JP3951603B2 - ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ - Google Patents
ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3951603B2 JP3951603B2 JP2000402792A JP2000402792A JP3951603B2 JP 3951603 B2 JP3951603 B2 JP 3951603B2 JP 2000402792 A JP2000402792 A JP 2000402792A JP 2000402792 A JP2000402792 A JP 2000402792A JP 3951603 B2 JP3951603 B2 JP 3951603B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pump
- nozzles
- pump chamber
- check valve
- fluid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子等のアクチュエータによりピストンあるいはダイヤフラムなどの可動壁を振動させることでポンプ室内の容積を変更し、吸入及び吐出動作を行なうポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、１周期の変位は小さいが応答周波数が高く、素子の共振周波数までの間は、高周波で駆動するほど出力エネルギが大きく取れる特性を有している。このため、ダイアフラムポンプに代表されるような可動壁を駆動する往復動ポンプの駆動源として圧電素子（若しくは、圧電素子のような特性を有するアクチュエータ）を使用する場合には、高周波駆動できるポンプ構成とすることで、ポンプの出力エネルギが大きくなり、電動モータを用いるものより小型軽量なポンプ構成となる。
【０００３】
ところで、高周波駆動できるポンプ構成とするためには、可動壁の変位に伴い排除される体積（排除体積）分の動作流体がポンプ内を通過する通過時間を短くする必要がある。この通過時間を短くする一つの方法として、ポンプを構成している逆止弁を通過する動作流体の抵抗（流体抵抗）を減らす方法が知られており、具体的な技術として、例えば特開平５−２８８１５１号公報（先願技術１と称する）には、逆止弁を多数使用することが記載されており、日本機械学会論文集（Ｃ編）６０巻５７１号９５６ページの「圧電素子を動力源とする油圧式アクチュエータに関する研究」（先願技術２と称する）には、流量をＱとして並列配置した弁の個数をｎとし、弁の損失をＱ3 ／ｎ2 に比例するという記載から、弁を並列配置して流体抵抗を低減することが記載されている。
【０００４】
また、圧電素子を駆動源としたポンプに使用する逆止弁の具体的な技術として、例えば特開平５−１７２０６０号公報（先願技術３と称する）には、シリコンゴム製で放射状のアームを持つ円形弁が記載されており、金属材料を弁体に用いた小型逆止弁としては、日本機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５６４号２１３ページの「圧電素子を動力源とする油圧式アクチュエータに関する研究」（先願技術４と称する）にピアノ線によって位置規制された円盤型逆止弁が記載され、日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻６３１号２１５ページの「共振駆動を用いた高パワー密度の圧電マイクロポンプ」（先願技術５と称する）にリード弁を逆止弁として使用することが記載されている。
【０００５】
一方、ダイヤフラムポンプに代表されるような可動壁を弾性支持する往復動ポンプでは、その弾性と可動壁自体の質量等の関係から決まる共振周波数が温度等の影響で変動しやすく、様々な環境で、最適な駆動周波数を選択する必要があり、温度による共振周波数の変動を小さくする先願技術として、例えば、特開平１１−２３６８８０号公報（先願技術６と称する）に、振動板をバネ座金の付勢力により挟持することが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子を駆動素子としたポンプを高周波駆動するために排除体積分の動作流体の通過時間を短くするためには、ポンプ室内の流体抵抗を減らすことも無視できない。ところが、前述した先願技術１及び先願技術２は、ポンピ室の流体抵抗を減らすことに関して何等開示していなかった。
【０００７】
一方、ポンプ用逆止弁として示した先願技術３は、アーム部の伸長によって動作するため、その構造では高速駆動時に内部損失の大きいゴムを使用する必要があり、その結果、応答性の低下と弁の寿命が短いという課題がある。また、先願技術４及び先願技術５の逆止弁は、円盤型弁、リード弁ともに十分な弁リフト量を確保しなければ流路断面積が確保できず損失が発生し、逆に十分な弁リフト量を確保すると弁の高速移動が必要で応答性が悪化するという課題がある。また、円盤型弁においては、弁体の位置規制構造の複雑さから直径４ｍｍ程度が小型化の限界であり、圧電素子を用いたポンプの目的の小型化をも阻害していた。
【０００８】
さらに、往復動ポンプとして示した先願技術６は、ポンプ自体の温度による可動板の変位への影響は防止できるが、他の要因による影響を防ぐことが不可能である。例えば、シリコンゴムでできた流体室に、動作流体を圧送して変形させるようなフレキシブルアクチュエータの駆動原としてポンプを用いるような場合、シリコンゴム製の流体室や動作流体自体が温度によって膨張する等の影響を受け、全体圧力の変化等が生じると、この全体圧力の変化がダイヤフラムの変形に影響を与え、結果的に可動版の共振周波数の変化をもたらしてしまうのである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能とし、高速応答性に優れたポンプ用逆止弁及びそれを使用したポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の容積が変更可能なポンプ室を備えたポンプに用いられるポンプ用逆止弁において、リング状流路と、このリング状流路を開閉する、螺旋状アームで支持されたリング状薄板を具備しているようにしたことを特徴とするポンプ用逆止弁である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のポンプ用逆止弁において、前記リング状流路の外径を３ｍｍ以下とした。また、請求項３記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、ポンプ室中心に対して周方向に略等距離間隔で配置されており、他の一方の管路が有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けたことを特徴とするポンプである。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のポンプにおいて、前記複数のノズルは、前記ポンプ室の中心位置から距離の異なる、複数の周上に配置されている。また、請求項５記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、各ノズルに対する流体の最大移動距離が略等しい位置に配置されており、他の一方の管路を有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載のポンプにおいて、前記複数のノズルは、吸入管路を有するノズルであり、前記ポンプ室中心に近い位置に配置されているノズルは、吐出管路を有するノズルである。
【００１４】
一方、第１形態のポンプ制御方法は、ピストン、或いはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、前記可動壁を駆動するアクチュエータとを有するポンプにおいて、前記可動壁の共振周波数を演算する可変周波数手段を備え、当該可変周波数手段が、前記ポンプ室内の環境に応じて前記アクチュエータを制御するようにしたポンプ制御方法である。
【００１５】
また、第２形態のポンプ制御方法は、第１形態のポンプ制御方法において、前記ポンプ室内の動作流体の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果を前記可変周波数手段の演算値とするようにした。また、第３形態のポンプ制御方法は、第１又は第２形態のポンプ制御方法において、前記ポンプ室の内部、流入側、流出側の少なくとも一箇所の動作流体の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出結果に基づいて流体送出量を演算する圧力−流体送出量変換手段とを備え、当該圧力−流体送出量変換手段が、前記アクチュエータを制御するようにした。
【００１６】
また、第４形態のポンプ制御方法は、第１形態乃至第３形態の何れかに記載のポンプ制御方法において、前記ポンプ室内の動作流体の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて前記圧力−流体送出量変換手段の流体送出量を補正する補正手段とを備えるようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。先ず、図１は、圧電素子を駆動源とした一般的なポンプ２の構造を縦断面で示すものであり、円筒形状のケース４内の底部に圧電素子６を配置し、圧電素子６の上部に積層した状態で円形のダイヤフラム８を配置している。ダイヤフラム８は、外周縁がケース４の内壁に固定支持されて弾性変形自在となっている。
【００１８】
ダイヤフラム８とケース４の上壁との間の狭い空間がポンプ室１０であり、このポンプ室１０に向けて、吸入逆止弁Ａｖを設けた吸入ノズルＡ、吐出逆止弁Ｂｖを設けた吐出ノズルＢが開口している。そして、吸入ノズルＡに流入管路１２が接続し、吐出ノズルＢに流出管路１６が接続している。
そして、圧電素子６に交流電圧が供給されることによってダイヤフラム８が振動してポンプ室１０の容積が連続的に変化し、ポンプ室１０の容積が増大するときが吸入行程となり、吸入逆止弁Ａｖが開いて吸入管路１２側から動作流体が流入し、ポンプ室１０の容積が減少するときが吐出行程となり、吐出逆止弁Ｂｖが開いて吐出ノズル１６側から動作流体が流出する。なお、図１は、吐出行程時のポンプ２内部を示している。
【００１９】
次に、本発明に係るノズルの配置位置の第１実施形態について図２を参照して説明する。
図２は、ポンプ室１０に連通する複数のノズルの配置位置を平面視で模式的に示した図であり、実線の円Ｓ１が円形のダイヤフラム８の外形線（平面視で見たポンプ室１０の外形線）であり、この外形線Ｓ１内に納まっている複数の白抜きの丸（○印）が吸入ノズルＡの配置位置、黒丸（●印）が吐出ノズルＢの配置位置である。吐出ノズルＢは、ポンプ室１０の中心位置に配置されている。複数の吸入ノズルＡは、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１に近い位置において、ポンプ室１０の中心位置から所定距離の、円周（ダイヤフラム外径と相似な図形の周）上に等距離間隔で配置されている。
【００２０】
ここで、ポンプ室１０内の排除体積分を満たすために、１つの吸入ノズルＡから吸入された流体が到達するべき最も離れた位置までの直線的な距離を、最大移動距離L A と称すると、図２に示したものは、各吸入ノズルＡの最大移動距離L A が等しい値ｒ１となるように配置されている。
一方、本発明に沿っていない場合のノズルの配置を図４に示す。
【００２１】
ここで、平板間の距離が一定である平行平板間の流体抵抗Ｒは、定数Ｃ、流路の平均断面積Ｓ、平均流路長さＬとすると、Ｒ＝Ｃ×（Ｌ／Ｓ）として記述される。
図２と図４とで、１つの吸入ノズルＡが受け持つ流路の平均断面積Ｓ、平均流路長Ｌを見比べると、流路の平均断面積Ｓは図２の方が大きく、平均流路長Ｌは図２の方が短いことがわかる。
【００２２】
従って、複数のノズルは、本発明のように配置することでポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削減することができる。その結果、流量が増えるので、吸入行程で排除体積分の流体を吸入するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。
また、図２では、吐出ノズルＢをポンプ室１０の中心に配置しているが、このように、吐出ノズルＢを、吸入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０の中心に近くになるように配置すると、吐出ノズルＢからポンプ室の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポンプ室１０から吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を少なくすることができるため、吐出行程でも排除体積分の流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。さらに、図示していない吸入管路１２と流出管路１６を、立体的に交差させることなく配置させることができるため、吸入管路１２と流出管路１６の形状が単純になり、これら管路内の流体抵抗を増やさないで複数のノズルを配置することができる。
【００２３】
次に、本発明に係るノズルの配置位置の第２実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態は、図３に示すように、ポンプ室１０の中心位置に吐出ノズルＢが配置されているとともに、第１実施形態よりも数の多い吸入ノズルＡが、ポンプ室１０の中心位置から距離の異なる複数の円周（ダイヤフラムと外径の相似な図形の周）上である、吐出ノズルＢの近くと、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１に近い位置に配置されている。また、各吸入ノズルＡの最大移動距離ＬA が等しい値ｒ２となるようにも配置されている。
【００２４】
多くの吸入ノズルＡを配置する方法としてＳ１に近い位置にだけ配置することを考えられるが、そのような配置よりは、図３のようにポンプ室１０の中心位置から距離の異なる複数の周上に、周方向に等距離間隔で配置した方が、１つの吸入ノズルＡが受け持つ流路の平均断面積Ｓを大きく、平均流路長Ｌを短くでき、流体抵抗を小さくできる。
【００２５】
さらに、図３のように、ポンプ室１０の中心位置から複数の周までの距離を、各吸入ノズルＡの最大移動距離ＬA を等しくするような関係に決めることで、ポンプ室１０の中心位置からノズルを配置する複数の周までの距離を合理的に定めて配置することができ、より流体抵抗を減らすことができる。
従って、本発明による配置によって、吸入ノズルＡから流入する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削減することができ、その結果、流量が増えるので、吸入行程で排除体積分の流体を吸入するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。
【００２６】
また、図３では、吐出ノズルＢをポンプ室１０の中心に配置しているが、このように、吐出ノズルＢを、吸入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０の中心に近くなるように配置すると、吐出ノズルＢからポンプ室１０の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポンプ室から吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を少なくすることができるため、吐出行程でも排除体積分の流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。さらに、図示していない吸入管路と１２と流出管路１６を、立体的に交差させることなく配置させることができるため、吸入管路と１２と流出管路１６の形状が単純になり、これら管路内の流体抵抗を増やさないで複数ノズルを配置することができる。
【００２７】
以上、第１及び第２実施形態では、吸入ノズルＡが複数である場合を示している。これは動作流体が液体の場合、ポンプを駆動した時にポンプ室１０内外に発生する圧力差が、吐出行程よりも吸入行程の方が少ないためである。具体的には、吸入行程ではポンプ室１０内の圧力は真空状態までしか低下しないが、吐出行程では、ダイヤフラム８を駆動するアクチュエータの発生力に関係して圧力を上昇させることができるからである。
【００２８】
一方、ポンプ室１０内の圧力差、流体抵抗、流量の関係は、圧力差／流体抵抗＝流量の関係を有している。従って、吸入行程で圧力差が少ない場合には、吸入ノズルを大きくして流体抵抗を減らす必要があるが、この際、１つの大きな吸入ノズルＡを設け、逆止弁を構成するための弁板をそのノズルに取り付けると、吐出行程で発生するポンプ室１０内の高圧力で弁板がたわみ易く、破壊され易くなる問題が生じる。そこで、吸入ノズルＡの総面積が吐出ノズルＢの総面積よりも大きくなる関係を保ちながら、吸入ノズルＡを複数個にしているのである。
【００２９】
従って、動作流体が気体等で、吐出行程、吸入行程での圧力差にあまり差がない場合には、吐出ノズルが複数であっても構わない。
次に、図５から図８は、本発明に係る逆止弁、すなわち、図１で示した吸入逆止弁Ａｖ、吐出逆止弁Ｂｖの具体例な実施形態を示すものであり、本実施形態の逆止弁の説明を容易にするために、図９に従来の逆止弁の動作状態の縦断面図で示し、図１０に従来の逆止弁の上面図を示している。
【００３０】
図５から図８に示すように、本実施形態の逆止弁の弁ケース１０４は、カップ状で中心に内側弁座となる突起が形成され、弁座の周囲には、複数の流入孔２０３が開けられている。外側弁座１０３は、リング状で貫通し直径の異なる中心穴が開けられている。直径の小さい中心穴は、直径が３ｍｍ以下であるが、前記弁ケース１０４の内側弁座となる突起よりわずかに大きく、両者が組み合わされリング状流路２０１が形成される。外側弁座１０３の直径の大きい中心穴は、周方向流路２０２を構成している。
【００３１】
弁体１０１は、金属薄板をエッチングして製作され、２重のリングを螺旋状アームが接続する形状となる。弁体１０１は弁押えリング１０２を弁ケース１０４に圧入することで外側リングが押さえられ、弁ケース１０４に固定される。
次に、本実施形態の逆止弁の動作について図８に基いて説明する。図中矢印は流体の流れを示す。図８において流体は、図下方から上方へは流れることが可能で、逆方向には逆止弁の作用によって流れが阻止される。
【００３２】
流入側と流出側の圧力差が小さい場合や、流入側より流出側の圧力が大きい場合、弁体１０１の内側リングは、弁ケース１０４の突起と、外側弁座１０３に流体圧力や弁体１０１の螺旋状アーム部の弾性によって圧接する。弁体１０１の内側リングの内周はリング状流路２０１の内周より小さく、外周はリング状流路２０１の外周より大きくなっているためリング状流路は閉鎖され、その結果、流体の流れも阻止される。
【００３３】
流入側の圧力が流出側より十分高くなると、圧力差によって弁体１０１の内側リングを図中上方に移動する力が発生する。その結果、弁体１０１の螺旋状アーム部が変形して、弁体１０１の内側リングが上方に移動し流体の流路が構成される。流体は弁体１０１の内側リングの内側と外側の両方から流出することができ、従って外側にしか流失できない円盤型弁や、従来例を示した図９及び図１０のようにリード弁の自由端方向にしか流出できないリード弁より、同一断面積の流路を確保するための弁の移動量が小さくて済む。そのため、弁の高速応答が可能になり、高速動作が可能な圧電ポンプ等の逆止弁に応用することで、小型高性能ポンプが構成できるのである。
【００３４】
また、本実施形態の逆止弁はアーム部を螺旋状にすることで、アーム部の伸縮ではなく主に曲がりを利用して弁の動きに対応するため、弁体を薄くすることで弱い圧力でも十分な弁リフトが確保できる。従って、シリコンゴム等に比較して高剛性の金属材料を弁体に用いることができ、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能にした。
【００３５】
さらに、高速応答性に優れ大きな流路を確保できるリング弁を、簡単な構造で実現できるため、リング状流路の外径を３ｍｍ以下に構成できる。リング状流路の外径を３ｍｍ以下にすることで、弁全体の外径が約５ｍｍとなり、ダイヤフラムポンプ等の圧力室の底面に吸入側、吐出側の二つの弁を並べて配置しても、ポンプの圧力室の内径を１０ｍｍ以下、ポンプ本体の外径を１５ｍｍ以下にすることができる。
【００３６】
ポンプの外径を１５ｍｍ以下に構成したポンプは、ほぼ、人間の指の太さの中にポンプを内蔵することができる。近年、高齢化社会等の要求により、人間の身近で人間をサポートするロボットが求められているが、本発明のポンプとシリンダ等で構成されるアクチュエータユニットを用いることで人間の手と同サイズのロボットハンドが構成でき、人間の生活環境にある人間のために設計された機器や道具類を扱うことが可能なロボットが構成できるのである。
【００３７】
次に、図１１及び図１２に示すものは、第１、第２実施形態で示したポンプのように、圧電素子（アクチュエータ）を駆動源とし、この圧電素子を駆動してダイヤフラムを往復変位させることでポンプ室の容積変化を行うポンプ２０と、このポンプ２０を駆動させる駆動装置２２、ポンプ２０の駆動により対象物Ｗを昇降させる昇降機構２４とを備えた装置を示す第３実施形態である。
【００３８】
ポンプ２０には、制御弁（図示せず）を介してシリコンゴム製のリザーバ流体室２６及びアクチュエータ流体室２８が接続しており、リザーバ流体室２６からアクチュエータ流体室２８に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０を駆動すると、図１２に示すようにアクチュエータ流体室２８の容積拡大により対象物Ｗが上昇し、アクチュエータ流体室２８からリザーバ流体室２６に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０を駆動すると、図１１に示すように、アクチュエータ流体室２８の容積減少により対象物Ｗが下降するようになっている。
【００３９】
ここで、ポンプ２０内には、動作流体の温度を測定する温度センサ３０と、動作流体の圧力を測定する圧力センサ３２が配設されており、これらセンサが検出した情報は、駆動装置２２に入力する。
駆動装置２２は、ポンプ２０の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する駆動回路３３と、温度−周波数相関変更回路３４と、可変周波数回路３６、圧力−流体送出量相関変更回路３８、温度補正回路４０とを備えている。
【００４０】
駆動回路３３が圧電素子に出力する駆動信号ＳＤは、所定の周波数の正弦波信号であり、可変周波数回路３２から所定の駆動周波数ｆｄが入力される。
また、温度−駆動周波数相関変更回路３４は、温度センサ３０が測定した動作流体の温度変化に対応して最適な駆動周波数をデータマップ化した記憶部を備えた回路である。つまり、ダイヤフラムは、共振周波数領域では往動変位が大きくなるが、その共振周波数は温度の影響で変動しやすく、この温度−駆動周波数相関変更回路３４において動作流体の温度変化に対応した最適な駆動周波数を設定する。
【００４１】
また、圧力−流体送出量相関変更回路３８は、圧力センサ３２が測定したポンプ室内の動作流体の圧力に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量を演算等により算出する回路であり、前記動作流体の絶対量を算出することで現在の装置の駆動量を判断する。
また、温度補正回路４０は、圧力−流体送出量相関変更回路３８で算出した動作流体の絶対量を、温度センサ３０が測定した動作流体の温度で補正する回路である。温度が変化するとダイヤフラムは膨張、或いは収縮して動作流体の絶対量が変化するので、この温度補正回路４０で補正された動作流体の絶対量は高精度の値となる。
【００４２】
そして、可変周波数回路３６は、温度−駆動周波数相関変更回路３４から最適な駆動周波数が入力し、温度補正回路４０から現在のアクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量が入力し、これらの値に基づいて、駆動周波数ｆｄを可変周波数回路３６に入力する。
そして、可変周波数回路４６から駆動周波数ｆｄが入力した駆動回路３３は、圧電素子に対して、現在の動作流体の温度に最適な駆動信号ＳＤを出力する。
【００４３】
本実施形態によると、動作流体の温度に対応してダイヤフラムが共振周波数領域で往動変位するように、圧電素子に対して最適な値の駆動信号ＳＤを入力して制御しているので、最も効率の良いポンプ２０の駆動状態を実現することができる。
また、ポンプ２０内に設けた温度センサ３０及び圧力センサ３２からの測定情報に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量を高精度に把握するようにしているので、高精度のアクチュエータ駆動を行うことができる。
【００４４】
次に、図１３から図１５は、第３実施形態に対してセンサの配置位置と、駆動装置の構成が異なる第４実施形態の装置を示すものである。
本実施形態の圧力センサ３２は、リザーバ流体室２６側のポンプ内流路に配設されており、リザーバ流体室２６内の圧力を測定している。そのため、圧力センサ３２の測定情報は、リザーバ流体室２６内に十分な圧力で動作流体が封入されているものとすると、リザーバ流体室２６内の体積と相関関係にある。
【００４５】
本実施形態の駆動装置４４は、ポンプ２０の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する駆動回路３３と、可変周波数回路３６と、駆動周波数設定回路４６とを備えている。そして、駆動装置４４は、図１２に示すように、リザーバ流体室２６からアクチュエータ流体室２８に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０が駆動する際に、所定時間の停止時間を設けて断続的に駆動信号ＳＤを出力する。
【００４６】
ここで、図１４の第１駆動区間では、周波数をスイープ駆動しながら最適な駆動周波数ｆｄを求めており、以降の第２、第３…駆動区間では、検出した最適な駆動周波数ｆｄに基づいて駆動を行っている。
第１駆動区間では、駆動周波数設定回路４８が、図１５のフローチャートで示す動作を行う。
【００４７】
図１５のフローチャートに基づいて説明すると、駆動周波数設定回路４８の動作を説明すると、先ず、ステップＳ２において、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過しているか否かを判断する。第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過していない場合には、ステップＳ４に移行し、周波数をスイープ駆動する。次いで、ステップＳ６に移行し、単位時間当たりの圧力変化ΔＰと、その周波数ｆｄを記憶する。次いで、周波数ｆｄを駆動周波数として可変周波数回路３６に出力する。
【００４８】
そして、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過していない場合には、ステップＳ８から再度ステップＳ４に移行して、前述したステップを繰り返す。
そして、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過した場合には、ステップＳ１０に移行し、記憶している複数の単位時間当たりの圧力変化ΔＰの中から、最大の圧力変化ΔＰmax を算出する。次いで、ステップＳ１２に移行し、最大の圧力変化ΔＰmax に対応した最適な周波数ｆｄmax を設定する。
【００４９】
次に、図１４を参照しながら本実施形態の動作を説明する。駆動回路３３からスイープ駆動した周波数ｆｄに基づいて駆動信号ＳＤを出力していくと、所定の時間ｔ1 において、リザーバ流体室２６内が最大の圧力変化ΔＰmax となり、駆動周波数設定回路４８は、最大の圧力変化ΔＰmax 及び最適な周波数ｆｄmax を記憶する。
【００５０】
第１駆動区間が経過した後、第２駆動区間の開始と同時に、駆動回路３３は、最適な周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを出力し、次回移行の第３…駆動区間においても、最適な周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを出力し続ける。
本実施形態によると、単位時間当たりで圧力変化が大きいとき（最大の圧力変化ΔＰmax ）の周波数ｆｄmax を求め、その周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを圧電素子に入力しているので、効率の良いポンプ２０の駆動状態を実現することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び請求項２記載のポンプ用逆止弁によると、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能にし、高速応答性に優れた大きな流路を確保できる小型のポンプ用逆止弁を提供することができる。
【００５２】
また、請求項３から請求項６記載のポンプによると、ポンプ室内の流体抵抗を効果的に削減することができ、その結果、流量が増えるので、排除体積（可動壁の変位に伴い排除される体積）分の流体がポンプ室内を通過する通過時間を短くできる。従って、ポンプをより高周波駆動することが可能となり、小型化で高出力のポンプが実現できる。また、高速応答のポンプ用逆止弁と組み合わせるため、ポンプをより一層高周波駆動することが可能となり、より小型で高出力のポンプが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アクチュエータとして圧電素子を使用した一般的なポンプの構造を示す縦断面である。
【図２】本発明に係るポンプの第１実施形態のノズルの配置位置を示した図である。
【図３】本発明に係るポンプの第２実施形態のノズルの配置位置を示した図である。
【図４】本発明に係るノズルの配置を説明するために本発明と異なるノズル配置のポンプを示す図である。
【図５】本発明に係るポンプ用逆止弁の縦断面図である。
【図６】本発明に係るポンプ用逆止弁の上面図である。
【図７】本発明に係るポンプ用逆止弁の底面図である。
【図８】本発明に係るポンプ用逆止弁の動作状態図である。
【図９】従来の逆止弁の動作状態の縦断面図である。
【図１０】従来の逆止弁の上面図である。
【図１１】本発明に係る第３実施形態のポンプを使用した装置を示す図である。
【図１２】第３実施形態において装置の作動状態を示す図である。
【図１３】本発明に係る第４実施形態のポンプを使用した装置を示す図である。
【図１４】第４実施形態においてアクチュエータを駆動する駆動装置の動作を示す図である。
【図１５】第４実施形態における駆動周波数設定回路の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２、２０ ポンプ
６ 圧電素子（アクチュエータ）
８ ダイヤフラム（可動壁）
１０ ポンプ室
１２ 流入管路
１６ 流出管路
２２、４４ 駆動装置
３３ 駆動回路
３４ 温度−駆動周波数相関変更回路
３６ 可変周波数回路（可変周波数手段）
３８ 圧力−流体送出量相関変更回路（圧力−流体送出量変換手段）
４０ 温度補正回路（補正手段）
４６ 駆動周波数設定回路
３０ 温度センサ
３２ 圧力センサ
１０１ 弁体
１０２ 弁押えリング
１０３ 外側弁座
１０４ 弁ケース
２０１ リング状流路
２０２ 周方向流路
２０３ 流入孔
３０１ リード弁弁体
３０２ 弁押え
３０３ リード弁ケース
４０１ 円形流路
Ａ 吸入ノズル
Ｂ 吐出ノズル
Ａｖ 吸入逆止弁
Ｂｖ 吐出逆止弁
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子等のアクチュエータによりピストンあるいはダイヤフラムなどの可動壁を振動させることでポンプ室内の容積を変更し、吸入及び吐出動作を行なうポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、１周期の変位は小さいが応答周波数が高く、素子の共振周波数までの間は、高周波で駆動するほど出力エネルギが大きく取れる特性を有している。このため、ダイアフラムポンプに代表されるような可動壁を駆動する往復動ポンプの駆動源として圧電素子（若しくは、圧電素子のような特性を有するアクチュエータ）を使用する場合には、高周波駆動できるポンプ構成とすることで、ポンプの出力エネルギが大きくなり、電動モータを用いるものより小型軽量なポンプ構成となる。
【０００３】
ところで、高周波駆動できるポンプ構成とするためには、可動壁の変位に伴い排除される体積（排除体積）分の動作流体がポンプ内を通過する通過時間を短くする必要がある。この通過時間を短くする一つの方法として、ポンプを構成している逆止弁を通過する動作流体の抵抗（流体抵抗）を減らす方法が知られており、具体的な技術として、例えば特開平５−２８８１５１号公報（先願技術１と称する）には、逆止弁を多数使用することが記載されており、日本機械学会論文集（Ｃ編）６０巻５７１号９５６ページの「圧電素子を動力源とする油圧式アクチュエータに関する研究」（先願技術２と称する）には、流量をＱとして並列配置した弁の個数をｎとし、弁の損失をＱ3 ／ｎ2 に比例するという記載から、弁を並列配置して流体抵抗を低減することが記載されている。
【０００４】
また、圧電素子を駆動源としたポンプに使用する逆止弁の具体的な技術として、例えば特開平５−１７２０６０号公報（先願技術３と称する）には、シリコンゴム製で放射状のアームを持つ円形弁が記載されており、金属材料を弁体に用いた小型逆止弁としては、日本機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５６４号２１３ページの「圧電素子を動力源とする油圧式アクチュエータに関する研究」（先願技術４と称する）にピアノ線によって位置規制された円盤型逆止弁が記載され、日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻６３１号２１５ページの「共振駆動を用いた高パワー密度の圧電マイクロポンプ」（先願技術５と称する）にリード弁を逆止弁として使用することが記載されている。
【０００５】
一方、ダイヤフラムポンプに代表されるような可動壁を弾性支持する往復動ポンプでは、その弾性と可動壁自体の質量等の関係から決まる共振周波数が温度等の影響で変動しやすく、様々な環境で、最適な駆動周波数を選択する必要があり、温度による共振周波数の変動を小さくする先願技術として、例えば、特開平１１−２３６８８０号公報（先願技術６と称する）に、振動板をバネ座金の付勢力により挟持することが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子を駆動素子としたポンプを高周波駆動するために排除体積分の動作流体の通過時間を短くするためには、ポンプ室内の流体抵抗を減らすことも無視できない。ところが、前述した先願技術１及び先願技術２は、ポンピ室の流体抵抗を減らすことに関して何等開示していなかった。
【０００７】
一方、ポンプ用逆止弁として示した先願技術３は、アーム部の伸長によって動作するため、その構造では高速駆動時に内部損失の大きいゴムを使用する必要があり、その結果、応答性の低下と弁の寿命が短いという課題がある。また、先願技術４及び先願技術５の逆止弁は、円盤型弁、リード弁ともに十分な弁リフト量を確保しなければ流路断面積が確保できず損失が発生し、逆に十分な弁リフト量を確保すると弁の高速移動が必要で応答性が悪化するという課題がある。また、円盤型弁においては、弁体の位置規制構造の複雑さから直径４ｍｍ程度が小型化の限界であり、圧電素子を用いたポンプの目的の小型化をも阻害していた。
【０００８】
さらに、往復動ポンプとして示した先願技術６は、ポンプ自体の温度による可動板の変位への影響は防止できるが、他の要因による影響を防ぐことが不可能である。例えば、シリコンゴムでできた流体室に、動作流体を圧送して変形させるようなフレキシブルアクチュエータの駆動原としてポンプを用いるような場合、シリコンゴム製の流体室や動作流体自体が温度によって膨張する等の影響を受け、全体圧力の変化等が生じると、この全体圧力の変化がダイヤフラムの変形に影響を与え、結果的に可動版の共振周波数の変化をもたらしてしまうのである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能とし、高速応答性に優れたポンプ用逆止弁及びそれを使用したポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の容積が変更可能なポンプ室を備えたポンプに用いられるポンプ用逆止弁において、リング状流路と、このリング状流路を開閉する、螺旋状アームで支持されたリング状薄板を具備しているようにしたことを特徴とするポンプ用逆止弁である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のポンプ用逆止弁において、前記リング状流路の外径を３ｍｍ以下とした。また、請求項３記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、ポンプ室中心に対して周方向に略等距離間隔で配置されており、他の一方の管路が有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けたことを特徴とするポンプである。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のポンプにおいて、前記複数のノズルは、前記ポンプ室の中心位置から距離の異なる、複数の周上に配置されている。また、請求項５記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、各ノズルに対する流体の最大移動距離が略等しい位置に配置されており、他の一方の管路を有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載のポンプにおいて、前記複数のノズルは、吸入管路を有するノズルであり、前記ポンプ室中心に近い位置に配置されているノズルは、吐出管路を有するノズルである。
【００１４】
一方、第１形態のポンプ制御方法は、ピストン、或いはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、前記可動壁を駆動するアクチュエータとを有するポンプにおいて、前記可動壁の共振周波数を演算する可変周波数手段を備え、当該可変周波数手段が、前記ポンプ室内の環境に応じて前記アクチュエータを制御するようにしたポンプ制御方法である。
【００１５】
また、第２形態のポンプ制御方法は、第１形態のポンプ制御方法において、前記ポンプ室内の動作流体の温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサの検出結果を前記可変周波数手段の演算値とするようにした。また、第３形態のポンプ制御方法は、第１又は第２形態のポンプ制御方法において、前記ポンプ室の内部、流入側、流出側の少なくとも一箇所の動作流体の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出結果に基づいて流体送出量を演算する圧力−流体送出量変換手段とを備え、当該圧力−流体送出量変換手段が、前記アクチュエータを制御するようにした。
【００１６】
また、第４形態のポンプ制御方法は、第１形態乃至第３形態の何れかに記載のポンプ制御方法において、前記ポンプ室内の動作流体の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて前記圧力−流体送出量変換手段の流体送出量を補正する補正手段とを備えるようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。先ず、図１は、圧電素子を駆動源とした一般的なポンプ２の構造を縦断面で示すものであり、円筒形状のケース４内の底部に圧電素子６を配置し、圧電素子６の上部に積層した状態で円形のダイヤフラム８を配置している。ダイヤフラム８は、外周縁がケース４の内壁に固定支持されて弾性変形自在となっている。
【００１８】
ダイヤフラム８とケース４の上壁との間の狭い空間がポンプ室１０であり、このポンプ室１０に向けて、吸入逆止弁Ａｖを設けた吸入ノズルＡ、吐出逆止弁Ｂｖを設けた吐出ノズルＢが開口している。そして、吸入ノズルＡに流入管路１２が接続し、吐出ノズルＢに流出管路１６が接続している。
そして、圧電素子６に交流電圧が供給されることによってダイヤフラム８が振動してポンプ室１０の容積が連続的に変化し、ポンプ室１０の容積が増大するときが吸入行程となり、吸入逆止弁Ａｖが開いて吸入管路１２側から動作流体が流入し、ポンプ室１０の容積が減少するときが吐出行程となり、吐出逆止弁Ｂｖが開いて吐出ノズル１６側から動作流体が流出する。なお、図１は、吐出行程時のポンプ２内部を示している。
【００１９】
次に、本発明に係るノズルの配置位置の第１実施形態について図２を参照して説明する。
図２は、ポンプ室１０に連通する複数のノズルの配置位置を平面視で模式的に示した図であり、実線の円Ｓ１が円形のダイヤフラム８の外形線（平面視で見たポンプ室１０の外形線）であり、この外形線Ｓ１内に納まっている複数の白抜きの丸（○印）が吸入ノズルＡの配置位置、黒丸（●印）が吐出ノズルＢの配置位置である。吐出ノズルＢは、ポンプ室１０の中心位置に配置されている。複数の吸入ノズルＡは、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１に近い位置において、ポンプ室１０の中心位置から所定距離の、円周（ダイヤフラム外径と相似な図形の周）上に等距離間隔で配置されている。
【００２０】
ここで、ポンプ室１０内の排除体積分を満たすために、１つの吸入ノズルＡから吸入された流体が到達するべき最も離れた位置までの直線的な距離を、最大移動距離L A と称すると、図２に示したものは、各吸入ノズルＡの最大移動距離L A が等しい値ｒ１となるように配置されている。
一方、本発明に沿っていない場合のノズルの配置を図４に示す。
【００２１】
ここで、平板間の距離が一定である平行平板間の流体抵抗Ｒは、定数Ｃ、流路の平均断面積Ｓ、平均流路長さＬとすると、Ｒ＝Ｃ×（Ｌ／Ｓ）として記述される。
図２と図４とで、１つの吸入ノズルＡが受け持つ流路の平均断面積Ｓ、平均流路長Ｌを見比べると、流路の平均断面積Ｓは図２の方が大きく、平均流路長Ｌは図２の方が短いことがわかる。
【００２２】
従って、複数のノズルは、本発明のように配置することでポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削減することができる。その結果、流量が増えるので、吸入行程で排除体積分の流体を吸入するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。
また、図２では、吐出ノズルＢをポンプ室１０の中心に配置しているが、このように、吐出ノズルＢを、吸入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０の中心に近くになるように配置すると、吐出ノズルＢからポンプ室の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポンプ室１０から吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を少なくすることができるため、吐出行程でも排除体積分の流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。さらに、図示していない吸入管路１２と流出管路１６を、立体的に交差させることなく配置させることができるため、吸入管路１２と流出管路１６の形状が単純になり、これら管路内の流体抵抗を増やさないで複数のノズルを配置することができる。
【００２３】
次に、本発明に係るノズルの配置位置の第２実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態は、図３に示すように、ポンプ室１０の中心位置に吐出ノズルＢが配置されているとともに、第１実施形態よりも数の多い吸入ノズルＡが、ポンプ室１０の中心位置から距離の異なる複数の円周（ダイヤフラムと外径の相似な図形の周）上である、吐出ノズルＢの近くと、ダイヤフラム８の外形線Ｓ１に近い位置に配置されている。また、各吸入ノズルＡの最大移動距離ＬA が等しい値ｒ２となるようにも配置されている。
【００２４】
多くの吸入ノズルＡを配置する方法としてＳ１に近い位置にだけ配置することを考えられるが、そのような配置よりは、図３のようにポンプ室１０の中心位置から距離の異なる複数の周上に、周方向に等距離間隔で配置した方が、１つの吸入ノズルＡが受け持つ流路の平均断面積Ｓを大きく、平均流路長Ｌを短くでき、流体抵抗を小さくできる。
【００２５】
さらに、図３のように、ポンプ室１０の中心位置から複数の周までの距離を、各吸入ノズルＡの最大移動距離ＬA を等しくするような関係に決めることで、ポンプ室１０の中心位置からノズルを配置する複数の周までの距離を合理的に定めて配置することができ、より流体抵抗を減らすことができる。
従って、本発明による配置によって、吸入ノズルＡから流入する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を効果的に削減することができ、その結果、流量が増えるので、吸入行程で排除体積分の流体を吸入するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。
【００２６】
また、図３では、吐出ノズルＢをポンプ室１０の中心に配置しているが、このように、吐出ノズルＢを、吸入ノズルＡを配置した位置よりもポンプ室１０の中心に近くなるように配置すると、吐出ノズルＢからポンプ室１０の周囲までの距離がほぼ等しくなり、ポンプ室から吐出する流体に対するポンプ室１０内の流体抵抗を少なくすることができるため、吐出行程でも排除体積分の流体を吐出するまでの時間が少なくて済み、ポンプをより高周波駆動することが可能となる。さらに、図示していない吸入管路と１２と流出管路１６を、立体的に交差させることなく配置させることができるため、吸入管路と１２と流出管路１６の形状が単純になり、これら管路内の流体抵抗を増やさないで複数ノズルを配置することができる。
【００２７】
以上、第１及び第２実施形態では、吸入ノズルＡが複数である場合を示している。これは動作流体が液体の場合、ポンプを駆動した時にポンプ室１０内外に発生する圧力差が、吐出行程よりも吸入行程の方が少ないためである。具体的には、吸入行程ではポンプ室１０内の圧力は真空状態までしか低下しないが、吐出行程では、ダイヤフラム８を駆動するアクチュエータの発生力に関係して圧力を上昇させることができるからである。
【００２８】
一方、ポンプ室１０内の圧力差、流体抵抗、流量の関係は、圧力差／流体抵抗＝流量の関係を有している。従って、吸入行程で圧力差が少ない場合には、吸入ノズルを大きくして流体抵抗を減らす必要があるが、この際、１つの大きな吸入ノズルＡを設け、逆止弁を構成するための弁板をそのノズルに取り付けると、吐出行程で発生するポンプ室１０内の高圧力で弁板がたわみ易く、破壊され易くなる問題が生じる。そこで、吸入ノズルＡの総面積が吐出ノズルＢの総面積よりも大きくなる関係を保ちながら、吸入ノズルＡを複数個にしているのである。
【００２９】
従って、動作流体が気体等で、吐出行程、吸入行程での圧力差にあまり差がない場合には、吐出ノズルが複数であっても構わない。
次に、図５から図８は、本発明に係る逆止弁、すなわち、図１で示した吸入逆止弁Ａｖ、吐出逆止弁Ｂｖの具体例な実施形態を示すものであり、本実施形態の逆止弁の説明を容易にするために、図９に従来の逆止弁の動作状態の縦断面図で示し、図１０に従来の逆止弁の上面図を示している。
【００３０】
図５から図８に示すように、本実施形態の逆止弁の弁ケース１０４は、カップ状で中心に内側弁座となる突起が形成され、弁座の周囲には、複数の流入孔２０３が開けられている。外側弁座１０３は、リング状で貫通し直径の異なる中心穴が開けられている。直径の小さい中心穴は、直径が３ｍｍ以下であるが、前記弁ケース１０４の内側弁座となる突起よりわずかに大きく、両者が組み合わされリング状流路２０１が形成される。外側弁座１０３の直径の大きい中心穴は、周方向流路２０２を構成している。
【００３１】
弁体１０１は、金属薄板をエッチングして製作され、２重のリングを螺旋状アームが接続する形状となる。弁体１０１は弁押えリング１０２を弁ケース１０４に圧入することで外側リングが押さえられ、弁ケース１０４に固定される。
次に、本実施形態の逆止弁の動作について図８に基いて説明する。図中矢印は流体の流れを示す。図８において流体は、図下方から上方へは流れることが可能で、逆方向には逆止弁の作用によって流れが阻止される。
【００３２】
流入側と流出側の圧力差が小さい場合や、流入側より流出側の圧力が大きい場合、弁体１０１の内側リングは、弁ケース１０４の突起と、外側弁座１０３に流体圧力や弁体１０１の螺旋状アーム部の弾性によって圧接する。弁体１０１の内側リングの内周はリング状流路２０１の内周より小さく、外周はリング状流路２０１の外周より大きくなっているためリング状流路は閉鎖され、その結果、流体の流れも阻止される。
【００３３】
流入側の圧力が流出側より十分高くなると、圧力差によって弁体１０１の内側リングを図中上方に移動する力が発生する。その結果、弁体１０１の螺旋状アーム部が変形して、弁体１０１の内側リングが上方に移動し流体の流路が構成される。流体は弁体１０１の内側リングの内側と外側の両方から流出することができ、従って外側にしか流失できない円盤型弁や、従来例を示した図９及び図１０のようにリード弁の自由端方向にしか流出できないリード弁より、同一断面積の流路を確保するための弁の移動量が小さくて済む。そのため、弁の高速応答が可能になり、高速動作が可能な圧電ポンプ等の逆止弁に応用することで、小型高性能ポンプが構成できるのである。
【００３４】
また、本実施形態の逆止弁はアーム部を螺旋状にすることで、アーム部の伸縮ではなく主に曲がりを利用して弁の動きに対応するため、弁体を薄くすることで弱い圧力でも十分な弁リフトが確保できる。従って、シリコンゴム等に比較して高剛性の金属材料を弁体に用いることができ、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能にした。
【００３５】
さらに、高速応答性に優れ大きな流路を確保できるリング弁を、簡単な構造で実現できるため、リング状流路の外径を３ｍｍ以下に構成できる。リング状流路の外径を３ｍｍ以下にすることで、弁全体の外径が約５ｍｍとなり、ダイヤフラムポンプ等の圧力室の底面に吸入側、吐出側の二つの弁を並べて配置しても、ポンプの圧力室の内径を１０ｍｍ以下、ポンプ本体の外径を１５ｍｍ以下にすることができる。
【００３６】
ポンプの外径を１５ｍｍ以下に構成したポンプは、ほぼ、人間の指の太さの中にポンプを内蔵することができる。近年、高齢化社会等の要求により、人間の身近で人間をサポートするロボットが求められているが、本発明のポンプとシリンダ等で構成されるアクチュエータユニットを用いることで人間の手と同サイズのロボットハンドが構成でき、人間の生活環境にある人間のために設計された機器や道具類を扱うことが可能なロボットが構成できるのである。
【００３７】
次に、図１１及び図１２に示すものは、第１、第２実施形態で示したポンプのように、圧電素子（アクチュエータ）を駆動源とし、この圧電素子を駆動してダイヤフラムを往復変位させることでポンプ室の容積変化を行うポンプ２０と、このポンプ２０を駆動させる駆動装置２２、ポンプ２０の駆動により対象物Ｗを昇降させる昇降機構２４とを備えた装置を示す第３実施形態である。
【００３８】
ポンプ２０には、制御弁（図示せず）を介してシリコンゴム製のリザーバ流体室２６及びアクチュエータ流体室２８が接続しており、リザーバ流体室２６からアクチュエータ流体室２８に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０を駆動すると、図１２に示すようにアクチュエータ流体室２８の容積拡大により対象物Ｗが上昇し、アクチュエータ流体室２８からリザーバ流体室２６に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０を駆動すると、図１１に示すように、アクチュエータ流体室２８の容積減少により対象物Ｗが下降するようになっている。
【００３９】
ここで、ポンプ２０内には、動作流体の温度を測定する温度センサ３０と、動作流体の圧力を測定する圧力センサ３２が配設されており、これらセンサが検出した情報は、駆動装置２２に入力する。
駆動装置２２は、ポンプ２０の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する駆動回路３３と、温度−周波数相関変更回路３４と、可変周波数回路３６、圧力−流体送出量相関変更回路３８、温度補正回路４０とを備えている。
【００４０】
駆動回路３３が圧電素子に出力する駆動信号ＳＤは、所定の周波数の正弦波信号であり、可変周波数回路３２から所定の駆動周波数ｆｄが入力される。
また、温度−駆動周波数相関変更回路３４は、温度センサ３０が測定した動作流体の温度変化に対応して最適な駆動周波数をデータマップ化した記憶部を備えた回路である。つまり、ダイヤフラムは、共振周波数領域では往動変位が大きくなるが、その共振周波数は温度の影響で変動しやすく、この温度−駆動周波数相関変更回路３４において動作流体の温度変化に対応した最適な駆動周波数を設定する。
【００４１】
また、圧力−流体送出量相関変更回路３８は、圧力センサ３２が測定したポンプ室内の動作流体の圧力に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量を演算等により算出する回路であり、前記動作流体の絶対量を算出することで現在の装置の駆動量を判断する。
また、温度補正回路４０は、圧力−流体送出量相関変更回路３８で算出した動作流体の絶対量を、温度センサ３０が測定した動作流体の温度で補正する回路である。温度が変化するとダイヤフラムは膨張、或いは収縮して動作流体の絶対量が変化するので、この温度補正回路４０で補正された動作流体の絶対量は高精度の値となる。
【００４２】
そして、可変周波数回路３６は、温度−駆動周波数相関変更回路３４から最適な駆動周波数が入力し、温度補正回路４０から現在のアクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量が入力し、これらの値に基づいて、駆動周波数ｆｄを可変周波数回路３６に入力する。
そして、可変周波数回路４６から駆動周波数ｆｄが入力した駆動回路３３は、圧電素子に対して、現在の動作流体の温度に最適な駆動信号ＳＤを出力する。
【００４３】
本実施形態によると、動作流体の温度に対応してダイヤフラムが共振周波数領域で往動変位するように、圧電素子に対して最適な値の駆動信号ＳＤを入力して制御しているので、最も効率の良いポンプ２０の駆動状態を実現することができる。
また、ポンプ２０内に設けた温度センサ３０及び圧力センサ３２からの測定情報に基づいて、アクチュエータ流体室２８側の動作流体の絶対量を高精度に把握するようにしているので、高精度のアクチュエータ駆動を行うことができる。
【００４４】
次に、図１３から図１５は、第３実施形態に対してセンサの配置位置と、駆動装置の構成が異なる第４実施形態の装置を示すものである。
本実施形態の圧力センサ３２は、リザーバ流体室２６側のポンプ内流路に配設されており、リザーバ流体室２６内の圧力を測定している。そのため、圧力センサ３２の測定情報は、リザーバ流体室２６内に十分な圧力で動作流体が封入されているものとすると、リザーバ流体室２６内の体積と相関関係にある。
【００４５】
本実施形態の駆動装置４４は、ポンプ２０の圧電素子に駆動信号ＳＤを出力する駆動回路３３と、可変周波数回路３６と、駆動周波数設定回路４６とを備えている。そして、駆動装置４４は、図１２に示すように、リザーバ流体室２６からアクチュエータ流体室２８に向けて動作流体が流動するようにポンプ２０が駆動する際に、所定時間の停止時間を設けて断続的に駆動信号ＳＤを出力する。
【００４６】
ここで、図１４の第１駆動区間では、周波数をスイープ駆動しながら最適な駆動周波数ｆｄを求めており、以降の第２、第３…駆動区間では、検出した最適な駆動周波数ｆｄに基づいて駆動を行っている。
第１駆動区間では、駆動周波数設定回路４８が、図１５のフローチャートで示す動作を行う。
【００４７】
図１５のフローチャートに基づいて説明すると、駆動周波数設定回路４８の動作を説明すると、先ず、ステップＳ２において、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過しているか否かを判断する。第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過していない場合には、ステップＳ４に移行し、周波数をスイープ駆動する。次いで、ステップＳ６に移行し、単位時間当たりの圧力変化ΔＰと、その周波数ｆｄを記憶する。次いで、周波数ｆｄを駆動周波数として可変周波数回路３６に出力する。
【００４８】
そして、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過していない場合には、ステップＳ８から再度ステップＳ４に移行して、前述したステップを繰り返す。
そして、第１駆動区間の時間Ｔ1 が経過した場合には、ステップＳ１０に移行し、記憶している複数の単位時間当たりの圧力変化ΔＰの中から、最大の圧力変化ΔＰmax を算出する。次いで、ステップＳ１２に移行し、最大の圧力変化ΔＰmax に対応した最適な周波数ｆｄmax を設定する。
【００４９】
次に、図１４を参照しながら本実施形態の動作を説明する。駆動回路３３からスイープ駆動した周波数ｆｄに基づいて駆動信号ＳＤを出力していくと、所定の時間ｔ1 において、リザーバ流体室２６内が最大の圧力変化ΔＰmax となり、駆動周波数設定回路４８は、最大の圧力変化ΔＰmax 及び最適な周波数ｆｄmax を記憶する。
【００５０】
第１駆動区間が経過した後、第２駆動区間の開始と同時に、駆動回路３３は、最適な周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを出力し、次回移行の第３…駆動区間においても、最適な周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを出力し続ける。
本実施形態によると、単位時間当たりで圧力変化が大きいとき（最大の圧力変化ΔＰmax ）の周波数ｆｄmax を求め、その周波数ｆｄmax に対応した駆動信号ＳＤを圧電素子に入力しているので、効率の良いポンプ２０の駆動状態を実現することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び請求項２記載のポンプ用逆止弁によると、長寿命と高速動作時の内部損失の低減を可能にし、高速応答性に優れた大きな流路を確保できる小型のポンプ用逆止弁を提供することができる。
【００５２】
また、請求項３から請求項６記載のポンプによると、ポンプ室内の流体抵抗を効果的に削減することができ、その結果、流量が増えるので、排除体積（可動壁の変位に伴い排除される体積）分の流体がポンプ室内を通過する通過時間を短くできる。従って、ポンプをより高周波駆動することが可能となり、小型化で高出力のポンプが実現できる。また、高速応答のポンプ用逆止弁と組み合わせるため、ポンプをより一層高周波駆動することが可能となり、より小型で高出力のポンプが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アクチュエータとして圧電素子を使用した一般的なポンプの構造を示す縦断面である。
【図２】本発明に係るポンプの第１実施形態のノズルの配置位置を示した図である。
【図３】本発明に係るポンプの第２実施形態のノズルの配置位置を示した図である。
【図４】本発明に係るノズルの配置を説明するために本発明と異なるノズル配置のポンプを示す図である。
【図５】本発明に係るポンプ用逆止弁の縦断面図である。
【図６】本発明に係るポンプ用逆止弁の上面図である。
【図７】本発明に係るポンプ用逆止弁の底面図である。
【図８】本発明に係るポンプ用逆止弁の動作状態図である。
【図９】従来の逆止弁の動作状態の縦断面図である。
【図１０】従来の逆止弁の上面図である。
【図１１】本発明に係る第３実施形態のポンプを使用した装置を示す図である。
【図１２】第３実施形態において装置の作動状態を示す図である。
【図１３】本発明に係る第４実施形態のポンプを使用した装置を示す図である。
【図１４】第４実施形態においてアクチュエータを駆動する駆動装置の動作を示す図である。
【図１５】第４実施形態における駆動周波数設定回路の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２、２０ ポンプ
６ 圧電素子（アクチュエータ）
８ ダイヤフラム（可動壁）
１０ ポンプ室
１２ 流入管路
１６ 流出管路
２２、４４ 駆動装置
３３ 駆動回路
３４ 温度−駆動周波数相関変更回路
３６ 可変周波数回路（可変周波数手段）
３８ 圧力−流体送出量相関変更回路（圧力−流体送出量変換手段）
４０ 温度補正回路（補正手段）
４６ 駆動周波数設定回路
３０ 温度センサ
３２ 圧力センサ
１０１ 弁体
１０２ 弁押えリング
１０３ 外側弁座
１０４ 弁ケース
２０１ リング状流路
２０２ 周方向流路
２０３ 流入孔
３０１ リード弁弁体
３０２ 弁押え
３０３ リード弁ケース
４０１ 円形流路
Ａ 吸入ノズル
Ｂ 吐出ノズル
Ａｖ 吸入逆止弁
Ｂｖ 吐出逆止弁
Claims (6)
- ピストンあるいはダイヤフラム等の容積が変更可能なポンプ室を備えたポンプに用いられるポンプ用逆止弁において、リング状流路と、このリング状流路を開閉する、螺旋状アームで支持されたリング状薄板を具備しているようにしたことを特徴とするポンプ用逆止弁。
- 前記リング状流路の外径を３ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載のポンプ用逆止弁。
- ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、
流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、ポンプ室中心に対して周方向に略等距離間隔で配置されており、他の一方の管路が有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けたことを特徴とするポンプ。 - 前記複数のノズルは、前記ポンプ室の中心位置から距離の異なる、複数の周上に配置されていることを特徴とする請求項３記載のポンプ。
- ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁により容積が変更可能なポンプ室と、ポンプ室へ動作流体を流入させる流入管路と、ポンプ室から流体を流出させる流出管路とを備えたポンプにおいて、
流入管路内もしくは流出管路の少なくともどちらか一方は、弁を構成する複数のノズルを有し、前記複数のノズルは、各ノズルに対する流体の最大移動距離が略等しい位置に配置されており、他の一方の管路を有するノズルは、前記複数のノズルが配置されている位置よりも、ポンプ室中心に近い位置に配置されているとともに、前記ノズルに、請求項１又は２記載のポンプ用逆止弁を設けたことを特徴とするポンプ。 - 前記複数のノズルは、吸入管路を有するノズルであり、前記ポンプ室中心に近い位置に配置されているノズルは、吐出管路を有するノズルであることを特徴とする請求項５記載のポンプ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000402792A JP3951603B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-12-28 | ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000087153 | 2000-03-27 | ||
| JP2000-87153 | 2000-03-27 | ||
| JP2000402792A JP3951603B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-12-28 | ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001342963A JP2001342963A (ja) | 2001-12-14 |
| JP3951603B2 true JP3951603B2 (ja) | 2007-08-01 |
Family
ID=26588472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000402792A Expired - Fee Related JP3951603B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-12-28 | ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3951603B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4085631B2 (ja) * | 2001-12-26 | 2008-05-14 | セイコーエプソン株式会社 | 複合型ポンプ |
| JP4232384B2 (ja) * | 2002-05-14 | 2009-03-04 | パナソニック株式会社 | 衛生洗浄装置 |
| JP2004143960A (ja) * | 2002-10-22 | 2004-05-20 | Smc Corp | ポンプ装置 |
| JP2004300935A (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-28 | Sanyo Electric Co Ltd | 多段圧縮装置 |
| JP2005024068A (ja) * | 2003-07-02 | 2005-01-27 | Toyo Tanso Kk | ハロゲンガス又はハロゲン含有ガスの供給装置 |
| US7654283B2 (en) | 2003-10-21 | 2010-02-02 | Seiko Epson Corporation | Check valve and pump including check valve |
| JP2007046721A (ja) * | 2005-08-10 | 2007-02-22 | Nikkiso Co Ltd | 一方向弁 |
| WO2008090725A1 (ja) * | 2007-01-23 | 2008-07-31 | Nec Corporation | ダイヤフラムポンプ |
| CN102602142B (zh) | 2011-01-18 | 2016-03-02 | 精工爱普生株式会社 | 液体喷射装置 |
| CN114382683B (zh) * | 2022-01-24 | 2023-06-13 | 枣庄学院 | 双谐振压电泵 |
-
2000
- 2000-12-28 JP JP2000402792A patent/JP3951603B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001342963A (ja) | 2001-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10502199B2 (en) | Systems and methods for supplying reduced pressure using a disc pump with electrostatic actuation | |
| JP3951603B2 (ja) | ポンプ用逆止弁及びこれを使用したポンプ | |
| US7608984B2 (en) | Motion amplification using piezoelectric element | |
| JP6106093B2 (ja) | 圧電ポンプのための電子制御方法及びシステム | |
| EP1489306B1 (en) | Pump | |
| EP2812577B1 (en) | Systems and methods for monitoring a disc pump system using rfid | |
| JP2015510072A (ja) | ディスクポンプシステムによって提供される減圧を監視するためのシステム及び方法 | |
| US9410641B2 (en) | Method for manufacturing a bending transducer, a micro pump and a micro valve, micro pump and micro valve | |
| US9709042B2 (en) | Systems and methods for regulating the resonant frequency of a disc pump cavity | |
| US7484940B2 (en) | Piezoelectric fluid pump | |
| US20080304979A1 (en) | Reaction Drive Energy Transfer Device | |
| CN103476332A (zh) | 流量控制阀及具有流量控制阀的血压信息测定装置 | |
| WO2013130255A1 (en) | Systems and methods for supplying reduced pressure and measuring flow using a disc pump system | |
| JP5999200B2 (ja) | 流体制御装置およびポンプ接続方法 | |
| EP1369585A3 (en) | Pump | |
| WO2010009649A1 (zh) | 一种泵的输出液量的控制系统及控制方法 | |
| JP5652551B2 (ja) | 流体制御装置 | |
| CN101846059A (zh) | 一种自适应主动阀压电泵 | |
| JPH11311184A (ja) | 小型ポンプ | |
| Bryant et al. | Experimental Characterization of Piezoelectric Radial Field Diaphragms for Fluidic Control |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040602 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061205 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061212 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070209 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070403 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070416 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110511 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120511 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130511 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140511 Year of fee payment: 7 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |