【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量の流体を輸送するためのマイクロポンプ、その製造方法および使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体、液体、粘性液体などの流体を輸送するために、ロータリーポンプ（ラジアルベーンポンプ）が利用されている。ロータリーポンプは、たとえば図８に示すように、ハウジング部８１とロータ部８４とを有し、ハウジング部８１は、インレット８２とアウトレット８３とを備え、またロータ部８４は、ロータ８４ａと可動ベーン８４ｂ，８４ｄとを備える（図８は、可動ベーンを２本有する場合を例示する。）。可動ベーン８４ｂと可動ベーン８４ｄとはバネ８４ｃを介して連結され、可動ベーン８４ｂの先端と可動ベーン８４ｄの先端とは、ハウジング８１の内壁に常に押し付けられている。
【０００３】
ロータ部８４の回転に伴い、可動ベーン８４ｂと可動ベーン８４ｄにより区画された各部屋の容積が増減し、各部屋の内圧も増減するため、流体はインレット８２をから吸入され、アウトレット８３から押し出される。このような機構により送液するロータリーポンプは、流体の粘度が高い場合でも送液することができ、送液力が大きいため、流路が微細であるなどにより、送液抵抗が大きい場合であっても、送液できるという長所を有する。
【０００４】
化学分析用の微細総合分析システム（ ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｓ）、生体内埋め込み用の医療器具および微細製品製造システム（ ｍｉｃｒｏｆａｃｔｏｒｙ ）などの分野において、微量の流体を輸送するためのマイクロポンプの重要性が増している。マイクロポンプには、たとえば図９に示すようなメンブレンポンプがある。このメンブレンポンプは、インレット部９５と、ポンプ部９６と、アウトレット部９７と、を備え、インレット室９５ｂと、ポンプ部９６の下室９６ｂと、アウトレット室９７ｂと、は導通している。
【０００５】
配管９８を介して、空気を圧入すると、ポンプ部９６の上室９６ａの容積が増加し、チタニウム製のメンブレン９９（薄膜）を押し下げる結果、ポンプ部９６の下室９６ｂ内の流体は、アウトレット室９７ｂへ移行し、アウトレット弁９７ａを押し上げて、系外に流出する。その間、インレット弁９５ａは閉じている。つぎに、配管９８を介して、空気を吸引すると、ポンプ部９６の上室９６ａの容積が減少し、メンブレン９９を押し上げる結果、インレット室９５ｂ内の流体は、ポンプ部９６の下室９６ｂヘ移行し、インレット弁９５ａを引き下げて、新たな流体が系内に流入する。その間、アウトレット弁９７ａは閉じている。このような構造のメンブレンポンプとして、最大流量８０μＬ／分、最大ポンプ圧４７ｈＰａ、空気ポンプの周波数５Ｈｚのものが知られている。また、同様に空気圧を利用するメンブレンポンプであり、ポリイミド製のメンブレンを使用するマイクロポンプとして、サイズ１０ｍｍ×１０ｍｍ、最大流量２２０μＬ／分、最大ポンプ圧１３０ｈＰａのものも知られている。
【０００６】
メンブレンポンプには、このほか図１０に示すような構造を有するマイクロポンプもある。図１０（ａ）は送液時の状態を示し、図１０（ｂ）は給液時の状態を示す。このメンブレンポンプは、ガラス基板１０５とシリコン基板１０６との平行な２枚の基板を備え、シリコン基板１０６は、インレットチョーク１０６ａと、メンブレン１０６ｂと、アウトレットチョーク１０６ｃと、を有する。メンブレン１０６ｂ上にはＰＺＴ板（ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｌａｔｅ）１０７が形成され、通電するとメンブレン１０６ｂをガラス基板１０５に向かって押し上げる機能を発揮する（図１０（ａ））。通電を止めるとＰＺＴ板１０７は機能を停止するため、メンブレン１０６ｂは元の位置に戻る（図１０（ｂ））。
【０００７】
送液時（図１０（ａ））は、アウトレットチョーク１０６ｃを発熱させて、流体の粘度を低下させると同時に、ＰＺＴ板１０７に通電し、メンブレン１０６ｂをガラス基板１０５に向かって押し上げることにより送液する。給液時（図１０（ｂ））は、インレットチョーク１０６ａを発熱させて、流体の粘度を低下させると同時に、ＰＺＴ板１０７への通電を停止する。メンブレン１０６ｂは元の位置に戻るため、新しい流体がメンブレン１０６ｂ上に供給される。インレットチョーク１０６ａおよびアウトレットチョーク１０６ｃの各チョークとガラス基板１０５との距離は５μｍ、メンブレン１０６ｂの厚さは１５０μｍ程度であり、ＰＺＴ板への電圧が６０Ｖで、最大流量２．２μＬ／分を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のロータリーポンプは、機械加工により製造されているため、加工寸法精度が悪く、小型化に限界がある。また、複数の部品を組み立てることにより製造している点でも、小型化が困難である。
【０００９】
一方、メンブレンポンプによれば微量流体の送液が可能であるが、メンブレン（薄膜）により送液する構造を有するので、送液時の応力により、メンブレンが破れやすく、ポンプの寿命が短い。また、メンブレンの破損を防止するために、高粘度の流体を送液することができない。さらに、メンブレンが破損しない程度の力でしか送液することができず、流路が細くなると送液時の抵抗が極端に増えるから、送液できる流量がわずかになってしまう。
【００１０】
本発明の課題は、部品点数が少なく、加工寸法精度のよいマイクロポンプを提供することにある。また、寿命が長く、高粘度の流体でも、また細い流路でも送液できるマイクロポンプを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロポンプは、ハウジング部とロータ部とを備え、ロータ部が、ロータと、可動ベーンと、ロータおよび可動ベーンを連結するバネと、を有し、ロータと、可動ベーンと、バネと、が一体構造であることを特徴とする。使用するバネとしては、板バネが好ましい。
【００１２】
本発明のマイクロポンプの製造方法は、ハウジング部とロータ部とを備え、ロータ部が、ロータと、可動ベーンと、ロータおよび可動ベーンを連結するバネと、を有するマイクロポンプの製造方法であって、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、を含む方法により製造されることを特徴とする。
【００１３】
本発明のマイクロポンプの別の製造方法は、ハウジング部とロータ部とを備え、ロータ部が、ロータと、可動ベーンと、ロータおよび可動ベーンを連結するバネと、を有するマイクロポンプの製造方法であって、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、金型により樹脂型を形成する工程を含む方法により製造されることを特徴とする。
【００１４】
本発明のマイクロポンプの別の製造方法は、ハウジング部とロータ部とを備え、ロータ部が、ロータと、可動ベーンと、ロータおよび可動ベーンを連結するバネと、を有するマイクロポンプの製造方法であって、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、金型により樹脂型を形成する工程と、該樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、を含む方法により製造されることを特徴とする。
【００１５】
本発明のマイクロポンプの使用方法は、ハウジング部とロータ部とを備え、ロータ部が、ロータと、可動ベーンと、ロータおよび可動ベーンを連結するバネと、を有し、ロ−タ部のみが磁化された磁性材料からなり、ロータ部がハウジング部内に密閉されているマイクロポンプの使用方法であって、磁石カップリングによりマイクロポンプ外の駆動装置でロータ部を回転させることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（マイクロポンプ）
本発明のマイクロポンプは、従来のロータリーポンプを微小化した構造を有し、典型的には図１に示すように、インレット１２とアウトレット１３とを備えるハウジング部１１と、ロータ１４ａと可動ベーン１４ｂとバネ１４ｃとを備えるロータ部１４とを有する（図１は、可動ベーンが４本である場合を例示する。）。
【００１７】
本発明のマイクロポンプは、ロータと可動ベーンとバネとが一体構造を有する点に特徴がある。ロータ部を構成するロータと可動ベーンとバネを一体構造とすることにより、部品点数を少なくし、微細なポンプを容易に製造することができる。本発明のマイクロポンプは、微小化したロータリーポンプに相当することから、粘度が高い流体を送液することができる。また、送液力が大きいため、流体抵抗が大きい場合でも送液することができる。さらに、メンブレンを使用しないため、寿命が短いなどの欠点がない。
【００１８】
（マイクロポンプの製造方法）
本発明のマイクロポンプの製造方法は、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、を含む方法により製造されることを特徴とする。リソグラフィと電鋳とを組合せた方法で製造することにより、外径１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ５０μｍ〜１ｍｍのマイクロポンプ用のハウジング部およびロータ部などを製造することができる。また、かかる方法によりロータと可動ベーンとバネとを一体形成することができるため、部品点数を減らし、組立て工程を簡略化することができる。さらに、加工寸法精度もよいため、マイクロポンプの製造が容易となる。
【００１９】
この製造方法は、図４（ａ）に示すように、導電性基板４１上にリソグラフィのための樹脂層４２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などの金属製基板、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いることができる。樹脂層を形成するための材料としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、Ｘ線に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などがある。樹脂層の厚さは、形成しようとするマイクロポンプの高さに応じて任意に設定することができ、たとえば５０μｍ〜１ｍｍとすることができる。
【００２０】
つぎに、樹脂材料４２上にマスク４３を配置し、マスク４３を介してＸ線４４（または紫外線）を照射する。Ｘ線としては、高いアスペクト比を実現することができる点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ光」と略す。）が好ましい。マスク４３は、マイクロポンプの所定のパターンに応じて形成したＸ線吸収層４３ａを有する。マスク４３を構成する透光性基材４３ｂには、たとえば窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用いることができる。また、Ｘ線吸収層４３ａには、たとえば金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物を用いることができる。Ｘ線４４の照射後、現像し、Ｘ線４４により変質した部分４２ａを除去すると、図４（ｂ）に示すような樹脂型４２ｂが得られる。
【００２１】
つぎに、電鋳を行ない、図４（ｃ）に示すように、樹脂型４２ｂに金属材料４５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板４１をめっき電極として電鋳を行なうことにより、樹脂型４２ｂに金属材料４５を堆積することができ、堆積した金属材料４５からなる層は、最終的にマイクロポンプ用のハウジング部およびロータ部などとなる。図４（ｃ）には、樹脂型４２ｂの空孔部が埋まる程度に金属材料を堆積している例を示すが、その場合は最終的に貫通した構造体が得られ、ロータ部を製造することができる。一方、樹脂型４２ｂの高さを超え、樹脂型４２ｂ上にも金属材料を堆積した場合には、最終的に空孔部を有する構造体が得られ、ハウジング部を製造することができる。金属材料としては、ニッケル、銅、それらの合金、またはパーマロイなどを用いることができるが、可動ベーンとハウジングの内壁との間の耐摩耗を高める点で、ニッケルまたはニッケル合金が好ましい。
【００２２】
電鋳後、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、図４（ｄ）に示すように、ウエットエッチングまたはプラズマエッチングにより樹脂型４２ｂを除去する。続いて、酸もしくはアルカリによりウエットエッチングし、または機械的に加工して導電性基板４１を除去すると、図４（ｅ）に示すようなマイクロポンプ用のロータ部およびハウジング部を得ることができる。
【００２３】
リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程とを含む方法により、板バネを容易に得ることができる点で、ロータ部を構成するバネは板バネが好ましい。
【００２４】
本発明のマイクロポンプの別の製造方法は、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、金型により樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、を含む方法により製造されることを特徴とする。かかる方法によっても、外径１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ５０μｍ〜１ｍｍのマイクロポンプ用のケーシング部およびロータ部などを製造することができる。また、ロータと可動ベーンとバネとを一体形成することができるため、部品点数を減らし、組立て工程を簡略化することができる。さらに、加工寸法精度もよいため、マイクロポンプの製造が容易である。
【００２５】
この製造方法は、図５（ａ）に示すとおり、凸部を有する金型５２を用いて、プレスまたは射出成型などのモールドにより、図５（ｂ）に示すような凹状の樹脂型５３を形成する。樹脂としては、たとえばポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオキシメチレンなどのポリアセタール樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。金型５２は、本発明のマイクロポンプ用のケーシング部およびロータ部と同様に、微小構造体であるため、リソグラフィ法などにより製造することが好ましい。
【００２６】
つぎに、樹脂型５３の上下を反転した後、図５（ｃ）に示すように、導電性基板５１に貼り付ける。続いて、図５（ｄ）に示すように、樹脂型５３を研磨し、樹脂型５３ａを形成する。その後は前述と同様に、電鋳により金属材料５５を堆積し（図５（ｅ））、厚さを調整し、樹脂型５３ａを除去し（図５（ｆ））、導電性基板５１を除去すると、図５（ｇ）に示すようなマイクロポンプ用のケーシング部およびロータ部などが得られる。
【００２７】
本発明のマイクロポンプの別の製造方法は、ハウジング部とロータ部の少なくとも一つが、金型により樹脂型を形成する工程を含む方法により製造されることを特徴とする。かかる方法によっても、外径１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ５０μｍ〜１ｍｍのマイクロポンプ用のケーシング部およびロータ部などを製造することができる。また、ロータと可動ベーンとバネとを一体形成することができるため、部品点数を減らし、組立て工程を簡略化することができる。さらに、加工寸法精度もよいため、マイクロポンプの製造が容易となる。
【００２８】
この製造方法は、図６（ａ）に示すとおり、凸部を有する金型６２を用いて、プレスまたは射出成型などのモールドにより、図６（ｂ）に示すような凹状の樹脂型６３を形成する。樹脂としては、前述のアクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアセタール樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。金型６２は、本発明のマイクロポンプ用のケーシング部およびロータ部と同様に、微小構造体であるため、リソグラフィ法などにより製造することが好ましい。
【００２９】
つぎに、樹脂型６３を研磨し、不要部分を除去して、図６（ｃ）に示すような樹脂型６３ａを形成する。図６（ｃ）に示す樹脂型６３ａは空孔部を有し、マイクロポンプ用のハウジングとすることができる。ロータ部を製造するときは、さらに研磨し、貫通状態の樹脂型を形成する。
【００３０】
本発明のマイクロポンプは、図２に示すように、ハウジング部（図２（ａ），（ｃ））およびロータ部（図２（ｂ））などの部品を組み立てることにより製造することができる。この例では、ハウジング部（箱体）（図２（ａ））にロータ部（図２（ｂ））をセットし、ハウジング部（蓋体）（図２（ｃ））を載置し、固定することによりマイクロポンプを製造している。ロータ部（図２（ｂ））の軸受２４は、ハウジング（図２（ａ））の軸２１に取り付けられるが、軸２１はハウジング（図２（ａ））の中心からずれている。このズレにより、ロータ部の回転に伴い、可動ベーンにより区画される各部屋の容積が増減し、各部屋の内圧が増減するため、流体はインレットから吸入され、アウトレットから押し出される。図３に、典型的なハウジング（箱体）の斜視図を示す。
【００３１】
（マイクロポンプの使用方法）
本発明のマイクロポンプの使用方法は、ロ−タ部のみが磁化された磁性材料からなり、ロータ部がハウジング部内に密閉されているマイクロポンプの使用方法であって、磁石カップリングによりマイクロポンプ外の駆動装置でロータ部を回転させることを特徴とする。かかる使用方法により、加圧下であっても、流体のシールを確実に行なうことができる。
【００３２】
本発明の使用方法は、たとえば図７に示すようなマイクロポンプを用いて実施される。この例では、インレット７２とアウトレット７３とを有するハウジング７１内に完全に密閉されているロータ部７４は、磁性材料からなり、予め磁化してある。マイクロポンプ外に位置する駆動装置７６に連結している磁石７５を回転することにより、磁石７５と磁石カップリングしているロータ部７４も回転し、送液することができる。ロータ部は磁性材料からなり、強く磁化できる点で、強磁性材料が好ましく、たとえばニッケルまたはパーマロイなどのニッケル合金などがある。
【００３３】
【実施例】
実施例１
まず、図４（ａ）に示すように、導電性基板４１上にリソグラフィのための樹脂層４２を形成した。導電性基板としては、チタンをスパッタリングしたシリコン基板を用いた。樹脂層を形成する材料は、メタクリル酸メチルとメタクリル酸との共重合体を用い、樹脂層の厚さは１００μｍとした。
【００３４】
つぎに、樹脂層４２上にマスク４３を配置し、マスク４３を介してＸ線４４を照射した。Ｘ線としては、ＳＲ装置（ＮＩＪＩ−ＩＩＩ）によりＳＲ光を照射した。マスク４３は、マイクロポンプ用のロータ部のパターンからなるＸ線吸収層４３ａを有するものを使用した。マスク４３を構成する透光性基材４３ｂは窒化シリコンからなり、Ｘ線吸収層４３ａは窒化タングステンからなるものを用いた。
【００３５】
Ｘ線４４の照射後、メチルイソブチルケトンにより現像し、Ｘ線４４により変質した部分４２ａを除去すると、図４（ｂ）に示すような樹脂型４２ｂが得られた。つぎに、電鋳を行ない、図４（ｃ）に示すように、樹脂型４２ｂの空孔部に金属材料４５を堆積した。金属材料としては、強磁性材料であるニッケルを用いた。
【００３６】
電鋳後、研磨して表面の凹凸を除去してから、酸素プラズマにより樹脂型４２ｂを除去し（図４（ｄ））、続いてＮａＯＨ水溶液によりウエットエッチングし、導電性基板４１を除去して、図４（ｅ）に示すような、貫通状態のマイクロポンプ用ロータ部を得た。
【００３７】
得られたマイクロポンプ用ロータ部は、図１に示すように、ロータ１４ａと、可動ベーン１４ｂと、バネ１４ｃと、の一体構造を有し、ロータの外径が５ｍｍ、高さは均一に１００μｍであった。また、バネ１４ｃは板バネ構造を有していた。
【００３８】
つぎに、図６（ａ）に示すように、凸部を有する金型６２を用いて、射出成型により、図６（ｂ）に示すような凹状の樹脂型６３を形成した。樹脂としては、アクリル樹脂を用いた。続いて、樹脂型６３を研磨し、厚さを調整するとともに、不要部を除去して、マイクロポンプ用のハウジング部とした。
【００３９】
最後に、ロータ部を分極により磁化した後、ハウジング部にセットし密閉し、マイクロポンプを得た。このマイクロポンプのロータ部を、マイクロポンプ外の駆動装置に連結している磁石と磁石カップリングさせた後、駆動装置に連結している磁石を回転させると、これに呼応してロータ部も回転し、１ｍＬ／分で送液することができた。
【００４０】
本実施例では、マイクロポンプのロータの外径は５ｍｍであったが、外径５０μｍ程度のロータも本発明の方法により製造できることから、マイクロポンプのさらなる微細化にも対応できることがわかった。
【００４１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、部品点数が少なく、加工寸法精度のよいマイクロポンプを提供することができる。このマイクロポンプは、寿命が長く、高粘度の流体でも、また細い流路でも送液できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロポンプの構造を示す断面図である。
【図２】本発明のマイクロポンプの組立てに使用する部品の平面図である。
【図３】本発明のマイクロポンプのハウジング部（箱体）の斜視図である。
【図４】本発明のマイクロポンプの製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明のマイクロポンプの製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明のマイクロポンプの製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明のマイクロポンプの使用方法を示す断面図である。
【図８】従来より使用されているロータリーポンプの構造を示す断面図である。
【図９】従来より使用されているメンブレンポンプの構造を示す断面図である。
【図１０】従来より使用されているメンブレンポンプの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１，７１ ハウジング部、１２ インレット、１３ アウトレット、１４，７４ ロータ部、１４ａ ロータ、１４ｂ 可動ベーン、１４ｃ バネ、４１ 導電性基板、４２ｂ，５３，６３ 樹脂型、４５，５５ 金属材料、５２，６２
金型、７６ 駆動装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micropump for transporting a small amount of fluid, and a method for manufacturing and using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Rotary pumps (radial vane pumps) are used to transport fluids such as gases, liquids, and viscous liquids. For example, as shown in FIG. 8, the rotary pump has a housing portion 81 and a rotor portion 84, the housing portion 81 includes an inlet 82 and an outlet 83, and the rotor portion 84 includes a rotor 84a and a movable vane 84b. , 84d (FIG. 8 exemplifies a case having two movable vanes). The movable vane 84b and the movable vane 84d are connected via a spring 84c, and the tip of the movable vane 84b and the tip of the movable vane 84d are always pressed against the inner wall of the housing 81.
[0003]
With the rotation of the rotor portion 84, the volume of each room divided by the movable vanes 84b and 84d increases and decreases, and the internal pressure of each room also increases and decreases, so that the fluid is sucked in from the inlet 82 and pushed out from the outlet 83. . A rotary pump that feeds liquid by such a mechanism can feed liquid even when the viscosity of the fluid is high, and has a large liquid sending power. However, there is an advantage that the liquid can be sent.
[0004]
2. Description of the Related Art In fields such as micro total analysis systems for chemical analysis, medical devices for implanting in vivo, and micro product manufacturing systems (microfactory), the importance of micro pumps for transporting a small amount of fluid has increased. ing. As the micro pump, for example, there is a membrane pump as shown in FIG. This membrane pump includes an inlet part 95, a pump part 96, and an outlet part 97, and the inlet chamber 95b, the lower chamber 96b of the pump part 96, and the outlet chamber 97b are electrically connected.
[0005]
When air is injected through the pipe 98, the volume of the upper chamber 96a of the pump section 96 increases, and the titanium membrane 99 (thin film) is pushed down. As a result, the fluid in the lower chamber 96b of the pump section 96 is discharged to the outlet chamber. The process proceeds to 97b, where the outlet valve 97a is pushed up and flows out of the system. Meanwhile, the inlet valve 95a is closed. Next, when air is sucked through the pipe 98, the volume of the upper chamber 96a of the pump section 96 decreases, and the membrane 99 is pushed up. As a result, the fluid in the inlet chamber 95b moves to the lower chamber 96b of the pump section 96. Then, the inlet valve 95a is pulled down, and new fluid flows into the system. Meanwhile, the outlet valve 97a is closed. As a membrane pump having such a structure, a pump having a maximum flow rate of 80 μL / min, a maximum pump pressure of 47 hPa, and a frequency of an air pump of 5 Hz is known. Similarly, a membrane pump using air pressure is known, and a micropump using a polyimide membrane having a size of 10 mm × 10 mm, a maximum flow rate of 220 μL / min, and a maximum pump pressure of 130 hPa is also known.
[0006]
In addition to the membrane pump, there is a micro pump having a structure as shown in FIG. FIG. 10A shows a state at the time of liquid supply, and FIG. 10B shows a state at the time of liquid supply. This membrane pump includes two parallel substrates, a glass substrate 105 and a silicon substrate 106. The silicon substrate 106 has an inlet choke 106a, a membrane 106b, and an outlet choke 106c. A PZT plate (piezoelectric plate) 107 is formed on the membrane 106b, and when energized, exerts a function of pushing up the membrane 106b toward the glass substrate 105 (FIG. 10A). When the energization is stopped, the function of the PZT plate 107 is stopped, so that the membrane 106b returns to the original position (FIG. 10B).
[0007]
At the time of liquid feeding (FIG. 10A), the outlet chalk 106c generates heat to lower the viscosity of the fluid, and at the same time, energizes the PZT plate 107 and pushes up the membrane 106b toward the glass substrate 105 to feed the liquid. I do. At the time of liquid supply (FIG. 10B), heat is generated in the inlet choke 106a to lower the viscosity of the fluid, and at the same time, the power supply to the PZT plate 107 is stopped. As the membrane 106b returns to its original position, new fluid is supplied over the membrane 106b. The distance between each choke of the inlet choke 106a and the outlet choke 106c and the glass substrate 105 is 5 μm, the thickness of the membrane 106b is about 150 μm, the voltage to the PZT plate is 60 V, and the maximum flow rate is 2.2 μL / min. ing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since conventional rotary pumps are manufactured by machining, the processing dimensional accuracy is poor, and there is a limit to miniaturization. In addition, miniaturization is also difficult in that it is manufactured by assembling a plurality of parts.
[0009]
On the other hand, a membrane pump can feed a small amount of fluid, but has a structure in which the liquid is sent by a membrane (thin film). Therefore, the membrane is easily broken due to stress during liquid sending, and the life of the pump is short. Further, in order to prevent damage to the membrane, a high-viscosity fluid cannot be sent. Furthermore, the liquid can be sent only with a force that does not damage the membrane, and when the flow path becomes narrow, the resistance at the time of sending the liquid increases extremely, so that the flow rate that can be sent becomes small.
[0010]
An object of the present invention is to provide a micropump having a small number of components and high processing dimensional accuracy. Another object of the present invention is to provide a micro pump that has a long service life and can feed a high-viscosity fluid and a thin channel.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The micropump of the present invention includes a housing portion and a rotor portion, and the rotor portion has a rotor, a movable vane, and a spring that connects the rotor and the movable vane, and the rotor, the movable vane, and the spring. , Are an integral structure. As a spring to be used, a leaf spring is preferable.
[0012]
A method for manufacturing a micropump according to the present invention is a method for manufacturing a micropump including a housing portion and a rotor portion, wherein the rotor portion includes a rotor, a movable vane, and a spring connecting the rotor and the movable vane. Wherein at least one of the housing part and the rotor part is manufactured by a method including a step of forming a resin mold by lithography and a step of forming a layer made of a metal material on the resin mold by electroforming. .
[0013]
Another method of manufacturing a micropump according to the present invention is a method for manufacturing a micropump including a housing portion and a rotor portion, wherein the rotor portion includes a rotor, a movable vane, and a spring connecting the rotor and the movable vane. Further, at least one of the housing portion and the rotor portion is manufactured by a method including a step of forming a resin mold using a mold.
[0014]
Another method of manufacturing a micropump according to the present invention is a method for manufacturing a micropump including a housing portion and a rotor portion, wherein the rotor portion includes a rotor, a movable vane, and a spring connecting the rotor and the movable vane. At least one of the housing part and the rotor part is manufactured by a method including a step of forming a resin mold using a mold, and a step of forming a layer made of a metal material on the resin mold by electroforming. It is characterized by.
[0015]
A method of using the micropump according to the present invention includes a housing portion and a rotor portion, wherein the rotor portion has a rotor, a movable vane, and a spring connecting the rotor and the movable vane, and only the rotor portion is provided. A method of using a micropump made of a magnetized magnetic material and having a rotor section sealed in a housing section, wherein the rotor section is rotated by a driving device outside the micropump by a magnetic coupling.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Micro pump)
The micropump according to the present invention has a structure in which a conventional rotary pump is miniaturized, and typically, as shown in FIG. 1, a housing portion 11 having an inlet 12 and an outlet 13, a rotor 14a and a movable vane 14b. And a rotor section 14 having a spring 14c (FIG. 1 illustrates a case where there are four movable vanes).
[0017]
The micropump of the present invention is characterized in that the rotor, the movable vane, and the spring have an integral structure. By forming the rotor constituting the rotor portion, the movable vane, and the spring in an integrated structure, the number of parts can be reduced and a fine pump can be easily manufactured. Since the micropump of the present invention corresponds to a miniaturized rotary pump, it can send a fluid having a high viscosity. Further, since the liquid sending power is large, the liquid can be sent even when the fluid resistance is large. Further, since no membrane is used, there is no disadvantage such as a short life.
[0018]
(Production method of micro pump)
The method for manufacturing a micropump according to the present invention includes a step in which at least one of the housing part and the rotor part forms a resin mold by lithography, and a step of forming a layer made of a metal material on the resin mold by electroforming. It is characterized by being manufactured by. By manufacturing by a method combining lithography and electroforming, a housing part and a rotor part for a micropump having an outer diameter of 1 mm to 10 mm and a thickness of 50 μm to 1 mm can be manufactured. Further, since the rotor, the movable vane, and the spring can be integrally formed by such a method, the number of parts can be reduced and the assembling process can be simplified. Further, since the processing dimensional accuracy is good, it is easy to manufacture the micropump.
[0019]
In this manufacturing method, as shown in FIG. 4A, a resin layer 42 for lithography is formed on a conductive substrate 41. As the conductive substrate, for example, a metal substrate such as copper, nickel, or stainless steel, or a silicon substrate sputtered with a metal material such as titanium or chromium can be used. Examples of a material for forming the resin layer include a resin material mainly containing a polymethacrylate such as polymethyl methacrylate (PMMA), a chemically amplified resin material sensitive to X-rays, and the like. The thickness of the resin layer can be arbitrarily set according to the height of the micropump to be formed, and can be, for example, 50 μm to 1 mm.
[0020]
Next, a mask 43 is arranged on the resin material 42, and X-rays 44 (or ultraviolet rays) are irradiated through the mask 43. As X-rays, synchrotron radiation X-rays (hereinafter abbreviated as “SR light”) are preferable because a high aspect ratio can be realized. The mask 43 has an X-ray absorption layer 43a formed according to a predetermined pattern of the micropump. For the light-transmitting base material 43b constituting the mask 43, for example, silicon nitride, silicon, diamond, titanium or the like can be used. For the X-ray absorption layer 43a, for example, a heavy metal such as gold, tungsten, or tantalum or a compound thereof can be used. After irradiation with the X-rays 44, development is performed, and a portion 42a altered by the X-rays 44 is removed to obtain a resin mold 42b as shown in FIG. 4B.
[0021]
Next, electroforming is performed, and a metal material 45 is deposited on the resin mold 42b as shown in FIG. Electroforming refers to forming a layer made of a metal material on a conductive substrate using a metal ion solution. By performing electroforming using the conductive substrate 41 as a plating electrode, the metal material 45 can be deposited on the resin mold 42b, and the layer made of the deposited metal material 45 finally becomes a housing part and a rotor for a micropump. Department. FIG. 4C shows an example in which the metal material is deposited to such an extent that the holes of the resin mold 42b are filled. In this case, a penetrated structure is finally obtained, and the rotor part is manufactured. be able to. On the other hand, when the metal material is deposited on the resin mold 42b beyond the height of the resin mold 42b, a structure having voids is finally obtained, and the housing can be manufactured. As the metal material, nickel, copper, an alloy thereof, permalloy, or the like can be used, but nickel or a nickel alloy is preferable in terms of increasing abrasion resistance between the movable vane and the inner wall of the housing.
[0022]
After the electroforming, the thickness is adjusted to a predetermined thickness by polishing or grinding, and then, as shown in FIG. 4D, the resin mold 42b is removed by wet etching or plasma etching. Subsequently, when the conductive substrate 41 is removed by wet etching with an acid or an alkali or by mechanical processing, a rotor portion and a housing portion for a micropump as shown in FIG. 4E can be obtained.
[0023]
The method of forming a resin mold by lithography and the method of forming a layer made of a metal material on the resin mold by electroforming, in that a leaf spring can be easily obtained. A leaf spring is preferred.
[0024]
Another manufacturing method of the micropump of the present invention, at least one of the housing part and the rotor part, a step of forming a resin mold by a mold, a step of forming a layer made of a metal material on the resin mold by electroforming, It is characterized by being manufactured by a method including: Even by such a method, a casing part and a rotor part for a micropump having an outer diameter of 1 mm to 10 mm and a thickness of 50 μm to 1 mm can be manufactured. In addition, since the rotor, the movable vane, and the spring can be integrally formed, the number of parts can be reduced, and the assembly process can be simplified. Further, since the processing dimensional accuracy is good, it is easy to manufacture the micropump.
[0025]
In this manufacturing method, as shown in FIG. 5 (a), a concave resin mold 53 as shown in FIG. 5 (b) is formed by using a mold 52 having a convex portion and performing molding such as press or injection molding. I do. As the resin, for example, a thermoplastic resin such as an acrylic resin such as polymethyl methacrylate, a polyurethane resin, and a polyacetal resin such as polyoxymethylene can be used. Since the mold 52 is a minute structure like the casing part and the rotor part for the micropump of the present invention, it is preferable that the mold 52 is manufactured by a lithography method or the like.
[0026]
Next, after the resin mold 53 is turned upside down, the resin mold 53 is attached to the conductive substrate 51 as shown in FIG. Subsequently, as shown in FIG. 5D, the resin mold 53 is polished to form a resin mold 53a. Thereafter, the metal material 55 is deposited by electroforming (FIG. 5E), the thickness is adjusted, the resin mold 53a is removed (FIG. 5F), and the conductive substrate 51 is removed as described above. Then, a casing part and a rotor part for a micropump as shown in FIG. 5 (g) are obtained.
[0027]
Another manufacturing method of the micropump according to the present invention is characterized in that at least one of the housing portion and the rotor portion is manufactured by a method including a step of forming a resin mold using a mold. Even by such a method, a casing part and a rotor part for a micropump having an outer diameter of 1 mm to 10 mm and a thickness of 50 μm to 1 mm can be manufactured. In addition, since the rotor, the movable vane, and the spring can be integrally formed, the number of parts can be reduced, and the assembly process can be simplified. Further, since the processing dimensional accuracy is good, it is easy to manufacture the micropump.
[0028]
In this manufacturing method, as shown in FIG. 6 (a), a concave resin mold 63 as shown in FIG. 6 (b) is formed by using a mold 62 having a convex portion by pressing or injection molding. I do. As the resin, a thermoplastic resin such as the above-described acrylic resin, polyurethane resin, polyacetal resin, or the like can be used. Since the mold 62 is a minute structure like the casing part and the rotor part for the micropump of the present invention, it is preferable to manufacture the mold by a lithography method or the like.
[0029]
Next, the resin mold 63 is polished and unnecessary portions are removed to form a resin mold 63a as shown in FIG. The resin mold 63a shown in FIG. 6C has a hole and can be used as a housing for a micropump. When manufacturing the rotor portion, it is further polished to form a penetrating resin mold.
[0030]
As shown in FIG. 2, the micropump of the present invention can be manufactured by assembling parts such as a housing part (FIGS. 2A and 2C) and a rotor part (FIG. 2B). In this example, the rotor section (FIG. 2B) is set in the housing section (box) (FIG. 2A), and the housing section (lid) (FIG. 2C) is placed and fixed. By doing so, a micropump is manufactured. The bearing 24 of the rotor portion (FIG. 2B) is attached to the shaft 21 of the housing (FIG. 2A), but the shaft 21 is shifted from the center of the housing (FIG. 2A). Due to this displacement, the volume of each room partitioned by the movable vanes increases and decreases as the rotor rotates, and the internal pressure of each room increases and decreases, so that the fluid is sucked in from the inlet and pushed out from the outlet. FIG. 3 shows a perspective view of a typical housing (box).
[0031]
(How to use micro pump)
The method of using the micropump of the present invention is a method of using a micropump in which only the rotor is made of a magnetized magnetic material and the rotor is hermetically sealed in the housing. The rotor unit is rotated by the driving device of (1). With such a usage method, the fluid can be reliably sealed even under pressure.
[0032]
The method of use of the present invention is carried out, for example, using a micropump as shown in FIG. In this example, the rotor section 74 completely sealed in a housing 71 having an inlet 72 and an outlet 73 is made of a magnetic material and is magnetized in advance. By rotating the magnet 75 connected to the driving device 76 located outside the micropump, the rotor unit 74, which is magnet-coupled with the magnet 75, can also be rotated to send liquid. The rotor portion is made of a magnetic material and is preferably made of a ferromagnetic material because it can be strongly magnetized, and examples thereof include nickel and a nickel alloy such as permalloy.
[0033]
【Example】
Example 1
First, as shown in FIG. 4A, a resin layer 42 for lithography was formed on a conductive substrate 41. A silicon substrate sputtered with titanium was used as the conductive substrate. As a material for forming the resin layer, a copolymer of methyl methacrylate and methacrylic acid was used, and the thickness of the resin layer was 100 μm.
[0034]
Next, a mask 43 was arranged on the resin layer 42, and X-rays 44 were irradiated through the mask 43. As X-rays, SR light was irradiated by an SR device (NIJI-III). As the mask 43, a mask having an X-ray absorption layer 43a composed of a pattern of a rotor part for a micropump was used. The translucent base material 43b constituting the mask 43 was made of silicon nitride, and the X-ray absorbing layer 43a was made of tungsten nitride.
[0035]
After irradiation with the X-rays 44, development was performed with methyl isobutyl ketone, and the portions 42a that had been altered by the X-rays 44 were removed. As a result, a resin mold 42b as shown in FIG. 4B was obtained. Next, electroforming was performed, and as shown in FIG. 4C, a metal material 45 was deposited in the holes of the resin mold 42b. Nickel, which is a ferromagnetic material, was used as the metal material.
[0036]
After electroforming, the surface is removed by polishing, and then the resin mold 42b is removed by oxygen plasma (FIG. 4D). Then, the conductive substrate 41 is removed by wet etching with an NaOH aqueous solution. As shown in FIG. 4E, a rotor portion for a micropump in a penetrating state was obtained.
[0037]
As shown in FIG. 1, the obtained micropump rotor section has an integral structure of a rotor 14a, a movable vane 14b, and a spring 14c, and has an outer diameter of 5 mm and a uniform height of 100 μm. Met. Further, the spring 14c had a leaf spring structure.
[0038]
Next, as shown in FIG. 6A, a concave resin mold 63 as shown in FIG. 6B was formed by injection molding using a mold 62 having a convex portion. Acrylic resin was used as the resin. Subsequently, the resin mold 63 was polished to adjust the thickness, and unnecessary portions were removed to obtain a housing portion for a micropump.
[0039]
Finally, after the rotor was magnetized by polarization, it was set in the housing and hermetically sealed to obtain a micropump. After the rotor part of this micropump is magnet-coupled to the magnet connected to the drive unit outside the micropump, when the magnet connected to the drive unit is rotated, the rotor unit also rotates in response to this. And the liquid could be sent at 1 mL / min.
[0040]
In this embodiment, the outer diameter of the rotor of the micropump was 5 mm. However, since a rotor having an outer diameter of about 50 μm can be manufactured by the method of the present invention, it has been found that the micropump can be further miniaturized.
[0041]
The embodiments and examples disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a micropump having a small number of components and high processing dimensional accuracy. This micropump has a long life and is capable of sending liquids of high viscosity and small channels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a micropump according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of components used for assembling the micropump of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a housing (box) of the micropump of the present invention.
FIG. 4 is a process chart showing a method for manufacturing a micropump according to the present invention.
FIG. 5 is a process chart showing a method for manufacturing a micropump according to the present invention.
FIG. 6 is a process chart showing a method for manufacturing a micropump according to the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a method of using the micropump of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a conventionally used rotary pump.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a structure of a conventionally used membrane pump.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a structure of a conventionally used membrane pump.
[Explanation of symbols]
11, 71 housing part, 12 inlet, 13 outlet, 14, 74 rotor part, 14a rotor, 14b movable vane, 14c spring, 41 conductive substrate, 42b, 53, 63 resin type, 45, 55 metal material, 52, 62
Mold, 76 drive.
