(57)【要約】  ２キャビティポンプ（１０）は、流体を収容するために２つの端壁（１２、１９）によって閉じられた側壁（２２）を有する。アクチュエータ（４０）は、２つの端壁（１２、１９）間に配設され、２つのキャビティ（１６、２３）の共通端壁（２１）の一部として機能する。アクチュエータ（４０）は、共通端壁（２１）の振動運動を引き起こして、両方のキャビティ（１６、２３）内の流体の径方向圧力振動を発生させる。アイソレータ（３０）は、アクチュエータ（４０）を柔軟に支持する。第１のキャビティ（１６）は、端壁（１２）の第１の開口（２５）および第２の開口（２７）の一方に配設されて、流体を一方向に流すことができる単一弁（３５）を備えている。第２のキャビティ（２３）は、端壁（１９）の第３の開口（２６）および第４の開口（２８）の一方に配設されて、流体を両方向に流すことができる二方向弁（３６）を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプにおいて、
実質的に円筒形のポンプ壁、および流体を収容するために２つの端壁によって閉じられた側壁を有するポンプ本体と、
前記２つの端壁間に配設されたアクチュエータであって、第１のキャビティおよび第２のキャビティを形成する共通端壁の第１の部分であり、前記各キャビティが、高さ（ｈ）および半径（ｒ）を有し、前記半径（ｒ）の前記高さ（ｈ）に対する比が約１．２よりも大きく、前記アクチュエータが、前記共通端壁の中心部分に機能的に結合し、周波数（ｆ）で前記共通端壁を共振運動させ、これにより、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティの両方の中で前記流体の径方向圧力振動を生じさせるように構成されている、アクチュエータと、
前記共通端壁の第２の部分として前記アクチュエータの外周部から前記側壁まで延びた、前記アクチュエータを柔軟に支持するアイソレータと、
前記第１のキャビティに関連した前記端壁内の所定の位置に配設された、前記ポンプ壁を貫通している第１の開口と、
前記第１のキャビティに関連した前記端壁内の別の位置に配設された、前記ポンプ壁を貫通している第２の開口と、
使用中に前記流体を、前記第１のキャビティを介して一方向に流すことができる、前記第１の開口および前記第２の開口の一方に配設された第１の弁と、
前記第２のキャビティに関連した前記端壁内の所定の位置に配設された、前記ポンプ壁を貫通している第３の開口と、
使用中に前記流体を前記第２のキャビティを介して両方向に流すことができる、前記第３の開口に配設された第２の弁と、を備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、前記径方向圧力振動が、前記アクチュエータに送られる駆動信号に応答して少なくとも１つの環状波節を有することを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第１の弁がフラップ弁であることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第２の弁が２つのフラップ弁を含むことを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第１の弁および前記第２の弁の少なくとも一方がフラップ弁であり、前記フラップ弁が、
第１の開口が概ね垂直に貫通している第１のプレートと、
第１の開口が概ね垂直に貫通している第２のプレートであって、前記第１の開口が、前記第１のプレートの前記第１の開口から実質的にずれている、第２のプレートと、
前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配設された側壁であって、前記第１のプレートおよび前記第２のプレートの外周部で閉じられて、前記第１のプレートおよび前記第２のプレートの前記第１の開口に流体連通したキャビティを前記第１のプレートと前記第２のプレートどの間に形成している、側壁と、
前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に移動可能に配設されたフラップであって、前記第１のプレートの前記第１の開口から実質的にずれ、かつ前記第２のプレートの前記第１の開口に実質的に整合している開口を有する、フラップとを備え、
前記フラップが、前記フラップ弁の外部の流体の差圧の方向の変化に応答して前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間で移動することを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティが、並列のポンピング動作用に構成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティが、直列のポンピング動作用に構成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項８】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータが、第１の圧電ディスクおよび鋼製ディスクまたは第２の圧電ディスクを備えることを特徴とするポンプ。
【請求項９】
請求項８に記載のポンプにおいて、前記アイソレータが、前記第１の圧電ディスクと前記鋼製ディスクまたは前記第２の圧電ディスクとの間に結合されていることを特徴とするポンプ。
【請求項１０】
請求項１に記載のポンプにおいて、アイソレータが環状形であることを特徴とするポンプ。
【請求項１１】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータがディスク形であることを特徴とするポンプ。
【請求項１２】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アクチュエータが、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティの直径よりも小さい直径を有することを特徴とするポンプ。
【請求項１３】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記側壁が、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティを形成する端壁間に連続して延在することを特徴とするポンプ。
【請求項１４】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アイソレータをスライド可能に受容する前記側壁の凹部をさらに備え、これにより、前記アクチュエータが振動するときに前記アイソレータが前記凹部内で自由に運動することを特徴とするポンプ。
【請求項１５】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アイソレータが、プラスチック層および１つ以上の金属層を備えることを特徴とするポンプ。
【請求項１６】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記アイソレータが、約１０ミクロン〜約２００ミクロンの厚さを有することを特徴とするポンプ。
【請求項１７】
請求項１に記載のポンプにおいて、比ｒ／ｈが約２０よりも大きい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、主キャビティの容積が約１０ｍｌ未満であることを特徴とするポンプ。
【請求項１９】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記振動運動の前記周波数が、使用中の前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティ内の径方向圧力振動の最低共振周波数に等しいことを特徴とするポンプ。
【請求項２０】
請求項１に記載のポンプにおいて、使用中の前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティ内の径方向流体圧力振動の最低共振周波数が、約５００Ｈｚよりも高いことを特徴とするポンプ。
【請求項２１】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記端壁の運動が、前記第１のキャビティおよび前記第２のキャビティ内の圧力振動に一致したモード形であることを特徴とするポンプ。
【請求項２２】
請求項１に記載のポンプにおいて、前記第１の弁を備えていない前記第１の開口および前記第２の開口の一方が、前記第１のキャビティに関連した前記端壁の中心に０．６３ｒ加えた距離または前記中心から０．２ｒ減じた距離に位置することを特徴とするポンプ。
【請求項２３】
請求項１に記載のポンプにおいて、比
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が、１０−７メートルよりも大きいことを特徴とするポンプ。
【請求項２４】
本明細書に実質的に示され、記載されたポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、参照により本明細書に組み入れられる、Ｌｏｃｋｅらによって２０１２年３月７日に出願された米国仮特許出願第６１／６０７，９０４号明細書（名称：Ｄｉｓｃ  Ｐｕｍｐ  ｗｉｔｈ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）の利益を請求するものである。
【０００２】
１．発明の分野
本発明の例示的な実施形態は、全体として、流体用ポンプに関し、より詳細には、２つのキャビティを有するポンプに関し、これらの各ポンピングキャビティは、実質的に円形の端壁および側壁を有し、かつキャビティ内の流体の音響共振によって動作する、実質的にディスク形の円柱キャビティである。より詳細には、本発明の例示的な実施形態は、２つのポンプキャビティがそれぞれ、異なる流体動的性能を得るために異なる弁構造を有するポンプに関連する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
画定された入口および出口から流体をポンピングするために音響共振が使用されていることが知られている。これは、長手方向の音響定常波を発生させる音響ドライバを一端に備えた長い円柱キャビティを用いて達成することができる。このような円柱キャビティでは、音響圧力波は、振幅が制限される。断面が変化しているキャビティ、例えば、円錐型、角状円錐型、およびバルブ型のキャビティを使用してより高い振幅の圧力振動が達成され、これにより、ポンピング効果が著しく高められる。このような高振幅波では、エネルギーが散逸する非線形機構が、慎重なキャビティの設計によって抑制される。しかしながら、高振幅音響共振は、近年まで、径方向圧力振動が励振されるディスク形キャビティでは利用されていなかった。国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレット（‘４８７出願）として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書に、アスペクト比、即ち、キャビティの半径と高さの比が高い実質的にディスク形のキャビティを備えたポンプが開示されている。
【０００４】
‘４８７出願に記載されているポンプは、関連する国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０２４５号明細書、同ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１３号明細書、同ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書、同ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１５号明細書、および同ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／０５０１４１号明細書でさらに発展している。これらの出願および‘４８７出願は、参照により本明細書に組み入れられるものとする。
【０００５】
'４８７出願および上記の関連出願に記載されているポンプは、従来技術で説明される大多数のポンプとは異なる物理的原理に基づいて動作することに留意することが重要である。特に、当分野で公知の多くのポンプは、容量型ポンプ、即ち、ポンピングチャンバの容積が、流体を圧縮して出口弁から排出するために小さくされ、かつ入口弁を介して流体を吸入するために大きくされるポンプである。このようなポンプの例は、ドイツ特許第４４２２７４３号（「Ｇｅｒｌａｃｈ」）に記載され、容量型ポンプのさらなる例は、米国特許出願公開第２００４０００８４３号号明細書、国際公開第２００５００１２８７号パンフレット、ドイツ特許第１９５３９０２０号明細書、および米国特許第６２０３２９１号明細書で確認することができる。
【０００６】
対照的に、‘４８７出願は、音響共振の原理を利用して、ポンプのキャビティを介して流体を移動させるポンプについて記載している。このようなポンプの動作では、ポンプキャビティ内の圧力振動が、キャビティの一部分の中の流体を圧縮する一方、キャビティの別の部分の中の流体を膨張させる。より従来型の容量型ポンプとは対照的に、音響共振ポンプは、ポンピング動作を達成するためにポンプキャビティの容積を変化させない。代わりに、音響共振ポンプの設計は、キャビティ内の音響圧力振動を効率的に発生させ、維持し、調整するように構成されている。
【０００７】
ここで、音響共振ポンプの詳細な設計および動作について考えると、‘４８７出願は、実質的に円柱状のキャビティを有するポンプについて記載している。この円柱キャビティは、端壁によって各端部で閉じられた側壁を備え、これらの側壁の１つ以上が被駆動端壁である。このポンプは、端壁に対して実質的に垂直な方向または円柱キャビティの長手方向軸に対して実質的に平行な方向に被駆動端壁を共振運動（即ち、変位振動）させるアクチュエータも備えている。これらの変位振動は、本明細書では以降、被駆動端壁の軸方向振動と呼ばれることもある。被駆動端壁の軸方向振動は、キャビティ内の流体の実質的に比例する圧力振動を発生させる。この圧力振動は、‘４８７出願に記載されている第１種ベッセル関数の径方向圧力分布に近い径方向圧力分布をもたらす。このような振動は、本明細書では以降、キャビティ内の流体圧力の「径方向振動」と呼ばれる。
【０００８】
‘４８７出願のポンプは、このポンプを通る流体の流れを制御するための１つ以上の弁を有する。このような弁は、人間の可聴周波数を超えた周波数でポンプを動作させるのが好ましいため、高周波数で動作することができる。このような弁は、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号明細書に記載されている。
【０００９】
被駆動端壁は、接触面でポンプの側壁に取り付けられており、ポンプの効率は、一般にこの接触面に依存する。接触面が被駆動端壁の運動を減少または減衰させないように接触面を構築し、これにより、キャビティ内の流体の圧力振動の振幅の低下を軽減することによって、このようなポンプの効率を維持することが望ましい。特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１３号明細書（参照により本明細書に組み入れられる‘６１３出願）は、アクチュエータが被駆動端壁の一部を形成し、アイソレータがアクチュエータと側壁との間の接触面として機能するポンプを開示している。このアイソレータは、被駆動端壁の運動の減衰を軽減する接触面となる。アイソレータの例示的な実施形態は、‘６１３出願の図面に示されている。
【００１０】
‘６１３出願のポンプは、実質的に環状の端壁によって両端部で閉じられた側壁によって形成されたキャビティを画定する実質的に円柱状のポンプ本体を備えている。端壁の少なくとも１つは、中心部分および側壁に隣接した周辺部分を有する被駆動端壁である。キャビティは、使用中に流体を収容する。このポンプは、アクチュエータに対して実質的に垂直な方向に被駆動端壁を振動運動させるために被駆動端壁の中心部分に機能的に結合されたアクチュエータをさらに備えている。このポンプは、端壁のキャビティの側壁との連結によって引き起こされる変位振動の減衰を軽減するために、被駆動端壁の周辺部分に機能的に結合されたアイソレータをさらに備えている。このポンプは、１つの端壁の中心付近に配設された第１の開口、およびポンプ本体の別の位置に配設された第２の開口をさらに備え、変位振動が、ポンプ本体のキャビティ内で流体圧力の径方向振動を発生させ、これにより、流体が開口を通って流れる。
【発明の概要】
【００１１】
各キャビティが異なる流体動的性能を提供する異なる弁構造を有し得るように各キャビティが互いに空気遮断されている２キャビティポンプが開示される。より詳細には、高圧および高流量の両方を実現することができる、一方のキャビティの単一弁および他方のキャビティの二方向弁を有する２キャビティディスクポンプが開示される。
【００１２】
このようなポンプの一実施形態は、実質的に円筒形のポンプ壁、および流体を収容するために２つの端壁によって閉じられた側壁を有するポンプ本体を備えている。このポンプは、第１のキャビティおよび第２のキャビティを形成する共通端壁の第１の部分として機能する、２つの端壁間に配設されたアクチュエータをさらに備えている。アクチュエータは、共通端壁の中心部分に機能的に結合し、共通端壁を共振運動させ、これにより、第１のキャビティおよび第２のキャビティの両方の中で流体の径方向圧力振動を生じさせるように構成されている。
【００１３】
このポンプは、第１のキャビティと第２のキャビティを分離するアクチュエータを柔軟に支持する共通端壁の第２の部分としてアクチュエータの外周部から側壁まで延びたアイソレータをさらに備えている。第１の開口が、第１のキャビティに関連した端壁内の所定の位置に配設され、第２の開口が、第１のキャビティに関連した端壁内の別の位置に配設されている。第１の弁が、第１の開口および第２の開口の何れか一方に配設されて、流体を、第１のキャビティを介して一方向に流すことができる。第３の開口が、第２のキャビティに関連した端壁内の所定の位置に配設され、流体を、第２のキャビティを介して両方向に流すことができる二方向弁がこの第３の開口内に配設されていている。
【００１４】
例示的な実施形態の他の目的、特徴、および利点は、本明細書に開示され、添付の図面および以下の詳細な説明を参照すれば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１の実施形態による組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリを備える２キャビティポンプの断面図を示している。
【図２】図２は、図１のポンプの上面図を示している。
【図３】図３は、図１のポンプと共に使用される弁の断面図を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、動作中の図３の弁の断面図を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、動作中の図３の弁の断面図を示している。
【図４】図４は、図３の弁の部分上面図を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、図１のポンプと共に使用される、組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリの断面図を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリの平面図を示している。
【図６】図６は、図５の組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリの詳細な組立分解断面図を示している。
【図７】図７は、図６の組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリの詳細な平面図を示している。
【図７Ａ】図７Ａは、図７の線７Ａ−７Ａに沿った断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７の線７Ｂ−７Ｂに沿った断面図である。
【図８】図８は、図８Ａおよび図８Ｂの動作のグラフに関連した図１の２キャビティポンプを示している。
【図８Ａ】図８Ａは、図１のポンプの被駆動端壁の変位振動のグラフを示している。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図１のポンプのキャビティ内の圧力振動のグラフを示している。
【図９Ａ】図９Ａは、例示的な一実施形態による図１のポンプの弁の前後にかかる振動差圧のグラフを示している。
【図９Ｂ】図９Ｂは、開位置と閉位置との間で運動する図１のポンプに使用される一方向弁の動作周期のグラフを示している。
【図９Ｃ】図９Ｃは、開位置と閉位置との間で運動する図１１のポンプに使用される二方向弁の動作周期のグラフを示している。
【図１０Ａ】図１０Ａは、入口と出口の構成を示す２キャビティポンプの実施形態の模式的な断面図を示している。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、入口と出口の別の構成を示す２キャビティポンプの実施形態の模式的な断面図を示している。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、入口と出口のさらに別の構成を示す２キャビティポンプの実施形態の模式的な断面図を示している。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、入口と出口のさらに別の構成を示す２キャビティポンプの実施形態の模式的な断面図を示している。
【図１１】図１１は、図１のポンプと同様の組み合わせられたアクチュエータとアイソレータのアセンブリを備えた、図１０Ｄのポンプの弁構造の配置を有する２キャビティポンプの断面図を示している。
【図１２】図１２は、流体を反対方向に流すことができる２つの弁部分を有する、図１１のポンプに使用される二方向弁の断面図を示している。
【図１３】図１３は、キャビティの端壁が切頭円錐形である図１１のポンプと同様の２キャビティの模式的な断面図を示している。
【図１４】図１４は、図１０Ａ〜図１０Ｄのポンプの相対的な圧力と流量の特性のグラフを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（例示的な実施形態の詳細な説明）
いくつかの例示的な実施形態の以下の詳細な説明では、この詳細な説明の一部を構成する添付の図面を参照し、この添付の図面には、本発明を実施することができる特定の実施形態が例示として示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明されており、他の実施形態を利用できること、ならびに本発明の概念または範囲から逸脱することなく論理構造の変更、機械的な変更、電気的な変更、および化学的な変更を行うことができることを理解されたい。当業者が本明細書に記載される実施形態を実施する上で必要ではない詳述を回避するために、本説明は、当業者に公知の特定の情報を除外することがある。従って、以下の詳細な説明は、限定の意味に解釈されるべきではなく、例示的な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００１７】
本開示は、音響共振ポンプの機能を改善するいくつかの可能性について説明する。動作中、‘６１３出願の図１Ａに示されている単一キャビティポンプの例示的な実施形態は、アクチュエータの前後に正味の圧力差を生じさせることができる。正味の圧力差は、アイソレータとポンプ本体との間の結合部に対して、およびアイソレータとアクチュエータの構成要素との間の結合部に対して応力を加える。このような応力が、１つ以上のこれらの結合部の損傷をもたらす可能性があり、ポンプの稼働寿命を延ばすためには結合部を強力にすることが望ましい。
【００１８】
さらに、動作するために、‘６１３出願の図１Ａに示されている単一キャビティポンプは、ポンプのアクチュエータとの強固な電気接続部を備える。この強固な電気接続部は、例えば、ポンプキャビティの反対方向を向いたアクチュエータの側面に容易に取り付けることができるはんだ付け電線またはばね接点を備えることによって達成することができる。しかしながら、‘４１７出願に開示されているように、この種の共振音響ポンプは、２つのポンプキャビティが共通の被駆動端壁によって駆動されるように設計することもできる。２キャビティポンプは、単一キャビティ設計と比較すると高い流量および／または高い圧力を供給することができ、かつスペース、出力、またはコスト効率を向上させることができる。しかしながら、２キャビティポンプでは、２つのポンプキャビティの少なくとも１つにおける音響共振を妨げずに、かつ／またはアクチュエータの運動を機械的に減衰させずに、従来の手段を用いてアクチュエータに電気接点を形成するのは困難である。例えば、はんだ付け電線またはばね接点は、これらが存在するキャビティの音響共振を妨げることがある。
【００１９】
従って、ポンプの寿命および性能のために、アクチュエータとアイソレータとの間の強い結合部を達成すると共に、２キャビティポンプのキャビティの何れかの共振に悪影響を与えずにアクチュエータとの強固な電気接続を容易にするポンプの構造が望ましい。
【００２０】
図１および図２を参照すると、例示的な一実施形態による２キャビティポンプ１０が示されている。ポンプ１０は、一端がベース１２によって閉じられ他端が端部プレート４１によって閉じられた円筒壁１１を有する、実質的に円柱状の第１のポンプ本体を備えている。アイソレータ３０は、環状アイソレータとすることができ、端部プレート４１と反対側の第１のポンプ本体の円筒壁１１との間に配設されている。円筒壁１１およびベース１２は、第１のポンプ本体を構成する単一部品としても良い。ポンプ１０は、一端がベース１９によって閉じられ他端が圧電ディスク４２によって閉じられた円筒壁１８を有する、実質的に円柱状の第２のポンプ本体も備えている。アイソレータ３０は、端部プレート４２と反対側の第２のポンプ本体の円筒壁１８との間に配設されている。円筒壁１８およびベース１９は、第２のポンプ本体を構成する単一部品としても良い。第１のポンプ本体および第２のポンプ本体は、他の構成要素またはシステムに取り付けても良い。
【００２１】
円筒壁１１、ベース１２、端部プレート４１、およびアイソレータ３０の内面が、ポンプ１０内に第１のキャビティ１６を形成し、この第１のキャビティ１６は、端壁１３および１４によって両端部で閉じられた側壁１５を備えている。端壁１３は、ベース１２の内面であり、側壁１５は、円筒壁１１の内面である。端壁１４は、端部プレート４１の表面に相当する中心部分、およびアイソレータ３０の第１の表面に相当する周辺部分を有する。第１のキャビティ１６は、実質的に円形の形状であるが、楕円形または他の形状であっても良い。円筒壁１８、ベース１９、圧電ディスク４２、およびアイソレータ３０の内面が、ポンプ１０内に第２のキャビティ２３を形成し、この第２のキャビティ２３は、端壁２０および２１によって両端部で閉じられた側壁２２を備えている。端壁２０は、ベース１９の内面であり、側壁２２は、円筒壁１８の内面である。端壁２１は、圧電ディスク４２の内面に相当する中心部分、およびアイソレータ３０の第２の表面に相当する周辺部分を有する。第２のキャビティ２３は、実質的に円形の形状であるが、楕円形または他の形状であっても良い。第１および第２のポンプ本体の円筒壁１１、１８およびベース１２、１９は、限定されるものではないが、金属、セラミック、ガラス、またはプラスチックを含む適切な硬質材料から形成することができる。
【００２２】
圧電ディスク４２は、端部プレート４１に機能的に結合されてアクチュエータ４０を形成している。アクチュエータ４０は、端壁１４および２１の中心部分に機能的に結合されている。圧電ディスク４２は、圧電材料または別の電気的に活性な材料、例えば、電歪材料または磁歪材料などから形成することができる。端部プレート４１は、好ましくは、圧電ディスク４２と同様の曲げ剛性を有し、電気的に不活性な材料、例えば、金属またはセラミックから形成することができる。圧電ディスク４２は、振動電流によって励起されると、キャビティ１６、２３の長手方向軸に対して径方向に膨張および収縮して、アクチュエータ４０を曲げようとする。アクチュエータ４０が曲がると、端壁１４、２１は、この端壁１４、２１に対して実質的に垂直な方向に軸変形する。端部プレート４１は、電気的に活性な材料、例えば、圧電材料、磁歪材料または電歪材料などから形成することもできる。
【００２３】
ポンプ１０は、第１のキャビティ１６からポンプ１０の外部まで延びた少なくとも２つの開口をさらに備え、これらの開口の少なくとも一方の開口が、開口を通る流体を制御する弁を備えている。弁を備える開口は、キャビティ１６内の所定の位置に配設することができ、アクチュエータ４０が、以下に詳細に説明されるように差圧を生じさせる。ポンプ１０の一実施形態は、端壁１３のほぼ中心に位置する弁を有する開口を備えている。ポンプ１０は、端壁１３のほぼ中心でキャビティ１６からポンプ本体のベース１２を貫通した、弁３５を有する一次開口２５を備えている。弁３５は、一次開口２５内に取り付けられ、矢印によって示されているように一方向の流体の流れを可能にし、ポンプ１０の流体の入口として機能する。流体の入口という語は、減圧の出口と呼ばれることもある。二次開口２７を、弁３５を有する開口２５の位置以外のキャビティ１１内の所定の位置に配設することができる。ポンプ１０の一実施形態では、二次開口２７は、端壁１３の中心と側壁１５との間に配設されている。ポンプ１０の実施形態は、端壁１３の中心と側壁１５との間に配設された、キャビティ１１からベース１２を貫通した２つの二次開口２７を備えている。
【００２４】
ポンプ１０は、キャビティ２３からポンプ１０の外部まで延びた少なくとも２つの開口をさらに備え、これらの開口の少なくとも第１の開口が、この開口を通る流体の流れを制御する弁を備え得る。弁を備える開口は、アクチュエータ４０が、以下により詳細に説明されるように差圧を生じさせるキャビティ２３の所定の位置に配設することができる。ポンプ１０の一実施形態は、端壁２０のほぼ中心に位置する弁を有する開口を備えている。ポンプ１０は、端壁２０のほぼ中心でキャビティ２３からポンプ本体のベース１９を貫通した、弁を有する一次開口２６を備えている。弁３６は、一次開口２６内に取り付けられ、矢印によって示されているように一方向の流体の流れを可能にし、ポンプ１０の流体の入口として機能する。流体の入口という語は、減圧の出口と呼ばれることもある。二次開口２８を、弁３６を有する開口２６の位置以外のキャビティ２３内の所定の位置に配設することができる。ポンプ１０の一実施形態では、二次開口２８は、端壁２０の中心と側壁２２との間に配設されている。ポンプ１０の実施形態は、端壁２０の中心と側壁２２との間に配設された、キャビティ２３からベース１９を貫通した２つの二次開口２８を備えている。
【００２５】
弁は、図１に示されているポンプ１０の実施形態の二次開口２７、２８内には示されていないが、二次開口２７、２８は、必要に応じて、性能を改善するために弁を備えることができる。図１のポンプ１０の一実施形態では、一次開口２５、２６は、矢印によって示されているように、これらの一次開口２５、２６を介してポンプ１０のキャビティ１６、２３内に流体を吸入し、二次開口２７、２８を介して流体をキャビティ１６、２３から排出するように弁を備えている。結果として生じる流れは、一次開口２５、２６に負圧を生じさせる。本明細書で使用される減圧という語は、一般に、ポンプ１０が配置されている周囲の圧力よりも低い圧力を指す。真空および負圧という語は、減圧を表すために使用しても良いが、実際の減圧は、完全な真空に通常関連する減圧よりも大幅に弱くても良い。圧力は、ゲージ圧という意味では負である、即ち、圧力は、周囲の大気圧よりも低く減圧される。特段の記載がない限り、本明細書で述べられる圧力の値はゲージ圧である。減圧の増大とは、典型的には絶対圧の低下を指し、一方、減圧の低下は、典型的には絶対圧の上昇を指す。
【００２６】
弁３５および３６は、上記のように実質的に一方向に流体を流すことができる。弁３５および３６は、ボール弁、ダイヤフラム弁、スイング弁、ダックビル弁、クラッパー弁、持ち上げ弁、別のタイプの逆止め弁、または実質的に一方向のみに流体を流すことができる弁とすることができる。一部の弁のタイプは、開位置と閉位置との間で切り替えることによって流体の流れを制御することができる。このような弁が、アクチュエータ４０によって生じる高周波数で動作するために、弁３５および３６は、圧力変動の時間スケールよりも大幅に短い時間スケールで開閉することができるように、極端に速い応答時間を有する必要がある。弁３５および３６の一実施形態は、例示的な軽量フラップ弁を利用することによってこれを達成し、このような計量フラップ弁は、慣性が小さく、結果として、弁の構造の前後の相対圧力の変動に応答して迅速に移動することができる。
【００２７】
図３および図４をより詳細に参照すると、フラップ弁５０の一実施形態は、開口２５内に取り付けられて示されている。フラップ弁５０は、保持プレート５２と密封プレート５３との間に配設されたフラップ５１を備えている。フラップ５１は、使用されていないとき、即ち、フラップ弁５０が通常に閉じているときは、密封プレート５３に対して付勢されて、フラップ弁５０を密封する閉位置にある。弁５０は、保持プレート５２の上面が、好ましくは、端壁１３と同一平面であってキャビティ１６の共振の質が維持されるように、開口２５内に取り付けられる。保持プレート５２および密封プレート５３はそれぞれ、図４にそれぞれ破線および実線の円で示されているように、プレートの一側から他側まで延びた通気孔５４および５５を備えている。フラップ５１も、通気孔５６を備え、この通気孔は、一般的には保持プレート５２の通気孔５４に整合して、図３Ａおよび図３Ｂの破線の矢印によって示されているように流体が通過できる通路を画定している。しかしながら、図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、保持プレート５２の通気孔５４およびフラップ５１の通気孔５６は、密封プレート５３の通気孔５５に整合していない。フラップ５１が図３に示されている閉位置にあるときには、密封プレート５３の通気孔５５がフラップ５１によって塞がれるため、流体は、フラップ弁５０を通過することができない。
【００２８】
フラップ弁５０の動作は、このフラップ弁５０の前後の流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に依存する。図３では、差圧は、下向きの矢印によって示されている負の値（−ΔＰ）となっている。この負の差圧（−ΔＰ）により、弁フラップ５１が上記のように完全に閉じた位置に移動し、フラップ５１が密封プレート５３に密封されて通気孔５５が塞がれ、これにより弁５０を通る流体の流れが防止される。フラップ弁５０の前後の差圧が、図３Ａの上向きの矢印によって示されているように正の差圧（＋ΔＰ）に逆転すると、付勢されたフラップ５１が、密封プレート５３から保持プレート５２に向かって開位置に移動する。開位置では、フラップ５１の移動により、密封プレート５３の通気孔５５が塞がれていないため、破線の矢印によって示されているように、流体が通気孔５５を通ることができ、フラップ５１の通気孔５６と保持プレート５２の通気孔５４とが整合している。差圧が、図３Ｂの下向きの矢印によって示されているように負の差圧（−ΔＰ）に戻ると、流体は、破線の矢印によって示されているようにフラップ弁５０を通って反対方向に流れ始め、これにより、フラップ５１が、図３に示されている閉位置に向かって戻される。従って、差圧の変化により、フラップ弁５０が、閉位置と開位置との間で循環し、差圧が正の値から負の値に変化するときにフラップ５１が閉じることによって流体の流れが遮断される。フラップ弁５０の適用例によっては、フラップ弁５０が使用されていないときにフラップ５１を保持プレート５２に対して付勢して開位置にすることができる、即ち、フラップ弁５０が通常は開いていることを理解されたい。
【００２９】
ここで、組み合わせられたアクチュエータとアイソレータの詳細な構造に目を向けると、図５Ａおよび図５Ｂは、本発明による組み合わせられたアクチュエータ４０とアイソレータ３０の断面図を示している。アイソレータ３０が圧電ディスク４２と端部プレート４１との間に挟まれてサブアセンブリが形成されている。アイソレータ３０と端部プレート４１と圧電ディスク４２との間の結合は、限定されるものではないが、接着を含む適切な方法によって形成することができる。アイソレータ３０が圧電ディスク４２と端部プレート４１との間に保持されていることから、アイソレータとこれらの２つの部品との間の連結が非常に強力となり、これは、本明細書で既に記載されたようにアセンブリの前後に圧力差が存在し得る場合に必要なことである。
【００３０】
図６は、アイソレータ３０およびアクチュエータ４０の中に電極を組み入れることによってアクチュエータ４０に対する電気接続が確立されるポンプ１０の組み合わせられたアクチュエータ４０とアイソレータ３０の縁部の拡大図を示している。例示されている実施形態では、アイソレータ３０は、アイソレータ３００を含み得る。アクチュエータ４０は、上面の第１のアクチュエータ電極４２１および下面のアクチュエータ電極４２２を有する圧電ディスク４２を備えている。第１のアクチュエータ電極４２１および第２のアクチュエータ電極４２２は共に金属である。第１のアクチュエータ電極４２１は、アクチュエータ４０の周囲の少なくとも１つの位置でアクチュエータ４０の縁部の周りに巻き付けられて、第１のアクチュエータ電極４２１の一部が圧電ディスク４２の下面まで延びている。第１のアクチュエータ電極４２１のこの巻き付け部分が、巻き付け電極（ｗｒａｐ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）４２３である。動作中、電圧が、第１のアクチュエータ電極４２１および第２のアクチュエータ電極４２２にかかり、電場が、実質的に軸方向における電極間に発生する。圧電ディスク４２は、軸方向の電場により、圧電ディスク４２が、発生する電場の極性によって径方向に膨張または収縮するように極性が与えられる。動作中は、第１のアクチュエータ電極４２１と、第１のアクチュエータ電極４２１の反対側の圧電ディスク４２の表面の一部に延在する巻き付け電極４２３との間には電場が発生しない。従って、軸方向の電場が生じる領域は、巻き付け電極４２３を含まない圧電ディスク４２の領域に限定される。このため、巻き付け電極４２３は、圧電ディスク４２の下面のほんの一部に延在すれば良い。加えて、図６は、端部プレート４１の上に位置する圧電ディスク４２を示しているが、これらの要素の位置は、別の実施形態では変更しても良いことに留意されたい。このような実施形態では、圧電ディスク４２は、端部プレート４１の下に組み付けることができ、第２のアクチュエータ電極４２２は、圧電ディスク４２の上面に存在しても良い。これに応じて、第１のアクチュエータ電極４２１は、圧電ディスク４２の下面に存在しても良く、巻き付け電極４２３は、圧電ディスク４２の縁部の周りに延在して、圧電ディスク４２の上面の一部を覆っても良い。
【００３１】
アイソレータ３００は、上面および下面に導電性電極を備えた可撓性の非導電性コア３０３からなる。アイソレータ３００の上面は、第１のアイソレータ電極３０１を備え、アイソレータ３００の下面は、第２のアイソレータ電極３０２を備えている。第１のアイソレータ電極３０１は、巻き付け電極４２３に接続される、従って、圧電ディスク４２の第１のアクチュエータ電極４２１に接続される。第２のアイソレータ電極３０２は、端部プレート４１に接続される、従って、圧電ディスク４２の第２のアクチュエータ電極４２２に接続される。この場合、端部プレート４１は、導電性材料から形成するべきである。例示的な一実施形態では、アクチュエータ４０は、同様の寸法の圧電セラミック製圧電ディスク４２に結合された、約５ｍｍ〜約２０ｍｍの半径および約０．１ｍｍ〜約３ｍｍの厚さの鋼製端部プレート４１を備えている。アイソレータコア３０３は、約５ミクロン〜約２００ミクロンの厚さのポリイミドから形成されている。第１および第２のアイソレータ電極３０１、３０２は、約３ミクロン〜約５０ミクロンの厚さを有する銅層から形成されている。例示的な実施形態では、アクチュエータ４０は、同様の寸法の圧電ディスク４２に結合された、約１０ｍｍの半径および約０．５ｍｍの厚さの鋼製端部プレート４１を備えている。アイソレータコア３０３は、約２５ミクロンの厚さのポリイミドから形成されている。第１および第２のアイソレータ電極３０１、３０２は、約９ミクロンの厚さの銅から形成されている。ポリイミドのさらなるキャッピング層（不図示）をアイソレータ３００に選択的に設けて第１および第２のアイソレータ電極３０１、３０２を絶縁し、ロバスト性を付与することができる。
【００３２】
図７は、電極層としての第１のアイソレータ電極３０１の可能な構造として図６に含められるアイソレータ３００の平面図を示している。第１のアイソレータ電極３０１は、スポーク部材３１２によって連結された内側環状部分３１３と外側環状部分３１４を備えた環状部分を有する。アイソレータ電極３０１は、環状部分の外側環状部分３１４から延びたタブ部分または尾部３１０も備えている。環状部分は、弧状の窓３１１で円周方向にパターン形成され、この窓３１１は、環状部分の周辺部に延在して、内側環状部分３１３および外側環状部分３１４を形成している。窓３１１は、内側環状部分３１３と外側環状部分３１４との間に軸方向に延在するスポーク部材３１２によって互いに離間している。
【００３３】
一実施形態では、第１のアイソレータ電極３０１を形成する電極層は、上記のように、ポリイミド層に隣接して形成された銅層である。第２のアイソレータ電極３０２は、第１の電極層の反対側のポリイミド層に隣接した第２の電極層から形成することができる。この実施形態では、第１のアイソレータ電極３０１は、この第１のアイソレータ電極３０１を形成する電極層に窓３１１が残るようにパターン形成されている。窓３１１は、アイソレータ３００が、アクチュエータ４０の外縁とポンプベース１１および１８の内縁との間でより自由に曲がる領域を実現する。これらの窓３１１は、アイソレータ３００の剛性を局所的に低下させ、これにより、アイソレータ３００がより容易に曲がることができ、従って、アクチュエータ４０の運動で通常は電極層が受け得る減衰作用が減少する。第１のアイソレータ電極３０１の内側環状部分３１３は、圧電ディスク４２の巻き付け電極４２３への接続を可能にする。内側環状部分３１３は、４つのスポーク部材３１２によって外側環状部分３１４に接続されている。電極３０１の追加部分３１５は、ポンプ１０の駆動回路との接続を容易にするために尾部３１０に沿って延びている。第２のアイソレータ電極３０２は、同様に構成することができる。
【００３４】
図７Ａおよび図７Ｂは、円筒壁１１と円筒壁１８との間のアイソレータ３００の取り付けを含む、図７に示されている組み合わせられたアクチュエータ４０とアイソレータ３００のアセンブリを通る断面図を示している。図７Ａは、窓３１１を含む領域を通る断面を示している。図７Ｂは、スポーク部材３１２を含む領域を通る断面を示している。アイソレータ３００は、円筒壁１１および円筒壁１８に、はんだ付け、溶接、締め付け、または他の方法で取り付けることができる。コア３０３、第１および第２のアイソレータ電極３０１および３０２、ならびに追加キャッピング層（不図示）を備えるアイソレータ３００は、銅（または他の導電材料）トラックがカプトン（または他の可撓性非導電材料）ポリイミド基板に形成される可撓性プリント回路基板製造技術を用いて好都合に形成することができる。このようなプロセスは、上記の寸法の部品を製造することができる。
【００３５】
非限定の一例では、圧電ディスク４２および端部プレート４１の直径は、アイソレータ３０が端壁１４および２１の周辺部分に架かるようにキャビティ１６および２３の直径よりも１〜２ｍｍ小さくすることができる。この周辺部分は、アクチュエータ４０の縁部とキャビティ１６の側壁１５およびキャビティ２３の側壁２２との間の約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍの環状の間隙とすることができる。一般に、アクチュエータ４０の直径がキャビティ１６、２３の直径に近く、これにより、環状変位節４７（不図示）の直径が環状波節５７（不図示）の直径にほぼ等しく、アクチュエータ４０の振動を容易にするがこの振動を制限しない十分な大きさであるように、この間隙の環状幅は、キャビティの半径（ｒ）に対して比較的小さくするべきである。環状変位節４７および環状波節５７は、図８、図８Ａ、および図８Ｂを参照してより詳細に説明される。
【００３６】
ここで、図８、図８Ａ、および図８Ｂを参照すると、ポンプ１０の動作中に、圧電ディスク４２が励起されて、端部プレート４１に対して径方向に膨張および収縮してアクチュエータ４０が曲がり、これにより、被駆動端壁１４、２１に対して実質的に垂直な方向に被駆動端壁１４、２１の軸方向変位が生じる。アクチュエータ４０は、上記のように端壁１４、２１の中心部分に機能的に結合し、このため、アクチュエータ４０の軸方向変位振動により、端壁１４、２１の中心付近において、端壁１４、２１の表面に沿った最大振幅の振動の軸方向変位振動、即ち、波腹変位振動が生じる。ポンプ１０の変位振動および結果として生じる圧力振動はそれぞれ、図８Ａおよび図８Ｂにより詳細に示されている。変位振動と圧力振動との間の位相関係は、変化し得るため、特定の位相関係を、図面から示すべきではない。
【００３７】
図８Ａは、キャビティ１６、２３の被駆動端壁１４、２１の軸方向振動を例示する、１つの起こり得る変位プロファイルを示している。実線の曲線および矢印は、一時点での被駆動端壁１４、２１の変位を示し、破線の曲線は、半周期遅い被駆動端壁１４、２１の変位を示している。図８Ａおよび図８Ｂに示されている変位は誇張されている。アクチュエータ４０は、その周辺部で固着されずにアイソレータ３０に懸架されているため、その基本モードでその質量中心を中心に自由に振動する。この基本モードでは、アクチュエータ４０の変位振動の振幅は、被駆動端壁１４、２１の中心と対応する側壁１５、２２との間に位置する環状の変位節４７で実質的にゼロである。端壁１４、２１の他の点での変位振動の振幅は、垂直の矢印で示されているようにゼロよりも大きい。中心変位波腹４８がアクチュエータ４０のほぼ中心に存在し、周辺変位波腹４８’がアクチュエータ４０の周辺部に存在する。
【００３８】
図８Ｂは、図８Ａに示されている軸方向変位振動から生じるキャビティ１６、２３内の圧力振動を例示する、１つの起こり得る圧力振動プロファイルを示している。実線の曲線および矢印は、一時点での圧力を示し、破線の曲線は、半周期後の圧力を示している。このモードおよびより高次のモードでは、圧力振動の振幅は、キャビティ１６、２３の中心付近の中心波腹５８、およびキャビティ１６、２３の側壁１５、２２の近傍の周辺波腹５８’を有する。圧力振動の振幅は、波腹５８と波腹５８’との間の環状波節５７で実質的にゼロである。円柱キャビティでは、キャビティ１６、２３内の圧力振動の振幅の径方向依存性は、第１種ベッセル関数によって近似することができる。上記の圧力振動は、キャビティ１６、２３内での流体の径方向運動によって生じるため、アクチュエータ４０の軸方向変位振動と区別されるように、キャビティ１６、２３内の流体の径方向圧力振動と呼ぶことにする。
【００３９】
図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、アクチュエータ４０の軸方向変位振動の振幅の径方向依存性（アクチュエータ４０の「モード形」）は、第１種ベッセル関数を近似して、キャビティ１６、２３内の所望の圧力振動の振幅の径方向依存性（圧力振動の「モード形」）により厳密に一致させるべきであることが分かる。アクチュエータ４０をその周辺部で固着しないで、このアクチュエータ４０がその質量中心を中心により自由に振動できるようにすることにより、変位振動のモード形が、キャビティ１６、２３内の圧力振動のモード形に実質的に一致し、モード形の一致またはより単純にモードの一致が達成される。モードの一致は、これに関して常に完全でなくても良いが、アクチュエータ４０の軸方向変位振動およびキャビティ１６、２３内の対応する圧力振動は、アクチュエータ４０の全表面に亘って実質的に同じ相対位相を有し、キャビティ１６、２３内の圧力振動の環状波節５７の径方向位置とアクチュエータ４０の軸方向変位振動の環状変位節４７の径方向位置は実質的に一致する。
【００４０】
上述のように、弁５０の動作は、この弁５０の前後の流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に依存する。差圧（ΔＰ）は、保持プレート５２の全表面に亘って実質的に均一であると仮定する。このように仮定するのは、（ｉ）保持プレート５２の直径が、キャビティ１６および２３内の圧力振動の波長に対して小さく、かつ（ｉｉ）弁５０が、キャビティのほぼ中心に位置し、正の中心波腹５８の振幅が比較的一定であるためである。図８Ｂを参照すると、正の中心波腹５８の正の方形部分５５は、比較的一定であることを示している。負の中心波腹６８の負の方形部分６５も、比較的一定であることを例示している。従って、弁５０の中心部分の前後の圧力の空間的なばらつきは、実質的に存在しない。
【００４１】
図９Ａは、弁５０に差圧がかかったときの弁５０の動的な動作をさらに例示し、この差圧は、正の値（＋ΔＰ）と負の値（−ΔＰ）との間で時間と共に変化する。実際には、弁５０の前後の差圧の時間依存性は、ほぼ正弦波であり得るが、弁５０の前後の差圧の時間依存性は、弁５０の動作の説明を容易にするために、図９Ａに示されている方形波形での変動として近似される。正の差圧５５は、正圧期間（ｔｐ＋）に亘って弁５０の前後にかかり、負の差圧６５は、方形波の負圧期間（ｔｐ−）に亘って弁５０の前後にかかる。図９Ｂは、この時変圧力に応じた弁フラップ５１の移動を例示している。差圧（ΔＰ）が、負６５から正５５に切り替わると、上記にも記載され、図９Ｂのグラフに示されているように、弁５０が開き始め、弁フラップ５１が保持プレート５２に接触するまで開時間遅延（ＴＯ）の間、開き続ける。続いて、差圧（ΔＰ）が、正の差圧５５から負の差圧６５に切り替わると、上記にも記載され、図９Ｂのグラフに示されているように、弁５０が閉じ始め、閉時間遅延（ＴＣ）の間、閉じ続ける。
【００４２】
本明細書に記載されるポンプの寸法は、好ましくは、キャビティ１６および２３の高さ（ｈ）とキャビティ１６および２３の半径（ｒ）との間の関係についての特定の不等式を満たす必要がある。半径（ｒ）は、キャビティの長手方向軸から、キャビティのそれぞれの側壁１５、２２までの距離である。これらの式は以下の通りである：
ｒ／ｈ＞１．２；および
ｈ２／ｒ＞４×１０−１０メートル。
【００４３】
例示的な一実施形態では、キャビティの半径とキャビティの高さの比（ｒ／ｈ）は、キャビティ１６、２３内の流体が気体である場合は約１０〜約５０である。この例では、キャビティ１６、２３の容積は、約１０ｍｌ未満とすることができる。加えて、ｈ２／ｒの比は、作動流体が液体ではなく気体である場合は、好ましくは、約１０−３〜約１０−６メートルの範囲内である。
【００４４】
例示的な一実施形態では、第２の開口２７、２８（図１）は、キャビティ１６、２３内の圧力振動の振幅がゼロに近い位置、即ち、図８Ｂに示されているように圧力振動の節点４７、５７に位置する。キャビティ１６、２３が円柱である場合、圧力振動の径方向依存性は、第１種ベッセル関数によって近似することができる。キャビティ内の最低次の圧力振動の径方向節（ｒａｄｉａｌ  ｎｏｄｅ）が、端壁１３、２０の中心またはキャビティ１６、２３の長手方向軸から約０．６３ｒ±０．２ｒの距離に生じる。従って、二次開口２７、２８は、好ましくは、端壁１３、２０の中心から径方向距離（ａ）に位置し、（ａ）≒０．６３ｒ±０．２ｒ、即ち、圧力振動の節点５７に近い。
【００４５】
加えて、本明細書に開示されるポンプは、好ましくは、キャビティの半径（ｒ）および動作周波数（ｆ）に関する以下の不等式を満たす必要があり、この動作周波数（ｆ）は、アクチュエータ４０が振動して端壁１４、２１に軸方向変位を生じさせる周波数である。不等式は以下の通りである：
2015513033.tif 000003
キャビティ１６、２３内の作動流体中の音速（ｃ）は、上記の式で表されるように約１１５ｍ／秒の低速（ｃｓ）〜約１，９７０ｍ／秒に等しい高速（ｃｆ）の範囲とすることができ、ｋ０は定数である（ｋ０＝３．８３）。アクチュエータ４０の振動運動の周波数は、好ましくは、キャビティ１６、２３内の径方向圧力振動の最低共振周波数にほぼ等しいが、その値の±２０％の範囲内であっても良い。キャビティ１６、２３内の径方向圧力振動の最低共振周波数は、好ましくは、約５００Ｈｚよりも高い。
【００４６】
図１０Ａは、図１のポンプ１０を模式的に示し、２つのキャビティ１６および２３の入口開口２５および２６ならびに出口開口２７、２８の位置と、開口２５および２６のそれぞれに位置する弁３５および３６の位置を示している。図１０Ｂは、２キャビティポンプ６０の代替の構成を示し、この構成では、ポンプ６０の一次開口６２５および６２６の弁６３５および６３６が逆向きになっているため、流体は、矢印によって示されているように、一次開口６２５および６２６を介してキャビティ１６および２３から排出され、二次開口６２７および６２８を介してキャビティ１６および２３内に吸入され、これにより、一次開口６２５および６２６の正圧源が得られる。
【００４７】
図１０Ｃは、２キャビティポンプ７０の別の構成を示し、この構成では、ポンプ７０のキャビティ１６および２３の一次開口および二次開口の両方が、キャビティの端壁の中心付近に位置している。この構成では、一次開口および二次開口の両方に、図示されているように弁が設けられているため、流体は、一次開口７２５および７２６を介してキャビティ１６および２３に吸入され、二次開口７２７および７２８を介してキャビティ１６および２３から排出される。図１０Ｃに模式的に示されている２弁構成の利点は、２弁構成が、キャビティ１６および２３内の圧力振動の全波整流を可能にすることである。図１０Ａおよび図１０Ｂに示されている構成は、半波整流のみを行うことができる。従って、ポンプ７０は、同じ駆動条件下でポンプ１０および６０よりも高い差圧を生じさせることができるが、ポンプ１０および６０は、ポンプ７０よりも高い流量を送達することができる。一部の適用例では、高圧性能および高流量性能の両方を有する２キャビティポンプを使用することが望ましい。
【００４８】
図１０Ｄは、２キャビティハイブリッドポンプ９０の別の代替の構成を示し、この構成では、キャビティ１６は、一次開口９２５および二次開口９２７を備え、この一次開口９２５には、図１０Ａのポンプ１０のキャビティ１６の構成と同様の方式で弁９３５が配設されている。キャビティ２３は、図１０Ｃのポンプ７０のキャビティ２３の構成と同様の方式で弁９３６が配設された一次開口９２６および弁９３８が配設された二次開口９２８を備えている。従って、ハイブリッドポンプ９０は、特定の適用例で必要な場合には、高圧と高流量の両方を実現することができる。２つのキャビティ１６と２３は、適切なマニホールド装置を使用することによって、直列に接続して圧力を高めることもできるし、または並列に接続して流量を増やすこともできる。このようなマニホールドは、円筒壁１１、ベース１２、円筒壁１８、およびベース１９に組み込んで組み立てを容易にし、かつポンプ１０の組み立てに必要な部品の数を減らすことができる。
【００４９】
例えば、ある適用例は、創傷治療にハイブリッドポンプを使用する。ハイブリッドポンプ９０は、創傷治療用の包帯に使用されるマニホールドに負圧をかけるのに有用であり、この創傷治療では、包帯は、創傷部に隣接して配置され、創傷部位内の負圧を遮断するドレープによって覆われる。一次開口９２５および９２６が共に周囲圧力であり、アクチュエータ４０が振動し始めて、上記のようにキャビティ１６および２３内で圧力振動が発生すると、空気が弁９３５および９３６を選択的に流れ始め、空気が二次開口９２７および９２８から流出し、これにより、ハイブリッドポンプ９０が、「自由流動」モードで動作し始める。一次開口９２５および９２６の圧力が、周囲圧力から徐々に高い負圧まで上昇すると、ハイブリッドポンプ９０は、最終的に最大目標圧力に達し、この時点で２つのキャビティ１６および２３を流れる気流はごく僅かである、即ち、ハイブリッドポンプ９０は、空気が流れない「機能停止状態」である。ハイブリッドポンプ９０のキャビティ１６からの流量の増加が、２つの治療条件に必要である。第１に、高流量は、包帯から流体が迅速に排出されるように自由流動モードで負圧治療を開始して、ドレープが創傷部位を確実に密封し、創傷部位の負圧を維持するために必要である。次に、一次開口９２５および９２６の圧力が最大目標圧力に達して、ハイブリッドポンプ９０が機能停止状態になった後、ドレープまたは包帯に漏れが生じて密封が弱くなったときに目標圧力を維持するために高流量が再び必要である。
【００５０】
ここで、図１１を参照すると、ハイブリッドポンプ９０がより詳細に示されている。上述のように、ハイブリッドポンプ９０は、以下により詳細に説明されているように、図１に示されているポンプ１０と実質的に同様である。ハイブリッドポンプ９０は、図１０Ｄを参照して上記説明されたように反対方向の空気流を可能にする弁９３６および９３８を有する二重弁構造を備えている。弁９３６および９３８は共に、上記のように、弁３５および３６と同様の方式で機能する。より詳細には、弁９３６および９３８は、図３、図３Ａ、および図３Ｂを参照して説明されたように弁５０と同様に機能する。弁９３６および９３８は、図１２に示されているように、１つの二方向弁９３０として構成することができる。２つの弁９３６と９３８は、共通壁または分割障壁９４０を共有するが、他の構造も可能である。弁９３８の前後の差圧が、当初は負であり、正の差圧（＋ΔＰ）に逆転すると、弁９３６が、その通常の閉位置から開き、流体が、矢印９３９によって示されている方向に流れる。しかしながら、弁９３６の前後の差圧が、当初は正であり、負の差圧（−ΔＰ）に逆転すると、弁９３６が、通常の閉位置から開き、流体が、矢印９３７によって示されている反対方向に流れる。結果として、弁９３６と９３８の組み合わせは、差圧（ΔＰ）の周期に応答して両方向に流体を流すことができる二方向弁として機能する。
【００５１】
ここで、図１３を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態によるポンプ１９０が示されている。ポンプ１９０は、図１１のポンプ９０と実質的に同様であるが、ポンプ本体が、切頭円錐形である端壁１３’を形成する上面を有するベース１２’を備えている点が異なる。結果として、キャビティ１６’の高さが、側壁１５の高さから、端壁１３’、１４の中心における端壁１３’と１４との間の低い高さまで変化している。切頭円錐形の端壁１３’は、キャビティ１６’の高さが低いキャビティ１６’の中心の圧力を、キャビティ１６’の高さが高いキャビティ１６’の側壁１５の圧力よりも高くする。従って、等しい中心圧力振幅を有する円柱キャビティ１６と切頭円錐キャビティ１６’を比較すると、切頭円錐キャビティ１６’は、一般に、このキャビティ１６’の中心から離れた位置で小さい圧力振幅を有し；キャビティ１６’の高さの増加が、圧力波の振幅を小さくする働きをすることが明らかである。キャビティ１６’内の流体の振動中に粘性損失および熱エネルギー損失が、このような振動の振幅と共に増大するため、切頭円錐の設計を採用することによってキャビティ１６’の中心から離れた圧力振動の振幅を小さくすることがポンプ１９０の効率にとって有利である。キャビティ１６’の直径が約２０ｍｍであるポンプ１９０の例示的な一実施形態では、側壁１５におけるキャビティ１６’の高さは、約１．０ｍｍであり、端壁１３’の中心の約０．３ｍｍの高さに向かって次第に低くなっている。端壁１３’または２０’の何れか一方が、切頭円錐形を有し得る。
【００５２】
上記の通り図９Ａに示されているように、正の差圧５５は、正圧期間（ｔｐ＋）に亘って弁５０の前後にかかり、負の差圧６５は、方形波の負圧期間（ｔｐ−）に亘って弁５０の前後にかかる。アクチュエータ４０が、キャビティ１６内に正の差圧５５を生じさせると、図９Ｃに示されているように、同時に負の差圧５７が、他方のキャビティ２３内に必然的に生じる。相応して、アクチュエータ４０が、キャビティ１６内に負の差圧６５を生じさせると、同様に図９Ｃに示されているように、同時に正の差圧６７が、他方のキャビティ２３内に必然的に生じる。図９Ｃは、同時の差圧５７と６７の方形波の周期によって変化する開位置と閉位置との間の弁９３６および９３８の動作周期のグラフを示している。このグラフは、弁９３６および９３８のそれぞれが閉位置から開くときのこれらの各弁の半周期を示している。弁９３６の前後の差圧が、当初は負であり、正の差圧（＋ΔＰ）に逆転すると、弁９３６が、上記のように、グラフ９４６によって示されているように開き、流体が、図１２の矢印９３７によって示されている方向に流れる。しかしながら、弁９３８の前後の差圧が、当初は正であり、負の差圧（−ΔＰ）に逆転すると、弁９３８は、上記のように、グラフ９４８によって示されているように開き、流体が、図１２の矢印９３９によって示されている反対方向に流れる。結果として、弁９３６と９３８の組み合わせは、差圧（ΔＰ）の周期に応答して両方向に流体を流すことができる二方向弁として機能する。
【００５３】
図１４を参照すると、異なる弁構造を有するポンプの圧力と流量のグラフが示されている。例えば、（ｉ）グラフ１００は、ポンプ１０などの単一弁構造の圧力と流量の特性を示し、（ｉｉ）グラフ７００は、ポンプ７０などの二方向またはスプリット弁構造の圧力と流量の特性を示し、（ｉｉｉ）グラフ８００は、米国特許出願第６１／５３７，４３１号に示されているポンプ８０などの二重弁構造の圧力と流量の特性を示し、および（ｉｖ）グラフ９００は、ハイブリッドポンプ９０などのハイブリッドポンプ構造の圧力と流量の特性を示している。上述のように、二方向ポンプ７０は、同じ駆動条件下で単一弁ポンプ１０および６０よりも高い差圧を生じさせることができ、これは、低流量Ｆ１に制限されるという犠牲を払うが高圧Ｐ１を達成できることを示しているグラフ７００によって例示されている。逆に、単一弁ポンプ１０および６０は、同じ駆動条件下で二方向ポンプ７０よりも高い流量を送達することができ、これは、低圧Ｐ２に制限されるという犠牲を払うが高流量Ｆ２を達成できることを示しているグラフ１００によって例示されている。米国特許出願第６１／５３７，４３１号に開示されている二重弁ポンプ８０は、高圧Ｐ１と高流量Ｆ２の両方を達成することができるが、グラフ８００に示されているように、キャビティが、アクチュエータアセンブリを貫通する開口に空気連通しているため、この流量はその値に制限される。ハイブリッドポンプ９０のキャビティ１６および２３は、アクチュエータ４０を介して空気連通していないため、キャビティ１６、２３を、マニホールドによって並列に別々に接続することができる。別々の接続により、グラフ９００によって示されているように、二重弁ポンプ８０よりも高い高流量Ｆ３が実現される。高流量Ｆ３は、様々な適用例、例えば、上記の２つの創傷治療条件の高流量を必要とする創傷治療の適用例に有用である。
【００５４】
上記説明から、ハイブリッドポンプ９０が、様々な流体動的性能、例えば、目標の圧力に迅速に到達してこの圧力を維持する高流量などを必要とする他の負圧の適用例および正圧の適用例にも有用であることが明らかであろう。
【００５５】
また、上記説明から、大きな利点を有する発明が提供されることが明らかであろう。本発明は、ごく少数の形態で示されているが、示されているこれらの形態に限定されるものではなく、むしろ、本発明の概念から逸脱することなく様々な変更および改良を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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