送液ポンプ
【課題】気泡の混入、圧送圧力、気体溶存量、送液量などの動作状態を簡便に検出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、ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部を設けておき、ポンプ室の容積を減少させた時にポンプ室内に生じる圧力振動を、変形部の変位の変動によって検出する。この圧力振動は、気泡の混入、圧送圧力、気体溶存量、送液量など、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報を含んでいる。そこで、変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する各種情報を簡便に検出することが可能となる。
【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、ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部を設けておき、ポンプ室の容積を減少させた時にポンプ室内に生じる圧力振動を、変形部の変位の変動によって検出する。この圧力振動は、気泡の混入、圧送圧力、気体溶存量、送液量など、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報を含んでいる。そこで、変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する各種情報を簡便に検出することが可能となる。
【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には、以下のような問題があった。先ず、ポンプ室内に気泡が混入すると、ポンプ室の容積を減少させても気泡が潰れてポンプ室内の液体を加圧することができず、液体を送液することができなくなる。また、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、液体の圧送圧力が低下する。これを避けるためには、液体中に溶存した空気量（あるいは気体量）をモニターすることが望ましいが、溶存した空気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、流量センサーなどを別途に設けない限りは送液量を把握することが困難となる。
【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、送液ポンプの動作状態に関する情報（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、気体溶存量や、送液量などの何れか）を簡便に検出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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
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、ポンプ室の容積を増大させると、入口流路から逆止弁を介してポンプ室に液体が吸い込まれる。その後、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から出口流路を介して出口側バッファ室に液体が圧送された後、出口側バッファ室から流体流路に液体が送液される。ここで、ポンプ室と出口側バッファ室とは出口流路を介して接続されており、共振系を構成する。尚、ここでいう共振系とは、系の内部で圧力が変化（圧力の増加あるいは減少）したときに、その圧力の変化を切っ掛けとして暫くの時間に亘って圧力の振動が発生するような範囲をいう。ポンプ室と出口側バッファ室とが出口流路を介して接続されている系では、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路の何れかで生じた圧力変動は、その後、暫くの期間に亘って、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路内での圧力振動を発生させる。このように、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路を介して接続することによって共振系を構成しておけば、ポンプ室の容積を減少させた後は、ポンプ室内に共振による圧力振動が発生し、この圧力振動によって変形部が変形する。そこで、この変形部の変位の変動を検出して、送液ポンプの動作状態を検出する。尚、変形部はポンプ室の内部圧力によって変形するものであればよく、例えばポンプ室の壁面の一部に変形し易い部分を変形部として設けておき、この部分がポンプ室の内部圧力によって外側あるいは内側に変形するようにすることができる。あるいは、ポンプ室の内部圧力によって直接変形するのではなく、内部圧力の変化によって液体の流れ（例えばポンプ室の内部圧力が減少したことによってポンプ室内に向かう液体の流れ）が生じ、この流れによって間接的に変形するような部材を変形部として設けることもできる。
【０００８】
詳細には後述するが、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積増減に伴う共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の圧力振動によって生じる変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出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、変形部の変位が所定の閾値に基づいて二値信号を生成し、二値信号に基づいて、送液ポンプの動作状態を検出するようにしてもよい。
【００１０】
共振によってポンプ室内に生じる圧力振動が生じると変形部の変位が変動するので、二値信号は複数のパルスを有する信号となる。これらパルスの有無、あるいはパルスとパルスとの間の時間間隔などにも、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報が含まれている。更に、変形部の変位を二値信号に変換してやれば信号の取り扱いが容易となる。このため、変形部の変位の変動を二値信号に変換することで、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報を容易に検出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、ポンプ室の容積を減少させた後に生じた二値信号のパルスの有無に基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を検出してもよい。ここで二値信号のパルスは、Ｌｏｗ状態の二値信号が短時間だけＨｉ状態になるパルスであってもよいし、逆に、Ｈｉ状態の二値信号が短時間だけＬｏｗ状態になるパルスであってもよい。
【００１２】
ポンプ室に気泡が存在していない場合は、ポンプ室の容積を減少させた後にポンプ室内に圧力振動が発生するが、気泡が存在する場合はポンプ室内に圧力振動は発生しない。従って、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号にパルスが存在するか否かに基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を簡便に検出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、ポンプ室の容積を減少してから二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて、送液ポンプから液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出することとしてもよい。
【００１４】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少してから、二値信号のパルスが検出されるまでの時間は、出口側バッファ室内での液体の圧力によって決定されている。そして、出口側バッファ室内での液体の圧力は、液体を圧送する圧力となる。従って、ポンプ室の容積を減少してから、二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて液体の圧送圧力を検出してやれば、圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、液体の圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。
【００１５】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、液体中の気体溶存量を検出することとしてもよい。
【００１６】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じる複数のパルスの時間間隔は、液体中の気体溶存量と強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数のパルスの時間間隔を検出すれば、液体中の気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。
【００１７】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、時間あたりの液体の送液量を検出するようにしてもよい。
【００１８】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じる複数のパルスの時間間隔は、時間あたりの液体の送液量にも強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数のパルスの時間間隔を検出すれば、液体の送液量を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、送液量を簡便に検出することが可能となる。
【００１９】
また、上述した本発明の送液ポンプは、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減することが可能である。このため、循環装置に組み込む送液ポンプ、あるいは医療機器に組み込む送液ポンプとして特に優れている。
【００２０】
尚、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、
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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記ポンプ室の容積減少後の前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
を備えることを要旨とする。
【００２１】
ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積減少（あるいは増加）後に、共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の容積減少後の圧力振動によって生じる変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】圧電素子に駆動信号を印加した時に変形部が変形することによる変位の変動および二値信号を例示した説明図である。
【図３】ポンプ室に気泡が存在する場合に得られる変形部の変位および二値信号を例示した説明図である。
【図４】二値信号の第１パルスから第２パルスまでの時間と出口側バッファ室内の圧力との関係を示す実測結果である。
【図５】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６】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との関係を示した説明図である。
【図７】実測によって得られた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８】実測によって得られた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９】変形例の送液ポンプの構成を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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．気泡の検出方法：
Ｃ．圧送圧力の検出方法：
Ｄ．気体溶存量および送液量の検出方法：
Ｅ．変形例：
【００２４】
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には制御回路１５０が接続されており、制御回路１５０から圧電素子１０６に駆動信号を印加することができる。
【００２５】
また、ポンプ室１０２の一部には、他の箇所よりも肉厚が薄く形成された変形部１０２ｄが設けられており、ポンプ室１０２の内部圧力が高くなると変形部１０２ｄが外側に向けて変形し、逆に内部圧力が低くなると変形部１０２ｄが内側に向けて変形する。更に、変形部１０２ｄの外側には、いわゆる反射式のフォトカプラー１３０が設けられている。フォトカプラー１３０には、発光素子と受光素子とがほぼ同じ方向に向けて組み込まれており、フォトカプラー１３０に対して対象物が適切な距離にあれば、発光素子から放射した光が対象物で反射して受光素子で検出される。本実施例では、変形部１０２ｄが変形していない状態（ポンプ室１０２の内部圧力が大気圧の状態）では、フォトカプラー１３０の受光素子が反射光を受光しないが、変形部１０２ｄが一定以上、外側に変形すると反射光を受光するようになっている。そして、フォトカプラー１３０は、受光素子で受光したか否かを表す二値の信号（二値信号）を、制御回路１５０に向かって出力する。
【００２６】
尚、本実施例では、フォトカプラー１３０を用いて変形部１０２ｄの変位を検出することによって二値信号を出力するものとして説明するが、フォトカプラー１３０に限らず、たとえば接点スイッチを用いて二値信号を生成してもよい。すなわち、変形部１０２ｄの変位が一定以上に大きくなると接点スイッチがＯＮになり、変形部１０２ｄの変位が一定以下になると接点スイッチがＯＦＦになるようにすることで、二値信号を生成することもできる。あるいは、フォトカプラー１３０の代わりに端子板を設けて変形部１０２ｄとの間でコンデンサーを構成し、変形部１０２ｄの変位によるコンデンサーの静電容量の変化を検出するなどの電気的な手法を用いて、変形部１０２ｄの変位そのものを検出し、得られた変位を所定の閾値と比較することによって二値信号を出力しても良い。更には、検出した変位をそのまま（二値化することなく）制御回路１５０に向かって出力しても良い。
【００２７】
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、本実施例の制御回路１５０は図示しないＣＰＵを搭載しており、圧電素子１０６に駆動信号を印加するだけでなく、フォトカプラー１３０からの二値信号を受け取って、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種の情報を取得する機能も有している。尚、本実施例では、フォトカプラー１３０が、本発明における「変位検出部」および「二値信号生成部」に対応し、制御回路１５０が、本発明における「動作状態検出部」に対応する。
【００２８】
図２は、駆動信号を圧電素子１０６に印加したときのポンプ室１０２の変形部１０２ｄの変位Ｄｐを実測した結果を示した説明図である。図２（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号が例示されている。また、図２（ｂ）には変形部１０２ｄの変位Ｄｐの実測結果が示されている。尚、図２（ｂ）に示したプラスの変位Ｄｐは、ポンプ室１０２の内部圧力が増加して変形部１０２ｄが外側に膨らむように変形したことを表しており、マイナスの変位Ｄｐは、ポンプ室１０２の内部圧力が減少して変形部１０２ｄが内側に縮むように変形したことを表している。
【００２９】
図２（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、駆動信号の電圧が立ち上がると同時にポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇して、図２（ｂ）に示されるように、変形部１０２ｄの変位Ｄｐがプラス側に急激に増加する。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の変形量は変わらず、従って、ポンプ室１０２の容積も変わらない。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の内部圧力が減少し、これに伴って変形部１０２ｄの変位Ｄｐも減少する。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って、変形部１０２ｄの変位Ｄｐがマイナスとなる。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。その後は、駆動信号が変化していないにも拘わらず、図２（ｂ）に示されるように変形部１０２ｄの変位Ｄｐが一定周期で振動する。このことは、ポンプ室１０２の内部圧力が一定周期で振動していることを示している。
【００３０】
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上昇する。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の容積が減少して排除体積分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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１１０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。
【００３４】
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２（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。
【００３５】
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Ｃ１、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスをＣ２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／Ｃ１＋１／Ｃ２｝ ・・・（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２（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。
【００３６】
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κＦ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×κＦ×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＋κＦ）×Ｐ ・・・（８）
となり、このＶ×（１／Ｋ＋κＦ）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。
【００３７】
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、実際にそうした現象が確かめられている。
【００３８】
圧電素子１０６に駆動信号を印加すると、以上のメカニズムに基づく共振によって、ポンプ室１０２内には圧力振動が発生し、その結果、図２（ｂ）に示すように、変形部１０２ｄの変位の変動が発生する。また、図１を用いて前述したように、本実施例では変形部１０２ｄの変位の変動を、フォトカプラー１３０を用いて検出しており、変形部１０２ｄの変位が閾値Ｄｔｈよりも小さい間は、フォトカプラー１３０の受光素子が変形部１０２ｄからの反射光を受光しないが、変形部１０２ｄの変位が閾値Ｄｔｈよりも大きくなると受光素子が反射光を受光するようになっている。その結果、フォトカプラー１３０からは、受光素子が反射光を受光していない間はＬｏｗ状態で、受光素子が反射光を受光している間はＨｉ状態となる二値信号Ｄｓが制御回路１５０に出力される。図２（ｃ）には、圧電素子１０６に駆動信号を印加したときに、フォトカプラー１３０から二値信号Ｄｓが出力される様子が示されている。本実施例では、このような圧力振動による変形部１０２ｄの変位の変動を検出して、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種情報を検出する。尚、本実施例の二値信号Ｄｓは、変形部１０２ｄの変位Ｄｐが小さい時（あるいはマイナスの時）にはＬｏｗ状態で、変位Ｄｐが大きくなるとＨｉ状態となるものとしているが、変位Ｄｐが小さい時（あるいはマイナスの時）にはＨｉ状態で、変位Ｄｐが大きくなるとＬｏｗ状態となる信号を、二値信号Ｄｓとして用いても構わない。
【００３９】
Ｂ．気泡の検出方法 ：
図３は、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合に得られる変形部１０２ｄの変位Ｄｐ、およびフォトカプラー１３０から出力される二値信号Ｄｓ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が示されており、図３（ｂ）には変形部１０２ｄの変位Ｄｐが、図３（ｃ）には二値信号Ｄｓが示されている。
【００４０】
図２に示した気泡が存在しない場合と比較すると明らかなように、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合、圧電素子１０６に駆動信号を印加することによってポンプ室１０２の内部圧力は上昇するが、気泡の圧縮によって圧電素子１０６の変位が吸収されてしまい、内部圧力の上昇量が低下する。このため、ポンプ室１０２と出口流路１１６と出口側バッファ室１１８との間での上述した共振による圧力振動（および変形部１０２ｄの変位の変動）はほとんど発生しない。すなわち、駆動信号の電圧を上昇させた時の内部圧力の上昇に伴う変形部１０２ｄの変位Ｄｐの増減（以下では、これを第１波と呼ぶ）は、図２（ｂ）および図３（ｂ）の何れにおいても観測することができるが、その後の共振による圧力振動に伴う変形部１０２ｄの変位Ｄｐの増減（以下では、これらを先頭から順番に第２波、第３波、第４波と呼ぶ）は、気泡が存在する図３（ｂ）ではほとんど発生しない。その結果、第１波に対応する二値信号Ｄｓのパルスは、図２（ｃ）および図３（ｃ）の何れにおいても発生するが、その後の第２波に対応するパルスや、第３波に対応するパルスは、気泡が存在する図３（ｃ）では見られない。尚、以下では、第１波に対応する二値信号Ｄｓのパルスを第１パルスと呼び、第２波に対応するパルスを第２パルスと呼び、第３波に対応するパルスを第３パルスと呼び、第４波に対応するパルスを第４パルスと呼ぶ。従って、二値信号Ｄｓに第２パルスが検出できればポンプ室１０２内に気泡は無く、逆に、第２パルスが検出できなければポンプ室１０２に気泡が存在するものと判断することが可能となる。
【００４１】
尚、ポンプ室１０２内に気泡が存在すると第１波の大きさが小さくなることから、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの大きさを検出して、気泡の有無を判別することも可能である。しかし、この方法は、第１波の大きさがある程度まで低下した場合に、気泡が存在すると判断するものであり、どの程度まで低下すると気泡が発生したと判断するのか（すなわち、閾値の設定）によって判断精度が左右される。これに対して、上述した本実施例の方法では、第２波に基づく第２パルスが発生したか否かに基づいて判断することができるので、気泡の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００４２】
また、上述した実施例では、フォトカプラー１３０を用いて変形部１０２ｄの変位を検出しているので、制御回路１５０にはフォトカプラー１３０からの二値信号Ｄｓが入力される。このため、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第２波に対応する第２パルスが発生したか否かに基づいて、ポンプ室１０２内の気泡の有無を判断した。これに対して、例えば静電容量の変化を利用した電気的な手法などによって、変形部１０２ｄの変位Ｄｐそのものを検出して制御回路１５０に入力される場合には、変位Ｄｐの第２波が発生したか否かに基づいて、ポンプ室１０２内の気泡の有無を判断しても構わない。
【００４３】
Ｃ．圧送圧力の検出方法 ：
図２（ｃ）に例示したように二値信号Ｄｓの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合、第１パルスが発生してから第２パルスが発生するまでの時間の長さは、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（正確には、出口側バッファ室１１８内の圧力）に関する情報を有している。何故なら、上述したように二値信号Ｄｓの第１パルスは、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第１波に対応するパルスであり、第２パルスは第２波に対応するパルスである。また、前述したように、変位Ｄｐの第２波は、出口流路１１６内をポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向かって流れる液体が、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差によってポンプ室１０２内に引き戻されることによって発生する。従って、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差が大きくなると、出口流路１１６内の液体を引き戻す力が大きくなるので第２波が早く発生し、従って第２パルスも早く発生する。
【００４４】
ここで、第１波が終了して（変形部１０２ｄの変位Ｄｐが初期レベルに戻って）から第２波が発生するまでの期間は、ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向けて流出した液体が、出口側バッファ室１１８から押し戻されて戻ってくるまでの期間である。従って、第２波が発生するまでのポンプ室１０２内は概ね負圧となっている。また、ポンプ室１０２は逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２と接続されているので、第２波が発生するまでの期間にポンプ室１０２の圧力が大きく変動することはない。このため、第１波が終了してから第２波が発生するまでの期間（以下では、この期間を負圧期間と呼ぶ）でのポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差は、出口側バッファ室１１８内の圧力が主に決定している。すなわち、出口側バッファ室１１８内の圧力が高ければ、負圧期間が短くなる。逆から言えば、負圧期間が短ければ、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いと言うことができる。更に、第１波が発生してから終了するまでの時間（第１パルスのパルス幅）は、ほとんど変化しないことが実験によって確かめられている。従って、第１波（第１パルス）が発生してから第２波（第２パルス）が発生するまでの時間についても、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いほど、時間が短くなるということができる。
【００４５】
図４は、第１パルスから第２パルスまでの時間と、出口側バッファ室１１８内の圧力との関係を示す実測結果である。尚、図４に示した例では、第１パルスから第２パルスまでの時間として、第１パルス終了から第２パルス発生までの時間が計測されている。しかし、第１パルス発生から第２パルス発生までの時間を用いた場合にも、ほとんど同じ傾向が成立する。
【００４６】
図４に示されるように、出口側バッファ室１１８内の圧力（従って、流体流路１２２に液体が圧送される圧力）が低くなると、第１パルスから第２パルスまでの時間が長くなる。このことから、二値信号Ｄｓの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合には、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出することができる。すなわち、予め閾値の時間を設定しておき、検出した時間が閾値の時間よりも長くなった場合には、液体の圧送圧力が低下したものと判断することができる。あるいは、図４に示すような関係（検出時間と圧送圧力との関係）を、制御回路１５０内にルックアップテーブルとして記憶しておき、このルックアップテーブルを参照することによって、圧送圧力を検出することもできる。
【００４７】
また、図５に例示したように、流体流路１２２を流れる液体を入口流路１１４に還流させて循環流路を構成した場合には、液体が密閉された流路を流れることになるので圧送圧力が低下したことに気付きにくい。この点で、本実施例では、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、出口側バッファ室１１８内の圧力をモニターすることができるので、圧送圧力が低下したことを直ちに認識することが可能となる。
【００４８】
Ｄ．気体溶存量および送液量の検出方法 ：
また、図２（ｃ）に例示したように、二値信号Ｄｓの第３パルスおよび第４パルスが検出された場合、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、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。
【００４９】
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Ｃ１（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Ｃ２（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。
Ｃ１＝Ｖ１×（１／Ｋ＋κＦ） ・・・（９）
Ｃ２＝Ｖ２×（１／Ｋ＋κＦ） ・・・（１０）
ここで、Ｖ１はポンプ室１０２の容積であり、Ｖ２は出口側バッファ室１１８の容積である。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、（９）式及および（１０）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。（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κＦの平方根に比例することが分かる。そして、液体の圧縮率κＦ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κＦ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。
【００５０】
図６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６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。固有振動周期Ｔは、二値信号Ｄｓの第３パルスが検出されてから第４パルスが検出されるまでの時間に相当するから、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、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。
【００５１】
また、図７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７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６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８が得られた。図８に示されるように、固有振動周期Ｔ（本実施例では、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間）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、二値信号Ｄｓで第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、送液ポンプ１００の送液量を検出することも可能である。
【００５２】
このように本実施例の送液ポンプ１００では、二値信号Ｄｓの第３パルスから第４パルスまでの時間を計測することで、送液量や液体中の気体溶存量を検出することができる。このため、送液量を検出するための流量計などを別途備える必要がない。また、液体中の気体溶存量を検出するためには特別な装置が必要となるが、本実施例では、特別な装置を用いることなく、液体中の気体溶存量を検出することができる。特に、図５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は困難である。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、送液量や気体溶存量を常にモニターしておくことが可能となる。
【００５３】
尚、以上の説明では、二値信号Ｄｓの第２パルスから第３パルスまでの時間ではなく、第３パルスから第４パルス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。ポンプ室１０２と入口側バッファ室１１２とが連通すると、あたかもポンプ室１０２のコンプライアンスＣ１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２（ｂ）に示されるように、第２パルスと第３パルス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パルスと第４パルスとの間では、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、本実施例では二値信号Ｄｓの第３パルスと第４パルス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、二値信号Ｄｓの第２パルスと第３パルス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変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第３波の振幅が小さくなり、二値信号Ｄｓの第４パルスが発生しなくなる場合も起こり得る。このような場合には、二値信号Ｄｓの第２パルスと第３パルスとの間の時間を計測して（場合によっては、第１パルスと第２パルス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。
【００５４】
Ｅ．変形例 ：
上述した実施例では、ポンプ室１０２の壁面の一部に設けられた変形部１０２ｄが、ポンプ室１０２の内部圧力が増加すると外側に変形するものとして説明した。しかし、ポンプ室１０２の内部圧力によって変形する部材であれば、どのような部材であっても変形部１０２ｄとして用いることができる。
【００５５】
図９は、逆止弁１１０の弁部を構成する部材（弁部材）を変形部１０２ｄとして用いた変形例を例示した説明図である。すなわち、逆止弁１１０は、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧に（入口側バッファ室１１２の圧力よりも低く）なると開弁し、その他の場合は閉弁している。そこで、逆止弁１１０の上方にフォトカプラー１３２を設けておき、逆止弁１１０が閉弁状態の時には、フォトカプラー１３２の発光素子からの光が逆止弁１１０の弁部材で反射して受光素子で受光されるようにしておく。
【００５６】
こうすれば、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧になると逆止弁１１０が開弁（すなわち変形部１０２ｄが変形）して、フォトカプラー１３２の受光素子が反射光を受光しなくなるので、前述した負圧期間を直接的に検出することができる。その結果、送液ポンプ１００の圧送圧力を検出することが可能となる。また、上述した変形例においては、フォトカプラー１３２ではなく他の方法、例えば、逆止弁１１０の弁部材との間の静電容量の変化や、薄膜の圧電部材を塗布した逆止弁１１０の歪みを利用した電気的な方法などを用いて、弁部材の変位を検出しても良い。
【００５７】
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。たとえば、プロジェクターなどで発生する熱源を、冷媒液などの流体を循環させることによって冷却する流体循環装置に適用することができる。また、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体吐出装置や、流体流路の先端の径を細くして、流体（水、生理食塩水、薬液など）をその先端から高圧のジェット状に噴射させて対象物を切除するジェットメスなどの手術具や薬液噴射具を含む医療機器など、様々な電子機器に適用することができる。また、本実施例の送液ポンプ１００における出口側バッファ室１１８や入口側バッファ室１１２は、必ずしもステンレス鋼などの大変に硬い部材で構成されている必要はなく、弾性率の小さい部材を用いれば、その容積が小さくても十分に大きなコンプライアンスを得ることができ、非常に小さな送液ポンプを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…送液ポンプ、 １０２…ポンプ室、 １０２ｄ…変形部、
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、
１３０…フォトカプラー、 １３２…フォトカプラー、 １５０…制御回路
【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には、以下のような問題があった。先ず、ポンプ室内に気泡が混入すると、ポンプ室の容積を減少させても気泡が潰れてポンプ室内の液体を加圧することができず、液体を送液することができなくなる。また、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、液体の圧送圧力が低下する。これを避けるためには、液体中に溶存した空気量（あるいは気体量）をモニターすることが望ましいが、溶存した空気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、流量センサーなどを別途に設けない限りは送液量を把握することが困難となる。
【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、送液ポンプの動作状態に関する情報（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、気体溶存量や、送液量などの何れか）を簡便に検出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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
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、ポンプ室の容積を増大させると、入口流路から逆止弁を介してポンプ室に液体が吸い込まれる。その後、ポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室から出口流路を介して出口側バッファ室に液体が圧送された後、出口側バッファ室から流体流路に液体が送液される。ここで、ポンプ室と出口側バッファ室とは出口流路を介して接続されており、共振系を構成する。尚、ここでいう共振系とは、系の内部で圧力が変化（圧力の増加あるいは減少）したときに、その圧力の変化を切っ掛けとして暫くの時間に亘って圧力の振動が発生するような範囲をいう。ポンプ室と出口側バッファ室とが出口流路を介して接続されている系では、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路の何れかで生じた圧力変動は、その後、暫くの期間に亘って、ポンプ室、出口側バッファ室、出口流路内での圧力振動を発生させる。このように、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路を介して接続することによって共振系を構成しておけば、ポンプ室の容積を減少させた後は、ポンプ室内に共振による圧力振動が発生し、この圧力振動によって変形部が変形する。そこで、この変形部の変位の変動を検出して、送液ポンプの動作状態を検出する。尚、変形部はポンプ室の内部圧力によって変形するものであればよく、例えばポンプ室の壁面の一部に変形し易い部分を変形部として設けておき、この部分がポンプ室の内部圧力によって外側あるいは内側に変形するようにすることができる。あるいは、ポンプ室の内部圧力によって直接変形するのではなく、内部圧力の変化によって液体の流れ（例えばポンプ室の内部圧力が減少したことによってポンプ室内に向かう液体の流れ）が生じ、この流れによって間接的に変形するような部材を変形部として設けることもできる。
【０００８】
詳細には後述するが、ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積増減に伴う共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の圧力振動によって生じる変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出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、変形部の変位が所定の閾値に基づいて二値信号を生成し、二値信号に基づいて、送液ポンプの動作状態を検出するようにしてもよい。
【００１０】
共振によってポンプ室内に生じる圧力振動が生じると変形部の変位が変動するので、二値信号は複数のパルスを有する信号となる。これらパルスの有無、あるいはパルスとパルスとの間の時間間隔などにも、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報が含まれている。更に、変形部の変位を二値信号に変換してやれば信号の取り扱いが容易となる。このため、変形部の変位の変動を二値信号に変換することで、送液ポンプの動作状態に関する種々の情報を容易に検出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、ポンプ室の容積を減少させた後に生じた二値信号のパルスの有無に基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を検出してもよい。ここで二値信号のパルスは、Ｌｏｗ状態の二値信号が短時間だけＨｉ状態になるパルスであってもよいし、逆に、Ｈｉ状態の二値信号が短時間だけＬｏｗ状態になるパルスであってもよい。
【００１２】
ポンプ室に気泡が存在していない場合は、ポンプ室の容積を減少させた後にポンプ室内に圧力振動が発生するが、気泡が存在する場合はポンプ室内に圧力振動は発生しない。従って、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号にパルスが存在するか否かに基づいて、ポンプ室に混入した気泡の有無を簡便に検出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、ポンプ室の容積を減少してから二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて、送液ポンプから液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出することとしてもよい。
【００１４】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少してから、二値信号のパルスが検出されるまでの時間は、出口側バッファ室内での液体の圧力によって決定されている。そして、出口側バッファ室内での液体の圧力は、液体を圧送する圧力となる。従って、ポンプ室の容積を減少してから、二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて液体の圧送圧力を検出してやれば、圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、液体の圧送圧力を簡便に検出することが可能となる。
【００１５】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、液体中の気体溶存量を検出することとしてもよい。
【００１６】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じる複数のパルスの時間間隔は、液体中の気体溶存量と強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数のパルスの時間間隔を検出すれば、液体中の気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、気体溶存量を簡便に検出することが可能となる。
【００１７】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、時間あたりの液体の送液量を検出するようにしてもよい。
【００１８】
詳細なメカニズムについては後述するが、ポンプ室の容積を減少させた後の二値信号に生じる複数のパルスの時間間隔は、時間あたりの液体の送液量にも強い相関がある。従って、ポンプ室の容積を減少させた後に生じる複数のパルスの時間間隔を検出すれば、液体の送液量を簡便に検出することが可能となる。加えて、変形部の変位の変動による二値信号が検出できれば十分なので、たとえば送液ポンプが循環流路系に組み込まれて密閉された流路内を液体が流れる等の場合でも、送液量を簡便に検出することが可能となる。
【００１９】
また、上述した本発明の送液ポンプは、効率よく液体を送液することが可能で、圧電素子に投入した電気エネルギーのロスを大幅に削減することが可能である。このため、循環装置に組み込む送液ポンプ、あるいは医療機器に組み込む送液ポンプとして特に優れている。
【００２０】
尚、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、
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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記ポンプ室の容積減少後の前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
を備えることを要旨とする。
【００２１】
ポンプ室と出口側バッファ室とを出口流路で接続して共振系を構成した場合、ポンプ室の容積減少（あるいは増加）後に、共振によってポンプ室内に生じる圧力振動は、送液ポンプの動作状態（例えば気泡の混入や、圧送圧力や、溶存空気量や、送液量など）に関する種々の情報を含んでいる。従って、ポンプ室の容積減少後の圧力振動によって生じる変形部の変位の変動を検出してやれば、送液ポンプの動作状態に関する情報を簡便に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】圧電素子に駆動信号を印加した時に変形部が変形することによる変位の変動および二値信号を例示した説明図である。
【図３】ポンプ室に気泡が存在する場合に得られる変形部の変位および二値信号を例示した説明図である。
【図４】二値信号の第１パルスから第２パルスまでの時間と出口側バッファ室内の圧力との関係を示す実測結果である。
【図５】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６】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との関係を示した説明図である。
【図７】実測によって得られた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８】実測によって得られた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９】変形例の送液ポンプの構成を例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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．気泡の検出方法：
Ｃ．圧送圧力の検出方法：
Ｄ．気体溶存量および送液量の検出方法：
Ｅ．変形例：
【００２４】
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には制御回路１５０が接続されており、制御回路１５０から圧電素子１０６に駆動信号を印加することができる。
【００２５】
また、ポンプ室１０２の一部には、他の箇所よりも肉厚が薄く形成された変形部１０２ｄが設けられており、ポンプ室１０２の内部圧力が高くなると変形部１０２ｄが外側に向けて変形し、逆に内部圧力が低くなると変形部１０２ｄが内側に向けて変形する。更に、変形部１０２ｄの外側には、いわゆる反射式のフォトカプラー１３０が設けられている。フォトカプラー１３０には、発光素子と受光素子とがほぼ同じ方向に向けて組み込まれており、フォトカプラー１３０に対して対象物が適切な距離にあれば、発光素子から放射した光が対象物で反射して受光素子で検出される。本実施例では、変形部１０２ｄが変形していない状態（ポンプ室１０２の内部圧力が大気圧の状態）では、フォトカプラー１３０の受光素子が反射光を受光しないが、変形部１０２ｄが一定以上、外側に変形すると反射光を受光するようになっている。そして、フォトカプラー１３０は、受光素子で受光したか否かを表す二値の信号（二値信号）を、制御回路１５０に向かって出力する。
【００２６】
尚、本実施例では、フォトカプラー１３０を用いて変形部１０２ｄの変位を検出することによって二値信号を出力するものとして説明するが、フォトカプラー１３０に限らず、たとえば接点スイッチを用いて二値信号を生成してもよい。すなわち、変形部１０２ｄの変位が一定以上に大きくなると接点スイッチがＯＮになり、変形部１０２ｄの変位が一定以下になると接点スイッチがＯＦＦになるようにすることで、二値信号を生成することもできる。あるいは、フォトカプラー１３０の代わりに端子板を設けて変形部１０２ｄとの間でコンデンサーを構成し、変形部１０２ｄの変位によるコンデンサーの静電容量の変化を検出するなどの電気的な手法を用いて、変形部１０２ｄの変位そのものを検出し、得られた変位を所定の閾値と比較することによって二値信号を出力しても良い。更には、検出した変位をそのまま（二値化することなく）制御回路１５０に向かって出力しても良い。
【００２７】
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、本実施例の制御回路１５０は図示しないＣＰＵを搭載しており、圧電素子１０６に駆動信号を印加するだけでなく、フォトカプラー１３０からの二値信号を受け取って、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種の情報を取得する機能も有している。尚、本実施例では、フォトカプラー１３０が、本発明における「変位検出部」および「二値信号生成部」に対応し、制御回路１５０が、本発明における「動作状態検出部」に対応する。
【００２８】
図２は、駆動信号を圧電素子１０６に印加したときのポンプ室１０２の変形部１０２ｄの変位Ｄｐを実測した結果を示した説明図である。図２（ａ）には圧電素子１０６に印加する駆動信号が例示されている。また、図２（ｂ）には変形部１０２ｄの変位Ｄｐの実測結果が示されている。尚、図２（ｂ）に示したプラスの変位Ｄｐは、ポンプ室１０２の内部圧力が増加して変形部１０２ｄが外側に膨らむように変形したことを表しており、マイナスの変位Ｄｐは、ポンプ室１０２の内部圧力が減少して変形部１０２ｄが内側に縮むように変形したことを表している。
【００２９】
図２（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、駆動信号の電圧が立ち上がると同時にポンプ室１０２の内部圧力が急激に上昇して、図２（ｂ）に示されるように、変形部１０２ｄの変位Ｄｐがプラス側に急激に増加する。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の変形量は変わらず、従って、ポンプ室１０２の容積も変わらない。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の内部圧力が減少し、これに伴って変形部１０２ｄの変位Ｄｐも減少する。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って、変形部１０２ｄの変位Ｄｐがマイナスとなる。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。その後は、駆動信号が変化していないにも拘わらず、図２（ｂ）に示されるように変形部１０２ｄの変位Ｄｐが一定周期で振動する。このことは、ポンプ室１０２の内部圧力が一定周期で振動していることを示している。
【００３０】
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上昇する。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の容積が減少して排除体積分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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１１０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。
【００３４】
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２（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。
【００３５】
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Ｃ１、出口側バッファ室１１８のコンプライアンスをＣ２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／Ｃ１＋１／Ｃ２｝ ・・・（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２（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。
【００３６】
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κＦ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×κＦ×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＋κＦ）×Ｐ ・・・（８）
となり、このＶ×（１／Ｋ＋κＦ）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。
【００３７】
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、実際にそうした現象が確かめられている。
【００３８】
圧電素子１０６に駆動信号を印加すると、以上のメカニズムに基づく共振によって、ポンプ室１０２内には圧力振動が発生し、その結果、図２（ｂ）に示すように、変形部１０２ｄの変位の変動が発生する。また、図１を用いて前述したように、本実施例では変形部１０２ｄの変位の変動を、フォトカプラー１３０を用いて検出しており、変形部１０２ｄの変位が閾値Ｄｔｈよりも小さい間は、フォトカプラー１３０の受光素子が変形部１０２ｄからの反射光を受光しないが、変形部１０２ｄの変位が閾値Ｄｔｈよりも大きくなると受光素子が反射光を受光するようになっている。その結果、フォトカプラー１３０からは、受光素子が反射光を受光していない間はＬｏｗ状態で、受光素子が反射光を受光している間はＨｉ状態となる二値信号Ｄｓが制御回路１５０に出力される。図２（ｃ）には、圧電素子１０６に駆動信号を印加したときに、フォトカプラー１３０から二値信号Ｄｓが出力される様子が示されている。本実施例では、このような圧力振動による変形部１０２ｄの変位の変動を検出して、送液ポンプ１００の動作状態に関する各種情報を検出する。尚、本実施例の二値信号Ｄｓは、変形部１０２ｄの変位Ｄｐが小さい時（あるいはマイナスの時）にはＬｏｗ状態で、変位Ｄｐが大きくなるとＨｉ状態となるものとしているが、変位Ｄｐが小さい時（あるいはマイナスの時）にはＨｉ状態で、変位Ｄｐが大きくなるとＬｏｗ状態となる信号を、二値信号Ｄｓとして用いても構わない。
【００３９】
Ｂ．気泡の検出方法 ：
図３は、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合に得られる変形部１０２ｄの変位Ｄｐ、およびフォトカプラー１３０から出力される二値信号Ｄｓ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が示されており、図３（ｂ）には変形部１０２ｄの変位Ｄｐが、図３（ｃ）には二値信号Ｄｓが示されている。
【００４０】
図２に示した気泡が存在しない場合と比較すると明らかなように、ポンプ室１０２に気泡が存在する場合、圧電素子１０６に駆動信号を印加することによってポンプ室１０２の内部圧力は上昇するが、気泡の圧縮によって圧電素子１０６の変位が吸収されてしまい、内部圧力の上昇量が低下する。このため、ポンプ室１０２と出口流路１１６と出口側バッファ室１１８との間での上述した共振による圧力振動（および変形部１０２ｄの変位の変動）はほとんど発生しない。すなわち、駆動信号の電圧を上昇させた時の内部圧力の上昇に伴う変形部１０２ｄの変位Ｄｐの増減（以下では、これを第１波と呼ぶ）は、図２（ｂ）および図３（ｂ）の何れにおいても観測することができるが、その後の共振による圧力振動に伴う変形部１０２ｄの変位Ｄｐの増減（以下では、これらを先頭から順番に第２波、第３波、第４波と呼ぶ）は、気泡が存在する図３（ｂ）ではほとんど発生しない。その結果、第１波に対応する二値信号Ｄｓのパルスは、図２（ｃ）および図３（ｃ）の何れにおいても発生するが、その後の第２波に対応するパルスや、第３波に対応するパルスは、気泡が存在する図３（ｃ）では見られない。尚、以下では、第１波に対応する二値信号Ｄｓのパルスを第１パルスと呼び、第２波に対応するパルスを第２パルスと呼び、第３波に対応するパルスを第３パルスと呼び、第４波に対応するパルスを第４パルスと呼ぶ。従って、二値信号Ｄｓに第２パルスが検出できればポンプ室１０２内に気泡は無く、逆に、第２パルスが検出できなければポンプ室１０２に気泡が存在するものと判断することが可能となる。
【００４１】
尚、ポンプ室１０２内に気泡が存在すると第１波の大きさが小さくなることから、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの大きさを検出して、気泡の有無を判別することも可能である。しかし、この方法は、第１波の大きさがある程度まで低下した場合に、気泡が存在すると判断するものであり、どの程度まで低下すると気泡が発生したと判断するのか（すなわち、閾値の設定）によって判断精度が左右される。これに対して、上述した本実施例の方法では、第２波に基づく第２パルスが発生したか否かに基づいて判断することができるので、気泡の有無を精度良く判別することが可能となる。
【００４２】
また、上述した実施例では、フォトカプラー１３０を用いて変形部１０２ｄの変位を検出しているので、制御回路１５０にはフォトカプラー１３０からの二値信号Ｄｓが入力される。このため、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第２波に対応する第２パルスが発生したか否かに基づいて、ポンプ室１０２内の気泡の有無を判断した。これに対して、例えば静電容量の変化を利用した電気的な手法などによって、変形部１０２ｄの変位Ｄｐそのものを検出して制御回路１５０に入力される場合には、変位Ｄｐの第２波が発生したか否かに基づいて、ポンプ室１０２内の気泡の有無を判断しても構わない。
【００４３】
Ｃ．圧送圧力の検出方法 ：
図２（ｃ）に例示したように二値信号Ｄｓの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合、第１パルスが発生してから第２パルスが発生するまでの時間の長さは、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（正確には、出口側バッファ室１１８内の圧力）に関する情報を有している。何故なら、上述したように二値信号Ｄｓの第１パルスは、変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第１波に対応するパルスであり、第２パルスは第２波に対応するパルスである。また、前述したように、変位Ｄｐの第２波は、出口流路１１６内をポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向かって流れる液体が、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差によってポンプ室１０２内に引き戻されることによって発生する。従って、ポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差が大きくなると、出口流路１１６内の液体を引き戻す力が大きくなるので第２波が早く発生し、従って第２パルスも早く発生する。
【００４４】
ここで、第１波が終了して（変形部１０２ｄの変位Ｄｐが初期レベルに戻って）から第２波が発生するまでの期間は、ポンプ室１０２から出口側バッファ室１１８に向けて流出した液体が、出口側バッファ室１１８から押し戻されて戻ってくるまでの期間である。従って、第２波が発生するまでのポンプ室１０２内は概ね負圧となっている。また、ポンプ室１０２は逆止弁１１０を介して入口側バッファ室１１２と接続されているので、第２波が発生するまでの期間にポンプ室１０２の圧力が大きく変動することはない。このため、第１波が終了してから第２波が発生するまでの期間（以下では、この期間を負圧期間と呼ぶ）でのポンプ室１０２と出口側バッファ室１１８との圧力差は、出口側バッファ室１１８内の圧力が主に決定している。すなわち、出口側バッファ室１１８内の圧力が高ければ、負圧期間が短くなる。逆から言えば、負圧期間が短ければ、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いと言うことができる。更に、第１波が発生してから終了するまでの時間（第１パルスのパルス幅）は、ほとんど変化しないことが実験によって確かめられている。従って、第１波（第１パルス）が発生してから第２波（第２パルス）が発生するまでの時間についても、出口側バッファ室１１８内の圧力が高いほど、時間が短くなるということができる。
【００４５】
図４は、第１パルスから第２パルスまでの時間と、出口側バッファ室１１８内の圧力との関係を示す実測結果である。尚、図４に示した例では、第１パルスから第２パルスまでの時間として、第１パルス終了から第２パルス発生までの時間が計測されている。しかし、第１パルス発生から第２パルス発生までの時間を用いた場合にも、ほとんど同じ傾向が成立する。
【００４６】
図４に示されるように、出口側バッファ室１１８内の圧力（従って、流体流路１２２に液体が圧送される圧力）が低くなると、第１パルスから第２パルスまでの時間が長くなる。このことから、二値信号Ｄｓの第１パルスに続いて第２パルスが検出された場合には、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、送液ポンプ１００が液体を圧送する圧力（圧送圧力）を検出することができる。すなわち、予め閾値の時間を設定しておき、検出した時間が閾値の時間よりも長くなった場合には、液体の圧送圧力が低下したものと判断することができる。あるいは、図４に示すような関係（検出時間と圧送圧力との関係）を、制御回路１５０内にルックアップテーブルとして記憶しておき、このルックアップテーブルを参照することによって、圧送圧力を検出することもできる。
【００４７】
また、図５に例示したように、流体流路１２２を流れる液体を入口流路１１４に還流させて循環流路を構成した場合には、液体が密閉された流路を流れることになるので圧送圧力が低下したことに気付きにくい。この点で、本実施例では、第１パルスから第２パルスまでの時間を検出することによって、出口側バッファ室１１８内の圧力をモニターすることができるので、圧送圧力が低下したことを直ちに認識することが可能となる。
【００４８】
Ｄ．気体溶存量および送液量の検出方法 ：
また、図２（ｃ）に例示したように、二値信号Ｄｓの第３パルスおよび第４パルスが検出された場合、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、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。
【００４９】
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Ｃ１（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Ｃ２（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。
Ｃ１＝Ｖ１×（１／Ｋ＋κＦ） ・・・（９）
Ｃ２＝Ｖ２×（１／Ｋ＋κＦ） ・・・（１０）
ここで、Ｖ１はポンプ室１０２の容積であり、Ｖ２は出口側バッファ室１１８の容積である。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、（９）式及および（１０）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。（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κＦの平方根に比例することが分かる。そして、液体の圧縮率κＦ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κＦ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。
【００５０】
図６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６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。固有振動周期Ｔは、二値信号Ｄｓの第３パルスが検出されてから第４パルスが検出されるまでの時間に相当するから、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、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。
【００５１】
また、図７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７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６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８が得られた。図８に示されるように、固有振動周期Ｔ（本実施例では、第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間）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、二値信号Ｄｓで第３パルスが発生してから第４パルスが発生するまでの時間を検出することで、送液ポンプ１００の送液量を検出することも可能である。
【００５２】
このように本実施例の送液ポンプ１００では、二値信号Ｄｓの第３パルスから第４パルスまでの時間を計測することで、送液量や液体中の気体溶存量を検出することができる。このため、送液量を検出するための流量計などを別途備える必要がない。また、液体中の気体溶存量を検出するためには特別な装置が必要となるが、本実施例では、特別な装置を用いることなく、液体中の気体溶存量を検出することができる。特に、図５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は困難である。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、送液量や気体溶存量を常にモニターしておくことが可能となる。
【００５３】
尚、以上の説明では、二値信号Ｄｓの第２パルスから第３パルスまでの時間ではなく、第３パルスから第４パルス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。ポンプ室１０２と入口側バッファ室１１２とが連通すると、あたかもポンプ室１０２のコンプライアンスＣ１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２（ｂ）に示されるように、第２パルスと第３パルス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パルスと第４パルスとの間では、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、本実施例では二値信号Ｄｓの第３パルスと第４パルス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、二値信号Ｄｓの第２パルスと第３パルス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変形部１０２ｄの変位Ｄｐの第３波の振幅が小さくなり、二値信号Ｄｓの第４パルスが発生しなくなる場合も起こり得る。このような場合には、二値信号Ｄｓの第２パルスと第３パルスとの間の時間を計測して（場合によっては、第１パルスと第２パルス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。
【００５４】
Ｅ．変形例 ：
上述した実施例では、ポンプ室１０２の壁面の一部に設けられた変形部１０２ｄが、ポンプ室１０２の内部圧力が増加すると外側に変形するものとして説明した。しかし、ポンプ室１０２の内部圧力によって変形する部材であれば、どのような部材であっても変形部１０２ｄとして用いることができる。
【００５５】
図９は、逆止弁１１０の弁部を構成する部材（弁部材）を変形部１０２ｄとして用いた変形例を例示した説明図である。すなわち、逆止弁１１０は、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧に（入口側バッファ室１１２の圧力よりも低く）なると開弁し、その他の場合は閉弁している。そこで、逆止弁１１０の上方にフォトカプラー１３２を設けておき、逆止弁１１０が閉弁状態の時には、フォトカプラー１３２の発光素子からの光が逆止弁１１０の弁部材で反射して受光素子で受光されるようにしておく。
【００５６】
こうすれば、ポンプ室１０２の内部圧力が負圧になると逆止弁１１０が開弁（すなわち変形部１０２ｄが変形）して、フォトカプラー１３２の受光素子が反射光を受光しなくなるので、前述した負圧期間を直接的に検出することができる。その結果、送液ポンプ１００の圧送圧力を検出することが可能となる。また、上述した変形例においては、フォトカプラー１３２ではなく他の方法、例えば、逆止弁１１０の弁部材との間の静電容量の変化や、薄膜の圧電部材を塗布した逆止弁１１０の歪みを利用した電気的な方法などを用いて、弁部材の変位を検出しても良い。
【００５７】
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。たとえば、プロジェクターなどで発生する熱源を、冷媒液などの流体を循環させることによって冷却する流体循環装置に適用することができる。また、薬剤や栄養剤を内包するマイクロカプセルを形成することに用いる流体吐出装置や、流体流路の先端の径を細くして、流体（水、生理食塩水、薬液など）をその先端から高圧のジェット状に噴射させて対象物を切除するジェットメスなどの手術具や薬液噴射具を含む医療機器など、様々な電子機器に適用することができる。また、本実施例の送液ポンプ１００における出口側バッファ室１１８や入口側バッファ室１１２は、必ずしもステンレス鋼などの大変に硬い部材で構成されている必要はなく、弾性率の小さい部材を用いれば、その容積が小さくても十分に大きなコンプライアンスを得ることができ、非常に小さな送液ポンプを実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…送液ポンプ、 １０２…ポンプ室、 １０２ｄ…変形部、
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、
１３０…フォトカプラー、 １３２…フォトカプラー、 １５０…制御回路
【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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
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、
前記変形部の変位が所定の閾値に基づいて二値信号を生成する二値信号生成部を備え、
前記動作状態検出部は、前記二値信号に基づいて前記送液ポンプの動作状態を検出する検出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、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後に生じた前記二値信号のパルスの有無に基づいて、該ポンプ室に混入した気泡の有無を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少してから前記二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて、液体を圧送する圧力を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後の前記二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、前記液体中の気体溶存量を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後の前記二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、前記液体の時間あたりの送液量を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた循環装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた医療機器。
【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、
前記ポンプ室の内部圧力によって変形する変形部と、
前記変形部の変位の変動を検出する変位検出部と、
前記変形部の変位の変動に基づいて、前記送液ポンプの動作状態を検出する動作状態検出部と
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、
前記変形部の変位が所定の閾値に基づいて二値信号を生成する二値信号生成部を備え、
前記動作状態検出部は、前記二値信号に基づいて前記送液ポンプの動作状態を検出する検出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、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後に生じた前記二値信号のパルスの有無に基づいて、該ポンプ室に混入した気泡の有無を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少してから前記二値信号のパルスが検出されるまでの時間に基づいて、液体を圧送する圧力を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後の前記二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、前記液体中の気体溶存量を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５の何れか一項に記載の送液ポンプであって、
前記動作状態検出部は、前記ポンプ室の容積を減少させた後の前記二値信号に生じた複数のパルスの時間間隔に基づいて、前記液体の時間あたりの送液量を検出する検出部である送液ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた循環装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の送液ポンプを用いた医療機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６０８５０（Ｐ２０１３−６０８５０Ａ）
【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２０１１−１９９１２０（Ｐ２０１１−１９９１２０）
【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）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【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）】
[ Back to top ]