特許 7601158 ポンプ装置

(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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】ポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   F04B 43/02 20060101AFI20241210BHJP

   F04B 23/06 20060101ALI20241210BHJP

   F04B 43/04 20060101ALI20241210BHJP

   F04B 45/047 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

F04B43/02 F

F04B23/06

F04B43/04 B

F04B45/047 C

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023128645

(22)【出願日】2023-08-07

(62)【分割の表示】P 2021515941の分割

【原出願日】2020-04-03

(65)【公開番号】P2023145749

(43)【公開日】2023-10-11

【審査請求日】2023-08-08

(31)【優先権主張番号】P 2019084139

(32)【優先日】2019-04-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100183265

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 剣一

(72)【発明者】

【氏名】岡口 健二朗

【審査官】岩田 健一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０７３６４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１３５２０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－４７１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１６９７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－３０１１８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ４３／０２

Ｆ０４Ｂ ２３／０６

Ｆ０４Ｂ ４３／０４

Ｆ０４Ｂ ４５／０４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備える駆動部と、
前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、
前記駆動部に電力を供給する電源部と、
前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくし、
前記制御部は、前記第２電流検出部で検出される電流値を前記第１電流検出部で検出される電流値に近づけるように、前記第２圧電ポンプの駆動電圧のＨｉｇｈとＬｏｗの時間が１対１になるように近づける、
ポンプ装置。

【請求項2】

第１圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備える駆動部と、
前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、
前記駆動部に電力を供給する電源部と、
前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくし、
前記制御部は、前記第２電流検出部で検出される電流値を前記第１電流検出部で検出される電流値に近づけるように、前記第２駆動部へ供給する電圧を上げる、
ポンプ装置。

【請求項3】

第１圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備える駆動部と、
前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、
前記駆動部に電力を供給する電源部と、
前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくし、
前記制御部は、前記電源部から前記第１駆動部へ供給する電力よりも、前記電源部から前記第２駆動部へ供給する電力を大きくし、
前記制御部は、前記第１電流検出部で検出される電流値を前記第２電流検出部で検出される電流値に近づけるように、前記第１駆動部へ供給する電圧を下げる、
ポンプ装置。

【請求項4】

第１圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備える駆動部と、
前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、
前記駆動部に電力を供給する電源部と、
前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくし、
前記制御部は、前記電源部から前記第１駆動部へ供給する電力よりも、前記電源部から前記第２駆動部へ供給する電力を大きくし、
前記制御部は、前記第１電流検出部で検出される電流値と前記第２電流検出部で検出される電流値とを相対的に近づけるように、前記第１駆動部へ供給する電圧を下げ、前記第２駆動部へ供給する電圧を上げる、
ポンプ装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記第２圧電ポンプの駆動電圧のデューティ比を制御する、
請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプの駆動周波数を制御する、
請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ装置。

【請求項7】

前記第１圧電ポンプに流れる電流と、前記第２圧電ポンプに流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内である、
請求項１から６のいずれか１つに記載のポンプ装置。

【請求項8】

前記第１駆動部に流れる電流と、前記第２駆動部に流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内である、
請求項１から７のいずれか１つに記載のポンプ装置。

【請求項9】

前記第１圧電ポンプの吸入口、または、前記第２圧電ポンプの吐出口に接続される容器を備える、
請求項１から５のいずれか１つに記載のポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプ装置に関し、特に圧電ポンプを備えるポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、圧電ポンプを備えるポンプ装置が流体の吸引装置または加圧装置として用いられている。圧電ポンプは圧電素子の振動によりポンプ駆動される。

【0003】

例えば、特許文献１に記載されているポンプ装置は、複数の圧電ポンプを直列に接続したポンプ装置である。当該ポンプ装置は、複数の圧電ポンプにおいて隣接する圧電ポンプ同士の入力電力に位相差をつけて各圧電ポンプを駆動する。これにより、複数の圧電ポンプを直列に接続した場合の圧力の脈動を緩和する。

【0004】

特許文献１のポンプ装置に用いられる圧電ポンプは、圧電素子を金属板に貼り合わせた構造を有し、これらに交流電力を供給することによりユニモルフモードの屈曲変形を生じさせて、空気の輸送を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４-１６９７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

圧電ポンプを直列に接続して用いると、それぞれの圧電ポンプの吸入口と吐出口の圧力差が異なる。これにより、それぞれの圧電ポンプの圧電素子の振幅に差が発生し、ポンプ装置全体の電力効率が低下する。

【0007】

したがって、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、直列に接続された圧電ポンプの電力効率を向上させたポンプ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成するために、本発明のポンプ装置は、
第１圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、
前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備える駆動部と、
前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、
前記駆動部に電力を供給する電源部と、
前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくし、
前記制御部は、前記第２電流検出部で検出される電流値を前記第１電流検出部で検出される電流値に近づけるように、前記第２圧電ポンプの駆動電圧のＨｉｇｈとＬｏｗの時間が１対１になるように近づける。

【発明の効果】

【0009】

本発明のポンプ装置によれば、直列に接続された圧電ポンプの電力効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】圧電ポンプの圧力－流量特性を示すグラフ

【図2】圧電ポンプの駆動電流と圧電素子の振幅との関係を示すグラフ

【図3】圧電ポンプの駆動電圧と圧電素子の振幅との関係を示すグラフ

【図4】実施形態１におけるポンプ装置の概略構成を示す図

【図5】実施形態１における駆動部、電圧検出部および電源部の回路図

【図6】電流値測定の一例を示す図

【図7】電流分布を示すグラフ

【図8】実施形態１における到達圧力と時間との関係を示すグラフ

【図9】比較例における到達圧力と時間との関係を示すグラフ

【図10】電流効率を示すグラフ

【図11】実施形態２における駆動部、電圧検出部および電源部の回路図

【図12】実施形態３における駆動電圧のデューティ比の変更を示す図

【図13】実施形態４におけるポンプ装置の概略構成を示す図

【図14】実施形態４における駆動部の自励振回路を示す回路図

【図15】実施形態４における電流制限部の回路図

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一態様のポンプ装置は、第１圧電ポンプと、前記第１圧電ポンプの下流側に前記第１圧電ポンプと直列に接続された第２圧電ポンプと、前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプに交流の入力電力をそれぞれ供給する駆動部と、前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプのそれぞれの前記入力電力を制御する制御部と、前記駆動部に電力を供給する電源部と、を備え、前記制御部は、前記第１圧電ポンプの入力電力よりも前記第２圧電ポンプの入力電力の方を大きくする。

【0012】

このような構成によれば、上流側の第１圧電ポンプのポンプ圧力よりも下流側の第２圧電ポンプのポンプ圧力が高くなっても、第１圧電ポンプの入力電力よりも第２圧電ポンプの入力電力の方が大きいので、第２圧電ポンプの圧電素子の振幅が低減するのを防止することができる。この結果、第１圧電ポンプおよび第２圧電ポンプのそれぞれの圧電素子の振幅が近いので、直列に接続された圧電ポンプの全体の電力効率を向上させることができる。

【0013】

また、前記駆動部は、前記第１圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第１駆動部と、前記第２圧電ポンプに交流の入力電力を供給する第２駆動部と、を備え、前記制御部は、前記電源部から前記第１駆動部へ供給する電力よりも、前記電源部から前記第２駆動部へ供給する電力を大きくしてもよい。これにより、圧電ポンプに対して個別に駆動部が設けられているので、圧電ポンプを精度よく駆動することができる。さらに、第１駆動部よりも第２駆動部へ供給する電力を大きくすることで、第２圧電ポンプの入力電力を大きくしやすくなる。

【0014】

また、前記第１駆動部に流れる電流を検出する第１電流検出部と、前記第２駆動部に流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、前記制御部は、前記第２電流検出部で検出される電流値を前記第１電流検出部で検出される電流値に近づけるように、前記第２駆動部が前記第２圧電ポンプへ供給する入力電力を制御してもよい。第２駆動部に流れる電流値を第１駆動部に流れる電流値に近づけることで、高圧領域においても、第２圧電ポンプの振幅を第１圧電ポンプの振幅に近づけることができるので、より電力効率を高めることができる。

【0015】

また、前記制御部は、前記第２圧電ポンプの駆動電圧のデューティ比を制御してもよい。これにより、第２圧電ポンプの駆動電流を容易に制御することができる。

【0016】

また、前記制御部は、前記第１圧電ポンプおよび前記第２圧電ポンプの駆動周波数を制御してもよい。これにより、電力効率をより向上させることができる。

【0017】

また、前記第１圧電ポンプに流れる電流と、前記第２圧電ポンプに流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内でもよい。第１圧電ポンプに流れる電流と、第２圧電ポンプに流れる電流とが近い値の範囲内であるので、第１圧電ポンプおよび第２圧電ポンプの振幅を近づけることができ、電力効率を高めることができる。

【0018】

また、前記第１駆動部に流れる電流と、前記第２駆動部に流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内でもよい。第１駆動部に流れる電流と、第２駆動部に流れる電流とが近い値の範囲内であるので、第１圧電ポンプおよび第２圧電ポンプの振幅を近づけることができ、電力効率を高めることができる。

【0019】

また、第１圧電ポンプの吸入口、または、前記第２圧電ポンプの吐出口に接続される容器を備えてもよい。

【0020】

なお、以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、本発明がこの構成に限定されるものではない。また、以下の実施形態において具体的に示される数値、形状、構成、ステップ、ステップの順序などは、一例を示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、全ての実施形態において、各変形例における構成も同様であり、各変形例に記載した構成をそれぞれ組み合わせてもよい。

【0021】

まず、本発明の課題についてさらに詳細に説明する。図１に示すように、ポンプ装置に用いられる圧電ポンプは、背圧の圧力Ｐが高くなればなるほど、流量Ｑが小さくなる特性を有する。これは、圧力が高くなるほど、圧電ポンプの圧電素子の振幅が小さくなるからである。そこで、この高圧領域において流量Ｑを増加させるために、圧電ポンプの圧電素子に流れる電流を増加することが考えられる。

【0022】

図２に示すように、圧電ポンプの駆動電流と圧電素子の振動の振幅とは高い相関関係を有する。駆動電流が大きくなるほど圧電素子の振幅も大きくなる。しかしながら、駆動電流値Ｉ１が圧電素子に流れると、圧電素子にクラックが発生するなど圧電素子が破壊される振幅の上限値Ａ１が存在する。したがって、圧電素子の振幅が上限値Ａ１以下の状態で圧電ポンプを使用する必要がある。

【0023】

同じポンプ能力を有する２つの圧電ポンプＰｕ、Ｐｗを直列に接続した場合、それぞれのポンプが駆動されて圧力が上昇すると、図３に示すように、上流側に配置された圧電ポンプＰｕよりも下流側に配置された圧電ポンプＰｗの圧電素子の振幅が小さくなる。圧電ポンプの駆動電圧で上限値を決めると、下流側の圧電ポンプＰｗの圧電素子の振幅が小さくなり目標圧力に到達するまでの時間を多く必要とする。そこで、このような課題を解決する本願発明の実施形態を順に説明する。

【0024】

（実施形態１）
以下に、本発明の実施形態１にかかるポンプ装置について説明する。図４は、実施形態１におけるポンプ装置１の概略構成を示す図である。

【0025】

図４に示すポンプ装置１は、第１圧電ポンプ３と、第２圧電ポンプ５と、駆動部７と、電源部８と、制御部１５とを備える。実施形態１のポンプ装置１は、例えば、排気ポンプ装置として例示する。

【0026】

第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５は互いに直列に接続されたポンプである。第１圧電ポンプ３が上流側に配置され、第２圧電ポンプ５が下流側に配置されている。

【0027】

実施形態１における第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５はともに、圧電素子を用いた圧電ポンプである（「マイクロブロア」、「マイクロポンプ」等と称してもよい。）。具体的には、圧電素子（図示せず）を金属板（図示せず）に貼り合わせた構造を有し、圧電素子および金属板に交流電力を供給することにより、ユニモルフモードの屈曲変形を生じさせて流体の輸送を行う。流体には、気体および液体が含まれる。

【0028】

実施形態１ではさらに、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５として、同じ仕様の圧電ポンプを用いてもよい。同じ仕様の第１圧電ポンプ３と第２圧電ポンプ５は、定格出力（すなわち単位時間当たりの流量）およびサイズ等のパラメータも同じである。

【0029】

駆動部７は、例えば、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５を交流電力により駆動する駆動回路である。駆動部７は、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５に対して交流電力を供給する。実施形態１では、駆動部７は、第１圧電ポンプ３に交流電力を供給する第１駆動部７ａと、第２圧電ポンプ５に交流電力を供給する第２駆動部７ｂとを有する。以下の記載において、第１駆動部７ａおよび第２駆動部７ｂの両方を意味する場合、単に駆動部７と称する。

【0030】

電源部８は、例えば、駆動部７へ電力を供給する電源回路である。電源部８は、第１駆動部７ａへ直流の電力を供給する第１電源部８ａと、第２駆動部７ｂへ直流の電力を供給する第２電源部８ｂとを有する。

【0031】

駆動部７には制御部１５が接続されている。制御部１５は、第１駆動部７ａおよび第２駆動部７ｂのそれぞれから第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５のそれぞれへ出力する電力、電圧、電流、駆動周波数などを制御する。したがって、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５のそれぞれの入力電流は制御部１５によって制御される。また、制御部１５は、電源部８から駆動部７への出力電圧を制御する。制御部１５は例えば、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、プロセッサ、等の演算装置から構成される。なお、制御部は、メモリ、ＳＤＤ等の記憶装置も含んでもよい。

【0032】

容器１１は、ポンプ装置１の第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５によって流体が吸引される対象物である。容器１１とポンプ装置１とを含めた吸引器として、例えば、搾乳器、鼻水吸引器、口腔ケア器、ドレナージなどであるが、その他の任意の吸引器であってもよい。容器１１と第１圧電ポンプ３とはパイプ９を介して接続され、第１圧電ポンプ３と第２圧電ポンプ５とはパイプ１０を介して接続されている。

【0033】

第１圧電ポンプ３は、流体を吸入する吸入口３ａと流体を吐出する吐出口３ｂとを有する。吸入口３ａはパイプ９と接続され、吐出口３ｂはパイプ１０と接続されている。また、第２圧電ポンプ５は、流体を吸入する吸入口５ａと流体を吐出する吐出口５ｂとを有する。吸入口５ａはパイプ１０と接続され、吐出口５ｂは大気開放されている。

【0034】

ポンプ装置１によって容器１１から、例えば、空気を吸引することで、容器１１の内部に負圧が生じる。このような構成を有するポンプ装置１はいわゆる「負圧ポンプ」として機能する。

【0035】

上述したポンプ装置１の構成によれば、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５に対して、第１駆動部７ａおよび第２駆動部７ｂからそれぞれ交流電力が供給される。交流電力の供給によって第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５がそれぞれ駆動され、圧電素子が高速で屈曲変形を起こし、空気が輸送される。

【0036】

第１圧電ポンプ３は、容器１１から空気を吸引する。第１圧電ポンプ３は、吸引した空気を第２圧電ポンプ５へ排気するとともに、内部でさらに減圧して第２圧電ポンプ５へ輸送する。第２圧電ポンプ５は、吸引した空気を吐出口５ｂから大気中へ排気するとともに、内部でさらに減圧して吐出口５ｂから大気中へ排気する。

【0037】

次に、図５を参照して、駆動部７および電源部８の回路の一例を説明する。駆動部７は、例えば、Ｈブリッジ回路である。駆動部７は第１ＦＥＴ６１、第２ＦＥＴ６２、第３ＦＥＴ６３、および第４ＦＥＴ６４の４つのＦＥＴを有する。制御部１５から第１ＦＥＴ６１～第４ＦＥＴ６４への駆動信号により、各ＦＥＴがスイッチング駆動され、第１、第２圧電ポンプ３、５へ予め定められた周波数の交流電圧が印加される。

【0038】

第１ＦＥＴ６１および第３ＦＥＴ６３のドレインに電源部８から入力電圧Ｖｃが印加される。第１ＦＥＴ６１のソースは、第２ＦＥＴ６２のドレインおよび圧電ポンプの外部接続端子と接続される。第３ＦＥＴ６３のソースは、第４ＦＥＴ６４のドレインおよび圧電ポンプの外部接続端子と接続される。第２ＦＥＴ６２のソースおよび第４ＦＥＴ６４のソースとは、電圧検出回路１３に接続される。電圧検出回路１３は、圧電ポンプと電気的に接続されるインピーダンス素子を備える。インピーダンス素子として、例えば、抵抗器Ｒｓを用いる。

【0039】

電源部８から供給される直流の入力電圧Ｖｃは、第１ＦＥＴ６１、圧電ポンプ、第４ＦＥＴ６４および抵抗器Ｒｓにより分圧されるか、第３ＦＥＴ６３、圧電ポンプ、第２ＦＥＴ６２により分圧される。ここで、第１ＦＥＴ６１～第４ＦＥＴ６４での電圧降下は無視できるほど小さい。したがって、第１、第２圧電ポンプ３、５と抵抗器Ｒｓとの分圧により出力電圧Ｖｏが決まる。

【0040】

電圧検出回路１３は、例えば、抵抗器Ｒｓである。抵抗器Ｒｓ間の電圧を検出することで、駆動回路１２の出力電圧Ｖｏを検出することができる。また、電圧検出回路１３が検出した電圧値を基に制御部１５が駆動回路に流れる電流値を算出することができる。抵抗器Ｒｓに流れる駆動電流ＩｃがＩｏのときに、第１、第２圧電ポンプ３、５の電力効率が最大となる。電流Ｉｏは、Ｉｏ＝Ｖｏ／Ｒｓにより求められる。抵抗器Ｒｓは回路損失になるので、例えば１Ωなど小さい値の低抵抗が望ましい。入力電圧Ｖｃと出力電圧Ｖｏとの差が圧電ポンプ３、５の印加電圧（駆動電圧）となる。抵抗器Ｒｓの一端側は、制御部１５のＩ／Ｏポート６６に接続されているので、出力電圧Ｖｏが制御部１５によって読み取られる。本願発明の電流検出部は、電圧検出回路１３と制御部１５とで構成される。また、制御部１５は本願発明の制御部にも相当する。

【0041】

制御部１５は、出力電圧Ｖｏに応じてフィードバック信号を電源部８へ送ることで供給される電圧Ｖｃを制御する。ポンプ装置１が吸引装置である場合、制御部１５は、上流側の第１圧電ポンプ３を駆動する第１駆動部７ａへ供給する電圧Ｖｃを、下流側の第２圧電ポンプ５を駆動する第２駆動部７ｂへ供給する電圧Ｖｃよりも相対的に下げる。

【0042】

電源部８は、昇圧制御回路１２２と、スイッチ素子Ｑ１と、インダクタＬと、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ２と、を備える。昇圧制御回路１２２は図５に示すように、制御信号である電圧Ｖｕに基づいて、例えば、電池から入力される入力電源電圧Ｖｂ（例えばＤＣ１．５Ｖ）をスイッチ素子Ｑ１に対するスイッチング制御により昇圧する。電源部８は、昇圧したＤＣ電源電圧Ｖｃ（例えば、ＤＣ３０Ｖ）を出力する。電源部８から出力されたＤＣ電源電圧Ｖｃは、駆動部７に供給される。

【0043】

出力電圧Ｖｏは、一定値でもよいし、上限値のみが定めてあってそれ以下で変動する変動値であってもよい。また、出力電圧Ｖｏは、圧電ポンプ３、５の動作中に書き換えられてもよい。

【0044】

次に、図６を参照して、圧電ポンプ３、５および駆動部７の電流と電力の求め方を説明する。駆動部７の駆動回路へ流入される直流電流Ｉｃ、および、駆動部７の駆動回路へ印加される直流電力Ｐｃは次式により求められる。
Ｉｃ＝Ｖｃ／Ｒｃ ・・・（１）式
Ｐｃ＝Ｖｃ×Ｉｃ ・・・（２）式

【0045】

また、圧電ポンプ３、５へ流入する電流Ｉｄ、および、圧電ポンプ３、５へ流入する電力Ｐｄは次式により求められる。
Ｉｄ＝Ｖｄ／Ｒｄ ・・・（３）式
Ｐｄ＝Ｖｄ×Ｉｄ×ｃｏｓθ・・・（４）式
なお、（４）式においてθは圧電ポンプ３、５の入力電圧Ｖｄと入力電流Ｉｄとの位相差である。

【0046】

求められる駆動回路への電流は瞬時値または平均値である。また、求められる駆動回路の電力も瞬時値または平均値である。圧電ポンプ３、５の電力は圧電素子の振動の１周期の積分値でもよい。

【0047】

次に、図７を参照して、求められる電流値の範囲について説明する。同じ製品の圧電ポンプ３、５を用いたとしても個体差があるので、圧電素子が同振幅のときも電流値にばらつきが発生する。例えば、理想の電流値を１００とした場合、±２０％の値をもつ電流値が同じ電流値として扱われる。すなわち、８０～１２０の範囲の電流値は同じ電流値として扱われる。つまり、第１圧電ポンプ３に流れる電流と、第２圧電ポンプ５に流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内である。また、第１駆動部７ａに流れる電流と、第２駆動部７ｂに流れる電流との電流比が、０．８以上１．２以下の範囲内である。

【0048】

実施形態１のポンプ装置１による効果を図８および図９を参照して説明する。図８は、実施形態１における到達圧力と時間との関係を示すグラフである。図９は、比較例における到達圧力と時間との関係を示すグラフである。図８に示すように、容器１１内の陰圧が大きくなるにつれて第１圧電ポンプ３の駆動電圧Ｖｐ１よりも第２圧電ポンプ５の駆動電圧Ｖｐ２の方を大きくすることで、第２圧電ポンプ５の圧電素子の振幅の低減を減らすことができる。したがって、第２圧電ポンプ５のポンプ能力を維持することができ、例えば、時刻ｔ１に容器１１内の圧力がＰｍ減少する。

【0049】

図９に示す様に、比較例として、容器１１内の陰圧が大きくなるにつれて第２圧電ポンプ５の駆動電圧Ｖｐ２よりも第１圧電ポンプ３の駆動電圧Ｖｐ１の方を大きくすると、時刻ｔ１までの第１圧電ポンプ３と第２圧電ポンプ５への入力電力の合計値が図８と同じであっても、目標となる減少圧力Ｐｍに例えば時刻ｔ２で到達し、目標圧力に到達するまでの時間をより多く必要とする。したがって、実施形態１によれば、目標圧力により早く到達することができる。

【0050】

また、図１０に示すように、最適な駆動電流Ｉｏで第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５を駆動することで、高効率なポンプ装置１を実現することができる。

【0051】

以上のように、ポンプ装置１は、第１圧電ポンプ３と、第１圧電ポンプ３の下流側に第１圧電ポンプ３と直列に接続された第２圧電ポンプ５と、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５に交流の入力電力をそれぞれ供給する駆動部７と、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５のそれぞれの入力電力を制御する制御部１５と、駆動部７に電力を供給する電源部８とを備える。制御部１５は、第１圧電ポンプ３の入力電力よりも第２圧電ポンプ５の入力電力の方を大きくする。これだけの構成により、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５が駆動されて第１圧電ポンプ３の吸入口３ａおよび吐出口３ｂ間の差圧よりも下流側の第２圧電ポンプ５の吸入口５ａおよび吐出口５ｂ間の差圧の方が大きくなっても、第１圧電ポンプ３の入力電力よりも第２圧電ポンプ５の入力電力の方が大きいので、第２圧電ポンプ５の圧電素子の振幅を第１圧電ポンプ３の圧電素子の振幅に近づけることができる。したがって、直列に接続された圧電ポンプ３、５の電力効率を向上させることができる。

【0052】

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２のポンプ装置について図１１を参照して説明する。図１１は、実施形態２におけるポンプ装置１Ａの駆動部７Ａを示す図である。

【0053】

実施形態１のポンプ装置１は、制御部１５を用いて圧電ポンプに流れる電流を制御していた。これに対して、実施形態２のポンプ装置１Ａは、駆動部７Ａに自励振回路８１を有することで、駆動部７Ａが圧電ポンプ３、５の最適な駆動周波数を決定する。

【0054】

実施形態２のポンプ装置１Ａは、実施形態１のポンプ装置１と同じ構成要素を備える。したがって、実施形態２におけるポンプ装置１Ａは、以下に記載した事項以外の構成は、実施形態１のポンプ装置１と共通である。

【0055】

駆動部７Ａは、自励振回路８１と電圧検出回路１３とを備える。自励振回路８１は、第１差動増幅回路８１ａと、反転増幅回路８１ｂと、電流センシング部８１ｃと、第２差動増幅回路８１ｄと、アクティブバンドフィルタ８１ｅと、中間電位生成回路８１ｆと、を備える。

【0056】

電流センシング部８１ｃの抵抗Ｒ１１は、圧電ポンプの圧電素子に直列に接続する。抵抗Ｒ１１の両端は、第２差動増幅回路８１ｄの入力端子に接続されている。第２差動増幅回路８１ｄは、圧電素子に流れる駆動電流により生じる抵抗Ｒ１１の両端電圧を差動増幅し、電圧信号を出力する。

【0057】

第２差動増幅回路８１ｄの出力端子は、アクティブバンドフィルタ８１ｅの入力端子に接続する。アクティブバンドフィルタ８１ｅは、入力された電圧信号を所定ゲインで増幅し、出力する。アクティブバンドフィルタ８１ｅのバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子の所定振動モードの共振周波数が通過帯域内となるように設定されている。

【0058】

アクティブバンドフィルタ８１ｅの出力端子は、第１差動増幅回路８１ａの入力端子に接続するとともに、反転増幅回路８１ｂの入力端子に接続する。第１差動増幅回路８１ａの出力端子は、抵抗Ｒ１１に接続する。反転増幅回路８１ｂの出力端子は圧電素子に接続する。

【0059】

第１差動増幅回路８１ａは、電源部８から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第１駆動信号を生成する。第１差動増幅回路８１ａの出力信号はデューティ比５０％の矩形波となる。

【0060】

反転増幅回路８１ｂは、電源部８から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第２駆動信号を生成する。反転増幅回路８１ｂの出力信号は、第１差動増幅回路８１ａの出力信号に対して位相が反転したデューティ比５０％の矩形波となる。

【0061】

第１差動増幅回路８１ａの出力は圧電ポンプ３、５の上側に入力され、反転増幅回路８１ｂの出力が圧電ポンプ３、５の下側に入力されることで、圧電ポンプ３、５の上下で逆相の電流が流れる。

【0062】

圧電ポンプ３、５の駆動開始時において、上流側の第１駆動部７Ａａと下流側の第２駆動部７Ａｂにおける駆動回路電圧Ｖｃは共通である。駆動後、上流側の第１駆動部７Ａａに流れる駆動電流Ｉｃになるまで下流側の圧電ポンプ５の駆動回路電圧Ｖｃを上昇する。電源回路と駆動部７とは１：１でなくてもよい。例えば、減衰器を使用してもよい。

【0063】

実施形態２のポンプ装置１Ａの構成でも、実施形態１のポンプ装置１と同様に、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５が駆動されて第１圧電ポンプ３のポンプ圧力よりも下流側の第２圧電ポンプ５のポンプ圧力の方が大きくなっても、第１圧電ポンプ３の入力電力よりも第２圧電ポンプ５の入力電力の方が大きいので、第２圧電ポンプ５の圧電素子の振幅を第１圧電ポンプ３の圧電素子の振幅に近づけることができる。したがって、直列に接続された圧電ポンプ３、５の電力効率を向上させることができる。

【0064】

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３のポンプ装置について図１２を参照して説明する。図１２は、実施形態３におけるポンプ装置の制御を示す図である。図１２（ａ）は、デューティ比＝１の電圧制御を示す。図１２（ｂ）は、デューティ比＜１の電圧制御を示す。図１２（ｃ）は、デューティ比＞１の電圧制御を示す。

【0065】

実施形態１のポンプ装置１は、制御部１５を用いて圧電ポンプに流れる電流を制御していた。これに対して、実施形態３のポンプ装置１の制御部１５は、圧電ポンプの駆動電圧のデューティ比を制御することで、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５に流れる駆動電流を制御する。

【0066】

実施形態３のポンプ装置１は、実施形態１のポンプ装置１と同じ構成要素を備える。したがって、実施形態３におけるポンプ装置１は、以下に記載した事項以外の構成は、実施形態１のポンプ装置１と共通である。

【0067】

第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５の駆動当初は、図１２（ｂ）または図１２（ｃ）に示すように、制御部１５は、駆動電圧をデューティ比≠１の状態で制御する。背圧が高圧になるにつれて、図１２（ａ）に示すように、第２圧電ポンプ５を駆動する駆動電圧のデューティ比を１に近づける。これにより、第２圧電ポンプ５の圧電素子に流れる電流を大きくすることができ、振幅の低減を減らすことができる。なお、デューティ比＝１まで制御した場合は、実施形態１のように、制御部１５が、電源部８から駆動部７へ供給する電力を大きくすることで、第２圧電ポンプ５の駆動電圧を上げてもいい。また、デューティ制御の代わりに駆動電圧の周波数制御にしてもよい。また、駆動波形を台形波、正弦波などにしてもよい。

【0068】

実施形態３によれば、第２圧電ポンプ５の駆動電圧をより緻密に制御することができるので、直列に接続された圧電ポンプ３、５の電力効率をより向上させることができる。

【0069】

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４のポンプ装置について図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、実施形態４におけるポンプ装置１Ｂの概略構成を示す図である。図１４は、実施形態４におけるポンプ装置１Ｂの駆動部７Ｂの自励振回路９１を示す図である。

【0070】

実施形態１では、第１圧電ポンプ３に容器１１を接続してポンプ装置１を負圧ポンプとして用いているが、ポンプ装置はこのような場合に限らない。例えば、容器１１の代わりに、第２圧電ポンプ５の吐出口５ｂにカフなどの加圧対象物を接続して加圧ポンプとして用いてもよい。加圧ポンプとして用いられる加圧器として、例えば、ｐＭＤＩ、血圧計、ネブライザなどが上げられる。なお、実施形態４のポンプ装置１Ｂは、加圧ポンプ装置であるネブライザとして説明する。

【0071】

実施形態１のポンプ装置１は、制御部１５を用いて第１圧電ポンプ３及び第２圧電ポンプ５に流れる電流を制御していた。ポンプ装置１が加圧装置である場合、実施形態１において、制御部１５は、上流側の第１圧電ポンプ３を駆動する第１駆動部７ａへ供給する電圧Ｖｃよりも、下流側の第２圧電ポンプ５を駆動する第２駆動部７ｂへ供給する電圧Ｖｃを相対的に上げてもよい。これに対して、実施形態４のポンプ装置１Ｂは、駆動部７Ｂに自励振回路９１を有することで、駆動部７Ｂが圧電ポンプ３、５のそれぞれに最適な駆動周波数を決定する。

【0072】

実施形態４のポンプ装置１Ｂは、実施形態１のポンプ装置１と同じ構成要素を備える。したがって、実施形態４におけるポンプ装置１Ｂは、以下に記載した事項以外の構成は、実施形態１のポンプ装置１と共通である。

【0073】

ポンプ装置１Ｂは、第１圧電ポンプ３と、第２圧電ポンプ５と、駆動部７Ｂと、電源部８と、電流制限部１７とを備える。

【0074】

実施形態４の電源部８は、電流制限部１７へ電力を供給する電源回路である。電流制限部１７は、電源部８から電力を供給され、駆動部７Ｂへ供給する電流を制限する。電流制限部１７は、第１駆動部７Ｂａへ供給する電流を制限する第１電流制限部１７ａと、第２駆動部７Ｂｂへ供給する電流を制限する第２電流制限部１７ｂとを有する。第１電源部８ａは第１電流制限部１７ａへ電力を供給し、第２電源部８ｂは第２電流制限部１７ｂへ電力を供給する。

【0075】

第２圧電ポンプ５の吐出口５ｂは、パイプ３３を介して薬液タンク３１と連通している。第１圧電ポンプ３の吸入口３ａと接続されるパイプ９Ｂの上流側の端部は、大気開放されている。空気がパイプ９Ｂの開放端から第１圧電ポンプ３へ吸引され、さらに、パイプ１０を経て、第２圧電ポンプ５へ吸引される。第２圧電ポンプ５の吐出口５ｂとノズル３５とがパイプ３３を介して接続されている。第２圧電ポンプ５の吐出口５ｂから排出された空気は、薬液タンク３１の薬液と混合され、薬液を含む加圧された空気がノズル３５から大気中へ吐出される。

【0076】

駆動部７Ｂは、自励振回路９１を備える。自励振回路９１は、第１差動増幅回路９１ａと、第２差動増幅回路９１ｂと、電流センシング部９１ｃと、第３差動増幅回路９１ｄと、アクティブバンドフィルタ９１ｅと、中間電位生成回路８１ｆと、Ｈブリッジ回路９１ｇと、を備える。

【0077】

電流センシング部９１ｃの抵抗Ｒ２９は、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５の圧電素子に直列に接続する。抵抗Ｒ２９の両端は、第３差動増幅回路９１ｄの入力端子に接続されている。第３差動増幅回路９１ｄは、圧電素子に流れる駆動電流により生じる抵抗Ｒ２９の両端電圧を差動増幅し、電圧信号を出力する。

【0078】

第３差動増幅回路９１ｄの出力端子は、アクティブバンドフィルタ９１ｅの入力端子に接続する。アクティブバンドフィルタ９１ｅは、入力された電圧信号を所定ゲインで増幅し、出力する。アクティブバンドフィルタ９１ｅのバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電ポンプの周波数をより安定化するために圧電素子の所定振動モードの共振周波数が通過帯域内となるように設定されている。

【0079】

アクティブバンドフィルタ９１ｅの出力端子は、第１差動増幅回路９１ａの入力端子に接続するとともに、第２差動増幅回路９１ｂの入力端子に接続する。第２差動増幅回路９１ｂは、反転増幅回路である。第１差動増幅回路９１ａの出力端子は、Ｈブリッジ回路９１ｇの入力ポートＦｉｎに接続する。第２差動増幅回路９１ｂの出力端子はＨブリッジ回路９１ｇの入力ポートＲｉｎに接続する。

【0080】

第１差動増幅回路９１ａは、電流制限部１７を介して電源部８から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第１駆動信号を生成する。第１差動増幅回路９１ａの出力信号はデューティ比５０％の矩形波となる。

【0081】

第２差動増幅回路９１ｂは、電流制限部１７を介して電源部８から出力されるＤＣ電源電圧Ｖｃに基づいて第２駆動信号を生成する。第２差動増幅回路９１ｂの出力信号は、第１差動増幅回路９１ａの出力信号に対して位相が反転したデューティ比５０％の矩形波となる。

【0082】

Ｈブリッジ回路９１ｇは、実施形態１の駆動部７のＨブリッジ回路と同様の機能を有するＩＣチップである。図示していないが、Ｈブリッジ回路９１ｇは、内部に第１ＦＥＴ６１～第４ＦＥＴ６４を有する。第１差動増幅回路９１ａの出力及び第２差動増幅回路９１ｂの出力はＨブリッジ回路９１ｇの第１ＦＥＴ６１～第４ＦＥＴ６４への駆動信号となる。これらの駆動信号により第１ＦＥＴ６１～第４ＦＥＴ６４がそれぞれスイッチング駆動され、実施形態１と同様にＨブリッジ回路９１ｇの出力が圧電ポンプ３、５の上側と下側にそれぞれ入力されることで、圧電ポンプ３、５の上側と下側で逆相の電流が流れる。

【0083】

なお、アクティブバンドフィルタ９１ｅのバンドパスフィルタの通過帯域は、圧電素子の所定振動モードの共振周波数が通過帯域外であってもよい。また、第１差動増幅回路９１ａ及び第２差動増幅回路９１ｂの出力信号は圧電ポンプのデューティ比を可変するため５０％以外の矩形波でもよい。

【0084】

図１５を参照して電流制限部１７の構成を説明する。図１５は、実施形態４における電流制限部の回路図である。電流制限部１７は、圧電ポンプに流れる上限の駆動電流値Ｉ１以下で動作するように設定されている。電源部８の出力電圧は、圧電ポンプの温度やポンプ圧力など外的及び内的環境が変化しても十分に動作する電圧に設定される。その結果、圧電ポンプは、一定の駆動電流値で動作するように制御される。以下、より詳細に説明する。

【0085】

駆動部７Ｂの自励振回路９１と電流制限部１７の分圧により電圧Ｖｇが決まる。電圧Ｖｇは、抵抗Ｒ３２とトランジスタＱ１２により定められた電圧以下の場合は駆動回路電圧Ｖｃや駆動電流Ｉｃに対して線形に動作する。駆動電流Ｉｃが大きくなり抵抗Ｒ３２に流れる電流が大きくなると、抵抗Ｒ３２の両端の電圧がトランジスタＱ１２のベースエミッタ間をＯＮに反転する。例えば、０．６Ｖ以上になるとトランジスタＱ１１のベース電圧が低下し、トランジスタＱ１１が一時的にＯＦＦする。その結果、駆動電流Ｉｃはゼロとなるが、そのときトランジスタＱ１１のベース電圧は駆動回路電圧Ｖｃに近くなるためトランジスタＱ１１はＯＮし、再び駆動電流Ｉｃが流れる。それらを繰り返すことで、駆動電流ＩｃはトランジスタＱ１２及び抵抗Ｒ３２で定められた電流Ｉｏ付近までは線形に動作するが、Ｉｏ以上の電流が流れない電流制限回路として動作する。なお、電流制限部１７のトランジスタQ１１、Q１２はバイポーラでもＦＥＴでもよい。

【0086】

圧電ポンプ３、５の駆動開始時において、上流側の第１駆動部７Ｂａと下流側の第２駆動部７Ｂｂにおける駆動回路電圧Ｖｃは共通である。駆動後、上流側の第１駆動部７Ｂａに流れる駆動電流Ｉｃになるまで下流側の圧電ポンプ５の駆動回路電圧Ｖｃを上昇する。電源部８と駆動部７Ｂとは１：１でなくてもよい。例えば、減衰器を使用してもよい。

【0087】

実施形態４のポンプ装置１Ｂの構成でも、実施形態１のポンプ装置１と同様に、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５が駆動されて、第１圧電ポンプ３のポンプ圧力よりも下流側の第２圧電ポンプ５のポンプ圧力の方が大きくなっても、第１圧電ポンプ３の入力電力よりも第２圧電ポンプ５の入力電力の方が大きいので、第２圧電ポンプ５の圧電素子の振幅を第１圧電ポンプ３の圧電素子の振幅に近づけることができる。したがって、直列に接続された圧電ポンプ３、５の電力効率を向上させることができる。

【0088】

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。

【0089】

また、上述した実施形態では、第１圧電ポンプ３および第２圧電ポンプ５という２つの圧電ポンプを設ける場合について説明したが、このような場合に限らず、３つ以上の圧電ポンプを設けてもよい。この場合、複数の圧電ポンプにおける任意の隣接する圧電ポンプの入力電力を上流側よりも下流側が大きくなるように設定すれば、同様の効果を奏することができる。このとき全ての隣接する圧電ポンプ同士の入力電力をこのように設定する必要はなく、少なくとも２つの隣接する圧電ポンプ同士の入力電力がこのような設定になっていれば、同様の効果を奏することができる。

【0090】

また、上述した実施形態では、第１駆動部７ａおよび第２駆動部７ｂに対して共通の制御部１５を割り当てる場合について説明したが、これに限らない。第１駆動部７ａおよび第２駆動部７ｂのそれぞれに対して別々の制御部１５が備えられていてもよい。

【0091】

また、上述したそれぞれの実施形態において、圧電ポンプのばらつきや状態に応じて、駆動電圧は駆動開始時においても適宜電圧差があってもよい。

【0092】

本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。また、各実施形態における要素の組合せや順序の変化は、本開示の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

【産業上の利用可能性】

【0093】

本発明は、圧電素子を用いたポンプ装置に有用である。

【符号の説明】

【0094】

１ ポンプ装置
３ 第１圧電ポンプ
３ａ 吸入口
３ｂ 吐出口
５ 第２圧電ポンプ
５ａ 吸入口
５ｂ 吐出口
７、７Ａ 駆動部
７ａ 第１駆動部
７ｂ 第２駆動部
８ 電源部
８ａ 第１電源部
８ｂ 第２電源部
９ パイプ
１０ パイプ
１１ 容器
１３ 電圧検出回路
１５ 制御部
１７ 電流制限部
１７ａ 第１電流制限部
１７ｂ 第２電流制限部
３１ 薬液タンク
３３ パイプ
３５ ノズル
８１ 自励振回路
９１ 自励振回路

【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】