特許 7597438 ポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】ポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 45/047 20060101AFI20241203BHJP

【ＦＩ】

F04B45/047 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020218021

(22)【出願日】2020-12-25

(65)【公開番号】P2022102939

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-12-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100173691

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 康久

(74)【代理人】

【識別番号】100137095

【弁理士】

【氏名又は名称】江部 武史

(72)【発明者】

【氏名】良井 優太

(72)【発明者】

【氏名】関口 力

(72)【発明者】

【氏名】稲本 繁典

(72)【発明者】

【氏名】高橋 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】児玉 大輔

(72)【発明者】

【氏名】栗田 大輔

【審査官】森 秀太

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／０２１５４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１４４０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４５６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－１６３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２０８５０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ４５／０４７

Ｈ０２Ｋ ７／１４

Ｆ０４Ｂ ４５／０４

Ｆ０４Ｂ ４９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交番電圧を印加することにより電磁駆動する振動アクチュエータと、
吸入口および吐出口に接続されている一対の密閉室と、
前記一対の密閉室の容積をそれぞれ変化させる複数の可動壁と、
前記振動アクチュエータ、前記一対の密閉室、および前記複数の可動壁を内部に収納する筐体と、
ユーザーの被測定部位に装着されるカフと、
前記カフ内の圧力を検出する圧力センサーと、を備え、
前記振動アクチュエータの駆動により前記複数の可動壁が変位して前記一対の密閉室内の空気が前記カフに供給され、
前記圧力センサーによって検出された前記カフ内の前記圧力に基づいて、前記振動アクチュエータの振幅が一定となるように前記交番電圧の実効値を制御し、
前記振動アクチュエータは、前記筐体内に設けられた軸部と、前記筐体に対して往復回転可能に、前記軸部によって支持されている可動体と、前記筐体および前記可動体の一方に固定された一対のコイルコア部と、前記筐体および前記可動体の他方に、前記コイルコア部とそれぞれ対向するように設けられた一対のマグネットと、を含むことを特徴とするポンプシステム。

【請求項2】

前記交番電圧の振幅を変化させることにより前記実効値を制御する請求項１に記載のポンプシステム。

【請求項3】

前記交番電圧は、矩形波であり、
前記交番電圧の振幅およびＤｕｔｙ比の少なくとも一方を変化させることにより前記実効値を制御する請求項１に記載のポンプシステム。

【請求項4】

前記振動アクチュエータは、前記カフ内の前記圧力によって共振周波数が変化する請求項１ないし３のいずれか一項に記載のポンプシステム。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか一項に記載のポンプシステムを備えることを特徴とする流体供給装置。

【請求項6】

交番電圧を印加することにより電磁駆動する振動アクチュエータと、
吸入口および吐出口に接続されている一対の密閉室と、
前記一対の密閉室の容積を変化させる複数の可動壁と、
前記振動アクチュエータ、前記一対の密閉室、および前記複数の可動壁を内部に収納する筐体と、
ユーザーの被測定部位に装着されるカフと、
前記カフ内の圧力を検出する圧力センサーと、を備え、
前記振動アクチュエータの駆動により前記複数の可動壁が変位して前記一対の密閉室内の空気が前記カフに供給されるポンプシステムの駆動制御方法であって、
前記圧力センサーによって検出された前記カフ内の前記圧力に基づいて、前記振動アクチュエータの振幅が一定となるように前記交番電圧の実効値を制御し、
前記振動アクチュエータは、前記筐体内に設けられた軸部と、前記筐体に対して往復回転可能に、前記軸部によって支持されている可動体と、前記筐体および前記可動体の一方に固定された一対のコイルコア部と、前記筐体および前記可動体の他方に、前記コイルコア部とそれぞれ対向するように設けられた一対のマグネットと、を含むことを特徴とするポンプシステムの駆動制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に記載の給水装置では、モータポンプの回転数の最適値が圧力に対して異なっているため、各圧力に対して最適な回転数となるようにモータポンプに供給する電圧を調整する。また、特許文献２に記載のポンプ制御装置では、事前に行ったポンプ性能の測定と、配管等に取り付けた状態でのポンプ性能の測定結果とに基づいて所望の流量を得るのに必要な必要回転数を予測し、予測した必要回転数とするのに必要な電圧を演算、出力する。また、特許文献３に記載のポンプユニットでは、小型のモータで高圧力と高流量のそれぞれに対応できるように容積の異なる２つのポンプ部を設け、圧力の状態によってポンプ部を切り替える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－０３１０７８号公報

【文献】特開２００１－３４２９６６号公報

【文献】特開２００４－０１１５９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１では、電圧によってモータの回転数が変化するため、回転数の変化によって引き起こされるデバイスの共振現象による異音、故障等に対する対応が必要となる。そのため、デバイスが複雑な構成となる。また、特許文献２では、必要な電圧を演算、出力するのに複数の演算が必要となる。そのため、デバイス、特に回路構成が煩雑な構成となる。また、特許文献３では、複数のポンプ部と、これら複数のポンプ部を切り替える機構とが必要となる。そのため、デバイスが大型化すると共に、複雑な構成となる。

【0005】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、優れた流量特性を発揮することのできるポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

このような目的は、以下の（１）～（６）の本発明により達成される。

【0007】

（１） 交番電圧を印加することにより電磁駆動する振動アクチュエータと、
吸入口および吐出口に接続されている一対の密閉室と、
前記一対の密閉室の容積をそれぞれ変化させる複数の可動壁と、
前記振動アクチュエータ、前記一対の密閉室、および前記複数の可動壁を内部に収納する筐体と、
ユーザーの被測定部位に装着されるカフと、
前記カフ内の圧力を検出する圧力センサーと、を備え、
前記振動アクチュエータの駆動により前記複数の可動壁が変位して前記一対の密閉室内の空気が前記カフに供給され、
前記圧力センサーによって検出された前記カフ内の前記圧力に基づいて、前記振動アクチュエータの振幅が一定となるように前記交番電圧の実効値を制御し、
前記振動アクチュエータは、前記筐体内に設けられた軸部と、前記筐体に対して往復回転可能に、前記軸部によって支持されている可動体と、前記筐体および前記可動体の一方に固定された一対のコイルコア部と、前記筐体および前記可動体の他方に、前記コイルコア部とそれぞれ対向するように設けられた一対のマグネットと、を含むことを特徴とするポンプシステム。

【0008】

（２） 前記交番電圧の振幅を変化させることにより前記実効値を制御する上記（１）に記載のポンプシステム。

【0009】

（３） 前記交番電圧は、矩形波であり、
前記交番電圧の振幅およびＤｕｔｙ比の少なくとも一方を変化させることにより前記実効値を制御する上記（１）に記載のポンプシステム。

【0011】

（４） 前記振動アクチュエータは、前記カフ内の前記圧力によって共振周波数が変化する上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のポンプシステム。

【0012】

（５） 上記（１）ないし（４）のいずれかに記載のポンプシステムを備えることを特徴とする流体供給装置。

【0013】

（６） 交番電圧を印加することにより電磁駆動する振動アクチュエータと、
吸入口および吐出口に接続されている一対の密閉室と、
前記一対の密閉室の容積を変化させる複数の可動壁と、
前記振動アクチュエータ、前記一対の密閉室、および前記複数の可動壁を内部に収納する筐体と、
ユーザーの被測定部位に装着されるカフと、
前記カフ内の圧力を検出する圧力センサーと、を備え、
前記振動アクチュエータの駆動により前記複数の可動壁が変位して前記一対の密閉室内の空気が前記カフに供給されるポンプシステムの駆動制御方法であって、
前記圧力センサーによって検出された前記カフ内の前記圧力に基づいて、前記振動アクチュエータの振幅が一定となるように前記交番電圧の実効値を制御し、
前記振動アクチュエータは、前記筐体内に設けられた軸部と、前記筐体に対して往復回転可能に、前記軸部によって支持されている可動体と、前記筐体および前記可動体の一方に固定された一対のコイルコア部と、前記筐体および前記可動体の他方に、前記コイルコア部とそれぞれ対向するように設けられた一対のマグネットと、を含むことを特徴とするポンプシステムの駆動制御方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明のポンプシステムでは、振動アクチュエータの振幅が一定となるように交番電圧の実効値を制御する。そのため、対象物内の圧力上昇に伴う振幅の低下が阻止され、優れた流量特性を発揮することができるポンプシステムとなる。

【0015】

また、本発明の流体供給装置は、上述のポンプシステムを備える。そのため、ポンプシステムの効果を享受することができ、優れた流量特性を発揮することができる流体供給装置となる。

【0016】

本発明のポンプシステムの駆動制御方法では、振動アクチュエータの振幅が一定となるように交番電圧の実効値を制御する。そのため、対象物内の圧力上昇に伴う振幅の低下が阻止され、ポンプシステムに優れた流量特性を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】好適な実施形態に係る電子血圧計の全体構成を示す斜視図である。

【図2】ポンプの断面図である。

【図3】図２に示すポンプの駆動原理を示す断面図である。

【図4】図２に示すポンプの駆動原理を示す断面図である。

【図5】振動アクチュエータが有するばね系を示す模式図である。

【図6】駆動周波数と振幅との関係を示すグラフである。

【図7】駆動周波数と流量との関係を示すグラフである。

【図8】密閉室内の圧力と振幅との関係を示すグラフである。

【図9】密閉室内の圧力と流量との関係を示すグラフである。

【図10】密閉室内の圧力と振幅との関係を示すグラフである。

【図11】密閉室内の圧力と流量との関係を示すグラフである。

【図12】交番電圧の波形の一例を示す図である。

【図13】交番電圧の波形の一例を示す図である。

【図14】交番電圧の波形の一例を示す図である。

【図15】交番電圧の波形の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明のポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

【0019】

図１は、好適な実施形態に係る電子血圧計の全体構成を示す斜視図である。図２は、ポンプの断面図である。図３は、図２に示すポンプの駆動原理を示す断面図である。図４は、図２に示すポンプの駆動原理を示す断面図である。図５は、振動アクチュエータが有するばね系を示す模式図である。図６は、駆動周波数と振幅との関係を示すグラフである。図７は、駆動周波数と流量との関係を示すグラフである。図８は、密閉室内の圧力と振幅との関係を示すグラフである。図９は、密閉室内の圧力と流量との関係を示すグラフである。図１０は、密閉室内の圧力と振幅との関係を示すグラフである。図１１は、密閉室内の圧力と流量との関係を示すグラフである。図１２ないし図１５は、それぞれ、交番電圧の波形の一例を示す図である。なお、以下では、説明の便宜上、図２ないし図４中の紙面上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。

【0020】

図１に、流体供給装置としての電子血圧計１を示す。電子血圧計１は、カフ２と、本体３と、カフ２と本体３とを接続する給排気用のチューブ４とを有する。カフ２は、被験者の被測定部位、例えば腕に装着され、本体３からの流体供給により内部にある袋体が膨らんで被測定部位を圧迫する。本体３は、カフ２（対象物）内の圧力を測定し、その測定結果に基づいて被験者の血圧を算出する。前記流体としては、特に限定されず、液体であっても気体であってもよいが、気体であることが好ましい。以下では、説明の便宜上、前記流体を空気として説明する。

【0021】

一般的なオシロメトリック法に従って血圧を測定する場合、次のようにする。まず、被験者の被測定部位にカフ２を巻き付ける。そして、血圧測定時には、本体３からカフ２内に空気を供給してカフ２内の圧力（カフ圧）を最高血圧より高くする。その後徐々に減圧し、この過程においてカフ２内の圧力を本体３で検出し、被測定部位の動脈で発生する動脈容積の変動を脈波信号として取り出す。その時のカフ圧の変化に伴う脈波信号の振幅の変化、主に立ち上がりと立ち下がりに基づいて最高血圧（収縮期血圧）および最低血圧（拡張期血圧）を算出する。ただし、血圧測定方法としては特に限定されない。例えば、オシロメトリック法と共に一般的に使用されているリバロッチ・コロトコフ法を用いてもよい。

【0022】

図１に示すように、本体３には、カフ２内の圧力を検出する圧力センサー１００が設けられている。また、本体３には、カフ２に空気を供給するポンプ５と、圧力センサー１００からの出力信号に基づいてカフ２内の圧力を検出し、検出したカフ２内の圧力に基づいてポンプ５の駆動を制御する制御装置６とを備えたポンプシステム１０が設けられている。

【0023】

図２に示すように、ポンプ５は、筐体７と、振動アクチュエータ８と、ポンプ部９とを有する。

【0024】

振動アクチュエータ８は、軸部８１と、軸部８１を介して筐体７に可動自在に支持された可動体８２と、筐体７に固定された一対のコイルコア部８５、８６とを有する。

【0025】

可動体８２は、長尺であり、その中央部において軸部８１を介して筐体７に接続されている。そのため、可動体８２は、筐体７に対して軸部８１を中心としてシーソーのように往復回転する。

【0026】

可動体８２の両端部にはマグネット８３、８４が設けられている。これらマグネット８３、８４は、軸部８１に対して対称的に配置されている。また、マグネット８３、８４は、コイルコア部８５、８６と対向する円弧状の磁極面８３１、８４１を有する。磁極面８３１、８４１にはＳ極とＮ極とが円弧方向に沿って交互に配置されている。これらマグネット８３、８４は、永久磁石であり、例えば、Ｎｄ焼結マグネット等により構成されている。

【0027】

可動体８２には可動体８２が往復回転した際にポンプ部９を押圧する押圧子８７、８８が設けられている。これら押圧子８７、８８は、軸部８１に対して対称的に配置されている。押圧子８７は、軸部８１とマグネット８３との間に配置され、可動体８２の幅方向両側（図２中上下方向両側）に突出している。また、押圧子８８は、軸部８１とマグネット８４との間に配置され、可動体８２の幅方向両側（図２中上下方向両側）に突出している。

【0028】

コイルコア部８５、８６は、可動体８２の両側に配置され、コイルコア部８５がマグネット８３の磁極面８３１と対向し、コイルコア部８６がマグネット８４の磁極面８４１と対向している。これらコイルコア部８５、８６は、軸部８１に対して対称的に配置されている。

【0029】

コイルコア部８５は、コア部８５１と、コア部８５１に巻回されたコイル８５９とを有する。また、コア部８５１は、コイル８５９が巻回された芯部８５２と、芯部８５２の両端から延出した一対のコア磁極８５３、８５４とを有する。また、コア磁極８５３、８５４は、マグネット８３の磁極面８３１と対向する磁極面８５３ａ、８５４ａを有する。また、磁極面８５３ａ、８５４ａは、それぞれ、マグネット８３の磁極面８３１に倣って円弧状に湾曲している。また、コイル８５９は、制御装置６に接続されており、制御装置６から交番電圧Ｅが印加されることにより、コア磁極８５３、８５４を励磁する。

【0030】

コイルコア部８６は、コア部８６１と、コア部８６１に巻回されたコイル８６９とを有する。また、コア部８６１は、コイル８６９が巻回された芯部８６２と、芯部８６２の両端から延出した一対のコア磁極８６３、８６４とを有する。また、コア磁極８６３、８６４は、マグネット８４の磁極面８４１と対向する磁極面８６３ａ、８６４ａを有する。また、磁極面８６３ａ、８６４ａは、それぞれ、マグネット８４の磁極面８４１に倣って円弧状に湾曲している。また、コイル８６９は、制御装置６に接続されており、制御装置６から交番電圧Ｅが印加されることによりコア磁極８６３、８６４を励磁する。

【0031】

コア部８５１、８６１は、それぞれ、コイル８５９、８６９への通電により磁化する磁性体であり、例えば、電磁ステンレス、焼結材、ＭＩＭ（メタルインジェクションモールド）材、積層鋼板、電気亜鉛メッキ鋼板（ＳＥＣＣ）等により構成されている。

【0032】

ポンプ部９は、軸部８１に対して上下左右に分かれて４つ配置されている。具体的には、２つのポンプ部９が一方の押圧子８７を介して上下に対向配置され、残りの２つのポンプ部９が他方の押圧子８８を介して上下に対向配置されている。これら４つのポンプ部９は、互いに同様の構成であり、それぞれ、密閉室９１と、可動壁９２とを有する。

【0033】

密閉室９１は、外部から空気を吸入する吸入口９８と、密閉室９１内の空気を吐出する吐出口９９とに接続されている。なお、本実施形態では、可動体８２に対して上側に位置する２つの密閉室９１が１つの吐出口９９を共有し、可動体８２に対して下側に位置する２つの密閉室９１が１つの吐出口９９を共有している。

【0034】

可動壁９２は、密閉室９１の一部を構成している。可動壁９２は、押圧子８７、８８で押圧されることにより変位し、密閉室９１内の容積を変化させる。可動壁９２の変位により密閉室９１内の容積が減少すると、密閉室９１内の空気が吐出口９９から吐出され、反対に、密閉室９１内の容積が増加すると、吸入口９８から密閉室９１内に空気が流入する。このような密閉室９１内の容積の減少と増加とが繰り返されることにより吐出口９９から連続的に空気が吐出される。可動壁９２は、例えば、ダイヤフラムであり、弾性変形可能な材料により形成されている。また、可動壁９２は、押圧子８７、８８が挿入される挿入部９２１を有し、挿入部９２１を介して押圧子８７、８８と接続されている。

【0035】

また、密閉室９１と吸入口９８との間にはバルブ９３が設けられている。バルブ９３は、吸入口９８から密閉室９１への空気の吸入を許容し、密閉室９１から吸入口９８への空気の吐出を規制する。また、密閉室９１と吐出口９９との間にはバルブ９４が設けられている。バルブ９４は、密閉室９１から吐出口９９の空気の吐出を許容し、吐出口９９から密閉室９１への空気の吸入を規制する。これにより、空気の吸引と吐出とをより確実にかつより効率的に行うことができる。

【0036】

図１に示すように、制御装置６は、圧力センサー１００の出力信号に基づいてカフ２内の圧力を検出する圧力検出部６２と、圧力検出部６２が検出したカフ２内の圧力に基づいて振動アクチュエータ８の駆動を制御する駆動制御部６１とを有する。このような制御装置６は、例えば、コンピューターで構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行する。

【0037】

以上、電子血圧計１の構成について説明した。次に、ポンプ５の駆動について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、４つのポンプ部９を「ポンプ部９Ａ」、「ポンプ部９Ｂ」、「ポンプ部９Ｃ」および「ポンプ部９Ｄ」として区別する。

【0038】

駆動制御部６１からコイル８５９、８６９に交流電圧Ｅを印加すると、ポンプ５は、図３に示すように可動体８２が一方側に回転する第１状態と、図４に示すように可動体８２が他方側に回転する第２状態とを繰り返して駆動する。図３に示す第１状態では、コア磁極８５３、８６４がそれぞれＮ極に励磁し、コア磁極８５４、８６３がそれぞれＳ極に励磁している。反対に、図４に示す第２状態では、コア磁極８５３、８６４がそれぞれＳ極に励磁し、コア磁極８５４、８６３がそれぞれＮ極に励磁している。

【0039】

第１状態では、マグネット８３、８４とコイルコア部８５、８６との間に作用する磁力（吸引力・反発力）により矢印方向のトルクＦ１が発生し、トルクＦ１の方向に可動体８２が回転する。これにより、ポンプ部９Ａ、９Ｄでは押圧子８７、８８によって可動壁９２が押圧され、密閉室９１内の容積が減少し、密閉室９１内の空気が吐出口９９から吐出される。そして、吐出された空気がチューブ４を介してカフ２内に供給され、カフ２内の圧力が上昇する。反対に、ポンプ部９Ｂ、９Ｃでは密閉室９１内の容積が増加し、吸入口９８から密閉室９１内に空気が流入する。

【0040】

第２状態では、マグネット８３、８４とコイルコア部８５、８６との間に作用する磁力（吸引力・反発力）によりトルクＦ１とは反対方向のトルクＦ２が発生し、トルクＦ２の方向に可動体８２が回転する。これにより、ポンプ部９Ｂ、９Ｃでは押圧子８７、８８によって可動壁９２が押圧され、密閉室９１内の容積が減少し、密閉室９１内の空気が吐出口９９から吐出される。そして、吐出された空気がチューブ４を介してカフ２内に供給され、カフ２内の圧力が上昇する。反対に、ポンプ部９Ａ、９Ｄでは密閉室９１内の容積が増加し、吸入口９８から密閉室９１内に空気が流入する。

【0041】

このように、第１状態と第２状態とを交互に繰り返すと、ポンプ部９Ａ、９Ｄから空気が吐出される状態と、ポンプ部９Ｂ、９Ｃから空気が吐出される状態とが交互に繰り返され、ポンプ５から空気が連続的に吐出される。そのため、カフ２に対して効率よく空気を供給することができ、カフ２内の圧力をスムーズに上昇させることができる。

【0042】

以上、ポンプ５の駆動について説明した。次に、ポンプ５の駆動原理について説明する。振動アクチュエータ８は、下記式（１）に示す運動方程式および下記式（２）に示す回路方程式に基づいて駆動する。

【0043】

【数1】

【0044】

【数2】

【0045】

このように、可動体８２の慣性モーメントＪ［Ｋｇ＊ｍ^２］、変位角（回転角度）θ（ｔ）［ｒａｄ］、トルク定数Ｋｔ［Ｎｍ／Ａ］、電流ｉ（ｔ）［Ａ］、ばね定数Ｋｓｐ［Ｎ／ｍ］、減衰係数Ｄ［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］等は、それぞれ、式（１）を満たす範囲内において適宜設定することができる。同様に、電圧ｅ（ｔ）［Ｖ］、抵抗Ｒ［Ω］、インダクタンスＬ［Ｈ］、逆起電力定数Ｋｅ［Ｖ／（ｍ／ｓ）］は、それぞれ、式（２）を満たす範囲内において適宜設定することができる。

【0046】

また、ポンプ５では、下記式（３）により流量が設定され、下記式（４）により圧力が設定される。

【0047】

【数3】

【0048】

【数4】

【0049】

このように、ポンプ５における流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］、ピストン面積Ａ［ｍ^２］、ピストン変位ｘ［ｍ］、駆動周波数ｆ［Ｈｚ］等は、それぞれ、式（３）を満たす範囲内において適宜設定することができる。また、増加圧力Ｐ［ｋＰａ］、大気圧Ｐ０［ｋＰａ］、密閉室体積Ｖ［ｍ^３］、変動体積ΔＶ［ｍ^３］等は、それぞれ、式（４）を満たす範囲内において適宜設定することができる。

【0050】

次に、振動アクチュエータ８の共振周波数について説明する。図５に示すように、振動アクチュエータ８は、コイルコア部８５、８６およびマグネット８３、８４の間に作用する磁力により形成される磁気ばねＢ１と、密閉室９１内の圧縮空気の弾力により形成される空気ばね（流体ばね）Ｂ２とにより可動体８２を支持するバネマス系構造を有する。したがって、可動体８２は、下記式（５）に示す共振周波数ｆｒを有する。

【0051】

【数5】

【0052】

さらに、ばね定数Ｋ_ｓｐは、下記式（６）に示すように、磁気ばねＢ１や可動壁９２の弾性Ｂ３を含む振動アクチュエータ８自体のばね定数Ｋ_ＡＣＴと、空気ばねＢ２のばね定数Ｋ_Ａｉｒとの和で表される。

【0053】

【数6】

【0054】

上記式（５）および式（６）から分かるように、振動アクチュエータ８では、密閉室９１内の圧力（カフ２内の圧力）によって空気ばねＢ２のばね定数Ｋ_Ａｉｒが変化し、それに伴って可動体８２の共振周波数ｆｒが変化する。

【0055】

次に、共振周波数ｆｒの変化に起因した振動アクチュエータ８の振幅Ｙおよびポンプ５から吐出される空気の流量Ｑの変動について説明する。なお、以下では説明の便宜上、カフ２内の圧力を最大で５０ｋＰａまで高めることができるポンプ５について代表して説明する。ただし、圧力の最大値としては、特に限定されず、求められる条件に適合するように適宜設定することができる。また、前述したように、カフ２と密閉室９１とはチューブ４を介して接続されているため、これらが同じ圧力となる。そのため、「密閉室９１内の圧力」と「カフ２内の圧力」とは、同義である。

【0056】

図６に、カフ２内の圧力が０ｋＰａ～５０ｋＰａのときの駆動周波数ｆと振幅Ｙとの関係を示す。また、図７に、カフ２内の圧力が０ｋＰａ～５０ｋＰａのときの駆動周波数ｆと流量Ｑとの関係を示す。なお、駆動周波数ｆは、交番電圧Ｅの周波数である。また、図６および図７では交番電圧Ｅの電圧値や波形は一定であり、駆動周波数ｆだけを変化させている。図６では、振幅Ｙが最大となる駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒとほぼ一致している。また、図７では、流量Ｑが最大となる駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒとほぼ一致している。このように、図６および図７からも、カフ２内の圧力によって共振周波数ｆｒが変化することが分かる。ただし、図６および図７に示す関係は一例であり、本発明がこの関係に限定されることはない。

【0057】

図８に、駆動周波数ｆ＝ｆｎでの密閉室９１の内圧と振幅Ｙとの関係を示す。また、図９に、駆動周波数ｆ＝ｆｎでの密閉室９１の内圧と流量Ｑとの関係を示す。図８および図９から、カフ２内の圧力によって振幅Ｙが変動し、それに伴って流量Ｑが変動することが分かる。具体的には、カフ２内の圧力が高まる程、振幅Ｙが低下し、それに伴って流量Ｑが低下することが分かる。これは、カフ２内の圧力上昇に伴って共振周波数ｆｒが高まる中で、駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒに近づく程、振幅Ｙが大きくなって流量Ｑが増加し、反対に、駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒから遠ざかる程、振幅Ｙが小さくなって流量Ｑが減少することを表している。

【0058】

このように、カフ２内の圧力が高まるに連れて流量Ｑが低下してしまうと、流量Ｑが安定せず、また、高圧域においてカフ２内に十分な量の空気を供給することができない。そのため、カフ２内の圧力をスムーズに上昇させることができない。このように、カフ２内の圧力に関係なく一定の交番電圧Ｅを印加する方法では、優れた流量特性を有するポンプ５にはならない。

【0059】

これに対して、カフ２内の圧力の上昇に伴う振幅Ｙの減少を抑制し、０ｋＰａ～５０ｋＰａの間で常に十分に大きい振幅Ｙで振動アクチュエータ８を振動させることができれば、上述のような流量Ｑの低下が抑制され、流量Ｑが安定し、高圧域においてもカフ２内に十分な量の空気を供給することができる。そこで、本実施形態では、０ｋＰａ～５０ｋＰａの全範囲において十分に大きい振幅Ｙが維持されるように、交番電圧Ｅの実効値を制御する。以下、このことについて説明する。

【0060】

まず、前提として、ポンプ５の駆動中、駆動周波数ｆは、一定である。駆動周波数ｆとしては、特に限定されないが、例えば、次のように決定することができる。駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒに近い程、振幅Ｙが大きくなり流量Ｑが増加する。さらには、駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒに近い程、共振駆動に近づき、振動アクチュエータ８の省電力駆動が可能となる。そのため、０ｋＰａ～５０ｋＰａの間における共振周波数ｆｒの最小値と最大値との間に位置する周波数を駆動周波数ｆに設定することが好ましい。つまり、図６および図７で示す例においては、０ｋＰａでの共振周波数ｆｒと、５０ｋＰａでの共振周波数ｆｒとの間に位置する周波数を駆動周波数ｆに設定することが好ましい。これにより、０ｋＰａ～５０ｋＰａの間で駆動周波数ｆと共振周波数ｆｒとの差を小さく抑えることができ、上述の効果を得やすくなる。このような理由から、上述の説明では、駆動周波数ｆ＝ｆｎとしている。

【0061】

駆動制御部６１には、振幅Ｙの目標値である目標振幅Ｙｔが記憶されている。目標振幅Ｙｔとしては、特に限定されないが、大きい程好ましい。目標振幅Ｙｔをなるべく大きく設定することにより、より大きな流量Ｑとなり、ポンプ５の流量特性の向上に繋がる。目標振幅Ｙｔは、例えば、振動アクチュエータ８で発生させることのできる最大振幅に対して故障等のリスクを回避するための余裕をもって設定され、例えば、最大振幅の８０％～９５％程度に設定することができる。これにより、ポンプ５の寿命や長期信頼性を確保しつつ、ポンプ５の力を十分に発揮することができる。

【0062】

また、駆動制御部６１は、０ｋＰａ～５０ｋＰａの間で振幅Ｙを目標振幅Ｙｔに維持するための制御プログラムを有する。この制御プログラムとしては、特に限定されず、例えば、カフ２内の圧力と、その圧力のときに振幅Ｙを目標振幅Ｙｔとするための交番電圧Ｅの実効値とが紐付けされたテーブルや、カフ２内の圧力を代入すれば、その圧力のときに振幅Ｙを目標振幅Ｙｔとするための交番電圧Ｅの実効値が算出される計算式等を備えるものが挙げられる。

【0063】

駆動制御部６１は、圧力検出部６２が検出したカフ２内の圧力に対応する交番電圧Ｅの実効値を制御プログラムから「目標実効値」として求め、求めた目標実効値となるように交番電圧Ｅを制御する。制御方法としては、特に限定されず、例えば、実際の実効値と目標実効値とを比較しながら、実際の実効値が目標実効値に近づくように、好ましくは一致するように交番電圧Ｅを制御するフィードバック制御が挙げられる。

【0064】

このような制御によれば、図１０に示すように、０ｋＰａ～５０ｋＰａの間で振幅Ｙが目標振幅Ｙｔに維持される。つまり、振幅Ｙが一定に維持される。これにより、図８で示したようなカフ２内の圧力上昇に伴う振幅Ｙの低下が抑制される。そして、それに伴って、図１１に示すように、カフ２内の圧力上昇に伴う流量Ｑの減少度合いが図９で示した場合と比べて小さくなる。そのため、ポンプシステム１０は、交番電圧Ｅが一定の場合と比べて優れた流量特性を発揮することができる。なお、前記「振幅Ｙが一定」とは、振幅Ｙが常に目標振幅Ｙｔに維持される場合の他、装置構成、回路構成等に起因して目標振幅Ｙｔ付近で揺らぐ状態も含む意味である。

【0065】

また、ポンプシステム１０によれば、特許文献２のように制御方法が複雑化することもないし、特許文献３のように容積の異なる複数のポンプ部を設ける必要もない。そのため、ポンプシステム１０は、簡単な構成で、優れた流量特性を発揮することができる。また、前述したように、振動アクチュエータ８の共振周波数ｆｒは、慣性モーメントＪとばね定数Ｋ_ｓｐとによって定まり、交番電圧Ｅの実効値によっては変化しない。そのため、ポンプ５の共振現象による異音、故障等に対する対応が不要となるか、必要があったとしてもその対応が特許文献１のようなモータを用いる場合と比べて容易となる。このような点から見ても、ポンプシステム１０は、簡単な構成で、優れた流量特性を発揮することができる。

【0066】

なお、交番電圧Ｅの波形としては、特に限定されず、例えば、図１２に示すような正弦波であってもよいし、図１３に示すような三角波であってもよいし、図１４に示すような鋸波であってもよいし、図１５に示すような矩形波であってもよい。これらの中でも、交番電圧Ｅの波形としては、ノイズが生じ難い等の理由から図１２に示すような正弦波とすることが好ましい。ただし、正弦波は、その反面、他の波形と比べて波形生成回路が高価となりやすい。そこで、より安価なポンプシステム１０としたい場合には、三角波、鋸波、矩形波とすることが好ましい。

【0067】

交番電圧Ｅとして図１２、図１３および図１４に示すような正弦波、三角波および鋸波を用いる場合、交番電圧Ｅの実効値を制御する方法として、例えば、最大電圧値Ｅｍａｘを変化させる方法がある。最大電圧値Ｅｍａｘを大きくする程、実効値が大きくなり、反対に、最大電圧値Ｅｍａｘを小さくする程、実効値が小さくなる。

【0068】

一方、交番電圧Ｅとして図１５に示すような矩形波を用いる場合、交番電圧Ｅの実効値を変化させる方法として、最大電圧値Ｅｍａｘを変化させる方法と、Ｄｕｔｙ比（＝ａ／ｂ）を変化させる方法とがある。他の波形と同様、最大電圧値Ｅｍａｘを大きくする程、実効値が大きくなり、反対に、最大電圧値Ｅｍａｘを小さくする程、実効値が小さくなる。また、Ｄｕｔｙ比を大きくする程、実効値が大きくなり、反対に、Ｄｕｔｙ比を小さくする程、実効値が小さくなる。駆動制御部６１は、これら両方を制御してもよいし、いずれか一方だけを制御してもよい。両者を制御する方法によれば、いずれか一方を制御する場合と比べて実効値をより緻密に制御することができる。いずれか一方を制御する場合は、両方を制御する場合と比べて単純な制御となり、回路構成等が簡易となる。

【0069】

以上、駆動制御部６１によるポンプ５の駆動制御方法について説明した。上述したポンプ５の駆動制御方法では、圧力検出部６２が圧力センサー１００の出力信号に基づいてカフ２内の圧力を検出し、その検出結果に基づいて駆動制御部６１が交番電圧Ｅの実効値を制御しているが、ポンプ５の駆動制御方法としては、振幅Ｙを一定にすることができれば、特に限定されない。

【0070】

例えば、カフ２内の容積と目標振幅Ｙｔ時に得られる流量Ｑとに基づいて、実験、シミュレーション等によって事前に単位時間当たりのカフ２内の圧力上昇量を求める。これにより、ポンプ５の駆動開始時刻からの経過時間と、その経過時間のときのカフ２内の圧力との関係を推定することができる。そのため、ポンプ５の駆動開始時刻からの経過時間と、その経過時間のときに振幅Ｙを目標振幅Ｙｔとするための交番電圧Ｅの実効値とが紐付けされたテーブル（タイミングテーブル）や、ポンプ５の駆動開始時刻からの経過時間を代入すれば、その経過時間のときに振幅Ｙを目標振幅Ｙｔとするための交番電圧Ｅの実効値が算出される計算式等を備える制御プログラムを駆動制御部６１に持たせ、この制御プログラムに基づいてポンプ５の駆動を制御させてもよい。このような方法によれば、カフ２内の圧力をフィードバックする必要が無くなるため、回路構成がより簡単となる。

【0071】

以上、本発明のポンプシステム、流体供給装置およびポンプシステムの駆動制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

【0072】

また、例えば、前述した実施形態では、ポンプシステムおよび流体供給装置を電子血圧計１に適用しているが、これに限定されず、流体の供給が必要な如何なる器具への適用が可能である。また、例えば、前述した実施形態では、ポンプ５が４つのポンプ部９を有しているが、これに限定されず、少なくとも１つのポンプ部９を有していればよい。

【0073】

また、振動アクチュエータ８の構成としては、密閉室９１内の圧力に応じて消費電流が変化する構成であれば、特に限定されない。例えば、前述した実施形態では、可動体８２にマグネット８３、８４が設けられ、筐体７にコイルコア部８５、８６が設けられているが、これに限定されず、この逆であってもよい。つまり、可動体８２にコイルコア部８５、８６が設けられ、筐体７にマグネット８３、８４が設けられていてもよい。また、マグネット８３、８４を電磁石に置換してもよい。

【符号の説明】

【0074】

１…電子血圧計 ２…カフ（対象物） ３…本体 ４…チューブ ５…ポンプ ６…制御装置 ７…筐体 ８…振動アクチュエータ ９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ…ポンプ部 １０…ポンプシステム ６１…駆動制御部 ６２…圧力検出部 ８１…軸部 ８２…可動体 ８３、８４…マグネット ８５、８６…コイルコア部 ８７、８８…押圧子 ９１…密閉室 ９２…可動壁 ９３、９４…バルブ ９８…吸入口 ９９…吐出口 １００…圧力センサー ８３１、８４１…磁極面 ８５１、８６１…コア部 ８５２、８６２…芯部 ８５３、８５４、８６３、８６４…コア磁極 ８５３ａ、８５４ａ、８６３ａ、８６４ａ…磁極面 ８５９、８６９…コイル ９２１…挿入部 Ｂ１…磁気ばね Ｂ２…空気ばね（流体ばね） Ｂ３…弾性 Ｅ…交番電圧 Ｅｍａｘ…最大電圧値 Ｆ１、Ｆ２…トルク Ｑ…流量 Ｙ…振幅 Ｙｔ…目標振幅 ｆ…駆動周波数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】