JP2020002878A - マイクロポンプおよび流体移送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分析装置や医療関連など微少量の気体や液体、特に液体を供給する電子機器に用い、小型で流量制御及び信頼性に優れ、騒音、振動の低減された電子機器を提供する。【解決手段】マイクロポンプ１は、ダイヤフラム２と、駆動素子３と、流路部材６と、を有するマイクロポンプ１であって、流路部材６は、ダイヤフラム２に面したポンプ室４と、ポンプ室４と繋がっている第１流路５ａと、ポンプ室４と第１流路５ａとの間に配置されており、流体を第１流路５ａからポンプ室４に流す第１弁８ａと、ポンプ室４と繋がっている第２流路５ｂと、ポンプ室４と第２流路５ｂとの間に配置されており、流体をポンプ室４から前記第２流路５ｂに流す第２弁８ｂと、を含んでおり、ポンプ室４の深さは、第１流路５ａに繋がっている第１開口部７ａの配置されている部分から第２流路５ｂと繋がっている第２開口部７ｂの配置されている部分に向かって浅くなっている。【選択図】図１

Description

本開示は、マイクロポンプおよび流体移送装置に関するものである。

従来、ごく微少量の流体を移送するための種々のマイクロポンプが検討されている。マイクロポンプは、分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）において、気体や液体の微量供給用途や、電子機器の放熱・冷却用途に用いられる。

たとえば、特許文献１では、金属製の振動板に圧電体を貼り合わせたダイヤフラムと、ポンプ室と、ポンプ室のダイヤフラムと対向する位置に逆止弁を有する吸入部および排出部を有する流体ポンプが開示されている。

特開２００５−２４８７１３号公報

本開示のマイクロポンプは、ダイヤフラムと、駆動素子と、流路部材と、を有するマイクロポンプであって、前記流路部材は、前記ダイヤフラムに面したポンプ室と、該ポンプ室と繋がっている第１流路と、前記ポンプ室と前記第１流路との間に配置されており、流体を前記第１流路から前記ポンプ室に流す第１弁と、前記ポンプ室と繋がっている第２流路と、前記ポンプ室と前記第２流路との間に配置されており、流体を前記ポンプ室から前記第２流路に流す第２弁と、を含んでおり、前記ポンプ室の深さは、前記第１流路に繋がっている第１開口部の配置されている部分から前記第２流路と繋がっている第２開口部の配置されている部分に向かって浅くなっている。

本開示の流体移送装置は、上記のマイクロポンプと、前記駆動素子を駆動させる駆動回路と、を備えている。

マイクロポンプを模式的に示したもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面の断面図である。 マイクロポンプを模式的に示す平面図である。 弁部材の平面図である。 圧電素子を模式的に示す断面図である。

＜マイクロポンプ＞
図１（ａ）は、マイクロポンプ１の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面の一部を示す断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面の一部を示す断面図である。マイクロポンプ１は、ダイヤフラム２と、駆動素子３と、流路部材６を備えている。流路部材６は、ポンプ室４と、第１流路５ａと、第２流路５ｂと、を備えている。

流路部材６は、ポンプ室４を含む第１部材６ａと、第１流路５ａと、第２流路５ｂとを含む第２部材６ｃと、第１部材６ａと第２部材６ｂとの間に配置されている弁部材６ｂとを含んでいる。弁部材６ｂについては後述する。

ダイヤフラム２の一方の面上には駆動素子３が配置され、他方の面には流路部材６が配置されている。ポンプ室４は、ダイヤフラム２の他方の面である第１壁部４ａと、当該第１壁部４ａに対向する流路部材６の第２壁部４ｂ、および第１壁部４ａと第２壁部４ｂとを繋ぐ第３壁部４ｃにより構成される。なお、本実施形態では、１壁部４ａと第２壁部４ｂとが、第３壁部４ｃを介さずに繋がっている部分があるが、そのような部分はあってよいし、なくてもよい。

第１流路５ａは、ポンプ室４の第２壁部４ｂ側に配置された第２部材６ｃに設けられ、ポンプ室４の第２壁部４ｂに設けられている第１開口部７ａに繋がっている。第１流路５ａとポンプ室４との間には第１弁８ａが設けられている。第１弁８ａは、第１流路５ａからポンプ室４へと流体を流し、ポンプ室４から第１流路５ａへと流体が流れるのを止めるものである。ただし、逆向きの流体の流れを完全に止めるものでなくても、一方の方向の流体の流れが、逆方向の流体の流れよりも流れ難くなるものでもよい。

第１弁８ｂの弁は、弁部材８ｃの一部で構成されており、円形状の弁板６ｂａと、弁板６ｂａを支えている継ぎ手６ｂｂで構成されている。弁部材８ｃ単体の状態では、弁板６ｂａは、継ぎ手６ｂｂが変形することで、弁部材８ｃに対して上方および下方に変位可能になっている。

弁板６ｂａのポンプ室４側には、開口が設けられており、その開口は、弁板６ｂａよりも大きなっている。これにより、弁板６ｂａはポンプ室４側に変位できるようになっている。弁板６ｂａの第１流路５ａ側には、開口が設けられており、その開口は、弁板６ｂａよりも小さくなっている。これにより、弁板６ｂａは、第１流路５ａ側に変位しないようになっている。ポンプ室４から第１流路５ａへと流体の流れがあった場合、弁板６ｂａは、第１流路５ａ側の開口を塞ぐので、ポンプ室４から第１流路５ａには、流体はあまり流れなくなる。流体の流れがない場合、あるいは弁板６ｂａの変位がない場合に、弁板６ｂａは、第１流路５ａ側の開口を塞いでいてもよいし、塞いでいなくてもよいが、第１流路５ａ側の開口を塞いでいれば、流体の流れが生じて開口が塞がれるまでの流体の通過が少なくできる。

第２流路５ｂは、ポンプ室４の第２壁部４ｂ側に配置された第２部材６ｃに設けられ、ポンプ室４の第２壁部４ｂに設けられている第２開口部７ｂに繋がっている。第２流路５ｂとポンプ室４との間には第２弁８ｂが設けられている。第２弁８ｂは、ポンプ室４から第２流路５ｂへと流体を流し、第２流路５ｂからポンプ室４へと流体が流れるのを止めるものである。第２弁８ｂは、前後にある開口の大きさの関係が逆になっており、流体の流れる方向が逆になる以外は、第１弁８ａと同様であるので説明を省略する。

駆動素子３によりダイヤフラム２が変形し、ポンプ室４の体積が大きくなると、流体は第１流路５ａを通ってポンプ室４に導入される。一方、第２流路５ｂ側からは、第２弁８ｂがあるため、流体はほとんど導入されない。駆動素子３によりダイヤフラム２が変形し、ポンプ室４の体積が小さくなると、ポンプ室４の流体の一部は、第２流路５ｂを通って吐出される。一方、第１流路５ａ側には、第１弁８ａあるため、液体はほとんど吐出されない。

ポンプ室４の深さは、第１流路５ａに繋がっている第１開口部７ａの配置されている部分から第２路５ｂと繋がっている第２開口部７ｂの配置されている部分に向かって浅くなっている。これにより、移送する流体以外に、混入した流体がポンプ室４に入ってきた際に、混入した流体を早く吐出し、移送する流体の移送を効率よく続けることができる。具体的は、ポンプ室４の第１面４ａが、変位するダイヤフラム２であり、ダイヤフラム２か
ら第１開口部７ａまでの距離が近くなるので、移送する流体および混入した液体の両方が吐出され易くなる。

移送する流体は、例えば水や有機溶媒、あるいは、それらに何かを溶かしたり、分散させたものである。混入した流体とは、例えば空気なので気体である。つまり、液体を移送中に外部から気泡が入ってきたり、温度変化などのより液体から気泡が発生した場合に、気泡を速やかに排出できる。気泡は、少量であれば、球形になる。球の直径がポンプ室４の深さと同程度であれば、第１開口部７ａからに排出され易い。つまり、第１開口部７ａのポンプ室４の深さが浅ければ、気泡が小さくても排出され易い。ダイヤフラム２が上になった状態で使用されると、気泡が排出され難くなるが、そのような状態であっても、第１開口部７ａのポンプ室４の深さが浅ければ、排出され易い。一般に、移送する流体よりも、密度の低い流体が混入した場合も、排出され易い。また、最初に空気などの気体が入った状態から動作させた場合に、気体が排出されて、液体のみが移送される定常状態に早く移行できる。

なお、ポンプ室４の深さとは、第１開口部７ａおよび第２開口部７ｂの配置されている第２壁部４ｂと対向している第１壁部４ａから、第２壁部４ｂまでの距離であり、第１壁部４ａに直交するように測った距離である。第１開口部７ａおよび第２開口部７ｂの中央は開口となっているため、深さは開口の周囲の第２壁部４ｂで測る。深さが場所によって異なるときは、例えば、開口の面積重心にから見た４方向の第２壁部４ｂの深さを平均すればよい。また、第２壁部４ｂが平面であれば、開口の面積重心までその平面を延長して、その平面と面積重心との交点までを深さとしてもよい。

図２に示した点Ｇはポンプ室４を平面視したときの面積重心である。第２開口部７ｂが、ポンプ室４の面積重心Ｇに対して、第１開口部７ａの反対側に配置されていると、ダイヤフラム２の変位により、流体が第１開口部７ａから第２開口部７ｂに流れやすくなり、移送する流体および混入した流体の両方が、第２開口部７ｂから排出されやすくなる。

第２開口部７ｂに対して、第１開口部７ａの反対側の領域、図２で示せば第２領域９ｂのポンプ室４の深さが、第２開口部７ｂのポンプ室４の深さがよりも浅いと、第２領域９ｂにおいて気泡や密度の低い液体が第２壁部４ｂに近づくので、それらが第２開口部７ｂから排出されやすくなる。

第１開口部７ａに対して、第２開口部７ｂの反対側の領域、図２で示せば第１領域９a
のポンプ室４の深さが、第１開口部７ａのポンプ室４の深さよりも深いと、ポンプ室４に浅いところを設けるとともに、ポンプ室４の体積を大きくできる。つまり、第２開口部７ｂや第２領域９ｂのポンプ室４の深さを深くしなくても、ポンプ室４の体積を大きくできる。ポンプ室４の体積をある程度大きくすることで、流体の移送量を多くできる。

少なくとも第１開口部７ａおよび第２開口部７ｂを含む、ポンプ室４の断面において、ポンプ室４全体の深さが、第１開口部７ａから第２開口部７ｂに向かう方向に浅くなっていれば、以上のような効果をより高めるためことができる。

ポンプ室４の平面形状が矩形状であり、第１開口部７ａおよび第２開口部７ｂが、矩形状の対角線Ｄの一つに沿って配置されていると、第１開口部７ａから第２開口部７ｂに向かう際に、ポンプ室４の幅が狭くなっていくため、気泡や密度の低い液体が第２開口部７ｂから排出されやすくなる。

第１流路５ａは、１開口部７ａから、ポンプ室４の深さが浅くなる方向に伸びていることにより、斜めになっている第１弁８ａに向かって流体が流れやすくなり、流体の導入を
しやすくなる。また、第１流路５ａが、流路部材６内のポンプ室４の占める割合の少ない部分に配置されるので、流路の幅や深さなどの設計の自由度が高くなる。

第２流路５ｂは、第２開口部７ｂから、ポンプ室４の深さが浅くなる方向に伸びていることにより、斜めになっている第２弁８ｂから流体が流れやすくなり、流体の吐出をしやすくなる。また、第２流路５ｂが、流路部材６内のポンプ室４の占める割合の少ない部分に配置されるので、流路の幅や深さなどの設計の自由度が高くなる。

また、流路部材６が、ダイヤフラム２が配置されている部分が上面となる柱状をしており、かつ、その上面およびポンプ室４を含んでいる第１部材６ａと、第１部材６ａの下側に配置されており、第１流路５ａおよび第２流路５ｂを含んでいる第２部材６ｃと、第１部材と第２部材６ｃとの間に配置されており、一部が前記第１弁８ａおよび第２弁８ｂの可動部を構成している弁部材６ｂと、を含んでおり、第１部材６ａの下面が、前記上面に対して傾斜していると、上述のような深さの状態のポンプ室４を設ける際の、空間効率がよくなり、より小さいマイクロポンプ１とすることができる。

第１部材６ａおよび第２部材６ｂは、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＡ（ポリアミド）ＴＰＥ（エラストマー）などを、射出成型することなどで作製できる。

ダイヤフラム２としては、金属板、ガラスエポキシ板、樹脂シート、ゴムシートなどが用いられる。ダイヤフラム２は、例えば、金属板と、絶縁性フィルムとを積層して構成してもよい。金属版をポンプ室４側とし、絶縁性フィルムを駆動素子３側に配置すれば、金属板と駆動素子３の電極との間の絶縁が十分に確保できるとともに、駆動素子３による振動をダイヤフラム２に効率的に伝達し、優れた流体移送効率を実現することができる。金属板と絶縁性フィルムとは、たとえば接着剤で接着すればよい。接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル系樹脂などの公知のものを使用できるが、これに限定されるものではない。また、接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化、光硬化や嫌気性硬化などのいずれの方法を用いてもよい。

金属板の材料としては、たとえばステンレス、アルミニウム、チタンなどを用いればよい。特に、ステンレスは流体に対する耐食性、耐熱性、耐酸化性の点から金属板として好ましい。

絶縁性フィルムとしては、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチエレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂フィルムを用いればよい。絶縁性フィルムは、金属板よりも大きい熱膨張係数を有するものを用いるのがよい。絶縁性フィルムとして金属板よりも大きい熱膨張係数を有するものを用いることで、絶縁性フィルムと金属板と熱圧着したとき、絶縁性フィルムの弛みがないダイヤフラム２とすることができ、駆動素子３による振動をダイヤフラム２に効率的に伝達することができる。

また、駆動素子３上に絶縁性樹脂層を配置してもよい。絶縁性樹脂層は、駆動素子３を保護するとともに、駆動素子３（およびダイヤフラム２）の振動に起因する駆動音および雑振動を吸収し低減する。なお、雑振動とはポンプの駆動に寄与しない不要な振動を指す。

駆動素子３としては、たとえば図４に示すような、ユニモルフ型の圧電素子３を用いる。圧電素子３は、圧電体層３ａと内部電極層３ｂとが交互に積層された積層体であり、内部電極層３ｂは、積層体の両端面に形成された外部電極３ｃにより一層毎に接続されてい
る。内部電極層３ｂの接続は、外部電極３ｃに限らず、圧電体層３ａに設けられたビアホール内に貫通導体を配して行ってもよい。圧電体層３ａは厚さ方向に分極されており、外部電極３ｃを介して内部電極層３ｂ間に印加される電界により変位する。圧電体層３ａが変位し、圧電素子３が面方向に伸縮することで、ダイヤフラム２がたわんで厚さ方向に変位、振動する。圧電素子３は、厚さ方向の表面に表面電極３ｄを有していてもよい。表面電極３ｄを有することで、最表面の圧電体層３ａを変位させ、活性層として活用できる。

絶縁性樹脂層は、駆動素子３上から、駆動素子３の周囲のダイヤフラム２上を覆うように設けられていてもよい。絶縁性樹脂層により駆動素子３およびその周囲のダイヤフラム２を被覆することで、駆動素子３とダイヤフラム２との密着性を高めることができ、駆動素子３の変位をダイヤフラム２に効率的に伝達することができる。絶縁性樹脂層の材料としては、たとえばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂やゴムなどを用いればよいが、これに限定されるものではない。

ダイヤフラム２の駆動素子３が配置された面には、駆動素子３を囲むように枠体を配置してもよい。枠体の高さは、駆動素子３の厚さよりも大きい。絶縁性樹脂層は、枠体の内側に充填されていてもよい。枠体を配置し、その高さを駆動素子３の厚さよりも大きくすることで、駆動素子３およびダイヤフラム２の可動域を確保でき、たとえばマイクロポンプ１を基板などに実装しても、隣接する部品の接触等でマイクロポンプ１の駆動が妨げられにくい。枠体としては、たとえばステンレスの金属プレートなどを用いればよい。

＜流体移送装置＞
上述のマイクロポンプ１と、駆動素子３を駆動させる駆動回路と、を備える流体移送装置では、駆動回路で駆動素子３を駆動させてダイヤフラム２を振動させ、ポンプ室４において流体の導入・吐出を行うことができる。マイクロポンプ１が、駆動素子３の変位を検知する検知回路をさらに備えていれば、検知回路で駆動素子３の変位を検知し、駆動素子３の変位に異常が生じたときには、ポンプの駆動を止めるなどの対応を迅速に行うことができる。

駆動回路から発信された駆動信号により駆動素子３が駆動すると、駆動素子３が接着されたダイヤフラム２が振動してポンプ室４内の流体（液体）に圧力波が発生する。発生した圧力波は、ポンプ室４の第２壁部４ｂおよび第３壁部４ｃに伝搬する。第２壁部４ｂおよび第３壁部４ｃ伝搬した圧力波は、第２壁部４ｂおよび第３壁部４ｃで反射し、反射波はダイヤフラム２に伝搬し、駆動素子３を振動させる。検知回路は、反射波による駆動素子３の振動を検知する。

本実施形態のマイクロポンプおよび流体移送装置は、分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）など、微少量の気体や液体、特に液体を供給する電子機器に用いることで、小型で流量制御および信頼性に優れ、騒音、振動の低減された電子機器を実現することができる。

１：マイクロポンプ
２：ダイヤフラム
３：駆動素子
３ａ：圧電体層
３ｂ：内部電極
３ｃ：外部電極
３ｄ：表面電極
４：ポンプ室
４ａ：第１壁部
４ｂ：第２壁部
４ｃ：第３壁部
５ａ：第１流路
５ｂ：第２流路
６：流路部材
６ａ：第１部材
６ｂ：弁部材
６ｃ：第２部材
７ａ：第１開口部
７ｂ：第２開口部
８ａ：第１弁
８ｂ：第２弁
９ａ：第１領域
９ｂ：第２領域
１１：接続管

Claims (10)

1. ダイヤフラムと、
   駆動素子と、
   流路部材と、
   を有するマイクロポンプであって、
   前記流路部材は、
   前記ダイヤフラムに面したポンプ室と、
   該ポンプ室と繋がっている第１流路と、
   前記ポンプ室と前記第１流路との間に配置されており、流体を前記第１流路から前記ポンプ室に流す第１弁と、
   前記ポンプ室と繋がっている第２流路と、
   前記ポンプ室と前記第２流路との間に配置されており、流体を前記ポンプ室から前記第２流路に流す第２弁と、を含んでおり、
   前記ポンプ室の深さは、前記第１流路に繋がっている第１開口部の配置されている部分から前記第２流路と繋がっている第２開口部の配置されている部分に向かって浅くなっている、マイクロポンプ。
2. 前記ダイヤフラム側から平面視したとき、前記第２開口部は、前記ポンプ室の面積重心に対して、前記第１開口部の反対側に配置されている、請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記第２開口部に対して、前記第１開口部の反対側の前記ポンプ室の深さが、前記第２開口部の前記ポンプ室の深さよりも浅い、請求項１または２に記載のマイクロポンプ。
4. 前記第１開口部に対して、前記第２開口部の反対側の前記ポンプ室の深さが、前記第１開口部の前記ポンプ室の深さよりも深い、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
5. 少なくとも前記第１開口部および前記第２開口部を含む、前記ポンプ室の断面において、前記ポンプ室全体の深さが、前記第１開口部から前記第２開口部に向かう方向に浅くなっている、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロポンプ。
6. 前記ポンプ室の平面形状が矩形状であり、前記第１開口部および前記第２開口部が、矩形状の対角線の一つに沿って配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロポンプ。
7. 前記第１流路は、前記１開口部から、前記ポンプ室の深さが浅くなる方向に伸びている、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプ。
8. 前記第２流路は、前記２開口部から、前記ポンプ室の深さが浅くなる方向に伸びている、請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロポンプ。
9. 前記流路部材は、前記ダイヤフラムが配置されている部分が上面となる柱状をしており、
   かつ、前記上面および前記ポンプ室を含んでいる第１部材と、
   該第１部材の下側に配置されており、前記第１および第２流路を含んでいる第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に配置されており、一部が前記第１および２弁の可動部を構成している弁部材と、を含んでおり、
   前記第１部材の下面が、前記上面に対して傾斜している、請求項１〜８のいずれかに記載のマイクロポンプ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のマイクロポンプと、前記駆動素子を駆動させる駆動回路と、を備えている、流体移送装置。

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