐出流量（＝吸入流量）や、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しくなるまでの時間が変化する。そして、ダイヤフラムのポンプ室容積減少行程における変位速度を速くすると、この（３）式の左辺の値は増加する傾向にある。
【００５１】
次に、圧電素子６に対する前回の駆動電圧印可後、次の駆動電圧を印可するタイミングについて説明する。
先に説明したように、ポンプ室３内の圧力は、各時刻によるポンプ室３内の流体の体積変化をΔＶで示すと、
ΔＶ　＝ダイヤフラム５による排除流体体積　＋　吸入流体体積　−　吐出流体体積
と流体の圧縮率との関係に従って変化する。そして、本構造のポンプは出口流路２とポンプ室３とが連通しているため、ΔＶ＝０となる時には、ポンプ室３内の圧力は負荷圧力Ｐ_ｆｕと等しくなる。従って、ΔＶ＜０の範囲では、ポンプ室３の圧力は負荷圧力Ｐ_ｆｕよりも低くなっている。そのため、ΔＶ＜０の範囲で圧電素子６に対して次回の駆動電圧を印可すると、ΔＶ＝０となるまでの排除体積が、ポンプ室３の圧力を負荷圧力Ｐ_ｆｕと等しくするためにポンプ室３の流体を圧縮することに使われ無駄となる。
【００５２】
このような排除体積の無駄な消費を防ぐことにより、ポンプの吐出流体体積を増加させることが可能となる。そのためには、ポンピング１回分の駆動が終了した後（ダイヤフラム５による排除流体体積の正味量が零となった後）、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻以降に、次回の圧電素子６に対する駆動電圧を印可するのがよい。
【００５３】
ところが、ポンプ室３の流体の圧力波は様々な要因で変化する。ダイヤフラム５をＳＩＮ波形で運動させた時には、駆動周期に対して吐出流体体積は図３のように変化する。図３には２つの吐出流体体積のピークがあるが、それぞれのピークに対応する駆動周期でのポンプ室３内圧力とダイヤフラム変位について図４、図５に示してある。図４は、ダイヤフラム変位の周期とポンプ室圧力の周期が等しい１倍波モードと呼んでいる駆動状態であり、図５は、ダイヤフラム変位の周期に比べてポンプ室圧力の周期が２倍になっている２倍波モードと呼んでいる駆動状態である。図４と図５とでは、ポンプ室の圧力波形が異なっており、先に説明した（３）式の左辺の値も異なっている。具体的には、図５の２倍波モードの方が、図４の１倍波モードよりも圧力波形のピークが大きく、（３）式の左辺の値も大きい。そのため、先に説明したように、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなる時刻も変化する。（２倍波モードを示す図５は、１倍波モードを示す図４と比較して吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなるまでの時間が長くなる）。その吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻と、ダイヤフラムがポンプ室容積圧縮方向へ運動する期間とがうまく同調した駆動周波数において、図３に示した吐出流体体積のピークが存在する。この２つのモードでポンプ室の圧力波形が異なる理由は、ダイヤフラムの変位量は等しいいものの、図５の方が図４と比べて、駆動周期が短くダイヤフラムのポンプ室容積減少行程における変位速度が速いためである。
【００５４】
このように、ポンプ室３の圧力は、特に、圧電素子６を駆動してダイヤフラム５がポンプ室３の容積を減少する方向への変位時間、最大変位量、変位速度、負荷圧力の変化により大きな影響を受け、それに伴い吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなる時刻も変化し、圧電素子６に対する前回の駆動電圧印可後、次の駆動電圧を印可する最適なタイミングも変化する。
【００５５】
再び図３に基づいて説明を加える。
図３において、１倍波より２倍波が発生した方が吐出流体体積が増えている。また、２倍波モードで駆動すると逆止弁の開閉回数は駆動周波数の１／２となり、図３から分かるように、２倍波モードで駆動した逆止弁の開閉回数は１倍波モードで駆動したときの逆止弁の開閉回数よりも少なくなる。一般的に疲労破壊は荷重の繰り返し回数に関係している。そのため、２倍波モードで駆動したほうが逆止弁の耐久性が向上する。図３ではダイヤフラムの駆動波形をＳＩＮ波形とした場合を示したが、それ以外でもＳＩＮ波形に近い波形や、ダイヤフラムの変位速度が駆動周期の関数となる駆動波形で駆動した場合も同様のことが生じる。
【００５６】
また、前述したように、図３における吐出流体体積ピーク周波数は、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻（＝ポンプ室内圧が負荷圧力と等しくなった時刻）とダイヤフラムがポンプ室容積圧縮方向へ運動する期間とが毎回うまく同調した駆動周波数である。ここで、この周波数のことをポンプ内流体共振周波数と呼ぶこととする。
アクチュエータやダイヤフラム、更には、ポンプ室を構成する他の壁部品といったポンプ室を構成する機械部品の共振周波数（この周波数においてはポンプ室３の容積変化が最大となる）と、ポンプ内流体共振周波数とをほぼ等しくすることで、ポンプからの吐出流体体積を減らさずにアクチュエータ単体の変位量をより少なく駆動することが可能となる。これはアクチュエータの内部損失が減るため効率よくポンプを駆動する効果がある。
【００５７】
次に、図６及び図７は、本発明に係る第１実施形態を示すものである。
図６は、本実施形態の圧電素子６の駆動制御を行う駆動手段２０のブロック図であり、周期制御回路（周期制御手段）２２と、電圧波形発生回路２４とで構成されている。
電圧波形発生回路２４は、後述するトリガー信号を受ける度に、トリガー信号を受ける前までに設定された電圧波形を１回発生させる波形発生回路２４ａと、駆動に必要な所定の電力に増幅し圧電素子６に供給する増幅アンプ回路２４ｂとを備えている。
【００５８】
周期制御回路２２は、ポンプ室３の容積を減少させる方向へダイヤフラム５を変位させる時間（変位時間）、最大変位、負荷圧力の信号が入力されるＩ／Ｏポート２２ａと、各入力値の組み合わせに対する最適な運動周期をあらかじめ実験的に求めておき、図７に示すマップを記録しているＲＯＭ２２ｂと、Ｉ／Ｏポート２２ａへの入力値でＲＯＭ２２ｂを参照し、対応する周期でトリガー信号を発生するＣＰＵ２２ｃとを備えている。
【００５９】
本実施形態によると、周期制御回路２２が、変位時間、最大変位、負荷圧力の変化に対して最適な周期を選択し、圧電素子６を制御することで、吐出流量体積及び吸入流量体積が等しいか、吸入流量体積が多い状態でダイヤフラム５が変位するため、排除流体体積の無駄な消費を防止し、ポンプの吐出流体体積を増大させることができる。
【００６０】
また、本実施形態では、ポンプ室３の内部にセンサを設ける必要がないので、ポンプ室３が狭い空間である場合に好適である。
次に、図８及び図９は、本発明に係る第２実施形態を示すものである。
図８に示す本実施形態の駆動手段２０は、周期制御回路（周期制御手段）２２と、電圧波形発生回路２４とを備えている。
【００６１】
電圧波形発生回路２４は、図６で示したブロック図と同一構成になっており、後述するトリガー信号を受ける度に、トリガー信号を受ける前までに設定された電圧波形を１回発生させる。
周期制御回路２２は、ポンプ内に配置した圧力センサ（ポンプ圧力検出手段）２８の検出値に基づいてトリガー信号を発生する圧力−周期変換回路２２ｄを備えている。
【００６２】
図９に、圧力−周期変換回路２２ｄの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップＳ４において、圧力の閾値Ｐ_ｓｈを設定する。この閾値Ｐ_ｓｈは、圧力センサ２８に吸入側圧力Ｐ_ｋｙが加わった時の出力値以上の値を使用している。このようにすると、低圧時の微妙な圧力上昇による誤検出がない。
次いで、ステップＳ６に移行し、トリガー信号を波形発生回路２４へ出力する。
【００６３】
次いで、ステップＳ８に移行し、波形発生回路２４が１回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップＳ１０に移行する。
ステップＳ１０では、圧力センサ２８により第１回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ１を計測する。
次いで、ステップＳ１２に移行し、圧力センサ２８により第２回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ２を計測する。
【００６４】
次いで、ステップＳ１４に移行し、閾値Ｐｓｈと、第１回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ１と、第２回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ２の関係が、Ｐｉｎ１＜Ｐｓｈ＜Ｐｉｎ２の関係になっているか否かを確認する。Ｐｉｎ１＜Ｐｓｈ＜Ｐｉｎ２の関係になっている場合には、ステップＳ１６に移行し、Ｐｉｎ１＜Ｐｓｈ＜Ｐｉｎ２の関係になっていない場合には、ステップＳ１８に移行する。
【００６５】
ステップＳ１８では、第２回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ２の値を、第１回目のポンプ室３の圧力Ｐｉｎ１としてステップＳ１２に戻る。
また、ステップＳ１６では、圧電素子６の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子６の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子６の制御を続行する場合にはステップＳ６に戻る。
【００６６】
以上、本実施形態によると、周期制御回路２２が、負荷圧力の変化に対してポンプ室３の圧力が、予め設定した閾値Ｐ_ｓｈを超えて増える時点で、次の圧電素子６に対する駆動電圧を印可することができる。
そして、圧力センサ２８に負荷圧力Ｐ_ｆｕが加わった時の出力値以上の値を用いれば、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム５が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加していく。
【００６７】
なお、ポンプ圧力検出手段としては、圧力センサ２８以外にも、ダイヤフラムの歪量を歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室３の圧力を算出してもよい。また、ポンプ躯体の変形を歪ゲージで測定して、ポンプ室３の圧力を算出してもよい。また、入口流路１側に受動弁を備え、その弁が閉じている状態でのポンプ室３の圧力による変形を、歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室３の圧力を算出してもよい。また、圧電素子６の変位を測定するために、圧電素子６に歪ゲージが取り付けられていて、圧電素子６への印可電圧、若しくは印可電荷（目標変位量）と歪ゲージによって測定値（実変位量）と圧電素子６のヤング率から、ポンプ室３の圧力を算出するようにしてもよい。これらの方法は、ポンプ室３の内部に設けなくて済むので、ポンプの小型化を促進することができる。また、歪ゲージとしては、歪量を抵抗変化、静電容量変化、または、電圧変化で検出するもの等、どのタイプを使用しても構わない。
【００６８】
また、圧力センサはポンプ室と出口流を含むポンプ内に配置してあれば良いが、ポンプ室内に配置するのがポンプ内部の圧力を正確に測定でき好適である。
次に、図１０は、本発明に係る第３実施形態を示すものである。
この図も、図８で示した圧力−周期変換回路２２ｄの処理手順を示すフローチャートであり、図８で示した構成と同一構成なので、駆動手段２０のブロック図は省略する。
【００６９】
先ず、ステップＳ３０において、ダイヤフラム５の複数の周期Ｔｉ（ｉ＝１、２、３…）のうち周期Ｔ１を選ぶ。なお、次回以降は、他の周期Ｔｉを変更して選択する。
次いで、ステップＳ３２に移行し、全ての周期Ｔｉに対して後述する演算値Ｆｉの算出が終了したかを確認し、終了していない場合にはステップＳ３８に移行し、終了した場合にはステップＳ３６に移行する。
【００７０】
ステップＳ３８では、トリガー信号Ｓｉを出力する。
次いで、ステップＳ４４に移行し、圧力センサ２８によりポンプ室３の圧力Ｐｉｎを計測する。
次いで、ステップＳ４６に移行し、基準値（所定の値）Ｐａとポンプ室３の圧力Ｐｉｎとの関係が、Ｐａ≦Ｐｉｎの関係になっているか否かを確認する。ここで、基準値Ｐａは、圧電素子６が駆動する前のポンプ室３の圧力値である。このステップにおいてＰａ≦Ｐｉｎの関係になっている場合には、ステップＳ５０に移行し、Ｐａ≦Ｐｉｎの関係になっていない場合には、ステップＳ４４に戻る。
【００７１】
次いで、ステップＳ５０に移行し、ポンプ室３の圧力Ｐｉｎを記憶圧力値Ｐｍｊ（ｊ＝１、２、３…と、このステップを処理するたびにｊの値はインクリメントする。）に記憶してからステップＳ５２に移行し、その計測時の時刻を、経過時間ＴＭｍｊ（ｊ＝１、２、３…）に記憶してからステップＳ５４に移行する。
ステップＳ５４では、ポンプ室の圧力を測定し、その測定値Ｐｉｎと基準値Ｐａとの関係が、Ｐａ＞Ｐｉｎの関係になっているか否かを確認する。Ｐａ＞Ｐｉｎの関係になっている場合には、ステップＳ５６に移行し、Ｐａ＞Ｐｉｎの関係になっていない場合には、ステップＳ５０に戻る。
【００７２】
そして、ステップＳ５６において、記憶圧力値Ｐｍｊ、基準値Ｐａ、経過時間ＴＭｍｊを使用し、記憶圧力値Ｐｍｊと基準値Ｐａとの差を時間積分して演算値Ｆｉを算出してからステップＳ３０に戻る。
そして、ステップＳ３２においてダイヤフラム５の全ての周期Ｔｉに対する演算値Ｆｉの演算が終了した場合に移行する先であるステップＳ３６では、これまで記憶した演算値Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３…の中の最大値を算出する。
【００７３】
次いで、ステップＳ５８に移行し、最大値となった所定の演算値Ｆｉに対応するダイヤフラム５の周期Ｔｉを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した周期Ｔｉでダイヤフラム５が変位するように、駆動手段２０が圧電素子６の駆動制御を行う。
以上、図１０で示した圧力−周期変換回路２２ｄの処理を行うと、（３）式の左辺に相当する演算値Ｆｉが最大となる周期を選択することができる。一方、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム５が変位し始める最適な周期で駆動すると、先に説明したように、ポンプ室容積圧縮過程において排除流体体積の無駄な消費がないため、最適でない周期で駆動する場合と比較して、ポンプ室内圧はより上昇し、ポンプの吐出流体体積もより増加し、そして、（３）式の左辺に相当する値もより増大する。したがって、本実施形態のようにダイヤフラムの運動周期を制御すると、最適な運動周期で駆動することができ、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加する。
【００７４】
なお、圧力値Ｐｍｊと基準値Ｐａとの差を時間積分すると高精度に圧電素子６の制御を行えるが、例えばポンプ室３の圧力Ｐｉｎのピーク値と基準値Ｐａとの差と、基準値Ｐａ≦圧力Ｐｉｎとなっている時間とを積算したものを使用することもできる。
ところで、本発明に係るポンプは、出口流路２に接続した出口管路（出口流路２より下流側）とポンプ室３とが連通しているので、駆動する前のポンプ室３の圧力は負荷圧力Ｐ_ｆｕと等しい。そこで、駆動する前のポンプ室３の圧力を測定することで負荷圧力Ｐ_ｆｕがわかるのである。
【００７５】
そこで、圧電素子６を駆動する前のポンプ室の圧力を基準値Ｐａとせずに、他の方法で負荷圧力Ｐ_ｆｕを求めて図１０で示した第３実施形態の処理を行うこともできる。
他の方法としては、負荷圧力Ｐ_ｆｕが事前にわかっている場合はその値を使用するのが簡便で望ましい。また、負荷圧力Ｐ_ｆｕを測定する手段を設け、その測定値を使用することも、事前に想定できない様々な負荷圧力Ｐ_ｆｕに対応できる点で望ましい。また、ポンプ駆動時に一時的に数波形分駆動を停止すると（例えば、２ｋＨｚで駆動しているときに、２０００波形駆動すると１０波形停止し、また、２０００波形駆動する）、停止している間にポンプ室３の圧力振動が停止するので、そのときのポンプ室３の圧力は負荷圧力Ｐ_ｆｕと等しい。そこで、ポンプ圧力検出手段である圧力センサ２８のそのときの値を負荷圧力Ｐ_ｆｕを使用するのが、様々な負荷圧力Ｐ_ｆｕに対応でき、更に負荷圧力を測定する新たな手段を備えなくても済む点で好ましい。
【００７６】
また、ある運動周期の際の演算値Ｆｉと、それを理想的な最大演算値Ｆｍａｘにするためにその運動周期に加える補正量とを、予め実験等により求め、それを変位制御手段のＲＯＭ内にマップ化して保有しておき、演算値Ｆｉを算出すると、そのマップを参照し、ダイヤフラム５の運動周期を補正する手段を設けると、同様の効果を得ながら、より高速に変位速度を制御することができる。
【００７７】
次に、図１１及び図１２は、本発明に係る第４実施形態を示すものである。
図１１に示すように、本実施形態の周期制御回路２２は、Ｉ／Ｏポート２２ａと、ＲＯＭ２２ｂと、ＣＰＵ２２ｃとを備えており、Ｉ／Ｏポート２２ａには、ポンプ内に配置した圧力センサ（ポンプ圧力検出手段）２８からポンプ室３の圧力情報が入力されている。また、ＲＯＭ２２ｂには、予め実験で求めた、ある基準運動周期Ｔ_０の際の圧力センサ２８の内圧ピーク値と、それを最適な周期とするための補正量とが、図１２に示すように負荷圧力別にマップとして記録されている。
【００７８】
本実施形態の波形発生回路２４が１回目の駆動電圧を出力し、周期制御回路２２が基準運動周期Ｔ_０でトリガー信号を発生し、波形発生回路２４が２回目の駆動電圧の出力を開始すると、圧力センサ２８による測定を開始し、その測定値からピーク値を算出した後、ＲＯＭ２２ｂを参照して対応する補正量を見つけ、次回からは基準運動周期にその補正量を加えた周期でトリガー信号を出力するようになっている。なお、負荷圧力の求め方は、第３実施形態で説明した全ての方法を、同様に使用できる。
【００７９】
本実施形態も、最適な周期を選択し、圧電素子６に対して駆動電圧波形を送ることで、吐出流量体積及び吸入流量体積が等しいか、吸入流量体積が多い状態でダイヤフラム５が変位するため、排除流体体積の無駄な消費を防止し、ポンプの吐出流体体積を増大させることができる。
次に、図１３及び図１４は、本発明に係る第５実施形態を示すものである。
【００８０】
図１３に示す本実施形態の駆動手段２０は、周期制御回路（周期制御手段）２２と、電圧波形発生回路２４とを備えている。周期制御回路２２は、ポンプ内の入口流路１に設けた圧力差によって開閉する逆止弁４の開閉の変位状態を検出する変位センサ３０の検出値に基づいてトリガー信号を発生する変位−周期変換回路２２ｅを備えている。
【００８１】
図１４に、変位−周期変換回路２２ｅの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップＳ６０において、入口流路１を閉鎖する逆止弁１がほぼ閉鎖した時の変位量に相当する閾値Ｘ_０を設定する。
次いで、ステップＳ６２に移行し、トリガー信号を出力する。
次いで、ステップＳ６４に移行し、１回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップＳ６６に移行する。
【００８２】
ステップＳ６６では、変位センサ３０により逆止弁１の変位量Ｘを計測する。
次いで、ステップＳ６８に移行し、入口流路１を閉鎖する逆止弁１の変位量（閾値）Ｘ_０と、計測した変位量Ｘとの関係が、Ｘ≦Ｘ_０の関係になっているか否かを確認する。Ｘ≦Ｘ_０の関係になっている場合には、ステップＳ７０に移行し、Ｘ≦Ｘ_０の関係になっていない場合には、ステップＳ６６に戻る。
【００８３】
ステップＳ７０では、圧電素子６の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子６の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子６の制御を続行する場合にはステップＳ６２に戻る。
本実施形態は、１周期の駆動電圧の印可が終了した後に、次第に吸入流体体積の増加量が吐出流体体積の増加量よりも多くなっていき、吐出流体体積と吸入流体体積とがほぼ等しくなるあたりで吸入弁が閉鎖することを利用している。したがって、変位−周期変換回路２２ｅが、逆止弁１が入口流路１を閉鎖する状態となった時点で、次回の圧電素子６に対する駆動電圧を印可するよう処理することで、吐出流体体積と吸入流体体積とがほぼ等しい時点でダイヤフラム５が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積を増加させることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、逆止弁１が閉じてから圧電素子６が駆動するので、ダイヤフラム５による排除流体体積が入口流路１より逆流して損失するのを防止することもできる。
次に、図１５及び図１６は、本発明に係る第６実施形態を示すものである。
図１５に示す本実施形態の駆動手段２０は、周期制御回路（周期制御手段）２２と、電圧波形発生回路２４とを備えており、周期制御回路２２は、ポンプ内の出口流路２に配置した流速センサ（流速測定手段）３０の検出値に基づいてトリガー信号を発生する流速−周期変換回路２２ｆを備えている。
【００８５】
図１６に、流速−周期変換回路２２ｆの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップＳ７２において、ダイヤフラム５の複数の周期Ｔｉ（ｉ＝１、２、３…）のうち周期Ｔ１を選ぶ。なお、次回以降は、他の周期Ｔｉを変更して選択する。
次いで、ステップＳ７４に移行し、全ての周期Ｔｉに対して後述する流速差ΔＶｉの算出が終了したかを確認し、終了していない場合にはステップＳ８０に移行し、終了した場合にはステップＳ７８に移行する。
【００８６】
ステップＳ８０では、トリガー信号Ｓｉを出力する。
次いで、ステップＳ８４に移行し、出口流路２の最大流速Ｖｍａｘを算出する。
次いで、ステップＳ８６に移行し、出口流路２の最小流速Ｖｍｉｎを算出する。
次いで、ステップＳ９０に移行し、最大流速Ｖｍａｘと最小流速Ｖｍｉｎとの流速差ΔＶを算出する。
【００８７】
次いで、ステップＳ９２に移行し、流速差ΔＶを記憶流速値ΔＶｉ（ｉ＝１、２、３…）に記憶してからステップＳ７２に戻る。
そして、全ての周期Ｔｉに対する流速差ΔＶｉの算出が終了した場合には、ステップＳ７８に移行し、これまで記憶した速度差ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３…の中の最大値を算出する。
【００８８】
次いで、ステップＳ９４に移行し、最大値となった所定の速度差ΔＶｉに対応する周期Ｔｉを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した周期Ｔｉでダイヤフラム５が変位するように、駆動手段２０が圧電素子６の駆動制御を行う。
以上、本実施形態では、（３）式で示したように、積分期間での流体体積速度の差とポンプ室３の圧力と負荷圧力との差圧の時間積分値は１対１に対応していること、また、ダイヤフラムが良い運動周期で駆動されているほど、この時間積分値が大きくなることを利用している。したがって、図１６で示した流速−周期変換回路２２ｆの処理を行うと、ダイヤフラムを最適な運動周期で駆動することができ、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加し、駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００８９】
次に、図１７は、第７実施形態としての流速−周期変換回路２２ｆの処理手順を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１００において、出口流路２の流速の閾値Ｖｓｈを設定する。
次いで、ステップＳ１０２に移行し、トリガー信号を出力する。
次いで、ステップＳ１０４に移行し、一回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップＳ１０６に移行する。
【００９０】
ステップＳ１０６では、流速センサ３２により第１回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ１を計測する。
次いで、ステップＳ１０８に移行し、流速センサ３２により第２回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ２を計測する。
次いで、ステップＳ１１０に移行し、閾値Ｖｓｈと、第１回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ１と、第２回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ２の関係が、Ｖｉｎ１＜Ｖｓｈ＜Ｖｉｎ２の関係になっているか否かを確認する。Ｖｉｎ１＜Ｖｓｈ＜Ｖｉｎ２の関係になっている場合には、ステップＳ１１２に移行し、Ｖｉｎ１＜Ｖｓｈ＜Ｖｉｎ２の関係になっていない場合には、ステップＳ１１４に移行する。
【００９１】
ステップＳ１１４では、第２回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ２の値を、第１回目の出口流路２の流速Ｖｉｎ１としてステップＳ１０８に戻る。
また、ステップＳ１１２では、圧電素子６の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子６の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子６の制御を続行する場合にはステップＳ１０２に戻る。
【００９２】
以上、本実施例では、図２に示したように出口流路２内の流体は、１回分の駆動電圧の印加が終了した後、ポンプ内圧が負荷圧力よりも低下している期間では流速が減少するが、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多くなると、ポンプ内圧が負荷圧力よりも高くなり、出口流路２内の流速は増加し始めることを利用している。そこで、本実施形態の流速−周期変換回路２２ｆのように、出口流路２の流速が増加する時点で、次の圧電素子６に対する駆動電圧を印可する制御を行えば、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム５が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加していく。
【００９３】
また、図示しないが、ある基準周期Ｔ_０でダイヤフラムを運動させた際の流速ピーク値と、それを最大流速ピーク値とするさいに基準周期に加える補正量とを、ダイヤフラムの変位速度別、かつ、負荷圧力別に予め実験で求め周期制御回路２２を構成するＲＯＭ等に、マップとして記録しておく方法もある。その場合、事前にわかっているダイヤフラム変位速度、負荷圧力の条件のもと、ある基準周期Ｔ_０でダイヤフラムを運動させている時に、流速センサ３２による測定を開始し、その測定値からピーク値を算出した後、ＲＯＭのマップを参照して対応する補正量を見つけ、次回からは基準周期Ｔ_０にその補正量を加えた周期でトリガー信号を出力する。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００９４】
なお、流速センサ３２としては、超音波式、流速を圧力に変換して測定する方式、或いは、熱線式の流速センサなどが利用可能である。また、流速センサ３２を設置する位置は出口流路を含んで下流側であればよい。
さらに、図１８は、本発明に係る第８実施形態を示すものである。
本実施形態は、ポンプの出口流路２に、流体を溜めることができるチャンバ４０が接続している。このチャンバ４０と、その内部に備えられた液面センサ４２とで移動流体体積測定手段が構成されており、液面センサ４２から液面高さの検出情報が駆動手段２０に入力するようになっている。
【００９５】
チャンバ４０は、最初は空にしてある。そして、ポンプの出口流路２から流体が吐出されると、駆動手段２０は吐出時間と液面高さを計測し、ダイヤフラム５の単位時間当たりの吐出体積を算出する。そして、その吐出体積が最大となるように、ダイヤフラム５の運動周期を適宜設定する。その結果、単位時間当たりの吐出流体体積が最大となる最適な運動周期でダイヤフラムを運動させることができ、駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００９６】
また、このようなチャンバ４０と、その内部に備えられた液面センサ４２とで移動流体体積測定手段ではなく、図示しないが、入口流路１、或いは出口流路２に脈動吸収用のバッファを設け、そのバッファの膜の変位量を測定して駆動手段２０に出力する移動流体体積測定手段を設け、バッファの膜の変位量が最大になるようにダイヤフラム５の運動周期を設定してもよい。というのは、バッファ膜は、ポンピング１周期当たりの吐出流体体積（＝吸入流体体積）が多いほど大振幅で振動するため、バッファ膜の変位量が最大となっているときには、ポンピング１周期当たりの吐出流体体積（＝吸入流体体積）も最大となっているからである。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポンプは、弁を入口流路だけに配置すればよく、弁等の流体抵抗要素を入口流路だけに配置すればいいので、流体抵抗要素での圧力損失を減らすとともに、ポンプの信頼性を高めることができる。
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応することができる。したがって、アクチュエータの性能を十分に生かした小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【００９８】
また、周期制御手段を設けたことで、排除流体体積の無駄な消費を防止し、その分のポンプ吐出流体体積、吐出圧力が増加するので、駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態のポンプの縦断面を示す図である。
【図２】第１実施形態のポンプの動作を示すグラフである。
【図３】周波数が異なると吐出流体体積が変化する状態を示すグラフである。
【図４】所定の周波数の波形モードを示すグラフである。
【図５】図４と異なる周波数の波形モードを示すグラフである。
【図６】本発明に係る第１実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。
【図７】第１実施形態の周期制御手段で記憶しているマップを示す図である。
【図８】本発明に係る第２実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。
【図９】本発明に係る第２実施形態の周期制御手段が処理を行う手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明に係る第３実施形態の圧力―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明に係る第４実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。
【図１２】第４実施形態の周期制御手段で記憶しているマップを示す図である。
【図１３】本発明に係る第５実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。
【図１４】本発明に係る第５実施形態の変位―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。
【図１５】本発明に係る第６実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。
【図１６】本発明に係る第６実施形態の流速―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。
【図１７】本発明に係る第７実施形態の流速―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。
【図１８】本発明に係る第８実施形態のポンプを示す図である。
【符号の説明】
１：入口流路
２：出口流路
３：ポンプ室
４：逆止弁
５：ダイヤフラム（可動壁）
６：圧電素子（アクチュエータ）
２０：駆動手段
２２：周期制御回路（周期制御手段）
２２ｄ：圧力−周期変換回路
２２ｅ：変位−周期変換回路
２４：波形発生回路
２８：圧力センサ（ポンプ圧力検出手段）
３０：変位センサ
３２：流速センサ（流速測定手段）
４０：チャンバ（移動流体体積測定手段）
４２：液面センサ（移動流体体積測定手段）

Claims

ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、
前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備えていることを特徴とするポンプ。
前記周期制御手段は、前記出口流路より下流側の負荷圧力に応じて前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前記可動壁のポンプ室容積圧縮行程での変位時間、変位量、または、変位速度に応じて前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１又は２記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前記ポンプ内部の圧力を検出するポンプ圧力検出手段の検出情報に基づいて前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前回の可動壁の運動が終了した後、前記ポンプ圧力検出手段が圧力上昇を検出したときに、次回の可動壁の運動を開始させる制御を行うことを特徴とする請求項４記載のポンプ。
前記周期制御手段は、所定の値と前記ポンプ圧力検出手段の検出値とを用いた演算値に基づいて、前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項４記載のポンプ。
前記所定の値は、前記アクチュエータを駆動する前に、前記ポンプ圧力検出手段が測定した前記ポンプ室の圧力であることを特徴とする請求項６記載のポンプ。
前記所定の値は、前回の駆動波形を印加して所定の時間が経過した後に、前記ポンプ圧力検出手段が測定した前記ポンプ室の圧力であることを特徴とする請求項６記載のポンプ。
前記所定の値は、予め入力された、前記出口流路より下流側の負荷圧力に略相当する値であることを特徴とする請求項６記載のポンプ。
前記出口流路より下流側の負荷圧力を検出する負荷圧力検出手段を備え、前記所定の値は、前記負荷圧力検出手段の測定値であることを特徴とする請求項６記載のポンプ。
前記演算値は、前記ポンプ圧力検出手段で検出した検出値が前記所定の値以上となる期間について、前記検出値と前記所定の値との差を時間積分した演算値であることを特徴とする請求項６乃至１０の何れかに記載のポンプ。
前記入口流路に受動型の弁を備え、前記周期制御手段は、前記弁の変位を検出し、その検出値に基づいて前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前記出口流路を含んだ下流側の流速を検出する流速測定手段の検出情報に基づき、前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前回の可動壁の運動が終了した後、前記流速測定手段が流速増加を検出したとき以降に、次回の可動壁の運動を開始させる制御を行うことを特徴とする請求項１３記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前記流速測定手段が測定した流速の最大値と最小値との差により、前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１３記載のポンプ。
前記周期制御手段は、前記入口流路の吸入体積、又は前記出口流路の吐出体積を検出する移動流体体積測定手段の検出情報に基づき、前記可動壁の運動周期を変更することを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れかに記載のポンプ。
前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れかに記載のポンプ。
ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、ポンプ内圧力変動が１周期生じる間に、前記アクチュエータを複数回駆動することを特徴とするポンプ。
ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記ポンプ室の容積変化量が最大となる周波数と、ポンプ内流体共振周波数とをほぼ等しくしたことを特徴とするポンプ。
前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さいことを特徴とする請求項１９又は２０に記載のポンプ。
前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通していることを特徴とする請求項１９乃至２１の何れかに記載のポンプ。
前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴とする請求項１９乃至２２の何れかに記載のポンプ。
前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴とする請求項１９乃至２２の何れかに記載のポンプ。