JP4947601B2

JP4947601B2 - 流体輸送装置

Info

Publication number: JP4947601B2
Application number: JP2008211418A
Authority: JP
Inventors: 陳世昌; 鄭江河; 余榮侯; 蔡志宏; 邱士哲
Original assignee: Microjet Technology Co Ltd
Current assignee: Microjet Technology Co Ltd
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: EP2031248B1; CN101377192B; CN101377192A; JP2009057963A; US20090060750A1; EP2031248A2; KR100976911B1; KR20090023210A; EP2031248A3

Description

本発明は、流体輸送装置に関し、特に、超小型ポンプで用いる流体輸送装置に関する。

今日では、製薬産業、コンピューター技術、印刷産業、エネルギー産業などの多くの産業部門で使用される流体輸送装置は、小型化に向けて開発されている。例えば超小型ポンプ、超小型噴霧器、印字ヘッドまたは産業用プリンターで使用される流体輸送装置は、非常に重要な構成要素である。その結果として、流体輸送装置を改良することは、決定的に重要なことである。

図１Ａは、非作動状態での超小型ポンプを図示する概略断面図である。超小型ポンプ１０は、入口流路１３、超小型アクチュエーター１５、伝動装置１４、仕切板１２、加圧室１１１、基板１１および出口流路１６を主として備える。加圧室１１１は、仕切板１２と基板１１との間に範囲を限定され、その中に流体を入れる。仕切板１２の変形量によって、加圧室１１１の容量は異なる。

超小型アクチュエーター１５の両電極に電圧が印加されると、電界が発生する。電界は、超小型アクチュエーター１５が仕切板１２および加圧室１１１に向かって動くように、超小型アクチュエーター１５の下方への変形を引き起こす。そのように、超小型アクチュエーター１５によって発生される押す力は、伝動装置１４に加えられる。伝動装置１４を通って、押す力は、仕切板１２に伝えられ、したがって仕切板１２はゆがめられる。仕切板１２が押し付けられ、図１Bに示されるように変形するので、加圧室１１１内の流体は、矢印Ｘで表される方向に出口流路１６を通って前もって決められた容器（図示せず）に流れることになる。流体の連続的流れによって、入口流路１３の流体は、加圧室１１１に供給される。

図２は、図１Ａに示される超小型ポンプの概略上面図である。図２に示されるとおり、流体は、矢印Ｙで表される方向に超小型ポンプによって輸送される。超小型ポンプ１０には、流入量増幅器１７および流出量増幅器１８がある。流入量増幅器１７および流出量増幅器１８は、円錐形である。流入量増幅器１７の比較的広い方の端は、入口流路１９１に接続され、流入量増幅器１７の比較的狭い方の端は、加圧室１１１に接続される。流出量増幅器１８の比較的広い方の端は、加圧室１１１に接続され、流出量増幅器１８の比較的狭い方の端は、出口流路１９２に接続される。なおその上に、流入量増幅器１７および流出量増幅器１８は、同方向に配置される。流量増幅器の両端および加圧室１１１の容量増加／圧縮での異なる流れ抵抗に起因して、一定方向の正味流量が供給される。すなわち、流体は、流入量増幅器１７を通って、入口流路１９１から加圧室１１１に流れ込み、その後流出増幅器１８を通って出口流路１９２から流れ出る。

しかしながら、この無弁超小型ポンプ１０には、まだ若干の欠点がある。例えば、超小型ポンプが作動状態のとき、多少の流体が入口流路に戻る可能性がある。正味流量を上げるために、加圧室１１１の圧縮比は、十分な室圧を結果的にもたらすように増やされることが望ましい。この状況下では、高価な超小型アクチュエーターが必要である。

それゆえに、先行技術から引き起こされる欠点を除去するために、超小型ポンプで用いる流体輸送装置を提供する必要がある。

本発明の目的は、流体輸送装置を提供することである。弁座、弁膜、弁帽、作動モジュールおよび蓋板は、下から上に順次積み上げられ、それによって流体輸送装置を組み立てる。作動モジュールは、振動薄膜を変形させるように作動され、したがって圧力キャビティの容量は変化し、結果的に陽圧または陰圧差をもたらす。なおその上に、弁膜の入口／出口弁構造は、急速に開閉される。圧力キャビティの容量が増大または減少する瞬間に、流体を流すための吸い上げまたは衝撃が発生する。本発明の流体輸送装置は、優れた流量および出力圧力で、気体または液体を輸送することができる。本発明の流体輸送装置を用いることによって、流体輸送中流体が戻るという問題は回避される。

本発明の態様に従って、流体を輸送するための流体輸送装置が提供される。流体輸送装置は、弁座、弁帽、弁膜、複数緩衝室、振動薄膜およびアクチュエーターを含む。弁座には、入口流路および出口流路がある。弁帽は、弁座上に配置される。弁膜は、大体均一の厚さであり、弁座と弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを含み、それは少なくとも第１弁スイッチおよび第２弁スイッチを含む。複数緩衝室は、弁膜と弁帽の間に第１緩衝室および弁膜と弁座の間に第２緩衝室を含む。振動薄膜には、弁帽に固定される外縁がある。振動薄膜には、上述弁帽に固定される外縁があり、流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティの範囲を限定している。アクチュエーターは、振動薄膜に接続される。アクチュエーターが変形の影響を受けざるを得ないとき、アクチュエーターに接続される振動薄膜は、圧力キャビティの容量変化を供給するように伝えられ、結果として入口流路から導入される流体を動かすための圧力差をもたらし、第１弁スイッチ、第１緩衝室、圧力キャビティ、第２緩衝室および第２弁スイッチを通って流され、出口流路から排出される。

本発明の流体輸送装置は、超小型ポンプに応用可能である。弁座、弁膜、弁帽、作動モジュールおよび蓋板は、下から上へ順次積み上げられ、それによって流体輸送装置を組み立てる。作動モジュールは、弁膜の入り口／出口弁構造を開閉するように圧力キャビティの容量を変えるために作動される。弁座または弁帽のシーリングリングおよび凹部構造は流体輸送を容易にするために協働する。本発明の流体輸送装置は、優れた流量および出力圧力で気体または液体を輸送することができる。流体は、初期状態において高精度可制御性でポンプ注入されることができる。流体輸送装置は気体を輸送することができるので、効率的な輸送を達成するために、流体輸送中に発生する気泡は除去される可能性がある。

本発明の上記内容は、以下の詳細な説明および添付図面を考察した後、当業者にとってより容易に明らかになるであろう。
本発明は、以下の実施形態を参照することによって、さらに今明確に説明される。本発明の好適な実施形態の以下の説明は、図解および説明目的でここに提示されるに過ぎないことに注意しなくてはならない。開示される厳密な形に対して徹底的または限定されることを目的としていない。

図３を参照すると、本発明の第１の好適な実施形態による流体輸送装置の概略分解組立図が図示されている。流体輸送装置２０は、気体または液体などの流体を輸送するために、製薬産業、コンピューター技術、印刷産業、エネルギー産業などの多くの産業部門で使用される可能性がある。流体輸送装置２０は、弁座２１、弁帽２２、弁膜２３、いくつかの緩衝室、作動モジュール２４および蓋板２５を主として備える。弁座２１、弁帽２２および弁膜２３は、流量弁アゼンブリを集合的に規定する。圧力キャビティ２２６は、流体をそこに収容するために、弁帽２２および作動モジュール２４の間に形成される。

弁膜２３が、弁座２１と弁帽２２の間に挟まれた後、弁座２１および弁帽２２が弁膜２３の背中合わせの両面に配置されるように適切な位置に置かれる。第１緩衝室は、弁膜２３および弁帽２２の間で範囲を限定され、第２緩衝室は弁膜２３と弁座２１の間で形を定められる。作動モジュール２４は、弁帽２２の上方に配置され、振動薄膜２４１およびアクチュエーター２４２を備える。作動モジュール２４は、流体輸送装置２０を作動させるために操作される。蓋板２５は、作動モジュール２４を覆って配置される。一方、弁座２１、弁膜２３、弁帽２２、作動モジュール２４および蓋板２５は、下から上に順次積み上げられ、それによって流体輸送装置２０を組み立てる。

特に、弁座２１および弁帽２２は、流体輸送装置２０への流体の入出を誘導する責任を負っている。図４は、図３に示される流体輸送装置２０の弁座２１を図示する概略断面図である。図３および図４を参照されたい。弁座２１は、入口流路２１１および出口流路２１２を備える。周囲流体は、入口流路２１１に導入され、その後弁座２１の表面２１０の開口部２１３に輸送される。本実施形態においては、弁膜２３と弁座２１の間で規定される第２緩衝室は、出口緩衝キャビティ２１５であり、弁座２１の表面２１０上および出口流路２１２上を覆って形成される。出口緩衝キャビティ２１５は、流体をその中に一時的に蓄えるために、出口流路２１２と連通する。出口緩衝キャビティ２１５に含まれる流体は、別の開口部２１４を通って出口流路２１２に輸送され、その後弁座２１から排出される。その上、いくつかの凹部構造が、弁座２１に形成され、いくつかのシーリングリング２６（図７Ａに示されるとおり）は、対応する凹部構造にはめ込まれる。本実施形態においては、弁座２１には、開口部２１３を環状に取り囲む２つの凹部構造２１６および２１８ならびに出口緩衝キャビティ２１５を取り囲む別の凹部構造２１７がある。

図５Ａは、図３に示される流体輸送装置２０の弁帽２２を図示する概略背面図である。図３および図５Ａを参照されたい。弁帽２２には、上面２２０および下面２２８がある。弁帽２２はさらに、入口弁流路２２１および出口弁流路２２２を備え、それらは、弁帽２２の上面２２０から下面２２８に穿孔されている。入口弁流路２２１は、弁座２１の開口部２１３と一直線に合わされる。出口弁流路２２２は、弁座２１の出口緩衝キャビティ２１５の内部で開口部２１４と一直線に合わされる。本実施形態においては、弁膜２３と弁帽２２の間で範囲を限定される第１緩衝室は、入口緩衝キャビティ２２３であり、それは、弁帽２２の下面２２８内および入口弁流路２２１の下に形成される。入口緩衝キャビティ２２３は、入口弁流路２２１に連通する。

図５Ｂは、図５Ａに示される弁帽２２の概略断面図である。図５Ｂに示されるとおり、圧力キャビティ２２６は、作動モジュール２４のアクチュエーター２４２に対応する弁帽２２の上面２２０に形成される。圧力キャビティ２２６は、入口弁流路２２１を通って入口緩衝キャビティ２２３と連通する。圧力キャビティ２２６はまた、出口弁流路２２２とも連通する。アクチェーター２４２が、それに印加される電圧に起因して上向きの凸形に変形される場合、結果的に周囲空気から陰圧差をもたらすように、圧力キャビティ２２６の容量は増大される。陰圧差に反応して、流体は入口弁流路２２１を通って圧力キャビティ２２６に輸送される。アクチュエーター２４２が下向きの凹形に変形されるように、アクチュエーター２４２に加えられる電界の方向が変えられる場合、結果的に周囲空気から陽圧差をもたらすように、圧力キャビティ２２６の容量は減少される。陽圧差に反応して、流体の一部が入口弁流路２２１および入口緩衝キャビティ２２３に導入される一方、流体は出口弁流路２２２を通って圧力キャビティ２２６から排出される。入口弁構造２３１がこの時その閉鎖位置に下に押されるので（図６Ｃに示されるとおり）、流体は入口弁構造２３１を通って流れることはできず、よって流体は戻ることはない。その上に、圧力キャビティ２２６の容量を再度増大するために、アクチュエーター２４２が上向きの凸形に変形される場合、入口緩衝キャビティ２２３に一時的に蓄えられる流体は、入口弁流路２２１を通って圧力キャビティ２２６に輸送される。

同様に、弁帽２２にはさらに、いくつかの凹部構造がある。本実施形態において、弁帽２２には、上面２２０に、圧力キャビティ２２６を取り囲み形成される凹部構造２２７がある。弁帽２２には、下面２２８に、入口緩衝キャビティ２２３を取り囲み形成される別の凹部構造２２４がある。なおその上に、弁帽２２には、下面２２８に、出口弁流路２２２を環状に取り囲み形成される凹部構造２２５および２２９がある。同様に、いくつかのシーリングリング２７（図７Ａに示されるとおり）は、対応する凹部構造２２４、２２５、２２７および２２９にはめ込まれる。

図６Ａは、図３に示される流体輸送装置２０の弁膜２３の概略上面図である。図３および図６Ａを参照されたい。弁膜２３は、従来の機械加工、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工、電鋳加工、放電加工などによって製造される。弁膜２３は、大体均一の厚さのシート状膜であり、いくつかの中空弁スイッチ（例えば、第１および第２弁スイッチ）を備える。本実施形態において、第１弁スイッチは、入口弁構造２３１であり、第２弁スイッチは、出口弁構造２３２である。入口弁構造２３１は、入口弁スライス２３１３および入口弁スライス２３１３の外縁に形成されるいくつかの孔２３１２を備える。なおその上に、入口弁構造２３１には、入口弁スライス２３１３と孔２３１２の間に、いくつかの拡張部２３１１がある。圧力キャビティ２２６から伝えられる圧力が弁膜２３に加えられる場合、入口弁構造全体２３１は、弁座２１上に平らになるように下に押される（図７Ｃに示されるとおり）。言い換えれば、孔２３１２および拡張部２３１１が弁座２１の上方で浮いている一方、入口弁スライス２３１３は、弁座２１の開口部２１３を密閉するように、凹部構造２１６に収容されるシーリングリング２６と密着している。この状況下で、入口弁構造２３１は、閉鎖位置にあり、よって流体はそれを通って流れることはできない。

圧力キャビティ２２６の容量が結果的に吸引をもたらすように増大される場合、凹部構造２１６に収容されるシーリングリング２６は、入口弁構造２３１上にプレフォースを提供する。結果的により強い密閉効果をもたらすために、拡張部２３１１が入口弁スライス２３１３を支えることを容易にする可能性があるので、流体は、入口弁構造２３１を通って戻ることはない。圧力キャビティ２２６の陰圧差が入口弁構造２３１の上向きの移動を引き起こす（図６Ｂに示されるとおり）場合、流体は、孔２３１２を通って弁座２１から入口緩衝キャビティ２２３へ流され、その後入口緩衝キャビティ２２３および入口弁流路２２１を通って圧力キャビティ２２６へ伝えられる。この状況下で、入口弁構造２３１は、圧力キャビティ２２６内の陽または陰圧差に反応して、選択的に開閉され、その結果流体は、弁座２１に戻されることなく流体輸送装置を通って流れるのを制御される。

同様に、出口弁構造２３２は、出口弁スライス２３２３および出口弁スライス２３２３の外縁に形成されるいくつかの孔２３２２を備える。なおその上に、出口弁構造２３２には、出口弁スライス２３２３と孔２３２２の間にいくつかの拡張部２３２１がある。出口弁構造２３２に含まれる出口弁スライス２３２３、拡張部２３２１および孔２３２２の操作原理は、入口弁構造２３１の対応する構成部分に類似しており、ここでは重複して説明されない。他方、出口弁構造２３２の近くのシーリングリング２６は、入口弁構造２３１の近くのシーリングリング２７に向かい合っている。圧力キャビティ２２６の容量が結果的に衝撃をもたらすように減少される場合（図６Ｃに示されるとおり）、凹部構造２２５に収容されるシーリングリング２７は、出口弁構造２３２にプレフォースを提供する。結果的により強い密閉効果をもたらすために、拡張部２３２１が出口弁スライス２３２３を支えることを容易にする可能性があるので、流体は、出口弁構造２３２を通って戻ることはない。圧力キャビティ２２６の陽圧差が出口弁構造２３２の下向きの移動を引き起こす場合、流体は、弁座２１の孔２３２２を通って圧力キャビティ２２６から出口緩衝室２１５へ流され、その後開口部２１４および出口流路２１２を通って流体輸送装置２０から排出される。この状況下で、出口弁構造２３２は、流体を輸送するために、圧力キャビティ２２６に含まれる流体を徐々に排出するように開かれる。

図７Ａは、本発明による非作動状態での流体輸送装置を図示する概略断面図である。本実施形態においては、３つのシーリングリング２６は、それぞれ凹部構造２１６、２１７および２１８に収容され、３つのシーリングリング２７は、それぞれ凹部構造２２４、２２５および２２９に収容される。シーリングリング２６および２７は、優れた耐薬品性ゴム状材料でできている。凹部構造２１６で収容され、開口部２１３を取り囲むシーリングリング２６は、円筒形リングである。シーリングリング２６が弁座２１の上面２１０から部分的に突き出るように、シーリングリング２６の厚さは、凹部構造２１６の深さより大きい。シーリングリング２６が弁座２１の上面２１０から部分的に突き出ているので、弁座２１上に平らになっている弁膜２３の入口弁スライス２３１３は隆起しているが、凹部構造２１６で収容されるシーリングリング２６が入口弁構造２３１上にプレフォースを提供するように、弁膜２３の残部は弁帽２２に対して支えられる。プレフォースは、結果的により強い密閉効果をもたらし、よって流体は入口弁構造２３１を通って戻ることはない。なおその上に、シーリングリング２６の隆起構造が弁膜２３の入口弁構造２３１の近くにあるので、入口弁構造２３１が作動していない場合、入口弁スライス２３１３と弁座２１の上面２１０の間に、空隙が形成される。同様に、凹部構造２２５に収容され、出口弁流路２２２を取り囲むシーリングリング２７はまた、円筒形リングである。シーリングリング２７が弁帽２２の下面２２８に形成されるので、シーリングリング２７は、隆起構造を形成するように凹部構造２２５から部分的に突き出ている。その結果として、凹部構造２２５に収容されるシーリングリング２７は、出口弁構造２３２上にプレフォースを提供することになる。シーリングリング２７の隆起構造およびシーリングリング２６の隆起構造は、弁膜２３の反対側に配置される。シーリングリング２７の隆起構造の機能は、シーリングリング２６の隆起構造の機能と類似しているため、ここでは重複して説明されない。凹部構造２１７、２１８、２２４、２２９および２２７で収容されるシーリングリング２６、２７および２８は、流体の漏出を予防するために、弁座２１と弁膜２３の間、弁膜２３と弁帽２２の間、ならびに弁帽２２と作動モジュール２４の間の密接な接触を容易にしている。

上記実施形態において、隆起構造は、凹部構造および対応するシーリングリングによって範囲を限定される。その他にも、隆起構造は、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、電気めっき加工または電鋳加工によって弁座２１および弁帽２２上に直接形成される可能性がある。

図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃを参照されたい。蓋板２５、作動モジュール２４、弁帽２２、弁膜２３、シーリングリング２６および弁座２１は、上記のとおり組み立てられる。図面に示されるとおり、弁座２１の開口部２１３は、弁膜２３の入口弁構造２３１および弁帽２２の入口弁流路２２１と一直線に合わされる。なおその上に、弁座２１の開口部２１４は、弁膜２３の出口弁構造２３２および弁帽２２の出口弁流路２２２と一直線に合わされる。凹部構造２１６に収容されるシーリングリング２６が凹部構造２１６から部分的に突き出ているので、弁膜２３の入口弁構造２３１は、弁座２１からわずかに隆起している。この状況下で、凹部構造２１６に収容されるシーリングリング２６は、入口弁構造２３１上にプレフォースを提供することになる。入口弁構造２３１が作動していない場合、空隙は、入口弁構造２３１と弁座２１の上面２１０の間に形成される。同様に、凹部構造２２５に収容されるシーリングリング２７は、結果的に出口弁構造２３２と弁帽２２の下面２２８の間に空隙をもたらす。

アクチュエーター２４２に電圧が印加されるとき、作動モジュール２４は、変形される。図７Ｂに示されるとおり、作動モジュール２４は、「ａ」方向に上向きに変形され、よって圧力キャビティ２２６の容量は、結果的に吸引をもたらすように増大される。吸引に起因して、弁膜２３の入口弁構造２３１および出口弁構造２３２は、持ち上げられる。一方では、プレフォースを持っている入口弁構造２３１の入口弁スライス２３１３は、多量の流体が弁座２１の入口流路２１１に導入され、弁座２１の開口部２１３、弁膜２３の入口弁構造２３１の孔２３１２、弁帽２２の入口緩衝室２２３、弁帽２２の入口弁流路２２１を通って輸送され、圧力キャビティ２２６に流れ込むように速く開かれる（図６Ｂにも示されるとおり）。弁膜２３の入口弁構造２３１および出口弁構造２３２がこの時点で持ち上げられるので、弁帽２２の出口弁流路２２２は、出口弁構造２３２の出口弁スライス２３２３によって遮られる。その結果として、出口弁構造２３２は、流体が戻るのを防ぐために閉じられる。

作動モジュール２４が、電界を切り替えることによって「ｂ」方向に下向きに変形する場合（図７Ｃに示されるとおり）、圧力キャビティ２２６の容量は、圧力キャビティ２２６の流体に衝撃を与えるように減少される。衝撃に起因して、出口弁構造２３２の出口弁スライス２３２３が急速に開かれるように（図６Ｃに示されるとおり）、弁膜２３の入口弁構造２３１および出口弁構造２３２は、下向きに動かされる。一方では、圧力キャビティ２２６の流体は、弁帽２２の出口弁流路２２２、弁膜２３の出口弁構造２３２の孔２３２２、弁座２１の出口緩衝室２１５、開口部２１４および出口流路２１２を通って流され、その後流体輸送装置２０から排出される。衝撃はまた、入口弁構造２３１にも与えられるので、開口部２１３は、入口弁スライス２３１３によって遮られる。その結果として、入口弁構造２３１は、流体が戻るのを防ぐために閉じられる。言い換えれば、入口弁構造２３１、出口弁構造２３２ならびに凹部構造２１６および２２５に収容されるシーリングリング２６および２７は、輸送中に流体が戻るのを防ぎ、それによって十分な流体輸送を実現するのを総合的に容易にする可能性がある。

本発明の流体輸送装置２０で使用される弁座２１および弁帽２２は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、シンジオタクティック・ポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリフェニレン・オキサイド（ＰＰＯ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレン・テレフターレート（ＰＢＴ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン・テトラフルオロ・エチレン（ＥＴＦＥ）、環状オルフィン共ポリマー（ＣＯＣ）などの熱可塑性材料でできていることがなるべくなら望ましい。なるべくなら、圧力キャビティ２２６は、１００μｍから３００μｍの深さおよび１０ｍｍから３０ｍｍの直径であることが望ましい。

弁膜２３は、１０μｍから７９０μｍ（なるべくなら１８０μｍから３００μｍ）の空隙によって、弁座２１および弁帽２２から隔てられている。作動モジュール２４の振動薄膜２４１は、１０μｍから７９０μｍ（なるべくなら１００μｍから３００μｍ）の空隙によって、弁帽２２から隔てられている。

弁膜２３は、従来の機械加工、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工、電鋳加工、放電加工などによって製造される。弁膜２３は、２から２０ＧＰａのヤング率のある優れた耐薬品性有機高分子材料または２から２４０ＧＰａのヤング率（弾性率）のある金属材料でできている。有機高分子材料の実施例は、ポリイミド（ＰＩ）（ヤング率＝１０ＧＰａ）を含む。金属材料の実施例は、アルミニウム（ヤング率＝７０ＧＰａ）、アルミ合金、ニッケル（ヤング率＝２１０ＧＰａ）、ニッケル合金、銅、銅合金またはステンレス鋼（ヤング率＝２４０ＧＰａ）などを含むがそれに限定されるものではない。弁膜２３の厚さは、１０μｍから５０μｍの範囲であり、なるべくなら２１μｍから４０μｍが望ましい。

弁膜２３がポリイミド（ＰＩ）でできている場合、弁膜２３は、なるべくなら反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）法で製造されることが望ましい。弁構造上に感光性フォトレジストが塗布され、弁構造のパターンが露光および現像された後、フォトレジストによって覆いを取られたポリイミド層は、弁膜２３の弁構造を規定するようにエッチングされる。弁膜２３がステンレス鋼でできている場合、弁膜２３は、なるべくならフォトリソグラフィおよびエッチング過程、レーザー加工または機械加工によって製造されることが望ましい。フォトリソグラフィおよびエッチング過程を用いることによって、弁構造のフォトレジスト・パターンは、ステンレス鋼片上に形成され、その後ウェットエッチング処置を実施するためにＦｅＣｌ_３およびＨＣｌの溶液に浸される。フォトレジストによって覆いを取られたステンレス鋼片は、弁膜２３の弁構造を規定するようにエッチングされる。弁膜２３がニッケルでできている場合、弁膜２３は、なるべくなら電鋳加工によって製造されることが望ましい。弁構造のフォトレジスト・パターンがフォトリソグラフィおよびエッチング過程によってステンレス鋼片上に形成された後、フォトレジストによって覆いを取られたステンレス鋼片は、ニッケルによって電鋳される。ニッケルの厚さが希望するものとなるまで、弁構造２３１及び２３２を有する弁膜を形成するように、ニッケルは、ステンレス鋼片から分離される。上記過程に加えて、弁膜２３は、精密パンチング過程、従来の機械加工、レーザー加工、電鋳加工または放電加工機械加工によって製造される可能性もある。

実施形態の中には、作動モジュール２４のアクチュエーター２４２が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高圧電材料でできた圧電細片であるものもある。アクチュエーター２４は、厚さ１００μｍから５００μｍ（なるべくなら１５０μｍから２５０μｍ）であり、ヤング率およそ１００から１５０ＧＰａである。

振動薄膜２４１は、厚さ１０μｍから３００μｍ（なるべくなら１００μｍから２５０μｍ）の一層金属構造である。例えば、振動薄膜２４１は、ステンレス鋼（厚さ１４０μｍから１６０μｍおよびヤング率２４０ＧＰａ）または銅（厚さ１９０μｍから２１０μｍおよびヤング率１００ＧＰａ）でできている。もう一つの方法として、振動薄膜２４１は、二層構造であり、金属層およびその金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含む。

実施形態の中には、大流量輸送の要件に従うために、作動モジュール２４のアクチュエーター２４２が、１０から１５Ｈｚの周波数で、以下の条件下で操作されるものもある。

例えば、アクチュエーター２４には、剛体特性があり、厚さおよそ１００μｍから５００μｍである。なるべくなら、アクチュエーター２４は、厚さおよそ１５０μｍから２５０μｍ、ヤング率およそ１００から１５０ＧＰａであることが望ましい。なおその上に、振動薄膜２４１は、厚さ１０μｍから３００μｍ（なるべくなら１００μｍから２５０μｍ）およびヤング率６０から３００ＧＰａの一層金属構造である。例えば、振動薄膜２４１は、ステンレス鋼（厚さ１４０μｍから１６０μｍおよびヤング率２４０ＧＰａ）または銅（厚さ１９０μｍから２１０μｍおよびヤング率１００ＧＰａ）でできている。もう一つの方法として、振動薄膜２４１は、二層構造であり、金属層及びその金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含む。入口弁構造２３１及び出口弁構造２３２のそれぞれは、厚さ１０μｍから５０μｍおよび２から２４０ＧＰａのヤング率の優れた耐薬品性有機高分子または金属材料でできている。弁膜２３は、ポリイミド（ＰＩ）（ヤング率＝１０ＧＰａ）などのヤング率２から２０ＧＰａの高分子材料、アルミニウム（ヤング率＝７０ＧＰａ）、アルミニウム合金、ニッケル（ヤング率＝２１０ＧＰａ）、ニッケル合金、銅、銅合金またはステンレス鋼（ヤング率＝２４０ＧＰａ）などのヤング率２から２４０ＧＰａの金属材料でできている。なおその上に、弁膜２３は、１０μｍから７９０μｍ（なるべくなら１８０から３００μｍ）の空隙によって弁座２１および弁帽２２から分離される。

アクチュエーター２４２の適切なパラメーターを選択することによって、振動薄膜２４１、圧力キャビティ２２６および弁膜２３、弁膜２３の入口弁構造２３１及び出口弁構造２３２は、選択的に開閉される。その結果として、単一方向の流体の正味流量が提供され、圧力キャビティ２２６の流体は、５ｃｃ／分の流量で輸送される。

上記の説明から、本発明の流体輸送装置２０が作動モジュール２４によって作動されるとき、弁膜２３の入口弁構造２３１および凹部構造２１６のシーリングリング２６は、流体が圧力キャビティ２２６に輸送されるように、入口弁構造２３１を開けるように協働する。次に、作動モジュール２４の電界を切り替えることによって、圧力キャビティ２２６の容量は変化する。弁膜２３の出口弁構造２３２および凹部構造２２５のシーリングリング２７は、流体が圧力キャビティ２２６から輸送されるよう、出口弁構造２３２を開けるように協働する。圧力キャビティ２２６の容量が増大または減少するとき発生する吸引または衝撃が非常に大きいので、弁構造は、大量の流体を輸送するために急速に開かれ、流体が戻るのを防ぐ。

以下に、本発明の流体輸送装置を組み立てる工程が、図８のフローチャートおよび図３の分解組立図を参照して図示される。まず第一に、弁座２１が備えられる（ステップＳ８１）。次に、圧力キャビティのある弁帽２２が備えられる（ステップＳ８２）。次に、隆起構造が弁座２１および弁帽２２上に形成される（ステップＳ８３）。図３に説明されるとおり、隆起構造が形成される可能性がある。すなわち、少なくとも１つの凹部構造が、弁座２１および弁帽２２のそれぞれに形成される。例えば、シーリングリング２６は、弁座２１の凹部構造２１６に収容される（図７Ａに示されるとおり）。凹部構造２１６に収容されるシーリングリング２６が弁座２１の上面２１０から部分的に突き出ているので、隆起構造は弁座２１の上面２１０上に形成される。同様に、凹部構造２２５に収容されるシーリングリング２７が弁帽２２の下面２２８から部分的に突き出ているので、別の隆起構造は弁座２２の下面２２８上に形成される（図５Ｂに示されるとおり）。その他にも、フォトリソグラフィおよびエッチング過程、電気めっき加工または電鋳加工によって、隆起構造は、弁座２１および弁帽２２上に直接形成される可能性がある。

次に、柔軟膜が、弁構造２３１および２３２を有する弁膜２３を規定するために使用される（ステップＳ８４）。次に、振動薄膜２４１が形成され（ステップＳ８５）、アクチュエーター２４２が形成される（ステップＳ８６）。アクチュエーター２４２は、作動モジュール２４を形成するために振動薄膜２４１上に取り付けられ（ステップＳ８７）、そこでアクチュエーター２４２は圧力キャビティ２２６に向かい合う。次に、弁座２１および弁帽２２が弁膜２３の対側に配置されるように、弁膜２３は、流量弁座アセンブリ２０１を規定するために弁座２１と弁帽２２の間に挟まれる（ステップＳ８８）。その後、作動モジュール２４は、弁帽２２の上に置かれ、弁帽２２の圧力キャビティ２２６は作動モジュール２４によって密閉され、それによって、本発明の流体輸送装置を組立てる（ステップＳ８９）。

当発明が最も実用的かつ好適な実施形態であると現在みなされているものに関して説明されてきたが、当発明が開示される実施形態に限定される必要はないことを理解しなくてはならない。むしろ、すべての修正および類似の構造を包含するように最大限広範な解釈と一致する添付請求項の精神および範囲内に含まれる様々な修正および類似の配置を対象とすることを目的としている。

非作動状態の超小型ポンプを図示する概略断面図である。作動状態の超小型ポンプを図示する概略断面図である。図１Ａに示される超小型ポンプの概略上面図である。本発明の第１の好適な実施形態による流体輸送装置の概略分解組立図である。図３に示される流体輸送装置の弁座を図示する概略断面図である。図３に示される流体輸送装置の弁帽を図示する概略背面図である。図５Ａに示される弁帽の概略断面図である。図３に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。図３に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。図３に示される流体輸送装置の弁膜を概略的に図示する。本発明による非作動状態での流体輸送装置を図示する概略断面図である。本発明の流体輸送装置を図示する概略断面図であり、そこでは圧力キャビティの容量は増大される。本発明の流体輸送装置を図示する概略断面図であり、そこでは圧力キャビティの容量は減少される。本発明の第２の好適な実施形態による流体輸送装置を組み立てる工程を図示するフローチャートである。

符号の説明

１０超小型ポンプ
１１基板
１２仕切板
１３入口流路
１４伝動装置
１５超小型アクチュエーター
１６出口流路
１７流入量増幅器
１８流出量増幅器
２０流体輸送装置
２１弁座
２２弁帽
２３弁膜
２４作動モジュール
２５蓋板
２６シーリングリング
２７シーリングリング
２８シーリングリング
１１１加圧室
１９１入口流路
１９２出口流路
２０１流量弁座アセンブリ
２１０表面
２１１入口流路
２１２出口流路
２１３開口部
２１４開口部
２１５出口緩衝キャビティ
２１６凹部構造
２１７凹部構造
２１８凹部構造
２２０上面
２２１入口弁流路
２２２出口弁流路
２２３入口緩衝キャビティ
２２４凹部構造
２２５凹部構造
２２６圧力キャビティ
２２７凹部構造
２２８下面
２２９凹部構造
２３１入口弁構造
２３２出口弁構造
２４１振動薄膜
２４２アクチュエーター
２３１１拡張部
２３１２孔
２３１３入口弁スライス
２３２１拡張部
２３２２孔
２３２３出口弁スライス
Ｘ矢印
Ｙ矢印

Claims

流体を輸送するための流体輸送装置であり、
入口流路および出口流路のある弁座と、
前記弁座上に配置される弁帽と、
大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第１弁スイッチおよび第２弁スイッチを含む弁膜と、
前記弁膜と前記弁帽の間に第１緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第２緩衝室を含む複数緩衝室と、
前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、前記弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティを規定する前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターであって、
該アクチュエーターが上向きの凸に変形される場合、前記アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陰圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を増大させ、その結果、前記第１弁スイッチを開いて前記流体を前記入口流路から導入して、前記第１弁スイッチおよび前記緩衝室を通過せしめ、前記圧力キャビティに輸送させ、前記アクチュエーターが下向きの凹に変形される場合、該アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陽圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を減少させ、その結果、前記第２弁スイッチを開いて前記流体を前記圧力キャビティから導入して、前記第２緩衝室および前記第２弁スイッチを通過せしめ、前記出口流路から排出させる、
前記アクチュエーターと、を備えることを特徴とする流体輸送装置。
前記弁座および前記弁帽には、いくつかの凹部構造があり、前記流体輸送装置は、対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記弁膜は、厚さ１０μｍから５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記弁膜は、厚さ２１μｍから４０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記弁膜は、２から２０ＧＰａの弾性率のある高分子材料でできていることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記弁膜は、２から２４０ＧＰａの弾性率のある金属材料でできていることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記アクチュエーターは、厚さ１００μｍから５００μｍの圧電細片であることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記アクチュエーターは、厚さ１５０μｍから２５０μｍの圧電細片であることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記振動薄膜は、一層金属構造であることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記振動薄膜は、二層構造であり、金属層および前記金属層に取り付けられた生化学的抵抗性のある高分子シートを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記振動薄膜は、厚さ１０μｍから３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記振動薄膜は、厚さ１００μｍから２５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
前記圧力キャビティは、１００μｍから３００μｍの深さおよび１０ｍｍから３０ｍｍの直径であることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送装置。
流体を輸送するための流体輸送装置であり、
入口流路、出口流路および少なくとも１つの凹部構造のある弁座と、
前記弁座上に配置され、少なくとも１つの凹部構造のある弁帽と、
１０μｍから５０μｍの大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第１弁スイッチおよび第２弁スイッチを含む弁膜と、
前記弁膜と前記弁帽の間に第１緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第２緩衝室を含む複数緩衝室と、
前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティを規定する前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
前記弁座と前期弁帽の対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングと、
前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターであって、
該アクチュエーターが上向きの凸に変形される場合、前記アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陰圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を増大させ、その結果、前記第１弁スイッチを開いて前記流体を前記入口流路から導入して、前記第１弁スイッチおよび前記緩衝室を通過せしめ、前記圧力キャビティに輸送させ、前記アクチュエーターが下向きの凹に変形される場合、該アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陽圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を減少させ、その結果、前記第２弁スイッチを開いて前記流体を前記圧力キャビティから導入して、前記第２緩衝室および前記第２弁スイッチを通過せしめ、前記出口流路から排出させる、
前記アクチュエーターと、を備えることを特徴とする流体輸送装置。
流体を輸送するための流体輸送装置であり、
入口流路、出口流路および少なくとも１つの凹部構造のある弁座と、
前記弁座上に配置され、少なくとも１つの凹部構造のある弁帽と、
１０μｍから５０μｍの大体均一の厚さがあり、前記弁座と前記弁帽の間に配置され、いくつかの中空弁スイッチを備え、それは少なくとも第１弁スイッチおよび第２弁スイッチを含む弁膜と、
前記弁膜と前記弁帽の間に第１緩衝室および前記弁膜と前記弁座の間に第２緩衝室を含む複数緩衝室と、
前記流体輸送装置が非作動状態であるとき、１００μｍから３００μｍの空隙によって前記弁帽から分離され、それによって、圧力キャビティの形を定めている前記弁帽上に固定される外縁のある振動薄膜と、
前記弁座と前記弁帽の対応する凹部構造に収容されるが、前記弁膜上にプレフォースを提供するように前記凹部構造から部分的に突き出ているいくつかのシーリングリングと、
前記振動薄膜に接続されるアクチュエーターであって、
該アクチュエーターが上向きの凸に変形される場合、前記アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陰圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を増大させ、その結果、前記第１弁スイッチを開いて前記流体を前記入口流路から導入して、前記第１弁スイッチおよび前記緩衝室を通過せしめ、前記圧力キャビティに輸送させ、前記アクチュエーターが下向きの凹に変形される場合、該アクチュエーターに接続される前記振動薄膜は、陽圧差をもたらすように前記圧力キャビティの容量を減少させ、その結果、前記第２弁スイッチを開いて前記流体を前記圧力キャビティから導入して、前記第２緩衝室および前記第２弁スイッチを通過せしめ、前記出口流路から排出させる、
前記アクチュエーターと、を備えることを特徴とする流体輸送装置。