JP2014177932A

JP2014177932A - マイクロポンプの駆動装置

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Publication number: JP2014177932A
Application number: JP2013054216A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hayashi; 哲林; Zen Takamura; 禅高村
Original assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology; Komatsu Denshi KK
Current assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology; Komatsu Denshi KK
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】流体が流れる流路と、前記流路の上流側及び下流側に設けられた一対の弁と、が備られてなるマイクロポンプを駆動するための小型な駆動装置を提供する。
【解決手段】前記上流側の弁を駆動するための弁駆動用流体を流通させる弁駆動用流路１７が備られてなるマイクロポンプ１を駆動する駆動装置１００であって、前記弁駆動用流体が膨張圧縮されるシリンダ孔１０２とシリンダ孔１０２に連通するとともにマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７に接続される細管部１０４とが設けられてなるシリンダブロック１０５と、シリンダ孔１０２に挿抜自在に配置され、シリンダ孔１０２及び細管部１０４にある前記弁駆動用流体を膨張圧縮させるピストンピン１０６と、ピストンピン１０６を連続して挿抜させるピストン駆動機構１１０と、を具備してなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロポンプの駆動装置に関する。

近年、直径数μｍから数百μｍ程度の微細な流路に液体や気体を流通させて、化学的または生化学的な反応や物理化学的な分離操作を行うマイクロ流体デバイスの開発が積極的に進められている。

この種のマイクロ流体デバイスの移送流体を流す流体駆動装置としては、電気浸透流ポンプ、ピエゾアクチュエータポンプ、ぜん動運動ポンプ、逆止弁ポンプ等のマイクロポンプが知られている。

例えば特許文献１には、流路と、該流路の上流側及び下流側に設けられる一対の弁とを備え、上流側の弁は、第１の隔膜により流路と仕切られる第１の空間と、第１の隔膜の引き上げ及び押し下げを行う駆動手段と、第１の隔膜の離接により流路を開閉する流路内壁面の第１の凸部とを備え、第１の空間は第１の凸部よりも下流側に及び、また、下流側の弁は、第２の隔膜により流路と仕切られる第２の空間と、第２の隔膜の引き上げ及び押し下げを行う別の駆動手段と、第２の隔膜の離接により流路を開閉する流路内壁面の第２の凸部と、を備えたマイクロポンプが開示されている。一対の弁は、第１または第２の空間内にある弁駆動用流体を圧縮又は膨張させることにより、流路に対して弁を開放又は閉塞させるようになっている。

特許文献１に開示されているマイクロポンプにおいては、流路は流入口が上流側の弁よりも上流側に、流出口が下流側の弁よりも下流側に設けられており、第２の隔膜と第２の凸部とを接触させて流路を閉塞状態としたまま、制御手段により第１の隔膜を第１の空間の側に上げると、第１の隔膜と第１の凸部が離れて上流側の弁が開き、広げられた流路空間に移送流体が上流側から流入する。

特許第３９４７７９４号公報

しかしながら、従来のマイクロポンプは、上流側及び下流側の弁に対してそれぞれ空気等の弁駆動用流体の圧縮又は膨張させるための駆動手段として、弁駆動用流体の加圧手段と減圧手段をそれぞれ備えている必要があり、装置全体が大型になるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、小型なマイクロポンプの駆動装置を提供することを課題とする。

本発明のマイクロポンプの駆動装置は、流体が流れる流路と、前記流路の上流側及び下流側に設けられた一対の弁と、前記上流側の弁を駆動するための弁駆動用流体を流通させる弁駆動用流路と、が備られてなるマイクロポンプを駆動する駆動装置であって、前記弁駆動用流体が膨張圧縮されるシリンダ孔と前記シリンダ孔に連通するとともに前記マイクロポンプの前記弁駆動用流路に接続される細管部とが設けられてなるシリンダブロックと、前記シリンダ孔に挿抜自在に配置され、前記シリンダ孔及び前記細管部にある前記弁駆動用流体を膨張圧縮させるピストンピンと、前記ピストンピンを連続して挿抜させるピストン駆動機構と、を具備してなることを特徴とする。
上記マイクロポンプの駆動装置によれば、ピストンピンが挿入されると、シリンダ孔及び細管部にある弁駆動用流体が圧縮されると共に弁駆動用流路から上流側の弁に向けて押し出され、上流側の弁が加圧されて流路が閉塞される。一方、ピストンピンが抜出されると、シリンダ孔及び細管部にある弁駆動用流体が膨張し、上流側の弁が弁駆動用流路側に吸引されることで流路が開く。従って、ピストン駆動機構によるピストンピンの連続的な挿抜により、その挿抜に連動して上流側の弁が開閉する。

また、前記ピストン駆動機構は、回転軸を有する回転駆動源と、前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の偏心位置にあるクランクピンを有するクランク部材と、前記ピストンピンの基端部に取り付けられ、前記クランクピンが摺動自在に嵌め合わされる溝部が設けられてなるクランク受け部材とから構成され、前記クランクピンの偏心運動を、前記クランク受け部材を介して前記ピストンピンの前記シリンダ孔に対する挿抜運動に変換させるものであることが好ましい。
上記構成によれば、回転駆動源の回転軸が回転すると、クランク部材がこれに連動して回転し、クランクピンがクランク受け部材の溝部に接触した状態で回転軸を中心とした偏心運動を行う。クランク受け部材には溝部の長手方向に直交する方向の運動のみが伝わるので、溝部がピストンピンの挿抜方向に直交する方向に延在すれば、クランクピンの偏心運動がクランク受け部材を介してピストンピンのシリンダ孔に対する挿抜運動に変換される。また、回転駆動源の回転軸の回転がクランクピンの偏心運動を介してピストンピンの挿抜運動に変換されることにより、ピストンピンが精密に挿抜される。

更に、前記ピストン駆動機構には、前記クランク部材の外周面に設けられた突起部と、前記突起部の接近を検出する近接センサと、前記突起部が前記近接センサの最接近位置にあるときに前記回転駆動源を停止させる制御部とが備えられ、前記突起部は、前記ピストンピンが前記シリンダ孔の最挿入位置に対応する前記クランク材の前記外周面上の位置に設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、ピストンピンがシリンダ孔の再挿入位置にあるときに突起部が近接センサで検出される。従って、突起部の検出時にマイクロポンプの弁駆動用流路が細管部に連通すれば、ピストンピンのシリンダ孔に対する挿抜運動の開始時にマイクロポンプの上流側の弁が加圧されることなく必ず吸引される。

更にまた、本発明のマイクロポンプの駆動装置は、前記マイクロポンプを昇降させる昇降機構と、前記マイクロポンプの前記弁駆動用流路と前記シリンダブロックの前記細管部との位置合わせをする位置合わせ機構と、を具備してなることが好ましい。
上記構成によれば、マイクロポンプが駆動装置と離れた場所で製造又は操作されて駆動装置に搬送される場合でも、昇降機構及び位置合わせ機構によってマイクロポンプが正確な位置で昇降され、マイクロポンプの弁駆動用流路が細管部に連通される。

本発明によれば、マイクロポンプの上流側の弁のみに弁駆動用流路が設けられ、ピストン駆動機構によるピストンピンの連続的な挿抜により弁駆動用流路と弁駆動用流路に接続される細管部にある弁駆動用流体が膨張又は圧縮され、上流側の弁と下流側の弁を個別且つ自在に開閉できる。従って、小型なマイクロポンプの駆動装置が提供される。

本発明の実施形態に係るマイクロポンプの構成図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で矢視した場合の断面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動装置の構成図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は、側面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動装置において、マイクロポンプが所定の位置に向かって搬送されている状態を示す構成図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動装置において、マイクロポンプが所定の位置に搬送された状態を示す構成図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動装置において、マイクロポンプが上昇して弁駆動用流路と細管部が連通した状態を示す構成図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動方法を説明するための図であって、マイクロポンプの弁駆動用流路をシリンダブロックの細管部に連通させた後、ピストンピンの挿抜を行う前の状態におけるマイクロポンプとピストン駆動機構の側面図である。本発明の実施形態に係るマイクロポンプの駆動方法を説明するための図であって、（ａ）はピストンピンがシリンダ孔から抜出され、マイクロポンプに移送流体が供給された状態におけるマイクロポンプとピストン駆動機構の側面図であり、（ｂ）はピストンピンがシリンダ孔に挿入された状態におけるマイクロポンプとピストン駆動機構の側面図である。

以下、本発明の実施形態であるマイクロポンプの駆動装置について、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態のマイクロポンプの駆動装置（以下、単に駆動装置という）は、図１（ａ），（ｂ）に示すマイクロポンプ１を駆動するための装置である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、マイクロポンプ１は少なくとも、試験液、薬液等の移送流体（流体）が流れる流路１１と、流路１１の上流側及び下流側に設けられた一対の弁Ｂと、上流側の弁Ｂ１に弁駆動用流体を流通させる弁駆動用流路１７と、を備えている。具体的には、マイクロポンプ１は、板面Ｐ１に凹部１５ａ，１５ｂ，１５ｃと第１及び第２の凸部１２ａ，１２ｂを備えた第１の基板Ｌ１と、板面Ｐ３に凹部１８ａ，１８ｂと弁駆動用流路１７を備えた第２の基板Ｌ３とを、薄膜１６を介して各基板の凹部１５，１８を対向させて貼り合わせてなるものである。

図１（ｂ）に示すように、第１の基板Ｌ１の板面Ｐ１には、凹部１５ａ，１５ｂ，１５ｃが移送流体の移送方向に直線状に並べられ、間隔をあけて順次形成されている。流路１１は、凹部１５ａ，１５ｂ，１５ｃのそれぞれの内部空間からなる流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成されている。上流側の凹部１５ａと下流側の凹部１５ｃは、一定の幅及び深さの溝である。凹部１５ａと凹部１５ｃとの間に設けられる凹部１５ｂは、凹部１５ａ，１５ｃと同一の幅及び深さの溝であってもよいが、移送流体の移送を円滑に行う点から、凹部１５ａ，１５ｃよりも幅広い溝であることが好ましい。凹部１５ａ，１５ｂの下流側の端部は、平面視において先端が尖形となっている。凹部１５ａ，１５ｂの間の第１の基板Ｌ１は流路１１ａ，１１ｂの間を隔てる第１の凸部１２ａをなし、凹部１５ｂ，１５ｃの間の第１の基板Ｌ１は流路１１ｂ，１１ｃの間を隔てる第２の凸部１２ｂをなしている。

第２の基板Ｌ３の板面Ｐ３には、上流側の弁Ｂ１の第１の空間１３ａを形成する凹部１８ａと、下流側の弁Ｂ２の第２の空間１３ｂを形成する凹部１８ｂとが設けられている。図１（a）に示すように、凹部１８ａは、平面視において流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃよりも幅広く、流路１１に沿って細長く形成されている。また、上流側から下流側に向けて尖形となっている。

第１及び第２の基板Ｌ１，Ｌ３は、微細な溝や貫通孔等を形成可能な材質で構成されていればよく、例えばアクリル樹脂やシリコンゴム等からなる。

薄膜１６は、可とう性を有し、第１及び第２の基板Ｌ１，Ｌ３と容易に貼り合わせ可能な材質で構成されていればよく、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の熱硬化性樹脂からなる。

マイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１は、第１の空間１３ａと、第１の空間１３ａと流路１１とを仕切る第１の隔膜１６ａと、第１の隔膜１６ａの離接又は当接により流路１１を開閉する第１の凸部１２ａと、を備えている。第１の隔膜１６ａは、マイクロポンプ１の中間層として配される薄膜１６のうち、第１の空間１３ａと流路１１に挟まれている部分からなる。第１の空間１３ａの上流側端部は、第１の凸部１２ａよりも上流側に延在し、下流側端部は第１の凸部１２ａよりも下流側に延在し、且つ、第２の空間１３ｂに近接している。

マイクロポンプ１の下流側の弁Ｂ２は、第２の空間１３ｂと、第２の空間１３ｂと流路１１とを仕切る第２の隔膜１６ｂと、第２の隔膜１６ｂの離接又は当接により流路１１を開閉する第２の凸部１２ｂと、を備えている。第２の隔膜１６ｂは、マイクロポンプ１の中間層として配される薄膜１６のうち、第２の空間１３ｂと流路１１に挟まれている部分からなる。第２の空間１３ｂの上流側端部は、第２の凸部１２ｂよりも上流側に延在し、下流側端部は第２の凸部１２ｂよりも下流側に延在している。

第１の隔膜１６ａの引き上げと押し下げによる流路１１の体積変化量が、上流側の弁Ｂ１の一サイクルあたりの移送流体の吐出量となる。従って、流路１１の体積や第１の空間１３ａの体積が増減されることにより、上流側の弁Ｂ１の一サイクルあたりの移送流体の吐出量が調整される。例えば、流路１１ｂの幅が流路１１ａ，１１ｃの幅よりも広く形成されることにより、上流側の弁Ｂ１の一サイクルあたりの移送流体の吐出量が調整される。

弁駆動用流路１７は、一対の弁Ｂをそれぞれ開閉する際の弁駆動用流体の通路として形成されている。具体的には、第２の基板Ｌ３の板面Ｐ３の反対側の面から凹部１８ａに貫通するように形成されている。本実施形態の駆動装置では、平面視において、移送流体の移送方向に沿って、上流側の弁Ｂ１の上流側端部と第１の凸部１２ａとの距離が第１の凸部１２ａと上流側の弁Ｂ１の下流側端部との距離の約半分になるように第１の基板Ｌ１と第２の基板Ｌ３とが貼り合わされている。そして、弁駆動用流路１７は、平面視において、移送流体の移送方向に沿って、第１の凸部１２ａと上流側の弁Ｂ１の下流側端部との略中間位置に設けられている。

続いて、上記説明したマイクロポンプ１を駆動させるための駆動装置について説明する。なお、本実施形態では、弁駆動用流体は空気であるものとする。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、駆動装置１００は、シリンダ孔１０２及び細管部１０４が設けられてなるシリンダブロック１０５と、シリンダ孔１０２に挿抜自在に配置され、シリンダ孔１０２及び細管部１０４にある弁駆動用流体を膨張圧縮させるピストンピン１０６と、ピストンピン１０６を連続して挿抜させるピストン駆動機構１１０と、を備えている。

図２（ａ）に示すように、シリンダ孔１０２は、ピストンピン１０６を最挿入位置に挿入した際にピストンピン１０６の基端部１０６ｘがシリンダブロック１０５の外部に延出するようにシリンダブロック１０５に形成されており、少なくとも弁駆動用流体が膨張圧縮される空間をなす。ピストンピン１０６の基端部１０６ｘには、ピストン駆動機構１１０が接続されている。

図２（ｂ）に示すように、細管部１０４は、シリンダ孔１０２に連通するとともにマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７に接続されている。細管部１０４の基端部１０４ｘは、シリンダ孔１０２の先端部１０２ｚに連通している。図２（ｂ），（ｃ）に示すように、細管部１０４は、シリンダ孔１０２の長手方向と同一方向に延在し、その途中でマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７に向かって曲げられている。細管部１０４の先端部１０４ｚは、マイクロポンプ１と対向するシリンダブロック１０５の一面１０５ｂに達している。

接続管１２０は、基端部１２０ｘが細管部１０４の先端部１０４ｚを包み、先端部１２０ｚがシリンダブロック１０５の一面１０５ｂからマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７に向かって突出するように、シリンダブロック１０５に設けられている。接続管１２０は合成樹脂等の材質から構成されており、細管部１０４の先端部１０４ｚを円滑且つ確実に弁駆動用流路１７と連通させる。

弁駆動用流路１７及び細管部１０４の体積で弁駆動用流体の膨張圧縮前の標準体積が決まり、シリンダ孔１０２の体積で弁駆動用流体の膨張圧縮率が決まるため、細管部１０４及びシリンダ孔１０２の長さや直径はマイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１に対する加圧・吸引量に応じて設定されることが好ましい。

ピストンピン１０６の形状及び構造は、その先端部１０６ｚの移動により弁駆動用流路１７及び細管部１０４の弁駆動用流体を膨張圧縮できれば、特に限定されない。図２（ａ），（ｂ）にはピストンピン１０６の一例を図示しており、ピストンピン１０６の先端部１０６ｚには弁駆動用流体を細管部１０４及びシリンダ孔１０２の先端に閉じ込めるためのパッキン（図示略）が取り付けられている。

ピストンピン１０６を挿抜するピストン駆動機構１１０は、図２（a），（ｂ）に示すように、回転軸１１１を有する回転駆動源１１２と、回転軸１１１に取り付けられ、回転軸１１１の偏心位置にあるクランクピン１１５を有するクランク部材１１４と、ピストンピン１０６の基端部１０６ｘに取り付けられ、クランクピン１１５が摺動自在に嵌め合わされる溝部１１７が設けられてなるクランク受け部材１１６と、を備えている。

回転駆動源１１２には、例えばギヤードモーター等の回転機能を有するモーターが用いられる。ギヤードモーターは、多段のピニオン及びギヤーから構成される歯車装置にモーターを取り付けたものであり、図示しない電源からの電気でモーターを回転させ、その力を第１段ピニオン、第１段ギヤー、第２段ピニオン、第２段ギヤーに順次伝え、歯車装置の出力軸から回転数を落とし且つ増幅させた力を取り出すことができる。回転軸１１１は、回転駆動源１１２の出力軸として装着されている。

クランク部材１１４は、その回転中心軸が回転軸１１１の回転中心軸と同一直線上に位置するように、回転軸１１１の先端に取り付けられている。クランクピン１１５は、回転軸１１１を中心として周回運動可能となるように回転軸１１１の偏心位置に配置されている。

クランク受け部材１１６の溝部１１７は、クランクピン１１５の周回面においてピストンピン１０６の挿抜方向に直交する方向に延在している。従って、溝部１１７に嵌入しているクランクピン１１５がクランク部材１１４の回転により溝部１１７で摺動することにより、クランク受け部材１１６はピストンピン１０６の挿抜方向に動く。

上記説明した回転軸１１１、回転駆動源１１２、クランク部材１１４、クランクピン１１５、溝部１１７を有するクランク受け部材１１６の構成によれば、回転駆動源１１２により回転軸１１１が回転すると、クランク部材１１４の回転に伴ってクランクピン１１５が偏心運動を行う。クランクピン１１５の偏心運動は、クランク受け部材１１６を介してピストンピン１０６のシリンダ孔１０２に対する挿抜運動に変換される。前述のように、回転駆動源１１２に低速高出力のギヤードモーターが用いられれば、ピストンピン１０６の挿抜運動が高精度に制御される。

本実施形態のピストン駆動機構１１０においては、クランク部材１１４の外周面１１４ｒに突起部１２１が設けられている。また、突起部１２１の接近を検出可能な近接センサ１２２と、近接センサ１２２からの突起部１２１の接近に関する情報を受信する制御部（図示略）が設けられている。突起部１２１は、例えば金属ネジ等の部品からなり、ピストンピン１０６がシリンダ孔１０２の最挿入位置に挿入された状態で近接センサ１２２と対向する。なお、突起部１２１及び近接センサ１２２は、ピストンピン１０６がシリンダ孔１０２に対して最挿入位置にあることを検知し、制御部が回転駆動源１１２を停止できる、即ちピストンピン１０６の挿入を停止できれば、図２に示す構成及び形状に限定されない。

本実施形態の駆動装置１００は、上記説明したピストン駆動機構１１０に加えて、マイクロポンプ１の搬送機構１３１と、搬送機構１３１を昇降させることによりマイクロポンプ１を昇降させる昇降機構１３６と、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７とシリンダブロック１０５の細管部１０４との位置合わせをする位置合わせ機構１３８と、を備えている。

搬送機構１３１は、ピストン駆動機構１１０から離れた場所でマイクロポンプ１が製造される、又は、マイクロポンプ１の一対の弁Ｂの開閉以外の操作がなされる場合に、マイクロポンプ１をピストン駆動機構１１０に搬送するために設けられている。具体的には、搬送機構１３１は、マイクロポンプ１が搬送される稼動部１３２と、稼動部１３２を支持する支柱１３４及び土台１３５から構成されている。支柱１３４は、昇降機構１３６により稼動部１３２が昇降する際に伸縮する高さ調節機構（図示略）を備えている。

稼動部１３２は、マイクロポンプ１を設置する移動ステージ１３２ｍと、移動ステージ１３２ｍが摺動自在に嵌め合わされるレール１３２ｓと、を備えている。レール１３２ｓの底部には、昇降機構１３６が段部１３３付近のレール１３２ｓの底面に沿って動く際に稼動部１３２を昇降可能とする凸部１３２ｄが設けられている。凸部１３２ｄの高さは、弁駆動用流路１７と細管部１０４との接続が解除されている状態における接続管１２０の先端部１２０ｚとマイクロポンプ１との間隔に等しく設定されている。

昇降機構１３６は、稼動部１３２の延在方向に移動可能とする車輪１４１と、稼動部１３２のレール１３２ｓの底面に当接する車輪１４２と、を備えている。また、昇降機構１３６は、土台１３５と稼動部１３２のレール１３２ｓとの間に介在し、稼動部１３２を支持している。昇降機構１３６が土台１３５とレール１３２ｓに設けられた凸部１３２ｄとの間に介在している場合は、稼動部１３２が持ち上げられ、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７とシリンダブロック１０５の接続管１２０が連通し、弁駆動用流路１７がシリンダブロック１０５の細管部１０４に接続される。昇降機構１３６が土台１３５と凸部１３２ｄの形成箇所以外のレール１３２ｓとの間に介在している場合は、稼動部１３２が下降し、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７は接続管１２０から離れて、弁駆動用流路１７と細管部１０４との接続が解除される。

位置合わせ機構１３８は、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７とシリンダブロック１０５の細管部１０４が接続状態となる位置で稼動部１３２の移動ステージ１３２ｍを固定するために設けられている。なお、図２（ａ）〜（ｃ）には、移動ステージ１３２ｍの稼動方向において移動ステージ１３２ｍの位置を決める位置合わせ機構１３８を例示しているが、駆動装置１００には、位置合わせ機構１３８の他に、移動ステージ１３２ｍの稼動方向に直交する方向において弁駆動用流路１７の細管部１０４に対する相対位置を調整する位置合わせ機構が設けられていてもよい。

次いで、本実施形態の駆動装置１００を用いてマイクロポンプ１を駆動する方法（以下、単に駆動方法という）について説明する。本実施形態の駆動方法では、図３（ａ），（ｂ）に示すように、昇降機構１３６が土台１３５と凸部１３２ｄの形成箇所以外のレール１３２ｓとの間に介在している状態を初期状態として説明する。

先ず、図４（ａ），（ｂ）に示すように、稼動部１３２の移動ステージ１３２ｍの所定の位置にマイクロポンプ１を設置する。その後、移動ステージ１３２ｍを長手方向にスライドさせ、平面視においてマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７がシリンダブロック１０５の細管部１０４に重なる位置（以降、この位置を接続位置という）にマイクロポンプ１を搬送する。この際、移動ステージ１３２ｍは位置合わせ機構１３８に当接し、固定される。

マイクロポンプ１が接続位置に搬送された状態における、ピストンピン１０６のシリンダ孔１０２に対する位置を初期位置（最挿入位置、最接近位置）Ｐ_０とする。ピストンピン１０６の初期位置Ｐ_０は、特に制限されるものではない。マイクロポンプ１の駆動における初段階でピストンピン１０６をシリンダ孔１０２に挿入することによるマイクロポンプ１における移送流体の逆流発生を防ぐ点から、ピストンピン１０６の初期位置Ｐ_０はシリンダ孔１０２に対する最挿入位置とすることが好ましい。このようにピストンピン１０６の初期位置Ｐ_０を設定すると、突起部１２１が近接センサ１２２に再接近するため、近接センサ１２２でピストンピン１０６が初期位置Ｐ_０にあることを検出できる。

次に、図示しないレバー等を用いて、昇降機構１３６をレール１３２ｓの段部１３３を跨ぐように移動ステージ１３２ｍの長手方向と平行な方向に動かし、土台１３５とレール１３２ｓの凸部１３２ｄとの間に挟持させる。これにより、図５（ａ），（ｂ）に示すように、稼動部１３２及びマイクロポンプ１が上昇し、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７の先端部１７ｚとシリンダブロック１０５の細管部１０４の先端部１２０ｚが当接する。即ち、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７が接続管１２０を介して細管部１０４に接続される。

図６は、弁駆動用流路１７が細管部１０４に連通した状態におけるマイクロポンプ１と駆動装置１００の側面図である。但し、図６及び図７においては、駆動装置１００のうち、ピストン駆動機構１１０以外の構成要素の図示は省略する。図６に示すように、ピストンピン１０６が初期位置Ｐ_０にある状態では、マイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１の第１の隔膜１６ａは第１の凸部１２ａに当接し、下流側の弁Ｂ２の第２の隔膜１６ｂは第２の凸部１２ｂに当接している。即ち、マイクロポンプの上流側及び下流側の弁Ｂ１，Ｂ２は閉じている。

次に、ピストン駆動機構１１０の回転駆動源１１２により回転軸１１１を回転させる。回転軸１１１の回転速度は、マイクロポンプ１の隔膜１６の可とう性を勘案して調整することが好ましい。図７（ａ）に示すように、回転軸１１１の回転により、クランクピン１１５は、偏心運動を行い、ピストン駆動機構１１０の側面方向から見た場合において例えば位置Ｐ_２から位置Ｐ_３に移動する。これにより、クランク受け部材１１６がピストンピン１０６を抜出する方向に動くため、ピストンピン１０６がシリンダ孔１０２から抜出され、ピストンピン１０６の先端部１０６ｚが初期位置Ｐ_０からピストン駆動機構１１０側の位置（以降、抜出位置という）Ｐ_１に移動する。クランク部材１１４の突起部１２１は、ピストンピン１０６の抜出前の位置に対して回転軸１１１を挟んで反対側に移動するため、近接センサ１２２で検出されない。

ピストンピン１０６の抜出位置Ｐ_１は特に制限されるものではない。回転駆動源１１２の消費電力を無駄にしない点から、第１の隔膜１６ａが弁駆動用流路１７に吸引されて、持ち上げられることによる流路１１の拡大体積が最大となるようにピストンピン１０６が最小限抜出された位置とすることが好ましい。

ピストンピン１０６が抜出されると、弁駆動用流路１７及び細管部１０４に閉じ込められていた弁駆動用流体が初期位置Ｐ_０と抜出位置Ｐ_１との間のシリンダ孔１０２の空間１０２ｑまで膨張する。弁駆動用流体の膨張により、図７（ａ）に示すように、マイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１の第１の隔膜１６ａが弁駆動用流路１７に吸引されて第１の空間１３ａ側に引き上げられ、第１の隔膜１６ａと第１の凸部１２ａが離れて上流側の弁Ｂ１が開き、流路１１ａと流路１１ｂが連通する。

次に、流路１１ａに移送流体Ｆを供給する。第１の隔膜１６ａが第１の空間１３ａ側に引き上げられているため、移送流体Ｆは第１の凸部１２ａを越えて流路１１ｂに移送される。ピストンピン１０６の初期位置Ｐ_０をシリンダ孔１０２に対する最挿入位置で設定すれば、このようにピストンピン１０６のシリンダ孔１０２に対する挿抜運動の開始時に上流側の弁Ｂ１が必ず弁駆動用流路１７に吸引される。このとき、下流側の弁Ｂ２において第２の隔膜１６ｂは第２の凸部１２ｂに当接しているため、移送流体Ｆは流路１１ｃには移送されない。

次に、ピストン駆動機構１１０の回転駆動源１１２により回転軸１１１をピストンピン１０６の抜出時とは逆方向に回転させる。回転軸１１１の回転速度は、マイクロポンプ１の隔膜１６の可とう性及び移送流体Ｆの粘性等を勘案して調整することが好ましい。図７（ｂ）に示すように、回転軸１１１の回転により、クランクピン１１５は、ピストンピン１０６の抜出時とは逆方向に偏心運動を行い、ピストン駆動機構１１０の側面方向から見場合において例えば位置Ｐ_３から位置Ｐ_２に移動する。これにより、クランク受け部材１１６がピストンピン１０６を挿入する方向に動くため、ピストンピン１０６がシリンダ孔１０２に挿入され、ピストンピン１０６の先端部１０６ｚが抜出位置Ｐ_１から初期位置Ｐ_０に移動する。このとき、クランク部材１１４の突起部１２１が再び近接センサ１２２に対向し、近接センサ１２２でピストンピン１０６が初期位置Ｐ_０にあることを検出できるため、ピストンピン１０６を必要以上にシリンダ孔１０２に挿入して回転駆動源１１２に負荷をかけることはない。

流路１１ａ，１１ｂに移送流体Ｆが満ちている状態で、ピストンピン１０６が挿入されると、弁駆動用流路１７、細管部１０４及び空間１０２ｑに渡って膨張していた弁駆動用流体が弁駆動用流路１７及び細管部１０４に圧縮されると共に、弁駆動用流路１７から上流側の弁Ｂ１に向けて押し出される。これにより、図７（ｂ）に示すように、マイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１が加圧され、第１の隔膜１６ａが第１の凸部１２ａに当接すると共に流路１１ｂの上流側の底面に押し付けられる。これにより、上流側の弁Ｂ１が閉じられるため、移送流体Ｆは上流側に逆流しない。同時に、第１の隔膜１６ａの引き上げと押し下げによる流路１１の体積変化分の移送流体Ｆは下流側に押し流されると共に、第２の凸部１２ｂと当接していた下流側の弁Ｂ２の第２の隔膜１６ｂを押し上げて下流側の弁Ｂ２を開き、第２の凸部１２ｂと第２の隔膜１６ｂとの間に隙間を形成しながら下流方向に移送される。

上記説明したピストン駆動機構１１０によるピストンピン１０６の抜出及び挿入により、弁駆動用流体を膨張圧縮させて弁駆動用流路１７からのマイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１への加圧及び吸引を操作し、上流側の弁Ｂ１を自在に開閉できる。また、流路１１ａ，１１ｂに移送流体Ｆを供給した状態で上流側の弁Ｂ１を閉じることにより、下流側へ押し流される移送流体Ｆの力を利用して下流側の弁Ｂ２を開けることができる。

以上説明した本実施形態のマイクロポンプ１の駆動装置１００では、ピストンピン１０６が挿入されると、シリンダ孔１０２及び細管部１０４にある弁駆動用流体が圧縮されると共に弁駆動用流路１７から上流側の弁Ｂ１に向けて押し出され、上流側の弁Ｂ１が加圧されて流路１１が閉塞される。一方、ピストンピン１０６が抜出されると、シリンダ孔１０２及び細管部１０４にある弁駆動用流体が膨張し、上流側の弁Ｂ１が弁駆動用流路１７側に吸引されることで流路１１が開く。従って、ピストン駆動機構１１０によるピストンピン１０６の連続的な挿抜により、その挿抜に連動して上流側の弁Ｂ１を自在に開閉できる。このようにピストンピン１０６の連続的な挿抜によって、弁駆動用流路１７と弁駆動用流路１７に接続される細管部１０４にある弁駆動用流体を容易に膨張圧縮させ、上流側の弁Ｂ１と下流側の弁Ｂ２を個別且つ自在に開閉できる。

本発明では、マイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１の１箇所に弁駆動用流路１７が設けられ、且つ、細管部１０４及びシリンダ孔１０２を備えたシリンダブロック１０５とピストンピン１０６との簡易な構成により弁駆動用流路１７を介しての上流側の弁Ｂ１への加圧及び吸引を行うため、マイクロポンプ１の駆動装置１００を小型化できる。

また、本実施形態のピストン駆動機構１１０によれば、回転駆動源１１２の回転軸１１１が回転すると、クランク部材１１４が回転軸１１１に連動して回転し、クランクピン１１５がクランク受け部材１１６の溝部１１７に接触した状態で回転軸１１１を中心とした偏心運動を行う。クランク受け部材１１６には溝部１１７の長手方向に直交する方向の運動のみが伝わるので、溝部１１７がピストンピン１０６の挿抜方向に直交する方向に延在すれば、クランクピン１１５の偏心運動がクランク受け部材１１６を介してピストンピン１０６のシリンダ孔１０２に対する挿抜運動に変換される。また、回転駆動源１１２の回転軸１１１の回転がクランクピン１１５の偏心運動を介してピストンピン１０６の挿抜運動に変換されることにより、ピストンピン１０６が精密に挿抜される。

更に、本実施形態のピストン駆動機構１１０においては、ピストンピン１０６がシリンダ孔１０２に対して再挿入位置にあるときに突起部１２１が近接センサ１２２で検出される。従って、突起部１２１の検出時にマイクロポンプ１の弁駆動用流路１７を細管部１０４に連通させれば、ピストンピン１０６のシリンダ孔１０２に対する挿抜運動の開始時にマイクロポンプ１の上流側の弁Ｂ１が加圧されることなく必ず吸引される。これにより、移送流体Ｆの上流側への逆流発生を防止できる。

更にまた、本実施形態の駆動装置１００によれば、駆動装置１００と離れた場所でマイクロポンプ１が製造又は移送流体Ｆの供給以外の操作がなされて駆動装置１００に搬送される場合であっても、昇降機構１３６及び位置合わせ機構１３８によってマイクロポンプ１を正確な位置で昇降させて、マイクロポンプ１の弁駆動用流路１７をシリンダブロック１０５の細管部１０４に連通させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１…マイクロポンプ、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…流路、１７…弁駆動用流路、１００…駆動装置（マイクロポンプの駆動装置）、１０２…シリンダ孔、１０４…細管部、１０４ｘ，１０６ｘ，１２０ｘ…基端部、１０５…シリンダブロック、１０６…ピストンピン、１１０…ピストン駆動機構、１１１…回転軸、１１２…回転駆動源、１１４…クランク部材、１１４ｒ…外周面、１１５…クランクピン、１１６…クランク受け部材、１１７…溝部、１２１…突起部、１２２…近接センサ、１３６…昇降機構、１３８…位置合わせ機構、Ｂ…一対の弁、Ｂ１…上流側の弁、Ｂ２…下流側の弁、Ｆ…移送流体（流体）、Ｐ_０…初期位置（最挿入位置，最接近位置）

Claims

流体が流れる流路と、前記流路の上流側及び下流側に設けられた一対の弁と、前記上流側の弁を駆動するための弁駆動用流体を流通させる弁駆動用流路と、が備られてなるマイクロポンプを駆動する駆動装置であって、
前記弁駆動用流体が膨張圧縮されるシリンダ孔と前記シリンダ孔に連通するとともに前記マイクロポンプの前記弁駆動用流路に接続される細管部とが設けられてなるシリンダブロックと、
前記シリンダ孔に挿抜自在に配置され、前記シリンダ孔及び前記細管部にある前記弁駆動用流体を膨張圧縮させるピストンピンと、
前記ピストンピンを連続して挿抜させるピストン駆動機構と、
を具備してなるマイクロポンプの駆動装置。
前記ピストン駆動機構は、
回転軸を有する回転駆動源と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の偏心位置にあるクランクピンを有するクランク部材と、
前記ピストンピンの基端部に取り付けられ、前記クランクピンが摺動自在に嵌め合わされる溝部が設けられてなるクランク受け部材とから構成され、
前記クランクピンの偏心運動を、前記クランク受け部材を介して前記ピストンピンの前記シリンダ孔に対する挿抜運動に変換させるものであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプの駆動装置。
前記ピストン駆動機構には、
前記クランク部材の外周面に設けられた突起部と、前記突起部の接近を検出する近接センサと、前記突起部が前記近接センサの最接近位置にあるときに前記回転駆動源を停止させる制御部とが備えられ、前記突起部は、前記ピストンピンが前記シリンダ孔の最挿入位置に対応する前記クランク材の前記外周面上の位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプの駆動装置。
前記マイクロポンプを昇降させる昇降機構と、
前記マイクロポンプの前記弁駆動用流路と前記シリンダブロックの前記細管部との位置合わせをする位置合わせ機構と、
を具備してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のマイクロポンプの駆動装置。