(57)【要約】  ディスクポンプシステムが、流体を入れるキャビティ（１６）を画成する実質的にシリンダー形状のポンプ本体（１１）を含み、キャビティ（１６）は、実質的に円形の端壁（２０、２２）によって両端部が閉鎖された側壁（１８）によって形成されており、端壁の少なくとも一方が被駆動端壁（２２）である。システムは、被駆動端壁（２２）に動作可能に関連付けられるアクチュエータ（４０）であって、被駆動端部（２２）の振動運動を発生させるアクチュエータと、被駆動端壁（２２）の周辺部分に動作可能に関連付けられるアイソレータ（３０）であって、変位振動の減衰を低下させるアイソレータとを含む。アイソレータ（３０）は可撓性材料を含み、アイソレータの識別データを記憶しかつ伝送する無線周波数認証（ＲＦＩＤ）タグ（５１）を含む。【選択図】図１Ａ
2015513027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクポンプシステムにおいて：
流体を入れるキャビティを画成する実質的にシリンダー形状のポンプ本体であって、前記キャビティは、実質的に円形の端壁によって両端部が閉鎖された側壁によって、形成されており、前記端壁の少なくとも一方が、中心部分、および前記被駆動端壁の前記中心部分から径方向外側に延在する周辺部分を有する被駆動端壁である、ポンプ本体と；
前記被駆動端壁の前記中心部分に動作可能に関連付けられるアクチュエータであって、前記被駆動端壁の振動運動を発生させ、それにより、前記被駆動端壁に対して実質的に垂直な方向に前記被駆動端壁の変位振動を生成する、アクチュエータと；
前記被駆動端壁の前記周辺部分と前記側壁との間に位置決めされ、前記変位振動の減衰を低下させるアイソレータであって、前記被駆動端壁の前記振動運動に応答して伸縮する可撓性材料を含むアイソレータと；
前記端壁のいずれか一方にありかつ前記ポンプ本体を貫通して延びる第１のアパーチャと；
前記ポンプ本体にありかつ前記ポンプ本体を貫通して延びる第２のアパーチャと；
前記第１のアパーチャおよび第２のアパーチャの少なくとも一方に配置された弁と；
前記アイソレータの前記可撓性材料に動作可能に関連付けられたＲＦＩＤタグであって、前記アイソレータに関連付けられた識別データを記憶しかつ伝送するＲＦＩＤタグと
を含むことを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記アイソレータがフレキシブルプリント回路材料を含むことを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグが、前記フレキシブルプリント回路材料に一体的であることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグが、前記アイソレータ、前記アクチュエータ、前記弁、および前記ポンプ本体を識別する識別データを含むことを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグがパッシブＲＦＩＤタグであることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグが、前記アイソレータとは別個に製造されて、前記アイソレータに組立てられることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグがアクティブＲＦＩＤタグであることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグがＷＩＳＰ装置であることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のディスクポンプシステムにおいて、さらにセンサーを含み、
前記センサーが、前記ディスクポンプシステムの性能データを測定しかつ前記性能データを前記ＲＦＩＤタグに通信するように動作可能であり；および
前記ＲＦＩＤタグが、前記性能データをＲＦＩＤリーダに伝送するように動作可能であることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記センサーが、前記アイソレータに装着された歪ゲージであることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記歪ゲージが、前記アイソレータの歪みを測定するように構成されていることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記歪ゲージが、前記アクチュエータの前記変位を測定するように構成されていることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項１３】
ディスクポンプの構成要素の追跡方法において：
ＲＦＩＤタグを含むアイソレータを製造するステップであって、前記ＲＦＩＤタグが識別データを含むステップと；
初回にＲＦＩＤリーダを使用して前記識別データを走査するステップと；
前記識別データをデータベースに記憶するステップと；
１つ以上の追加的な構成要素を組み立ててディスクポンプを形成するステップと；
前記１つ以上の追加的な構成要素を、前記データベース中の前記識別データと関連付けるステップと；
前記初回よりも遅い２回目に前記ＲＦＩＤリーダを使用して前記ディスクポンプを走査することによって、前記ディスクポンプおよび構成要素を追跡するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記１つ以上の追加的な構成要素が、アクチュエータ、弁、およびポンプ本体を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記アイソレータがフレキシブルプリント回路材料を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記ＲＦＩＤタグが前記フレキシブルプリント回路材料に一体的であることを特徴とする、方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記ＲＦＩＤタグがパッシブＲＦＩＤタグであることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記ＲＦＩＤタグが、前記アイソレータとは別個に製造されて、前記アイソレータに組み立てられることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法において、前記ＲＦＩＤタグがアクティブＲＦＩＤタグであることを特徴とする、方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法において、前記ＲＦＩＤタグがＷＩＳＰ装置であることを特徴とする、方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法において、さらに、前記ディスクポンプの性能データを測定し、前記性能データを前記ＲＦＩＤタグに通信し、および前記性能データをＲＦＩＤリーダに伝送することを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２２】
ディスクポンプシステムにおいて：
流体を入れるキャビティを画成する実質的にシリンダー形状のポンプ本体であって、前記キャビティは、実質的に円形の端壁によって両端部が閉鎖された側壁によって、形成されており、前記端壁の少なくとも一方が、中心部分、および前記被駆動端壁の前記中心部分から径方向外側に延在する周辺部分を有する被駆動端壁である、ポンプ本体と；
前記被駆動端壁の前記中心部分と動作可能に関連付けられるアクチュエータであって、前記被駆動端壁の振動運動を発生させ、それにより、前記被駆動端壁に対して実質的に垂直な方向に前記被駆動端壁の変位振動を生成する、アクチュエータと；
前記変位振動の減衰を低下させるために、前記被駆動端壁の前記周辺部分に動作可能に関連付けられるアイソレータであって、前記アイソレータはフレキシブルプリント回路材料を含み、および前記フレキシブルプリント回路材料はＲＦＩＤタグを含む、アイソレータと；
前記端壁のいずれか一方に配置されかつ前記ポンプ本体を貫通して延びる第１のアパーチャと；
前記ポンプ本体に配置されかつ前記ポンプ本体を貫通して延びる第２のアパーチャと；
前記第１のアパーチャおよび第２のアパーチャの少なくとも一方に配置された弁と
を含むことを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＲＦＩＤタグがＷＩＳＰ装置を含むことを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のディスクポンプシステムにおいて、
前記フレキシブルプリント回路材料が、さらに、前記アクチュエータの前記変位を測定するためのセンサーを含み、および
前記センサーが前記ＷＩＳＰ装置に結合されていることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のディスクポンプシステムにおいて：
前記ＷＩＳＰ装置が、電源、メモリ、およびプロセッサを含み；
前記電源が、無線電源から電力を受け取るように動作可能であり；および
前記ＷＩＳＰ装置が前記センサーに電力を供給することを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２６】
請求項２４に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＷＩＳＰ装置が、前記センサーから受信したデータに基づいて、前記ディスクポンプによって生成された前記差圧を決定するように動作可能であることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２７】
請求項２４に記載のディスクポンプシステムにおいて、前記ＷＩＳＰ装置が、前記センサーから受信したデータに基づいて、前記アイソレータが摩耗しているまたは損傷していることを判断するように動作可能であることを特徴とする、ディスクポンプシステム。
【請求項２８】
本明細書で説明した方法およびシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本発明は、３５  ＵＳＣ  §  １１９（ｅ）下において、Ｌｏｃｋｅらによる２０１２年２月１０日出願の米国仮特許出願第６１／５９７，４９３号（「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ａ  Ｄｉｓｃ  Ｐｕｍｐ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ＲＦＩＤ」）の利益を主張し、これをあらゆる点において本願明細書に援用する。
【０００２】
本発明の例示的実施形態は、概して、流体用のディスクポンプに関し、より具体的には、ポンピングキャビティが、端壁と、両端壁間の側壁とを有する実質的にシリンダー形状であり、両端壁間にアクチュエータが配置されているディスクポンプに関する。本発明の例示的実施形態は、より具体的には、アクチュエータに装着された弁と、端壁の１つに装着された少なくとも１つの追加的な弁とを有するディスクポンプに関する。
【０００３】
閉キャビティにおける高振幅の圧力振動の生成は、熱音響およびディスクポンプ型圧縮機の分野においてかなり注目を集めてきた。非線形音響学における最近の発展によって、以前に可能であると考えられていたよりも高い振幅の圧力波の生成が可能となった。
【０００４】
規定された入口および出口からの流体ポンピングを達成するために音響共振を使用することが知られている。これは、音響定常波を生成させる音響ドライバを一方の端部に備えるシリンダー状キャビティを使用して達成できる。そのようなシリンダー状キャビティでは、音響圧力波の振幅は制限されている。円錐形、角円錐形（ｈｏｒｎ−ｃｏｎｅ）、およびバルブ形などの変断面のキャビティを使用して、高振幅の圧力振動を達成しており、それにより、ポンピング効果を著しく高めている。そのような高振幅波では、エネルギー散逸を伴う非線形機構が抑制されてきた。しかしながら、高振幅の音響共振は、最近になるまで、径方向圧力振動が励起されるディスク形状のキャビティ内に採用されていない。国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットとして公開された国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書には、アスペクト比、すなわち、キャビティの半径対キャビティの高さの比が高い、実質的にディスク形状のキャビティを有するディスクポンプが開示されている。
【０００５】
そのようなディスクポンプは、端壁によって各端部が閉鎖される側壁を含む実質的にシリンダー状キャビティを有する。ディスクポンプはまた、端壁のいずれか一方を、被駆動端壁の表面に実質的に垂直な方向に振動させるアクチュエータを含む。被駆動端壁の運動の空間プロファイルは、キャビティの流体圧力振動の空間プロファイルに整合していると説明されており、本明細書ではモード整合状態と説明される。ディスクポンプがモード整合されているとき、アクチュエータによってキャビティ内の流体に行われる仕事は、構造的に、被駆動端壁表面にわたって加わり、それにより、キャビティ内の圧力振動の振幅を強くし、かつディスクポンプ効率を高める。モード整合されたディスクポンプの効率は、被駆動端壁と側壁との間の境界面に依存する。被駆動端壁の運動を減少または減衰させず、それによりキャビティ内の流体圧力振動の振幅のどのような減少も軽減させるように、境界面を構造することによって、そのようなディスクポンプの効率を維持することが望ましい。
【０００６】
上述のディスクポンプのアクチュエータは、端壁に実質的に垂直、すなわちシリンダー状キャビティの縦軸に実質的に平行な方向に被駆動端壁の振動運動（「変位振動」）を引き起こし、これを、以下、キャビティ内の被駆動端壁の「軸方向振動」と称する。被駆動端壁の軸方向振動は、キャビティ内の流体に実質的に比例する「圧力振動」を生成し、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００６／００１４８７号明細書（参照することにより本書に援用される）に説明されているように、第１種ベッセル関数のそれに近似する径方向圧力分布を生じる。そのような振動を、以下、キャビティ内の流圧の「径方向振動」と呼ぶ。アクチュエータと側壁との間の被駆動端壁の部分は、ディスクポンプの側壁との境界面を提供し、変位振動の減衰を減少させ、キャビティ内の圧力振動のいずれの減少も軽減する。アクチュエータと側壁との間の被駆動端壁の一部分を、以下、「アイソレータ」と呼び、より具体的に、米国特許出願第１２／４７７，５９４号明細書（参照することにより本書に援用される）に説明されている。アイソレータの例示的実施形態は、被駆動端壁の周辺部分に動作可能に関連付けられ、変位振動の減衰を減少させる。
【０００７】
そのようなディスクポンプはまた、ディスクポンプを通る流体の流れを制御する１つ以上の弁、より具体的には、高周波数で動作できる弁を必要とする。従来の弁は、一般に、様々な応用で、５００Ｈｚを下回るより低い周波数で動作する。例えば、多くの従来の圧縮機は、一般に、５０または６０Ｈｚで動作する。当業界で公知の線形共鳴圧縮機は、１５０〜３５０Ｈｚで動作する。しかしながら、医療機器を含む多くの携帯用電子機器は、正圧を送達するかまたは真空をもたらすためにサイズが比較的小さいディスクポンプを必要とし、かつ個別動作をもたらすために、そのようなディスクポンプの動作が静かである（ｉｎａｕｄｉｂｌｅ）ことが好都合である。これらの目的を達成するために、そのようなディスクポンプは、非常に高周波数で動作する必要があり、約２０ｋＨｚ以上で動作できる弁を必要とする。これらの高周波数で動作するようにするために、弁は、ディスクポンプを通る流体の正味流れを生じるために整流できる高周波数の振動圧力に応答する必要がある。そのような弁は、より具体的には、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００９／０５０６１４号に説明されており、これは、参照することにより本書に援用される。
【０００８】
弁は、ディスクポンプを通る流体の流れを制御するために、第１または第２のアパーチャのいずれか、または両アパーチャに配置され得る。各弁は、アパーチャがほぼ垂直に延在する第１のプレートと、同様にアパーチャがほぼ垂直に延在する第２のプレートとを含み、第２のプレートのアパーチャは、第１のプレートのアパーチャから実質的にオフセット位置にある。弁は、さらに、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置された側壁を含み、側壁は、第１および第２のプレートの外周で閉鎖されて、第１のプレートと第２のプレートとの間に、第１および第２のプレートのアパーチャと流体連通するキャビティを形成する。弁は、さらに、第１のプレートと第２のプレートとの間に配置されかつそこで可動なフラップを含み、フラップは、第１のプレートのアパーチャから実質的にオフセット位置にありかつ第２のプレートのアパーチャと実質的に位置合わせされているアパーチャを有する。フラップは、弁の前後にわたる流体の差圧の方向の変化に応答して、第１のプレートと第２のプレートとの間で動かされる。
【発明の概要】
【０００９】
ディスクポンプシステムは、流体を入れるキャビティを画成する実質的にシリンダー形状のポンプ本体を含み、キャビティは、実質的に円形の端壁によって両端部が閉鎖された側壁によって、形成されている。端壁の少なくとも一方は、中心部分と、被駆動端壁の中心部分から径方向外側に延在する周辺部分とを有する被駆動端壁である。被駆動端壁の中心部分にはアクチュエータが動作可能に関連付けられ、被駆動端壁の振動運動を発生させ、それにより、被駆動端壁に対して実質的に垂直な方向に被駆動端壁の変位振動を生成し、使用中、被駆動端壁の中心と側壁との間に環状節がある状態になる。システムは、被駆動端壁の周辺部分と側壁との間に挿入されたアイソレータを含み、変位振動の減衰を低下させ、アイソレータは、被駆動端壁の振動運動に応答して伸縮する可撓性材料を含む。システムはまた、端壁のいずれか一方の、環状節以外の任意の箇所に配置されかつポンプ本体を貫通して延びる第１のアパーチャと、ポンプ本体の、第１のアパーチャの箇所以外の任意の箇所に配置されかつポンプ本体を貫通して延びる第２のアパーチャとを含む。第１のアパーチャおよび第２のアパーチャの少なくとも一方には弁が配置され、および変位振動が、ポンプ本体のキャビティ内の流体に、対応する圧力振動を生成し、使用時に、第１および第２のアパーチャを通る流体の流れを発生させる。アイソレータの可撓性材料にはＲＦＩＤタグが動作可能に関連付けられ、アイソレータに関連付けられた識別データを記憶しかつ伝送する。
【００１０】
ディスクポンプの構成要素の追跡方法は、ＲＦＩＤタグを含むアイソレータを製造するステップであって、ＲＦＩＤタグはさらに識別データを含むステップを含む。方法は、初回にＲＦＩＤリーダを使用して識別データを走査するステップと、データベースに識別データを記憶するステップと、１つ以上の追加的な構成要素を組み立ててディスクポンプを形成するステップと、１つ以上の追加的な構成要素を、データベース中の識別データと関連付けるステップとを含む。方法はまた、初回よりも遅い２回目にＲＦＩＤリーダを使用してディスクポンプを走査することによって、ディスクポンプおよび構成要素を追跡するステップを含む。
【００１１】
ディスクポンプシステムが、流体を入れるキャビティを画成する実質的にシリンダー形状のポンプ本体を含む。キャビティは、実質的に円形の端壁によって両端部が閉鎖されている側壁によって、形成され、端壁の少なくとも一方は、中心部分と、被駆動端壁の中心部分から径方向外側に延在する周辺部分とを有する被駆動端壁である。ディスクポンプシステムは、被駆動端壁の中心部分に動作可能に関連付けられるアクチュエータを含み、被駆動端壁の振動運動を発生させ、それにより、被駆動端壁に対して実質的に垂直な方向に被駆動端壁の変位振動を生成する。ディスクポンプシステムはまた、被駆動端壁の周辺部分に動作可能に関連付けられるアイソレータを含み、変位振動の減衰を低下させる。アイソレータが、ＲＦＩＤタグを含むフレキシブルプリント回路材料を含む。ディスクポンプシステムはまた、端壁のいずれか一方に配置されかつポンプ本体を貫通して延びる第１のアパーチャと、ポンプ本体に配置されかつポンプ本体を貫通して延びる第２のアパーチャとを含む。ディスクポンプシステムはまた、第１のアパーチャおよび第２のアパーチャの少なくとも一方に配置された弁を含む。
【００１２】
例示的実施形態の他の特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明を参照することから明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、ディスクポンプの側方から見た断面図である。
【図１Ａ】図１Ａは、図１の線１Ａ−１Ａに沿って取った図１Ａのディスクポンプシステムの、一体型ＲＦＩＤタグを備えるリング形状のアイソレータの一部分を示す断面の詳細な図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、アイソレータがＲＦＩＤタグおよびセンサーを含むディスクポンプの代替的な実施形態の詳細な断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、ディスクポンプのアクチュエータに装着されかつアイソレータに一体的なアンテナに結合されたＲＦＩＤタグを含むディスクポンプの代替的な実施形態の詳細な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、休止位置にあるディスクポンプのアクチュエータを示す、図１Ａのディスクポンプの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、変位位置にあるアクチュエータを示す、図２Ａのディスクポンプの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２Ａの第１のディスクポンプのアクチュエータの基本曲げモードを示す、軸方向変位振動のグラフを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示す曲げモードに応答した、図２Ａの第１のディスクポンプのキャビティ内にある流体の圧力振動をグラフで示す。
【図４Ａ】図４Ａは、休止位置にあるアクチュエータを含むディスクポンプシステムの一部分の詳細な図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、変位位置にあるアクチュエータを含むディスクポンプシステムの一部分の詳細な図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示すディスクポンプの部分の側方から見た断面図であり、アクチュエータは休止位置にあり、かつ歪ゲージを含むアイソレータに装着されている。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ｂに示すディスクポンプの部分の側方から見た断面図であり、アクチュエータは変位位置にあり、かつ歪ゲージを含むアイソレータに装着されている。
【図５Ａ】図５Ａは、３つの弁が、図７Ａ〜７Ｄに示す単弁によって表わされている、図２Ａのディスクポンプの断面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図７Ａ〜７Ｄの弁の中心部分の部分的な断面図を示す。
【図６】図６は、図３Ｂに示すような、図５Ａの第１のディスクポンプのキャビティ内の流体の圧力振動をグラフで示して、破線で示すような、図５Ａの弁の前後にわたって適用された圧力差を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、閉位置にある弁の例示的実施形態の側方から見た断面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ｄの線７Ｂ−７Ｂに沿って取った図７Ａの弁の断面図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂの弁の斜視図を示す。
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ｂの弁の上面図を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、弁を通って流体が流れるときの開位置にある図７Ｂの弁の部分的な断面図を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、閉鎖前の開位置と閉位置との推移状態にある、図７Ｂの弁の部分的な断面図を示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、流体の流れが弁によって遮断されているときの閉位置にある図７Ｂの弁の部分的な断面図を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、例示的実施形態による図５Ｂの弁の前後にわたって適用された振動差圧を圧力グラフで示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、開位置と閉位置との間の図５Ｂの弁の動作サイクルの流体の流れをグラフで示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、弁の中心部分の部分的な詳細な図を含む図３Ａのディスクポンプの断面図、およびキャビティ内に適用されている振動圧力波の正の部分をグラフで示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、弁の中心部分の部分的な詳細な図を含む図３Ａのディスクポンプの断面図、およびキャビティ内に適用されている振動圧力波の負の部分をグラフで示す。
【図１１】図１１は、第４のディスクポンプの弁の開および閉状態を示し、および図１１Ａは、第４のディスクポンプが自由流れモードにあるときに得られる流れ特性を示し、および図１１Ｂは、第４のディスクポンプが自由流れモードにあるときに得られる圧力特性を示す。
【図１２】図１２は、ディスクポンプが失速条件に達するときの、第４のディスクポンプによってもたらされた最大差圧をグラフで示す。
【図１３】図１３は、ディスクポンプシステムによって生成された減圧を測定しかつ制御するための、ディスクポンプシステムの例示的な回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下のいくつかの例示的かつ非限定的な実施形態の詳細な説明において、本明細書の一部をなす添付図面を参照する。例として、添付図面は、本発明を実施し得る好ましい具体的な実施形態を示す。これらの実施形態を、当業者が本発明を実施できるようにするのに十分な程度、詳細に説明し、および本発明の趣旨または範囲から逸脱せずに、他の実施形態を使用し得ること、および論理的な構造上の、機械的な、電気的な、および化学的な変更がなされ得ることが理解される。当業者が、本明細書で説明する実施形態を実施できるようにするのに必要ではない詳細に関する説明を避けるために、当業者に公知の特定の情報に関する説明を省略し得る。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定的ととられるべきではなく、例示的実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【００１５】
図１は、負荷部３８に結合されたディスクポンプシステム１００の断面図を示す。ディスクポンプシステム１００は、ディスクポンプ１０、ディスクポンプ１０が装着される基板２８、およびディスクポンプ１０に流体的に結合される負荷部３８を含む。基板２８は、プリント回路基板または任意の好適な剛体または半剛体材料とし得る。ディスクポンプ１０は、下記でより詳細に説明するように、負荷部３８に正圧または負圧を供給するように動作可能である。ディスクポンプ１０は、可撓性材料を含むアイソレータ３０によってディスクポンプ１０のシリンダー状壁１１に結合されるアクチュエータ４０を含む。一実施形態では、可撓性材料は、フレキシブルプリント回路材料である。
【００１６】
一般的に、フレキシブルプリント回路材料は、アイソレータ３０に下地層を提供する可撓性ポリマー薄膜を含む。ポリマーは、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、または同様の機械特性および電気特性を備える材料とし得る。フレキシブル回路材料は、接着剤で形成された１つ以上のラミネート層を含み得る。さらに、銅箔などの金属箔を使用して、フレキシブルプリント回路材料に１つ以上の導電層を提供し得る。一般的に、導電層を使用して回路要素を形成する。例えば、回路経路は、導電層にエッチングされ得る。導電層は、圧延によって（接着剤を使用してまたは使用せずに）または電着によって下地層に適用され得る。
【００１７】
図１Ａは、図１の線１Ａ−１Ａに沿って取った部分的な断面図である。図１Ａは、アクチュエータ４０およびアイソレータ３０を含むディスクポンプシステム１００の一部分の上面図を示す。一実施形態では、アイソレータ３０は、無線周波数認証（ＲＦＩＤ）タグ５１を含むフレキシブルプリント回路材料から形成される。一部の実施形態では、ＲＦＩＤタグは、アイソレータ３０と一体的に形成される。しかし他の実施形態では、ＲＦＩＤタグは、別個の構成要素として製造されて、アイソレータ３０またはアクチュエータ４０の表面に取り付けられる。
【００１８】
本明細書の例示的実施形態は、単純なＲＦＩＤ、または高性能（ｅｎｈａｎｃｅｄ）タイプのＲＦＩＤ技術を使用して、集積電子デバイスを作動させる。本明細書では、語「または」は相互排他性を暗示しない。ＲＦＩＤは、伝統的に、標的に位置決めされるＲＦＩＤタグまたはラベルと、ＲＦＩＤタグを作動させかつそこからの信号を読み取るＲＦＩＤリーダとを使用する。ほとんどのＲＦＩＤタグは、情報を記憶しかつ処理する集積回路と、変調器と、復調器とを含む。ＲＦＩＤタグは、パッシブタグ、アクティブＲＦＩＤタグ、およびバッテリー支援型パッシブタグとし得る。一般的に、パッシブタグはバッテリーを用いず、ＲＦＩＤリーダによって作動されるまで情報を伝送しない。アクティブタグは、搭載型の電源を有し、かつ自律的に（すなわち、ＲＦＩＤリーダによって作動されずに）伝送できる。バッテリー支援型パッシブタグは、一般に小型バッテリーが搭載され、それが、ＲＦＩＤリーダが存在することによって活性化される。
【００１９】
例示的実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）製造プロセスを使用して形成され、かつＲＦＩＤチップとしてアイソレータ３０に埋め込まれる。そのようなＳＯＩ製造プロセスの使用は、Ｈｉｔａｃｈｉによって提案されたＲＦＩＤタグ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｔａｃｈｉ．ｃｏｍ／Ｎｅｗ／ｃｎｅｗｓ／０６０２０６．ｈｔｍｌにおいて開示）などの、サイズが０．１５ｍｍ×０．１５ｍｍ程度またはそれよりも小さい、非常に小型のＲＦＩＤチップを製造する能力をもたらす。ＲＦＩＤチップは、アンテナを備えて製造され、それにより、その設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）がわずかに大きくなってもよいし、またはＲＦＩＤチップを外部アンテナに結合することによって製造されてもよい。外部アンテナは、別個に製造されて、ＲＦＩＤチップと共にアイソレータ３０に埋め込まれ得るか、またはアイソレータ３０と一体的に形成されて、ＲＦＩＤチップがアイソレータに埋め込まれるときにＲＦＩＤチップに結合され得る。
【００２０】
例示的一実施形態では、高性能ＲＦＩＤ技術は、ＷＩＳＰ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ）装置である。ＷＩＳＰは、ＲＦＩＤタグ（またはラベル）に類似する、ＲＦＩＤリーダを用いたＷＩＳＰ装置の電力供給および読み取りを含む。ＷＩＳＰ装置は、ＲＦＩＤリーダが発した無線信号から電力を採取して、センサー機能を実行する（および任意選択的に計算機能を実行する）。ＷＩＳＰ装置は、情報を備える無線信号をＲＦＩＤリーダに伝送する。ＷＩＳＰ装置は、ＲＦＩＤリーダから電力を受け取る。ＷＩＳＰ装置は、エネルギーを取り入れるタグまたはアンテナと、センサー信号のサンプリングなど様々なタスクを実行できるマイクロコントローラ（またはプロセッサ）とを有する。ＷＩＳＰ装置は、ＲＦＩＤリーダにデータを報告する。例示的一実施形態では、ＷＩＳＰ装置は、電力採取回路、復調器、変調器、マイクロコントローラ、センサーを備える集積回路を含み、かつエネルギーを蓄積するための１つ以上のコンデンサを含み得る。ＷＩＳＰ技術の形態は、Ｉｎｔｅｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｅａｔｔｌｅ（ｗｗｗ．ｓｅａｔｔｌｅ．ｉｎｔｅｌ−ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｎｅｔ／ｗｉｓｐ／）によって開発された。本明細書では、ＲＦＩＤ装置はまた、ＷＩＳＰ装置を含む。
【００２１】
図１の例示的実施形態では、ディスクポンプシステム１００は、アイソレータ３０に組み込まれたＲＦＩＤタグ５１を含み、かつアイソレータ３０内への、センサーなどの他の回路要素の追加を最小限にする。そのような実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、アイソレータ３０の製造プロセス中にアイソレータ３０内に例えばプリント回路素子またはエンベディッド集積回路として形成され、かつ識別データを記憶するために使用され得る。識別データは、初めはアイソレータ３０を識別して、アイソレータ３０に関するデータを追跡できるようにし得るにすぎない。アイソレータ３０の製作、およびＲＦＩＤタグ５１の取付けが完了したら、図１に示すように、アイソレータ３０はアクチュエータ４０と組み合わされて、ディスクポンプ１０に取り付けられる。それに続く、完成品のディスクポンプ１０を生じる製造および組立プロセスの最中、ＲＦＩＤデータは監視され、かつディスクポンプシステム１００の他の構成要素と関連付けられ得る。例えば、アイソレータ３０を初めに識別したＲＦＩＤデータは、それに続いて、アクチュエータ４０、ディスクポンプ１０、およびディスクポンプシステム１００を識別し得る。ＲＦＩＤデータは、ディスクポンプ１０の他の構成要素に、および１つ以上の外部データベースのディスクポンプシステム１００に関連付けられ得るため、アイソレータ３０、およびディスクポンプシステム１００の他の構成要素を追跡するために、低電力のパッシブＲＦＩＤタグのみが必要とされる。例えば、ディスクポンプ１０を組み立てると、ＲＦＩＤリーダを使用してアイソレータのＲＦＩＤタグが走査され、かつディスクポンプ１０と関連付けられ得る。続いて、ディスクポンプ１０がＲＦＩＤリーダによって走査され、ディスクポンプ１０およびその構成要素を識別および追跡し得る。
【００２２】
図１Ｂの例示的実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、プロセッサを含みかつセンサーに電気的に結合された高性能ＲＦＩＤタグである。図１Ｂの例示的実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１およびセンサーによって、感知および計算機能の最適化を可能にする。下記でより詳細に説明するように、最適化および計算機能は、センサーによって収集されたデータに基づき得る。図１Ｂでは、アイソレータ３０は、歪ゲージ５０などの任意選択的なセンサーを含み、歪ゲージは、アイソレータ３０の変形を、および同様に、アクチュエータ４０の縁部の変位（δｙ）を測定するように動作可能である。アイソレータ３０はまた、下記でより詳細に説明するように他の電子デバイスまたは回路要素、例えば無線周波数認証プロセッサまたはメモリなどを含み得る。図１Ｂは、ＲＦＩＤタグ５１およびセンサーが双方ともアイソレータ３０に統合されているとして示すが、ＲＦＩＤタグ５１またはセンサーのいずれかをアクチュエータ４０に装着し、かつアイソレータ３０またはアクチュエータ４０に取り付けられていないソースから電力またはデータを伝えるために、アイソレータ３０の回路要素に電気的に結合されるようにしてもよい。例えば、ＲＦＩＤタグ５１は、アイソレータ３０に埋め込まれる非常に小型の特定用途向け集積回路素子と通信して、アイソレータ３０におけるまたはディスクポンプキャビティ１６内のデータを感知しかつ外部監視システム（図示せず）にデータを通信する。
【００２３】
図１Ｃの例示的実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、アクチュエータ４０に装着され、かつアイソレータ３０に一体的なアンテナ５１ａに結合される。ＲＦＩＤタグ５１は、アクティブとしてもまたはパッシブとしてもよく、およびそのような応用では、機械的応力の結果の機能不良に抵抗するＲＦＩＤタグ５１であることを明記する必要があるかもしれない。別の実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、別個に組み立てられて、アイソレータ３０に装着される。ＲＦＩＤタグ５１がアイソレータ３０と一体的に形成されない実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、Ｍａｘｅｌｌ  ＭＥ−Ｙ２０００シリーズのＣｏｉｌ  ｏｎ  Ｃｈｉｐ  ＲＦＩＤシステムとし得る。
【００２４】
図２Ａは、例示的実施形態によるディスクポンプ１０の断面図である。図２Ａでは、ディスクポンプ１０は、エンドプレート１２、１３によって各端部が閉鎖されたシリンダー状壁１１を含む、実質的に楕円形状のディスクポンプ本体を含む。シリンダー状壁１１は、エンドプレート１３を形成する基板２８に装着され得る。基板２８は、プリント回路基板または別の好適な材料とし得る。ディスクポンプ１０は、さらに、ディスクポンプ本体のシリンダー状壁１１に付着されたアイソレータ３０（例えば、リング形状のアイソレータ）によってディスクポンプ１０内に支持される一対のディスク形状の内部プレート１４、１５を含む。シリンダー状壁１１、エンドプレート１２、内部プレート１４、およびアイソレータ３０の内部表面がディスクポンプ１０内にキャビティ１６を形成する。キャビティ１６の内部表面は側壁１８を含み、この側壁１８は、両端部が端壁２０、２２によって閉鎖されるシリンダー状壁１１の内面の第１の部分であり、端壁２０は、エンドプレート１２の内部表面であり、および端壁２２は、内部プレート１４の内部表面、およびアイソレータ３０の第１の側面を含む。それゆえ、端壁２２は、内部プレート１４の内面に対応する中心部分と、アイソレータ３０の内面に対応する周辺部分とを含む。ディスクポンプ１０およびその構成要素の形状は実質的に楕円形であるが、本明細書に開示する具体的な実施形態は、円形、楕円形状である。
【００２５】
シリンダー状壁１１およびエンドプレート１２、１３は、ディスクポンプ本体を含む単一の構成要素としても、または図２Ａに示すように別個の構成要素としてもよい。図２Ａの実施形態では、エンドプレート１３は、ディスクポンプ１０が装着されるプリント回路基板、アセンブリ基板、またはプリント配線アセンブリ（ＰＷＡ）とし得る別個の基板によって形成される。キャビティ１６の形状は実質的に円形であるが、キャビティ１６の形状はまた、より一般的には、楕円形とし得る。実質的に円形は、正円、ならびに円形形状の変形例、例えば楕円である物体を含み得る。図２Ａに示す実施形態では、キャビティ１６を画成する端壁２０は、全体的に円錐台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）として示す。別の実施形態では、キャビティ１６の内面を規定する端壁２０は、下記で説明するように、アクチュエータ４０に平行なほぼ平面を含み得る。円錐台面を含むディスクポンプは、国際公開第２００６／１１１７７５号パンフレットにより詳細に説明されており、この文献は、参照することにより本書に援用される。ディスクポンプ本体のエンドプレート１２、１３およびシリンダー状壁１１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、限定されるものではないが射出成形されたプラスチックを含むプラスチックを含む、任意の好適な剛体材料から形成され得る。
【００２６】
ディスクポンプ１０の内部プレート１４、１５は一緒にアクチュエータ４０を形成し、アクチュエータは、キャビティ１６の内部表面を形成する端壁２２の中心部分に動作可能に関連付けられる。内部プレート１４、１５の一方は、圧電材料で形成される必要があり、この圧電材料は、被印加電気信号に応答して歪みを生じる任意の電気的に活性の材料、例えば、電歪または磁歪材料を含み得る。好ましい一実施形態では、例えば、内部プレート１５は、被印加電気信号に応答して歪みを生じる圧電材料で形成される、すなわち、アクティブな内部プレートである。内部プレート１４、１５の他方は、好ましくは、アクティブな内部プレートと同様の曲げ剛性を有し、かつ圧電材料または電気的に不活性の材料、例えば金属やセラミックで形成し得る。この好ましい実施形態では、内部プレート１４は、アクティブな内部プレート１５と同様の曲げ剛性を有し、かつ電気的に不活性の材料、例えば金属やセラミックで形成し得る、すなわち、不活性内部プレートである。アクティブな内部プレート１５が電流によって励起されると、アクティブな内部プレート１５は、キャビティ１６の縦軸に対して径方向に伸び縮みする。内部プレート１５の伸び縮みによって内部プレート１４、１５は湾曲し、それにより、端壁２２に実質的に垂直な方向において、端壁２２に軸方向の撓みを引き起こす（図３Ａ参照）。
【００２７】
図示しない他の実施形態では、ディスクポンプ１０の特定の設計および向きに依存して上面または底面から、アクティブな内部プレート１５または不活性内部プレート１４に関わらず、アイソレータ３０は、内部プレート１４、１５のいずれか一方を支持し得る。別の実施形態では、アクチュエータ４０は、内部プレート１４、１５の一方とのみ力を伝達する装置、例えば、機械、磁気または静電装置などで置き換え得る。そのような実施形態では、内部プレートは、上記で説明したのと同じように、そのような装置（図示せず）によって振動させられる材料の、電気的に不活性なすなわち不動態層として形成し得る。
【００２８】
ディスクポンプ１０は、さらに、キャビティ１６からディスクポンプ１０の外側まで延びる少なくとも１つのアパーチャを含み、この少なくとも１つのアパーチャは、アパーチャを通る流体の流れを制御する弁を含む。アパーチャは、キャビティ１６内において、アクチュエータ４０が下記で詳細に説明するような圧力差を生成する任意の位置にあってよいが、図２Ａ〜２Ｂに示すディスクポンプ１０の一実施形態は、エンドプレート１２のほぼ中心に位置しかつエンドプレートを貫通して延びる出口アパーチャ２７を含む。アパーチャ２７は、少なくとも１つの端部弁２９を含む。好ましい一実施形態では、アパーチャ２７は、流体の流れを、矢印で示すように一方向に制限する端部弁２９を含むため、端部弁２９は、ディスクポンプ１０の出口弁の役目を果たす。端部弁２９を含むアパーチャ２７に言及する場合には、端部弁２９の外側、すなわち、ディスクポンプ１０のキャビティ１６の外側の開口部の部分を指す。
【００２９】
ディスクポンプ１０は、さらに、アクチュエータ４０を貫通して延びる少なくとも１つのアパーチャを含み、この少なくとも１つのアパーチャは、アパーチャを通る流体の流れを制御する弁を含む。アパーチャは、アクチュエータ４０が圧力差を生成する、アクチュエータ４０上の任意の位置にあってよい。しかしながら、図２Ａ〜２Ｂに示すディスクポンプ１０の例示的実施形態は、内部プレート１４、１５のほぼ中心に位置しかつ内部プレートを貫通して延びるアクチュエータアパーチャ３１を含む。アクチュエータアパーチャ３１は、流体の流れを、矢印で示すようなキャビティ１６への一方向に制限するアクチュエータ弁３２を含むため、アクチュエータ弁３２は、キャビティ１６への入口弁の役目を果たす。下記でより詳細に説明するように、アクチュエータ弁３２は、キャビティ１６への流体の流れを増強しかつ出口弁２９の動作を補うことによって、ディスクポンプ１０の出力を高める。
【００３０】
本明細書で説明するキャビティ１６の寸法は、側壁１８におけるキャビティ１６の高さ（ｈ）と、キャビティ１６の縦軸から側壁１８までの距離であるその半径（ｒ）との間の関係に関する、いくつかの不等式を満たす必要がある。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。
【００３１】
一実施形態では、キャビティ１６内の流体が気体であるときの、キャビティの半径対キャビティの高さの比（ｒ／ｈ）は、約１０〜約５０である。この例では、キャビティ１６の体積は約１０ｍｌとし得る。さらに、作動流体が、液体とは反対に気体である場合、ｈ２／ｒの比は、好ましくは約１０−６メートル〜約１０−７メートルの範囲とし得る。
【００３２】
さらに、本明細書で開示するキャビティ１６は、好ましくは、キャビティの半径（ｒ）、およびアクチュエータ４０が振動して端壁２２の軸方向変位を生成する周波数である動作周波数（ｆ）に関する、以下の不等式を満たす必要がある。不等式は以下の通りである：
2015513027.tif 000003
式中、キャビティ１６内の作動流体の音速（ｃ）は、上述の式で表わされるように、約１１５ｍ／秒の低速度（ｃｓ）〜約１，９７０ｍ／秒に等しい高速度（ｃｆ）の範囲としてもよく、および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％以内とし得る。キャビティ１６の径方向圧力振動の最低共振周波数は、好ましくは約５００Ｈｚ超である。
【００３３】
本明細書で開示するキャビティ１６が個別に、上記で特定した不等式を満たす必要があることが望ましいが、キャビティ１６の相対寸法は、同じ高さおよび半径を有するキャビティに限定されるべきではない。例えば、キャビティ１６は、異なる半径や高さを必要とする、わずかに異なる形状を有して異なる周波数応答を生じて、キャビティ１６が、所望の方法で共振して、ディスクポンプ１０からの最適な出力を生成するようにしてもよい。
【００３４】
動作時、ディスクポンプ１０は、負荷部３８を加圧するために、出口弁２９に隣接した正圧源の役目を、または、矢印で示すように、負荷部３８を減圧するために、アクチュエータ入口弁３２に隣接した負圧または減圧源の役目を果たし得る。例えば、負荷部は、治療のために負圧を用いる組織治療システムとし得る。本明細書では、用語「減圧」は、一般的に、ディスクポンプ１０が置かれている場所の周囲圧力を下回る圧力を指す。用語「真空」および「負圧」を用いて減圧を説明するが、実際の減圧は、通常完全な真空と連想される減圧を著しく下回り得る。圧力は、ゲージ圧であるという意味で「負」である、すなわち、圧力は、周囲大気圧未満に減圧される。他に指定のない限り、本明細書で述べる圧力の値はゲージ圧である。減圧の上昇への言及は、一般に絶対圧の低下を指す一方、減圧の低下は、一般に絶対圧の上昇を指す。
【００３５】
前述の通り、ディスクポンプ１０は、少なくとも１つのアクチュエータ弁３２および少なくとも１つの端部弁２９を含む。別の実施形態では、ディスクポンプ１０は、アクチュエータ４０の各側面に端部弁２９を有する２キャビティディスクポンプを含み得る。
【００３６】
図３Ａは、キャビティ１６の被駆動端壁２２の軸方向振動を示す、考えられる１つの変位プロファイルを示す。実線の曲線および矢印は、ある時点での被駆動端壁２２の変位を表し、および破線の曲線は、半サイクル後の被駆動端壁２２の変位を表す。この図および他の図に示すように、変位は誇張されている。アクチュエータ４０は、その外周において堅固に装着されておらず、その代わりにアイソレータ３０によって垂下されているため、アクチュエータ４０は、その基本モードにおいて、その質量中心の周りで自由に振動できる。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２２の中心と側壁１８との間に位置する環状変位節４２において実質的にゼロである。端壁２２の他の点での変位振動の振幅は、垂直矢印で示すように、ゼロを上回る。中心変位波腹４３がアクチュエータ４０の中心付近に存在し、かつ周辺変位波腹４３’がアクチュエータ４０の周辺付近に存在する。半サイクル後の中心変位波腹４３は、破線の曲線で表わされる。
【００３７】
図３Ｂは、図３Ａに示す軸方向変位振動によって生じたキャビティ１６内の圧力振動を示す、考えられる１つの圧力振動プロファイルを示す。実線の曲線および矢印は、ある時点での圧力を表す。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の側壁１８付近に周辺圧力波腹４５’を有する。圧力振動の振幅は、中心圧力波腹４５と周辺圧力波腹４５’との間の環状圧力節４４では実質的にゼロである。同時に、破線で表わされる圧力振動の振幅は、同じ環状圧力節４４で、周辺圧力波腹４７’およびキャビティ１６の中心付近の負の中心圧力波腹４７を有する。シリンダー状キャビティに関して、キャビティ１６における圧力振動の振幅の径方向依存性は、第１種ベッセル関数で近似され得る。上述の圧力振動は、キャビティ１６内の流体の径方向運動から生じるため、アクチュエータ４０の軸方向変位振動から区別するために、キャビティ１６内の流体の「径方向圧力振動」と呼ばれる。
【００３８】
さらに図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明すると、キャビティ１６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、より厳密に整合するように、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種ベッセル関数に近似する必要があることが分かる。アクチュエータ４０をその周囲において剛装着せず、かつその質量中心の周りでより自由に振動できるようにすることによって、変位振動のモード形は、キャビティ１６内の圧力振動のモード形に実質的に整合するため、整合するモード形、すなわちより単純に、モード整合を達成する。モード整合は、この点に関して常に完璧であるわけではないため、アクチュエータ４０の軸方向変位の振動、およびキャビティ１６内の対応する圧力振動は、アクチュエータ４０の全表面にわたって実質的に同じ相対位相を有し、キャビティ１６の圧力振動の環状圧力節４４の径方向位置、およびアクチュエータ４０の軸方向変位振動の環状変位節４２の径方向位置は、実質的に合致する。
【００３９】
アクチュエータ４０はその質量中心の周りで振動するため、環状変位節４２の径方向位置は、図３Ａに示すようにアクチュエータ４０がその基本曲げモードにおいて振動するとき、必然的に、アクチュエータ４０の半径内部に位置する。それゆえ、環状変位節４２を環状圧力節４４と確実に合致させるために、アクチュエータの半径（ｒａｃｔ）は、好ましくはモード整合を最適にするために、環状圧力節４４の半径を上回る必要がある。再度、キャビティ１６の圧力振動が第１種ベッセル関数に近似すると仮定すると、環状圧力節４４の半径は、端壁２２の中心から側壁１８までの半径、すなわち図２Ａに示すようなキャビティ１６の半径（「ｒ」）の約０．６３である。それゆえ、アクチュエータ４０の半径（ｒａｃｔ）は、好ましくは、以下の不等式を満たす：
ｒａｃｔ≧０．６３ｒ。
【００４０】
アイソレータ３０は可撓性膜とし、図３Ａの周辺変位波腹４３’の変位によって示すようなアクチュエータ４０の振動に応答した曲げおよび伸張によって、アクチュエータ４０の縁部が上述の通りより自由に動けるようにし得る。アイソレータ３０は、アクチュエータ４０とディスクポンプ１０のシリンダー状壁１１との間に低機械インピーダンス支持を提供することによって、アクチュエータ４０側壁１８の潜在的な減衰の影響を克服し、それにより、アクチュエータ４０の周辺変位波腹４３’における軸方向振動の減衰を減少させる。本質的に、アイソレータ３０は、アイソレータ３０の外周縁部によってアクチュエータ４０から側壁１８へ伝達されるエネルギーを最小限にし、実質的に静止したままである。それゆえ、環状変位節４２は、環状圧力節４４と実質的に位置合わせされたままとなり、ディスクポンプ１０のモード整合条件を維持する。それゆえ、図３Ｂに示すように、被駆動端壁２２の軸方向変位振動は、側壁１８において、中心圧力波腹４５、４７から周辺圧力波腹４５’、４７’まで、キャビティ１６内の圧力の振動を効率よく生成し続ける。
【００４１】
図４Ａは、ディスクポンプ１０のアイソレータ３０に装着された歪ゲージ５０を含む、ディスクポンプ１０の一部分の詳細な図である。図４Ａの実施形態では、アイソレータ３０はフレキシブルプリント回路材料を含む。歪ゲージ５０は、アイソレータ３０に取り付けられ、かつアクチュエータ４０の縁部の変位を計算するために使用され得る。機能的には、歪ゲージ５０は、アクチュエータ４０の縁部の変位を間接的に測定するので、基板２８にセンサーを設ける必要性が軽減される。この実施形態では、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０の歪み、すなわち変形を測定し、かつ測定されたアイソレータ３０の変形を使用して、アクチュエータ４０の縁部の変位を導き出す。そのようなものとして、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０を形成するフレキシブルプリント回路材料に組み込まれた金属パターンを含み得る。一実施形態では、歪ゲージ５０はアイソレータ３０に一体的であるため、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０が変形すると、変形する。別の実施形態では、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０の表面に付着される。歪ゲージ５０の変形によって、歪ゲージ５０の電気抵抗に変化を生じ、この変化を、例えば、ホイーストンブリッジを使用して測定し得る。電気抵抗の変化は、ゲージ率によってアイソレータ３０の変形に、それゆえ、アクチュエータ４０の変位に関係する。下記でより詳細に説明するように、アクチュエータ４０の縁部の変位、およびディスクポンプ１０の前後間での関連する圧力差は、歪ゲージ５０の電気抵抗の変化を解析することによって、判断できる。
【００４２】
一実施形態では、歪ゲージ５０はアイソレータ３０に一体的であり、かつ製造プロセスの最中にアイソレータ３０内に形成される。そのような実施形態では、歪ゲージ５０は、フレキシブルプリント回路基板材料のエッチングされた銅層に含まれる回路要素によって、形成され得る。しかしながら、別の実施形態では、歪ゲージ５０は別個に製造されて、ディスクポンプ１０の組み立て中にアイソレータ３０に取り付けられてもよい。
【００４３】
図４Ｂは、変形された状態の歪ゲージ５０を示すディスクポンプ１０のセクションの詳細な図である。図４Ａとは対照的に、図４Ｂの歪ゲージ５０の長さ（ｌ２）は、その非変形状態における歪ゲージ５０の初期長（ｌ１）を上回る。図４Ｃは、図４Ａに示すディスクポンプ１０の部分の側断面の詳細な図であり、および図４Ｄは、図４Ｂに示すディスクポンプ１０の部分の側断面の詳細な図である。図４Ｄに示すアイソレータ３０の部分の初期長（ｌ１）は公知であり、およびアイソレータの部分の変形された長さ（ｌ２）は、歪ゲージ５０の電気抵抗の変化を解析することにより、計算できる。アイソレータの非変形のおよび変形された寸法（ｌ１およびｌ２）が分かったら、アクチュエータ４０の縁部の変位（δｙ）を、直角三角形の３つの辺として３つの寸法（ｌ１、ｌ２およびδｙ）を考慮することにより、計算し得る。
【００４４】
アクチュエータ４０の縁部の変位（δｙ）は、圧電駆動信号に応答するアクチュエータ４０の曲げと、アクチュエータ４０の両側における圧力差から生じるアクチュエータ４０のバルク変位との双方に応じる。アクチュエータ４０の曲げから生じるアクチュエータ４０の縁部の変位は、ディスクポンプ１０の共振周波数に対応する高周波数で変化する。反対に、アクチュエータ４０の対向する側での圧力差から生じるアクチュエータ４０の縁部の変位、アクチュエータ４０の圧力関連の変位は、ディスクポンプ１０が負荷部３８に圧力を供給する（またはそこから圧力を除去する）ときに、遥かに漸進的に変化する準静的変位とみなされ得る。それゆえ、アクチュエータ４０の縁部の圧力関連の変位（δｙ）は、アクチュエータ４０の前後間での圧力差、および対応するディスクポンプ１０の前後間での圧力差と正相関する。
【００４５】
アクチュエータの前後にわたって圧力差が生じると、図２Ｂおよび図４Ｄに示すように、アクチュエータ４０に正味の力が加えられ、アクチュエータ４０の縁部を変位させる。正味の力は、アクチュエータ４０の一方の側の圧力が他方の側よりも高いことの結果である。アクチュエータ４０は、バネ定数（ｋ）を有する弾性材料から作製されたアイソレータ３０に装着されているため、アクチュエータ４０は、圧力関連の力に応答して動く。アクチュエータ４０を変位させるために必要とされる圧力関連の力（Ｆ）は、アイソレータ３０の材料のバネ定数（ｋ）と、アクチュエータ４０が変位される距離（δｙ）との関数である（例えば、Ｆ＝ｆ（ｋ，δｙ））。圧力関連の力（Ｆ）はまた、ディスクポンプ１０の前後にわたる圧力差（ΔＰ）と、アクチュエータ４０の表面積（Ａ）との関数として近似できる（Ｆ＝ｆ（ΔＰ，Ａ））。アイソレータ３０のバネ定数（ｋ）、およびアクチュエータ４０の表面積（Ａ）は定数であるため、圧力差は、アクチュエータ４０の縁部の圧力関連の変位の関数として決定できる（ΔＰ＝ｆ（δｙ，ｋ，Ａ））。例えば、非限定的な例示的一実施形態では、圧力関連の力（Ｆ）は、アクチュエータの縁部の変位の三乗（δｙ３）に比例すると決定し得る。さらに、アイソレータのバネ特性を線形であると説明するが、アクチュエータ４０の縁部の圧力関連の変位を、ディスクポンプシステム１００の前後にわたる圧力差と同等とみなすために、アイソレータの非線形のバネ特性も決定され得ることに留意されたい。
【００４６】
変位（δｙ）は、リアルタイムでまたは歪ゲージデータの特定のサンプリング周波数を使用して測定または計算され、基板２８に対するアクチュエータ４０の縁部の位置を決定し得る。一実施形態では、アクチュエータ４０の縁部の位置は、所与の期間にわたる平均的または平均位置として計算され、アクチュエータ４０の曲げから生じる変位（δｙ）を示す。その結果、ディスクポンプ１０のキャビティ１６内の減圧は、負荷部にもたらされた圧力を直接測定する圧力センサーを必要とせずに、アクチュエータ４０の縁部の変位（δｙ）を感知することによって決定し得る。これは、例えば減圧システム内のディスクポンプ１０によってもたらされた圧力を測定する応用には、圧力を直接測定する圧力センサーは嵩張りすぎるかまたは高価すぎるため、望ましいとし得る。例示的実施形態は、ディスクポンプ１０のキャビティ１６内で生じている圧力振動に干渉せずに、ディスクポンプ１０内の空間の利用を最適にする。図５Ａを参照して説明すると、図１Ａのディスクポンプ１０は、弁２９、３２を備えて示され、それら弁の双方とも、例えば、図７Ａ〜７Ｄに示される弁１１０で表わされる構造と実質的に同様であり、かつ図５Ｂに示す中心部分１１１を有する。図５〜９に関する以下の説明は、全て、ディスクポンプ１０のアパーチャ２７、３１のいずれか１つに位置決めされ得る単弁１１０の機能に基づく。図６は、図３Ｂに示すようなディスクポンプ１０内の流体の圧力振動をグラフで示す。弁１１０は、上述の通り、流体を一方向にのみ流れることができるようにする。弁１１０は、逆止弁、または流体を一方向にのみ流れることができるようにする任意の他の弁とし得る。いくつかの弁のタイプは、開位置と閉位置との間で切り替えることによって、流体の流れを調整し得る。そのような弁を、アクチュエータ４０によって生成された高周波数で動作させるために、弁２９、３２は、圧力変動の時間スケールよりも著しく短い時間スケールで開閉できるように、極めて速い応答時間を有する必要がある。弁２９、３２の一実施形態は、極めて軽量のフラップ弁を用いることによって、これを達成し、このフラップ弁は、低慣性であり、かつその結果、弁構造の前後にわたる相対圧力の変化に応答して素早く動くことができる。
【００４７】
図７Ａ〜Ｄおよび図５Ｂを参照して説明すると、弁１１０は、例示的実施形態によるディスクポンプ１０用の、そのようなフラップ弁である。弁１１０は、実質的にシリンダー状の壁１１２を含み、この壁はリング形状であり、かつ一方の端部において保持プレート１１４によって、および他方の端部においてシーリングプレート１１６によって閉鎖されている。壁１１２、保持プレート１１４、およびシーリングプレート１１６の内面は、弁１１０内にキャビティ１１５を形成する。弁１１０は、さらに、保持プレート１１４とシーリングプレート１１６との間であるがシーリングプレート１１６に隣接して配置される実質的に円形のフラップ１１７を含む。代替的な実施形態では、下記でより詳細に説明するように、円形フラップ１１７は、保持プレート１１４に隣接して配置されてもよく、この意味では、フラップ１１７は、シーリングプレート１１６または保持プレート１１４のいずれか一方に対して「片寄ら」されているとみなされる。フラップ１１７の周辺部分は、シーリングプレート１１６とリング形状の壁１１２との間に挟まれているため、フラップ１１７の動きは、フラップ１１７の表面に実質的に垂直な平面に制限される。代替的な実施形態では、そのような平面におけるフラップ１１７の動きはまた、シーリングプレート１１６または壁１１２のいずれかに直接取り付けられているフラップ１１７の周辺部分によって、またはリング形状の壁１１２内にぴったり適合しているフラップ１１７によって、拘束され得る。フラップ１１７の残りの部分は十分に可撓性があり、フラップ１１７の表面に実質的に垂直な方向に可動であるため、フラップ１１７のいずれかの表面に加えられる力が、フラップ１１７をシーリングプレート１１６と保持プレート１１４との間で動かす。
【００４８】
保持プレート１１４およびシーリングプレート１１６は双方とも、孔１１８および１２０をそれぞれ有し、それら孔は、各プレートを貫通して延びる。フラップ１１７はまた孔１２２を有し、これら孔は、保持プレート１１４の孔１１８と全体的に位置合わせされ、図５Ｂおよび図８Ａの破線矢印１２４で示すように流体が流れ得る通路を提供する。フラップ１１７の孔１２２はまた、保持プレート１１４の孔１１８と部分的に位置合わせされていてもよい、すなわち、部分的にのみ重なり合っている。孔１１８、１２０、１２２を、実質的に均一のサイズおよび形状であるとして示すが、本発明の範囲を限定することなく、それらは異なる直径を、または異なる形状を有してもよい。本発明の一実施形態では、図７Ｄにそれぞれ実線の円および破線の円で示すような孔１１８および１２０は、プレートの表面にわたって代替的なパターンを形成する。他の実施形態では、孔１１８、１２０、１２２は、破線矢印１２４の個々の組によって示すような個々の対の孔１１８、１２０、１２２の機能に関して弁１１０の動作に影響を与えずに、異なるパターンに配置し得る。孔１１８、１２０、１２２のパターンは、孔の数を増減させて、弁１１０を通る流体の総流量を必要に応じ制御するように設計し得る。例えば、孔１１８、１２０、１２２の数を増やして弁１１０の流れ抵抗を下げ、弁１１０の総流量を高め得る。
【００４９】
同様に図８Ａ〜８Ｃを参照すると、弁１１０の中心部分１１１は、フラップ１１７の面のいずれかに力が加えられるときにフラップ１１７がどのようにシーリングプレート１１６と保持プレート１１４との間で動くかを示している。フラップ１１７のいずれの面にも、フラップ１１７の片寄りに打ち勝つ力が加えられないとき、弁１１０は、「通常閉」位置にある。なぜなら、フラップ１１７が、シーリングプレート１１６に隣接して配置され、そこでは、フラップの孔１２２がシーリングプレート１１６の孔１１８とオフセット位置にあるまたは位置合わせされていないためである。この「通常閉」位置では、シーリングプレート１１６を通る流体の流れは、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、フラップ１１７の非穿孔部分によって実質的に遮断されているまたは覆われている。図５Ｂおよび図８Ａに示すように、フラップ１１７の片寄りに打ち勝ちかつフラップ１１７をシーリングプレート１１６から離して保持プレート１１４の方へ動かす圧力が、フラップ１１７のいずれかの側面に加えられるとき、弁１１０は、通常閉位置から、ある期間、すなわち、開時間遅延（Ｔｏ）にわたって「開」位置に動き、破線矢印１２４によって示す方向に流体が流れることができるようにする。図８Ｂに示すように圧力の方向が変化すると、フラップ１１７は、シーリングプレート１１６の方へ通常閉位置まで戻るように動かされる。これが発生すると、流体は、図８Ｃに示すようにフラップ１１７がシーリングプレート１１６の孔１２０を封止して、シーリングプレート１１６を通る流体の流れを実質的に遮断するまで、破線矢印１３２に示すように反対方向に短期間、すなわち、閉時間遅延（Ｔｃ）だけ流れる。本発明の他の実施形態では、フラップ１１７は、孔１１８、１２２が「通常開」位置に位置合わせされた状態で、保持プレート１１４に対して片寄らされ得る。この実施形態では、フラップ１１７に対して正圧を適用することによって、必然的に、フラップ１１７を「閉」位置に動かす。本明細書では、弁の動作に関する用語「封止」および「遮断」は、実質的な（しかし不完全な）封止または遮断が発生し、弁の流れ抵抗が、「開」位置におけるよりも「閉」位置において大きい場合を含むものとすることに留意されたい。
【００５０】
弁１１０の動作は、弁１１０の前後間での流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる。図８Ｂでは、差圧には、下向き矢印によって示すように負の値（−ΔＰ）が割り当てられている。差圧が負の値を有する（−ΔＰ）とき、保持プレート１１４の外表面の流圧は、シーリングプレート１１６の外表面の流圧を上回る。この負の差圧（−ΔＰ）は、上述のようにフラップ１１７を完全閉位置に追いやり、フラップ１１７は、シーリングプレート１１６に押し付けられてシーリングプレート１１６の孔１２０を遮断し、それにより、弁１１０を通る流体の流れを実質的に防止する。弁１１０の前後間での差圧が逆であり、図８Ａの上向き矢印で示すように正の差圧（＋ΔＰ）になる場合、フラップ１１７は、シーリングプレート１１６から離れて保持プレート１１４の方へ、開位置に動かされる。差圧が正の値（＋ΔＰ）を有するとき、シーリングプレート１１６の外表面の流圧は、保持プレート１１４の外表面の流圧を上回る。開位置では、フラップ１１７の動きによってシーリングプレート１１６の孔１２０の遮断状態を解除するため、流体は、破線矢印１２４によって示すように、それら孔、およびフラップ１１７および保持プレート１１４のそれぞれの位置合わせされた孔１２２および１１８を通って流れることができる。
【００５１】
弁１１０の前後間での差圧が、正の差圧（＋ΔＰ）から、図８Ｂの下向き矢印で示すような負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化するとき、流体は、破線矢印１３２で示すように、弁１１０を通って反対方向に流れ始め、それにより、フラップ１１７を、図８Ｃに示す閉位置の方に戻す。図８Ｂでは、フラップ１１７とシーリングプレート１１６との間の流圧は、フラップ１１７と保持プレート１１４との間の流圧を下回る。それゆえ、フラップ１１７は、矢印１３８で示すような正味の力を受け、それにより、シーリングプレート１１６の方へ向かうフラップ１１７の動きを加速し、弁１１０を閉鎖させる。このようにして、差圧の変化は、弁１１０の前後間での差圧の方向（すなわち、正または負）に基づいて、弁１１０を閉位置と開位置との間で反復させる。フラップ１１７は、弁１１０の前後間での差圧が適用されないとき、開位置において保持プレート１１４に対して片寄らされ得る、すなわち、弁１１０は、「通常開」位置にあることを理解されたい。
【００５２】
弁１１０の前後間での差圧が逆であり、図５Ｂおよび図８Ａに示すような正の差圧（＋ΔＰ）になるとき、片寄らされたフラップ１１７は、保持プレート１１４に対してシーリングプレート１１６から離れるように動かされ、開位置になる。この位置では、フラップ１１７の動きが、シーリングプレート１１６の孔１２０の遮断状態を解除するため、流体は、破線矢印１２４で示すように、それら孔、および位置合わせされた保持プレート１１４の孔１１８およびフラップ１１７の孔１２２を通って流れることができる。差圧が正の差圧（＋ΔＰ）から負の差圧（−ΔＰ）に戻るように変化するとき、流体は、弁１１０を通って反対方向に流れ始め（図８Ｂ参照）、それにより、フラップ１１７を閉位置の方に戻す（図８Ｃ参照）。それゆえ、キャビティ１６の圧力振動が弁１１０を通常閉位置と開位置との間で反復させるため、ディスクポンプ１０は、半サイクル毎に、弁１１０が開位置にあるときに減圧をもたらす。
【００５３】
前述の通り、弁１１０の動作は、弁１１０の前後間での流体の差圧（ΔＰ）の方向の変化に応じる。差圧（ΔＰ）は、保持プレート１１４の全表面にわたって実質的に均一であると仮定される。なぜなら、（１）保持プレート１１４の直径は、キャビティ１１５の圧力振動の波長に対して小さく、かつ（２）弁１１０は、キャビティ１６の中心付近に位置しており、そこでは、図６に示す正の中心圧力波腹４５の正の方形部分５５、および負の中心圧力波腹４７の負の方形部分６５で示すように、正の中心圧力波腹４５の振幅が比較的一定であるためである。それゆえ、弁１１０の中心部分１１１の前後にわたる圧力には、実質的に空間的変動が全くない。
【００５４】
図９は、さらに、正の値（＋ΔＰ）と負の値（−ΔＰ）との間で、時間的に変動する差圧を受けるときの弁１１０の動的動作を示す。実際には、弁１１０の前後間での差圧の時間依存性は、ほぼ正弦曲線とし得るが、弁１１０を横切る差圧の時間依存性は、図９Ａに示すように方形波で変化すると近似され、弁の動作の説明を容易にし得る。正の差圧５５が、正圧期間（ｔＰ＋）にわたって弁１１０の前後間に適用され、および負の差圧６５が、方形波の負圧期間（ｔＰ−）にわたって弁１１０の前後間に適用される。図９Ｂは、この時間的に変化する圧力に応答するフラップ１１７の動きを示す。差圧（ΔＰ）が負６５から正５５に切り替わるとき、弁１１０は開放し始め、かつ同様に上述したようにおよび図９Ｂのグラフに示すように、弁フラップ１１７が保持プレート１１４に適合するまで、開時間遅延（Ｔｏ）にわたって開放し続ける。その後差圧（ΔＰ）が正の差圧５５から負の差圧６５に戻るように切り替わるとき、弁１１０は閉鎖し始め、同様に上述したようにおよび図９Ｂに示すように、閉時間遅延（Ｔｃ）にわたって閉鎖し続ける。
【００５５】
保持プレート１１４およびシーリングプレート１１６は、著しく機械的に変形せずに、それらが受ける流体圧力振動に耐えられるように、十分に強固である必要がある。保持プレート１１４およびシーリングプレート１１６は、任意の好適な剛体材料、例えばガラス、シリコン、セラミック、または金属から形成し得る。保持プレート１１４およびシーリングプレート１１６の孔１１８、１２０は、化学エッチング、レーザ加工、機械式ドリル加工、粉体吹き付け、およびスタンピングを含む任意の好適なプロセスによって形成し得る。一実施形態では、保持プレート１１４およびシーリングプレート１１６は、厚さ１００〜２００ミクロンの鋼板から形成され、およびそこにある孔１１８、１２０は、化学エッチングによって形成される。フラップ１１７は、任意の軽量な材料、例えば金属またはポリマー薄膜から形成され得る。一実施形態では、２０ｋＨｚ以上の流体圧力振動が弁１１０の保持プレート側またはシーリングプレート側のいずれかに存在するとき、フラップ１１７は、厚さ１ミクロン〜２０ミクロンの薄いポリマーシートから形成し得る。例えば、フラップ１１７は、厚さが約３ミクロンの、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や液晶ポリマー薄膜から形成し得る。
【００５６】
ここで図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、弁２９および３２として弁１１０を用いる二弁ディスクポンプ１０の分解図が示されている。この実施形態では、アクチュエータ弁３２は、アクチュエータアパーチャ３１とディスクポンプ１０のキャビティ１６との間の空気の流れ２３２をゲートでコントロールする（図１０Ａ）一方、端部弁２９は、キャビティ１６とディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７との間の空気の流れをゲートでコントロールする（図１０Ｂ）。各図はまた、アクチュエータ４０が振動するときに、キャビティ１６内に生成された圧力を示す。弁２９および３２は双方とも、キャビティ１６の中心付近に位置し、そこでは、正および負の中心圧力波腹４５および４７の振幅はそれぞれ、正および負の方形部分５５および６５でそれぞれ示すように、比較的一定である。この実施形態では、弁２９および３２は双方とも、フラップ１１７によって示すように閉位置に片寄らされ、かつフラップ１１７’によって示すようにフラップ１１７が開位置に動かされると、上述のように動作する。図はまた、中心圧力波腹４５、４７の正および負の方形部分５５、６５の分解図、および両弁２９、３２の動作とそれぞれを通って生成された対応する空気の流れ２２９および２３２とにそれらが同時に与える影響を示す。
【００５７】
同様に、図１１、図１１Ａおよび図１１Ｂの関連部分を参照すると、弁２９および３２の開および閉状態（図１１）および、それぞれに得られた流れ特性（図１１Ａ）は、キャビティ１６の圧力（図１１Ｂ）に関連するとして示す。アクチュエータアパーチャ３１およびディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７は双方とも周囲圧力にあり、およびアクチュエータ４０が振動して、上述の通りキャビティ１６内に圧力振動を生成し始めると、代わりに、空気が弁２９、３２を通って流れ始める。その結果、空気がアクチュエータアパーチャ３１からディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７へ流れる、すなわち、ディスクポンプ１０は「自由流れ」モードで動作し始める。一実施形態では、ディスクポンプ１０のアクチュエータアパーチャ３１は、周囲圧力で空気が供給され得る一方、ディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７は、負荷部（図示せず）に空気力学的に結合され、それにより、ディスクポンプ１０の作用によって加圧される。別の実施形態では、ディスクポンプ１０のアクチュエータアパーチャ３１は、負荷部（図示せず）に空気力学的に結合され、それにより、ディスクポンプ１０の作用によって、創傷ドレッシングなどの負荷部に負圧を生成するように減圧され得る。
【００５８】
より具体的には図１０Ａ、および図１１、図１１Ａおよび図１１Ｂの関連部分を参照して説明すると、正の中心圧力波腹４５の方形部分５５は、上述のようにディスクポンプサイクルの半分の期間内にアクチュエータ４０の振動により、キャビティ１６内に生成される。アクチュエータアパーチャ３１およびディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７が双方とも周囲圧力にあるとき、正の中心波腹４５の方形部分５５は、端部弁２９の前後間に正の差圧を、およびアクチュエータ弁３２の前後間に負の差圧を生じる。その結果、アクチュエータ弁３２は閉鎖し始め、および端部弁２９は開放し始めるため、アクチュエータ弁３２は、アクチュエータアパーチャ３１を通る空気の流れ２３２ｘを遮断する一方、端部弁２９は開放して、キャビティ１６内から空気を放出し、空気の流れ２２９が、出口アパーチャ２７を通ってキャビティ１６から出ることができるようにする。アクチュエータ弁３２が閉じて端部弁２９が開くと（図１１）、ディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７における空気の流れ２２９は、端部弁２９（図１１Ａ）の設計特徴に依存して、最大値まで増える。開放した端部弁２９は、アクチュエータ弁３２が閉鎖されている間、空気の流れ２２９がディスクポンプキャビティ１６（図１１Ｂ）から出ることができるようにする。端部弁２９の前後間での正の差圧が低下し始めると、端部弁２９の前後間での差圧がゼロに到達するまで、空気の流れ２２９は減少し始める。端部弁２９の前後間での差圧がゼロを下回ると、端部弁２９は閉鎖し始め、図１０Ｂに示すように端部弁２９が完全に閉鎖して空気の流れ２２９ｘを遮断するまで、端部弁２９を通る、ある程度の空気の逆流３２９が可能になる。
【００５９】
より具体的には図１０Ｂを、および図１１、図１１Ａおよび図１１Ｂの関連部分を参照して説明すると、負の中心波腹４７の方形部分６５は、上述の通り、ディスクポンプサイクルの後半の期間内に、アクチュエータ４０の振動により、キャビティ１６内で生成される。アクチュエータアパーチャ３１およびディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７が双方とも周囲圧力にあるとき、負の中心波腹４７の方形部分６５は、端部弁２９の前後間に負の差圧を、およびアクチュエータ弁３２の前後間に正の差圧を生じる。その結果、アクチュエータ弁３２は開放し始め、および端部弁２９は閉鎖し始めるため、端部弁２９は、出口アパーチャ２７を通る空気の流れ２２９ｘを遮断する一方、アクチュエータ弁３２は開放して、アクチュエータアパーチャ３１を通る空気の流れ２３２によって示すように、空気がキャビティ１６に流入できるようにする。アクチュエータ弁３２は開き、かつ端部弁２９は閉じている（図１１）ため、ディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７における空気の流れは、上述のような（図１１Ａ）少量の逆流３２９を除いて、実質的にゼロである。開放したアクチュエータ弁３２によって、端部弁２９が閉鎖している間の、ディスクポンプキャビティ１６への空気の流れ２３２を可能にする（図１１Ｂ）。アクチュエータ弁３２の前後間での正の圧力差が低下し始めると、アクチュエータ弁３２の前後間での差圧がゼロに到達するまで、空気の流れ２３２は減少し始める。アクチュエータ弁３２の前後間での差圧がゼロ超に上昇すると、アクチュエータ弁３２は再び閉鎖し始め、図１０Ａに示すようにアクチュエータ弁３２が完全に閉鎖されて空気の流れ２３２ｘを遮断するまで、アクチュエータ弁３２を通る、ある程度の空気の逆流３３２を可能にする。その後、図１０Ａに関して上述した通りのサイクル自体を繰り返す。それゆえ、図１０Ａおよび図１０Ｂに関して上述したように２つの半サイクルの最中にディスクポンプ１０のアクチュエータ４０が振動するため、弁２９および３２の前後間での差圧によって、空気の流れ２３２、２２９によってそれぞれ示すように、空気を、アクチュエータアパーチャ３１からディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７まで流す。
【００６０】
場合によっては、ディスクポンプ１０のアクチュエータアパーチャ３１は周囲圧力に保持され、およびディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７は、負荷部に空気力学的に結合され、それによりディスクポンプ１０の作用によって加圧され、ディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７の圧力は、ディスクポンプ１０の出口アパーチャ２７が最大圧力に到達するまで上昇し始め、最大圧力に到達するときのアクチュエータアパーチャ３１から出口アパーチャ２７への空気の流れは無視できる程度である、すなわち「失速」条件となる。図１２は、ディスクポンプ１０が失速条件にあるときの、キャビティ１６内の圧力、およびアクチュエータアパーチャ３１におけるキャビティ１６の外側の圧力、および出口アパーチャ２７の圧力を示す。より具体的には、キャビティ１６内の平均圧力は、入口圧力を約１Ｐ上回り（すなわち周囲圧力を１Ｐ上回る）、かつキャビティ１６の中心の圧力は、ほぼ周囲圧力〜ほぼ周囲圧力プラス２Ｐで変動する。失速条件では、キャビティ１６の圧力振動が、入口弁３２または出口弁２９のいずれかにおいてもその前後間に十分な正の差圧を生じ、いずれかの弁を著しく開放して、ディスクポンプ１０を通るなんらかの空気の流れを可能にする時点はない。ディスクポンプ１０は２つの弁を用いるため、上述の２つの弁２９、３２の相乗作用によって、出口アパーチャ２７とアクチュエータアパーチャ３１との間の差圧を、最大差圧２Ｐまで大きくすることができ、これは、単弁ディスクポンプの最大差圧の２倍である。それゆえ、前段落で説明した条件下では、二弁ディスクポンプ１０の出口圧力は、ディスクポンプ１０が失速条件に達すると、自由流れモードの周囲圧力から、ほぼ周囲圧力プラス２Ｐの圧力まで高まる。
【００６１】
再度、図１および図１Ａ〜１Ｂを参照して説明すると、アクチュエータ４０の変位の計算方法は、上述の原理に従って用いられ得る。アイソレータ３０がフレキシブルプリント回路材料から形成される実施形態では、電子的要素がアイソレータ３０の構造に組み込まれ得る。一実施形態では、アイソレータは、歪ゲージ５０などのセンサーを含み、アイソレータ３０の性能、およびアクチュエータ４０の動きに関するデータを集める。センサーは、ＲＦＩＤタグ５１に結合されている。一実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、プロセッサを含むＷＩＳＰ装置である。ＷＩＳＰ装置はまた、同様にアイソレータ３０と一体的に形成されるかまたはその内部に埋め込まれるメモリおよび電源を含み得る。あるいは、アイソレータ３０は、センサーから、アイソレータ３０と一体的に形成されてもまたはそれに付着されてもいないリモートバスおよび他の電子デバイスへの、電気的結合を含み得る。他の電子デバイスは、リモートＲＦＩＤタグ、リモートプロセッサ、リモートメモリ、およびリモート電源を含み得る。リモート構成要素は、アイソレータ３０に隣接して、またはアイソレータ３０から離れた場所に配置され得る。
【００６２】
一実施形態では、センサーは、ディスクポンプ１０の性能パラメータを測定し、性能パラメータは、アクチュエータ４０の最大変位および平均的変位、および経時的にアイソレータ３０が受ける変形、または他のパラメータを含み得る。測定された性能パラメータは、リアルタイムでＲＦＩＤタグ５１に伝送され、さらに、リモート演算器に伝送される。
【００６３】
別の実施形態では、センサーは、性能パラメータを測定して、それを、アイソレータ３０に一体的なＷＩＳＰ  ＲＦＩＤタグ５１に通信する。そのような実施形態では、性能パラメータは、アイソレータ３０に配置されるメモリに記憶され、および周期的に、ＲＦＩＤタグ５１を介してリモート演算器に伝送される。リモート演算器は、図１３に関して説明するプロセッサ５６を含む演算器とし、ディスクポンプ１０を含むディスクポンプシステム１００の制御および動作を容易にし得る。
【００６４】
実施形態では、センサーは、アクチュエータ４０の縁部の変位を測定する歪ゲージ５０としてもよく、それにより、基板２８上にセンサーを含む必要性を低下させる。この実施形態では、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０の歪みを測定するために使用される装置であり、およびフレキシブルプリント回路材料に組み込まれる金属コイルパターンを含み得る。この実施形態では、歪ゲージ５０はアイソレータ３０に一体的であるため、歪ゲージ５０は、アイソレータ３０が変形すると、変形する。歪ゲージ５０の変形は、歪ゲージ５０の電気抵抗を変化させる。電気抵抗の変化は、アイソレータ３０の圧力関連の変形に、それゆえゲージ率によるアクチュエータ４０の変位に関係する。その結果、アクチュエータ４０の変位、およびディスクポンプ１０の前後間での関連の圧力差は、歪ゲージ５０を使用して判断できる。
【００６５】
別の実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１は、変位節においてアクチュエータ４０に配置され得る（上述）。そのような実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１からの信号の強度が、アクチュエータ４０の変位を判断するために、静止位置に配置されたリモートセンサーによって測定され得る。アクチュエータ４０の変位の測定値として信号強度を使用することにより、ＲＦＩＤタグ５１は、ディスクポンプ１０の前後間での関連の圧力差を判断できる。
【００６６】
図１３は、センサーおよびＲＦＩＤタグ５１を含むディスクポンプシステム１００の機能性を示すブロック図である。センサーは、例えば、上述の通りアクチュエータ４０の変位を測定するように動作可能な歪ゲージ５０とし得る。ディスクポンプシステム１００の一部として他のセンサーも使用し得る。ディスクポンプシステム１００はバッテリー６０を含み、ディスクポンプシステム１００に電力供給する。ディスクポンプシステム１００の要素は相互に接続され、かつワイヤ、パス、トレース、導線、および他の導電素子によって通信する。ディスクポンプシステム１００はまた、コントローラまたはプロセッサ５６およびドライバ５８を含む。プロセッサ５６は、ドライバ５８と通信するように適合されている。ドライバ５８は、プロセッサ５６から制御信号６２を受信するように機能する。ドライバ５８は駆動信号６４を生成し、この駆動信号は、第１のディスクポンプ１０内のアクチュエータ４０を作動させる。
【００６７】
上述の通り、アクチュエータ４０は、作動時、ディスクポンプ１０のキャビティ内に流体の径方向圧力振動を生成する圧電構成部品を含み、上述の通り、キャビティを通る流体の流れが、負荷部を加圧または減圧するようにし得る。径方向圧力振動を生成する圧電構成部品を使用する代わりとして、アクチュエータ４０は、静電または電磁駆動機構によって駆動され得る。
【００６８】
ディスクポンプ１０のアイソレータ３０は、フレキシブルプリント回路材料から形成され、かつ集積センサーを含み得る。任意選択的なセンサーを、プロセッサまたはバスを介してＲＦＩＤタグ５１に結合し得る。そのような実施形態では、ＲＦＩＤタグ５１およびプロセッサは、さらに、電力供給装置に結合される。ディスクポンプ１０が動作可能であるとき、またはディスクポンプ１０の弁の前後間に圧力差が生じるとき、ディスクポンプ１０のアイソレータ３０は、アクチュエータ４０の変位に従って変形される。例えば、アクチュエータ４０が休止位置から変位される場合、アイソレータ３０は、引張歪下になる。それゆえ、センサーが歪ゲージ５０である場合、センサーによって感知された電気抵抗は、アクチュエータ４０の変位を示す。そのようなものとして、センサーを使用して、アクチュエータ４０の変位およびアイソレータ３０の変形に関するデータを含む、ディスクポンプ１０の動作に関する性能データを測定し得る。測定されたデータは、ポンプが自由流れ状態で動作可能であるかまたは失速状態であるかに依存して、動的値または静的値を有し得る。自由流れ状態では、センサーは、ポンプによって生じた圧力差、またはアイソレータ３０の条件を決定するために使用できる動的性能データに戻り得る。例えば、性能データを使用して、経時的にディスクポンプ１０によって生成される最大圧力差、ならびにディスクポンプ１０が自由流れ条件から失速条件へ推移する、経時的な平均的圧力差を決定し得る。あるいは、センサーを使用して、静的条件における、すなわち、ディスクポンプ１０が停止しているときまたはポンプが失速条件に達したときの、ディスクポンプ１０の前後間での圧力差を決定し得る。
【００６９】
センサーによって測定された性能データは、ＲＦＩＤタグ５１を介してリモート演算器に転送される。ＲＦＩＤタグ５１からのデータの転送を容易にするために、ディスクポンプシステム１００は、ＲＦＩＤタグ５１からのＲＦＩＤ通信を受信する受信機または送受信機であるＲＦＩＤリーダ４９を含む。一実施形態では、ＲＦＩＤリーダ４９はまた、ＲＦＩＤタグ５１に無線で電力を供給し得る。送信された電力は、電力供給装置によって蓄積され、かつアイソレータ３０に配置された、ＲＦＩＤタグ５１、プロセッサ、メモリ、およびセンサーを含む装置に電力供給するために使用される。ＲＦＩＤタグ５１からＲＦＩＤリーダ４９へ送信されたデータは、ディスクポンプ１０のプロセッサ５６に送信される。
【００７０】
一実施形態では、プロセッサ５６は、制御信号６２および対応する駆動信号６４を調整するためにフィードバックとしてデータを使用し、負荷部３８の圧力を調整し得る。一実施形態では、プロセッサ５６は、例えば、上述のようなディスクポンプ１０において生成された圧力を示す受信データに応じて、ディスクポンプシステム１００によってもたらされる流量を計算する。
【００７１】
ディスクポンプシステム１００のプロセッサ５６、ドライバ５８、および他の制御回路を電子回路と称し得る。プロセッサ５６は、ディスクポンプ１０の機能性を制御できるようにする回路または論理とし得る。プロセッサ５６は、１つ以上のハードウェアおよびソフトウェア要素を含む電子デバイスの制御、ソフトウェア、命令、プログラム、およびアプリケーションの実行、信号および情報の変換および処理、および他の関連のタスクの実行に好適な、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、中央処理装置、デジタル論理または他の装置として機能し得るまたはそれらを含み得る。プロセッサ５６は、単一チップとしても、または他の計算または通信要素に組み込まれてもよい。一実施形態では、プロセッサ５６は、メモリを含んでも、またはそれと通信してもよい。メモリは、後で検索またはアクセスできるようにデータを記憶するように構成されたハードウェア要素、装置、または記録媒体とし得る。メモリは、データ、命令、および情報の記憶に好適なランダムアクセスメモリ、キャッシュ、または他の小型記憶媒体の形態の、スタティックまたはダイナミックメモリとし得る。代替的な実施形態では、電子回路は、上述の通り、圧力を測定しかつディスクポンプ１０のキャビティのアクチュエータ４０の変位を制御するために、同じまたは類似の機能を実行するように構成されたアナログ回路とし得る。
【００７２】
ディスクポンプシステム１００はまたＲＦ送受信機７０を含んでもよく、ＲＦ送受信機は、ＲＦ送受信機７０によって送受信された無線信号７２および７４を介して、例えば、流量、現在の圧力測定値、アクチュエータ４０の実変位（δｙ）、およびバッテリー６０の現在の寿命を含むディスクポンプシステム１００の性能に関する情報およびデータを通信する。一般的に、ディスクポンプシステム１００は、ＲＦ送受信機７０、赤外線、または他の有線または無線信号を含む通信用インターフェースを使用して、１つ以上の外部装置と通信し得る。ＲＦ送受信機７０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、ＷｉＭＡＸ、または他の通信規格または専用の通信システムを使用し得る。より具体的な使用に関しては、ＲＦ送受信機７０は、医療専門家が参照する圧力読み取り値のデータベースを記憶する計算装置に信号７２を送信し得る。計算装置は、コンピュータ、モバイル機器、または医療機器デバイスとし、これは、局所的に処理を実行し得る、または、情報およびデータの処理のためにさらに中央またはリモートコンピュータに情報を通信し得る。同様に、ＲＦ送受信機７０は、アクチュエータ４０の動きに基づいて、負荷部３８においてディスクポンプシステム１００によって生成された圧力を外部で調整するために、信号７２を受信し得る。
【００７３】
ドライバ５８は、アクチュエータ４０を作動させかつ制御する電気回路である。例えば、ドライバ５８は、駆動信号６４の一部として特定の波形を生成するための高電力トランジスタ、増幅器、ブリッジ、および／またはフィルタとし得る。上記で詳細に説明したように、そのような波形は、周波数（ｆ）の振動運動でアクチュエータ４０を振動させる駆動信号６４を提供するために、プロセッサ５６およびドライバ５８によって構成され得る。アクチュエータ４０の振動変位運動は、負荷部３８に圧力を生成する駆動信号６４に応答して、ディスクポンプ１０のキャビティ内に流体の径方向圧力振動を生成する。
【００７４】
別の実施形態では、ディスクポンプシステム１００は、使用者に情報を表示するユーザインターフェースを含み得る。ユーザインターフェースは、情報、データ、または信号を使用者に提供するために、ディスプレイ、音声インターフェース、または触覚インターフェースを含み得る。例えば、小型ＬＥＤスクリーンは、ディスクポンプシステム１００によって適用されている圧力を表示し得る。ユーザインターフェースはまた、ディスクポンプの性能、特に、生成される減圧を調整するために、ボタン、ダイアル、ノブ、または他の電気または機械的インターフェースを含み得る。例えば、圧力は、ユーザインターフェースの一部であるノブまたは他の制御要素を調整することによって、高められ得るまたは低下され得る。
【００７５】
上述の実施形態によれば、アイソレータ３０へのセンサーの実装によって、リモート圧力センサーがディスクポンプ１０のアクチュエータ４０の変位を測定する必要性をなくすことができる。測定された変位または他のデータを使用して、ディスクポンプ１０によって生成された圧力差を判断できる。フレキシブル回路材料によって形成されるアイソレータ３０にアクチュエータ４０を装着することによって、センサーおよび無線伝送システムをアイソレータ３０上に直接製造でき、かつ、例えば、アイソレータ３０の歪みを直接測定するために使用できる。測定されたアイソレータ３０の歪みを使用して、対応するアクチュエータ４０の縁部の変位を判断し、それにより、ディスクポンプ１０によって生成された差圧を計算できるようにし得る。センサーが歪ゲージ５０である場合、ディスクポンプ１０が負荷部３８に結合される前に、歪ゲージ５０のゼロの電気抵抗が測定されて、アクチュエータ４０の前後間での、外部で生成された、または前から存在する圧力差がないことを保証し得る。その後、ゼロの抵抗を、経時的な歪ゲージ５０の電気抵抗と比較して、アイソレータ３０における変化を検出する。一実施形態では、この歪ゲージデータを集めて、アイソレータ３０の条件を示し得る。例えば、アイソレータ３０の弾力性が低下していることを示す歪ゲージデータは、アイソレータ３０が摩耗したまたは損傷したことを示し得る。同様に、アクチュエータ４０への駆動信号の適用にもかかわらず、アイソレータ３０の歪みが少ないまたは変形が少ないことを示す歪ゲージデータは、アイソレータ３０の剥離などのポンプの欠損を示し得る。さらに、歪ゲージによって集められたデータを使用して測定できる圧力の変化の割合を使用して、ディスクポンプの流量を示し得る。
【００７６】
上記から、重要な利点を有する発明が提供されたことが明白である。その数例の形態のみで本発明を示すが、そのように限定されるものではなく、その趣旨から逸脱することなく、様々な変更および修正をなし得る。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ−６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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