JP2013532246A - 方形波ドライバを備える流体ディスクポンプ - Google Patents

Abstract

実質的にシリンダー形状を有し、および両端部が端壁によって閉鎖された側壁によって形成された空洞部を画成するポンプにおいて、空洞部が流体を収容するポンプが開示される。ポンプは、端壁の少なくとも一方と動作可能に関連するアクチュエータをさらに含み、被駆動端壁に振動運動を発生させ、空洞部内の被駆動端壁に変位振動を生成する。ポンプは、弁を通る流体の流れを制御する弁をさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明の説明に役立つ実施形態は、一般的に、流体を押し出すポンプに関し、より具体的には、実質的に円形の端壁および側壁を備える実質的にディスク形状の空洞部と、ポンプの調和励振を低減させる方形波信号を駆動する電子回路とともに、ポンプを通る流体の流れを制御する弁とを有するポンプに関する。

熱音響式およびポンプ式コンプレッサの分野では、閉鎖空洞部における高振幅の圧力振動の生成が大きな注目を集めている。最近の非線形音響学の発展により、従来可能であると思われていたよりも高い振幅での圧力波の生成が可能になった。

音響共振を使用して、決められた入口および出口から流体をポンプで押し出すことが知られている。これは、音響定常波を発生する音響ドライバを一方の端部に備えるシリンダー状空洞部を使用して達成できる。そのようなシリンダー状空洞部では、音響圧力波の振幅は限定されている。円錐形、角付き円錐形、球状などの変断面空洞部を使用して高振幅の圧力振動を達成し、それによりポンピング効果を著しく高めている。そのような高振幅の波では、エネルギー散逸を伴う非線形機構が抑制されている。しかしながら、最近まで、半径方向圧力振動が励振されるディスク形状の空洞部内で、高振幅の音響共振が用いられてこなかった。国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットとして公開された国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書（‘４８７号出願）には、アスペクト比、すなわち、空洞部の半径と空洞部の高さとの比が高い、実質的にディスク形状の空洞部を有するポンプが開示されている。

そのようなポンプは、実質的にシリンダー状空洞部を有し、その空洞部は、各端部が端壁によって閉鎖されている側壁を含む。そのポンプはまた、端壁のいずれか一方を駆動して、被駆動端壁の表面に実質的に垂直な方向に振動させるアクチュエータも含む。被駆動端壁の運動の空間プロファイルは、空洞部内の流体圧力振動の空間プロファイルに適合しており、本明細書ではモードマッチングと説明される状態であると説明される。ポンプがモードマッチングしていると、空洞部内の流体に対してアクチュエータが行う仕事が、被駆動端壁面全体に建設的に加わり、それにより、空洞部内の圧力振動の振幅を増強し、かつポンプ効率を高める。モードマッチングされたポンプの効率は、被駆動端壁と側壁との間の境界部に依存する。被駆動端壁の運動を減少または減衰せず、それゆえ空洞部内の流体圧力振動の振幅のいかなる縮小も抑制するように境界部を構造化することによって、そのようなポンプの効率を維持することが望ましい。

上述のポンプのアクチュエータは、端壁に対して実質的に垂直な方向の、またはシリンダー状空洞部の長手軸に対して実質的に平行な方向の被駆動端壁の振動運動（「変位振動」）を発生させる。以下、この振動を空洞部内での被駆動端壁の「軸方向振動」と称する。被駆動端壁の軸方向振動は、空洞部内に流体の実質的に比例「圧力振動」を発生させ、‘４８７号出願（参照により本書に援用される）で説明されているような第１種ベッセル関数の半径方向圧力分布に近似する半径方向圧力分布を生じ、そのような振動を、以下、空洞部内の流体圧力の「半径方向振動」と称する。アクチュエータと側壁との間の被駆動端壁の一部分は、変位振動の減衰を減少させて空洞部内で圧力振動のいかなる縮小も抑制する、ポンプの側壁との境界部を形成する。その部分を、以下、「アイソレータ」と称する。アイソレータの説明に役立つ実施形態は、変位振動の減衰を減少させるために、被駆動端壁の周辺部分と動作可能に関連する。

より具体的には、ポンプは、実質的に円形の端壁によって両端部が閉鎖された側壁によって形成された空洞部を画成する、実質的にシリンダー形状を有するポンプ本体を含み、端壁の少なくとも一方が、中心部分と、側壁に隣接した周辺部分とを有する被駆動端壁であり、空洞部は使用時に流体を含む。ポンプは、被駆動端壁の中心部分と動作可能に関連したアクチュエータをさらに含み、アクチュエータにより、被駆動端壁に対して実質的に垂直な方向に、被駆動端壁の中心の辺りで最大振幅となるように被駆動端壁の振動運動を発生させ、それにより、使用時に被駆動端壁の変位振動を発生させる。ポンプは、被駆動端壁の周辺部分と動作可能に関連したアイソレータをさらに含み、より具体的に米国特許出願第１２／４７７，５９４号明細書（参照により本書に援用される）に説明されているように、空洞部の側壁に端壁が接続されていることに起因する変位振動の減衰を減少させる。ポンプは、端壁の一方の中心の辺りに配置された第１の開口部と、ポンプ本体の任意の他の位置に配置された第２の開口部とをさらに含み、それにより、変位振動が前記ポンプ本体の空洞部内で流体圧力の半径方向振動を発生させ、前記開口部に流体が流れるようにする。

そのようなポンプはまた、ポンプを流れる流体を制御するために１つ以上の弁、具体的には、高周波数で動作できる弁を必要とする。従来の弁は、一般に、様々な応用で５００Ｈｚ未満の低周波数で動作する。例えば、多くの従来のコンプレッサは、一般に５０または６０Ｈｚで動作する。当該技術分野で公知の線形共振コンプレッサは、１５０〜３５０Ｈｚで動作する。しかしながら、医療装置を含む多くの携帯型電子装置が、正圧を供給するまたは真空にする、比較的サイズが小さいポンプを必要とし、およびそのようなポンプを動作時に不可聴にして、個別の動作を提供するようにすることが好都合である。これらの目的を達成するために、そのようなポンプは、非常に高い周波数で動作する必要が有り、約２０ｋＨｚ以上で動作できる弁を必要とする。これらの高周波数で動作させるために、弁は、整流されて最終的にポンプを通る流体流を生成できる高周波数振動圧力に応答性を有する必要がある。

そのような弁は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書（参照により本書に援用される）により具体的に説明されている。弁は、ポンプを通る流体の流れを制御するために第１または第２の開口部に、または両開口部に配置されてもよい。各弁は、開口部がほぼ垂直に延在する第１のプレートと、同様に開口部がほぼ垂直に延在する第２のプレートとを含み、第２のプレートの開口部は、第１のプレートの開口部から実質的にオフセットしている。弁は、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置された側壁をさらに含み、側壁は、第１および第２のプレートの周囲の周りで閉鎖されて、第１のプレートと第２のプレートとの間に、第１および第２のプレートの開口部と流体連通する空洞部を形成する。弁は、第１のプレートと２のプレートとの間に配置されかつそれらの間を可動なフラップをさらに含み、フラップは、第１のプレートの開口部から実質的にオフセットされかつ第２のプレートの開口部と実質的に位置合わせされた開口部を含む。フラップは、弁の両面間での流体の差圧方向の変化に応答して、第１のプレートと第２のプレートとの間で動かされる。

アクチュエータは、基本周波数、すなわち、アクチュエータの駆動を予定している周波数に加えて、複数の周波数で共振する圧電アクチュエータとし得る。圧電駆動回路は、一般にそのようなアクチュエータに方形波駆動信号を用いる。なぜなら、駆動回路エレクトロニクスは、より安価でかつより小型であり得るからである。これらの要素は、例えば、創傷処置のために減圧を生成するために使用され得る医療装置、および小型ポンプおよび駆動エレクトロニクスが必要とされる他の応用においては、重要である。そのようなアクチュエータのための駆動信号として方形波を用いる際の問題は、方形波が、その基本周波数（ｆ）の数倍の追加的な周波数、すなわち、高調波周波数を含むことであり、その周波数は、アクチュエータの基本モードと共に励振される他の振動モード（例えばアクチュエータの高次の「曲げ」モードまたは半径方向の「ブリージング」モード）に関連した、アクチュエータのより高い周波数の共振周波数と一致し得るまたはそれに十分に近くなり得る。これらのモードの励振は、アクチュエータ、それゆえ、ポンプの性能を実質的に低下させ得る。例えば、そのようなより高い周波数モードの励振は、電力消費量を増大させ、結果としてポンプ効率を低下させ得る。

本発明の原理によれば、ポンプは、主に基本周波数でアクチュエータの圧電成分を駆動する出力部を有する駆動回路をさらに含む。駆動信号は方形波信号であり、および駆動回路は、方形波信号のいくつかの高調波周波数を除外または減衰するが、そうでなければ、アクチュエータのより高い周波数の共振モードを励振させ、それにより、ポンプ効率を低下させる。駆動回路は、低域フィルタまたはノッチフィルタを含んで、方形波の不要な高調波信号を抑制してもよい。あるいは、処理回路は、方形波信号のデューティサイクルを変更して、同じ効果を達成してもよい。

説明に役立つ実施形態の他の目的、特徴、および利点が本明細書に説明されており、以下の図面および詳細な説明を参照することにより、明白となる。

図１Ａは、本発明の説明に役立つ実施形態による第１のポンプの概略的な断面図を示す。図１Ｂは、図１Ａの第１のポンプの概略的な上面図である。 図２Ａは、図１Ａの第１のポンプのアクチュエータの基本曲げモードのための軸方向変位振動のグラフである。図２Ｂは、図２Ａに示す曲げモードに応答する図１Ａの第１のポンプの空洞部内の流体の圧力振動のグラフである。図２Ｃは、図１Ａの第１のポンプのアクチュエータのための１つの発生し得る半径方向変位振動（または「ブリージングモード」）を示す。 図３Ａは、図１Ａおよび図１Ｂのポンプのアクチュエータの共振モードを示すインピーダンススペクトルのグラフである。図３Ｂは、２つの方形波（５０％および４３％のデューティサイクルをそれぞれ有する）のフーリエ成分の、周波数に応じたこれらの駆動信号の高調波内容物を示すグラフである。 図４Ａは、いくつかの高調波周波数成分の振幅のグラフを示し、および図４Ｂは、アクチュエータに適用された方形波信号のデューティサイクルに応じた、図１Ａ〜図１Ｂのポンプのこれらの高調波周波数においてアクチュエータによって消費されたパワーの例を示すグラフを示す。 図５は、説明に役立つ実施形態による図１Ａ〜図１Ｂに示すポンプを駆動する駆動回路の概略的なブロック図を示す。 図６Ａ〜図６Ｃは、５０％、４５％、および４３％のデューティサイクルをそれぞれ有する方形波駆動信号の、図１Ａ〜図１Ｂに示すポンプのアクチュエータにわたる電圧およびアクチュエータを通る電流を示すグラフである。 図７Ａは、弁が逆向きにされて、ポンプによってもたらされる圧力差が、図１Ａの実施形態と反対となっている、本発明の説明に役立つ実施形態による第２のポンプの概略的な断面図を示す。図７Ｂは、図７Ａのポンプで用いられる弁の説明に役立つ実施形態の概略的な断面図を示す。 図８は、図２Ｂに示すような、図７Ａの第２のポンプの空洞部内の流体の圧力振動のグラフを示す。 図９Ａは、閉鎖位置にある弁の説明に役立つ実施形態の概略的な断面図を示す。図９Ｂは、図９Ｄの線９Ｂ−９Ｂに沿って取った図９Ａの弁の分解断面図を示す。図９Ｃは、図９Ｂの弁の概略的な斜視図を示す。図９Ｄは、図９Ｂの弁の概略的な上面図を示す。 図１０Ａは、流体が弁を流れるときに開放位置にある図９Ｂの弁の概略的な断面図を示す。図１０Ｂは、閉鎖前の開放位置と閉鎖位置との間の移行時の図９Ｂの弁の概略的な断面図を示す。図１０Ｃは、流体の流れが弁によって遮断されている閉鎖位置にある図９Ｂの弁の概略的な断面図を示す。 図１１Ａは、説明に役立つ実施形態による、図９Ｂの弁にわたって適用される、振動する差圧のグラフを示す。図１１Ｂは、開放位置と閉鎖位置との間の図９Ｂの弁の動作サイクルのグラフを示す。

以下の例示的ないくつかの実施形態の詳細な説明では、これらの一部を形成する添付図面を説明し、添付図面には、本発明を実施し得る好ましい具体的な実施形態を例として示す。これらの実施形態を、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明し、かつ、本発明の趣旨または範囲から逸脱せずに、他の実施形態を用いてもよいこと、および論理的な構造的、機械的、電気的、および化学的な変更を行ってもよいことを理解されたい。本明細書で説明した実施形態を当業者が実施できるようにするのに不要な詳細を避けるために、説明では、当業者に公知の特定の情報を省略し得る。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定を意図するものではなく、説明に役立つ実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

図１Ａは、本発明の説明に役立つ実施形態によるポンプ１０の概略的な断面図である。また、図１Ｂを参照すると、ポンプ１０は、シリンダー状壁１９を含む、実質的にシリンダー形状を有するポンプ本体を含み、シリンダー状壁１９は、一方の端部がベース１８によって閉鎖され、かつ他方の端部が、エンドプレート１７、およびエンドプレート１７とポンプ本体のシリンダー状壁１９の他方の端部との間に配置されたリング状アイソレータ３０によって閉鎖されている。シリンダー状壁１９およびベース１８は、ポンプ本体を含む単一の構成部品としてもよく、かつ、他の構成部品またはシステムに装着されてもよい。シリンダー状壁１９、ベース１８、エンドプレート１７、およびリング状アイソレータ３０の内側面が、ポンプ１０内に空洞部１１を形成し、空洞部１１は、端壁１２および１３によって両端部が閉鎖されている側壁１４を含む。端壁１３はベース１８の内側面であり、側壁１４はシリンダー状壁１９の内面である。端壁１２は、エンドプレート１７の内面に対応する中心部分と、リング状アイソレータ３０の内面に対応する周辺部分とを含む。空洞部１１の形状は実質的に円形であるが、空洞部１１は同様に、楕円形または他の形状でもよい。ポンプ本体のベース１８およびシリンダー状壁１９は、限定するものではないが、金属、セラミック、ガラス、または、限定するものではないが射出成形プラスチックを含むプラスチックを含む、任意の好適な剛性材料から形成してもよい。

ポンプ１０はまた圧電性円板２０を含み、圧電性円板２０は、エンドプレート１７に動作可能に接続されてアクチュエータ４０を形成し、エンドプレート１７を介して端壁１２の中心部分に動作可能に関連する。圧電性円板２０は圧電材料で形成される必要はないが、例えば、電歪または磁歪材料などを振動させる、任意の電気的に活性の材料で形成し得る。エンドプレート１７は、好ましくは、圧電性円板２０と同様の曲げ剛性を有してよく、および金属またはセラミックなどの電気的に非活性の材料で形成し得る。圧電性円板２０が電流によって励振されると、アクチュエータ４０は、空洞部１１の長手軸に対して半径方向に膨張したり収縮したりしてエンドプレート１７を曲げ、それにより、端壁１２に対して実質的に垂直な方向において、端壁１２の軸方向の撓みを誘発する。あるいは、エンドプレート１７はまた、電気的に活性の材料、例えば、圧電、磁歪、または電歪材料などから形成し得る。別の実施形態では、圧電性円板２０を、端壁１２と力を伝達する関係にある装置、例えば、機械的、磁気的または静電気的な装置などによって置き換えてもよく、端壁１２は、上述したような方法でそのような装置（図示せず）によって振動するように追い込まれる、電気的に非活性のまたはパッシブな材料層として形成し得る。

ポンプ１０は、空洞部１１からポンプ１０の外側まで延在する少なくとも２つの開口部をさらに含み、開口部の少なくとも最初の１つは、開口部を通る流体の流れを制御する弁を含んでもよい。弁を含む開口部は、アクチュエータ４０が圧力差を発生させる（下記で詳細に説明する）、空洞部１１の任意の位置に配置してもよいが、ポンプ１０の好ましい一実施形態は、端壁１２、１３のいずれかのほぼ中心に弁が配置された開口部を含む。図１Ａおよび図１Ｂに示すポンプ１０は、空洞部１１から端壁１３の中心の辺りでポンプ本体のベース１８を通って延在しかつ弁４６を含む主開口部１６を含む。弁４６は、主開口部１６内に装着され、矢印で示すように流体の流れが一方向となるようにし、ポンプ１０の出口として機能するようにする。第２の開口部１５は、空洞部１１内の、弁４６を備える主開口部１６の位置以外の任意の位置に配置し得る。ポンプ１０の好ましい一実施形態では、第２の開口部１５は、端壁１２、１３のいずれか一方の中心と側壁１４との間に配置される。図１Ａおよび図１Ｂに示すポンプ１０の実施形態は、空洞部１１からアクチュエータ４０を通って延在する２つの副開口部１５を含み、それら副開口部は、端壁１２の中心と側壁１４との間に配置されている。ポンプ１０のこの実施形態では副開口部１５は弁で調節されないが、副開口部も同様に、必要であれば弁で調節されて性能を高めてもよい。ポンプ１０のこの実施形態では、主開口部１６は弁で調節されるため、流体が、副開口部１５を通ってポンプ１０の空洞部１１に吸い込まれ、矢印で示すように主開口部１６を通って空洞部１１から送り出され、主開口部１６に正圧をもたらす。

図２Ａは、空洞部１１の被駆動端壁１２の軸方向振動を示す変位プロファイルの可能性の１つを示す。実線の曲線および矢印は、ある時刻での被駆動端壁１２の変位を表し、破線の曲線は、それより半サイクル後の被駆動端壁１２の変位を表す。この図面および他の図面に示すように変位は誇張して示してある。アクチュエータ４０は、その周囲が堅固に装着されておらず、むしろリング状アイソレータ３０で吊るされているため、アクチュエータ４０は、その基本モードにおいて、その質量中心の辺りで自由に振動できる。この基本モードでは、アクチュエータ４０の変位振動の振幅は、端壁１２の中心と側壁１４との間に配置された環状変位ノード２２において実質的にゼロである。端壁１２の他の点にある変位振動の振幅は、垂直方向の矢印で示すようにゼロ超の振幅を有する。アクチュエータ４０の中心付近には中心変位アンチノード２１があり、アクチュエータ４０の周囲付近には周辺変位アンチノード２１’がある。

図２Ｂは、図２Ａに示す軸方向変位振動に起因する空洞部１１内での圧力振動を示す圧力振動プロファイルの可能性の１つを示す。実線の曲線および矢印は、ある時刻での圧力を表し、破線の曲線は、それより半サイクル後の圧力を表す。このモードおよび高次のモードでは、圧力振動の振幅は、空洞部１１の中心付近に中心圧力アンチノード２３、および空洞部１１の側壁１４付近に周辺圧力アンチノード２４を有する。圧力振動の振幅は、中心圧力アンチノード２３と周辺圧力アンチノード２４との間の環状圧力ノード２５において実質的にゼロである。シリンダー状空洞部の場合、空洞部１１における圧力振動の振幅の径方向依存性は、第１種ベッセル関数によって概算してもよい。上述の圧力振動は、空洞部１１内の流体の半径方向運動に起因するので、アクチュエータ４０の軸方向変位振動から区別されて、空洞部１１内の流体の「半径方向圧力振動」と称する。

図２Ａおよび図２Ｂをさらに参照すると、アクチュエータ４０の軸方向変位振動の振幅の径方向依存性（アクチュエータ４０の「モード−形状」）は、第１種ベッセル関数で概算し、空洞部１１内の所望の圧力振動の振幅の径方向依存性（圧力振動の「モード−形状」）に、より近く適合するようにしていることが分かる。アクチュエータ４０をその周囲において堅固に装着せず、かつその質量中心の辺りでより自由に振動できるようにすることによって、変位振動のモード−形状は、空洞部１１内の圧力振動のモード−形状に実質的に適合するので、モード−形状の適合、またはもっと簡単には、モードマッチングを達成する。モードマッチングは、この点において常に完璧でなくてもよく、アクチュエータ４０の軸方向変位振動、および空洞部１１内の対応する圧力振動は、アクチュエータ４０の全表面にわたって実質的に同じ相対位相を有し、空洞部１１における圧力振動の環状圧力ノード２５の半径方向位置、およびアクチュエータ４０の軸方向変位振動の環状変位ノード２２の半径方向位置は、実質的に合致する。

図２Ａに示すようなアクチュエータ４０のモード−形状は、アクチュエータ４０の最低の周波数共振「曲げ」モードである（「基本曲げモード」）。矢印は、実線と破線との間で動くアクチュエータ４０の軸方向変位を示す。変位のアンチノード、変位アンチノード２１および２１’は、アクチュエータ４０のそれぞれ中心および縁部に配置される。当業者には、高次の曲げモードは、高い周波数に存在することが理解される。動作時、圧電性円板２０は面内で、すなわち、圧電性円板２０の平面に平行な方向に膨張したり収縮したりする。上述の曲げ運動を引き起こすことに加えて、この運動はまた、図２Ｃに示すような拡張圧電性円板２０’および拡張エンドプレート１７’に示すように面内でエンドプレート１７を膨張させたり収縮させたりさせる。複合アクチュエータ４０の対応する面内の膨張および収縮が、アクチュエータ４０の「ブリージング」モードとして公知のアクチュエータ４０の振動のモードを形成する（軸方向変位または曲げモードとは対照的に）。一般に、最低次のブリージングモード（「基本ブリージングモード」）は、基本曲げモードの周波数よりも著しく高い共振周波数を有する。当業者には、高次のブリージングモードは高い周波数で存在することが理解される。アクチュエータ４０の基本曲げモードとは異なり、アクチュエータ４０のそのようなブリージングモードは、基本曲げモードに関して図２Ｂに示すようには、ポンプ１０の空洞部１１内に有用な圧力振動を発生させない。

アクチュエータ４０がその質量中心の辺りで振動するとき、環状変位ノード２２の半径方向位置は、図２Ａに示すようにアクチュエータ４０がその基本曲げモードで振動する際に、必然的にアクチュエータ４０の半径の内側にあることになる。それゆえ、環状変位ノード２２を環状圧力ノード２５と確実に一致させるために、アクチュエータの半径（ｒ_ａｃｔ）は、モードマッチングを最適にするために、好ましくは環状圧力ノード２５の半径よりも大きい必要がある。再度、空洞部１１内の圧力振動を第１種ベッセル関数で概算すると仮定すると、環状圧力ノード２５の半径は、図１Ａに示すように、端壁１３の中心から側壁１４への半径、すなわち、空洞部１１の半径（ｒ）の約０．６３となる。それゆえ、アクチュエータ４０の半径（ｒ_ａｃｔ）は、好ましくは、以下の式を満たす：ｒ_ａｃｔ≧０．６３ｒ。

リング状アイソレータ３０は、図２Ａの周辺変位アンチノード２１’における変位に示すようなアクチュエータ４０の振動に応答する曲げおよび伸張により、上述のようにアクチュエータ４０の縁部がより自由に動けるようにする可撓性膜とし得る。可撓性膜は、ポンプ１０のアクチュエータ４０とシリンダー状壁１９との間に低機械インピーダンス支持体を設けることにより、アクチュエータ４０に対して発生し得る側壁１４の減衰効果に打ち勝ち、それにより、アクチュエータ４０の周辺変位アンチノード２１’における軸方向振動の減衰を小さくする。本質的に、可撓性膜は、アクチュエータ４０から側壁１４へ伝達されるエネルギーを最小限にし、それにより、実質的に静止したままとなる。それゆえ、環状変位ノード２２は、ポンプ１０のモードマッチング条件を維持するために、環状圧力ノード２５に実質的に位置合わせされたままとなる。それゆえ、被駆動端壁１２の軸方向変位振動は、図２Ｂに示すように、側壁１４において中心圧力アンチノード２３から周辺圧力アンチノード２４へ、空洞部１１内で圧力の振動を効果的に発生させ続ける。

図３Ａを参照すると、例示的なアクチュエータ４０のインピーダンススペクトル３００のグラフを、周波数に応じたインピーダンス３００の大きさ成分３０２および位相成分３０４の双方を含めて、示す。アクチュエータ４０のインピーダンススペクトル３００のピークは、約２１ｋＨｚ以上の周波数共振モードでの基本共振モード３１１を含む特定の周波数において、アクチュエータ４０の電気−機械共振モードに対応している。そのような高周波数共振モードは、約８３ｋＨｚにおいて第２の共振モード３１２を、約１４７ｋＨｚにおいて第３の共振モード３１３を、約１７４ｋＨｚにおいて第４の共振モード３１４を、および約２８２ｋＨｚにおいて第５の共振モード３１５を有する。

約２１ＫＨｚにおける基本共振モード３１１は、空洞部１１に圧力振動を生じさせて、図２Ａおよび図２Ｂと併せて説明したようにポンプ１０を駆動させる基本曲げモードである。８３ｋＨｚにおける第２の共振モード３１２は、基本モード３１１の単一の環状変位ノード２２に加えて第２の環状変位ノード（図示せず）を有する第２の曲げモードである。それぞれ約１７４ｋＨｚおよび２８２ｋＨｚにおける第４および第５の共振モード３１４および３１５はまた、軸方向に対称的なより高次の曲げモードであり、基本曲げモード３１１の単一の環状変位ノード２２を超えておよびより高い方に、それぞれ２つおよび３つの追加的な環状変位ノード（図示せず）を有する。図３Ａから分かるようにこれらの曲げモードの強度は、概して、周波数が増大するにつれて低下する。

アクチュエータ４０の第３の共振モード３１３は、ポンプ１０の空洞部１１内に有用な圧力振動を発生させずに、上述のようにアクチュエータ４０を半径方向に変位させる基本ブリージングモード（図２Ｃ）である。本質的に、アクチュエータ４０の面内共振運動は、この周波数で優勢であり、図３Ａから分かるように非常に低いインピーダンスを生じさせる。この基本ブリージングモードの低インピーダンスは、その周波数で駆動信号が励振されると、高パワーを引き出すことを意味する。

基本周波数と、基本周波数の高調波周波数とを含むパルス幅変調（ＰＷＭ）方形波信号を使用して、上述のアクチュエータ４０を駆動してもよい。図３Ｂを参照すると、符号３７０で示すＰＷＭ方形波信号の高調波を表すフーリエ成分３７０（ｎ）（「ｎ」は、高調波の次数である）の棒グラフが、アクチュエータ４０を駆動するとして示されている。各高調波のフーリエ成分を、異なるデューティサイクルを有するＰＷＭ方形波信号の高調波成分の各々には別々の参照符号を付して、表Ｉに一覧にする。ＰＷＭ方形波信号３７０は５０％のデューティサイクル（「ＤＣ」）を有する。デューティサイクルとは、信号が２つの状態のうちの一方にある方形波周期の百分率を意味し、例えば、方形波周期の５０％が正である信号は、５０％のデューティサイクルを有する。５０％のデューティサイクルのＰＷＭ方形波信号の奇数の各高調波成分の振幅は、高調波次数に反比例して減少する。５０％のデューティサイクルのＰＷＭ方形波信号の偶数の各高調波の振幅は、ゼロである。

上述の例では、駆動回路は、アクチュエータをその基本曲げモードで駆動するように設計されている、すなわち駆動ＰＷＭ方形波信号の周波数は、基本曲げモードの周波数に適合するように選択されている。しかしながら、図３Ａと図３Ｂを比較することから分かるように、ＰＷＭ方形波信号３７０のある高調波は、アクチュエータ４０の、あるより高次の共振モードと一致し得る。駆動信号の高調波がアクチュエータのより高次のモードと一致する場合、エネルギーがこのモードに移される可能性があり、ポンプの効率を低下させる。アクチュエータ４０のそのようなより高次の共振モードに変換されるエネルギーレベルは、その関連のモードの強度およびタイプ、およびその対応するインピーダンスだけでなく、基本駆動周波数のその特定の高調波周波数においてアクチュエータ４０を励振する駆動信号の振幅にも依存することに留意されたい。共振モードが、低インピーダンスで強く、かつ駆動信号の有意な振幅によって駆動されるとき、かなりのエネルギーが、これらの望ましくないより高次のモードにおいてアクチュエータ４０に伝達され、かつアクチュエータ４０の振動によって消散され、ポンプ効率を低下させ得る。このため、より高次の共振モードは、ポンプ１０の有用な動作には寄与せず、むしろ、エネルギーを浪費し、かつポンプ１０の効率に悪影響を及ぼす。

より具体的には、図３Ａの例では、５０％のデューティサイクルのＰＷＭ方形波信号３７０の第７の高調波３７７は、約１４７ｋＨｚにおける基本ブリージングモード３１３の低インピーダンスに一致する。第７の高調波３７７の振幅は、その高調波次数に反比例して比較的小さな数まで減少するにしても、アクチュエータ４０のインピーダンスはその周波数において十分低いので、第７の高調波３７７の振幅が比較的小さくても、有意なエネルギーを基本ブリージングモード３１３に十分引き込める。図４Ｂは、この周波数でアクチュエータ４０によって吸収されるパワーが、基本曲げモードの周波数で吸収されたパワーに近いことを示す：それにより総入力パワーの大部分が浪費され、動作時のポンプの効率を劇的に低下させる。

アクチュエータ４０のより高次の共振モードのこの有害な励振は、共振モードの強度を小さくするかまたはアクチュエータ４０の特定の共振モードに周波数が最も近い駆動信号の高調波の振幅を小さくすることを含め、いくつもの方法によって抑制し得る。本発明の実施形態は、駆動信号を適切に選択および／または修正することによる駆動信号の高調波によって、高次の共振モードの励振を低減する装置および方法に関する。例えば、正弦波駆動信号は、この問題を回避する。その理由は、まず第１に、正弦波内に高調波周波数が全く含まれていないので、正弦波駆動信号はアクチュエータ４０のより高次の共振モードを全く励振させないからである。しかしながら、圧電駆動回路は、一般に、アクチュエータに方形波駆動信号を用いる。なぜなら、駆動回路エレクトロニクスは、低コストでありかつより小型であり、このことは、本出願で説明したポンプ１０の医学的応用および他の応用では重要なことであるためである。それゆえ、好ましい戦略は、駆動信号の第７の高調波３７７を減衰させることによって１４７ｋＨｚにおけるその基本ブリージングモード３１３の周波数でアクチュエータ４０を駆動しないように、アクチュエータ４０のための方形波駆動信号３７０を修正することである。このように、基本ブリージングモード３１３はもはや駆動回路から大してエネルギーを引き出さず、それに関連するポンプ１０の効率の低下を回避する。

解決法の第１の実施形態は、アクチュエータ４０と直列に電気的フィルタを追加して、方形波駆動信号に存在する第７の高調波３７７の振幅を除外するまたは減衰させることである。例えば、低域フィルタとして直列の誘導子を使用して、方形波駆動信号における高周波数の高調波を減衰し、駆動回路の方形波出力を効果的に平滑化してもよい。そのような誘導子は、アクチュエータと直列のインピーダンスＺを追加する（｜Ｚ｜＝２πｆＬである）。ここで、ｆは、問題となっている周波数であり、およびＬは、誘導子のインダクタンスである。周波数ｆ＝１４７ｋＨｚにおいて｜Ｚ｜を３００Ω超にする場合、誘導子は、３２０μＨを上回る値を有する必要がある。そのような誘導子を追加することは、１４７ｋＨｚにおけるアクチュエータ４０のインピーダンスを著しく増大させる。アナログおよびデジタルの双方の低域フィルタを含む、代替的な低域フィルタの構成が、本発明の原理に従って用いられ得る。低域フィルタに代わるものとして、基本周波数または他の高調波信号に影響を及ぼすことなく第７の高調波３７７の信号を阻止するために、ノッチフィルタを使用してもよい。ノッチフィルタは、それぞれ３．９μＨおよび３３０ｎＦの値を有する平行の誘導子およびコンデンサを含んで、駆動信号の第７の高調波３７７を抑制してもよい。アナログおよびデジタルの双方のノッチフィルタを含む、代替的なノッチフィルタの構成は、本発明の原理に従って使用し得る。

第２の実施形態では、方形波信号３７０のデューティサイクルの修正によって第７の高調波３７７の振幅を低減するように、ＰＷＭ方形波駆動信号３７０を修正できる。方形波信号３７０のフーリエ解析を使用して、式１によって示すような駆動周波数の第７の高調波の振幅の低減または除外をもたらすデューティサイクルを決定できる。

ここで、Ａ_ｎは、第ｎの高調波の振幅であり、ｔは時間であり、およびＴは、方形波の周期である。関数ｆ（ｔ）は、方形波信号３７０を表し、方形波の「負」の部分に−１の値を、および「正」の部分に＋１の値を取る。関数ｆ（ｔ）は、デューティサイクルが変更されると、はっきりと変化する。

第７の高調波を除外するための最適なデューティサイクルのために式１を解く（すなわちｎ＝７に対してＡ_ｎ＝０と設定する）：

これらの式では、Ｔ_１は、方形波が正から負へ符号を変更する時間であり、すなわちＴ_１／Ｔは、デューティサイクルを表す。この式には無数の解があるが、基本成分を保存するために方形波を５０％のデューティサイクルの近くに維持したいため、Ｔ_１／Ｔが１／２である条件に最も近い解、すなわち：

を選択する。これは、４２．９％のデューティサイクルに対応する。それゆえ、方形波のデューティサイクルの駆動信号において除外されるまたは著しく減衰される第７の高調波信号は、約４２．９％の特定値に調整される。

再び図３Ｂを参照すると、符号３８０で示すＰＷＭ方形波信号の高調波を表すフーリエ成分３８０（ｎ）の棒グラフも、表Ｉに参照符号で示され、一覧にされている。ＰＷＭ方形波信号３８０は約４３％のデューティサイクルを有し、これは、５０％のデューティサイクルのＰＷＭ方形波信号３７０の相対振幅と比較して、基本周波数３８１の振幅を大きく変更することなく、高調波成分３８０（ｎ）の相対振幅を変更する。第７の高調波成分３８７の振幅は、所望の通りごくわずかなレベルまで低減されたが、デューティサイクルの変化の結果第４の高調波成分３８４の振幅はゼロから増大し、およびその周波数は、８３ｋＨｚでのアクチュエータ４０の第２の曲げモード３１２の周波数に近い。しかしながら、第２の曲げモード共振３１２におけるアクチュエータ４０のインピーダンスは、十分に高い（基本ブリージングモード３１４におけるインピーダンスとは異なる）ため、わずかなエネルギーしかこのアクチュエータモードに伝達されず、第４の高調波の存在が、アクチュエータ４０の電力消費量に、その結果、ポンプ１０の効率に、大きく影響を及ぼさない。第７の高調波成分３８７を除いて、図３Ｂに示す他の高調波成分には問題がない。なぜなら、それら高調波成分は、図３Ａに示すアクチュエータ４０の曲げまたはブリージングモードのいずれかと一致しないかまたは近いためである。

４３％のデューティサイクルにおける第７の高調波成分３８７の振幅は、ここでは無視できるほどに小さく、アクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１２の低インピーダンスの衝撃はごくわずかである。その結果、４３％のデューティサイクルのＰＷＭ方形波信号３８０は、アクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１２を著しく励振しない、すなわち、ごくわずかなエネルギーしかこのモードに伝達されず、ポンプ１０の効率は、アクチュエータ４０への入力としてＰＷＭ方形波信号を使用することによって低下されない（ｎｏｔ ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅｄ）。

図４Ａは、方形波のデューティサイクルが変化する際の、基本周波数（「Ｓｉｎ ｘ」）、第４の高調波周波数（「Ｓｉｎ ４ｘ」）、および第７の高調波周波数（「Ｓｉｎ ７ｘ」）の高調波振幅（Ａ_ｎ）のグラフを示す。図４Ｂは、方形波のデューティサイクルが変化する際の、アクチュエータ４０の対応する電力消費量（Ａ_ｎ ^２／Ｚ（式中、Ｚは、その周波数でのアクチュエータのインピーダンスである）に比例する）を示す。より具体的には、それぞれＰＷＭ方形波信号３７０および３８０の基本周波数３７１および３８１は、図３Ｂで上述したように、それらの第４および第７の高調波成分３７４、３８４および３７７、３８７の対応する振幅と共に、デューティサイクルに応じて示す。図から分かるように、４３％のデューティサイクルを有するＰＷＭ方形波信号３８０の第７の高調波３８７の電圧振幅はゼロに等しい一方、基本成分３８１の電圧振幅は、ＰＷＭ方形波信号３７０のデューティサイクルが５０％であるとき、その値からわずかにしか減少しない。第４の高調波３７４が、５０％のデューティサイクルを有するＰＷＭ方形波信号３８０には存在しないが、上述のように４３％のデューティサイクルを有するＰＷＭ方形波信号３８０には存在することに留意されたい。しかしながら、第４の高調波３８４の電圧振幅の増加には問題がない。なぜなら、上述の通り、第２の共振モード３１２におけるアクチュエータ４０の対応するインピーダンスが比較的高いためである。それゆえ、第４の高調波の電圧振幅を適用することによって、図４Ｂに示すように、方形波のデューティサイクルが４３％であるときに、アクチュエータ４０における電力損４８４が非常にわずかとなる。第７の高調波３８７の電圧振幅は、４３％のデューティサイクルを有するＰＷＭ方形波信号３８０から実質的に除外されており、基本的に、デューティサイクルが４３％であるとき、図４Ｂに示すアクチュエータ４０におけるごくわずかな電力損４８７によって示されるように、アクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１２の低インピーダンスを無効にする。

ここで図５を参照すると、ポンプ１０を駆動する駆動回路５００が示されている。駆動回路５００はマイクロコントローラ５０２を含んでもよく、マイクロコントローラは、当該技術分野で理解されているように、ＰＷＭ信号とし得る駆動信号５１０を生成するように構成されている。マイクロコントローラ５０２は、マイクロコントローラ５０２の動作を制御するソフトウェア命令および／またはデータを記憶するメモリ５０４を備えて構成し得る。メモリ５０４は、周期レジスタ５０６およびデューティサイクルレジスタ５０８を含み得る。周期レジスタ５０６は、駆動信号５１０の周期を規定する値を記憶する記憶場所とし、およびデューティサイクルレジスタ５０８は、駆動信号５１０のデューティサイクルを規定する値を記憶する記憶場所とし得る。一実施形態では、周期レジスタ５０６およびデューティサイクルレジスタに記憶される値は、マイクロコントローラ５０２によるソフトウェアの実行前に決定され、かつユーザによってレジスタ５０６および５０８に記憶される。マイクロコントローラ５０２によって実行中のソフトウェア（図示せず）は、駆動信号５１０の周期およびデューティサイクルの確立に使用するために、レジスタ５０６および５０８に記憶されている値にアクセスし得る。マイクロコントローラ５０２は、アナログデジタルコントローラ（ＡＤＣ）５１２をさらに含んでもよく、ＡＤＣはアナログ信号をデジタル信号に変換して、マイクロコントローラ５０２によって駆動信号５１０の生成、修正、または制御に使用されるように、構成されている。

駆動回路５００はバッテリー５１４をさらに含んでもよく、バッテリーは、駆動回路５００中の電子部品に、電圧信号５１８によって電力を供給する。電流センサ５１６は、ポンプ１０によって引き込まれる電流を感知するように構成し得る。昇圧コンバータ５１９は、電圧信号５１８を、アップコンバートされた電圧信号５２２までアップコンバート、増幅、または増加させるように構成し得る。Ｈブリッジ５２０は、昇圧コンバータ５１９およびマイクロコントローラ５０２と通信しており、およびポンプ１０のアクチュエータに適用されるポンプ駆動信号５２４ａおよび５２４ｂ（まとめて５２４）によってポンプ１０を駆動するように構成されている。Ｈブリッジ５２０は、当該技術分野で理解されているように標準のＨブリッジとし得る。動作時、電流センサ５１６が、ＡＤＣ５１２を経由してマイクロコントローラ５０２によって決定されるように、ポンプ１０が電流を多く引き込みすぎていることを感知する場合、マイクロコントローラ５０２は、駆動信号５１０の電源を切り、それにより、ポンプ１０または駆動回路５００が過熱したりまたは損傷されたりしないようにする。そのような能力は、医学的応用において、例えば、患者を負傷させるまたは患者の処置が無効となる可能性を回避するために、有益とし得る。マイクロコントローラ５０２はまた、可聴音または可視光インジケータを発生させる警報信号を発生し得る。

駆動回路５００を別個の電子部品として示す。駆動回路５００は、ＡＳＩＣまたは任意の他の集積回路として構成し得ることを理解されたい。駆動回路５００はアナログ回路として構成され、かつ、アナログ正弦波駆動信号を使用し、それにより、高調波信号に関する問題を回避し得ることも理解されたい。

ここで図６Ａ〜図６Ｃを参照すると、方形波駆動信号６１０、６３０および６５０および対応するアクチュエータ応答信号６２０、６４０および６６０のグラフ６００Ａ〜Ｃが、約２１ｋＨｚの基本周波数で５０％、４５％および４３％のデューティサイクルに対してそれぞれ示されている。５０％および４５％のデューティサイクルの方形波駆動信号６１０および６３０は、それぞれ対応する電流信号６２０および６４０における高周波数成分から分かるように、アクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１３を励振するのに十分な第７の高調波の成分をそれぞれ含む。そのような信号は、約１４７ｋＨｚにおいてかなりのパワーがアクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１０に送られていることの証拠である。しかしながら、方形波駆動信号のデューティサイクルを、図６Ｃに示す方形波駆動信号６５０に対して約４３％に設定する場合、第７の高調波の内容物は効果的に抑制され、アクチュエータ４０の基本ブリージングモード３１０へのエネルギー伝達は、電流信号６２０および６４０と比較して対応する電流信号６６０に高周波数成分がないことから明らかなように、著しく低下する。このように、ポンプの効率は効果的に維持される。

アクチュエータ４０のインピーダンス３００および対応する共振モードは、直径約２２ｍｍのアクチュエータに基づき、圧電性円板２０の厚さは約０．４５ｍｍであり、およびエンドプレート１７の厚さは約０．９ｍｍである。本出願の範囲内でアクチュエータ４０の寸法および構造特性が異なる場合、本発明の原理を、依然として、基本周波数に基づいて方形波信号のデューティサイクルを調整することによって使用してもよく、アクチュエータの基本ブリージングモードは方形波信号の高調波成分のいずれによっても励振されないことを理解されたい。さらに広い意味では、本発明の原理を使用して、アクチュエータ４０の構造およびポンプ１０の性能を特徴づける共振モードに対する方形波信号の高調波成分の効果を減衰または除外し得る。これらの原理は、アクチュエータ４０および対応する高調波を駆動するために選択された方形波信号の基本周波数にかかわらず、適用可能である。

図７Ａを参照すると、主開口部１６の代替的な構成を備える図１のポンプ１０が示されている。より具体的には、主開口部１６の弁４６’が逆向きにされて、主開口部１６を通って流体が空洞部１１に引き込まれ、かつ矢印で示すように副開口部１５を通って空洞部１１から吐出され、それにより、主開口部１６において吸引または減圧源をもたらす。本明細書では、用語「減圧」は、概して、ポンプ１０が配置されている周囲圧力を下回る圧力に使用される。用語「真空」および「負圧」を使用して減圧を説明してもよいが、実際の減圧は、完全な真空に通常関連する減圧を著しく下回り得る。圧力は、ゲージ圧である場合「負」である、すなわち、圧力が、周囲の大気圧未満に減圧される。特に示さない限り、本明細書で述べる圧力の値はゲージ圧である。減圧の増大への言及は、一般に絶対圧が減少することを指す一方、減圧の低下は一般に絶対圧の増加を指す。

図７Ａは、図７Ａのポンプの概略的な断面図を示し、図８は、図１ＢＢに示すようなポンプ内の流体の圧力振動のグラフを示す。弁４６’（ならびに弁４６）は、上述のように流体が一方向にのみ流れるようにする。弁４６’は、逆止弁、または流体が一方向にのみ流れるようにする任意の他の弁とし得る。一部のタイプの弁には、開放位置と閉鎖位置との間で切り替わることによって流体の流れを調整し得るものがある。このように弁が、アクチュエータ４０によって生成された高周波数で動作するためには、弁４６および４６’は、これらが圧力変動の時間スケールよりも著しく短い時間スケールで開閉できるように、応答時間が極めて早い必要がある。弁４６および４６’の一実施形態によれば、低慣性の、従って、弁構造にわたる相対圧力の変化に応答して迅速に移動できる、極めて軽量のフラップ弁を用いることによってこれを達成する。

図９Ａ〜Ｄを参照すると、説明に役立つ実施形態による、フラップ弁のような弁１１０が示されている。弁１１０は、実質的にシリンダー状壁１１２を含み、実質的にシリンダー状壁はリング状であり、かつ一方の端部が保持板１１４によって、および他方の端部が密封板１１６によって閉鎖されている。壁１１２、保持板１１４、および密封板１１６の内面は、弁１１０内に空洞部１１５を形成する。弁１１０は、保持板１１４と密封板１１６との間に配置されているが密封板１１６に隣接した実質的に円形のフラップ１１７をさらに含む。円形フラップ１１７は、代替的な実施形態では、下記で詳細に説明するように保持板１１４に隣接して配置してもよく、この意味では、フラップ１１７は、密封板１１６または保持板１１４のいずれか一方に対して「バイアス」されて配置されているとみなす。フラップ１１７の周辺部分は、密封板１１６とリング状の壁１１２との間に挟まれているので、フラップ１１７の動きは、フラップ１１７の面に実質的に垂直な平面内に保持される。そのような平面でのフラップ１１７の動きはまた、密封板１１６または壁１１２のいずれかに直接取り付けられているフラップ１１７の周辺部分によって、または代替的な実施形態では、リング状壁１１２にぴったり嵌っているフラップ１１７によって制限され得る。フラップ１１７の残りの部分は十分に可撓性があり、フラップ１１７の面に対して実質的に垂直な方向において可動であるため、フラップ１１７のいずれかの面に加えられる力が、フラップ１１７を密封板１１６と保持板１１４との間で動かす。

保持板１１４および密封板１１６は双方とも、それぞれ孔１１８および１２０を有し、それら孔は、各板を通って延在する。フラップ１１７も、全体的に保持板１１４の孔１１８と位置合わせされた孔１２２を有していて、図７Ｂおよび図１０Ａに破線矢印１２４で示すように流体が流れ得る流路をもたらす。フラップ１１７の孔１２２はまた、保持板１１４の孔１１８と部分的に位置合わせされてもよく、すなわち、孔１１８と部分的にのみ重なりあってもよい。孔１１８、１２０、１２２を実質的に均一のサイズおよび形状であるものとして示すが、本発明の範囲を限定することなく、異なる直径または異なる形状としてもよい。本発明の一実施形態では、孔１１８および１２０は、図９Ｄに実線の円および破線の円でそれぞれ示すように、板の面にわたって交互のパターンを形成する。他の実施形態では、孔１１８、１２０、１２２を、破線矢印１２４の個々の組によって示すような孔１１８、１２０、１２２の個々のペアリングの機能に対して、弁１１０の動作をもたらすことなく、異なるパターンに配置してもよい。孔１１８、１２０、１２２のパターンは、孔の数を増減するように設計して、弁１１０を通る流体の総流量を要求に応じて制御し得る。例えば、孔１１８、１２０、１２２の数は、弁１１０の流れ抵抗を下げて弁１１０の総流量を増大するために、増加させてもよい。

フラップ１１７のバイアスに打ち勝つためにフラップ１１７のいずれの面にも力が加えられない場合、フラップ１１７が密封板１１６に隣接して配置され、その場合、密封板１１６の孔１１８からフラップの孔１２２がオフセットされている、すなわち密封板１１６の孔１１８と位置合わせされていないため、弁１１０は「常閉」位置にある。この「常閉」位置では、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、密封板１１６を通る流体の流れが実質的に遮断されるかまたはフラップ１１７の非穿孔部分によって被覆される。図７Ｂおよび図１０Ａに示すように、フラップ１１７のいずれかの側面に圧力が加えられてフラップ１１７のバイアスに打ち勝ち、かつフラップ１１７を密封板１１６から離れて保持板１１４の方へ動かすと、弁１１０は、ある期間、開放時間遅延（Ｔ_ｏ）にわたって常閉位置から「開放」位置まで動き、破線矢印１２４で示す方向に流体が流れるようにする。図１０Ｂに示すように圧力の方向を変えると、フラップ１１７は、密封板１１６の方へ戻るように、常閉位置へ動かされる。そのとき、図９Ｂおよび図１０Ｃに示すように、流体は、フラップ１１７が密封板１１６の孔１２０を密封するまで、破線矢印１３２で示す反対方向に短期間、閉鎖時間遅延（Ｔ_ｃ）流れ、密封板１１６を通る流体の流れを実質的に遮断する。本発明の他の実施形態では、フラップ１１７は、保持板１１４に対してバイアスされてもよく、孔１１８、１２２が「常開」位置に位置合わせされる。この実施形態では、フラップ１１７に正圧をかけることが、フラップ１１７を「閉鎖」位置に動かすためには必須である。弁の動作に関連して本明細書で使用される用語「密封」および「遮断」は、弁の流れ抵抗が「開放」位置よりも「閉鎖」位置において大きくなるように、実質的な（しかし不十分な）密封または遮断が発生する場合を含むことを意図していることに留意されたい。

弁１１０の動作は、弁１１０の両面間にわたる流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる。図１０Ｂでは、差圧は、下向き矢印で示すように負の値（−ΔＰ）が指定されている。差圧が負の値（−ΔＰ）を有する場合、保持板１１４の外表面における流体圧力は、密封板１１６の外表面の流体圧力よりも大きい。この負の差圧（−ΔＰ）は、上述の通りフラップ１１７を十分な閉鎖位置にし、フラップ１１７は密封板１１６に押し付けられて密封板１１６の孔１２０を遮断し、それにより、流体が弁１１０を実質的に流れないようにする。弁１１０の両面間にわたる差圧が逆転して、図１０Ａに上向き矢印で示すような正の差圧（＋ΔＰ）となる場合、フラップ１１７は、密封板１１６から離れるように、保持板１１４に向かって、開放位置まで動かされる。差圧が正の値（＋ΔＰ）を有する場合、密封板１１６の外表面における流体圧力は、保持板１１４の外表面における流体圧力よりも大きい。開放位置では、フラップ１１７の動きによって密封板１１６の孔１２０の閉鎖が解除されるので、破線矢印１２４で示すように、流体は、それら孔、およびフラップ１１７および保持板１１４の位置合わせされた孔１２２および１１８をそれぞれ流れることができる。

弁１１０の両面間にわたる差圧が、図１０Ｂに下向き矢印で示すように負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化する場合、流体は、破線矢印１３２で示すように反対方向に弁１１０を通って流れ始め、それにより、フラップ１１７を、図１０Ｃに示すように閉鎖位置に向かって戻るようにする。図１０Ｂでは、フラップ１１７と密封板１１６との間の流体圧力は、フラップ１１７と保持板１１４との間の流体圧力よりも小さい。それゆえ、フラップ１１７は、矢印１３８で表される正味の力を受け、それにより、フラップ１１７が密封板１１６に向かって弁１１０を閉鎖することを加速させる。このように、差圧の変化によって、弁１１０の両面間にわたる差圧の方向（すなわち、正または負）に基づいて弁１１０を閉鎖位置と開放位置との間でサイクルさせる。弁１１０にわたって差圧が全くないときにフラップ１１７を保持板１１４に対して開放位置にバイアスできる、すなわち、弁１１０が「常開」位置になることを理解されたい。

再度図７Ａを参照すると、弁１１０は、ポンプ１０の主開口部４６’内に配置されて、流体が主開口部４６’を通って空洞部１１に引き込まれ、かつ実線の矢印で示すように副開口部１５を通って空洞部１１から吐出され、それにより、ポンプ１０の開口部４６’に減圧源をもたらす。上向きの実線の矢印によって示すような主開口部４６’を通る流体の流れは、これも上向きの破線矢印１２４で示すような弁１１０の孔１１８、１２０を通る流体の流れに対応する。上述の通り、弁１１０の動作は、負圧ポンプのこの実施形態では、弁１１０の保持板１１４の全表面にわたる流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる。差圧（ΔＰ）は、保持板１１４の全表面にわたって実質的に均一であると仮定する。これは、保持板１１４の直径が空洞部１１５における圧力振動の波長に対して小さく、さらに、弁１１０が、中心圧力アンチノードの振幅が比較的一定である空洞部１１５の中心付近の主開口部４６’に配置されているためである。図７Ｂおよび図１０Ａに示すように弁１１０の両面間にわたる差圧が正の差圧（＋ΔＰ）となるように反転する場合、バイアスされたフラップ１１７が、密封板１１６から離れるように保持板１１４に向かって動き、開放位置になる。この位置では、フラップ１１７の動きによって密封板１１６の孔１２０の閉鎖が解除されるため、破線矢印１２４に示すように、流体は、それら孔を、および位置合わせされた保持板１１４の孔１１８およびフラップ１１７の孔１２２を流れることができる。差圧が変化して負の差圧（−ΔＰ）に戻ると、流体は反対方向に弁１１０を通って流れ始め（図１０Ｂ参照）、それによりフラップ１１７を閉鎖位置に戻されようにする（図９Ｂ参照）。それゆえ、空洞部１１における圧力振動が常閉位置と開放位置との間で弁１１０をサイクルさせると、ポンプ１０は、弁１１０が開放位置にあるときに半サイクルごとに減圧をもたらす。

差圧（ΔＰ）は、上述のように中心圧力アンチノード７１に対応するため、保持板１１４の全表面にわたって実質的に均一であると仮定する。それゆえ、これは弁１１０の両面間にわたる圧力に空間的変動がないという良好な近似である。実際には、弁の両面間にわたる圧力の時間依存性は、近似的に正弦波とし得るものの、以下の分析では、図１１Ａに示すように、正の差圧（＋ΔＰ）の値と負の差圧（−ΔＰ）の値との間の差圧（ΔＰ）を、方形波の正圧期間（ｔ_Ｐ＋）および負圧期間（ｔ_Ｐ−）のそれぞれにわたる方形波によって表すことができると仮定される。差圧（ΔＰ）が弁１１０を常閉位置と開放位置との間でサイクルさせる際、上述の通りおよび図１１Ｂに示す通り、ポンプ１０は、弁１１０が開放時間遅延（Ｔ_ｏ）および閉鎖時間遅延（Ｔ_ｃ）に開放位置にあるときに、半サイクル毎に減圧をもたらす。弁１１０の両面間にわたる差圧が、弁１１０が閉鎖されて（図９Ｂ参照）初めは負となり、そして逆転して正の差圧（＋ΔＰ）となると、バイアスされたフラップ１１７は、開放時間遅延（Ｔ_ｏ）後に密封板１１６から離れて保持板１１４の方へ開放位置まで動かされる（図１０Ａ参照）。この位置では、フラップ１１７の動きが密封板１１６の孔１２０の閉鎖を解除するので、破線矢印１２４で示すように、流体は、それらの孔を、および位置合わせされた保持板１１４の孔１１８およびフラップ１１７の孔１２２を流れることができ、それにより、開放期間（ｔ_ｏ）中ポンプ１０の主開口部４６’の外側に減圧源をもたらす。弁１１０の両面間にわたる差圧が負の差圧（−ΔＰ）に戻ると、流体は、反対方向に弁１１０を通って流れ始め（図１０Ｂ参照）、これにより、図１０Ｃに示すように閉鎖時間遅延（Ｔ_ｃ）後にフラップ１１７を閉鎖位置に戻す。弁１１０は半サイクルの残りの期間または閉鎖期間（ｔ_ｃ）の間は閉鎖したままである。

保持板１１４および密封板１１６は、著しい機械的変形を伴わずに、それらが受ける流体圧力振動に耐えるほど十分に強度がある。保持板１１４および密封板１１６は、任意の好適な剛性材料、例えばガラス、ケイ素、セラミック、または金属から形成し得る。保持板１１４および密封板１１６の孔１１８、１２０は、化学エッチング、レーザー加工、機械的ドリル加工、粉末ブラスト、およびスタンピングを含め、任意の好適なプロセスから形成し得る。一実施形態では、保持板１１４および密封板１１６は、厚さ１００〜２００μｍの鋼板から形成され、そこに、化学エッチングによって孔１１８、１２０が形成される。フラップ１１７は、任意の軽量の材料、例えば金属または高分子フィルムから形成し得る。一実施形態では、２０ｋＨｚ以上の流体圧力振動が弁１１０の保持板側または密封板側のいずれかの存在する場合、フラップ１１７は、厚さが１μｍ〜２０μｍの薄い高分子シートから形成し得る。例えば、フラップ１１７は、厚さが約３μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）または液晶高分子フィルムから形成し得る。

Claims (42)

1. 流体を収容するための、２つの端面によって閉鎖された側壁を有する実質的にシリンダー形状の空洞部を有するポンプ本体であって、前記空洞部は高さ（ｈ）および半径（ｒ）を有し、半径（ｒ）対高さ（ｈ）の比が約１．２よりも大きいポンプ本体；
   一方の端面の中心部分と動作可能に関連し、かつ前記端面に周波数（ｆ）の振動運動を発生させるように適合され、それにより、印加された駆動信号に応答して、少なくとも１つの環状圧力ノードを含む前記空洞部内の流体に半径方向圧力振動を生成させる、アクチュエータ；
   前記アクチュエータに前記周波数（ｆ）の前記駆動信号を提供するために、前記アクチュエータに電気的に接続された出力部を有する駆動回路；
   前記空洞部内の、前記環状圧力ノードの位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第１の開口部；
   前記ポンプ本体内の、前記第１の開口部の位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第２の開口部；および、
   前記第１の開口部および第２の開口部の少なくとも一方に配置されて、使用時に前記流体が前記空洞部を通って流れるようにする弁
   を含むことを特徴とするポンプ。
2. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記周波数（ｆ）が、前記アクチュエータの基本曲げモードにほぼ等しい値に設定されていることを特徴とするポンプ。
3. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記空洞部の高さ（ｈ）および前記空洞部の半径（ｒ）が、以下の式：ｈ^２／ｒ＞４×１０^−１０メートルでさらに関連付けられていることを特徴とするポンプ。
4. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータの半径が０．６３（ｒ）以上であることを特徴とするポンプ。
5. 請求項４に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータの半径が、前記空洞部の半径（ｒ）以下であることを特徴とするポンプ。
6. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記第２の弁開口部が、前記端面の中心から約０．６３（ｒ）±０．２（ｒ）の距離において前記端面の一方に配置されることを特徴とするポンプ。
7. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記弁が、流体が前記空洞部を実質的に一方向に流れるようにすることを特徴とするポンプ。
8. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記空洞部内で使用している流体が気体である場合、前記比が約１０〜約５０の範囲内にあることを特徴とするポンプ。
9. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記空洞部内で使用している流体が気体である場合、ｈ^２／ｒの比が約１０^−３メートル〜約１０^−６メートルであることを特徴とするポンプ。
10. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記空洞部の体積が約１０ｍｌ未満であることを特徴とするポンプ。
11. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータが、振動運動をもたらす磁歪成分を含むことを特徴とするポンプ。
12. 請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータが、共振の曲げモードおよびブリージングモードを有する振動運動を発生させる圧電成分を含むことを特徴とするポンプ。
13. 請求項１２に記載のポンプにおいて、前記駆動信号が正弦波信号であることを特徴とするポンプ。
14. 請求項１２に記載のポンプにおいて、前記駆動信号が方形波信号であり、かつ前記駆動回路が、前記アクチュエータの、基本曲げモード以外のモードの周波数と一致する前記方形波信号の高調波を減衰する処理回路を含むことを特徴とするポンプ。
15. 請求項１４に記載のポンプにおいて、前記処理回路が低域フィルタを含むことを特徴とするポンプ。
16. 請求項１４に記載のポンプにおいて、前記処理回路がノッチフィルタを含むことを特徴とするポンプ。
17. 請求項１４に記載のポンプにおいて、前記処理回路が、前記方形波のデューティサイクルを設定して、他のデューティサイクルと比較して前記アクチュエータのモードの周波数と一致する前記方形波信号の高調波を減衰させることを特徴とするポンプ。
18. 請求項１７に記載のポンプにおいて、前記デューティサイクルが、前記アクチュエータのモードの周波数と一致する前記方形波の前記高調波成分がゼロに設定される値に等しいことを特徴とするポンプ。
19. 請求項１８に記載のポンプにおいて、前記デューティサイクルが約４２．９％であり、前記アクチュエータの基本ブリージングモードの周波数と一致する前記方形波の第７の高調波成分を減衰させることを特徴とするポンプ。
20. 請求項１に記載のポンプにおいて、
    前記空洞部内の、環状ノードの位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第１の開口部；
    前記ポンプ本体内の、前記第１の開口部の位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第２の開口部；および
    前記第１の開口部および第２の開口部の少なくとも一方に配置されて、使用時に前記流体が前記空洞部を通って流れるようにする弁
    をさらに含むことを特徴とするポンプ。
21. 組織部位を処置するために減圧を発生させるポンプにおいて：
    流体を収容するために、２つの端面によって閉鎖された側壁を有する、実質的にシリンダー形状の空洞部を有するポンプ本体；
    一方の端面の中心部分と動作可能に関連し、かつ前記端面に周波数（ｆ）の振動運動を発生させるように適合されたアクチュエータ；
    前記アクチュエータに周波数（ｆ）の駆動信号を提供するために、前記アクチュエータと通信する出力部を有する駆動回路において、デューティサイクルを有する方形波を用いて前記アクチュエータを駆動するように動作可能である駆動回路
    を含むことを特徴とするポンプ。
22. 請求項２１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータが、共振の曲げモードおよびブリージングモードを有する前記振動運動を発生させる圧電成分を含むことを特徴とするポンプ。
23. 請求項２２に記載のポンプにおいて、前記駆動信号がパルス幅変調信号であることを特徴とするポンプ。
24. 請求項２２に記載のポンプにおいて、前記駆動回路が、前記アクチュエータの、基本曲げモード以外のモードと一致する前記方形波信号の高調波を減衰させる処理回路を含むことを特徴とするポンプ。
25. 請求項２４に記載のポンプにおいて、前記処理回路が低域フィルタを含むことを特徴とするポンプ。
26. 請求項２４に記載のポンプにおいて、前記処理回路がノッチフィルタを含むことを特徴とするポンプ。
27. 請求項２４に記載のポンプにおいて、前記処理回路が、前記方形波のデューティサイクルを、前記アクチュエータのモードを励振する前記方形波信号の高調波を減衰させる値に設定することを特徴とするポンプ。
28. 請求項２７に記載のポンプにおいて、前記デューティサイクルが、前記アクチュエータのモードと一致する前記方形波の高調波成分がゼロに設定される値に等しいことを特徴とするポンプ。
29. 請求項２８に記載のポンプにおいて、前記デューティサイクルが約４２．９％であり、前記アクチュエータの前記ブリージングモードと一致する前記方形波の第７の高調波成分を減衰させることを特徴とするポンプ。
30. 請求項２１に記載のポンプにおいて、
    前記空洞部内の、環状ノードの位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第１の開口部；
    前記ポンプ本体内の、前記第１の開口部の位置以外の任意の位置に配置され、かつ前記ポンプ本体を通って延在する第２の開口部；および
    前記第１の開口部および第２の開口部の少なくとも一方に配置され、使用時に前記流体が前記空洞部を通って流れるようにする弁
    をさらに含むことを特徴とするポンプ。
31. 請求項２１に記載のポンプにおいて、前記周波数が人には聞き取れないことを特徴とするポンプ。
32. 差圧を生成するポンプにおいて、
    ハウジング；
    電源；
    前記ハウジング内に配置され、かつ差圧を生成するように構成されたアクチュエータ；
    前記電流センサと通信するコンバータであって、前記アクチュエータを動作させるために、前記電源によって供給された電圧を、駆動信号で用いられる方形波に変換するように動作可能なコンバータ；および
    前記コンバータと通信するマイクロコントローラであって、前記アクチュエータの曲げモードの周波数と一致する基本周波数を含む方形波駆動信号を生成するように構成されたマイクロコントローラ
    を含むことを特徴とするポンプ。
33. 請求項３２に記載のポンプにおいて、前記コンバータが、駆動信号の動作可能レベルまで前記電圧を上げる電圧コンバータと、前記アクチュエータに印加された際に前記駆動信号を交番させるＨブリッジ回路とを含むことを特徴とするポンプ。
34. 請求項３２に記載のポンプにおいて、前記電源および前記アクチュエータと通信し、かつ前記アクチュエータによって引き込まれた電流を感知するように構成された電流センサをさらに含むことを特徴とするポンプ。
35. 請求項３２に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータの曲げモードの周波数が、人が聞くことができる周波数を上回る周波数にあることを特徴とするポンプ。
36. 請求項３２に記載のポンプにおいて、前記駆動信号のデューティサイクルが他の値に設定されるときと比較して、前記アクチュエータの基本曲げモード以外のモードと周波数が一致する前記駆動信号の高調波の振幅が最小限となるように、前記デューティサイクルが設定されることを特徴とするポンプ。
37. 請求項３６に記載のポンプにおいて、前記デューティサイクルが４２．９％に設定されることを特徴とするポンプ。
38. 差圧を生成するポンプの駆動方法において、
    電源によって供給された電圧を、アップコンバートされた電圧信号に変換すること；
    前記アクチュエータの曲げモードと一致する周波数を含む方形波駆動信号を生成すること；および
    前記方形波駆動信号によって変調される際に、前記アップコンバートされた電圧信号によって前記アクチュエータを駆動すること
    を含むことを特徴とする方法。
39. 請求項３８に記載の方法において、方形波駆動信号を生成することが、人が聞きとれることができる周波数を上回る周波数で方形波を生成することを含むことを特徴とする方法。
40. 請求項３８に記載の方法において、
    前記アクチュエータが、電流閾値を上回る電流を引き込んでいると判断すること；および
    前記アクチュエータが、前記電流閾値を上回る電流を引き込んでいると判断したことに応答して、前記方形波駆動信号の生成を停止すること
    をさらに含むことを特徴とする方法。
41. 請求項３８に記載の方法において、前記アクチュエータが前記電流閾値を上回る電流を引き込んでいると判断したことに応答して、警報音を生成することをさらに含むことを特徴とする方法。
42. 請求項３８に記載の方法において、前記駆動信号のデューティサイクルを、前記アクチュエータの基本曲げモード以外のモードと周波数が一致する前記駆動信号の高調波の振幅が最小にある値に設定することをさらに含むことを特徴とする方法。

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