JP6627992B2 - 流体制御装置および血圧計 - Google Patents

Description

本発明は、圧電ポンプを有する流体制御装置、およびこの流体制御装置を備える血圧計に関する。

従来、ポンプ、圧力容器、バルブ等を備える各種流体制御装置が考案されている。例えば、特許文献１には、ポンプとバルブとを備える流体制御装置が開示されている。

特許文献１の流体制御装置は、ポンプを駆動し、ポンプの吐出孔からバルブ内へ空気を吐出すると、その空気は、カフ接続口からカフ（圧力容器）内へ流入する。これにより、カフ内に圧縮空気が充填される。その後、ポンプの駆動を停止すると、カフ内の圧縮空気は排気される。

特許第５１８５４７５号公報 特開２００７−４２７２４号公報

特許文献１に示されるような流体制御装置は例えば血圧計に用いられるが、この血圧計によって血圧を測定する度に、上記ポンプの駆動による圧力容器の加圧と、その後のバルブの開放による、圧力容器からの排気と、が繰り返される。

ポンプは、その駆動時に流体搬送に要したエネルギー以外の損失は熱となる。そのためポンプは駆動時に発熱し、その温度は外部温度より上昇する。圧力容器の排気時（または給気時）にポンプを停止すると、ポンプは自然放熱するので、上昇したポンプの温度は、ポンプの停止後、徐々に下がる。

しかし、ポンプが放熱に適した構造ではなければ、その放熱速度は遅い。このため、長時間に亘って繰り返し使用すると、ポンプの温度は次第に上昇してしまう。このようなポンプの温度の上昇は、例えば人体への影響（低温火傷など）やポンプの故障を誘発する。

流体制御装置の休止時間（インターバル）を十分に長くすれば、最高温度を低減できるが、流体制御装置の利便性は低下してしまう。

また、例えば特許文献２等に示されているようなヒートシンクをポンプに付加すれば放熱効率が高まるので、ポンプの最高温度の低減またはインターバルの短縮には効果的である。しかし、ポンプのサイズが大きくなってしまい、小型の流体制御装置に適用することはできない。

本発明の目的は、上述の課題を解消して、ポンプの温度上昇の抑制または流体制御装置の利便性の向上を図った流体制御装置およびそれを備える血圧計を提供することにある。

（１）本発明の流体制御装置は、ポンプと、当該ポンプにより加圧または減圧される容器と、容器と外部とを連通可能なバルブと、ポンプおよびバルブを制御する制御部と、を有する。そして、制御部は、バルブをクローズ状態にし、ポンプを駆動することによって容器を加圧または減圧する第１制御モードと、バルブを前記オープン状態にし、ポンプを駆動することによってポンプを冷却する第２制御モードと、の２つの制御モードを有し、第１制御モードを実行した後、第２制御モードの実行に切り替えることを特徴とする。

バルブをオープンした状態では、ポンプは容器の加圧または減圧を行わないが、バルブをオープンした状態で、ポンプから吐出された流体によって、またはポンプが吸引する流体によって、ポンプ内の温度上昇した流体およびポンプ自体の熱が効果的に排熱（以下、単に「冷却」という。）される。このように、加圧または減圧期間の終了後、ポンプが強制的に冷却されることによって、流体制御装置を繰り返し使用する場合の最高温度や平均温度を低くできる。また、その分、インターバルを短縮できる。

（２）ポンプの駆動によって容器の加圧または減圧を行う状態と、それに続く冷却期間でポンプを駆動することによってポンプを冷却する状態とで、ポンプの駆動に要する電力とが異なる場合には、前記制御部は、第１制御モードの実行時と、第２制御モードの実行時とで、ポンプの連続駆動時の電力、またはポンプの周期的駆動における当該周期での平均電力、で表される「駆動電力」を異ならせる、ことが好ましい。このことにより、バルブクローズ状態での所定の加圧速度または減圧速度を確保でき、且つバルブオープン状態での所定の冷却効率を確保できる。

（３）ポンプの駆動によって容器の加圧または減圧時にポンプが高温になり、その後、ポンプを駆動することによって冷却する際、冷却効果を高める必要がある場合、前記制御部は、第１制御モードの実行時に比べ、第２制御モードの実行時に、ポンプの駆動電力を大きくする。このことにより、短いインターバル期間において、加圧または減圧終了直後のポンプの温度より低い温度に、ポンプを短時間で冷却できる。

（４）ポンプの駆動によって容器の加圧または減圧を行う際、ポンプの発熱が問題となるほどの加圧速度または減圧速度でポンプを駆動する状況は、ポンプに供給する電力が相対的に大きいと言える。これに対し、インターバル期間でポンプを駆動することによって冷却する状態では、流体に掛ける圧力は低くてもよいので、ポンプに供給する電力は相対的に小さい場合が多い。このような場合に、前記制御部は、第１制御モードの実行時に比べ、第２制御モードの実行時に、ポンプの駆動電力を小さくする。このことにより、流体制御装置を繰り返し使用する場合の最高温度を低くできる。

（５）インターバル期間でポンプを駆動することによって冷却する状態では、ポンプの温度に応じて，冷却効率の点で最適な駆動電力がある。通常は、所定の温度より高温である場合は、ポンプに供給する電力を大きくして所定温度まで速やかにポンプを冷却し、所定温度より低温である場合には、ポンプに供給する電力を小さくしてポンプの駆動に伴う発熱を抑えて更にポンプを冷却することが、冷却速度を速める点で好ましい。したがって、第１制御モードから第２制御モードへ切り替えた後、制御部はポンプへ供給する駆動電力を段階的に下げることが好ましい。

（６）例えば、前記ポンプの駆動電力は、前記制御部がポンプの駆動電圧を変えることによって変化させる。この時は駆動電力が一定値を取るため、その一定値が「駆動電力」である。

（７）例えば、前記ポンプの駆動電力は、前記制御部がポンプの駆動のデューティ比を変えることによって変化させる。この時の「駆動電力」は、デューティ駆動の１周期分の駆動電力の平均値である。

（８）例えば、前記ポンプの駆動電力は、前記制御部がポンプを間欠駆動することによって変化させる。この時の「駆動電力」は、間欠駆動の１周期分の駆動電力の平均値である。

（９）前記制御部は、ポンプの温度に応じて、または当該ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、バルブをクローズからオープンへ切り替えた後のポンプの駆動電力を変更することが好ましい。これにより、冷却に適した電力でポンプが駆動され、効果的に冷却される。

（１０）前記制御部は、バルブをクローズからオープンへ切り替えてからの所定期間後にポンプを停止することが好ましい。これにより、ポンプの駆動時間が必要以上に長くならず、流体制御装置の信頼性が保てる。

（１１）前記制御部は、バルブをクローズからオープンへ切り替えた後、ポンプの温度に応じて、または当該ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、ポンプを停止することが好ましい。これにより、ポンプの駆動時間が必要以上に長くならず、流体制御装置の信頼性が保てる。

（１２）前記制御部は、バルブをクローズからオープンへ切り替えた後、ポンプの温度が所定値より高い場合、または当該ポンプの温度が周囲温度より所定温度以上である場合にポンプを駆動することが好ましい。これにより、冷却が必要な状態でのみ、冷却時にポンプが駆動されるので、無駄な電力消費が抑えられる。

（１３）前記ポンプは、例えば、圧電素子の振動によって流体を搬送する圧電ポンプである。

（１４）前記ポンプに直列接続され、第２制御モードの実行中に停止する時間を有する他のポンプを備えてもよい。この構成によれば、冷却に要する消費電力を下げることができ、それとともに、駆動に伴う発熱量が低減するため、冷却効果が高まる。

（１５）本発明の血圧計は、上記（１）から（１４）のいずれかに記載の流体制御装置と、前記容器の圧力を検出する圧力センサと、血流の状態を検出する血流センサとを備え、
前記容器はカフであり、
前記制御部は、前記バルブをクローズし、前記ポンプを駆動することにより前記カフを加圧し、前記バルブをオープンすることにより前記カフを減圧しつつ、前記圧力センサおよび前記血流センサの検出結果に基づいて血圧を測定することを特徴とする。

この構成により、繰り返し使用される場合でも、当該血圧計の（特にポンプの）温度上昇を抑制できる。

本発明によれば、ポンプの温度上昇の抑制または流体制御装置の利便性の高い流体制御装置およびそれを備える血圧計が得られる。

図１は第１の実施形態に係る流体制御装置１０１および血圧計２０１の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示した圧電ポンプ２０、駆動回路１０および駆動制御回路５０の構成を示すブロック図である。 図３（Ａ）は、圧電ポンプ２０の模式的断面図である。図３（Ｂ）は、圧電ポンプ２０の動作を示す模式図である。 図４は、図１に示した制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。 図５（Ａ）は冷却の効果を示す図であり、図５（Ｂ）はその比較例である。 図６（Ａ）（Ｂ）は、冷却時の圧電ポンプ２０の冷却効果の違いを示す図である。 図７は、第２の実施形態における圧電ポンプの駆動電圧の変化の例を示す図である。 図８は、冷却期間において駆動電圧を変化させたときの圧電ポンプ２０の冷却効果の向上について示す図である。 図９は冷却期間に、温度に応じて駆動電圧を変更する、制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。 図１０は、第３の実施形態における圧電ポンプの駆動電圧の変化の例を示す図である。 図１１は第３の実施形態に係る制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。 図１２（Ａ）（Ｂ）は、第４の実施形態における圧電ポンプの駆動電圧の変化を示す図である。 図１３（Ａ）（Ｂ）は、第５の実施形態における流体制御装置の、ポンプ、容器、およびバルブの接続関係を示す図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上複数の実施形態に分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。各実施形態の説明において、共通の事柄についての重複する記述は省略し、特に異なる点について説明する。また、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る流体制御装置１０１および血圧計２０１の構成を示すブロック図である。

血圧計２０１は、流体制御装置１０１、圧力センサ８２、脈波センサ８３および電源ＢＡＴを備える。

流体制御装置１０１は、圧電ポンプ２０と、この圧電ポンプ２０により加圧されるカフ７０と、オープン状態でカフ７０を外部に連通させるバルブ６０と、圧電ポンプ２０およびバルブ６０を制御する制御部９０と、を有する。また、流体制御装置１０１は、圧電ポンプ２０を駆動する駆動回路１０、この駆動回路１０を制御する駆動制御回路５０、圧電ポンプ２０またはその近傍の温度および外気温を検出する温度センサ８１を備える。

上記バルブ６０は、そのポートＰ１−Ｐ２が連通し、且つポートＰ０が閉鎖している状態が「クローズ」状態である。但し、ポートＰ０から流出入する流量が僅かに生じる場合もクローズ状態に含まれる。例えば、ポートＰ０とポートＰ１との間に１０ｋＰａの圧力差が生じた時に、ポートＰ０に生じる流量が、同一の電圧・電流で圧電ポンプを駆動された場合において、オープン状態の１０％以下の場合は「クローズ」状態に含まれる。すなわち、「クローズ」状態は実質的なクローズ状態を指す。

また、ポートＰ０−Ｐ１−Ｐ２がすべて連通している状態が「オープン」状態である。バルブ６０がクローズ状態で、圧電ポンプ２０を駆動することにより、カフ７０に空気が送り込まれる。バルブ６０がオープン状態になれば、カフ７０内の空気はバルブ６０のポートＰ２→Ｐ０の経路で放出される。また、この状態で圧電ポンプ２０が駆動されれば、圧電ポンプ２０から吐出された空気は、バルブ６０のポートＰ１→Ｐ０の経路で流れる。後述するとおり、バルブ６０のオープン状態での圧電ポンプ２０の駆動によって、圧電ポンプ２０は冷却（排熱）される。

図２は、図１に示した圧電ポンプ２０、駆動回路１０および駆動制御回路５０の構成を示すブロック図である。圧電ポンプ２０は圧電素子を内部に含むポンプであり、この圧電素子に駆動電圧が印加されて振動することによって空気などの流体を搬送する。駆動回路１０は、駆動電源電圧の印加により自励発振して圧電ポンプ２０の圧電素子を駆動する自励振回路１３と、この自励振回路１３に対する駆動電源電圧を断続する（駆動電源電圧の印加と非印加を切り替える）スイッチ１２と、自励振回路１３に対する駆動電源電圧を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１１とを備える。駆動制御回路５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を制御して、その出力電圧を定める駆動電圧制御部５１と、スイッチ１２を制御して、駆動電源電圧のデューティ比を定めるデューティ比制御部５２とを備える。後述する圧電ポンプの駆動電圧は、駆動電圧制御部５１がＤＣ／ＤＣコンバータ１１のスイッチング素子のオン時間などを制御することによって定まる。また、圧電ポンプの駆動のデューティ比は、デューティ比制御部５２が、所定のオンデューティ比でスイッチ１２を断続することによって定まる。

図３（Ａ）は、上記圧電ポンプ２０の模式的断面図である。圧電ポンプ２０は、カバー板２２、流路板２３、対向板２４、接着層２５、振動板２６、圧電素子２７、絶縁板２８、給電板２９、スペーサ板３０および蓋板３１をこの順に積層してなる。圧電ポンプ２０は、積層方向に薄く、平面視で（積層方向から見て）矩形状である。圧電ポンプ２０のカバー板２２側には、吸引口３３が形成されている。圧電ポンプ２１の蓋板３１側には、吐出口３４が形成されている。圧電ポンプ２０の吐出口３４は、チューブ等を介してバルブ６０のポートＰ１（図１参照）に接続される。

カバー板２２には、円形状の流路孔３７が形成されている。流路板２３には、円形状の開口部３８が形成されている。開口部３８は流路孔３７に連通している。開口部３８の径は流路孔３７の径より大きい。対向板２４は金属シートである。対向板２４には、外側に突出する外部接続端子３５、および、円形状の吸引口３３が形成されている。吸引口３３は開口部３８に連通している。吸引口３３の径は開口部３８の径より小さい。これにより、対向板２４の吸引口３３の周囲には、屈曲可能な可動部３９が形成される。

接着層２５は、振動板２６の枠部４４と重なるように枠状に形成されている。接着層２５は、導電性を有し、対向板２４と振動板２６とを導通させる。

振動板２６は、一定間隔だけ離れて対向板２４と対向している。対向板２４と振動板２６との隙間はポンプ室４０を構成している。振動板２６は、中央部４１、打撃部４２、連結部４３および枠部４４を有する。中央部４１は、平面視で円形状であり、振動板２６の中央に配置されている。枠部４４は、平面視で枠状であり、振動板２６の周囲に配置されている。連結部４３は、梁状であり、中央部４１と枠部４４とを連結する。打撃部４２は、平面視で円形状であり、中央部４１と連結部４３との境界付近に配置されている。打撃部４２は、その中心が吸引口３３と対向するように配置されている。打撃部４２の径は吸引口３３の径より大きくなっている。打撃部４２および枠部４４は中央部４１および連結部４３より厚くなっている。振動板２６には、上述の振動板２６の構成部分で囲まれる開口部（図示せず）が形成されている。ポンプ室４０はこの開口部を介してポンプ室４６に連通している。

圧電素子２７は、厚み方向に電界が印加されることにより、面内方向に面積が拡張／収縮するような圧電性を有している。圧電素子２７は、円板状であり、振動板２６の中央部４１の上面に貼り付けられている。圧電素子２７の下面の電極は、振動板２６、接着層２５および対向板２４を介して、外部接続端子３５に導通している。

絶縁板２８は絶縁性樹脂からなる。絶縁板２８には、平面視で矩形状の開口部が形成されている。給電板２９は金属板である。給電板２９には、平面視で矩形状の開口部、給電板２９の開口部に突出する内部接続端子４５、および、外側に突出する外部接続端子３６が形成されている。内部接続端子４５の先端は圧電素子２７の上面の電極にはんだ付けされている。スペーサ板３０は樹脂製である。スペーサ板３０には、平面視で矩形状の開口部が形成されている。絶縁板２８、給電板２９およびスペーサ板３０の開口部は、互いに連通することでポンプ室４６を構成している。

図３（Ｂ）は、圧電ポンプ２０の動作を示す模式図である。圧電ポンプ２１では、外部接続端子３５，３６に交流の駆動電圧が印加されると、圧電素子２７が面内方向に等方的に伸縮しようとして、圧電素子２７と振動板２６との積層体に厚み方向の屈曲振動が同心円状に生じる。この屈曲振動は、高次の共振モードであり、枠部４４が固定部となり、中央部４１の中心が第１の振動の腹となり、打撃部４２の中心が第２の振動の腹となる。

打撃部４２の振動は、打撃部４２に対向する流体を介して可動部３９に伝達される。打撃部４２の振動と可動部３９の振動とが連成されることにより、ポンプ室４０において吸引口３３の近傍から可動部３９の外周側に流体が流れるようになる。これにより、ポンプ室４０において吸引口３３の周辺に負圧が生じて、吸引口３３からポンプ室４６に流体が吸引される。また、ポンプ室４６の内部に正圧が生じ、この正圧が蓋板３１の吐出口３４で開放される。したがって、吸引口３３を介してポンプ室４０，４６に吸引された流体は、吐出口３４を介してポンプ室４０，４６から流出する。

図４は、図１に示した制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。以下、この図４を参照して、流体制御装置１０１および血圧計２０１の動作について説明する。

先ず、バルブ６０をクローズする（Ｓ１）。つまり、図１に示したバルブ６０のポートＰ１−Ｐ２が連通し、且つポートＰ０を閉鎖する。続いて、加圧用駆動電圧を設定し、その電圧で圧電ポンプ２０を駆動する（Ｓ２→Ｓ３）。これにより、カフ７０に空気が送り込まれ、加圧され始める。

その後、脈波センサ８３の検出値を読み取り、それに基づいて、カフ７０が所定圧力に達したことを検知すれば、バルブ６０をオープンする（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６）。つまり、図１に示したバルブ６０のポートＰ０−Ｐ１−Ｐ２をすべて連通させる。これにより、カフ７０内の空気は徐々に排気される。この排気中に圧力センサ８２の検出値および脈波センサ８３の検出値を読み取り、最高血圧および最低血圧を測定する（Ｓ７→Ｓ８）。

その後、圧電ポンプ２０の駆動電圧を冷却用駆動電圧に変更する（Ｓ９）。これにより、圧電ポンプ２０から吐出された空気はバルブ６０のポートＰ１→Ｐ０の経路で流れ、圧電ポンプ２０の熱が排熱され始める。すなわち、圧電ポンプ２０は自身を冷却し始める。

その後、一定時間待ってから圧電ポンプの駆動を停止する（Ｓ１０→Ｓ１１）。

上記冷却用駆動電圧は上記加圧用駆動電圧と同じであってもよいし、低くても高くてもよい。但し、冷却期間に圧電ポンプに供給される平均駆動電力は、加圧期間に圧電ポンプに供給される平均駆動電力より小さいことが好ましい。冷却期間での冷却効果を有効にするためである。

上記冷却用駆動電圧は予め定めた値であってもよいし、圧電ポンプの温度に応じて、または圧電ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、定めてもよい。例えば、圧電ポンプの温度が高い程、または周囲温度に対する圧電ポンプの温度が高い程、冷却用駆動電圧を高く設定してもよい。

また、上記一定時間である冷却期間は、予め定めた時間であってもよいし、圧電ポンプの温度に応じて、または圧電ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、定めてもよい。例えば、圧電ポンプの温度が高い程、または周囲温度に対する圧電ポンプの温度が高い程、冷却期間を長くしてもよい。

図５（Ａ）は上記冷却の効果を示す図であり、図５（Ｂ）はその比較例である。図５（Ａ）（Ｂ）において、縦軸は、圧電ポンプ２０の駆動電圧、圧電ポンプ２０の吐出圧および圧電ポンプ２０の温度であり、横軸は時刻（経過時間）である。

本実施形態では、加圧期間Ｔｐでの駆動電圧を２８Ｖとし、冷却期間Ｔｃでの駆動電圧を１６Ｖとし、この加圧期間Ｔｐと冷却期間Ｔｃとのサイクルを繰り返している。図５（Ｂ）に示す比較例では、加圧期間Ｔｐでの駆動電圧を２８Ｖとし、冷却期間Ｔｃでの駆動電圧を０Ｖ（駆動停止）とし、この加圧期間Ｔｐと冷却期間Ｔｃとのサイクルを繰り返している。加圧期間Ｔｐ、冷却期間Ｔｃはいずれも５０秒である。

比較例では、図５（Ｂ）中の温度推移に表れているように、圧電ポンプ２０はその駆動中に温度が上昇し、停止中に温度が低下する。しかし、駆動中の上昇温度は停止中の下降温度より大きいので、圧電ポンプ２０の平均温度は次第に上昇し、最高温度は約８０℃に達する。

本実施形態では、図５（Ａ）中の温度推移に表れているように、圧電ポンプ２０の駆動中の上昇温度は比較例とほぼ同じであるが、排気時の下降温度は比較例における停止中の下降温度より大きい。そのため、上記サイクルを繰り返していくうちに、平均温度は低く推移し、最高温度は約７０℃を超えない。

図５（Ａ）（Ｂ）から明らかなように、本実施形態によれば、流体制御装置を繰り返し使用する場合の、圧電ポンプの最高温度や平均温度を低くできる。また、その分、血圧計を繰り返し使用する場合のインターバル時間を短縮できる。

図６（Ａ）（Ｂ）は、冷却時の圧電ポンプ２０の冷却効果の違いを示す図である。図６（Ａ）（Ｂ）において、縦軸は、圧電ポンプ２０の温度であり、横軸は時刻（経過時間）である。図６（Ｂ）と図６（Ａ）とは時間軸のスケールが異なるだけであり、同じ特性について表している。この例では、各駆動電圧と、圧電ポンプ２０の吐出量および消費電力との関係は次のとおりである。

８Ｖ駆動時：０．２４Ｌ／ｍｉｎ， ０．１１Ｗ
１６Ｖ駆動時：０．７７Ｌ／ｍｉｎ， ０．４６Ｗ
２４Ｖ駆動時：１．２８Ｌ／ｍｉｎ， １．３１Ｗ
３２Ｖ駆動時：１．８７Ｌ／ｍｉｎ， ２．７５Ｗ
冷却開始時の温度は６４℃であり、冷却開始から約４０秒までは、冷却時の圧電ポンプ２０の駆動電圧が３２Ｖであるとき最も急速に冷却される。また、冷却開始後、約４０秒から約１５０秒までは、圧電ポンプ２０の駆動電圧が１６Ｖであるとき最も低い温度まで冷却される。さらに、冷却開始後、約１５０秒以降は、圧電ポンプ２０の駆動電圧が０Ｖ、すなわち停止したとき最も低い温度まで低下する。

図６（Ｂ）中に、温度推移の曲線に接する線分は、その位置での曲線の傾きを表している。冷却開始からの曲線の傾斜角の変化をみていくと、６４℃から５５℃までの範囲では、駆動電圧が３２Ｖであるとき、最も傾斜角が大きい。また、５５℃から５０℃までの範囲では、駆動電圧が２４Ｖから１６Ｖの範囲内であるとき、最も傾斜角が大きい。つまり、温度範囲について区分すると、６４℃から５５℃までの冷却のためには、３２Ｖで駆動することが最も効果的であり、５５℃から５０℃までの冷却のためには、２４Ｖから１６Ｖの範囲内で駆動することが最も効果的である。

圧電ポンプ２０を駆動すると、排気流量に応じて冷却されると共に、消費電力に応じて発熱する。従って、温度が高い時は排気による冷却効果が高いために大電力駆動で大流量を得るのが効果的であるのに対し、温度が低い時は排気による冷却効果が低いため、小電力駆動で小流量を得るのが効果的である。

このように、冷却時の圧電ポンプ２０の駆動電圧に応じて冷却効果が異なるので、圧電ポンプ２０の稼働率（加圧期間／運用期間）に応じて、高い冷却効率が得られる駆動電圧を設定すればよい。上記「運用期間」は、例えば血圧測定のために加圧開始から、次の血圧測定のための加圧開始までの期間である。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、冷却期間において駆動電圧を変化させる例を示す。第２の実施形態に係る流体制御装置および血圧計の基本構成は、第１の実施形態で示したものと同じである。

図７は、冷却期間において駆動電圧を変化させる例を示す図であり、縦軸は圧電ポンプ２０の駆動電圧、横軸は時間である。図７において、加圧期間をＴｐ、冷却期間をＴｃ、運用期間をＴｏでそれぞれ表している。また、排気期間をＴｄ、インターバル期間をＴｉでそれぞれ表している。

図７に示す例では、時刻ｔ０でバルブ６０をクローズし、圧電ポンプ２０を駆動開始し、加圧期間Ｔｐに亘ってカフ７０を加圧し、その後、時刻ｔ１でバルブをオープンすることで、カフ７０内の空気を排気期間Ｔｄに亘って徐々に排気する。また、時刻ｔ１でバルブをオープンした後も、駆動電圧Ｖ０を時刻ｔ２まで維持し、時刻ｔ２で駆動電圧をＶ１に変更し、これを時刻ｔ３まで継続する。運用期間Ｔｏは、（加圧期間Ｔｐ）＋（排気期間Ｔｄ）＋（インターバル期間Ｔｉ）である。

この例で示すように、冷却期間Ｔｃにおいて駆動電圧を変化させてもよい。図７に示した時刻ｔ１，ｔ２は予め固定的に設定しておくこともできるが、圧電ポンプが所定温度まで降下したことを条件にして駆動電圧を変更するようにしてもよい。

図７において時刻ｔ２で圧電ポンプの駆動は停止されるが、その後は、圧電ポンプ、流路および流路内の空気は自然放熱される。

図８は、冷却期間において駆動電圧を変化させたときの圧電ポンプ２０の冷却効果の向上について示す図である。図８において、縦軸は、圧電ポンプ２０の温度であり、横軸は時刻（経過時間）である。特性ラインＣＬ５は、６４℃から５３℃までは３２Ｖで駆動し、その後、４８℃まで１６Ｖで駆動し、その後駆動を停止した例である。冷却期間に駆動電圧を変更しなかった他の例と比較すれば明らかなように、温度の降下に伴って駆動電圧を低下させることで冷却効果が高まることがわかる。

図９は上記冷却期間に、温度に応じて駆動電圧を変更する、制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。以下、この図９を参照して、流体制御装置１０１および血圧計２０１の動作について説明する。

ステップＳ１からＳ８までの処理内容は第１の実施形態で図４に示したものと同じである。先ず、バルブ６０をクローズし、続いて、加圧用駆動電圧（上述の例では３２Ｖ）を設定し、その電圧で圧電ポンプ２０を駆動する（Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３）。これにより、カフ７０に空気が送り込まれ、加圧され始める。

その後、カフ７０が所定圧力に達すれば、バルブ６０をオープンする（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６）。これにより、カフ７０内の空気は徐々に排気され減圧される。この減圧中に最高血圧および最低血圧を測定する（Ｓ７→Ｓ８）。

その後、温度センサ８１の検出値を読み取り、圧電ポンプ２０の温度が第１温度（上述の例では５３℃）に達するまで待つ（Ｓ９）。圧電ポンプ２０の温度が第１温度にまで下降すれば、駆動電圧を冷却用第１駆動電圧（上述の例では１６Ｖ）に変更し、圧電ポンプ２０の温度が第２温度（上述の例では４８℃）に達するまで待つ（Ｓ１０→Ｓ１１）。圧電ポンプ２０の温度が第２温度にまで下降すれば、駆動電圧を０Ｖにする。すなわち圧電ポンプの駆動を停止する。

図９に示した例では、圧電ポンプの温度と第１温度および第２温度との比較によって冷却期間の駆動電圧を定めるようにしたが、圧電ポンプの温度と周囲温度との差を求め、この温度差と所定値との比較によって冷却期間の駆動電圧を定めるように構成してもよい。例えば図９のステップＳ９で、上記温度差が第１温度差にまで小さくなったとき、冷却用第１駆動電圧に変更し、ステップＳ１１で、上記温度差が第２温度差にまで小さくなったとき、圧電ポンプの駆動を停止するようにしてもよい。

また、加圧期間の終了後、圧電ポンプの温度と周囲温度との差を求め、この温度差が所定値に達していない場合、すなわち冷却を要するほどの温度になっていない場合は直ちに圧電ポンプを停止するように構成してもよい。

なお、冷却期間における駆動電圧の変更は複数段階であってもよい。

本実施形態によれば、低温である程、ポンプに供給する電力を小さくすることで、ポンプの駆動に伴う発熱を抑えられるので、ポンプの冷却効率が高い。そのため、図７に示したインターバル期間Ｔｉは短くてもよく、繰り返し運用時の運用期間Ｔｏを短縮化できる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、冷却期間に駆動電圧を次第に変化させる例を示す。第３の実施形態に係る流体制御装置および血圧計の基本構成は、第１の実施形態で示したものと同じである。

図１０は、時刻ｔ０で、駆動電圧Ｖ０で加圧のための駆動を開始し、時刻ｔ１で加圧を終了し、その後、時刻ｔ２まで、駆動電圧をＶ０からＶ２まで次第に低下させた例である。縦軸は圧電ポンプ２０の駆動電圧、横軸は時間である。図１０において、加圧期間をＴｐ、冷却期間をＴｃ、運用期間をＴｏでそれぞれ表している。また、排気期間をＴｄ、インターバル期間をＴｉでそれぞれ表している。

図１１は本実施形態に係る制御部９０の処理手順を示すフローチャートである。以下、この図１１を参照して、流体制御装置１０１および血圧計２０１の動作について説明する。

ステップＳ１からＳ８までの処理内容は第１の実施形態で図４に示したものと同じである。先ず、バルブ６０をクローズし、続いて、加圧用駆動電圧（上述の例では３２Ｖ）を設定し、その電圧で圧電ポンプ２０を駆動する（Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３）。これにより、カフ７０に空気が送り込まれ、加圧され始める。

その後、カフ７０が所定圧力に達すれば、バルブ６０をオープンする（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６）。これにより、カフ７０内の空気は徐々に排気され減圧される。この減圧中に最高血圧および最低血圧を測定する（Ｓ７→Ｓ８）。

その後、冷却用駆動電圧に変更する（Ｓ９）。但し、図１０に示した例では、この冷却用駆動電圧は加圧用駆動電圧（３２Ｖ）と同じである。

その後、温度センサ８１の検出値を読み取り、圧電ポンプ２０の温度が所定温度に下降するまで、駆動電圧を次第に低下させる（Ｓ１０→Ｓ１１→Ｓ１０）。圧電ポンプ２０の温度が上記所定温度にまで下降すれば、駆動電圧を０Ｖにする。すなわち圧電ポンプの駆動を停止する。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、圧電ポンプに供給する電力を駆動電圧によって変更するのではなく、圧電ポンプの駆動のデューティ比により、または間欠的に駆動することにより、変更する例を示す。

図１２（Ａ）（Ｂ）は圧電ポンプの駆動電圧の変化を示す図である。図１２（Ａ）は、駆動電圧を２８Ｖに定め、５０秒毎に駆動／停止を繰り返す間欠駆動の例である。これは、オンデューティ比５０％で駆動する例でもある。図１２（Ｂ）は、駆動電圧を２８Ｖに定め、１０秒周期でオンデューティ比を次第に小さくする例である。

図１２（Ａ）の例では、２８Ｖで連続駆動した場合の１／２の平均駆動電力で圧電ポンプが駆動されることになる。図１２（Ｂ）の例では、２８Ｖで連続駆動した場合の１／２の平均駆動電力から次第に小さな電力で圧電ポンプが駆動されることになる。

図１２（Ａ）（Ｂ）の例では、１０秒を１周期とした例であるが、例えば１／１０秒程度の短い周期でデューティ比を制御してもよい。

本実施形態の間欠駆動またはデューティ比の制御がなされる流体制御装置および血圧計は、これまでに示した各実施形態における駆動電圧の制御をデューティ比の制御に置換することで同様に構成される。

なお、図１２（Ａ）に示した例では、冷却期間の開始直後には圧電ポンプを駆動していない。このように、加圧期間が終わって冷却期間が開始されたとき、圧電ポンプは一旦停止してもよい。

《第５の実施形態》
第５の実施形態では、ポンプ、バルブおよび容器それぞれの接続関係の幾つかの例を示す。

図１３（Ａ）は、ポンプ２０Ａ、容器７０Ａ、バルブ６０Ａがこの順に直列接続された例である。図１３（Ｂ）は、ポンプ２０Ｂ、容器７０Ｂおよびバルブ６０Ｂが共通の流路に接続された例である。バルブ６０Ａ，６０Ｂはいずれも２ポートのバルブである。

図１３（Ａ）（Ｂ）のいずれの構造でも、加圧期間においては、バルブ６０Ａをクローズにし、ポンプ２０Ａを駆動する。冷却期間においては、ポンプ２０Ａの駆動を継続しつつバルブ６０Ａをオープンにする。冷却の作用については、これまでに示した実施形態と同様である。

複数の圧電ポンプを直列に接続した場合において、一部の圧電ポンプにのみ、以上に示した実施形態を適用することもできる。第１の実施形態の圧電ポンプでは、０．７７Ｌ／ｍｉｎの流量を得るには、０．４６Ｗの消費電力が必要である。従ってこの圧電ポンプを２個直列に接続し、排気中に両方の圧電ポンプを駆動して０．７７Ｌ／ｍｉｎの流量を得るには、合計０．９２Ｗ必要である。それに対して一方のみを駆動すると、合計消費電力は０．４６Ｗとなる。他方の停止している圧電ポンプの流路抵抗が大きい場合は、同等の流量を得るには駆動電圧を上げる必要があるが、その場合でも０．５５Ｗの消費電力で済む。このように、排気時に一方の圧電ポンプのみ駆動し、他方を停止することで、冷却に要する消費電力を下げることができる。それとともに、駆動に伴う発熱量が低減するため、冷却効果も高まる。

《他の実施形態》
以上に示した各実施形態において、図４、図９、図１１では、カフの減圧過程で血圧を測定する例を示したが、加圧過程で血圧を測定し、その後にバルブをオープンするようにしてもよい。

以上に示した各実施形態では、圧電ポンプがカフを加圧する例を示したが、カフ以外にエアーマット等にも同様に適用できる。

また、以上に示した各実施形態では、圧電ポンプが空気を吐出し、容器（カフ）へ給気する加圧ポンプであり、容器が加圧される例を示したが、圧電ポンプが空気を吸引し、容器内の空気を排気する減圧ポンプであり、容器が減圧される流体制御装置においても、本発明は同様に適用できる。例えば搾乳器や鼻水吸引器等にも適用できる。

また、本発明に係る「ポンプ」は圧電ポンプに限らない。駆動によって発熱するポンプであれば本発明は同様に適用できる。

また、本発明に係る「ポンプ」は空気を搬送するポンプ（ブロアー）に限らない。液体を搬送するポンプにも本発明は同様に適用できる。

圧電ポンプの温度を検出する手段としては、温度センサ８１が圧電ポンプに付加された構成に限らない。温度センサを流体制御装置の筐体内の所定位置に配置して、この温度接続の検出値から圧電ポンプの温度を間接的に検出してもよい。例えば、流体の温度を検出するように温度センサを設けてもよい。

最後に、上述の実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

ＢＡＴ…電源
Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２…ポート
Ｔｃ…冷却期間
Ｔｄ…排気期間
Ｔｉ…インターバル期間
Ｔｏ…運用期間
Ｔｐ…加圧期間
１０…駆動回路
１１…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２…スイッチ
１３…自励振回路
２０…圧電ポンプ（ポンプ）
２０Ａ，２０Ｂ…ポンプ
２１…圧電ポンプ
２２…カバー板
２３…流路板
２４…対向板
２５…接着層
２６…振動板
２７…圧電素子
２８…絶縁板
２９…給電板
３０…スペーサ板
３１…蓋板
３３…吸引口
３４…吐出口
３５，３６…外部接続端子
３７…流路孔
３８…開口部
３９…可動部
４０，４６…ポンプ室
４１…中央部
４２…打撃部
４３…連結部
４４…枠部
４５…内部接続端子
５０…駆動制御回路
５１…駆動電圧制御部
５２…デューティ比制御部
６０，６０Ａ，６０Ｂ…バルブ
７０…カフ（容器）
７０Ａ…容器
８１…温度センサ
８２…圧力センサ
８３…脈波センサ
９０…制御部
１０１…流体制御装置
２０１…血圧計

Claims (15)

1. ポンプと、当該ポンプにより加圧または減圧される容器と、前記容器と外部とを連通可能なバルブと、前記ポンプおよび前記バルブを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記バルブをクローズ状態にし、前記ポンプを駆動することによって前記容器を加圧または減圧する第１制御モードと、前記バルブを前記オープン状態にし、前記ポンプを駆動することによって前記ポンプを冷却する第２制御モードと、の２つの制御モードを有し、前記第１制御モードを実行した後、前記第２制御モードの実行に切り替えることを特徴とする、
   流体制御装置。
2. 前記制御部は、前記第１制御モードの実行時と、前記第２制御モードの実行時とで、
   前記ポンプの連続駆動時の電力、または前記ポンプの周期的駆動における当該周期での平均電力、で表される駆動電力を異ならせる、請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記制御部は、前記第１制御モードの実行時に比べ、前記第２制御モードの実行時に、前記ポンプの前記駆動電力を大きくする、請求項２に記載の流体制御装置。
4. 前記制御部は、前記第１制御モードの実行時に比べ、前記第２制御モードの実行時に、前記ポンプの前記駆動電力を小さくする、請求項２に記載の流体制御装置。
5. 前記制御部は、前記第１制御モードから前記第２制御モードへ切り替えた後、前記ポンプの前記駆動電力を段階的に下げる、請求項４に記載の流体制御装置。
6. 前記制御部は、前記ポンプの駆動電圧を変えることによって前記ポンプの前記駆動電力を変化させる、請求項２から５のいずれかに記載の流体制御装置。
7. 前記制御部は、前記ポンプの駆動のデューティ比を変えることによって前記ポンプの前記駆動電力を変化させる、請求項２から５のいずれかに記載の流体制御装置。
8. 前記制御部は、前記ポンプを間欠駆動することによって前記ポンプの前記駆動電力を変化させる、請求項２から５のいずれかに記載の流体制御装置。
9. 前記制御部は、前記ポンプの温度に応じて、または当該ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、前記バルブをクローズからオープンへ切り替えた後の前記ポンプの前記駆動電力を変更する、請求項２から８のいずれかに記載の流体制御装置。
10. 前記制御部は、前記バルブをクローズからオープンへ切り替えてからの所定期間後に前記ポンプを停止する、請求項１から９のいずれかに記載の流体制御装置。
11. 前記制御部は、前記バルブをクローズからオープンへ切り替えた後、前記ポンプの温度に応じて、または当該ポンプの温度と周囲温度との差に応じて、前記ポンプを停止する、請求項１から１０のいずれかに記載の流体制御装置。
12. 前記制御部は、前記バルブをクローズからオープンへ切り替えた後、前記ポンプの温度が所定値より高い場合、または当該ポンプの温度が周囲温度より所定温度以上である場合に、前記ポンプを駆動する、請求項１から１１のいずれかに記載の流体制御装置。
13. 前記ポンプは、圧電素子の振動によって流体を搬送する圧電ポンプである、請求項１から１２のいずれかに記載の流体制御装置。
14. 前記ポンプに直列接続され、前記第２制御モードの実行中に停止する時間を有する他のポンプを備える、請求項１から１３のいずれかに記載の流体制御装置。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の流体制御装置と、前記容器の圧力を検出する圧力センサと、血流の状態を検出する血流センサとを備え、
    前記容器はカフであり、
    前記制御部は、前記バルブをクローズし、前記ポンプを駆動することにより前記カフを加圧し、前記バルブをオープンすることにより前記カフを減圧しつつ、前記圧力センサおよび前記血流センサの検出結果に基づいて血圧を測定する、血圧計。

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