JP2014005755A - 送液ポンプ及び循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体溶存量の増加による性能低下を簡便に回避可能な送液ポンプ及び循環装置を提供する。
【解決手段】送液ポンプは、ポンプ室１０２の容積を変更することによって、ポンプ室１０２内の液体を送液する送液ポンプであって、ポンプ室１０２に接続された出口流路１１６と、ポンプ室１０２よりも大きなコンプライアンスを有し、かつポンプ室１０２に出口流路１１６を介して接続されることによってポンプ室１０２との間で共振系を構成する出口側バッファー室１１８と、共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、固有振動周期に基づいて液体中の気体溶存量を決定する気体溶存量決定部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を圧送する送液ポンプ及び循環装置に関するものである。

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、小型でか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（例えば、特許文献１参照）。

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は、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ときのポンプ室内の圧力が十分に上昇しなくなり、送液ポンプの性能が低下するという問題があった。これを避けるためには、液体中に溶存した空気などの気体量（気体溶存量）をモニターすることが望ましいが、気体溶存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（循環装置）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、気体溶存量を計測することができない。

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、送液しようとする液体中の気体溶存量の増加によって送液ポンプの性能が低下することを簡便に回避可能な技術の提供を目的とする。

本発明は、上述の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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る送液ポンプは、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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、前記固有振動周期に基づいて前記液体中の気体溶存量を決定する気体溶存量決定部と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、ポンプ室が出口流路及び出口側バッファー室を介して、例えば流体流路に接続されており、ポンプ室の容積を変更すると、ポンプ室内の液体が、出口流路及び出口側バッファー室を介して流体流路へ送液される。ここで、出口側バッファー室はポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有しており、ポンプ室及び出口流路との間で共振系を構成する。このため、送液のためにポンプ室の容積を変更すると、ポンプ室と出口流路と出口側バッファー室との間で共振による圧力振動が発生する。そこで、この圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、液体中の気体溶存量を決定する。

詳細には後述するが、ポンプ室と出口流路と出口側バッファー室との間で生じた圧力振動の固有振動周期と、液体中の気体溶存量との間には強い相関関係が存在しており、固有振動周期が長くなるほど気体溶存量が増加する。このため、固有振動周期を測定すれば、液体中の気体溶存量を決定することができる。そして、圧力振動の固有振動周期であれば、圧力センサーを用いたり、あるいは圧力振動によるポンプ室や出口流路や出口側バッファー室の壁面の変形を検出したり、更には出口流路で液体の流速変動を検出したりするなど、種々の方法によって測定することができる。このため、液体中の気体溶存量を簡便に決定することができ、その結果、液体中の気体溶存量の増加によって送液ポンプの性能が低下することを簡便に回避することが可能となる。

［適用例２］上記適用例に記載の送液ポンプにおいて、前記固有振動周期測定部は、前記ポンプ室の内部圧力を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部であることを特徴とする。

本適用例によれば、ポンプ室と出口流路と出口側バッファー室との間で生じる圧力振動の振動形態は、出口流路の部分が「振動の節」となっている。このため出口流路の部分では、ポンプ室や出口側バッファー室に比べて圧力振幅が小さくなる。また、出口側バッファー室はポンプ室より大きなコンプライアンスを有しているため、出口側バッファー室では、ポンプ室に比べて圧力振幅が小さくなる。したがって、ポンプ室に圧力センサーを設けたり、あるいはポンプ室の壁面の変形を検出したりするなどの方法によって、直接的あるいは間接的にポンプ室の内部圧力を検出してやれば、圧力振動の固有振動周期を簡便に測定することが可能となる。

［適用例３］上記適用例に記載の送液ポンプにおいて、前記ポンプ室の容積を変更する圧電素子を備え、前記固有振動周期測定部は、前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部であることを特徴とする。

本適用例によれば、ポンプ室の容積を変更するための圧電素子を用いて固有振動周期も測定することができるので、固有振動周期を測定するためのセンサー類を別途設ける必要がない。特に、ポンプ室は小さく、センサー類を搭載することが困難なので、センサー類を設ける必要がなくなるとポンプ室の設計をより好ましい設計に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、共振系で生じた圧力振動の固有振動周期と、液体中の気体溶存量との間に強い相関関係が存在することを利用して、固有振動周期から気体溶存量を決定した。しかし、固有振動周期と気体溶存量との間に強い相関関係が存在するのであれば、固有振動周期から気体溶存量を決定するのではなく、固有振動周期そのものを気体溶存量の代わりとして用いることも可能である。このことに鑑みれば、上述した本発明の送液ポンプは、次のような態様で把握することも可能である。

［適用例４］本適用例に係る送液ポンプは、圧電素子を用いて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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、前記固有振動周期に基づいて前記圧電素子に印加する駆動信号を調整する駆動信号調整部と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、ポンプ室と出口流路と出口側バッファー室とで生じる圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、圧電素子に印加する駆動信号を調整する。

前述したように、液体中の気体溶存量が変化すると、圧力振動の固有振動周期が変化する。また、気体溶存量が増加すると液体の圧縮率が高くなるので、ポンプ室内の圧力が十分に上昇しなくなって送液ポンプの性能が低下する。すなわち、固有振動周期は、気体溶存量を介して送液ポンプの性能とも強く相関していると考えられる。そこで、固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、圧電素子に印加する駆動信号を調整してやれば、液体中の気体溶存量の変化に起因する送液ポンプの性能変化を補正することができるので、安定したポンプ性能を実現することが可能となる。

［適用例５］上記適用例に記載の送液ポンプにおいて、前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の振幅を調整する調整部であることを特徴とする。

本適用例によれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加して、ポンプ室の圧力上昇が小さくなり、送液ポンプの送液量や、圧送圧力が低下しても、駆動信号の振幅を増加させることによって補うことができるので、安定したポンプ性能を確保することができる。

［適用例６］上記適用例に記載の送液ポンプにおいて、前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の駆動周波数を調整する調整部であることを特徴とする。

本適用例によれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加して送液ポンプの送液量が低下しても、駆動信号の駆動周波数（時間あたりに駆動信号を出力する回数）を上げることによって補うことができるので、安定したポンプ性能を確保することができる。

［適用例７］本適用例に係る送液ポンプは、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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、前記固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する通知信号出力部と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、ポンプ室と出口流路と出口側バッファー室とで生じる圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する。

こうすれば、液体中の気体溶存量が変化して、送液ポンプの性能（送液量や圧送圧力など）が低下すると、通知信号が出力されるので、送液ポンプの性能低下を直ちに認識することができる。また、その結果として、例えば液体を交換したり、あるいは液体の脱気を行ったりするなどのメンテナンスを行うことができるので、安定したポンプ性能を維持することが可能となる。

［適用例８］本適用例に係る循環装置は、上記のいずれか一項の送液ポンプと、前記送液ポンプから送液された液体を、ポンプ室に送液するように接続された液体流路と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、液体中の気体溶存量の増加によって送液ポンプの性能が低下することを回避するため、液体を連続して循環させることができる。

本実施例の送液ポンプの構成を示した説明図。 本実施例の駆動回路のおおまかな構成を示す説明図。 駆動信号を圧電素子に印加したときに、圧力検出部で得られた圧力信号を例示した説明図。 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。 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の送液量との関係を示した説明図。 固有振動周期と送液量との関係を示した説明図。 送液ポンプを用いて形成した循環装置を例示した説明図。 駆動信号の振幅あるいは駆動周波数を補正するための補正係数が、固有振動周期に応じて設定されている様子を示した説明図。 本実施例の送液ポンプを医療機器の循環装置に適用した構成を示す説明図。

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．圧力検出部の出力例：
Ｃ．気体溶存量及びポンプ性能の検出方法：
Ｄ．変形例：
Ｅ．適用例：

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ー室１１２が設けられている。入口側バッファー室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ー室１１８に接続されており、出口側バッファー室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ー室１１８に流入し、出口側バッファー室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、送液する液体中の気体溶存量や、送液ポンプ１００の送液量など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、所定の駆動周期で駆動波形信号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の内部圧力を検出して圧力信号Ｖｐを出力する圧力検出部１６０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Ｖｏｕｔ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張する（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、制御部１５２に入力する。制御部１５２は、入力された圧力信号Ｖｐに基づいて、ポンプ室１０２と出口流路１１６と出口側バッファー室１１８とが形成する共振系の固有振動周期Ｔを測定する。詳細には後述するが、固有振動周期Ｔは送液しようとする液体中の気体溶存量や、送液ポンプ１００の送液量などの情報を含んでいる。そこで制御部１５２は、測定した固有振動周期Ｔに基づいて、気体溶存量を検出したり、あるいは気体溶存量が所定値以上に増加したと判断した場合には、その旨の通知信号を出力したりする処理を行う。尚、本実施例では、制御部１５２が本発明における「固有振動周期測定部」、「気体溶存量決定部」、及び「通知信号出力部」に対応する。

Ｂ．圧力検出部の出力例：
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Ｖｏｕｔを印加したものとする。圧電素子１０６は、駆動信号Ｖｏｕｔ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Ｖｏｕｔ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Ｖｏｕｔ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したがって、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Ｖｏｕｔ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Ｖｏｕｔ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。

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Ｖｏｕｔ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増加する。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ー室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ー室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、出口側バッファー室１１８の向こう側に存在する流体流路１２２は、出口側バッファー室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なく、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の容積が減少して容積減少分の体積（排除体積）の液体が流出しようとするときに、出口流路１１６の流路抵抗及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、入口側バッファー室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、入口側バッファー室１１２とポンプ室１０２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、専ら入口側バッファー室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ときの、流体の流れ易さを示している。例えば、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。そのときの流体の加速度を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Ｐ）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、内径が小さくか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、専ら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室１０２に吸い込まれるのである。

一方、出口側バッファー室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、出口側バッファー室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と出口側バッファー室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ー室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ー室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ー室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、入口側バッファー室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３（Ｂ）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と出口側バッファー室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と出口側バッファー室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、出口側バッファー室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及び出口側バッファー室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Ｃ₁、出口側バッファー室１１８のコンプライアンスをＣ₂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／Ｃ₁＋１／Ｃ₂｝ ・・・（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ときの、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）式及び（５）式からは、ポンプ室１０２のコンプライアンス（容積）や、出口側バッファー室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。尚、図３に示されるように、圧電素子１０６に駆動信号Ｖｏｕｔを印加すると、ポンプ室１０２の内部圧力の振動を示す複数の波が生じるが、以下では、駆動信号Ｖｏｕｔの電圧を上昇させたときに生じる波を「第１波」と呼び、その後に生じる波を、先頭から順番に「第２波」、「第３波」、「第４波」と呼ぶことにする。

Ｃ．気体溶存量及びポンプ性能の検出方法：
本実施例の制御部１５２は、ポンプ室１０２に第３波が生じてから第４波が生じるまでの時間を、固有振動周期Ｔとして検出する。こうして検出した固有振動周期Ｔから、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と出口側バッファー室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Ｃ₁（ポンプ室１０２のコンプライアンス）、及びコンプライアンスＣ₂（出口側バッファー室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。

Ｃ₁＝Ｖ₁×（１／Ｋ＋κ_F） ・・・（９）
Ｃ₂＝Ｖ₂×（１／Ｋ＋κ_F） ・・・（１０）
ここで、Ｖ₁はポンプ室１０２の容積であり、Ｖ₂は出口側バッファー室１１８の容積でまた、本実施例では、ポンプ室１０２や出口流路１１６、出口側バッファー室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、（７）式及び（８）式ではポンプ室１０２や出口側バッファー室１１８の容積の変化は殆ど無視される。（９）式及び（１０）式を、（５）式及び（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したがって高くなるため、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が高くなるため、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の送液量や圧送圧力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の送液量及び固有振動周期Ｔを実測した。

図４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４に示されるように、気体溶存量が増加するにしたがって固有振動周期Ｔが長くなっている。したがって、固有振動周期Ｔを検出すれば、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５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５に示されるように、気体溶存量が増加するにしたがって送液量が減少している。そして、図４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）があるため、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６が得られた。

図６は、固有振動周期Ｔと送液量との関係を示した説明図である。図６に示されるように、固有振動周期Ｔ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、固有振動周期Ｔ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。また、送液量の低下は、気体溶存量の増加によってポンプ室１０２で液体を効果的に加圧できなくなったことに起因するため、送液量の低下とともに、圧送圧力の低下も発生していると考えられる。したがって、固有振動周期Ｔを検出することで、送液ポンプ１００の圧送圧力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、ポンプ室１０２と出口流路１１６と出口側バッファー室１１８とによって共振系を構成し、圧電素子１０６を駆動した後に生じる圧力振動の固有振動周期を計測することで、液体中の気体溶存量や、送液ポンプ１００の送液量や圧送圧力を検出することができる。また、固有振動周期Ｔが分かればよいので、圧力そのものを計測する必要はない。例えば、内部圧力の振動によってポンプ室１０２などの壁面に生じる変形を、光学的あるいは電気的な手法で検出することによって、固有振動周期Ｔを測定しても良い。あるいは、出口流路１１６内での液体の流速変動を検出することによって固有振動周期Ｔを測定しても良い。このため、特別な計測器を備えなくても、液体中の気体溶存量や送液量を簡便に検出することが可能となる。

図７は、送液ポンプ１００を用いて形成した循環装置１９９を例示した説明図である。特に、図７に例示したように、送液ポンプ１００を循環装置１９９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が困難である。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、気体溶存量や送液量を簡便に検出することが可能となる。

また、固有振動周期Ｔを常にモニターしておき、固有振動周期Ｔが所定値よりも長くなったら、気体溶存量が許容値を超えたものと判断し、あるいは送液ポンプ１００の送液量（あるいは圧送圧力）が許容量を下回ったものと判断して、その旨を通知する通知信号を、制御部１５２（図２参照）が出力するようにしても良い。こうすれば、ポンプ性能が低下したことに気付かないまま、送液ポンプ１００を動作させ続けることがない。また、送液する液体を取り換えたり、あるいは液体を脱気したりするなどのメンテナンス作業を行って、送液ポンプ１００を適切に動作させることが可能となる。

尚、以上の説明では、圧力信号Ｖｐの第３波から第４波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ー室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と入口側バッファー室１１２とが連通する。したがって、あたかもポンプ室１０２のコンプライアンスＣ₁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１波と第２波との間、あるいは第２波と第３波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と入口側バッファー室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波と第４波との間では、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、本実施例では圧力信号Ｖｐの第３波と第４波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、第２波と第３波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波が明確には発生しなくなる場合も起こり得る。このような場合には、圧力信号Ｖｐの第２波と第３波との間の時間を計測して（場合によっては、第１波と第２波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。

Ｄ．変形例：
上述した実施例では、固有振動周期Ｔを測定することによって、液体中の気体溶存量や、送液ポンプ１００の送液量（あるいは圧送圧力）を検出し、必要に応じて通知信号を出力するものとして説明した。しかし、図６を用いて前述したように、固有振動周期Ｔが長くなると送液ポンプ１００の送液量（あるいは圧送圧力）は減少するため、この送液量（あるいは圧送圧力）の減少を補うように、圧電素子１０６に印加する駆動信号Ｖｏｕｔの振幅あるいは駆動周波数を調整しても良い。

図８は、駆動信号Ｖｏｕｔの振幅あるいは駆動周波数を補正するための補正係数が、固有振動周期Ｔに応じて設定されている様子を示した説明図である。すなわち、図８に示すように、固有振動周期Ｔの標準値に対して「１．０」で、固有振動周期Ｔが長くなるほど値が大きくなり、固有振動周期Ｔが短くなるほど値が小さくなるような補正係数を、制御部１５２内のメモリーにルックアップテーブルとして記憶しておく。そして、制御部１５２は、圧力信号Ｖｐに基づいて固有振動周期Ｔを測定すると、その固有振動周期Ｔに対応する補正係数を決定し、圧電素子１０６に印加する駆動信号Ｖｏｕｔの振幅を補正してもよい。例えば、駆動信号Ｖｏｕｔを生成するために出力する駆動波形信号Ｖｉｎの振幅を、補正係数によって補正することができる。このようにすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加した場合でも、そのことによる送液量（あるいは圧送圧力）の減少を、駆動信号Ｖｏｕｔの振幅を増加させることによって補うことができるので、安定した送液量を維持することが可能となる。

あるいは、固有振動周期Ｔに対応する補正係数を用いて、圧電素子１０６の駆動周波数（時間あたりに駆動信号Ｖｏｕｔを出力する回数）を補正しても良い。例えば、制御部１５２が駆動波形信号Ｖｉｎを時間あたりに出力する回数を補正することができる。このようにすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加した場合でも、そのことによる送液量の減少を、駆動周波数を増加させることによって補うことができるので、安定した送液量を維持することが可能となる。尚、変形例における制御部１５２は、本発明における「駆動信号調整部」に対応する。

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ても良い。最も、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。

Ｅ．適用例：
尚、この発明は上記の実施形態や変形例を、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において適用することが可能であり、例えば次のような適用も可能である。

本発明の実施形態を適用例に基づいて説明する。
図９は、本発明の一適用例としての流体噴射システム１０の概略構成を示す説明図である。言い換えると、本実施例の送液ポンプ１００を医療機器の循環装置１９９に適用した構成を示す説明図である。流体噴射システム１０は、流体噴射装置２０と、流体噴射装置２０を冷却する循環装置１９９と、を備えている。流体噴射装置２０は、皮膚等の生体組織に対してジェット水流を噴射し、その衝撃エネルギーによって生体組織を剥離、切開するウォータージェットメスである。特に、本実施例の流体噴射装置２０は、ジェット水流を断続的若しくは連続的に噴射するウォータージェットパルスメスである。

流体噴射装置２０は、ジェット水流を噴射する脈動発生部３０と、水を収容する流体容器４０と、流体容器４０に収容されている水を吸い上げて脈動発生部３０に供給する供給ポンプ４２と、流体容器４０と供給ポンプ４２とを接続する接続チューブ４４と、供給ポンプ４２と脈動発生部３０とを接続する接続チューブ４６とを備えている。

脈動発生部３０は、接続チューブ４６から供給された水を一時的に貯留する流体室３２と、流体室３２に貯留された水に対して脈動を与える圧電アクチュエーター３４と、流体室３２に連通し、圧電アクチュエーター３４によって脈動を与えられた水が通過する流体噴射管３６と、圧電アクチュエーター３４を内部に収容する下ケース３８と、流体室３２を構成し、下ケース３８に接続された上ケース３９とを備えている。

圧電アクチュエーター３４は、圧電素子であり、圧電素子（ピエゾ素子）の圧電効果を利用してダイアフラムを変形させることによって、流体室３２の容積を変化させる。流体室３２の容積が小さくなると、流体室３２に貯留された水は、流体噴射管３６を通って、ジェット水流として外部に噴射される。

循環装置１９９は、流体噴射装置２０の圧電アクチュエーター３４を冷却する装置であり、送液ポンプ１００と、両端が送液ポンプ１００に接続された循環流路である液体流路１９０とを備えている。液体流路１９０は、耐圧性及び柔軟性を有するチューブである。チューブとは、例えば、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、ＰＶＣ系の樹脂などの熱可塑性樹脂や、シリコーンゴムからなる、医療用チューブや一般工業用チューブが適用可能であるが、これに特に限定されない。液体流路１９０は、圧電アクチュエーター３４に巻き付けられている。このため、圧電アクチュエーター３４に生じた熱は、液体流路１９０の内部を循環する流体（循環流体）に伝わり、圧電アクチュエーター３４は冷却される。温度が上昇した循環流体は、液体流路１９０を循環中に空冷によって冷却される。その他、別途、ラジエーターを用いて循環流体を冷却するとしてもよい。

また、循環装置１９９は、ウォータージェットメス以外の他の医療機器の温度を調整するために利用されてもよい。例えば、循環装置１９９は、医療用ドリルのモーター部や、超音波によって歯石を除去する超音波スケーラーの超音波発生部等の温度を調整するために利用されてもよい。

また、循環装置１９９は、発熱部を冷却するために用いる場合に限らず、物体を加熱する場合に用いるとしてもよい。例えば、人体の一部を加熱又は保温する場合に用いることができる。この場合には、上記循環装置１９９に、別途、循環流体を加熱する加熱部を備えることにより実現することができる。

また、医療機器に循環装置１９９を適用することで、送液ポンプ１００は送液しようとする液体中の気体溶存量の増加によって循環装置１９９の性能が低下することを回避することができる。その結果、送液ポンプ１００を用いた循環装置１９９を医療機器に適用することによって、医療機器の安全性を高めることができる。

１０…流体噴射システム ２０…流体噴射装置 ３０…脈動発生部 ３２…流体室 ３４…圧電アクチュエーター ３６…流体噴射管 ３８…下ケース ３９…上ケース ４０…流体容器 ４２…供給ポンプ ４４，４６…接続チューブ １００…送液ポンプ １０２…ポンプ室 １０４…ダイアフラム １０６…圧電素子 １０８…ケース １１０…逆止弁 １１２…入口側バッファー室 １１４…入口流路 １１６…出口流路 １１８…出口側バッファー室 １２２…流体流路 １５０…駆動回路 １５２…制御部 １５４…増幅回路 １６０…圧力検出部 １６２…電流検出回路 １６４…積分回路 １６６…減算回路 １９０…液体流路 １９９…循環装置。

Claims (8)

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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、
   前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
   前記固有振動周期に基づいて前記液体中の気体溶存量を決定する気体溶存量決定部と、
   を備えることを特徴とする送液ポンプ。
2. 請求項１に記載の送液ポンプにおいて、
   前記固有振動周期測定部は、前記ポンプ室の内部圧力を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部であることを特徴とする送液ポンプ。
3. 請求項２に記載の送液ポンプにおいて、
   前記ポンプ室の容積を変更する圧電素子を備え、
   前記固有振動周期測定部は、前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部であることを特徴とする送液ポンプ。
4. 圧電素子を用いて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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、
   前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
   前記固有振動周期に基づいて前記圧電素子に印加する駆動信号を調整する駆動信号調整部と、
   を備えることを特徴とする送液ポンプ。
5. 請求項４に記載の送液ポンプにおいて、
   前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の振幅を調整する調整部であることを特徴とする送液ポンプ。
6. 請求項４に記載の送液ポンプにおいて、
   前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の駆動周波数を調整する調整部であることを特徴とする送液ポンプ。
7. 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、か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前記ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファー室と、
   前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
   前記固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する通知信号出力部と、
   を備えることを特徴とする送液ポンプ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の送液ポンプと、
   前記送液ポンプから送液された液体を、ポンプ室に送液するように接続された液体流路と、
   を備えることを特徴とする循環装置。

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