JP2003184755A - マイクロポンプ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】開閉弁を不要とし、脈流を抑えて微量流体を供
給することができる、メンテナンスの良いマイクロポン
プ及びその駆動方法を提供する。 【解決手段】微量液体を送り出すマイクロポンプにおい
て、流体の流れる流路を構成するパイプ１と、パイプ１
を保持し、流体の入口９を構成する第１筐体２および流
体の出口１０を構成する第２筐体３と、パイプ１の内部
に長手方向に向かって所定の間隔を介して配置されると
共に、形状記憶合金などで構成された複数個のリング状
からなるアクチュエータ４ａ〜４ｉと、該アクチュエー
タにそれぞれ独立して接続されると共に、該アクチュエ
ータ４ａ〜４ｉを個別に動作させることができるよう、
熱電素子などの駆動源５ａ〜５ｉと、駆動源５ａ〜５ｉ
を個別に制御するためのコントローラ６とより構成され
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、医療、化学分析等
に用いるための微量流体供給装置に関するものであり、
特に小型で流体流量を高精度に制御することのできるマ
イクロポンプおよびその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、医療、化学分析等に用いられると
共に、微量の流体を輸送し、流体流量を高精度に制御す
るためのマイクロポンプは、図７のようになっている。
図７において、２１はパイプ、２２は第１筐体、２３は
第２筐体、２４は形状記憶合金コイルばね、２５は吸入
側一方向弁、２６は排出側一方向弁、２７は流路、２８
は流体の入口、２９は流体の出口である。マイクロポン
プは第１筐体２２側に吸入側一方向弁２５を配置し、第
２筐体２３側に排出側一方向弁２６を配置してなる流路
２７を構成するパイプ２１内部に、アクチュエータであ
る形状記憶合金コイルばね２４を同心状に一体に埋め込
んだ構成となっている。形状記憶合金コイルばね２４が
伸びる方向に動作する場合は、排出側一方向弁２６は流
体の流れを遮るように閉じ、吸入側一方向弁２５が開く
ことにより、流体が入口２８よりパイプ２１内部に流入
する。その後、形状記憶合金コイルばね２４が縮む方向
に動作することにより、吸入側一方向弁２５が流体の流
れを遮るように閉じ、そして、排出側一方向弁２６が開
くことにより、パイプ２１内部に導入された流体が出口
２９に向かって送り出される。上記のマイクロポンプで
は、形状記憶合金コイルばね２４に熱を供給することに
より動作させることができるため、構造が簡単で形状も
小型にすることができる。また、通常のシリンジポンプ
では流体の供給後、シリンジを交換する必要があった
が、少なくとも一組の一方向弁を配置したことで、連続
的に流体を供給することができるようになっている（例
えば、特開平６−１５９２５０号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のマイ
クロポンプにおいては、吸入側一方向弁２５および排出
側一方向弁２６の開閉時に流体の流れが変動するため、
微量流体を供給する際に脈動が非常に大きくなり、化学
分析等において脈動による分析値等のばらつきが大きか
った。また、形状記憶合金コイルばね２４がパイプ２１
内部に埋め込まれているため、パイプ２１の劣化等によ
り補修が必要な場合はアクチュエータおよびパイプを同
時に交換する必要があり、メンテナンス性が低かった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであ
り、開閉弁を不要とし、脈流を抑えて微量流体を供給す
ることができる、メンテナンスの良いマイクロポンプ及
びその駆動方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の本発明は、微量液体を送り出すマイクロ
ポンプにおいて、流体の流れる流路を構成する略円筒状
のパイプと、前記パイプを保持し、流体の入口と出口の
何れか一方を構成する第１筐体および第２筐体と、前記
パイプの長手方向に向かって所定の間隔を介して配置し
た複数個のリング状からなるアクチュエータと、前記ア
クチュエータを個別に動作させるための駆動源と、前記
駆動源を個別に制御するためのコントローラを設けたも
のである。

【０００５】請求項２の本発明は、請求項１記載のマイ
クロポンプにおいて、前記複数個のアクチュエータは周
囲を被覆体により覆われた構成とすると共に、前記アク
チュエータを含む前記被覆体の内側に流路を構成するパ
イプを配置したものである。

【０００６】請求項３の本発明は、請求項１または２記
載のマイクロポンプにおいて、前記第１筐体と前記第２
筐体の少なくとも何れか一方に整流体を配置したもので
ある。

【０００７】請求項４の本発明は、請求項１〜３記載の
マイクロポンプにおいて、前記アクチュエータは、円形
状のリングの中心点を基準として同心方向に伸縮できる
ようにした構造を有するものである。

【０００８】請求項５の本発明は、請求項１〜３記載の
マイクロポンプにおいて、前記アクチュエータは、円形
状のリングの一部を開き、前記リングの中心点を基準と
してその開いた部分を境界として渦巻状に伸縮できるよ
うにした構造を有するものである。

【０００９】請求項６の本発明は、請求項１〜３記載の
マイクロポンプにおいて、前記アクチュエータは、円形
状のリングを分割し、それぞれの継目に固定体が配置さ
れ、リングの中心点と前記固定体を結ぶラインを基準と
してリングの中心点方向に伸縮できるようにした構造を
有するものである。

【００１０】請求項７の本発明は、請求項１〜６記載の
マイクロポンプにおいて、前記アクチュエータは形状記
憶合金で構成し、前記駆動源は熱電素子で構成したもの
である。

【００１１】請求項８の本発明は、微量液体を送り出す
マイクロポンプの駆動方法において、略円筒状の断面を
有するパイプに複数個のリング状のアクチュエータを所
定の間隔を介して配置し、前記複数個のアクチュエータ
ごとに個別に動作させるための駆動源を配置し、コント
ローラによって当該パイプの流量に応じた単位時間ごと
の信号を前記各駆動源に順次送出し、前記各駆動源に入
力された信号に基づいて順番に前記アクチュエータを駆
動させることにより流体を送り出すようにしたものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基づ
いて説明する。 （第１実施例）本発明の第１実施例を図１に示す。図１
は、本発明のマイクロポンプを示す断面図である。図に
おいて、１はパイプ、２は第１筐体、３は第２筐体、４
ａ〜４ｉはアクチュエータ、５ａ〜５ｉは駆動源、６は
コントローラ、９は入口、１０は出口、１１は流路、１
２ａ〜１２ｃは流体である。

【００１３】第1実施例の特徴は以下のとおりである。
マイクロポンプは、流体の流れる流路を構成すると共
に、弾性力を持つ樹脂材でできた略円筒状のパイプ１
と、パイプ１を保持し、流体の入口９を構成する第１筐
体２と、同じくパイプ１を保持し、流体の出口１０を構
成する第２筐体３と、パイプ１の内部に長手方向に向か
って所定の間隔を介して配置されると共に、例えば形状
記憶合金などで構成された複数個のリング状からなるア
クチュエータ４ａ〜４ｉと、アクチュエータ４ａ〜４ｉ
にそれぞれ独立して接続されると共に、アクチュエータ
４ａ〜４ｉを個別に動作させることができるようにする
ための、例えば熱電素子などで構成された駆動源５ａ〜
５ｉと、駆動源５ａ〜５ｉを個別に制御するためのコン
トローラ６とより構成されるものである。なお、パイプ
１の両端に接続された第１筐体２と第２筐体３は、医療
機器や化学分析機器等の配管系に容易に接続することが
できるように剛性を有する材質により構成されている。

【００１４】次に、本実施例の動作について図１および
図６を用いて説明する。図6は、本発明の各アクチュエ
ータを独立して動作させるためのタイミングチャートで
ある。図6に示すように、流量に応じた単位時間２０ご
とに信号１８および１９を各駆動源５ａ〜５ｉに順次送
り込む。まず、入口９側の駆動源５ａに信号１８を入れ
ることでアクチュエータ４ａがパイプ１の径を小さくす
る方向へ動作する。単位時間２０経過後に、駆動源５ａ
には信号１９が伝えられると同時に駆動源５ｂに信号１
８が入れられる。すると、アクチュエータ５ａはさらに
パイプ１の径を小さくする方向へ動作し、最小パイプ径
に達すると同時にアクチュエータ５ｂは初期のアクチュ
エータ５ａと同様な動作を行う。次の単位時間２０では
駆動源５ａおよび５ｃには信号１８が伝えられ、駆動源
５ｂには信号１９が伝えられる。すると、アクチュエー
タ５ａはパイプ径が大きくなる方向に動作し、アクチュ
エータ５ｂは最小のパイプ径に達し、アクチュエータ５
ｃはアクチュエータ５ａと同じパイプ径になるように動
作する。そして、次の単位時間２０では駆動源５ａには
信号を入れず、駆動源５ｂおよび５ｄには信号１９を入
れ、駆動源５ｃには信号１９が伝えられる。すると、ア
クチュエータ４ａは初期のパイプ径となり、アクチュエ
ータ４ｂはパイプ径が大きくなる方向に動作し、アクチ
ュエータ４ｃは最小のパイプ径に達し、アクチュエータ
４ｄはパイプ径が小さくなる方向に動作する。このよう
に流路１１に沿って単位時間２０ごとに各アクチュエー
タ４ａ〜４ｉが動作することで流体１２ａ〜１２ｃを出
口１０へ送り出すように流路１１が蠕動（ぜんどう）運
動のような動きを行い、マイクロポンプとして動作す
る。

【００１５】例えば、パイプ内径がφ０．８ｍｍ、外径
がφ１．４ｍｍ、長さが１０ｍｍ、アクチュエータ４ａ
〜４ｉの内径がφ１．０ｍｍ、外径がφ１．２ｍｍとし
た時に、１０〜４０μｌ／ｍｉｎの脈動の少ない流量を
得ることができた。

【００１６】したがって、第１の実施例に係るマイクロ
ポンプは、パイプ１の長手方向に沿って所定の間隔を介
して配置したリング状のアクチュエータ４ａ〜４ｉと、
該アクチュエータ４ａ〜４ｉを個別に動作させるための
駆動源５ａ〜５ｉと、駆動源５ａ〜５ｉを個別に制御す
るためのコントローラ６を設けたため、コントローラ６
により精度の高い制御を行うことによって、リング状の
アクチュエータ４ａ〜４ｉを流体の流れ方向に沿って順
番に動作させることができ、滑らかに流体を供給するこ
とができる。また、マイクロポンプは、一方向弁を使用
していないため、脈動が抑制された微量流体を供給する
ことができる。その結果、アクチュエータ４ａ〜４ｉの
伸縮を調整することで、パイプ１の切断や破損を防ぐこ
とができる。さらに、パイプ１は剛性の高い材質を用い
ているため、強度に応じて間隔を容易に調整することが
でき、流体の流量に応じたアクチュエータの動作状態を
容易に変えることができる。それから、パイプ１は直線
状に配置する必要がなく、必要に応じて曲げた状態で使
用することができるとともに、配管系の一部として容易
に取り付けることができる。さらにまた、アクチュエー
タ４ａ〜４ｉを形状記憶合金とし、駆動源５ａ〜５ｉを
熱電素子で構成したため、低エネルギーでマイクロポン
プを駆動させることができるとともに、駆動源を含めた
構造を簡単かつ微細な構造を構成することができる。そ
れから、微細な温度管理を行うことができる熱電素子を
用いることで、偏りのない伸縮運動が可能であり、滑ら
かな流体の供給を行うことができる。

【００１７】（第２実施例）本発明の第１実施例を図２
に示す。図２は、本発明のマイクロポンプを示す断面図
である。図において、７は被覆体、８は整流体である。
なお、第２実施例のマイクロポンプがパイプ１本体と、
アクチュエータ４ａ〜４ｉと、駆動源５ａ〜５ｉと、コ
ントローラ６とを設ける基本構成は第１実施例と同じで
ある。 第２の実施例が第１の実施例と異なる点は以下のとおり
である。すなわち、複数個のアクチュエータ４ａ〜４ｉ
は周囲を被覆体７により覆われた構成とすると共に、ア
クチュエータ４ａ〜４ｉを含む被覆体７の内側に流路１
１を構成するパイプ１を配置した点である。また、第２
筐体３に整流体８を配置している。

【００１８】本実施例の動作は第１実施例で説明したよ
うに図６のタイミングチャートにより各アクチュエータ
４ａ〜４ｉを駆動させることにより流路１１が蠕動（ぜ
んどう）運動のような動きを行い、マイクロポンプとし
て動作する。送り出された流体１２ａは整流体８によっ
てより脈動の少ない状態に変更される。

【００１９】例えば、パイプ１内径がφ０．５ｍｍ、外
径がφ１．０ｍｍ、長さが１０ｍｍ、アクチュエータ４
ａ〜４ｉを含む被覆体７の内径がφ１．０ｍｍ、外径が
φ１．２ｍｍとした時に、１〜２０μｌ／ｍｉｎの脈動
の少ない流量を得ることができた。

【００２０】したがって、第２の実施例に係るマイクロ
ポンプは、アクチュエータ４ａ〜４ｉを被覆体７で構成
したので、パイプ１の劣化等による破損時にはパイプの
みを交換すればよいことから、アクチュエータ４ａ〜４
ｉと共に交換する必要はなく、メンテナンス性を向上す
ることができる。また、一体成形とは異なり、アクチュ
エータの間隔や種類、パイプの材質等のパラメータを容
易に変更することができる。また、第２筐体３に整流体
８を設けたので、アクチュエータ４ａ〜４ｉの振動等に
よる微量脈動を打ち消すことができ、より脈動のない微
量流体を供給することができる。そして、整流体８は使
用する流体により交換することで、脈動軽減の効果を幅
の広い用途で使用することができると共に、逆止弁の役
目も果たし、急な流体の戻りを弱めることができる。そ
れから、パイプ１にかかる局部的な力を抑制することが
できるため、パイプ１の部分的な劣化を防ぐことができ
る。

【００２１】（第３実施例）次に、第３実施例について
説明する。 図３は本発明の第3実施例を示す同心円状変形アクチュ
エータの動作説明図である。第3実施例では、図３で示
される同心円状変形アクチュエータ１３を用いたもので
あって、すなわち、該アクチュエータ１３は円形状のリ
ングの中心点を基準として同心方向に伸縮できるように
した構造を有するものである。１７は伸縮方向を示す。 第3実施例によると、パイプ１の中心点を基準として均
等に力を加えることができるため、偏りのない伸縮運動
が可能となり滑らかな流体の供給を行うことができ、パ
イプ１の部分的な劣化も防ぐことができる。

【００２２】（第４実施例）次に、第４実施例について
説明する。 図４は本発明の第４実施例を示す渦巻状変形アクチュエ
ータの動作説明図である。第4実施例では、図4で示され
る渦巻き状変形アクチュエータ１４を用いる構成にした
ものであって、該アクチュエータを、円形状のリングの
一部を開き、リングの中心点を基準としてその開いた部
分を境界として渦巻状に伸縮できるようにした構造を有
するものである。第4実施例によると、リングの構造が
簡単となり、伸縮率を大きく取ることができるため、多
様な動作が可能となる。

【００２３】（第５実施例）次に、第５実施例について
説明する。 図５は本発明の第5実施例を示す半円状変形アクチュエ
ータの動作説明図である。第５実施例では、図５で示さ
れる半円状変形アクチュエータ１５を用いる構成にした
ものであって、該アクチュエータは、円形状のリングを
分割し、それぞれの継目に固定体が配置され、リングの
中心点と固定体１６を結ぶラインを基準としてリングの
中心点方向に伸縮できるようにした構造を有するもので
ある。第5実施例によると、パイプを部分的に動作させ
ることができるため、流体の流量変化を容易に行うこと
ができるとともに、流量変化時のアクチュエータを駆動
させるためのエネルギー消費を少なくすることができ
る。また、隣接するアクチュエータの固定体を接続する
ことで、アクチュエータを直線状に保つことができると
ともに、パイプの外的強度を強くすることができる。

【００２４】なお、本発明によるマイクロポンプの実施
例では、パイプ１の樹脂材としてシリコンゴムを用いた
り、他の樹脂材を用いても同様の効果が得られる。ま
た、パイプ１の単位距離内のアクチュエータ数は本実施
例の個数に限定されるものではなく、パイプ１の樹脂材
の弾力性や厚み等により任意に変えることができる。ま
た、本発明のマイクロポンプを構成する部品の寸法も本
実施例に限定されるものではなく、目的とする流量を得
るためにその寸法を変更することができる。また、本実
施例で使用したアクチュエータはパイプの内径を伸縮す
ることができる構造であれば何れの構造を使っても同じ
効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の実施例によ
れば、次の効果がある。 （１）第１の実施例において、パイプの長手方向に沿っ
て所定の間隔を介して配置したリング状のアクチュエー
タと、該アクチュエータを個別に動作させるための駆動
源と、駆動源を個別に制御するためのコントローラを設
けたので、コントローラにより精度の高い制御を行うこ
とによって、リング状のアクチュエータを流体の流れ方
向に沿って順番に動作させることができ、滑らかに流体
を供給することができる。また、マイクロポンプは、一
方向弁を使用していないため、脈動が抑制された微量流
体を供給することができる。その結果、アクチュエータ
の伸縮を調整することで、パイプの切断や破損を防ぐこ
とができる。さらに、パイプは剛性の高い材質を用いて
いるため、強度に応じて間隔を容易に調整することがで
き、流体の流量に応じたアクチュエータの動作状態を容
易に変えることができる。それから、パイプは直線状に
配置する必要がなく、必要に応じて曲げた状態で使用す
ることができるとともに、配管系の一部として容易に取
り付けることができる。さらにまた、アクチュエータを
形状記憶合金とし、駆動源を熱電素子で構成したため、
低エネルギーでマイクロポンプを駆動させることができ
るとともに、駆動源を含めた構造を簡単かつ微細な構造
を構成することができる。それから、微細な温度管理を
行うことができる熱電素子を用いることで、偏りのない
伸縮運動が可能であり、滑らかな流体の供給を行うこと
ができる。

【００２６】（２）第２の実施例において、アクチュエ
ータを被覆体で構成したので、パイプの劣化等による破
損時にはパイプのみを交換すればよいことから、アクチ
ュエータと共に交換する必要はなく、メンテナンス性を
向上することができる。また、一体成形とは異なり、ア
クチュエータの間隔や種類、パイプの材質等のパラメー
タを容易に変更することができる。また、第２筐体に整
流体を設けたので、アクチュエータの振動等による微量
脈動を打ち消すことができ、より脈動のない微量流体を
供給することができる。そして、整流体は使用する流体
により交換することで、脈動軽減の効果を幅の広い用途
で使用することができると共に、逆止弁の役目も果た
し、急な流体の戻りを弱めることができる。それから、
パイプ１にかかる局部的な力を抑制することができるた
め、パイプの部分的な劣化を防ぐことができる。

【００２７】（３）第3実施例において、円形状のリン
グの中心点を基準として同心方向に伸縮できるようにし
た構造を有する同心円状変形アクチュエータを設けたの
で、パイプの中心点を基準として均等に力を加えること
ができることから、偏りのない伸縮運動が可能となり滑
らかな流体の供給を行うことができ、パイプの部分的な
劣化も防ぐことができる。

【００２８】（４）第４実施例において、円形状のリン
グの一部を開き、リングの中心点を基準としてその開い
た部分を境界として渦巻状に伸縮できる構造を有する渦
巻き状変形アクチュエータを設けたので、リングの構造
が簡単となり、伸縮率を大きく取ることができるため、
多様な動作を可能とすることができる。

【００２９】（５）第５実施例において、円形状のリン
グを分割し、それぞれの継目に固定体が配置され、リン
グの中心点と固定体を結ぶラインを基準としてリングの
中心点方向に伸縮できる構造を有する半円状変形アクチ
ュエータを設けたので、パイプを部分的に動作させるこ
とができるため、流体の流量変化を容易に行うことがで
きる。そして、流量変化時のアクチュエータを駆動させ
るためのエネルギー消費を少なくすることができる。ま
た、隣接するアクチュエータの固定体を接続すること
で、アクチュエータを直線状に保つことができるととも
に、パイプの外的強度を強くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すマイクロポンプの断
面図。

【図２】本発明の第２実施例を示すマイクロポンプの断
面図。

【図３】本発明の第３実施例を示す同心円状変形アクチ
ュエータの動作説明図。

【図４】本発明の第４実施例を示す渦巻状変形アクチュ
エータの動作説明図。

【図５】本発明の第5実施例を示す半円状変形アクチュ
エータの動作説明図。

【図６】本発明の各アクチュエータを独立して動作させ
るためのタイミングチャート。

【図７】従来のマイクロポンプを示す断面図。

【符号の説明】

１ パイプ、 ２１ 形状記憶合金コイルばね、 ２ 第１筐体、 ２２ 吸入側一方向弁、 ３ 第２筐体、 ２３ 排出側一方向弁、 ４ａ〜４ｉ アクチュエータ、 ５ａ〜５ｉ 駆動源 ６ コントローラ ７ 被覆体、 ８ 整流体、 ９ 入口、 １０ 出口、 １１ 流路 １２ａ〜１２ｃ 流体 １３ 同心円状変形アクチュエータ １４ 渦巻状変形アクチュエータ １５ 半円状変形アクチュエータ １６ 固定体 １７ 伸縮方向 １８、１９ 信号 ２０ 単位時間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ８１Ｂ 1/00 Ｂ８１Ｂ 1/00 Ｆ０４Ｂ 9/00 Ｆ０４Ｂ 9/00 Ｂ 9/02 9/02 Ｂ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微量液体を送り出すマイクロポンプにお
   いて、 流体の流れる流路を構成する略円筒状のパイプと、前記
   パイプを保持し、流体の入口と出口の何れか一方を構成
   する第１筐体および第２筐体と、前記パイプの長手方向
   に向かって所定の間隔を介して配置した複数個のリング
   状からなるアクチュエータと、前記アクチュエータを個
   別に動作させるための駆動源と、前記駆動源を個別に制
   御するためのコントローラを設けたことを特徴とするマ
   イクロポンプ。
2. 【請求項２】 前記複数個のアクチュエータは周囲を被
   覆体により覆われた構成とすると共に、前記アクチュエ
   ータを含む前記被覆体の内側に流路を構成するパイプを
   配置した請求項１記載のマイクロポンプ。
3. 【請求項３】 前記第１筐体と前記第２筐体の少なくと
   も何れか一方に整流体を配置した請求項１または２記載
   のマイクロポンプ。
4. 【請求項４】 前記アクチュエータは、円形状のリング
   の中心点を基準として同心方向に伸縮できるようにした
   構造を有する請求項１〜３記載のマイクロポンプ。
5. 【請求項５】 前記アクチュエータは、円形状のリング
   の一部を開き、前記リングの中心点を基準としてその開
   いた部分を境界として渦巻状に伸縮できるよにした構造
   を有する請求項１〜３記載のマイクロポンプ。
6. 【請求項６】 前記アクチュエータは、円形状のリング
   を分割し、それぞれの継目に固定体が配置され、リング
   の中心点と前記固定体を結ぶラインを基準としてリング
   の中心点方向に伸縮できるようにした構造を有する請求
   項１〜３記載のマイクロポンプ。
7. 【請求項７】 前記アクチュエータは形状記憶合金で構
   成し、前記駆動源は熱電素子で構成した請求項１〜６記
   載のマイクロポンプ。
8. 【請求項８】 微量液体を送り出すマイクロポンプの駆
   動方法において、 略円筒状の断面を有するパイプに複数個のリング状のア
   クチュエータを所定の間隔を介して配置し、前記複数個
   のアクチュエータごとに個別に動作させるための駆動源
   を配置し、コントローラによって当該パイプの流量に応
   じた単位時間ごとの信号を前記各駆動源に順次送出し、
   前記各駆動源に入力された信号に基づいて順番に前記ア
   クチュエータを駆動させることにより流体を送り出すこ
   とを特徴とするマイクロポンプの駆動方法。