JP2013060848A - 送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】気泡の混入、圧送圧力、気体溶存量、送液量などの動作状態を簡便に検出可能な送液ポンプを提供する。
【解決手段】ポンプ室を、出口流路を介して出口側バッファ室に接続し、出口側バッファ室から液体を圧送する。そして、ポンプ室の容積を減少させた時にポンプ室内に生じる圧力振動を検出する。この圧力振動は、気泡の混入、圧送圧力、気体溶存量、送液量など、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報を含んでいる。そこで、検出したポンプ室内の内部圧力を閾値と比較して、パルス状の比較信号に変換する。こうすれば、送液ポンプの動作状態に関する各種情報を簡便に検出することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を圧送する送液ポンプに関する。

ポンプ室の容積を増大させて液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させて液体を圧送する動作を繰り返す送液ポンプが知られている。また、小型の送液ポンプでは、ポンプ室の容積を増減させるためのアクチュエーターとして、小型で且つ大きな力を発生させることが可能な圧電素子が使用されることも多い（特許文献１など）。

特開２０１１−１０３９３０号公報

しかし、ポンプ室の容積を増減させる送液ポンプには、以下のような問題があった。先ず、ポンプ室内に気泡が混入すると、ポンプ室の容積を減少させても気泡が潰れてポンプ室内の液体を加圧することができず、液体を送液することができなくなる。また、送液しようとする液体に、空気などの気体が溶存していると液体の圧縮率が高くなるので、ポンプ室の容積を減少させた時のポンプ室内の圧力が十分に上昇しなくなり、液体の圧送圧力が低下する。これを避けるためには、液体中に溶存した空気量（あるいは気体量）をモニターすることが望ましいが、溶存した空気量を計測することは容易なことではない。加えて、送液ポンプから送液された液体の流路を送液ポンプの吸入側に接続して、循環流路系を形成するような使い方をする場合には、送液ポンプで送液された液体が密閉された流路を流れるので、流量センサーなどを別途に設けない限りは送液量を把握することが困難となる。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、送液ポンプの動作状態に関する情報（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量などの何れか）を簡便に検出可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の送液ポンプは次の構成を採用した。すなわち、
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を吐出する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部と、
前記内部圧力を所定の閾値と比較することによってパルス状の比較信号を出力する比較部と、
前記比較部から出力される前記比較信号を利用して、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
を備えることを要旨とする。

こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を増大させると、入口流路からポンプ室に液体が吸い込まれる。その後、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から出口流路を介して出口側バッファ室に液体が圧送された後、出口側バッファ室から流体流路に液体が送液される。ここで、ポンプ室と出口側バッファ室とは出口流路を介して接続されており、共振系を構成する。尚、ここでいう共振系とは、系の内部で圧力が変化（圧力の増加あるいは減少）したときに、その圧力の変化を切っ掛けとして暫くの時間に亘って圧力の振動が発生するような範囲をいう。ポンプ室と出口側バッファ室とが出口流路を介して接続されている系では、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路の何れかで生じた圧力変動は、その後、暫くの期間に亘って、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路内での圧力振動を発生させる。このように、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路を介して接続することによって共振系を構成しておけば、ポンプ室の容積を減少させた後は、ポンプ室内に共振による圧力振動が発生する。そこで、ポンプ室の内部圧力を検出して、所定の閾値と比較することによってパルス状の比較信号を生成し、この比較信号に基づいて、送液ポンプの動作状態を検出する。

詳細には後述するが、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積増減に伴う共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の内部圧力を閾値と比較することによって得られた比較信号を用いることで、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出することが可能となる。

また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することとして、ポンプ室の内部圧力を次のようにして検出しても良い。先ず、圧電素子に流れる電流を検出する。そして、検出した電流を積分した後、得られた積分値と、圧電素子を駆動する駆動信号の基となる駆動波形信号との差分を、ポンプ室の内部圧力としてもよい。

圧電素子を用いれば、大きな力で且つ急激にポンプ室の容積を減少させることができるので、共振による大きな圧力振動を発生させることができる。また、圧電素子に流れる電流から、ポンプ室の内部圧力を検出することができるので、圧力センサーなどを別途設ける必要がない。

また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内に圧力振動が発生することによって生成されたパルス状の比較信号の有無に基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を検出することとしてもよい。

ポンプ室に気泡が存在していない場合は、ポンプ室の容積を減少させた後にポンプ室内に圧力振動が発生するが、気泡が存在する場合はポンプ室内に圧力振動は発生しない。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に、パルス状の比較信号が検出されたか否かに基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を簡便に検出することが可能となる。

また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少してから、ポンプ室内の圧力振動によるパルス状の比較信号が検出されるまでの時間に基づいて、送液ポンプから液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出するようにしてもよい。

詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少してから、ポンプ室内の圧力振動によるパルス状の比較信号が検出されるまでの時間は、出口側バッファ室内での液体の圧力によって決定されている。そして、出口側バッファ室内での液体の圧力は、液体を圧送する圧力となる。従って、ポンプ室の容積を減少してから、ポンプ室内の圧力振動によるパルス状の比較信号が検出されるまでの時間に基づいて液体の圧送圧力を検出してやれば、圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。加えて、ポンプ室の内部圧力が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、液体の圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。

また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動によって検出された複数の比較信号の時間間隔に基づいて、液体中の気体溶存量を検出することとしてもよい。

詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動によってパルス状に生じる複数の比較信号の時間間隔は、液体中の気体溶存量と強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数の比較信号の時間間隔を検出すれば、液体中の気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。加えて、ポンプ室の内部圧力が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。

また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動によって検出された複数の比較信号の時間間隔に基づいて、液体の時間あたりの送液量を検出するようにしてもよい。

詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動によってパルス状に生じる複数の比較信号の時間間隔は、液体の時間あたりの送液量にも強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数の比較信号の時間間隔を検出すれば、液体の送液量を簡便に検出することが可能となる。加えて、ポンプ室の内部圧力が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、送液量を簡便に検出することが可能となる。

尚、上述した本発明の送液ポンプは、次の態様で把握することもできる。すなわち、
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に前記出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記ポンプ室の容積減少後の該ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部で検出した前記内部圧力を所定の閾値と比較することによってパルス状の比較信号を出力する比較部と、
前記ポンプ室の容積減少後に前記比較部から出力される前記比較信号を利用して、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
を備えることを要旨とする。

こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を増大させると、入口流路からポンプ室に液体が吸い込まれる。その後、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から出口流路を介して出口側バッファ室に液体が圧送された後、出口側バッファ室から液体が送液される。ここで、ポンプ室と出口側バッファ室とは出口流路を介して接続されており、共振系を構成する。このため、ポンプ室の容積を減少させた後は、ポンプ室内に共振による圧力振動が発生する。そこで、ポンプ室の内部圧力を検出して、所定の閾値と比較することによってパルス状の比較信号を生成し、この比較信号に基づいて、送液ポンプの動作状態を検出する。

ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積減少に伴う共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の内部圧力を閾値と比較することによって得られた比較信号を用いることで、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出することが可能となる。

本実施例の送液ポンプの構成を示した説明図である。 本実施例の駆動回路のおおまかな構成を示す説明図である。 圧電素子に駆動信号を印加した時に得られる圧力信号および検出信号を例示した説明図である。 ポンプ室に気泡が存在する場合に得られる圧力信号および検出信号を例示した説明図である。 第１パルスから第２パルスまでの時間と出口側バッファ室内の圧力との関係を示す実測結果である。 送液ポンプを用いて形成した循環流路系を例示した説明図である。 実測によって得られた液体中の気体溶存量と固有振動周期との関係を示した説明図である。 実測によって得られた液体中の気体溶存量と送液量との関係を示した説明図である。 実測によって得られた固有振動周期と送液量との関係を示した説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．圧力検出部および比較部の出力例：
Ｃ．気泡の検出方法：
Ｄ．圧送圧力の検出方法：
Ｅ．気体溶存量および送液量の検出方法：

Ａ．装置構成 ：
図１は、本実施例の送液ポンプ１００の構成を示した説明図である。本実施例の送液ポンプ１００は、ポンプ室１０２の一部がダイアフラム１０４で形成されており、ケース１０８には圧電素子１０６が収められ、また、ポンプ室１０２の上部には、逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２が設けられている。入口側バッファ室１１２には、入口流路１１４から液体が供給される。また、ポンプ室１０２は、出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に接続されており、出口側バッファ室１１８には、流体流路１２２が接続されている。更に、圧電素子１０６には駆動回路１５０が接続されており、駆動回路１５０から圧電素子１０６に駆動信号を印加することができる。

図示した送液ポンプ１００では、圧電素子１０６に駆動信号を印加して圧電素子１０６を伸張させると、ダイアフラム１０４が変形してポンプ室１０２の容積が減少する。すると、ポンプ室１０２内の液体が出口流路１１６を介して出口側バッファ室１１８に流入し、出口側バッファ室１１８から流体流路１２２に送液される。ここで、本実施例の駆動回路１５０は、圧電素子１０６に駆動信号を印加するだけでなく、ポンプ室１０２の内部圧力を検出して、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種の情報を取得する機能も有している。

図２は、本実施例の駆動回路１５０のおおまかな構成を示す説明図である。図示されるように、本実施例の駆動回路１５０は、駆動波形信号Ｖｉｎを出力する制御部１５２と、駆動波形信号Ｖｉｎを増幅率Ｇで増幅して駆動信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路１５４と、ポンプ室１０２の内部圧力を検出する圧力検出部１６０と、検出した内部圧力を所定の閾値と比較する比較部１５６などを備えている。また、圧力検出部１６０は、圧電素子１０６の駆動電流を検出する電流検出回路１６２と、検出した駆動電流を積分する積分回路１６４と、積分回路１６４の出力と駆動波形信号Ｖｉｎとの差分を出力する減算回路１６６などから構成されている。

図２に示した本実施例の駆動回路１５０は、ポンプ室１０２の内部圧力を示す圧力信号Ｖｐを次のようにして検出する。駆動波形信号Ｖｉｎを増幅回路１５４で増幅し、駆動信号Ｖｏｕｔとして圧電素子１０６に印加すると、圧電素子１０６に駆動電流Ｉｏｕｔが圧電素子１０６に流れ込む。圧電素子１０６の他端には、電流検出用の抵抗ｒが接続されており、抵抗ｒを介して接地されている。電流検出回路１６２は、抵抗ｒによって生じた電圧を検出し、抵抗ｒの抵抗値で除算することによって電流信号Ｖｉに変換した後、積分回路１６４に出力する。積分回路１６４は、受け取った電流信号Ｖｉを積分器で積分することによって、圧電素子１０６に蓄えられた電荷量に対応する電荷信号Ｖｑに変換する。

ここで、圧電素子１０６に流れる駆動電流Ｉｏｕｔ（電流信号Ｖｉ）は圧電素子１０６の変位速度に比例するため、圧電素子１０６に蓄えられる電荷量（電荷信号Ｖｑ）は、圧電素子１０６の変位に比例している。圧電素子１０６が自由に伸縮可能な状態（伸縮方向に対して圧力を受けていない状態）では、圧電素子１０６の変位は駆動信号にほぼ比例する。しかし、ポンプ室１０２で内部圧力が変化すると、ダイアフラム１０４を介して圧電素子１０６が圧力の変化を受ける。このとき圧電素子１０６は受けた圧力の変化に比例して伸縮する（変位が変わる）ため、圧電素子１０６本来の変位（圧力を受けていない状態での変位）との差は、圧電素子１０６が受けた圧力（ポンプ室１０２の内部圧力）に比例する。そこで、積分器で得られた電荷信号Ｖｑを圧電素子１０６の等価静電容量ｃ及び増幅回路１５４の増幅率Ｇで除算することで圧電素子１０６の実変位に対応する電圧信号Ｖｘを求め、この電圧信号Ｖｘと駆動波形信号Ｖｉｎとの差分を減算回路１６６で求めることによって、ポンプ室１０２の内部圧力に対応した圧力信号Ｖｐを得ることができる。こうして得られた圧力信号Ｖｐを、比較部１５６に入力して、所定の閾値と比較することにより、２値化された検出信号ＤＳを生成して、制御部１５２に入力する。制御部１５２は、入力された検出信号ＤＳに基づいて、送液ポンプ１００の動作状態に関する種々の情報を取得する。検出信号ＤＳに基づいて動作状態に関する情報を取得する方法については、後ほど詳しく説明する。尚、本実施例では、制御部１５２が本発明における「動作状態検出部」に対応する。

Ｂ．圧力検出部および比較部の出力例 ：
図３は、駆動信号Ｖｏｕｔを圧電素子１０６に印加したときに、圧力検出部１６０で得られた圧力信号Ｖｐ、および比較部１５６で得られた検出信号ＤＳを例示した説明図である。図３（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号Ｖｏｕｔが示されており、図３（ｂ）には積分回路１６４で得られた圧力信号Ｖｐが、図３（ｃ）には比較部１５６で得られた検出信号ＤＳが示されている。

例えば図３（ａ）に示すように、１パルスの駆動信号を印加したものとする。圧電素子１０６は、駆動信号の電圧（駆動電圧）が上昇すると伸張するので、ポンプ室１０２の容積が減少する。その結果、図３（ｂ）に示されるように、駆動信号の電圧が立ち上がる瞬間にポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇する。また、駆動信号の電圧が最大電圧で保たれている間は圧電素子１０６の変位は変わらない。このため、ポンプ室１０２から液体が流出するに従って、ポンプ室１０２の内部圧力が減少する。このとき、出口流路１１６のイナータンスにより出口流路１１６を通過する液体には慣性力が働くため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となる。本実施例では、このポンプ室１０２の内部圧力が負圧となっている間に、駆動信号の電圧を立ち下げているので、圧電素子１０６の変位が縮まっている。図３（ｂ）に示されるように、その後は、駆動信号が変化していないにも拘わらず、ポンプ室１０２の内部圧力は一定周期で振動する。また、このことと対応して、図３（ｃ）に示すように、検出信号ＤＳには、駆動信号の印加に伴う内部圧力の上昇に対応したパルスだけでなく、その後の内部圧力の振動に対応したパルスが発生する。

このような圧力振動が発生するのは、次のようなメカニズムによる。先ず、駆動信号が印加されることによって圧電素子１０６が伸張し、ポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇する。このとき、出口流路１１６と流体流路１２２との間には出口側バッファ室１１８があるために、ポンプ室１０２で加圧された液体が出口側バッファ室１１８に移動して、ポンプ室１０２の内部圧力が直ぐに下降する。この現象をポンプ室１０２側から見ると、出口側バッファ室１１８の向こう側に存在する流体流路１２２は、出口側バッファ室１１８が存在するためにポンプ室１０２にはほとんど影響を与えることが無く、単に出口流路１１６が接続されているのと同じような状態となる。このため、ポンプ室１０２の容積が減少して排除体積分の液体が流出しようとするときに、出口流路１１６の流路抵抗およびイナータンスのみの影響しか受けないため、排除体積分の液体が流れるために要する時間が短くなる。そして、出口流路１１６を移動した液体は、出口流路１１６のイナータンスによって慣性力が働くため、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。このとき、出口流路１１６のイナータンスは、入口側バッファ室１１２とポンプ室との間の連通路のイナータンスに比べて大きいため、出口流路１１６を移動する液体は殆どポンプ室１０２に戻ることはなく、もっぱら入口側バッファ室１１２の液体がポンプ室１０２に供給される。これは、出口側の流路（出口流路１１６）のイナータンスに比べて、入口側の流路（逆止弁１１０が設けられた通路部分）のイナータンスが大幅に小さいことに因る。

ここでイナータンスとは、流路の特性値であり、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとする時の、流体の流れ易さを示している。たとえば、最も単純な場合として、断面積がＳで長さがＬの流路に密度ρの流体（ここでは液体とする）が満たされており、流路の一端に圧力Ｐ（正確には、両端での圧力差Ｐ）が加わったものとする。流路内の流体には圧力Ｐ×断面積Ｓの力が作用し、その結果、流路内の流体が流れ出す。その時の流体の加速度をａとすると、流路内の流体の質量は密度ρ×断面積Ｓ×長さＬだから、運動方程式を立てて変形すると、
Ｐ＝ρ×Ｌ×ａ ・・・（１）
が得られる。更に、流路を流れる体積流量をＱ、流路を流れる流体の流速をｖとすると、
Ｑ＝ｖ×Ｓ だから、
ｄＱ／ｄｔ＝ａ×Ｓ ・・・（２）
が成り立つ。（２）式を（１）式に代入すると、
Ｐ＝（ρ×Ｌ／Ｓ）×（ｄＱ／ｄｔ） ・・・（３）
となる。この式は、流路内の流体についての運動方程式を、流路の一端に加わる圧力Ｐ（正確には両端での圧力差）と、ｄＱ／ｄｔとを用いて表した式である。（３）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、（ρ×Ｌ／Ｓ）が小さくなるほど、ｄＱ／ｄｔが大きくなる（すなわち、流速が大きく変化する）ことを表している。この（ρ×Ｌ／Ｓ）が、イナータンスと呼ばれる値である。

図１に示した本実施例の送液ポンプ１００では、出口流路１１６のイナータンスは、内径が小さく且つ通路長が長いので大きな値となる。これに対してポンプ室１０２の入口側の流路のイナータンスは、逆止弁１１０が設けられた通路部分の通路長が短いので小さな値となる。このため、ポンプ室１０２が負圧となったときに、合成イナータンスの大きな出口側の液体はほとんど吸い込まれず、もっぱら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室１２２に吸い込まれるのである。

一方、出口側バッファ室１１８に流入した液体は流体流路１２２の流路抵抗が高いためになかなか流れ出ないので、出口側バッファ室１１８の内部圧力が上昇する。このとき、ポンプ室１０２の内部圧力が下降しているため、出口流路１１６内の液体の慣性力は次第に減少する。ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室１１８からポンプ室１０２への逆流が生じる。ポンプ室１０２に液体が逆流しても、逆止弁１１０によって入口側バッファ室１１２へは液体が流れ出ないので、ポンプ室１０２の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室１１８に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室１０２が負圧となり、入口側バッファ室１１２からポンプ室１０２に更に液体を供給することが可能となる。このような振動を繰り返すことによって、一度の駆動で逆止弁を複数回（図２に示した例では２回）開いて、ポンプ室１０２に液体を供給することが可能となる。

この現象は、通常、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との間で伝播する液体中の圧力波による伝播と理解されがちである。しかし、本実施例の送液ポンプ１００は、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との距離が短く（どんなに長くても１０ｃｍ（センチメートル）程度であり）、液体中の音速を約１０００ｍ／ｓｅｃ（メートル／秒）としても、圧力波の伝播による振動周期は最大でも０．２ｍｓｅｃ（ミリ秒）となる筈である。しかしながら、図３（ｂ）に示す振動の固有振動周期は約０．４ｍｓｅｃとなっており、圧力波の伝播によっては説明することができない。

しかしこの現象は、液体の圧縮性を考慮する（すなわち、液体を圧縮性流体として取り扱う）ことによって説明することができる。すなわち、ポンプ室１０２のコンプライアンス、出口流路１１６のイナータンス、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスで形成される共振を考えれば、その固有振動周期Ｔは以下の（４）式で表すことができる。
Ｔ＝２π（ＭＣ）^１／２ ・・・（４）
ここで、Ｍは出口流路１１６のイナータンス、Ｃはポンプ室１０２および出口側バッファ室１１８の合成コンプライアンスである。また、ポンプ室１０２のコンプライアンスをＣ_１、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスをＣ_２とすると、合成コンプライアンスＣは、以下の（５）式によって与えられる。
Ｃ＝１／｛１／Ｃ_１＋１／Ｃ_２｝ ・・・（５）
上記の（４）式の固有振動周期Ｔを有する共振を想定すれば、図３（ｂ）に示したポンプ室１０２の内部圧力が振動する現象を説明することが可能となる。

ここで、コンプライアンスとは、流体室内に圧力が加わった時の、流体室の変形による容積の膨張や流体の圧縮を示している。例えば、最も単純な場合として、容積がＶで体積弾性率がＫの流体室に圧縮率κ_Ｆの流体（ここでは液体とする）で満たされており、流体室内の液体に圧力Ｐが加わったものとする。このとき、流体室の変形による容積の変化量ΔＶ１は、
ΔＶ１＝Ｖ／Ｋ×Ｐ ・・・（６）
となる。また、液体の圧縮による体積の変化量ΔＶ２は、
ΔＶ２＝Ｖ×κ_Ｆ×Ｐ ・・・（７）
となる。よって、圧力Ｐに対する見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは、
ΔＶ＝Ｖ×（１／Ｋ＋κ_Ｆ）×Ｐ ・・・（８）
となり、このＶ×（１／Ｋ＋κ_Ｆ）がコンプライアンスと呼ばれる値である。ここで、流体室が同じ弾性率を持つ部材で、液体が同じ圧縮率を持つ流体であるとき、（５）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、見かけ上の流体室の容積の変化量ΔＶは流体室の容積Ｖに比例することを表している。

また、（４）式および（５）式からは、ポンプ室１０２のコンプライアンス（容積）や、出口側バッファ室１１８のコンプライアンス（容積）によって固有振動周期Ｔが変化することが予想され、実際にこうした現象が確かめられている。本実施例では、このような圧力振動を検出信号ＤＳに変換した後、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種情報を検出する。

Ｃ．気泡の検出方法 ：
図４は、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合に、圧力検出部１６０で得られる圧力信号Ｖｐ、および比較部１５６で得られる検出信号ＤＳを例示した説明図である。図４（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号Ｖｏｕｔが示されており、図４（ｂ）には圧力信号Ｖｐが、図４（ｃ）には検出信号ＤＳが示されている。

図３に示した気泡が存在しない場合と比較すると明らかなように、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合、圧電素子１０６に駆動信号を印加することによってポンプ室１０２の内部圧力は上昇するが、気泡の圧縮によって圧電素子１０６の変位が吸収されてしまい、内部圧力の上昇量が低下する。このため、ポンプ室１０２と出口流路１１６と出口側バッファ室１１８との間での上述した共振による圧力振動はほとんど発生しない。すなわち、駆動信号の電圧を上昇させたことに伴う内部圧力の上昇および下降（以下では、これを第１波と呼ぶ）は、図３（ｂ）および図４（ｂ）の何れにおいても観測することができるが、その後の共振による圧力振動（以下では、これらを先頭から順番に第２波、第３波、第４波と呼ぶ）は、気泡が存在する図４（ｂ）ではほとんど発生しない。その結果、第１波に対応する検出信号ＤＳのパルスは、図３（ｃ）および図４（ｃ）の何れにおいても発生するが、その後の第２波に対応するパルスや、第３波に対応するパルスは、気泡が存在する図４（ｃ）では見られない。尚、以下では、第１波に対応する検出信号ＤＳのパルスを第１パルスと呼び、第２波に対応するパルスを第２パルスと呼び、第３波に対応するパルスを第３パルスと呼び、第４波に対応するパルスを第４パルスと呼ぶ。従って、第２パルスが検出できればポンプ室１０２内に気泡は無く、逆に、第２パルスが検出できなければポンプ室１０２に気泡が存在するものと判断することが可能となる。

尚、ポンプ室１０２内に気泡が存在すると第１波の波高が低くなることから、予め適切な閾値を設定しておき、ポンプ室１０２の内部圧力（すなわち圧力信号Ｖｐ）と閾値とを比較することによっても、気泡の有無を判別することが可能である。しかし、この方法は、第１波のピーク値がある程度まで低下した場合に、気泡が存在すると判断するものであり、どの程度までピーク値が低下すると気泡が発生したと判断するのか（すなわち、閾値の設定）によって判断精度が左右される。これに対して、上述した本実施例の方法では、第２波に基づく第２パルスが発生したか否かに基づいて判断することができるので、気泡の有無を精度良く判別することが可能となる。

Ｄ．圧送圧力の検出方法 ：
図３（ｃ）に例示したように、検出信号ＤＳの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合、第１パルスが発生してから第２パルスが発生するまでの時間の長さは、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（正確には、出口側バッファ室１１８内の圧力）に関する情報を有している。何故なら、上述したように検出信号ＤＳの第１パルスは、圧力信号Ｖｐの第１波に対応するパルスであり、第２パルスは第２波に対応するパルスである。また、図３を用いて前述したように、圧力信号Ｖｐの第２波は、出口流路１１６内をポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向かって流れる液体が、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差によってポンプ室１０２内に引き戻されることによって発生する。従って、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差が大きくなると、出口流路１１６内の液体を引き戻す力が大きくなるので第２波が早く発生し、従って第２パルスも早く発生する。

ここで、第１波が終了して（圧力信号Ｖｐが初期レベルに戻って）から第２波が発生するまでの期間は、ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向けて流出した液体が、出口側バッファ室１１８から押し戻されて戻ってくるまでの期間である。従って、第２波が発生するまでのポンプ室１０２内は概ね負圧となっている。また、ポンプ室１０２は逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２と接続されているので、第２波が発生するまでの期間にポンプ室１０２の圧力が大きく変動することはない。このため、第１波が終了してから第２波が発生するまでの期間（以下では、この期間を負圧期間と呼ぶ）でのポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差は、出口側バッファ室１１８内の圧力が主に決定している。すなわち、出口側バッファ室１１８内の圧力が高ければ、負圧期間が短くなる。逆から言えば、負圧期間が短ければ、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いと言うことができる。更に、第１波が発生してから終了するまでの時間（第１パルスのパルス幅）は、ほとんど変化しないことが実験によって確かめられている。従って、第１波（第１パルス）が発生してから第２波（第２パルス）が発生するまでの時間についても、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いほど、時間が短くなるということができる。

図５は、第１パルスから第２パルスまでの時間と、出口側バッファ室１１８内の圧力との関係を示す実測結果である。尚、図５に示した例では、第１パルスから第２パルスまでの時間として、第１パルス終了から第２パルス発生までの時間が計測されている。しかし、第１パルス発生から第２パルス発生までの時間を用いた場合にも、ほとんど同じ傾向が成立する。

図５に示されるように、出口側バッファ室１１８内の圧力（従って、流体流路１２２に液体が圧送される圧力）が低くなると、第１パルスから第２パルスまでの時間が長くなる。このことから、検出信号ＤＳの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合には、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出することができる。すなわち、予め閾値の時間を設定しておき、検出した時間が閾値の時間よりも長くなった場合には、液体の圧送圧力が低下したものと判断することができる。あるいは、図５に示すような関係（検出時間と圧送圧力との関係）を、制御部１５２内にルックアップテーブルとして記憶しておき、このルックアップテーブルを参照することによって、圧送圧力を検出することもできる。

また、図６に例示したように、流体流路１２２を流れる液体を入口流路１１４に還流させて循環流路を構成した場合には、液体が密閉された流路を流れることになるので圧送圧力が低下したことに気付きにくい。この点で、本実施例では、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、出口側バッファ室１１８内の圧力をモニターすることができるので、圧送圧力が低下したことを直ちに認識することが可能となる。

Ｅ．気体溶存量および送液量の検出方法 ：
また、図３（ｃ）に例示したように、検出信号ＤＳの第３パルスおよび第４パルスが検出された場合、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、液体中に溶存する空気などの気体の溶存量（気体溶存量）を検出することが可能である。これは次の理由による。

先ず、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８とが出口流路１１６を介して発生させる共振の固有振動周期Ｔは、前述した（４）式で表される。また、（４）式中に現れる合成コンプライアンスＣは、前述した（５）式で表される。そして、（５）式中に現れるコンプライアンスＣ_１（ポンプ室１０２のコンプライアンス）、およびコンプライアンスＣ_２（出口側バッファ室１１８のコンプライアンス）は、（８）式を用いてそれぞれ次式で与えられる。
Ｃ_１＝Ｖ_１×（１／Ｋ＋κ_Ｆ） ・・・（９）
Ｃ_２＝Ｖ_２×（１／Ｋ＋κ_Ｆ） ・・・（１０）
ここで、Ｖ_１はポンプ室１０２の容積であり、Ｖ_２は出口側バッファ室１１８の容積である。また、本実施例では、ポンプ室１０２や出口流路１１６、出口側バッファ室１１８はステンレス鋼などの非常に硬い部材で構成されており、その弾性率Ｋは大変に大きいので、（９）式及および（１０）式ではポンプ室１０２や出口側バッファ室１１８の容積の変化は殆ど無視される。（９）式および（１０）式を、（５）式および（４）式に代入して整理すると、固有振動周期Ｔは液体の圧縮率κ_Ｆの平方根に比例することが分かる。そして、液体の圧縮率κ_Ｆは、液体中の気体の溶存量が増加するに従って高くなるから、液体中の気体の溶存量が増加する程、固有振動周期Ｔが長くなると考えられる。また、液体中の気体の溶存量が増加すると液体の圧縮率κ_Ｆが高くなるから、ポンプ室１０２で液体を効果的に加圧することができなくなり、送液ポンプ１００の送液量が低下するものと考えられる。そこで、液体中の気体溶存量を変えながら送液ポンプ１００の送液量および固有振動周期Ｔを実測した。

図７は、実測によって得られた液体中の気体溶存量と固有振動周期Ｔとの関係を示した説明図である。図７に示されるように、気体溶存量が増加するに従って固有振動周期Ｔが長くなっている。固有振動周期Ｔは、検出信号ＤＳの第３パルスが検出されてから第４パルスが検出されるまでの時間に相当するから、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、液体中に溶存する空気などの気体の溶存量（気体溶存量）を検出することが可能である。

また、図８は、実測によって得られた液体中の気体溶存量と送液ポンプ１００の送液量との関係を示した説明図である。図８に示されるように、気体溶存量が増加するに従って送液量が減少している。そして、図７に示したように気体溶存量と固有振動周期Ｔとの間には強い対応関係（相関）があるから、送液量と固有振動周期Ｔとの間にも相関が存在している可能性がある。そこで、同じ気体溶存量に対して実測された固有振動周期Ｔと送液量との関係を整理すると図９が得られた。図９に示されるように、固有振動周期Ｔ（本実施例では、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間）と送液量との間には強い相関が成立している。このことから、検出信号ＤＳで第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、送液ポンプ１００の送液量を検出することも可能である。

このように本実施例の送液ポンプ１００では、検出信号ＤＳの第３パルスから第４パルスまでの時間を計測することで、送液量や液体中の気体溶存量を検出することができる。このため、送液量を検出するための流量計などを別途備える必要がない。また、液体中の気体溶存量を検出するためには特別な装置が必要となるが、本実施例では、特別な装置を用いることなく、液体中の気体溶存量を検出することができる。特に、図６に例示したように、送液ポンプ１００を循環流路に組み込んで用いる場合には、液体が密閉された流路を流れることになるので、送液量や気体溶存量を検出することは容易ではない。この点で、本実施例では、固有振動周期Ｔを検出することで、送液量や気体溶存量を常にモニターしておくことが可能となる。

尚、以上の説明では、検出信号ＤＳの第２パルスから第３パルスまでの時間ではなく、第３パルスから第４パルスまでの時間を計測して、固有振動周期Ｔを求めることとした。これは、次のような理由による。図１に示したように、本実施例の送液ポンプ１００では、ポンプ室１０２が逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２に接続されており、ポンプ室１０２が負圧になると、逆止弁１１０が開いてポンプ室１０２と入口側バッファ室１１２とが連通する。従って、あたかもポンプ室１０２のコンプライアンスＣ_１が大幅に増加したような状態となって固有振動周期Ｔがずれてしまう。そして、図３（ｂ）に示されるように、第２パルスと第３パルスとの間ではポンプ室１０２が負圧になっている期間（すなわち、ポンプ室１０２と入口側バッファ室１１２とが連通している期間）が長いので、正確な固有振動周期Ｔを計測することができない。これに対して第３パルスと第４パルスとの間では、ポンプ室１０２が負圧になる期間が発生しない（発生しても僅かな期間に過ぎない）ので、正確な固有振動周期Ｔを計測することができる。以上の理由から、本実施例では検出信号ＤＳの第３パルスと第４パルスとの間の時間を計測することによって、固有振動周期Ｔを求めている。もちろん、それほどの計測精度が必要でない場合は、検出信号ＤＳの第２パルスと第３パルスとの間の時間を計測することによって固有振動周期Ｔを求めるようにしても良い。あるいは、出口流路１１６での減衰が強くなると圧力信号Ｖｐの第３波の振幅が小さくなり、検出信号ＤＳの第４パルスが発生しなくなる場合も起こり得る。このような場合には、検出信号ＤＳの第２パルスと第３パルスとの間の時間を計測して（場合によっては、第１パルスと第２パルスとの間の時間を計測して）固有振動周期Ｔを求めるようにしても良い。

以上、本実施例の送液ポンプ１００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、上述した実施例では、圧電素子１０６に流れる駆動電流Ｉｏｕｔから圧力信号Ｖｐを検出して、検出信号ＤＳを生成するものとして説明した。しかし、これに限らず、例えばポンプ室１０２に圧力センサーを設けて圧力信号Ｖｐに相当する信号を出力させ、この信号を変換して検出信号ＤＳを生成しても良い。もっとも、本実施例のように圧電素子１０６の駆動電流Ｉｏｕｔから圧力信号Ｖｐを検出することとすれば、別途、圧力センサーを設ける必要がない。また、圧電素子１０６の駆動回路１５０に圧力検出部１６０や比較部１５６を組み込むだけで圧力信号Ｖｐを得ることが可能となる。

１００…送液ポンプ、 １０２…ポンプ室、 １０４…ダイアフラム、
１０６…圧電素子、 １０６…圧電素子、 １０８…ケース、
１１０…逆止弁、 １１２…入口側バッファ室、 １１４…入口流路、
１１６…出口流路、 １１８…出口側バッファ室、
１２２…流体流路、 １５０…駆動回路、 １５２…制御部、
１５４…増幅回路、 １５６…比較部、 １６０…圧力検出部、
１６２…電流検出回路、 １６４…積分回路、 １６６…減算回路

Claims (6)

1. ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を吐出する送液ポンプであって、
   前記ポンプ室に接続された出口流路と、
   前記ポンプ室のコンプライアンスよりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
   前記ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部と、
   前記内部圧力を所定の閾値と比較することによってパルス状の比較信号を出力する比較部と、
   前記比較部から出力される前記比較信号を利用して、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
   を備える送液ポンプ。
2. 請求項１に記載の送液ポンプであって、
   前記ポンプ室の容積を変更する圧電素子を備え、
   前記圧力検出部は、
   前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路の出力を積分する積分回路と、
   前記積分回路の出力と前記圧電素子を駆動する駆動信号の基となる駆動波形信号との差分を、前記ポンプ室の内部圧力として出力する減算回路とを備える送液ポンプ。
3. 請求項１または請求項２に記載の送液ポンプであって、
   前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後に、前記ポンプ室内に圧力振動が発生することよって生成された前記パルス状の比較信号の有無に基づいて、該ポンプ室に混入した気泡の有無を検出する検出部である送液ポンプ。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
   前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少後に、ポンプ室内の圧力振動による前記パルス状の比較信号が検出されるまでの時間に基づいて、前記送液ポンプから液体を圧送する圧力を検出する検出部である送液ポンプ。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
   前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動よって検出された複数の前記比較信号の時間間隔に基づいて、前記液体中の気体溶存量を検出する検出部である送液ポンプ。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
   前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後に、ポンプ室内の圧力振動よって検出された複数の前記比較信号の時間間隔に基づいて、前記液体の時間あたりの送液量を検出する検出部である送液ポンプ。

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