JP2015510073A - ディスクポンプシステムの温度を調整するためのシステムと方法 - Google Patents

ディスクポンプシステムの温度を調整するためのシステムと方法 Download PDF

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Abstract

ディスクポンプシステムは、実質的に円筒形で、流体を収容するための空洞を画定するポンプ本体と、被駆動端壁の中央部分に関連付けられて、使用時に被駆動端壁の振動運動を起こし、それによって、被駆動端壁の中心と内側壁の間に環状の節を有する変位振動を発生させるアクチュエータと、を含む。加熱要素がアクチュエータに熱的に連結され、アクチュエータを標的温度に保つ。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本発明は、Ｌｏｃｋｅらにより２０１２年２月１０日に出願された、“Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ ａ Ｄｉｓｃ Ｐｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国仮特許出願第６１／５９７，４７７号明細書の出願の米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものであり、同仮出願をあらゆる目的のために参照によって本願に援用する。
本発明の例示的実施形態は一般に、流体用ディスクポンプに関し、より詳しくは、送出用空洞が実質的に円筒形であり、端壁と、端壁間の側壁と、を有し、端壁間にアクチュエータが設けられているディスクポンプに関する。本発明の例示的実施形態は、より詳しくは、アクチュエータに取り付けられた弁と、端壁の一方に取り付けられた少なくとも１つの別の弁を有するディスクポンプに関する。
閉鎖された空洞内で高振幅圧力振動を生成することは、熱音響及びディスクポンプ型コンプレッサの分野で多くの注目を集めている。非線形音響学の最近の発展により、これまで可能と考えられていたものより高振幅の圧力波を生成することが可能となった。
音響共振を使って所定の入口と出口からの流体送出を実現することが知られている。これを実現するには、一方の端に音響定在波を駆動する音響ドライバを備える円筒形の空洞を使用する。このような円筒形の空洞では、音響圧力波の振幅が限定される。これまでに、断面形状が変化する空洞の形状、例えばコーン型、ホーン型、電球型を使用することによって、高振幅圧力振動を実現し、送出効果が大幅に高められてきた。このような高振幅波においては、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、ディスク型の空洞では、この高振幅音響共振は使用されておらず、最近まで放射圧振動が励起されてきた。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ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書は、アスペクト比、すなわち空洞の半径と空洞の高さの比が高い、実質的にディスク形状の空洞を有するディスクポンプを開示している。
このようなディスクポンプは、各端が端壁により閉鎖された側壁を含む、実質的に円筒形の空洞を有する。ディスクポンプはまた、アクチュエータを含み、これは端壁のうちの何れか一方を駆動し、この被駆動端壁の表面に対して実質的に垂直な方向に振動させる。被駆動端壁の運動の空間波形は空洞内の流体圧力振動の空間波形にマッチすると表現され、この状態を本明細書においてモードマッチングという。ディスクポンプがモードマッチングの状態にあると、アクチュエータが空洞内の流体に対してなした作用は、被駆動端壁の表面にわたって強め合いながら増大し、その結果、空洞内の圧力振動の振幅が増大し、高いディスクポンプ効率が得られる。モードマッチングの状態のディスクポンプの効率は、被駆動端壁と側壁の間の界面に依存する。この界面を、それが被駆動端壁の運動を縮小または減衰させないように構成して、空洞内の流体圧力振動のあらゆる振幅減少を軽減することにより、このようなディスクポンプの効率を維持することが望ましい。
上記のディスクポンプのアクチュエータは、被駆動端壁をその端壁に対して実質的に垂直、または円筒形の空洞の縦軸に対して実質的に平行な方向に振動運動させ（「変位振動」）、これを以下、空洞内の被駆動端壁の「軸方向振動」と呼ぶ。被駆動端壁の軸方向振動は、空洞内の流体の、それに実質的に比例する「圧力振動」を発生させ、それによって半径方向の圧力分布が得られ、これは参照によって本願に援用される国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書に記載されているように、第一種ベッセル関数のそれに近似し、このような振動を以下、空洞内の流体圧力の「軸方向振動」と呼ぶ。被駆動端壁のうち、アクチュエータと側壁の間の部分はディスクポンプの側壁との界面を提供し、これが変位振動の減衰を縮小して空洞内の圧力振動のあらゆる減少を軽減させる。被駆動端壁のうち、アクチュエータと側壁の間の部分を以下「アイソレータ」と呼び、これは米国特許出願第１２／４７７，５９４号明細書の中により詳しく記されており、同出願を引用によって本願に援用する。アイソレータの例示的実施形態は、被振動端壁の周辺部分と動作的に関連付けられて、変位振動の減衰を縮小する。
このようなディスクポンプにはまた、ディスクポンプを通る流体の流れを制御するための１つまたは複数の弁も必要であり、より詳しくは、弁は高周波数で動作できる。従来の弁は一般に、各種の用途のために５００Ｈｚ以下の、より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。当業界で知られている線形共振コンプレッサは１５０〜３５０Ｈｚの間で動作する。しかしながら、医療機器を含む多くの携帯型電子機器は、正圧を送達する、または真空を提供する比較的小型のディスクポンプを必要とし、このようなディスクポンプは動作中に聞き取れず、個別の動作を提供できることが有利である。これらの目的を実現するために、このようなディスクポンプは非常に高い周波数で動作しなければならず、弁は約２０ｋＨｚ以上で動作できる必要がある。このような高周波数で動作するには、弁は、ディスクポンプを通る流体の正味の流れを作るように調整可能な高周波数振動圧力に応答できなければならない。このような弁は、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書の中により詳しく記載されており、同出願を参照によって本願に援用する。
ディスクポンプを通る流体の流れを制御するために、弁を第一または第二の開口部の何れか、または両方の開口部に配置してもよい。各弁は、その中を概して垂直に延びる開口部を有する第一の板と、同様にその中を概して垂直に延びる開口部を有する第二の板を含み、第二の板の開口部は第一の板の開口部から実質的にずれている。弁は、第一と第二の板の間に設置された側壁をさらに含み、側壁は第一と第二の板の周辺の周囲で閉じられ、第一と第二の板の間に、第一と第二の板の開口部と流体連通する空洞が形成される。弁は、第一と第二の板の間に配置された、移動可能なフラップをさらに含み、フラップは、第一の板の開口部とは実質的にずれ、第二の板の開口部と実質的に整合する開口部を有する。フラップは、弁前後の流体の差圧の方向の変化に応じて第一と第二の板の間で駆動される。
ディスクポンプシステムは、実質的に円筒形で、流体を収容する空洞を画定するポンプ本体を含み、空洞は、両端において実質的に円形の端壁で閉鎖された側壁によって形成される。端壁の少なくとも一方は被駆動端壁であり、中央部分と被駆動端壁の中央部分から半径方向に外側に延びる周辺部分を有する。システムは、被駆動端壁の中央部分に動作的に関連付けられたアクチュエータを含み、これは被駆動端壁を周波数（ｆ）で振動運動させ、それによって被駆動端壁の、それに対して実質的に垂直な方向への変位振動を発生させる。周波数（ｆ）はアクチュエータの基本曲げモードと略等しい。アイソレータは、被駆動端壁の周辺部分に動作的に関連付けられ、変位振動の減衰を縮小する。アイソレータは可撓性プリント回路材料を含む。システムは、端壁の何れか一方の、環状の節以外の何れかの位置に設けられ、ポンプ本体を通って延びる第一の開口部と、ポンプ本体の、第一の開口部の位置以外の何れかの位置に設けられ、ポンプ本体を通って延びる第二の開口部と、を含む。システムはまた、第一の開口部と第二の開口部の少なくとも一方に設置された弁を含む。使用時に、変位振動はポンプ本体の空洞内の流体の、それに対応する圧力振動を発生させ、それによって流体が第一と第二の開口部を通って流れる。システムは、アクチュエータに熱的に連結されて、アクチュエータの温度を標的温度まで上昇させるように動作可能な加熱要素を含む。
ディスクポンプの動作温度を保持する方法は、温度測定値を取得するステップを含み、温度測定値はディスクポンプのアクチュエータの温度を示す。この方法はまた、温度測定値をマイクロコントローラに転送するステップと、アクチュエータの温度が標的温度より低いか否かを判定するステップと、を含む。この方法はまた、アクチュエータの温度が標的温度より低いと判定されたことに応答して、アクチュエータに熱的に連結された加熱要素を作動させるステップを含む。
ディスクポンプは、実質的に円筒形で、流体を収容する空洞を画定するポンプ本体を含む。空洞は、両端において実質的に円形の端壁で閉鎖される側壁により形成され、端壁の少なくとも一方は被駆動端壁であり、これは中央部分と、被駆動端壁の中央部分から半径方向に外側に延びる周辺部分を有する。ディスクポンプはアクチュエータを含み、これは被駆動壁の中央部分に動作的に関連付けられて、被駆動端壁の周波数（ｆ）での振動運動を起こし、それによって被駆動端壁の、それに対して実質的に垂直な方向への変位振動を発生させる。周波数（ｆ）はアクチュエータの基本曲げモードと略等しい。ディスクポンプは駆動回路をさらに含み、その出力はアクチュエータに電気的に連結されて、周波数（ｆ）で駆動信号をアクチュエータに供給する。これに加えて、ディスクポンプは、被駆動端壁の周辺部分に動作的に関連付けられ、変位振動の減衰を縮小するアイソレータを含む。アイソレータは可撓性プリント回路材料を含む。ディスクポンプは、端壁の何れか一方の、環状の節以外の何れかの位置に設けられ、ポンプ本体を通って延びる第一の開口部と、ポンプ本体の、第一の開口部の位置以外の何れかの位置に設けられ、ポンプ本体を通って延びる第二の開口部と、を含む。弁が第一の開口部と第二の開口部の少なくとも一方に、使用時に変位振動がポンプ本体の空洞内の流体の、それに対応する圧力振動を発生させ、それによって流体が第一の開口部と第二の開口部を通って流れるように設置される。加熱要素が、アイソレータと一体の導電要素を介して電源に熱的に連結される。
例示的な実施形態のその他の特徴と利点は、図面と以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなるであろう。
図１は、ディスクポンプの断面図である。 図１Ａは、図１のディスクポンプの、線１Ａ−１Ａに沿って切断された上側断面図であり、ディスクポンプのアイソレータとアクチュエータを、アクチュエータに熱的に連結された加熱要素を含めて示している。 図１Ｂは、ディスクポンプの一部の詳細な断面図であり、アクチュエータとアクチュエータに隣接する加熱要素を示している。 図２Ａは、アクチュエータが休止位置にある状態の図１のディスクポンプの断面図を示す。 図２Ｂは、アクチュエータが変位した位置にある状態の図１のディスクポンプの断面図を示す。 図３Ａは、図１のディスクポンプのアクチュエータの基本曲げモードに関する軸方向変位振動のグラフを示す。 図３Ｂは、図３Ａに示される曲げモードに応答する、図１のディスクポンプの空洞内の流体の圧力振動のグラフを示す。 図４は、図１のディスクポンプの断面図を示し、２つの弁が図７Ａ〜７Ｄに示される１つの弁により表されている。 図５は、図７Ａ〜７Ｄの弁の中央部分の詳細な断面図を示す。 図６は、破線で示されるように、図５の弁にかけられる圧力差を説明するための、図４のディスクポンプの空洞内の流体の圧力振動のグラフを示す。 図７Ａは、弁の例示的実施形態の閉位置での断面図を示す。 図７Ｂは、図７Ａの弁の、図７Ｄに示される線７Ｂ−７Ｂに沿って切断された断面図を示す。 図７Ｃは、図７Ａの弁の斜視図を示す。 図７Ｄは、図７Ａの弁の上面図を示す。 図８Ａは、図７Ａの弁の、流体が弁を通って流れる開位置での断面図を示す。 図８Ｂは、図７Ａの弁の、開位置と閉位置の間の移行時の、閉じる前の断面図を示す。 図８Ｃは、図７Ａの弁の、流体の流れが弁のフラップによりブロックされる閉位置での断面図を示す。 図９Ａは、例示的実施形態による図５の弁にかけられる振動差圧の圧力のグラフを示す。 図９Ｂは、開位置と閉位置の間の図５の弁の動作サイクルの流体の流れのグラフを示す。 図１０Ａは、図４のディスクポンプの断面図を示し、弁の中央部分の分解図と、空洞内にかけられる振動圧力波の正の部分のグラフを含む。 図１０Ｂは、図４のディスクポンプの断面図を示し、弁の中央部分の分解図と、空洞内にかけられる振動圧力波の負の部分のグラフを含む。 図１１は、図４のディスクポンプの弁の開状態と閉状態を示す。 図１１Ａは、ディスクポンプが自由流れモードにある時に得られる流れの特性を示す。 図１１Ｂは、ディスクポンプが自由流れモードにある時に得られる圧力の特性を示す。 図１２は、ディスクポンプがストール状態に到達した時に図４のディスクポンプにより提供される最大差圧のグラフを示す。 図１３Ａは、図１〜２Ｂ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分布のグラフである。 図１３Ｂは、２つの方形波（それぞれの周波数デューティサイクルは５０％と４３％）のフーリエ成分のグラフであり、これらの駆動信号の、周波数に応じた高調波成分を示す。 図１４Ａは、特定の高調波周波数成分の振幅のグラフを示す。 図１４Ｂは、アクチュエータに印加される方形波信号の周波数デューティサイクルに応じた、図１〜２Ｂのディスクポンプのこれらの高調波周波数でのアクチュエータによる出力散逸の例を表すグラフを示す。 図１５は、例示的実施形態による、図１〜２Ｂに示されるディスクポンプを駆動するための駆動回路のブロック図を示す。 図１６Ａは、周波数デューティサイクルが５０％の方形波駆動信号に関する、図１Ａ〜２Ｂに示されるディスクポンプのアクチュエータの電圧とその中を通る電流を示すグラフである。 図１６Ｂは、周波数デューティサイクルが４５％の方形波駆動信号に関する、図１Ａ〜２Ｂに示されるディスクポンプのアクチュエータの電圧とその中を通る電流を示すグラフである。 図１６Ｃは、周波数デューティサイクルが４３％の方形波駆動信号に関する、図１Ａ〜２Ｂに示されるディスクポンプのアクチュエータの電圧とその中を通る電流を示すグラフである。 図１７は、例示的なＰＺＴセラミック圧電材料の共振周波数の温度依存性を示すグラフである。 図１８は、加熱要素を含むディスクポンプと加熱要素を含まないディスクポンプの動作特性の比較を示すグラフである。
例示的実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。例示のために、添付の図面は本発明を実施できる具体的な好ましい実施形態を示している。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく説明され、当然のことながら、他の実施形態も利用でき、本発明の主旨と範囲から逸脱することなく、論理構造的、機械的、電気的、化学的変更を加えることができる。当業者が本明細書に記載された実施形態を実施できるようにする上で不要な詳細を回避するために、説明文では当業者に知られている特定の情報が割愛されている場合がある。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味では解釈されず、例示的実施形態の範囲は付属の特許請求の範囲のみによって定義される。
図１は、ディスクポンプシステム１００の側方断面図であり、これはディスクポンプ１０と、ディスクポンプ１０がその上に取り付けられる基板２８と、ディスクポンプ１０に流体的に連結される負荷３８と、を含む。ディスクポンプ１０は、正圧または負圧を負荷３８に供給するように動作可能であり、これについては後でより詳しく説明する。ディスクポンプ１０はアクチュエータ４０を含み、これはディスクポンプ１０の筒状壁１１に、可撓性材料を含むアイソレータ３０によって連結される。
図１Ａはディスクポンプシステム１００の、アクチュエータ４０とアイソレータ３０を含む部分の上面図である。１つの実施形態において、アイソレータ３０は可撓性プリント回路材料から形成され、これは回路要素を含んでいてもよい。一般に、可撓性プリント回路材料は可撓性ポリマフィルムを含み、これはアイソレータ３０の下地層を提供する。ポリマはポリエステル（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート、（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、または類似の機械的及び電気的特性を有する材料であってもよい。可撓性回路材料は、接着剤で形成される１つまたは複数の積層体を含んでいてもよい。これに加えて、銅箔等の金属箔を使って、可撓性プリント回路材料に１つまたは複数の導電層を設けてもよい。この導電層は、例えば回路の通路を導電層にエッチングすることによって回路素子を形成するために使用可能である。導電層は、圧延（接着剤の有無を問わない）または電着によって下地層に塗布してもよい。アイソレータ３０はまた、他の異なる電子デバイスを含んでいてもよい。
図１Ｂは、ディスクポンプシステム１００の、アクチュエータ４０と加熱要素６０を含む部分の詳細な断面図である。図１Ｂの例示的実施形態において、加熱要素６０はアクチュエータ４０に隣接する材料層の中に埋め込まれている。材料層は、アイソレータ３０の延長でも、アクチュエータ４０に隣接する他の適当な材料であってもよい。加熱要素６０は、アイソレータ３０と一体の回路要素、例えばアイソレータ３０を形成する可撓性プリント回路材料の中に形成された導電性トレースを介して電源に連結されていてもよい。材料層は、アクチュエータ４０の運動を減衰させない熱伝導性材料、例えば熱伝導性ポリマを含んでいてもよい。他の実施形態において、加熱要素６０は、材料層を設けずに、アクチュエータ４０に隣接して取り付けてもよい。このような実施形態では、加熱要素６０はアクチュエータ４０に、直接接触または熱伝導性グリースの薄い層を使用することによって熱的に連結してもよい。他の実施形態において、加熱要素６０はアイソレータ３０のみを含み、アクチュエータ４０の周辺部分のみに熱的に連結してもよい。このような実施形態では、アクチュエータ４０の内側板１４、１５はアクチュエータ４０の全体を通じて一定の温度を保持するのに十分な伝導性を有する。
例示的実施形態において、アイソレータ３０は、電源（図示せず）をアクチュエータ４０に熱的に連結されている加熱要素６０に連結するコンタクト５９を含む。加熱要素６０は、アクチュエータ４０を比較的一定の温度に保持する役割を果たしてもよい。加熱要素６０は、電気エネルギーを熱に変換する抵抗加熱要素であるが、用途に応じて他の発熱機構に置き換えてもよい。加熱要素６０は、ニッケルクロム合金またはその他の適当な材料、例えばアルミニウム合金、同ニッケル合金、珪化モリブデン、及び正温度係数を有するセラミックで形成してもよい。
図２Ａは、図１に示されるディスクポンプ１０の側面図である。ディスクポンプ１０は、各端が端板１２、１３により閉じられる筒状壁１１を含む、実質的に楕円形のディスクポンプ本体を含む。筒状壁１１は、端板１３を形成する基板２８に取り付けてもよい。基板２８は、プリント回路基板またはその他の適当な材料であってもよい。ディスクポンプ１０は、１対のディスク型の内側板１４、１５をさらに含み、これらはディスクポンプ１０の中に、ディスクポンプ本体の筒状壁１１に固定されたアイソレータ３０によって支持される。ディスクポンプ１０のアイソレータ３０は、リング型のアイソレータである。筒状壁１１、端板１２、内側板１４、リング型アイソレータ３０の内面は、ディスクポンプ１０の中の空洞１６を形成する。空洞１６の内面は側壁１８を含み、これは両端において端壁２０、２２により閉じられる筒状壁１１の内面の第一の部分であり、端壁２０端板１２の内面であり、端壁２２は内側板１４の内面とアイソレータ３０の第一の面を含む。端壁２２はそれゆえ、内側板１４の内面に対応する中央部分と、リンク型アイソレータ３０の内面に対応する周辺部分を含む。ディスクポンプ１０とその構成要素は実質的に楕円形であるが、本明細書で開示される特定の実施形態は円形に近い楕円形である。
筒状壁１１と端板１２、１３は、ディスクポンプ本体を含む単独の構成要素であっても、図２Ａに示されるように別の構成要素であってもよく、図２Ａでは、端板１３が別の基板によって形成され、これはプリント回路基板、アセンブリ基板、又はプリント配線アセンブリであってもよく、その上にディスクポンプ１０が取り付けられる。空洞１６は実質的に円形であるが、空洞１６はまた、より一般的には楕円形であってもよい。図２Ａに示される実施形態において、空洞１６を画定する端壁２０は、概して円錐台状であるように示されている。他の実施形態において、空洞１６の内面を画定する端壁２０は、後述のように、アクチュエータ４０に対して平行な、概して平坦な面を含んでいてもよい。円錐台状の面を含むディスクポンプは、国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットの中により詳しく記載されており、同パンフレットを参照によって本願に援用する。ディスクポンプ本体の端板１２、１３と筒状壁１１は、何れの適当な剛性材料から形成してもよく、これには金属、セラミック、ガラス又は、射出成形プラスチック等を含むプラスチックが含まれるが、これらに限定されない。
ディスクポンプ１０の内側板１４、１５は共同でアクチュエータ４０を形成し、これは、空洞１６の内面を形成する端壁２２の中央部分に動作的に関連付けられる。内側板１４、１５の一方は圧電材料で形成され、これは印加される電気信号に応答してひずみを示す何れの電気的活性材料を含んでいてもよく、これには例えば電気ひずみ又は磁気ひずみ材料が含まれる。１つの好ましい実施形態において、例えば、内側板１５は、印加された電気信号に応答してひずみを示す圧電材料から形成され、すなわち活性内側板である。内側板１４、１５のもう一方は好ましくは、活性内側板と同様の曲げ剛性を有し、圧電材料又は電気的不活性材料、例えば金属又はセラミックで形成されてもよい。この好ましい実施形態において、内側板１４は、活性内側板１５と同様の曲げ剛性を有し、電気的不活性材料、例えば金属又はセラミックで形成され、すなわち不活性内側板である。活性内側板１５が電流によって励起されると、活性内側板１５は、空洞１６の縦軸に関して半径方向に膨張、収縮し、それによって内側板１４、１５が曲り、それによって端壁２２の、端壁２２に対して実質的に垂直な方向への軸方向の撓みが誘発される（図３Ａ参照）。
図示されていない他の実施形態において、アイソレータ３０は内側板１４、１５の何れか一方を、活性内側板１５又は不活性内側板１４の何れであっても、ディスクポンプ１０の具体的な設計と向きに応じて、上又は下から支持してもよい。他の実施形態において、アクチュエータ４０の代わりに、内部板１４、１５の一方のみと力伝達関係にあるデバイス、例えば機械、磁気又は静電デバイスを使用してもよく、この場合、選択された内側板１４、１５は、そのようなデバイス（図示せず）によって上記と同様の方法で振動するように駆動される電気的に不活性、すなわち受動材料層で形成されてもよい。
ディスクポンプ１０は、空洞１６からディスクポンプ１０の外側に延びる少なくとも１つの開口部をさらに含み、この少なくとも１つの開口部は弁を含み、開口部を通る流体の流れを制御する。開口部は空洞１６の、アクチュエータ４０が、後でより詳しく説明するように圧力差を発生させる何れの位置に配置されてもよいが、図２Ａ〜２Ｂに示されるディスクポンプ１０の１つの実施形態は、端板１２の略中央に配置され、そこを通って延びる出口開口部２７を含む。開口部２７は少なくとも１つの端板弁２９を含む。１つの好ましい実施形態において、開口部２７は端板弁２９を含み、これは矢印で示される１方向に流体の流れを調整し、それによって端板弁２９はディスクポンプ１０のための出口弁として機能する。端板弁２９を含む開口部２７への言及は、開口部の、弁２９の外側、すなわちディスクポンプ１０の空洞１６の外側の部分を指す。
ディスクポンプ１０は、アクチュエータ４０を通って延びる少なくとも１つの開口部をさらに含み、この少なくとも１つの開口部は、開口部を通る流体の流れを調整する弁を含む。開口部は、アクチュエータ４０の上の、アクチュエータ４０が圧力差を発生させる何れの場所に配置してもよい。しかしながら、図２Ａ〜２Ｂに示されるディスクポンプ１０の例示的実施形態は、内側板１４、１５の略中心に配置され、そこを通って延びるアクチュエータ開口部３１を含む。アクチュエータ開口部３１はアクチュエータ弁３２を含み、これは流体の流れを矢印で示されるように空洞１６への１方向に調整し、それによってアクチュエータ弁３２は空洞１６内への入口弁として機能する。アクチュエータ弁３２は、空洞１６への流体の流れを増大させ、出口弁２９の動作を補うことによって、ディスクポンプ１０の出力を増大させるが、これについては後でより詳しく説明する。
本明細書に記載される空洞１６の寸法は好ましくは、側壁１８における空洞１６の高さ（ｈ）と空洞１６の縦軸から側壁１８までの距離であるその半径（ｒ）の関係に関する特定の不等式を満足させるべきである。これらの式は以下のとおりである。
ｒ／ｈ＞１．２；かつ
ｈ２／ｒ＞４×１０−１０メートル
１つの実施形態において、空洞の半径と空洞の高さの比（ｒ／ｈ）は、空洞１６内の流体が気体である場合は約１０〜約５０である。この例では、空洞１６の容積は約１０ｍｌ未満であってもよい。これに加えて、ｈ２／ｒの比は、作用流体が液体ではなく気体である場合、好ましくは約１０−６メートル〜約１０−７メートルの範囲内である。
これに加えて、本明細書で開示される空洞１６は、空洞半径（ｒ）と、アクチュエータ４０が振動して端壁２２を軸方向に変位させる周波数である動作周波数（ｆ）に関する以下の不等式を満たすべきである。不等式は以下のとおりである。
Figure 2015510073
式中、空洞１６内の作動流体の音速（ｃ）は、上式で表現されるように約１１５ｍ／ｓの低速（ｃｓ）から約１，９７０ｍ／ｓと等しい高速（ｃｆ）の間の範囲であってもよく、ｋ０は定数（ｋ０＝３．８３）である。アクチュエータ４０の振動運動の周波数は好ましくは、空洞１６内の放射圧振動の最低共振周波数と略等しいが、その数値の２０％以内であってもよい。空洞１６内の放射圧振動の最低共振周波数は好ましくは、約５００Ｈｚより高い。
本明細書で開示される空洞１６が上記の不等式の各々を満たすことが好ましいが、空洞１６の相対的寸法は、同じ高さと半径を有する空洞に限定されるべきではない。例えば、空洞１６は若干異なる形状であってもよく、これには異なる半径又は高さが必要であり、異なる周波数応答が生じ、それによって空洞１６はディスクポンプ１０から最適な出力を生成するように所望の通りに共振する。
動作中、ディスクポンプ１０は、矢印で示されるように、出口弁２９に隣接する、負荷３８を加圧するための正圧源としても、又はアクチュエータ入口弁３２に隣接する、負荷３８を除圧するための負圧又は減圧源としても機能してよい。例えば、負荷は負圧を利用して治療する組織治療システムであってもよい。「減圧」という用語は、本明細書において使用されるかぎり、一般に、ディスクポンプ１０が置かれた大気圧より低い圧力を指す。減圧を説明するために「真空」及び「負圧」という用語を使用する場合もあるが、実際の圧力低下は一般的に完全真空に関連する圧力低下よりずっと小さくてもよい。圧力は、それがゲージ圧であるという意味で「負」であり、すなわち、圧力は周囲大気圧以下まで低下する。特にことわりがないかぎり、本明細書に明記される圧力の数値はゲージ圧である。減圧における増大への言及は一般に、絶対圧力の低下を指し、減圧における減少は一般に、絶対圧力の上昇を指す。
上述のように、ディスクポンプ１０は少なくとも１つのアクチュエータ弁３２と少なくとも１つの端板弁２９を含む。他の実施形態では、ディスクポンプ１０は、アクチュエータ４０の両側に端板弁２９を有する、空洞が２つのディスクポンプを含んでいてもよい。
図３Ａは、空洞１６の被駆動端壁２２の軸方向振動を描いた１つの考えうる変位プロファイルを示す。実線の曲線と矢印は、ある時点での被駆動端壁２２の変位を表し、破線の曲線はその半サイクル後の被駆動端壁２２の変位を表す。この図及びその他の図に示される変位は誇張されている。アクチュエータ４０はその周辺で強固に取り付けられているのではなく、リング型アイソレータ３０によって垂下されているため、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周囲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、被駆動端壁２２の中心と側壁１８の間に位置する環状の変位の節４２において実質的にゼロである。端壁２２の他の時点での変位振動の振幅は、縦方向の矢印によって表されるように、ゼロより大きい。中央部の変位の腹４３はアクチュエータ４０の中心付近にあり、周辺部の変位の腹４３’はアクチュエータ４０の周辺付近にある。中央部の変位の腹４３は、半サイクル後の破線の曲線によって表される。
図３Ｂは、図３Ａに示される軸方向変位振動によって得られる空洞１６内の圧力振動を説明する１つの考えうる圧力振動プロファイルを示す。実線の曲線と矢印は、ある時点での圧力を表す。このモードとより高次のモードでは、圧力振動の振幅においては、周辺部の圧力の腹４５’が空洞１６の側壁１８の付近にある。圧力振動の振幅は、中央部の圧力の腹４５と周辺部の圧力の腹４５’の間の環状の圧力の節４４において実質的にゼロである。同時に、破線で表される圧力振動の振幅は、空洞１６の中心付近に中央部の負の圧力の腹４７を有し、周辺部の圧力の腹４７’及び同じ環状の圧力の節４４を有する。円筒形の空洞の場合、空洞１６内の圧力振動の振幅の半径方向依存性は第一種ベッセル関数によって近似されてもよい。上述の圧力振動は、空洞１６内の流体の半径方向の運動によるものであるため、アクチュエータ４０の軸方向変位振動と区別されるように、空洞１６内の流体の「半径方向圧力振動」と呼ぶ。
図３Ａと３Ｂ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半径方向依存性（アクチュエータ４０の「モード形」）は、空洞１６内の所望の圧力振動の振幅の波形方向依存性（圧力振動の「モード形」）に、より密接にマッチするように、楕一種ベッセル関数に近似するべきである。アクチュエータ４０をその周辺に強固に取り付けるのではなく、それがその質量中心の周囲で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は実質的に、空洞１６内の圧力振動のモード形に実質的にマッチし、それゆえ、モード形マッチング、又はより簡単に言えばモードマッチングが実現する。モードマッチングは常にこの点で完璧であるとはかぎらないが、アクチュエータ４０の軸方向変位振動と空洞１６内の、それに対応する圧力振動は、アクチュエータ４０の表面全体にわたり実質的に同じ相対位相を有し、空洞１６内の圧力振動の環状の圧力の節４４の半径方向の位置とアクチュエータ４０の軸方向変位振動の環状の変位の節４２の半径方向の位置は実質的に一致する。
アクチュエータ４０はその質量中心の周囲で振動するため、環状の変位の節４２の半径方向の位置は、図３Ａに示されるように、アクチュエータ４０がその基本曲げモードで振動している時、必然的にアクチュエータ４０の半径の内側に位置する。それゆえ、環状の変位の節４２が確実に環状の圧力の節４４と一致するようにするために、アクチュエータの半径（ｒａｃｔ）は好ましくは、モードマッチングを最適化するために、環状の圧力の節４４の半径より大きくするべきである。再び、空洞１６内の圧力振動が第一種ベッセル関数に近似すると仮定すると、環状の圧力の節４４の半径は、端壁２２の中心から側壁１８までの半径、すなわち図２Ａに示される空洞１６の半径（「ｒ」）の約０．６３となるであろう。したがって、アクチュエータ４０の半径（ｒａｃｔ）は好ましくは、不等式、ｒａｃｔ≧０．６３ｒを満足させるべきである。
リング型アイソレータ３０は可撓膜であってもよく、これによってアクチュエータ４０の縁部は、上述のように、図３Ａの周辺部の変位の腹４３’での変位により示されるように、アクチュエータ４０の振動に応答して曲り、伸びることによって、より自由に移動できる。アイソレータ３０は、側壁１８がアクチュエータ４０に与える潜在的減衰効果を、ディスクポンプ１０のアクチュエータ４０と筒状壁１１の間を機械インピーダンスが低くなるように支持し、それによってアクチュエータ４０の周辺部の変位の腹４３’での軸方向の振動の減衰を縮小することにより、克服する。基本的に、アイソレータ３０は、アイソレータ３０の外周縁でアクチュエータ４０から側壁１８に伝達されるエネルギーを最小化し、実質的に静止状態となる。その結果、環状の変位の節４２は環状の圧力の節４４と実質的に整合したままであり、それによってディスクポンプ１０のモードマッチング状態が保持される。それゆえ、被駆動端壁２２の軸方向変位振動により、空洞１６の中の圧力の振動は、図３Ｂに示されるように、中央部の圧力の腹４５、４７から側壁１８での周辺部の圧力の腹４５’、４７’へと効率的に継続する。
図４を参照すると、図２Ａのディスクポンプ１０が示されており、これは弁２９、３２を備え、そのどちらも、例えば図７Ａ〜７Ｄに示され、図５のような中心部分１１１を持つ弁１１０によって表される構造と実質的に同様である。図４〜９に関連する以下の説明はすべて、ディスクポンプ１０の開口部２７、３１に位置付けることのできる１つの弁１１０の機能に基づいている。図６は、図３Ｂに示されるように、ディスクポンプ１０の中の流体の圧力振動のグラフを示す。弁１１０により、流体は前述のように１方向にしか流れない。弁１１０は、逆止弁又は、流体が１方向にしか流れないようにするその他何れの弁であってもよい。いくつかの弁の種類は、開位置と閉位置とを切り替えることによって流体の流れを調整できる。このような弁がアクチュエータ４０によって生成される高い周波数で動作するために、弁２９、３２の応答時間はきわめて速く、それによってこれらは圧力振動の時間尺度より大幅に短い時間尺度で開閉できる。弁２９、３２の１つの実施形態は、慣性が低く、その結果、弁構造前後の相対圧力の変化に応答して高速で移動できる、きわめて軽いフラップ弁を利用することにより、これを実現する。
図７Ａ〜７Ｄと５を参照すると、弁１１０は、例示的実施形態によるディスクポンプ１０のためのこのようなフラップ弁である。弁１１０は実質的に筒状の壁１１２を含み、これはリング型であり、一方の端では保持板１１４によって、もう一方の端では密閉板１１６によって閉鎖される。壁１１２の内面と、保持板１１４と、密閉板１１６は弁１１０内の空洞１１５を形成する。弁１１０は、保持板１１４と密閉板１１６の間であるが、密閉板１１６に隣接して設置され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、代替的実施形態においては、後でより詳しく説明するように、保持板１１４に隣接して設置されてもよく、この意味で、フラップ１１７は密閉板１１６又は保持板１１４の何れか一方に対して「付勢」されると考えられる。フラップ１１７の周辺部分は、密閉板１１６とリング型壁１１２の間に挟まれ、それによってフラップ１１７の運動はフラップ１１７の表面に対して実質的に垂直な平面内に制約される。このような平面内でのフラップ１１７の運動はまた、代替的実施形態において、フラップ１１７の周辺部分を密閉板１１６又は壁１１２の何れかに直接取り付けることによって、又はフラップ１１７をリング型壁１１２内に緊密に適合させることによって制約されてもよい。フラップ１１７の残りの部分はフラップ１１７の表面に対して実質的に垂直な方向に十分に可撓的及び可動的であり、フラップ１１７の何れかの面に力が加えられると、フラップ１１７が密閉板１１６と保持板１１４の間で移動可能となる。
保持板１１４と密閉板１１６はどちらも、それぞれ孔１１８と１２０を有し、これらは各板を通じて延びる。フラップ１１７もまた孔１２２を有し、これらは保持板１１４の孔１１８と概して整合して通路を提供し、そこを通って流体が図５と８Ａの破線の矢印１２４で示されるように流れる。フラップ１１７の孔１２２はまた、保持板１１４の孔１１８と部分的に整合し、すなわち一部のみ重複してもよい。孔１１８、１２０、１２２は実質的に均一な大きさと形状で示されていが、これらは異なる直径でも、又は異なる形状でさえあってもよく、これらは本発明の範囲を限定しない。本発明の１つの実施形態において、孔１１８と１２０は、図７Ｄにおいてそれぞれ実線と破線で示されるように、板の表面にわたって交互のパターンを形成する。他の実施形態において、孔１１８、１２０、１２２は、破線の矢印１２４の各集合で示されるような孔１１８、１２０、１２２の各ペアの機能に関する弁１１０の動作に影響を与えることなく、異なるパターンで配置されてもよい。孔１１８、１２０、１２２のパターンは、必要に応じて、弁１１０を通る流体の流れ全体を制御するために孔の数を増減させて設計してもよい。例えば、孔１１８、１２０、１２２の数を増やして弁１１０の流れ抵抗を軽減させ、弁１１０の全体の流速を高めてもよい。
図８Ａ〜８Ｃをも参照すると、弁１１０の中央部分１１１は、フラップ１１７の何れかの面に力が加えられると、密閉板１１６と保持板１１４の間でフラップ１１７が駆動されることを示している。フラップ１１７の何れかの面に、フラップ１１７の付勢に打ち勝つための力が全く加えられないと、弁１１０は「通常閉」位置にあり、これは、フラップ１１７が密閉板１１６に隣接して設置されているからであり、この場合、フラップの孔１２２は密閉板１１６の孔１１８とずれ、すなわちこれと整合していない。この「通常閉」位置では、密閉板１１６を通る流体の流れは、図７Ａと７Ｂに示されるフラップ１１７の無孔部分によって実質的にブロックされ、又は覆われる。フラップ１１７の何れかの面に、フラップ１１７の付勢に打ち勝ち、フラップ１１７を図５と８Ａに示されるように、密閉板１１６とは反対の保持板１１４に向かって移動させる力が加えられると、弁１１０はしばらくの期間、すなわち開弁遅れ時間（Ｔｏ）にわたって通常閉位置から「開」位置へと移動し、これによって流体は破線の矢印１２４で示される方向に流れる。図８Ｂに示されるように圧力の方向が変化すると、フラップ１１７は密閉板１１６に向かって駆動され、通常閉位置に戻る。このようになると、流体は短期間、すなわち閉弁遅延時間（Ｔｃ）にわたって、破線の矢印１３２で示されるように反対方向に流れ、最終的にフラップ１１７が密閉板１１６の孔１２０を密閉して、図８Ｃに示されるように密閉板１１６を通る流体の流れを実質的にブロックする。本発明の他の実施形態において、フラップ１１７は保持板１１４に対して付勢されてもよく、その場合、孔１１８、１２２は整合して「通常開」位置となる。この実施形態では、フラップ１１７を「閉」位置に駆動するには、フラップ１１７に正圧を加えることが必要となる。「密閉された」及び「ブロックされた」という用語は、本明細書で弁の動作に関して使用されるかぎり、弁の流れ抵抗が「開」位置より「閉」位置のほうが大きくなるように、実質的に（ただし不完全に）密閉又はブロックする場合も含むものとする。
フラップ１１７が他の機構によって積極的に駆動されないかぎり、弁１１０の動作は、弁１１０を通る流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる。図８Ｂにおいて、差圧には、下向きの矢印によって示されるように、負の値（−ΔＰ）が割り当てられている。差圧が負の値（−ΔＰ）であると、保持板１１４の外面は密閉板１１６の外面での流体圧力より大きい。この負の差圧（−ΔＰ）はフラップ１１７を完全に閉じた位置へと駆動し、この時、フラップ１１７は密閉板１１６に押し付けられて、密閉板１１６の孔１２０をブロックし、それによって流体が弁１１０を通って流れるのが実質的に阻止される。弁１１０前後の差圧が逆転して図８Ａの上向きの矢印によって示されるように正の差圧（＋ΔＰ）となると、フラップ１１７は密閉板１１６から反対に、保持板１１４に向かって駆動され、開位置となる。差圧が正の値（＋ΔＰ）であると、密閉板１１６の外面での流体圧力は保持板１１４の外面での流体圧力より大きい。開位置では、フラップ１１７が動いて密閉板１１６の孔１２０を開き、それによって流体は破線の矢印１２４で示されるように、孔１２０及び、フラップ１１７と保持板１１４の整合するそれぞれの孔１２２と１１８を通って流れる。
弁１１０前後の差圧が、図８Ｂにおいて下向きの矢印で示されるように、正の差圧（＋ΔＰ）から負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化すると、流体は、破線の矢印１３２で示されるように、弁１１０を通って反対方向に流れ始め、これがフラップ１１７を図８Ｃに示される閉位置に向かって押し戻す。図８Ｂにおいて、フラップ１１７と密閉板１１６の間の流体圧力は、フラップ１１７と保持板１１４の間の流体圧力より低い。それゆえ、フラップ１１７には矢印１３８で示される正味の力がかかり、これによってフラップ１１７は密閉板１１６に向かって加速され、弁１１０を閉じる。このようにして、差圧の変化が、弁１１０前後の差圧の方向（すなわち、正又は負）に基づいて、弁１１０を閉位置と開位置との間で周期的に移動させる。理解すべき点として、フラップ１１７は、差圧が弁１１０に加えられていない時には保持板１１４に対して付勢された開位置にあり、すなわち、すると弁１１０は「通常開」位置となるであろう。
弁１１０前後の差圧が逆転して、図５と８Ａに示されるような正の差圧（＋ΔＰ）になると、付勢されたフラップ１１７は密閉板１１６から反対の保持板１１４へと駆動されて、開位置となる。この位置では、フラップ１１７が動いて密閉板１１６の孔１２０を開き、それによって流体は、破線の矢印１２４で示されるように、孔１２０及び、整合した保持板１１４の孔１１８とフラップ１１７の孔１２２を流れる。差圧が変化して正の差圧（＋ΔＰ）から負の差圧（−ΔＰ）に戻ると、流体は弁１１０を通って反対方向に流れ始め（図８Ｂ参照）、これがフラップ１１７を閉位置に押し戻す（図８Ｃ参照）。それゆえ、空洞１６内の圧力振動によって弁１１０が通常閉位置と開位置の間で周期的に移動するため、ディスクポンプ１０は半サイクルごとに弁１１０が開位置にある時に、減圧を供給する。
前述のように、弁１１０の動作は弁１１０前後の流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる可能性がある。差圧（ΔＰ）は、保持板１１４の表面全体を通じて実質的に均一であると仮定されるが、これは、（１）保持板１１４の直径が、空洞１１５の圧力振動の波長に関して小さいことと、（２）弁１１０の位置が空洞１６の中心付近にあり、ここでは、図６のように、正の中央部の圧力の腹４５の振幅が正の中央部の圧力の腹４５の正の四角形部分５５と負の中央部の圧力の腹４７の負の四角形部分６５によって示されるように比較的一定であることによる。したがって、事実上、弁１１０の中央部分１１１の圧力は空間的に変化しない。
図９Ａは、弁１１０の、それに差圧がかけられた時のダイナミック動作をさらに示し、差圧は、時間の経過に伴って正の値（＋ΔＰ）と負の値（−ΔＰ）の間で変化する。実際には、弁１１０前後の差圧の時間依存性は略正弦曲線であってもよいが、弁１１０前後の差圧の時間依存性は図９Ａに示される方形波形で変化するものとして近似され、これによって弁１１０の動作か説明しやすくなる。正の差圧５５が弁１１０に正圧期間（ｔｐ＋）にわたって加えられ、負の差圧６５が弁１１０に、方形波の負圧期間（ｔｐ−）にわたって加えられる。図９Ｂは、この時間により変化する圧力に応答したフラップ１１７の運動を示す。差圧（ΔＰ）が負６５から正５５に切り替わると、弁１１０は開き始めて開弁遅延時間（Ｔｏ）にわたって開き続け、最終的に弁フラップ１１７が保持板１１４と接触し、これは上でも述べられ、図９Ｂのグラフにより示されるとおりである。差圧（ΔＰ）がその後、正の差圧５５から負の差圧６５に切り替わると、弁１１０は閉じ始め、閉弁遅延時間（Ｔｃ）にわたって閉じ続け、これは上でも述べられ、図９Ｂに示されるとおりである。
保持板１１４と密閉板１１６は、これらが受ける流体圧力振動に耐えられ、大きな機械的変形を起こさないような強度を有するべきである。保持板１１４と密閉板１１６は何れの適当な剛性材料で形成されてもよく、例えばガラス、シリコン、セラミック、又は金属がある。保持板１１４と密閉板１１６の孔１１８、１２０は、何れの適当な工程で形成されてもよく、これには化学エッチング、レーザ機械加工、機械穴あけ加工、パウダーブラスト、スタンピングが含まれる。１つの実施形態において、保持板１１４と密閉板１１６は、厚さ１００〜２００マイクロメートルの鋼板から形成され、その中の孔１１８、１２０は化学エッチングにより形成される。フラップ１１７は、何れの軽量材料で形成されてもよく、例えば金属又はポリマフィルムがある。１つの実施形態において、２０ｋＨｚ又はそれ以上の流体圧力振動が弁１１０の保持板側又は密閉板側の何れかに存在する時、フラップ１１７は厚さ１マイクロメートル〜２０マイクロメートルの薄いポリマシートから形成されてもよい。例えば、フラップ１１７は、厚さ約３マイクロメートルのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又は液晶ポリマフィルムから形成されてもよい。
次に、図１０Ａと１０Ｂを参照すると、弁２９と３２として弁１１０を用いる２弁式ディスクポンプ１０の分解図が示されている。この実施形態では、アクチュエータ弁３２がディスクポンプ１０のアクチュエータ３１と空洞１６の間の気流２３２を開閉により制御し（図１０Ａ）、その一方で、端板弁２９がディスクポンプ１０の空洞１６と出口開口部２７の間の気流を開閉により制御する（図１０Ｂ）。図の各々はまた、アクチュエータ４０が振動した時に空洞１６内で発生する圧力も示す。弁２９と３２の両方とも、空洞１６の中心付近に位置し、ここでは中央部のそれぞれ正と負の圧力の腹４５と４７の振幅が、前述のとおり、それぞれ正と負の四角形部分５５と６５により示されるように比較的一定である。この実施形態において、弁２９と３２はどちらも、フラップ１１７により示される閉位置に付勢され、また、フラップ１１７がフラップ１１７’により示される開位置へと駆動されると上述のように動作する。図はまた、中央部の圧力の腹４５、４７の正と負の四角形部分５５、６５の分解図と、それらが両方の弁２９、３２の動作に同時に与える影響と各々を通じて生成される、それに対応するそれぞれの気流２２９と２３２も示している。
図１１、１１Ａ、１１Ｂの関連部分も参照すると、弁２９と３２の開状態と閉状態（図１１）及びその結果としての各々の流れの特性（図１１Ａ）が、空洞１６の圧力（図１１Ｂ）に関係付けて示されている。ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１と出口開口部２７の両方が大気圧にあり、アクチュエータ４０が振動を開始して、前述のように空洞１６内の圧力振動を発生させると、空気が弁２９、３２を通って交互に流れ始め、それによって空気はディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１から出口開口部２７へと流れ、すなわちディスクポンプ１０が「自由流れ」モードで動作を開始する。１つの実施形態において、ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１には大気圧で空気が供給されてもよく、その一方で、ディスクポンプ１０の出口開口部２７は負荷（図示せず）に空気力学的に連結され、これはディスクポンプ１０の動作を通じて加圧される。他の実施形態において、ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１は負荷（図示せず）に空気力学的に連結されてもよく、これは、ディスクポンプ１０の動作を通じて除圧されて、負荷、例えば創傷用ドレッシング内に負圧が生成される。
図１０Ａと図１１、１１Ａ、１１Ｂの関連部分をより詳しく参照すると、中央部の正の圧力の腹４５の四角形部分５５は前述のように、ディスクポンプサイクルの半分でアクチュエータ４０の振動により空洞１６内で生成される。ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１と出口開口部２７が両方とも大気圧であると、中央部の正の腹４５の四角形部分５５により、端板弁２９前後には正の差圧、またアクチュエータ弁３２前後には負の差圧が生じる。その結果、アクチュエータ弁３２が閉じ始め、端板弁２９が開き始めて、アクチュエータ弁３２はアクチュエータ開口部３１を通る気流２３２ｘをブロックし、その一方で、端板弁２９は開いて空気を空洞１６内から放出させ、気流２２９が出口開口部２７を通って空洞１６から出られるようにする。アクチュエータ弁３２が閉じ、端板弁２９が開くと（図１１）、ディスクポンプ１０の出口開口部２７での気流２２９が、端板弁２９の設計の特徴に応じた最大値まで増大する（図１１Ａ）。端板弁２９が開くと、気流２２９はディスクポンプの空洞１６から出ることができ（図１１Ｂ）、その一方でアクチュエータ弁３２は閉じる。端板弁２９前後の正の差圧が減少し始めると、気流２２９は減少し始め、最終的に端板弁２９前後の差圧がゼロに達する。端板弁２９前後の差圧がゼロ以下になると、端板弁２９は閉じ始め、その際、端板弁２９を通じて空気の一部の逆流３２９が発生し、最終的に、図１０Ｂに示されるように端板弁２９が完全に閉じて気流２２９ｘをブロックする。
図１０Ｂと図１１、１１Ａ、１１Ｂの関連部分をさらに詳しく参照すると、中央部の負の腹４７の四角形部分６５が、前述のようにディスクポンプサイクルの後半中にアクチュエータ４０の振動によって空洞１６内で生成される。ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１と出口開口部２７がどちらも大気圧であると、中央部の負の腹４７の四角形部分６５によって端板弁２９前後の負の差圧とアクチュエータ弁３２前後の正の差圧が生じる。その結果、アクチュエータ弁３２が開き始め、端板弁２９が閉じ始めて、端板弁２９は出口開口部２７を通る空気流２２９ｘをブロックし、その一方で、アクチュエータ弁３２は開き、空気が気流２３２により示されるようにアクチュエータ開口部３１を通って空洞１６に流れ込むことができる。アクチュエータ弁３２が開き、端板弁２９が閉じると（図１１）、ディスクポンプ１０の出口開口部２７での気流は、前述のような少量の逆流３２９を除き、実質的にゼロになる（図１１Ａ）。アクチュエータ弁３２が開くと気流２３２はディスクポンプ空洞１６に流れ込むことができ（図１１Ｂ）、その間、端板弁２９は閉じる。アクチュエータ弁３２前後の正圧が減少し始めると、気流２３２は減少し始め、最終的にアクチュエータ弁３２前後の差圧はゼロに達する。アクチュエータ弁３２前後の差圧がゼロ以上に上昇すると、アクチュエータ弁３２が再び閉じ始め、再びアクチュエータ弁３２を通じて空気の一部の逆流３３２が発生し、最終的に、図１０Ａに示されるようにアクチュエータ弁３２が完全に閉じて気流２３２ｘをブロックする。その後、サイクルは、図１０Ａに関して上述したように繰り返す。それゆえ、ディスクポンプ１０のアクチュエータ４０が図１０Ａと１０Ｂに関して上述したように半サイクル２つ分にわたり振動すると、弁２９と３２前後の差圧により、空気はそれぞれ気流２３２、２２９によって示されるように、ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１から出口開口部２７へと流れる。
ディスクポンプ１０のアクチュエータ開口部３１が大気圧に保たれ、ディスクポンプ１０の出口開口部２７が負荷に空気力学的に連結され、これがディスクポンプ１０の動作を通じて加圧されると、ディスクポンプ１０の出口開口部２７での圧力が上昇し始め、最終的にディスクポンプ１０の出口開口部２７が最大圧力に達し、その時点でアクチュエータ開口部３１から出口開口部２７への気流は無視できる程度となり、すなわち「ストール」状態となる。図１２は、ディスクポンプ１０がストール状態にある時の、アクチュエータ開口部３１と出口開口部２７における空洞１６の中と空洞１６の外の圧力を示している。より詳しくは、空洞１６内の平均圧力は入口圧力より約１Ｐだけ高く（すなわち、大気圧より１Ｐ高い）、空洞１６の中央の圧力は略大気圧と略大気圧プラス２Ｐの間で変化する。ストール状態では、いつの時点においても、空洞１６内の圧力振動によって入口弁３２又は出口弁２９前後の正の差圧が、空気がディスクポンプ１０を通って流れるほど大きく何れかの弁を開くような程度にはならない。ディスクポンプ１０は２つの弁を使用するため、上述のような２つの弁２９、３２の相乗作用は、出口開口部２７とアクチュエータ開口部３１の間の差圧を２Ｐの最大差圧まで増大させることができ、これは弁が１つのディスクポンプの２倍である。それゆえ、前段落で説明した条件下で、２弁式ディスクポンプ１０の出口圧力は、自由流れモード中の大気圧から、ディスク１０がストール状態に到達した時に略大気圧プラス２Ｐの圧力まで上昇する。
図３Ａと３Ｂに関して上述した変位及び圧力振動を発生させるために、圧電アクチュエータ４０はその基本共振周波数で駆動される。しかしながら、アクチュエータ４０にはいくつかの共振モードがある。図１３Ａを参照すると、例示的な圧電アクチュエータ４０のインピーダンス分布３００が示されており、これには周波数に応じたインピーダンス３００の大きさ成分３０２と位相成分３０４の両方が含まれる。アクチュエータ４０のインピーダンス分布３００のピークは、約２１ｋＨｚ及びそれより高い共振周波数モードでの共振基本モード３１１を含む特定の周波数でのアクチュエータ４０の電気機械共振モードに対応する。このような、より高い周波数の共振モードには、約８３ｋＨｚでの第二の共振モード３１２、約１４７ｋＨｚでの第三の共振モード３１３、約１７４ｋＨｚでの第四の共振モード３１４、約２８２ｋＨｚでの第五の共振モード３１５が含まれる。
約２１ｋＨｚでの基本共振モード３１１は、上述のようにディスクポンプ１０を駆動する空洞１６内の圧力振動を起こさせる基本曲げモードである。８３ｋＨｚでの第二の共振モード３１２は、基本モード３１１の１つの環状の変位の節４４に加えて、第二の環状の変位の節（図示せず）を有する第二の曲げモードである。それぞれ約１７４ｋＨｚと２８２ｋＨｚでの第四と第五の共振モード３１４と３１５もまた、基本曲げモード３１１の１つの環状の変位モード４４に加えて、それより上の、それぞれ２つ又は３つの環状の変位モード（図示せず）を有する、軸方向に対称の、より高次の曲げモードである。図１３Ａからわかるように、これらの曲げモードの強さは一般に、周波数の増大に伴って減少する。
アクチュエータ４０の第三の共振モード３１３は、上述のように、アクチュエータ４０の半径方向の変位を起こす基本呼吸モードであり、ディスクポンプ１０の空洞１６内の有益な圧力振動を発生させない。基本的に、アクチュエータ４０の共振平面内運動は主としてこの周波数で発生し、その結果、図１３Ａではインピーダンスが非常に低いことがわかる。この基本呼吸モードの低いインピーダンスは、その周波数での駆動信号によって励起された時に、高い電力を消費することを意味する。
基本周波数と基本周波数の高調波周波数を含むパルス幅変調（ＰＷＭ）方形波信号を使って上記のアクチュエータ４０を駆動してもよい。図１３Ｂを参照すると、アクチュエータ４０を駆動するための、参照番号３７０により示されるＰＷＭ方形波信号の高調波を表すフーリエ成分３７０（ｎ）の棒グラフが示されており、「ｎ」は高調波次数である。各高調波のフーリエ成分が表Ｉに、異なる周波数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関する個別の参照番号と共に示されている。ＰＷＭ方形波信号３７０は５０％の周波数デューティサイクル（「ＤＣ」）を有する。周波数デューティサイクルとは、方形波周期のうち、信号がその２つの状態のうち一方であるパーセンテージを意味し、例えば、方形波の周期の５０％にわたって正である信号の周波数デューティサイクルは５０％である。周波数デューティサイクルが５０％のＰＷＭ方形波信号の奇数高調波成分の振幅は、高調波次数に反比例して減少する。周波数デューティサイクルが５０％のＰＷＭ方形波信号の各偶数高調波の振幅はゼロである。
Figure 2015510073
上記の例では、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、すなわち、駆動のためのＰＷＭ方形波信号の周波数は基本曲げモードの周波数とマッチするように選択される。しかしながら、図１３Ａと１３Ｂを比較するとわかるように、ＰＷＭ方形波信号３７０の特定の高調波は、アクチュエータ４０の共振の特定の高次モードと一致してもよい。駆動信号の高調波がアクチュエータ４０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伝えられる可能性があり、ディスクポンプ１０の効率が低下する。留意すべき点として、アクチュエータ４０の、このような、より高次の共振モードに伝えられるエネルギーのレベルは、その関連するモードの強さと種類及びそれに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でアクチュエータ４０を励起する駆動信号の振幅にも依存する。共振モードが強力で低インピーダンスであり、かつ大きな駆動信号振幅により駆動されると、多くのエネルギーが、このような望ましくない、より高次のモードでのアクチュエータ４０の振動に伝えられ、それによって散逸される可能性があり、その結果、ポンプの効率が低下する。そのため、より高次の共振モードは、ディスクポンプ１０の有益な動作に役立つのではなく、エネルギーを浪費させ、ディスクポンプ１０の効率に不利な影響を与える。
より詳しくは、図１３Ａの例では、周波数デューティサイクルが５０％のＰＷＭ方形波信号３７０の７次高調波３７７が約１４７ｋＨｚでの基本呼吸モード３１３の低いインピーダンスと一致する。７次高調波３７７の振幅がその高調波次数に反比例して比較的小さな数に減少したとしても、アクチュエータ４０のインピーダンスはその周波数では非常に低いため、７次高調波３７７の比較的小さい振幅でも、基本呼吸モード３１３のために多くのエネルギーを消費するのに十分である。図１４Ｂは、この周波数でアクチュエータ４０が吸収する電力が基本曲げモードの周波数で吸収されるものに近いことを示しており、すなわち、入力電力全体のうちの大きな部分がそれによって消費され、動作中のディスクポンプ１０の効率が大幅に低下する。
アクチュエータ４０の、より高次の共振モードの、このような不利な励起は様々な方法で抑制することができ、これには例えば、共振モードの強さを弱めるか、駆動信号の高調波の振幅を小さくするかの何れかが含まれ、これは周波数の点でアクチュエータ４０の特定の共振モードに最も近い。ある実施形態は、駆動信号を適正に選択及び／又は変調することによって、駆動信号の高調波による、より高次の共振モードの励起を減少させる装置と方法に関する。例えば、正弦波の駆動信号によってこの問題を回避できるが、それは、正弦波内に高調波周波数が含まれないため、そもそも、アクチュエータ４０のより高次の共振モードをまったく励起しないからである。しかしながら、圧電駆動回路は一般に、アクチュエータ用として方形波駆動信号を利用し、これは駆動回路の電子機器がより低コスト、より小型であることによるもので、これは本願で述べたディスクポンプ１０の医療用及びその他の用途にとって重要である。したがって、好ましい戦略は、駆動信号の７次高調波３７７を減衰させることによって、１４７ｋＨｚでのその基本呼吸モード３１３の周波数でのアクチュエータ４０の駆動を回避するように、アクチュエータ４０のための方形波駆動信号３７０を変調することである。このようにして、基本呼吸モード３１３は駆動回路から大きなエネルギーを消費しなくなり、それに伴うディスクポンプ１０の効率の低下が避けられる。
解決策の第一の実施形態は、アクチュエータ４０と直列に電気フィルタを追加して、方形波駆動信号内にある７次高調波３７７の振幅を除去又は減衰させることである。例えば、直列のインダクタをローパスフィルタとして使用し、方形波駆動信号内の高周波数高調波を減衰させ、駆動回路の方形波出力を有効に平滑化してもよい。このようなインダクタはアクチュエータに直列にインピーダンスＺを追加し、｜Ｚ｜＝２πｆＬである。ここで、ｆは問題の周波数であり、Ｌはインダクタのインダクタンスである。｜Ｚ｜が周波数ｆ＝１４７ｋＨｚで３００Ωより大きくなるようにするには、インダクタの数値を３２０μＨより大きくするべきである。このようなインダクタを追加することによって、１４７ｋＨｚでのアクチュエータ４０のインピーダンスが大幅に増大する。アナログ及びデジタル両方のローパスフィルタを含む代替的なローパスフィルタの構成も、本明細書に記載される原理に従って利用できる。ローパスフィルタに代わる、例えばノッチフィルタを、基本周波数又は他の高調波信号に影響を与えずに７次高調波３７７の信号をブロックするために使用してもよい。ノッチフィルタは、それぞれ３．９μＨと３３０ｎＦの数値を有する並列のインダクタとコンデンサを含んでいてもよく、これが駆動信号の７次高調波３７７を抑制する。アナログ及びデジタル両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も、本明細書に記載される原理に従って利用できる。
第二の実施形態によれば、ＰＷＭ方形波駆動信号３７０は、方形波信号３７０の周波数デューティサイクルを変調することにより、７次高調波３７７の振幅を縮小するように変調できる。方形波信号３７０のフーリエ解析を使用することにより、式２によって示されるように、駆動周波数の７次高調波の振幅を縮小又は排除することになる周波数デューティサイクルを決定できる。
Figure 2015510073
ここで、Ａｎはｎ次高調波の振幅、ｔは時間、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」の部分については−１の数値、「正」の部分については＋１の数値をとる。関数ｆ（ｔ）は周波数デューティサイクルが変化すると明らかに変化する。
７次高調波を排除するために最適な周波数デューティサイクルについて式２を解く（すなわち、ｎ＝７の場合にＡｎ＝０と設定する）と、
Figure 2015510073
となる。これらの式において、Ｔ１は方形波の符号が正から負に変わる時間であり、すなわちＴ１／Ｔは周波数デューティサイクルを表す。この式の解の数は無限にあるが、基本成分を保存するために５０％の周波数デューティサイクルに近づけたいため、Ｔ１／Ｔが１／２となる条件、すなわち、
Figure 2015510073
に最も近い解を選択し、これは４２．９％の周波数デューティサイクルに対応する。それゆえ、７次高調波信号は、方形波の周波数デューティサイクルが約４２．９％の具体的な数値に調整されると、駆動信号内で排除され、又は大幅に減衰される。
再び図１３Ｂを参照すると、参照番号３８０によって示されるＰＷＭ方形波信号の高調波を表すフーリエ成分３８０（ｎ）の棒グラフもまた示され、表Ｉの参照番号と共に列挙されている。ＰＷＭ方形波信号３８０の周波数デューティサイクルは約４３％であり、これは高調波成分３８０（ｎ）の相対的振幅を、基本周波数３８１の振幅を大きく変化させずに、５０％の周波数デューティサイクルでのＰＷＭ方形波信号３７０のそれと比較して変化させる。７次高調波成分３８７の振幅は所望の通りに無視できる程度となっているが、４次高調波成分３８４の振幅は周波数デューティサイクルの変化によってゼロから増大しており、その周波数は８３ｋＨｚでのアクチュエータ４０の第二の曲げモード３１２のそれに近い。しかしながら、第二の曲げモード共振３１２でのアクチュエータ４０のインピーダンスは十分に高く（基本呼吸モード３１４でのインピーダンスと異なる）、それによってこのアクチュエータモードに伝わるエネルギーは小さく、したがって、４次高調波が存在してもアクチュエータ４０の電力消費、ひいてはディスクポンプ１０の効率に大きな影響を与えない。７次高調波成分３８７を例外として、図１３Ｂに示されるその他の高調波成分は、これらが図１３Ａに示されるアクチュエータ４０の曲げ又は呼吸モードの何れとも一致せず、又はそれに近くないため、問題とはならない。
周波数デューティサイクルが４３％での７次高調波成分３８７の振幅は無視できる程度に小さくなり、それによってアクチュエータ４０の基本呼吸モード３１２の低インピーダンスの影響も無視できる。その結果、周波数デューティサイクルが４３％のＰＷＭ方形波信号３８０は、アクチュエータ４０の基本呼吸モード３１２をそれほど励起せず、すなわち、このモードに伝えられるエネルギーは無視でき、それによってディスクポンプ１０の効率は、ＰＷＭ方形波信号をアクチュエータ４０の入力として使用しても損なわれない。
図１４Ａは、方形波の周波数デューティサイクルを変化させた時の、基本周波数（「ｓｉｎ（ｘ）」として表示）、４次高調波周波数（「ｓｉｎ（４ｘ）」として表示）、７次高調波周波数（「ｓｉｎ（７ｘ）」として表示）に関する高調波振幅（Ａｎ）のグラフを示す。図１４Ｂは、方形波の周波数デューティサイクルを変化させた時の、アクチュエータ４０の、対応する電力消費（Ａｎ ２／Ｚに比例し、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）を示す。より詳しくは、それぞれＰＷＭ方形波信号３７０と３８０の基本周波数３７１と３８１が、図１３Ｂにおいて上述したそれぞれその４次及び７次高調波成分３７４、３８４及び３７７、３８７の、それに対応する振幅と共に、周波数デューティサイクルに関して示されている。図からわかるように、その周波数デューティサイクルが４３％のＰＷＭ方形波信号３８０の７次高調波３８７の電圧振幅はゼロと等しく、その一方で、基本成分３８１の電圧振幅は、ＰＷＭ方形波信号３７０の周波数デューティサイクルが５０％の時のその数値からわずかに減少しているのみである。留意すべき点として、４次高調波３７４は、周波数デューティサイクルが５０％のＰＷＭ方形波信号３８０では存在しないが、前述のように、周波数デューティサイクルが４３％のＰＷＭ方形波信号３８０では存在する。しかしながら、４次高調波３８４の電圧振幅の増大は問題ではなく、それは、前述のように、第二の共振モード３１２でのアクチュエータ４０の、それに対応するインピーダンスが比較的高いからである。その結果、４次高調波の電圧振幅を印加しても、方形波の周波数デューティサイクルが４３％の時には、図１４Ｂに示されるようにアクチュエータ４０における電力散逸４８４はほとんどない。７次高調波３８７の電圧振幅は、周波数デューティサイクルが４３％の時、周波数デューティサイクルが４３％のＰＷＭ方形波信号３８０から実質的に排除されており、図１４Ｂに示されるようなアクチュエータ４０における無視できる程度の電力散逸４８７からわかるように、アクチュエータ４０の基本呼吸モード３１２の低いインピーダンスを基本的に無効にする。
次に図１５を参照すると、ディスクポンプ１０を駆動するための駆動回路５００が、加熱要素６０を内蔵するアクチュエータ４０を含むディスクポンプ１０に関連して示されている。駆動回路５００はマイクロコントローラ５０２を含んでいてもよく、これは、当業界で知られているようにＰＷＭ信号とすることのできる駆動信号５１０を生成するように構成される。マイクロコントローラ５０２は、メモリ５０４を備えるように構成されていてもよく、これはマイクロコントローラ５０２の動作を制御するデータ及び／又はソフトウェア命令を保存する。メモリ５０４は、周期レジスタ５０６と周波数デューティサイクルレジスタ５０８を含んでいてもよい。周期レジスタ５０６は、駆動信号５１０の周期を定義する数値を保存するメモリ位置であってもよく、周波数デューティサイクルレジスタ５０８は、駆動信号５１０の周波数デューティサイクルを定義する数値を保存するメモリ位置であってもよい。１つの実施形態において、周期レジスタ５０６と周波数デューティサイクルレジスタに保存される数値は、使用者が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し、レジスタ５０６と５０８に保存する。マイクロコントローラ５０２により実行されているソフトウェア（図示せず）は、レジスタ５０６と５０８に保存されている数値にアクセスして、駆動信号５１０のための周期と周波数デューティサイクルを決定してもよい。マイクロコントローラ５０２はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５１２をさらに含んでいてもよく、これはアナログ信号を、マイクロコントローラ５０２が駆動信号５１０の生成、変調又はその他の制御に使用するためのデジタル信号に変換するように構成される。
駆動回路５００はバッテリ５１４をさらに含んでいてもよく、これは駆動回路５００内の電子部品に電圧信号５１８を供給する。電流センサ５１６は、ディスクポンプ１０により消費される電流を検出するように構成されていてもよい。昇圧変換器５１９は、電圧信号５１８を昇圧電圧信号５２２に昇圧、増幅、又はその他の方法で増大させるように構成されていてもよい。Ｈブリッジ５２０は、昇圧変換器５１９及びマイクロコントローラ５０２と連通し、ディスクポンプ１０を、ディスクポンプ１０のアクチュエータ４０に印加されるポンプ駆動信号５２４ａと５２４ｂ（まとめて５２４）で駆動するように構成されていてもよい。Ｈブリッジ５２０は標準的Ｈブリッジであってもよく、これは当業界で知られているとおりである。動作中、電流センサ５１６が、ＡＤＣ５１２を介したマイクロコントローラ５０２の判断によってディスクポンプ１０の消費電流が大きすぎることを検出すると、マイクロコントローラ５０２は駆動信号５１０をオフにしてもよく、それによってディスクポンプ１０又は駆動回路５００の過熱又は損傷が防止される。このような能力は例えば医療応用において、患者に傷害を与え、又はその他の方法で患者の治療に無効となる可能性を回避するために有益でありうる。マイクロコントローラ５０２はまた、可聴音又は視覚的な表示ランプを生成するアラーム信号を発生してもよい。
駆動回路５００は、個別の電子部品として示されている。理解すべき点として、駆動回路５００はＡＳＩＣ又はその他の集積回路として構成してもよい。また、理解すべき点として、駆動回路５００はアナログ回路として構成し、アナログ正弦波駆動信号を使用するようにしてもよく、それによって高調波信号の問題が回避される。
次に、図１６Ａ〜１６Ｃを参照すると、方形波駆動信号６１０、６３０、６５０とそれに対応するアクチュエータ応答信号６２０、６４０、６６０のグラフ６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃが、基本周波数を約２１ｋＨｚとして、それぞれ５０％、４５％、４３％の周波数デューティサイクルで示されている。それぞれ周波数デューティサイクルが５０％と４５％の方形波駆動信号６１０と６３０はアクチュエータ４０の基本呼吸モード３１３を励起するのに十分な７次高調波の成分を含んでおり、これはそれぞれ対応する電流信号６２０と６４０の中の高い周波数成分により証明される。このような信号は、約１４７ｋＨｚでアクチュエータ４０の基本呼吸モード３１０に大きな電力が供給されている証拠となる。しかしながら、方形波信号の周波数デューティサイクルが、図１６Ｃに示される方形波駆動信号６５０について約４３％に設定されると、７次高調波の内容は有効に抑制されて、アクチュエータ４０の基本呼吸モード３１０へのエネルギーの伝達が大幅に減少し、これは、電流信号６２０と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によって証明される。このようにして、ポンプの効率が有効に保持される。
アクチュエータ４０のインピーダンス３００とそれに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いており、この場合、圧電ディスクの厚さは約０．４５ｍｍであり、端板１３の厚さは約０．９ｍｍである。理解すべき点として、アクチュエータ４０が本願の範囲内で異なる寸法と構成上の特性を有する場合、方形波信号の周波数デューティサイクルを基本周波数に基づいて調整し、アクチュエータ４０の基本呼吸モードが方形波は信号の高調波成分の何れによっても励起されないようにすることにより、本発明の原理を依然として利用できる。より一般的には、本発明の原理は、アクチュエータ４０の構造とディスクポンプ１０の性能を特徴付ける共振モードに対する方形波信号の高調波成分の影響を減衰させ、又は排除するために利用してもよい。この原理は、アクチュエータ４０を駆動するために選択された方形波信号の基本周波数と、対応する高調波に関係なく適用可能である。
前述のように、アクチュエータをその基本共振モードで駆動することにより、ディスクポンプ１０の効率が保持される。しかし、基本共振モードの周波数は、ディスクポンプ１０の温度に応じて変化する可能性がある。このような可変性は、アクチュエータ４０を形成する圧電材料の温度依存性に起因する。例えば、例示的な圧電材料の共振周波数は、温度に応じて増減しうる。例えば、図１７は、温度に応じた圧電材料の共振周波数の増減（２０℃での圧電材料の共振周波数のパーセンテージで表す）を示す。図１７は、例示的な圧電材料、例えばＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ社製のＰＺＴセラミックＰＩＣ２５５の共振周波数が６０℃で約１％、１００℃で２．２％、１４０℃で３％と上昇したことを示している。図１７のＰＺＴ材料を考えると、ディスクポンプ１０が定常運転時に６０℃で動作するように構成されている場合、６０℃がディスクポンプ１０の標的温度であると考えてもよい。標的温度に基づき、基本共振周波数はＰＺＴ材料の基本共振周波数プラス１％であると仮定できる。アクチュエータ４０に含められる圧電材料の温度依存特性の結果として、ディスクポンプ１０はその「ウォームアップ」が終わるまで、より低効率で機能する可能性がある。
一般に、アクチュエータ４０を駆動する駆動信号の周波数は、圧電アクチュエータ４０の共振周波数に（一部）基づいて構成される。駆動信号は一般に、ディスクポンプ１０が定常状態で、又は標的温度で動作していると仮定して構成される。ディスクポンプ１０は標的温度で最も効率的に動作するように構成されているため、ディスクポンプ１０が始動してからディスクポンプ１０が標的温度に到達するまでは、ディスクポンプ１０の動作の効率は低い。ディスクポンプ１０が始動から定常運転へと移行すると、ディスクポンプ１０はウォームアップされ、ディスクポンプ１０とその構成部品の温度は始動温度から標的温度へと徐々に移行する。ディスクポンプ１０は、ディスクポンプ１０を駆動する電気エネルギーの散逸とその結果として得られる運動エネルギーによってウォームアップされる。
アクチュエータ４０は、その基本モードの共振周波数が標的温度で空洞１６の共振周波数に近くなるように設計してもよい。アクチュエータ４０の共振周波数は、始動温度で、又はそれ以外に温度が標的温度と異なる時に、より高いか、より低い場合がある。実際には、これは、ディスクポンプ１０が、ディスクポンプ１０の動作温度が標的温度かその付近である時に最も効率的に動作し、ディスクポンプ１０が始動温度ではより低い効率で動作することを意味する。
一般に、ポンプ動作の本来的な非効率性により、ディスクポンプ１０が加熱される。したがって、アクチュエータ４０が、始動温度で空洞１６内の空気の共振周波数がマッチする共振周波数を有するように選択された場合、ディスクポンプ１０の温度が上昇すると、アクチュエータ４０と空洞１６内の空気の共振周波数がマッチしなくなる可能性がある。反対に、アクチュエータ４０が、標的温度で空洞１６内の空気の共振周波数とマッチする共振周波数を有するように選択された場合は、始動温度でアクチュエータ４０と空洞１６内の空気の共振周波数がマッチしない可能性がある。何れの場合も、マッチしていない共振周波数により、ある期間にわたってディスクポンプ１０の効率が低下するかもしれない。アクチュエータ４０の温度を制御することによって、アクチュエータ４０の共振周波数と空洞１６内の空気の共振周波数がマッチしない期間を短縮又は排除して、ディスクポンプ１０の効率を改善しうる。アクチュエータ４０の温度を制御する能力は、ディスクポンプ１０の動作デューティサイクルが不明な場合に特に有益である。例えば、ディスクポンプ１０が負荷３８、例えば漏れのある減圧創傷用ドレッシングに連結されている場合、ディスクポンプ１０はほとんど常に動作したままであるかもしれない。反対に、ディスクポンプ１０が十分に密閉された負荷３８、例えば、ほとんど漏れのない減圧創傷用ドレッシングに連結されている場合、ディスクポンプ１０は標的動作温度に到達するまでの十分な期間にわたりまったく動作しないかもしれない。後者の実施例の場合、ディスクポンプ１０の電源は、バッテリであってもよいが、想定より早く消耗する可能性がある。
ディスクポンプ１０の効率を改善するために、図１に示されるシステムは、加熱要素６０を有するアクチュエータ４０を含む。加熱要素６０は、アクチュエータ４０を標的温度に保持でき、それによってアクチュエータ４０の共振周波数は、ディスクポンプ１０が始動、停止、再始動しても一定に保持される。加熱要素６０は、アクチュエータ４０を標的温度に保持して、ディスクポンプ１０が動作する時に駆動信号がアクチュエータ４０をその基本共振モードで駆動するようにするべく機能してもよい。これに加えて、加熱要素６０は、ディスクポンプ１０がその通常動作の結果として十分に発熱しない時に、アクチュエータ４０の温度を標的温度に保持する。例えば、加熱要素６０は、ディスクポンプ１０が一時的に動作を停止しているか、又はストール状態にある時に、始動後しばらくの間、アクチュエータ４０を加熱してもよい。
図１８の並列グラフは、加熱要素６０を含むディスクポンプ１０と加熱要素６０を含まないディスクポンプ１０の動作特性の比較を示している。図１８の上のグラフは、加熱要素６０を含まないポンプの動作特性を示し、ディスクポンプ１０がオン状態とオフ状態の間で推移する時にアクチュエータ４０の基本共振周波数が変動することを示している。下のグラフは、加熱要素６０を含むディスクポンプ１０の動作特性を示し、加熱要素６０がオフ状態とオン状態の間で推移して、ディスクポンプ１０がオン状態とオフ状態の間で推移してもアクチュエータ４０の温度を標的温度に保持することを示している。ディスクポンプ１０がオフ状態に推移すると加熱要素６０はオン状態に推移し、またその逆となる。上述のように、アクチュエータ４０の温度を標的温度に保持することによってアクチュエータ４０の基本共振周波数は安定する。図１８は、ディスクポンプ１０がオフになると、アクチュエータ４０が低温化し始めて、加熱要素６０がアクチュエータ４０の温度が低下するのを防止し、標的温度とそれに関連する共振周波数を保持することを示している。ディスクポンプ１０が再始動すると、加熱要素６０がオフとなり、それによってアクチュエータ４０の加熱を促進しない。
ある例示的実施形態においては、加熱要素６０は始動前にアクチュエータ４０を予熱する。加熱要素６０は、ディスクポンプ１０の動作が標的温度の保持に十分なだけ発熱したところで動作停止し、ディスクポンプ１０が一時的に停止した場合には再び作動されて標的温度を保持する。この実施形態において、加熱要素６０はアクチュエータ４０に熱的に連結され、アイソレータ３０と一体の導電性要素を通じて電源（図示せず）に接続される。ある実施形態において、加熱要素６０は、アクチュエータ４０の一部を形成する不活性内側板１４の中に埋め込まれる。
ある例示的実施形態において、加熱要素６０はアクチュエータ４０の温度を標的温度に保持する。アクチュエータ４０の温度が標的温度より高いと、システムは、アクチュエータ４０を駆動するために使用される電流の量を減らすことによって温度を下げてアクチュエータ４０を標的温度に維持してもよい。アクチュエータ４０の温度の温度は測定しても、アルゴズムにより計算してもよい。例えば、ディスクポンプ１０の初期温度は、マイクロコントローラ５０２等のコントローラにプログラムしてもよい。アクチュエータ４０の加熱速度は、経験的データ又はモデリングに基づいて計算され、ディスクポンプ１０、温度上昇（又は低下）速度、経過時間に基づいてディスクポンプ１０の温度を予測するために使用されてもよい。
他の実施形態において、ディスクポンプ１０はサーモスタット（図示せず）を含み、これはアクチュエータ４０の温度を測定する。ディスクポンプ１０の他の構成部品の中で、サーモスタットはディスクポンプシステム５００を制御するマイクロコントローラ５０２に通信可能に連結される。マイクロコントローラ５０２は、サーモスタットから受け取った温度データに基づいて、加熱要素６０にアクチュエータ４０への熱供給を行わせてもよい。ある実施形態において、アクチュエータ４０に熱を供給することにより、アクチュエータ４０の温度を標的温度に、又はその付近の温度に安定化させる。サーモスタットはサーミスタ、サーモスタット出力センサ集積回路、又はディスクポンプシステム１００内への適用に適した他のタイプのサーモスタットであってもよい。サーモスタットは、アクチュエータ４０に熱的に連結されても、ディスクポンプ１０の空洞１６の内部の温度をモニタするように構成されてもよい。
他の実施形態において、アクチュエータ４０は導電コイルに熱的に連結され、これ自体は熱電発電機と熱電冷却器に連結される。熱電発電機と熱電冷却器はアクチュエータ４０の温度が標的温度より低いか、高いかに基づいて、アクチュエータ４０に熱を（それぞれ）供給し、又は除去することができる。ある実施形態において、マイクロコントローラ５０２は、アクチュエータ４０の温度が標的温度より低いと、熱電発電機に導電コイルを介して熱を供給させる。同様に、マイクロコントローラ５０２は、アクチュエータ４０の温度が標的温度より高い場合は、熱電冷却機にアクチュエータ４０から熱を除去させる。アクチュエータ４０の温度を標的温度に保持することにより、ディスクポンプ１０の動作による不利な温度の影響を極小化できる。
再び図１５を参照すると、駆動回路５００のマイクロコントローラ５０２は、加熱要素６０を動作させるための別の制御回路を含んでいてもよい。駆動回路は、電子回路と呼ぶ場合もある。マイクロコントローラ５０２は、ディスクポンプ１０の機能を制御できる回路又はロジックを含んでいてもよい。マイクロコントローラ５０２は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、中央処理ユニット、デジタルロジック又は、１つ又は複数のハードウェア及びソフトウェア素子を含み、ソフトウェア、命令、プログラム、アプリケーションを実行し、信号と情報を変換し、処理し、その他の関連タスクを実行する、電子機器を制御するのに適したその他のデバイスとして機能し、又はこれを含んでいてもよい。マイクロコントローラ５０２は、単独チップであっても、他の計算又は通信素子と一体化してもよい。１つの実施形態において、マイクロコントローラ５０２はメモリを含み、又はメモリと通信してもよい。メモリは、ハードウェア素子、デバイス、又は後の時点でその後読み出し、又はアクセスするためのデータを保存するように構成された記録媒体であってもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ、キャッシュ又は、データ、命令、情報の保存に適したその他の小型記憶媒体の形態のスタティック又はダイナミックメモリであってもよい。代替的実施形態において、電子回路は、上述のように、ディスクポンプ１０の空洞内の圧力を測定し、アクチュエータ４０の変位を制御するための同じ又は同様の機能を実行するように構成されたアナログ回路であってもよい。
駆動回路５００はまた、ディスクポンプ１０の性能に関する情報とデータを伝えるためのＲＦトランシーバ５７０を含んでいてもよく、これには、アクチュエータ４０又はアイソレータ３０にも連結されていてもよい温度センサ（図示せず）を通じたポンプの動作温度が含まれる。一般に、駆動回路５００は、ＲＦトランシーバ５７０を含む通信インタフェース、赤外線又は、その他の有線又は無線信号を利用して、１つ又は複数の外部機器と通信してもよい。ＲＦトランシーバ５７０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、ＷｉＭＡＸ又はその他の通信標準又はプロプライエタリ通信システムを利用してもよい。より具体的な用途に関して、ＲＦトランシーバ５７０は信号５７２をコンピューティングデバイスに送信してもよく、これは圧力読取値のデータベースを保存し、医療従事者が参照できるようにする。コンピューティングデバイスはコンピュータ、モバイル機器、又は医療機器デバイスであってもよく、これらは情報をローカルで処理しても、又は情報とデータの処理を目的として中央又は遠隔コンピュータに通信してもよい、コンピュータ、モバイル機器、又は医療機器デバイスであってもよい。同様に、ＲＦトランシーバ５７０は信号５７２を受信して、アクチュエータ４０の運動に基づいて、負荷３８においてディスクポンプシステム１０により生成される圧力を外部から調整してもよい。
他の実施形態において、駆動回路５００は、使用者に情報を表示するためのユーザインタフェースと通信してもよい。ユーザインタフェースは、情報、データ又は信号を使用者に供給するための表示体、音声インタフェース又は触覚インタフェースを含んでいてもよい。例えば、小型ＬＥＤスクリーンが、ディスクポンプシステム１０によってかけられている圧力を表示してもよい。ユーザインタフェースはまた、ディスクポンプの性能、特に生成される減圧を調整するためのボタン、ダイヤル、つまみ又はその他の電気的又は機械的インタフェースを含んでいてもよい。例えば、ユーザインタフェースの一部であるつまみ又はその他の制御要素を調整することによって圧力を増減してもよい。
以上のことから、大きな利点を有する発明が提供されたことが明らかとなるはずである。本発明は、その形態のいくつかのみにおいて示されているが、そのように限定されるのではなく、その主旨から逸脱することなく、各種の変更や改良が可能である。

Claims (23)

  1. ディスクポンプシステムにおいて、
    実質的に円筒形で、流体を収容する空洞を画定するポンプ本体であって、前記空洞が両端において実質的に円形の端壁で閉鎖された側壁によって形成され、前記端壁の少なくとも一方が被駆動端壁であり、中央部分と前記被駆動端壁の前記中央部分から半径方向に外側に延びる周辺部分を有するようなポンプ本体と、
    前記被駆動端壁の前記中央部分に動作的に関連付けられたアクチュエータであって、前記被駆動端壁の周波数（ｆ）での振動運動を起こし、それによって前記被駆動端壁の、それに対して実質的に垂直な方向への変位振動を発生させ、前記周波数（ｆ）が前記アクチュエータの基本曲げモードと略等しいようなアクチュエータと、
    出力が前記アクチュエータに電気的に連結され、前記アクチュエータに前記周波数（ｆ）で駆動信号を供給するための駆動回路と、
    前駆被駆動端壁の前記周辺部分に動作的に関連付けられ、前記変位振動の減衰を縮小するアイソレータと、
    前記端壁の何れか一方の、環状の節以外の何れかの位置に設けられ、前記ポンプ本体を通って延びる第一の開口部と、
    前記ポンプ本体の、前記第一の開口部の位置以外の何れかの位置に設けられ、前記ポンプ本体を通って延びる第二の開口部と、
    前記第一の開口部と前記第二の開口部の少なくとも一方に設置された弁であって、使用時に、前記変位振動が前記ポンプ本体の前記空洞内の前記流体の、それに対応する圧力振動を発生させ、それによって流体が前記第一の開口部と前記第二の開口部を通って流れるような弁と、
    前記アクチュエータに熱的に連結された加熱要素であって、前記アクチュエータの温度を標的温度まで上昇させるように動作可能な加熱要素と、
    を含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  2. 請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記アイソレータが可撓性プリント回路材料を含むことを特徴とするディスクポンプステム。
  3. 請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素に連結されたマイクロコントローラと、
    前記マイクロコントローラに連結されたサーモスタットと、
    をさらに含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  4. 請求項３に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記サーモスタットが、前記アクチュエータの温度を前記マイクロコントローラに表示するように動作可能であり、
    前記マイクロコントローラが、前記表示された温度が標的温度より低いか否かを判定して、前記表示された温度が前記標的温度より低いとの判定に応答して前記加熱要素を作動させるように動作可能であることを特徴とするディスクポンプシステム。
  5. 請求項３に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が熱電発電機に熱的に連結された導電コイルを含み、
    前記導電コイルに連結された熱電冷却器をさらに含み、
    前記サーモスタットが、前記アクチュエータの温度を前記マイクロコントローラに表示するように動作可能であり、
    前記マイクロコントローラが、前記表示された温度が前記標的温度より低いとの判定に応答して前記熱電発電機を作動させ、前記表示された温度が前記標的温度より高いとの判定に応答して前記熱電冷却器を作動させるように動作可能であることを特徴とするディスクポンプシステム。
  6. 請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が抵抗加熱要素を含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  7. 請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が、熱電発電機に熱的に連結された導電コイルを含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  8. 請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記アクチュエータに熱的に連結された導電コイルに連結された熱電冷却器をさらに含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  9. ディスクポンプの動作温度を保持する方法において、
    温度測定値を取得するステップであって、前記温度測定値がディスクポンプのアクチュエータの温度を示すようなステップと、
    前記温度測定値を前記ディスクポンプのマイクロコントローラに転送するステップと、
    前記アクチュエータの温度が標的温度より低いか否かを判定するステップと、
    前記アクチュエータの温度が前記標的温度より低いと判定されたことに応答して、前記アクチュエータに熱的に連結された加熱要素を作動させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  10. 請求項９に記載の方法において、
    前記加熱要素が抵抗加熱要素であることを特徴とする方法。
  11. 請求項９に記載の方法において、
    前記加熱要素が、前記アクチュエータに熱的に連結された導電コイルに連結された熱電発電機であることを特徴とする方法。
  12. 請求項９に記載の方法において、
    前記アクチュエータの温度が前記標的温度より高いか否かを判定するステップと、
    前記アクチュエータの温度が前記標的温度より高いと判定されたことに応答して、熱電冷却器を作動させるステップであって、前記熱電冷却器が前記アクチュエータに熱的に連結されているようなステップと、
    をさらに含むことを特徴とする方法。
  13. 請求項９に記載の方法において、
    温度測定値を取得するステップが、前記温度測定値をサーモスタットで取得するステップを含むことを特徴とする方法。
  14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記サーモスタットがサーミスタであることを特徴とする方法。
  15. 請求項１３に記載の方法において、
    前記サーモスタットが、サーモスタット出力温度センサ集積回路であることを特徴とする方法。
  16. ディスクポンプにおいて、
    実質的に円筒形で、流体を収容する空洞を画定するポンプ本体であって、前記空洞が、両端において実質的に円形の端壁で閉鎖される側壁により形成され、前記端壁の少なくとも一方が被駆動端壁であり、これは中央部分と、前記被駆動端壁の前記中央部分から半径方向に外側に延びる周辺部分を有するようなポンプ本体と、
    前記被駆動端壁の前記中央部分に動作的に関連付けられたアクチュエータであって、前記被駆動端壁の周波数（ｆ）での振動運動を起こし、それによって前記被駆動端壁の、それに対して実質的に垂直な方向への変位振動を発生させ、前記周波数（ｆ）が前記アクチュエータの基本曲げモードと略等しいようなアクチュエータと、
    出力が前記アクチュエータに電気的に連結され、前記アクチュエータに前記周波数（ｆ）で駆動信号を供給するための駆動回路と、
    前駆被駆動端壁の前記周辺部分に動作的に関連付けられ、前記変位振動の減衰を縮小するアイソレータであって、可撓性プリント回路材料を含むアイソレータと、
    前記端壁の何れか一方の、環状の節以外の何れかの位置に設けられ、前記ポンプ本体を通って延びる第一の開口部と、
    前記ポンプ本体の、前記第一の開口部の位置以外の何れかの位置に設けられ、前記ポンプ本体を通って延びる第二の開口部と、
    前記第一の開口部と前記第二の開口部の少なくとも一方に設置された弁であって、使用時に、前記変位振動が前記ポンプ本体の前記空洞内の前記流体の、それに対応する圧力振動を発生させ、それによって流体が前記第一の開口部と前記第二の開口部を通って流れるような弁と、
    前記アイソレータと一体の導電要素を介して電源に熱的に連結される加熱要素と、
    を含むことを特徴とするディスクポンプ。
  17. 請求項１６に記載のディスクポンプにおいて、
    前記加熱要素に連結されたマイクロコントローラと、
    前記マイクロコントローラに連結されたサーモスタットと、
    をさらに含むことを特徴とするディスクポンプ。
  18. 請求項１７に記載のディスクポンプにおいて、
    前記サーモスタットが、前記アクチュエータの温度を前記マイクロコントローラに表示するように動作可能であり、
    前記マイクロコントローラが、前記表示された温度が標的温度より低いか否かを判定して、前記表示された温度が前記標的温度より低いとの判定に応答して前記加熱要素を作動させるように動作可能であることを特徴とするディスクポンプ。
  19. 請求項１７に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が熱電発電機に熱的に連結された導電コイルを含み、
    前記導電コイルに連結された熱電冷却器をさらに含み、
    前記サーモスタットが、前記アクチュエータの温度を前記マイクロコントローラに表示するように動作可能であり、
    前記マイクロコントローラが、前記表示された温度が前記標的温度より低いとの判定に応答して前記熱電発電機を作動させ、前記表示された温度が前記標的温度より高いとの判定に応答して前記熱電冷却器を作動させるように動作可能であることを特徴とするディスクポンプシステム。
  20. 請求項１６に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が抵抗加熱要素を含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  21. 請求項１６に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記加熱要素が、熱電発電機に熱的に連結された導電コイルを含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  22. 請求項１６に記載のディスクポンプシステムにおいて、
    前記アクチュエータに熱的に連結された導電コイルに連結された熱電冷却器をさらに含むことを特徴とするディスクポンプシステム。
  23. 本明細書中で図示され、説明されたディスクポンプ、システム、及び方法。
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