CN1467375A - 泵 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种驱动效率良好的泵，该泵减少了机械开闭阀的个数，减少了压力损失并提高了可靠性，对应于高负荷压力、高频率驱动，使每一周期泵动的排出流体体积增加。设于泵体7底部的圆形隔膜5的外周边固定在泵体7上。隔膜的底面上设置驱动隔膜5的压电元件6。隔膜5和泵体7的上壁之间的空间为泵室3，设有朝向该泵室的流通阻力元件即止回阀4的入口通路1和在泵工作时通常与泵室连通的出口通路2均开口。该泵通过周期控制装置来驱动控制压电元件，以形成使泵排出流体体积、排出压力增加的隔膜的周期。

Description

泵

技术领域

本发明涉及通过柱塞或隔膜等改变泵室内的容积来使流体移动的容积式泵，具体涉及可靠性高且流量大的泵。

背景技术

作为传统的这种类型的泵，一般采用在入口通路与出口通路和容积可变的泵室之间设置止回阀的结构。

(例如参照专利文献1)

并且，作为利用流体的粘性阻力形成单方向的流动的泵结构，有这样一种结构：在出口通路设置阀，在该阀开阀时，入口通路具有比出口通路大的流体阻力。(例如参照专利文献2)

另外，作为在阀部不使用可动件来使泵的可靠性改善的泵结构有这样的结构，在该结构中设有使入口通路、出口通路的压力下降均因液流方向而异的呈通路形状的压缩部件。(例如参照专利文献3与非专利文献1)

[专利文献1]特开平10-220357号公报

[专利文献2]特开平08-312537号公报

[专利文献3]特开平08-506874号公报

[非专利文献1]Anders Olsson的论文“一种采用深反应性离子蚀刻制造的改进的无阀泵”(An improved valve-less pumpfabricate using deep reactive ion etching，1996 IEEE 9thInternational Workshop on Micro Electro Mechanical Systems，p.479-484)

但是，在专利文献1所描述的结构中存在这样的问题：在入口通路与出口通路中均需要设止回阀，流体通过两处止回阀会有很大的压力损失。并且，由于止回阀反复开闭，存在出现疲劳破坏的危险，还有止回阀个数越多可靠性越低的问题。

在专利文献2所述的结构中，为了减少泵排出行程中入口通路处产生的逆流，必须增大入口侧通路的流体阻力。于是，泵吸入行程中，为了顶着该流体阻力将流体导入泵室内，与排出行程相比，吸入行程变得相当长。因此，泵的排出吸入循环的频率变得相当低。

就使柱塞或隔膜上下动作的泵而言，在柱塞或隔膜的面积相等的场合，一般来说，上下动作的频率越高，流量就越多，输出功率也就越高。可是，专利文献2所述的结构中存在这样的问题：即由于如前述只能以低频率驱动，因此难以实现小型且高输出功率的泵。

专利文献3所述的结构存在这样的问题：为了随着泵室体积的增减，因液流的方向造成的压力下降不同而在一个方向形成通过压缩部件的流体的净流量，随着泵出口侧的外部压力(负荷压力)的提高，逆流量增加，致使泵在高负荷压力下不能工作。依据非专利文献1，最大负荷压力为0.760气压左右。

发明内容

因此，本发明的目的在于：减少泵中的机械开闭阀的个数，减少压力损失，并提高可靠性，应对高负荷压力与高频率驱动，使泵排出流体体积增加，进而提供驱动效率优良的泵。

为了解决上述课题，本发明的第一种结构的泵中设有：使柱塞或隔膜等的可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，容积因所述可动壁的位移而可变的泵室，使工作流体流入所述泵室的入口通路，以及使工作流体流出所述泵室的出口通路；所述出口通路在泵工作时与所述泵室连通，所述入口通路的合成粘滞值比所述出口通路的合成粘滞值小；所述入口通路中设有，工作流体流入泵室时的流体阻力比流出时的流体阻力小的流体阻力部件；所述驱动装置中设有，改变所述可动壁的工作周期的周期控制装置。

这里，设通路的截面面积为S、通路的长度为l、工作流体的密度为ρ，粘滞值L由式L＝ρ×l/S给出。设通路的差压为ΔP、流过通路的流量为Q，用粘滞值L改写通路内流体的运动方程式，导出ΔP＝L×dQ/dt的关系。

也就是，粘滞值L表示单位压力对流量的时间变化的影响程度，粘滞值L越大，流量的时间变化越小，粘滞值L越小，流量的时间变化就越大。

并且，多个通路的并联连接和多个形状不同的通路的串联连接的合成粘滞值，可以将各个通路的粘滞值跟电路中的电感的并联连接和串联连接同样地加以合成来计算。

并且，这里所说的入口通路，指的是直到入口连接管的流体流入侧端面为止的通路。但是，在管路途中连接脉动吸收装置的场合，是指从泵室内到与脉动吸收装置的连接部为止的通路。另外，在多个泵的入口通路集流的场合，是指从泵室内到集流部为止的通路。关于出口通路也如此。

依据本发明第一方面的泵，由于使入口通路的合成粘滞值比出口通路的合成粘滞值小，入口通路的流体以大的流体速度的变化率流入，能够使吸入流体体积(＝排出流体体积)增加。

并且，由于通过设置周期控制装置，可防止排除流体体积无谓地耗费，泵排出流体体积与排出压力增加，能够提供驱动效率良好的泵。

并且，如本发明第二方面所述，周期控制装置最好按照在从所述出口通路起的下游侧的负荷压力来改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第三方面所述，所述周期控制装置最好按照所述可动壁的泵室容积压缩行程上的位移时间、位移量或位移速度来改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第四方面所述，周期控制装置最好基于检测所述泵室的压力的泵压检测装置的检测信息来改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第五方面所述，周期控制装置最好在上次可动壁的运动结束后，所述泵压检测装置检测到压力上升时，控制下一次的可动壁的运动的开始。

并且，如本发明第六方面所述，周期控制装置最好基于采用预定值和所述泵压检测装置的检测值的运算值来改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第七方面所述，所述预定值最好是在驱动所述执行元件前，所述泵压检测装置测定的所述泵室的压力。

并且，如本发明第八方面所述，所述预定值最好是在施加上次的驱动波形后经过预定时间之后，所述泵压检测装置测定的所述泵室的压力。

并且，如本发明第九方面所述，所述预定值最好是预先输入的跟从所述出口通路起的下游侧的负荷压力大致相当的值。

并且，如本发明第十方面所述，最好设有对从所述出口通路起的下游侧的负荷压力加以检测的负荷压力检测装置，所述预定值最好是所述负荷压力检测装置的测定值。

并且，如本发明第十一方面所述，所述运算值最好是所述泵压检测装置检测的检测值在所述预定值以上的期间，所述检测值和所述预定值之差的时间积分的运算值。

另外，如本发明第十二方面所述，最好在所述入口通路设置从动型的阀，所述周期控制装置检测所述阀的位移，并基于该检测值改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第十三方面所述，最好所述周期控制装置基于检测包含所述出口通路的下游侧的流速的流速测定装置的检测信息，改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第十四方面所述，周期控制装置最好在上次的可动壁的运动结束后，所述流速测定装置检测到流速增加以后，控制下一次的可动壁的运动的开始。

并且，如本发明第十五方面所述，周期控制装置最好根据所述流速测定装置测定的流速的最大值和最小值之差来改变所述可动壁的工作周期。

并且，如本发明第十六方面所述，所述周期控制装置最好基于检测所述入口通路的吸入体积或所述出口通路的排出体积的移动流体体积测定装置的检测信息，改变所述可动壁的工作周期。

另外，如本发明第十七方面所述，所述执行元件最好是压电元件。

还有，如本发明第十八方面所述，所述执行元件最好是超磁应变元件。

并且，如本发明第十九方面所述的泵中设有：使柱塞或隔膜等的可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，由所述可动壁的位移而容积可变的泵室，让工作流体流入所述泵室的入口通路，以及让工作流体从所述泵室流出的出口通路；

所述入口通路中设有，工作流体流入泵室时的流体阻力比流出时的流体阻力小的流体阻力部件；所述驱动装置在泵内压力变动的1周期的发生期间，多次驱动所述执行元件。

依据本发明的第十九方面，可使排出流体体积增加，同时可改善止回阀的耐用性。

并且，如本发明的第二十方面所述的泵中设有：使柱塞或隔膜等可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，容积由所述可动壁的位移来改变的泵室，使动作流体流入所述泵室的入口通路，使工作流体从所述泵室流出的出口通路；

所述入口通路中设有：工作流体流入泵室时的流体阻力小于流出时的流体阻力的流体阻力部件，所述泵室的容积变化量成为最大的频率跟泵内流体的共振频率大致相等。

依据本发明的第二十方面，能够在不减少泵的排出流体体积的条件下更少地驱动执行元件整体的位移量，从而取得因减少执行元件的内部损失而更高效地驱动泵的效果。

并且，如本发明的第二十一方面所述，本发明第十九方面至二十方面中最好具有如下特点：所述入口通路的合成粘滞值小于所述出口通路的合成粘滞值，从而增加吸入流量，使排出流体体积增加。

另外，如本发明的第二十二方面所述，本发明第十九方面至二十一方面中：在泵工作时所述出口通路最好与所述泵室连通。

并且，如本发明的第二十三方面所述，本发明第十九方面至二十二方面中：所述执行元件最好是压电元件。

并且，如本发明的第二十四方面所述，本发明第十九方面至二十二方面中：所述执行元件最好是超磁应变元件。

附图说明

图1是本发明实施例1的泵的纵向剖面图。

图2是表示本发明实施例1的泵的动作曲线图。

图3是表示频率不同时排出流体体积变化的状态的曲线图。

图4是表示预定的频率的波形模式的曲线图。

图5是表示跟图4不同的频率的波形模式的曲线图。

图6是本发明的实施例1的周期控制装置的框图。

图7是本发明实施例1的周期控制装置中存储的对应表的示图。

图8是表示本发明实施例2的周期控制装置的框图。

图9是表示本发明实施例2的周期控制装置的处理顺序的流程图。

图10是表示本发明实施例3的压力-周期变换电路的处理顺序的流程图。

图11是表示本发明实施例4的周期控制装置的框图。

图12是本发明实施例4的周期控制装置中存储的对应表的示图。

图13是本发明实施例5的周期控制装置的框图。

图14是表示本发明实施例5的位移-周期变换电路的处理顺序的流程图。

图15是表示本发明实施例6的周期控制装置的框图。

图16是表示本发明实施例6的流速-周期变换电路的处理顺序的流程图。

图17是表示本发明实施例7的流速-周期变换电路的处理顺序的流程图。

图18是本发明实施例8的泵的示图。

符号说明

1：入口通路

2：出口通路

3：泵室

4：止回阀

5：隔膜(可动壁)

6：压电元件(执行元件)

20：驱动装置

22：周期控制电路(周期控制装置)

22d：压力-周期变换电路

22e：位移-周期变换电路

24：波形发生电路

28：压力传感器(泵压测定装置)

30：位移传感器

32：流速传感器(流速测定装置)

40：箱体(移动流体体积测定装置)

42：液面传感器(移动流体体积测定装置)

具体实施方式

以下，基于附图就本发明的多个实施例进行说明。

首先，参照图1就本发明各实施例的泵的结构进行说明。图1表示本发明的泵的纵向剖面。圆筒形状的泵体7的底部设有圆形的隔膜5。隔膜5的外周边弹性变形地自由贴合、固定在泵体7上。隔膜5的底面上设有在附图纸面的上下方向伸缩的压电元件6，作为驱动隔膜5的执行元件。

隔膜5和泵体7的上壁之间的狭窄空间为泵室3，朝向该泵室3设置流体阻力部件即止回阀4的入口通路1和开有即使在泵工作时也通常与泵室连通的细孔的管路即出口通路2均设有开口。而且，构成入口通路1的部件的外圆周的一部分，形成用以连接未图示的外部器件的入口连接管8。并且，构成出口通路2的部件的外圆周的一部分，形成用以连接未图示的外部器件的出口连接管9。并且，在入口通路和出口通路的工作流体的入口侧，均加工成圆弧，形成圆弧状部分15a，15b。

这里，对粘滞值L加以的定义。若设通路的截面面积为S、通路的长度为l、工作流体的密度为ρ，则粘滞值L由L＝ρ×l/S给出。若设通路的差压为ΔP、流过通路的流量为Q，则通过用粘滞值L改写通路内流体的运动方程式，导出ΔP＝L×dQ/dt的关系。

也就是，粘滞值L表示单位压力对流量的时间变化的影响程度，粘滞值L越大，流量的时间变化越小，粘滞值L越小，流量的时间变化就越大。

并且，与多个通路的并联连接和多个形状不同的通路的串联连接有关的合成粘滞值，可以将各个通路的粘滞值跟电路中的电感的并联连接和串联连接同样地加以合成来计算。

并且，这里所说的入口通路，指的是直到入口连接管8的流体流入侧端面为止的通路。但是，在管路途中连接脉动吸收装置的场合，是指从泵室3内到与脉动吸收装置的连接部为止的通路。另外，在多个泵的入口通路1集流的场合，是指从泵室3内到集流部为止的通路。关于出口通路也如此。

参照图1，就入口通路1、出口通路2的通路长度、面积的符号关系进行说明。入口通路1中，设止回阀4近傍的缩径管路部分的长度为L1、面积为S1，设剩余的扩大的管路部分的长度为L2、面积为S2。并且，设在出口通路2中，出口通路2的管路的长度为L3、面积为S3。

用以上的符号和工作流体的密度ρ，说明入口通路1、出口通路2之间的粘滞值的关系。

入口通路1的粘滞值，由ρ×L1/S1+ρ×L2/S2算出。另一方面，出口通路2的粘滞值，由ρ×L3/S3算出。而且，这些通路的尺寸关系满足ρ×L1/S1+ρ×L2/S2＜ρ×L3/S3。

以上的结构中，隔膜5的形状并不限于圆形。并且，例如泵停止时万一被加上过大的负荷压力时，为保护泵结构部件不受之影响而在出口通路2设置阀件，只要至少在泵工作时与泵室连通就没关系。并且，止回阀4不仅可采用以流体的压力差来开闭的类型，采用以流体的压力差以外的力来控制开闭的类型也没关系。

另外，对于使隔膜5动作的执行元件6，只要是能伸缩的元件均可使用，但是在本发明的泵结构中，执行元件和隔膜5之间直接连接，中间没有介入位移扩大机构，隔膜能够以高频率动作，如本实施例那样，通过使用响应频率高的压电元件6，能够因高频率驱动而增加流量，能够实现小型的高输出功率的泵。同样地，也可以使用具有高频率特性的超磁应变元件。

并且，由于只在吸入侧设置机械的开闭阀即可，使因阀而造成的流量减少降低，同时提高了可靠性。

再有，从本实施例至实施例8的全部实施例中，作为泵内导引的工作流体使用的是水。但是，也可以使用乙醇类、油类或加入了任何添加剂的液体等其他流体。

接着，用图2、图3、图4与图5就图1所示的结构的泵中的隔膜的工作周期进行说明。

图2表示：泵转入了运转时的隔膜5的位移的波形W1、泵室3的内压的波形W2、通过出口通路2的流体的体积速度(即出口管路的截面面积×流体的流速，这时是和流量相等的量。)的波形W3和通过止回阀4的流体的体积速度W4的波形。并且，图2所示的负荷压力P_fu是比出口流量2更下游侧的流体压力，吸入侧压力P_ky是比入口通路1更上流侧的流体压力。

如隔膜5的位移的波形W1所示，波形的倾斜为正的区域是压电元件6延伸而使泵室S的容积减少的过程。并且，波形的倾斜为负的区域是压电元件6收缩而使泵室3的容积增大的过程。

而且，位移了约4.5μm的平坦的波形区间是隔膜5的最大位移量，即泵室3的容积成为最小的隔膜5的位移位置。

如泵室3的内压变化的波形W2所示，减少泵室3的容积的过程一经开始，泵室3的内压上升就开始。而且，减少泵室3的容积的过程结束前，就达到泵室3的内压最大值并开始减少。该内压最大的位置是因隔膜5导致的排除流体的体积速度和波形W3所示的出口通路2的流体的体积速度成为相等的点。

其理由是：在该时刻之前，由于具有排除流体的体积速度-通过出口通路2的流体的体积速度＞0的关系，这部分泵室3内的流体被压缩，泵室3内的压力上升；该时刻之后，由于具有排除流体的体积速度-通过出口通路2的流体的体积速度＜0的关系，这部分泵室3内的流体的压缩量减少，泵室3内的压力下降。

如设各时刻的泵室3内的流体的体积变化为ΔV，泵室3内的压力，按照

ΔV＝隔膜导致的排除流体体积+吸入流体体积-排出流体体积和流体的压缩率之间的关系而变化。因此，即使在泵室3的容积减少的过程，泵室3内的压力也有比负荷压力P_fu低的场合。

另外，在图2所示的场合中，泵室3内压力比吸入侧压力P_ky低，在接近绝对0气压时，溶解于工作流体中的成分气化而形成气泡，即产生充气(aeration)或空穴作用(cavitation)，在绝对0气压附近成为饱和。但是，在包含泵在内的整个通路***被加压，吸入侧压力P_ky也充分高的场合，也有不发生充气或空穴作用的情况。

并且，如出口通路2的流体的体积速度的波形W3所示，在出口通路2内，泵室3内压力比负荷压力P_fu大的期间，大致成为流体的体积速度的增加期间。而且，如泵室3内压力比负荷压力P_fu低，出口通路2内的流体的体积速度也开始减少。

设泵室3内压力和负荷压力P_fu之间的差压为ΔP_out，出口通路2的流体阻力为R_out、粘滞值为L_out、流体的体积速度为Q_out，在出口通路2内的流体中如下的关系成立： $\mathrm{\ΔPout}=\mathrm{RoutQout}+\mathrm{Lout}\frac{\mathrm{dQout}}{\mathrm{dt}}\·---\left(1\right)$

因此，这些流体的体积速度的变化率，等于ΔP_out与R_out×Q_out之差除以粘滞值L_out的所得值。而且，对1个周期的波形W3所示的流体的体积速度加以积分的值，就成为每1个周期的排出流体体积。

并且，如通过止回阀4的流体的体积速度变化的波形W4所示，入口通路1中，如泵室3的压力比吸入侧压力P_ky有所减少，由于该压力差，止回阀4打开，流体的体积速度开始增加。并且，如泵室3的压力上升，比吸入侧压力P_ky有所增加，流体的体积速度开始减少。而且，由于止回阀4的止回效果，倒流被防止。

如设泵室3的压力和吸入侧压力P_ky之间的差压为ΔP_in、出口通路2的流体阻力为R_in、粘滞值为L_in、流体的体积速度为Q_in，入口通路1内的流体中如下的关系成立： $\mathrm{\ΔPin}=\mathrm{RinQin}+\mathrm{Lin}\frac{\mathrm{dQin}}{\mathrm{dt}}\·---\left(2\right)$ 因此，这些流体体积速度的变化率等于ΔP_in和R_in×Q_in之差除以入口通路1的粘滞值L_in的所得值。

而且，对1个周期的波形W4所示的流体的体积速度的积分值，就是每一周期的吸入流体体积。而且，该吸入流体体积跟用波形W3算出的排出流体体积相等。这里，对粘滞值的定义式进行时间积分，成为 $\∫\mathrm{\ΔPdt}=\mathrm{LQ}{|}_{t0}^{t1}\·---\left(3\right)$ 由于粘滞值为定值，某段管路中，该两端的差压的积分值越大，该期间的管路内流体的流体体积速度Q的变化量就越大。来看出口通路2，泵室3的内压和负荷压力P_fu的差压的积分值越大，出口通路2内部的流体中产生向排出方向的高速流动(即具有大动量的流动)，排出流体体积增加。能够将来自入口通路1侧的大量的流体导入泵室3内，直到该动量减少，同时排出流体体积和吸入流体体积达到相等的时间也变长。也就是，在出口通路2中，每一循环的泵的排出流量(即吸入流量)，以及直到排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时间，依据(3)式的左边的值的大小而变化。而且，如加快泵室容积减少行程中隔膜的位移速度，则(3)式的左边的值有增加的倾向。

接着，就在前一次给压电元件6的驱动电压施加后的下一次施加驱动电压的定时进行说明。

如前所述，如以ΔV表示各时刻的泵室3内的流体的体积变化，泵室3内的压力按照

ΔV＝隔膜5导致的排除流体体积+吸入流体体积-排出流体体积和流体的压缩率之间的关系而变化。而且，本结构的泵，由于出口流路2和泵室3连通，ΔV＝0时，泵室3内的压力跟负荷压力P_fu相等。因此，ΔV＜0的范围内，泵室3的压力变得低于负荷压力P_fu。因此，如在ΔV＜0的范围内对压电元件6施加下次的驱动电压，直到变成ΔV＝0时的排除体积，被用于为使泵室3的压力与负荷压力P_fu相等而对泵室3的流体的压缩，成为无谓的浪费。

通过防止这种对排除体积无谓浪费，能够使泵的排出流体体积增加。为此，可以在一次泵操作的驱动结束后(隔膜5导致的排除流体体积的净量成为零后)，排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时刻以后，施加下次对压电元件6的驱动电压。

可是，泵室3的流体的压力波根据各种各样的原因而变化。使隔膜5以正弦波形运动时，排出流体体积相对于驱动周期如图3变化。图3中有两个排出流体体积的峰值，关于对应于各峰值的驱动周期中的泵室3内压力和隔膜位移，如图4与图5所示。图4表示隔膜位移的周期和泵室压力的周期相等的被称为1倍波模式的驱动状态，图5表示与隔膜位移的周期相比泵室压力的周期为2倍的被称为2倍波模式的驱动状态。图4和图5中，泵室的压力波形不同，前面说明的(3)式的左边的值也不同。具体而言，与图4的1倍波模式相比，图5的2倍波模式压力波形的峰值大，(3)式的左边的值也大。因此，如前面所说明，排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时刻也发生改变。(就直到排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时间而论，与表示1倍波模式的图4相比较，表示2倍波模式的图5中该时间较长)。在该排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时刻，在跟隔膜向泵室容积压缩方向动作的期间步调一致的驱动频率中，存在图3所示的排出流体体积的峰值。这两个模式下泵室的压力波形不同的理由在于：虽然隔膜的位移量相等，但与图4相比，图5所示的驱动周期短，隔膜的泵室容积减少行程中的位移速度快。

如此，泵室3的压力，特别受到驱动压电元件6而使隔膜5向泵室3的容积减少方向的位移时间、最大位移量、位移速度、负荷压力的变化造成的影响，随之，排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时刻也发生变化，从而在前一次对压电元件6施加驱动电压后的下一次施加驱动电压的最佳定时也发生变化。

再基于图3进行附加说明。

如图3所示，2倍波模式比1倍波模式增加了排出流体体积。并且，如以2倍波模式驱动，止回阀的开闭次数为驱动频率的1/2，由图3可知，以2倍波模式驱动的止回阀的开闭次数少于以1倍波模式驱动时止回阀的开闭次数。一般来说，疲劳破坏与负荷的重复次数相关联。因此，以2倍波模式驱动时止回阀的耐用性提高。图3表示了隔膜的驱动波形设为正弦波形的情况，但是，在以其他与正弦波形接近的波形，或者以隔膜的位移速度与驱动周期构成函数关系的驱动波形驱动的场合，情况也一样。

并且，如前述，图3所示的排出流体体积峰值频率，是排出流体体积和吸入流体体积成为相等的时刻(即泵室内压等于负荷压力的时刻)和在隔膜向泵室容积压缩方向动作的期间每次均步调一致的驱动频率。这里，将该频率称作泵内流体共振频率。

通过使执行元件和隔膜，以及构成泵室的其他的称为壁部件的构成泵室的机械部件的共振频率(该频率中，泵室3的容积变化成为最大)跟泵内流体共振频率和大致相等，能够以更少的执行元件的位移量进行驱动而不减少来自泵的排出流体体积。由此，能够取得因减少了执行元件的内部损失而以更高的效率驱动泵的效果。

接着，图6与图7表示本发明的实施例1。

图6是表示执行本实施例的压电元件6的驱动控制的驱动装置20的框图，该驱动装置由周期控制电路(周期控制装置)22和电压波形发生电路24构成。

电压波形发生电路24中设有：每当接到后述的触发信号时，使接到触发信号前为止设定的电压波形发生一次的波形发生电路24a；以及放大到驱动所需的预定的电功率并供给压电元件6的放大电路24b。

周期控制电路22中设有：用以输入使隔膜5向泵室3的容积减少的方向位移的时间(位移时间)、最大位移、负荷压力的信号的I/O端口22a；将通过实验预先求出对各输入值的组合的最佳工作周期，记录于图7所示的对应表的ROM22b；以及用I/O端口22a的输入值参照ROM22b，以对应的周期发生触发信号的CPU22c。

依据本实施例，周期控制电路22选择对于位移时间、最大位移、负荷压力的变化的最佳周期来控制压电元件6，由于在排出流量体积与吸入流量体积相等，或者隔膜5在吸入流量体积多的状态下位移，能够防止排除流体体积的无谓浪费，使泵的排出流体体积增大。

并且，本实施例中，由于无需在泵室3的内部设传感器，因此，适用于泵室3空间狭窄的场合。

接着，参照图8与图9说明本发明的实施例2。

如图8所示，本实施例的驱动装置20中设有：周期控制电路(周期控制装置)22和电压波形发生电路24。

电压波形发生电路24具有跟图6的框图相同的结构，每当接到后述的触发信号，就使接到触发信号前为止设定的电压波形发生一次。

周期控制电路22中设有：基于泵内设置的压力传感器(泵压检测装置)28的检测值来发生触发信号的压力-周期变换电路22d。

图9用流程图表示压力-周期变换电路22d的处理顺序。

首先，在步骤S4中，设定压力的阈值P_sh。该阈值P_sh使用压力传感器28中吸入侧压力P_ky加上时的输出功率值以上的值。如果这样，就不会有低压时微妙的压力上升引起的误检测。

接着，转入步骤S6，将触发信号向波形发生电路24输出。

接着，转入步骤S8，确认波形发生电路24的一次的电压波形输出是否结束，如已结束，则转入步骤S10。

在步骤S10中，由压力传感器28测量第1次的泵室3的压力Pin1。

接着，转入步骤S12，由压力传感器28测量第2次的泵室3的压力Pin2。

接着，转入步骤S14，确认阈值Psh、第1次的泵室3的压力Pin1和第2次的泵室3的压力Pin2三者的关系是否为Pin1＜Psh＜Pin2。如形成了Pin1＜Psh＜Pin2的关系，则转入步骤S16，如果未形成Pin1＜Psh＜Pin2的关系，则转入步骤S18。

在步骤S18中，将第2次的泵室3的压力Pin2的值设为第1次的泵室3的压力Pin1，回到步骤S12。

并且，在步骤S16中，确认压电元件6的控制是在继续进行还是已经停止，如压电元件6的控制已停止，则停止处理，如压电元件6的控制在继续，则返回步骤S6。

以上，依据本实施例，周期控制电路22，能够在对应于负荷压力的变化、泵室3的压力增加到超过预先设定的阈值P_sh的时刻，施加下一个对压电元件6的驱动电压。

而且，如采用压力传感器28中负荷压力P_fu加上时的输出功率值以上的值，由于隔膜5在排出流体体积和吸入流体体积相等，或者吸入流体体积居多的时刻开始位移，可以防止排除流体体积的无谓的浪费，增加泵的排出流体体积。

再有，作为泵压检测装置，除了用压力传感器28以外，也可用应变计或位移传感器来测定隔膜的变形量，然后算出泵室3的压力。并且，也可用应变计测定泵体的变形，然后算出泵室3的压力。并且，也可在入口通路1侧设置从动阀，用应变计或位移传感器测定该阀关闭状态下的泵室3的压力引起的变形，算出泵室3的压力。并且，为了测定压电元件6的位移，也可以在压电元件6中装入应变计，从给压电元件6的施加电压或施加电荷(目标位移量)、应变计的测定值(实际位移量)和压电元件6的杨氏模量算出泵室3的压力。这些方法不需要在泵室3的内部设置任何东西，从而能够促进泵的小型化。并且，作为应变计，只要是能通过阻力变化、静电容量变化或电压变化来检测变形量的，使用任何类型的应变计均可。

并且，压力传感器可以设置在包含泵室和出口流体的泵内，设置在泵室内能够准确测定泵内部的压力，比较适合。

接着，用图10说明本发明的实施例3。

该图是表示图8所示的压力-周期变换电路22d的处理顺序的流程图，由于跟图8所示的结构相同，驱动装置20的框图省略。

首先，在步骤S30中，选择隔膜5的多个周期Ti(i＝1、2、3…)中的周期T1。再有，下次以后，改而选择另一周期Ti。

接着，转入步骤S32，确认是否已经结束对全部周期Ti的后述的运算值Fi的计算，如没有结束则转入步骤S38，如已结束则转入步骤S36。

在步骤S38中，输出触发信号Si。

接着，转入步骤S44，用压力传感器28测量泵室3的压力Pin。

接着，转入步骤S46，确认基准值(预定值)Pa和泵室3的压力Pin之间的关系是否成为Pa≤Pin的关系。这里，基准值Pa是压电元件6驱动前的泵室8的压力值。在该步骤中，如成为Pa≤Pin的关系，则转入步骤S50，如未成为Pa≤Pin的关系，则返回步骤S44。

接着，转入步骤S50，将泵室3的压力Pin存储到存储压力值Pmj(j＝1、2、3…，在进行该步骤的处理时j值递增。)，然后转入步骤S5 2，将进行该测量时的时刻存储到经过时间TMmj(j＝1、2、3…)，然后转入步骤S54。

在步骤S54中，测定泵室的压力，确认该测定值Pin和基准值Pa之间的关系是否成为Pa＞Pin的关系。如成为Pa＞Pin的关系，则转入步骤S56，如未成为Pa＞Pin的关系，则返回步骤S50。

然后，在步骤S56中，用存储压力值Pmj、基准值Pa、经过时间TMmj，对存储压力值Pmj与基准值Pa之差进行时间积分，算出运算值Fi，然后返回步骤S30。

然后，在步骤S32中对隔膜5的整个周期Ti的运算值Fi的运算结束时转入的步骤S36中，将至此存储的运算值F1、F2、F3…中的最大值算出。

接着，转入步骤S58，在选择了对应于成为最大值的预定的运算值Fi的隔膜5的周期Ti之后，结束处理。

然后，驱动装置20执行压电元件6的驱动控制，以使隔膜5以选择的周期Ti进行位移。

如进行以上图10所示的压力-周期变换电路22d的处理，能够选择相当于(3)式的左边的运算值Fi成为最大的周期。另一方面，如果在排出流体体积和吸入流体体积相等，或者吸入流体体积一方多的时刻以隔膜5开始位移的最佳周期进行驱动，如前面说明的那样，由于消除了泵室容积压缩过程中排除流体体积的无谓的浪费，跟不以最佳周期驱动的场合相比，泵室内压上升，泵的排出流体体积增加，而且，相当于(3)式的左边的值也增大。因此，如果按本实施例那样控制隔膜的工作周期，能够以最佳工作周期进行驱动，防止排除流体体积的无谓的浪费，增加泵的排出流体体积。

再有，如对压力值Pmj和基准值Pa之差进行时间积分，能够高精度地进行压电元件6的控制，但是，也可以使用例如将泵室3的压力Pin的峰值和基准值Pa之差与基准值Pa≤压力Pin时的时间相乘所得的积。

但是，本发明的泵中，由于与出口通路2连接的出口管路(从出口通路2起的下游侧)和泵室3连通，驱动前的泵室3的压力和负荷压力P_fu相等。因此，通过测定驱动前的泵室3的压力，就可获知负荷压力P_fu。

因此，也可以不将压电元件6驱动前的泵室的压力设为基准值Pa，而用其他方法求出负荷压力P_fu，进行图10所示的实施例3的处理。

作为其他的方法，在事先知道负荷压力P_fu的场合最好使用该值，这样比较简便。并且，最好设置测定负荷压力P_fu的装置，能够使用其测定值跟事先不能估计的各种各样的负荷压力P_fu对应。并且，如果在泵驱动时暂时地停止数个波形的驱动(例如，以2kHz驱动时，在驱动到2000个波形时停止10个波形，又开始2000个波形的驱动)，由于在停止期间泵室3的压力振动停止，则该时的泵室3的压力跟负荷压力P_fu相等。因此，用作为泵压检测装置的压力传感器28的该时的值作为负荷压力P_fu使用，能够跟各种各样的负荷压力P_fu对应，不用再新设测定负荷压力的装置就能得以解决，这一点是很理想的。

并且，预先通过实验等手段求得某个工作周期时的运算值Fi，以及为以该值为理想的最大运算值Fmax而在该工作周期加入的修正量，并将该值作成对应表保存在位移控制装置的ROM内，算出运算值Fi时，参照该对应表来设置隔膜5的工作周期的修正装置，能够取得同样的效果，更高速地进行位移速度的控制。

接着，图11与图12用来说明本发明的实施例4。如图11所示，本实施例的周期控制电路22中设有：I/O端口22a、ROM22b和CPU22c；I/O端口22a被输入来自设于泵内的压力传感器(泵压检测装置)28的泵室3的压力信息。并且，在ROM22b内记录：将预先实验求得的某个基准工作周期T₀时的压力传感器28的内压峰值和为以该值设定最佳周期的修正量作为图12所示的按负荷压力的对应表。

本实施例的波形发生电路24输出第1次的驱动电压，周期控制电路22以基准工作周期T₀发生触发信号，波形发生电路24一开始第2次的驱动电压的输出，压力传感器28的测定就开始，从其测定值算出峰值后参照ROM22b找到对应的修正值，从下次开始，以在基准工作周期上加上该修正量后的周期来输出触发信号。再有，至于负荷压力的求取方法，实施例3中说明的所有方法在这里可同样使用。

本实施例中，通过选择最佳周期并对压电元件6供给驱动电压波形，由于隔膜5在排出流量体积与吸入流量体积相等，或者吸入流量体积多的状态下位移，能够防止排除流体体积的无谓的浪费，使泵的排出流体体积增大。

接着，用图13与图14说明本发明的实施例5。

图13所示的本实施例的驱动装置20中设有：周期控制电路(周期控制装置)22和电压波形发生电路24。周期控制电路22中设有：基于检测在泵内的入口通路1处设置的通过压力差开闭的止回阀4的开闭的位移状态的位移传感器30的检测值来发生触发信号的位移-周期变换电路22e。

图14是表示位移-周期变换电路22e的处理顺序的流程图。

首先，在步骤S60中，设定与关闭入口通路1的止回阀1大体关闭时的位移量相当的阈值X₀。

接着，转入步骤S62，输出触发信号。

接着，转入步骤S64，确认电压波形的1次输出是否结束，如结束则转入步骤S66。

在步骤S66中，通过位移传感器30测量止回阀1的位移量X。

接着，转入步骤S68，确认关闭入口通路1的止回阀1的位移量(阈值)X₀和、测量的位移量X之间的关系是否成为X≤X₀。如成为X≤X₀的关系，则转入步骤S70，如未成为X≤X₀的关系，则返回步骤S66。

在步骤S70中，确认是继续还是停止对压电元件6的控制，如停止对压电元件6的控制，则停止处理，如继续对压电元件6的控制，则返回步骤S62。

本实施例中利用了这样的情况：在1个周期的驱动电压的施加结束后，吸入流体体积的增加量逐渐地多于排出流体体积的增加量，在排出流体体积和吸入流体体积大致成为相等时，吸入阀关闭。因此，在位移-周期变换电路22e止回阀1将入口通路1关闭的状态的时刻，进行下次对压电元件6施加驱动电压的处理，从而隔膜5在排出流体体积和吸入流体体积大致相等的时刻开始位移，因此，能够防止流体体积的无谓的浪费，使泵的排出流体体积增加。

并且，本实施例中，由于在止回阀1关闭后驱动压电元件6，因此，也能防止隔膜5的排除流体体积从入口通路1倒流而造成损失。

接着，用图15与图16说明本发明的实施例6。

图15所示的本实施例的驱动装置20中设有：周期控制电路(周期控制装置)22和电压波形发生电路24；周期控制电路22中设有：基于设置在泵内的出口通路2上的流速传感器(流速测定装置)30的检测值，发生触发信号的流速-周期变换电路22f。

图16是表示流速-周期变换电路22f的处理顺序的流程图。

首先，在步骤S72中，选择隔膜5的多个周期Ti(i＝1、2、3...)中的周期T1。再有，下次以后改而选择另一周期Ti。

接着，转入步骤S74，确认是否已经结束对全部周期Ti后述的流速差ΔVi的计算，如果没有结束，则转入步骤S80，如果已经结束，则转入步骤S78。

在步骤S80中，输出触发信号Si。

接着，转入步骤S84，算出出口通路2的最大流速Vmax。

接着，转入步骤S86，算出出口通路2的最小流速Vmin。

接着，转入步骤S90，算出最大流速Vmax和最小流速Vmin的流速差ΔV。

接着，转入步骤S92，将流速差ΔV存入存储流速值ΔVi(i＝1、2、3...)，然后返回步骤S72。

然后，在对整个周期Ti的流速差ΔVi的计算结束后，转入步骤S78，算出至此存储的速度差ΔV1、ΔV2、ΔV3…中的最大值。

接着，转入步骤S94，在选择与成为最大值的预定的速度差ΔVi对应的周期Ti后，结束处理。

然后，驱动装置20进行压电元件6的驱动控制，以使隔膜5以选择的周期Ti产生位移。

以上，本实施例中，利用了以下两点：如(3)式所示的积分期间的流体体积速度的差跟泵室3的压力和负荷压力之间的差压的时间积分值的1对1的对应关系；以及越是以良好的工作周期驱动隔膜，其时间积分值越大。因此，如进行图16所示的流速-周期变换电路22f的处理，就能够以最佳工作周期驱动隔膜，防止排除流体体积的无谓的浪费，增加泵的排出流体体积，提供驱动效率良好的泵。

接着，图17是表示实施例7的流速-周期变换电路22f的处理顺序的流程图。

首先，在步骤S100中，设定出口通路2的流速的阈值Vsh。

接着，转入步骤S102，输出触发信号。

接着，转入步骤S104，确认电压波形的一次输出是否结束，如果已经结束，则转入步骤S106。

在步骤S106中，用流速传感器32测量第1次的出口通路2的流速Vin1。

接着，转入步骤S108，用流速传感器32测量第2次的出口通路2的流速Vin2。

接着，转入步骤S110，确认阈值Vsh、第1次的出口通路2的流速Vin1和第2次的出口通路2的流速Vin2的关系是否成为Vin1＜Vsh＜Vin2的关系。如果成为Vin1＜Vsh＜Vin2的关系，则转入步骤S112，如果没有成为Vin1＜Vsh＜Vin2的关系，则转入步骤S114。

在步骤S114中，以第2次的出口通路2的流速Vin2的值作为第1次的出口通路2的流速Vin1，然后返回步骤S108。

并且，在步骤S112中，确认是继续还是停止对压电元件6的控制，如果停止对压电元件6的控制，就停止处理，如果继续对压电元件6的控制，就返回步骤S102。

以上，本实施例中利用了如下情况：如图2所示，出口通路2内的流体，驱动电压的一次施加结束后，在泵内压比负荷压力还低的期间流速减少，但是，在排出流体体积和吸入流体体积相等，或者吸入流体体积一方多时，泵内压变得比负荷压力高，出口通路2内的流速开始增加。因此，如本实施例的流速-周期变换电路22f那样，如果在出口通路2的流速增加的时刻，进行施加对下一压电元件6的驱动电压的控制，则由于排出流体体积和吸入流体体积相等，或者吸入流体体积一方多的时刻，隔膜5开始位移，因此，可以防止排除流体体积的无谓浪费，增加泵的排出流体体积。

并且，也有这样的方法：预先用实验按隔膜的位移速度并按负荷压力求得以某个基准周期T₀使隔膜运动时的流速峰值，以及将该值设为最大流速峰值时对基准周期所加的修正量，作为对应表预先记录在周期制御电路22的构成部分ROM等(未作图示)中。这种场合，在事先获知隔膜位移速度、负荷压力的条件下，以某个基准周期T₀使隔膜运动时，开始用流速传感器32进行测定，从该测定值算出峰值后，参照ROM的对应表找到对应的修正量，从下次开始，用在基准周期T₀上加了该修正量的周期输出触发信号。尽管这样，也能获得跟上述实施例同样的效果。

再有，作为流速传感器32，可以用超声波式、将流速变换为压力来测定的方式，或者红外线式的流速传感器等。并且，流速传感器32的位置可以设在包含出口通路的下游侧。

另外，图18表示本发明实施例8。

本实施例中，泵的出口通路2与可以存积流体的箱体40连接。该箱体40和设在其内部的液面传感器42构成移动流体体积测定装置，来自液面传感器42的液面高度的检测信息输入到驱动装置20。

箱体40最初设置为空的。然后，流体一从泵的出口通路2排出，驱动装置20就测量排出时间和液面高度，算出隔膜5的每单位时间的排出体积。而且，适当设定隔膜5的工作周期，以使该排出体积成为最大。结果，能够以每单位时间的排出流体体积成为最大的最佳工作周期使隔膜运动，从而能提供驱动效率高的泵。

并且，除了采用这样的箱体40和设于其内部的液面传感器42的移动流体体积测定装置外，还有在入口通路1或出口流路2处设置脉动吸收用的缓冲器(未作图示)，并设有测定该缓冲器膜的位移量并输出至驱动装置20的移动流体体积测定装置，可将隔膜5的工作周期设定得使缓冲器的膜的位移量成为最大。这是因为，由于每个泵动周期的排出流体体积(＝吸入流体体积)越多缓冲器膜振动的振幅也越大，因此，缓冲器膜的位移量成为最大时，每个泵动周期的排出流体体积(＝吸入流体体积)也成为最大。

综上所述，本发明的泵中，可以只在入口通路设置阀，由于可以只在入口通路设置阀等的流体阻力部件，能够减少流体阻力部件处的压力损失，并提高泵的可靠性。

并且，由于在柱塞或隔膜和驱动它们的执行元件之间不设置位移扩大机构，阀中不利用粘性阻力，因此能够应对高频驱动。因此，能够提供充分发挥执行元件性能的小型轻量且高输出功率的泵。

并且，通过设置周期控制装置，能够防止排除流体体积的无谓浪费；由于这一部分的泵排出流体体积、排出压力的增加，能够提供驱动效率的良好的泵。

Claims (24)

1.一种泵，其中设有：使柱塞或隔膜等可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，可通过所述可动壁的位移改变容积的泵室，使工作流体流入所述泵室的入口通路，以及使工作流体流出所述泵室的出口通路，其特征在于：

所述出口通路在泵工作时与所述泵室连通，所述入口通路的合成粘滞值比所述出口通路的合成粘滞值小，所述入口通路中设有使工作流体流入泵室时的流体阻力比流出时的流体阻力小的流体阻力元件；

所述驱动装置中设有改变所述可动壁的动作周期的周期控制装置。

2.如权利要求1所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置根据从所述出口通路起始的下游侧的负载压力来改变所述可动壁的动作周期。

3.如权利要求1或2所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置根据所述可动壁的泵室容积压缩行程的位移时间、位移量或位移速度来改变所述可动壁的动作周期。

4.如权利要求1所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置基于检测所述泵的内部压力的泵压检测装置的检测信息，改变所述可动壁的动作周期。

5.如权利要求4所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置在上次可动壁的动作结束后，所述泵压检测装置测出压力上升时，进行使下次可动壁动作开始的控制。

6.如权利要求4所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置基于用预定值与所述泵压检测装置的检测值得到的计算值，改变所述可动壁的动作周期。

7.如权利要求6所述的泵，其特征在于：所述预定值是驱动所述执行元件前所述泵压检测装置测定的所述泵室的压力。

8.如权利要求6所述的泵，其特征在于：所述预定值是加了上次的驱动波形后又经过预定的时间之后，所述泵压检测装置测定的所述泵室的压力。

9.如权利要求6所述的泵，其特征在于：所述预定值是预先输入的、与从所述出口通路起始的下游侧的负载压力大致相当的值。

10.如权利要求6所述的泵，其特征在于：设有检测从所述出口通路起始的下游侧的负载压力的负载压力检测装置，所述预定值是所述负载压力检测装置的测定值。

11.如权利要求6至10中任一项所述的泵，其特征在于：所述计算值是关于所述泵压检测装置检测的检测值成为所述预定值以上的期间，对所述检测值与所述预定值之差进行时间积分而得到的计算值。

12.如权利要求1所述的泵，其特征在于：在所述入口通路设有从动型的阀，所述周期控制装置检测所述阀的位移，并基于该检测值改变所述可动壁的动作周期。

13.如权利要求1所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置基于检测包含从所述出口通路起始的下游侧的流速的流速测定装置的检测信息，改变所述可动壁的动作周期。

14.如权利要求13所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置在上次可动壁动作结束后，所述流速测定装置检测到流速增加以后，进行使下次可动壁的动作开始的控制。

15.如权利要求13所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置根据所述流速测定装置测定流速的最大值与最小值之差改变所述可动壁的动作周期。

16.如权利要求1所述的泵，其特征在于：所述周期控制装置基于检测所述入口通路的吸液体积或所述出口通路的排液体积的移动流体体积测定装置的检测信息，改变所述可动壁的动作周期。

17.如权利要求1至16中任一项所述的泵，其特征在于：所述执行元件是压电元件。

18.如权利要求1至16中任一项所述的泵，其特征在于：所述执行元件是超磁应变元件。

19.一种泵，其中设有：使柱塞或隔膜等可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，可通过所述可动壁的位移改变容积的泵室，使工作流体流入所述泵室的入口通路，以及使工作流体流出所述泵室的出口通路，其特征在于：

所述入口通路中，设有工作流体流入泵室时的流体阻力比流出时的流体阻力小的流体阻力元件，所述驱动装置在泵内压力变动成为一个周期的期间，多次驱动所述执行元件。

20.一种泵，其中设有：使柱塞或隔膜等可动壁位移的执行元件，驱动控制该执行元件的驱动装置，可通过所述可动壁的位移改变容积的泵室，使工作流体流入所述泵室的入口通路，以及使工作流体流出所述泵室的出口通路，其特征在于：

所述入口通路中，设有工作流体流入泵室时的流体阻力比流出时的流体阻力小的流体阻力元件，所述泵室的容积改变量成为最大的频率和泵内流体的共振频率大致相等。

21.如权利要求19或20所述的泵，其特征在于：所述入口通路的合成粘滞值比所述出口通路的合成粘滞值小。

22.如权利要求19至21中任一项所述的泵，其特征在于：所述出口通路在泵工作时和所述泵室连通。

23.如权利要求19至22所述的泵，其特征在于：所述执行元件是压电元件。

24.如权利要求19至22所述的泵，其特征在于：所述执行元件是超磁应变元件。

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