JP2004316650A

JP2004316650A - 閉ループ圧電ポンプ

Info

Publication number: JP2004316650A
Application number: JP2004112407A
Authority: JP
Inventors: Arthur Fong; フォンアーサー; Marvin Glenn Wong; マーヴィン　グレン　ウォン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2004-11-11
Also published as: DE10360986A1; US20040202558A1; TW200504287A; GB0407187D0; GB2401156A; US7048519B2

Abstract

【課題】閉ループ制御により圧電ポンプの流体のポンピング精度を高めることを可能とする。
【解決手段】ポンプ筐体１０２の中に可動隔膜１０８が配置され、ポンピング室１０６が画定される。ポンピング室１０６には、流体をポンピング室１０６内に吸い込むための入口１１２と、流体を吐出させるための出口１１４とを有する。圧電変換器１１０が可動隔膜１０８に結合されていて、矢印１１８に沿う方向に作動して可動隔膜１０８を動かす。可動隔膜１０８が動くとポンピング室１０６の容積が変化し、液体の吸い込み・吐出が行われる。圧電変換器１１０はまた、ポンピング室１０６内の圧力の変動に応じた信号を出力可能で、この信号に基づいてポンピングを閉ループ制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に流体ポンピングの分野に関する。詳細には、本発明は、流体の供給を制御するために、センサを内蔵（一体化）した圧電ポンプを使用する方法および装置に関する。

流体ポンプは、多くの分野で広く使用されている。化学、医学およびバイオテクノロジーなど、いくつかの分野では、比較的少量の流体および制御された流速が必要である。一例は、容器から送達位置までの薬剤溶液または懸濁液の送達である。マイクロポンプを含む多くの圧電ポンプが開発された。

圧電ポンプによりポンピングされる流体の量は、一般に、圧電素子を付勢するために使用する電気信号の駆動電圧およびパルス幅に関連する。これは、ポンプを制御するための「開ループ」法を提供する。「開ループ」法は、すべての用途に十分な確度を提供するというわけではない。

流体送達システムに使用する閉ループ圧電ポンプを開示する。ポンプ内の圧電変換器は、ポンピング室の容積を変えることにより、ポンピング作用を生成する。圧電変換器は、流体送達システム内で音圧パルスを生成して、ポンプ下流におけるインピーダンス変動により生じる音圧パルスの反射を感知するために使用することができる。ポンプ下流の流体経路の特性は、感知された反射の特徴から判定される。

本発明の特徴であると考えられる新規な特徴は、添付の請求の範囲に記載する。しかし、本発明自体、並びに本発明の好ましい使用形態、その他の目的および利点は、具体的な実施態様に関する以下の詳細な説明を添付の図面に関連して参照すると最も良く分かるであろう。

本発明は、多くの異なる形態の実施態様が可能だが、１つ以上の特定の実施態様に関して図示し、以下に説明する。ただし、本発明の開示は、本発明の原理の一例であり、図示して説明する特定の実施態様に本発明を限定する意図はないと考えるべきである。以下の説明では、類似の参照符号は、図面のいくつかの図で同一、類似または対応部品を示すために使用する。

本発明の一態様は、閉ループ圧電ポンプである。閉ループポンプは、たとえば、分配される化学薬品の量、あるいは混合タンク内の化学薬品の濃度を測定するために使用される感知要素を含む。より一般的には、情報は、ポンプ下流の流体経路におけるインピーダンスの変化に関して得ることができる。たとえば医学的用途では、これは、血管の閉塞を測定し、カテーテルを血管内に挿入する位置から離れた位置で、閉塞の種類を特徴付けることが可能であることを意味する。この情報を使用すると、治療のために「閉ループ化する」ことができる。１つの用途では、抗凝結薬分配用途における血栓症の解消が感知される。もう１つの用途では、レーザ手術による除去時における血管内の血小板の硬度および除去が監視され、適切なレーザ力およびパルス数が使用される。

本発明による圧電ポンプの第１実施態様の略図を図１に示す。図１を参照すると、圧電ポンプ１００は、実質的に剛性のポンプ筐体１０２を備える。流体は、入口ポート１１２を通ってポンプに入り、出口ポート１１４を通ってポンプから出る。出口１１４は、音響透過性で流れ規制部（絞り）として作用する膜１１６も備える場合がある。

図２は、図１に示すポンプの断面２−２を通る断面図である。図２を参照すると、圧電ポンプ１００は、実質的に剛性のポンプ筐体１０２を備える。ポンプ筐体１０２は、可撓性を有する隔膜１０８により第１室１０４と第２室１０６とに分離されている。第２室は、ポンピング室と呼ばれる。圧電変換器（トランスジューサ）１１０の一方の表面は可撓性の隔膜１０８に結合され、他方の表面はポンプ筐体１０２に結合される。１個または複数の圧電変換器を使用することができ、第１室もしくは第２室、または両方の室内に配置することができる。圧電変換器は、ＰＺＴおよびＰＺＷＴ１００を含む多数の圧電材料の何れかから形成する。ポンピング室は、流体がポンピング室内に吸引される入力ポート、つまり入口１１２と、流体がポンピング室から吐出される出力ポート、出口１１４とを有する。出口１１４は、流れ規制部として作用すると共に音響透過性の膜１１６も含む。その他の流れ規制部を音響透過性の膜の代わりに使用することができ、たとえば拡散器／ノズルおよび弁状の導管が挙げられる。動作時、電圧は圧電変換器１１０を横断して印加され、その結果、圧電変換器は矢印１１８方向、つまり膜１０８の表面に実質的に垂直な方向に移動する。次に、可撓性の隔膜１０８が移動して、ポンピング室１０６の容積を増加または減少させる。ポンプの圧電アクチュエータ部分を構成する方法は多数ある。上記の拡張要素のほかに、屈曲および剪断要素など、その他の圧電素子を使用することができる。

本発明による圧電ポンプの第２実施態様の断面図を図３に示す。図３を参照すると、圧電ポンプ１００は、実質的に剛性のポンプ筐体１０２を備える。ポンプ筐体１０２は、可撓性の隔膜１０８により第１室１０４とポンピング室１０６とに分割される。圧電変換器１１０の一方の表面は、可撓性隔膜に結合される。１個または複数の圧電変換器を使用し、第１室もしくはポンピング室、またはこれらの両方の室内に配置することができる。たとえば、第２圧電変換器は、変換器１１０に対して隔膜を隔てた対向側にあるポンピング室内に配置することができる。第２圧電変換器は、第１圧電変換器と位相がずれた状態で動作させることができる。ポンピング室は、流体がポンピング室内に吸引される入口１１２と、流体がポンピング室から吐出される出口１１４とを有する。出口１１４は、音響透過性の膜１１６も備える。動作時、電圧は、圧電変換器１１０を横断して印加され、その結果、圧電変換器は矢印１２０、つまり隔膜１０８の表面に実質的に平行な方向に移動する。次に、可撓性隔膜１０８が屈曲し、ポンピング室１０６の容積が増加または減少する。

本発明による圧電ポンプのさらに他の実施態様の略図を図４に示す。図４を参照すると、圧電ポンプ１００は実質的に剛性のポンプ筐体１０２を備える。ポンプ筐体１０２は、圧電素子１１０により第１室１０４とポンピング室１０６とに分割されている。圧電素子１１０は、自己作動型隔膜を提供する。ポンピング室１０６は、流体がポンピング室１０６内に吸引される入口１１２と、流体がポンピング室から吐出される出口１１４とを有する。出口１１４は、透過性（ｐｅｒｍｅａｂｌｅ）の膜１１６も備える。

図５は、図４に示す圧電ポンプの断面図で、図４に５−５で示される断面を示す。動作時、電圧は、圧電変換器１１０を横断して印加され、その結果、圧電変換器は剪断モードで偏向する。電圧が一方の方向に印加されると、ポンピング室１０６の容積は、図６に示すように増加する。その結果、流体は、入口１１２を通ってポンプ内に吸引される。電圧が反対向きに印加されると、ポンピング室の容積は、図７に示すように減少する。その結果、流体は、出口１１４を通ってポンプから吐出される。

図８は、圧電ポンプを含む流体ポンピングシステムの略図である。分かりやすくするため、システムの種々の構成要素は、異なる縮尺で示す。圧電ポンプ１００は、先に説明したとおりである。この応用例では、ポンプ１００は、第１の流体２０６を含む流体貯槽２０４から入口管２０２を介して流体を吸引する。入口管２０２は、逆止弁２０８を介してポンプの入口１１２に結合する。逆止弁２０８は、第２ポンプ室１０６の容積が減少した時に、流体が流体貯槽へ逆流するのを防止する。その他の流れ規制装置を使用することができ、たとえば拡散器／ノズル、フラップおよび弁状導管などの受動装置、並びに圧電弁などの能動装置が挙げられる。ポンピング動作時には、アクチュエータは、比較的迅速にポンプの容積を増加させて、逆止弁２０８を経て貯槽２０４から流体２０６を吸引する。ポンプの出口１１４は、送達管２１２および開口部２１４を介して、第２の流体２１８を収容する混合タンク２１６と連通する。流れ規制装置２０８の流体抵抗効果（ｆｌｕｉｄｄｒａｇｅｆｆｅｃｔｓ）により、比較的少量の流体が、流れ規制装置を経てポンピング室１０６内に吸引される。この応用例では、流体貯槽２０４からの流体（第１の流体）２０６は、流体（第２の流体）２１８と混合される。攪拌機２２０は、流体の混合を促進するために、混合タンク内に配置される。

本発明の一態様によると、圧電変換器の運動は流体の圧力の変動を生じ、ＳＯＮＡＲ変換器（ソナートランスジューサ）として使用されることが分かる。従来のシステムでは、こうした圧力の変動は、一般にポンプの作動室内に制限される。しかし、本発明によると、この圧力の変動は、流体内の音波として、ポンプの出口から送達管内に伝播することが可能である。これについて、特定の実施態様に関する図８〜図１３に大まかに示す。図９を参照すると、動作時には、ポンプ１００の圧電素子１１０が駆動されると、隔膜１０８が動いて、ポンプのポンピング室内に圧力パルス３０２を生成する。出口にある流れ規制部（絞り部）は、流体の音響インピーダンスに厳密に一致する音響インピーダンスを有するように選択される。したがって、圧力パルスの大部分は、流れ規制部を介して多少変形して伝達され、図１０に示すように送達管２１２に入る。好ましくは、ポンプが変位する方向は、ポンプの出口ポート方向に方向付ける。図１１に示すように、圧力パルスは、送達管２１２に沿って伝播し、送達管２１２と混合タンク２１６との間の界面２１４に到達する。この送達管２１２と混合タンク２１６との間の音響インピーダンスのミスマッチにより、圧力パルスの一部分３０４は反射して、送達管２１２に沿ってポンプ方向に逆に伝播する。圧力パルス３０２の他の部分は、混合タンク２１６内に伝播する。図１２を参照すると、反射した圧力パルス３０４は、流れ規制部を逆に通過して、ポンプの隔膜１０８に到達する。ポンプの隔膜１０８上に加わる力は圧電素子１１０に伝達され、圧電素子１１０を横断して電圧を誘発する。このようにして、圧電素子１１０は、電圧が感知信号である（圧力検出信号として電圧を出力する）音波センサとして作用する。信号アナラライザは、圧電素子１１０に電気的に接続され（適切な信号状態調節回路を介して）、感知された信号は、ポンプの特性、送達管、並びに送達管および混合タンク内の流体を推測するために分析される。

図１３を参照すると、圧力パルス（図１２の３０２）は、混合タンク２１６の離れた壁部で反射して、反射圧力パルス３０６として管／タンク界面方向に逆に伝播する。圧力パルスの一部分は再び送達管２１２に入り、逆にポンプに伝播する。図１４に示すように、反射圧力パルスは最後に隔膜１０８に到達し、上記のとおり、圧電素子１１０により感知される。感知された信号の特性は、混合タンク内の流体の特性を推測することを可能にする多くの情報を提供する。

初期圧力パルスは、通常のポンピング動作により生成されるパルスであるか、または試験信号として特に生成される。好ましくは、パルスは、反射パルスの時間分離を可能にする短い周期を有するべきである。このような周期が短いパルスは、広い周波数スペクトルを有する。こうしたパルスの一例は、方形波である。

本発明のさらに他の実施態様では、ポンプは閉ループモードで作動する。この動作モードでは、感知された信号の特性は、ポンプのポンピング作用を調整するために使用される。この方法では、高精度で所望の流体特性（流量制御特性）が得られる。

図１５および図１６に示す本発明のさらに他の実施態様では、生成された圧力パルスは、ポンピングされたひとかたまりの流体の、送達管内における長さを判定するために使用される。図１５を参照すると、圧電ポンプ１００は送達管２１２に結合される。圧力パルス３０２は、移動可能な隔膜１０８上に作用する圧電変換器１１０により生成される。圧力は流れ規制部１１６を通過し、エネルギーがわずかに損失する。流体スラグ（ひとかたまりの流体）は、ポンピング室１０６および送達管２１２の内部を占める。スラグの端部は、表面４０２により示す。図１６を参照すると、圧力パルスが、スラグの端部４０２において音響インピーダンスの不連続部（ａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）に遭遇すると、反射パルス４０４が生成され、送達管から逆にポンプまで伝播する。反射パルスは、流れ規制部を通過して、圧電変換器１１０により感知される。次に、結果として得られる応答信号が分析される。一実施態様では、パルスの伝播時間および流体中の音速を用いて、流体スラグの長さを決定する。さらに、流体送達管の面積が既知である場合、スラグ内の流体の体積を計算することができる。これは、分配された流体の体積の測定を可能にする。さらに他の実施態様では、送達管がポンピングサイクル間で確実に空になるように、逃がしラインを形成する。逃がしラインは、送達管内の流体スラグの上流において、送達管内の圧力を緩和する。

閉ループ圧電ポンプを組み込むシステムの概要を図１７に示す。図１７を参照すると、パルス発生器５０２は、圧電ポンプ１００を制御するための信号を生成するために設けられる。アナライザ５０４は、圧電ポンプ１００から信号を受信するために設けられる。パルス発生器５０２およびアナライザ５０４は、汎用コンピュータ５０６または等価な装置、たとえばマイクロプロセッサ使用のコンピュータディジタル信号プロセッサ、マイクロ制御装置、専用プロセッサ、特別注文の回路、ＡＳＩＣＳおよび／または専用ワイヤード・ロジックなどにより実現される。パルス発生器５０２およびアナライザ５０４は、信号調整装置５０８を介して圧電ポンプに結合される。アナライザ５０４は、パルスの生成と反射パルスの感知との間に経過した時間、または感知した信号と生成された信号との間の伝達関数などの特性を使用する。一実施態様では、アナライザ５０４は、公知の音響特性を有するシステムを使用して校正される。アナライザ５０４およびパルス発生器５０２は、圧電ポンプ１００により分配される流体の流れを制御できる閉ループ制御システムを形成するように結合される。圧電ポンプ１００は、入力管２０２および流体弁２０８を介して流体を吸引し、送達管２１２を介して流体を分配する。流れ規制部１１６は、ポンプ内に逆流する流体の流れを制限し、ポンプ内の圧電変換器により生成された音響パルスの通過、およびこうした音響パルスの反射を可能にするために設けられる。監視のみが必要な場合（つまり、ポンピング動作がない場合）、流れ規制部は不要である。

当業者は、本発明が、圧電変換器の使用に基づく例示的な実施態様に関して説明されていることを理解するであろう。しかし、本発明は、等価な構造上の構成を使用して実施できるため、上記の例示的な実施態様に限定するべきではない。

本発明について、特定の実施態様に関連して説明したが、多くの代案、変更、置換および変形は、当業者が上記の説明を考慮すると明白である。したがって、本発明は、添付の請求の範囲内に分類されるこうしたすべての代案、変更および変形を含むことを意図する。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］ポンプ筐体（１０２）と、
前記ポンプ筐体内に配置されて、前記ポンプ筐体内にポンピング室（１０６）を画定する可動隔膜（１０８）であって、前記ポンピング室が、流体が前記ポンピング室内に入るための入口（１１２）と、流体を吐出させるための出口（１１４）とを有する可動隔膜（１０８）と、
前記可動隔膜（１０８）に結合されて、前記可動隔膜を動かすように作動し、その結果、前記ポンピング室（１０６）の容積を変化させる圧電変換器（１１０）とを備え、
前記圧電変換器（１１０）が、前記ポンピング室（１０６）内の圧力の変動を感知するように構成されたことを特徴とする圧電ポンプ（１００）。
［２] 流体が前記ポンピング室（１０６）から前記入口（１１２）を通って流れるのを制限するように作動可能な流体弁（２０８）と、
流体が前記ポンピング室（１０６）内に前記出口（１１４）を通って流れるのを制限するように作動可能な流れ規制部（１１６）であって、前記流れ規制部（１１６）が、流体の音響インピーダンスにほぼ等しい音響インピーダンスを有するため、前記流れ規制部（１１６）からの音の反射が、前記流れ規制部（１１６）を通過する音の伝達に比して小さい、流れ規制部（１１６）と、
をさらに備えることを特徴とする、上記［１］に記載の圧電ポンプ（１００）。
［３］前記可動隔膜（１０８）が、剪断モードで変形するように構成された少なくとも１個の圧電変換器（１１０）を備えることを特徴とする、上記［１］に記載の圧電ポンプ（１００）。
［４］前記圧電変換器（１１０）が、前記圧電ポンプ（１００）の下流の流体経路内で音響パルスを生成し、前記音響パルスの反射に応じて電気信号を生成するように作動可能であることを特徴とする、上記［１］に記載の圧電ポンプ（１００）。
［５］前記圧電変換器（１１０）に電気的に結合され、音響パルスの反射に応じて生成された電気信号から流体の物理的特性を判定するための信号アナライザ（５０６）をさらに備えることを特徴する上記［４］に記載の圧電ポンプ（１００）。
［６］前記出口（１１４）に結合された流体送達管（２１２）と、
各ポンピングサイクル間に、前記流体送達管（２１２）から流体を除去するように構成された流体逃がし管とをさらに備え、
前記信号アナライザ（５０６）が、前記ポンプ（１００）の下流の流体経路内における音響パルスの反射に応じて生成された電気信号から、前記ポンプ（１００）の下流にある流体経路内の流体の１つまたは複数の物理的特性を判定するように作動可能であることを特徴とする、上記［５］に記載の圧電ポンプ（１００）。
［７］圧電ポンプ（１００）の下流にある流体経路の物理的特性を感知する方法であって、前記ポンプは、圧電変換器（１１０）により駆動される可動隔膜（１０８）により部分的に区画されたポンピング室（１０６）を有しており、
電気励起信号を前記圧電変換器（１１０）に送信して、圧電ポンプ（１００）の下流にある流体経路内に音圧パルスを生成することと、
前記圧電ポンプ（１００）の下流にある流体経路内の音圧パルスの反射により、前記圧電変換器（１１０）で生成された電気応答信号を感知することと、
前記圧電ポンプ（１００）の下流にある流体経路の物理的特性を判定するために前記電気応答信号を分析することと、
を有することを特徴とする方法。
［８］上記［７］に記載の方法による流体送達システムの物理的特性を測定する方法であって、
前記分析をすることが、前記励起信号の生成と前記応答信号の到着との間に経過した時間を評価することを有することを特徴とする方法。
［９］上記［７］に記載の方法による流体送達システムの物理的特性を測定する方法であって、
前記分析をすることが、前記励起信号と前記応答信号との間の伝達関数を評価することと、
前記伝達関数の特性を既知の特性のデータベースと比較することと、
を有することを特徴とする方法。
［１０］上記［７］に記載の方法による流体送達システムの物理的特性を測定する方法であって、
前記電気応答信号に応じて前記圧電ポンプ（７）の動作を調整することをさらに有することを特徴とする方法。

本発明の特定の態様による圧電ポンプの略図である。本発明の特定の態様による拡張モードの圧電素子を使用する圧電ポンプの断面図である。本発明の特定の態様による屈曲モードの圧電素子を使用する圧電ポンプの断面図である。本発明の特定の態様による剪断モードの圧電素子を使用する圧電ポンプの略図である。本発明の特定の態様による剪断モードの圧電素子を使用する圧電ポンプの断面図である。剪断モードの圧電素子を使用する本発明の特定の態様による圧電ポンプのさらに他の断面図であり、拡張したポンピング室を示す。剪断モードの圧電素子を使用する本発明の特定の態様による圧電ポンプのさらに他の断面図であり、収縮したポンピング室を示す。本発明の圧電ポンプを組み込む流体混合システムの略図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明による、感知部を内蔵する圧電ポンプの動作を示す図である。本発明の圧電ポンプを組み込む流体送達システムの略図である。本発明の圧電ポンプを組み込む流体送達システムのさらに他の略図である。本発明の特定の態様による閉ループ圧電ポンプシステムの略図である。

符号の説明

１００圧電ポンプ
１０２ポンプ筐体
１０４第１室
１０６ポンピング室
１０８隔膜
１１０圧電変換器
１１２入口
１１４出口
１１６流れ規制部
２０４流体貯槽
２０８逆止弁
２１２流体送達管
２１４開口部
２１６混合タンク
２２０攪拌機
５０２パルス発生器
５０４信号アナライザ

Claims

ポンプ筐体（１０２）と、
前記ポンプ筐体内に配置されて、前記ポンプ筐体内にポンピング室（１０６）を画定する可動隔膜（１０８）であって、前記ポンピング室が、流体が前記ポンピング室内に入るための入口（１１２）と、流体を吐出させるための出口（１１４）とを有する可動隔膜（１０８）と、
前記可動隔膜（１０８）に結合されて、前記可動隔膜を動かすように作動し、その結果、前記ポンピング室（１０６）の容積を変化させる圧電変換器（１１０）とを備え、
前記圧電変換器（１１０）が、前記ポンピング室（１０６）内の圧力の変動を感知するように構成されたことを特徴とする圧電ポンプ（１００）。