(57)【要約】【課題】ポンプ室内部に気泡が滞留しても、その気泡を排出し、吐出性能を維持することができるポンプを提供する。【解決手段】ポンプ１０は、ダイアフラム６０を駆動することによって容積が変更可能な主ポンプ室２７と、主ポンプ室２７に作動流体を流入する入口流路と、主ポンプ室２７から作動流体を流出する出口流路と、少なくとも前記入口流路を開閉する逆止弁４１，４２と、が備えられ、入口流路側の合成イナータンス値は、前記出口流路側のイナータンス値よりも小さく設定され、主ポンプ室２７の内部に滞留する気泡を排除する気泡排出手段が、さらに備えられている。このことにより、主ポンプ室２７内部に気泡が滞留しても、気泡排出手段によって、その気泡を排出し、吐出性能を維持することができるポンプを提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンまたは可動壁を駆動することによって容積が変更可能なポンプ室と、
該ポンプ室に作動流体を流入する入口流路と、
前記ポンプ室から作動流体を流出する出口流路と、
少なくとも前記入口流路を開閉する流体抵抗要素と、が備えられ、
前記入口流路側の合成イナータンス値は、前記出口流路側の合成イナータンス値よりも小さく設定され、
前記ポンプ室内部に滞留する気泡を排除する気泡排出手段が、さらに備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記ポンプ室が、前記出口流路に連通し、ピストンまたは可動壁を駆動することによって容積が変更可能な主ポンプ室と、前記入口流路に連通し、可動壁を駆動することによって容積が変更可能な前記気泡排出手段としての副ポンプ室と、から構成されることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプにおいて、
前記主ポンプ室に作動流体を流入する主ポンプ室入口流路と
前記主ポンプ室から作動流体を流出する主ポンプ出口流路と、
前記副ポンプ室に作動流体を流入する副ポンプ室入口流路と、
前記副ポンプ室から作動流体を流出する副ポンプ室出口流路と、を備え、
前記主ポンプ室入口流路が、前記副ポンプ室出口流路であることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載のポンプにおいて、
前記主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素と、
前記副ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素と、
前記副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素と、を備え、
前記主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素が、前記副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素であることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項２に記載のポンプにおいて、
前記副ポンプ室に備えられた可動壁は、少なくとも片面に圧電素子が貼付されたダイアフラムであり、前記副ポンプ室と前記ダイアフラムとでユニモルフポンプもしくはバイモルフポンプが構成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項２に記載のポンプにおいて、
前記副ポンプ室と、前記主ポンプ室と、の駆動を切り換えるための駆動切り換え制御部が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項５に記載のポンプにおいて、
前記圧電素子には、駆動電極と、検出電極と、が形成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項８】
請求項２に記載のポンプにおいて、
前記主ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項９】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記ポンプ室の内部に存在する作動流体の圧力を上昇させた状態で維持する前記気泡排出手段としての加圧機構が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項１０】
請求項９に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構は、容積変化可能な部屋と、該容積変化可能な部屋と前記出口流路とを連通する流路と、を備えていることを特徴とするポンプ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のポンプにおいて、
前記容積変化可能な部屋は、弾性体により形成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項１２】
請求項１０に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構には、前記容積変化可能な部屋の容積を変更するために圧力を加える容積変更機構を備えていることを特徴とするポンプ。
【請求項１３】
請求項９に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構には、前記ポンプ室から流出した作動流体を前記容積変化可能な部屋に導く第一の状態と、
前記ポンプ室から流出した作動流体を前記容積変化可能な部屋と遮断する第二の状態と、を切り換える流路切り換え部が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項１４】
請求項１０に記載のポンプにおいて、
前記容積変化可能な部屋の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項１５】
請求項９に記載のポンプにおいて、
前記ポンプ室に圧力検出手段を備えていることを特徴とするポンプ。
【請求項１６】
請求項１２に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構により加えられる前記容積変化可能な部屋の内部圧力は、ゲージ圧で約１気圧から５気圧の範囲であることを特徴とするポンプ。
【請求項１７】
請求項９に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構は、前記容積変化可能な部屋と、前記出口流路に流通する流路と、前記流路を開閉する開閉部材と、を備え、
前記加圧機構が、前記出口流路に対して着脱自在であり、前記出口流路に挿着することによって、前記容積変化可能な部屋と前記出口流路が流通されることを特徴とするポンプ。
【請求項１８】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記ポンプ室の内部に気泡排出手段としての発熱部を備えることを特徴とするポンプ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のポンプにおいて、
前記発熱部は、前記ポンプ室の壁内部に収納されているか、または隅部に配置されていることを特徴とするポンプ。
【請求項２０】
請求項１８に記載のポンプにおいて、
前記発熱部が、複数備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項２１】
請求項１８に記載のポンプにおいて、
前記ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項２２】
請求項１８に記載のポンプにおいて、
前記ピストンまたは可動壁を駆動しているときに、前記発熱部に発熱信号を入力することを特徴とするポンプ。
【請求項２３】
請求項１８に記載のポンプにおいて、
前記発熱部にパルス状の発熱信号が入力され、前記ピストンまたは可動壁が、前記発熱信号に同期して駆動されることを特徴とするポンプ。
【請求項２４】
請求項１９に記載のポンプにおいて、
前記発熱部と接する作動流体が相変化するように前記発熱部による加熱を行うことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンあるいはダイアフラム等の可動壁により、ポンプ室内の容積を変更して作動流体の移動を行うポンプに関し、特に、小型高出力のポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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、それぞれ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。また、液体を送ることを目的とする場合には、ポンプ室の上流側や下流側の流路に薄肉部を設け、間欠駆動される液体による脈動を流路の変形によって低減する構造もあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、出口流路の弁に代えてイナータンス値の大きい流路構造とすることで、流体慣性力を利用し、高負荷圧力と高周波駆動に対応した高出力で信頼性が高い本発明者らの発明によるポンプがある。この構造のポンプにおいても、入口側流路の脈動により、ポンプの吸入効率が低下することを防止する目的で、入口側流路に変形可能な構造が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、ＰＺＴのような圧電素子で駆動されるダイアフラムと、そのダイアフラムにより容積変化可能なポンプ室と、ポンプ室へ流体が流入する穴とポンプ室から流体が流出する穴とを持ち、それぞれの穴に逆止弁を備えた容積形ポンプが提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６５９６３号公報
【特許文献２】特開２００２−３２２９８６号公報
【特許文献３】特開昭６１−１７１８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、流体抵抗要素である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く、高負荷圧力や高周波駆動に対応できないという問題がある他、ポンプ室に気泡が滞留した場合には、ポンプ室の容積を減少させる工程においてポンプ室内部の液体の圧力が充分に上昇しなくなり、所定の吐出量が得られないという問題がある。
【０００７】
また、特許文献２及び特許文献３の構成のポンプは、ダイアフラムの変形によるポンプ室の容積の変化が少ないため、ポンプ室内部に気泡が滞留すると、ポンプ室の体積を減少させる行程においてポンプ室内部の液体の圧力が十分に上昇しなくなる。その結果、ポンプの流量特性が大きく劣化し、最悪の場合、液体の吐出が不可能になるということが考えられる。
【０００８】
本発明の目的は、ポンプ室内部に気泡が滞留しても、その気泡を排出し、吐出性能を維持することができるポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のポンプは、ピストンまたは可動壁を駆動することによって容積が変更可能なポンプ室と、該ポンプ室に作動流体を流入する入口流路と、前記ポンプ室から作動流体を流出する出口流路と、少なくとも前記入口流路を開閉する流体抵抗要素と、が備えられ、前記入口流路側の合成イナータンス値は、前記出口流路側のイナータンス値よりも小さく設定され、前記ポンプ室内部に滞留する気泡を排除する気泡排出手段が、さらに備えられていることを特徴とする。
ここで、可動壁としては、例えば、圧電素子等のアクチュエータで駆動されるダイアフラムを採用することができる。また、流体抵抗要素としては、逆止弁等を採用することができる。
また、気泡排出手段としては、詳しくは後述するが、例えば、ポンプ室に圧力を加えるための副ポンプ室、加圧機構、加熱部等を採用することができる。
【００１０】
この発明によれば、このポンプは、気泡排出手段を備えているので、ポンプ室内に気泡が滞留した状態、即ち、ポンプ室内に作動流体が充填されていない状態のときにおいても、ポンプを起動することができる。また、ポンプ室内に気泡が滞留している場合、ポンプ室内の圧力が充分に上がらないことが考えられるが、前述の気泡排出手段を備えていることによって、ポンプ駆動時においても滞留する気泡を排出することができるため、ポンプの性能、特に作動流体の吐出量を維持することができる。
【００１１】
また、前述の構成によれば、前記ポンプ室が、前記出口流路に連通し、ピストンまたは可動壁を駆動することによって容積が変更可能な主ポンプ室と、前記入口流路に連通し、可動壁を駆動することによって容積が変更可能な前記気泡排出手段としての副ポンプ室と、から構成されることが好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、気泡排出手段として、入口流路側に副ポンプ室を備えているため、副ポンプ室を駆動することによって、入口流路から作動流体を主ポンプ室内に送り込み、主ポンプ室内の圧力を高め、主ポンプ室内の気泡を排出することができる。
【００１３】
また、前述の構成では、前記主ポンプ室に作動流体を流入する主ポンプ室入口流路と前記主ポンプ室から作動流体を流出する主ポンプ出口流路と、前記副ポンプ室に作動流体を流入する副ポンプ室入口流路と、前記副ポンプ室から作動流体を流出する副ポンプ室出口流路と、を備え、前記主ポンプ室入口流路が、前記副ポンプ室出口流路であることが好ましい。
【００１４】
この構成では、主ポンプ室入口流路が、副ポンプ室出口流路と兼用されているため、作動流体の流路が短くなり、ポンプの小型化ができると共に、そのことによって、流路の流体抵抗を減ずることができる。
【００１５】
また、本発明のポンプは、前記主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素と、前記副ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素と、前記副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素と、を備え、前記主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素が、前記副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素であることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、例えば、副ポンプ室の可動壁を駆動する際、副ポンプ室入口流路の流体抵抗要素としての逆止弁を閉鎖し、副ポンプ室内で圧力が高められた作動流体が主ポンプ室に流動する。また、主ポンプ室から作動流体を吐出する際には、主ポンプ室入口流路の流体抵抗要素としての逆止弁を閉鎖する。このようにすることによって主ポンプ室内の圧力を高めることができるので、両ポンプ室内に滞留する気泡を圧縮してポンプ室外に排出することができる。
また、主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素が、前記副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素であるため、二つのポンプ室を有していても流体抵抗要素としての逆止弁は二つで機能するため、ポンプの構造を簡素化することができ、部品数を低減し低コストを実現できる。また、流体抵抗を減ずるという効果もある。
【００１７】
また、前述の構成のポンプによれば、前記副ポンプ室に備えられた可動壁は、少なくとも片面に圧電素子が貼付されたダイアフラムであり、前記副ポンプ室と前記ダイアフラムとでユニモルフポンプもしくはバイモルフポンプが構成されていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、従来の流路の脈動低減手段のひとつとして用いられていたダイアフラムに、圧電素子を貼付するという簡単な手段で副ポンプ室を構成することができる。また、ユニモルフポンプ及びバイモルフポンプは、小さい圧力でもダイアフラムの変位量が多いため、脈動吸収手段と、前述した気泡排出手段としての副ポンプ室の機能と、を合わせ持つことができる。
【００１９】
また、前述した構成のポンプは、前記副ポンプ室と、前記主ポンプ室と、の駆動を切り換えるための駆動切り換え制御部が備えられていることが好ましい。
【００２０】
主ポンプ室と副ポンプ室は、駆動切り換え制御部によって、例えば、ポンプ駆動開始の際には、まず副ポンプ室を駆動し、次に主ポンプ室を駆動して内部の気泡を排出してから主ポンプ室の駆動を継続したり、交互に駆動を繰り返すこともでき、ポンプ駆動中において、安定した作動流体の吐出量を得ることができる。
【００２１】
また、前記圧電素子には、駆動電極と、検出電極と、が形成されていることが好ましい。
【００２２】
このように構成することにより、副ポンプ室の状態を検出することができ、特に副ポンプ室内の圧力の変動を圧電素子の変位で検出し、前述した駆動切り換え制御部によって、圧力の変動に対応した主ポンプ室及び副ポンプ室の制御を行うことができる。
【００２３】
また、本発明のポンプは、前記主ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることが好ましい。
【００２４】
このような構成にすることによって、主ポンプ室内の状態を検出することができ、主ポンプ室内の状態に対応したポンプの効率的な駆動を行うことができる。
さらには、前述した副ポンプ室の検出電極による副ポンプ室内の状態検出と組み合わせることにより。両ポンプ室内の状態に対応したより効率的なポンプの駆動を行うことができる。
【００２５】
また、前述した本発明のポンプは、前記ポンプ室の内部に存在する作動流体の圧力を上昇させた状態で維持する前記気泡排出手段としての加圧機構が備えられていることを特徴とする。
【００２６】
このような構成によれば、ポンプ室内に気泡が滞留することでポンプ室内の圧力が低下し、作動流体の吐出が不可能になった場合、加圧機構によってポンプ室内に存在する作動流体の圧力を上昇させた状態で維持することができる。その結果、気泡体積が小さくなり、ピストンあるいはダイアフラム等の可動壁を駆動によりポンプ室の容積を圧縮し、ポンプ室内の気泡を排出することができる。
【００２７】
また、前述の構成では、前記加圧機構は、容積変化可能な部屋と、該容積変化可能な部屋とを前記出口流路に連通する流路と、を備えていることが好ましい。
【００２８】
このようにすれば、加圧機構は、容積変化可能な部屋を加圧することによって、容積変化可能な部屋は出口流路まで連通しているので、出口流路と連通しているポンプ室内において、簡単に高い圧力を発生することができる。
【００２９】
また、前述の構成では、前記容積変化可能な部屋は、弾性体により形成されていることが好ましい。
【００３０】
このような構成によれば、容積変化可能な部屋を弾性体により構成したことにより、体積変化可能な部屋への作動流体の流入による圧力上昇を緩やかにし、圧力によるポンプを構成する部品の損傷を防止することができる。また、体積変化可能な部屋に、出口流路内の圧力脈動を減衰する機能を兼ねさせることができる。その結果、出口流路に接続される外部配管の影響によるポンプ性能の変化を防止できる。
【００３１】
さらに、前述の構成では、前記加圧機構には、前記容積変化可能な部屋の容積を変更するために圧力を加える容積変更機構を備えていることが好ましい。
ここで、容積変更機構としては、アクチュエータ等が採用できる。
【００３２】
このような構成によれば、容積変化可能な部屋の容積を変化する容積変更機構を設けているので、ポンプ室内の状態に応じて容積変化可能な部屋の容積を制御することができる。
【００３３】
また、本発明では、前記加圧機構には、前記ポンプ室から流出した作動流体を前記容積変化可能な部屋に導く第一の状態と、前記ポンプ室から流出した作動流体を前記容積変化可能な部屋と遮断する第二の状態と、を切り換える流路切り換え部が備えられていることが好ましい。
【００３４】
このような構成では、例えば、ポンプ室内に気泡が存在することを検出した場合には、ポンプ室から流出した作動流体を容積変化可能な部屋に導く第一の状態に切り換え、容積変化可能な部屋を構成する弾性体の弾性力で確実にポンプ室内の作動流体を加圧することができる。また、ポンプ室内に気泡が存在しない場合には、作動流体を容積変化可能な部屋には導入せずにポンプ外に吐出するように制御するため、ポンプを効率よく駆動することができる。
【００３５】
また、前述の構成では、前記容積変化可能な部屋の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることが好ましい。
【００３６】
このように、体積変化可能な部屋の内部の圧力を検出する圧力検出手段を備えることにより、体積変化可能な部屋の内部の圧力を適正な圧力範囲に制御することができる。
【００３７】
また、前述のポンプは、前記ポンプ室に圧力検出手段を備えていることが好ましい。
こうすることで、ポンプ室内の圧力を検出し、ポンプ室に気泡が滞留しているか判断し、加圧機構及びポンプ室の駆動を好適に制御することができる。
【００３８】
また、前述の構成では、前記加圧機構により加えられる前記容積変化可能な部屋の内部圧力は、ゲージ圧で約１気圧から５気圧の範囲であることが好ましい。
【００３９】
こうすることで、圧力によりポンプを構成する部品を損傷することなく、ポンプ室内に滞留した気泡の体積を排出可能なまで十分に小さくすることが可能となる。
【００４０】
また、前記加圧機構は、前記容積変化可能な部屋と、前記出口流路に流通する流路と、前記流路を開閉する開閉部材と、を備え、前記加圧機構が、前記出口流路に対して着脱自在であり、前記出口流路に挿着することによって、前記容積変化可能な部屋と前記出口流路が流通されることが好ましい。
【００４１】
このように、加圧機構が着脱自在であり、出口流路に挿着したときには、出口流路と加圧機構とを連通して、容積変化可能な部屋の圧力を高めてポンプ室内の気泡を排出し、ポンプ室内に気泡が滞留していない場合には、加圧機構を取外した状態の小型軽量化されたポンプとすることができる。
【００４２】
また、本発明のポンプは、前記ポンプ室の内部に気泡排出手段としての発熱部を備えることを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、ポンプ室内に備えた発熱部により滞留気泡を加熱し、滞留気泡を大きくしてポンプ室内部の淀み点から移動させ、容易に気泡を排出することができる。
【００４４】
また、前記発熱部は、前記ポンプ室の壁内部に収納されているか、または隅部に配置されていることが好ましい。
【００４５】
ポンプ室内において、気泡は、ポンプ室の隅部やポンプ室の壁部の突出した場所に滞留しやすいことが知られている。従って、発熱部をポンプ室の壁内部に収納して突出部がない状態に配置するか、少なくともポンプ室の隅部に配置することによって。気泡を滞留しにくくすることや、気泡の滞留しやすいポンプ室の隅部から滞留気泡を排出できる。
【００４６】
さらに、前述の構成では、前記発熱部が、複数備えられていることが好ましい。
このように発熱手段が複数配置することで、発熱手段に供給する単位時間当たりのエネルギー量を減らし、また、ポンプが破壊されるのを防ぎながら滞留していた気泡を速く排出することができる。
【００４７】
また、前述したポンプは、前記ポンプ室の内部圧力を検出する圧力検出部が備えられていることが好ましい。
こうすることで、ポンプ室内の圧力を検出し、ポンプ室に気泡が滞留しているかを確実に判断し、ポンプの駆動を好適に制御することができる。
【００４８】
また、前記ピストンまたは可動壁を駆動するときに、前記発熱部に発熱信号を入力することが好ましい。
【００４９】
このようにすれば、ピストンあるいはダイアフラムを動作させながら、ポンプ室内の作動流体を発熱部によって加熱することで、ポンプ室内の圧力を高め、ポンプ室の内部に滞留した気泡を排出できる。
【００５０】
また、前述した構成では、前記発熱部にパルス状の発熱信号が入力され、前記ピストンまたは可動壁が、前記発熱信号に同期して駆動されることが好ましい。
【００５１】
また、前述のポンプは、発熱部の発熱をパルス状に行い、そのパルスと同期させてダイアフラムを動作させるため、発熱部で消費するエネルギーを削減しながら、効果的にポンプ室の内部に滞留した気泡を排出できる。
【００５２】
さらに、前述のポンプは、前記発熱部と接する作動流体が相変化するように前記発熱部による加熱を行うことが望ましい。
【００５３】
こうすることで、ポンプ室内に相変化による気泡を生成でき、ポンプ室内に出口流路へ流出する複雑で淀みのない流れを生み出せるので、ポンプ室の内部に滞留した気泡を容易に排出できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１に係るポンプを示す縦断面図。
【図２】本発明の実施例１に係るポンプの内部状態を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例１に係るポンプの駆動回路を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例２に係るポンプの副ポンプ室ダイアフラムを示す平面図。
【図５】本発明の実施例３に係るポンプを示す部分縦断面図。
【図６】本発明の実施例３に係るポンプの駆動回路を示すブロック図。
【図７】本発明の実施例４に係るポンプを示す縦断面図。
【図８】本発明の実施例４に係るポンプの駆動回路を示すブロック図。
【図９】本発明の実施例５に係るポンプを示す縦断面図。
【図１０】本発明の実施例６に係る加圧機構を示す縦断面図。
【図１１】本発明の実施例６に係るポンプを示す部分縦断面図。
【図１２】本発明の実施例７に係るポンプを示す部分縦断面図。
【図１３】本発明の実施例７に係るヒーターを示す平面図。
【図１４】本発明の実施例７に係るヒーターの変形例を示す平面図。
【図１５】本発明の実施例７に係るポンプの駆動回路を示すブロック図。
【図１６】本発明の実施例７に係るヒーターの他の変形例を示す平面図。
【図１７】本発明の他の実施例に係るポンプを示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図１７には本発明の実施形態のポンプが示されている。
【実施例１】
【００５６】
図１〜図３は実施例１のポンプ１０が示されている。
図１は、本実施例１に係るポンプ１０の構造を示す縦断面図である。図１において、ポンプ１０は、基本構成として、積層形圧電素子７０が固着されたカップ状のケース５０と、作動流体を流入する流入路２１と、作動流体を流出する流出路２８と副ポンプ室２４と主ポンプ室２７とを有するポンプ筐体２０と、から構成されている。
【００５７】
ケース５０の内側底部には、積層形圧電素子７０の一方の端部が接着等の固着手段によって固着され、ケース５０の縁部上面及び積層形圧電素子７０の他方の端部上面の双方に亘って、主ポンプ室ダイアフラム６０が密着固着されている。主ポンプ室ダイアフラム６０の上面周縁部は、ポンプ筐体２０が固定部の気密が保たれるように固定される。主ポンプ室ダイアフラム６０とポンプ筐体２０の下部に設けられた凹部の間の空間には、主ポンプ室２７が形成される。
【００５８】
一方、ポンプ筐体２０の上部にも凹部が設けられ、その凹部の縁部上面には副ポンプ室ダイアフラム４５が気密を保つように固着され、副ポンプ室２４が形成されている。副ポンプ室ダイアフラム４５は、主ポンプ室ダイアフラム６０に比較して、薄い板材が用いられ、副ポンプ室２４の内圧によって変形可能となっている。副ポンプ室ダイアフラム４５の上面には板状圧電素子７１が固着されている。この副ポンプ室ダイアフラム４５と板状圧電素子７１の双方でユニモルフアクチュエータが構成されている。
副ポンプ室ダイアフラム４５は、その両面に板状圧電素子７１を貼付したバイモルフアクチュエータを構成することもできるが、この場合、作動流体と接する板状圧電素子７１の密着に考慮する必要がある一方、より大きな変位のアクチュエータが構成できる。
【００５９】
次に、作動流体の流路に沿って構成を説明する。ポンプ筐体２０に突出された入口側接続管３０の内部には、流入路２１が形成され、副ポンプ室入口側弁穴２２、副ポンプ室入口側弁座穴２３を経て、副ポンプ室２４に連通している。なお、副ポンプ室入口側弁穴２２を開閉できる流体抵抗要素としての副ポンプ室入口側逆止弁４１が、副ポンプ室入口側弁座穴２３の周縁に固定されている。副ポンプ室２４と主ポンプ室２７の間には、主ポンプ室入口側弁穴２５及び主ポンプ室入口側弁座穴２６が設けられている。主ポンプ室入口側弁座穴２６の周縁には、主ポンプ室入口側弁穴２５を開閉できる開閉部材を備えた流体抵抗要素としての主ポンプ室入口側逆止弁４２が固定されている。
主ポンプ室２７には、流出路２８が連通している。流出路２８は、主ポンプ室２７と接続する細管部と、細管部途中から断面積が拡大された拡大部と、に連続して構成されている。なお、出口流路の外周部は出口側接続管３１となっている。
また、図示しないが、入口側接続管３０及び出口側接続管３１には弾性を有するシリコンゴム製のチューブが接続される。
【００６０】
次に、流路のイナータンス値Ｌを定義する。流路の断面積をＳ、流路の長さをｒ、作動流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｒ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる作動流体の流量を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。例えば、イナータンス値がそれぞれＬ１，Ｌ２である２つの流路を直列接続した場合、合成イナータンス値はＬ１＋Ｌ２で与えられる。
【００６１】
また、以下に説明する入口流路とは、主ポンプ室２７内から主ポンプ室入口側弁穴２５の流体流入側端面までの流路のことを言う。本実施例１においては、流路の途中に脈動吸収手段としての副ポンプ室ダイアフラム４５を備えた副ポンプ室２４が接続されているため、主ポンプ室２７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。
従って、副ポンプ室ダイアフラム４５が高剛性で脈動吸収効果が小さい場合には、主ポンプ室入口流路の合成イナータンスは、副ポンプ室２４の上流の、例えばチューブ等の脈動吸収手段の位置まで計算する必要がある。
【００６２】
出口流路は、出口側接続管３１に脈動吸収手段であるチューブが接続されるため、流出路２８の出口端面までの流路のことをいう。
次に、逆止弁の開閉部材のイナータンス値を定義する。開閉部材のイナータンス値は開閉部材の質量と開閉部材が塞ぐ流路（弁穴）の断面積とによってほぼ関連付けられ、開閉部材のイナータンス値＝開閉部材の質量／開閉部材が塞ぐ流路の断面積の２乗で与えられる。この開閉部材のイナータンス値は、開閉部材が流路を完全に塞いでいる状態から開き出して流量が少ない間は、流路のイナータンスと同様に、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示していると考えて良く、やはりイナータンス値が大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値が小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００６３】
次に、実施例１に係るポンプを運転した時の内部状態について、図２に基づき説明する。図１も参照して説明する。
図２は本発明に係るポンプ１０の実施例１における、主ポンプ室２７及び副ポンプ室２４が液体（水）である作動流体で充填されている場合の、積層形圧電素子７０の駆動電圧（Ｖ）および、主ポンプ室２７の絶対圧表示による圧力（ＭＰａ）と、時間（ｍｓ）と、の関係の波形を示すグラフである。図２において、駆動電圧が増加した場合に積層形圧電素子７０は伸長するため主ポンプ室ダイアフラム６０は上昇し、主ポンプ室２７の容積を圧縮する。図２から、駆動電圧の谷部過ぎから主ポンプ室２７の圧縮による圧力上昇が開始し、駆動電圧の上昇勾配が最も大きい点を通過後、主ポンプ室２７の内部圧力は急激に下降し、ほぼ絶対圧０気圧近傍にまで落ち込む事がわかる。
【００６４】
これを詳しく説明すると、まず、主ポンプ室入口側逆止弁４２が閉鎖されている状態で、主ポンプ室２７が圧縮されると流出路（出口流路）２８の大きなイナータンスにより、主ポンプ室２７内の圧力は大きく上昇する。この主ポンプ室２７の内部圧力の上昇により、細管部内の作動流体は加速され、慣性効果を発生する運動エネルギーが蓄えられる。積層形圧電素子７０の伸縮速度の勾配が小さくなると、それまでに蓄えられていた出口流路内の作動流体の運動エネルギーによる慣性効果で作動流体は流れ続けようとするため、主ポンプ室２７の内部圧力は急激に降下し、やがて副ポンプ室２４内の圧力より小さくなる。
【００６５】
この時点で圧力差により主ポンプ室入口側逆止弁４２が開き、副ポンプ室２４から主ポンプ室２７へ作動流体が流入する。このとき、主ポンプ室２７の入口流路の合成イナータンス値と開閉部材である主ポンプ室入口側逆止弁４２のイナータンス値との和は先述した出口流路側イナータンス値よりも十分に小さいため、効率よく作動流体の流入が生じる。この、主ポンプ室２７からの流出と流入が同時に生じている状態は、積層形圧電素子７０が収縮して再び伸長に転じるときまで継続している。これが、図２における主ポンプ室２７内における圧力の平坦部の状況である。
【００６６】
つまり、本実施例１のポンプ１０は、吐出と吸入が継続している状況が長く続くため、大きな流量を流すことができ、また、ポンプ室内が極めて高圧になるため、高い負荷圧に対応できるのである。
【００６７】
このとき、副ポンプ室２４では、副ポンプ室ダイアフラム４５が副ポンプ室２４の内部圧力によって変形し脈動を吸収している。その結果、大きなイナータンスを持つ流入路２１からの副ポンプ室２４への作動流体の流入は脈動が少ないほぼ定常流となり、副ポンプ室入口側逆止弁４１は開放状態が継続する。このように、副ポンプ室ダイアフラム４５は、その変形により主ポンプ室２７の入口流路側のイナータンス値を小さく保ちながら、流入路２１の脈動を押える効果がある。また、このとき副ポンプ室入口側逆止弁４１は開放状態が継続するため、流体抵抗の発生や疲労破壊等の問題が発生しない。
【００６８】
次に、ポンプ１０が動作を開始する場合の呼び水動作について、図１及び図３に基づき説明する。
図３は、本発明に係る実施例１の駆動回路系のブロック図である。呼び水動作とは、一般に、ポンプ内部に気体が入っている場合に、液体を自吸する能力のない主ポンプ室２７の起動時に別のポンプで液体を充填する動作をいう。図３において、ポンプ１０の駆動回路系は、主ポンプ室ダイアフラム６０を駆動する積層形圧電素子７０と、副ポンプ室ダイアフラム４５を駆動する板状圧電素子７１と、積層形圧電素子７０と板状圧電素子７１の駆動を切り換える駆動切り換え制御部としての切換え回路８５と、ポンプ１０の駆動を制御するポンプ駆動制御回路８０と、から構成されている。
【００６９】
主ポンプ室２７の内部に作動流体が充填されていない場合において、ポンプ駆動制御回路８０が発生する駆動電圧はポンプ動作の初期段階では切換え回路８５によって、副ポンプ室ダイアフラム４５に貼付されている板状圧電素子７１に印加される。駆動電圧は、例えば正弦波である。副ポンプ室ダイアフラム４５は薄い板材で、かつ変位量が大きいユニモルフアクチュエータの構成となるため、副ポンプ室２４は駆動電圧によって大きな容積変化を生じる。副ポンプ室２４の入口側には副ポンプ室入口側逆止弁４１が配され、一方、出口側には主ポンプ室入口側逆止弁４２が配置されている。この主ポンプ室入口側逆止弁４２は副ポンプ室２４の出口側逆止弁として機能する。
【００７０】
その結果、副ポンプ室２４は、入口側と出口側双方に逆止弁を備え体積変化量も大きいため、気体及び液体双方を送出可能なポンプとして機能し、副ポンプ室２４及び主ポンプ室２７の内部の気体を排出し、作動流体である液体を充填するため、主ポンプ室２７の容積変化によってポンプ動作が可能な状態にできるのである。切換え回路８５は、タイマー（図示しない）によって十分な時間が経過した後、積層形圧電素子７０に駆動電圧を印加するように切り換えられ、高出力動作が自動的に可能になる。
【００７１】
また、主ポンプ室２７の動作中は、板状圧電素子７１の端子電圧を検出することにより、副ポンプ室ダイアフラム４５の動作状態を測定できる。作動流体中の気泡等が主ポンプ室２７内に滞留しポンプの性能が低下した場合、副ポンプ室ダイアフラム４５の動作量が小さくなる。このときは、一旦、副ポンプ室ダイアフラム４５を板状圧電素子７１によって動作させて気泡を排出した後、再び主ポンプ室ダイアフラム６０を積層形圧電素子７０で駆動するように駆動電圧を切り換えることによってポンプ性能を復帰させることができるのである。上述したような駆動制御を行うことによって、呼び水動作が行われる。
【００７２】
従って、前述した実施例１では、副ポンプ室２４は、入口側と出口側双方に逆止弁４１，４２を備え体積変化量も大きいため、気体および液体双方を送出可能なポンプとして機能し、副ポンプ室２４及び主ポンプ室２７の内部の気体を排出し、作動流体である液体を充填するため、主ポンプ室２７の体積変化によってポンプ動作が可能な状態にできるのである。
【００７３】
切換え回路８５は、タイマーによって十分な時間が経過した後、主ポンプ室２７の積層形圧電素子７０に駆動電圧を印加するように切り換えられ、高出力動作が自動的に可能になる。
また、主ポンプ室２７の動作中は、板状圧電素子７１の端子電圧を検出することにより、副ポンプ室ダイアフラム４５の動作状態を検出できる。作動流体中の気泡等が主ポンプ室２７内に滞留しポンプの性能が低下した場合、副ポンプ室ダイアフラム４５の動作量が小さくなる。このときは、一旦副ポンプ室ダイアフラム４５を板状圧電素子７１によって動作させて気泡を排出した後、再び主ポンプ室ダイアフラム６０を積層形圧電素子７０で駆動するように駆動電圧を切り替えることによってポンプ性能を復帰させることができる。
【００７４】
さらに、主ポンプ室入口流路が、副ポンプ室出口流路となっており、また、主ポンプ室入口流路を開閉する流体抵抗要素（逆止弁４２）が、副ポンプ室出口流路を開閉する流体抵抗要素となっているため、作動流体の流路が短くなり、流路の流体抵抗を減ずることができる。また、このことにより、ポンプ１０の構造を簡素化することができ、部品数を低減し低コストを実現できるという効果もある。
なお、前述の実施例１では、主ポンプ室２７の容積変化を行う手段としてダイアフラム６０を採用した場合について説明したが、ピストンを採用しても、本発明の目的を達成することができる。
【実施例２】
【００７５】
次に本発明の実施例２について図４に基づき説明する。
実施例２のポンプは、基本構造は前述した実施例１と同様であるが、副ポンプ室２４の板状圧電素子７１に貼付された駆動電極５２の一部を分離し、検出電極５３を形成している点に特徴を有する。
図４は、本実施例２の副ポンプ室ダイアフラム方向から視認した平面図である。図４において、副ポンプ室ダイアフラム４５の上面の貼付される板状圧電素子７１に形成された電極５２は、一部が分離されて検出電極５３が形成されている。
【００７６】
次に、この検出電極の機能を説明する。ポンプ起動時等の呼び水動作中は、前述した実施例１では、板状圧電素子７１に駆動電圧が印加されている。しかしながら実施例２では検出電極５３が独立しているため、この呼び水動作中（板状圧電素子７１に駆動電圧が印加されている）でも副ポンプ室ダイアフラム４５の動きを検出することが可能となっている。副ポンプ室ダイアフラム４５の動作により、副ポンプ室２４内の気体が排出され、副ポンプ室２４に液体が充填されると、その圧縮率の違いから副ポンプ室ダイアフラム４５の動きが小さくなり、その直後に主ポンプ室２７の内部も作動流体が充填される。従って、吸入側に長い管路が接続される場合などは、時間管理をする方法より正確に呼び水動作の完了時期を検出することができ、短時間で主ポンプ室ダイアフラム６０に貼付された積層形圧電素子７０に駆動電圧を切り換えできるのである。
【００７７】
また、主ポンプ室ダイアフラム６０、副ポンプ室ダイアフラム４５のそれぞれの圧電素子に独立に駆動回路を接続し、かつ検出電極５３で常にモニターすることで、ポンプ動作中における気泡等の混入の動作不良時にも、回路の切り換え無しにすぐに呼び水動作に移行できる。
【００７８】
従って、前述した実施例２によれば、検出電極５３が独立しているため、呼び水動作中でも副ポンプ室ダイアフラム４５の動きを検出することが可能となり、正確に呼び水動作の完了時期を検出することができ、短時間で主ポンプ室ダイアフラム６０の積層形圧電素子７０に駆動電圧を切替えできる。
また、主ポンプ室ダイアフラム６０、副ポンプ室ダイアフラム４５のそれぞれの圧電素子に独立に駆動回路を接続し、かつ検出電極を常にモニターすることで、気泡等の混入の動作不良時にも、回路の切り換え無しにすぐに呼び水動作に移行できる。
【実施例３】
【００７９】
次に本発明の実施例３について図５、図６に基づいて説明する。実施例３のポンプは、基本構造は前述した実施例１と同じであるが、主ポンプ室２７の内部に圧力センサ９０を備えていることを特徴としている。実施例１と共通部分の説明は省略する。
【００８０】
図５は、本実施例３に係るポンプの部分縦断面図、図６は、実施例３のポンプの駆動回路のブロック図である。図５において、主ポンプ室２７の内部上面の壁には、２段構成の凹部３５が形成されている。その凹部３５の主ポンプ室２７側の段には、前述した板状圧電素子７１と同じ材質で形成される圧力センサ９０が固着されている。圧力センサ９０は、表面に図示しない電極が形成され、後述（図６、参照）するポンプ駆動制御回路８０に接続されている。上述した凹部３５は、圧力センサ９０が撓んだときに壁と接触しない程度の間隙を有している。
【００８１】
図６において、ポンプ１０の駆動回路系は、主ポンプ室ダイアフラム６０を駆動する積層形圧電素子７０と、副ポンプ室ダイアフラム４５を駆動する板状圧電素子７１と、主ポンプ室２７の内部圧力を検出する圧力センサ９０と、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動制御回路８０と、から構成されている。
【００８２】
図５、図６において、主ポンプ室２７内に気泡が滞留した場合、主ポンプ室２７の内部圧力が低下する。この状態を圧力センサ９０で検出し、ポンプ駆動制御回路８０によって板状圧電素子７１に駆動信号を出力して副ポンプ室ダイアフラム４５を駆動して副ポンプ室２４内の圧力を増加させる。このことにより、主ポンプ室２７内に滞留する気泡をポンプ室外に排出する。つまり、主ポンプ室２７内の圧力変化に同期させて副ポンプ室ダイアフラム４５の板状圧電素子７１を駆動する。
【００８３】
なお、前述の実施例１から実施例３では、主ポンプ室２７の流出路２８側に逆止弁を備えないポンプで構成したが、逆止弁があるポンプであっても、呼び水が必要なポンプにおいては同様の効果が得られる。
【００８４】
従って、前述の実施例３の構成によれば、主ポンプ室２７内に圧力センサ９０を備えることで、主ポンプ室２７に気泡が入り動作不良になった場合等の検出を正確に行うことができる。さらに、本実施例３においては、主ポンプ室ダイアフラム６０に同期させて副ポンプ室ダイアフラム４５の板状圧電素子７１を駆動することが可能であるため、主ポンプ室２７の吸入効率を更に向上させることが可能になりより、高出力なポンプが提供できるという効果がある。
【実施例４】
【００８５】
次に、本発明に係る実施例４のポンプについて図７、図８に基づき説明する。実施例４は、実施例１の技術思想を基本として、副ポンプ室２４（図１、参照）を無くし、気泡排除装置として加圧機構１５０を備えたことに特徴がある。
図７には、本実施例４のポンプの縦断面図が示されている。図７において、ポンプ１００は、基本構成として、積層形圧電素子７０が固着されたカップ状のケース５０と、作動流体を流入する流入路１２１と、作動流体を流出する流出路１２８と、ポンプ室１２７を備えるポンプ筐体１２０と、ポンプ室１２７内に圧力を加えるための加圧機構１５０（図中、破線で囲まれている）と、から構成されている。
【００８６】
カップ形状のケース５０は、内側底部に積層形圧電素子７０の一方の端部が固着され、ケース５０の縁部及び積層形圧電素子７０の他方の端部上面に亘って、ダイアフラム６０が固着されている。ダイアフラム６０の上面側は、気密が保たれるようにポンプ筐体１２０が固着され、ダイアフラム６０とポンプ筐体１２０の下部との間の空間に、ポンプ室１２７が形成されている。
【００８７】
このポンプ室１２７へ向けて、流入路１２１と流出路１２８とが形成されている。そして、流入路１２１には、ポンプ室１２７との接続部に流入路１２１を開閉する流体抵抗要素としての逆止弁１２２が設けられている。流入路１２１を構成する筒部の外周の一部は、図示しない外部配管と接続するための入口接続管１３０となっている。また、流出路１２８は、ポンプ室１２７と接続する細管部と途中から断面積が拡大された拡大部とが連続して形成されている。流出路１２８を構成する筒部の外周は、図示していない外部配管と接続するための出口接続管１３１となっている。ここで、外部配管としては、例えば、シリコンゴム製のチューブが使用可能である。
また、ポンプ室１２７の内部上面の壁には、ポンプ室１２７の内部圧力を検出する圧力検出部としての圧力センサ９０が固着されている。
このポンプ１００には、図中、破線で囲って示した加圧機構１５０が設けられている。
【００８８】
加圧機構１５０には、弾性体である金属製のベローズ１５１と、ベローズ１５１の容積変更機構としての圧電素子等から構成されるアクチュエータ１７０と、流出路１２８における作動流体の流動を遮断する遮断弁１４０と、が備えられている。ベローズ１５１は、出口接続管１３１の側面に密着固定され、開口部１５２が流出路１２８に流通する流路１３２に接続されている。
ベローズ１５１の内部は、容積変化可能な部屋が形成されると共に、ベローズ１５１の内部圧力を検出する圧力検出部としての圧力センサ９１が備えられており、ベローズ１５１はアクチュエータ１７０によって容積が変更される。
【００８９】
アクチュエータ１７０は、実施例４では、ベローズ１５１に対向した反対側の端部が、入口接続管１３０の側部に固着され、図示しない駆動部によって往復運動し、ベローズ１５１を圧縮する押圧部１７１から構成されポンプ駆動制御回路１８０（図８、参照）によって駆動される。
なお、ベローズ１５１が接続された場所の流出路１２８の拡大部断面積は、細管部の断面積の約２倍となっている。これは、ベローズ１５１が接続された流路１３２を通過する流体の流速を低下させ、通過時に生じる流体のエネルギー損失を少なくするためである。
【００９０】
本発明におけるポンプの駆動に重要なイナータンス値の関係は、実施例１で説明したため省略するが、本実施例４における入口流路及び出口流路について定義する。
ポンプ室１２７へ作動流体が流入する流路において、ポンプ室１２７への開口部から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを入口流路という。ここで、脈動吸収手段とは流路内の圧力変動を十分に減衰させる手段である。そして、シリコンゴム等のゴム、その他の樹脂、薄い金属等、内部の圧力によって変形しやすい材質でできた流路や、流路に接続されたアキュムレータ、さらに、複数の異なる位相の圧力変動を合成する集合流路等が、脈動吸収手段に相当する。
【００９１】
実施例４においては、入口接続管１３０にシリコンゴムチューブの外部配管が接続されているため、流入路１２１においてポンプ室１２７への開口部からシリコンゴムチューブ接続側端面までの流路、つまり流入路１２１そのもののことを入口流路という。
また、出口流路の定義も入口流路と同様であり、ポンプ室１２７から作動流体が流出する流路において、ポンプ室１２７への開口部から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを出口流路という。そして、本実施例４においては、流出路１２８の途中にあるベローズ１５１が後述する吐出モードで圧力脈動を吸収する効果をもつため、ポンプ室１２７への開口部からベローズ１５１の接続部までの流出路１２８のことを出口流路という。
【００９２】
次に、本実施例４のポンプ１００を吐出モードで運転する場合について説明する。
吐出モードとは、流出路１２８の下流側へ作動流体を流出させる動作モードであり、ポンプ室１２７に作動流体が充填され気泡が滞留していない場合に行われる。このとき、遮断弁１４０は流出路１２８を遮断していない。そして、アクチュエータ１７０の押圧部１７１は図７で示したようにベローズ１５１から離れている。その結果、ベローズ１５１は内部の圧力により自由に弾性変形でき、ベローズ１５１が流出路１２８内の圧力脈動を減衰する機能を果たしている。その効果として、出口接続管１３１にどのような材質の外部配管を接続しても出口流路のイナータンス値には影響がなく、接続された外部配管によるポンプ性能の変化を防止できる。なお、ベローズ１５１以外でも体積変化可能な部屋が弾性体で構成されていればこのような効果を得ることができる。
【００９３】
次に、実施例４に係わるポンプ１００を運転した時の内部状態について説明する。ポンプ１００の内部状態は、前述した実施例１（図２、参照）と同じであるため省略するが、本実施例４の特徴を示す内容について詳しく説明を加える。
図２、図７を参照して説明する。図２において、ポンプ室１２７内の圧力が最大で約２ＭＰａまで上昇しているように、本実施例４のポンプ１００は、ポンプ室１２７内に高い圧力を生じさせて高出力を得ている。そのため、特にポンプ室１２７の内部に気泡が滞留した場合には、積層形圧電素子７０が最も縮んだ状態から最も伸びた状態となるまでの間にダイアフラム６０の変形によって生じるポンプ室１２７の容積の変化量（以降、排除容積と呼ぶ）は、気泡を圧縮するのに使われ、ポンプ室１２７内の圧力上昇に寄与しなくなり、ポンプ動作が不能になる。そのため、滞留した気泡は速やかに排除することが重要である。
【００９４】
続いて、実施例４に係わるポンプ１００を気泡排出モードで運転する場合について、図７と図８とを用いて説明する。
図８は、本実施例４に係るポンプ１００の駆動回路のブロック図である。ここで、気泡排出モードとは、ポンプ室１２７に気泡が滞留した場合に行う動作モードである。図８において、ポンプ１００の駆動回路系は、ポンプ室１２７内の圧力を検出する圧力センサ９０（図７、参照）、ベローズ１５１内の圧力を検出する圧力センサ９１と、加圧機構１５０と、これらを制御するポンプ駆動制御回路１８０と、から構成される。
【００９５】
次に、気泡排出モードで運転する際に加圧機構１５０を動作して内在する気泡の排出について説明する。
圧力センサ９０によって検出された最大ポンプ室内圧力が、その駆動条件におけるポンプ正常運転時の最大ポンプ室内圧力と比較して小さい場合、具体的には半分以下である場合に、ポンプ駆動制御回路１８０はポンプ室１２７の内部に気泡が滞留していると判断する。すると、ポンプ駆動制御回路１８０から加圧機構１５０に命令が送られる。その命令により、まず、遮断弁１４０は流出路１２８を遮断していない状態となる。次に、図７においてアクチュエータ１７０が左端の押圧部１７１を左側へ伸ばしベローズ１５１と接触させ、更に左方向へベローズ１５１を圧縮し、ベローズ１５１で構成される部屋の容積を大きく減少させる。これは、ベローズ１５１で構成される部屋に溜まっていた気泡を遮断弁１４０より下流へ流し出すためである。
【００９６】
次に、遮断弁１４０は流出路１２８を遮断し、アクチュエータ１７０は、押圧部１７１を縮ませベローズ１５１から分離される。ベローズ１５１は弾性体で形成されているので自身の弾性力で元に復帰する。このようにすることによって、ベローズ１５１の内部には作動流体が充填される。続いて、アクチュエータ１７０によって、再度、ベローズ１５１を圧縮する。その結果、ベローズ１５１の部屋内部からポンプ室１２７までに存在する作動流体の圧力を上昇させることができる。
【００９７】
ポンプ室１２７に滞留していた気泡は、加圧されることで体積が小さくなり、排除体積より気泡体積を十分に小さくすることができる。そのとき、ベローズ１５１の部屋はゲージ圧で約１気圧以上、望ましくは約１気圧から５気圧の間の圧力にすることが必要である。そして、ベローズ１５１で構成される部屋の圧力を検出する圧力センサ９１の検出値に基づいて、ポンプ駆動制御回路１８０がベローズ１５１を圧縮するアクチュエータ１７０を制御することで、ベローズ１５１の内部をこの適正な圧力に上昇させることができる。
【００９８】
続いて、積層形圧電素子７０を駆動すると、吐出モードの時のように、ポンプ室１２７内部の圧力は十分に上昇し、ポンプ室１２７から流出路１２８へ作動流体が流出する。ポンプ室１２７に滞留していた気泡は、ポンプ室１２７内の作動流体の流れに乗り、ポンプ室１２７に滞留していた気泡はベローズ１５１の内部へ排出される。
【００９９】
遮断弁１４０が流出路１２８を遮断してから、積層形圧電素子７０が駆動された時間をカウントするタイマー（図示しない）がポンプ駆動制御回路１８０に備えられており、ポンプ室１２７内に滞留した気泡が排出される充分な時間として事前に求めた時間をこのタイマーによってカウントした後、遮断弁１４０は流出路１２８の遮断を解除し、アクチュエータ１７０をベローズ１５１から分離する位置まで縮ませ、気泡排出モードを終了する。
【０１００】
この際、ポンプ室１２７から排出された作動流体によりベローズ１５１の内部圧力は上昇するが、圧力による変形が弾性変形許容範囲内に抑えられるように設計してある。このように、容積変化可能な部屋を弾性体で構成することで、作動流体の流入による圧力上昇を緩やかにし、ポンプ１００を構成する部品が破壊されるのを防止することができる。
また、ベローズ１５１内に備えられた圧力センサ９１の検出値を用いて、ポンプ駆動制御回路１８０がアクチュエータ１７０を制御し、ベローズ１５１内部の圧力上昇を確実に抑えても良い。
さらには、ベローズ１５１にリリーフ弁を取りつけ、ベローズ１５１の内部圧力が高まりすぎた場合にはリリーフ弁が開いて、ベローズ１５１の内部の圧力上昇を確実に抑えるよう構成しても良い。
【０１０１】
従って、実施例４では、ポンプ室１２７の内部に存在する作動流体の圧力を上昇させた状態で維持する加圧機構１５０が備えられているために、ポンプ室１２７内に気泡が滞留することでポンプ室１２７内の圧力が低下し、作動流体の吐出が不可能になった場合、ポンプ室１２７内に存在する作動流体の圧力を上昇させた状態で維持することができる。その結果、気泡体積が小さくなり、ダイアフラム６０の駆動によりポンプ室１２７の容積を圧縮し、ポンプ室内の気泡を排出することができる。
【０１０２】
また、加圧機構１５０は、ベローズ１５１を加圧するが、ベローズ１５１の容積変化可能な部屋は流出路１２８まで連通しており、流出路１２８と連通しているポンプ室１２７内において、簡単に高い圧力を発生することができる。
【０１０３】
さらに、容積変化可能な部屋を弾性体により構成したことにより、体積変化可能な部屋への作動流体の流入による圧力上昇を緩やかにし、圧力によるポンプを構成する部品の損傷を防止することができる。また、容積変化可能な部屋を弾性体により構成することで、出口流路内の圧力脈動を減衰する機能を兼ねさせることができる。その結果、出口流路に接続される外部配管の影響によるポンプ性能の変化を防止できる。
（実施例４の変形例１）
【０１０４】
以上説明した実施例４の変形例として、例えば、ポンプ駆動制御回路１８０のタイマーでカウントする時間は任意に設定し、気泡排出モード終了後に吐出モードで運転しポンプ室１２７内の圧力センサ９０の検出値をチェックしても良い。
こうすると、気泡が排出されるまで気泡排出モードの動作を繰り返し行い、確実に気泡を排出できる。
【０１０５】
また、前述した実施例４では、ポンプ室１２７内の圧力センサ９０を用いて気泡が滞留したと判断した場合に気泡排出モードの動作を行い、無駄に気泡排出モードの動作を行わないが、この他に、適当な時間が経過する毎に気泡排出モードの動作を行っても良い。
この場合は、圧力センサ９０を省略することができ、構造を簡略化することができる。
【０１０６】
さらに、流入路１２１と流出路１２８とが外部配管によって接続されている場合は、遮断弁１４０がなくてもベローズ１５１をアクチュエータ１７０で押すことでポンプ室１２７内の圧力を上昇させた状態で維持することができ、同様の効果をもたらす。また、ベローズ１５１を押すためにアクチュエータ１７０を設けたが、圧力センサ９１の出力を人間が把握できる表示手段を設けて、その表示を見ながら人間が遮断弁１４０を操作しベローズ１５１を押しても、同様の効果を得ることができる。
（実施例４の変形例２）
【０１０７】
また、実施例４では、ポンプ室圧力検出手段として、ポンプ室１２７内に圧力センサ９０を備えたが、他の手段を用いることができる。
例えば、ダイアフラム６０の歪を歪ゲージや変位センサで測定し、ポンプ室１２７内部の圧力を算出する方法がある。
また、ケース５０の変形を歪ゲージで測定し、ポンプ室１２７の圧力を算出する方法もある。
また、逆止弁１２２が閉じている状態での開閉部材の変形を歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室１２７の圧力を算出する方法もある。
また、積層形圧電素子７０を駆動する電流を電流センサで測定して、ポンプ室１２７の圧力を算出する方法もある。さらに、積層形圧電素子７０に歪ゲージが取りつけられていて、積層形圧電素子７０への印可電圧と歪ゲージの測定値から、ポンプ室１２７の圧力を算出する方法がある。このとき、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、ベローズ１５１内の圧力検出手段として、ベローズ１５１の変形を歪ゲージにて検出し圧力を算出する構造も採用することができる。
（実施例４の変形例３）
【０１０８】
また、前述の実施例４では、アクチュエータ１７０としては圧電素子を採用したが、圧電素子の他に電磁タイプ、形状記憶合金タイプ、等を採用することができる。その内、形状記憶合金タイプのものは簡単な構造で大きな変位量を実現できるため好適である。
さらに、容積変化可能な部屋を構成する弾性体としては、ゴムや樹脂材質のもので構成しても良いが、特に、金属製にすると作動流体の蒸発を防ぐことができより好ましい。また、形状としては膜やダイアフラム形状にしても良いが、本実施例４で説明したようなベローズ形状とすると変位量を大きくでき、気泡排出モードで積層形圧電素子７０を長い時間連続運転できるため、気泡を排出しやすい点で好ましい。
【０１０９】
従って、前述した実施例４の変形例の構成においても、実施例４と同様な効果を得ることができる。
【実施例５】
【０１１０】
次に、本発明のポンプに係る実施例５を図９に基づき説明する。
実施例５の基本構造は実施例４（図７、参照）と同じであるが、ポンプ室１２７から流出した作動流体をベローズ１５１で構成された部屋へ導く第１の状態と、ポンプ室１２７から流出した作動流体の流れからベローズ１５１で構成された部屋を遮断する第２の状態と、を切換える構造であることに特徴があり、異なる点を中心に説明する。なお、同じ機能部材には、実施例４（図７、参照）と同じ符号を附与している。
【０１１１】
図９は、実施例５のポンプ１００の縦断面が示されている。図９において、破線で囲った加圧機構１５０が流出路１２８に設けられている。加圧機構１５０は、弾性体である金属製のベローズ１５１と、流路切換え手段である切換え弁１９０（図中、二点鎖線で囲まれる）と、から構成されている。切換え弁１９０は、ベローズ１５１で構成された部屋の開口部１５２から流出路１２８に連通する流路１３２を開閉する切換え弁１８２と、流出路１２８を開閉する切換え弁１８３とから構成されている。
【０１１２】
切換え弁１９０の機能は、ポンプ室１２７から切換え弁１８２までの流出路１２８と、それより下流側の流出路１２８と、切換え弁１８３を開放して連通し、切換え弁１８２を閉鎖してベローズ１５１で構成された部屋と流出路１２８とは遮断した第１の接続状態と、ポンプ室１２７から切換え弁１８２までの流出路１２８とベローズ１５１で構成された部屋とを連通し、切換え弁１８３を閉鎖して、切換え弁１８３より下流側の流出路１２８は遮断した第２の接続状態と、を切替えることである。
【０１１３】
流出路１２８において切換え弁１８３が配置された場所の流出路１２８の断面積は、流出路１２８におけるポンプ室１２７と接続している細い流路部分の流路断面積の約２倍となっている。この理由は実施例４で説明している。また、ベローズ１５１の内部には、ベローズ１５１で構成される部屋の圧力を検出するベローズ内圧力検出手段としての圧力センサ９１が備えられている。
ここで、実施例５における入口流路及び出口流路の定義、イナータンス値の関係は,実施例４と同じである。
【０１１４】
次に、本実例５のポンプ１００を吐出モードで運転する場合について説明する。本実施例５において、吐出モードでは、切換え弁１９０が第１の接続状態になって流出路１２８の下流側へ作動流体を流出させる。このとき、積層形圧電素子７０を駆動した場合のポンプ室１２７内の圧力波形は前述した実施例１（図２、参照）と同じである。そのため、実施例１と同様に、吐出と吸入が同時に生じている状況が存在し、大きな流量を流すことができ、また、ポンプ室内が極めて高圧になるため、高い負荷圧力に対応できる。一方、ポンプ室１２７内部に気泡が滞留した場合にポンプとして好適な動作をしなくなるのも実施例１で説明した。
【０１１５】
次に、ポンプ室内に気泡が滞留した場合に行う気泡排出モードでの運転について説明する。なお、図示しないが、切替え弁制御系としては、ポンプ駆動制御回路は、ポンプ室１２７の内部に気泡が滞留していると判断すると、ポンプ駆動制御回路から切換え弁１９０に命令が送られ、切換え弁１９０は第１の接続状態から第２の接続状態に切替えられる。そのとき、ベローズ１５１の内部は事前にゲージ圧で約１気圧以上、望ましくは約１気圧から５気圧の間の圧力に加圧されているので、ポンプ室１２７は、ほぼこの圧力まで加圧される。このように、容積変化可能な部屋を弾性体で構成することで、弾性体の弾性力だけで加圧することが可能となっている。
【０１１６】
ポンプ室１２７に滞留していた気泡は、加圧されることで体積がポンプ室１２７の排除体積より小さくなるため、積層形圧電素子７０の駆動により、実施例４での説明と同様にベローズ１５１の内部へ排出される。そして、切換え弁１９０が第２の接続状態に切替えられてから、積層形圧電素子７０が駆動された時間をカウントするタイマー（図示しない）がポンプ駆動制御回路に備えられているため、ポンプ室１２７内に滞留した気泡が排出される充分な時間として事前に求めておいた時間をこのタイマーによってカウントした後、切換え弁１９０は第１の接続状態に切替えられ、気泡排出モードを終了する。
【０１１７】
このとき、ポンプ室１２７から排出された作動流体によりベローズ１５１の内部圧力は上昇するが、圧力による変形が弾性変形許容範囲内に抑えられるように設計してある。また、ベローズ１５１に図示していないリリーフ弁をとりつけ、ベローズ１５１の内部圧力が高まりすぎた場合にはリリーフ弁を開いて、ベローズ１５１の内部の圧力上昇を抑え、ゲージ圧で約１気圧以上、望ましくは約１気圧から５気圧の間の一定値に内部圧力を保つ構成にしても良い。この気泡排出モードにより、滞留していた気泡が排除されて、ポンプ性能を正常に回復させることができる。
【０１１８】
次に、ベローズ１５１内部の圧力をゲージ圧で約１気圧以上、望ましくは約１気圧から５気圧の間の値に常に保つために行うベローズ加圧モードについて図８を用いて説明する。
ベローズ１５１内に備えられた圧力センサ９１によってベローズ１５１内の圧力は検出される。検出された圧力が、ゲージ圧で約１気圧より小さい場合、ポンプ駆動制御回路１８０から加圧機構１５０に命令が送られ、切換え弁１９０は第２の接続状態に切り換えられる。次に、積層形圧電素子７０でダイアフラム６０を駆動し、吐出モードの時と同様に、ポンプ室１２７から流出路１２８へ流体を流出させる。
【０１１９】
すると、切換え弁１８２を経由してベローズ１５１の内部へ作動流体が流入し、ベローズ１５１で構成された部屋の内部が加圧される。そして、圧力センサ９１の検出値により、ポンプ駆動制御回路１８０が、ベローズ１５１内の圧力がゲージ圧で約１気圧以上、望ましくは約１気圧から５気圧の間に到達したことを確認すると、ポンプ駆動制御回路１８０から加圧機構１５０に命令が送られ、切換え弁１９０は第１の接続状態に切り替えられ、ベローズ加圧モードは終了する。この動作モードを行うことで、切換え弁１９０等に漏れがある場合でも、ベローズ１５１の内部を常に設定した圧力に維持し、気泡吐出モードに備えることができる。
【０１２０】
前述した実施例５では、切換え弁１９０は２つの弁で構成しているが、一体化された３方弁等を用いても構わない。また、ベローズ１５１には気密性良く塞ぐことのできる穴（図は、省略）が設けられており、ベローズ１５１内に気泡が溜まりすぎた場合には、この穴より気泡を排出することが可能となっている。
【０１２１】
以上説明した実施例５の変形例として、時間とベローズ１５１からの漏れ量との関係が判明している場合には、ベローズ内に圧力センサ９１を設けずに、所定の時間間隔毎にベローズ加圧モードを行っても良い。この場合、前回のベローズ加圧モードを終了してから今回のベローズ加圧モードを開始するまでの時間から漏れ量を換算し、その漏れ量と等しい体積の作動流体がポンプ室１２７からベローズ１５１の内部に流入するのに必要な時間だけ積層形圧電素子７０を駆動することができる。
【０１２２】
さらに、圧力センサ９１を設けずに、ベローズ１５１で構成される部屋に図示しないリリーフ弁を設け、所定の時間間隔毎にベローズ加圧モードを行っても良い。こうすると、ベローズ加圧モードを行った際にリリーフ弁で設定した圧力以上にベローズ１５１の内部が加圧されると、リリーフ弁が開き作動流体を逃がすため、ベローズ１５１の内部を一定の圧力に維持できる。
以上の説明において、ポンプ室１２７内の圧力を検出するポンプ室１２７内の圧力センサ９０、ベローズ１５１内の圧力センサ９１は、実施例４で説明した圧力センサが同様に使用できる。
【０１２３】
従って、本実施例５によれば、加圧機構１５０には、ポンプ室１２７から流出した作動流体をベローズ１５１の部屋へ導く第１の状態と、ポンプ室１２７から流出した作動流体の流れからベローズ１５１の部屋を遮断した第２の状態とを切替える流路切替手段を設けられている。こうすることで、容積変化可能な部屋を構成する弾性体の弾性力で確実にポンプ室１２７内の作動流体を加圧することができる。
【０１２４】
さらに、容積変化可能な部屋の内部の圧力を検出する圧力センサ９１を備えており、容積変化可能な部屋の内部の圧力を適正な圧力範囲に制御することができる。また、ポンプ室１２７にも圧力センサ９０を備えているので、ポンプ室１２７に気泡が滞留しているか判断することが可能となる。
さらに、加圧機構１５０により加えられる圧力はゲージ圧で約１気圧から５気圧の間としたために、圧力によりポンプを構成する部品を損傷することなく、ポンプ室内に滞留した気泡の体積を排出可能なまで十分に小さくすることができる。
【実施例６】
【０１２５】
次に、本発明に係るポンプの実施例６について、図１０及び図１１を用いて説明する。本実施例６は、加圧機構以外のポンプの基本構造は前述した実施例４と同じであるので、異なる点について詳しく説明する。本実施例６は、流出路１２８に外部配管を接続しないで使用されるもので、実施例４及び実施例５において説明した切換え弁（図７、図９を参照）を必要としない構造であり、加圧機構１５０が、流出路１２８と着脱可能に備えられていることを特徴とする。
図１０は、実施例６の加圧機構単体の縦断面図をしめしている。図１０において、加圧機構１５０は、ベローズ１５１と、ベローズ１５１が固着され、バルブ１５６を格納するバルブケース１５３と、を備えている。
【０１２６】
ベローズ１５１は、前述した実施例４で説明したように、作動流体を滞留する容積変化可能な部屋と開口部１５２が形成され、バルブケース１５３の端部に密着固着されている。
バルブケース１５３は、ベローズ１５１と流通する開口部１５２と、ポンプ１００の出口接続管１３１が挿入される（図１１、参照）差込口１５５と、開口部１５２と差込口１５５を連通し、バルブ１５６が装着されるバルブ装着孔１５４と、バルブ１５６のロッド１５９が挿通されるロッド挿通孔１６０と、が形成されている。差込口１５５の途中には、出口接続管１３１と差込口１５５との接続部から作動流体が漏洩することを防止するためのシール部材１６５が装着されている。
【０１２７】
バルブ１５６は、ロッド挿通孔１６０を挟んでロッド１５９と、ロッド１５９を軸止する座金１５７とで接続されている。座金１５７には、作動流体が流通する貫通孔１５８が形成されている。また、座金１５７と差込口１５５の内側の壁との間には、バルブ１５６を、前述したロッド挿通孔１６０を封止するように付勢するコイルばね１６１と、から構成されている。
また、ベローズ１５１の容積変化可能な部屋は、ベローズ１５１の弾性力により、実施例４、実施例５と同様に、ゲージ圧で約１気圧〜５気圧の範囲に加圧されている。
【０１２８】
図１１は、前述した加圧機構１５０をポンプ１００の出口接続管１３１に装着した状態を示す部分縦断面図である。図１１において、出口接続管１３１に加圧機構１５０の差込口１５５が挿入されている。この際、出口接続管１３１の先端部が座金１５７と当接してコイルばね１６１を圧縮しバルブ１５６がロッド挿通孔１６０を開放する位置まで移動されている。このとき、流出路１２８とベローズ１５１で囲まれた部屋とは、貫通孔１５８を介して作動流体が流通できる状態である。
【０１２９】
次に、本実施例６におけるポンプ１００の気泡が滞留していない場合について説明する。図１０、図１１を参照して説明する。
実施例６のポンプ１００は、気泡が滞留していない通常使用時は、流出路１２８と加圧機構１５０とを分離して用い、流出路１２８から作動流体を吐出させて使用するものである。この場合も流出路１２８へ作動流体を流出させる原理は、前述の実施例１で説明した通りである。従って、ポンプ室１２７の内部に気泡が滞留した場合には、ポンプ室内の圧力上昇が阻害されポンプ性能が大幅に低下するので、速やかに気泡を排除することが重要である。
【０１３０】
次に、ポンプ室１２７内に気泡が滞留した場合について説明する。
気泡が滞留している場合、流出路１２８からの作動流体の流出量が大幅に減少する。そこで、流出路１２８からの流出量が減少したことを使用者が観察したときに、使用者が加圧機構１５０を出口接続管１３１を差し込む（図１１に示す）。図１１において、出口接続管１３１の端部で座金１５７をコイルばね１５９ばねの弾性力よりも強い力で押されることで、コイルばね１６１が縮み、バルブ１５６が開き、座金１５７に設けられた作動流体の貫通孔１５８と、開いたバルブ１５６とが連通され、流出路１２８はベローズ１５１の内部（部屋部）と接続される。
【０１３１】
このようにして、ポンプ室１２７の内部が加圧されると、ポンプ室１２７の内部に滞留していた気泡の体積が小さくなるため、実施例４及び実施例５において説明したことと同様に、滞留していた気泡を流出路１２８からベローズ１５１の内部へ排出できる。このとき、この流出路１２８とベローズ１５１との接続が外れ難いようにするロック機構を設けると良い。
【０１３２】
なお、本実施形態においても、ベローズ１５１にリリーフ弁を設けて、ベローズ内部の圧力上昇を抑えても良い。また、ベローズ１５１に気密性良く塞ぐことのできる穴を設け、ベローズ内に溜まった気泡を抜くように構成しても良い。
【０１３３】
従って、前述した実施例６によれば、加圧機構が着脱自在であり、出口流路に挿着したときには、出口流路と加圧機構とを連通して、容積変化可能な部屋の圧力を高めてポンプ室内の気泡を排出し、ポンプ室内に気泡が滞留していない場合には、加圧機構を取外した状態の小型軽量化されたポンプとすることができる。
【実施例７】
【０１３４】
次に、本発明に係るポンプの実施例７について図１２〜図１４に基づき説明する。実施例７は、ポンプの基本構造及び作動流体の吐出動作は、前述の実施例１〜実施例６と同じであるが、ポンプ室内の気泡排除手段として、発熱部を備えることに特徴を有している。従って、この発熱部と気泡排除の関係について詳しく説明する。
図１２は、本実施例７によるポンプ２００の縦断面を示している。図１２において、ポンプ２００は、基本構成として、積層形圧電素子７０が固着されたカップ状のケース５０と、作動流体を流入する流入路２２１と、作動流体を流出する流出路２２８と、ポンプ室２２７を備えるポンプ筐体２２０と、ポンプ室２２７内にリング状のヒーター２１２と、を備えている。
【０１３５】
ケース５０は、内側底部に積層形圧電素子７０の一方の端部が固着され、ケース５０の縁部及び積層形圧電素子７０の他方の端部の双方に、ダイアフラム６０が固着されている。ダイアフラム６０の上面側は、気密が保たれるようにポンプ筐体２２０が固着され、ダイアフラム６０とポンプ筐体２２０の下部との間の空間に、ポンプ室２２７が形成されている。
【０１３６】
このポンプ室２２７へ向けて、流入路２２１と流出路２２８とが形成されている。そして、流入路２２１には、ポンプ室１２７との接続部に流入路２２１を開閉する流体抵抗要素としての逆止弁２２２が設けられている。流入路２２１を構成する筒部の外周の一部は、図示していない外部配管と接続するための入口接続管２３０となっている。流出路２２８を構成する筒部の外周の一部は、図示していない外部配管と接続するための出口接続管２３１となっている。ここで、図示を省略した外部配管としては、例えば、シリコンゴム製のチューブが使用可能である。
【０１３７】
ここで、入口流路は流入路２２１そのものであり、出口流路は、流出路２２８そのものである。また、イナータンス値の関係は、前述したように入口流路側の合成イナータンス値は、出口側のイナータンス値よりも小さく設定されている。
【０１３８】
また、ポンプ室２２７の内部上面の壁の外周隅部には、リング状のヒーター２１２が固着されている。ヒーター２１２はポンプ室２２７の上面の壁の隅部に嵌め合わされて気密が保たれるように固定され、ポンプ室２２７の上面の壁の表面からポンプ室側へ突出しないように固定される。
【０１３９】
図１３は、図１２で示したポンプ筐体２２０をポンプ室側から視認した平面図である。図１３において、ヒーター２１２はポンプ室２２７の隅部の気泡が滞留しやすい位置に配置されている。このヒーター２１２はアルミナ等のセラミックス基板に抵抗体を固着して更に絶縁膜を被せたものである。抵抗体としては様々あるが、融点が高いものが好ましく、具体的には白金または白金系の合金が望ましい。また、図示を省略しているが、ヒーター２１２へ通電するためのリード線は、ポンプ筐体２２０を貫通してポンプ外部へ取り出されている。
なお、ポンプ室２２７内には、図示しない圧力センサ９０が備えられている（図１５、参照）。
【０１４０】
また、実施例７におけるヒーター２１２の変形例について、図１４を参照して説明する。
図１４において、ヒーター２１２は、円盤状の薄板で形成されており、ポンプ室２２７の上面壁のうち流入路２２１及び流出路２２８の周縁部を除く広い範囲に亘って固定されている。このヒーター２１２は、ポンプ室２２７の上面壁の表面から突出しないように嵌め込まれている。
【０１４１】
次に、本実施例７のポンプ２００を作動流体の吐出モードで運転する場合について説明する。
この吐出モードにおけるポンプの運転は、ヒーター２１２への通電はせずに圧電素子７０にのみ電圧を印加するモードである。この吐出モードは、前述した実施例１〜実施例６で説明しているため、ここでは説明を省略する。なお、この際、前述したように、ポンプ室２２７内に気泡が滞留した場合において、ポンプ室内の圧力が低下し、ポンプの性能が劣化するので、気泡排出モードに移行させる。
【０１４２】
次に、実施例７のポンプ２００を気泡排出モードで運転する場合について、図１５（図１２も参照）に基づき説明する。
図１５は、ポンプ２００の駆動回路系のブロック図である。図１５において、ポンプ２００の駆動回路系は、ポンプ室２２７内のポンプ室圧力検出手段としての圧力センサ９０と、ヒーター２１２と、ヒーター２１２を制御する通電回路２６５と、ポンプ２００を駆動制御するポンプ駆動制御回路２８０とから構成されている。
【０１４３】
ポンプ２００を吐出モードで運転している時に圧力センサ９０によって検出された最大ポンプ室内圧力が、その駆動条件におけるポンプ正常運転時の最大ポンプ室内圧力と比較して小さい場合、具体的には５０％以下である場合に、ポンプ駆動制御回路２８０はポンプ室２２７の内部に気泡が滞留していると判断し、吐出モードから気泡排出モードに運転モードを移行する。すると、ポンプ駆動制御回路２８０から通電回路２６５へ信号が送られ、その信号により、通電回路２６５はヒーター２１２へ通電を開始する。
【０１４４】
ヒーター２１２は前に説明したように流れが淀み、気泡が滞留しやすい隅部に配置されているので、ヒーター２１２の発熱によって、その近傍に存在している滞留気泡を加熱し、その体積を膨張させることができる。このようにして滞留気泡の大きさが淀み領域に収まりきらなくなると、ダイアフラム６０の駆動によるポンプ室２２７内の流れによって滞留気泡が動かされ、流出路１２８から排出することができる。そして、この気泡排出モードは予め適当に設定した時間が過ぎると終了するようになっている。
【０１４５】
このとき、ヒーター２１２を複数個で構成すると、各ヒーターへの通電を時間によって順次切り替えるよう通電回路２６５を構成することで、通電されているヒーターの発熱量は変えずに通電電流を減少でき、通電回路２６５を小型化できる点で好ましい。
一方ここで、ヒーター２１２の表面に存在する作動流体が相変化する熱量を発生させ、ヒーター２１２表面の各所から相変化による気泡を発生させても良い。この方法では、発生した気泡体積分の作動流体が流出路２２８へ流出するため、ヒーター２１２への通電を停止し相変化が終了すると、流出した作動流体の体積に相当する量の作動流体が流入路２２１から逆止弁２２２を通過してポンプ室２２７内へ流入する。このとき、ヒーター２１２の表面の各所から相変化による気泡が発生するため、ポンプ室２２７の内部で生じる流れは複雑で淀みがなく、吐出モードの流れで淀み領域となるポンプ室の隅部等に溜まった滞留気泡を排出することができる。
【０１４６】
さらに、通電回路２６５からの通電により、ヒーター２１２には表面に存在する作動流体が過熱状態に達する十分な熱量を発生させ、ヒーター２１２の表面全体に膜状の気泡が発生する膜沸騰を生じさせても良い。この方法は、相変化により発生する気泡の体積が大きくなり、一回の通電でポンプ室２２７から流出路２２８へ流出させる作動流体の体積が増加するため、滞留気泡を排出し易くなる点でより好ましい。
【０１４７】
図１６は、ヒーター２１２の変形例について示している。図１６において、ヒーター２１２は、流入路２２１側に配置されるヒーター２１３と流出路２２８側に配置されるヒーター２１４の二つのヒーターから構成されている。
この際、通電回路２６５（図１５、参照）によって、各ヒーターへの通電電流の位相をずらす。このことにより、一方のヒーター表面で膜沸騰により発生する気泡の内部圧力が最大値を過ぎてから、他方のヒーター表面で膜沸騰により発生する気泡の内部圧力が最大値を迎えることになる。
【０１４８】
さらに、流出路２２８のポンプ室２２７への開口部に近いヒーター２１３と遠いヒーター２１４とを設け、遠いヒーター２１４を先に通電し、位相を遅らせてヒーター２１３に通電を開始するようにすると、ポンプ室２２７の隅部から流出路２２８に向う流れを生み出しやすい点で好ましい。もちろんヒーター２１２の数は２以上であってもまったく構わない。
【０１４９】
なお、ヒーター２１２の表面の作動流体を相変化させる場合、ダイアフラム６０は停止状態、駆動状態のどちらでも構わないが、ダイアフラム６０を駆動しておいたほうが、ポンプ室内の流れがより複雑になり滞留気泡を排除しやすい点で好ましい。
【０１５０】
また、実施例７において、ヒーター２１２への通電をパルス電流で行い、ヒーター２１２をパルス状に発熱させ、その発熱に同期してダイアフラム６０をポンプ室２２７の容積減少方向に駆動するというように、ポンプ駆動制御回路２８０と通電回路２６５とを制御することもできる。発熱部で消費するエネルギーを削減しながら、効果的にポンプ室の内部に滞留した気泡を排出できる。
【０１５１】
また、１回の気泡排出モード中にヒーター２１２への通電開始と停止とを、複数回繰り返すようにすると、より複雑な流れがポンプ室内に生じ滞留気泡を排出しやすくなる点で好ましい。さらに、気泡排出モード終了後に吐出モードで運転し、圧力センサ９１の検出値をチェックするよう構成すると、滞留気泡が確実に排出されるまで気泡排出モードの運転を繰り返し行うことができ好ましい。
【０１５２】
従って、前述の実施例７によれば、ポンプ室２２７内にヒーター２１２を備え、加熱することによってポンプ室２２７内の圧力を高め、気泡体積を圧縮することで、ポンプ室２２７内の気泡を排出することができる。
【０１５３】
さらに、ヒーター２１２をポンプ室２２７の壁から突出することがないように嵌め込み、また、少なくともポンプ室２２７の隅部に配置しているため、気泡が滞留しやすい突出部における気泡の滞留を防止すると共に、ポンプ室２２７の隅部から滞留気泡を排出することができる。
【０１５４】
また、ヒーター２１２が複数配置された場合、ヒーター２１２に供給する単位時間当たりのエネルギー量を減らし、またポンプが破壊されるのを防ぎながら滞留していた気泡を速く排出したりできる。
また、ポンプ室２２７内に圧力センサ９０を備えているので、ポンプ室２２７に気泡が滞留しているかを確実に判断し、前述したようにポンプ室２２７内の気泡を排出することができる。
【０１５５】
また、ヒーター２１２の発熱をパルス状に行い、そのパルスと同期させてダイアフラム６０を動作させているので、ヒーター２１２で消費するエネルギーを削減しながら、効果的にポンプ室２２７の内部に滞留した気泡を排出できる。
【０１５６】
また、ヒーター２１２と接する作動流体が相変化する発熱量となるように加熱を行う駆動制御を行うことで、ポンプ室２２７内に相変化による気泡を生成でき、ポンプ室２２７内に流出路２２８へ流出する複雑で淀みのない流れを生み出せるので、ポンプ室２２７の内部に滞留した気泡を排出できるという効果がある。
【０１５７】
さらに、以上の説明においては、圧力センサ９１を用いて気泡が滞留したと判断した場合に気泡排出モードを行い、無駄に気泡排出モードを行わないが、この他に、適当な時間が経過する毎に気泡排出モードの動作を行うよう構成しても良い。この場合は、圧力センサ９１を省略でき簡便に実施できる。
【０１５８】
さらに、以上の説明において、ポンプ室圧力検出手段としては、ポンプ室２２７内に圧力センサを設ける構成を説明したが、他の方法を用いても構わない。他の方法としては、例えば、ダイアフラム６０の歪を歪ゲージや変位センサで測定し、ポンプ室２２７内部の圧力を算出する方法がある。また、逆止弁２２２が閉じている状態での弁板の変形を歪ゲージや変位センサで測定して、ポンプ室２２７の圧力を算出する方法もある。また、圧電素子７０を駆動する電流を電流センサで測定して、ポンプ室２２７の圧力を算出する方法もある。さらに、圧電素子７０に歪ゲージが取りつけられていて、圧電素子７０への印可電圧と歪ゲージの測定値からポンプ室２２７の圧力を算出する方法がある。このとき、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。
【０１５９】
また、ダイアフラム６０の形状は円形に限定するものではない。また、逆止弁２２２は、流体の圧力差によって開閉する受動弁だけではなく、それ以外の力で開閉を制御することができる能動弁タイプのものを使用しても構わない。
【０１６０】
なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述の実施例７では、入口流路側の合成イナータンス値が出口流路側の合成イナータンス値よりも小さく、このことによる作動流体の慣性効果による小型、高圧力ポンプに気泡排出手段としてヒーター２１２を採用していたが、このような気泡排出手段は、例えば、図１７に示すようなユニモルフ型ダイアフラムを用いるポンプにも採用することができる。
【０１６１】
図１７は、ユニモルフ型ダイアフラムを採用したポンプの縦断面図である。図１７において、実施例７と異なる個所について詳しく説明する。ポンプ２００は、ダイアフラムとしてユニモルフ型のダイアフラム２６０と、流入路２２１及び流出路２２８の両方に流体抵抗要素としての逆止弁２２２，２４２と、を備えている。図１７において、カップ形状のケース２５０の縁部にダイアフラム２６０が気密に固着され、ダイアフラム２６０のケース２５０側の面には板状圧電素子７１が固着されている。そして、ダイアフラム２６０の上部には、ポンプ筐体２２０が気密を保つようにして固定され、ダイアフラム２６０とポンプ筐体２２０下部との間には、ポンプ室２２７が形成されている。
【０１６２】
このポンプ室２２７へ向けて、流入路２２１と流出路２２８とが連通され、流入路２２１には流体抵抗要素である逆止弁２２２が配置され、流出路２２８には流体抵抗要素である逆止弁２４２が配置されている。また、ポンプ筐体２２０のポンプ室２２７を構成する上部壁面には発熱部である面状のヒーター２１２が配置されている。そして、ヒーター２１２はポンプ筐体２２０に嵌め合わされて気密が保たれるように固定され、ポンプ筐体２２０からポンプ室側へ突出しないようになっている。
【０１６３】
ヒーター２１２の形状、材質、ポンプ筐体２２０への装着位置等は、実施例７及び実施例７の変形例と同じに構成することができるため、説明は省略する。
このポンプの吐出モードを説明する。
板状圧電素子７１に電圧を印加すると、板状圧電素子７１の径方向への変形によりダイアフラム２６０はポンプ室２２７側に凸となる形状に変形し、電圧の印加を停止すると弾性によりもとの形状に戻る。本ポンプはこのダイアフラム２２６の変形を利用し、逆止弁２２２及び２４２が流路を閉鎖している時に、ポンプ室２２７の体積が減少する方向にダイアフラム２６０を変形させることで、ポンプ室２２７内部の液体を加圧する。ポンプ室２２７内部の圧力が逆止弁２４２より下流側の圧力よりも上昇すると、逆止弁２２２が開き、液体が流出路２２８へ流出する。
【０１６４】
次に、ポンプ室２２７の体積が増加する方向にダイアフラム２６０を変形させることで、ポンプ室２２７内部の圧力を減少させる。すると、まず逆止弁２４２が閉じ、ポンプ室２２７内部の圧力が逆止弁２２２より上流側の圧力よりも減少すると、逆止弁２２２が開き、流入路２２１からポンプ室２２７内へ液体が流入する。以上の動作を繰り返して作動流体を移送する。
【０１６５】
上述したような構造のポンプであっても、気泡排出手段としてヒーター２１２を備えることで、ポンプ室内の気泡をポンプ室外に排出することができ、ポンプ室内の圧力を好適に維持することができ、作動流体の吐出量を確保することができる。
【０１６６】
また、前述の実施例では、ダイアフラム６０，４５の形状は円形で図示したが、円形に限定されるものではない。また、逆止弁４１，４２は、流体の圧力差によって開閉する受動弁だけではなく、それ以外の力で開閉を制御することができる能動弁タイプのものを使用しても構わない。さらに、ダイアフラム６０を動かす圧電素子には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本ポンプ構造は、圧電素子とダイアフラムとが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイア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を使用することで、高周波駆動による流量増加が実現でき、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。また、作動流体としては水の他、油等、他の液体を用いても構わない。
【０１６７】
従って、前述の実施例１〜実施例７によれば、気泡排出手段を備えることにより、ポンプ室内部に気泡が滞留しても、その気泡を排出し、吐出性能を維持することができるポンプを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明のポンプは、小型の液体移送用ポンプを使用する各種産業で利用できる。
【符号の説明】
【０１６９】
１０，１００，２００…ポンプ、２０…ポンプ筐体、２１…流入路、２４…副ポンプ室、２７…主ポンプ室、２８…流出路、３０…入口側接続管、３１…出口側接続管、４１，４２…逆止弁、５０…ケース、４５,６０…ダイアフラム、７０…圧電素子、７１…板状圧電素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年7月7日(2010.7.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンまたは可動壁を駆動することによって容積が変更可能なポンプ室と、
該ポンプ室に液体を流入する入口流路と、
前記ポンプ室から液体を流出する出口流路と、
前記ポンプ室の内部に存在する液体の圧力を上昇させ維持する加圧機構と、
前記ポンプ室から流出した液体を前記加圧機構に導く第一の状態と、前記ポンプ室から流出した液体を前記加圧機構と遮断する第二の状態と、を切り換える流路切り換え部と、が備えられ、
前記ポンプ室の内部に気泡が滞留したとき、前記流路切り換え部が前記第一の状態から前記第二の状態に切り換えることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプにおいて、
ピストンまたは可動壁を駆動した時間をカウントするタイマーを更に備え、
前記流路切り換え部が前記第一の状態から前記第二の状態に切り換えたとき、前記タイマーが時間をカウントし、前記ピストンまたは前記可動壁が駆動した所定のカウントで前記第二の状態から前記第一の状態に切り換えることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載のポンプにおいて、
前記流路切り換え部は、２つの弁あるいは一体化された３方弁であることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１または３のいずれか１項に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構は、弾性体により形成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項１または４のいずれか１項に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構の内部圧力が所定の圧力に達したとき、内部圧力の上昇を抑制する手段を更に備えていることを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構の内部圧力を検出する圧力検出部が更に備えられていることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のポンプにおいて、
前記加圧機構の内部圧力は、ゲージ圧で約１気圧から５気圧の範囲であることを特徴とするポンプ。