JP4378937B2

JP4378937B2 - ポンプ

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Publication number: JP4378937B2
Application number: JP2002326914A
Authority: JP
Inventors: 邦彦高城; 毅瀬戸
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: US7059836B2; DE60317850D1; CN1307370C; DE60317850T2; US20040013539A1; EP1369587B1; EP1369587A3; CN1467376A; EP1369587A2; JP2004060633A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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）
【０００３】
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）
【０００４】
【特許文献１】
特開平10-220357号公報
【特許文献２】
特開平08-312537号公報
【特許文献３】
特表平08-506874号公報
【非特許文献１】
Anders Olsson, An improved valve‐less pump fabricate using deep reactive ion etching,1996 IEEE 9th Internationa1 Workshop on Micro E1ectro Mechanical Systems,p.479-484
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、さらに、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積も増加させ駆動効率の良いポンプの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、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、前記ポンプ室へ流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から前記流体を流出させる出口流路とを備えたポンプであって、前記入口流路は、前記ポンプ室に前記流体が流入する場合の流体抵抗が、前記ポンプ室から前記流体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、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させるように動作する行程中または前記可動壁が前記ポンプ室の容積を最小にする位置にある場合に、前記ポンプ室の圧力が概略吸入側圧力と等しい値以下となるように前記アクチュエータを駆動するようにした。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のポンプにおいて、前記ポンプ室内部の圧力を検出するポンプ圧力検出手段をさらに備え、前記駆動手段は、前記ポンプ圧力検出手段によって検出された前記ポンプ室内部の圧力値が、前記概略吸入側圧力と等しい値以下となるように、前記可動壁の変位する速度を制御する変位制御手段を備えている。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のポンプにおいて、前記変位制御手段は、前記可動壁の一周期の変位が終了した時点から、前記ポンプ圧力検出手段が当該変位終了後の一定の圧力に対して上昇する圧力の変化を検出するまでの時間を測定し、前記時間が長くなるように前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項２に記載のポンプにおいて、前記変位制御手段は、前記ポンプ圧力検出手段で検出した前記ポンプ室内部の圧力値が前記出口流路よりも下流側の負荷圧力に略相当する下流側負荷圧力値以上となる期間について、前記検出値と前記下流側負荷圧力値との差を時間積分した演算値を算出し、前記演算値が大きくなるように前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴としている。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項２乃至４の何れか１項に記載のポンプにおいて、前記変位制御手段は、前記可動壁の前記ポンプ室の容積を最小にする位置を一定として、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させる方向へ変位するときの変位時間を変更することによって、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させるように動作する行程における前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項２記載のポンプにおいて、前記変位制御手段は、前記ポンプ圧力検出手段が検出した前記ポンプ室内部の圧力値が前記出口流路よりも下流側の負荷圧力に略相当する下流側負荷圧力値よりも低下した以後に、前記可動壁が前記ポンプ室の容積増大の方向へ変位するように制御を行うこと特徴としている。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、請求項４又は６の何れかに記載のポンプにおいて、前記下流側負荷圧力値は、予め入力された値であることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項４又は６の何れかに記載のポンプにおいて、前記下流側負荷圧力値を検出する負荷圧力検出手段をさらに備え、前記下流側負荷圧力値は、前記負荷圧力検出手段の測定値であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至８の何れか１項に記載のポンプにおいて、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いことを特徴としている。
ここで、イナータンス値Ｌとは、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。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が合流している場合は、ポンプ室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。
【００２１】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９の何れか１項に記載のポンプにおいて、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通していることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のポンプにおいて、前記駆動手段は、前記ポンプ室内部の圧力が概略吸入側圧力よりも低下している時に、前記可動壁が前記ポンプ室の容積増大の方向へ変位する行程のほぼ全行程を運動するよう前記アクチュエータを駆動することを特徴としている。
【００２３】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
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、本発明に係わるポンプの第１実施形態の構造について図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。
【００４０】
ダイヤフラム６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と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と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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
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。
【００４３】
また、ここで言う入口流路とは、ポンプ室３内から入口接続管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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
次に、第１実施形態におけるダイヤフラムの運動方法について、図２、図３、図４、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の波形Ｗ４を示している。また、図２に示している負荷圧力Ｐ_fu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Ｐ_kyは、入口流路１より上流側の流体圧力である。
【００４８】
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の到達変位位置、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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の流体の体積速度＞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の流体の体積速度＜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。
【００５１】
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Ｐ_fuよりもポンプ室３内の圧力が低下する場合もある。
【００５２】
さらに、図２の場合では、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐ_ky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Ｐ_ky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。
【００５３】
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Ｐ_fu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Ｐ_fu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Ｐ_fuとの差圧をΔＰ_out、出口流路２での流体抵抗をＲ_out、イナータンスをＬ_out、流体の体積速度をＱ_outとおくと、出口流路２内の流体には、
【００５４】
【数１】

【００５５】
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、ΔＰ_outとＲ_out×Ｑ_outとの差をイナータンス値Ｌ_outで割ったものと等しい。そして、一周期分の波形Ｗ３で示されている流体の体積速度を積分した値が、一周期当たりの吐出流体体積となる。
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内圧力が吸入側圧力Ｐ_ky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内圧力が上昇し、吸入側圧力Ｐ_ky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。
【００５６】
ポンプ室３内圧力と吸入側圧力Ｐ_kyとの差圧をΔＰ_in、出口流路２での流体抵抗をＲ_in、イナータンスをＬ_in、流体の体積速度をＱ_inとおくと、入口流路１内の流体でも、
【００５７】
【数２】

【００５８】
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、ΔＰ_inとＲ_in×Ｑ_inとの差を入口流路１のイナータンス値Ｌ_inで割ったものと等しい。
そして、一周期分の波形Ｗ４で示されている流体の体積速度を積分した値が、一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。
【００５９】
本実施形態のポンプ構造では、入口流路１のイナータンス値を出口流路２のイナータンス値よりも小さくしてあるので、入口流路１の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積（＝吐出流体体積）を増加させることができる。
一方、図３は、圧電素子の変位量は等しいものの、ポンプ室の容積を減少させる方向への変位時間が長く、ポンプ室の内圧が十分に上昇しない場合の各波形を示してある（Ｗ１：ポンプを運転したときのダイヤフラムの変位の波形、Ｗ２：ポンプ室の内圧の波形）。
【００６０】
図３の動作状態では、図示していないポンプ室容積増加行程を開始するタイミングには、ポンプ室内圧力が負荷圧力Ｐ_fuと等しくなってしまっており、ダイヤフラム変位を減少させポンプ室の容積増大によってポンプ室内圧力が低下しても、ポンプ室内圧を吸入側圧力よりも低下させるために、多くのダイヤフラム変位が必要となってしまいポンプ性能が大幅に低下する。場合によっては、ポンプ室の内圧が吸入側圧力より低下せず、吸入弁は開かずに出口流路内において吐出方向への流量とポンプ室内方向へ逆流する流量とが等しくなり、ポンプとしては機能しない状態となる。
【００６１】
このように、本構造のポンプは一周期のポンピング動作でダイヤフラムの変位による排除体積（正確には、排除体積×容積効率）を吐出する、従来の容積型ポンプと動作原理が異なっており、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程における変位速度やポンプ室容積増大行程とポンプ内部の圧力変動とのタイミングがポンプ出力に大きな影響を及ぼすという特徴をもつ。
【００６２】
そこでまず、ポンプとして充分に機能させるためのダイヤフラムの運動方法について説明する。
ポンプ室３内の圧力は、前述の通り、ポンプ室３内の流体の体積変化と流体の圧縮率との関係従って変化するため、排除体積と吸入流体体積との和より吐出流体体積が大きい場合、ポンプ室３の容積が減少している過程であってもポンプ室３内の圧力が低下することが起こり得る。そして、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程の変位速度によって、このポンプ室内の圧力低下量が変わる。
【００６３】
そこで、ポンプ室容積減少行程中または前記可動壁を到達変位位置で停止させた場合に、ポンプ室３内圧力が概略吸入側圧力と等しい値以下となるような変位速度を選んでダイヤフラム５を駆動すると、ダイヤフラム５をポンプ室容積増大方向に変位させることなく、ポンプ室３内圧力を吸入側圧力以下に低下させることができる。この条件の中で速い変位速度でダイヤフラムを駆動すると、ダイヤフラムをポンプ室容積減少方向に動かして到達変位位置で停止させている間であっても、ポンプ室３内圧力はしばらく吸入側圧力よりも低く保たれ、入口流路より流体を吸入できる。
さらに、ポンプ室３内圧力を吸入側圧力以下に低下している間にポンプ室容積増大行程を行えば、ダイヤフラム５の変位量のほぼ全てをポンプ内部の圧力を吸入側圧力よりも低く保ちポンプ室内に流体を吸入することに利用でき、アクチュエータの限られた変位量を有効に活用して流量増大を図ることができる。
【００６４】
また、ポンプ室３内圧力の最大値が、負荷圧力の２倍から吸入側圧力を引いた値以上となるように、ダイヤフラム５を駆動しても良い。図３のＷ２はその条件ぎりぎりの圧力状態を示している。
こうすることでポンプ室と出口流路との内部に存在する流体の固有振動によって、ポンプ内部の圧力は負荷圧力と吸入側圧力との差圧とほぼ等しい値を振幅とし負荷圧力を中心に振動し、圧力振動の効果だけによってポンプ内部の圧力を吸入側圧力近傍以下まで低下させることができる。
【００６５】
特に、ポンプ室３内圧力の最大値が負荷圧力の２倍以上の値となるようにダイヤフラム５を駆動することによって、ポンプ室３内部の圧力を吸入側圧力よりも確実に低下させることができ、ポンプ室３内圧力はしばらく吸入側圧力よりも低く保たれ、入口流路より流体を吸入できるようになる。
その際、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程の変位速度によっては、ダイヤフラムをポンプ室容積減少方向に動かして到達変位位置で停止させているだけで、ポンプ室３内圧力の最大値が負荷圧力の２倍以上の値となり、その間ポンプ室内に入口流路から流体を吸入させることができる。
さらに、ポンプ室３内圧力を吸入側圧力以下に低下している間にポンプ室容積増大行程を行えば、ダイヤフラム５の変位量のほぼ全てをポンプ内部の圧力を吸入側圧力よりも低く保ちポンプ室内に流体を吸入することに利用でき、アクチュエータの限られた変位量を有効に活用して流量増大を図ることができる。
【００６６】
また、ダイヤフラム運動１周期のうちポンプ内部の圧力が吸入側圧力よりも低下している時間が６０％以上となるように、ダイヤフラム５を駆動しても良い。図２の駆動はこの条件を満たしている一例を示している。このように駆動すると、ポンプの吸入時間が長くなり、より多くの流体を入口流路からポンプ室内に吸入することができる。
その際、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程の変位速度によっては、ダイヤフラムをポンプ室容積減少方向に動かして到達変位位置で停止させているだけで、ダイヤフラム運動１周期のうちポンプ内部の圧力が吸入側圧力よりも低下している時間が６０％以上となり、その間ポンプ室内に入口流路から流体を吸入させることができる。
【００６７】
この時さらに、ポンプ室３内圧力を吸入側圧力以下に低下している間にポンプ室容積増大行程を行えば、ダイヤフラム５の変位量のほぼ全てをポンプ内部の圧力を吸入側圧力よりも低く保ちポンプ室内に流体を吸入することに利用できるとともに、吸入時間をより長くすることができ、アクチュエータの限られた変位量を有効に活用して流量増大を図ることができる。
次に別な課題を解決するためのダイヤフラムの運動方法について説明する。
ここで、イナータンスの定義式を時間積分すると、
【００６８】
【数３】

【００６９】
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Ｐ_fu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)が生じる。その運動量が減少するまでに、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る。つまり、出口流路２において（３）式の左辺の値を大きくすることは、１サイクル当りのポンプの吐出流量(=吸入流量)を多くするのに効果がある。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。
【００７０】
図４には、ポンプ室３の内圧が負荷圧力Ｐ_fuよりも低下した以降にも、ダイヤフラム５をポンプ室３の圧縮方向へ変位させた場合の各波形を示している。この場合、図３と異なりポンプとしては動作するものの、次のような問題がある。それは、ポンプ室３の内圧が負荷圧力Ｐ_fuよりも低下した以降におけるダイヤフラム５の変位は、ポンプ内圧上昇に寄与せず、（３）式でいう左辺の値を増やす効果もなく、ポンプ出力も増加しない。その一方で、圧電素子６を変位させるためにエネルギーを消費するため、ポンプの入力が増大し、ポンプ効率が低下するという問題である。
【００７１】
このような問題を解決するのに必要なダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程における変位速度について、次に説明する。
図３で説明したように、ポンプ室３の圧力は、負荷圧力Ｐ_fuを中心にポンプ室３と出口流路２との内部にある流体の固有振動周期で振動するため、ポンプ室３の圧力が負荷圧力Ｐ_fu以上となっている期間は、ポンプ室３と出口流路２との内部にある流体の固有振動周期の略１／２である。
【００７２】
従って、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程における変位速度が、到達変位位置に固有振動周期Ｔの１／２の時間で到達する変位速度以上であれば、ダイヤフラム５の変位量を無駄なく（３）式の左辺の値の増加に寄与させ、ポンプ出力を増加させることができる。
ここで、ダイヤフラム５は、図２、図４のようにポンプ室容積減少方向へ一定変位速度で変位せず、時間と共に変位速度が変化すように変位しても構わない。その際には、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少方向への全行程のうち少なくとも半分以上の行程における変位速度の平均をとり、その平均変位速度が到達変位位置に固有振動周期Ｔの１／２の時間で到達する変位速度以上とすれば、ダイヤフラム５の変位量をほぼ無駄なく（３）式の左辺の値の増加に寄与させ、ポンプ出力を増加させる効果がある。
【００７３】
また、図５は、第１実施形態のポンプにおいて、ダイヤフラム５の到達変位位置を一定として、到達変位位置へ達するまでの時間と一周期の吐出流体体積の関係を示したグラフである。この図では、ポンプ室３と出口流路２に存在する流体の固有振動周期をＴ（このグラフは固有振動数1/T＝9.5ｋＨｚ）としている。この図に示すように、ポンプ室３の容積が減少する方向へのダイヤフラム５の変位時間を短くしすぎると、一周期の吐出流体体積がが増加しないにもかかわらずポンプ室３の内圧が上昇しすぎる。そしてその結果、ポンプ室３を構成する逆止弁４やダイヤフラム５に耐久性の問題が発生する。つまり、ダイヤフラム５のポンプ室容積減少行程における平均変位速度が、到達変位位置に固有振動周期Ｔの１／１０の時間より小さい時間で到達する変位速度より小さくなると、逆止弁４やダイヤフラム５に耐久性の問題が発生する。
【００７４】
以上、第１実施形態のように圧電素子６を駆動制御することで、ポンプの耐久性を向上し、且つ、限られたダイヤフラム５の変位量を有効に利用して流量増大を図ることができる。したがって、圧電素子６の性能を十分に行かした小型軽量高出力のポンプを実現でき、高負荷圧力にも対応することができるとともに、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積も増加させて駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００７５】
また、ポンプ室３と出口流路２の固有振動周期Ｔの１／２の時間を過ぎると、ポンプ室３内の圧力が負荷圧力より小さくなるので、前記可動壁がポンプ室容積減少方向への運動を開始した時点からＴ／２の時間以降においてダイヤフラム５をポンプ室３の容積が増大する方向へ変位させれば、（３）式の左辺の値を減少させないで済む。すなわち、ポンプの吐出流量を低下させないで、ダイヤフラムを変位前の状態に戻すことができる。
【００７６】
以下に説明する第２〜第５実施形態は、ダイヤフラム５のポンプ室３容積減少方向への運動を制御することで一周期の吐出流体体積を多くする実施形態である。
第２実施形態を示す図６は、圧電素子６の駆動制御を行う駆動手段２０のブロック図である。
【００７７】
駆動手段２０は、トリガー信号を発生するトリガー発生回路２２と、電圧増幅アンプ回路２４と、変位制御手段２６とで構成されている。
トリガー発生回路２２は、ある決まった周期でトリガー信号を発生する回路であり、電圧増幅アンプ回路２４は、入力された信号を、駆動に必要な所定の電力に増幅し圧電素子６に供給するものである。
【００７８】
変位制御手段２６は、トリガー信号を受けると一周期分の電圧波形を出力するものである。そして、出口流路２やポンプ室３を含む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、ダイヤフラム５の到達変位位置を一定としたまま変位時間を変更することで、変位速度を制御するものであり、Ｉ／ＯポートやＲＯＭを内蔵したマイコンで構成されている。
【００７９】
図７に、前述した変位制御手段２６の処理手順をフローチャートで示す。
先ず、ステップＳ２において、圧力の閾値Ｐ_shを設定する。この閾値Ｐ_shは、圧力センサ２８に吸入側圧力Ｐ_ky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。
次いで、ステップＳ４に移行し、ダイヤフラム５の複数の変位時間Ｈti（ｉ＝１、２、３…）のうち変位時間Ｈt１を選ぶ。なお、次回以降は、他の変位時間Ｈtiを変更して選択する。
【００８０】
次いで、ステップＳ６に移行し、ダイヤフラム５の全ての変位時間Ｈtiについて後述する経過時間ＴＭｍｉの計測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Ｓ１２に移行し、終了した場合にはステップＳ１０に移行する。
次いで、ステップＳ１２では、トリガー信号Ｓｉの入力により圧電素子６へ一周期分の電圧波形の出力を開始する。この際より好ましくは、ポンプ室内の圧力が定常状態になっていることを確認してからトリガー信号を出力する。
【００８１】
次いで、ステップＳ１４に移行し、ポンプ内圧力が閾値Ｐ_shより低下したかを確認し、終了した場合にはステップＳ１６に移行する。
ステップＳ１６では、タイマＴＭによる時間計測を開始する。
次いで、ステップＳ１８に移行し、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。
【００８２】
次いで、ステップＳ２０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Ｓ２２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Ｓ２４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Ｓ２６に移行する。
【００８３】
ステップＳ２６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Ｓ２０に戻る。
また、ステップＳ２４では、タイマＴＭによる時間計測を停止する。
次いで、ステップＳ２８に移行し、タイマＴＭの値を、経過時間ＴＭｍｉ（ｉ＝１、２、３…）に記憶してからステップＳ４に戻る。
【００８４】
そして、ステップＳ６において、ダイヤフラム５全ての変位時間Ｈtiの経過時間ＴＭｍｉの計測が終了した場合に移行するステップＳ１０では、これまで記憶した経過時間ＴＭｍ１、ＴＭｍ２、ＴＭｍ３…の中の最大値を算出する。
次いで、ステップＳ３０に移行し、最大値となった所定の経過時間ＴＭｍｉに対応するダイヤフラム５の変位時間Ｈtiを選択した後、処理を終了する。
【００８５】
そして、選択した変位時間Ｈti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。
図７で示した変位制御手段２６の処理行うことで、ポンプ室３の圧力が予め設定した閾値Ｐsh超えて増える点までの経過時間が最も長くなるように、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位時間を設定することができ、以下の理由により、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積が増加して駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００８６】
その理由を、図８、図９を用いて説明する。図８及び図９は、本実施形態のポンプの圧電素子６に、異なる駆動電圧波形を単発パルス状に印可して発生したダイヤフラム５の変位と、その変位に対応したポンプ室３の圧力の変化を示すものである。
図８、図９から明らかなように、ダイヤフラム５を単発パルスで変位させると、ダイヤフラム５が静止しても、ポンプ室３の内圧が一旦、絶対圧で０atm付近に下がってから所定時間経過した後に、ポンプ室３の内圧が再び上昇していく。
【００８７】
このポンプ室３の内圧の現象を説明すると、ポンプ室３の内圧は、ポンプ室３３内の流体体積変化をΔＶとすると、
ΔＶ＝ダイヤフラム５による排除体積＋吸入流体体積 − 吐出流体体積と流体の圧縮率とで決まる。そのため、ダイヤフラム５を静止させて排除体積を零としていても、吸入流体体積と吐出流体体積の変化によって、ポンプ室内圧力が変化する。そして、単発パルスでダイヤフラム５が一周期の変位を行った後は、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、ポンプ室３の圧力が徐々に増加していくのである。
【００８８】
そして、図９で示すダイヤフラム５の変位波形の立ち上がりの傾きが、図８で示すダイヤフラム５の変位波形の立ち上がりの傾きより大きいので、図９の方が、ダイヤフラム５の変位速度が速くなっている。そして、図８と比較して図９の方がポンプ室３の内圧が再び上昇していく時間が長い（ｔ１＜ｔ２）。ポンプ室３の内圧が再び上昇する時間ｔは、エアレーションやキャビテーンヨンが生じている場合は、一周期の吐出流体体積が多いほど長くなるため前記時間ｔを計測し、それが長くなるよう、ダイヤフラム５が到達変位位置まで変位するときの変位時間Ｈｔ（立ち上げ速度）を適宜選択すると、一周期の吐出流体体積を多くすることができる。
【００８９】
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、ポンプ自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)と歪ゲージによる測定値(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のどのタイプを使用しても構わない。
【００９０】
また、ある変位速度の際の経過時間と、それを理想的な最大経過時間にするためにその変位速度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、経過時間を測定すると、そのマップを参照し、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位速度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。
【００９１】
次に、図１０は、第３実施形態を示すものである。
この図も、変位制御手段２６の処理手順を示すフローチャートである。図６で示した構成と同一構成なので、駆動手段２０のブロック図を省略する。
先ず、ステップＳ３０において、ダイヤフラム５の複数の変位時間Ｈti（ｉ＝１、２、３…）のうち変位時間Ｈt１を選ぶ。なお、次回以降は、他の変位時間Ｈtiを変更して選択する。
【００９２】
次いで、ステップＳ３２に移行し、ダイヤフラム５の全ての変位時間Ｈti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の入力により圧電素子６へ一周期分の電圧波形の出力を開始する。
【００９３】
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の圧力値である。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。
【００９４】
次いで、ステップＳ５０では、計測したポンプ室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、ステップＳ５２では、その計測時の時刻をＴＭｍｊ（ｊ＝１、２、３…）に記憶してからステップＳ５４に移行する。
ステップＳ５４では、ポンプ室の圧力Ｐinを測定し、その測定値と基準値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。
【００９５】
そして、ステップＳ５６において、記憶圧力値Ｐｍｊ（ｊ＝１、２、３…）、基準値Ｐａ、時刻ＴＭｍｊ（ｊ＝１、２、３…）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を算出する。
そして、ステップＳ３２においてダイヤフラム５の全ての変位時間Ｈtiに対する演算値Ｆｉの算出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。
【００９６】
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の変位時間Ｈtiを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した変位時間Ｈti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。
以上の変位制御手段２６の処理行うことで、前述した式（３）の左辺の値を算出して、それが最も大きくなるように、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位時間を設定することができ、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積が増加して駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【００９７】
なお、演算値としては本実施形態のように、圧力値Ｐｉ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Ｐｉのピーク値と基準値Ｐａとの差と、基準値Ｐａ≦圧力Ｐｉ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Ｐ_fuと等しい。
【００９８】
そこで、圧電素子６が駆動する前のポンプ室の圧力を基準値Ｐａとせずに、負荷圧力Ｐ_fuを基準値（所定の値）として図１０で示した第３実施形態の変位制御手段２６の処理手順を行うこともできる。
負荷圧力Ｐ_fuを基準値とする場合には、負荷圧力Ｐ_fu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Ｐ_fu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Ｐ_fu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Ｐ_fu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Ｐ_fuを使用するのが、様々な負荷圧力Ｐ_fu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。
【００９９】
また、ある変位速度の際の演算値Ｆiと、それを理想的な最大演算値Ｆmaxにするためにその変位速度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がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位速度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。
【０１００】
次に、図１１及び図１２は、第４実施形態を示すものである。
図１１は、圧電素子６の駆動制御を行う駆動手段２０のブロック図を示すものであり、本実施形態の変位制御手段２６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ダイヤフラム５の変位時間を変更して決定する。
【０１０１】
図１２に、本実施形態の変位制御手段２６の処理手順をフローチャートで示す。なお、第３実施形態で示した図１０のフローチャートと同一ステップは、同一ステップ番号を付し、その説明は省略する。なお、ステップＳ３２において全てのダイヤフラム５の変位時間Ｈtiに対して、後述する流速差ΔＶの算出が終了した場合には、ステップＳ６０に移行する。
【０１０２】
このフローチャートにおいて、ステップＳ３８でトリガー信号Ｓｉの入力により圧電素子６へ一周期分の電圧波形の出力を開始すると、ステップＳ６２に移行し、流速センサ３０により出口流路２の流速を計測する。
次いで、ステップＳ６４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Ｓ６６に移行し、出口流路の最小流速Ｖminを算出する。
【０１０３】
次いで、ステップＳ６８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。
次いで、ステップＳ７０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Ｓ３０に戻る。
そして、ダイヤフラム５の全ての変位時間Ｈtiに対する流速差ΔＶｉの記憶が終了した場合には、ステップＳ６０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。
【０１０４】
次いで、ステップＳ７０に移行し、最大値となった所定の速度差ΔＶｉに対応するダイヤフラム５の変位時間Ｈtiを選択した後、処理を終了する。
そして、選択した変位時間Ｈti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。
本実施形態によると、前述した（３）式で説明したように、積分期間での流体体積速度の差が大きいほど、ポンプ室３の圧力と負荷圧力との差圧の積分値が大きくなるため、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積が増加して駆動効率の良いポンプを提供することができる。
【０１０５】
また、ある変位速度の際の流速差ΔＶと、それを理想的な最大流速差ΔＶmaxにするためにその変位速度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、最大流速Ｖmaxと最小流速Ｖminとの流速差ΔＶを測定すると、そのマップを参照し、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位速度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。
【０１０６】
なお、本実施形態の流速センサ３０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、第２、第３、第４の実施形態では、駆動手段の回路構成を簡単にするため、圧電素子への最大印加電圧を一定値にして、ダイヤフラムの到達変位位置は一定値のままでポンプ室容積減少行程の変位時間を変更して、変位速度を制御している。しかし、到達変位位置と変位時間の両方を変更して変位速度を制御しても構わない。到達変位位置を増加させた場合でも、第２、第３、第４の実施形態で示した制御を行うことで、到達変位位置の増加によるダイヤフラムの排除体積増加分によるポンプ出力の増加以上に、ポンプ出力を増加させることができる。
【０１０７】
さらに、図１３は、第５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３２が接続している。このチャンバ３２と、その内部に備えられた液面センサ３４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３４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。
【０１０８】
駆動手段２０は、ポンプの出口流路２から流体が吐出されると、吐出時間と液面高さを計測し、ダイヤフラム５の一周期当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がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位速度を適宜設定する。その結果、ポンピング一周期当たり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。
【０１０９】
また、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に出力し、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がポンプ室３の容積を減少する方向へ変位するときの変位速度を設定することで、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積を増加させることができる。というのは、吐出流体体積が多いほどバッファが吸収／吐出する流体体積が多く、バッファ膜が大きな変位で振動するからである。
【０１１０】
ここで、第２、第３、第４、第５実施形態の処理は、ポンプ駆動開始時に毎回行っても良いし、ポンプ駆動中に適当なタイミングで行っても良い。
次に、図１４は、第６実施形態を示すものである。
本実施形態の駆動手段は、図６に示した第２実施形態の駆動手段と同一構成であり、図１４には、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を増大する方向へ変位するときの立ち下げタイミングを制御することで、一周期の吐出流体体積を多くする変位制御手段２６の処理手順をフローチャートで示している。
【０１１１】
先ず、ステップＳ８０において、トリガー信号Ｓの入力により一周期分の電圧波形の印加を開始する。
次いで、ステップＳ８４に移行し、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。
次いで、ステップＳ８６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。
【０１１２】
次いで、ステップＳ８８に移行し、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、Ｐin２＜Ｐin１の関係になっているか否かを確認する。Ｐin２＜Ｐin１の関係になっている場合には、ステップＳ９０に移行し、Ｐin２＜Ｐin１の関係になっていない場合には、ステップＳ８４に戻る。
【０１１３】
ステップＳ９０では、第２回目のポンプ室３の圧力Ｐin２と、負荷圧力Ｐ_fuとの関係が、Ｐin２＜Ｐ_fuの関係になっているか否かを確認する。Ｐin２＜Ｐ_fuの関係になっている場合には、ステップＳ９４に移行し、Ｐin２＜Ｐ_fuの関係になっていない場合には、ステップＳ８６に移行する。
そして、ステップＳ９４では、電圧波形の電圧の立ち下げを開始し、処理を終了する。
【０１１４】
本実施形態の処理を行うことで、前述した（３）式の左辺の値を減少させないで、ダイヤフラム５がポンプ室３の容積を増大する方向へ変位する立ち下げタイミングを設定することができる。その結果、ポンピング一周期当たりの吐出流体体積が増加して駆動効率の良いポンプを提供することができる。
なお、本実施形態ではポンプ室３の圧力センサ２８使用したが、第５実施形態で使用した流速センサを使用し、図２、図４に示したようにポンプ室３の圧力が負荷圧力Ｐ_fuより低下すると、出口流路２の流体体積速度も減少し始めることを利用して、出口流路２の流体体積速度が減少し始めるタイミングで、圧電素子６への印加電圧の立ち下げを開始するように処理しても同様の効果を奏することができる。
ここで、アクチュエータ変位量の少なくとも半分以上をこのタイミングで立ち下げるようにすれば、ほぼ同様の効果が得られる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、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し、高周波駆動することでポンプの出力を増加することができる。特に、アクチュエータとして圧電素子や超磁歪素子を使用するときには、素子の高い周波数応答性を十分に生かし小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【０１１６】
また、変位制御を行うことで、ポンプ室の圧力を高圧にすることが可能であり、高負荷圧力にも対応することができるとともに、一周期当りの吐出流体体積も増大させて駆動効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態のポンプ構造の縦断面を示す図である。
【図２】第１実施形態のポンプ動作時の各状態量を示すグラフである。
【図３】ポンプ室の容積を減少させる時間が長く、ポンプ室内圧が十分に上昇しない状態を示すグラフである。
【図４】第１実施形態のポンプの動作で、ポンプ室内圧が負荷圧力よりも低下した以降にも、ダイヤフラムがポンプ室圧縮方向へ変位している時の各状態量を示すグラフである。
【図５】本発明に係る第１実施形態のポンプにおいてダイヤフラムが到達変位位置へ達するまでの時間（立ち上げ時間）と吐出流体体積の関係を示したグラフである。
【図６】本発明に係る第２実施形態の駆動手段を示すブロック図である。
【図７】第２実施形態の駆動手段が行う処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明のポンプにおいて所定の単発パルスをダイヤフラムに入力した状態を示すグラフである。
【図９】本発明のポンプにおいて図８と異なる所定の単発パルスをダイヤフラムに入力した状態を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る第３実施形態の駆動手段が行う処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明に係る第４実施形態の駆動手段を示すブロック図である。
【図１２】第４実施形態の駆動手段が行う処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係る第５実施形態のポンプを示す図である。
【図１４】第６実施形態の駆動手段が行う処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
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：トリガー発生回路
２４：電圧増幅アンプ回路
２６：変位制御手段、
２８：圧力センサ（ポンプ圧力検出手段）
３０：流速センサ（流速測定手段）
３２：チャンバ、３４：液面センサ

Claims

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、前記ポンプ室へ流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から前記流体を流出させる出口流路とを備えたポンプであって、
前記入口流路は、前記ポンプ室に前記流体が流入する場合の流体抵抗が、前記ポンプ室から前記流体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、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させるように動作する行程中または前記可動壁が前記ポンプ室の容積を最小にする位置にある場合に、前記ポンプ室の圧力が概略吸入側圧力と等しい値以下とな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。
前記ポンプ室内部の圧力を検出するポンプ圧力検出手段をさらに備え、
前記駆動手段は、前記ポンプ圧力検出手段によって検出された前記ポンプ室内部の圧力値が、前記概略吸入側圧力と等しい値以下となるように、前記可動壁の変位する速度を制御する変位制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記変位制御手段は、前記可動壁の一周期の変位が終了した時点から、前記ポンプ圧力検出手段が当該変位終了後の一定の圧力に対して上昇する圧力の変化を検出するまでの時間を測定し、前記時間が長くなるように前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴とする請求項２記載のポンプ。
前記変位制御手段は、前記ポンプ圧力検出手段で検出した前記ポンプ室内部の圧力値が前記出口流路よりも下流側の負荷圧力に略相当する下流側負荷圧力値以上となる期間について、前記検出値と前記下流側負荷圧力値との差を時間積分した演算値を算出し、前記演算値が大きくなるように前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴とする請求項２に記載のポンプ。
前記変位制御手段は、前記可動壁の前記ポンプ室の容積を最小にする位置を一定として、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させる方向へ変位するときの変位時間を変更することによって、前記可動壁が前記ポンプ室の容積を減少させるように動作する行程における前記可動壁の変位する速度を制御することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載のポンプ。
前記変位制御手段は、前記ポンプ圧力検出手段が検出した前記ポンプ室内部の圧力値が前記出口流路よりも下流側の負荷圧力に略相当する下流側負荷圧力値よりも低下した以後に、前記可動壁が前記ポンプ室の容積増大の方向へ変位するように制御を行うこと特徴とする請求項２記載のポンプ。
前記下流側負荷圧力値は、予め入力された値であることを特徴とする請求項４又は６の何れかに記載のポンプ。
前記下流側負荷圧力値を検出する負荷圧力検出手段をさらに備え、
前記下流側負荷圧力値は、前記負荷圧力検出手段の測定値であることを特徴とする請求項４又は６の何れかに記載のポンプ。
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いことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のポンプ。
前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のポンプ。
前記駆動手段は、前記ポンプ室内部の圧力が概略吸入側圧力よりも低下している時に、前記可動壁が前記ポンプ室の容積増大の方向へ変位する行程のほぼ全行程を運動するよう前記アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のポンプ。
前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載のポンプ。
前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載のポンプ。