JPWO2019130754A1 - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

ポンプ装置（１）は、圧電ポンプ（２１）、圧電ポンプ（２２）、および、駆動回路（１０）を備える。圧電ポンプ（２１）は、単独の駆動において第１の周波数で駆動される。圧電ポンプ（２２）は、単独の駆動において第２の周波数で駆動される。駆動回路（１０）は、圧電ポンプ（２１）と圧電ポンプ（２２）とを同一の駆動周波数で駆動する。

Description

本発明は、複数の圧電ポンプを有するポンプ装置に関する。

特許文献１には、圧電素子の駆動回路が記載されている。特許文献１に記載の構成では、１個の圧電素子に対して１個の駆動回路が接続されている。

特許第６１６０８００号明細書

ポンプ装置としての流量を稼ぐ必要がある等の理由により、複数の圧電ポンプを、ポンプ装置に設置することがある。

この場合、従来の構成では、複数の圧電ポンプのそれぞれに対して、個別の駆動回路を設置している。そして、複数の駆動回路は、それぞれに個別に圧電ポンプを駆動している。

しかしながら、それぞれの圧電ポンプに対して個別に設置された駆動回路を用いて、複数の圧電ポンプを個別に駆動する場合、ポンプ装置が大型化してしまう、それぞれの駆動回路の駆動周波数が干渉して動作が不安定になる、異音が発生する等の課題が生じる。

したがって、本発明の目的は、複数の圧電ポンプを備えることによる大型化の抑制やこれを含むその他の不具合を解消することにある。

この発明のポンプ装置は、第１の圧電ポンプ、第２の圧電ポンプ、および、駆動回路を備える。第１の圧電ポンプは、単独の駆動において第１の周波数で駆動される。第２の圧電ポンプは、単独の駆動において第２の周波数で駆動される。駆動回路は、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとを同一の駆動周波数で駆動する。

第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとは、電気的に並列に接続された状態で、駆動回路へ電気的に接続されており、第１の周波数と第２の周波数との差は、所定の周波数よりも小さい。

この構成では、駆動周波数での第１の圧電ポンプの流量と第２の圧電ポンプの流量とが加算され、ポンプ装置として、第１の圧電ポンプの単独駆動による流量および第２の圧電ポンプの単独駆動による流量よりも大きな流量となる。また、駆動回路が第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとで共有されるので、圧電ポンプの増加によるポンプ装置の大型化が抑制される。

また、この発明のポンプ装置では、駆動周波数は、第１の周波数と第２の周波数のいずれかと等しい、もしくはその間の所定の周波数であることが好ましい。

この構成では、ポンプ装置としての流量が、より大きくなり、このような流量の向上をより確実に実現できる。

また、この発明のポンプ装置では、第１の周波数と第２の周波数との周波数差の閾値は、第１の周波数の±５％であることが好ましい。

この構成では、ポンプ装置としての流量がさらに向上する。また、広い周波数帯域において、流量を向上する。

また、この発明のポンプ装置では、第１の圧電ポンプは、第１の周波数において最大の流量を生じさせ、第２の圧電ポンプは、第２の周波数において最大の流量を生じさせることが好ましい。

この構成では、ポンプ装置としての流量がさらに向上する。

また、この発明のポンプ装置では、駆動周波数は、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとの並列回路に流れる電流値が最大値となる周波数を含む所定の周波数範囲内に設定されていることが好ましい。

この構成では、ポンプ装置としての流量が向上する。

また、この発明のポンプ装置では、駆動周波数は、さらに、並列回路のインピーダンスを用いて設定されていることが好ましい。

この構成では、ポンプ装置としての流量がさらに向上する。

また、この発明のポンプ装置では、駆動回路の駆動周波数での出力インピーダンスは、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプの駆動周波数での入力インピーダンスに対して小さく、且つ、インピーダンスの閾値以下であることが好ましい。

この構成では、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとの流量が所定値以上で確保される。

また、この発明のポンプ装置では、インピーダンスの閾値は、入力インピーダンスの１％であることが好ましい。

この構成では、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとの流量がより高く確保される。

また、この発明のポンプ装置では、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプの駆動周波数での各インピーダンスは、２００Ω以下であることが好ましい。

この構成では、駆動効率が向上する。ここで、駆動効率は、所定の容量の電源に対して、所定の流量を維持可能な時間によって表される。所定の流量を維持可能な時間が長いほど、駆動効率がよい。

また、この発明のポンプ装置では、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプの駆動周波数での各インピーダンスは、１００Ω以上であることが好ましい。

この構成では、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとの過電流による破損が抑制される。

また、この発明のポンプ装置では、次の構成であってもよい。駆動回路は、抵抗素子、制御回路、および、駆動電圧印加回路を備える。抵抗素子は、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとの並列回路に対して直列接続されている。制御回路は、抵抗素子の電圧を用いて、並列回路に流れる電流値を計測して、該電流値に基づいた制御電圧を出力する。駆動電圧印加回路は、制御電圧を用いて、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとに駆動電圧を印加する。

この構成では、他励振型の駆動回路が実現される。

また、この発明のポンプ装置では、制御電圧の周波数は、電流値が最大値付近となる駆動周波数になるように設定されていることが好ましい。

この構成では、他励振型の駆動回路を用いた態様において、ポンプ装置としての流量が向上する。

また、この発明のポンプ装置は、次の構成であってもよい。駆動回路は、増幅回路、位相反転回路、抵抗素子、差動回路、および、フィルタ回路を備える。増幅回路は、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプに与える第１駆動信号を出力する。位相反転回路は、第１駆動信号を位相反転して、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプに与える第２駆動信号を出力する。抵抗素子は、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプの並列回路と増幅回路との間に接続されている。差動回路には、抵抗素子の両端電圧が入力される。フィルタ回路は、差動回路の出力から、第１の圧電ポンプおよび第２の圧電ポンプに作用する高調波成分を除去して、増幅回路に与える。

この構成では、自励振型の駆動回路が実現される。

また、この発明のポンプ装置では、駆動周波数は、第１の圧電ポンプと第２の圧電ポンプとのインピーダンスと、フィルタ回路のインピーダンスとによって決定されていることが好ましい。

この構成では、自励振型の駆動回路を用いた態様において、ポンプ装置としての流量が向上する。

この発明によれば、複数の圧電ポンプを備えることによる大型化の抑制やこれを含むその他の不具合を解消できる。

図１は本発明の実施形態に係るポンプ装置１の機能ブロック図である。 図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、並列接続された２個の圧電ポンプのそれぞれの流量の周波数特性を示すグラフである。 図３は複数の圧電ポンプを用いたポンプ装置１の音圧の周波数特性を示すグラフである。 図４は駆動周波数における、圧電ポンプの入力インピーダンスと駆動回路１０の出力インピーダンスとの比と流量との関係を示すグラフである。 図５は圧電ポンプのインピーダンスに依存する流量の時間遷移を示すグラフである。 図６は駆動回路１０Ａの第１態様を示すブロック図である。 図７は駆動回路１０Ｂの第２態様を示すブロック図である。 図８は駆動回路１０Ｂの第２態様の具体的な回路例を示す回路図である。 図９は駆動回路１０Ｂの第３態様の具体的な回路例を示す回路図である。 図１０は電源３０の具体的な回路例を示す回路図である。

本発明に実施形態に係るポンプ装置について、図を参照して説明する。なお、以下では、空気を搬送するポンプ装置を例に説明する。しかしながら、空気と異なる流体の搬送にも、本実施形態に係るポンプ装置を適用できる。

図１は、本発明の実施形態に係るポンプ装置１の機能ブロック図である。

図１に示すように、ポンプ装置１は、駆動回路１０、圧電ポンプ２１、圧電ポンプ２２、および、電源３０を備える。

機構的には、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２は、圧電素子、および、流路を形成する機構部（例えば、筐体）を備える。圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２の機構部は、流体の吸入口と吐出口とを備える。圧電ポンプ２１の吐出口と圧電ポンプ２２の吐出口とは、空気タンク４０に連通している。

圧電素子は、駆動電圧が印加されることによって、ベンディング振動する。圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２は、この圧電素子のベンディング振動を利用することで、周期的に、吸入口から空気を吸入して所定の圧力で当該空気を吐出口から吐出する。圧電ポンプ２１から吐出された空気と圧電ポンプ２２から吐出された空気は、空気タンク４０に流入する。この際、圧電ポンプ２１は、第１の周波数ｆｐ１で流量が最大になり、圧電ポンプ２２は、第２の周波数ｆｐ２で流量が最大となる。

なお、第１の周波数および第２の周波数は、好ましくは、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２をそれぞれ単体で駆動させた状態において、各々の圧電ポンプにおける電流値が最大値付近となる周波数である。

電気的に、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２とは、並列に接続されている。そして、この並列回路は、駆動回路１０に接続されている。駆動回路１０は、電源３０に接続されており、電源３０から電力供給を受けている。

駆動回路１０は、駆動周波数ｆｄの駆動電圧を生成して、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２に印加する。圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２は、この駆動周波数ｆｄの駆動電圧を受けて、同期して動作し、上述のように、空気を吸入して吐出する。

このような構成において、第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２とは、次に示す関係を満たす。

（１−Ｘ１）×ｆｐ１＜ｆｐ２＜（１＋Ｘ１）×ｆｐ１ −（式１）
これを周波数の差によって表すと、第２の周波数ｆｐ２と第１の周波数ｆｐ１との差は、次の関係を満たす。

（−Ｘ１）×ｆｐ１＜（ｆｐ２−ｆｐ１）＜Ｘ１×ｆｐ１ −（式２）
すなわち、第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２との差Δｆｐは、第１の周波数ｆｐ１を基準として±Ｘ１×１０^２％の周波数領域内になる。なお、好ましくは、Ｘ１は、約０．０５である。

さらに、駆動周波数ｆｄにおける圧電ポンプ２１の流量（Ｆ１）と圧電ポンプ２２の流量（Ｆ２）との和は、圧電ポンプ２１の最大流量および圧電ポンプ２２の最大流量のそれぞれと比較して大きい。

このような関係を満たす時、ポンプ装置１の流量は向上する。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、並列接続された２個の圧電ポンプのそれぞれの流量の周波数特性を示すグラフである。図２（Ａ）と図２（Ｂ）とでは、２個の圧電ポンプにおける最大の流量となる周波数の差が異なる。図２（Ａ）では、ｆｐ２＝１．０４×ｆｐ１の場合を示し、図２（Ｂ）では、ｆｐ２＝１．０６×ｆｐ１の場合を示す。また、図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、実線はポンプ装置の流量を示し、各破線は、それぞれに圧電ポンプ単体での流量を示す。なお、図示していないが、ｆｐ２＝１．０５×ｆｐ１の場合には、図２（Ａ）と同様の特性を示し、ｆｐ２＞１．０５×ｆｐ１の場合には、図２（Ｂ）と同様の特性を示すことがシミュレーションによって確認されている。

第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２とが（式１）、（式２）の関係を満たす時、図２（Ａ）に示すように、所定の周波数領域ＣＨｆｄにおいて、ポンプ装置１の流量（吐出量）は、圧電ポンプ２１の最大流量、および、圧電ポンプ２２の最大流量よりも大きくなる。

一方、第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２とが（式１）、（式２）の関係を満たさない時、図２（Ｂ）に示すように、ポンプ装置１としての最大流量は、圧電ポンプ２１の最大流量または圧電ポンプ２２の最大流量のいずれかと略同じにしかならない。

したがって、図２（Ａ）に示すような周波数領域ＣＨｆｄ内に駆動周波数ｆｄを設定することによって、ポンプ装置１の流量は、向上する。特に、駆動周波数ｆｄを、第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２との間に設定することによって、図２（Ａ）に示すように、ポンプ装置１の流量は、さらに向上する。

また、さらに、駆動周波数ｆｄは、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２との並列回路に流れる電流が最大となる周波数に基づいて設定される。具体的には、駆動周波数ｆｄは、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２との並列回路に流れる電流が最大となる周波数ｆｉ、または、最大電流の周波数ｆｉに対して所定の係数を乗算した、より高い周波数ｆｉｅ（例えば、ｆｉ＋１００Ｈｚ程度）に設定される。最大電流の周波数ｆｉでは、駆動回路１０から圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２に対して与えられる駆動用の電力を多く供給できる。これにより、ポンプ装置１の流量は、さらに向上する。また、周波数ｆｉｅでは、ポンプ装置１の背圧、温度等による効率が最高となる周波数の変動を相殺できる。これにより、ポンプ装置１の流量は、より一層向上する。

また、ポンプ装置１では、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２とが同一の駆動周波数ｆｄによって駆動される。これにより、ノイズ音の発生を抑制できる。図３は、複数の圧電ポンプを用いたポンプ装置の音圧の周波数特性を示すグラフである。図３において、実線は本願発明の構成を示し、破線は、従来の構成を示す。従来の構成では、複数の圧電ポンプは、それぞれ個別の駆動回路によって駆動される。この際、従来の構成では、複数の圧電ポンプは、それぞれに最大流量となる駆動周波数（異なる周波数）で駆動される。

図３の破線に示すように、従来の構成では、複数の圧電ポンプの振動が干渉して、駆動周波数の差分周波数に応じたノイズが高い音圧で発生してしまう。

一方、図３の実線に示すように、本願発明の構成では、複数の圧電ポンプが同一の駆動周波数で駆動されるので、従来の構成のようなノイズは発生しない。これにより、本願発明の構成では、ノイズ音の発生を抑制できる。

また、ポンプ装置１は、駆動回路１０の駆動周波数ｆｄでの出力インピーダンスＺｏと、第１の圧電ポンプ２１および第２の圧電ポンプ２２の駆動周波数ｆｄでの入力インピーダンスＺｉとが以下の関係であると、より良い。

図４は、駆動周波数における、圧電ポンプの入力インピーダンスと駆動回路の出力インピーダンスとの比と流量との関係を示すグラフである。図４に示すように、駆動回路の出力インピーダンスＺｏを基準にした圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉが１００以下、すなわち、駆動回路の出力インピーダンスＺｏが圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉの１／１００以上であると、流量は急激に低下する。一方、駆動回路の出力インピーダンスＺｏが圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉの１／１００以下であると、流量はあまり低下しない。

したがって、駆動回路の出力インピーダンスＺｏを圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉの１／１００以下にすることによって、流量の低下を抑制できる。

なお、この駆動回路の出力インピーダンスＺｏに対する圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉの比の閾値は、ポンプ装置１の必要とする流量や電力の仕様によって、変更することも可能であり、例えば、１／５０以下等にすることも可能である。ただし、上述の駆動回路の出力インピーダンスＺｏが圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉの１／１００以下の条件を満たすことによって、流量の低下を、より確実に抑制でき、有効である。

なお、駆動回路１０の出力インピーダンスＺｏは、例えば、次の方法で計測できる。まず、駆動回路１０の出力側を開放として、出力端子の電圧Ｖｏを計測する。次に、駆動回路１０の出力端子に、インピーダンスＺＬの負荷を接続し、出力端子の電圧ＶＬを計測する。これにより、出力インピーダンスＺｏは、次式より算出できる。

Ｚｏ＝ＺＬ×（Ｖｏ−ＶＬ）／ＶＬ −（式３）
また、圧電ポンプの入力インピーダンスＺｉは、例えば、次の方法で計測できる。駆動回路１０の出力端子に、電流検出用の抵抗素子を介して、圧電ポンプを接続する。この状態で、抵抗素子に流れる電流値Ｉｐと、出力端子の電圧Ｖｐを計測する。これにより、入力インピーダンスＺｉは、次式より算出できる。

Ｚｉ＝Ｖｐ／Ｉｐ −（式４）
なお、上述の各電圧、電流は実効値である。

また、ポンプ装置１では、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２の駆動周波数ｆｄでのインピーダンスを次の範囲内にするとよい。

図５は、圧電ポンプのインピーダンスに依存する流量の時間遷移を示すグラフである。図５において、太い実線は、圧電ポンプのインピーダンスが１００Ωの場合を示し、細い実線は、圧電ポンプのインピーダンスが２００Ωの場合を示し、一点鎖線は、圧電ポンプのインピーダンスが４００Ωの場合を示し、破線は、従来の個別駆動の場合を示す。

図５に示すように、圧電ポンプのインピーダンスが４００Ωでは、従来の個別駆動と同じ流量の時間遷移となる。

一方、圧電ポンプのインピーダンスが４００Ωを下回ることによって、例えば、図５の流量Ｑｔｈ（例えば、ポンプ装置１として必要な最小の流量）よりも流量が低下する時間は、遅くなる。特に、圧電ポンプのインピーダンスが２００Ωを下回ると、この流量の低下の抑制効果が大きくなる。

したがって、圧電ポンプのインピーダンスを２００Ω以下とすることによって、流量の低下を抑制できる。

なお、この圧電ポンプのインピーダンスの閾値は、ポンプ装置１として必要な流量の抑制効果に応じて調整できる。ただし、上述の圧電ポンプのインピーダンスが２００Ω以下の条件を満たすことによって、実働上の流量の低下を確実に抑制でき、有効である。

また、圧電ポンプのインピーダンスは１００Ω以上であることが好ましい。これは、現状の一般的な圧電素子では、正弦波駆動電圧が１０Ｖｒｍｓの時、電流値の上限は１００ｍＡｒｍｓであり、これ以上の電流値が流れると、圧電素子を構成する圧電体が破損することがある。したがって、圧電ポンプのインピーダンスを１００Ω以上とすることによって、圧電体の破損を抑制でき、ひいてはポンプ装置１の故障を抑制できる。

次に、駆動回路の具体的な回路構成例について、図を参照して説明する。

図６は、駆動回路１０Ａの第１態様を示すブロック図である。

図６に示すように、駆動回路１０Ａは、制御回路１１、Ｈブリッジ回路１２、および、抵抗素子１００を備える。駆動回路１０Ａは、所謂、他励振型の駆動回路である。

制御回路１１は、Ｈブリッジ回路１２に接続されている。Ｈブリッジ回路１２の第１出力端子は、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の一方端に接続されている。圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の他方端は、抵抗素子１００の一方端に接続されている。抵抗素子１００の他方端は、Ｈブリッジ回路１２の第２出力端子に接続されている。

制御回路１１は、例えば、差動回路１１１と、ＭＣＵ１１２とを備える。差動回路１１１の入力端子（反転入力端子および非反転入力端子）は、抵抗素子１００の両端に接続されている。差動回路１１１の出力端子は、ＭＣＵ１１２に接続されている。ＭＣＵ１１２の出力端子は、Ｈブリッジ回路１２に接続されている。

差動回路１１１には、抵抗素子１００の両端の電圧が入力される。すなわち、差動回路１１１の入力には、抵抗素子１００の電流値ｉ、すなわち、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２の並列回路に流れる電流値ｉに応じた電圧が入力される。したがって、差動回路１１１の出力電圧は、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２の並列回路に流れる電流値ｉに応じて変化する。差動回路１１１の出力電圧は、ＭＣＵ１１２に入力される。

ＭＣＵ１１２は、差動回路１１１の出力電圧に基づいて、電流値ｉが最大となる周波数を検出する。例えば、ＭＣＵ１１２は、出力電圧の絶対値が最も大きな周波数を検出する。ＭＣＵ１１２は、この検出した周波数を、駆動周波数ｆｄに設定する。この際、ＭＣＵ１１２は、上述のように、最大電流の周波数に対して所定の係数を乗算した、より高い周波数を、駆動周波数ｆｄに設定してもよい。ＭＣＵ１１２は、ともに駆動周波数ｆｄからなる制御電圧Ｖａおよび制御電圧Ｖｂを生成し、Ｈブリッジ回路１２に出力する。制御電圧Ｖａと制御電圧Ｖｂとは、逆相の電圧である。

Ｈブリッジ回路１２は、電源３０から電力供給を受けており、制御電圧Ｖａに応じた第１駆動電圧Ｖｄ１を第１出力端子から出力し、制御電圧Ｖｂに応じた第２駆動電圧Ｖｄ２を第２出力端子から出力する。第１駆動電圧Ｖｄ１と第２駆動電圧Ｖｄ２は、駆動周波数ｆｄの交流信号（矩形波）であり、互いに逆相である。

これにより、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の両端には、同じ駆動周波数ｆｄで互いに逆相の第１駆動電圧Ｖｄ１と第２駆動電圧Ｖｄ２が印加される。したがって、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２は、効率的に駆動され、所望の流量が得られる。また、従来の複数の圧電ポンプを個別に駆動する構成で生じてしまう各種の問題を解決できる。

図７は、駆動回路１０Ｂの第２態様を示すブロック図である。

図７に示すように、駆動回路１０Ｂは、増幅回路１３、位相反転回路１４、差動回路１５、フィルタ回路１６、および、抵抗素子１００を備える。駆動回路１０Ｂは、所謂、自励振型の駆動回路である。

増幅回路１３、位相反転回路１４、差動回路１５、および、フィルタ回路１６は、電源３０から電力供給されている。

増幅回路１３の出力端子は、抵抗素子１００を介して、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２との並列回路の一方端に接続されている。また、増幅回路１３の出力端子は、位相反転回路１４の入力端子に接続されている。位相反転回路１４の出力端子は、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２との並列回路の他方端に接続されている。

差動回路１５の入力端子（反転入力端子および非反転入力端子）は、抵抗素子１００の両端に接続されている。差動回路１５の出力端子は、フィルタ回路１６の入力端子に接続されている。フィルタ回路１６の出力端子は、増幅回路１３の入力端子に接続されている。

この駆動回路１０Ｂでは、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２とを共振子とする自励振型の発振回路として動作する。そして、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の一方端には、駆動周波数ｆｄの第１駆動電圧Ｖｄ１が印加され、他方端には、駆動周波数ｆｄの第２駆動電圧Ｖｄ２が印加される。第１駆動電圧Ｖｄ１と第２駆動電圧Ｖｄ２とは、逆相の電圧である。したがって、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２は、効率的に駆動され、所望の流量が得られる。また、従来の複数の圧電ポンプを個別に駆動する構成で生じてしまう各種の問題を解決できる。

さらに、フィルタ回路１６は、帯域通過型フィルタである。フィルタ回路１６の通過帯域は、圧電ポンプ２１の第１の周波数ｆｐ１、圧電ポンプ２２の第２の周波数、および、駆動周波数ｆｄを含む。また、フィルタ回路１６の減衰域は、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２を構成する圧電素子におけるポンプとしての動作に寄与しないモードの共振周波数を含む。

これにより、駆動回路１０Ｂでは、ポンプとしての動作に寄与しないモードの周波数成分は抑制され、ポンプとしての動作に寄与するモードの周波数成分のみがフィードバックされて増幅され、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２に印加される。したがって、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２を効率良く駆動できる。

また、フィルタ回路１６の定数（インダクタンス、キャパシタンス等）を調整することによって、駆動周波数ｆｄを、上述のように、最大電流の周波数に対して所定の係数を乗算した、より高い周波数に設定することができる。これにより、圧電ポンプ２１および圧電ポンプ２２をさらに効率良く駆動できる。

駆動回路１０Ｂは、例えば、次に示す具体的な回路によって実現される。図８は、駆動回路の第２態様の具体的な回路例を示す回路図である。

図８に示すように、
増幅回路１３は、オペアンプＵ１、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、抵抗素子Ｒ４、抵抗素子Ｒ５、および、抵抗素子Ｒ１３を備える。

抵抗素子Ｒ４の一方端は、増幅回路１３の入力端である。抵抗素子Ｒ４の他方端は、オペアンプＵ１の反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ１の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｍが供給されている。オペアンプＵ１には、駆動電圧Ｖｃが供給されている。オペアンプＵ１の出力端子は、トランジスタＱ１のベース端子、および、トランジスタＱ２のベース端子に接続されている。

トランジスタＱ１のコレクタ端子には、駆動電圧Ｖｃが供給されている。トランジスタＱ１のエミッタ端子とトランジスタＱ２のコレクタ端子とは接続されている。トランジスタＱ２のエミッタ端子は接地されている。トランジスタＱ１およびトランジスタＱ２のベース端子と、トランジスタＱ１のエミッタ端子およびトランジスタＱ２のコレクタ端子の接続部との間には、抵抗素子Ｒ１３が接続されている。

抵抗素子Ｒ５は、トランジスタＱ１のエミッタ端子およびトランジスタＱ２のコレクタ端子の接続部と、オペアンプＵ１の反転入力端子との間に接続されている。

トランジスタＱ１のエミッタ端子およびトランジスタＱ２のコレクタ端子の接続部は、増幅回路１３の出力端であり、抵抗素子１００の一方端に接続されている。抵抗素子１００の他方端は、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の一方端に接続されている。

位相反転回路１４は、オペアンプＵ３、トランジスタＱ３、トランジスタＱ４、抵抗素子Ｒ６、抵抗素子Ｒ１２、および、抵抗素子Ｒ１４を備える。

抵抗素子Ｒ６の一方端は、位相反転回路１４の入力端であり、トランジスタＱ１のエミッタ端子およびトランジスタＱ２のコレクタ端子の接続部に接続されている。抵抗素子Ｒ６の他方端は、オペアンプＵ３の反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ３の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｍが供給されている。オペアンプＵ３には、駆動電圧Ｖｃが供給されている。オペアンプＵ３の出力端子は、トランジスタＱ３のベース端子、および、トランジスタＱ４のベース端子に接続されている。

トランジスタＱ３のコレクタ端子には、駆動電圧Ｖｃが供給されている。トランジスタＱ３のエミッタ端子とトランジスタＱ４のコレクタ端子とは接続されている。トランジスタＱ４のエミッタ端子は接地されている。トランジスタＱ３およびトランジスタＱ４のベース端子と、トランジスタＱ３のエミッタ端子およびトランジスタＱ４のコレクタ端子の接続部との間には、抵抗素子Ｒ１４が接続されている。

抵抗素子Ｒ１２は、トランジスタＱ３のエミッタ端子およびトランジスタＱ４のコレクタ端子の接続部と、オペアンプＵ３の反転入力端子との間に接続されている。

トランジスタＱ３のエミッタ端子およびトランジスタＱ４のコレクタ端子の接続部は、位相反転回路１４の出力端であり、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２の並列回路の他方端に接続されている。

差動回路１５は、オペアンプＵ４、抵抗素子Ｒ７、抵抗素子Ｒ８、抵抗素子Ｒ９、および、抵抗素子Ｒ１０を備える。

オペアンプＵ４には、駆動電圧Ｖｃが供給されている。オペアンプＵ４の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒ７を介して、増幅回路１３の出力端に接続されている。さらに、オペアンプＵ４の非反転入力端子には、抵抗素子Ｒ１０を介して基準電圧Ｖｍが供給されている。オペアンプＵ４の反転入力端子は、抵抗素子Ｒ８を介して、抵抗素子１００の他方端に接続されている。抵抗素子Ｒ９は、オペアンプＵ４の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。オペアンプＵ４の出力端は、差動回路１５の出力端である。

フィルタ回路１６は、オペアンプＵ２、抵抗素子Ｒ１、抵抗素子Ｒ２、抵抗素子Ｒ３、コンデンサＣ１、および、コンデンサＣ２を備える。

抵抗素子Ｒ１の一方端は、フィルタ回路１６の入力端である。抵抗素子Ｒ１の他方端は、コンデンサＣ１の一方端に接続されている。抵抗素子Ｒ１とコンデンサＣ１との接続部は、抵抗素子Ｒ２を介して接地されている。コンデンサＣ１の他方端は、オペアンプＵ２の反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ２の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｍが供給されている。

抵抗素子Ｒ３は、オペアンプＵ２の出力端とオペアンプＵ２の反転入力端子との間に接続されている。コンデンサＣ２は、抵抗素子Ｒ１とコンデンサＣ１との接続部と、抵抗素子Ｒ３におけるオペアンプＵ２の出力端側との間に接続されている。

増幅回路１３、位相反転回路１４、差動回路１５、および、フィルタ回路１６に供給される基準電圧Ｖｍは、基準電圧生成回路１７によって駆動電圧Ｖｃから生成される。基準電圧生成回路１７は、抵抗素子Ｒ１５、抵抗素子Ｒ１６、コンデンサＣ３、および、コンデンサＣ４を備える。抵抗素子Ｒ１５とコンデンサＣ３とは並列に接続されており、抵抗素子Ｒ１６とコンデンサＣ４とは並列に接続されている。これらの並列回路は、直列に接続されている。直列回路の一方端には駆動電圧Ｖｃが供給されており、直列回路の他方端は接地されている。これらの並列回路の接続点が基準電圧生成回路１７の出力端であり、基準電圧Ｖｍが出力される。

図９は、駆動回路の第３態様の具体的な回路例を示す回路図である。

図９に示すように、第３態様に係る駆動回路の構成は、第２態様に係る駆動回路に対して、圧電ポンプ２３がさらに接続されている点で異なる。第３態様の駆動回路における基本構成は、第２態様の駆動回路と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

図９に示すように、抵抗素子１００の他方端は、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２と圧電ポンプ２３の並列回路の一方端に接続されている。トランジスタＱ３のエミッタ端子およびトランジスタＱ４のコレクタ端子の接続部は、位相反転回路１４の出力端であり、圧電ポンプ２１と圧電ポンプ２２と圧電ポンプ２３の並列回路の他方端に接続されている。

この際、第３の圧電ポンプにおいて最大の流量を生じさせる第３の周波数は第１の周波数と第２の周波数のいずれかと等しい、もしくはその間の所定の周波数でもあればよい。

この構成であっても、駆動回路１０Ｂでは、ポンプとしての動作に寄与しないモードの周波数成分は抑制され、ポンプとしての動作に寄与するモードの周波数成分のみがフィードバックされて増幅され、圧電ポンプ２１、圧電ポンプ２２および圧電ポンプ２３に印加される。したがって、圧電ポンプ２１、圧電ポンプ２２および圧電ポンプ２３を効率良く駆動できる。

また、上記の周波数の条件を満たせば、圧電ポンプは４個以上接続されていてもよい。

上述の電源３０は、例えば、次に示す具体的な回路によって実現される。図１０は、電源３０の具体的な回路例を示す回路図である。

図１０に示すように、電源３０は、電池ＢＡＴと昇圧回路３１とを備える。昇圧回路３１は、昇圧制御ＩＣ３１０、インダクタＬ３１、ダイオードＤ３１、抵抗素子Ｒ３１、抵抗素子Ｒ３２、コンデンサＣ３１、コンデンサＣ３２、および、コンデンサＣ３３を備える。また、昇圧回路３１は、入力端子３１１、および、出力端子３１２を備える。

昇圧回路３１の入力端子３１１は、電池ＢＡＴの正極に接続されている。電池ＢＡＴの負極は接地されている。

入力端子３１１は、出力端子３１２に接続されるとともに、インダクタＬ３１の他方端に接続されている。インダクタＬ３１の他方端は、ダイオードＤ３１のアノードに接続されている。ダイオードＤ３１のカソードは、抵抗素子Ｒ３２とコンデンサＣ３２との並列回路の一方端に接続されている。抵抗素子Ｒ３２とコンデンサＣ３２との並列回路の他方端は、抵抗素子Ｒ３１を介して接地されている。抵抗素子Ｒ３２とコンデンサＣ３２との並列回路の一方端は、出力端子３１２に接続されている。

昇圧制御ＩＣ３１０は、インダクタＬ３１とダイオードＤ３１との接続部に接続する端子Ｐ１、入力端子３１１と出力端子３１２との接続ラインに接続する端子Ｐ２、抵抗素子Ｒ３２とコンデンサＣ３２との並列回路の他方端に接続する端子Ｐ３、および、接地端子を備える。昇圧制御ＩＣ３１０は、図示していないが、端子Ｐ１、端子Ｐ２、端子Ｐ３に接続するスイッチ回路を備え、インダクタＬ３１と出力端子３１２の導通、開放等を制御する。

コンデンサＣ３１の一方端は、入力端子３１１に接続され、コンデンサＣ３１の他方端は、接地されている。コンデンサＣ３３の一方端は、出力端子３１２に接続され、コンデンサＣ３３の他方端は、接地されている。

このような構成とすることで、例えば、昇圧回路３１は、電池ＢＡＴの直流電圧約３［Ｖ］を、約２８［Ｖ］に昇圧して、出力端子３１２から出力する。

なお、図１０では、電源３０を、電池ＢＡＴと昇圧回路３１とで構成する態様を示したが、例えば２８［Ｖ］を出力可能な直流電源に置き換えてもよい。また、昇圧回路３１は、図１０に示すようなダイオード整流方式のものに限らず、同期整流方式、チャージポンプ方式、リニアレギュレータ方式等の昇圧回路を用いてもよい。

なお、上述の説明では、第１の周波数ｆｐ１と第２の周波数ｆｐ２との差Δｆｐを、第１の周波数ｆｐ１を基準として±５％の周波数領域内とするように規定した。しかしながら、複数の圧電ポンプの流量の周波数特性、ポンプ装置として必要最小限の流量、消費電力等に基づいて、±５％と別の値に設定してもよい。

１：ポンプ装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ：駆動回路
１１：制御回路
１２：ブリッジ回路
１３：増幅回路
１４：位相反転回路
１５：差動回路
１６：フィルタ回路
１７：基準電圧生成回路
２１、２２、２３：圧電ポンプ
３０：電源
３１：昇圧回路
４０：空気タンク
１００：抵抗素子
１１１：差動回路
１１２：ＭＣＵ
３１０：昇圧制御ＩＣ

Claims (14)

1. 単独の駆動において第１の周波数で駆動される第１の圧電ポンプと、
   単独の駆動において第２の周波数で駆動される第２の圧電ポンプと、
   前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとを同一の駆動周波数で駆動する駆動回路と、
   を備え、
   前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとは、電気的に並列に接続された状態で、前記駆動回路へ電気的に接続されており、
   前記第１の周波数と前記第２の周波数との差は、所定の周波数よりも小さい、
   ポンプ装置。
2. 前記駆動周波数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数のいずれかと等しい、もしくはその間の所定の周波数である、
   請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記第１の周波数と前記第２の周波数との周波数差の閾値は、前記第１の周波数の±５％である、
   請求項１または請求項２に記載のポンプ装置。
4. 前記第１の圧電ポンプは、前記第１の周波数において最大の流量を生じさせ、
   前記第２の圧電ポンプは、前記第２の周波数において最大の流量を生じさせる、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のポンプ装置。
5. 前記駆動周波数は、前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとの並列回路に流れる電流値が最大値となる周波数を含む所定の周波数範囲内に設定されている、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のポンプ装置。
6. 前記駆動周波数は、さらに、前記並列回路のインピーダンスを用いて設定されている、
   請求項５に記載のポンプ装置。
7. 前記駆動回路の前記駆動周波数での出力インピーダンスは、前記第１の圧電ポンプおよび前記第２の圧電ポンプの前記駆動周波数での入力インピーダンスに対して小さく、且つ、インピーダンスの閾値以下である、
   請求項１乃至請求項６のいずれかにポンプ装置。
8. 前記インピーダンスの閾値は、前記入力インピーダンスの１％である、
   請求項７に記載のポンプ装置。
9. 前記第１の圧電ポンプの前記駆動周波数でのインピーダンスおよび前記第２の圧電ポンプの前記駆動周波数でのインピーダンスは、２００Ω以下である、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のポンプ装置。
10. 前記第１の圧電ポンプの前記駆動周波数でのインピーダンスおよび前記第２の圧電ポンプの前記駆動周波数でのインピーダンスは、１００Ω以上である、
    請求項９に記載のポンプ装置。
11. 前記駆動回路は、
    前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとの並列回路に対して直列接続された抵抗素子と、
    前記抵抗素子の電圧を用いて、前記並列回路に流れる電流値を計測して、該電流値に基づいた制御電圧を出力する制御回路と、
    前記制御電圧を用いて、前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとに駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路と、
    を備える、
    請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のポンプ装置。
12. 前記制御電圧の周波数は、前記電流値が最大となる駆動周波数になるように設定されている、
    請求項１１に記載のポンプ装置。
13. 前記駆動回路は、
    前記第１の圧電ポンプおよび前記第２の圧電ポンプに与える第１駆動信号を出力する増幅回路と、
    前記第１駆動信号を位相反転して、前記第１の圧電ポンプおよび前記第２の圧電ポンプに与える第２駆動信号を出力する位相反転回路と、
    前記第１の圧電ポンプおよび前記第２の圧電ポンプの並列回路と前記増幅回路との間に接続された抵抗素子と、
    前記抵抗素子の両端電圧が入力される差動回路と、
    前記差動回路の出力から、前記第１の圧電ポンプおよび前記第２の圧電ポンプに作用する高調波成分を除去して、前記増幅回路に与えるフィルタ回路と、
    を備える、
    請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のポンプ装置。
14. 前記駆動周波数は、
    前記第１の圧電ポンプと前記第２の圧電ポンプとのインピーダンスと、前記フィルタ回路のインピーダンスとによって決定されている、
    請求項１３に記載のポンプ装置。

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