JP3896141B2 - Micropump and micropump system - Google Patents
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Description
本発明は微少量の流体を高精度に搬送するためのマイクロポンプおよびマイクロポンプシステムに関する。 The present invention relates to a micropump and a micropump system for conveying a minute amount of fluid with high accuracy.
従来、微少量の液体を搬送するためのマイクロポンプには、液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルを用いたバルブレスポンプがある。 2. Description of the Related Art Conventionally, a micro-pump for transporting a minute amount of liquid includes a valveless pump using a nozzle whose flow path resistance is different depending on the liquid flow direction.
このバルブレスポンプの構造や原理については、非特許文献１（Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（１９９６）３７８頁〜３８３頁）、および非特許文献２（Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（１９９６）４７９頁〜４８４頁）に記載されている。 The structure and principle of this valveless pump are described in Non-Patent Document 1 (Micro ElectroMechanical Systems (1996) pages 378 to 383) and Non-Patent Document 2 (Micro ElectroMechanical Systems (1996) pages 479 to 484). Yes.
前記両非特許文献とも、シリコン基板の一平面上に圧力室と、それを挟むように圧力室の両端それぞれに接続された、液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルが形成され、それに対向してガラス基板が貼り合わされており、さらに、圧力室が位置するシリコン基板上、またはガラス基板上の反対の面に圧電素子が配されている。 In both of the above-mentioned non-patent documents, a pressure chamber is formed on one plane of a silicon substrate, and nozzles connected to both ends of the pressure chamber so as to sandwich the pressure chamber and having different flow path resistances depending on the liquid flow direction are opposed to the nozzle Then, the glass substrate is bonded, and a piezoelectric element is disposed on the silicon substrate on which the pressure chamber is located or on the opposite surface on the glass substrate.
ここで、液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルは、液体が圧力室に流入する側のノズルは圧力室の向きに開口面積が順次拡大し、液体が流出する側のノズルは圧力室の向きに開口面積が順次縮小しており、開口面積が順次拡大する向きが順次縮小する向きの方が流路抵抗は小さくなる。そして、圧電素子を駆動することで、シリコン基板、またはガラス基板を変形させ、圧力室の容積を拡張・収縮させることによって、流体の流れがノズルの流路抵抗が小さい向きに方向付けられる。 Here, the nozzles with different flow path resistances depending on the direction in which the liquid flows are such that the opening area of the nozzle on the side where the liquid flows into the pressure chamber gradually increases in the direction of the pressure chamber and the nozzle on the side where the liquid flows out The opening area is sequentially reduced in the direction, and the flow path resistance is smaller in the direction in which the opening area is sequentially enlarged and the direction in which the opening area is sequentially reduced. Then, by driving the piezoelectric element, the silicon substrate or the glass substrate is deformed, and the volume of the pressure chamber is expanded / contracted, so that the fluid flow is directed in the direction in which the flow path resistance of the nozzle is small.
さらに、この原理を応用した例として、特許文献１（特開平１０−１１０６８１号公報）や特許文献２（特開２００１−３２２０９９号公報）に記載されたものが公知である。 Further, examples of applying this principle are those described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-110682) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-322099).
前記特許文献１に記載の技術では、流路の加工精度に影響されず、流路抵抗差を大きく維持できる流路形状を特徴としている。これにより、量産性に優れたマイクロポンプを提供できるとしている。 The technique described in Patent Document 1 is characterized by a channel shape that can maintain a large channel resistance difference without being influenced by the processing accuracy of the channel. Thereby, it is said that a micropump excellent in mass productivity can be provided.
また、前記特許文献２に記載の技術では、流路抵抗が差圧に応じて変化の大きい第１の流路と、流路抵抗が第１の流路に比べて差圧に影響されにくい第２の流路を圧力室の両端に有し、圧力室の拡張・収縮によって生じる第１の流路と第２の流路の流路抵抗の比を異ならせることを特徴としている。これによって、正逆両方向の液体搬送が可能なマイクロポンプを提供できるとしている。
しかし、前記従来の技術では、ある程度大きな流量や流体圧力を得るには圧力室の容積変化量をある程度大きくする必要があり、そのために、圧力室そのものを大きくする必要があった。また、原理的に圧力室の両端にノズルを設ける必要性があった。 However, in the conventional technique, in order to obtain a certain amount of flow rate and fluid pressure, it is necessary to increase the volume change amount of the pressure chamber to some extent, and accordingly, the pressure chamber itself needs to be enlarged. In principle, it was necessary to provide nozzles at both ends of the pressure chamber.
そのため、研削などの機械的な加工では限界があり、フォトリソ工程やエッチング工程によりシリコン基板に圧力室や液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズル、振動板を加工・形成していた。このため、露光装置やドライエッチング装置などの高価な製造装置が必要であった。 Therefore, there is a limit in mechanical processing such as grinding, and nozzles and diaphragms with different flow path resistances are processed and formed on the silicon substrate by the photolithography process and the etching process depending on the flow direction of the pressure chamber and the liquid. For this reason, expensive manufacturing apparatuses such as an exposure apparatus and a dry etching apparatus are required.
また、アクチュエータと振動板の貼り合せなど、製造工程が複雑であった。さらに、流量や圧力を大きくするためには、圧力室の容積変化量をある程度大きくする必要があり、小型化や高集積化が困難であった。 In addition, the manufacturing process such as bonding of the actuator and the diaphragm is complicated. Furthermore, in order to increase the flow rate and the pressure, it is necessary to increase the volume change amount of the pressure chamber to some extent, and it has been difficult to reduce the size and increase the integration.
そこで、本発明は、従来のものに比べ構造が簡単化され、小型化されたマイクロポンプおよびマイクロポンプシステムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a micropump and a micropump system that have a simplified structure and a reduced size as compared with the conventional one.
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明のマイクロポンプは、流路基板に、一端部と他端部とを有し、該他端部が開放部とされ、内部に液体を貯留する第１と第２圧力室が設けられ、前記第１と第２圧力室の一端部に液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する第１と第２流路が接続され、前記第１と第２圧力室内の液体に対して、前記一端部と他端部間にわたって伝播する圧力波を発生させるアクチュエータを備える。 In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, the micro-pump of the present invention, the flow path substrate, and a one end and the other end, said other end is an open portion, the first and second pressure chamber for storing the liquid therein provided, the first and first and second flow path having a flow path resistance that is different depending on the direction of flow of the liquid is connected to one end of the second pressure chamber, to the first and the second pressure chamber of the liquid And an actuator for generating a pressure wave propagating between the one end and the other end.
前記本発明の構成によれば、圧力波の振動（一端部と他端部間の往復運動）によって液体が搬送される。したがって、従来の圧力室の容積変化によって液体を搬送する場合に比べて、マイクロポンプの構造を簡素化できる。 According to the configuration of the present invention, the liquid is conveyed by the vibration of the pressure wave (reciprocating motion between the one end and the other end). Therefore, the structure of the micropump can be simplified as compared with the case where the liquid is conveyed by the change in the volume of the conventional pressure chamber.
具体的には、所定の（ある程度大きな）流量や流体圧力を得るには大きな圧力波を発生させる必要があるが、このためには、圧力室の変位の高速性が重要な要素となる。換言すれば、圧力室の変位量が要求されないので、大きな圧力室を必要としない。 Specifically, in order to obtain a predetermined (somewhat large) flow rate and fluid pressure, it is necessary to generate a large pressure wave. For this purpose, the high speed of displacement of the pressure chamber is an important factor. In other words, since a displacement amount of the pressure chamber is not required, a large pressure chamber is not required.
また、原理的に液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路は、圧力室の一端のみであり、他端は開放された形状でよいので、加工方法の制約が軽減され、研削などの機械的加工も適用できる。 In principle, the flow path having different flow path resistance depending on the flow direction of the liquid is only one end of the pressure chamber, and the other end may have an open shape. Mechanical machining can also be applied.
本発明においては、前記流路基板は圧電体からなり、該圧電体が前記アクチュエータを構成しているのが好ましい。 In the present invention, the flow path substrate is preferably made of a piezoelectric body, and the piezoelectric body constitutes the actuator.
この構成によれば、ダイシングブレードを用いた研削加工によって比較的容易かつ安価に圧力室を形成することができ、また、振動板が不要となり、マイクロポンプの構造を簡素化できる。さらに、振動板の抵抗力が生じない分、圧電素子（圧力室の一部）の変位の高速性や電気機械変換効率がよくなり、高速・高効率動作が可能である。 According to this configuration, the pressure chamber can be formed relatively easily and inexpensively by grinding using a dicing blade, the diaphragm is unnecessary, and the structure of the micropump can be simplified. Furthermore, since the resistance force of the diaphragm is not generated, the displacement speed of the piezoelectric element (part of the pressure chamber) and the electromechanical conversion efficiency are improved, and high-speed and high-efficiency operation is possible.
本発明においては、前記流路は前記流路基板に形成されているのが好ましい。
この構成によれば、圧力室の形成と同様に流路を研削加工によって形成できる。また、別部材を用いないため、製造コストを削減することができる。
In the present invention, the channel is preferably formed on the channel substrate.
According to this configuration, the flow path can be formed by grinding as in the formation of the pressure chamber. Moreover, since a separate member is not used, manufacturing cost can be reduced.
本発明においては、前記圧力室は複数配置された構成とする。
この構成によれば、単一の圧力室（単一チャンネル）では得られる流量や流体圧力に限界があるが、圧力室を複数設ける（マルチチャンネル化する）ことによって、所望の流量
や流体圧力を得ることができる。
In the present invention, the pressure chamber shall be the more deployed configuration.
According to this configuration, there is a limit to the flow rate and fluid pressure that can be obtained in a single pressure chamber (single channel), but by providing a plurality of pressure chambers (multi-channeling), the desired flow rate and fluid pressure can be reduced. Obtainable.
本発明において、前記複数の圧力室に対し前記アクチュエータを選択的に駆動する駆動装置が設けられるのが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a driving device for selectively driving the actuator with respect to the plurality of pressure chambers is provided.
この構成によれば、得られる流量や流体圧力の調整を広範囲にすることができる。
本発明では、前記流路の向きが、前記複数の圧力室において異なっている構成とすることができる。
According to this configuration, the flow rate and fluid pressure obtained can be adjusted over a wide range.
In this invention, it can be set as the structure from which the direction of the said flow path differs in these pressure chambers.
この構成によれば、駆動するチャンネルによって、液体を正逆両方向に搬送することができる。 According to this configuration, the liquid can be transported in both forward and reverse directions by the channel to be driven.
本発明においては、第１と第２流路の向きが異なる第１と第２圧力室の間に、液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有する第３流路を一端部に設けた第３圧力室が配置される。 In the present invention, a third channel having the same channel resistance is provided at one end portion between the first and second pressure chambers in which the directions of the first and second channels are different from each other regardless of the direction in which the liquid flows. A third pressure chamber is disposed .
この構成によれば、液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有する流路を配置したチャンネルは液体の搬送（吸入や排出）には寄与しないが、その両側に位置する吸入用のチャンネルと排出用のチャンネルの相互干渉を防ぐことができ、安定した動作が得られる。 According to this configuration, the channel in which the flow path having the same flow path resistance is arranged regardless of the flow direction of the liquid does not contribute to the transport (suction or discharge) of the liquid, but the suction channels located on both sides thereof And the discharge channel can be prevented from interfering with each other, and stable operation can be obtained.
本発明のマイクロポンプシステムの特徴とするところは、それぞれ異なる液体を蓄える複数の容器と、該複数の容器それぞれに接続された複数の前記マイクロポンプと、該複数のマイクロポンプを介して搬送された液体を混合するための容器を含んでなる点にある。 A feature of the micropump system of the present invention is that a plurality of containers for storing different liquids, a plurality of the micropumps connected to the plurality of containers, and the plurality of micropumps conveyed through the plurality of micropumps. In that it comprises a container for mixing the liquid.
本発明のマイクロポンプによれば、従来のマイクロポンプに比較して構造が簡素であり、フォトリソ装置やドライエッチング装置等の高価な装置を用いることなく、ダイシングブレードによる機械的切削加工によって製造することができる。このため、低コストのマイクロポンプを供給することができる。また、搬送液体の流量や圧力を広範囲に、かつ、高精度に調整できる高性能なマイクロポンプを提供できる。さらには、液体の搬送を双方向にすることが容易にできる。 According to the micropump of the present invention, the structure is simpler than that of a conventional micropump, and it is manufactured by mechanical cutting with a dicing blade without using an expensive device such as a photolithographic device or a dry etching device. Can do. For this reason, a low-cost micropump can be supplied. In addition, it is possible to provide a high-performance micro pump capable of adjusting the flow rate and pressure of the transport liquid over a wide range and with high accuracy. Furthermore, the liquid can be easily transferred in both directions.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１〜図３において、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ１は、流路基板２に、一端部と他端部とを有し内部に液体を貯留する圧力室３が設けられている。この圧力室３の一端部に液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路４が接続されている。前記圧力室３の他端部は開放部５とされている。前記圧力室内の液体に対して、前記一端部と他端部間にわたって伝播する圧力波を発生させるアクチュエータ６が設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3, a micropump 1 according to an embodiment of the present invention is provided with a
前記開放部５の流路抵抗は、前記流路４よりも小さいものとされ、好ましくは、前記圧力室の断面相当に開口されているのが好ましい。
The flow path resistance of the
前記流路基板２は、圧電体からなり、該圧電体が前記アクチュエータ６を構成している。また、液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路４も、前記流路基板２に形成されている。さらに、前記圧力室３は複数配置されている。すなわち、圧力室３は、同一の流路基板２に互いに平行に複数設けられている。同様に、前記流路４や開放部５もそれぞれの圧力室３に設けられている。前記複数の圧力室３に対し前記アクチュエータ６を選択的に駆動する駆動装置７が設けられている。
The
前記流路基板２に、カバープレート８が貼り合わされている。流路基板２には、ＦＰＣ（フレキシブル基板）９が電気的に接続されている。このＦＰＣ９に前記駆動装置７が設けられている。この駆動装置７は、ドライバＩＣにより構成されている。
A
この実施の形態では、前記流路基板２（以下、圧電体基板ということもある）は、厚み方向に分極された剪断モードの第１の圧電体基板１０と第２の圧電体基板１１を分極方向（図中の矢印）が対向するように貼り合わされたものである。
In this embodiment, the flow path substrate 2 (hereinafter also referred to as a piezoelectric substrate) polarizes the first
その流路基板２に、第１の圧電体基板１０の側から第２の圧電体基板１１に至る一定深さの溝が設けられ、前記圧力室３が形成される。
A groove having a certain depth from the first
前記圧力室３は、従来のマイクロポンプがシリコン基板をフォトリソ工程とエッチング工程によって形成されていたのに対して、ダイシングブレードによる研削のみで、比較的容易かつ安価に形成することができる。
The
つぎに、ダイシングブレードによる複数本の溝加工によってできた複数の圧力室３の間の圧電体からなる隔壁１２の少なくとも両側面に駆動電極１３、および、流路基板２の上面に外部接続電極１４を形成する。
Next, the
前記駆動電極１３と外部電極１４の形成方法としては、つぎに記述する通りである。
前工程である前記ダイシングブレードによる溝の加工と同時に、外部接続電極１４に相当する箇所に数μｍ程度の浅溝（凹部）を形成しておき、流路基板２の斜め上方より流路基板２の上面および隔壁１２の側壁にスパッタにより金属膜を成膜する。そして、流路基板２の上面を全面研削することで余分な箇所の金属膜だけが除去され、凹部の金属膜だけが必然的に残されることから、マスク材等を用いることなく、安価にパターンニングできる。
A method of forming the
Simultaneously with the processing of the groove by the dicing blade, which is the previous step, a shallow groove (concave portion) of about several μm is formed at a location corresponding to the
この状態では、駆動電極１３が圧力室３内に露出しているため、必要に応じて絶縁膜形成等の絶縁処理を施す。絶縁膜としては、パリレン樹脂（日本パリレン社）が機械的強度や耐薬品性に優れている。
In this state, since the
つぎに、「液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路４」（以下、「ノズル４」という場合がある）を形成する。このノズル４の形成は、前記圧力室３の一端に連通し、圧力室３より断面積が小さく、かつ、断面積が順次変化する第２の溝を研削加工することによって行なわれる。
Next, “flow
ここでは、圧力室３の溝加工時よりも切削幅の狭いダイシングブレードを用いて、圧力室３の側から研削深さを順次浅くして加工している。このため、ノズル４の流路抵抗はマイクロポンプ１の外部から圧力室３へ流入する向きの方が小さくなる。
Here, using a dicing blade whose cutting width is narrower than that in the groove processing of the
そして、流路基板２の上面に、前記カバープレート８が貼り合わせられ、流路基板２に形成されている圧力室３、および、流路４の上面が閉塞される。
And the said
前記カバープレート８には開口部１５が形成されている。この開口部１５は、カバープレートの厚み方向に貫通している。該開口部１５が圧力室３の他端部に位置している。この開口部１５に位置する圧力室３の他端部が、前記開放部５を構成する。
An
カバープレート８の前記開口部１５は、複数の圧力室３の開放部５にわたって、連続して形成されている。したがって、この開口部１５が、各圧力室３共通の液室１０２ｂとなる。
The
さらに、露出している外部接続電極１４に駆動装置７を接続する。（図１ではＦＰＣ９とドライバＩＣを駆動装置７（駆動回路）の一部として図示している。図２、３では駆動回路に相当するものは、図示していない。）
図４は、マイクロポンプ１の駆動装置７のドライバＩＣの接続状態を模式的に示したものである。
Further, the driving
FIG. 4 schematically shows the connection state of the driver IC of the
駆動装置７は、各圧力室３毎（チャンネル毎）の駆動電極１３に異なる電圧波形が供給できる構成になっている。なお、図中の矢印は、圧電体基板１０，１１の分極方向を表している。
The
図５を用いて、マイクロポンプ１の駆動方法について説明する。
説明を簡素化するために、Ｃｈ１〜５の５チャンネルに駆動電圧を付加した場合のＣｈ２〜４の３チャンネル分の動作について述べる。
A method for driving the micropump 1 will be described with reference to FIG.
In order to simplify the description, the operation for the three channels Ch2 to 4 when the drive voltage is added to the five channels Ch1 to 5 will be described.
このタイプのマイクロポンプにおいては、各チャンネルの駆動電極１３に駆動電圧を与え、チャンネル間の隔壁１２に電界を生じさせることで、隔壁１２が剪断変形させられる。その結果、圧力室３が拡張、または、収縮し、内部の液体に対して圧力を付与することができる。
In this type of micropump, the
具体的には、図５（ｂ）の状態１に示すような各チャンネル間に電位差がない場合（状態１ではすべてＬｏｗレベル）は、図５（ｃ）の状態１に示すように隔壁１２の変形は生じない。 Specifically, when there is no potential difference between the channels as shown in the state 1 of FIG. 5B (all in the state 1 is at the low level), as shown in the state 1 of FIG. No deformation occurs.
つぎに、図５（ｂ）の状態２のようにＣｈ１，Ｃｈ３，Ｃｈ５のみをＨｉｇｈレベルにすることで、隣接するＣｈ２，Ｃｈ４との間に電位差が生じ、Ｃｈ１，Ｃｈ３，Ｃｈ５の圧力室３が拡張する方向に隔壁１２が変形する。
Next, as shown in
逆に、図５（ｂ）の状態３のように、Ｃｈ１，Ｃｈ３，Ｃｈ５がＣｈ２，Ｃｈ４に相対して負の電位となるよう駆動電圧を付与した場合は、図５（ｃ）の状態３のように、Ｃｈ１，Ｃｈ３，Ｃｈ５の圧力室３が収縮する方向に隔壁１２が変形する。
Conversely, as shown in
また、状態４で示すように、Ｃｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ４を同電位（この場合はＨｉｇｈレベル）とすることで、状態１と同様にＣｈ３の圧力室３を非動作状態にすることができる。
Further, as shown in
上記したように、各チャンネルに付与する駆動波形を調整することによって、選択的にチャンネルを駆動することができる。つまり、複数あるチャンネルの内、駆動するチャンネル数を調整することで、それに比例して搬送する液体の流量や流体圧力を広範囲に設定することができる構成になっている。 As described above, the channel can be selectively driven by adjusting the drive waveform applied to each channel. That is, by adjusting the number of channels to be driven among a plurality of channels, the flow rate and fluid pressure of the liquid to be conveyed can be set in a wide range.
また、隔壁１２を隣接するチャンネルと共有するため、隣接するチャンネル同士は拡張・収縮の動きが逆相になる。このことは、液体搬送の際に生じる脈動を低減する効果を奏する。
Further, since the
つぎに、従来技術のマイクロポンプとは異なる点について述べる。従来技術のマイクロポンプでは、圧力室の上流と下流の双方にノズルを有する構造であった。また、圧力室の容積変化が直接的に作用し、圧力室の拡張や収縮に追従して、液体を吸入したり、排出したりする方式であった。 Next, differences from the conventional micro pump will be described. The conventional micropump has a structure having nozzles both upstream and downstream of the pressure chamber. Further, the volume change of the pressure chamber directly acts, and the liquid is sucked or discharged following the expansion or contraction of the pressure chamber.
本発明のマイクロポンプ１においては、圧力室３の一方にのみノズル４を有し、他方は圧力室３の断面積相当に開口されている。また、圧力室３の容積変化と液体の流れの関係の間に圧力室３内の液体中を伝播する圧力波が介在する点が従来技術と異なる。
In the micropump 1 of the present invention, the
図６を用いて、圧力室３内を伝播する圧力波の様子について説明する。図６は、圧力室３内の圧力波の振動周期を説明するための図である。なお、圧力室３の一端部にはノズル４による開口部があるが、その面積は圧力室３の断面積と比較して充分小さく、圧力波伝播の大勢に影響しないことから、閉塞された状態とみなすことができるので、図６においては閉塞状態で図示している。
The state of the pressure wave propagating in the
まず、図６（ａ）で示すように、圧力室３が急速に拡張すると、圧力室３内全体に負圧が発生する（図中では、負圧の状態を“−”の丸印で表現している）。なお、負圧発生時を基準として経過した時間を、時間ｔとする。
First, as shown in FIG. 6A, when the
この負圧の発生によって、図６（ｂ）で示すように、共通の液室である開口部１５内にある液体が、矢印で示すように圧力室３内に流入する。この液体の流れあるところと、流れのないところとの界面が圧力波の位置であり、圧力室３内をノズル４方向に伝播する。
Due to the generation of the negative pressure, as shown in FIG. 6B, the liquid in the
図６（ｃ）は、圧力波が最初にノズル４側の壁面に到達した状態を示す。圧力室３の長さをＬ、液体中の圧力波の音速をａとすると、この状態になるまでには、時間ｔ＝Ｌ／ａを要する。
FIG. 6C shows a state in which the pressure wave first reaches the wall surface on the
その後も、液体の流入が持続し、圧力波は、ノズル４側の壁面に反射されて、開放部５側へ向きを代えて伝播する。これによって、図６（ｄ）で示すように、圧力室３内は、ノズル４側より次第に正圧になっていく（図中では、正圧の状態を“＋”の丸印で表現している）。
Thereafter, the inflow of liquid continues, and the pressure wave is reflected by the wall surface on the
図６（ｅ）で示すように、時間ｔ＝２Ｌ／ａが経過したときに、液体の流れが止まり、圧力室３内全体が正圧となる。この正圧によって、図６（ｆ）で示すように、液体が、圧力室３から開放部５側へ流出し始めるとともに、圧力波が再びノズル４側に向かって伝播する。そして、図６（ｇ）で示すように、時間ｔ＝３Ｌ／ａが経過したときに、圧力波はノズル４側の壁面に到達する。
As shown in FIG. 6E, when the time t = 2L / a has elapsed, the flow of the liquid stops, and the
さらに、液体の流出が持続するため、圧力波は、ノズル４側の壁面に反射されて、開放部５の方向に向かって伝播し、図６（ｈ）に示すように、圧力室３内のノズル４側より次第に負圧になる。
Furthermore, since the outflow of the liquid is continued, the pressure wave is reflected on the wall surface on the
そして、図６（ｉ）で示すように、時間ｔ＝４Ｌ／ａが経過したときに、圧力波が開放部５側に到達して、圧力室３内全体は、負圧となり、図６（ａ）で示す、時間ｔ＝０における状態と同じ状態となる。
Then, as shown in FIG. 6 (i), when the time t = 4L / a has elapsed, the pressure wave reaches the
このように、多少の減衰はあるものの、圧力波は振動周期Ｔ０＝４Ｌ／ａで振動を繰り返す。 Thus, although there is some attenuation, the pressure wave repeats vibration at the vibration period T0 = 4 L / a.
圧力波伝播の大勢を考える上では、ノズル４による開口を無視したが、圧力波の伝播に伴う液体の流れを考える上では、ノズル４による開口は重要である。ノズル４の流路抵抗に方向性がない場合は、圧力波の１振動周期内では開放部５側の開口、および、ノズル４の開口を介しての液体の出入りは各々相殺される。しかし、ノズル４が液体の流れる方向に異なる流路抵抗を有する場合、当然流路抵抗が小さい向きにより多くの液体が流れる。一方、開放部５側の開口部の流路抵抗は本来ノズル４の流路抵抗に比べて充分に小さいことから、ノズル４で生じた流量の差分を吸収して液体の流れる向きに殆ど影響を与えない。
In considering the majority of pressure wave propagation, the opening due to the
この様子を、図７を用いて説明する。
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれが図６（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）の状態に対応する。つまり、ノズル４を通じての液体の流入・流出は圧力室３内のノズル４近傍の圧力状態によって決まり、正圧の場合は流出、負圧の場合は流入となる。
This will be described with reference to FIG.
7A, 7B, 7C, and 7D correspond to the states of FIGS. 6B, 6D, 6F, and 6H, respectively. That is, the inflow / outflow of the liquid through the
ノズル４の流路抵抗差のため、流入の際には流量が多くなり、流出の際は比較的少なくなることから生じる流量差は、共通の液室である開口部１５への流量差となる。その結果、液体の全体的な流れは、ノズル４の流路抵抗が小さい向きに方向付けられる。
Due to the difference in flow path resistance of the
すなわち、図３に示すノズル４の向き（配置）では、ノズル４側が流入部となり、開放部５側が流出部となる。
That is, in the direction (arrangement) of the
上述したように、本発明のマイクロポンプ１は圧力室３の単に１回の拡張動作だけであっても、圧力室３内を往復運動（振動）する圧力波とそれに伴う液体の流れが生じ、液体流れる方向によって異なる流路抵抗を有するノズル４によって、液体を所定方向に繰返し搬送することが可能である。
As described above, the micropump 1 of the present invention generates a pressure wave reciprocating (vibrating) in the
本実施の形態では、このような圧力波の振動が圧力室３内にある状態で、再び圧力室３を収縮させる構成であり、この収縮は既存の圧力波の振動と同調させるタイミングで行なう。つまり、圧力室３の収縮によって生じる新たな圧力波と、既存の圧力波とを共振させ、より大きい圧力を発生させることができる。すなわち、駆動波形のパルス幅が、液体が流入された圧力室３における圧力波の振動周期：Ｔ０の１／２と略等しい、駆動波形を用いることで、新たな圧力波と既存の圧力波とを共振させる。これによって、圧力室３内への液体の流入量を多くすることができるため、液体の搬送効率を高めることができる。パルス幅が振動周期：Ｔ０の１／２と略等しい駆動波形を用いることで、このような効果を奏することは、図８で示す実験結果においても立証されている。
In the present embodiment, the
図８は、実験結果を示すグラフである。本実験では、駆動周波数を一定（３７ｋＨｚ）にした状態で、圧力室３の拡張および縮小の保持時間（駆動信号のパルス幅）を変化させ、排出された液体の量を計量した。本実験で用いた圧力室３の長さ寸法Ｌ＝１.１５ｍｍであり、圧力波の液体中の音速ａ≒１０００ｍ／ｓｅｃである。
FIG. 8 is a graph showing experimental results. In this experiment, with the drive frequency kept constant (37 kHz), the
実験結果では、圧力室３の拡張および収縮の保持時間が２.２５μｓｅｃの場合に、排出された液体の量が最大となることを示す。本実験では、既存の圧力波の振動周期Ｔ０は、４Ｌ／ａ＝４×１.１５（ｍｍ）／１０００（ｍ）＝４.６μｓｅｃであるため、振動周期：Ｔ０の１／２は、２.３μｓｅｃである。ゆえに、本実験において、排出された液体の量が最大となるパルス波形のパルス幅（２.２５μｓｅｃ）は、振動周期：Ｔ０の１／２（２.３μｓｅｃ）と略等しいため、かかるパルス幅の駆動波形を用いることが好ましいことが立証されている。
The experimental results show that the amount of discharged liquid is maximized when the
図９に示すものは、本発明のマイクロポンプ１を複数用いて、異なる液体を微少量かつ高精度に混合するためのマイクロポンプシステムである。つまり、複数のマイクロポンプ１の吸入側をそれぞれ異なる液体が蓄えられた容器１６に接続するとともに、排出側を混合液が蓄えられる同一の容器１７に接続し、それぞれのマイクロポンプ１の駆動を制御することによって、高精度に微少量の液体を混合する。これにより、化学分析装置等で用いられているマイクロポンプを小型化することができる。
What is shown in FIG. 9 is a micropump system for using a plurality of micropumps 1 of the present invention to mix different liquids with a minute amount and with high accuracy. That is, the suction sides of the plurality of micropumps 1 are connected to
図１０に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、前記図３や図７に示す実施の形態と異なる点は、ノズル４の向き（配置）が反対になっていることである。
FIG. 10 shows another embodiment of the present invention. The difference from the embodiment shown in FIGS. 3 and 7 is that the direction (arrangement) of the
この実施の形態では、ノズル４は液体を圧力室３からマイクロポンプ１外部に流出させる向きに流路抵抗が小さくなる構成とした。この場合、図中の矢印のごとく、開放部５側から圧力室３、ノズル４を経てマイクロポンプ１の外部へと液体が搬送される。動作原理については、前記図３や図７に示す実施の形態と同じである。
In this embodiment, the
図１１に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、前記流路（ノズル）４の向きが、前記複数の圧力室３において異なっているものである。
FIG. 11 shows another embodiment of the present invention, in which the flow paths (nozzles) 4 are different in the plurality of
この実施の形態では、図７に示すノズル４の配置と、図１０に示すノズル４の配置を、同一の流路基板２上に形成した構成である。これにより、チャンネル（圧力室３）を選択して駆動することで、双方向に液体を搬送することができる。なお、図中の矢印は、液体の搬送される向きを表している。
In this embodiment, the arrangement of the
この場合、吸入用チャンネルと排出用チャンネルの間に液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有するノズル１８を配置した圧力室３（ダミーのチャンネル）を設けることで、吸入用チャンネルと排出用チャンネルの相互干渉を防ぎ、安定した動作を得ることができる。
In this case, by providing the pressure chamber 3 (dummy channel) in which the
ここで、液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有するノズル１８とは、断面積が一様なノズルである。この液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有するノズル１８を配したダミーのチャンネルは、圧力室３を駆動した場合、ノズル１８を介しての液体の入出量が相殺されるため液体の搬送には寄与しないが、ダミーのチャンネルを吸入用チャンネルと排出用チャンネルの間に設けることで、相互干渉（クロストーク）を防ぐことができる。
Here, the
なお、本発明の各実施の形態では、アクチュエータ６として圧電体を用い、その圧電体として剪断モードのものを用いたが、これに限定されず、たとえば、撓みモード型，縦モード型等の他の圧電体や、静電アクチュエータ等のように、圧力室内に圧力を発生させることができる構成であればよい。 In each embodiment of the present invention, a piezoelectric body is used as the actuator 6 and a shear mode piezoelectric body is used. However, the present invention is not limited to this. For example, other than a bending mode type, a longitudinal mode type, etc. Any structure that can generate pressure in the pressure chamber, such as a piezoelectric body or an electrostatic actuator, may be used.
また、本実施の形態では、圧力室３が圧電体基板２内に形成され、圧電体からなる隔壁１２の変形によって直接的に液体に圧力を付与する構成になっているが、これに限定されず、アクチュエータ６は、従来技術のように振動板を有し、アクチュエータの変形を振動板に伝え、振動板を介して液体に圧力を付与する構成であってもよい。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施の形態では、液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路４が圧電体基板２に形成されている構成としたが、本発明はこれに限定されず、別の部材に形成されたものを接合させた構成であってもよい。たとえば、ポリイミドのシートにエキシマレーザーによって穴加工することによって、テーパー状の断面形状となることから、本発明のマイクロポンプに適用可能である。この場合の利点は、液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路を形成する上で、切削による機械加工と比べて、比較的加工精度がよいことである。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、圧力室３が拡張および縮小する構成であるが、拡張および縮小の双方が必須ではなく、拡張と中立（拡張前の状態）、或いは、縮小と中立（縮小前の状態）のみであっても、本発明を実現することができる。もっとも、圧力室３内における圧力変動が大きい程、洗浄液の流入量を多くすることができるため、本実施の形態のように、圧力室３が、拡張および収縮を繰り返す構成とすることがより好ましい。
In the present embodiment, the
なお、今回開示した上記実施の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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 In addition, the said embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、たとえば、医療、化学分析などに用いる微量流体供給装置に利用可能である。 The present invention can be used for, for example, a micro fluid supply device used for medical treatment, chemical analysis, and the like.
１ マイクロポンプ、２ 流路基板（圧電体基板）、３ 圧力室、４ 液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する流路（ノズル）、５ 開放部、６ アクチュエータ、７ 駆動装置、１６ 異なる液体を蓄える複数の容器、１７ 液体を混合するための容器、１８ 液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有する流路。 1 micro pump, 2 flow path substrate (piezoelectric substrate), 3 pressure chamber, 4 flow path (nozzle) having different flow path resistance depending on the flow direction of liquid, 5 open part, 6 actuator, 7 driving device, 16 different liquids A plurality of containers for storing liquid, 17 a container for mixing liquid, and 18 a flow path having the same flow path resistance regardless of the direction in which the liquid flows.
Claims (5)
前記流路基板に設けられた、一端部と他端部とを有し、前記他端部が開放部とされ、内部に液体を貯留する第１と第２圧力室と、
前記第１と第２圧力室の一端部にそれぞれ接続されるとともに、液体の流れる向きによって異なる流路抵抗を有する第１と第２流路と、
前記第１と第２圧力室内の液体に対して、前記一端部と前記他端部との間にわたって伝播する圧力波を発生させるアクチュエータとを備え、
前記第１圧力室と連通する前記第１流路の向きと、前記第２圧力室と連通する前記第２流路の向きとが異なっており、
前記第１と第２圧力室の間に、液体の流れる向きによらず同一の流路抵抗を有する第３流路が一端部に接続された第３圧力室を配置した、マイクロポンプ。 A flow path substrate;
First and second pressure chambers provided on the flow path substrate, having one end portion and the other end portion, the other end portion being an open portion, and storing liquid therein.
Is connected to one end portion of the first and second pressure chambers, a first and a second flow path having a flow path resistance that is different depending on the direction of flow of the liquids,
An actuator for generating a pressure wave propagating between the one end and the other end with respect to the liquid in the first and second pressure chambers ;
The direction of the first flow path communicating with the first pressure chamber is different from the direction of the second flow path communicating with the second pressure chamber;
A micropump in which a third pressure chamber having a third flow channel having the same flow channel resistance connected to one end thereof is disposed between the first and second pressure chambers regardless of the direction in which the liquid flows .
前記マイクロポンプが、請求項１〜４のいずれか一つに記載のマイクロポンプである、マイクロポンプシステム。 A micropump system including a plurality of containers for storing different liquids, a plurality of micropumps connected to each of the plurality of containers, and a container for mixing liquids conveyed via the plurality of micropumps Because
A micropump system, wherein the micropump is the micropump according to any one of claims 1 to 4 .
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