JP3814132B2

JP3814132B2 - ポンプ及びその駆動方法

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Publication number: JP3814132B2
Application number: JP2000282234A
Authority: JP
Inventors: 潤篠原; 正之須田; 一吉古田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2020-09-18
Also published as: US6481984B1; JP2001193657A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野や分析分野において用いられている、小型でかつ高精度に流体制御をおこなうマイクロポンプやマイクロバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型で高精度な流体制御をおこなうポンプとしては、例えば、図２の特開平５−１６６９号公報に記載されているマイクロポンプがあり、この場合、シリコン基板１上の酸化膜の犠牲層上に金属またはポリシリコン１９の薄膜を形成し、さらにエッチングによって犠牲層を除去することにより金属またはポリシリコンの逆止弁を構成し、ガラス基板２上に設けた圧電素子３によりポンプを構成している。
【０００３】
また、図３の特開平９−０７２２７０号公報に記載されているポンプでは、バルブダイアフラム４を有したシリコン基板１とガラス基板２が接合してあり、バルブダイアフラム４上に形成された弁座７にパッキン６が形成してある。バルブダイアフラム４に設置してある圧電素子３に電圧を印加することによってバルブダイアフラム４を変形させ、液体出入口のバルブの開閉をおこなう構造となっている。
【０００４】
また、図４の特開平４−６６７８４号公報に記載されているポンプでは、２つの弁７と流体出入口１１の位置関係により、それぞれが一方向バルブとして働く構造となっている。そのため、中央部の圧電素子３に電圧を印加して、ポンプ内部の容積変化を発生させることによって一方向に送液を実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のポンプにはいくつかの課題がある。図２から図４に示したポンプ構造の場合、送液量を多くするためには、ポンピング部の容積変化量を大きくするか、もしくは駆動周波数を高くする必要があった。
【０００６】
容積変化量を大きくするためには、ポンピングダイアフラムの変位量を大きくする方法があるが、ポンピングダイアフラムの変位量はアクチュエータの変位量に依存しているため、同種類のアクチュエータを用いた上で変位量を大きくすることは容易でない。また、ポンピングダイアフラムの面積を大きくすることによって変位量を大きくする方法もあるが、この場合ポンプのサイズが大きくなり、同時に送液時の脈流が大きくなってしまう問題点がある。また少量の送液時には精度が低下するという問題点もある。
【０００７】
一方、ポンプを小型化した場合、流体がポンプ内部を移動する際に生じる粘性抵抗により、ある一定の周波数以上になると流量が増えなくなるため、駆動周波数によって流量を調節できる範囲も限られる。また、図２あるいは図４に示すポンプの場合、２つの一方向弁を用いた構造となっているため、特に入口側から出口側への順方向の圧力が働いた時に、入口側から出口側へ流れが生じてしまうため、精度の高い流量調整が困難であるという問題点を有している。
【０００８】
また従来のポンプ構造では、駆動電圧を一定とした場合、１サイクルあたりの吐出体積は常に一定であり流量が固定されてしまう。このため、吐出体積を変更するためには、電圧源からアクチュエータに供給される電圧を駆動状況に応じて電圧可変機構を用いて変化させる必要があり、システム全体が複雑になるという問題点を有していた。
【０００９】
【課題を解決する手段】
これらの課題を解決するため、本発明のポンプにおいては、入口側バルブダイアフラム、ポンピングダイアフラム、出口側バルブダイアフラムを同一の基板上に形成した２枚の基板を中間基板の両面に接合し、流体入口と中間基板両面の２つの入口側バルブ、流体出口と中間基板両面の２つの出口側バルブを接続する流路を設けることで、中間基板の両面に独立した２つの送液経路が形成される。また、これら２つの入口側バルブおよび２つの出口側バルブはすべてアクチュエータによって任意に開閉が可能であるアクティブバルブとなっており、かつエネルギを供給しない状態でもバルブが閉じる構造となっている。このため、ポンプ外部の圧力変化の影響を受けることなく、精度の高い送液をおこなうことが可能である。
【００１０】
さらに、このような構造のポンプの駆動方法として、少ない流量の場合は２つの送液経路のいずれか一方を使用し、流量が多い場合には両方の送液経路を、同時あるいは任意のタイミングで使用して送液することにより、従来とおなじ流量精度を維持しながら、選択可能な流量範囲を大きくすることができる。
【００１１】
また、これら２つの送液経路で送液するタイミングを適切に選択すれば、送液時の脈流を小さくすることも可能である。
【００１２】
また、中間基板の両面に位置するポンピング部の体積やダイアフラムの厚みを異なるものとすることによって、アクチュエータに印加する電圧を変えることなく、すなわち、特別な電圧可変機構を使用することなく、流量の変更が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のポンプでは、ポンピング用アクチュエータとポンピングダイアフラムを有するポンピング部と、バルブ用アクチュエータとバルブダイアフラムを有する入口側バルブ部が形成された第一の基板及び第二の基板が、中間基板を介して対向するよう中間基板の両側に接合されている。さらに、バルブダイアフラムと中間基板の間に流体の移動を阻害可能なパッキンを備えており、アクチュエータを駆動しない状態で常にバルブが閉じた状態となっている構成とした。このような構成により、中間基板の両側に独立した２つの液送経路が設けられることとなる。そのため、ポンプのサイズを大きくすることなく単位時間あたり２倍の送液量を実現することができる。
【００１４】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（実施例１）
本発明による実施例１のポンプとして、中間基板としてガラス基板、中間基板の両面に接合する基板としてシリコン基板を用い、シリコン基板上にバルブダイアフラムおよびポンピングダイアフラムを有し、かつバルブダイアフラム上にパッキンが形成され、ガラス基板に二つのバルブ部を連結する連結口を有した構造について述べる。
【００１５】
図１は本発明のポンプ構造の一例を示す断面図であり、図５はその分解図である。２枚のシリコン基板１は２つのバルブダイアフラム４、１つのポンピングダイアフラム５、流路１２、２つの流体出入口１１を有し、ガラス基板２の両面に接合することによって、ポンピング部１４およびバルブ部１５を構成している。また流体出入口１１、バルブダイアフラム４、ポンピングダイアフラム５はそれぞれシリコン基板１上に形成された流路１２によって接続された構造となっている。
【００１６】
本実施例では、流体の流れを止めるパッキン６として弾性体を用いており、このパッキン６はシリコン基板１におけるバルブダイアフラム４上に形成されている。このパッキン６はバルブ部１５内おいて帯状に形成されており、その厚みはバルブ部１５のエッチング深さと同じか、もしくはそれ以上に形成されている。
【００１７】
このためシリコン基板１とガラス基板２とを接合することによって、パッキン６がガラス基板２と密着し、バルブ部１５内部における流体の流れを堰き止める構造となっている。
【００１８】
また、ガラス基板２においては、パッキン６と流体出入口１１の中間に、連結口１３が形成されており、ガラス基板２の両面にシリコン基板１を接合することによって、流体出入口１１とガラス基板２の両面にあるバルブ部１５が連結口１３によって連結される構造となっている。
【００１９】
本実施例では、厚さ５００μｍのシリコン基板の両面を異方性エッチングすることにより、厚さ６０μｍのダイアフラムを形成している。またシリコン基板におけるガラス基板との接合面では深さ５０μｍのエッチングをおこなっている。バルブダイアフラムの平面サイズは５×５ｍｍであり、ポンピングダイアフラムの平面サイズは１０×１０ｍｍである。また、ガラス基板の厚みは３００μｍとし、ガラス基板に形成された連結口は直径５００μｍとした。この連結口はサンドブラスト加工によって形成している。このように形成された２枚のシリコン基板とガラス基板の３つの基板を重ね合わせることによって、全体の厚みは１．３ｍｍとなる。
【００２０】
本実施例では各要素のサイズを上記のようにしているが、特に上記の値に限定されるわけではなく、必要とされるポンプの仕様に応じて適切な値を用いるべきである。また加工方法についても上記のものに限定されるわけではなく、必要な各要素が製作できる加工方法であるならばどのような方法を用いても構わない。
【００２１】
また、バルブダイアフラム４およびポンピングダイアフラム５には、圧電素子３が設置されており、ダイアフラムと圧電素子のユニモルフ効果によって、ダイアフラムの変形をおこなっている。本実施例ではダイアフラムを変形させるアクチュエータとして、上記のように圧電ユニモルフを用いているが、積層型圧電素子や形状記憶合金アクチュエータなどを用いることも可能である。また静電力、磁力、空気圧、などを用いることも可能であり、ダイアフラムを変形させる方法については特に限定されることはない。
【００２２】
続いてバルブの開閉について図６を用いて説明する。
【００２３】
図６（ａ）はバルブ部分における流体移動と垂直方向の断面図を示したものである。ガラス基板２とバルブダイアフラム４の間にパッキン６が存在し、紙面における垂直方法の流れをパッキン６で阻害する構造となっている。
【００２４】
本実施例では、アクチュエータとしてユニモルフ型圧電素子を使用しており、この場合、圧電素子に印加する電圧の方向を変えることによりダイアフラムの変位方向を変えることが可能である。
【００２５】
そこで、図６（ｂ）に示すようにバルブダイアフラム４を下向きに変位させると、パッキン６とガラス基板２の間に間隙１６が生じ、この間隙１６を流体が通過することによってバルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止するとバルブダイアフラム４の変位がなくなり、弾性体であるパッキン６とガラス基板２が密着するために流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態（図６ａ）となる。このようにダイアフラムが変位していない、すなわちアクチュエータにエネルギを加えていない状態でもバルブが閉じた状態が実現されるようになっている。
【００２６】
さらに、図６（ｃ）のようにバルブダイアフラム４を上向きに変位させることによって、強固にバルブを閉じることも可能である。
【００２７】
以上のように、本発明のポンプではバルブの開閉を能動的に制御することができる。
【００２８】
また同様にユニモルフアクチュエータでポンピングダイアフラムを変位させることによって、ポンピング部の容積変化をおこない、ポンピング動作をおこなう。
【００２９】
図１で示したように、ポンピング部１４とバルブ部１５は流路１２で接続されているため、以上のバルブの開閉動作とポンピング動作を組み合わせることによって、流体入口から流体出口への送液を実現することができる。
【００３０】
本実施例におけるポンプの場合、図１に示したように、ガラス基板２の両面に、ポンピング部１４、バルブ部１５、流路１２が形成されている。このため流体入口から吸入された流体は、ガラス基板２の両面に配置された２つの経路をたどることが可能である。
【００３１】
すなわち、流体入口からバルブ部、ポンピング部さらにバルブ部を経て流体出口から吐出される経路と、流体入口から連結口、バルブ部、ポンピング部、バルブ部、連結口、流体出口の経路を経て流体出口から吐出される２つの経路である。
【００３２】
このように本発明のポンプは、シリコン基板と中間基板が重ねられた構造となっており、かつ流体出入口とパッキンの中間に貫通穴が存在している。この貫通穴によって２つの経路が連結されており、さらにバルブはアクチュエータによって任意に開閉が可能なアクティブバルブとなっているため、ガラス基板両面の２つの経路において独立した送液をおこなうことが可能となっている。
【００３３】
よって上記の２つの経路を独立して用いることにより、ポンプのサイズを大きくすることなく単位時間あたり２倍の送液量を実現することができる。また、すべてのバルブが、アクチュエータにエネルギを加えていない状態で常にバルブが閉じた状態となっているため、ポンプ外部の圧力の影響を受けることなく、精度の高い送液が実現可能である。また、各バルブの開閉およびポンピング動作を任意に決めることが出来るため、駆動シーケンスを変えることによって、双方向の送液が可能である。
（実施例２）
本実施例では、中間基板としてガラス基板、中間基板の両面に接合する基板としてシリコン基板を用い、シリコン基板上にバルブダイアフラムおよびポンピングダイアフラムを有し、かつガラス基板上にパッキンと、二つのバルブ部を連結する連結口を有したポンプの構造について述べる。
【００３４】
図７は本発明のポンプ構造の一例を示す分解図である。２枚のシリコン基板１は２つのバルブダイアフラム４、１つのポンピングダイアフラム５、流路１２、２つの流体出入口１１を有し、ガラス基板２の両面に接合することによって、ポンピング部１４およびバルブ部１５を構成している。また流体出入口１１、バルブダイアフラム４、ポンピングダイアフラム５はそれぞれシリコン基板１上に形成された流路１２によって接続された構造となっている。
【００３５】
本実施例では流体の流れを止めるパッキン６として弾性体を用いており、このパッキン６はバルブダイアフラム４と対向する位置のガラス基板２上に形成されている。このパッキン６は帯状に形成されており、その厚みはバルブ部１５のエッチング深さと同じか、もしくはそれ以上に形成されている。
【００３６】
このためシリコン基板１とガラス基板２とを接合することによって、パッキン６がバルブダイアフラム４と密着し、バルブ部１５内部における流体の流れを堰き止める構造となっている。
【００３７】
また、ガラス基板２においては、パッキン６と流体出入口１１の中間に、連結口１３が形成されており、ガラス基板２の両面にシリコン基板１を接合することによって、流体出入口１１とガラス基板２の両面にあるバルブ部１５が連結口１３によって連結される構造となっている。
【００３８】
各要素のサイズ、加工方法、ダイアフラムを変形させるアクチュエータに関しては、さまざまなものが考えられるが、これらはすべて実施例１で説明したものと同様のものを用いることができる。
【００３９】
またバルブの開閉をおこなう際は、図８（ｂ）に示すようにバルブダイアフラム４を下向きに変位させることによって、パッキン６とバルブダイアフラム４の間に間隙１６が生じ、この間隙１６を流体が通過することによってバルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止するとバルブダイアフラム４の変位がなくなり、弾性体であるパッキン６とバルブダイアフラム４が密着するために流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態（図８（ａ））となる。
【００４０】
さらに、図８（ｃ）のようにバルブダイアフラム４を上向きに変位させることによって、強固にバルブを閉じることも可能である。
【００４１】
以上のように、本発明のポンプではバルブの開閉を能動的に制御することができ、同様にユニモルフアクチュエータでポンピングダイアフラムを変位させることによって、ポンピング部の容積変化をおこない、ポンピング動作をおこなう。また、ポンピング部１４とバルブ部１５は流路１２で接続されているため、以上のバルブの開閉動作とポンピング動作を組み合わせることによって、流体入口から流体出口への送液を実現することができる。
【００４２】
本発明のポンプでは、ガラス基板２の両面に、ポンピング部１４、バルブ部１５、流路１２が形成されており、流体入口から吸入された流体は、ガラス基板２の両面に配置された２つの経路をたどることが可能である。
【００４３】
すなわち、流体入口からバルブ部、ポンピング部、バルブ部を経て流体出口から吐出される経路と、流体入口から連結口、バルブ部、ポンピング部、バルブ部、連結口、流体出口の経路を経て流体出口から吐出される経路である。
【００４４】
このように本発明のポンプは、シリコン基板と中間基板が重ねられた構造となっており、かつ流体出入口とパッキンの中間に貫通穴が存在している。この貫通穴によって２つの経路が連結された構造となっており、さらにバルブはアクチュエータによって任意に開閉が可能なアクティブバルブとなっているため、２つの経路において独立した送液をおこなうことが可能となっている。
【００４５】
よって上述した２つの経路を独立して用いることにより、ポンプの平面サイズを大きくすることなく単位時間あたり２倍の送液量を実現することができる。また、すべてのバルブが、アクチュエータにエネルギを加えていない状態で常にバルブが閉じた状態となっているため、ポンプ外部の圧力の影響を受けることなく精度の高い送液が実現可能である。
【００４６】
また、実施例１ではパッキンがバルブダイアフラム上に形成されている例を説明し、本実施例ではパッキンがガラス基板上に形成されている例について説明したが、パッキンがバルブダイアフラムおよびガラス基板と別体となっている構造を用いた場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、ユニモルフアクチュエータによってバルブダイアフラムを変形させた場合、パッキンとバルブダイアフラム、パッキンとガラス基板の間にそれぞれ間隙が生じることによって、バルブが開いた状態となる。
（実施例３）
本実施例では、実施例１および２におけるポンプについて、特にシリコン基板１上に流体出入口となる貫通穴を形成しない例について説明する。
【００４７】
図９は本発明のポンプ構造の一例を示す断面図である。２つのバルブダイアフラム４、１つのポンピングダイアフラム５、流路１２をそれぞれに有する２枚のシリコン基板１を、ガラス基板２の両面に接合することによって、ポンピング部１４およびバルブ部１５を構成している。また、バルブダイアフラム４、ポンピングダイアフラム５はそれぞれシリコン基板１上に形成された流路１２によって接続された構造となっている。さらに流路１２はシリコン基板１の端面にまで達しており、この流路１２により、ポンプ側面において流体出入口１１が形成される構造となっている。
【００４８】
本実施例におけるバルブ構造は実施例１および２で説明したいずれの方法を用いることができる。また各要素のサイズ、加工方法、ダイアフラムを変形させるアクチュエータに関しては、さまざまなものが考えられるが、これらはすべて実施例１で説明したものと同様のものを用いることができる。よってバルブダイアフラムによるバルブの開閉動作とポンピングダイアフラムによるポンピング動作を組み合わせることによって、流体入口から流体出口への送液が可能となる。また、ガラス基板２の両面に、ポンピング部１４、バルブ部１５、流路１２が形成されており、流体入口から吸入された流体は、ガラス基板２の両面に配置された２つの経路をたどることができる。
【００４９】
このように本発明のポンプは、シリコン基板と中間基板が重ねられた構造となっており、かつ流体出入口とパッキンの中間に貫通穴が存在している。この貫通穴によって２つの経路が連結された構造となっており、２つの経路において独立した送液をおこなうことが可能となっている。よってポンプのサイズを大きくすることなく単位時間あたり２倍の送液量を実現することができる。また、すべてのバルブが、アクチュエータにエネルギを加えていない状態で常にバルブが閉じた状態となっているため、ポンプ外部の圧力の影響を受けることなく、精度の高い送液が実現可能である。
【００５０】
さらに、本実施例におけるポンプ構造を用いた場合、シリコン基板に貫通穴形成をおこなう必要がなくなり、かつポンプ側面に流体出入口が存在する構造となっているため、より構造が単純になり、製作工程が容易になるという利点を有している。
（実施例４）
本実施例では、貫通穴および溝穴加工を施した２枚のガラス基板を接合して中間基板として用い、中間基板の両面に接合する基板としてシリコン基板を用い、シリコン基板上にバルブダイアフラム、ポンピングダイアフラム、流体出入口が形成され、かつバルブダイアフラム上には弁座が形成され、さらに弁座上にパッキンが形成されているポンプの構造について述べる。
【００５１】
図１０は本実施例におけるポンプの分解図であり、図１１は断面図である。中間基板を構成する２枚のガラス基板２にはそれぞれ溝穴加工および貫通穴加工をおこない、接合することによって３つに分岐した流路を有した中間基板が形成される。
【００５２】
この中間基板の両面に２枚のシリコン基板１を接合する。この接合により、３つに分岐した流路のうちの２つは、バルブダイアフラム４上に形成されたパッキン６によって直接ふさがれた状態となる。また、残りのひとつの貫通穴はそのままシリコン基板１上の流体出入口１１と連結した状態となる。
【００５３】
各要素のサイズ、加工方法、ダイアフラムを変形させるアクチュエータに関しては、さまざまなものが考えられるが、これらはすべて実施例１で説明したものと同様のものを用いることができる。
【００５４】
また各ダイアフラムも実施例１と同様の方法によって変形され、バルブダイアフラム４を中間基板と反対の方向に変形させた場合、パッキン６と貫通穴９の間に間隙が生じ、バルブが開いた状態が実現される。またバルブダイアフラムをガラス基板側に変位させることによって、強固にバルブを閉じることも可能である。
【００５５】
以上のように、本発明のポンプではバルブの開閉を能動的に制御することができる。同様に、ポンピングダイアフラムも変位させることによってポンピング部の容積変化を生じさせ、ポンピング動作を行う。これらバルブの開閉動作とポンピング動作を組み合わせることによって、流体入口から流体出口への送液を実現することができる。
【００５６】
本実施例におけるポンプの場合、図１１に示したように、ガラス基板２の両面に、ポンピング部１４、バルブ部１５、流路１２が形成されている。このため流体入口から吸入された流体は、中間基板の両面に配置された２つの経路をたどることが可能である。
【００５７】
またバルブはアクチュエータによって任意に開閉が可能なアクティブバルブとなっているため、２つの送液経路において、互いに影響を及ぼすことのない独立した送液をおこなうことができる。このため２つの経路を独立して用いることにより、ポンプのサイズを大きくすることなく単位時間あたり２倍の送液量を実現することができる。さらに、すべてのバルブが、アクチュエータにエネルギを加えていない状態で常にバルブが閉じた状態となっているため、ポンプ外部の圧力の影響を受けることなく、精度の高い送液が実現可能である。
【００５８】
本実施例ではバルブダイアフラム上に弁座を形成し、この弁座上にパッキンを形成し、貫通穴を塞ぐ構造について説明をおこなったが、実施例１と同様に弁座を用いず、バルブダイアフラム上に直接パッキンを形成する方法を用いても同様の効果を得ることができる。
【００５９】
また実施例４で示したように、流体出入口をポンプ側面に位置するような構造としても、同様の効果を得ることができる。この時のポンプの構造をあらわす断面図を図１２に示す。
（実施例５）
次に本実施例におけるポンプの送液方法の一例について説明する。ここではポンプの構造として実施例１で説明したものを用いるが、他の構造のものを用いても同様の送液方法を実現することができる。
【００６０】
まず、２つの経路の一方のみを用いて送液をおこなった場合の送液方法について図１３を用いて説明する。まず始めに図１３（ａ）に示すように、吸入側バルブを開の状態にし、ポンピング部の容積を増やすことによって流体入口側から流体の吸引をおこなう。次に図１３（ｂ）に示すように、吸入側バルブを閉じ、吐出側バルブを開き、ポンピング部の容積を減らすことによって流体出口側から流体の吐出をおこなう。以上の二つの送液手順を繰り返すことによって入口側から出口側への送液が実現される。
【００６１】
図１４は、入口側から出口側への送液をおこなった際のポンピングダイアフラム変位量の時間変化をあらわしたグラフである。ユニモルフアクチュエータに電圧を印加していないときのダイアフラムの変位量をゼロとし、流体が吐出されるときのポンピングダイアフラムの変位量をプラス、流体が吸引されるときのポンピングダイアフラムの変位量をマイナスとしている。この図に示したように、送液をおこなう際にはポンピングダイアフラムは周期的な動作を繰り返すことになる。図１４では、ユニモルフアクチュエータに電圧を印加していない場合を中立点とし、ダイアフラムが流体吸引および吐出で対称的な動作をしているが、この変位量が吸引時と吐出時で非対称であったとしても、ポンピング部の容積変化が実施されれば、送液において問題はない。
【００６２】
図１３で示した駆動手順を用いた場合の吐出量の時間変化を図１５（ａ）に示す。この送液を実現した経路を経路Ａとする。これに対し、中間基板の反対側にあるもう一方の経路を経路Ｂとすると、経路Ｂにおける送液も上記の送液手順を用いることによって実現される。ただし送液をおこなう際には、図１４に示した経路Ａの送液とは位相が逆になるような駆動をおこない、経路Ｂでは図１５（ｂ）に示す吐出がおこなわれるように送液をおこなう。
【００６３】
以上の２つの経路による送液を同時に行った場合、バルブの開閉とポンピング動作は図１６に示す手順をとる。すなわち図１６（ａ）と図１６（ｂ）のように、それぞれ対向するダイアフラムの変位方向は対称となる。
【００６４】
これら２つの経路は、パッキンと流体出入口の中間に位置するガラス基板上の貫通穴によって連結しており、かつ送液手順の位相が逆になっている。また、バルブはアクチュエータによって任意に開閉が可能なアクティブバルブとなっているため、２つの経路における送液が互いに影響を及ぼすことなく、独立して流体入口側から流体出口側へ、同時に送液することが可能となる。
【００６５】
このように２つの経路における送液を同時に実施した場合の総吐出量は、図１５（ａ）と図１５（ｂ）の和に等しくなり、図１７のようになる。図１７では図１５と比較して、単位時間当たりの送液量は倍になっており、かつ送液時における脈流も減少している。このように二つの経路における送液の位相を逆にすることによって単位時間当たりの送液量の増加と、脈流間隔の減少を実現することが可能となる。
【００６６】
なお、本実施例では図１６で示したように、第一段階で吸入側バルブを開く動作と、ポンピング部の容積を増やす動作を同時に行い、また第二段階で吸入側バルブを閉じる動作と、吐出側バルブを開く動作と、ポンピング部の容積を減らす動作を同時におこなった。しかし流体入口側から流体出口側へ送液をおこなう方法は、この動作手順に限ったものではない。例えば、用いる流体の粘度の違い、用いるアクチュエータの応答性の違いなどによっては、各バルブの開閉動作とポンピング動作の間に時間的なずれを設けることにより、より効率の良い送液を実現することも可能となる。
【００６７】
また本実施例では、２つの経路における送液の位相を完全に逆とし、駆動周波数も同じにしているが、送液量や脈流間隔が最適化される駆動方法はこれに限られるわけではない。２つの経路は長さが若干異なるため、管路抵抗や粘性抵抗によっては送液に差が生じる場合がある。２つの経路における送液の位相や周波数を変化させることによって、送液量や脈流を最適化することが可能となる。特に本発明におけるポンプでは、アクチュエータによって任意に開閉が可能であるアクティブバルブを用いているため、２つの経路が完全に独立されている。このため、送液量や脈流の最適化が容易である。
【００６８】
また本実施例で示したポンプは、２つの流体出入口に関して対称な構造となっている。このため各アクチュエータの駆動手順を入れ替えることによって、送液の向きを任意に選択することもできる。このように本発明のポンプでは、流体出入口とパッキンの中間に貫通穴が存在し、かつこの貫通穴によって二つの経路が連結された構造となっているため、各経路において独立して送液をおこなうことが可能である。よって２つの経路をもちいて送液をおこなうことで単位時間当たり２倍の送液量を実現することができる。
【００６９】
また、２つの経路における送液シーケンスの位相を逆にすることによって、送液時における脈流を減少させることができる。
（実施例６）
本実施例では、中間基板としてガラス基板、中間基板の両面に接合する基板としてシリコン基板を用い、シリコン基板上に形成されたポンピングダイアフラムによるポンピング部の容積が、中間基板の両面において異なるポンプの構造について述べる。なお、バルブ部の構造については実施例１で説明したものを用いるが、他の構造のバルブを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
図１８に本実施例のポンプの断面構造を示す。２枚のシリコン基板１におけるポンピングダイアフラムのエッチング深さを異なるものとしている。このためガラス基板２の両面にシリコン基板１を接合した際に、それぞれ容積の異なる粗動ポンピング部１７と微動ポンピング部１８の２つが形成されることになる。両者の容積を比較すると、容積の少ない方が微動ポンピング部となる。これらの容積の違いはシリコン基板１におけるエッチングの深さによって容易に設定することが可能であるが、このポンピングダイアフラム５の加工方法はエッチングに限定されたものではない。
【００７１】
本実施例のポンプでは、実施例１と同様にアクチュエータによって変位するが、微動ポンピング部１８におけるガラス基板２とポンピングダイアフラム５の距離は、アクチュエータによるダイアフラムの変位量よりも小さくなっている。
【００７２】
例えばシリコンダイアフラムと圧電素子によるユニモルフ型アクチュエータの場合、シリコンダイアフラムの大きさが１０×１０ｍｍ、厚み６０μｍに対し、圧電素子の大きさが９×９ｍｍ、厚みが８０μｍ程度であればダイアフラムの変位量は数十μｍのレベルとなる。この場合、微動ポンピング部におけるガラス基板とポンピングダイアフラムの距離は数μｍとしておく。
【００７３】
このような構造の場合には、図１９（ａ）に示すように圧電素子３に電圧を印加すると、ポンピングダイアフラム５の変位量はガラス基板２によって制限されるために、微動ポンピング部１８における体積変化量が制限されることになる。一方、図１９（ｂ）に示すように、粗動ポンピング部１７ではガラス基板２とポンピングダイアフラム５の距離が十分に確保されているため、粗動ポンピング部１７の体積変化量が制限されることはない。このような構造を有する２つのポンピング部では、同一の印加電圧によって同一のアクチュエータを駆動したとしても、粗動ポンピング部１７と微動ポンピング部１８とで流体の吐出体積が異なることになる。このような構造を本発明のポンプに用いることによって、２つの経路に対し、同じ特性を有するアクチュエータに、同一の印加電圧を用いても１サイクルあたりの吐出体積を異なるものとすることが可能となった。
【００７４】
実施例１で述べたように、本発明のポンプでは各アクチュエータを選択的に駆動することにより、２つの送液経路の選択を任意におこなうことが可能である。このため、例えば多量の送液を短時間でおこないたい時には粗動ポンピング部による送液をおこない、吐出量の微妙な調整が必要である時には微動ポンピング部による送液を用いるなど、用途に応じて少なくとも二つの送液経路を選択することが可能である。
【００７５】
従来のポンプでは１サイクルあたりの送液量を変えるために、電圧可変機構を用いて各アクチュエータに印加する電圧値を変える必要があった。もしくは、同じ印加電圧で変位量の異なるアクチュエータを用いる必要があった。さらに、一方向バルブを用いたポンプの場合は、外界の圧力によって送液量が変化してしまうという問題点を有していた。しかし本構造のポンプでは、アクティブバルブを用いているため、二つの送液経路が完全に独立しており、かつこれらの経路を粗動ポンピング部と微動ポンピング部とに分けている。このため、同じ特性を有するアクチュエータを用い、かつ各アクチュエータに印加する電圧値を変えることなく、送液経路を変更するだけで、１サイクルあたりの送液量を切り替えることができる。
【００７６】
このため、同一の電圧源を用いても、単純なスイッチングによるＯＮ／ＯＦＦを行うことだけで１サイクルあたりの送液量を変えることが可能であり、全体のシステムを非常に簡易なものとすることができる。また、駆動回路の単純化により、ポンプシステム全体の小型化も実現できる。さらに各ダイアフラムに対して同じ特性を有するアクチュエータを用いることができるため、低コスト化も実現できる。
【００７７】
また本実施例のポンプでは、粗動ポンピング部を形成するシリコン基板と、微動ポンピング部を形成するシリコン基板が別体となっている。このため粗動ポンピング部と微動ポンピング部でエッチングの深さを変える場合も、それぞれのシリコン基板を別工程にて加工すればよく、制作工程が容易になる。
（実施例７）
本実施例では、中間基板としてガラス基板、中間基板の両面に接合する基板としてシリコン基板を用い、これら２枚のシリコン基板に形成されたポンピングダイアフラムの厚みがそれぞれ異なるポンプの構造について述べる。なお、バルブ部の構造については実施例１で説明したものを用いるが、他の構造のバルブを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００７８】
図２０は本実施例のポンプ構造の一例を示す断面図であるが、２枚のシリコン基板１におけるポンピングダイアフラム５の厚みが異なる構造となっている。
【００７９】
実施例１で述べたように、ポンピングダイアフラムの変形はアクチュエータによってなされており、同一のアクチュエータを用いてもダイアフラムの厚みによってその変位量は異なる。例えば、図２０に示したポンプ構造の場合、粗動ポンピング部１７よりも微動ポンピング部１８の方が、厚いポンピングダイアフラムを有している。このため図２１に示したように、同一の性能を有するアクチュエータで同一の駆動をおこなった場合、図２１（ａ）で示す微動ポンピング部１８における吐出体積は、図２１（ｂ）で示す粗動ポンピング部１７における吐出体積よりも少なくなる。
【００８０】
このような構造を本発明のポンプに用いることによって、２つの経路において、同一のアクチュエータで、同一の印加電圧を用いて１サイクルあたりの吐出体積を異なるものとすることが可能となる。
【００８１】
実施例１で述べたように、本発明のポンプでは各アクチュエータの駆動シーケンスを変えることによって、２つの送液経路の選択を任意におこなうことが可能である。このため、例えば多量の送液を短時間でおこないたい時には粗動ポンピング部による送液をおこない、吐出量の微妙な調整が必要である時には微動ポンピング部による送液を用いるなど、用途に応じて少なくとも二つの送液経路を選択することが可能である。
【００８２】
従来のポンプでは１サイクルあたりの送液量を変えるために、電圧可変機構を用いて各アクチュエータに印加する電圧値を変える必要があった。もしくは、同じ印加電圧で変位量の異なるアクチュエータを用いる必要があった。さらに、一方向バルブを用いたポンプの場合は、外界の圧力によって送液量が変化してしまうという問題点を有していた。しかし本構造のポンプでは、アクティブバルブを用いているため、二つの送液経路が完全に独立しており、かつこれらの経路を粗動ポンピング部と微動ポンピング部とに分けている。このため、同じ特性を有するアクチュエータを用い、かつ各アクチュエータに印加する電圧値を変えることなく、送液経路を変更するだけで、１サイクルあたりの送液量を切り替えることができる。
【００８３】
このため同一の電圧源を用い、単純なスイッチングによるＯＮ／ＯＦＦだけによって１サイクルあたりの送液量を変えることが可能であり、全体のシステムを非常に簡易なものとすることができる。また駆動回路の単純化により、ポンプシステム全体の小型化も実現できる。さらに各ダイアフラムに対して同じ特性を有するアクチュエータを用いることができるため、低コスト化も実現できる。
【００８４】
また本発明のポンプでは、粗動ポンピング部を形成するシリコン基板と、微動ポンピング部を形成するシリコン基板が別体となっている。このため粗動ポンピング部と微動ポンピング部でエッチングの深さを変える場合も、それぞれのシリコン基板を別工程にて加工すればよく、制作工程が非常に容易になるという特長を持っている。
（実施例８）
本実施例では、実施例１で説明した２つの独立した経路を有するポンプを複数枚重ねあわせた例について説明する。
【００８５】
まず、実施例１で説明したポンプを基本単位とし、この基本単位を複数枚用い、各流体入口および流体出口が接続されるように重ね合わせる。図２２に断面図を示す。ここでは基本単位２２の流体出口および流体入口がそれぞれ接続されるように、２枚の基本単位が重ね合わされているが、この基本単位の少なくとも一枚は、ポンプ内部と外界をつなぐための流体出入口を有している必要がある。このようなポンプは各基本単位ごとに２つの独立した送液経路を有しており、さらにこの基本単位が２枚重ね合わされているため、全体として４つの独立した送液経路を有することになる。このため、従来のポンプと比較して４倍の送液量を実現することができるようになっている。
【００８６】
また、本実施例では基本単位２２を重ね合わせた時に、各基本単位２２の接合面側に存在するアクチュエータへのエネルギ供給が困難になるため、接合面側のシリコン基板１にエネルギ供給用のコードを通す溝を形成してある。また、この溝は２つの基本単位２２が重ね合わされた時に、完全に密封された空間が生じないようにする働きもしている。対向したアクチュエータ同士が完全に密封された空間で駆動した場合、一方のアクチュエータの動きが他方のアクチュエータの動きに影響を及ぼす可能性があるが、この溝が存在していれば、このような問題が生じることはない。もちろん、エネルギ供給やアクチュエータの干渉の問題が生じない場合には、この溝はなくても構わない。
【００８７】
また、実施例５では２つの独立した送液経路に対して移送をずらして送液をおこなうことにより、脈流を減少させる例について説明をおこなったが、本実施例におけるポンプでは、４つの独立した送液経路についてそれぞれ位相をずらして送液をおこなうことによって、さらに脈流を減少させることが可能となった。
【００８８】
なお、本実施例では基本単位を２枚重ね合わせた例について説明をおこなったが、この重ね合わせ枚数は何枚でも可能であり、重ね合わせ枚数が増えるほど、送液量は増大し、逆に脈流は減少する。
【００８９】
このように本実施例におけるポンプでは、ポンプの平面サイズを大きくすることなく、送液量を増大することができ、かつ脈流を減少させることが可能となった。
（実施例９）
本実施例では、実施例８と同様に基本単位を２枚重ねたポンプを用い、各ポンピングダイアフラムの厚みもしくはエッチング深さを変えた例について説明をおこなう。
【００９０】
前述の実施例６および実施例７では、基板Ａおよび基板Ｂに対して、ポンピングダイアフラムの厚みやポンピング部分の容積を変えることによって、粗動ポンピング部と微動ポンピング部を形成する方法について説明をおこなった。
【００９１】
本実施例におけるポンプでは４つの独立した送液経路を有している。この各経路をそれぞれ経路Ａ、経路Ｂ、経路Ｃ、経路Ｄとする。ここで各アクチュエータに１００Ｖの電圧を印加した場合の１サイクルあたりの送液量が、それぞれ１マイクロリットル、２マイクロリットル、４マイクロリットル、８マイクロリットルになるように、ポンピングダイアフラムの厚みを調整した。これらの経路のうち少なくとも1つの経路を用いて送液をおこなうことにより、１５段階の送液量の切り替えが可能である。例えば、経路Ａと経路Ｂを使用すれば３マイクロリットルの送液が可能であるし、経路Ａと経路Ｂと経路Ｃを使用すれば、７マイクロリットルの送液が可能である。図２３に１から１５マイクロリットルまで１５段階の切り替えをおこなう場合の組み合わせ例を示す。
【００９２】
従来のポンプでは１サイクルあたりの送液量を変えるために、電圧可変機構を用いて各アクチュエータに印加する電圧値を変える必要があった。もしくは、特性の異なるアクチュエータを用いなければならなかった。このためシステムが複雑になり、コストも増大するという問題点を有していた。しかし、本構造のポンプでは、同一のアクチュエータを用い、かつ印加する電圧値を変えることなく、送液経路を組み合わせるだけで、１サイクルあたりの送液量を１５段階に切り替えることできる。この場合、同一のアクチュエータ、同一の電圧源を用い、単純なスイッチングによるＯＮ／ＯＦＦだけでよいため、全体のシステムを非常に簡易なものとすることができる。また駆動回路の単純化により、ポンプシステム全体の小型化、低コスト化も実現できる。
【００９３】
なお、本実施例では、各経路における１サイクルあたりの送液量を変えるために、各ポンピングダイアフラムの厚みを調整しているが、実施例６と同様にポンピング部分の容積を調整することによって、同様の効果を有するポンプを実現することができる。
【００９４】
なお、本実施例では基本単位を２枚重ね合わせた例について説明をおこなったが、この重ね合わせ枚数は何枚でも可能であり、重ね合わせ枚数が増えるほど、送液量を他段階に切り替えることが可能となる。
【００９５】
本実施例では独立した経路が４つの例について説明したが、独立した経路がｎ個の場合、各経路の１サイクルあたりの送液量をそれぞれ２⁰、２¹、２²、・・・２^n-1マイクロリットルとすることによって、（２⁰＋２¹＋２²＋・・・＋２^n- ¹）段階の送液量の切り替えが、電圧可変機構を用いることなく、単純なスイッチングによるＯＮ／ＯＦＦによって実現できることをここに記しておく。
【００９６】
【発明の効果】
本発明のポンプでは、アクティブバルブを用い、完全に独立した２つの経路が上下に重なった構造となっているため、ポンプ全体のサイズを大きくすることなく、送液性能を２倍に向上させることができる。また、２つの経路における送液シーケンスの位相を逆にすることによって、送液時における脈流間隔を減少させることもできる。
【００９７】
一方、２つのポンピング部の容積、またはポンピングダイアフラムの厚みを異なるものとすることによって、同一のアクチュエータを用い、かつ印加する電圧値を変えることなく、送液経路を変更するだけで１サイクルあたりの送液量を切り替えることが可能である。電圧可変電源を用いることなく、ポンプの送液量を切換えることが可能であるため、電源も含めた全体のシステムを非常に小型で簡易化することができる。
【００９８】
またこのポンプを基本単位として、複数枚重ね合わせることにより、ポンプの平面上のサイズは一定のまま、上記の特徴をすべて向上させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図２】従来のポンプの構造を示す断面図である。
【図３】従来のポンプの構造を示す断面図である。
【図４】従来のポンプの構造を示す分解図である。
【図５】本発明のポンプの一例を示す分解図である。
【図６】バルブの開閉状態の一例を示す断面図である。
【図７】本発明のポンプの一例を示す分解図である。
【図８】バルブの開閉状態の一例を示す断面図である。
【図９】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図１０】本発明のポンプの一例を示す分解図である。
【図１１】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図１２】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図１３】一方の経路のみを用いて送液をおこなう場合の説明図である。
【図１４】ダイアフラム変位量の時間変化をあらわすグラフである。
【図１５】各経路における吐出量を示すグラフである。
【図１６】２つの経路を用いた時のポンプの送液方法を示す説明図である。
【図１７】２つの経路を用いた時の吐出量を示すグラフである。
【図１８】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図１９】ダイアフラムの変位の様子を示した説明図である。
【図２０】本発明のポンプの一例を示す断面図である。
【図２１】ダイアフラムの変位の様子を示した説明図である。
【図２２】基本単位を２枚重ね合わせたポンプである。
【図２３】送液経路の組合せによる１サイクルあたりの送液量をあらわした表である。
【符号の説明】
１．シリコン基板
２．ガラス基板
３．圧電素子
４．バルブダイアフラム
５．ポンピングダイアフラム
６．パッキン
７．弁
８．管路
９．貫通穴
１０．溝穴
１１．流体出入口
１２．流路
１３．連結口
１４．ポンピング部
１５．バルブ部
１６．間隙
１７．粗動ポンピング部
１８．微動ポンピング部
１９．ポリシリコン
２０．弁座
２１．基本単位

Claims

流体の吸入をおこなう流体入口と、
流体の吐出をおこなう流体出口と、
ポンピング用アクチュエータとポンピングダイアフラムを有し、流体の移動をおこなうポンピング部と、
前記流体入口と前記ポンピング部の中途に設けられるとともに、バルブ用アクチュエータ、バルブダイアフラム及びパッキンを有する入口側バルブ部と、
前記流体出口と前記ポンピング部の中途に設けられるとともに、バルブ用アクチュエータ、バルブダイアフラム及びパッキンを有する出口側バルブ部と、
前記入口側バルブダイアフラム、前記ポンピングダイアフラム、および、前記出口側バルブダイアフラムが同一基板上に構成された第一の基板および第二の基板を、両面に接合する中間基板と、
前記中間基板の両面に、入口側バルブ部、ポンピング部、出口側バルブ部が構成され、前記流体入口と前記中間基板両面の入口側バルブ部を接続する流路と前記流体出口部と前記中間基板両面の出口側バルブ部を接続する流路とが設けられることにより、前記中間基板の両面に形成された２つの独立した送液経路と、
を備えることを特徴とするポンプ。
前記第一の基板により形成されたポンピング部の吐出容積と前記第二の基板により形成されたポンピング部の吐出容積が、各々のポンピング部のポンピングアクチュエータに加わる印加電圧が同一の場合でも異なることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記第一の基板と前記中間基板により形成されるポンピング部の容積と前記第二の基板と前記中間基板により形成されるポンピング部の容積が、それぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記第一の基板に形成されたポンピングダイアフラムと前記第二の基板に形成されたポンピングダイアフラムは、厚みが異なることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
請求項１に記載のポンプを基本単位とし、前記基本単位が複数枚重ね合わされるとともに、前記基本単位における前記流体入口および前記流体出口が接続され、２つ以上の独立した送液経路が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
流体の吸入をおこなう流体入口と、
流体の吐出をおこなう流体出口と、
ポンピング用アクチュエータとポンピングダイアフラムを有し、流体の移動をおこなうポンピング部と、
前記流体入口と前記ポンピング部の中途に設けられるとともに、バルブ用アクチュエータ、バルブダイアフラム及びパッキンを有する入口側バルブ部と、
前記流体出口と前記ポンピング部の中途に設けられるとともに、バルブ用アクチュエータ、バルブダイアフラム及びパッキンを有する出口側バルブ部と、
前記入口側バルブダイアフラム、前記ポンピングダイアフラム、および、前記出口側バルブダイアフラムが同一基板上に構成された第一の基板および第二の基板を、両面に接合する中間基板と、
前記中間基板の両面に、入口側バルブ部、ポンピング部、出口側バルブ部が構成され、前記流体入口と前記中間基板両面の入口側バルブ部を接続する流路と前記流体出口部と前記中間基板両面の出口側バルブ部を接続する流路とが設けられることにより、前記中間基板の両面に形成された２つの独立した送液経路と、を備え、
前記バルブ用アクチュエータによる前記バルブダイアフラムの変形に伴い、前記パッキンによって流体の移動を阻害するとともに、前記ポンピング用アクチュエータによる前記ポンピングダイアフラムの変形に伴う容積変化によって流体の移送を行うポンプの駆動方法であって、
前記第一の基板上の入口側バルブ用アクチュエータ、出口側バルブ用アクチュエータ、ポンピング用アクチュエータの駆動手順と、前記第二の基板上の入口側バルブ用アクチュエータ、出口側バルブ用アクチュエータ、ポンピング用アクチュエータの駆動手順を独立して設定でき、前記第一の基板上のアクチュエータを駆動することによる送液と、前記第二の基板上のアクチュエータを駆動することによる送液を、任意のタイミングで組み合わせたことを特徴とするポンプの駆動方法。