JP2009203822A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムの振動により液体を搬送するように構成されたダイヤフラムポンプにおいて、目標搬送流量に対応する駆動信号の周波数が、逆止弁の弁効率が良い周波数からずれている場合であっても、逆止弁の貼り付きを発生させることなく目標搬送流量に近い流量で液体を搬送可能とする。
【解決手段】制御ユニットから出力される駆動信号として、液体の吸入吐出時に各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数ｆ１に設定された第１駆動信号と、この第１駆動信号の周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２に設定された第２駆動信号とが互いに周期的に出力される構成とする。これにより、逆止弁の貼り付きを発生させることなくポンプ駆動を行えるようにする。その際、第２駆動信号の周波数ｆ２を適宜設定することにより、液体の搬送流量を目標搬送流量と略一致させるようにする。
【選択図】図５

Description

本願発明は、ダイヤフラムの振動により液体を搬送するように構成されたダイヤフラムポンプに関するものである。

近年、燃料電池や医療機器等の技術分野において、液体を少量ずつ定量搬送するためのマイクロポンプとして、ダイヤフラムポンプが用いられるようになってきている。

このダイヤフラムポンプは、例えば「特許文献１」や「特許文献２」に記載されているように、ダイヤフラムと、このダイヤフラムにより一側面が形成され、その振動により容積が変化するように構成されたポンプ室と、このポンプ室に液体を吸入する吸入路と、このポンプ室から液体を吐出する吐出路と、これら吸入路および吐出路の各々に配置された１対の逆止弁とを備えており、そのダイヤフラムの振動により液体を搬送するように構成されている。

そして、このダイヤフラムポンプにおいては、ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子等の駆動手段を駆動することによりダイヤフラムを振動させるようになっている。その際、この駆動手段の駆動は、駆動制御手段から定電圧で出力される駆動信号によって行われるようになっている。

なお、このようなダイヤフラムポンプにおける逆止弁の例ではないが、「特許文献３」には、弁座の表面に樹脂薄板を配置することにより、また「特許文献４」には、弁座の表面に凹溝を形成して弁体との接触面積を小さくすることにより、弁体が弁座に貼り付いてしまうのを抑制するようにした構成が記載されている。

特開２００７−１９８１６５号公報 特開２００６−６３９６０号公報 特開平９−２８０１６７号公報 実開平５−８９８７６号公報

ダイヤフラムポンプにおいて、そのポンプ室に供給される液体中に気泡が含まれていると、液体と空気とが交互に搬送されることとなるため、空気が搬送される際に、弁体と弁座との間に残っている液体により、逆止弁の貼り付き（すなわち弁体が弁座に貼り付いてしまう現象）が発生しやすくなる。

このような逆止弁の貼り付きは、液体の吸入吐出時における各逆止弁の弁体の振れ幅（すなわち、１回の開閉動作において弁開度が最大になったときの閉位置からの変位量）が十分大きければ、その発生を未然に防止することが可能である。しかしながら、通常のポンプ駆動状態において、これを実現することは困難である。

すなわち、ダイヤフラムポンプにおいて、液体の吸入吐出時における各逆止弁の弁体の振れ幅は、ある特定の周波数で開閉するときに最も大きくなる。一方、ダイヤフラムポンプによる液体の搬送流量は、ダイヤフラムが振動する際の周波数が高くなるに従って増大する。このため、液体の目標搬送流量（すなわち、ダイヤフラムポンプを用いて液体を搬送する際に目標とする搬送流量）を得るのに適した周波数が、逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数（すなわち弁効率が最も良い周波数）から大きくずれている場合には、ポンプ駆動状態において弁体の振れ幅を十分に確保することができなくなる。

このように弁体の振れ幅が十分でない状態が続くと、逆止弁の貼り付きが発生しやすくなる。そして、このような逆止弁の貼り付きが発生すると、液体の搬送流量を一定に維持することができなくなり、ダイヤフラムポンプとしての機能を十分に発揮し得なくなる。

これに対し、上記「特許文献３」や「特許文献４」に記載されているように、弁座の表面に樹脂薄板を配置したり、弁座の表面に凹溝を形成して弁体との接触面積を小さくすれば、逆止弁の貼り付きの発生をある程度抑制することが可能となるが、このような構造的な対策では、逆止弁の貼り付き防止効果に自ずと限界があり、また製品のコストアップに繋がってしまう、という問題がある。

一方、逆止弁の弁効率が良い周波数でダイヤフラムを振動させるようにした上で、その際の駆動電圧を上下させることによって、液体の搬送流量を調節することも可能である。しかしながら、このようにした場合、目標搬送流量が大きいときには、これに対応すべく駆動電圧を上げると、ダイヤフラムポンプの寿命に影響してしまい、また駆動回路が大型化してしまう、という問題があり、逆に、目標搬送流量が小さいときには、これに対応すべく駆動電圧を下げると、弁体の振れ幅が小さくなってしまい、このため逆止弁の貼り付きが発生しやすくなる、という問題がある。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ダイヤフラムの振動により液体を搬送するように構成されたダイヤフラムポンプにおいて、目標搬送流量に対応する駆動信号の周波数が、逆止弁の弁効率が良い周波数からずれている場合であっても、逆止弁の貼り付きを発生させることなく目標搬送流量に近い流量で液体を搬送することができるダイヤフラムポンプを提供することを目的とするものである。

本願発明は、駆動制御手段から出力される駆動信号に工夫を施すことにより、上記目的達成を図るようにしたものである。

すなわち、本願発明に係るダイヤフラムポンプは、
ダイヤフラムと、このダイヤフラムにより一側面が形成され、該ダイヤフラムの振動により容積が変化するように構成されたポンプ室と、このポンプ室に液体を吸入する吸入路と、このポンプ室から液体を吐出する吐出路と、これら吸入路および吐出路の各々に配置された１対の逆止弁と、上記ダイヤフラムを振動させる駆動手段と、この駆動手段に駆動信号を出力する駆動制御手段と、を備えてなるダイヤフラムポンプにおいて、
上記駆動制御手段が、上記駆動信号として、上記液体の吸入吐出時に上記各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された第１駆動信号を、この第１駆動信号の周波数とは異なる周波数に設定された第２駆動信号に対して間欠的に出力するように構成されている、ことを特徴とするものである。

上記各「逆止弁」は、逆止弁としての機能を発揮し得るものであれば、その弁体や弁座の形状あるいはその材質等の具体的な構成については特に限定されるものではない。

上記「駆動手段」は、ダイヤフラムを振動させることができるものであれば、その具体的な構成については特に限定されるものではなく、例えば、ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子等が採用可能である。

上記「第２駆動信号」は、第１駆動信号の周波数とは異なる周波数の駆動信号であれば、その周波数の具体的な値は特に限定されるものではない。

上記「第１駆動信号」は、第２駆動信号に対して間欠的に出力されるようになっているが、ここで「間欠的に出力される」際の具体的な態様としては、定期的に出力される態様であってもよいし、不定期に出力される態様であってもよい。

上記構成に示すように、本願発明に係るダイヤフラムポンプは、その駆動制御手段が、ダイヤフラムを振動させる駆動手段に出力する駆動信号として、液体の吸入吐出時に各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数（すなわち逆止弁の弁効率が良い周波数）に設定された第１駆動信号を、この第１駆動信号の周波数とは異なる周波数に設定された第２駆動信号に対して間欠的に出力する構成となっているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、上述したように、通常のダイヤフラムポンプにおいて、その目標搬送流量に対応する周波数が、逆止弁の弁効率が良い周波数からずれている場合には、逆止弁の貼り付きが発生しやすくなる。

その点、本願発明に係るダイヤフラムポンプにおいては、逆止弁の弁効率が良い周波数の第１駆動信号が第２駆動信号に対して間欠的に出力されるので、この第１駆動信号が出力されている期間は弁体の振れ幅が十分大きくなる。したがって、たとえ第２駆動信号が出力されている期間の弁体の振れ幅が小さくても、この状態でのポンプ駆動が長く続かないようにすることができ、これにより逆止弁の貼り付きを発生させることなくポンプ駆動を行うことができる。その際、第２駆動信号の周波数を適宜設定することにより、目標搬送流量に近い流量で液体を搬送することができる。

このように本願発明によれば、ダイヤフラムの振動により液体を搬送するように構成されたダイヤフラムポンプにおいて、目標搬送流量に対応する駆動信号の周波数が、逆止弁の弁効率が良い周波数からずれている場合であっても、逆止弁の貼り付きを発生させることなく目標搬送流量に近い流量で液体を搬送することができる。

上記構成において、第２駆動信号の周波数を、目標搬送流量に対応する周波数に対して、第１駆動信号の周波数とは高低が逆になる値に設定するようにすれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、本願発明において、第２駆動信号の周波数を、目標搬送流量に対応する周波数に設定することも可能であるが、このようにした場合、第１駆動信号が出力されている期間の搬送流量が目標搬送流量とは異なっていることから、全体としての搬送流量は、これを目標搬送流量にある程度までは近づけることができるが、それ以上は近づけることができない。

そこで、第２駆動信号の周波数を、目標搬送流量に対応する周波数に対して、第１駆動信号の周波数とは高低が逆になる値に設定すれば、これら第１駆動信号および第２駆動信号が交互に出力されることにより、第１駆動信号の出力による搬送流量と第２駆動信号の出力による搬送流量とが時間軸上で平均化されるので、全体としての搬送流量を、目標搬送流量により近づけることができる。その際、第２駆動信号の周波数を適宜設定することにより、目標搬送流量と略一致させることも可能となる。

さらに、この場合において、第２駆動信号の周波数を、０Ｈｚに設定すること（すなわちポンプ駆動が停止した状態にすること）も可能である。このようにした場合、ポンプ駆動は、第１駆動信号が出力されるときだけ断続的に行われることとなるが、その際、第２駆動信号の出力期間を適宜設定することにより、目標搬送流量が第１駆動信号の出力による搬送流量よりも小さい場合において、全体としての搬送流量を目標搬送流量と略一致させることが可能となる。

上記構成において、第１駆動信号の周波数を５〜１５Ｈｚの範囲内の値に設定するようにすれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、小型のダイヤフラムポンプにおいては、そのダイヤフラムを１０Ｈｚ程度の周波数で振動させたときに、その逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる。一方、５Ｈｚよりも低い周波数領域では、弁体の貼り付きが発生しやすくなり、また、１５Ｈｚよりも高い周波数領域では、弁体の追従性が悪くなり、いずれの周波数領域でも、逆止弁としての機能を十分に発揮し得なくなる。このような観点から、第１駆動信号の周波数を５〜１５Ｈｚの範囲内の値に設定することが好ましい。その際、逆止弁の機能をより高める観点からは、第１駆動信号の周波数を７〜１３Ｈｚの範囲内の値に設定することが好ましく、これを９〜１１Ｈｚの範囲内の値に設定することがさらに好ましい。

上記構成において、駆動制御手段を、ポンプ駆動開始時に駆動信号として第１駆動信号を所定期間出力する構成とすれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、ポンプ駆動開始前のポンプ停止期間が長かったような場合には、その間にポンプ内の搬送経路（すなわちポンプ室やその吸入路あるいは吐出路）に空気が溜まってしまう場合が少なくない。このような場合には、ポンプ駆動開始後も、液体がポンプ室内に引き込まれるまでの間は、ポンプ内の搬送経路に介在している空気を搬送して排除するための自己吸引動作が行われることとなる。

しかしながら、ポンプ停止前のポンプ駆動により液体搬送が行われた後、その液体が弁体と弁座との間に残っていたような場合には、逆止弁の貼り付きが発生しやすくなるため、自己吸引動作を円滑に行うことができなくなってしまう。

そこで、ポンプ駆動開始時に、駆動信号として弁効率が良い周波数の第１駆動信号を所定期間出力するようにすれば、逆止弁の貼り付きを容易に解消することが可能となる。そしてこれにより、自己吸引動作を円滑に行うことができ、その後の通常のポンプ駆動への移行も円滑に行うことができる。

その際、駆動制御手段を、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力終了直後に、空気の吸入吐出時に各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された第３駆動信号を所定期間出力する構成とすれば、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力により、逆止弁の貼り付きを解消することはできるが、これにより自己吸引動作の期間を短縮することができるわけではない。

そこで、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力終了直後に、第３駆動信号（すなわち空気の吸入吐出時に各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された駆動信号）を所定期間出力するようにすれば、ポンプ内の搬送経路から空気を短時間で排除することができ（すなわち自己吸引動作の期間を短縮することができ）、これにより通常のポンプ駆動に早期に移行することができる。

以下、図面を用いて、本願発明の実施の形態について説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０を示すブロック図である。

同図に示すように、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０は、ポンプ本体１０Ａと、このポンプ本体１０Ａに接続された制御ユニット１０Ｂとからなっている。なお、本実施形態においては、これらポンプ本体１０Ａと制御ユニット１０Ｂとが別体で構成されている。

このダイヤフラムポンプ１０は、例えばノート型パソコン等のような小型電子機器用の燃料電池システム（図示せず）の一部として組み込まれた状態で、その燃料カートリッジ（図示せず）から液体（具体的にはメタノール）を少量ずつ定量搬送するためのマイクロポンプとして用いられるようになっている。

ポンプ本体１０Ａは、ベース部材１２と、ダイヤフラム１４と、圧電素子１６と、カバー部材１８と、１対の逆止弁２０Ａ、２０Ｂとを備えてなっている。

ベース部材１２には、内径φ１０〜１５ｍｍ程度の円形凹部１２ａと、この円形凹部１２ａから一側端面１２ｂまで延びる１対の溝部１２ｃＡ、１２ｃＢとが形成されている。

ダイヤフラム１４は、ベース部材１２の円形凹部１２ａおよび１対の溝部１２ｃＡ、１２ｃＢを覆うようにして、このベース部材１２の一側面に接着等により取り付けられている。その際、このダイヤフラム１４は、合成樹脂製ダイヤフラムの表面に金属製ダイヤフラムが積層された構成となっている。

圧電素子１６は、円板状に形成されており、ダイヤフラム１４における金属製ダイヤフラムの中央部に接着等により取り付けられている。

カバー部材１８は、ベース部材１２の一側端面１２ｂに当接するようにして、このベース部材１２に接着等により取り付けられている。このカバー部材１８には、ベース部材１２に形成された１対の溝部１２ｃＡ、１２ｃＢと連通する孔を有する１対の管状部１８ａ、１８ｂが形成されている。

１対の逆止弁２０Ａ、２０Ｂは、カバー部材１８とベース部材１２との間に設けられている。

このポンプ本体１０Ａにおいては、ベース部材１２の円形凹部１２ａとダイヤフラム１４とにより、ポンプ室３２が形成されている。また、このポンプ本体１０Ａにおいては、カバー部材１８の管状部１８ａとベース部材１２の溝部１２ｃＡとにより、ポンプ室３２に液体を吸入するための吸入路３４Ａが形成されるとともに、カバー部材１８の管状部１８ｂとベース部材１２の溝部１２ｃＢとにより、ポンプ室３２から液体を吐出するための吐出路３４Ｂが形成されている。

そして、吸入路３４Ａの途中に上記逆止弁２０Ａが設けられるとともに、吐出路３４Ｂの途中に上記逆止弁２０Ｂが設けられている。これら１対の逆止弁２０Ａ、２０Ｂは、いずれも同様の構成を有している。

すなわち、ベース部材１２の一側端面１２ｂには、吸入路３４Ａに位置するようにして凹部１２ｄが形成されている。また、カバー部材１８における凹部１２ｄに対向する位置には、弁座１８ｃが形成されている。そして、これら凹部１２ｄおよび弁座１８ｃにより弁室が形成されるようになっている。

一方、カバー部材１８には、吐出路３４Ｂに位置するようにして凹部１８ｄが形成されている。また、ベース部材１２の一側端面１２ｂにおける凹部１８ｄに対向する位置には、弁座１２ｅが形成されている。そして、これら凹部１８ｄおよび弁座１２ｅにより弁室が形成されるようになっている。

吸入路３４Ａ側の逆止弁２０Ａは、上記弁座１８ｃと弁体２２Ａとで構成されている。弁体２２Ａは、合成樹脂製の板状弾性片からなり、その一端部をカバー部材１８およびベース部材１２により挟持された状態で、弁座１８ｃに沿って延びている。

一方、吐出路３４Ｂ側の逆止弁２０Ｂは、上記弁座１２ｅと弁体２２Ｂとで構成されている。弁体２２Ｂは、逆止弁２０Ａの弁体２２Ａと全く同一の構成を有しており、その一端部をカバー部材１８およびベース部材１２により挟持された状態で、弁座１２ｅに沿って延びている。

制御ユニット１０Ｂは、ＭＰＵ５２と、駆動回路５４と、昇圧回路５６とを備えてなっている。

ＭＰＵ５２は、バッテリ電源に接続されるとともに、駆動回路５４および昇圧回路５６に接続されている。

駆動回路５４は、フルブリッジ回路等により構成されており、その１対の出力端子が、ポンプ本体１０Ａの圧電素子１６の両電極に接続されている。なお、この圧電素子１６の一方の電極に対しては、ダイヤフラム１４における金属製ダイヤフラムを介して接続されている。

昇圧回路５６は、バッテリ電源および駆動回路５４に接続されており、バッテリ電源からの電圧をＭＰＵ５２からの指定電圧に昇圧して駆動回路５４に供給するようになっている。

本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０においては、その制御ユニット１０ＢにおけるＭＰＵ５２から駆動回路５４を介して、ポンプ本体１０Ａの圧電素子１６に所定の周波数の駆動信号を定電圧で出力することにより、この圧電素子１６が取り付けられたダイヤフラム１４を一定の振幅で振動させ、これによりポンプ室３２の容積を変化させて、液体を少量（具体的には０．５〜１ミリリットル程度）ずつ定量搬送するようになっている。

その際、１対の逆止弁２０Ａ、２０Ｂは、ポンプ室３２に液体が吸入される際には、図中実線で示すように、吸入路３４Ａ側の逆止弁２０Ａが開くともに吐出路３４Ｂ側の逆止弁２０Ｂが閉じ、一方、ポンプ室３２から液体が吐出される際には、図中２点鎖線で示すように、吐出路３４Ｂ側の逆止弁２０Ｂが開くとともに吸入路３４Ａ側の逆止弁２０Ａが閉じるようになっている。

これら各逆止弁２０Ａ、２０Ｂは、吸入路３４Ａあるいは吐出路３４Ｂを流れる液体の圧力が上昇すると、片持ち支持された状態で撓み変形して開き、その圧力が低下すると、元の位置に戻ろうとする弾性復帰力によって閉じることとなるが、その開閉の際の挙動は、ダイヤフラム１４の振動に対して位相が遅れたものとなる。

図２は、ポンプ駆動時における、ダイヤフラム１４の振動と、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの挙動との関係を、グラフで示す図である。

同図において、実線で示すグラフは、ダイヤフラム１４の中心点の該ダイヤフラム１４の中立位置からの変位量を示すグラフであり、破線で示すグラフは、吸入路３４Ａ側の逆止弁２０Ａにおける弁体２２Ａの閉位置からの変位量を示すグラフであり、２点鎖線で示すグラフは、吐出路３４Ｂ側の逆止弁２０Ｂにおける弁体２２Ｂの閉位置からの変位量を示すグラフである。

同図に示すように、ダイヤフラム１４の変位量が正の方向に増大すると（すなわちポンプ室３２の容積が大きくなると）、逆止弁２０Ａの弁体２２Ａが開いて吸入路３４Ａからポンプ室３２に液体が吸入される。

その際、この弁体２２Ａは、ダイヤフラム１４の正の方向への振れが始まってもすぐには開かず、その時点からやや遅れた時点において開き始める。そして、ダイヤフラム１４の変位量が増大するのに従って、弁体２２Ａの変位量も増大し、ダイヤフラム１４の変位量が最大になった時点で、弁体２２Ａの変位量は一定となる。このときの変位量が弁体２２Ａの振れ幅となる。その後、ダイヤフラム１４の変位量が減少し始めても、弁体２２Ａの変位量はすぐには減少せず、その時点からやや遅れた時点において減少し始める。そして、ダイヤフラム１４の中立位置に戻るのと略同時に、弁体２２Ａの変位量もゼロになり、弁体２２Ａは閉じた状態となる。

一方、ダイヤフラム１４の変位量が負の方向に増大すると（すなわちポンプ室３２の容積が小さくなると）、逆止弁２０Ｂの弁体２２Ｂが開いて吐出路３４Ｂからポンプ室３２の液体が外部へ吐出される。

その際、この弁体２２Ｂは、ダイヤフラム１４の負の方向への振れが始まってもすぐには開かず、その時点からやや遅れた時点において開き始める。そして、ダイヤフラム１４の変位量が増大するのに従って、弁体２２Ｂの変位量も増大し、ダイヤフラム１４の変位量が最大になった時点で、弁体２２Ｂの変位量は一定となる。このときの変位量が弁体２２Ｂの振れ幅となる。その後、ダイヤフラム１４の変位量が減少し始めても、弁体２２Ｂの変位量はすぐには減少せず、その時点からやや遅れた時点において減少し始める。そして、ダイヤフラム１４の中立位置に戻るのと略同時に、弁体２２Ｂの変位量もゼロになり、弁体２２Ｂは閉じた状態となる。

これら各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅は、ダイヤフラム１４が振動する際の周波数によって異なったものとなる。

図３は、ダイヤフラム１４が振動する際の周波数と、逆止弁２０Ａの弁体２２Ａの振れ幅との関係を、グラフで示す図である。なお、逆止弁２０Ｂの弁体２２Ｂの場合も、これと同様のグラフとなる。

同図において、実線で示すグラフは、ポンプ駆動の対象となる作動流体が液体である場合のグラフであり、２点鎖線で示すグラフは、ポンプ駆動の対象となる作動流体が液体と空気との混合流体である場合のグラフである。

ここで「作動流体が液体である場合」とは、作動流体が、気泡を含まない液体のみである場合を意味するものである。また「作動流体が混合流体である場合」とは、作動流体が、液体と空気とが交互に搬送されている状態の流体である場合を意味するものであって、この混合流体には、気泡を含む液体や、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂに液体が残っている状態で搬送される空気が含まれる。

同図に示すように、作動流体が液体である場合には、ダイヤフラム１４が振動する際の周波数が１０Ｈｚ程度のときに、弁体２２Ａの振れ幅が最も大きくなり、これよりも周波数が高くなっても低くなっても、弁体２２Ａの振れ幅は徐々に小さくなる。作動流体が液体と空気との混合流体である場合には、弁体２２Ａの振れ幅は最も大きくなる周波数が１０Ｈｚよりも多少高い周波数となるが、全体的な傾向は作動流体が液体である場合と略同様である。

同図において１点鎖線で範囲を示すように、５〜１５Ｈｚ程度の範囲内の周波数領域であれば、作動流体が液体である場合でも、作動流体が液体と空気との混合流体である場合でも、弁体２２Ａの振れ幅は十分大きい値に維持される。

ダイヤフラムポンプ１０による液体の搬送流量は、ダイヤフラム１４が振動する際の周波数が高くなるに従って増大する。

図４は、ダイヤフラム１４が振動する際の周波数と、ダイヤフラムポンプ１０による搬送流量との関係を、グラフで示す図である。図中、実線で示すグラフは、ポンプ駆動の対象となる作動流体が液体である場合のグラフであり、破線で示すグラフは、ポンプ駆動の対象となる作動流体が空気である場合のグラフである。２点鎖線で示すグラフは、ポンプ駆動の対象となる作動流体が液体と空気との混合流体である場合のグラフである。

ここで「作動流体が空気である場合」とは、作動流体が、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂを含むポンプ内の搬送経路が乾燥している状態で搬送される空気である場合を意味するものである。

作動流体が空気である場合には、比較的低い周波数から搬送され始め、周波数が高くなるに従って搬送流量も略直線的に増大する。

作動流体が液体である場合には、作動流体が空気である場合よりもやや低い周波数から搬送され始め、周波数が高くなるに従って搬送流量も急激に増大するが、その増大率は徐々に低下する。

作動流体が液体と空気との混合流体である場合には、作動流体が空気である場合よりもやや高い周波数から搬送され始め、周波数が高くなるに従って、作動流体が液体である場合と略同様の特性で搬送流量も増大するが、周波数が１０Ｈｚを少し超えたあたりから、周波数が高くなるに従って搬送流量が急激に減少し始め、周波数が２０Ｈｚ程度以上になると、搬送流量が略ゼロになってしまう。

これは、作動流体が液体と空気との混合流体である場合には、逆止弁２０Ａあるいは逆止弁２０Ｂに貼り付き（すなわち、逆止弁２０Ａの弁体２２Ａが弁座１８ｃに貼り付いたり、逆止弁２０Ｂの弁体２２Ｂが弁座１２ｅ貼り付いてしまう現象）が発生してしまうことによるものである。

作動流体が液体と空気との混合流体である場合に、常にこのような貼り付きが発生するわけではないが、発生する確率は高くなる。特に、逆止弁２０Ａあるいは逆止弁２０Ｂに液体が残っている状態では、貼り付きの発生が顕著なものとなる。そして、一旦このような貼り付きが発生してしまうと、液体の搬送流量を所期の流量に維持することができなくなってしまう。

そこで、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０においては、制御ユニット１０Ｂから圧電素子１６に出力される駆動信号に工夫を施すことにより、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きが発生してしまうのを未然に防止するようにしている。

図５は、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０において、ポンプ駆動中に制御ユニット１０Ｂから出力される駆動信号の波形を、グラフで示す図である。

同図に示すように、本実施形態においては、相対的に低い周波数ｆ１に設定された第１駆動信号が、相対的に高い周波数ｆ２に設定された第２駆動信号に対して、間欠的に出力されるようになっている。その際、本実施形態においては、第１駆動信号と第２駆動信号とが、互いに周期的に出力されるようになっている。

具体的には、第１駆動信号の周波数ｆ１は、ｆ１＝１０Ｈｚに設定されており、比較的短い出力期間（例えば２波長分の期間）ｔ１だけ出力され、一方、第２駆動信号の周波数ｆ２は、ｆ２＝２５Ｈｚに設定されており、比較的長い出力期間（例えば１０〜１５波長分の期間）ｔ２だけ出力されるようになっている。そして、このように第１駆動信号と第２駆動信号とが交互に周期的に出力されることにより、第２駆動信号の周波数ｆ２よりもやや低い周波数２０Ｈｚで駆動信号が連続して出力されたときに得られる搬送流量と略同じ搬送流量での液体の搬送を実現するようになっている。

言い換えると、本実施形態においては、第２駆動信号の周波数ｆ２を、液体の目標搬送流量に対応する周波数２０Ｈｚに対して、やや高い周波数２５Ｈｚに設定するとともに、この第２駆動信号が出力される出力期間ｔ２の長さを適宜調節することにより、目標搬送流量と略同じ搬送流量が得られるようにしている。

このようにしてポンプ駆動を行うようにした場合、周波数１０Ｈｚに設定された第１駆動信号が出力されている間は、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が最も大きくなるので、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きが発生することはないが、周波数２５Ｈｚに設定された第２駆動信号が出力されている間は、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が小さくなるので、液体中に気泡が含まれている場合には、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きが発生しやすくなる。しかしながら、この第２駆動信号が出力される出力期間ｔ２は、さほど長くはなく、その出力期間ｔ２が終了するたびに第１駆動信号が出力されるので、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きが発生してしまうことはない。

図６は、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０において、ポンプ駆動開始時に制御ユニット１０Ｂから出力される駆動信号の波形を、グラフで示す図である。

同図に示すように、ポンプ駆動が開始されると、駆動信号として、まず弁効率が良い周波数の第１駆動信号が出力され、その後、第２駆動信号が出力されるようになっている。そしてこれにより、ポンプ駆動開始前のポンプ停止期間が長く、その間に１対の逆止弁２０Ａ、２０Ｂの一方または双方に貼り付きが発生してしまったような場合においても、その貼り付きを容易に解消し得るようにしている。

以上詳述したように、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０は、その制御ユニット１０Ｂが、ダイヤフラム１４を振動させる圧電素子１６に出力する駆動信号として、液体の吸入吐出時に各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数ｆ１に設定された第１駆動信号と、この第１駆動信号の周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２に設定された第２駆動信号とを、互いに周期的に出力する構成となっているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁効率が良い周波数の第１駆動信号が第２駆動信号に対して周期的に出力されることにより、この第１駆動信号が出力されている出力期間ｔ１は弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が十分大きくなる。このため、たとえ第２駆動信号が出力されている出力期間ｔ２の弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が小さくても、この状態でのポンプ駆動が長く続かないようにすることができ、これにより各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きを発生させることなくポンプ駆動を行うことができる。

その際、本実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０においては、第２駆動信号の周波数ｆ２が、目標搬送流量に対応する周波数２０Ｈｚに対して、やや高い２５Ｈｚ（すなわち周波数２０Ｈｚに対して第１駆動信号の周波数１０Ｈｚとは高低が逆になる値）に設定されているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、本実施形態において、第２駆動信号の周波数ｆ２を、仮に、目標搬送流量に対応する周波数２０Ｈｚに設定した場合には、第１駆動信号が出力されている出力期間ｔ１の搬送流量が目標搬送流量とは異なっていることから、全体としての搬送流量は、これを目標搬送流量にある程度までは近づけることができるが、それ以上は近づけることができない。

その点、本実施形態においては、第２駆動信号の周波数ｆ２が、目標搬送流量に対応する周波数２０Ｈｚに対して、第１駆動信号の周波数１０Ｈｚとは高低が逆になる２５Ｈｚに設定されているので、これら第１駆動信号および第２駆動信号が交互に出力されることにより、第１駆動信号の出力による搬送流量と第２駆動信号の出力による搬送流量とが時間軸上で平均化されて、全体としての搬送流量が、目標搬送流量により近づくこととなる。その際、第２駆動信号の出力期間ｔ２の長さを適宜調節することにより、全体としての搬送流量を目標搬送流量と略一致させることが可能となる。

このように本実施形態によれば、ダイヤフラム１４の振動により液体を搬送するように構成されたダイヤフラムポンプ１０において、目標搬送流量に対応する駆動信号の周波数が、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁効率が良い周波数からずれている場合であっても、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きを発生させることなく目標搬送流量に近い流量で液体を搬送することができる。

しかも本実施形態においては、ポンプ駆動開始時、駆動信号として、弁効率が良い周波数の第１駆動信号を、第２駆動信号よりも先に出力するようになっているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、ポンプ駆動開始前のポンプ停止期間が長かったような場合には、その間にポンプ内の搬送経路（すなわちポンプ室３２やその吸入路３４Ａあるいは吐出路３４Ｂ）に空気が溜まってしまう場合が少なくない。このような場合には、ポンプ駆動開始後も、液体がポンプ室内３２に引き込まれるまでの間は、ポンプ内の搬送経路に介在している空気を搬送して排除するための自己吸引動作が行われることとなる。

しかしながら、ポンプ停止前のポンプ駆動により液体搬送が行われた後、その液体が弁体２２Ａと弁座１８ｃとの間や弁体２２Ｂと弁座１２ｅとの間に残っていたような場合には、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きが発生しやすくなるため、自己吸引動作を円滑に行うことができなくなってしまう。

その点、本実施形態のように、ポンプ駆動開始時に、駆動信号として弁効率が良い周波数の第１駆動信号を所定期間出力することにより、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きを容易に解消することが可能となる。そしてこれにより、自己吸引動作を円滑に行うことができ、その後の通常のポンプ駆動への移行も円滑に行うことができる。

ところで、上記実施形態においては、第１駆動信号の周波数ｆ１が１０Ｈｚに設定されているものとして説明したが、図３に示すように、５〜１５Ｈｚ程度の範囲内の周波数領域であれば、作動流体が液体である場合でも、作動流体が液体と空気との混合流体である場合でも、弁体２２Ａの振れ幅は十分大きい値に維持されるので、上記実施形態と略同等の作用効果を得ることが可能である。

また、上記実施形態においては、第１駆動信号と第２駆動信号とが互いに周期的に出力されるものとして説明したが、第１駆動信号が第２駆動信号に対して不定期に出力される構成とすることも可能である。

なお、上記実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０は、ポンプ本体１０Ａと制御ユニット１０Ｂとが別体で構成されているものとして説明したが、これらが一体で構成されたものとすることももちろん可能である。

また、上記実施形態に係るダイヤフラムポンプ１０は、燃料電池システムにおける燃料カートリッジから液体を少量ずつ定量搬送するためのマイクロポンプとして用いられるものとして説明したが、これ以外の用途で用いるようにすることももちろん可能である。

次に、上記実施形態の第１変形例について説明する。

図７は、本変形例における作用を示す、図６と同様の図である。

同図に示すように、本変形例においては、ポンプ駆動開始時に制御ユニット１０Ｂから出力される駆動信号の波形が、上記実施形態の場合と異なっている。

すなわち、本変形例においては、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力終了直後に、第３駆動信号を所定期間出力するようになっている。この第３駆動信号は、空気の吸入吐出時に各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数ｆ３に設定されている。具体的には、この第３駆動信号の周波数ｆ３は、ｆ３＝４０Ｈｚ程度に設定されており、その出力期間ｔ３は、第１駆動信号の出力期間ｔ１よりもやや長い期間に設定されている。

本変形例の構成を採用することにより、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力により、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きを解消することはできるが、これにより自己吸引動作（すなわちポンプ内の搬送経路に介在している空気を搬送して排除するための動作）の期間を短縮することができるわけではない。

その点、本変形例においては、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力終了直後に、第３駆動信号（すなわち空気の吸入吐出時に各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された駆動信号）を所定期間出力するようになっているので、ポンプ内の搬送経路から空気を短時間で排除することができ（すなわち自己吸引動作の期間を短縮することができ）、これにより通常のポンプ駆動に早期に移行することができる。

なお、本変形例においては、この第３駆動信号の出力期間ｔ３が、第１駆動信号の出力期間ｔ１よりもやや長い期間に設定されているものとして説明したが、これ以外の長さに設定することももちろん可能である。

また、本変形例においては、ポンプ駆動開始時における第１駆動信号の出力終了直後に、第３駆動信号を所定期間出力するようになっているが、その後のポンプ駆動中においても、周期的に（または不定期に）第３駆動信号を所定期間出力するように構成することも可能である。このような構成を採用することにより、ポンプ駆動中にポンプ内の搬送経路に空気が溜まるようなことがあっても、これを速やかに排除することができ、これによりダイヤフラムポンプ１０の信頼性を一層高めることができる。

次に、上記実施形態の第２変形例について説明する。

図８は、本変形例における作用を示す、図５と同様の図である。

同図に示すように、本変形例においては、ポンプ駆動時に制御ユニット１０Ｂから出力される駆動信号の波形が、上記実施形態の場合と異なっている。

すなわち、本変形例においては、第１駆動信号の周波数ｆ１については、上記実施形態の場合と同様、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数１０Ｈｚに設定されているが、第２駆動信号の周波数ｆ２は、０Ｈｚに設定されている。そしてこれにより、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きを発生させることなく、第１駆動信号が連続して出力されるときに得られる搬送流量よりも小さい搬送流量で、液体の搬送を行うようになっている。

具体的には、本変形例においては、液体の目標搬送流量が、第１駆動信号が連続して出力されるときに得られる搬送流量よりもかなり小さい搬送流量に設定されており、この目標搬送流量に対応する周波数は３Ｈｚである。そして、これを実現するため、第１駆動信号の出力期間ｔ１に対して、第２駆動信号の出力期間ｔ２は２倍程度の長さに設定されている。

本変形例においては、ポンプ駆動が、第１駆動信号の出力期間ｔ１だけ断続的に行われ、第２駆動信号の出力期間ｔ２はポンプ駆動が停止した状態となるが、このようにすることにより次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、仮に、第２駆動信号として、目標搬送流量に対応する周波数３Ｈｚあるいはこれに近い周波数の駆動信号を出力してポンプ駆動を行った場合、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂは、その弁体２２Ａ、２２Ｂの振れ幅が小さいため、貼り付きが発生しやすくなる。これに対し、本変形例のように、第２駆動信号の出力期間ｔ２はポンプ停止状態とすることにより、各逆止弁２０Ａ、２０Ｂの貼り付きに対する配慮を不要とすることができる。

そして、本変形例のように、第２駆動信号の出力期間ｔ２の長さを適宜調節することにより、目標搬送流量が、第１駆動信号の出力により得られる搬送流量より小さいにもかかわらず、全体としての搬送流量を目標搬送流量と略一致させることができる。

なお、上記実施形態および各変形例において諸元として示した数値は一例にすぎず、これらを適宜異なる値に設定してもよいことはもちろんである。

本願発明の一実施形態に係るダイヤフラムポンプを示すブロック図 上記ダイヤフラムポンプにおいて、ポンプ駆動時におけるダイヤフラムの振動と逆止弁の弁体の挙動との関係を、グラフで示す図 上記ダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムが振動する際の周波数と逆止弁の弁体の振れ幅との関係を、グラフで示す図 上記ダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムが振動する際の周波数とダイヤフラムポンプによる搬送流量との関係を、グラフで示す図 上記ダイヤフラムポンプにおいて、ポンプ駆動中に制御ユニットから出力される駆動信号の波形を、グラフで示す図 上記ダイヤフラムポンプにおいて、ポンプ駆動開始時に、その制御ユニットから出力される駆動信号の波形を、グラフで示す図 上記実施形態の第１変形例における作用を示す、図６と同様の図 上記実施形態の第２変形例における作用を示す、図５と同様の図

符号の説明

１０ ダイヤフラムポンプ
１０Ａ ポンプ本体
１０Ｂ 制御ユニット（駆動制御手段）
１２ ベース部材
１２ａ 円形凹部
１２ｂ 一側端面
１２ｃＡ、１２ｃＢ 溝部
１２ｄ、１８ｄ 凹部
１２ｅ、１８ｃ 弁座
１４ ダイヤフラム
１６ 圧電素子（駆動手段）
１８ カバー部材
１８ａ、１８ｂ 管状部
２０Ａ、２０Ｂ 逆止弁
２２Ａ、２２Ｂ 弁体
３２ ポンプ室
３４Ａ 吸入路
３４Ｂ 吐出路
５２ ＭＰＵ
５４ 駆動回路
５６ 昇圧回路

Claims (6)

1. ダイヤフラムと、このダイヤフラムにより一側面が形成され、該ダイヤフラムの振動により容積が変化するように構成されたポンプ室と、このポンプ室に液体を吸入する吸入路と、このポンプ室から液体を吐出する吐出路と、これら吸入路および吐出路の各々に配置された１対の逆止弁と、上記ダイヤフラムを振動させる駆動手段と、この駆動手段に駆動信号を出力する駆動制御手段と、を備えてなるダイヤフラムポンプにおいて、
   上記駆動制御手段が、上記駆動信号として、上記液体の吸入吐出時に上記各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された第１駆動信号を、この第１駆動信号の周波数とは異なる周波数に設定された第２駆動信号に対して間欠的に出力するように構成されている、ことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 上記第２駆動信号の周波数が、上記液体の目標搬送流量に対応する周波数に対して、上記第１駆動信号の周波数とは高低が逆になる値に設定されている、ことを特徴とする請求項１記載のダイヤフラムポンプ。
3. 上記第２駆動信号の周波数が、０Ｈｚに設定されている、ことを特徴とする請求項２記載のダイヤフラムポンプ。
4. 上記第１駆動信号の周波数が、５〜１５Ｈｚの範囲内の値に設定されている、ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のダイヤフラムポンプ。
5. 上記駆動制御手段が、ポンプ駆動開始時に、上記駆動信号として上記第１駆動信号を所定期間出力するように構成されている、ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のダイヤフラムポンプ。
6. 上記駆動制御手段が、ポンプ駆動開始時における上記第１駆動信号の出力終了直後に、空気の吸入吐出時に上記各逆止弁の弁体の振れ幅が最も大きくなる周波数近傍の周波数に設定された第３駆動信号を所定期間出力するように構成されている、ことを特徴とする請求項５記載のダイヤフラムポンプ。

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