説明

送液ポンプ

【課題】気体溶存量の増加による性能低下を簡便に回避可能な送液ポンプを提供する。
【解決手段】ポンプ室を、出口流路を介して出口側バッファ室に接続し、出口側バッファ室から液体を圧送する。そして、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室とは共振系を構成しており、この共振系の固有振動数は気体溶存量に依存する。そこで固有振動数を測定して気体溶存量を検出する。こうすれば、送液しよう液体中の気体溶存量を簡便に検出することができるので、気体溶存量の増加によるポンプ性能の低下を簡便に回避可能となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体を圧送する送液ポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
ポンプ室の容積を増大させて液体を吸い込んだ後、ポンプ室の容積を減少させて液体を圧送する動作を繰り返す送液ポンプが知られている。また、小型の送液ポンプでは、ポンプ室の容積を増減させるためのアクチュエーターとして、小型で且つ大きな力を発生させることが可能な圧電素子が使用されることも多い(特許文献1など)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2011−103930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、ポンプ室の容積を増減させる送液ポンプは、送液しようとする液体に空気などの気体が溶存していると液体の圧縮率が高くなるので、ポンプ室の容積を減少させた時のポンプ室内の圧力が十分に上昇しなくなり、送液ポンプの性能が低下するという問題があった。これを避けるためには、液体中に溶存した空気などの気体量(気体溶存量)をモニターすることが望ましいが、気体溶存量を計測することは容易なことではない。加えて、送液ポンプから送液された液体の流路を送液ポンプの吸入側に接続して、循環流路系を形成するような使い方をする場合には、送液ポンプで送液された液体が密閉された流路を流れるので、気体溶存量を計測することができない。
【0005】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、送液しようとする液体中の気体溶存量の増加によって送液ポンプの性能が低下することを簡便に回避可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の送液ポンプは次の構成を採用した。すなわち、
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を液体流路へ送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期に基づいて前記液体中の気体溶存量を決定する気体溶存量決定部と
を備えることを要旨とする。
【0007】
こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室が出口流路および出口側バッファ室を介して液体流路に接続されており、ポンプ室の容積を変更すると、ポンプ室内の液体が、出口流路および出口側バッファ室を介して液体流路へ送液される。ここで、出口側バッファ室はポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有しており、ポンプ室および出口流路との間で共振系を構成する。このため、送液のためにポンプ室の容積を変更すると、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室との間で共振による圧力振動が発生する。そこで、この圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、液体中の気体溶存量を決定する。
【0008】
詳細には後述するが、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室との間で生じた圧力振動の固有振動周期と、液体中の気体溶存量との間には強い相関関係が存在しており、固有振動周期が長くなるほど気体溶存量が増加する。このため、固有振動周期を測定すれば、液体中の気体溶存量を決定することができる。そして、圧力振動の固有振動周期であれば、圧力センサーを用いたり、あるいは圧力振動によるポンプ室や出口流路や出口側バッファ室の壁面の変形を検出したり、更には出口流路で液体の流速変動を検出したりするなど、種々の方法によって測定することができる。このため、液体中の気体溶存量を簡便に決定することができ、その結果、液体中の気体溶存量の増加によって送液ポンプの性能が低下することを簡便に回避することが可能となる。
【0009】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の内部圧力を検出することによって、固有振動周期を測定するようにしてもよい。
【0010】
ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室との間で生じる圧力振動の振動形態は、出口流路の部分が「振動の節」となっている。このため出口流路の部分では、ポンプ室や出口側バッファ室に比べて圧力振幅が小さくなる。また、出口側バッファ室はポンプ室より大きなコンプライアンスを有しているから、出口側バッファ室では、ポンプ室に比べて圧力振幅が小さくなる。従って、ポンプ室に圧力センサーを設けたり、あるいはポンプ室の壁面の変形を検出したりするなどの方法によって、直接的あるいは間接的にポンプ室の内部圧力を検出してやれば、圧力振動の固有振動周期を簡便に測定することが可能となる。
【0011】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することとして、この圧電素子に流れる電流を検出することによって、固有振動周期を測定するようにしてもよい。
【0012】
こうすれば、ポンプ室の容積を変更するための圧電素子を用いて固有振動周期も測定することができるので、固有振動周期を測定するためのセンサー類を別途設ける必要がない。特に、ポンプ室は小さく、センサー類を搭載することが困難なので、センサー類を設ける必要がなくなるとポンプ室の設計をより好ましい設計にすることが可能となる。
【0013】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、共振系で生じた圧力振動の固有振動周期と、液体中の気体溶存量との間に強い相関関係が存在することを利用して、固有振動周期から気体溶存量を決定した。しかし、固有振動周期と気体溶存量との間に強い相関関係が存在するのであれば、固有振動周期から気体溶存量を決定するのではなく、固有振動周期そのものを気体溶存量の代わりとして用いることも可能である。このことに鑑みれば、上述した本発明の送液ポンプは、次のような態様で把握することも可能である。すなわち、他の態様で把握された本発明の送液ポンプは、
圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を液体流路へ送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期に基づいて前記圧電素子に印加する駆動信号を調整する駆動信号調整部と
を備えることを要旨とする。
【0014】
このような態様で把握された本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室とで生じる圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、圧電素子に印加する駆動信号を調整する。
【0015】
前述したように、液体中の気体溶存量が変化すると、圧力振動の固有振動周期が変化する。また、気体溶存量が増加すると液体の圧縮率が高くなるので、ポンプ室内の圧力が十分に上昇しなくなって送液ポンプの性能が低下する。すなわち、固有振動周期は、気体溶存量を介して送液ポンプの性能とも強く相関していると考えられる。そこで、固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期に基づいて、圧電素子に印加する駆動信号を調整してやれば、液体中の気体溶存量の変化に起因する送液ポンプの性能変化を補正することができるので、安定したポンプ性能を実現することが可能となる。
【0016】
尚、固有振動周期に基づいて駆動信号を調整する本発明の送液ポンプにおいては、固有振動周期に基づいて、駆動信号の振幅を調整するようにしてもよい。
【0017】
こうすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加して、ポンプ室の圧力上昇が小さくなり、送液ポンプの送液量や、圧送圧力が低下しても、駆動信号の振幅を増加させることによって補うことができるので、安定したポンプ性能を確保することができる。
【0018】
あるいは、固有振動周期に基づいて駆動信号を調整する本発明の送液ポンプにおいては、固有振動周期に基づいて、駆動信号の駆動周波数(時間あたりに駆動信号を出力する回数)を調整するようにしてもよい。
【0019】
こうすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加して送液ポンプの送液量が低下しても、駆動信号の駆動周波数を上げることによって補うことができるので、安定したポンプ性能を確保することができる。
【0020】
また、本発明の送液ポンプは、次のような態様で把握することも可能である。すなわち、別の態様で把握された本発明の送液ポンプは、
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を液体流路へ送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する通知信号出力部と
を備えることを要旨とする。
【0021】
このような他の態様で把握された本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室と出口流路と出口側バッファ室とで生じる圧力振動の固有振動周期を測定し、得られた固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する。
【0022】
こうすれば、液体中の気体溶存量が変化して、送液ポンプの性能(送液量や圧送圧力など)が低下すると、通知信号が出力されるので、送液ポンプの性能低下を直ちに認識することができる。また、その結果として、例えば液体を交換したり、あるいは液体の脱気を行ったりするなどのメンテナンスを行うことができるので、安定したポンプ性能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本実施例の送液ポンプの構成を示した説明図である。
【図2】本実施例の駆動回路のおおまかな構成を示す説明図である。
【図3】圧電素子に駆動信号を印加した時に得られる圧力信号を例示した説明図である。
【図4】液体中の気体溶存量と固有振動周期との関係を示した説明図である。
【図5】液体中の気体溶存量と送液量との関係を示した説明図である。
【図6】固有振動周期と送液量との関係を示した説明図である。
【図7】送液ポンプを用いて形成した循環流路系を例示した説明図である。
【図8】駆動信号の振幅あるいは駆動周波数を補正するための補正係数が、固有振動周期に応じて設定されている様子を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
A.装置構成:
B.圧力検出部の出力例:
C.気体溶存量およびポンプ性能の検出方法:
D.変形例:
【0025】
A.装置構成 :
図1は、本実施例の送液ポンプ100の構成を示した説明図である。本実施例の送液ポンプ100は、ポンプ室102の一部がダイアフラム104で形成されており、ケース108には圧電素子106が収められ、また、ポンプ室102の上部には、逆止弁110を介して入口側バッファ室112が設けられている。入口側バッファ室112には、入口流路114から液体が供給される。また、ポンプ室102は、出口流路116を介して出口側バッファ室118に接続されており、出口側バッファ室118には、流体流路122が接続されている。更に、圧電素子106には駆動回路150が接続されており、駆動回路150から圧電素子106に駆動信号を印加することができる。
【0026】
図示した送液ポンプ100では、圧電素子106に駆動信号を印加して圧電素子106を伸張させると、ダイアフラム104が変形してポンプ室102の容積が減少する。すると、ポンプ室102内の液体が出口流路116を介して出口側バッファ室118に流入し、出口側バッファ室118から流体流路122に送液される。ここで、本実施例の駆動回路150は、圧電素子106に駆動信号を印加するだけでなく、ポンプ室102の内部圧力を検出して、送液する液体中の気体溶存量や、送液ポンプ100の送液量などの情報を取得する機能も有している。
【0027】
図2は、本実施例の駆動回路150のおおまかな構成を示す説明図である。図示されるように、本実施例の駆動回路150は、所定の駆動周期で駆動波形信号Vinを出力する制御部152と、駆動波形信号Vinを増幅率Gで増幅して駆動信号Voutを出力する増幅回路154と、ポンプ室102の内部圧力を検出して圧力信号Vpを出力する圧力検出部160などを備えている。また、圧力検出部160は、圧電素子106の駆動電流を検出する電流検出回路162と、検出した駆動電流を積分する積分回路164と、積分回路164の出力と駆動波形信号Vinとの差分を出力する減算回路166などから構成されている。
【0028】
図2に示した本実施例の駆動回路150は、ポンプ室102の内部圧力を示す圧力信号Vpを次のようにして検出する。駆動波形信号Vinを増幅回路154で増幅し、駆動信号Voutとして圧電素子106に印加すると、圧電素子106に駆動電流Ioutが圧電素子106に流れ込む。圧電素子106の他端には、電流検出用の抵抗rが接続されており、抵抗rを介して接地されている。電流検出回路162は、抵抗rによって生じた電圧を検出し、抵抗rの抵抗値で除算することによって電流信号Viに変換した後、積分回路164に出力する。積分回路164は、受け取った電流信号Viを積分器で積分することによって、圧電素子106に蓄えられた電荷量に対応する電荷信号Vqに変換する。
【0029】
ここで、圧電素子106に流れる駆動電流Iout(電流信号Vi)は圧電素子106の変位速度に比例するため、圧電素子106に蓄えられる電荷量(電荷信号Vq)は、圧電素子106の変位に比例している。圧電素子106が自由に伸縮可能な状態(伸縮方向に対して圧力を受けていない状態)では、圧電素子106の変位は駆動信号にほぼ比例する。しかし、ポンプ室102で内部圧力が変化すると、ダイアフラム104を介して圧電素子106が圧力の変化を受ける。このとき圧電素子106は受けた圧力の変化に比例して伸張する(変位が変わる)ため、圧電素子106本来の変位(圧力を受けていない状態での変位)との差は、圧電素子106が受けた圧力(ポンプ室102の内部圧力)に比例する。そこで、積分器で得られた電荷信号Vqを圧電素子106の等価静電容量c及び増幅回路154の増幅率Gで除算することで圧電素子106の実変位に対応する電圧信号Vxを求め、この電圧信号Vxと駆動波形信号Vinとの差分を減算回路166で求めることによって、ポンプ室102の内部圧力に対応した圧力信号Vpを得ることができる。こうして得られた圧力信号Vpを、制御部152に入力する。制御部152は、入力された圧力信号Vpに基づいて、ポンプ室102と出口流路116と出口側バッファ室118とが形成する共振系の固有振動周期Tを測定する。詳細には後述するが、固有振動周期Tは送液しようとする液体中の気体溶存量や、送液ポンプ100の送液量などの情報を含んでいる。そこで制御部152は、測定した固有振動周期Tに基づいて、気体溶存量を検出したり、あるいは気体溶存量が所定値以上に増加したと判断した場合には、その旨の通知信号を出力したりする処理を行う。尚、本実施例では、制御部152が本発明における「固有振動周期測定部」、「気体溶存量決定部」、および「通知信号出力部」に対応する。
【0030】
B.圧力検出部の出力例 :
図3は、駆動信号Voutを圧電素子106に印加したときに、圧力検出部160で得られた圧力信号Vpを例示した説明図である。図3(a)には圧電素子106に印加する駆動信号Voutが示されており、図3(b)には積分回路164で得られた圧力信号Vpが示されている。
【0031】
例えば図3(a)に示すように、1パルスの駆動信号を印加したものとする。圧電素子106は、駆動信号の電圧(駆動電圧)が上昇すると伸張するので、ポンプ室102の容積が減少する。その結果、図3(b)に示されるように、駆動信号の電圧が立ち上がる瞬間にポンプ室102の内部圧力が急激に上昇する。また、駆動信号の電圧が最大電圧で保たれている間は圧電素子106の変位は変わらない。このため、ポンプ室102から液体が流出するに従って、ポンプ室102の内部圧力が減少する。このとき、出口流路116のイナータンスにより出口流路116を通過する液体には慣性力が働くため、ポンプ室102の内部圧力が負圧となる。本実施例では、このポンプ室102の内部圧力が負圧となっている間に、駆動信号の電圧を立ち下げているので、圧電素子106の変位が縮まっている。図3(b)に示されるように、その後は、駆動信号が変化していないにも拘わらず、ポンプ室102の内部圧力は一定周期で振動する。
【0032】
このような圧力振動が発生するのは、次のようなメカニズムによる。先ず、駆動信号が印加されることによって圧電素子106が伸張し、ポンプ室102の内部圧力が急激に増加する。このとき、出口流路116と流体流路122との間には出口側バッファ室118があるために、ポンプ室102で加圧された液体が出口側バッファ室118に移動して、ポンプ室102の内部圧力が直ぐに下降する。この現象をポンプ室102側から見ると、出口側バッファ室118の向こう側に存在する流体流路122は、出口側バッファ室118が存在するためにポンプ室102にはほとんど影響を与えることが無く、単に出口流路116が接続されているのと同じような状態となる。このため、ポンプ室102の容積が減少して容積減少分の体積(排除体積)の液体が流出しようとするときに、出口流路116の流路抵抗およびイナータンスのみの影響しか受けないため、排除体積分の液体が流れるために要する時間が短くなる。そして、出口流路116を移動した液体は、出口流路116のイナータンスによって慣性力が働くため、ポンプ室102の内部圧力が負圧となり、入口側バッファ室112からポンプ室102に液体を供給することが可能となる。このとき、出口流路116のイナータンスは、入口側バッファ室112とポンプ室との間の連通路のイナータンスに比べて大きいため、出口流路116を移動する液体は殆どポンプ室102に戻ることはなく、もっぱら入口側バッファ室112の液体がポンプ室102に供給される。これは、出口側の流路(出口流路116)のイナータンスに比べて、入口側の流路(逆止弁110が設けられた通路部分)のイナータンスが大幅に小さいことに因る。
【0033】
ここでイナータンスとは、流路の特性値であり、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとする時の、流体の流れ易さを示している。たとえば、最も単純な場合として、断面積がSで長さがLの流路に密度ρの流体(ここでは液体とする)が満たされており、流路の一端に圧力P(正確には、両端での圧力差P)が加わったものとする。流路内の流体には圧力P×断面積Sの力が作用し、その結果、流路内の流体が流れ出す。その時の流体の加速度をaとすると、流路内の流体の質量は密度ρ×断面積S×長さLだから、運動方程式を立てて変形すると、
P=ρ×L×a ・・・(1)
が得られる。更に、流路を流れる体積流量をQ、流路を流れる流体の流速をvとすると、
Q=v×S だから、
dQ/dt=a×S ・・・(2)
が成り立つ。(2)式を(1)式に代入すると、
P=(ρ×L/S)×(dQ/dt) ・・・(3)
となる。この式は、流路内の流体についての運動方程式を、流路の一端に加わる圧力P(正確には両端での圧力差)と、dQ/dtとを用いて表した式である。(3)式は、同じ圧力Pが加わるのであれば、(ρ×L/S)が小さくなるほど、dQ/dtが大きくなる(すなわち、流速が大きく変化する)ことを表している。この(ρ×L/S)が、イナータンスと呼ばれる値である。
【0034】
図1に示した本実施例の送液ポンプ100では、出口流路116のイナータンスは、内径が小さく且つ通路長が長いので大きな値となる。これに対してポンプ室102の入口側の流路のイナータンスは、逆止弁110が設けられた通路部分の通路長が短いので小さな値となる。このため、ポンプ室102が負圧となったときに、合成イナータンスの大きな出口側の液体はほとんど吸い込まれず、もっぱら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室122に吸い込まれるのである。
【0035】
一方、出口側バッファ室118に流入した液体は流体流路122の流路抵抗が高いためになかなか流れ出ないので、出口側バッファ室118の内部圧力が上昇する。このとき、ポンプ室102の内部圧力が下降しているため、出口流路116内の液体の慣性力は次第に減少する。ポンプ室102から出口側バッファ室118との間には逆止弁が設けられていないので、やがて出口側バッファ室118からポンプ室102への逆流が生じる。ポンプ室102に液体が逆流しても、逆止弁110によって入口側バッファ室112へは液体が流れ出ないので、ポンプ室102の内部圧力が再び上昇し、逆流していた液体が出口側バッファ室118に向けて流れ出す。これにより、再びポンプ室102が負圧となり、入口側バッファ室112からポンプ室102に更に液体を供給することが可能となる。このような振動を繰り返すことによって、一度の駆動で逆止弁を複数回(図2に示した例では2回)開いて、ポンプ室102に液体を供給することが可能となる。
【0036】
この現象は、通常、ポンプ室102と出口側バッファ室118との間で伝播する液体中の圧力波による伝播と理解されがちである。しかし、本実施例の送液ポンプ100は、ポンプ室102と出口側バッファ室118との距離が短く(どんなに長くても10cm(センチメートル)程度であり)、液体中の音速を約1000m/sec(メートル/秒)としても、圧力波の伝播による振動周期は最大でも0.2msec(ミリ秒)となる筈である。しかしながら、図3(b)に示す振動の固有振動周期は約0.4msecとなっており、圧力波の伝播によっては説明することができない。
【0037】
しかしこの現象は、液体の圧縮性を考慮する(すなわち、液体を圧縮性流体として取り扱う)ことによって説明することができる。すなわち、ポンプ室102のコンプライアンス、出口流路116のイナータンス、出口側バッファ室118のコンプライアンスで形成される共振を考えれば、その固有振動周期Tは以下の(4)式で表すことができる。
T=2π(MC)1/2 ・・・(4)
ここで、Mは出口流路116のイナータンス、Cはポンプ室102および出口側バッファ室118の合成コンプライアンスである。また、ポンプ室102のコンプライアンスをC、出口側バッファ室118のコンプライアンスをCとすると、合成コンプライアンスCは、以下の(5)式によって与えられる。
C=1/{1/C+1/C} ・・・(5)
上記の(4)式の固有振動周期Tを有する共振を想定すれば、図3(b)に示したポンプ室102の内部圧力が振動する現象を説明することが可能となる。
【0038】
ここで、コンプライアンスとは、流体室内に圧力が加わった時の、流体室の変形による容積の膨張や流体の圧縮を示している。例えば、最も単純な場合として、容積がVで体積弾性率がKの流体室に圧縮率κの流体(ここでは液体とする)で満たされており、流体室内の液体に圧力Pが加わったものとする。このとき、流体室の変形による容積の変化量ΔV1は、
ΔV1=V/K×P ・・・(6)
となる。また、液体の圧縮による体積の変化量ΔV2は、
ΔV2=V×κ×P ・・・(7)
となる。よって、圧力Pに対する見かけ上の流体室の容積の変化量ΔVは、
ΔV=V×(1/K+κ)×P ・・・(8)
となり、このV×(1/K+κ)がコンプライアンスと呼ばれる値である。ここで、流体室が同じ弾性率を持つ部材で、液体が同じ圧縮率を持つ流体であるとき、(5)式は、同じ圧力Pが加わるのであれば、見かけ上の流体室の容積の変化量ΔVは流体室の容積Vに比例することを表している。
【0039】
また、(4)式および(5)式からは、ポンプ室102のコンプライアンス(容積)や、出口側バッファ室118のコンプライアンス(容積)によって固有振動周期Tが変化することが予想され、実際にこうした現象が確かめられている。尚、図3に示されるように、圧電素子106に駆動信号を印加すると、ポンプ室102の内部圧力の振動を示す複数の波が生じるが、以下では、駆動信号の電圧を上昇させた時に生じる波を「第1波」と呼び、その後に生じる波を、先頭から順番に「第2波」、「第3波」、「第4波」と呼ぶことにする。
【0040】
C.気体溶存量およびポンプ性能の検出方法 :
本実施例の制御部152は、ポンプ室102に第3波が生じてから第4波が生じるまでの時間を、固有振動周期Tとして検出する。こうして検出した固有振動周期Tから、液体中に溶存する空気などの気体の溶存量(気体溶存量)を検出することが可能である。これは次の理由による。
【0041】
先ず、ポンプ室102と出口側バッファ室118とが出口流路116を介して発生させる共振の固有振動周期Tは、前述した(4)式で表される。また、(4)式中に現れる合成コンプライアンスCは、前述した(5)式で表される。そして、(5)式中に現れるコンプライアンスC(ポンプ室102のコンプライアンス)、およびコンプライアンスC(出口側バッファ室118のコンプライアンス)は、(8)式を用いてそれぞれ次式で与えられる。
=V×(1/K+κ) ・・・(9)
=V×(1/K+κ) ・・・(10)
ここで、Vはポンプ室102の容積であり、Vは出口側バッファ室118の容積でまた、本実施例では、ポンプ室102や出口流路116、出口側バッファ室118はステンレス鋼などの非常に硬い部材で構成されており、その弾性率Kは大変に大きいので、(7)式及および(8)式ではポンプ室102や出口側バッファ室118の容積の変化は殆ど無視される。ある。(9)式および(10)式を、(5)式および(4)式に代入して整理すると、固有振動周期Tは液体の圧縮率κの平方根に比例することが分かる。そして、液体の圧縮率κは、液体中の気体の溶存量が増加するに従って高くなるから、液体中の気体の溶存量が増加する程、固有振動周期Tが長くなると考えられる。また、液体中の気体の溶存量が増加すると液体の圧縮率κが高くなるから、ポンプ室102で液体を効果的に加圧することができなくなり、送液ポンプ100の送液量や圧送圧力が低下するものと考えられる。そこで、液体中の気体溶存量を変えながら送液ポンプ100の送液量および固有振動周期Tを実測した。
【0042】
図4は、実測によって得られた液体中の気体溶存量と固有振動周期Tとの関係を示した説明図である。図4に示されるように、気体溶存量が増加するに従って固有振動周期Tが長くなっている。従って、固有振動周期Tを検出すれば、液体中に溶存する空気などの気体の溶存量(気体溶存量)を検出することが可能である。
【0043】
また、図5は、実測によって得られた液体中の気体溶存量と送液ポンプ100の送液量との関係を示した説明図である。図5に示されるように、気体溶存量が増加するに従って送液量が減少している。そして、図4に示したように気体溶存量と固有振動周期Tとの間には強い対応関係(相関)があるから、送液量と固有振動周期Tとの間にも相関が存在している可能性がある。そこで、同じ気体溶存量に対して実測された固有振動周期Tと送液量との関係を整理すると図6が得られた。図6に示されるように、固有振動周期Tと送液量との間には強い相関が成立している。このことから、固有振動周期Tを検出することで、送液ポンプ100の送液量を検出することも可能である。また、送液量の低下は、気体溶存量の増加によってポンプ室102で液体を効果的に加圧できなくなったことに起因するから、送液量の低下とともに、圧送圧力の低下も発生していると考えられる。従って、固有振動周期Tを検出することで、送液ポンプ100の圧送圧力を検出することも可能である。
【0044】
このように本実施例の送液ポンプ100では、ポンプ室102と出口流路116と出口側バッファ室118とによって共振系を構成し、圧電素子106を駆動した後に生じる圧力振動の固有振動周期を計測することで、液体中の気体溶存量や、送液ポンプ100の送液量や圧送圧力を検出することができる。また、固有振動周期Tが分かればよいので、圧力そのものを計測する必要はない。例えば、内部圧力の振動によってポンプ室102などの壁面に生じる変形を、光学的あるいは電気的な手法で検出することによって、固有振動周期Tを測定しても良い。あるいは、出口流路116内での液体の流速変動を検出することによって固有振動周期Tを測定しても良い。このため、特別な計測器を備えなくても、液体中の気体溶存量は送液量を簡便に検出することが可能となる。特に、図7に例示したように、送液ポンプ100を循環流路に組み込んで用いる場合には、液体が密閉された流路を流れることになるので、送液量や気体溶存量を検出することが困難である。この点で、本実施例では、固有振動周期Tを検出することで、気体溶存量や送液量を簡便に検出することが可能となる。
【0045】
また、固有振動周期Tを常にモニターしておき、固有振動周期Tが所定値よりも長くなったら、気体溶存量が許容値を超えたものと判断し、あるいは送液ポンプ100の送液量(あるいは圧送圧力)が許容量を下回ったものと判断して、その旨を通知する通知信号を、制御部152が出力するようにしても良い。こうすれば、ポンプ性能が低下したことに気付かないまま、送液ポンプ100を動作させ続けることがない。また、送液する液体を取り換えたり、あるいは液体を脱気したりするなどのメンテナンス作業を行って、送液ポンプ100を適切に動作させることが可能となる。
【0046】
尚、以上の説明では、圧力信号Vpの第3波から第4波までの時間を計測して、固有振動周期Tを求めることとした。これは、次のような理由による。図1に示したように、本実施例の送液ポンプ100では、ポンプ室102が逆止弁110を介して入口側バッファ室112に接続されており、ポンプ室102が負圧になると、逆止弁110が開いてポンプ室102と入口側バッファ室112とが連通する。従って、あたかもポンプ室102のコンプライアンスCが大幅に増加したような状態となって固有振動周期Tがずれてしまう。そして、図3(b)に示されるように、第1波と第2波との間、あるいは第2波と第3波との間ではポンプ室102が負圧になっている期間(すなわち、ポンプ室102と入口側バッファ室112とが連通している期間)が長いので、正確な固有振動周期Tを計測することができない。これに対して第3波と第4波との間では、ポンプ室102が負圧になる期間が発生しない(発生しても僅かな期間に過ぎない)ので、正確な固有振動周期Tを計測することができる。以上の理由から、本実施例では圧力信号Vpの第3波と第4波との間の時間を計測することによって、固有振動周期Tを求めている。もちろん、それほどの計測精度が必要でない場合は、第2波と第3波との間の時間を計測することによって固有振動周期Tを求めるようにしても良い。あるいは、出口流路116での減衰が強くなると圧力信号Vpの第3波が明確には発生しなくなる場合も起こり得る。このような場合には、圧力信号Vpの第2波と第3波との間の時間を計測して(場合によっては、第1波と第2波との間の時間を計測して)固有振動周期Tを求めるようにしても良い。
【0047】
D.変形例 :
上述した実施例では、固有振動周期Tを測定することによって、液体中の気体溶存量や、送液ポンプ100の送液量(あるいは圧送圧力)を検出し、必要に応じて通知信号を出力するものとして説明した。しかし、図6を用いて前述したように、固有振動周期Tが長くなると送液ポンプ100の送液量(あるいは圧送圧力)は減少するから、この送液量(あるいは圧送圧力)の減少を補うように、圧電素子106に印加する駆動信号、あるいは駆動周波数を調整しても良い。
【0048】
すなわち、図8に示すように、固有振動周期Tの標準値に対して「1.0」で、固有振動周期Tが長くなるほど値が大きくなり、固有振動周期Tが短くなるほど値が小さくなるような補正係数を、制御部152内のメモリーにルックアップテーブルとして記憶しておく。そして、制御部152は、圧力信号Vpに基づいて固有振動周期Tを測定すると、その固有振動周期Tに対応する補正係数を決定し、圧電素子106に印加する駆動信号の振幅を補正してもよい。例えば、駆動信号を生成するために出力する駆動波形信号Vinの振幅を、補正係数によって補正することができる。このようにすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加した場合でも、そのことによる送液量(あるいは圧送圧力)の減少を、駆動信号の振幅を増加させることによって補うことができるので、安定した送液量を維持することが可能となる。
【0049】
あるいは、固有振動周期Tに対応する補正係数を用いて、圧電素子106の駆動周波数(時間あたりに駆動信号を出力する回数)を補正しても良い。例えば、制御部152が駆動波形信号Vinを時間あたりに出力する回数を補正することができる。このようにすれば、たとえ液体中の気体溶存量が増加した場合でも、そのことによる送液量の減少を、駆動周波数を増加させることによって補うことができるので、安定した送液量を維持することが可能となる。尚、変形例における制御部152は、本発明における「駆動信号調整部」に対応する。
【0050】
以上、本実施例の送液ポンプ100について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【0051】
例えば、上述した実施例では、圧電素子106に流れる駆動電流Ioutから圧力信号Vpを生成するものとして説明した。しかし、これに限らず、例えばポンプ室102に圧力センサーを設けて圧力信号Vpに相当する信号を出力させても良い。もっとも、本実施例のように圧電素子106の駆動電流Ioutから圧力信号Vpを検出することとすれば、別途、圧力センサーを設ける必要がない。
【符号の説明】
【0052】
100…送液ポンプ、 102…ポンプ室、 104…ダイアフラム、
106…圧電素子、 108…ケース、 110…逆止弁、
112…入口側バッファ室、 114…入口流路、 116…出口流路、
118…出口側バッファ室、 122…流体流路、 150…駆動回路、
152…制御部、 154…増幅回路、 156…比較部、
160…圧力検出部、 162…電流検出回路、 164…積分回路、
166…減算回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期に基づいて前記液体中の気体溶存量を決定する気体溶存量決定部と
を備える送液ポンプ。
【請求項2】
請求項1に記載の送液ポンプであって、
前記固有振動周期測定部は、前記ポンプ室の内部圧力を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部である送液ポンプ。
【請求項3】
請求項2に記載の送液ポンプであって、
前記ポンプ室の容積を変更する圧電素子を備え、
前記固有振動周期測定部は、前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記固有振動周期を測定する測定部である送液ポンプ。
【請求項4】
圧電素子を用いてポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記圧電素子に流れる電流を検出することによって、前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期に基づいて前記圧電素子に印加する駆動信号を調整する駆動信号調整部と
を備える送液ポンプ。
【請求項5】
前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の振幅を調整する調整部である請求項4に記載の送液ポンプ。
【請求項6】
前記駆動信号調整部は、前記駆動信号の駆動周波数を調整する調整部である請求項4に記載の送液ポンプ。
【請求項7】
ポンプ室の容積を変更することによって、該ポンプ室内の液体を送液する送液ポンプであって、
前記ポンプ室に接続された出口流路と、
前記ポンプ室よりも大きなコンプライアンスを有し、且つ該ポンプ室に該出口流路を介して接続されることによって該ポンプ室との間で共振系を構成する出口側バッファ室と、
前記共振系の固有振動周期を測定する固有振動周期測定部と、
前記固有振動周期が所定値を超えた場合には、所定の通知信号を出力する通知信号出力部と
を備える送液ポンプ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2013−60849(P2013−60849A)
【公開日】平成25年4月4日(2013.4.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−199118(P2011−199118)
【出願日】平成23年9月13日(2011.9.13)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】