JPH0315674A - 圧電ポンプの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の構成］ 産業上の利用分野 本発明は、液体・気体を圧送する圧電ポンプの制御装置
に間する発明である。

従来の技術 従来は、第１０図に示すように、圧電ポンプはボンプ１
と駆動部２とからなり、ポンプ１には吸入口３に逆止弁
４を、吐出口５に別の逆止弁６をそれぞれ設けている。

ポンプ１は、更に、固定部のハウジング７と可動体のダ
イヤフラム９を備えている。

前記駆動部２は、駆動回路１１と電気信号を機械的変位
に変換する圧電アクチュエータ１２及び剛い棒状のテコ
１３とスプリング１４とダイヤフラム９と連結された板
バネ１５とからなる拡大機構ｌ６により構成されている
。

駆動回路１１は、発振器１８と増幅器１９からなり、発
振器１８で発生した所定周波数の交流信号は、増幅器１
９で振幅増幅される。

第１１図は、特開昭６２−１８６０７７号に間示ざれた
制御回路を備えた従来の圧電ポンプを開示している。同
図において、吐出口５には流量センサー２０と圧力セン
サー２１が設けられ、これらの検出信号は制御回路２３
に与えられている。制御回路２３は、所定の演算に基づ
き発振器１８の振動数や増幅器１９の増幅率を制御する
ものである。

本発明が解決しようとする課題 第１０図に示した従来の圧電ポンプにあっては、予め定
めた周波数ｆ．の信号を発振器１８より発生し、この信
号を増幅器ｌ９で増幅する。

そして、周波数ｆ　６　、振幅Ｖ０　の交流信号を拡大
機構ｌ６に与え、ポンプ部１を駆動し、液体を圧送する
。液体は粘性を有するため、ダイヤフラム９の振動の振
幅に影響を与える。また、圧送先の状況等により外乱や
ポンプ１に共振が発生する。

従って、液体の流量や動圧に変動が生じてしまうという
欠点があった。

また第１１図の従来の圧電ポンプにあっては、目標流量
Ｑ０　について、駆動回路１１の出力信号ｈ（ｆ０、Ｖ
０）とすると、ここで発振周波数ｆ０、流ｊｉＱ０、電
圧Ｖ０　である、拡大機構１６により機械振動に変換さ
れた振動Ｈ（ｆ．、Ｖ．）は流量Ｑゆ　に対応する。

従って、流ｔＱ．は常に流量センサー２０及び圧力セン
サー２１てモニターされ制御回路２３に伝えられる。今
、外乱により流量がＱ．→Ｑ０　　＋ΔＱと変化すると
、制御回路はこの変化量ΔＱｌを減少させる演算を行い
、発振器１８と増幅器１９を制御する。これにより、出
力信号はＨ（ｆ．、Ｖ．　）＋Ｈ　（ｆｌ，　Ｖｌ）　
ニ修正サレ、コノ信号Ｈ（ｆｌ、　Ｖｌ）が目標流ｊｉ
Ｑ．を与えるように動作する。しかして、拡大機構１６
には、固有の共振周波数があり、また流体には固有の粘
性があるため、交流信号ｆ０　によりポンプｌの受ける
負荷は変化し、吐出量は変化する。また、粘度に応じて
最適周波数ｆが存在するため、周波数を広い範囲で変え
るようにしている。

このようにして、駆動回路１１の出力信号は拡大機構１
６やダイヤフラム９の振動を介して流量に変換ざれてお
り、修正信号をＨ（ｆｌ、＼ｒ１）の効果がでるまでに
遅れ（タイムラグ）がある。

従って、流量Ｑの変化量ΔＱ１のとき出力信号Ｈ（ｆＬ
　　Ｖｌ）にしたが、その結果が現れる前に、別の外乱
により変化量△Ｑ２になる場合が多々ある。

本来△Ｑ１を補正するために行った出力信号Ｈ（ｆ１、
Ｖｌ）が、遅れのため変化量△Ｑ２のとき動作し、正確
な流量調整ができなくなってしまうことになる。

特に小型で高性能の圧電ポンプでは、逆に制御過剰にな
って流量が不安定になってしまう場合があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、取扱い
液体の粘度や圧送先の状況変化等による外乱にもかかわ
らず、常に安定して正確に送量の制御ができる圧電ポン
プを提供することを目的としている。

［発明の構成］ 課題を解決するための手段 本発明おいては、第１図に示すように、ボンプ１の可動
部のダイヤフラム９に鉄板２８を固着し、この鉄板２日
の機械的振動を検知する検出部の変位センサー２７を鉄
板２８に対向して設ける。

この変位センサー２７の出力信号を処理する演算回路と
２６と、この演算出力信号と発振器１８からの交流信号
とを加算する加算器２９と、この加算出力信号を増幅し
可動部に出力する増幅器１９と、この増幅信号を機械振
動に変換する可動部の圧電アクチュエータ１２と、この
機械振動を前記ダイヤフラム９に伝達する拡大機構とを
備えた構成とした。

作用 第２図に従って動作を説明すれば、以下の通りである。

発振器ｌ８から交流信号ｆが増幅器１９で増幅され信号
Ｆとなって出力される。圧電アクチュエータｌ２は、こ
の信号Ｆにより駆動され、振動数φ門で振動し、拡大機
構ｌ６を介して振幅ＡＭＣこ拡大して振幅ＡＭに拡大さ
れる。

従って、可動部のダイヤフラム９は周波数φ別振幅ＡＭ
で振動し、流体を圧送する。

鉄板２８は、ダイヤフラム９とともに振動しており、変
位センサー２７がその変位を電気信号に変換し、演算回
路２６（以下演算回路は微分演算回路を含むこともある
。）で変位量に比例した信号Ｇとなる。

加算器２９は発振器１８からの信号ｆと演算回路からの
信号Ｇを加算して出力しているが、演算回路２６では信
号Ｇの位相を信号ｆと逆位相となるように演算処理を行
っているので、加算器の出力は（ｆ−Ｇ）となる。

次に圧送先の状況変化や、流体の粘性変化によりダイヤ
フラム９の受ける負荷が変化すると、その振幅ＡｍがΔ
Ａだけ変化し（Ａｍ一ΔＡ）となる（ここでは吐出量の
減少について説明する）。

従って、変化センサー２７はこの変化を検出し、演算回
路２６から得られる信号は（Ｃ−ΔＧ）となる。これが
加算器２９に与えられる。従って加算器２９からは、　
（ｆ−Ｇ＋ΔＧ）が出力され負荷がない場合に比較し（
＋ΔＧ）だけ信号が大きくなり、ダイヤフラム９の振幅
の減少した分が補正されるので、吐出量を一定とするよ
うに駆動される。

実施例 以下に本発明を図面に従って詳細に説明する。

第ｌ図は、第１実施例を示す図面であり、本発明の圧電
ポンプはボンプｌと駆動部２２とから構成されている。

前記ポンプｌは、吸入口３に逆止弁４を、吐出口５に別
の逆止弁６をそれぞれ設け、更に、ポンプ部１は固定部
のハウジング７と可動体のダイヤフラム９とを備えてい
る。

前記駆動部２２は、駆動回路２４と可動部の拡大機構１
６と制御回路２５とから構成されている。

拡大機構１６は、電気信号を機械的変位に変換する圧電
アクチュエータｌ２と、この変位を拡大するテコ１３と
、テコｌ３の先端に係止されたコイル状スプリング１４
と、一端が前記ダイヤフラム９に連結され、他端がテコ
ｌ３の先端に連結される板バネ１５とから構成されてい
る。

制御回路２５は、ダイヤフラム９に固着された鉄板２８
、この鉄板２８の動きを検出する変位センサー２７と、
この検出信号を処理する演算回路２６（演算回路２６は
制動用微分清算を含む場合もある）とから構成されてい
る。鉄板２８は、ダイヤフラム９の外面に、ダイヤフラ
ム９の振動に影響を与えないほど小さい面積で薄手のも
のであり、変位センサー２７との距離は鉄板２８の振動
を妨げない限り十分接近している。前記駆動回路２４は
、交流信号を発生する発振器１８と、この交流信号と演
算回路２６からの出力信号とを加算する加算器２９と、
この加算された信号を増幅して前記圧電アクチュエータ
１２に与える増幅器１９とから構成されている。第２図
は、第１図の駆動回路２４と演算回路２６を詳しく示し
たものである。

演算回路２６は高周波電流を発生し、これを変位センサ
ー２７ここ送り込む発振器３１とその振幅を変位信号に
変換するダイオード及び変位信号の極性を反転させるイ
ンバータ３０とから構成される。

変位信号ｇは、ダイヤフラム９の振動数φ阿と振幅ＡＭ
の函数ｇ（φ閂、ＡＭ）であり、増幅後の変位信号はｇ
（φＭ，　ＡＭ）→Ｇ（φ閂、ＡＭ）となっている。又
インバータ３０は、これの極性を反転し、−ＧＣφト１
、ＡＭ）をする。加算器２９は、オペアンプよりなり発
振器から出力振動数φＥ，振幅ＡＥの信号ｆ（φＥ，　
ＡＥ）とインバータ３０から出力される一Ｇ（φ閂、Ａ
Ｍ）を加算し、差動型の増幅器ｌ９はｆ（φＥ，　ＡＥ
）　−Ｇ　（φ閂、ＡＭ）を増幅してアクチュエータ１
２を駆動するのに充分な電圧になる。次に動作について
説明する。

発振器ｌ８は交流信号ｆ（φＥ，　ＡＥ）を発生し、こ
の交流信号ｆは加算器２９に加えられ、インバータ３０
からの信号一Ｇ（φ閂、ＡＭ）と加算されて、増幅器ｌ
９に人力される。増幅器ｌ９は、この信号ｆ（φＥ，　
ＡＥ）　−Ｃ；　（φ閂一ＡＭ）を圧電アクチュエータ
１２を駆動するのに充分な電圧まで増幅する。圧電アク
チュエータ１２は印加された交流信号により機械振動を
発生し、この振動は拡大機構１６で拡大されダイヤフラ
卆９に伝えろ転（れる。ダイヤフラム９は、この振動に
より、振動数φ閂、振幅Ａｍの上下振動をする。

この上下振動数φ閂により液体は吸入口３から吸引され
、吐出口５から排出される。

ダイヤフラム９の振動は同時に鉄板２８の振動となり、
この振動は、変位センサ２７により検出信号ｇ（φ閂、
ＡＭ）として検出される。変位センサ２７が発生した高
周波場は、対向する鉄板２８中で渦電流としてエネルギ
ーの損失となる。

この損失磁場量が両者の間隔により変化するので鉄板２
８の上下振動を検出する。

検出信号ｇ（φ門、ＡＭ）はアンプ３１で増幅され信号
Ｃ（φ閂、ＡＭ）となる。今この検出信号ｇ（φＭ，　
ＡＭ）が液体の粘度等の影響を受けてｇ（φＭ％ＡＭ）
−Δｇとなると、信号Ｇ（φ本ＡＭ）はＧ（φ閂、ＡＭ
）−ΔＧとなる。

このとき、当然、吐出流量も目標のＱ．より少ないＱ．
一ΔＱとなっている。

次にインバータ３０では、信号Ｇ（φＮ、ＡＭ）　−Δ
Ｇを反転し、加算器２９に人力する。

従って、加算器ｌ９は、発振器１８からのｆ（φＥ，　
ＡＥ）と一Ｇ（φＮ、ＡＭ）＋ΔＧの信号とを加算し、
増幅器１９に人力する。

増幅器ｌ９はこのｆ（φＥ，　ＡＥ）　一Ｇ　（φ閂、
ＡＭ）＋ΔＧを増幅して圧電アクチュエータｌ２を駆動
するので吐出量Ｑは目標量Ｑ．に遅れることなくリアル
タイムで補正される。

逆に流量が（Ｑ．　　＋△Ｑ）となると全く同様にして
ｇ＋Δｇ　＋　Ｑ＋Δｇ＋ｆ−Ｇ−ΔＧ→（Ｑ．＋△Ｑ
）一ΔＱ−Ｑ．　　と補正される。

第３図は第２実施例を示し、圧電素子３３により、弾性
体からなる筒状体３４を介して固定体３５に支持された
可動板３６を直接振動させる圧電ポンプの図である。

第２実施例では、振動する圧電素子３３の下端面に鉄板
２７を固着しており、この鉄板２８に対向して変位セン
サー２７が配設されている。

第４図は、第３実施例を示し、圧電素子３３の取り付け
構造が第３図と異なり、可動板３６の外側下面と、固定
体３５の下方に回り込んだ枠体部３７どの間に設けられ
た圧電ポンプである。

第３実施例では、鉄板２８は可動板３６の下面に固着さ
れ、変位センサー２７がこの鉄板２８に対向して配置ざ
れている。

第５図は、第４実施例を示し、バイモルフ型の圧電アク
チュエータ４２が固定枠４１に支持された圧電ポンプの
図である。

この圧電アクチュエータ４２は交流電圧ｅ．を印加され
て振動する。この圧電アクチュエータ４２の外側下面に
鉄板２８が固着され、変位センサー２７は、この鉄板２
８と対向して配置されている。

第６図は、第５実施例を示し、第ｌ実施例の変位センサ
ーの代わりに作動トランス４５を用いたものである。こ
の場合トランスコア４６内を振動する振動子４７の先端
はダイヤフラム９の外側下面に固着されている。この差
動トランス４５がダイヤフラム９の振動を直接検出する
。

第７図は、第６実施例を示し、第ｌ図の変位センサーの
代わりに歪センサー５０を用いたものである。歪センサ
ー５０は、座屈バネ５ｌにストレンゲージ５２を貼着し
たもので、座屈バネ５ｌの一端がダイヤフラム９に他端
が固定部にそれぞれ支持されている。ダイヤフラム９の
振動に従い、座屈バネ５１のたわみ量が変化し、それと
共にストレンゲージ５２も変化する。この変形によりス
トレンゲージ５２は、変位信号を発生する。

上記第２乃至第６実施例について制御回路２５等及び動
作は第１実施例と同様であるので説明は省略する。

次に本発明の効果を実証した実験結果について以下に説
明する。

第８図は、第１実験を示す図であり、本発明の制御装置
を動作させ、水を初めの位置より高さＨまで揚げる。そ
の効果を明確にするために演算回路２６と加算器２７と
の間に開閉スイッチＳＷを設けて、スイッチがオンとオ
フとで送量の比較を行った。このスイッチＳＷがオフの
ときは、従来の制御なしの圧電ポンプとなっている。

条件（イ）：初期は、水を流さず空気を圧送させる。即
ち、流体の粘性が殆どな（゛場 合で、ダイヤフラム９の振幅ＡＭが同 一になるよう増幅器１９の出力を調 整する。

条件（口）：　Ｈ＝２５ｃｍまで揚水する。

結果 このときの発振器１８の出力周波数は３０Ｈｚ、増幅器
ｌ９の出力電圧はＩＯＯＶ　（Ｐ−Ｐ）であった。

上の表から明らかなように水の粘性抵抗により、従来で
は、ダイヤフラム９の振幅が−４７１ｍ減少し、３２μ
ｍとなる。このため揚水量は、４．２ｃ　ｃ　／ｍ　ｉ
　ｎとなる。これに対し本発明の制御回路が動作すると
、この−４７１ｍの減少分を補正し、ダイヤフラム９の
振幅は、粘性がゼロとみなせる空気の場合と同じ３６μ
ｍに保たれる。揚水量は、８．４ｃ　ｃ／ｍｉ　ｎと大
きくなり送水能力が高くなったとことを示している。

第９図は、第２実験を示す図であり、本実験では水を低
い位置へ送る場合（イ）と、高い位置へ送る場合（口）
とで流量の安定性を比較を行った。

条件（イ）：水を供給元のコップと同じ高さの容器へ送
る。

条件（口）：水を供給元のコップより１　ｍ高い容器へ
送る。

結果 上の表から明らかなように、従来では送水先の条件変化
（低と高）に左右されて、流量が２．３→０．　　６　
ｃ　ｃ／ｍ　ｉ　ｎと大きく変化し不安定である。

しかしながら、本発明によれば、送水先の条件変化（低
と高）に拘らず１．８＋１．８ｃｃ／ｍｉｎ変化せず安
定している。

かくして、圧電ポンプの送水能力が向上すると共に、送
水量も安定したものとなる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明によれは、ダイヤフ
ラムの振動の変化を補正するように駆動部の制御を行う
ので、流量の適正化が遅れることなくリアルタイムで行
われる。従って、圧電ポンプの圧送能力を液体の粘度や
圧送先の条件変化に拘束されることなく高めることが出
来ると共に、流量の安定性も得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電ポンプの第１実施例を示すブロッ
ク図、第２図は第ｌ図の詳細を示す回路図、第３図は第
２実施例の要部を示す断面図、第４図は第３実施例の要
部を示す断面図、第５図は第４実施例の要部を示す断面
図、第６図は第５実施例の要部を示す図、第７図は第６
実施例の要部を示す図、第８図は第１実験の方法を示す
図、第９図は第２実験の方法を示す図であり、第１０図
は従来の圧電ポンプの構成図、第１１図は従来の他の圧
電ポンプの制御回路を示す図である。 ｌ一ポンプ、９−ダイヤフラム、１６一拡大機構、ｌ８
一発振器、ｌ９一増幅器、２２一駆動部、２４一駆動回
路、２５一制御回路、２６一演算回路、２７一変位セン
サー　２８一鉄板、２９一加算器、３３一圧電素子、４
２一圧電アクチュエー夕、４５一作動トランス、５０一
歪センサー 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　交流信号を発生する発振器と、この交流信号を増幅
   する増幅器と、この増幅された信号を機械振動に変換す
   る可動部とを備え、この機械振動によって流体を圧送す
   る圧電ポンプであって、前記可動部の近傍に設けられて
   機械振動を検知し変位信号を出力する検出部と、この変
   位信号が与えられて予め定めた信号との差を求め反転し
   て補正信号を出力する演算回路と、前記発振器と前記増
   幅器との間に設けられて前記補正信号と前記交流信号と
   を加算する加算器とを備えたことを特徴とする圧電ポン
   プの制御装置。 ２　前記可動部が振動するダイヤフラムであることを特
   徴とする請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。 ３　前記可動部が電気信号で振動する圧電素子であるこ
   とを特徴とする請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置
   。 ４　前記可動部が前記圧電素子で駆動されるダイヤフラ
   ムであることを特徴とする請求項３項記載の圧電ポンプ
   の制御装置。 ５　前記可動部が電気信号で振動するバイモルフ型の圧
   電アクチュエータであることを特徴とする請求項１項記
   載の圧電ポンプ制御装置。 ６　前記変位センサが差動トランスであることを特徴と
   する請求項１項記載の圧電ポンプ制御装置。 ７　前記変位センサーが歪センサーであることを特徴と
   する請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。 ８　前記変位センサーが渦電流式であることを特徴とす
   る請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。 ９　前記変位センサーが光学式であることを特徴とする
   請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。 １０　前記変位センサーが磁気感知式であることを特徴
   とする請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。 １１　前記変位センサーが超音波式であることを特徴と
   する請求項１項記載の圧電ポンプの制御装置。