JP5003700B2 - pump - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行う容積形ポンプに関連し、特に、信頼性が高くかつ流量が多いポンプに関する。   The present invention relates to a positive displacement pump that moves a fluid by changing a volume in a pump chamber by a piston or a diaphragm, and more particularly, to a highly reliable pump having a high flow rate.

従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に、逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。(例えば特許文献1参照)
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。(例えば特許文献2参照)
さらに、弁部に可動部品を使わず、ポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。(例えば特許文献3及び非特許文献1参照)
As a conventional pump of this type, a structure in which a check valve is attached between an inlet channel and an outlet channel and a pump chamber whose volume can be changed is generally used. (For example, see Patent Document 1)
Also, as a pump configuration that generates a flow in one direction using the viscous resistance of the fluid, a valve is provided in the outlet channel, and the inlet channel has a larger fluid resistance than the outlet channel when the valve is opened. There is a thing of the structure made like this. (For example, see Patent Document 2)
In addition, as a pump configuration that improves the reliability of the pump without using moving parts in the valve part, a configuration including a compression component in which the pressure drop of the inlet flow channel and the outlet flow channel is different depending on the flow direction. There are things. (For example, see Patent Document 3 and Non-Patent Document 1)

特開平10−220357号公報JP-A-10-220357 特開平08−312537号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-312537 特表平08−506874号公報Japanese National Patent Publication No. 08-506874 Anders Olsson, An improved valve‐less pump fabricate using deep reactive ion etching,1996 IEEE 9th Internationa1 Workshop on Micro E1ectro Mechanical Systems,p.479−484Anders Olsson, An improved valve-less pump fabricating using deep reactive ion etching, 1996 IEEE 9th International 1 Workshop on MicroEm. 479-484

しかしながら、特許文献1の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が2個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
特許文献2の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
However, the configuration of Patent Document 1 requires a check valve for both the inlet channel and the outlet channel, and there is a problem that pressure loss is large when fluid passes through the two check valves. In addition, since the check valve repeatedly opens and closes, there is a risk of fatigue damage, and there is a problem that reliability increases as the number of check valves increases.
In the configuration of Patent Document 2, it is necessary to increase the fluid resistance of the inlet-side flow path in order to reduce the backflow generated in the inlet flow path during the pump discharge stroke. Then, since the fluid is introduced into the pump chamber against the fluid resistance in the pump suction stroke, the suction stroke becomes considerably longer than the discharge stroke. Therefore, the frequency of the pump discharge / intake cycle becomes considerably low.

ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献2の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型で高出力なポンプを実現できない問題がある。   A pump that moves a piston or diaphragm up and down generally has a higher flow rate and higher output as the frequency of the piston or diaphragm moving up and down is higher. However, since the configuration of Patent Document 2 can be driven only at a low frequency as described above, there is a problem that a small and high output pump cannot be realized.

特許文献3の構成は、ポンプ室体積の増減に従い圧縮構成要素を通過する流体の、流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力(負荷圧力)が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献1によると、最大負荷圧力は0.760気圧程度である。   The configuration of Patent Document 3 has a configuration in which a net flow rate is caused to flow in one direction due to a difference in pressure drop depending on a flow direction of a fluid passing through a compression component according to increase / decrease of a pump chamber volume. As the pressure increases, the reverse flow rate increases, and there is a problem that the pump does not operate at a high load pressure. According to Non-Patent Document 1, the maximum load pressure is about 0.760 atm.

そこで本発明は、機械的開閉弁の個数を減らして、圧力損失を減らすとともに信頼性を高め、高負荷圧力に対応し、高周波駆動に対応し、ポンプ吐出流体体積も増加させ、さらに駆動効率の良いポンプの提供を目的とする。   Therefore, the present invention reduces the number of mechanical on-off valves, reduces pressure loss and increases reliability, supports high load pressure, supports high frequency driving, increases pump discharge fluid volume, and further improves driving efficiency. The purpose is to provide a good pump.

上記課題を解決するために、本発明に係るポンプは、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備え、当該周期制御手段は、前記ホンプ室の圧力が絶対0気圧になったときに、前記可動壁のポンプ室容積圧縮工程が開始するように前記アクチュエータを駆動する。 In order to solve the above-described problems, a pump according to the present invention includes an actuator that displaces a movable wall such as a piston or a diaphragm, a drive unit that drives and controls the actuator, and a pump whose volume can be changed by the displacement of the movable wall. A pump having a chamber, an inlet channel for allowing working fluid to flow into the pump chamber, and an outlet channel for allowing working fluid to flow out of the pump chamber, the outlet channel communicating with the pump chamber during pump operation The combined inertance value of the inlet channel is smaller than the combined inertance value of the outlet channel, and the inlet channel is less than the fluid resistance when the working fluid flows into the pump chamber. A fluid resistance element that decreases, and the driving unit includes a cycle control unit that changes a motion cycle of the movable wall. When the pressure of the flop chamber becomes absolutely 0 atm, the pump chamber volume compression step of the movable wall driving the actuator to start.

本発明のポンプは、弁を入口流路だけに配置すればよく、弁等の流体抵抗要素を入口流路だけに配置すればいいので、流体抵抗要素での圧力損失を減らすとともに、ポンプの信頼性を高めることができる。
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応することができる。したがって、アクチュエータの性能を十分に生かした小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
In the pump of the present invention, the valve only needs to be arranged in the inlet flow path, and the fluid resistance element such as a valve only needs to be arranged in the inlet flow path. Can increase the sex.
Further, no displacement magnifying mechanism is arranged between the piston or diaphragm and the actuator that drives the piston or diaphragm, and viscous resistance is not used for the valve, so that high-frequency driving can be supported. Therefore, it is possible to realize a small, lightweight and high output pump that fully utilizes the performance of the actuator.

本発明に係る第1実施形態のポンプの縦断面を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the pump of 1st Embodiment which concerns on this invention. 第1実施形態のポンプの動作を示すグラフである。It is a graph which shows operation | movement of the pump of 1st Embodiment. 周波数が異なると吐出流体体積が変化する状態を示すグラフである。It is a graph which shows the state from which a discharge fluid volume changes, when frequencies differ. 所定の周波数の波形モードを示すグラフである。It is a graph which shows the waveform mode of a predetermined frequency. 図4と異なる周波数の波形モードを示すグラフである。It is a graph which shows the waveform mode of a frequency different from FIG. 本発明に係る第1実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。The block diagram of the period control means of 1st Embodiment which concerns on this invention is shown. 第1実施形態の周期制御手段で記憶しているマップを示す図である。It is a figure which shows the map memorize | stored by the period control means of 1st Embodiment. 本発明に係る第2実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。The block diagram of the period control means of 2nd Embodiment which concerns on this invention is shown. 本発明に係る第2実施形態の周期制御手段が処理を行う手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure in which the period control means of 2nd Embodiment which concerns on this invention performs a process. 本発明に係る第3実施形態の圧力―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which the pressure-cycle conversion circuit of 3rd Embodiment concerning this invention performs a process. 本発明に係る第4実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。The block diagram of the period control means of 4th Embodiment which concerns on this invention is shown. 第4実施形態の周期制御手段で記憶しているマップを示す図である。It is a figure which shows the map memorize | stored by the period control means of 4th Embodiment. 本発明に係る第5実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。The block diagram of the period control means of 5th Embodiment which concerns on this invention is shown. 本発明に係る第5実施形態の変位―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure in which the displacement-period conversion circuit of 5th Embodiment concerning this invention performs a process. 本発明に係る第6実施形態の周期制御手段のブロック図を示すものである。The block diagram of the period control means of 6th Embodiment which concerns on this invention is shown. 本発明に係る第6実施形態の流速―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which the flow-speed-period conversion circuit of 6th Embodiment concerning this invention performs a process. 本発明に係る第7実施形態の流速―周期変換回路が処理を行う手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which the flow-speed-period conversion circuit of 7th Embodiment concerning this invention performs a process. 本発明に係る第8実施形態のポンプを示す図である。It is a figure which shows the pump of 8th Embodiment which concerns on this invention.

以下、本発明に係る複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の各実施形態に係わるポンプの構造について図1で説明する。図1は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース7の底部に円形のダイヤフラム5を配置している。ダイヤフラム5は、外周緑がケース7に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム5の底面には、ダイヤフラム5を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子6が配置されている。
Hereinafter, a plurality of embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the structure of a pump according to each embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a longitudinal section of the pump of the present invention. A circular diaphragm 5 is disposed at the bottom of the cylindrical case 7. The diaphragm 5 is elastically deformable with the outer periphery green being fixedly supported by the case 7. On the bottom surface of the diaphragm 5, a piezoelectric element 6 that expands and contracts in the vertical direction of the drawing is arranged as an actuator for moving the diaphragm 5.

ダイヤフラム5とケース7の上壁との間の狭い空間がポンプ室3であり、このポンプ室3へ向けて流体抵抗要素である逆止弁4を設けた入口流路1と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と運通した細い穴のあいた管路である出口流路2とが開口している。そして、入口流路1を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素を接続するための入口接続管8となっている。また、出口流路2を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素を接続するための出口接続管9となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分15a,15bがある。   A narrow space between the diaphragm 5 and the upper wall of the case 7 is a pump chamber 3, and an inlet channel 1 provided with a check valve 4 as a fluid resistance element toward the pump chamber 3, and always during pump operation. An outlet channel 2 which is a pipe having a narrow hole communicated with the pump chamber is opened. A part of the outer periphery of the parts constituting the inlet channel 1 serves as an inlet connection pipe 8 for connecting an external element (not shown) to the pump. A part of the outer periphery of the parts constituting the outlet channel 2 is an outlet connecting pipe 9 for connecting an external element (not shown) to the pump. Further, both the inlet channel and the outlet channel have rounded portions 15a and 15b obtained by rounding the inlet side of the working fluid.

ここで、イナータンス値Lの定義を行なう。流路の断面積をS、流路の長さをl、動作流体の密度をρとした場合に、L=ρ×l/Sで与えられる。流路の差圧をΔP、流路を流れる流量をQとした場合に、イナータンス値Lを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔP=L×dQ/dtという関係が導き出される。
つまりイナータンス値Lとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値Lが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値Lが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
Here, the inertance value L is defined. When the cross-sectional area of the flow path is S, the length of the flow path is l, and the density of the working fluid is ρ, L = ρ × l / S. When the differential pressure of the flow path is ΔP and the flow rate flowing through the flow path is Q, the relation of ΔP = L × dQ / dt is derived by modifying the equation of motion of the fluid in the flow path using the inertance value L. It is.
That is, the inertance value L indicates the degree of influence that the unit pressure has on the temporal change in the flow rate. The larger the inertance value L, the smaller the temporal change in the flow rate, and the smaller the inertance value L, the larger the temporal change in the flow rate.

また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
また、ここで言う入口流路とは、入口接続管8の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室3内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路1が合流している場合は、ポンプ室3内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
In addition, the combined inertance value for parallel connection of multiple flow paths and serial connection of flow paths of different shapes is combined with the inertance values of individual flow paths in the same way as the parallel connection and series connection of inductances in electrical circuits. To calculate.
In addition, the inlet channel referred to here refers to a channel up to the end surface of the inlet connecting pipe 8 on the fluid inflow side. However, when the pulsation absorbing means is connected in the middle of the pipeline, it refers to the flow path from the inside of the pump chamber 3 to the connecting portion with the pulsation absorbing means. Furthermore, when the inlet flow paths 1 of a plurality of pumps merge, it refers to the flow path from the pump chamber 3 to the merge section. The same applies to the outlet channel.

図1に基づいて、入口流路1、出口流路2の流路長さ、面積の記号関係を説明する。入口流路1において、逆止弁4近傍の縮径管路部の長さをL1、面積をS1とし、残りの拡大された管路部の長さをL2、面積をS2とする。また、出口流路2において、出口流路2の管路の長さをL3、面積をS3とする。
以上の記号と、動作流体の密度ρを用いて、入口流路1、出口流路2のイナータンス関係を説明する。
Based on FIG. 1, the symbol relationship of the flow path length and area of the inlet flow path 1 and the outlet flow path 2 is demonstrated. In the inlet channel 1, the length of the reduced diameter pipe section near the check valve 4 is L1, the area is S1, the length of the remaining expanded pipe section is L2, and the area is S2. In the outlet channel 2, the length of the conduit of the outlet channel 2 is L3 and the area is S3.
The inertance relationship between the inlet channel 1 and the outlet channel 2 will be described using the above symbols and the density ρ of the working fluid.

入口流路1のイナータンスは、ρ×L1/S1+ρ×L2/S2として算出される。一方、出口流路2のイナータンスは、ρ×L3/S3として算出される。そして、これら流路は、ρ×L1/S1+ρ×L2/S2<ρ×L3/S3を満たす寸法関係となっている。   The inertance of the inlet channel 1 is calculated as ρ × L1 / S1 + ρ × L2 / S2. On the other hand, the inertance of the outlet channel 2 is calculated as ρ × L3 / S3. These flow paths have a dimensional relationship that satisfies ρ × L1 / S1 + ρ × L2 / S2 <ρ × L3 / S3.

以上の構成において、ダイヤフラム5の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守るために、出口流路2に弁要素が配置されても、少なくともポンプ動作時にポンプ室と連通していれば構わない。また、逆止弁4は、流体の圧力差によって開閉するものだけではなく、流体の圧力差以外の力で開閉を制御することができるタイプのものを使用しても構わない。   In the above configuration, the shape of the diaphragm 5 is not limited to a circular shape. Further, for example, in order to protect the pump components from an excessive load pressure applied when the pump is stopped, even if a valve element is arranged in the outlet flow path 2, it is only necessary to communicate with the pump chamber at least during pump operation. . The check valve 4 is not limited to a valve that opens and closes due to a fluid pressure difference, but may be a type that can control opening and closing with a force other than the fluid pressure difference.

さらに、ダイヤフラム5を動かすアクチュエータ6には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム5とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高い圧電素子6を使用することで、高周波駆動による流量増加ができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様に高い周波数特性を有する超磁歪素子を使用しても良い。   Furthermore, any actuator 6 that moves the diaphragm 5 may be used as long as it expands and contracts. However, in the pump structure of the present invention, the actuator and the diaphragm 5 are connected without a displacement magnifying mechanism. Since it can be operated at a high frequency, by using the piezoelectric element 6 having a high response frequency as in this embodiment, the flow rate can be increased by high-frequency driving, and a small and high-output pump can be realized. Similarly, a giant magnetostrictive element having high frequency characteristics may be used.

また、機械的開閉弁は吸入側のみに配置すれば良いため、弁による流量減少を減らすとともに信頼性も高くなる。
なお、本実施形態から第8実施形態までの全てにおいて、ポンプ内に導かれる動作流体は水を使用している。ただし、アルコール系、油系、何らかの添加剤を加えたもの等、他の流体を使用しても良い。
Further, since the mechanical on-off valve has only to be arranged on the suction side, the flow rate decrease due to the valve is reduced and the reliability is also increased.
In all of the present embodiment to the eighth embodiment, the working fluid introduced into the pump uses water. However, other fluids such as alcohol-based, oil-based, and some additives may be used.

次に、図1で示した構造のポンプにおけるダイヤフラムの運動周期について図2、図3、図4及び図5を用いて説明する。
図2には、ポンプを運転したときの、ダイヤフラム5の変位の波形W1、ポンプ室3の内圧の波形W2、出口流路2を通過する流体の体積速度(出口管路の断面積×流体の流速であり、この場合は流量と等しい量。)の波形W3、逆止弁4を通過する流体の体積速度W4の波形を示している。また、図2に示している負荷圧力Pfuは、出口流量2より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Pkyは、入口流路1より上流側の流体圧力である。
Next, the motion period of the diaphragm in the pump having the structure shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2, 3, 4 and 5. FIG.
FIG. 2 shows the waveform W1 of the displacement of the diaphragm 5 when the pump is operated, the waveform W2 of the internal pressure of the pump chamber 3, the volume velocity of the fluid passing through the outlet channel 2 (the sectional area of the outlet pipe × the fluid The waveform W3 of the flow velocity, in this case the amount equal to the flow rate), and the waveform of the volume velocity W4 of the fluid passing through the check valve 4 are shown. Further, the load pressure Pfu shown in FIG. 2 is a fluid pressure at a position downstream of the outlet flow rate 2, and the suction side pressure Pky is a fluid pressure upstream of the inlet channel 1.

ダイヤフラム5の変位の波形W1に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子6が延びてポンプ室3の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子6が縮んでポンプ室3の容積が増大している過程である。
そして、約4.5μm変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム5の最大変位量、即ち、ポンプ室3の容積が最小となるダイヤフラム5の変位位置である。
As shown in the waveform W1 of the displacement of the diaphragm 5, the region where the slope of the waveform is positive is a process in which the piezoelectric element 6 extends and the volume of the pump chamber 3 decreases. The region where the waveform slope is negative is a process in which the piezoelectric element 6 is contracted and the volume of the pump chamber 3 is increased.
A flat waveform section displaced by about 4.5 μm is the maximum displacement amount of the diaphragm 5, that is, the displacement position of the diaphragm 5 at which the volume of the pump chamber 3 is minimized.

ポンプ室3の内圧変化の波形W2に示すように、ポンプ室3の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室3の内圧上昇が開始する。そして、ポンプ室3の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室3の内圧最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大の地点は、ダイヤフラム5による排除流体の体積速度と、波形W3で示した出口流路2の流体の体積速度とが等しくなる点である。   As shown in the waveform W2 of the change in the internal pressure of the pump chamber 3, when the process of decreasing the volume of the pump chamber 3 starts, the increase in the internal pressure of the pump chamber 3 starts. Then, before the process of reducing the volume of the pump chamber 3 ends, the maximum pressure in the pump chamber 3 reaches the maximum value and begins to decrease. The point at which the internal pressure is maximum is a point at which the volume velocity of the excluded fluid by the diaphragm 5 is equal to the volume velocity of the fluid in the outlet channel 2 indicated by the waveform W3.

この理由は、この時刻より前では、
排除流体の体積速度 − 出口流路2を通過する流体の体積速度 > 0
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体が圧縮され、ポンプ室3内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
排除流体の体積速度 − 出口流路2を通過する流体の体積速度 < 0
の関係を有しているので、その分ポンプ室3内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室3内の圧力は降下するからである。
This is because before this time,
Volumetric velocity of the excluded fluid—volumetric velocity of the fluid passing through the outlet channel 2> 0
Therefore, the fluid in the pump chamber 3 is compressed by that amount, and the pressure in the pump chamber 3 rises. After this time,
Volume velocity of excluded fluid-volume velocity of fluid passing through outlet channel 2 <0
This is because the compression amount of the fluid in the pump chamber 3 is reduced by that amount, and the pressure in the pump chamber 3 is lowered accordingly.

ポンプ室3内の圧力は、各時刻によるポンプ室3内の流体の体積変化をΔVとすると、
ΔV = ダイヤフラムによる排除流体体積 + 吸入流体体積 − 吐出流体体積
と流体の圧縮率との関係に従って変化する。したがって、ポンプ室3の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Pfuよりもポンプ室3内の圧力が低下する場合もある。
The pressure in the pump chamber 3 is expressed as ΔV, where the volume change of the fluid in the pump chamber 3 at each time is ΔV.
ΔV = Excluded fluid volume by diaphragm + Suction fluid volume-Varies according to the relationship between the discharge fluid volume and the compressibility of the fluid. Therefore, even in the process in which the volume of the pump chamber 3 is decreasing, the pressure in the pump chamber 3 may be lower than the load pressure Pfu.

さらに、図2の場合では、ポンプ室3内圧力が吸入側圧力Pkyよりも低下し、絶対0気圧に近づいたところで、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対0気圧付近で飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Pkyも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。   Further, in the case of FIG. 2, when the pressure in the pump chamber 3 is lower than the suction side pressure Pky and approaches zero absolute pressure, the components dissolved in the working fluid are gasified to form bubbles and aeration Yong occurs and is saturated near absolute zero atmosphere. However, if the entire flow path system including the pump is pressurized and the suction side pressure Pky is sufficiently high, aeration and cavitation may not occur.

また、出口流路2の流体の体積速度の波形W3に示すように、出口流路2内では、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室3内圧力が負荷圧力Pfuより低下すると、出口流路2内の流体の体積速度も減少し始める。
ポンプ室3内圧力と負荷圧力Pfuとの差圧をΔPout、出口流路2での流体抵抗をRout、イナータンスをLout、流体の体積速度をQoutとおくと、出口流路2内の流体には、
Further, as shown in the waveform W3 of the volume velocity of the fluid in the outlet channel 2, in the outlet channel 2, the period in which the pressure in the pump chamber 3 is larger than the load pressure Pfu is almost the increase period of the volume velocity of the fluid. It has become. And when the pressure in the pump chamber 3 falls below the load pressure Pfu, the volume velocity of the fluid in the outlet channel 2 also starts to decrease.
If the pressure difference between the pressure in the pump chamber 3 and the load pressure Pfu is ΔPout, the fluid resistance in the outlet channel 2 is Rout, the inertance is Lout, and the volume velocity of the fluid is Qout, the fluid in the outlet channel 2 ,

Figure 0005003700
Figure 0005003700

という関係が成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔPoutとRout×Qoutとの差をイナータンス値Loutで割ったものと等しい。そして、1周期分の波形W3で示されている流体の体積速度を積分した値が、1周期当たりの吐出流体体積となる。 Therefore, the rate of change in volume velocity of these fluids is equal to the difference between ΔPout and Rout × Qout divided by the inertance value Lout. Then, a value obtained by integrating the volume velocity of the fluid indicated by the waveform W3 for one cycle is the discharged fluid volume per cycle.

また、逆止弁4を通過する流体の体積速度変化の波形W4に示すように、入口流路1では、ポンプ室3の圧力が吸入側圧力Pkyよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁4が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室3の圧力が上昇し、吸入側圧力Pkyよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁4の逆止効果によって逆流は防がれている。   Further, as shown in the waveform W4 of the change in volume velocity of the fluid passing through the check valve 4, when the pressure in the pump chamber 3 decreases below the suction side pressure Pky in the inlet flow path 1, the check valve causes the pressure difference. 4 opens and the volume velocity of the fluid begins to increase. Further, when the pressure in the pump chamber 3 increases and increases above the suction side pressure Pky, the volume velocity of the fluid starts to decrease. And the backflow is prevented by the check effect of the check valve 4.

ポンプ室3の圧力と吸入側圧力Pkyとの差圧をΔPin、出口流路2での流体抵抗をRin、イナータンスをLin、流体の体積速度をQinとおくと、入口流路1内の流体でも、   If the differential pressure between the pressure in the pump chamber 3 and the suction side pressure Pky is ΔPin, the fluid resistance in the outlet channel 2 is Rin, the inertance is Lin, and the volume velocity of the fluid is Qin, the fluid in the inlet channel 1 ,

Figure 0005003700
Figure 0005003700

という関係が成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔPinとR in×Qinとの差を入口流路1のイナータンス値Linで割ったものと等しい。
そして、1周期分の波形W4で示されている流体の体積速度を積分した値が、1周期当たりの吸入流体体積である。そして、この吸入流体体積は、波形W3で算出した吐出流体体積と等しい。
ここで、イナータンスの定義式を時間積分すると、
Therefore, the rate of change of these fluid volume velocities is also equal to the difference between ΔPin and R in × Qin divided by the inertance value Lin of the inlet channel 1.
A value obtained by integrating the volume velocity of the fluid indicated by the waveform W4 for one cycle is the suction fluid volume per cycle. The suction fluid volume is equal to the discharge fluid volume calculated by the waveform W3.
Here, if the inertance definition is time integrated,

Figure 0005003700
Figure 0005003700

となる。イナータンス値は一定なので、ある管路において、その両端の差圧の積分値が大きいほどその期間での管路内流体の流体体積速度Qの変化量が大きくなる。出口流路2で考えると、ポンプ室3の内圧と負荷圧力Pfuとの差圧の積分値が大きいほど、出口流路2内部の流体には吐出方向へ向う速い流れ(=大きな運動量も持った流れ)が生じ、吐出流体体積が増加する。その運動量が減少するまでには、入口流路1側から多くの流体をポンプ室3内に導入することができ、それと共に吐出流体体積と吸入流体体積とが等しくなるまでの時間も長くなる。つまり、出口流路2において(3)式の左辺の値の大きさによって、1サイクル当りのポンプの吐出流量(=吸入流量)や、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しくなるまでの時間が変化する。そして、ダイヤフラムのポンプ室容積減少行程における変位速度を速くすると、この(3)式の左辺の値は増加する傾向にある。 It becomes. Since the inertance value is constant, the amount of change in the fluid volume velocity Q of the fluid in the pipe during that period increases as the integral value of the differential pressure across the pipe increases. Considering the outlet channel 2, the larger the integrated value of the differential pressure between the internal pressure of the pump chamber 3 and the load pressure Pfu, the faster the fluid in the outlet channel 2 flows in the discharge direction (= has a large momentum). Flow) and the discharge fluid volume increases. Until the momentum decreases, a large amount of fluid can be introduced into the pump chamber 3 from the inlet channel 1 side, and at the same time, the time until the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal also increases. That is, in the outlet channel 2, the discharge flow rate (= intake flow rate) of the pump per cycle and the time until the discharge fluid volume and the intake fluid volume become equal depending on the value of the left side of the expression (3). Change. When the displacement speed of the diaphragm in the pump chamber volume reduction process is increased, the value on the left side of the equation (3) tends to increase.

次に、圧電素子6に対する前回の駆動電圧印可後、次の駆動電圧を印可するタイミングについて説明する。
先に説明したように、ポンプ室3内の圧力は、各時刻によるポンプ室3内の流体の体積変化をΔVで示すと、
ΔV =ダイヤフラム5による排除流体体積 + 吸入流体体積 − 吐出流体体積
と流体の圧縮率との関係に従って変化する。そして、本構造のポンプは出口流路2とポンプ室3とが連通しているため、ΔV=0となる時には、ポンプ室3内の圧力は負荷圧力Pfuと等しくなる。従って、ΔV<0の範囲では、ポンプ室3の圧力は負荷圧力Pfuよりも低くなっている。そのため、ΔV<0の範囲で圧電素子6に対して次回の駆動電圧を印可すると、ΔV=0となるまでの排除体積が、ポンプ室3の圧力を負荷圧力Pfuと等しくするためにポンプ室3の流体を圧縮することに使われ無駄となる。
Next, the timing at which the next drive voltage is applied after the previous drive voltage is applied to the piezoelectric element 6 will be described.
As described above, the pressure in the pump chamber 3 is expressed by ΔV indicating the volume change of the fluid in the pump chamber 3 at each time.
ΔV = Excluded fluid volume by diaphragm 5 + Suction fluid volume − Varies according to the relationship between the discharged fluid volume and the fluid compressibility. And since the outlet flow path 2 and the pump chamber 3 are communicating with the pump of this structure, when ΔV = 0, the pressure in the pump chamber 3 becomes equal to the load pressure Pfu. Therefore, in the range of ΔV <0, the pressure in the pump chamber 3 is lower than the load pressure Pfu. Therefore, when the next drive voltage is applied to the piezoelectric element 6 in the range of ΔV <0, the displacement volume until ΔV = 0 is set so that the pressure in the pump chamber 3 becomes equal to the load pressure Pfu. Used to compress the fluid and wasted.

このような排除体積の無駄な消費を防ぐことにより、ポンプの吐出流体体積を増加させることが可能となる。そのためには、ポンピング1回分の駆動が終了した後(ダイヤフラム5による排除流体体積の正味量が零となった後)、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻以降に、次回の圧電素子6に対する駆動電圧を印可するのがよい。   By preventing such a wasteful consumption of the excluded volume, it is possible to increase the discharge fluid volume of the pump. For this purpose, after the end of driving for one pumping (after the net amount of the excluded fluid volume by the diaphragm 5 becomes zero), after the time when the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal, the next piezoelectric element A driving voltage for 6 is preferably applied.

ところが、ポンプ室3の流体の圧力波は様々な要因で変化する。ダイヤフラム5をSIN波形で運動させた時には、駆動周期に対して吐出流体体積は図3のように変化する。図3には2つの吐出流体体積のピークがあるが、それぞれのピークに対応する駆動周期でのポンプ室3内圧力とダイヤフラム変位について図4、図5に示してある。図4は、ダイヤフラム変位の周期とポンプ室圧力の周期が等しい1倍波モードと呼んでいる駆動状態であり、図5は、ダイヤフラム変位の周期に比べてポンプ室圧力の周期が2倍になっている2倍波モードと呼んでいる駆動状態である。図4と図5とでは、ポンプ室の圧力波形が異なっており、先に説明した(3)式の左辺の値も異なっている。具体的には、図5の2倍波モードの方が、図4の1倍波モードよりも圧力波形のピークが大きく、(3)式の左辺の値も大きい。そのため、先に説明したように、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなる時刻も変化する。(2倍波モードを示す図5は、1倍波モードを示す図4と比較して吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなるまでの時間が長くなる)。その吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻と、ダイヤフラムがポンプ室容積圧縮方向へ運動する期間とがうまく同調した駆動周波数において、図3に示した吐出流体体積のピークが存在する。この2つのモードでポンプ室の圧力波形が異なる理由は、ダイヤフラムの変位量は等しいいものの、図5の方が図4と比べて、駆動周期が短くダイヤフラムのポンプ室容積減少行程における変位速度が速いためである。   However, the pressure wave of the fluid in the pump chamber 3 changes due to various factors. When the diaphragm 5 is moved in a SIN waveform, the discharge fluid volume changes as shown in FIG. 3 with respect to the driving cycle. FIG. 3 shows two discharge fluid volume peaks. FIG. 4 and FIG. 5 show the pressure in the pump chamber 3 and the diaphragm displacement in the driving cycle corresponding to each peak. FIG. 4 shows a driving state called a first harmonic mode in which the cycle of the diaphragm displacement and the cycle of the pump chamber pressure are equal. FIG. 5 shows that the cycle of the pump chamber pressure is doubled compared to the cycle of the diaphragm displacement. This is a driving state called the second harmonic mode. 4 and 5, the pressure waveform in the pump chamber is different, and the value on the left side of the equation (3) described above is also different. Specifically, the second harmonic mode in FIG. 5 has a larger pressure waveform peak than the first harmonic mode in FIG. 4, and the value on the left side of equation (3) is also larger. Therefore, as described above, the time at which the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal also changes. (FIG. 5 showing the second harmonic mode has a longer time until the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal compared to FIG. 4 showing the first harmonic mode). The discharge fluid volume peak shown in FIG. 3 exists at a driving frequency at which the time when the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal to the period during which the diaphragm moves in the direction of compression of the pump chamber volume. The reason why the pressure waveform of the pump chamber is different in these two modes is that the displacement amount of the diaphragm is the same, but the displacement speed of FIG. 5 is shorter than that of FIG. Because it is fast.

このように、ポンプ室3の圧力は、特に、圧電素子6を駆動してダイヤフラム5がポンプ室3の容積を減少する方向への変位時間、最大変位量、変位速度、負荷圧力の変化により大きな影響を受け、それに伴い吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなる時刻も変化し、圧電素子6に対する前回の駆動電圧印可後、次の駆動電圧を印可する最適なタイミングも変化する。   In this way, the pressure in the pump chamber 3 is particularly large due to changes in displacement time, maximum displacement amount, displacement speed, and load pressure in the direction in which the piezoelectric element 6 is driven and the diaphragm 5 decreases the volume of the pump chamber 3. As a result, the time when the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal also changes, and after the previous drive voltage is applied to the piezoelectric element 6, the optimal timing for applying the next drive voltage also changes.

再び図3に基づいて説明を加える。
図3において、1倍波より2倍波が発生した方が吐出流体体積が増えている。また、2倍波モードで駆動すると逆止弁の開閉回数は駆動周波数の1/2となり、図3から分かるように、2倍波モードで駆動した逆止弁の開閉回数は1倍波モードで駆動したときの逆止弁の開閉回数よりも少なくなる。一般的に疲労破壊は荷重の繰り返し回数に関係している。そのため、2倍波モードで駆動したほうが逆止弁の耐久性が向上する。図3ではダイヤフラムの駆動波形をSIN波形とした場合を示したが、それ以外でもSIN波形に近い波形や、ダイヤフラムの変位速度が駆動周期の関数となる駆動波形で駆動した場合も同様のことが生じる。
Description will be added again based on FIG.
In FIG. 3, the discharge fluid volume increases when the second harmonic is generated rather than the first harmonic. Further, when driven in the second harmonic mode, the number of check valve opening / closing operations is ½ of the drive frequency, and as can be seen from FIG. 3, the check valve opened / closed in the second harmonic mode is opened / closed in the first harmonic mode. This is less than the number of times the check valve is opened and closed when it is driven. In general, fatigue failure is related to the number of repeated loads. Therefore, the durability of the check valve is improved by driving in the second harmonic mode. Although FIG. 3 shows the case where the diaphragm drive waveform is a SIN waveform, the same applies to other cases where the diaphragm is driven with a waveform close to the SIN waveform or a drive waveform whose displacement speed is a function of the drive cycle. Arise.

また、前述したように、図3における吐出流体体積ピーク周波数は、吐出流体体積と吸入流体体積が等しくなった時刻(=ポンプ室内圧が負荷圧力と等しくなった時刻)とダイヤフラムがポンプ室容積圧縮方向へ運動する期間とが毎回うまく同調した駆動周波数である。ここで、この周波数のことをポンプ内流体共振周波数と呼ぶこととする。
アクチュエータやダイヤフラム、更には、ポンプ室を構成する他の壁部品といったポンプ室を構成する機械部品の共振周波数(この周波数においてはポンプ室3の容積変化が最大となる)と、ポンプ内流体共振周波数とをほぼ等しくすることで、ポンプからの吐出流体体積を減らさずにアクチュエータ単体の変位量をより少なく駆動することが可能となる。これはアクチュエータの内部損失が減るため効率よくポンプを駆動する効果がある。
Further, as described above, the discharge fluid volume peak frequency in FIG. 3 corresponds to the time when the discharge fluid volume and the suction fluid volume become equal (= time when the pump chamber pressure becomes equal to the load pressure) and the diaphragm compresses the pump chamber volume. The period of movement in the direction is the drive frequency that is well tuned each time. Here, this frequency is referred to as an in-pump fluid resonance frequency.
The resonance frequency of the mechanical parts constituting the pump chamber such as the actuator, the diaphragm, and other wall parts constituting the pump chamber (the volume change of the pump chamber 3 is maximum at this frequency), and the fluid resonance frequency in the pump Are made substantially equal to each other, so that the displacement amount of the actuator alone can be reduced without reducing the volume of fluid discharged from the pump. This has the effect of driving the pump efficiently because the internal loss of the actuator is reduced.

次に、図6及び図7は、本発明に係る第1実施形態を示すものである。
図6は、本実施形態の圧電素子6の駆動制御を行う駆動手段20のブロック図であり、周期制御回路(周期制御手段)22と、電圧波形発生回路24とで構成されている。
電圧波形発生回路24は、後述するトリガー信号を受ける度に、トリガー信号を受ける前までに設定された電圧波形を1回発生させる波形発生回路24aと、駆動に必要な所定の電力に増幅し圧電素子6に供給する増幅アンプ回路24bとを備えている。
Next, FIGS. 6 and 7 show a first embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of the driving unit 20 that controls the driving of the piezoelectric element 6 according to the present embodiment, and includes a cycle control circuit (cycle control unit) 22 and a voltage waveform generation circuit 24.
The voltage waveform generation circuit 24 generates a voltage waveform set once before receiving a trigger signal every time a trigger signal to be described later is received, and a piezoelectric circuit that amplifies the voltage waveform to a predetermined power required for driving. And an amplification amplifier circuit 24b that supplies the element 6.

周期制御回路22は、ポンプ室3の容積を減少させる方向へダイヤフラム5を変位させる時間(変位時間)、最大変位、負荷圧力の信号が入力されるI/Oポート22aと、各入力値の組み合わせに対する最適な運動周期をあらかじめ実験的に求めておき、図7に示すマップを記録しているROM22bと、I/Oポート22aへの入力値でROM22bを参照し、対応する周期でトリガー信号を発生するCPU22cとを備えている。   The cycle control circuit 22 is a combination of an input value and an I / O port 22a to which a signal of displacement (displacement time), maximum displacement, and load pressure is input in a direction in which the volume of the pump chamber 3 is decreased. The optimal motion cycle for the above is experimentally determined in advance, and the ROM 22b that records the map shown in FIG. 7 and the input value to the I / O port 22a are referred to the ROM 22b, and a trigger signal is generated at the corresponding cycle. CPU22c which performs.

本実施形態によると、周期制御回路22が、変位時間、最大変位、負荷圧力の変化に対して最適な周期を選択し、圧電素子6を制御することで、吐出流量体積及び吸入流量体積が等しいか、吸入流量体積が多い状態でダイヤフラム5が変位するため、排除流体体積の無駄な消費を防止し、ポンプの吐出流体体積を増大させることができる。
また、本実施形態では、ポンプ室3の内部にセンサを設ける必要がないので、ポンプ室3が狭い空間である場合に好適である。
According to the present embodiment, the cycle control circuit 22 selects the optimum cycle for the change in displacement time, maximum displacement, and load pressure, and controls the piezoelectric element 6 so that the discharge flow volume and the suction flow volume are equal. In addition, since the diaphragm 5 is displaced in a state where the suction flow volume is large, wasteful consumption of the excluded fluid volume can be prevented and the discharge fluid volume of the pump can be increased.
Moreover, in this embodiment, since it is not necessary to provide a sensor in the inside of the pump chamber 3, it is suitable when the pump chamber 3 is a narrow space.

次に、図8及び図9は、本発明に係る第2実施形態を示すものである。
図8に示す本実施形態の駆動手段20は、周期制御回路(周期制御手段)22と、電圧波形発生回路24とを備えている。
電圧波形発生回路24は、図6で示したブロック図と同一構成になっており、後述するトリガー信号を受ける度に、トリガー信号を受ける前までに設定された電圧波形を1回発生させる。
周期制御回路22は、ポンプ内に配置した圧力センサ(ポンプ圧力検出手段)28の検出値に基づいてトリガー信号を発生する圧力−周期変換回路22dを備えている。
Next, FIGS. 8 and 9 show a second embodiment according to the present invention.
The drive unit 20 of this embodiment shown in FIG. 8 includes a cycle control circuit (cycle control unit) 22 and a voltage waveform generation circuit 24.
The voltage waveform generation circuit 24 has the same configuration as that of the block diagram shown in FIG. 6 and generates a voltage waveform set before receiving a trigger signal once every time a trigger signal described later is received.
The cycle control circuit 22 includes a pressure-cycle conversion circuit 22d that generates a trigger signal based on a detection value of a pressure sensor (pump pressure detection means) 28 disposed in the pump.

図9に、圧力−周期変換回路22dの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップS4において、圧力の閾値Pshを設定する。この閾値Pshは、圧力センサ28に吸入側圧力Pkyが加わった時の出力値以上の値を使用している。このようにすると、低圧時の微妙な圧力上昇による誤検出がない。
FIG. 9 is a flowchart showing the processing procedure of the pressure-cycle conversion circuit 22d.
First, in step S4, a pressure threshold value Psh is set. The threshold value Psh is a value that is equal to or greater than the output value when the suction side pressure Pky is applied to the pressure sensor 28. In this way, there is no false detection due to a subtle pressure increase at low pressure.

次いで、ステップS6に移行し、トリガー信号を波形発生回路24へ出力する。
次いで、ステップS8に移行し、波形発生回路24が1回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップS10に移行する。
ステップS10では、圧力センサ28により第1回目のポンプ室3の圧力Pin1を計測する。
Next, the process proceeds to step S <b> 6 and a trigger signal is output to the waveform generation circuit 24.
Next, the process proceeds to step S8, where the waveform generation circuit 24 checks whether or not the output of one voltage waveform has been completed, and if completed, the process proceeds to step S10.
In step S <b> 10, the pressure Pin <b> 1 of the first pump chamber 3 is measured by the pressure sensor 28.

次いで、ステップS12に移行し、圧力センサ28により第2回目のポンプ室3の圧力Pin2を計測する。
次いで、ステップS14に移行し、閾値Pshと、第1回目のポンプ室3の圧力Pin1と、第2回目のポンプ室3の圧力Pin2の関係が、Pin1<Psh<Pin2の関係になっているか否かを確認する。Pin1<Psh<Pin2の関係になっている場合には、ステップS16に移行し、Pin1<Psh<Pin2の関係になっていない場合には、ステップS18に移行する。
Next, the process proceeds to step S12, and the pressure Pin2 in the second pump chamber 3 is measured by the pressure sensor 28.
Subsequently, the process proceeds to step S14, and whether the relationship between the threshold value Psh, the pressure Pin1 of the first pump chamber 3 and the pressure Pin2 of the second pump chamber 3 is a relationship of Pin1 <Psh <Pin2. To check. If the relation Pin1 <Psh <Pin2 is established, the process proceeds to step S16. If the relation Pin1 <Psh <Pin2 is not established, the process proceeds to step S18.

ステップS18では、第2回目のポンプ室3の圧力Pin2の値を、第1回目のポンプ室3の圧力Pin1としてステップS12に戻る。
また、ステップS16では、圧電素子6の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子6の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子6の制御を続行する場合にはステップS6に戻る。
In step S18, the value of the pressure Pin2 of the second pump chamber 3 is set as the pressure Pin1 of the first pump chamber 3, and the process returns to step S12.
In step S16, it is confirmed whether the control of the piezoelectric element 6 is continued or stopped. When the control of the piezoelectric element 6 is stopped, the process is stopped, and when the control of the piezoelectric element 6 is continued. Return to step S6.

以上、本実施形態によると、周期制御回路22が、負荷圧力の変化に対してポンプ室3の圧力が、予め設定した閾値Pshを超えて増える時点で、次の圧電素子6に対する駆動電圧を印可することができる。
そして、圧力センサ28に負荷圧力Pfuが加わった時の出力値以上の値を用いれば、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム5が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加していく。
As described above, according to the present embodiment, the cycle control circuit 22 applies the drive voltage to the next piezoelectric element 6 when the pressure in the pump chamber 3 increases beyond the preset threshold value Psh with respect to the change in the load pressure. can do.
If a value equal to or higher than the output value when the load pressure Pfu is applied to the pressure sensor 28 is used, the diaphragm 5 starts to be displaced at a point where the discharge fluid volume is equal to the suction fluid volume or the suction fluid volume is larger. , Wasteful consumption of the excluded fluid volume is prevented, and the discharge fluid volume of the pump increases.

なお、ポンプ圧力検出手段としては、圧力センサ28以外にも、ダイヤフラムの歪量を歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室3の圧力を算出してもよい。また、ポンプ躯体の変形を歪ゲージで測定して、ポンプ室3の圧力を算出してもよい。また、入口流路1側に受動弁を備え、その弁が閉じている状態でのポンプ室3の圧力による変形を、歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室3の圧力を算出してもよい。また、圧電素子6の変位を測定するために、圧電素子6に歪ゲージが取り付けられていて、圧電素子6への印可電圧、若しくは印可電荷(目標変位量)と歪ゲージによって測定値(実変位量)と圧電素子6のヤング率から、ポンプ室3の圧力を算出するようにしてもよい。これらの方法は、ポンプ室3の内部に設けなくて済むので、ポンプの小型化を促進することができる。また、歪ゲージとしては、歪量を抵抗変化、静電容量変化、または、電圧変化で検出するもの等、どのタイプを使用しても構わない。
また、圧力センサはポンプ室と出口流を含むポンプ内に配置してあれば良いが、ポンプ室内に配置するのがポンプ内部の圧力を正確に測定でき好適である。
In addition to the pressure sensor 28, the pump pressure detecting means may calculate the pressure in the pump chamber 3 by measuring the strain amount of the diaphragm with a strain gauge or a displacement sensor. Alternatively, the pressure in the pump chamber 3 may be calculated by measuring the deformation of the pump housing with a strain gauge. Further, a passive valve is provided on the inlet flow path 1 side, and deformation due to the pressure of the pump chamber 3 when the valve is closed is measured by a strain gauge or a displacement sensor, and the pressure of the pump chamber 3 is calculated. Also good. Further, in order to measure the displacement of the piezoelectric element 6, a strain gauge is attached to the piezoelectric element 6, and a measured value (actual displacement) is measured by an applied voltage or applied charge (target displacement amount) to the piezoelectric element 6 and the strain gauge. The pressure in the pump chamber 3 may be calculated from the amount) and the Young's modulus of the piezoelectric element 6. Since these methods do not need to be provided inside the pump chamber 3, it is possible to promote downsizing of the pump. As the strain gauge, any type may be used, such as a strain gauge that detects the amount of strain by resistance change, capacitance change, or voltage change.
Further, the pressure sensor may be arranged in the pump including the pump chamber and the outlet flow. However, it is preferable to arrange the pressure sensor in the pump chamber because the pressure inside the pump can be accurately measured.

次に、図10は、本発明に係る第3実施形態を示すものである。
この図も、図8で示した圧力−周期変換回路22dの処理手順を示すフローチャートであり、図8で示した構成と同一構成なので、駆動手段20のブロック図は省略する。
Next, FIG. 10 shows a third embodiment according to the present invention.
This figure is also a flowchart showing the processing procedure of the pressure-cycle conversion circuit 22d shown in FIG. 8, and since it has the same configuration as that shown in FIG. 8, the block diagram of the driving means 20 is omitted.

先ず、ステップS30において、ダイヤフラム5の複数の周期Ti(i=1、2、3…)のうち周期T1を選ぶ。なお、次回以降は、他の周期Tiを変更して選択する。
次いで、ステップS32に移行し、全ての周期Tiに対して後述する演算値Fiの算出が終了したかを確認し、終了していない場合にはステップS38に移行し、終了した場合にはステップS36に移行する。
ステップS38では、トリガー信号Siを出力する。
First, in step S30, a period T1 is selected from a plurality of periods Ti (i = 1, 2, 3,...) Of the diaphragm 5. From the next time onward, another cycle Ti is changed and selected.
Next, the process proceeds to step S32, where it is confirmed whether calculation of the calculation value Fi described later has been completed for all cycles Ti. If not completed, the process proceeds to step S38, and if completed, step S36 is performed. Migrate to
In step S38, the trigger signal Si is output.

次いで、ステップS44に移行し、圧力センサ28によりポンプ室3の圧力Pinを計測する。
次いで、ステップS46に移行し、基準値(所定の値)Paとポンプ室3の圧力Pinとの関係が、Pa≦Pinの関係になっているか否かを確認する。ここで、基準値Paは、圧電素子6が駆動する前のポンプ室3の圧力値である。このステップにおいてPa≦Pinの関係になっている場合には、ステップS50に移行し、Pa≦Pinの関係になっていない場合には、ステップS44に戻る。
Next, the process proceeds to step S44, and the pressure Pin of the pump chamber 3 is measured by the pressure sensor 28.
Subsequently, the process proceeds to step S46, and it is confirmed whether or not the relationship between the reference value (predetermined value) Pa and the pressure Pin of the pump chamber 3 is Pa ≦ Pin. Here, the reference value Pa is a pressure value of the pump chamber 3 before the piezoelectric element 6 is driven. If the relationship of Pa ≦ Pin is established in this step, the process proceeds to step S50. If the relationship of Pa ≦ Pin is not established, the process returns to step S44.

次いで、ステップS50に移行し、ポンプ室3の圧力Pinを記憶圧力値Pmj(j=1、2、3…と、このステップを処理するたびにjの値はインクリメントする。)に記憶してからステップS52に移行し、その計測時の時刻を、経過時間TMmj(j=1、2、3…)に記憶してからステップS54に移行する。   Next, the process proceeds to step S50, and the pressure Pin of the pump chamber 3 is stored in the stored pressure value Pmj (j = 1, 2, 3,..., And the value of j is incremented each time this step is processed). The process proceeds to step S52, the time at the time of measurement is stored in the elapsed time TMmj (j = 1, 2, 3,...), And then the process proceeds to step S54.

ステップS54では、ポンプ室の圧力を測定し、その測定値Pinと基準値Paとの関係が、Pa>Pinの関係になっているか否かを確認する。Pa>Pinの関係になっている場合には、ステップS56に移行し、Pa>Pinの関係になっていない場合には、ステップS50に戻る。   In step S54, the pressure in the pump chamber is measured, and it is confirmed whether or not the relationship between the measured value Pin and the reference value Pa satisfies the relationship Pa> Pin. If Pa> Pin, the process proceeds to step S56. If Pa> Pin, the process returns to step S50.

そして、ステップS56において、記憶圧力値Pmj、基準値Pa、経過時間TMmjを使用し、記憶圧力値Pmjと基準値Paとの差を時間積分して演算値Fiを算出してからステップS30に戻る。
そして、ステップS32においてダイヤフラム5の全ての周期Tiに対する演算値Fiの演算が終了した場合に移行する先であるステップS36では、これまで記憶した演算値F1、F2、F3…の中の最大値を算出する。
In step S56, the stored pressure value Pmj, the reference value Pa, and the elapsed time TMmj are used, and the difference between the stored pressure value Pmj and the reference value Pa is integrated over time to calculate the calculated value Fi, and then the process returns to step S30. .
Then, in step S36, which is the transition destination when the calculation of the calculation values Fi for all the periods Ti of the diaphragm 5 is completed in step S32, the maximum value among the calculation values F1, F2, F3. calculate.

次いで、ステップS58に移行し、最大値となった所定の演算値Fiに対応するダイヤフラム5の周期Tiを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した周期Tiでダイヤフラム5が変位するように、駆動手段20が圧電素子6の駆動制御を行う。
Next, the process proceeds to step S58, and after selecting the cycle Ti of the diaphragm 5 corresponding to the predetermined calculated value Fi that has become the maximum value, the process ends.
Then, the driving unit 20 controls the driving of the piezoelectric element 6 so that the diaphragm 5 is displaced at the selected period Ti.

以上、図10で示した圧力−周期変換回路22dの処理を行うと、(3)式の左辺に相当する演算値Fiが最大となる周期を選択することができる。一方、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム5が変位し始める最適な周期で駆動すると、先に説明したように、ポンプ室容積圧縮過程において排除流体体積の無駄な消費がないため、最適でない周期で駆動する場合と比較して、ポンプ室内圧はより上昇し、ポンプの吐出流体体積もより増加し、そして、(3)式の左辺に相当する値もより増大する。したがって、本実施形態のようにダイヤフラムの運動周期を制御すると、最適な運動周期で駆動することができ、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加する。   As described above, when the processing of the pressure-cycle conversion circuit 22d shown in FIG. 10 is performed, it is possible to select the cycle in which the calculated value Fi corresponding to the left side of the equation (3) is maximum. On the other hand, when the diaphragm 5 is driven at an optimal cycle at which the discharge fluid volume and the suction fluid volume are equal or the suction fluid volume is larger, as described above, in the pump chamber volume compression process, the excluded fluid Since there is no wasteful volume consumption, the pump chamber pressure is further increased, the pump discharge fluid volume is further increased, and this corresponds to the left side of the equation (3) as compared with the case of driving with a non-optimal cycle. The value also increases. Therefore, if the motion cycle of the diaphragm is controlled as in the present embodiment, the diaphragm can be driven with an optimal motion cycle, wasteful consumption of the excluded fluid volume can be prevented, and the discharge fluid volume of the pump can be increased.

なお、圧力値Pmjと基準値Paとの差を時間積分すると高精度に圧電素子6の制御を行えるが、例えばポンプ室3の圧力Pinのピーク値と基準値Paとの差と、基準値Pa≦圧力Pinとなっている時間とを積算したものを使用することもできる。
ところで、本発明に係るポンプは、出口流路2に接続した出口管路(出口流路2より下流側)とポンプ室3とが連通しているので、駆動する前のポンプ室3の圧力は負荷圧力Pfuと等しい。そこで、駆動する前のポンプ室3の圧力を測定することで負荷圧力Pfuがわかるのである。
Although the piezoelectric element 6 can be controlled with high accuracy by integrating the difference between the pressure value Pmj and the reference value Pa over time, for example, the difference between the peak value of the pressure Pin of the pump chamber 3 and the reference value Pa, and the reference value Pa It is also possible to use a value obtained by integrating the time when the pressure Pin is set.
Incidentally, in the pump according to the present invention, the outlet pipe (downstream from the outlet channel 2) connected to the outlet channel 2 and the pump chamber 3 communicate with each other, so the pressure in the pump chamber 3 before being driven is It is equal to the load pressure Pfu. Therefore, the load pressure Pfu can be determined by measuring the pressure in the pump chamber 3 before driving.

そこで、圧電素子6を駆動する前のポンプ室の圧力を基準値Paとせずに、他の方法で負荷圧力Pfuを求めて図10で示した第3実施形態の処理を行うこともできる。
他の方法としては、負荷圧力Pfuが事前にわかっている場合はその値を使用するのが簡便で望ましい。また、負荷圧力Pfuを測定する手段を設け、その測定値を使用することも、事前に想定できない様々な負荷圧力Pfuに対応できる点で望ましい。また、ポンプ駆動時に一時的に数波形分駆動を停止すると(例えば、2kHzで駆動しているときに、2000波形駆動すると10波形停止し、また、2000波形駆動する)、停止している間にポンプ室3の圧力振動が停止するので、そのときのポンプ室3の圧力は負荷圧力Pfuと等しい。そこで、ポンプ圧力検出手段である圧力センサ28のそのときの値を負荷圧力Pfuを使用するのが、様々な負荷圧力Pfuに対応でき、更に負荷圧力を測定する新たな手段を備えなくても済む点で好ましい。
Therefore, the pressure in the pump chamber before driving the piezoelectric element 6 is not set to the reference value Pa, and the load pressure Pfu can be obtained by another method and the processing of the third embodiment shown in FIG. 10 can be performed.
As another method, when the load pressure Pfu is known in advance, it is convenient and desirable to use the value. It is also desirable to provide a means for measuring the load pressure Pfu and use the measured value because it can cope with various load pressures Pfu that cannot be assumed in advance. Further, when driving for several waveforms is temporarily stopped at the time of driving the pump (for example, when driving at 2 kHz, if 2000 waveforms are driven, 10 waveforms are stopped and 2000 waveforms are driven). Since the pressure oscillation in the pump chamber 3 stops, the pressure in the pump chamber 3 at that time is equal to the load pressure Pfu. Therefore, using the load pressure Pfu as the value of the pressure sensor 28 serving as the pump pressure detecting means can cope with various load pressures Pfu, and does not require a new means for measuring the load pressure. This is preferable.

また、ある運動周期の際の演算値Fiと、それを理想的な最大演算値Fmaxにするためにその運動周期に加える補正量とを、予め実験等により求め、それを変位制御手段のROM内にマップ化して保有しておき、演算値Fiを算出すると、そのマップを参照し、ダイヤフラム5の運動周期を補正する手段を設けると、同様の効果を得ながら、より高速に変位速度を制御することができる。   Further, a calculation value Fi for a certain movement cycle and a correction amount to be added to the movement cycle in order to make it an ideal maximum calculation value Fmax are obtained in advance by experiments or the like, and these are calculated in the ROM of the displacement control means. If the calculation value Fi is calculated and stored, and a means for correcting the motion cycle of the diaphragm 5 is provided by referring to the map, the displacement speed is controlled at a higher speed while obtaining the same effect. be able to.

次に、図11及び図12は、本発明に係る第4実施形態を示すものである。
図11に示すように、本実施形態の周期制御回路22は、I/Oポート22aと、ROM22bと、CPU22cとを備えており、I/Oポート22aには、ポンプ内に配置した圧力センサ(ポンプ圧力検出手段)28からポンプ室3の圧力情報が入力されている。また、ROM22bには、予め実験で求めた、ある基準運動周期T0の際の圧力センサ28の内圧ピーク値と、それを最適な周期とするための補正量とが、図12に示すように負荷圧力別にマップとして記録されている。
Next, FIGS. 11 and 12 show a fourth embodiment according to the present invention.
As shown in FIG. 11, the cycle control circuit 22 of this embodiment includes an I / O port 22a, a ROM 22b, and a CPU 22c. The I / O port 22a includes a pressure sensor (in the pump) The pressure information of the pump chamber 3 is input from the pump pressure detecting means 28. Further, in the ROM 22b, an internal pressure peak value of the pressure sensor 28 obtained during an experiment in advance and a correction amount for making the optimum period a load as shown in FIG. It is recorded as a map by pressure.

本実施形態の波形発生回路24が1回目の駆動電圧を出力し、周期制御回路22が基準運動周期T0でトリガー信号を発生し、波形発生回路24が2回目の駆動電圧の出力を開始すると、圧力センサ28による測定を開始し、その測定値からピーク値を算出した後、ROM22bを参照して対応する補正量を見つけ、次回からは基準運動周期にその補正量を加えた周期でトリガー信号を出力するようになっている。なお、負荷圧力の求め方は、第3実施形態で説明した全ての方法を、同様に使用できる。   When the waveform generation circuit 24 of the present embodiment outputs the first drive voltage, the cycle control circuit 22 generates a trigger signal in the reference motion cycle T0, and the waveform generation circuit 24 starts outputting the second drive voltage, After the measurement by the pressure sensor 28 is started and the peak value is calculated from the measured value, the corresponding correction amount is found with reference to the ROM 22b. From the next time, the trigger signal is generated at a cycle obtained by adding the correction amount to the reference motion cycle. It is designed to output. In addition, the method of calculating | requiring load pressure can use all the methods demonstrated in 3rd Embodiment similarly.

本実施形態も、最適な周期を選択し、圧電素子6に対して駆動電圧波形を送ることで、吐出流量体積及び吸入流量体積が等しいか、吸入流量体積が多い状態でダイヤフラム5が変位するため、排除流体体積の無駄な消費を防止し、ポンプの吐出流体体積を増大させることができる。   Also in this embodiment, the diaphragm 5 is displaced in a state where the discharge flow volume and the suction flow volume are equal or the suction flow volume is large by selecting the optimum cycle and sending the drive voltage waveform to the piezoelectric element 6. , Wasteful consumption of the excluded fluid volume can be prevented, and the discharge fluid volume of the pump can be increased.

次に、図13及び図14は、本発明に係る第5実施形態を示すものである。
図13に示す本実施形態の駆動手段20は、周期制御回路(周期制御手段)22と、電圧波形発生回路24とを備えている。周期制御回路22は、ポンプ内の入口流路1に設けた圧力差によって開閉する逆止弁4の開閉の変位状態を検出する変位センサ30の検出値に基づいてトリガー信号を発生する変位−周期変換回路22eを備えている。
図14に、変位−周期変換回路22eの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップS60において、入口流路1を閉鎖する逆止弁1がほぼ閉鎖した時の変位量に相当する閾値X0を設定する。
次いで、ステップS62に移行し、トリガー信号を出力する。
次いで、ステップS64に移行し、1回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップS66に移行する。
Next, FIGS. 13 and 14 show a fifth embodiment according to the present invention.
The drive unit 20 of this embodiment shown in FIG. 13 includes a cycle control circuit (cycle control unit) 22 and a voltage waveform generation circuit 24. The cycle control circuit 22 generates a trigger signal based on the detection value of the displacement sensor 30 that detects the open / close displacement state of the check valve 4 that opens and closes due to the pressure difference provided in the inlet flow path 1 in the pump. A conversion circuit 22e is provided.
FIG. 14 is a flowchart showing the processing procedure of the displacement-cycle conversion circuit 22e.
First, in step S60, a threshold value X0 corresponding to the amount of displacement when the check valve 1 that closes the inlet channel 1 is substantially closed is set.
Next, the process proceeds to step S62, and a trigger signal is output.
Next, the process proceeds to step S64, where it is confirmed whether or not the output of one voltage waveform has been completed. When the output is completed, the process proceeds to step S66.

ステップS66では、変位センサ30により逆止弁1の変位量Xを計測する。
次いで、ステップS68に移行し、入口流路1を閉鎖する逆止弁1の変位量(閾値)X0と、計測した変位量Xとの関係が、X≦X0の関係になっているか否かを確認する。X≦X0の関係になっている場合には、ステップS70に移行し、X≦X0の関係になっていない場合には、ステップS66に戻る。
In step S <b> 66, the displacement amount X of the check valve 1 is measured by the displacement sensor 30.
Next, the process proceeds to step S68, and whether or not the relationship between the displacement amount (threshold value) X0 of the check valve 1 that closes the inlet flow path 1 and the measured displacement amount X satisfies the relationship X ≦ X0. Check. When the relationship of X ≦ X0 is established, the process proceeds to step S70, and when the relationship of X ≦ X0 is not established, the process returns to step S66.

ステップS70では、圧電素子6の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子6の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子6の制御を続行する場合にはステップS62に戻る。
本実施形態は、1周期の駆動電圧の印可が終了した後に、次第に吸入流体体積の増加量が吐出流体体積の増加量よりも多くなっていき、吐出流体体積と吸入流体体積とがほぼ等しくなるあたりで吸入弁が閉鎖することを利用している。したがって、変位−周期変換回路22eが、逆止弁1が入口流路1を閉鎖する状態となった時点で、次回の圧電素子6に対する駆動電圧を印可するよう処理することで、吐出流体体積と吸入流体体積とがほぼ等しい時点でダイヤフラム5が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積を増加させることができる。
In step S70, it is confirmed whether the control of the piezoelectric element 6 is continued or stopped. When the control of the piezoelectric element 6 is stopped, the process is stopped, and when the control of the piezoelectric element 6 is continued, the step S62. Return to.
In the present embodiment, after the application of the drive voltage for one cycle is completed, the increase amount of the suction fluid volume gradually becomes larger than the increase amount of the discharge fluid volume, and the discharge fluid volume and the suction fluid volume become substantially equal. It is used that the intake valve is closed. Therefore, the displacement-cycle conversion circuit 22e performs processing so as to apply the next drive voltage to the piezoelectric element 6 when the check valve 1 is in a state of closing the inlet flow path 1, and thereby the discharge fluid volume and Since the diaphragm 5 starts to be displaced when the suction fluid volume is substantially equal to the suction fluid volume, wasteful consumption of the excluded fluid volume can be prevented, and the discharge fluid volume of the pump can be increased.

また、本実施形態では、逆止弁1が閉じてから圧電素子6が駆動するので、ダイヤフラム5による排除流体体積が入口流路1より逆流して損失するのを防止することもできる。
次に、図15及び図16は、本発明に係る第6実施形態を示すものである。
図15に示す本実施形態の駆動手段20は、周期制御回路(周期制御手段)22と、電圧波形発生回路24とを備えており、周期制御回路22は、ポンプ内の出口流路2に配置した流速センサ(流速測定手段)30の検出値に基づいてトリガー信号を発生する流速−周期変換回路22fを備えている。
Further, in this embodiment, since the piezoelectric element 6 is driven after the check valve 1 is closed, it is possible to prevent the excluded fluid volume due to the diaphragm 5 from flowing backward from the inlet channel 1 and being lost.
Next, FIGS. 15 and 16 show a sixth embodiment according to the present invention.
The drive unit 20 of the present embodiment shown in FIG. 15 includes a cycle control circuit (cycle control unit) 22 and a voltage waveform generation circuit 24. The cycle control circuit 22 is arranged in the outlet flow path 2 in the pump. The flow rate-period conversion circuit 22f that generates a trigger signal based on the detected value of the flow rate sensor (flow rate measuring means) 30 is provided.

図16に、流速−周期変換回路22fの処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップS72において、ダイヤフラム5の複数の周期Ti(i=1、2、3…)のうち周期T1を選ぶ。なお、次回以降は、他の周期Tiを変更して選択する。
次いで、ステップS74に移行し、全ての周期Tiに対して後述する流速差ΔViの算出が終了したかを確認し、終了していない場合にはステップS80に移行し、終了した場合にはステップS78に移行する。
FIG. 16 is a flowchart showing the processing procedure of the flow velocity-cycle conversion circuit 22f.
First, in step S72, the period T1 is selected from the plurality of periods Ti (i = 1, 2, 3,...) Of the diaphragm 5. From the next time onward, another cycle Ti is changed and selected.
Next, the process proceeds to step S74, where it is confirmed whether calculation of a flow rate difference ΔVi, which will be described later, is completed for all cycles Ti. If not completed, the process proceeds to step S80, and if completed, step S78 is performed. Migrate to

ステップS80では、トリガー信号Siを出力する。
次いで、ステップS84に移行し、出口流路2の最大流速Vmaxを算出する。
次いで、ステップS86に移行し、出口流路2の最小流速Vminを算出する。
次いで、ステップS90に移行し、最大流速Vmaxと最小流速Vminとの流速差ΔVを算出する。
In step S80, the trigger signal Si is output.
Next, the process proceeds to step S84, and the maximum flow velocity Vmax of the outlet channel 2 is calculated.
Next, the process proceeds to step S86, and the minimum flow velocity Vmin of the outlet channel 2 is calculated.
Next, the process proceeds to step S90, and a flow rate difference ΔV between the maximum flow rate Vmax and the minimum flow rate Vmin is calculated.

次いで、ステップS92に移行し、流速差ΔVを記憶流速値ΔVi(i=1、2、3…)に記憶してからステップS72に戻る。
そして、全ての周期Tiに対する流速差ΔViの算出が終了した場合には、ステップS78に移行し、これまで記憶した速度差ΔV1、ΔV2、ΔV3…の中の最大値を算出する。
Next, the process proceeds to step S92, the flow rate difference ΔV is stored in the stored flow rate value ΔVi (i = 1, 2, 3,...), And the process returns to step S72.
When the calculation of the flow velocity difference ΔVi for all the cycles Ti is completed, the process proceeds to step S78, and the maximum value among the velocity differences ΔV1, ΔV2, ΔV3,.

次いで、ステップS94に移行し、最大値となった所定の速度差ΔViに対応する周期Tiを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した周期Tiでダイヤフラム5が変位するように、駆動手段20が圧電素子6の駆動制御を行う。
Next, the process proceeds to step S94, and after selecting the cycle Ti corresponding to the predetermined speed difference ΔVi having the maximum value, the process is terminated.
Then, the driving unit 20 controls the driving of the piezoelectric element 6 so that the diaphragm 5 is displaced at the selected period Ti.

以上、本実施形態では、(3)式で示したように、積分期間での流体体積速度の差とポンプ室3の圧力と負荷圧力との差圧の時間積分値は1対1に対応していること、また、ダイヤフラムが良い運動周期で駆動されているほど、この時間積分値が大きくなることを利用している。したがって、図16で示した流速−周期変換回路22fの処理を行うと、ダイヤフラムを最適な運動周期で駆動することができ、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加し、駆動効率の良いポンプを提供することができる。   As described above, in this embodiment, as shown by the equation (3), the time integral value of the difference between the fluid volume velocity in the integration period and the pressure difference between the pressure in the pump chamber 3 and the load pressure corresponds to 1: 1. In addition, it is used that the time integration value increases as the diaphragm is driven with a good motion cycle. Therefore, when the processing of the flow rate-cycle conversion circuit 22f shown in FIG. 16 is performed, the diaphragm can be driven at an optimal motion cycle, wasteful consumption of the excluded fluid volume can be prevented, and the discharge fluid volume of the pump can be increased. In addition, a pump with high driving efficiency can be provided.

次に、図17は、第7実施形態としての流速−周期変換回路22fの処理手順を示すフローチャートである。
先ず、ステップS100において、出口流路2の流速の閾値Vshを設定する。
次いで、ステップS102に移行し、トリガー信号を出力する。
次いで、ステップS104に移行し、一回分の電圧波形の出力が終了したかを確認し、終了した場合にはステップS106に移行する。
Next, FIG. 17 is a flowchart showing a processing procedure of the flow velocity-cycle conversion circuit 22f as the seventh embodiment.
First, in step S100, a threshold value Vsh of the flow velocity of the outlet channel 2 is set.
Next, the process proceeds to step S102, and a trigger signal is output.
Next, the process proceeds to step S104, where it is confirmed whether or not the output of one voltage waveform has been completed. If the output has been completed, the process proceeds to step S106.

ステップS106では、流速センサ32により第1回目の出口流路2の流速Vin1を計測する。
次いで、ステップS108に移行し、流速センサ32により第2回目の出口流路2の流速Vin2を計測する。
次いで、ステップS110に移行し、閾値Vshと、第1回目の出口流路2の流速Vin1と、第2回目の出口流路2の流速Vin2の関係が、Vin1<Vsh<Vin2の関係になっているか否かを確認する。Vin1<Vsh<Vin2の関係になっている場合には、ステップS112に移行し、Vin1<Vsh<Vin2の関係になっていない場合には、ステップS114に移行する。
In step S106, the flow velocity sensor 32 measures the first flow velocity Vin1 of the outlet flow path 2.
Next, the process proceeds to step S108, and the flow velocity Vin2 of the second outlet channel 2 is measured by the flow velocity sensor 32.
Next, the process proceeds to step S110, and the relationship between the threshold value Vsh, the flow velocity Vin1 of the first outlet flow channel 2 and the flow velocity Vin2 of the second outlet flow channel 2 is a relationship of Vin1 <Vsh <Vin2. Check if it exists. When the relation Vin1 <Vsh <Vin2 is established, the process proceeds to step S112. When the relation Vin1 <Vsh <Vin2 is not established, the process proceeds to step S114.

ステップS114では、第2回目の出口流路2の流速Vin2の値を、第1回目の出口流路2の流速Vin1としてステップS108に戻る。
また、ステップS112では、圧電素子6の制御を続行するか、停止するかを確認し、圧電素子6の制御を停止する場合には処理を停止し、圧電素子6の制御を続行する場合にはステップS102に戻る。
In step S114, the value of the flow velocity Vin2 of the second outlet flow channel 2 is set as the flow velocity Vin1 of the first outlet flow channel 2 and the process returns to step S108.
In step S112, it is confirmed whether the control of the piezoelectric element 6 is to be continued or stopped. When the control of the piezoelectric element 6 is stopped, the process is stopped, and when the control of the piezoelectric element 6 is continued. The process returns to step S102.

以上、本実施例では、図2に示したように出口流路2内の流体は、1回分の駆動電圧の印加が終了した後、ポンプ内圧が負荷圧力よりも低下している期間では流速が減少するが、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多くなると、ポンプ内圧が負荷圧力よりも高くなり、出口流路2内の流速は増加し始めることを利用している。そこで、本実施形態の流速−周期変換回路22fのように、出口流路2の流速が増加する時点で、次の圧電素子6に対する駆動電圧を印可する制御を行えば、吐出流体体積と吸入流体体積とが等しいか、吸入流体体積のほうが多い点でダイヤフラム5が変位し始めるので、排除流体体積の無駄な消費が防げられ、ポンプの吐出流体体積が増加していく。   As described above, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the fluid in the outlet channel 2 has a flow rate during the period in which the pump internal pressure is lower than the load pressure after the application of the drive voltage for one time is finished. However, if the discharge fluid volume is equal to the suction fluid volume or the suction fluid volume is increased, the pump internal pressure becomes higher than the load pressure, and the flow velocity in the outlet channel 2 starts to increase. Yes. Therefore, if the control for applying the driving voltage to the next piezoelectric element 6 is performed at the time when the flow velocity of the outlet flow path 2 increases as in the flow velocity-cycle conversion circuit 22f of the present embodiment, the discharge fluid volume and the suction fluid Since the diaphragm 5 starts to be displaced at a point where the volume is equal or the suction fluid volume is larger, useless consumption of the excluded fluid volume is prevented, and the discharge fluid volume of the pump increases.

また、図示しないが、ある基準周期T0でダイヤフラムを運動させた際の流速ピーク値と、それを最大流速ピーク値とするさいに基準周期に加える補正量とを、ダイヤフラムの変位速度別、かつ、負荷圧力別に予め実験で求め周期制御回路22を構成するROM等に、マップとして記録しておく方法もある。その場合、事前にわかっているダイヤフラム変位速度、負荷圧力の条件のもと、ある基準周期T0でダイヤフラムを運動させている時に、流速センサ32による測定を開始し、その測定値からピーク値を算出した後、ROMのマップを参照して対応する補正量を見つけ、次回からは基準周期T0にその補正量を加えた周期でトリガー信号を出力する。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。   Although not shown, the flow velocity peak value when the diaphragm is moved in a certain reference period T0, and the correction amount to be added to the reference period when it is set to the maximum flow velocity peak value are classified according to the displacement speed of the diaphragm, and There is also a method in which a map is recorded in a ROM or the like constituting the cycle control circuit 22 in advance by experiment for each load pressure. In that case, when the diaphragm is moved at a certain reference period T0 under the known diaphragm displacement speed and load pressure conditions, measurement by the flow velocity sensor 32 is started, and the peak value is calculated from the measured value. After that, the corresponding correction amount is found with reference to the ROM map, and from the next time, the trigger signal is output in a cycle obtained by adding the correction amount to the reference cycle T0. Even if it does in this way, there can exist an effect similar to embodiment mentioned above.

なお、流速センサ32としては、超音波式、流速を圧力に変換して測定する方式、或いは、熱線式の流速センサなどが利用可能である。また、流速センサ32を設置する位置は出口流路を含んで下流側であればよい。   As the flow rate sensor 32, an ultrasonic type, a method of measuring by converting the flow rate into pressure, a hot wire type flow rate sensor, or the like can be used. Moreover, the position where the flow velocity sensor 32 is installed may be on the downstream side including the outlet channel.

さらに、図18は、本発明に係る第8実施形態を示すものである。
本実施形態は、ポンプの出口流路2に、流体を溜めることができるチャンバ40が接続している。このチャンバ40と、その内部に備えられた液面センサ42とで移動流体体積測定手段が構成されており、液面センサ42から液面高さの検出情報が駆動手段20に入力するようになっている。
Further, FIG. 18 shows an eighth embodiment according to the present invention.
In the present embodiment, a chamber 40 capable of storing a fluid is connected to the outlet flow path 2 of the pump. The chamber 40 and a liquid level sensor 42 provided in the chamber 40 constitute a moving fluid volume measuring means, and liquid level height detection information is input from the liquid level sensor 42 to the driving means 20. ing.

チャンバ40は、最初は空にしてある。そして、ポンプの出口流路2から流体が吐出されると、駆動手段20は吐出時間と液面高さを計測し、ダイヤフラム5の単位時間当たりの吐出体積を算出する。そして、その吐出体積が最大となるように、ダイヤフラム5の運動周期を適宜設定する。その結果、単位時間当たりの吐出流体体積が最大となる最適な運動周期でダイヤフラムを運動させることができ、駆動効率の良いポンプを提供することができる。   The chamber 40 is initially emptied. When the fluid is discharged from the outlet channel 2 of the pump, the driving unit 20 measures the discharge time and the liquid level, and calculates the discharge volume per unit time of the diaphragm 5. Then, the motion cycle of the diaphragm 5 is appropriately set so that the discharge volume becomes maximum. As a result, the diaphragm can be moved with an optimal movement cycle that maximizes the volume of the discharged fluid per unit time, and a pump with high driving efficiency can be provided.

また、このようなチャンバ40と、その内部に備えられた液面センサ42とで移動流体体積測定手段ではなく、図示しないが、入口流路1、或いは出口流路2に脈動吸収用のバッファを設け、そのバッファの膜の変位量を測定して駆動手段20に出力する移動流体体積測定手段を設け、バッファの膜の変位量が最大になるようにダイヤフラム5の運動周期を設定してもよい。というのは、バッファ膜は、ポンピング1周期当たりの吐出流体体積(=吸入流体体積)が多いほど大振幅で振動するため、バッファ膜の変位量が最大となっているときには、ポンピング1周期当たりの吐出流体体積(=吸入流体体積)も最大となっているからである。   Further, the chamber 40 and the liquid level sensor 42 provided in the chamber 40 are not moving fluid volume measuring means, but a pulsation absorbing buffer is provided in the inlet channel 1 or the outlet channel 2 (not shown). There may be provided a moving fluid volume measuring means for measuring the displacement amount of the buffer film and outputting it to the driving means 20, and the movement period of the diaphragm 5 may be set so that the displacement amount of the buffer film is maximized. . This is because the buffer film vibrates with a larger amplitude as the discharge fluid volume (= suction fluid volume) per pumping cycle increases, so when the displacement amount of the buffer film is maximum, the buffer film per pumping cycle. This is because the discharge fluid volume (= suction fluid volume) is also maximized.

1:入口流路、2:出口流路、3:ポンプ室、4:逆止弁、5:ダイヤフラム(可動壁)、6:圧電素子(アクチュエータ)、20:駆動手段、22:周期制御回路(周期制御手段)、22d:圧力−周期変換回路、22e:変位−周期変換回路、24:波形発生回路、28:圧力センサ(ポンプ圧力検出手段)、30:変位センサ、32:流速センサ(流速測定手段)、40:チャンバ(移動流体体積測定手段)、42:液面センサ(移動流体体積測定手段)   1: inlet channel, 2: outlet channel, 3: pump chamber, 4: check valve, 5: diaphragm (movable wall), 6: piezoelectric element (actuator), 20: driving means, 22: cycle control circuit ( Cycle control means), 22d: pressure-cycle conversion circuit, 22e: displacement-cycle conversion circuit, 24: waveform generation circuit, 28: pressure sensor (pump pressure detection means), 30: displacement sensor, 32: flow velocity sensor (flow velocity measurement) Means), 40: chamber (moving fluid volume measuring means), 42: liquid level sensor (moving fluid volume measuring means)

Claims (1)

ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、
前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備え、
当該周期制御手段は、前記ホンプ室の圧力が絶対0気圧に達したときに、前記可動壁のポンプ室容積圧縮工程が開始するように前記アクチュエータを駆動することを特徴とするポンプ。
An actuator for displacing a movable wall such as a piston or a diaphragm, a driving means for driving and controlling the actuator, a pump chamber whose volume can be changed by the displacement of the movable wall, and an inlet flow channel for flowing a working fluid into the pump chamber And a pump provided with an outlet channel for allowing the working fluid to flow out of the pump chamber,
The outlet channel communicates with the pump chamber during pump operation, the combined inertance value of the inlet channel is smaller than the combined inertance value of the outlet channel, and working fluid flows into the pump chamber in the inlet channel A fluid resistance element that is smaller than the fluid resistance when the fluid resistance flows out,
The drive means includes a cycle control means for changing a motion cycle of the movable wall,
The period control means drives the actuator so that the pump chamber volume compression process of the movable wall starts when the pressure in the pump chamber reaches absolute 0 atmosphere .
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