JP2000227073A - マイクロポンプの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子とダイアフラムによる能動的マイク
ロバルブを有するマイクロポンプにおいて、駆動方法を
改良し、送液時の効率と、非送液時の待機時の耐圧性を
向上させる。 【解決手段】 入口側および出口側の二つの能動バルブ
を有し、流体の吐出、吸引を行う一つのポンプ室を有す
るマイクロポンプにおいて、流体の吐出、吸引を行うの
に要する時間と比較して、バルブの開閉に要する時間を
短くすることによって単位時間あたりの送液量を増大さ
せる。またバルブダイアフラム１０に用いている圧電素
子３に対し、バルブを開く方向と逆向きの方向に電圧を
印加することによって、より強くバルブが閉じられる状
態を実現する。このとき圧電素子３には電圧を印加し続
けてもよいが、解除しても残留たわみによりバルブが閉
じた状態を維持することが可能である。この方法により
送液量向上及び待機時における耐圧性向上が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小量な液体の高精
度な制御と装置自体の小型化が不可欠である医療分野や
分析分野などにおけるマイクロポンプやマイクロバルブ
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロポンプの場合、図３の特
開平５−１６６９号広報に記載されているマイクロポン
プのようにシリコン基板２１上の酸化膜の犠牲層上に金
属またはポリシリコンの薄膜２２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２３上に設
けた圧電素子３によりポンプを構成することを特徴とし
ている。

【０００３】また特願平３−５０２０８３号に記載され
ているマイクロポンプにおけるマイクロバルブの場合、
図４に示すようにダイアフラム６の両面または片面に熱
酸化膜などの層２４を形成し、この層の応力によってダ
イアフラム６が自然状態でたわむ状態にした上で、基板
接合時においてバルブに与圧が働くような構造を実現し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図３に示すようなマイ
クロポンプの場合、入口側バルブと出口側バルブに逆止
弁を用いているために、出口側から入口側への逆方向の
圧力差に関しては高い耐圧性を示すものの、入口側から
出口側へのいわゆる順方向への圧力差が生じた場合に、
入口側から出口側へとマイクロポンプの内部を通じて流
体の漏れが生じてしまう恐れがある。

【０００５】図４のマイクロポンプの場合、逆止弁部分
にあらかじめ熱酸化膜２４などを形成しておくことによ
ってあらかじめたわみを持たせておき、接合時による与
圧で順方向の耐圧性を高くする方法を用いているが、与
圧の値を変化させることができず、また逆止弁の与圧を
高く設定するとバルブが開きにくくなり、送液量が減少
するという問題点を有している。また逆止弁を用いたマ
イクロポンプの場合、順方向と逆方向への耐圧性が異な
るために待機時および送液時に外界の圧力差の影響を受
けやすいという問題点も有している。

【０００６】そこで本発明では圧電素子とダイアフラム
による能動的マイクロバルブを有するマイクロポンプに
おいて、特にその駆動方法に改良を加えることによって
送液量を向上させるとともに、非送液時の待機時におけ
るマイクロポンプの耐圧性を向上させることを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】入口側および出口側の二
つの能動バルブを有し、流体の吐出、吸引をおこなう一
つのポンプ室を有するマイクロポンプにおいて、流体の
吐出、吸引をおこなうのに要する時間と比較して、バル
ブの開閉に要する時間を短くするという方法を用いる。
これによって送液を実現するのに要する時間を全体とし
て短縮することが可能となるため、単位時間あたりの送
液量を増大させることが可能となる。

【０００８】またバルブダイアフラムに用いている圧電
素子に対し、バルブを開く方向と逆向きの方向に電圧を
印加することによって、より強くバルブが閉じられる状
態を実現する。このとき圧電素子には逆向きの電圧を印
加しつづけてもよいが、電圧印加を解除しても圧電素子
とダイアフラムの残留たわみによって、バルブが閉じた
状態を維持することも可能である。この方法によってバ
ルブが閉じた状態における耐圧性が向上するため、送液
時における効率を向上させることが可能となり、また非
送液時の待機時におけるマイクロポンプの耐圧性を向上
させることも可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】入口側バルブ、ポンプ室、出口側
バルブから構成される本マイクロポンプは図２３のフロ
ーチャートが示すような手順に従って送液をおこなう。
すなわち、102．入口側バルブ開、103．ポンプ室への流
体吸引、104．入口側バルブ閉、105．出口側バルブ開、
107．外部への流体吐出、108．出口側バルブ閉、の６つ
のステップで１サイクルを構成しており、このサイクル
を繰り返すことによって送液を実現している。この図で
は107．出口側バルブ閉の後で108．送液の継続で送液を
終了するか否かを判断しているが、実際は102．入口側
バルブ開から107．出口側バルブ閉のどの段階でも、任
意に送液を終了することが可能である。

【００１０】ここで、流体を吐出、吸引するステップに
おいて、バルブの開閉をおこなうステップの時間を短く
することによって全体として１サイクルに要する時間を
短くし、単位時間あたりの送液量を多くすることが可能
となる。すなわち、図２３における102．入口側バルブ
開、104．入口側バルブ閉、105．出口側バルブ開、10
7．出口側バルブ閉、のステップを短くし、103．ポンプ
室への流体吸引、106．外部への流体吐出、の時間を長
く取ることによって単位時間当たりの送液量を多くする
ことが可能である。

【００１１】また各バルブを閉じるステップにおいて
は、バルブを開くときとは逆の方向に電圧を印加するこ
とによって、バルブがより強く閉じるという状態を実現
する。これによって閉じたバルブにおける流体の漏れを
少なくし、送液時の損失を少なくすることによって、送
液効率を向上させる。また閉じたバルブの圧力に対する
剛性が高いため、入口側外部や出口側外部の圧力の影響
を受けることなく、一定の送液が可能となる。すなわち
図２３において104．入口側バルブ閉、と107．出口側バ
ルブ閉、の２つのステップにおいてバルブを開く方向と
逆の方向に電圧を印加するという方法によって高い耐圧
性を実現することになる。

【００１２】また、各バルブダイアフラムに逆方向の電
圧を印加し、その後電圧印加を解除したとしても、圧電
素子とバルブダイアフラムに残留たわみが存在するため
に、バルブの耐圧性が維持されることになる。すなわ
ち、図２３において104．入口側バルブ閉、107．出口側
バルブ閉のステップにおいて、逆電圧印加後に電圧解除
という方法を用いる場合である。この場合もバルブの高
い耐圧性が実現されるために、送液効率の向上と外部圧
力の影響を受けることのない一定の送液を実現すること
が可能となる。この方法は電圧印加を続ける必要がない
ため、消費電力という点でも有用な駆動方法である。

【００１３】また送液をおこなわないときは、入口側お
よび出口側の両方のバルブに対し、この方法でバルブを
閉じることによって、外部入口側と外部出口側に圧力差
が存在していた場合にも漏れを生じることなくマイクロ
ポンプを待機させておくことが可能となる。すなわち図
２３の109．送液終了において入口側および出口側の二
つのバルブに対してバルブを開く方向と逆向きの方向に
電圧を印加した状態で待機させるという方法である。

【００１４】また、各バルブダイアフラムに逆方向の電
圧を印加し、その後電圧印加を解除したとしても、圧電
素子とバルブダイアフラムに残留たわみが存在するため
に、バルブの耐圧性が維持されることになる。すなわち
図２３において109．送液終了において入口側および出
口側の二つのバルブに対してバルブが開く方向と逆方向
に電圧を印加後、電圧印加を解除し、マイクロポンプを
待機させるという方法である。この方法は電圧印加を継
続する必要がないために、消費電力という点で有効であ
る。

【００１５】以下に本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。 ［実施の形態１］図５は圧電素子３とダイアフラム６の
ユニモルフ構造を示しており、圧電素子３中の矢印は分
極の方向を示している。この図５(A)に示すような圧電
素子３とダイアフラム６のユニモルフ構造の場合、圧電
素子３の分極の方向に電圧を印加すると、圧電素子が分
極方向と垂直に縮むためダイアフラム６が図５(B)に示
すように図面上で上向きに撓むことになる。また分極逆
方向に電圧を印加した場合、圧電素子３が分極方向と垂
直に伸びるためにダイアフラム６が図５(C)に示すよう
に図面上で下向きに変位することになる。また電圧印加
を解除した場合、圧電素子３およびダイアフラム６の剛
性によって撓みは解消され、図５(A)の状態に戻ること
になる。

【００１６】本発明で取り上げるマイクロポンプの構造
を図１、図２に示す。図１はマイクロポンプ断面図を、
図２は平面図を示しており、二つのバルブダイアフラム
１０と一つのポンピングダイアフラム９を有した基板１
と流体が通過する貫通穴５を有した天板２が接合された
構造となっており、バルブダイアフラム１０と天板２の
間にはパッキン４が挟まれた構造となっている。また、
二つのバルブダイアフラム１０と一つのポンピングダイ
アフラム９は流路１１でつながれており、各ダイアフラ
ムには圧電素子３が接着してある。以下において、この
マイクロポンプの各要素について詳細な説明をおこな
う。

【００１７】本実施の形態で取り上げるマイクロポンプ
の一つの要素である能動的マイクロバルブは、図６に示
すように、流体の通過する貫通穴５を有した天板２と、
バルブダイアフラム１０を有した基板１と、天板２と基
板１に挟まれたパッキン４と、圧電素子３とバルブダイ
アフラム１０による駆動部によって構成され、通常時は
図６に示すようにパッキン４によって貫通穴５がふさが
れておりバルブは閉じた状態となっている。このマイク
ロバルブにおいて図５に示したユニモルフ構造の原理を
用いると、電圧印加によってバルブダイアフラム１０を
基板側に変位させればバルブが開いた状態が実現され
（図７）、電圧印加を解除すれば圧電素子３とバルブダ
イアフラム１０の剛性によってたわみが解消されるため
に図６に示したバルブが閉じた状態に復帰する。また実
施の形態２で詳しく述べるが、バルブが開く方向と逆向
きに電圧を印加することによって、単純に圧電素子３と
バルブダイアフラム１０の剛性によるバルブ閉の状態よ
りもさらに強くバルブを閉じることも可能である（図
８）。

【００１８】本実施の形態においては、図６に示したよ
うな基板１のバルブダイアフラム１０と天板２にパッキ
ン４が挟まれた構造のマイクロバルブを例として用いて
いるが、図９に示すようなダイアフラム６上に弁座７が
形成してあり、その上にパッキン４が位置しているよう
な構造のマイクロバルブにおいても同様の原理でバルブ
の開閉がおこなわれる。また図１０(A)において平面
図、図１０(B)において断面図を示しているマイクロバ
ルブの場合、パッキン４と貫通穴５が離れたところに位
置しており、帯状のパッキン４によって流体をせき止め
るような構造を有しているが、このようなマイクロバル
ブでも同様の原理によってバルブの開閉がおこなわれ
る。

【００１９】一方、流体の吐出、吸引はポンピングダイ
アフラムの変位によっておこなわれることになる。図１
１に示すようにポンピングダイアフラム９の圧電素子３
に電圧を印加し、ポンピングダイアフラム９を天板２側
に変位させるとポンプ室８の容積が減少することになる
ため、ポンプ室８内部の流体の吐出が実現される（図１
１(B)）。またこの状態から電圧印加を解除すると圧電
素子３とポンピングダイアフラム９の剛性によってポン
ピングダイアフラム９のたわみが解消されるためにポン
プ室８の容積が増大し、外部からの流体の吸引が実現さ
れる（図１１(A)）。

【００２０】逆に図１２に示すように、電圧印加によっ
てポンピングダイアフラム９を基板１側に変位させた場
合、ポンプ室８の容積が増大することになるために外部
からの流体の吸引が実現され（図１２(B)）、この状態
から電圧印加を解除すれば、圧電素子３とポンピングダ
イアフラム９の剛性によってポンピングダイアフラム９
のたわみが解消されるためにポンプ室８の容積が減少
し、ポンプ室８内部の流体の吐出が実現される（図１２
(A)）。また図１３に示すように、電圧の方向を切り替
えることにより、ポンピングダイアフラム９を天板２側
と基板１側の双方向に変位させることも可能である。こ
の場合、天板２側に変位させたときにポンプ室８からの
流体の吐出がなされ（図１３(A)）、基板１側に変位さ
せたときに外部からの流体の吸引がなされることになる
（図１３（B））。

【００２１】以上のようなバルブの開閉、ポンプ室の容
積変化を組み合わせることによってマイクロポンプの送
液を実現することができるが、送液は図１４に示すよう
な順序でおこなわれる。すなわち、１．入口側バルブ開
２．ポンプ室へ流体吸引３．入口側バルブ閉 ４．出
口側バルブ開 ５．外部へ流体吐出 ６．出口側バルブ
閉、である。以上を１サイクルとして繰り返し駆動する
ことによって入口側バルブから出口側バルブへの送液を
実現することができる。図１４は図面上右のバルブを入
口側バルブ、左のバルブを出口側バルブとしているが、
二つのバルブは構造が同じであるため、入口側と出口側
のバルブは任意に決定することが可能である。図１５に
は送液時のタイミングチャートを示す。ただし、図１
４、図１５では、電圧印加によってバルブダイアフラム
１０を基板１側に変位させることによってバルブを開
き、電圧印加を解除することによってバルブを閉じる例
を用い、ポンプ室８に関しては電圧印加によってポンピ
ングダイアフラム９を基板１側に変位させることによっ
て流体の吸引を、電圧解除によって流体を吐出する例を
用いている。すでに説明したように、バルブの開閉およ
び流体の吐出、吸引に関しては、ダイアフラムを変位さ
せる方向によっていくつかの方法があるが、どの組み合
わせを用いても、前述の6つのステップを繰り返すこと
によって送液を実現することが可能である。

【００２２】以上のようなシーケンスによって送液をお
こなう場合、単純に１サイクルに要する時間を短くした
だけでは、その単位時間あたりの送液量を多くすること
はできない。受動的な二つの逆止弁を用いたマイクロポ
ンプの場合は、一方向にしか流体が移動しないためポン
ピング部分を数百Hzの高周波で駆動しても送液を実現す
ることができる。しかし本例のように二つの能動的なマ
イクロバルブを有したマイクロポンプの場合、バルブの
開閉と流体の吐出、吸引の各ステップのタイミングがあ
っていないと所望の方向へ送液を実現することができな
い。そのため単純に各ステップの時間を短くしただけで
はマイクロポンプ内部での流体の移動がついていかず、
むしろ単位時間あたりの送液量は減少していくことにな
る。

【００２３】１サイクルの駆動周波数を変化させた場
合、単位時間あたりの送液量と１サイクルあたりの送液
量は図１６に示すようになる。駆動周波数を低くして送
液をおこなったときのほうが１サイクルあたりの送液量
が多くなっており、送液効率という点では駆動周波数が
小さいほうが有利である。これは流体がマイクロポンプ
内部を移動する際にその粘性によって、高周波駆動のと
きほど大きな抵抗を受けるためである。しかし単位時間
あたりの送液量、すなわち送液流量という観点でとらえ
た場合、ある特定の周波数で送液量が最大となる。

【００２４】すでに述べたように、送液は１．入口側バ
ルブ開 ２．ポンプ室へ流体吸引３．入口側バルブ閉
４．出口側バルブ開 ５．外部へ流体吐出 ６．出口側
バルブ閉、の６つのステップから実現されるが、これら
のステップのうち実際にマイクロポンプ内部を流体が移
動しているのは、２．ポンプ室へ流体吸引、５．外部へ
流体吐出、の二つである。すなわち高周波駆動をするほ
ど、この二つのステップが流体の移動に際して大きな粘
性抵抗を受けることになる。

【００２５】そこで、２．ポンプ室への流体吸引、５．
外部への流体吐出、のステップのときには粘性抵抗が少
なくなるように十分な時間を確保し、他のバルブ開閉の
ステップのときだけ駆動周波数を向上させる。ここで
は、流体の吐出、吸引のステップに対してバルブ開閉の
ステップを短くして駆動をおこなうことにする（図１
７）。

【００２６】ただし、２．ポンプ室へ流体吸引、５．外
部へ流体吐出、のステップに要する時間は図１６で最大
流量が選られた値とする。この場合、単位時間当たりの
送液量、すなわち送液流量と１サイクルあたりの送液量
は図１８のような傾向を示す。バルブ開閉の時間を短く
することによって、1サイクルに要する時間が短くなっ
たため、結果として単位時間あたりの送液量が増大す
る。一方でバルブの開閉の時間短縮による１サイクルあ
たりの送液量、すなわち送液効率はさほど変化しない。

【００２７】以上のように流体の吐出、吸引において、
バルブの開閉に要する時間を短縮することによって、単
位時間あたりの吐出量を増大させることが可能である。
逆に言うと１サイクルあたりの送液効率を決定するのは
吐出・吸引のステップであり、これらのステップの時間
を調整することによって１サイクルあたりの送液効率を
変化させることが可能である。つまり、バルブ開閉のス
テップと流体吐出、吸引のステップの時間比率を変える
ことによって、単位時間あたりの送液量および１サイク
ルあたりの送液効率を任意に設定することができる。

【００２８】また本実施の形態においては圧電素子とダ
イアフラムのユニモルフアクチュエータによってダイア
フラムを変位させる例を用いているが、積層型圧電素子
の分極方向の変位によって直接ダイアフラムを変位させ
る場合においても同様の効果を得ることができる。 ［実施の形態２］実施の形態１で記載したが、圧電素子
とダイアフラムのユニモルフ構造を有したマイクロポン
プの場合、図７に示したように電圧印加によってバルブ
ダイアフラム１０を基板１側に変位させればバルブが開
いた状態が実現され、図６に示したように電圧印加を解
除すれば圧電素子３とバルブダイアフラム１０の剛性に
よってたわみが解消されるためにバルブが閉じた状態が
実現される。一方、図８に示したようにバルブを開く場
合と逆向きの電圧を圧電素子３に印加した場合、バルブ
ダイアフラム１０を天板２側に変位させることが可能と
なる。この場合バルブダイアフラム１０によってパッキ
ン４が天板２側に押し付けられた状態が実現されるため
に、単純に圧電素子３に印加する電圧を解除した図６の
ときと比較して、より強い耐圧性を実現することができ
る。

【００２９】本実施の形態においては、図６に示したよ
うな基板１のバルブダイアフラム１０と天板２にパッキ
ン４が挟まれた構造のマイクロバルブを例として用いて
いるが、図９に示すようなダイアフラム６上に弁座７が
形成してあり、その上にパッキン４が位置しているよう
な構造のマイクロバルブにおいても同様の原理でバルブ
の開閉がおこなわれる。また図１０(A)において平面
図、図１０(B)において断面図を示しているマイクロバ
ルブの場合、パッキン４と貫通穴５が離れたところに位
置しており、帯状のパッキン４によって流体をせき止め
るような構造を有しているが、このようなマイクロバル
ブでも同様の原理によってバルブの開閉がおこなわれ
る。またバルブダイアフラムをバルブが開く方向とは逆
方向に変位させることによって、同様により強い耐圧性
を実現することが可能である。

【００３０】一方、ポンピングダイアフラムの駆動に関
しては、実施の形態１で述べたように電圧印加によって
ポンピングダイアフラムを上向きか下向きかまたは双方
に変位させることによってポンプ室内部の容積を変化さ
せることによって、流体の吐出および吸引を実現するこ
とができる。以上のようなバルブの開閉、ポンプ室の容
積変化を組み合わせることによってマイクロポンプの送
液を実現することができるが、実際の送液は以下のよう
な6つのステップによって実現される。すなわち、１．
入口側バルブ開 ２．ポンプ室へ流体吸引 ３．入口側
バルブ閉 ４．出口側バルブ開 ５．外部へ流体吐出
６．出口側バルブ閉、である。

【００３１】これらのステップからマイクロポンプの送
液を実現する場合、たとえば流体の吐出のステップにお
いて入口側バルブの耐圧性が低いと、入口側への流体の
逆流が生じてしまい送液効率が低くなってしまうことに
なる。また流体の吸引のステップにおいて出口側バルブ
の耐圧性が低いと、入口側からだけでなく出口側からも
流体が吸引されることになってしまうため同様に送液効
率が減少する。しかし、逆に言うとバルブが閉じた時の
耐圧性を向上させることによって、送液効率を向上させ
ることが可能となる。

【００３２】そこで、入口側および出口側バルブを閉じ
るステップにおいて、図６に示すように単純に圧電素子
３とバルブダイアフラム１０の剛性によってバルブを閉
じるのではなく、図８に示すようにバルブが開くときと
逆方向に電圧を印加し、パッキン４を天板２側に押し付
けて高い耐圧性を実現することにする。以上のような駆
動方法を用いた場合のタイミングチャートは図１９に示
すようになる。すなわちバルブを開けるステップではバ
ルブダイアフラムを基板１側に変位させ、バルブを閉じ
るステップではバルブダイアフラムを天板側に変位させ
るということになる。

【００３３】このような駆動方法を用いた場合、単純に
圧電素子とバルブダイアフラムの剛性によってバルブを
閉じたときよりも強く流体をせきとめることができ、送
液効率を向上させることが可能となる。またバルブを閉
じたときの剛性が向上することによって、マイクロポン
プ内部が外部の圧力の影響を受けることがなくなり、外
部環境に関わらない一定の送液が可能となる。

【００３４】なお、図１９ではポンピングダイアフラム
を基板側に変位させることによって流体の吸引、電圧解
除によって流体の吐出をおこなう例を用いている。すで
に実施の形態１で説明したように流体の吐出、吸引に関
してはダイアフラムを変位させる方向によっていくつか
の方法があるが、いずれの方法を用いても同様の効果を
得ることができる。

【００３５】また本実施の形態においては圧電素子とダ
イアフラムのユニモルフアクチュエータによってダイア
フラムを変位させる例を用いているが、積層型圧電素子
の分極方向の変位によって直接ダイアフラムを変位させ
る場合においても同様の効果を得ることができる。 ［実施の形態３］実施の形態１で記載したが、図２０に
示すようにバルブ部分の開閉に関しては電圧印加によっ
てバルブダイアフラム１０を基板１側に変位させること
によってバルブが開いた状態が実現され（図２０
(B)）、電圧印加を解除することによって圧電素子３と
バルブダイアフラム１０の剛性によりたわみが解消され
てバルブが閉じた状態が実現される（図２０(A)）。一
方、バルブを開く場合と逆向きの電圧を圧電素子３に印
加することによってバルブダイアフラム１０を天板２側
に変位させるとバルブダイアフラム１０によってパッキ
ン４が天板２側に押し付けられた状態が実現されるため
に、より強い耐圧性を実現することができる（図２０
(C)）。

【００３６】また、圧電素子には電圧印加によって形状
を変形させた後、電圧印加を解除しても数パーセントの
変形量が残るという性質がある。このためバルブダイア
フラム１０を電圧印加によって天板２側に変位させた
後、電圧印加を解除したとしても残留たわみが圧電素子
３とバルブダイアフラム１０とに残ることとなり、パッ
キン４が天板２側に押し付けられた状態が維持されるこ
とになる（図２０(D)）。よって常に逆向きの電圧印加
をおこなっていなくても、一時的に逆方向にバルブダイ
アフラム１０を変位させるだけで、バルブを閉じたとき
の耐圧性を向上させることが可能となる。

【００３７】本実施の形態においては、図２０に示した
ような基板１のバルブダイアフラム１０と天板２にパッ
キン４が挟まれた構造のマイクロバルブを例として用い
ているが、図９に示すようなダイアフラム６上に弁座７
が形成してあり、その上にパッキン４が位置しているよ
うな構造のマイクロバルブにおいても同様の原理でバル
ブの開閉がおこなわれる。また図１０(A)において平面
図、図１０(B)において断面図を示しているマイクロバ
ルブの場合、パッキン４と貫通穴５が離れたところに位
置しており、帯状のパッキン４によって流体をせき止め
るような構造を有しているが、このようなマイクロバル
ブでも同様の原理によってバルブの開閉がおこなわれ
る。また同じように一時的に逆方向にバルブダイアフラ
ムを変位させるだけで、バルブの閉じたときの耐圧性を
向上させることが可能となる。

【００３８】これに対して、ポンピングダイアフラムの
駆動に関しては、実施の形態１で述べたように電圧印加
によってポンピングダイアフラムを上向きか下向きかま
たは双方に変位させることによってポンプ室内部の容積
を変化させ、流体の吐出および吸引を実現することがで
きる。以上のようなバルブの開閉、ポンプ室の容積変化
を組み合わせることによってマイクロポンプの送液を実
現することができるが、実際の送液は以下のような6つ
のステップによって実現される。すなわち、１．入口側
バルブ開 ２．ポンプ室へ流体吸引 ３．入口側バルブ
閉 ４．出口側バルブ開 ５．外部へ流体吐出６．出口
側バルブ閉、である。送液開始から送液終了までのフォ
ローチャートは図２３に示すようになる。このうちバル
ブが閉じるステップにおいて、前述の一時的な逆電圧の
印加によってバルブが閉の状態を実現するという方法を
用いた場合、マイクロポンプの駆動シーケンスは図２１
に示すようになる。

【００３９】この場合、バルブが閉の状態は圧電素子に
残った変形と、それによる圧電素子とバルブダイアフラ
ムによる残留たわみによるものであるため、圧電素子に
逆向きの電圧を維持したままのものよりもその耐圧性は
やや劣ることになるが、もともと図２０(A)で示したよ
うにダイアフラムにたわみのない状態でパッキンと天板
が密着した状態であるため、少量の残留たわみでも大き
な耐圧性を実現することができる。

【００４０】この方法を用いることによって、バルブを
閉とした状態において流体を強くせきとめることができ
るため、送液効率を向上させることが可能となる。また
バルブを閉じたときの剛性が向上することによって、マ
イクロポンプ内部と外部を切り離すことが可能となり、
入口側外部や出口側外部の圧力の影響を受けることな
く、一定の送液が可能となる。また実施の形態２で記載
した駆動方法の場合、閉じた状態を実現するために電圧
印加を継続していたが、本実施の形態の場合は一時的に
逆向きの電圧を印加するだけでよく、その後電圧印加を
解除してもバルブが閉じた状態が維持される。このため
送液１サイクルにおける消費電力という点では大きな効
率化がはかれることになる。

【００４１】また本実施の形態においては圧電素子とダ
イアフラムのユニモルフアクチュエータによってダイア
フラムを変位させる例を用いているが、積層型圧電素子
の分極方向の変位によって直接ダイアフラムを変位させ
る場合においても同様の効果を得ることができる。 ［実施の形態４］実施の形態１で示したように、マイク
ロポンプの各ダイアフラムを一定のシーケンスで駆動す
ることにより入口側から出口側へと流体の送液を実現す
ることが可能であるが、ポンプという性質上、入口側と
出口側の外部環境において圧力差が存在しているのが普
通である。マイクロポンプが送液をおこなっていない状
態、すなわち待機状態において、外部環境の圧力差によ
って入口側から出口側へ、もしくは出口側から入口側へ
と流体の流れが生じてしまうのは望ましくなく、マイク
ロポンプは非送液時においても、一つのストップバルブ
として入り口側と出口側の圧力差をせき止めておく必要
がある。

【００４２】このような問題点に対して、送液が終了し
た後に入口側と出口側の二つのバルブに実施の形態２で
示したような、バルブが開く方向とは逆向きの方向に電
圧を印加しつづけることによって、外部圧力に影響され
ない待機状態を実現することが可能となる。このような
駆動方法を用いることによって、マイクロポンプは単純
な送液要素としてだけでなく、圧力差による流れをせき
とめるストップバルブとしての機能を持たせることも可
能となる。

【００４３】また実施の形態３に示したように、一時的
にバルブが開く時と逆向きに電圧を印加することによっ
てバルブダイアフラムを変位させ、その残留たわみによ
ってバルブが閉じた状態を実現することも可能である。
この方法を両方のバルブに適用することによって、外部
圧力に影響されない待機状態を実現することが可能とな
る。

【００４４】この方法は常に逆向きの電圧を印加しつづ
けるときと比較して耐圧性は若干劣るが、もともと図２
０(A)で示したようにダイアフラムにたわみのない状態
でパッキンと天板が密着した状態であるため、少量の残
留たわみでも大きな耐圧性を実現することができる。ま
た、電圧印加をせずとも圧電素子とダイアフラムの残留
たわみによってバルブが閉じた状態が維持されるため
に、消費電力という点で非常に有効な制御方法である。

【００４５】二つのバルブを開いた状態から、単純に電
圧を解除することによって両方のバルブと閉じた場合
と、一時的に逆向きに電圧を印加し、その後電圧印加を
解除することによってバルブを閉じた場合の耐圧性の違
いは図２２に示すようになる。横軸が入口側と出口側の
圧力差、縦軸が入口側から出口側への漏れ量を示してい
る。このように一時的な逆電圧の印加によって高い耐圧
性を実現することが可能である。このような駆動方法を
用いることによって、マイクロポンプは単純な送液要素
としてだけでなく、圧力差による流れをせきとめるよう
なストップバルブとしての機能を持たせることも可能と
なる。

【００４６】また本実施の形態においては圧電素子とダ
イアフラムのユニモルフアクチュエータによってダイア
フラムを変位させる方法を用いているが、積層型圧電素
子の分極方向の変位によって直接ダイアフラムを変位さ
せる方法を用いても同様の効果を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明では二つの能動的バルブを有する
マイクロポンプにおいて、バルブを開く方向と逆向きに
電圧を印加し続ける方法、一時的に逆電圧を印加する方
法、ポンピング部分とバルブ部分の駆動時間を変える方
法、を用いることによって、送液時の送液効率を向上さ
せる効果がある。またバルブにおいて逆電圧を印加する
という方法は、マイクロポンプの待機時における外部圧
力差における耐圧性を向上させるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかわるマイクロポンプの構造を示す
断面図である。

【図２】本発明にかかわるマイクロポンプの構造を示す
平面図である。

【図３】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図であ
る。

【図４】従来のマイクロバルブの構造を示す断面図であ
る。

【図５】本発明にかかわる圧電素子とダイアフラムのユ
ニモルフ構造の駆動原理を示す断面図である。

【図６】本発明にかかわるマイクロバルブの構造を示す
断面図である。

【図７】本発明にかかわる電圧印加によってマイクロバ
ルブが開いたときの様子を示す断面図である。

【図８】本発明にかかわる電圧印加によってマイクロバ
ルブを強く閉めたときの様子を示す断面図である。

【図９】本発明を応用することが可能な別構造のマイク
ロバルブを示す断面図である。

【図１０】本発明を応用することが可能な別構造のマイ
クロバルブを示す図である。

【図１１】本発明にかかわるマイクロポンプにおける流
体の吐出、吸引の原理を示す断面図である。

【図１２】本発明にかかわるマイクロポンプにおける流
体の吐出、吸引の原理を示す断面図である。

【図１３】本発明にかかわるマイクロポンプにおける流
体の吐出、吸引の原理を示す断面図である。

【図１４】本発明にかかわるマイクロポンプの送液の手
順を示す断面図である。

【図１５】本発明にかかわるマイクロポンプによって送
液をおこなうためのタイミングチャートである。

【図１６】本発明にかかわるマイクロポンプの駆動周波
数と送液量の関係を示す図である。

【図１７】本発明にかかわるマイクロポンプの駆動方法
を示す図である。

【図１８】本発明によってマイクロポンプの送液量が向
上している様子を示す図である。

【図１９】本発明にかかわるマイクロポンプによって送
液をおこなうためのタイミングチャートである。

【図２０】本発明にかかわるマイクロバルブの開閉方法
を示す図である。

【図２１】本発明にかかわるマイクロポンプによって送
液をおこなうためのタイミングチャートである。

【図２２】本発明によってマイクロポンプの耐圧性が向
上している様子を示す図である。

【図２３】本発明にかかわるマイクロポンプの送液方法
を示すフローチャートである。

【符号の説明】 １ 基板 ２ 天板 ３ 圧電素子 ４ パッキン ５ 貫通穴 ６ ダイアフラム ７ 弁座 ８ ポンプ室 ９ ポンピングダイアフラム １０ バルブダイアフラム １１ 流路 ２１ シリコン基板 ２２ ポリシリコン ２３ ガラス基板 ２４ 熱酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古田 一吉 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 3H077 AA08 BB10 CC02 CC09 DD06 EE15 EE23 EE26 FF12 FF36

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルブの開閉をおこなう二つのバルブダ
   イアフラムおよび流体の吐出、吸引をおこなう一つのポ
   ンピングダイアフラムを有する基板と、流体が通過する
   貫通穴を有し基板と接合されることによってダイアフラ
   ムによる閉じた空間を形成するための天板と、 圧電素子によってダイアフラムを変位させる働きをする
   駆動部と、 天板とバルブダイアフラムの間に位置し流体を止める働
   きをするパッキンから構成されるマイクロポンプにおい
   て、 入口側バルブを開き、次にポンピングダイアフラムによ
   って入口側バルブから流体を吸引し、次に入口側バルブ
   を閉じ、次に出口側バルブを開き、次にポンピングダイ
   アフラムにより出口側バルブから流体を吐出し、最後に
   出口側バルブを閉じ、これらのステップを繰り返すこと
   によって入り口側バルブから出口側バルブへ送液を実現
   するマイクロポンプの駆動方法。
2. 【請求項２】 バルブの開閉、流体の吐出および吸引の
   それぞれに費やす時間を異なるものとしたことを特徴と
   する請求項１記載のマイクロポンプの駆動方法。
3. 【請求項３】 バルブが閉じた状態を実現するためにバ
   ルブダイアフラムを天板側に変位させることを特徴とし
   た請求項１記載のマイクロポンプの駆動方法。
4. 【請求項４】 請求項３におけるバルブを閉じた状態
   は、ユニモルフアクチュエータに電圧印加を維持するこ
   とによって実現されることを特徴としたマイクロポンプ
   の駆動方法。
5. 【請求項５】 請求項３におけるバルブを閉じた状態
   は、ユニモルフアクチュエータに電圧を印加しパッキン
   を天板側に押しつけ、その後ユニモルフアクチュエータ
   への電圧印加を解除し、ダイアフラムと圧電素子の残留
   たわみによりパッキンが天板に押しつけられていること
   によって実現されることを特徴としたマイクロポンプの
   駆動方法。
6. 【請求項６】 請求項４記載の方法または請求項５記載
   の方法を用いることによって入口側および出口側両方の
   バルブを閉じ、送液をおこなわない待機状態を実現する
   ことを特徴としたマイクロポンプの制御方法。