JP2005285421A - Device for moving fluid to be flowed in passage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロモーター、マイクロセンサー、マイクロリレー等のマイクロマシン、及び、マイクロエレクトロメカニカルシステム(Micro Electro Mechanical System,MEMS)と呼ばれる微細電気機械部品に適用され得るデバイス、電気経路や光学経路等に利用され得るスイッチングデバイス、並びにシリンダ等の駆動源等として利用され得るデバイスであって、流路内の被移動体を移動するデバイスに関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used for devices, electrical paths, optical paths, and the like that can be applied to micromachines such as micromotors, microsensors, and microrelays, and microelectromechanical systems called microelectromechanical systems (MEMS). The present invention relates to a switching device that can be used as well as a device that can be used as a drive source such as a cylinder, etc., and that moves a moving object in a flow path.
近年、半導体製造技術に代表されるような材料の微細加工技術等を利用して、数ミリから数十ミクロンサイズの微細なマイクロモーター、マイクロセンサー、及びマイクロスイッチ等の開発が進められている。それらの要素デバイスは、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロバルブ、フローセンサー、圧力センサー、記録ヘッド、トラッキングサーボ用アクチュエータ、オンチップ生化学分析、マイクロリアクタ、高周波スイッチングデバイス、マイクロ磁気デバイス、マイクロリレー、加速度センサー、ジャイロ、駆動デバイス、ディスプレイ、光スキャナ、等々へ幅広く応用され得る。 In recent years, development of micro-motors, micro-sensors, micro-switches and the like of several millimeters to several tens of microns has been promoted using micro-fabrication technology of materials represented by semiconductor manufacturing technology. These element devices include, for example, inkjet printer heads, microvalves, flow sensors, pressure sensors, recording heads, tracking servo actuators, on-chip biochemical analysis, microreactors, high-frequency switching devices, micromagnetic devices, microrelays, acceleration sensors. , Gyros, driving devices, displays, optical scanners, and so on.
このような要素デバイスの一例として知られるスイッチ装置の一つは、導電性流体(被移動体、被移動流体)と気体(作動流体)とが充填される直線方向に延びる細長のチャネル(流路)、気体加熱手段を含み前記気体が充填されるチャンバ、及びチャンバとチャネルとを連結し前記気体が充填されるサブチャネル(連通路)を有し、前記加熱手段で前記気体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記導電性流体を前記チャネル内で移動させ、これにより前記導電性流体を含む電気パスを開閉するようになっている(例えば、特許文献1(第1頁−6頁、図2、図4、図5及び図6)を参照。)。
しかしながら、上記従来の装置は、圧縮性の気体を加熱手段により加熱して膨張させ、その気体の膨張に伴って上昇する圧力を利用して導電性流体を移動させるようになっているので、加熱手段によって気体の加熱を開始してから導電性流体が移動するまでに長時間を要し、応答性が良好でないという問題がある。 However, the above-described conventional apparatus is configured to heat and expand a compressible gas by a heating means, and to move the conductive fluid using a pressure that rises as the gas expands. There is a problem that it takes a long time from the start of heating of the gas by means until the conductive fluid moves, and the responsiveness is not good.
この問題を解決するため、本出願人は、非圧縮性の作動流体を、ポンプの作動により流路内の被移動流体に向けて噴射し、この噴射された作動流体によって被移動流体を切断することにより同被移動流体を移動させる被移動流体を移動させるデバイスを提案した。これによれば、ポンプの作動開始時点から被移動流体が移動を開始する時点までの時間が短いので、応答性の高いデバイスが提供される。 In order to solve this problem, the present applicant injects the incompressible working fluid toward the moving fluid in the flow path by the operation of the pump, and cuts the moving fluid by the jetted working fluid. Therefore, a device for moving the fluid to be moved was proposed. According to this, since the time from the operation start time of the pump to the time when the fluid to be moved starts moving is short, a highly responsive device is provided.
ところで、この被移動体を移動させるデバイスを構成する収容体は、シリコン基板、ガラス基板、ポリメチルメタレート又はポリカーボネート等のプラスチックの基板、或いはセラミックス基板を積層し、これらを接合することにより作製することができる。接合には、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂が使用され得る。また、シリコン樹脂のガスケットを基板間に挟み込み、基板同士をネジなどにより締結することにより同基板同士を接合することもできる。更には、シリコン基板とガラス基板を接合する場合、陽極酸化接合法を用いることもできる。基板材料としてセラミックグリーンシートを用いる場合には、セラミックグリーンシートを積層した後に焼成して一体化することもできる。 By the way, the container constituting the device for moving the object to be moved is manufactured by laminating and bonding a silicon substrate, a glass substrate, a plastic substrate such as polymethyl metalate or polycarbonate, or a ceramic substrate. be able to. For bonding, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used. In addition, the substrates can be joined to each other by sandwiching a gasket of silicon resin between the substrates and fastening the substrates together with screws or the like. Furthermore, when bonding a silicon substrate and a glass substrate, an anodic oxidation bonding method can also be used. When a ceramic green sheet is used as the substrate material, the ceramic green sheets can be laminated and then fired for integration.
しかしながら、いかなる方法を用いて収容体を作製した場合であっても、収容体を完全に剛体(リジッド)とはできず、収容体内部の圧力上昇を吸収してしまう部分(即ち、圧力上昇吸収部、所謂「がたつき(遊び)」)が存在しているので、ポンプの作動開始から作動流体が移動を開始するまでに時間を要し、その結果、被移動体を移動させるデバイスの作動が遅れるという問題がある。 However, even if the container is produced using any method, the container cannot be made completely rigid (ie, rigid) and absorbs the pressure increase inside the container (that is, absorbs pressure increase). Part, so-called “play (play)”), it takes time from the start of the pump operation until the working fluid starts to move, and as a result, the operation of the device that moves the moving object There is a problem that is delayed.
即ち、例えば、収容体を構成する基板の剛性が低い場合には、ポンプ作動による圧力上昇が基板の変形により吸収される。基板の剛性が高い場合でも、基板の接合が樹脂による場合には、ポンプ作動による圧力上昇が同樹脂の変形により吸収される。陽極酸化接合法や焼成一体化により収容体を作製した場合、収容体自体の剛性は高い。しかしながら、一般に、被移動流体及び作動流体の充填を収容体の作製後に同流路に設けられた注入口を介して行わなければならず、作動流体充填後に同注入口を紫外線硬化樹脂等により封止しなければならないので、ポンプ作動による圧力上昇が同樹脂の変形により吸収される。更には、作動流体の充填時及び注入口の封止時に流路内に気泡が混入することがあり、かかる気泡によりポンプ作動による圧力上昇が吸収されることもある。 That is, for example, when the rigidity of the substrate constituting the container is low, the pressure increase due to the pump operation is absorbed by the deformation of the substrate. Even when the rigidity of the substrate is high, when the bonding of the substrate is made of resin, the pressure increase due to the pump operation is absorbed by the deformation of the resin. When a container is produced by anodic oxidation bonding or firing integration, the rigidity of the container itself is high. However, in general, the fluid to be moved and the working fluid must be filled through the inlet provided in the flow path after the container is manufactured. After filling the working fluid, the inlet is sealed with an ultraviolet curable resin or the like. Since it must be stopped, the pressure increase due to the pump operation is absorbed by the deformation of the resin. Further, bubbles may be mixed in the flow path when the working fluid is filled and the inlet is sealed, and the pressure increase due to the pump operation may be absorbed by the bubbles.
従って、本発明の目的は、応答性が極めて良好であって、例えば高周波スイッチ等にも好適に用いられ得る流路内の被移動体を移動させるデバイスを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a device that moves a moving object in a flow channel that has extremely good responsiveness and can be suitably used for, for example, a high-frequency switch.
上記目的を達成するため、本発明の流路内の被移動体を移動するデバイスは、収容体及び電気制御装置を備えてなる流路内の被移動体を移動するデバイスであって、前記収容体は、密閉された空間である流路を形成する流路形成部と、前記流路に同流路を実質的に二つに分離するように収容される実質的に非圧縮性の被移動体と、前記流路に収容されるとともに前記被移動体を移動させるための実質的に非圧縮性である作動流体と、前記流路に設けられた第1開口と連通された第1ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第1ポンプ室の容積を減少することにより同第1ポンプ室内の作動流体を同第1開口を介して同流路に吐出する第1ポンプと、前記流路に設けられた第2開口と連通された第2ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第2ポンプ室の容積を減少することにより同第2ポンプ室内の作動流体を同第2開口を介して同流路に吐出する第2ポンプと、を含んでいる。 In order to achieve the above object, a device for moving a movable body in a flow channel according to the present invention is a device for moving a movable body in a flow channel comprising a container and an electric control device, wherein the housing The body includes a flow path forming part that forms a flow path that is a sealed space, and a substantially incompressible transferred body that is accommodated in the flow path so as to substantially separate the flow path into two. A first pump chamber communicated with a body, a substantially incompressible working fluid that is accommodated in the flow path and moves the body to be moved, and a first opening provided in the flow path A first pump that discharges the working fluid in the first pump chamber to the flow path through the first opening by reducing the volume of the first pump chamber in response to the drive signal, and the flow path And a second pump chamber communicated with a second opening provided in the second pump chamber in response to the drive signal. By reducing the chamber volume and includes a second pump for discharging the working fluid of the second pump chamber common origin path through the second opening, the.
更に、前記電気制御装置は、前記デバイスが初期状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積及び前記第2ポンプ室の容積の和を第1の速度で減少させる駆動信号を発生して前記流路内に前記作動流体を前記第1開口及び/又は前記第2開口を介して緩やかに吐出することにより同デバイスを同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも上昇したスタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに同第1ポンプ室の容積を同第1の速度よりも大きな第2の速度で減少させる駆動信号を発生して同流路内に同作動流体を同第1開口を介して急激に吐出することにより前記被移動体を同流路内にて移動させるように構成されている。 Further, the electric control device generates a drive signal for reducing the sum of the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber at a first speed when the device is in an initial state. The working fluid is slowly discharged into the passage through the first opening and / or the second opening, whereby the pressure in the device rises higher than the pressure outside the container through the device. When the device is in the standby state, a drive signal is generated to reduce the volume of the first pump chamber at a second speed larger than the first speed and the device is operated in the same flow path. The moving object is configured to move in the flow path by rapidly discharging the fluid through the first opening.
この場合、前記被移動体は固体であってもよい。また、前記被移動体は、非圧縮性の流体(即ち、被移動流体)であってもよい。前記被移動体が非圧縮性の被移動流体である場合、前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好であることが好適である。これによれば、被移動流体の流路に対する濡れ性は作動流体の流路に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体は表面積を最小とするように密閉された流路内において流体の塊となって存在する。作動流体は、流路の被移動流体が存在していない部分を満たす。 In this case, the object to be moved may be a solid. Moreover, the said to-be-moved body may be an incompressible fluid (namely, to-be-moved fluid). When the moving body is an incompressible moving fluid, the working fluid is substantially insoluble in the moving fluid and the wettability with respect to the wall surface of the flow path is the same as that of the moving fluid. It is preferable that the wettability with respect to the wall surface of the flow path is better. According to this, the wettability with respect to the flow path of the fluid to be moved is not better than the wettability with respect to the flow path of the working fluid, so that the fluid to be moved is fluid in the closed flow path so as to minimize the surface area. It exists as a lump. The working fluid fills a portion of the flow path where no fluid to be moved exists.
このような被移動体を移動させる上記構成のデバイスにおいては、同デバイスが初期状態にあるとき、第1ポンプ室の容積及び第2ポンプ室の容積の和が第1の速度で減少される。この場合、第1ポンプ室の容積のみ、又は、第2ポンプ室の容積のみが減少されてもよく、第1ポンプ室の容積及び第2ポンプ室の容積が共に減少されてもよい。これにより、前記作動流体が前記第1開口及び/又は前記第2開口を介して前記流路内に緩やかに吐出され、同デバイスが「同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも上昇したスタンバイ状態」に移行する。この圧力上昇により、収容体(流路)に不可避的に存在する同流路内の圧力上昇を吸収してしまう部分は実質的に消滅する。また、このとき、被移動体は実質的に移動しない。 In the device having the above-described configuration for moving the object to be moved, when the device is in the initial state, the sum of the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber is decreased at the first speed. In this case, only the volume of the first pump chamber or only the volume of the second pump chamber may be reduced, and both the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber may be reduced. As a result, the working fluid is gently discharged into the flow path via the first opening and / or the second opening, and the device reads “the pressure in the flow path is higher than the pressure outside the container. It will also shift to the “standby state that has also risen”. Due to this pressure increase, the portion that absorbs the pressure increase in the flow path unavoidably present in the container (flow path) is substantially eliminated. At this time, the object to be moved does not substantially move.
次に、そのスタンバイ状態にあるときに第1ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少される。これにより、作動流体が第1ポンプ室から第1開口を介して流路内に急激に吐出される。このとき、流路内の圧力上昇を吸収してしまう部分は実質的に消滅しているから、流路内の圧力は直ちに上昇する。従って、流路内に急激に吐出された作動流体は被移動流体を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 Next, when in the standby state, the volume of the first pump chamber is reduced at a second speed greater than the first speed. As a result, the working fluid is rapidly discharged from the first pump chamber into the flow path through the first opening. At this time, since the portion that absorbs the pressure increase in the flow path has substantially disappeared, the pressure in the flow path immediately increases. Therefore, the working fluid rapidly discharged into the flow path immediately moves the fluid to be moved. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
本発明による被移動体を移動させるデバイスの一つの態様は、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第2開口までの間の前記流路内に存在するように構成され、前記第2ポンプは第2ポンプ室の容積を増大することにより前記流路内の作動流体を前記第2開口を介して同第2ポンプ室内に吸引することができるポンプであり、前記電気制御装置は、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積を前記第2の速度で減少させる前記駆動信号を発生するとともに、前記流路内の圧力を前記収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持しながら同流路から同作動流体を前記第2開口を介して吸引するように前記第2ポンプ室の容積を第3の速度で増大する駆動信号を発生するように構成されている。 One aspect of the device for moving the moving object according to the present invention is that the moving object is at least in the flow path between the first opening and the second opening when the device is in the standby state. A pump configured to be present and capable of sucking the working fluid in the flow path into the second pump chamber through the second opening by increasing the volume of the second pump chamber. And the electric control device generates the drive signal for reducing the volume of the first pump chamber at the second speed when the device is in the standby state, and controls the pressure in the flow path. Driving to increase the volume of the second pump chamber at a third speed so as to suck the working fluid from the flow path through the second opening while maintaining a pressure higher than the pressure outside the container. signal It is configured to generate.
これによれば、作動流体が第1ポンプ室から第1開口を介して流路内に急激に吐出されるとともに、作動流体が流路から第2開口を介して第2ポンプ室へと吸引される。従って、第1ポンプから急激に吐出された作動流体が被移動体を移動させるように同被移動体に作用するのみでなく、第2ポンプによる作動流体の吸引力も作動流体を介して被移動体に作用する。また、このとき、流路内の圧力は収容体の外部の圧力よりも高い状態に維持されているので、流路内の被移動体及び作動流体があたかも剛体のように移動する。この結果、応答性がより一層向上した被移動体を移動させるデバイスが提供され得る。 According to this, the working fluid is rapidly discharged from the first pump chamber into the flow path through the first opening, and the working fluid is sucked from the flow path into the second pump chamber through the second opening. The Accordingly, not only the working fluid suddenly discharged from the first pump acts on the moving body so as to move the moving body, but also the suction force of the working fluid by the second pump is transferred via the working fluid. Act on. At this time, since the pressure in the flow path is maintained higher than the pressure outside the container, the moving body and the working fluid in the flow path move as if they were rigid bodies. As a result, it is possible to provide a device that moves the moving object with further improved responsiveness.
本発明による被移動体を移動させるデバイスの他の態様は、そのデバイスが前記流路に設けられた第3開口と連通された第3ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第3ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第3開口を介して同第3ポンプ室内に吸引する第3ポンプを備え、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第3開口までの間の前記流路内に存在するように構成されている。 According to another aspect of the device for moving the object to be moved according to the present invention, the device includes a third pump chamber communicated with a third opening provided in the flow path, and the third pump chamber in response to a drive signal. A third pump for sucking the working fluid in the flow path into the third pump chamber through the third opening by increasing the volume of the movable body, and the movable body when the device is in the standby state Is present in the flow path between at least the first opening and the third opening.
更に、前記デバイスの電気制御装置は、同デバイスが前記初期状態にあるときに前記第2ポンプ室の容積を前記第1の速度で減少させる駆動信号を発生して前記流路内に前記作動流体を前記第2開口を介して緩やかに吐出することにより同デバイスを前記スタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積を前記第2の速度で減少させる駆動信号を発生して同流路内に同作動流体を前記第1開口を介して急激に吐出するとともに、同流路内の圧力を同収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持しながら同流路から同作動流体を前記第3開口を介して吸引するように前記第3ポンプ室の容積を第3の速度で増大する駆動信号を発生するように構成されている。 Further, the electrical control device of the device generates a drive signal for decreasing the volume of the second pump chamber at the first speed when the device is in the initial state, and the working fluid is generated in the flow path. Is slowly discharged through the second opening to shift the device to the standby state, and when the device is in the standby state, the volume of the first pump chamber is decreased at the second speed. While generating a drive signal to rapidly discharge the working fluid into the flow path through the first opening, while maintaining the pressure in the flow path higher than the pressure outside the container A drive signal for increasing the volume of the third pump chamber at a third speed is generated so as to suck the working fluid from the flow path through the third opening.
これによれば、先ず、第2ポンプ室の容積が第1の速度で減少され、作動流体が流路内に緩やかに吐出されることにより、前記流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも上昇し、被移動流体移動デバイスは前記スタンバイ状態となる。このスタンバイ状態において、第1ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少されて作動流体が流路に急激に流入するとともに、第3ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第3の速度で増大されて作動流体が流路から吸引される。 According to this, first, the volume of the second pump chamber is reduced at the first speed, and the working fluid is gently discharged into the flow path, whereby the pressure in the flow path is increased outside the container. The pressure rises above the pressure, and the moved fluid moving device enters the standby state. In this standby state, the volume of the first pump chamber is reduced at a second speed larger than the first speed so that the working fluid suddenly flows into the flow path, and the volume of the third pump chamber is reduced to the first speed. The working fluid is sucked from the flow path by being increased at a third speed greater than that.
従って、第1ポンプから急激に吐出された作動流体が被移動体を移動させるように同被移動流体に作用するのみでなく、第3ポンプによる吸引力も作動流体を介して被移動体に作用する。また、このとき、流路内の圧力は収容体の外部の圧力よりも高い状態に維持されているので、流路内の被移動体及び作動流体があたかも剛体のように移動する。この結果、応答性がより一層向上した被移動体を移動させるデバイスが提供され得る。 Accordingly, not only the working fluid rapidly discharged from the first pump acts on the moving fluid so as to move the moving body, but also the suction force by the third pump acts on the moving body via the working fluid. . At this time, since the pressure in the flow path is maintained higher than the pressure outside the container, the moving body and the working fluid in the flow path move as if they were rigid bodies. As a result, it is possible to provide a device that moves the moving object with further improved responsiveness.
上述したように、被移動体が流体(被移動流体)である場合、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動流体が前記第1開口に対向する位置に存在するとともに前記作動流体が前記第2開口に対向する位置に存在するように構成され、前記第1ポンプ室の容積が前記第2の速度で減少されたときに同第1ポンプ室から前記第1開口を介して前記流路内に急激に吐出された前記作動流体により同流路内の前記被移動流体が切断されることにより同被移動流体が同流路内を移動するように構成されることが好適である。 As described above, when the moving body is a fluid (moving fluid), the moving fluid exists at a position facing the first opening when the device is in the standby state, and the working fluid is It is configured to exist at a position opposite to the second opening, and when the volume of the first pump chamber is reduced at the second speed, the flow from the first pump chamber through the first opening is reduced. It is preferable that the moving fluid is moved in the flow path when the moving fluid in the flow path is cut by the working fluid rapidly discharged into the path.
これによれば、第1ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少され、作動流体が第1ポンプ室から第1開口を介して流路内に急激に吐出(噴射)される。この吐出された作動流体は流路内の被移動流体を切断し、これにより被移動流体が流路内を移動する。従って、第1ポンプ作動による作動流体の吐出が被移動流体を直ちに移動させるので、応答性のよい被移動流体移動デバイスが提供される。 According to this, the volume of the first pump chamber is reduced at a second speed larger than the first speed, and the working fluid is rapidly discharged (injected) from the first pump chamber into the flow path through the first opening. ) The discharged working fluid cuts the fluid to be moved in the flow path, whereby the fluid to be moved moves in the flow path. Therefore, since the discharge of the working fluid by the first pump operation immediately moves the moved fluid, a moved fluid moving device with high responsiveness is provided.
さらに、この被移動流体を切断するデバイスにおいて、第1ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少されるときに、第2ポンプ室の容積又は第3ポンプ室の容積を第3の速度で増大する駆動信号を発生するように構成すれば、被移動流体の切断を一層促進することができ、更に応答性のよい被移動流体移動デバイスが提供される。 Further, in the device for cutting the fluid to be moved, when the volume of the first pump chamber is reduced at a second speed larger than the first speed, the volume of the second pump chamber or the volume of the third pump chamber. Is configured to generate a drive signal that increases at the third speed, it is possible to further facilitate the cutting of the moved fluid and to provide a moved fluid moving device with better response.
以上、説明したように、本発明の各実施形態の被移動流体移動デバイスは、何れかのポンプの容積を第1の速度で減少せしめ、被移動流体F1を流路内に緩やかに吐出する。これにより、被移動流体F1を移動させることなしに、流路内の圧力を収容体の外部の圧力よりも上昇させ、収容体(流路)に不可避的に存在する同流路内の圧力上昇を吸収してしまう部分を実質的に消滅させる。その後、何れかのポンプの容積を第1速度よりも大きい第2速度で減少せしめて作動流体F2を流路内に急激に吐出し、これにより被移動流体F1を移動させる。このとき、流路内の圧力上昇を吸収してしまう部分は実質的に消滅しているから、流路内に吐出された作動流体F2は被移動流体F1を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 As described above, the moved fluid moving device according to each embodiment of the present invention reduces the volume of any pump at the first speed and gently discharges the moved fluid F1 into the flow path. Thereby, without moving the fluid F1, the pressure in the flow path is increased more than the pressure outside the container, and the pressure in the flow path inevitably existing in the container (flow path) is increased. The part which absorbs is substantially eliminated. Thereafter, the volume of one of the pumps is reduced at a second speed larger than the first speed, and the working fluid F2 is rapidly discharged into the flow path, thereby moving the moved fluid F1. At this time, since the portion that absorbs the pressure increase in the flow path has substantially disappeared, the working fluid F2 discharged into the flow path immediately moves the fluid F1 to be moved. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
また、これらの被移動流体移動デバイスは、液体を加熱して気化することに伴う体積膨張を利用して被移動流体を移動させるデバイスとは異なり、ポンプ室の容積を変更して非圧縮性の作動流体F2を吐出することにより被移動流体F1を移動せしめるデバイスである。即ち、この被移動流体移動デバイスは、作動流体F2を気化する必要がないので、沸点の高い液体を作動流体F2として使用することができる。その結果、本発明による被移動流体移動デバイスにおいては、豊富な種類の流体の中から適切な流体を作動流体F2として選択することができる。 Further, these moved fluid moving devices are different from the devices that move the moved fluid by utilizing the volume expansion accompanied by heating and vaporizing the liquid. It is a device that moves the fluid F1 by discharging the working fluid F2. That is, since this moved fluid moving device does not need to vaporize the working fluid F2, a liquid having a high boiling point can be used as the working fluid F2. As a result, in the moved fluid moving device according to the present invention, an appropriate fluid can be selected as the working fluid F2 from among a wide variety of fluids.
以下に、本発明による流路内の被移動体を移動するデバイスの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。流路内で移動される被移動体は非圧縮性の固体であってもよく、後述するように流体(被移動流体)であってもよい。被移動体としての固体は、導電性であってもよく、誘電体であってもよい。被移動体が被移動流体である場合、本発明による流路内の被移動体を移動するデバイスは「被移動流体移動デバイス」、又は、単に「駆動デバイス」とも称呼される。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10の平面図であり、図2は図1の1−1線に沿った平面にて同被移動流体移動デバイス10を切断した断面図である。なお、電気制御装置20は図1において概念的に示され、図2において省略されている。
Embodiments of a device for moving a moving object in a flow path according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The moving object moved in the flow path may be an incompressible solid or a fluid (moving fluid) as described later. The solid as the object to be moved may be conductive or dielectric. When the moving body is a moving fluid, the device for moving the moving body in the flow path according to the present invention is also referred to as a “moving fluid moving device” or simply a “driving device”. The present invention is not limited to these embodiments, and various changes, modifications, and improvements can be added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of a moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス10は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状のセラミックスからなる基体10aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12と、電気制御装置20とを備えている。基体10a、第1ポンプ11及び第2ポンプ12は、被移動流体F1及び作動流体F2の収容体を構成している。
The moving
基体10aは、図2に示したように、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)10a1〜10a3をZ軸方向に積層し、これらを焼成又は接着により一体化することにより形成されている。基体10aは、図1及び図2に示したように、その内部に、流路形成部13と第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, the
第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aとアクチュエータ11bとを含んで構成されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート10a3の上面に固定されたセラミックシート11a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)11a2とにより構成されている。第1ポンプ室11aには作動流体F2が収容されている。
The
セラミックシート11a1は、平面視で円形であり、中空円筒状の貫通孔を有している。セラミックダイヤフラム11a2は、平面視でセラミックシート11a1と同じ円形であり、セラミックシート11a1の貫通孔の上面を閉塞するようにセラミックシート11a1の上部に固定されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート11a1の貫通孔を形成する側壁面とセラミックダイヤフラム11a2の下面とにより規定された空間である。
The ceramic sheet 11a1 is circular in a plan view and has a hollow cylindrical through hole. The ceramic diaphragm 11a2 has the same circular shape as the ceramic sheet 11a1 in plan view, and is fixed to the upper part of the ceramic sheet 11a1 so as to close the upper surface of the through hole of the ceramic sheet 11a1. The
アクチュエータ11bは、平面視でセラミックシート11a1の貫通孔と同じ円形を有する薄板体(厚さは、例えば20μm程度である。)であり、セラミックダイヤフラム11a2の上面に固定されている。アクチュエータ11bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であり、その電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム11a2を変形させる。これにより、アクチュエータ11bは、第1ポンプ室11aの容積を増減し、第1ポンプ室11a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より減少(小さく変更)することにより流体を吐出可能なポンプであり、第1ポンプ室11aの容積を初期容積より増大(大きく変更)することにより流体を吸引可能なポンプでもある。なお、アクチュエータ11bは、電歪膜又は反強誘電体膜とこの膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aと、アクチュエータ11bと同様の膜型圧電素子であるアクチュエータ12bと、を含んでいる。第2ポンプ室12aは、セラミックシート10a3の上面に固定されたセラミックシート12a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)12a2とにより構成されている。第2ポンプ室12aには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様の構成を備えているので詳細な説明を省略する。
The
第2ポンプ12は、アクチュエータ12bの電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム12a2を変形させることにより第2ポンプ室12aの容積を増減し、第2ポンプ室12a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より増大(大きき変更)することにより流体を吸引可能なポンプであり、第2ポンプ室12aの容積を初期容積より減少(小さく変更)することにより流体を吐出可能なポンプでもある。なお、アクチュエータ12bは、反強誘電体膜と同反強誘電体膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
なお、第1ポンプ11は、流路内の作動流体F2を吸引するためにも使用できるが、このとき被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第1ポンプ11内(及び第1ポンプ連通部14内)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。同様に、第2ポンプ12は、後述するように流路内の作動流体F2を吸引するが、場合により被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第2ポンプ12内(及び第2ポンプ連通部15)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。
The
ここで、第1,第2ポンプ11,12についての具体的な寸法を例示すると、中空円筒形の第1,第2ポンプ室11a,12aの底面(上面)の各半径は0.5mm程度であり、各高さは150μm程度である。また、円形薄板状のセラミックダイヤフラム11a2,12a2の各半径は0.5mm程度であり、各厚さ(高さ)は10μm程度である。
Here, exemplifying specific dimensions of the first and
流路形成部13は、流路13aを構成する部分である。流路13aは、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される密閉された空間である。セラミックシートは絶縁体であるから、流路13aの壁面を介して電流が流れることはない。
The flow
流路13aは、直線状の細長の密閉された空間であって、X軸に沿う方向に流線方向(長手方向の軸)を有している。流路13aは、流線方向に直交する平面で(Y−Z平面)で同流路13aを切断した断面(以下、この断面を「流路の縦断面」と云うことがある。)が略正方形状となっている。流路13aは、マイクロチャネルとも呼ばれる。流路13aの流線方向の長さは1mm程度であり、前記縦断面の正方形の一辺(流路の高さ及び幅)は数10μm程度である。
The
流路13a内には被移動流体F1と作動流体F2とが収容され、流路13aはこれらの流体により実質的に満たされている。被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体であり、本例では水銀である。被移動流体F1は、非圧縮性であればよく、磁性材料、ガリウム合金の如き液体金属、及び油等であってもよい。被移動流体F1は塊状となって流路13a内に存在する。これにより、被移動流体F1は、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との二つの空間に実質的に分離する。
A fluid F1 and a working fluid F2 are accommodated in the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート、パラフィン系電気絶縁油、シリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の流路13a壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路13a壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent fluorinate, paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like. As the working fluid F2, a fluid is selected in which the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the
流路13aには、互いに電気的に絶縁された4個の電極21a,21b,22a,22bが配設されている。電極21a及び電極21bは、基体10aのX軸方向中央部よりもX軸正側の位置であって第1ポンプ連通部14(後述の第1開口)よりもX軸負側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。電極22a及び電極22bは、基体10のX軸方向中央部よりもX軸負側の位置であって第2ポンプ連通部15(後述の第2開口)よりもX軸正側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。
Four
電極21a,21b,22a,22bは、それぞれ図示しない配線を介して基体10aの外部の図示しない回路に接続されている。電極21aと電極21bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合(即ち、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき)、非導通状態となるように配設されている。また、電極21a及び電極21bは、被移動流体F1がX軸正側に移動せしめられたとき、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
The
同様に、電極22aと電極22bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合、非導通状態となるように配設されている。また、電極22a及び電極22bは、被移動流体F1がX軸負側に移動せしめられたとき、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
Similarly, the
第1ポンプ連通部14は、第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bとを形成する部分である。第1ポンプ連通部14は、セラミックシート10a2内において第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bを構成するために設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 1st
第1流路接続部14aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第1開口14a1を形成している。第1ポンプ接続部14bは、第1流路接続部14aの他方の端部と第1ポンプ室11aとを連通している。第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bには作動流体F2が収容されている。
One end of the first flow
第1開口14a1は、正面視において(Y軸方向から見て)流路13aの流線方向(X軸方向)に沿う辺と同流線方向に直交する方向(この場合、Z軸方向)に沿う辺とからなる略正方形状を有している。この第1開口14a1の流路13aの流線方向に直交するZ軸方向に沿う辺の長さは、流路13aのZ軸方向において対向する壁面間距離と実質的に等しい(略等しい)。また、第1開口14a1の流路13aの流線方向に沿う辺の長さは、同第1開口14a1の流路13aの流線方向に直交する方向に沿う辺の長さと略等しい。
The first opening 14a1 is in a direction (in this case, the Z-axis direction) orthogonal to the streamline direction along the streamline direction (X-axis direction) of the
また、第1流路接続部14aは、平面視で、第1開口14a1(第1流路接続部14aの一方の端部)から流路13aの流線方向(X軸方向)と直交する方向(この場合、Y軸方向)に延びている。第1流路接続部14aは、平面視で第1ポンプ11と流路13aとの間に他方の端部を有している。第1流路接続部14aは、同第1流路接続部14aを同第1流路接続部14aの流線方向(Y軸方向)と直交する平面(X−Z平面)で切断した断面(以下、この断面を、単に「第1流路接続部14aの断面」と云うことがある。)が、前記第1開口14a1と同一の略正方形状となっている。
The first flow
第1ポンプ接続部14bは、平面視で第1流路接続部14aの他方の端部の位置から第1ポンプ室11aの直下までY軸方向に延びている。第1ポンプ接続部14bは、同第1ポンプ接続部14bを第1流路接続部14aの流線方向(Y軸方向)と直交する平面(X−Z平面)で切断した断面(以下、この断面を、単に「第1ポンプ接続部14bの断面」と云うことがある。)が、Z軸方向に沿う辺及びX軸方向に沿う辺からなる長方形状となっている。
The first
第1ポンプ接続部14bのY軸正方向の端部は、平面視で第1ポンプ室11aと同心で同第1ポンプ室11aの半径よりも僅かに小さい半径を有する円弧形(半円形)となっている。第1ポンプ接続部14bは、第1ポンプ室11aの下方において、Z軸方向に延びる中心軸を有する前記セラミックシート10a3の円柱状貫通孔を介して第1ポンプ室11aに接続されている。
The end of the first
第2ポンプ連通部15は第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bとを形成する部分である。第2ポンプ連通部15は、セラミックシート10a2内において第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bを構成するために設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 2nd
第2流路接続部15aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第2開口15a1を形成している。第2ポンプ接続部15bは、第2流路接続部15aの他方の端部と第2ポンプ室12aとを連通している。第2流路接続部15aと第1ポンプ接続部15bには作動流体F2が収容されている。第2流路接続部15aは、第1流路接続部14aと同一構造を有している。
One end of the second flow
第2ポンプ接続部15bは、第1ポンプ接続部14bと同一構造を有している。また、第2ポンプ接続部15bと第2流路接続部15aとの関係は、第1ポンプ接続部14bと第1流路接続部14aとの関係と同一である。更に、第2ポンプ接続部15bと第2ポンプ室12aとの関係は、第1ポンプ接続部14bと第1ポンプ室11aとの関係と同一である。
The 2nd
電気制御装置20は、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に電気的に接続されていて、同アクチュエータ11bの電極間に駆動電圧(第1ポンプ駆動電圧)V1を付与するとともに、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に電気的に接続されていて、同アクチュエータ12bの電極間に駆動電圧(第2ポンプ駆動電圧)V2を付与するようになっている。
The
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス10の作動について図3及び図4を参照しながら説明する。図3の(A)及び図3の(B)は、被移動流体移動デバイス10の収容体の様子を概念的に示した図である。図3の(A)は初期状態を示し、図3の(B)は作動状態を示している。図4は、上から順に、第1ポンプ室11aの容積、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に付与される駆動電圧V1、被移動流体F1の流路13a内における位置、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に付与される駆動電圧V2及び第2ポンプ室12aの容積を示すタイムチャートである。
Next, the operation of the moved fluid moving
先ず、被移動流体移動デバイス10の作動の概略について説明する。図3の(A)に示したように、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に駆動電圧V1を与えず、且つ、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に駆動電圧V2を与えていない初期状態においては、被移動流体F1は流路のX軸方向略中央の位置((以下、「初期位置」とも称呼する。)において一つの塊として存在している。
First, an outline of the operation of the moved fluid moving
即ち、被移動流体F1の流路に対する濡れ性が作動流体F2の流路に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体F1は表面積を最小とするように密閉された流路13a内において流体の塊となって存在する。このとき、被移動流体F1は流路13aの壁面に実質的に接触し、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との2つの空間に分離する。作動流体F2は、流路の被移動流体F1が存在していない部分を満たしている。図1、図2及び図3の(A)から理解されるように、被移動流体移動デバイス10が前記初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1開口14a1と第2開口15a1までの間の流路13a内に存在するとともに、流路13a内の第2開口15a1に対向する位置に作動流体F2が存在するように構成されている。
That is, since the wettability of the fluid F1 to the flow path is not better than the wettability of the working fluid F2 to the flow path, the fluid F1 is moved in the sealed
これに対し、図3(B)に示したように、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に圧電膜の分極方向と同じ極性の電界を付与する絶対値の大きな正の駆動電圧V1を与えると、アクチュエータ11bがセラミックダイヤフラム11a2を下方に直ちに屈曲変位させる。これにより、従って、第1ポンプ室11aの容積は減少し、第1ポンプ11は非圧縮性流体である作動流体F2を第1ポンプ連通部14(第1開口14a1)を介して流路13a内に吐出する。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, a positive driving voltage V1 having a large absolute value that gives an electric field having the same polarity as the polarization direction of the piezoelectric film is applied between the electrodes of the actuator 11b of the
また、このとき、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に圧電膜の分極方向と反対の極性の電界を付与する絶対値の大きな負の駆動電圧V2を与えると、アクチュエータ12bがセラミックダイヤフラム12a2を上方に直ちに屈曲変位させる。これにより、従って、第2ポンプ室12aの容積は増大し、第2ポンプ12は作動流体F2を第2ポンプ連通部15(第2開口15a1)を介して流路13aから吸引する。この結果、被移動流体F1はX軸負方向に移動し、電極22aと電極22bとを導通させる。
At this time, if a negative drive voltage V2 having a large absolute value is applied between the electrodes of the actuator 12b of the
この状態(図3の(B)に示した状態)から初期状態に戻すには、駆動電圧V1及び駆動電圧V2を共に0(V)とする(消滅させる)。これにより、第1ポンプ室11aの容積は初期状態に向けて増大するので、第1ポンプ11は作動流体F2を流路13aから吸引する。また、第2ポンプ室12aの容積は初期状態に向けて減少するので、第2ポンプ12は作動流体F2を流路13aに吐出する。この結果、被移動流体F1はX軸正方向に移動し、電極22aと電極22bとを非導通にする。
To return from this state (the state shown in FIG. 3B) to the initial state, both the drive voltage V1 and the drive voltage V2 are set to 0 (V) (disappear). Thereby, since the volume of the
また、被移動流体F1をX軸正方向に移動させて電極21aと電極21bとを被移動流体F1により導通状態とするには、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に圧電膜の分極方向と反対の極性の電界を付与する絶対値の大きな負の駆動電圧V1を与え、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に圧電膜の分極方向と同一の極性の電界を付与する絶対値の大きな正の駆動電圧V2を与える。以上が、被移動流体移動デバイス10の作動の概略である。
Further, in order to move the moved fluid F1 in the positive direction of the X-axis and bring the
次に、被移動流体移動デバイス10の実際の作動について説明する。被移動流体移動デバイス10は、流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させた状態にて被移動流体F1を移動させる。
Next, the actual operation of the moved fluid moving
即ち、図4の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2の何れも0(V)に維持している。このとき、第1ポンプ室11aの容積及び第2ポンプ室12aの容積は、それぞれ初期容積C0である。
That is, as shown at times t0 to t1 in FIG. 4, when the moved fluid moving
そして、時刻t1にて電気制御装置20の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vstの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t1〜t2において初期容積C0から微小容積ΔCだけ減少し、時刻t2にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=ΔC/(t2-t1)を、便宜上、第1の速度と称呼する。
When a switch (not shown) of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が第1ポンプ11から第1開口14a1を介して流路13a内に穏やかに吐出される。この場合、流路13a内に吐出された作動流体F2は、第1の速度が十分に小さいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過するとともに、流路13aの圧力上昇吸収部(がたつき)を消滅させるために過不足なく使用される。従って、被移動流体F1は初期位置に停止した状態を維持する。かかる状態を、スタンバイ状態と呼ぶ。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently discharged from the
次に、時刻t3にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置20は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t3〜t4において更に容積Cdrだけ減少し、時刻t4にて容積Cminとなる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdr/(t4-t3)を、便宜上、第2の速度と称呼する。第2の速度は、第1の速度よりも十分に大きくなるように選択されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t3, the
また、電気制御装置20は、時刻t3にて第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t3〜t4において初期容積C0から容積Cdrだけ増大し、時刻t4にて容積Cmaxとなる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdr/(t4-t3)を、便宜上、第3の速度と称呼する。本例では、第3の速度は上記第2の速度と略等しく、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持されながら作動流体F2が流路13aから第2開口15a1を介して第2ポンプ室12aに吸引されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdr分の作動流体F2が第1ポンプ室11aから第1開口14a1を介して流路13a内に急激に吐出されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が流路13aから第2開口15a1を介して第2ポンプ室12aへと急激に吸引される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdr is rapidly discharged from the
この場合、流路13a内に吐出された作動流体F2は、第2の速度が第1の速度よりも十分に大きいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。その結果、第1ポンプ11は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。
In this case, since the second speed of the working fluid F2 discharged into the
また、作動流体F2が流路13aから第2ポンプ12へと吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。更に、時刻t3〜t4においては(実際には時刻t2にて)、流路13aの圧力上昇吸収部(がたつき)は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始する。
Further, since the working fluid F2 is sucked from the
次に、時刻t5にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置20は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vstの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t5〜t6において容積Cdrだけ増大し、時刻t6にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)は上記第2の速度である。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the X-axis positive direction at time t5, the
また、電気制御装置20は、時刻t5にて第2ポンプ駆動電圧V2を「0」(V)に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t5〜t6において容積Cmaxから容積Cdrだけ減少し、時刻t6にて初期容積C0となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)は上記第3の速度(この場合、第2の速度)であり、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持されながら作動流体F2が吸引及び吐出されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdr分の作動流体F2が流路13aから第1ポンプ室11aへと急激に吸引されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が第2ポンプ室12aから流路13aへと急激に吐出される。この場合、時刻t3〜t4と同様に、第2ポンプ12は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。また、作動流体F2が流路13aから第1ポンプ室11aへと吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力として被移動流体F1に作用する。更に、時刻t5〜t6においても、流路13aの圧力上昇吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t5の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、時刻t6にて初期位置に復帰する。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdr is rapidly sucked from the
その後、図4に示した例において、被移動流体移動デバイス10は、時刻t7〜t8及び時刻t9〜t10にて、それぞれ時刻t3〜t4及び時刻t5〜t6と同一の作動を行う。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 4, the moved fluid moving
そして、時刻t11にて電気制御装置20の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)に設定する。その結果、第1ポンプ室11aの容積は時刻t11〜t12において、スタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ増大し、時刻t12にて初期容積C0となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。以上により、被移動流体移動デバイスは初期状態に復帰する。
When a switch (not shown) of the
このように、被移動流体移動デバイス10によれば、被移動流体F1を移動させるための第1ポンプ11及び第2ポンプ12の駆動に先立ち、第1ポンプ11を緩やかに駆動することにより(容積変化速度が第1の速度となるように駆動することにより)、流路13a内に作動流体F2を緩やかに吐出し、これにより、流路13aに不可避的に存在する流路13a内の圧力上昇を吸収する部分を消滅させ、被移動流体移動デバイス10の状態をスタンバイ状態とする。
As described above, according to the moved fluid moving
従って、第1ポンプ室11aの容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少されると、流路13a内に作動流体F2が急激に吐出され、流路13a内における被移動流体F1の第1開口14a1側の作動流体F2の圧力は直ちに上昇して被移動流体F1を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Accordingly, when the volume of the
また、第1ポンプ室11aの容積が第2の速度で減少されるとき、第2ポンプ室12aの容積は第2の速度と等しい第3の速度で増大される。従って、第2ポンプ12による作動流体F2の吸引力は、作動流体F2を介して被移動流体F1に直ちに作用し、被移動流体F1は直ちに移動する。換言すると、被移動流体F1に対して第1ポンプ11及び第2ポンプ12による差圧が直ちに作用するので、被移動流体F1は直ちに移動する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Further, when the volume of the
ここで、本発明を採用していない被移動流体移動デバイス(以下、「比較例」と称呼する。)の作動について、図5を参照しながら説明する。比較例の電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2を同時に0(V)から変化させるようになっている。 Here, the operation of the moved fluid moving device (hereinafter referred to as “comparative example”) that does not employ the present invention will be described with reference to FIG. The electric control device of the comparative example changes the first pump drive voltage V1 and the second pump drive voltage V2 from 0 (V) at the same time.
例えば、時刻t0において、電気制御装置は第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)から+Vdr(V)へと変化させ、第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)から−Vdr(V)へと変化させる。この結果、時刻t0〜t1において、第1ポンプ室11aの容積は初期容積C0からC1へと容積Cdrだけ減少し、第2ポンプ室12aの容積は初期容積C0からC2へと容積Cdrだけ増大する。
For example, at time t0, the electric control device changes the first pump drive voltage V1 from 0 (V) to + Vdr (V), and the second pump drive voltage V2 from 0 (V) to -Vdr (V). Change. As a result, at the time t0 to t1, the volume of the
しかしながら、時刻t0直後において、第1ポンプ室11aから流路13aに吐出される作動流体F2は、流路13aの圧力上昇吸収部(がたつき)により吸収されるので、被移動流体F1を移動させることができない。この結果、被移動流体F1は、時刻t0から暫くの間、初期位置に留まることになる。即ち、被移動流体移動デバイスの応答性は良好でない。
However, immediately after time t0, the working fluid F2 discharged from the
さらに、被移動流体F1の位置は、時刻t1の直後においてオーバーシュートし、その後、安定するまでに時間を要する。この意味においても、被移動流体移動デバイスの応答性は良好でない。このような状況は、例えば、時刻t2〜t3のように、、電気制御装置が第1ポンプ駆動電圧V1を+Vdr(V)から0(V)へと変化させ、第2ポンプ駆動電圧V2を−Vdr(V)から0(V)へと変化させる場合にも生じる。 Furthermore, the position of the fluid F1 to be moved overshoots immediately after the time t1, and then it takes time to stabilize. In this sense, the response of the moved fluid moving device is not good. For example, the electric control device changes the first pump drive voltage V1 from + Vdr (V) to 0 (V) and changes the second pump drive voltage V2 to − It also occurs when Vdr (V) is changed to 0 (V).
このように、本発明を採用していない比較例と較べ、本発明による被移動流体移動デバイスの第1実施形態(後述するように、他の実施形態も含む。)は、極めて応答性が良好であり、且つ、被移動流体F1の位置制御を確実に行うことができるデバイスとなっていることが理解される。
(第2実施形態)
次に、本発明による被移動流体移動デバイス10の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、電気制御装置20が発生する第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2が第1実施形態のそれらと相違している点のみにおいて第1実施形態と異なる。従って、以下、図6のタイムチャートを参照しながら、係る相違点を中心として説明する。
Thus, compared with the comparative example which does not employ the present invention, the first embodiment (including other embodiments as described later) of the moved fluid moving device according to the present invention is extremely responsive. It is understood that the device can reliably control the position of the fluid F1 to be moved.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the moved fluid moving
第2実施形態の被移動流体移動デバイス10も、第1実施形態と同様、流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させた状態を維持し、その状態において被移動流体の移動を行う。但し、第1ポンプ11の代わりに第2ポンプ12を使用して、流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させる。
Similarly to the first embodiment, the moved fluid moving
具体的に述べると、図6の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2の何れをも0(V)に維持している。なお、第1実施形態と同様、第2実施形態の被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1開口14a1と第2開口15a1までの間の流路13a内に存在するとともに、流路13a内の第2開口15a1に対向する位置には作動流体F2が存在している。。
More specifically, as shown at times t0 to t1 in FIG. 6, when the
そして、時刻t1にて電気制御装置20の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置20は第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの正の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t1〜t2において初期容積C0から微小容積ΔCだけ減少し、時刻t2にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=ΔC/(t2-t1)を、便宜上、第1の速度と称呼する。
When a switch (not shown) of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が第2ポンプ12から流路13a内に緩やかに吐出される。この場合、流路13a内に吐出された作動流体F2は、第1の速度が十分に小さいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過するとともに、流路13aの圧力上昇吸収部(がたつき)を消滅させるために過不足なく使用される。従って、被移動流体F1は初期位置に停止した状態を維持する。かかる状態をスタンバイ状態と呼ぶ。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently discharged from the
次に、時刻t3にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置20は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vstと絶対値Vdrの和(Vst+Vdr)の正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t3〜t4において容積Cdqだけ減少し、時刻t4にて容積C3となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdq/(t4-t3)を、便宜上、第2の速度と称呼する。第2の速度は、第1の速度よりも十分に大きくなるように選択されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t3, the
また、電気制御装置20は、時刻t3にて第2ポンプ駆動電圧V2を値Vst+Vdrだけ減少させ、絶対値Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t3〜t4においてスタンバイ容積Cstから容積Cdqだけ増大し、時刻t4にて容積C4となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdq/(t4-t3)を、便宜上、第3の速度と称呼する。本例でも、第3の速度は上記第2の速度と略等しく、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持されながら作動流体F2が流路13aから第2開口15a1を介して第2ポンプ室12aに吸引されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdqに応じた作動流体F2が第1ポンプ11から流路13a内に急激に吐出されるとともに、容積Cdqに応じた作動流体F2が流路13aから第2ポンプ12へと急激に吸引される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdq is rapidly discharged from the
この場合、流路13a内に吐出された作動流体F2は、第2の速度が第1の速度よりも十分に大きいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。その結果、第1ポンプ11は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。
In this case, since the second speed of the working fluid F2 discharged into the
また、作動流体F2が流路13aから第2ポンプ12へと吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。更に、時刻t3〜t4においては(実際には時刻t2にて)、流路13aの圧力上昇吸収部(がたつき)は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始する。
Further, since the working fluid F2 is sucked from the
次に、時刻t5にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置20は、第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t5〜t6において容積Cdqだけ増大し、時刻t6にて初期容積C0となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)は上記第2の速度である。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the X-axis positive direction at time t5, the
また、電気制御装置20は、時刻t5にて第2ポンプ駆動電圧V2をVst(V)に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t5〜t6において容積C4から容積Cdqだけ減少し、時刻t6にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)は上記第3の速度(この場合、第2の速度)であり、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持されながら作動流体F2が吸引及び吐出されるように選択されている。
Moreover, the
この結果、容積Cdqに応じた作動流体F2が、流路13aから第1ポンプ室11aへと急激に吸引されるとともに、第2ポンプ室12aから流路13aへと急激に吐出される。この場合、時刻t3〜t4と同様に、第2ポンプ12は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。また、作動流体F2が流路13aから第1ポンプ室11aへと吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力として被移動流体F1に作用する。更に、時刻t5〜t6においても、流路13aの圧力上昇吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t5の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、時刻t6にて初期位置に復帰する。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdq is rapidly sucked from the
その後、図6に示した例において、被移動流体移動デバイス10は、時刻t7〜t8及び時刻t9〜t10にて、それぞれ時刻t3〜t4及び時刻t5〜t6と同一の作動を行う。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 6, the moved fluid moving
そして、時刻t11にて電気制御装置20の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置20は第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)に設定する。その結果、第2ポンプ室12aの容積は時刻t11〜t12において、スタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ増大し、時刻t12にて初期容積C0となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。
When a switch (not shown) of the
このように、第2実施形態の被移動流体移動デバイス10によれば、被移動流体F1を移動させるための第1ポンプ11及び第2ポンプ12の駆動に先立ち、第2ポンプ12を緩やかに駆動することにより(容積変化速度が第1の速度となるように駆動することにより)、流路13a内に作動流体F2を緩やかに吐出し、これにより、流路13aに不可避的に存在する流路13a内の圧力上昇を吸収する部分を消滅させ、被移動流体移動デバイス10をスタンバイ状態とする。
As described above, according to the moved fluid moving
従って、第1ポンプ室11aの容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少されると、流路13a内に作動流体F2が急激に吐出され、流路13a内における被移動流体F1の第1開口14a1側の作動流体F2の圧力は直ちに上昇して被移動流体F1を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Accordingly, when the volume of the
また、第1ポンプ室11aの容積が第2の速度で減少されるとき、第2ポンプ室12aの容積は第2の速度と等しい第3の速度で増大される。従って、第2ポンプ12による作動流体F2の吸引力は、作動流体F2を介して被移動流体F1に直ちに作用し、被移動流体F1は直ちに移動する。換言すると、被移動流体F1に対して第1ポンプ11及び第2ポンプ12による差圧が直ちに作用するので、被移動流体F1は直ちに移動する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
(第3実施形態)
次に、本発明による被移動流体移動デバイスの第3実施形態について説明する。第3実施形態の被移動流体移動デバイス30は、概念図である図7に示したように、第1ポンプ31、第2ポンプ32及び第3ポンプ33を備えている。第1乃至第3ポンプ31〜33は、作動流体F2をそれぞれ収容していて、第1実施形態の流路13aと同一形状であって基体30a内に収容された流路13bにそれぞれ第1開口〜第3開口を介して接続されている。
Further, when the volume of the
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the moved fluid moving device according to the present invention will be described. The moved fluid moving
流路13bは、流路13aと同様、被移動流体F1と作動流体F2とを収容している。また、流路13bには、互いに電気的に絶縁された2個の電極34a及び電極34bが配設されている。電極34a及び電極34bは、第1開口よりもX軸負側の位置において、流路13bを挟んで対向するように同流路13bに露呈している。
The
第1乃至第3ポンプ31〜33の図示しないそれぞれのアクチュエータは、図示しない電気制御装置に電気的にそれぞれ接続され、第1ポンプ駆動電圧V1、第2ポンプ駆動電圧V2及び第3ポンプ駆動電圧V3がそれぞれ付与されるようになっている。
Actuators (not shown) of the first to
第1ポンプ31は、第1ポンプ駆動電圧V1が与えられていないとき(第1ポンプ駆動電圧V1が0(V)であるとき)のポンプ室(第1ポンプ室)の容積を初期容積と定義するとき、第1ポンプ室の容積が初期容積よりも増大したり減少したりすることができる加減圧可能なポンプである。第3ポンプ33も、第1ポンプ31と同様に、第3ポンプ室の容積が初期容積よりも増大したり減少したりすることができる加減圧可能なポンプである。これに対し、第2ポンプ32は、そのポンプ室の容積が初期容積よりも小さい容積範囲で増減可能であるが、初期容積よりも大きくならないような構造(加圧専用ポンプ)である。なお、第2ポンプ32も、第1ポンプ31及び第3ポンプ33と同様な加減圧可能なポンプであってもよい。
In the
被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1ポンプ31の第1開口と第3ポンプの第3開口までの間の流路13a内に存在するとともに、流路13a内であって第2ポンプの第2開口及び第3ポンプの第3開口に対向する位置には作動流体F2が存在するように構成されている。また、被移動流体F1は、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、一対の電極34a,34bよりもX軸正方向側に位置するように調整されている。
When the moved fluid moving
次に、この被移動流体移動デバイス30の作動について、図8のタイムチャートを参照しながら説明する。この被移動流体移動デバイス30も、第1及び第2実施形態と同様、流路13b内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させた状態を維持しながら、被移動流体の移動を行うようになっている。但し、第2ポンプ32を、流路13b内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させるための専用のポンプとして使用する。
Next, the operation of the moved fluid moving
具体的に述べると、図8の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス30が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置は第1〜第3ポンプ駆動電圧V1〜V3の総べてを0(V)に維持している。
Specifically, as shown at times t0 to t1 in FIG. 8, when the moved fluid moving
そして、時刻t1にて電気制御装置の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの正の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ32のポンプ室容積は時刻t1の直後において初期容積から微小容積ΔCだけ緩やかな第1速度で減少し、時刻t2よりも前の時点にてスタンバイ容積Cstとなる。
When a switch (not shown) of the electric control device is turned on at time t1, the electric control device sets the second pump drive voltage V2 to a positive voltage of the absolute value Vst. As a result, the pump chamber volume of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が第2ポンプ32から流路13b内に緩やかに吐出される。この場合、流路13b内に吐出された作動流体F2は、第1の速度が十分に小さいので被移動流体F1と流路13b(流路13bの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過するとともに、流路13bの圧力上昇吸収部(がたつき)を消滅させるために過不足なく使用される。従って、被移動流体F1は初期位置に停止した状態を維持する。かかる状態をスタンバイ状態と呼ぶ。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently discharged from the
次に、時刻t2にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ31の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第2の速度で容積Cdrだけ減少する。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t2, the electric control device sets the first pump drive voltage V1 to a positive voltage of the absolute value Vdr. As a result, the volume of the
また、電気制御装置20は、時刻t2にて第3ポンプ駆動電圧V3を絶対値Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第3ポンプ33の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第3の速度(第2の速度と等しい速度)で容積Cdrだけ増大する。
In addition, the
この結果、容積Cdr分の作動流体F2が第1ポンプ31から流路13b内に急激に吐出されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が流路13bから第3ポンプ33へと急激に吸引される。この場合、流路13b内に第1ポンプ31から吐出された作動流体F2は、第2の速度が第1の速度よりも十分に大きいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。その結果、第1ポンプ31は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。
As a result, the working fluid F2 for the volume Cdr is suddenly discharged from the
また、作動流体F2が流路13bから第3ポンプ33へと吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。更に、時刻t2においては、流路13bの圧力上昇吸収部(がたつき)は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t2の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始し、その後、電極34aと電極34bとを導通状態とする。
Further, since the working fluid F2 is sucked from the
次に、時刻t3にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1及び第3ポンプ駆動電圧V3を共に0(V)に設定する。但し、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2をVst(V)に維持する。これにより、第1ポンプ31の容積は時刻t3直後において第2の速度で容積Cdrだけ増大し、第3ポンプ33の容積は時刻t3直後において第3の速度(この例では、第2の速度と等しい)で容積Cdrだけ減少する。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the X-axis positive direction at time t3, the electric control device sets both the first pump driving voltage V1 and the third pump driving voltage V3 to 0. Set to (V). However, the electric control device maintains the second pump drive voltage V2 at Vst (V). As a result, the volume of the
この結果、容積Cdrに応じた作動流体F2が流路13bから第1ポンプ31へと急激に吸引されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が第3ポンプ33から流路13bへと急激に吐出される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdr is rapidly sucked from the
この場合、流路13b内に第3ポンプ33から急激に吐出された作動流体F2は、第3の速度が第1の速度よりも十分に大きいので被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。その結果、第3ポンプ33は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。
In this case, the working fluid F2 that is suddenly discharged from the
また、作動流体F2が流路13bから第1ポンプ31へと急激に吸引されるから、この吸引力も被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。更に、時刻t3においても、時刻t1直後における第2ポンプ32から作動流体の緩やかな吐出により、流路13bの圧力上昇吸収部(がたつき)は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、その後、電極34aと電極34bとを非導通状態とする。
Further, since the working fluid F2 is rapidly sucked from the
その後、図8に示した例において、被移動流体移動デバイス30は、時刻t4及びt5にて、それぞれ時刻t2及び時刻t3と同一の作動を行う。そして、時刻t6にて電気制御装置の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)に設定する。その結果、第2ポンプ32のポンプ室容積は時刻t6直後において、第1速度でスタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ増大し初期容積C0となる。このときの第2ポンプ32の容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 8, the moved fluid moving
このように、第3実施形態の被移動流体移動デバイス30によれば、被移動流体F1を移動させるための第1ポンプ31及び第3ポンプ33の駆動に先立ち、第2ポンプ32を緩やかに(第2ポンプ室の容積が第1の速度で減少するように)駆動し、これにより、流路13bに不可避的に存在する流路13b内の圧力上昇を吸収する部分を消滅させ、被移動流体移動デバイス30をスタンバイ状態とする。
Thus, according to the moved fluid moving
従って、第1ポンプ31の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で減少されるとともに第3ポンプ33の容積が第1の速度よりも大きな第3の速度で増大されると、被移動流体F1は直ちにX軸負方向に移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Therefore, if the volume of the
また、第1ポンプ31のポンプ室容積が第2の速度で減少されるとともに第3ポンプ33の容積が第3の速度で増大されると、被移動流体F1は直ちにX軸正方向に移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る被移動流体移動デバイス40について説明する。この被移動流体移動デバイス40は、その収容体の内部に、概略平面図である図9の(A)乃至図9の(C)に示したように、第1実施形態の流路13aと同様な流路13c、第1ポンプ41、第2ポンプ42、連通路13d、電極43a、電極43b及び図示を省略した電気制御装置を備えている。
When the pump chamber volume of the
(Fourth embodiment)
Next, a
第1ポンプ41は、第1ポンプ11と同様のポンプであって、第1ポンプ連通部41aを経由して流路13cのX軸方向略中央部に形成された第1開口と接続されている。第1ポンプ41と第1ポンプ連通部41a内には作動流体F2が収容されている。
The
第2ポンプ42は、第1ポンプ11と同様のポンプであって、第2ポンプ連通部42aを経由して連通路13dのX軸方向略中央部と連通している。第2ポンプ42と第2ポンプ連通部41a内には作動流体F2が収容されている。第2ポンプ連通部42aの流線方向(Y軸方向)に直交した平面(Z−X平面)で第2ポンプ連通部42aを切断した断面の面積(即ち、第2ポンプ42が接続された連通路13dの開口)は、第1ポンプ連通部41aの流線方向(Y軸方向)に直交した平面(Z−X平面)で第1ポンプ連通部41aを切断した断面の面積(即ち、第1開口の面積)より大きくなっている。
The
連通路13dは、流路13cのX軸方向両端部に設けられた一対の第2開口を介して流路13cの両端部間を連通する流体通路である。連通路13dの流路断面積は、流路13cの流路断面積よりも僅かだけ小さくなっている。流路13cのX軸方向略中央部には被移動流体F1が収容され、流路13cの被移動流体F1で満たされていない部分及び連通路13dには作動流体F2が収容されている。流路13cには、電極43aが第1開口とX軸負側の第2開口との間に配置され、電極43bが第1開口とX軸正側の第2開口との間に配置されている。
The
電気制御装置は、電気制御装置20と同様に、第1ポンプ41に第1ポンプ駆動電圧V1を付与するとともに、第2ポンプ42に第2ポンプ駆動電圧V2を付与するようになっている。また、被移動流体移動デバイス40が、第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2が共に0(V)とされる初期状態にあるとき、被移動流体F1は流路13c内の第1開口に対向する位置に存在するとともに、流路13c内の作動流体F2は前記一対の第2開口に対向する位置に存在するように構成されている。
Similar to the
次に、このように形成された被移動流体移動デバイス40の作動について説明する。被移動流体移動デバイス40は、流路13c内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に上昇させた状態を維持しながら、被移動流体F1を第1ポンプ41から吐出(噴射)し、この噴射される作動流体F2により被移動流体F1を切断(分離)することで被移動流体F1の移動を行う。
Next, the operation of the moving
即ち、被移動流体移動デバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置は第1ポンプ41に付与する第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2の何れをも0(V)に維持している。かかる初期状態においては、図9の(A)に示したように、被移動流体F1は第1ポンプ41と連通された第1開口に対向する位置に一つの塊状で存在するとともに、作動流体F2は第2開口に対向する位置に存在している。また、第1ポンプ41のポンプ室の容積及び第2ポンプ42のポンプ室の容積は、それぞれ初期容積C0である。
That is, when the moved fluid moving
そして、時刻t1にて電気制御装置の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの正の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ42のポンプ室容積は時刻t1の直後において初期容積C0から微小容積ΔCだけ緩やかな第1速度で減少し、時刻t2にてスタンバイ容積Cstとなる。
When a switch (not shown) of the electric control device is turned on at time t1, the electric control device sets the second pump drive voltage V2 to a positive voltage of the absolute value Vst. As a result, the pump chamber volume of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が第2ポンプ42から連通路13dを経由して流路13c内に緩やかに吐出される。この場合、流路13c内に吐出された作動流体F2は、第1の速度が十分に小さいので被移動流体F1と流路13c(流路13cの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過するとともに、流路13cの圧力上昇吸収部(がたつき)を消滅させるために過不足なく使用される。従って、被移動流体F1は初期位置に停止した状態を維持する。この場合、電極43a及び電極43bは一つの液塊である被移動流体F1により覆われるので導通状態となる。かかる状態をスタンバイ状態と呼ぶ。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently discharged from the
次に、時刻t2にて被移動流体F1を移動(分離)して電極43a及び電極43bを非導通状態とする必要が生じると、電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ41の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第2の速度で減少する。
Next, when it becomes necessary to move (separate) the fluid F1 to be brought into a non-conductive state at time t2, the electric control device sets the first pump drive voltage V1 to the absolute value Vdr. Set to positive voltage. As a result, the volume of the
また、電気制御装置は、時刻t2にて第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値(Vdr-Vst)の負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ42の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第3の速度(第2の速度と略等しい速度)で増大する。
In addition, the electric control device sets the second pump drive voltage V2 to a negative voltage (Vdr−Vst) at time t2. As a result, the volume of the
この結果、図9の(B)に示したように、作動流体F2が第1ポンプ41から(第1開口から)流路13c内の被移動流体F1に向けて急激に吐出(噴射)される。この時点においては、流路13cの圧力上昇吸収部(がたつき)は消滅している。従って、被移動流体F1は略中央部(第1開口と対向している部分)から遅滞なく切断され始める。更に、第1ポンプ41から流路13c内に噴射された容積と等しい容積の作動流体F2が、一対の第2開口及び連通路13dを介して第2ポンプ42に吸引される。従って、被移動流体F1の切断が一層促進される。このとき、流路13c内の圧力は収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持されたままである。
As a result, as shown in FIG. 9B, the working fluid F2 is rapidly discharged (injected) from the first pump 41 (from the first opening) toward the moved fluid F1 in the
そして、この作動流体F2の噴射及び吸引が継続すると、図9の(C)に示したように、被移動流体F1は二つの液塊へと切断(分離)されて、初期位置から移動される。この結果、電極43aと電極43bとは非導通状態となる。
If the injection and suction of the working fluid F2 are continued, as shown in FIG. 9C, the fluid F1 is cut (separated) into two liquid masses and moved from the initial position. . As a result, the
その後、電気制御装置は、電極43a及び電極43bを導通状態とする必要が生じると、第2ポンプ駆動電圧V2をVstに戻すとともに、第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)に戻す。これにより、第2ポンプ42から作動流体F2が連通路13d及び一対の第2開口を介して流路13c内に流入するとともに、二つの液塊へと切断(分離)されている被移動流体F1の間にある作動流体F2が、第1開口を介して第1ポンプ41に吸引される。この結果、被移動流体F1は一つの液塊となり、被移動流体移動デバイス40は図9の(A)に示した初期状態に復帰する。
Thereafter, when it becomes necessary to make the
以上、説明したように、被移動流体移動デバイス40においては、非圧縮性の作動流体F2が第1ポンプ41の作動により第1開口から流路13c内の被移動流体F1に向けて噴射され、この噴射された作動流体F2により被移動流体F1が切断され、移動する。作動流体F2は非圧縮性であり第1ポンプ41のポンプ室容積が変更されることにより作動流体F2が直ちに噴射され、しかも、この噴射時点で流路13c内の圧力上昇吸収部は消滅していて、被移動流体移動デバイス40はスタンバイ状態にあるから、被移動流体F1及び作動流体F2が移動してしまうことが回避される。この結果、被移動流体移動デバイス10は、極めて応答性良く被移動流体F1を切断して分離・移動させることができる。
As described above, in the moved fluid moving
また、第1ポンプ41のアクチュエータは膜型圧電素子であり、膜型圧電素子は駆動の初期段階(駆動電圧の印加開始直後)から大きな力を発揮するので、セラミックダイヤフラムを例えばマイクロ秒程度で変形させることができる。その結果、被移動流体移動デバイス10は作動流体F2の噴射を時間遅れなく行うことができる。更に、膜型圧電素子によれば、第1ポンプ41の吐出力及び/又は吸引力を極めて大きくすることができる。従って、極めて高い応答性を有する被移動流体移動デバイス40が提供され得る。
Further, the actuator of the
なお、被移動流体移動デバイス40において、第1ポンプ41は第1開口を介して所定の噴射方向(Y軸負方向)に被移動流体F1を噴射するように構成されている。そして、第1開口は、噴射された作動流体F2の流路13cの流線方向(X軸方向)に沿う長さが、同噴射方向に直交する平面内(X−Z平面)において流路13cの流線方向に略直交する方向(Z軸方向)に沿う長さよりも短くなるように構成されていることが有利である。
In the moved fluid moving
これによれば、第1開口から噴射される作動流体F2は楔状(ダム状、又は先鋭な刃物状)となるから、より短時間内に被移動流体F1を切断することができるので、被移動流体移動デバイス40の応答性を向上することができる。
According to this, since the working fluid F2 ejected from the first opening has a wedge shape (a dam shape or a sharp blade shape), the moved fluid F1 can be cut in a shorter time. The responsiveness of the
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本発明で開示している各被移動流体移動デバイスの基本構成を基に、ダイヤフラムを変形させる圧電/電歪材料膜を、反強誘電体材料膜(反強誘電体膜)に置き換えることができる。また、流路一つに対するポンプの数は幾つであってもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, the piezoelectric / electrostrictive material film for deforming the diaphragm is replaced with an antiferroelectric material film (antiferroelectric film) based on the basic configuration of each transferred fluid moving device disclosed in the present invention. Can do. Further, the number of pumps for one flow path may be any number.
また、上記各実施形態においては、初期状態から収容体に不可避的に存在する同流路内の圧力上昇を吸収してしまう部分を実質的に消滅させたスタンバイ状態へと移行するときに、第1ポンプ及び第2ポンプの何れか一方のみのポンプ室の容積が第1の速度で減少せしめられていたが、第1ポンプ及び第2ポンプを共に駆動するとともに、第1ポンプ室の容積と第2ポンプ室の容積との和の容積を第1の速度で減少させるように構成してもよい。 Further, in each of the above embodiments, when shifting from the initial state to the standby state in which the portion that absorbs the pressure increase in the flow passage unavoidably present in the container is substantially eliminated, Although the volume of the pump chamber of only one of the first pump and the second pump has been reduced at the first speed, the first pump chamber and the second pump are both driven, The volume of the sum of the two pump chambers may be reduced at the first speed.
更に、被移動体を移動させるデバイスを構成する前述した収容体は、シリコン基板、ガラス基板、ポリメチルメタレート又はポリカーボネート等のプラスチックの基板、或いはセラミックス基板を積層し、これらを接合することにより作製することができる。接合には、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂が使用され得る。また、シリコン樹脂のガスケットを基板間に挟み込み、基板同士をネジなどにより締結することにより同基板同士を接合することもできる。また、シリコン基板とガラス基板を接合する場合、陽極酸化接合法を用いることもできる。基板材料としてセラミックグリーンシートを用いる場合には、セラミックグリーンシートを積層した後に焼成して一体化することもできる。
03P13US部分開始
さらに、本願において以下の第2の発明が提供される。本第2の発明は、マイクロモーター、マイクロセンサー、マイクロリレー等のマイクロマシン、及び、マイクロエレクトロメカニカルシステム(Micro Electro Mechanical System,MEMS)と呼ばれる微細電気機械部品に適用され得るデバイス、電気経路や光学経路等に利用され得るスイッチングデバイス、並びにシリンダ等の駆動源等として利用され得るデバイスであって、流路内の被移動体を移動するデバイスに関する。
Further, the above-mentioned container constituting the device for moving the object to be moved is manufactured by laminating and bonding a silicon substrate, a glass substrate, a plastic substrate such as polymethyl metalate or polycarbonate, or a ceramic substrate. can do. For bonding, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used. In addition, the substrates can be joined to each other by sandwiching a gasket of silicon resin between the substrates and fastening the substrates together with screws or the like. Further, when the silicon substrate and the glass substrate are bonded, an anodic oxidation bonding method can also be used. When a ceramic green sheet is used as the substrate material, the ceramic green sheets can be laminated and then fired for integration.
03P13US partial start
Furthermore, the following second invention is provided in the present application. The second invention is a device that can be applied to a microelectromechanical component called a micromachine such as a micromotor, a microsensor, a microrelay, or a microelectromechanical system (MEMS), an electrical path, or an optical path. The present invention relates to a switching device that can be used for, for example, a device that can be used as a drive source such as a cylinder and the like, and a device that moves a moving object in a flow path.
近年、半導体製造技術に代表されるような材料の微細加工技術等を利用して、数ミリから数十ミクロンサイズの微細なマイクロモーター、マイクロセンサー、及びマイクロスイッチ等の開発が進められている。それらの要素デバイスは、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロバルブ、フローセンサー、圧力センサー、記録ヘッド、トラッキングサーボ用アクチュエータ、オンチップ生化学分析、マイクロリアクタ、高周波スイッチングデバイス、マイクロ磁気デバイス、マイクロリレー、加速度センサー、ジャイロ、駆動デバイス、ディスプレイ、光スキャナ、等々へ幅広く応用され得る。 In recent years, development of micro-motors, micro-sensors, micro-switches and the like of several millimeters to several tens of microns has been promoted using micro-fabrication technology of materials represented by semiconductor manufacturing technology. These element devices include, for example, inkjet printer heads, microvalves, flow sensors, pressure sensors, recording heads, tracking servo actuators, on-chip biochemical analysis, microreactors, high-frequency switching devices, micromagnetic devices, microrelays, acceleration sensors. , Gyros, driving devices, displays, optical scanners, and so on.
このような要素デバイスの一例として知られるスイッチ装置の一つは、導電性流体(被移動体、被移動流体)と気体(作動流体)とが充填される細長のチャネル(流路)、気体加熱手段を含み前記気体が充填されるチャンバ及びチャンバとチャネルとを連結し前記気体が充填されるサブチャネル(連通路)を有し、前記加熱手段で前記気体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記導電性流体を前記チャネル内で移動させ、これにより前記導電性流体を含む電気パスを開閉するようになっている(例えば、特開2002−260499号公報(第1頁−6頁、図11、図13、図14及び図15)を参照。)。 One of the switch devices known as an example of such an element device is an elongated channel (flow channel) filled with a conductive fluid (movable body, fluid to be moved) and gas (working fluid), gas heating. Means for connecting the chamber filled with the gas and a sub-channel (communication path) filled with the gas, and heating the gas with the heating means to expand the gas. Thus, the conductive fluid is moved in the channel, thereby opening and closing an electric path containing the conductive fluid (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-260499 (page 1-6, FIG. 11, FIG. 13, FIG. 14 and FIG. 15).
しかしながら、上記従来の装置は、圧縮性の気体を加熱手段により加熱して膨張させ、その気体の膨張に伴って上昇する圧力を利用して導電性流体を移動させるようになっているので、加熱手段によって気体の加熱を開始してから導電性流体が移動するまでに長時間を要し、応答性が良好でないという問題がある。 However, the above-described conventional apparatus is configured to heat and expand a compressible gas by a heating means, and to move the conductive fluid using a pressure that rises as the gas expands. There is a problem that it takes a long time from the start of heating of the gas by means until the conductive fluid moves, and the responsiveness is not good.
この問題を解決するには、加熱手段に代わり、例えば、圧電体により容積を変更して作動流体を流路に入出させるポンプを使用することが考えられる。これによれば、ポンプの作動開始時点から被移動流体が移動を開始する時点までの時間が短いので、応答性の高いデバイスが提供され得る。 In order to solve this problem, it is conceivable to use, for example, a pump that changes the volume by a piezoelectric body and allows the working fluid to enter and exit the flow path instead of the heating means. According to this, since the time from the start of operation of the pump to the time when the moved fluid starts moving is short, a highly responsive device can be provided.
ところで、この被移動体を移動させるデバイスを構成する収容体は、シリコン基板、ガラス基板、ポリメチルメタレート又はポリカーボネート等のプラスチックの基板、或いはセラミックス基板を積層し、これらを接合することにより作製することができる。接合には、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂が使用され得る。また、シリコン樹脂のガスケットを基板間に挟み込み、基板同士をネジなどにより締結することにより同基板同士を接合することもできる。更には、シリコン基板とガラス基板を接合する場合、陽極酸化接合法を用いることもできる。基板材料としてセラミックグリーンシートを用いる場合には、セラミックグリーンシートを積層した後に焼成して一体化することもできる。 By the way, the container constituting the device for moving the object to be moved is manufactured by laminating and bonding a silicon substrate, a glass substrate, a plastic substrate such as polymethyl metalate or polycarbonate, or a ceramic substrate. be able to. For bonding, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used. In addition, the substrates can be joined to each other by sandwiching a gasket of silicon resin between the substrates and fastening the substrates together with screws or the like. Furthermore, when bonding a silicon substrate and a glass substrate, an anodic oxidation bonding method can also be used. When a ceramic green sheet is used as the substrate material, the ceramic green sheets can be laminated and then fired for integration.
しかしながら、いかなる方法を用いて収容体を作製した場合であっても、収容体を完全に剛体(リジッド)とはできず、収容体内部の圧力変化を吸収してしまう部分(即ち、圧力変化吸収部、所謂「がたつき(遊び)」)が存在しているので、ポンプの作動開始から作動流体が移動を開始するまでに時間を要し、その結果、被移動体を移動させるデバイスの作動が遅れるという問題がある。 However, even if the container is produced using any method, the container cannot be made completely rigid (ie, rigid) and absorbs the pressure change inside the container (that is, absorbs pressure change). Part, so-called “play (play)”), it takes time from the start of the pump operation until the working fluid starts to move, and as a result, the operation of the device that moves the moving object There is a problem that is delayed.
即ち、例えば、収容体を構成する基板の剛性が低い場合には、ポンプ作動による圧力変化が基板の変形により吸収される。基板の剛性が高い場合でも、基板の接合が樹脂による場合には、ポンプ作動による圧力変化が同樹脂の変形により吸収される。陽極酸化接合法や焼成一体化により収容体を作製した場合、収容体自体の剛性は高い。しかしながら、一般に、被移動流体及び作動流体の充填を収容体の作製後に同流路に設けられた注入口を介して行わなければならず、作動流体充填後に同注入口を紫外線硬化樹脂等により封止しなければならないので、ポンプ作動による圧力変化が同樹脂の変形により吸収される。更には、作動流体の充填時及び注入口の封止時に流路内に気泡が混入することがあり、かかる気泡によりポンプ作動による圧力変化が吸収されることもある。 That is, for example, when the rigidity of the substrate constituting the container is low, the pressure change due to the pump operation is absorbed by the deformation of the substrate. Even when the rigidity of the substrate is high, when the substrate is bonded by a resin, the pressure change due to the pump operation is absorbed by the deformation of the resin. When a container is produced by anodic oxidation bonding or firing integration, the rigidity of the container itself is high. However, in general, the fluid to be moved and the working fluid must be filled through the inlet provided in the flow path after the container is manufactured. After filling the working fluid, the inlet is sealed with an ultraviolet curable resin or the like. Since it must be stopped, the pressure change due to the pump operation is absorbed by the deformation of the resin. Furthermore, bubbles may be mixed in the flow path when the working fluid is filled and the inlet is sealed, and pressure changes due to the pump operation may be absorbed by the bubbles.
従って、本第2の発明の目的は、応答性が極めて良好であって、例えば高周波スイッチ等にも好適に用いられ得る流路内の被移動体を移動させるデバイスを提供することにある。 Accordingly, an object of the second aspect of the invention is to provide a device that moves a moving object in a flow path that has extremely good responsiveness and can be suitably used for, for example, a high-frequency switch.
上記目的を達成するため、本発明の流路内の被移動体を移動するデバイスは、収容体及び電気制御装置を備え、流路内の被移動体を移動するデバイスであって、前記収容体は、密閉された空間である流路を形成する流路形成部と、前記流路に同流路を実質的に二つに分離するように収容される実質的に非圧縮性の被移動体と、前記流路に収容される実質的に非圧縮性の作動流体と、前記流路に設けられた第1開口と連通された第1ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第1ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第1開口を介して同第1ポンプ室内に吸引する第1ポンプと、前記流路に設けられた第2開口と連通された第2ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第2ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第2開口を介して同第2ポンプ室内に吸引する第2ポンプと、を含んでいる。 In order to achieve the above object, a device for moving a moving object in a flow channel according to the present invention comprises a container and an electric control device, and is a device for moving the moving object in a flow channel, wherein the container Includes a flow path forming portion that forms a flow path that is a sealed space, and a substantially incompressible movable body that is accommodated in the flow path so as to be substantially separated into two. And a substantially incompressible working fluid contained in the flow path, and a first pump chamber in communication with a first opening provided in the flow path. A first pump that sucks the working fluid in the flow path into the first pump chamber through the first opening by increasing the volume of the chamber, and a second opening provided in the flow path. Operation within the flow path by including the second pump chamber and increasing the volume of the second pump chamber in response to the drive signal The body contains a second pump which sucks in the second pump chamber through the second opening.
更に、前記電気制御装置は、前記デバイスが初期状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積及び前記第2ポンプ室の容積の和を第1の速度で増大させる駆動信号を発生して前記流路内から前記作動流体を前記第1開口及び/又は前記第2開口を介して緩やかに吸引することにより同デバイスを同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも低い圧力となるスタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに同第2ポンプ室の容積を同第1の速度よりも大きな第2の速度で増大させる駆動信号を発生して同流路内から同作動流体を同第2開口を介して急激に吸引することにより前記被移動体を同流路内にて移動させるように構成されている。 Further, the electric control device generates a drive signal for increasing the sum of the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber at a first speed when the device is in an initial state. By gently sucking the working fluid from the passage through the first opening and / or the second opening, the pressure in the flow path of the device becomes lower than the pressure outside the container. A transition is made to the standby state, and when the device is in the standby state, a drive signal for increasing the volume of the second pump chamber at a second speed larger than the first speed is generated from the same flow path. The moving body is configured to move in the flow path by rapidly sucking the working fluid through the second opening.
この場合、前記被移動体は固体であってもよい。また、前記被移動体は、非圧縮性の流体(即ち、被移動流体)であってもよい。前記被移動体が非圧縮性の被移動流体である場合、前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好であることが好適である。これによれば、被移動流体の流路に対する濡れ性は作動流体の流路に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体は表面積を最小とするように密閉された流路内において流体の塊となって存在する。作動流体は、流路の被移動流体が存在していない部分を満たす。 In this case, the object to be moved may be a solid. Moreover, the said to-be-moved body may be an incompressible fluid (namely, to-be-moved fluid). When the moving body is an incompressible moving fluid, the working fluid is substantially insoluble in the moving fluid and the wettability with respect to the wall surface of the flow path is the same as that of the moving fluid. It is preferable that the wettability with respect to the wall surface of the flow path is better. According to this, the wettability with respect to the flow path of the fluid to be moved is not better than the wettability with respect to the flow path of the working fluid, so that the fluid to be moved is fluid in the closed flow path so as to minimize the surface area. It exists as a lump. The working fluid fills a portion of the flow path where no fluid to be moved exists.
このような被移動体を移動させる上記構成のデバイスにおいては、同デバイスが初期状態にあるとき、第1ポンプ室の容積及び第2ポンプ室の容積の和が第1の速度で増大される。この場合、第1ポンプ室の容積のみ、又は、第2ポンプ室の容積のみが増大されてもよく、第1ポンプ室の容積及び第2ポンプ室の容積が共に増大されてもよい。これにより、前記作動流体が前記第1開口及び/又は前記第2開口を介して前記流路から緩やかに吸引(排出)され、同デバイスが「同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも低下したスタンバイ状態」に移行する。即ち、係る作動流体の穏やかな吸引により、収容体(流路)に不可避的に存在する同流路内の圧力低下を吸収してしまう部分は実質的に消滅する。このときの作動流体の吸引は緩やかであるから、作動流体は被移動体と流路の壁面との間を通過する。従って、被移動体は実質的に移動しない。 In such a device having the above-described configuration for moving the object to be moved, when the device is in the initial state, the sum of the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber is increased at the first speed. In this case, only the volume of the first pump chamber or only the volume of the second pump chamber may be increased, and both the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber may be increased. As a result, the working fluid is gently sucked (exhausted) from the flow path through the first opening and / or the second opening, and the device indicates that “the pressure in the flow path is outside the container. Transition to “standby state where pressure is lower than pressure”. That is, the portion that absorbs the pressure drop in the flow path unavoidably present in the container (flow path) by the gentle suction of the working fluid substantially disappears. Since the suction of the working fluid at this time is gentle, the working fluid passes between the movable body and the wall surface of the flow path. Accordingly, the moving object does not substantially move.
次に、スタンバイ状態にあるとき、第2ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で増大せしめられる。これにより、流路内の作動流体が第2ポンプ室へ第2開口を介して急激に吸引される。このとき、流路内の圧力低下を吸収してしまう部分は実質的に消滅しているから、流路内の圧力は直ちに低下する。従って、被移動体は第2開口に向う方向に直ちに移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 Next, when in the standby state, the volume of the second pump chamber is increased at a second speed greater than the first speed. As a result, the working fluid in the flow path is rapidly sucked into the second pump chamber through the second opening. At this time, since the portion that absorbs the pressure drop in the flow path has substantially disappeared, the pressure in the flow path immediately decreases. Therefore, the moving object immediately starts moving in the direction toward the second opening. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
本発明による被移動体を移動させるデバイスの一つの態様は、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第2開口の間の前記流路内に存在するように構成され、前記第1ポンプは前記第1ポンプ室の容積を減少することにより同第1ポンプ室内の作動流体を前記第1開口を介して前記流路内に吐出することができるポンプであり、前記電気制御装置は、前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記第2ポンプ室の容積を前記第2の速度で増大させる前記駆動信号を発生するとともに、前記流路内の圧力を前記収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持しながら前記第1ポンプ室内の作動流体を前記第1開口を介して同流路内に吐出するように同第1ポンプ室の容積を第3の速度で減少する駆動信号を発生するように構成されている。 One aspect of the device for moving the moving object according to the present invention is that the moving object is present in at least the flow path between the first opening and the second opening when the device is in the standby state. The first pump can discharge the working fluid in the first pump chamber into the flow path through the first opening by reducing the volume of the first pump chamber. And the electric control device generates the drive signal for increasing the volume of the second pump chamber at the second speed when the device is in the standby state, and controls the pressure in the flow path. A third volume of the first pump chamber is set so that the working fluid in the first pump chamber is discharged into the flow path through the first opening while maintaining a pressure lower than the pressure outside the container. At the speed of It is configured to generate a drive signal for small.
これによれば、作動流体が流路から第2ポンプ室へと第2開口を介して急激に吸引されるとともに、作動流体が第1ポンプ室から流路へと第1開口を介して吐出される。従って、第2ポンプへの作動流体の吸引力が被移動体を移動させるように同被移動体に作用するのみでなく、第1ポンプによる作動流体の吐出力も作動流体を介して被移動体に作用する。また、このとき、流路内の圧力は収容体の外部の圧力よりも低い状態に維持されているので、流路内の被移動体及び作動流体があたかも剛体のように移動する。この結果、応答性がより一層向上した被移動体を移動させるデバイスが提供され得る。 According to this, the working fluid is rapidly sucked from the flow path to the second pump chamber through the second opening, and the working fluid is discharged from the first pump chamber to the flow path through the first opening. The Accordingly, not only the suction force of the working fluid to the second pump acts on the moving body so as to move the moving body, but also the discharge force of the working fluid by the first pump is applied to the moving body via the working fluid. Works. At this time, since the pressure in the flow path is maintained lower than the pressure outside the container, the moving body and the working fluid in the flow path move as if they were rigid bodies. As a result, it is possible to provide a device that moves the moving object with further improved responsiveness.
本発明による別の被移動体を移動させるデバイスは、収容体及び電気制御装置を備え、流路内の被移動体を移動するデバイスであって、前記収容体は、密閉された空間である流路を形成する流路形成部と、前記流路に同流路を実質的に二つに分離するように収容される実質的に非圧縮性の被移動体と、前記流路に収容される実質的に非圧縮性の作動流体と、前記流路に設けられた第1開口と連通された第1ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第1ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第1開口を介して同第1ポンプ室内に吸引する第1ポンプと、前記流路に設けられた第2開口と連通された第2ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第2ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第2開口を介して同第2ポンプ室内に吸引する第2ポンプと、前記流路に設けられた第3開口と連通された第3ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第3ポンプ室の容積を減少することにより同第3ポンプ室内の作動流体を同第3開口を介して同流路内に吐出する第3ポンプと、を含むとともに、前記デバイスが初期状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第3開口の間の前記流路内に存在するとともに前記作動流体が前記第2開口に対向する位置に存在するように構成され、前記電気制御装置は、前記デバイスが前記初期状態にあるときに前記第2ポンプ室の容積を第1の速度で増大させる駆動信号を発生して前記流路内から前記作動流体を前記第2開口を介して緩やかに吸引することにより同デバイスを同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも低い圧力となるスタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積を同第1の速度よりも大きな第2の速度で増大させる駆動信号を発生して同流路内から同作動流体を同第1開口を介して急激に吸引するとともに、同流路内の圧力を同収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持しながら同流路に同作動流体を前記第3開口を介して吐出するように前記第3ポンプ室の容積を第3の速度で減少する駆動信号を発生するように構成されている。 Another device for moving a moving object according to the present invention is a device that includes a container and an electric control device, and that moves the moving object in a flow path, wherein the container is a sealed space. A flow path forming portion that forms a path; a substantially incompressible movable body that is accommodated in the flow path so as to be substantially separated into two; and the flow path is accommodated in the flow path. It includes a substantially incompressible working fluid and a first pump chamber communicated with a first opening provided in the flow path to increase the volume of the first pump chamber in response to a drive signal. The drive signal includes a first pump that sucks the working fluid in the flow path into the first pump chamber through the first opening, and a second pump chamber communicated with the second opening provided in the flow path. In response, the volume of the second pump chamber is increased to allow the working fluid in the flow path to pass through the second opening. Including a second pump sucked into the second pump chamber and a third pump chamber communicating with a third opening provided in the flow path, and reducing the volume of the third pump chamber in response to a drive signal And a third pump for discharging the working fluid in the third pump chamber into the flow path through the third opening, and when the device is in an initial state, the movable body is at least the first pump. The electrical control device is configured to exist in the flow path between the first opening and the third opening and the working fluid exists at a position facing the second opening. And generating a drive signal for increasing the volume of the second pump chamber at a first speed to gently suck the working fluid from the flow path through the second opening. The pressure in the flow path Transition to a standby state where the pressure is lower than the pressure outside the body, and when the device is in the standby state, the volume of the first pump chamber is increased at a second speed larger than the first speed. While generating a drive signal and aspirating the working fluid from the flow path through the first opening, while maintaining the pressure in the flow path at a pressure lower than the pressure outside the container A drive signal for reducing the volume of the third pump chamber at a third speed is generated so that the working fluid is discharged into the flow path through the third opening.
これによれば、デバイスが初期状態にあるとき、前記被移動体は少なくとも前記第1開口と前記第3開口の間の前記流路内に存在している。そして、先ず、第2ポンプ室の容積が第1の速度で増大され、作動流体が流路内から第2ポンプ室内へと緩やかに吸引(排出)される。この結果、流路内の圧力は収容体の外部の圧力よりも低下し、被移動体を移動するデバイスは前記スタンバイ状態となる。また、このときの作動流体の吸引は緩やかであるから、作動流体は被移動体と流路の壁面との間を通過するので、被移動体は実質的に移動しない。従って、被移動体は、依然として前記第1開口と前記第3開口の間の前記流路内に存在している。 According to this, when the device is in the initial state, the object to be moved is present in at least the flow path between the first opening and the third opening. First, the volume of the second pump chamber is increased at the first speed, and the working fluid is gently sucked (discharged) from the flow path into the second pump chamber. As a result, the pressure in the flow path is lower than the pressure outside the container, and the device that moves the object to be moved is in the standby state. In addition, since the working fluid is sucked gently at this time, the working fluid passes between the moving body and the wall surface of the flow path, so that the moving body does not substantially move. Accordingly, the moving object still exists in the flow path between the first opening and the third opening.
係るスタンバイ状態において、第1ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で増大されて作動流体が流路から急激に吸引(排出)されるとともに、第3ポンプ室の容積が第1の速度よりも大きな第3の速度で減少されて作動流体が流路へと吐出される。 In such a standby state, the volume of the first pump chamber is increased at a second speed larger than the first speed, and the working fluid is aspirated (discharged) rapidly from the flow path, and the volume of the third pump chamber is increased. The working fluid is discharged to the flow path by being reduced at a third speed larger than the first speed.
この結果、被移動体の第1開口側の作動流体の圧力は低下し、被移動体の第3開口側の作動流体の圧力は上昇する。また、このときの作動流体の吸引及び吐出は急激であるから、作動流体は被移動体と流路の壁面との間を実質的に通過し得ない。従って、被移動体は、第3開口から第1開口の方向へ移動する。更に、このとき、流路内の圧力は収容体の外部の圧力よりも低い状態に維持されている。従って、流路内の被移動体及び作動流体はあたかも剛体のように移動する。この結果、応答性がより一層向上した被移動体を移動させるデバイスが提供され得る。 As a result, the pressure of the working fluid on the first opening side of the moving body decreases, and the pressure of the working fluid on the third opening side of the moving body increases. In addition, since the working fluid is rapidly sucked and discharged at this time, the working fluid cannot substantially pass between the movable body and the wall surface of the flow path. Accordingly, the moving object moves from the third opening toward the first opening. Further, at this time, the pressure in the flow path is maintained in a state lower than the pressure outside the container. Therefore, the movable body and the working fluid in the flow path move as if they were rigid bodies. As a result, it is possible to provide a device that moves the moving object with further improved responsiveness.
この場合においても、前記被移動体は固体であってもよく、非圧縮性の流体(即ち、被移動流体)であってもよい。前記被移動体が非圧縮性の被移動流体である場合、前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好であることが好適である。 Also in this case, the to-be-moved body may be a solid or an incompressible fluid (that is, a to-be-moved fluid). When the moving body is an incompressible moving fluid, the working fluid is substantially insoluble in the moving fluid and the wettability with respect to the wall surface of the flow path is the same as that of the moving fluid. It is preferable that the wettability with respect to the wall surface of the flow path is better.
以下に、本発明による流路内の被移動体を移動するデバイスの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。流路内で移動される被移動体は非圧縮性の固体であってもよく、後述するように流体(被移動流体)であってもよい。被移動体としての固体は、導電性を備えていてもよく、誘電体であってもよい。被移動体が被移動流体である場合、本発明による流路内の被移動体を移動するデバイスは「被移動流体移動デバイス」、又は、単に「駆動デバイス」とも称呼される。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(第1実施形態)
図10は、本発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10の平面図であり、図11は図10の1−1線に沿った平面にて同被移動流体移動デバイス10を切断した断面図である。なお、電気制御装置20は図10において概念的に示され、図11において省略されている。
Embodiments of a device for moving a moving object in a flow path according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The moving object moved in the flow path may be an incompressible solid or a fluid (moving fluid) as described later. The solid as the object to be moved may have conductivity or may be a dielectric. When the moving body is a moving fluid, the device for moving the moving body in the flow path according to the present invention is also referred to as a “moving fluid moving device” or simply a “driving device”. The present invention is not limited to these embodiments, and various changes, modifications, and improvements can be added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
(First embodiment)
10 is a plan view of the moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス10は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状のセラミックスからなる基体10aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12と、電気制御装置20とを備えている。基体10a、第1ポンプ11及び第2ポンプ12は、被移動流体F1及び作動流体F2の収容体を構成している。
The moving
基体10aは、図11に示したように、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)10a1〜10a3をZ軸方向に積層し、これらを焼成又は接着により一体化することにより形成されている。基体10aは、図10及び図11に示したように、その内部に、流路形成部13と第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。
As shown in FIG. 11, the
第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aとアクチュエータ11bとを含んで構成されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート10a3の上面に固定されたセラミックシート11a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)11a2とにより構成されている。第1ポンプ室11aには作動流体F2が収容されている。
The
セラミックシート11a1は、平面視で円形であり、中空円筒状の貫通孔を有している。セラミックダイヤフラム11a2は、平面視でセラミックシート11a1と同じ円形であり、セラミックシート11a1の貫通孔の上面を閉塞するようにセラミックシート11a1の上部に固定されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート11a1の貫通孔を形成する側壁面とセラミックダイヤフラム11a2の下面とにより規定された空間である。
The ceramic sheet 11a1 is circular in a plan view and has a hollow cylindrical through hole. The ceramic diaphragm 11a2 has the same circular shape as the ceramic sheet 11a1 in plan view, and is fixed to the upper part of the ceramic sheet 11a1 so as to close the upper surface of the through hole of the ceramic sheet 11a1. The
アクチュエータ11bは、平面視でセラミックシート11a1の貫通孔と同じ円形を有する薄板体(厚さは、例えば20μm程度である。)であり、セラミックダイヤフラム11a2の上面に固定されている。アクチュエータ11bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であり、その電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム11a2を変形させる。これにより、アクチュエータ11bは、第1ポンプ室11aの容積を増減し、第1ポンプ室11a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプであり、第1ポンプ室11aの容積を初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプでもある。なお、アクチュエータ11bは、電歪膜又は反強誘電体膜とこの膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aと、アクチュエータ11bと同様の膜型圧電素子であるアクチュエータ12bと、を含んでいる。第2ポンプ室12aは、セラミックシート10a3の上面に固定されたセラミックシート12a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)12a2とにより構成されている。第2ポンプ室12aには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様の構成を備えているので詳細な説明を省略する。
The
第2ポンプ12は、アクチュエータ12bの電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム12a2を変形させることにより第2ポンプ室12aの容積を増減し、第2ポンプ室12a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプであり、第2ポンプ室12aの容積を初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプでもある。なお、アクチュエータ12bは、反強誘電体膜と同反強誘電体膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
なお、第1ポンプ11は、流路内の作動流体F2を吸引するとき、被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第1ポンプ11内(及び第1ポンプ連通部14内)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。同様に、第2ポンプ12は、流路内の作動流体F2を吸引するとき、被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第2ポンプ12内(及び第2ポンプ連通部15)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。
In addition, when the
ここで、第1,第2ポンプ11,12についての具体的な寸法を例示すると、中空円筒形の第1,第2ポンプ室11a,12aの底面(上面)の各半径は0.5mm程度であり、各高さは150μm程度である。また、円形薄板状のセラミックダイヤフラム11a2,12a2の各半径は0.5mm程度であり、各厚さ(高さ)は10μm程度である。
Here, exemplifying specific dimensions of the first and
流路形成部13は、流路13aを構成する部分である。流路13aは、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される密閉された空間である。セラミックシートは絶縁体であるから、流路13aの壁面を介して電流が流れることはない。
The flow
流路13aは、直線状の細長の密閉された空間であって、X軸に沿う方向に流線方向(長手方向の軸)を有している。流路13aは、流線方向に直交する平面で(Y−Z平面)で同流路13aを切断した断面(以下、この断面を「流路の縦断面」と云うことがある。)が略正方形状となっている。流路13aは、マイクロチャネルとも呼ばれる。流路13aの流線方向の長さは1mm程度であり、前記縦断面の正方形の一辺(流路の高さ及び幅)は数10μm程度である。
The
流路13a内には被移動流体F1と作動流体F2とが収容され、流路13aはこれらの流体により実質的に満たされている。被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体であり、本例では水銀である。被移動流体F1は、非圧縮性であればよく、磁性材料、ガリウム合金の如き液体金属又は油等であってもよい。被移動流体F1は塊状となって流路13a内に存在する。これにより、被移動流体F1は、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との二つの空間に実質的に分離する。
A fluid F1 and a working fluid F2 are accommodated in the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート、パラフィン系電気絶縁油又はシリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の流路13a壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路13a壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent fluorinate, paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like. As the working fluid F2, a fluid is selected in which the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the
流路13aには、図10に示したように、互いに電気的に絶縁された4個の電極21a,21b,22a,22bが配設されている。電極21a及び電極21bは、基体10aのX軸方向中央部よりもX軸正側の位置であって第1ポンプ連通部14(後述の第1開口)よりもX軸負側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。電極22a及び電極22bは、基体10のX軸方向中央部よりもX軸負側の位置であって第2ポンプ連通部15(後述の第2開口)よりもX軸正側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。
As shown in FIG. 10, four
電極21a,21b,22a,22bは、それぞれ図示しない配線を介して基体10aの外部の図示しない回路に接続されている。電極21aと電極21bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合(即ち、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき)、非導通状態となるように配設されている。また、電極21a及び電極21bは、被移動流体F1がX軸正側に移動せしめられたとき、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
The
同様に、電極22aと電極22bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合、非導通状態となるように配設されている。また、電極22a及び電極22bは、被移動流体F1がX軸負側に移動せしめられたとき、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
Similarly, the
第1ポンプ連通部14は、第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bとを形成する部分である。第1ポンプ連通部14は、セラミックシート10a2に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 1st
第1流路接続部14aは、その一方の端部が流路13aに同流路13aのX軸正方向端部近傍において接続されていて、流路13aに第1開口14a1を形成している。第1ポンプ接続部14bは、第1流路接続部14aの他方の端部と第1ポンプ室11aとを連通している。第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bには作動流体F2が収容されている。
One end of the first flow
第1開口14a1は、正面視において(Y軸方向から見て)流路13aの流線方向(X軸方向)に沿う辺と同流線方向に直交する方向(この場合、Z軸方向)に沿う辺とからなる略正方形状を有している。
The first opening 14a1 is in a direction (in this case, the Z-axis direction) orthogonal to the streamline direction along the streamline direction (X-axis direction) of the
第1流路接続部14aは、平面視で、第1開口14a1(第1流路接続部14aの一方の端部)から流路13aの流線方向(X軸方向)と直交する方向(この場合、Y軸方向)に延びている。第1流路接続部14aは、平面視で第1ポンプ11と流路13aとの間に他方の端部を有している。第1流路接続部14aは、同第1流路接続部14aを同第1流路接続部14aの流線方向(Y軸方向)と直交する平面(X−Z平面)で切断した断面が、前記第1開口14a1と同一の略正方形状となっている。
The first flow
第1ポンプ接続部14bは、平面視で第1流路接続部14aの他方の端部の位置から第1ポンプ室11aの直下までY軸方向に延びている。第1ポンプ接続部14bは、同第1ポンプ接続部14bを第1流路接続部14aの流線方向(Y軸方向)と直交する平面(X−Z平面)で切断した断面が、Z軸方向に沿う辺及びX軸方向に沿う辺からなる長方形状となっている。
The first
第1ポンプ接続部14bのY軸正方向の端部は、平面視で第1ポンプ室11aと同心で同第1ポンプ室11aの半径よりも僅かに小さい半径を有する円弧形(半円形)となっている。第1ポンプ接続部14bは、第1ポンプ室11aの下方において、Z軸方向に延びる中心軸を有する前記セラミックシート10a3の円柱状貫通孔を介して第1ポンプ室11aに接続されている。
The end of the first
第2ポンプ連通部15は第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bとを形成する部分である。第2ポンプ連通部15は、セラミックシート10a2に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 2nd
第2流路接続部15aは、その一方の端部が流路13aに流路13aのX軸負方向端部近傍において接続されていて、流路13aに第2開口15a1を形成している。第2ポンプ接続部15bは、第2流路接続部15aの他方の端部と第2ポンプ室12aとを連通している。第2流路接続部15aと第1ポンプ接続部15bには作動流体F2が収容されている。第2流路接続部15aは、第1流路接続部14aと同一構造を有している。
One end of the second flow
第2ポンプ接続部15bは、第1ポンプ接続部14bと同一構造を有している。また、第2ポンプ接続部15bと第2流路接続部15aとの関係は、第1ポンプ接続部14bと第1流路接続部14aとの関係と同一である。更に、第2ポンプ接続部15bと第2ポンプ室12aとの関係は、第1ポンプ接続部14bと第1ポンプ室11aとの関係と同一である。
The 2nd
電気制御装置20は、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に電気的に接続されていて、同アクチュエータ11bの電極間に駆動電圧(第1ポンプ駆動電圧)V1を付与するとともに、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に電気的に接続されていて、同アクチュエータ12bの電極間に駆動電圧(第2ポンプ駆動電圧)V2を付与するようになっている。
The
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス10の作動について図12及び図13を参照しながら説明する。図12の(A)及び図12の(B)は、被移動流体移動デバイス10の収容体の様子を概念的に示した図である。図12の(A)は初期状態を示し、図12の(B)は作動状態を示している。図13は、上から順に、第1ポンプ室11aの容積、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に付与される第1ポンプ駆動電圧V1、被移動流体F1の流路13a内における位置、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に付与される第2ポンプ駆動電圧V2及び第2ポンプ室12aの容積を示すタイムチャートである。
Next, the operation of the moved fluid moving
先ず、被移動流体移動デバイス10の作動の概略について説明する。図12の(A)に示したように、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に第1ポンプ駆動電圧V1を与えず、且つ、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に第2ポンプ駆動電圧V2を与えていない初期状態においては、被移動流体F1は流路のX軸方向略中央の位置(以下、「初期位置」とも称呼する。)において一つの塊として存在している。
First, an outline of the operation of the moved fluid moving
即ち、被移動流体F1の流路13aの壁面に対する濡れ性が作動流体F2の流路13aの壁面に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体F1は表面積を最小とするように密閉された流路13a内において流体の塊となって存在する。このとき、被移動流体F1は流路13aの角部を除く壁面に実質的に接触し、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との2つの空間に分離する。作動流体F2は、流路の被移動流体F1が存在していない部分を満たしている。
That is, since the wettability of the fluid F1 to the wall surface of the
図10、図11及び図12の(A)から理解されるように、被移動流体移動デバイス10が前記初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1開口14a1と第2開口15a1の間の流路13a内に存在するとともに、流路13a内の第1開口14a1及び第2開口15a1のそれぞれに対向する位置に作動流体F2が存在するように構成されている。
As can be understood from FIGS. 10, 11 and 12A, when the
これに対し、図12(B)に示したように、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に圧電膜の分極方向と反対の極性の電界を付与する絶対値の大きな負の第2ポンプ駆動電圧V2を与えると、アクチュエータ12bがセラミックダイヤフラム12a2を上方に直ちに屈曲変位させる。これにより、第2ポンプ室12aの容積は増大し、第2ポンプ12は作動流体F2を第2ポンプ連通部15(第2開口15a1)を介して流路13aから吸引する。なお、圧電膜の分極方向と反対の極性の電界を付与する場合、分極反転が発生しない範囲内の電圧を付与する必要がある。即ち、圧電膜には、圧電膜の材質に応じて、印加可能な電圧の最大値(最大印加可能電圧)が存在する。従って、上記第2ポンプ駆動電圧V2の絶対値は、上記最大印加可能電圧を越えることのない大きさの電圧となるように設計されている。以下、同様である。
On the other hand, as shown in FIG. 12B, a negative second pump drive having a large absolute value that applies an electric field having a polarity opposite to the polarization direction of the piezoelectric film between the electrodes of the actuator 12b of the
また、このとき、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に圧電膜の分極方向と同じ極性の電界を付与する絶対値の大きな正の第1ポンプ駆動電圧V1を与えると、アクチュエータ11bがセラミックダイヤフラム11a2を下方に直ちに屈曲変位させる。これにより、第1ポンプ室11aの容積は減少し、第1ポンプ11は非圧縮性流体である作動流体F2を第1ポンプ連通部14(第1開口14a1)を介して流路13a内に吐出する。この結果、被移動流体F1はX軸負方向に移動して電極22aと電極22bとに接触し、これらを導通させる。
At this time, if a positive first pump drive voltage V1 having a large absolute value is applied between the electrodes of the actuator 11b of the
この状態(図12の(B)に示した状態)から初期状態に戻すには、第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2を共に0(V)とする(消滅させる)。これにより、第1ポンプ室11aの容積は初期状態に向けて増大するので、第1ポンプ11は作動流体F2を流路13aから吸引する。また、第2ポンプ室12aの容積は初期状態に向けて減少するので、第2ポンプ12は作動流体F2を流路13aに吐出する。この結果、被移動流体F1はX軸正方向に移動して電極22a及び電極22bに非接触となり、これらを非導通にする。
To return from this state (the state shown in FIG. 12B) to the initial state, both the first pump drive voltage V1 and the second pump drive voltage V2 are set to 0 (V) (disappear). Thereby, since the volume of the
また、被移動流体F1をX軸正方向に移動させて電極21aと電極21bとを被移動流体F1により導通状態とするには、第1ポンプ11のアクチュエータ11bの電極間に圧電膜の分極方向と反対の極性の電界を付与する絶対値の大きな負の第1ポンプ駆動電圧V1を与え、第2ポンプ12のアクチュエータ12bの電極間に圧電膜の分極方向と同一の極性の電界を付与する絶対値の大きな正の第2ポンプ駆動電圧V2を与える。
Further, in order to move the moved fluid F1 in the positive direction of the X-axis and bring the
これにより、第1ポンプ室11aの容積は増大するので、第1ポンプ11は作動流体F2を流路13aから吸引する。また、第2ポンプ室12aの容積は減少するので、第2ポンプ12は作動流体F2を流路13aに吐出する。この結果、被移動流体F1はX軸正方向に移動して電極21a及び電極21bに接触し、これらを導通する。この状態において、第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2を共に0(V)とすれば(消滅させれば)、被移動流体F1はX軸負方向に移動して電極21a及び電極21bに非接触となり、これらを非導通する。以上が、被移動流体移動デバイス10の作動の概略である。
Thereby, since the volume of the
次に、被移動流体移動デバイス10の実際の作動について説明する。被移動流体移動デバイス10は、流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に低下させた状態にて被移動流体F1を移動させる。
Next, the actual operation of the moved fluid moving
即ち、図13の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2の何れも0(V)に維持している。このとき、第1ポンプ室11aの容積及び第2ポンプ室12aの容積は、それぞれ初期容積C0である。
That is, as shown at times t0 to t1 in FIG. 13, when the fluid-moving
そして、時刻t1にて電気制御装置20の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置20は第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t1〜t2において初期容積C0から微小容積ΔCだけ増大し、時刻t2にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=ΔC/(t2-t1)を、便宜上、第1の速度と称呼する。
When a switch (not shown) of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が流路13aから第2ポンプ室12aへと第2開口15a1を介して穏やかに吸引される(作動流体F2が流路13aから第2ポンプ12によって排出される。)。この場合、被移動流体F1よりも第2開口15a1側にある作動流体F2は、当然、第2ポンプ室12aへと吸引される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently sucked from the
また、被移動流体F1よりも第1開口14a1側にある作動流体F2は、第1の速度が十分に小さいので、被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過し、第2ポンプ室12aへと吸引される。この結果、被移動流体F1は移動することなく(初期位置に停止した状態を維持し)、流路13a内の更なる減圧に対する流路13aの圧力低下吸収部(がたつき、圧力変化吸収部)は実質的に消滅する。かかる状態を、スタンバイ状態と呼ぶ。
In addition, the working fluid F2 on the first opening 14a1 side with respect to the moved fluid F1 has a sufficiently low first speed, so that the moved fluid F1 and the
次に、時刻t3にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置20は、第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vst+Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t3〜t4において更に容積Cdrだけ増大し、時刻t4にて容積Cmaxとなる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdr/(t4-t3)を、便宜上、第2の速度と称呼する。第2の速度は、第1の速度よりも十分に大きくなるように選択されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t3, the
また、電気制御装置20は、時刻t3にて第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t3〜t4において初期容積C0から容積Cdrだけ減少し、時刻t4にて容積Cminとなる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdr/(t4-t3)を、便宜上、第3の速度と称呼する。本例においては、第3の速度は、上記第2の速度と略等しく、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持されながら作動流体F2が第1ポンプ室11aから流路13aへと第1開口14a1を介して吐出されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdr分の作動流体F2が流路13aから第2ポンプ室12aへと第2開口15a1を介して急激に吸引されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が第1ポンプ室11aから第1開口14a1を介して流路13a内に急激に吐出される。
As a result, the working fluid F2 for the volume Cdr is aspirated rapidly from the
この場合、第2の速度は第1の速度よりも十分に大きいので、被移動流体F1の第1開口14a1側にある作動流体F2は、被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過することができない。その結果、被移動流体F1の第2開口15a1側の作動流体F2の圧力は、被移動流体F1の第1開口14a1側の作動流体F2の圧力より小さくなるので、被移動流体F1は第2開口15a側(即ち、X軸負方向)に移動する。
In this case, since the second speed is sufficiently larger than the first speed, the working fluid F2 on the first opening 14a1 side of the fluid F1 to be moved is separated from the fluid F1 and the
換言すると、第2ポンプ12は作動流体F2を急激に吸引することにより、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与するとともに、第1ポンプ11は作動流体F2を流路13aへ急激に吐出することにより、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与する。更に、時刻t3〜t4においては(実際には時刻t2にて)、流路13aの圧力低下吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始する。
In other words, the
次に、時刻t5にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置20は、第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t5〜t6において容積Cdrだけ減少し、時刻t6にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第2ポンプ駆動電圧V2は、第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)が上記第2の速度となるように設定されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the positive direction of the X-axis at time t5, the
また、電気制御装置20は、時刻t5にて第1ポンプ駆動電圧V1を「0」(V)に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t5〜t6において容積Cminから容積Cdrだけ増大し、時刻t6にて初期容積C0となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)は、上記第3の速度(この場合、第2の速度)であり、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdr分の作動流体F2が流路13aから第1ポンプ室11aへと急激に吸引されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が第2ポンプ室12aから流路13aへと急激に吐出される。この場合、第1ポンプ11は、急激に作動流体F2を吸引することによって、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力を被移動体F1に及ぼし、第2ポンプ12は、作動流体F2を急激に吐出することによって、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力を被移動流体F1に及ぼす。更に、時刻t5〜t6においても、流路13aの圧力低下吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t5の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、時刻t6にて初期位置に復帰する。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdr is rapidly sucked from the
その後、図13に示した例において、被移動流体移動デバイス10は、時刻t7〜t8及び時刻t9〜t10にて、それぞれ時刻t3〜t4及び時刻t5〜t6と同一の作動を行う。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 13, the moved fluid moving
そして、時刻t11にて電気制御装置20の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置20は第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)に設定する。その結果、第2ポンプ室12aの容積は時刻t11〜t12において、スタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ減少し、時刻t12にて初期容積C0となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。以上により、被移動流体移動デバイスは初期状態に復帰する。
When a switch (not shown) of the
このように、被移動流体移動デバイス10によれば、被移動流体F1を流路13a内で移動させるための第1ポンプ11及び第2ポンプ12の駆動に先立ち、第2ポンプ12を緩やかに駆動することにより(容積変化速度が第1の速度となるように駆動することにより)、流路13a内の作動流体F2を緩やかに吸引(流路13aから排出)し、これにより、流路13aに不可避的に存在する流路13a内の圧力低下を吸収する部分を消滅させ、被移動流体移動デバイス10の状態をスタンバイ状態とする。
As described above, according to the moved fluid moving
従って、第2ポンプ室12aの容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で増大されることにより作動流体F2が急激に吸引されると、流路13a内における被移動流体F1の第2開口15a1側の作動流体F2の圧力は直ちに減少して被移動流体F1を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Therefore, when the working fluid F2 is aspirated rapidly by increasing the volume of the
また、第2ポンプ室12aの容積が第2の速度で増大されるとき、第1ポンプ室11aの容積は第2の速度と等しい第3の速度で減少される。従って、第1ポンプ11による作動流体F2の吐出力は、作動流体F2を介して被移動流体F1に直ちに作用し、被移動流体F1は直ちに移動する。換言すると、第1ポンプ11及び第2ポンプ12の作動によって生じる差圧が被移動流体F1に直ちに作用するので、被移動流体F1は直ちに移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Further, when the volume of the
ここで、本発明を採用していない被移動流体移動デバイス(以下、「比較例」と称呼する。)の作動について、図14を参照しながら説明する。比較例の電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2を同時に0(V)から変化させるようになっている。 Here, the operation of the moved fluid moving device (hereinafter referred to as “comparative example”) that does not employ the present invention will be described with reference to FIG. The electric control device of the comparative example changes the first pump drive voltage V1 and the second pump drive voltage V2 from 0 (V) at the same time.
例えば、時刻t0において、電気制御装置は第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)から+Vdr(V)へと変化させ、第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)から−Vdr(V)へと変化させる。この結果、時刻t0〜t1において、第1ポンプ室11aの容積は初期容積C0からC1へと容積Cdrだけ減少し、第2ポンプ室12aの容積は初期容積C0からC2へと容積Cdrだけ増大する。
For example, at time t0, the electric control device changes the first pump drive voltage V1 from 0 (V) to + Vdr (V), and the second pump drive voltage V2 from 0 (V) to -Vdr (V). Change. As a result, at the time t0 to t1, the volume of the
しかしながら、時刻t0直後において、流路13a内の第2開口15a1側に存在する作動流体F2の圧力は、流路13aの圧力低下吸収部の存在により、直ちに低下しないので、被移動流体F1は移動を開始しない。この結果、被移動流体F1は、時刻t0から暫くの間、初期位置に留まることになる。即ち、被移動流体移動デバイスの応答性は良好でない。
However, immediately after time t0, the pressure of the working fluid F2 present on the second opening 15a1 side in the
さらに、被移動流体F1の位置は、時刻t1の直後においてオーバーシュートし、その後、安定するまでに時間を要する。この意味においても、被移動流体移動デバイスの応答性は良好でない。このような状況は、例えば、時刻t2〜t3のように、電気制御装置が第1ポンプ駆動電圧V1を+Vdr(V)から0(V)へと変化させ、第2ポンプ駆動電圧V2を−Vdr(V)から0(V)へと変化させる場合にも生じる。 Furthermore, the position of the fluid F1 to be moved overshoots immediately after the time t1, and then it takes time to stabilize. In this sense, the response of the moved fluid moving device is not good. For example, the electric controller changes the first pump drive voltage V1 from + Vdr (V) to 0 (V) and sets the second pump drive voltage V2 to -Vdr, for example, at times t2 to t3. It also occurs when changing from (V) to 0 (V).
このように、本発明を採用していない比較例と較べ、本発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10(後述するように、他の実施形態の被移動流体移動デバイスも含む。)は、極めて応答性が良好であり、且つ、被移動流体F1の位置制御を確実に行うことができるデバイスとなっていることが理解される。
(第2実施形態)
次に、本発明による被移動流体移動デバイス10の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、電気制御装置20が発生する第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2が第1実施形態のそれらと相違している点のみにおいて第1実施形態と異なる。従って、以下、図15のタイムチャートを参照しながら、係る相違点を中心として説明する。
Thus, compared with the comparative example which does not employ | adopt this invention, the to-be-moved
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the moved fluid moving
第2実施形態の被移動流体移動デバイス10も、第1実施形態と同様、流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に低下させた状態を維持し、その状態において被移動流体の移動を行う。但し、第2ポンプ12の代わりに第1ポンプ11を使用して流路13a内の圧力を収容体の外部の圧力よりも低下させ、デバイス10の状態をスタンバイ状態とする。
Similarly to the first embodiment, the moved fluid moving
具体的に述べると、図15の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1及び第2ポンプ駆動電圧V2の何れをも0(V)に維持している。なお、第1実施形態と同様、第2実施形態の被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1開口14a1と第2開口15a1の間の流路13a内に存在するとともに、流路13a内の第1開口14a1及び第2開口15a1のそれぞれに対向する位置には作動流体F2が存在している。
Specifically, as shown at times t0 to t1 in FIG. 15, when the fluid-moving
そして、時刻t1にて電気制御装置20の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vstの負の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t1〜t2において初期容積C0から微小容積ΔCだけ増大し、時刻t2にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=ΔC/(t2-t1)を、便宜上、第1の速度と称呼する。
When a switch (not shown) of the
この結果、微小容積ΔCに応じた量の作動流体F2が流路13aから第1ポンプ室11aへと緩やかに吸引される。この場合、被移動流体F1よりも第1開口14a1側の流路13a内の作動流体F2が第1ポンプ室11aへと吸引される。同時に、第1の速度が十分に小さいので、被移動流体F1よりも第2開口15a1側の流路13a内の作動流体F2は、被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過して第1ポンプ室11aへと吸引される。この結果、被移動流体F1は移動することなく(初期位置に停止した状態を維持し)、流路13a内の更なる減圧に対する流路13aの圧力変化吸収部(がたつき、圧力低下吸収部)が実質的に消滅する。かかる状態を、スタンバイ状態と呼ぶ。
As a result, an amount of the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently sucked from the
次に、時刻t3にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置20は、第2ポンプ第1ポンプ駆動電圧V1を「0」から絶対値Vst+Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t3〜t4において容積Cdqだけ増大し、時刻t4にて容積C3となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdq/(t4-t3)を、便宜上、第2の速度と称呼する。第2の速度は、第1の速度よりも十分に大きくなるように選択されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t3, the
また、電気制御装置20は、時刻t3にて第1ポンプ駆動電圧V1を値Vst+Vdrだけ増大させ、絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t3〜t4においてスタンバイ容積Cstから容積Cdqだけ減少し、時刻t4にて容積C4となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)=Cdq/(t4-t3)を、便宜上、第3の速度と称呼する。本例でも、第3の速度は、上記第2の速度と略等しく、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持されながら作動流体F2が第1ポンプ室11aから流路13aへと第1開口14a1を介して吐出されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdqに応じた作動流体F2が流路13aから第2ポンプ室12aへと急激に吸引されるとともに、容積Cdqに応じた作動流体F2が第1ポンプ室11aから流路13a内に急激に吐出される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdq is rapidly sucked from the
この場合、第2の速度が第1の速度よりも十分に大きいので、被移動流体F1の第1開口14a1側にある作動流体F2は、被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過することができない。従って、被移動流体F1の第2開口15a1側の作動流体F2の圧力は、被移動流体F1の第1開口14a1側の作動流体F2の圧力より小さくなるので、被移動流体F1は第2開口15a側(即ち、X軸負方向)に移動する。
In this case, since the second speed is sufficiently larger than the first speed, the working fluid F2 on the side of the first opening 14a1 of the moved fluid F1 is separated from the moved fluid F1 and the
換言すると、第2ポンプ12は作動流体F2を急激に吸引することにより、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与するとともに、第1ポンプ11は作動流体F2を流路13aへ急激に吐出することにより、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与する。更に、時刻t3〜t4においては(実際には時刻t2にて)、流路13aの圧力低下吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始する。
In other words, the
次に、時刻t5にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置20は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vstの負の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は時刻t5〜t6において容積Cdqだけ増大し、時刻t6にてスタンバイ容積Cstとなる。このときの第1ポンプ駆動電圧V1は、第1ポンプ室11aの容積の変化速度(の絶対値)が上記第2の速度となるように設定されている。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the X-axis positive direction at time t5, the
また、電気制御装置20は、時刻t5にて第2ポンプ駆動電圧V2を「0」(V)に設定する。これにより、第2ポンプ室12aの容積は時刻t5〜t6において容積C3から容積Cdqだけ減少し、時刻t6にて初期容積C0となる。このときの第2ポンプ室12aの容積の変化速度(の絶対値)は、上記第3の速度(この場合、第2の速度)であり、流路13a内の圧力が収容体の外部の圧力よりも低い圧力に維持されるように選択されている。
In addition, the
この結果、容積Cdqに応じた作動流体F2が、流路13aから第1ポンプ室11aへと急激に吸引されるとともに、第2ポンプ室12aから流路13aへと急激に吐出される。この場合、時刻t3〜t4と同様に、第1ポンプ11は作動流体F2を急激に吸引することにより、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与するとともに、第2ポンプ12は作動流体F2を流路13aへ急激に吐出することにより、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力を被移動流体F1に付与する。更に、時刻t5〜t6においても、流路13aの圧力低下吸収部は消滅している。従って、被移動流体F1は時刻t5の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、時刻t6にて初期位置に復帰する。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdq is rapidly sucked from the
その後、図15に示した例において、被移動流体移動デバイス10は、時刻t7〜t8及び時刻t9〜t10にて、それぞれ時刻t3〜t4及び時刻t5〜t6と同一の作動を行う。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 15, the moved fluid moving
そして、時刻t11にて電気制御装置20の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置20は第1ポンプ駆動電圧V1を0(V)に設定する。その結果、第1ポンプ室11aの容積は時刻t11〜t12において、スタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ減少し、時刻t12にて初期容積C0となる。このときの第1ポンプ室11aの容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。
When a switch (not shown) of the
このように、第2実施形態の被移動流体移動デバイス10は、被移動流体F1を移動させるための第1ポンプ11及び第2ポンプ12の駆動に先立ち、第1ポンプ11を緩やかに駆動することにより(容積変化速度が第1の速度となるように駆動することにより)、流路13a内の作動流体F2を緩やかに排出する。これにより、被移動流体移動デバイス10は、流路13aに不可避的に存在する流路13a内の圧力低下を吸収する部分を消滅させ、スタンバイ状態となる。
As described above, the moved fluid moving
従って、第2ポンプ室12aの容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で増大されることにより作動流体F2が急激に吸引されると、流路13a内における被移動流体F1の第2開口15a1側の作動流体F2の圧力は直ちに減少して被移動流体F1を直ちに移動させる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Therefore, when the working fluid F2 is aspirated rapidly by increasing the volume of the
また、第2ポンプ室12aの容積が第2の速度で増大されるとき、第1ポンプ室11aの容積は第2の速度と等しい第3の速度で減少される。従って、流路13a内における被移動流体F1の第1開口14a1側の作動流体F2の圧力は直ちに上昇して被移動流体F1を直ちに移動させる。換言すると、第1ポンプ11及び第2ポンプ12の作動によって生じる差圧が被移動流体F1に直ちに作用するので、被移動流体F1は直ちに移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
(第3実施形態)
次に、本発明による被移動流体移動デバイスの第3実施形態について説明する。第3実施形態の被移動流体移動デバイス30は、概念図である図16に示したように、第1ポンプ31、第2ポンプ32及び第3ポンプ33を備えている。第1乃至第3ポンプ31〜33は、作動流体F2をそれぞれ収容していて、基体30a内の流路13bにそれぞれ第1開口〜第3開口を介して接続されている。流路13bは、第1実施形態の流路13aと同一形状である。第1開口はX軸負方向端部近傍に設けられている。第2開口はX軸正方向端部近傍に設けられている。第3開口はX軸方向略中央部に設けられている。
Further, when the volume of the
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the moved fluid moving device according to the present invention will be described. The moved fluid moving
流路13bには、被移動流体F1が流路13bを二つに分離するように収容されている。流路13bの被移動流体F1が存在しない部分は、作動流体F2により満たされている。また、流路13bには、互いに電気的に絶縁された2個の電極34a及び電極34bが配設されている。電極34a及び電極34bは、第1開口と第3開口との間の位置において、流路13bを挟んで対向するように同流路13bに露呈している。
In the
第1乃至第3ポンプ31〜33の図示しないそれぞれのアクチュエータは、図示しない電気制御装置に電気的にそれぞれ接続され、第1ポンプ駆動電圧V1、第2ポンプ駆動電圧V2及び第3ポンプ駆動電圧V3がそれぞれ付与されるようになっている。
Actuators (not shown) of the first to
いま、各ポンプに対し、各ポンプに対応する駆動電圧が与えられていないとき(即ち、各駆動電圧が0(V)であって、被移動流体移動デバイス30が初期状態にあるとき)、各ポンプ室は初期容積を維持する。第1ポンプ31は、第1ポンプ室の容積が初期容積よりも増大したり減少したりすることができる加減圧可能なポンプである。第3ポンプ33も、第1ポンプ31と同様に、第3ポンプ室の容積が初期容積よりも増大したり減少したりすることができる加減圧可能なポンプである。これに対し、第2ポンプ32は、そのポンプ室の容積が初期容積よりも大きい容積範囲で増減可能であるが、初期容積よりも小さくならないような構造のポンプ(減圧専用ポンプ)である。なお、第2ポンプ32も、第1ポンプ31及び第3ポンプ33と同様な加減圧可能なポンプであってもよい。
Now, when the drive voltage corresponding to each pump is not given to each pump (that is, when each drive voltage is 0 (V) and the moved fluid moving
被移動流体移動デバイス30が初期状態にあるとき、被移動流体F1は第1ポンプ31の第1開口と第3ポンプの第3開口の間の流路13b内に存在するようになっている。また、被移動流体F1は、被移動流体移動デバイス30が初期状態にあるとき、一対の電極34a,34bよりもX軸正方向側に位置するように調整されている。
When the moved fluid moving
次に、この被移動流体移動デバイス30の作動について、図17のタイムチャートを参照しながら説明する。この被移動流体移動デバイス30も、第1及び第2実施形態と同様、流路13b内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に低下させた状態を維持しながら、被移動流体F1の移動を行うようになっている。但し、第2ポンプ32は、流路13b内の圧力を収容体の外部の圧力よりも常に低下させるための専用のポンプとして使用される。
Next, the operation of the moved fluid moving
具体的に述べると、図17の時刻t0〜t1に示したように、被移動流体移動デバイス30が初期状態にあるとき、電気制御装置は第1〜第3ポンプ第1ポンプ駆動電圧V1〜V3の総べてを0(V)に維持している。
Specifically, as shown at times t0 to t1 in FIG. 17, when the fluid-moving
そして、時刻t1にて電気制御装置の図示しないスイッチが投入されると、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を絶対値Vstの負の電圧に設定する。これにより、第2ポンプ32のポンプ室容積は時刻t1の直後において初期容積から微小容積ΔCだけ緩やかな第1の速度で増大し、時刻t2よりも前の時点にてスタンバイ容積Cstとなる。
When a switch (not shown) of the electric control device is turned on at time t1, the electric control device sets the second pump drive voltage V2 to a negative voltage of the absolute value Vst. As a result, the pump chamber volume of the
この結果、微小容積ΔCに応じた作動流体F2が流路13bから第2ポンプ32へと穏やかに吸引される。この場合、被移動流体F1よりも第2開口側にある作動流体F2は、当然、第2ポンプ32へと吸引される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the minute volume ΔC is gently sucked from the
また、第1の速度が十分に小さいので、被移動流体F1よりも第1開口側にある作動流体F2は、被移動流体F1と流路13b(流路13bの角部)との間に形成されている微小な隙間を通過し、第2ポンプ32へと吸引される。この結果、被移動流体F1は移動することなく(初期位置に停止した状態を維持し)、流路13b内の更なる減圧に対する流路13bの圧力低下吸収部は実質的に消滅する。即ち、デバイス30はスタンバイ状態となる。
Further, since the first speed is sufficiently small, the working fluid F2 located on the first opening side with respect to the moved fluid F1 is formed between the moved fluid F1 and the
次に、時刻t2にて被移動流体F1をX軸負方向へ移動する必要が生じると、電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1を絶対値Vdrの負の電圧に設定する。これにより、第1ポンプ31の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第2の速度で容積Cdrだけ増大する。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 in the negative direction of the X-axis at time t2, the electric control device sets the first pump drive voltage V1 to a negative voltage having an absolute value Vdr. As a result, the volume of the
また、電気制御装置は、時刻t2にて第3ポンプ駆動電圧V3を絶対値Vdrの正の電圧に設定する。これにより、第3ポンプ33の容積は時刻t2直後において第1の速度よりも大きい第3の速度(この場合、第2の速度と等しい速度)で容積Cdrだけ減少する。
In addition, the electric control device sets the third pump drive voltage V3 to a positive voltage having an absolute value Vdr at time t2. As a result, the volume of the
この結果、作動流体F2が流路13bから第1ポンプ31へと吸引される。時刻t2においては、流路13bの圧力低下吸収部は消滅しているから、この吸引力は被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。
As a result, the working fluid F2 is sucked from the
同時に、容積Cdr分の作動流体F2が第3ポンプ33から流路13b内に急激に吐出される。この場合、第3の速度(第2の速度)が第1の速度よりも十分に大きいので、流路13b内に吐出された作動流体F2は、被移動流体F1と流路13a(流路13aの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。その結果、第3ポンプ33は、急激に吐出された作動流体F2を介して、被移動流体F1をX軸負方向へ移動させる力(押圧力)を被移動流体F1に付与する。従って、被移動流体F1は時刻t2の直後からX軸負方向に直ちに移動を開始し、その後、電極34a及び電極34bに接触してこれらの電極を導通状態とする。
At the same time, the working fluid F2 for the volume Cdr is rapidly discharged from the
次に、時刻t3にて被移動流体F1を初期位置に向けてX軸正方向に移動させる必要が生じると、電気制御装置は、第1ポンプ駆動電圧V1及び第3ポンプ駆動電圧V3を共に0(V)に設定する。但し、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を-Vst(V)に維持する。これにより、第1ポンプ31の容積は時刻t3直後において第2の速度で容積Cdrだけ減少し、第3ポンプ33の容積は時刻t3直後において第3の速度(この例では、第2の速度と等しい)で容積Cdrだけ増大する。
Next, when it becomes necessary to move the moved fluid F1 toward the initial position in the X-axis positive direction at time t3, the electric control device sets both the first pump driving voltage V1 and the third pump driving voltage V3 to 0. Set to (V). However, the electric control device maintains the second pump drive voltage V2 at -Vst (V). As a result, the volume of the
この結果、容積Cdrに応じた作動流体F2が流路13bから第3ポンプ33へと急激に吸引されるとともに、容積Cdr分の作動流体F2が第1ポンプ31から流路13bへと急激に吐出される。
As a result, the working fluid F2 corresponding to the volume Cdr is rapidly sucked from the
この場合、第3ポンプ33による作動流体F2を急激に吸引する力は、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。更に、時刻t3においても、時刻t1直後における第2ポンプ32への作動流体の緩やかな吸引により、流路13bの圧力低下吸収部は消滅している。
In this case, the force that rapidly sucks the working fluid F2 by the
また、第3の速度(第2の速度)は第1の速度よりも十分に大きいので、被移動流体F1よりも第1開口側の作動流体F2は、被移動流体F1と流路13b(流路13bの角部)との間に形成されている微小な隙間を殆ど通過しない。従って、第1ポンプ31による作動流体F2を流路13bに急激に吐出する力は、被移動流体F1をX軸正方向へ移動させる力として被移動流体F1に直接作用する。この結果、被移動流体F1は時刻t3の直後からX軸正方向に直ちに移動を開始し、その後、電極34aと電極34bとを非導通状態とする。
Further, since the third speed (second speed) is sufficiently larger than the first speed, the working fluid F2 closer to the first opening than the moved fluid F1 is separated from the moved fluid F1 and the
その後、図17に示した例において、被移動流体移動デバイス30は、時刻t4及びt5にて、それぞれ時刻t2及び時刻t3と同一の作動を行う。そして、時刻t6にて電気制御装置の図示しないスイッチが遮断されると、電気制御装置は第2ポンプ駆動電圧V2を0(V)に設定する。その結果、第2ポンプ32のポンプ室容積は時刻t6直後において、第1の速度でスタンバイ容積Cstから微小容積ΔCだけ減少し初期容積C0となる。このときの第2ポンプ32の容積の変化速度は第1の速度である。従って、この場合、被移動流体F1は移動しない。
Thereafter, in the example illustrated in FIG. 17, the moved fluid moving
このように、第3実施形態の被移動流体移動デバイス30によれば、被移動流体F1を移動させるための第1ポンプ31及び第3ポンプ33の駆動に先立ち、第2ポンプ32を緩やかに(第2ポンプ室の容積が第1の速度で増大するように)駆動し、これにより、流路13bに不可避的に存在する流路13b内の圧力低下を吸収する部分を消滅させ、被移動流体移動デバイス30をスタンバイ状態とする。
Thus, according to the moved fluid moving
従って、第1ポンプ31のポンプ室容積が第1の速度よりも大きな第2の速度で増大されるとともに、第3ポンプ33のポンプ室容積が第1の速度よりも大きな第3の速度で減少されると、被移動流体F1は直ちにX軸負方向に移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。
Accordingly, the pump chamber volume of the
また、第3ポンプ33のポンプ室容積が第2の速度で増大されるとともに、第1ポンプ31のポンプ室容積が第3の速度で減少されると、被移動流体F1は直ちにX軸正方向に移動を開始する。このように、被移動流体移動デバイス30は、応答性が極めて良好なデバイスとなっている。
Further, when the pump chamber volume of the
以上、説明したように、本発明の各実施形態の被移動流体移動デバイスは、何れかのポンプの容積を第1の速度で増大せしめ、作動流体F2を流路内から緩やかに排出する。これにより、被移動流体F1を移動させることなしに、流路内の圧力を収容体の外部の圧力よりも低下させ、収容体(流路)に不可避的に存在する同流路内の圧力低下を吸収してしまう部分を実質的に消滅させる。その後、何れかのポンプの容積を第1速度よりも大きい第2速度で増大せしめて作動流体F2を流路内から急激に排出し、これにより被移動流体F1を移動させる。このとき、流路内の圧力低下を吸収してしまう部分は実質的に消滅しているから、被移動流体F1は直ちに移動を開始する。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 As described above, the moved fluid moving device of each embodiment of the present invention increases the volume of any pump at the first speed, and gently discharges the working fluid F2 from the flow path. As a result, the pressure in the flow path is inevitably present in the container (flow path) by reducing the pressure in the flow path from the pressure outside the container without moving the fluid F1 to be moved. The part which absorbs is substantially eliminated. Thereafter, the volume of any pump is increased at a second speed larger than the first speed, and the working fluid F2 is suddenly discharged from the flow path, thereby moving the moved fluid F1. At this time, since the portion that absorbs the pressure drop in the flow path has substantially disappeared, the moved fluid F1 immediately starts moving. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
また、これらの被移動流体移動デバイスは、液体を加熱して気化することに伴う体積膨張を利用して被移動流体を移動させるデバイスとは異なり、ポンプ室の容積を変更して非圧縮性の作動流体F2を吸引及び吐出することにより被移動流体F1を移動せしめるデバイスである。即ち、この被移動流体移動デバイスは、作動流体F2を気化する必要がないので、沸点の高い液体を作動流体F2として使用することができる。その結果、本発明による被移動流体移動デバイスにおいては、豊富な種類の流体の中から適切な流体を作動流体F2として選択することができる。 Further, these moved fluid moving devices are different from the devices that move the moved fluid by utilizing the volume expansion accompanied by heating and vaporizing the liquid. It is a device that moves the fluid F1 to be moved by sucking and discharging the working fluid F2. That is, since this moved fluid moving device does not need to vaporize the working fluid F2, a liquid having a high boiling point can be used as the working fluid F2. As a result, in the moved fluid moving device according to the present invention, an appropriate fluid can be selected as the working fluid F2 from among a wide variety of fluids.
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本発明で開示している各被移動流体移動デバイスの基本構成を基に、ダイヤフラムを変形させる圧電/電歪材料膜を、反強誘電体材料膜(反強誘電体膜)に置き換えることができる。また、流路一つに対するポンプの数は幾つであってもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, the piezoelectric / electrostrictive material film for deforming the diaphragm is replaced with an antiferroelectric material film (antiferroelectric film) based on the basic configuration of each transferred fluid moving device disclosed in the present invention. Can do. Further, the number of pumps for one flow path may be any number.
また、上記各実施形態においては、初期状態から収容体に不可避的に存在する同流路内の圧力低下を吸収してしまう部分を実質的に消滅させたスタンバイ状態へと移行するときに、何れか一つのポンプ室の容積のみが第1の速度で増大せしめられていたが、例えば、第1ポンプ及び第2ポンプを共に駆動するとともに、第1ポンプ室の容積と第2ポンプ室の容積との和の容積を第1の速度で増大させるように構成してもよい。 Further, in each of the above embodiments, when shifting from the initial state to the standby state in which the portion that absorbs the pressure drop in the flow passage unavoidably present in the container is substantially extinguished, Only the volume of one pump chamber has been increased at the first speed. For example, the first pump chamber and the second pump chamber are driven together, and the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber are The sum volume may be increased at the first speed.
更に、被移動体を移動させるデバイスを構成する前述した収容体は、シリコン基板、ガラス基板、ポリメチルメタレート又はポリカーボネート等のプラスチックの基板、或いはセラミックス基板を積層し、これらを接合することにより作製することができる。接合には、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂が使用され得る。また、シリコン樹脂のガスケットを基板間に挟み込み、基板同士をネジなどにより締結することにより同基板同士を接合することもできる。また、シリコン基板とガラス基板を接合する場合、陽極酸化接合法を用いることもできる。基板材料としてセラミックグリーンシートを用いる場合には、セラミックグリーンシートを積層した後に焼成して一体化することもできる。 Further, the above-mentioned container constituting the device for moving the object to be moved is manufactured by laminating and bonding a silicon substrate, a glass substrate, a plastic substrate such as polymethyl metalate or polycarbonate, or a ceramic substrate. can do. For bonding, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used. In addition, the substrates can be joined to each other by sandwiching a gasket of silicon resin between the substrates and fastening the substrates together with screws or the like. Further, when the silicon substrate and the glass substrate are bonded, an anodic oxidation bonding method can also be used. When a ceramic green sheet is used as the substrate material, the ceramic green sheets can be laminated and then fired for integration.
また、上記被移動体を移動させるデバイス(被移動流体移動デバイス)は、SOI(Silicon On Insulator)ウエハーを使用して形成することができる。より具体的に述べると、断面構造のみを示した図18から理解されるように、SOIウエハーを使用した被移動流体移動デバイス40は、支持基板41と、支持基板41の上に積層された絶縁層42と、絶縁層42の上に積層されたSOI層43と、SOI層43の上に接合された蓋体44を備える。なお、デバイス40は、第1実施形態と同様、第1ポンプ及び第2ポンプを有している。第1ポンプ及び第2ポンプは、図18において省略されている。
The device for moving the object to be moved (moved fluid moving device) can be formed using an SOI (Silicon On Insulator) wafer. More specifically, as can be understood from FIG. 18 showing only the cross-sectional structure, the
支持基板41は、絶縁層42及びSOI層43に比べ、その膜厚が非常に大きい。SOI層43は、膜厚が小さい単結晶シリコン層である。蓋体44は、パイレックス(登録商標)ガラスからなり、陽極接合方法を用いてSOI層43の上面に接合される。被移動流体移動デバイス40の流路43aは、SOI層43に形成された溝と蓋体44の下面とにより形成される。
The
従来、バルクのシリコン基板上にトランジスタ等を含んでなる高周波スイッチ回路を形成すると、このトランジスタ等を形成した部分以外のシリコン基板に浮遊容量が形成されてしまう。係る浮遊容量は、高周波信号回路に種々の影響を及ぼす。これに対し、図18に示したSOIウエハーにおいては、スイッチ回路を形成するSOI層43の下に絶縁層42が存在するので、SOI層43は支持基板41に形成される浮遊容量の影響を受けないという利点がある。
Conventionally, when a high-frequency switch circuit including a transistor or the like is formed on a bulk silicon substrate, stray capacitance is formed on a silicon substrate other than the portion where the transistor or the like is formed. Such stray capacitance has various effects on the high-frequency signal circuit. On the other hand, in the SOI wafer shown in FIG. 18, since the insulating
更に、SOI層43の表面にマスクを形成するとともに同マスクを用いてエッチングを施すことにより、上述した流路43aを構成する溝を同SOI層43に形成することもできる。この場合、絶縁層42がエッチングに対するエッチストップとなるので、SOI層43の膜厚に等しい均一な深さを有する流路43aを形成することがきる。従来、深さが均一な微細流路を形成することは困難であったが、このようにSOIウエハーをエッチングすることにより、深さが均一な流路を簡単に製造することができる。
Furthermore, a groove forming the above-described
なお、蓋体44は、シリコン、石英ガラス、或いはプラスチックから構成することもできる。これらの材質から構成される蓋体44は、例えば、接着剤によりSOI層43の上面に接合される。
The
また、基体は、上述した浮遊容量を発生させないという点から考えると、誘電率が小さい材料から形成されることも好適である。特に、フッ素樹脂は、誘電率が小さいことに加え、成形性に優れていて量産に適するので、基体の材料として好適である。この例として、テフロン(登録商標)、または、旭硝子株式会社製のフルオンPFA(四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体)を挙げることができる。フルオンPFAの中のP−66Pは、10MHzの周波数を有する信号に対する誘電率が2.1より小さいので、同信号に対する誘電率が12であるシリコン、9.5であるアルミナ、或いは、3.5である石英に比べて高周波特性が良好である。 In view of the fact that the above-described stray capacitance is not generated, it is also preferable that the substrate is made of a material having a low dielectric constant. In particular, a fluororesin is suitable as a base material because it has a small dielectric constant and is excellent in moldability and suitable for mass production. Examples thereof include Teflon (registered trademark) or full-on PFA (a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroalkoxyethylene) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. Since P-66P in the full-on PFA has a dielectric constant of less than 2.1 for a signal having a frequency of 10 MHz, silicon having a dielectric constant of 12 for the signal, alumina having a 9.5, or 3.5 High frequency characteristics are better than quartz.
さらに、本願において以下の第3の発明が提供される。本第3の発明は、マイクロモーター、マイクロセンサー及びマイクロリレー等のマイクロマシンやマイクロエレクトロメカニカルシステム(Micro Electro Mechanical System,MEMS)と呼ばれる微細電気機械部品に適用され得るデバイス、電気経路や光学経路等に利用され得るスイッチングデバイス、並びにシリンダ等の駆動源等として利用され得るデバイスであって、流路内の被移動体を移動するデバイスに関する。 Furthermore, the following third invention is provided in the present application. The third invention is applied to devices, electrical paths, optical paths, and the like that can be applied to micromachines such as micromotors, microsensors, and microrelays, and microelectromechanical systems called microelectromechanical systems (MEMS). The present invention relates to a switching device that can be used, and a device that can be used as a drive source such as a cylinder, etc., and that moves a moving object in a flow path.
近年、半導体製造技術に代表されるような材料の微細加工技術等を利用して、数ミリから数十ミクロンサイズの微細なマイクロモーター、マイクロセンサー及びマイクロスイッチ等の開発が進められている。それらの要素デバイスは、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロバルブ、フローセンサー、圧力センサー、記録ヘッド、トラッキングサーボ用アクチュエータ、オンチップ生化学分析、マイクロリアクタ、高周波スイッチングデバイス、マイクロ磁気デバイス、マイクロリレー、加速度センサー、ジャイロ、駆動デバイス、ディスプレイ、光スキャナ、等々へ幅広く応用され得る。 In recent years, micro-motors, micro-sensors, micro-switches, and the like having a size of several millimeters to several tens of microns have been developed using a microfabrication technique for materials such as semiconductor manufacturing techniques. These element devices include, for example, inkjet printer heads, microvalves, flow sensors, pressure sensors, recording heads, tracking servo actuators, on-chip biochemical analysis, microreactors, high-frequency switching devices, micromagnetic devices, microrelays, acceleration sensors. , Gyros, driving devices, displays, optical scanners, and so on.
これらのデバイスのうち、例えば、日本国特許公開昭和47−21645号公報(第2頁、第2図及び第3図)に開示されたスイッチングデバイスは、流路内において被移動体としての水銀を移動させ、この水銀により流路壁に設けられた複数の電極の導通状態を切り替えるようになっている。
Among these devices, for example, the switching device disclosed in Japanese Patent Publication Showa 47-21645 (
この開示されたデバイスは、水銀と電極との状態を接触状態から非接触状態へと変更したり、逆に非接触状態から接触状態に変更することによりスイッチング動作を行うようになっている。このデバイスの場合、水銀と電極とが接触状態にあるときの両者間の電気的抵抗値が小さいほど、スイッチにおける電気的損失は小さくなる。水銀と電極の間の電気的抵抗値を小さくするには、電極を水銀との濡れ性が良好となる材質により形成すれば良い。 This disclosed device performs a switching operation by changing the state of mercury and electrodes from a contact state to a non-contact state, or conversely, changing from a non-contact state to a contact state. In this device, the smaller the electrical resistance between the mercury and the electrode in contact, the smaller the electrical loss in the switch. In order to reduce the electrical resistance value between mercury and the electrode, the electrode may be formed of a material that has good wettability with mercury.
ところが、電極と水銀との濡れ性が良好であると、両者間の状態を接触状態から非接触状態へと移行することが困難となる。その結果、スイッチングの応答性が悪化したり、水銀を移動するために必要なアクチュエータの発生力を大きくする必要が生じる。このような問題は、電極を持たないデバイスや、水銀が電極を常に覆いながら移動するデバイス等にも不可避的に存在する。即ち、一般に流路内にて被移動体を移動させるデバイスにおいては、被移動体が流路の壁面から摩擦力を受けるため、被移動体を高速で移動させ難いという問題がある。 However, if the wettability between the electrode and mercury is good, it becomes difficult to shift the state between the two from the contact state to the non-contact state. As a result, the responsiveness of switching deteriorates, and it is necessary to increase the generated force of the actuator necessary for moving mercury. Such a problem inevitably exists in a device that does not have an electrode or a device in which mercury moves while always covering the electrode. That is, in general, a device that moves a moving object in a flow path has a problem that it is difficult to move the moving object at a high speed because the moving object receives a frictional force from the wall surface of the flow path.
第3の発明は、上述した問題に対処するためになされたものであって、流路内の被移動体を高速で移動させ得るデバイスを提供することにある。第3の発明によるデバイスは、例えば、高速スイッチング動作が必要なスイッチ(スイッチングデバイス)等に特に好適に用いられ得る。 The third invention is made to cope with the above-described problem, and provides a device that can move a moving object in a flow path at a high speed. The device according to the third aspect of the invention can be particularly suitably used for a switch (switching device) that requires high-speed switching operation, for example.
上記目的を達成するため、第3の発明の流路内の被移動体を移動するデバイスは、流路を形成する流路形成部と、実質的に非圧縮性であって前記流路に同流路を実質的に少なくとも二つに分離するように収容される被移動体と、前記流路の前記被移動体が存在している部分以外の部分に収容される実質的に非圧縮性である作動流体と、前記被移動体を前記流路内において振動させながら移動させるアクチュエータとを備えている。 In order to achieve the above object, a device for moving a moving object in a flow path according to a third aspect of the present invention includes a flow path forming portion that forms a flow path and a substantially non-compressible and the same flow path. A movable body that is accommodated so as to substantially separate the flow path into at least two parts, and a substantially incompressible form that is accommodated in a portion of the flow path other than the portion where the movable body is present. A working fluid and an actuator that moves the moving object while vibrating in the flow path are provided.
これによれば、被移動体は流路内で振動しながら移動する。被移動体が振動することにより、被移動体が移動する際の動摩擦抵抗は小さくなり、被移動体の移動速度を増大することができる。従って、例えば、このデバイスを、被移動体により開閉する電極を備えたスイッチとして使用すれば、高速スイッチングが可能なスイッチングデバイスが提供される。 According to this, a to-be-moved body moves, vibrating in a flow path. When the moving body vibrates, the dynamic frictional resistance when the moving body moves decreases, and the moving speed of the moving body can be increased. Therefore, for example, if this device is used as a switch having an electrode that is opened and closed by a moving object, a switching device capable of high-speed switching is provided.
この場合、前記アクチュエータは、前記作動流体を前記流路に吐出し及び同作動流体を同流路から吸引するポンプであってよい。また、そのポンプは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形して同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体の吐出及び吸引を行うポンプであってよい。 In this case, the actuator may be a pump that discharges the working fluid into the flow path and sucks the working fluid from the flow path. The pump includes a pump chamber having a ceramic diaphragm as one wall and a membrane type piezoelectric element, and deforms the ceramic diaphragm by the membrane type piezoelectric element to change the volume of the pump chamber. It may be a pump that discharges and sucks the working fluid.
このような膜型圧電素子とセラミックスダイヤフラムを用いたポンプによれば、所望のタイミングにて遅滞なく作動流体の吐出及び吸引を行うことができるので、その作動流体の吐出又は吸引によって所望のタイミングにて被移動体を移動させることができる。また、高速で作動流体を流路に対して入出できるので、被移動体を所望の周波数で振動させたり、或いは、被移動体と流路の壁面との間に被移動体が流路の壁面から受ける摩擦力を低減するために好適な膜を容易に形成することができる。 According to the pump using such a film-type piezoelectric element and a ceramic diaphragm, the working fluid can be discharged and sucked without delay at a desired timing, so that the working fluid can be discharged or sucked at a desired timing. To move the object to be moved. In addition, since the working fluid can enter and exit the flow path at high speed, the movable body can be vibrated at a desired frequency, or the movable body can be placed between the wall of the flow path and the wall surface of the flow path. A suitable film can be easily formed to reduce the frictional force received from the film.
更に、このようなデバイスが、前記膜型圧電素子に接続された電気制御装置を含み、前記膜型圧電素子は前記電気制御装置からの駆動電圧信号に応答して前記ポンプ室の容積を変更するように構成され、前記電気制御装置は第1の速度で増大又は減少する電圧信号に同第1の速度の絶対値よりも大きい第2の速度で増大及び減少を連続的に繰り返す電圧信号を重畳させた電圧信号を前記駆動電圧信号として発生するように構成されることが好適である。 Further, such a device includes an electric control device connected to the film type piezoelectric element, and the film type piezoelectric element changes the volume of the pump chamber in response to a drive voltage signal from the electric control device. The electric control device superimposes a voltage signal that repeatedly increases and decreases at a second speed larger than the absolute value of the first speed on the voltage signal that increases or decreases at the first speed. It is preferable that the generated voltage signal is generated as the drive voltage signal.
この場合、第1の速度及び第2の速度は、それぞれ一定であってもよく、変化する速度であってもよい。換言すると、第1の速度は、電圧信号の一回の増大又は減少における同電圧信号の平均的な変化速度である。第2の速度は、繰り返し増減される電圧信号の一回分の増大又は減少における同電圧信号の平均的な変化速度である。 In this case, the first speed and the second speed may be constant or may be a changing speed. In other words, the first rate is the average rate of change of the voltage signal in a single increase or decrease of the voltage signal. The second speed is an average rate of change of the voltage signal in a single increase or decrease of the voltage signal that is repeatedly increased or decreased.
これによれば、作動流体は第1の速度に応じた流量で流路内に吐出又は流路内から吸引され、その作動流体の吐出又は吸引によって被移動体が移動する。同時に、第1の速度の絶対値よりも大きい第2の速度に応じた流量での流路内への作動流体の吐出及びこの吐出に引き続く流路内からの作動流体の吸引が繰り返される。即ち、作動流体は流路に対して高速で繰り返し入出する。 According to this, the working fluid is discharged into the flow path or sucked from the flow path at a flow rate corresponding to the first speed, and the movable body is moved by the discharge or suction of the working fluid. At the same time, the discharge of the working fluid into the flow path at a flow rate corresponding to the second speed larger than the absolute value of the first speed and the suction of the working fluid from the flow path following the discharge are repeated. That is, the working fluid repeatedly enters and exits the flow path at a high speed.
従って、推定ではあるが、この作動流体の流路への入出により被移動体が振動するとともに、作動流体が被移動体と流路の壁面との僅かな隙に入出し、被移動体と流路の壁面との間に膜を形成する。この膜は、凹凸のある流路の壁面を実質的に滑らかにする。この結果、被移動体は、滑らかな膜上をすべりながら移動するので、被移動体が流路壁面から受ける摩擦力は減少する。従って、被移動体は高速で移動することができる。 Therefore, although it is estimated, the moving body vibrates due to the entry and exit of the working fluid into the flow path, and the working fluid enters and exits a slight gap between the moving body and the wall surface of the flow path. A film is formed between the walls of the road. This membrane makes the walls of the uneven channel substantially smooth. As a result, the moving body moves while sliding on a smooth film, and therefore, the frictional force that the moving body receives from the flow path wall surface decreases. Therefore, the moving object can move at high speed.
一方、前記アクチュエータは、前記被移動体を前記流路内で移動させるための被移動体移動用アクチュエータと、前記作動流体の前記流路への吐出及び同作動流体の同流路からの吸引を連続的に繰り返す振動用ポンプと、を含んでいてもよい。 On the other hand, the actuator includes an actuator for moving the moving body in the flow path, and discharging the working fluid to the flow path and sucking the working fluid from the flow path. And a vibration pump that repeats continuously.
この場合、前記被移動体移動用アクチュエータは、前記作動流体を前記流路に対して吐出又は同作動流体を同流路から吸引する被移動体移動用ポンプであってもよい。更に、その被移動体移動用ポンプは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形して同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体の吐出又は吸引を行うポンプであってよい。このような膜型圧電素子とセラミックスダイヤフラムを用いたポンプによれば、所望のタイミングにて遅滞なく作動流体の吐出又は吸引を行うことができるので、所望のタイミングにて被移動体を移動させることができる。 In this case, the moving body moving actuator may be a moving body moving pump that discharges the working fluid to the flow path or sucks the working fluid from the flow path. Further, the moving object moving pump includes a pump chamber provided with a ceramic diaphragm as a wall and a membrane type piezoelectric element, and the ceramic diaphragm is deformed by the membrane type piezoelectric element to increase the volume of the pump chamber. It may be a pump that discharges or sucks the working fluid by changing. According to such a pump using a film-type piezoelectric element and a ceramic diaphragm, the working fluid can be discharged or sucked without delay at a desired timing, so that the movable body can be moved at the desired timing. Can do.
また、前記振動用ポンプは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形することにより同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体の吐出及び吸引を行うポンプであってよい。このような膜型圧電素子とセラミックスダイヤフラムを用いたポンプによれば、高速で作動流体を流路に対して入出できるので、被移動体を所望の周波数で振動させたり、或いは、被移動体と流路の壁面との間に被移動体が流路の壁面からうける摩擦力を低減するのに好適な膜を容易に形成することができる。 The vibration pump includes a pump chamber having a ceramic diaphragm as a wall and a membrane type piezoelectric element, and the volume of the pump chamber is changed by deforming the ceramic diaphragm by the membrane type piezoelectric element. Accordingly, it may be a pump that discharges and sucks the working fluid. According to such a pump using a film-type piezoelectric element and a ceramic diaphragm, the working fluid can enter and exit the flow path at a high speed, so that the moving object can be vibrated at a desired frequency or It is possible to easily form a film suitable for reducing the frictional force that the moving object receives from the wall surface of the flow channel between the wall surface of the flow channel.
また、被移動体移動用アクチュエータは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と移動用電圧信号に応答する膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形して同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体を前記流路に吐出し又は同作動流体を同流路から吸引するポンプ(被移動体移動用ポンプ)であり、前記振動用ポンプは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と振動用電圧信号に応答する膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形して同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体を前記流路に吐出し及び同作動流体を同流路から吸引するポンプであり、前記デバイスは、前記被移動体移動用ポンプの膜型圧電素子及び前記振動用ポンプの膜型圧電素子に接続された電気制御装置を含むことができる。この場合、前記電気制御装置は、被移動体移動用ポンプが第1の流量で前記作動流体を所定時間だけ吐出又は吸引するために必要な電圧信号を前記移動用電圧信号として発生するとともに、同第1の流量よりも大きな第2の流量で同作動流体の吐出及び吸引を同所定時間内に複数回繰り返すために必要な電圧信号を前記振動用電圧信号として発生するように構成されることが好適である。 The moving object moving actuator includes a pump chamber provided with a ceramic diaphragm as one wall and a film type piezoelectric element that responds to a voltage signal for movement, and the film type piezoelectric element deforms the ceramic diaphragm. It is a pump (moving body moving pump) that discharges the working fluid into the flow path or sucks the working fluid from the flow path by changing the volume of the pump chamber. A pump chamber provided with a diaphragm as a wall and a membrane-type piezoelectric element that responds to a vibration voltage signal, and the ceramic diaphragm is deformed by the membrane-type piezoelectric element to change the volume of the pump chamber. A pump that discharges a working fluid into the flow path and sucks the working fluid from the flow path; and the device is a membrane of the moving object moving pump It may include an electrical control device connected to the piezoelectric element and the film-type piezoelectric element of the vibrating pump. In this case, the electric control device generates a voltage signal necessary for the movable body moving pump to discharge or suck the working fluid at the first flow rate for a predetermined time as the moving voltage signal. A voltage signal required to repeat discharge and suction of the working fluid at a second flow rate greater than the first flow rate a plurality of times within the same predetermined time may be generated as the vibration voltage signal. Is preferred.
上述した第1の流量及び第2の流量は、それぞれ一定であってもよく、変化してもよい。換言すると、第1の流量は、一回の作動流体の吐出又は吸引における(即ち、前記所定時間での)平均的な流量である。第2の流量は、繰り返し増減される吐出及び吸引の一回分の吐出又は吸引における平均的な流量である。 The first flow rate and the second flow rate described above may be constant or may change. In other words, the first flow rate is an average flow rate in one discharge or suction of the working fluid (that is, in the predetermined time). The second flow rate is an average flow rate in discharge or suction for one discharge or suction that is repeatedly increased or decreased.
これによれば、作動流体は、被移動体移動用ポンプによって所定時間だけ第1の流量で流路内に吐出され又は流路内から吸引され、その作動流体の吐出又は吸引によって被移動体が移動する。同時に、作動流体は、振動用ポンプによって前記所定時間内に複数回にわたり流路に第2の流量で入出される。即ち、作動流体は流路内に高速で入出を繰り返す。 According to this, the working fluid is discharged into the flow path or sucked from the flow path at a first flow rate by the moving body moving pump for a predetermined time, and the moving body is discharged or sucked by the working fluid. Moving. At the same time, the working fluid enters and exits the flow path at a second flow rate a plurality of times within the predetermined time by the vibration pump. That is, the working fluid repeatedly enters and exits the flow path.
従って、推定ではあるが、この作動流体の流路への入出により被移動体が振動するとともに、作動流体が被移動体と流路の壁面との僅かな隙に入出し、被移動体と流路の壁面との間に膜を形成する。この膜は、凹凸のある流路の壁面を実質的に滑らかにする。この結果、被移動体は、滑らかな膜上をすべりながら移動するので、被移動体が流路壁面から受ける摩擦力は減少する。従って、被移動体は高速で移動することができる。 Therefore, although it is estimated, the moving body vibrates due to the entry and exit of the working fluid into the flow path, and the working fluid enters and exits a slight gap between the moving body and the wall surface of the flow path. A film is formed between the walls of the road. This membrane makes the walls of the uneven channel substantially smooth. As a result, the moving body moves while sliding on a smooth film, and therefore, the frictional force that the moving body receives from the flow path wall surface decreases. Therefore, the moving object can move at high speed.
一方、前記被移動体が前記作動流体に対して不溶性であり且つ前記流路の壁面に対する濡れ性が同作動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも非良好な流体である場合、前記被移動体移動用アクチュエータは、前記流路の一部の流路断面積を変化させることにより前記被移動体を同被移動体の前記壁面に対する濡れ性に基づく斥力を利用して移動させるように構成されることもできる。 On the other hand, when the movable body is insoluble in the working fluid and the wettability of the working fluid with respect to the wall surface is lower than the wettability of the working fluid with respect to the wall surface of the fluid passage, The moving body moving actuator is configured to move the moving body using a repulsive force based on wettability of the moving body with respect to the wall surface by changing a flow path cross-sectional area of a part of the flow path. Can also be done.
流路は、流路内圧の変化を吸収してしまうガタツキ(圧力変化吸収部)を不可避的に有する。従って、作動流体を流路内に吐出し、或いは、作動流体を流路内から吸引することによって被移動流体を移動させる場合、作動流体の吐出又は吸引の開始から被移動流体の移動の開始までに時間を要する場合がある。これに対し、上記構成のように、流路断面積を変化させることにより被移動流体を移動させるように構成すれば、被移動流体の移動は流路断面積の開始直後から直ちに開始する。従って、より高速に応答することができるデバイスが提供され得る。 The flow path inevitably has a backlash (pressure change absorbing portion) that absorbs the change in the internal pressure of the flow path. Accordingly, when moving the fluid to be moved by discharging the working fluid into the flow channel or by sucking the working fluid from the flow channel, from the start of the discharge or suction of the working fluid to the start of the movement of the moved fluid May take time. On the other hand, if the moving fluid is moved by changing the flow path cross-sectional area as in the above configuration, the movement of the moved fluid starts immediately after the start of the flow cross-sectional area. Therefore, a device capable of responding faster can be provided.
以下、第3の発明による流路内の被移動体を移動するデバイスの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。流路内で移動される被移動体は非圧縮性の固体であってもよく、後述するように非圧縮性の流体(被移動流体)であってもよい。被移動体としての固体は、導電性であってもよく、誘電体であってもよい。被移動体が被移動流体である場合、第3の発明による流路内の被移動体を移動するデバイスは、単に「被移動流体移動デバイス」と称呼される。なお、第3の発明は、以下に述べる実施形態に限定されるものではなく、第3の発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(第1実施形態)
図19は、第3の発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10の平面図である。図20は図19の1−1線に沿った平面にて被移動流体移動デバイス10を切断した断面図である。なお、電気制御装置20は図19において概念的に示され、図20において省略されている。
Hereinafter, embodiments of a device for moving a moving object in a flow path according to a third invention will be described with reference to the drawings. The moving object moved in the flow path may be an incompressible solid, or may be an incompressible fluid (moving fluid) as described later. The solid as the object to be moved may be conductive or dielectric. When the moving body is a moving fluid, the device that moves the moving body in the flow path according to the third invention is simply referred to as a “moving fluid moving device”. The third invention is not limited to the embodiment described below, and various changes, modifications, and improvements are made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the third invention. To get.
(First embodiment)
FIG. 19 is a plan view of the moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス10は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状のセラミックスからなる基体10aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12と、電気制御装置20とを備えている。基体10a、第1ポンプ11及び第2ポンプ12は、被移動流体F1及び作動流体F2の収容体を構成している。
The moving
基体10aは、図20に示したように、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)10a1〜10a3をZ軸方向に積層し、これらを焼成又は接着により一体化することにより形成されている。基体10aは、図19及び図20に示したように、その内部に、流路形成部13と第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。
As shown in FIG. 20, the
アクチュエータとして機能する第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aと駆動部11bとを含んで構成されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート10a3の上面に焼成等により一体的に固定されたセラミックシート11a1と、そのセラミックシート11a1の上面に焼成により一体的に固定された容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)11a2とにより構成されている。第1ポンプ室11aには作動流体F2が収容されている。
The
セラミックシート11a1は、平面視で円形であり、中空円筒状の貫通孔を有している。セラミックダイヤフラム11a2は、平面視でセラミックシート11a1と同じ円形であり、セラミックシート11a1の貫通孔の上面を閉塞するようにセラミックシート11a1の上部に固定されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート11a1の貫通孔を形成する側壁面とセラミックダイヤフラム11a2の下面とにより規定された空間である。
The ceramic sheet 11a1 is circular in a plan view and has a hollow cylindrical through hole. The ceramic diaphragm 11a2 has the same circular shape as the ceramic sheet 11a1 in plan view, and is fixed to the upper part of the ceramic sheet 11a1 so as to close the upper surface of the through hole of the ceramic sheet 11a1. The
駆動部11bは、平面視でセラミックシート11a1の貫通孔と同じ円形を有する薄板体(厚さは、例えば20μm程度である。)である。駆動部11bは、セラミックダイヤフラム11a2の上面に焼成等により一体的に固定されている。駆動部11bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子である。駆動部11bは、前記一対の電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム11a2を変形させる。これにより、駆動部11bは、第1ポンプ室11aの容積を増減し、第1ポンプ室11a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプであり、第1ポンプ室11aの容積を初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプでもある。なお、駆動部11bは、電歪膜又は反強誘電体膜とこの膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
このように構成された第1ポンプ11は、駆動部11bの膜型圧電素子とセラミックシート11a1とが、接着剤等を使用することなく、一体的に形成されている。従って、第1ポンプ11は高い剛性を有することができるので、作動流体F2の吐出又は吸引を高速で行うことができる。
In the
アクチュエータとして機能する第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aと、駆動部11bと同様の膜型圧電素子である駆動部12bと、を含んでいる。第2ポンプ室12aは、セラミックシート10a3の上面に焼成により一体的に固定されたセラミックシート12a1と、そのセラミックシート12a1の上面に焼成により一体的に固定された容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)12a2とにより構成されている。第2ポンプ室12aには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様の構成を備えているので詳細な説明を省略する。
The
第2ポンプ12は、駆動部12bの電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム12a2を変形させることにより第2ポンプ室12aの容積を増減し、第2ポンプ室12a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプであり、第2ポンプ室12aの容積を初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプでもある。なお、駆動部12bは、反強誘電体膜と同反強誘電体膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
このように構成された第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様に、駆動部12bの膜型圧電素子とセラミックシート12a1とが、接着剤等を使用することなく、一体的に形成されている。従って、第2ポンプ12は高い剛性を有することができるので、作動流体F2の吐出又は吸引を高速で行うことができる。なお、係る一体構造による利点は、以下に述べる他の実施形態のポンプも有するものである。
In the
また、第1ポンプ11は、流路内の作動流体F2を吸引するためにも使用できるが、このとき被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第1ポンプ11内(及び第1ポンプ連通部14内)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。同様に、第2ポンプ12は、後述するように流路内の作動流体F2を吸引するが、場合により被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第2ポンプ12内(及び第2ポンプ連通部15)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。
The
ここで、第1,第2ポンプ11,12についての具体的な寸法を例示すると、中空円筒形の第1,第2ポンプ室11a,12aの底面(上面)の各半径は0.5mm程度であり、各高さは150μm程度である。また、円形薄板状のセラミックダイヤフラム11a2,12a2の各半径は0.5mm程度であり、各厚さ(高さ)は10μm程度である。
Here, exemplifying specific dimensions of the first and
流路形成部13は、流路13aを構成する部分である。流路13aは、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される密閉された空間である。セラミックシートは絶縁体であるから、流路13aの壁面を介して電流が流れることはない。
The flow
流路13aは、直線状で細長の空間であって、X軸に沿う方向に流線方向(長手方向の軸)を有している。流路13aは、流線方向に直交する平面で(Y−Z平面)で同流路13aを切断した断面(以下、この断面を「流路の縦断面」と云うことがある。)が略正方形状となっている。流路13aは、マイクロチャネルとも呼ばれる。流路13aの流線方向の長さは1mm程度であり、前記縦断面の正方形の一辺(流路の高さ及び幅)は数10μm程度である。
The
流路13a内には被移動流体F1と作動流体F2とが収容され、流路13aはこれらの流体により実質的に満たされている。被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体であり、本例では水銀である。被移動流体F1は、非圧縮性であればよく、磁性材料、ガリウム合金の如き液体金属又は油等であってもよい。被移動流体F1は塊状となって流路13a内に存在する。これにより、被移動流体F1は、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との二つの空間に実質的に分離している。
A fluid F1 and a working fluid F2 are accommodated in the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート、パラフィン系電気絶縁油又はシリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の流路13a壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路13a壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent fluorinate, paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like. As the working fluid F2, a fluid is selected in which the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the
流路13aには、互いに電気的に絶縁された一対の電極21a,21bが配設されている。電極21a及び電極21bは、基体10aのX軸方向中央部よりもX軸負側の位置であって第2ポンプ連通部15(後述の第2開口)よりもX軸正側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。
A pair of
電極21a,21bは、それぞれ図示しない配線を介して基体10aの外部の図示しない回路に接続されている。電極21aと電極21bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合(即ち、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき)、非導通状態となるように配設されている。また、電極21a及び電極21bは、被移動流体F1がX軸負側に移動せしめられたとき(即ち、被移動流体移動デバイス10が作動状態にあるとき)、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
The
第1ポンプ連通部14は、第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bとを形成する部分である。第1ポンプ連通部14は、セラミックシート10a2内において第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bを構成するために設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 1st
第1流路接続部14aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第1開口14a1を形成している。第1ポンプ接続部14bは、第1流路接続部14aの他方の端部と第1ポンプ室11aとを連通している。第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bには作動流体F2が収容されている。
One end of the first flow
第1開口14a1は、正面視において(Y軸方向から見て)流路13aの流線方向(X軸方向)に沿う辺と同流線方向に直交する方向(この場合、Z軸方向)に沿う辺とからなる略正方形状を有している。この第1開口14a1の流路13aの流線方向に直交する辺(Z軸方向に沿う辺)の長さは、流路13aのZ軸方向において対向する壁面間距離と実質的に等しい。また、第1開口14a1の流路13aの流線方向に沿う辺の長さは、同第1開口14a1の流路13aの流線方向に直交する方向に沿う辺の長さと略等しい。
The first opening 14a1 is in a direction (in this case, the Z-axis direction) orthogonal to the streamline direction along the streamline direction (X-axis direction) of the
第2ポンプ連通部15は第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bとを形成する部分である。第2ポンプ連通部15は、セラミックシート10a2内において第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bを構成するために設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 2nd
第2流路接続部15aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第2開口15a1を形成している。第2開口15a1の形状は、第1開口14a1の形状と同一である。第2ポンプ接続部15bは、第2流路接続部15aの他方の端部と第2ポンプ室12aとを連通している。第2流路接続部15aと第1ポンプ接続部15bには作動流体F2が収容されている。第2流路接続部15aは、第1流路接続部14aと同一構造を有している。
One end of the second flow
電気制御装置20は、第1ポンプ11の駆動部11bの電極間に電気的に接続されていて、同駆動部11bの電極間に第1駆動電圧V1を付与するとともに、第2ポンプ12の駆動部12bの電極間に電気的に接続されていて、同駆動部12bの電極間に第2駆動電圧V2を付与するようになっている。
The
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス10の作動について図21及び図22を参照しながら説明する。図21の(A)は第3の発明を採用しない第1駆動電圧V1のタイムチャートであり、図21の(B)は第3の発明を採用しない第2駆動電圧V2のタイムチャートである。図22の(A)は第3の発明を採用した第1駆動電圧V1のタイムチャートであり、図22の(B)は第3の発明を採用した第2駆動電圧V2のタイムチャートである。
Next, the operation of the moved fluid moving
先ず、第3の発明を採用していない駆動電圧V1,V2を使用した被移動流体移動デバイス10の作動の概略について説明する。図21の(A)及び(B)に示したように、電気制御装置20は、時刻t0にて第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2を「0」とする。かかる状態を初期状態と称呼する。このとき、被移動流体F1は流路のX軸方向略中央の位置(初期位置)において一つの塊として存在している。
First, an outline of the operation of the moved fluid moving
即ち、被移動流体F1の流路13aの壁面に対する濡れ性が作動流体F2の流路13aの壁面に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体F1は表面積を最小とするように流路13a内において流体の塊となって存在する。このとき、被移動流体F1は流路13aの壁面に実質的に接触し、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との2つの空間に分離する。作動流体F2は、流路の被移動流体F1が存在していない部分を満たしている。図19から理解されるように、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、被移動流体F1は電極21a及び電極21bの何れにも接触しない位置に存在する。従って、電極21a及び電極21bは非導通状態に維持される。
In other words, the wettability of the fluid F1 to the wall surface of the
電気制御装置20は、時刻t0から時刻t1までの間、第1駆動電圧V1を第1の速度|Va/(T/2)|で増大させ、第2駆動電圧V2を第1の速度で減少させる。これにより、駆動部11bがセラミックダイヤフラム11a2を下方に直ちに屈曲変位させるので、第1ポンプ11から第1開口14a1を介して流路13a内に作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吐出される。また、駆動部12bがセラミックダイヤフラム12a2を上方に直ちに屈曲変位させるので、第2ポンプ12に第2開口15a1を介して流路13a内の作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吸引される。この結果、被移動流体F1はX軸負方向に移動し始める。そして、被移動流体F1は、時刻t1にて、電極21aと電極21bとを完全に覆う位置(作動位置)に移動する。この結果、電極21aと電極21bとは、導通状態となる。
The
電気制御装置20は、時刻t1から時刻t2までの間、第1駆動電圧V1を第1の速度|Va/(T/2)|で減少させ、第2駆動電圧V2を第1の速度で増大させる。これにより、駆動部11bがセラミックダイヤフラム11a2を上方に直ちに屈曲変位させるので、第1ポンプ11に第1開口14a1を介して流路13a内から作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吸引される。また、駆動部12bがセラミックダイヤフラム12a2を下方に直ちに屈曲変位させるので、第2ポンプ12から第2開口15a1を介して流路13a内に作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吐出される。この結果、被移動流体F1はX軸正方向に移動し始め、時刻t2にて初期位置に復帰する。従って、電極21aと電極21bとは、再び非導通状態となる。
The
電気制御装置20は、以降、時刻t0〜t2の動作を繰り返し実行する。換言すると、電気制御装置20は、周期T、振幅(Va/2)及び振幅中心が(Va/2)の三角波を第1駆動電圧V1として与える。以下、この第1駆動電圧V1を「移動用第1駆動電圧V1m」と称呼する。同時に、電気制御装置20は、移動用第1駆動電圧V1mをV=0を中心として折り返した波形を有する電圧を第2駆動電圧V2として与える。即ち、第2駆動電圧V2は、周期T、振幅(Va/2)及び振幅中心が(−Va/2)の三角波である。以下、第2駆動電圧V2を「移動用第2駆動電圧V2m」と称呼する。移動用第1駆動電圧V1mの位相と移動用第2駆動電圧V2mの位相は、180度だけ相違している。
Thereafter, the
この結果、周期Tをもって被移動流体F1が初期位置と作動位置の間を往復し、電極21aと電極21bは周期Tをもって「オフ(非導通)」と「オン(導通)」を繰り返す。以上が、第3の発明を採用していない駆動電圧V1,V2を使用した場合の被移動流体移動デバイスの作動である。
As a result, the moved fluid F1 reciprocates between the initial position and the operating position with the period T, and the
次に、第3の発明を採用した駆動電圧V1,V2を使用した被移動流体移動デバイス10の作動について説明する。電気制御装置20は図22の(A)及び(B)にそれぞれ示した第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2を発生する。図22の(A)に示した第1駆動電圧V1は、移動用第1駆動電圧V1mに、振動用第1駆動電圧V1vを重畳させた電圧(=V1m+V1v)である。振動用第1駆動電圧V1vはV=0を振動中心とする三角波であって、その周波数f1v(周期T1v)は移動用第1駆動電圧V1mの周波数(1/T)よりも高く、その振幅は移動用第1駆動電圧V1mの振幅(Va/2)より小さい(Vv/2)である。即ち、振動用第1駆動電圧V1vは、一回分の電圧増加又は一回分の電圧減少における電圧の変化速度が第2の速度(Vv/T1v/2)であって、時間T/2内に複数回の増減を繰り返す電圧である。また、第2の速度は第1の速度(第1の速度の絶対値)より大きい。
Next, the operation of the moved fluid moving
同様に、図22の(B)に示した第2駆動電圧V2は、移動用第2駆動電圧V2mに、振動用第2駆動電圧V2vを重畳させた電圧(=V2m+V2v)である。振動用第2駆動電圧V2vはV=0を振動中心とする三角波であって、その周波数f2vは移動用第2駆動電圧V2mの周波数(1/T)よりも高く、その振幅は移動用第2駆動電圧V2mの振幅(Va/2)より小さい(Vv/2)である。また、振動用第2駆動電圧V2vは、その周波数f2vが振動用第1駆動電圧V1vの周波数f1vと等しく、その振幅が振動用第1駆動電圧V1vの振幅と等しく、その位相は振動用第1駆動電圧V1vの位相と180度だけ相違している。 Similarly, the second drive voltage V2 shown in FIG. 22B is a voltage (= V2m + V2v) in which the second drive voltage V2v for vibration is superimposed on the second drive voltage V2m for movement. The second driving voltage V2v for vibration is a triangular wave with V = 0 as the vibration center, the frequency f2v is higher than the frequency (1 / T) of the second driving voltage V2m for movement, and the amplitude thereof is the second wave for movement. It is smaller than the amplitude (Va / 2) of the drive voltage V2m (Vv / 2). Further, the vibration second drive voltage V2v has the frequency f2v equal to the frequency f1v of the vibration first drive voltage V1v, the amplitude equal to the amplitude of the vibration first drive voltage V1v, and the phase thereof is the vibration first drive voltage V1v. It is different from the phase of the driving voltage V1v by 180 degrees.
この結果、作動流体F2は、所定時間T/2の期間内において第1の速度に応じた流量(第1の流量)で増大又は減少しながら、第2の速度に応じた流量(第2の流量)をもって同所定時間T/2内に複数回だけ周波数f1v(=f2v)で流路13aに入出を繰り返す。換言すると、作動流体F2は流路13a内に周波数f1vで出入りを繰り返しながら、全体的(平均的)には被移動流体F1の第1ポンプ11側(X軸正方向側)における量が増大し、被移動流体F1の第2ポンプ12側(X軸不方向側)における量が減少する。
As a result, the working fluid F2 increases or decreases at a flow rate corresponding to the first speed (first flow rate) within a period of the predetermined time T / 2, while the flow rate corresponding to the second speed (second flow rate). The flow rate is repeated at a frequency f1v (= f2v) several times within the predetermined time T / 2. In other words, while the working fluid F2 repeatedly enters and exits the
従って、被移動流体F1は、周波数f1vでX軸方向において僅かな振幅をもって振動しながら移動する。また、作動流体F2は、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に周波数f1vで入出を繰り返し、見かけ上、被移動流体F1を滑らかに移動させるための膜を形成する。即ち、微細な凹凸を有する流路13aの表面を実質的に平滑化する膜が形成される。
Accordingly, the moved fluid F1 moves while vibrating with a slight amplitude in the X-axis direction at the frequency f1v. In addition, the working fluid F2 repeatedly enters and exits at a frequency f1v between the fluid F1 to be moved and the wall surface of the
この結果、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなるので、第3の発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10は、より高速に被移動流体F1を移動させることが可能となる。換言すると、被移動流体移動デバイス10は、より高速なスイッチング動作を行うことができる。
(第2実施形態)
次に、第3の発明の第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30について、図23及び図24を参照しながら説明する。図23は被移動流体移動デバイス30の概念的な断面図である。図23において、電気制御装置20は省略されている。図24は被移動流体移動デバイス30において用いられる駆動電圧Vdのタイムチャートである。
As a result, the frictional force received by the moved fluid F1 from the wall surface of the
(Second Embodiment)
Next, a moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス30は、被移動流体移動デバイス10の第2ポンプ12及び第2ポンプ連通部15を圧力変動吸収部31及び接続部32にそれぞれ置換した点及び第1ポンプ11に付与される第1駆動電圧V1を駆動電圧Vdに変更した点のみにおいて、被移動流体移動デバイス10と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。
This moved fluid moving
圧力変動吸収部31は、第2ポンプ12から駆動部12bを除去したものと実質的に同一の構造を有している。圧力変動吸収部31は、第2ポンプ連通部15と実質的に同一の構造を有する接続部32により流路13aのX軸方向負側端部近傍において流路13aと接続されている。
The pressure
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス30の作動について説明する。図24に示したように、電気制御装置20は、時刻t0にて駆動電圧Vdを略「0」とする。かかる状態を初期状態と称呼する。このとき、被移動流体F1は流路のX軸方向略中央の位置(初期位置)において一つの塊として存在している。従って、被移動流体F1は電極21a及び電極21bの何れにも接触しないので、電極21a及び電極21bは非導通状態に維持される。
Next, the operation of the moved fluid moving
以降、電気制御装置20は、図22に示した第1駆動電圧V1と同一の電圧を駆動電圧Vdとして第1ポンプ11の駆動部11bに付与する。即ち、駆動電圧Vd(第1駆動電圧V1)は、第1移動用駆動電圧V1mに第1振動用駆動電圧V1vを重畳させた電圧である。従って、作動流体F2は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって流路13a内に所定時間T/2だけ吐出され、同時に第2の速度に応じた流量(第2の流量)をもって所定時間T/2内に複数回だけ周波数f1v(=f2v)で流路13aに入出を繰り返す。或いは、動流体F2は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって流路13a内から所定時間T/2だけ吸引され、同時に第2の速度に応じた流量(第2の流量)をもって所定時間T/2内に複数回だけ周波数f1v(=f2v)で流路13aに入出を繰り返す。
Thereafter, the
これにより、被移動流体F1は、周波数f1vにてX軸方向において僅かな振幅をもって振動しながら、図23に示した初期位置と電極21a及び電極21bを覆う作動位置との間を往復する(移動する)。なお、作動流体F2による流路13aの圧力変化は圧力変動吸収部31の容積変化によって吸収される。
As a result, the fluid F1 reciprocates between the initial position shown in FIG. 23 and the operating position covering the
このとき、作動流体F2は、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に周波数f1vで入出を繰り返し、見かけ上、被移動流体F1を滑らかに移動させるための膜を形成する。従って、第3の発明の第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30は、被移動流体移動デバイス10と同様に、より高速に被移動流体F1を移動させることが可能となる。換言すると、被移動流体移動デバイス30は、高速スイッチング動作を行うことができる。
(第3実施形態)
次に、第3の発明の第3実施形態に係る被移動流体移動デバイス40について、図25及び図26を参照しながら説明する。図25は被移動流体移動デバイス40の概念的な断面図である。図26は被移動流体移動デバイス40において用いられる第1〜第3駆動電圧V1〜V3のタイムチャートである。
At this time, the working fluid F2 repeatedly enters and exits at a frequency f1v between the moved fluid F1 and the wall surface of the
(Third embodiment)
Next, a
この被移動流体移動デバイス40は、第1ポンプ41、第2ポンプ42、第3ポンプ43、流路形成部44、電極45a,45b及び図示を省略した電気制御装置を備えている。第1ポンプ41乃至第3ポンプ43のそれぞれは第1ポンプ11と同様の構成を有している。流路形成部44は、流路形成部13と同様の構成を有し、流路13aと同様のX軸方向に流線方向を有する流路44aを形成している。
The moved fluid moving
第1ポンプ41は、流路44aのX軸方向略中央部に接続されている。第2ポンプ42は、流路44aのX軸正方向端部近傍に接続されている。第3ポンプ43は、流路44aのX軸負方向端部近傍に接続されている。電極45a及び電極45bは、第1ポンプ41と流路44aの接続箇所と、第3ポンプ43と流路44aの接続箇所との間の位置に設けられている。電極45a及び電極45bは、流路44aを挟んで対向している。電極45a及び電極45bのそれぞれは、流路44aに露呈している。
The
電気制御装置は、第1ポンプ41、第2ポンプ42及び第3ポンプ43の各駆動部(何れも図示省略)に電気的に接続され、第1駆動電圧V1、第2駆動電圧V2及び第3駆動電圧V3をそれぞれ供給するようになっている。
The electric control device is electrically connected to each drive unit (all not shown) of the
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス40の作動について説明する。図26に示したように、電気制御装置は、時刻t0にて第1駆動電圧V1及び第3駆動電圧V2を「0」とする。かかる状態をデバイス40の初期状態と称呼する。このとき、被移動流体F1は、図25に示したように、第1ポンプ41と流路44aの接続箇所と、電極45a及び電極45bが配設された位置と、の間の位置(初期位置)において一つの塊として存在し、電極45a及び電極45bの何れにも接触していない。従って、電極45a及び電極45bは非導通状態に維持される。
Next, the operation of the moved fluid moving
一方、電気制御装置は、時刻t0から、所定の周波数f2vで正弦波状に変化する第2駆動電圧V2を第2ポンプ42の駆動部に継続的に付与している。第2駆動電圧V2は、その振幅がVvであり、その振幅中心は「0」である。従って、第2ポンプ42により、作動流体F2の流路44a内への吐出及び作動流体F2の流路44a内からの吸引が周期的に(周波数f2vにて)繰り返される。
On the other hand, the electric control device continuously applies the second drive voltage V2 that changes in a sine wave shape at a predetermined frequency f2v to the drive unit of the
この結果、作動流体F2は、被移動流体F1と流路44aの壁面との間に周波数f2vで入出を繰り返し、見かけ上、被移動流体F1を滑らかに移動させるための膜を形成する。
As a result, the working fluid F2 repeatedly enters and exits at a frequency f2v between the moved fluid F1 and the wall surface of the
時刻t1になると、電気制御装置は、第1駆動電圧V1を「0」からVaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて所定時間(t2−t1)だけ増大せしめる。VaはVvよりも大きな電圧である。これにより、第1ポンプ41から流路44a内に作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吐出される。このときの作動流体F2の吐出流量は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)となる。
At time t1, the electric control device changes the first drive voltage V1 from “0” to Va at a first speed (= | Va / (t2-t1) |) for a predetermined time (t2-t1). Increase. Va is a voltage larger than Vv. Thus, the working fluid F2 is discharged from the
同様に、電気制御装置は、時刻t1から、第3駆動電圧V3を「0」から−Vaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて所定時間(t2−t1)だけ減少せしめる。これにより、第3ポンプ43に流路44a内から作動流体F2が吸引される。このときの作動流体F2の吸引流量は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)となる。
Similarly, from the time t1, the electric control device changes the third drive voltage V3 from “0” to −Va at a first speed (= | Va / (t2-t1) |) for a predetermined time (t2- Decrease by t1). Thereby, the working fluid F2 is sucked into the
一方、時刻t1〜t2においても、第2ポンプ42の作動により、作動流体F2は所定時間(t2−t1)内において複数回にわたり所定の流量(この流量を、便宜上、「第2の流量」という。)をもって流路44aへの入出を繰り返す。第2の流量は、Vv/{(1/f2v)/4}に応じた流量であり、第1の流量より大きい。
On the other hand, at the time t1 to t2, the working fluid F2 is operated at a predetermined flow rate a plurality of times within a predetermined time (t2-t1) by the operation of the second pump 42 (this flow rate is referred to as “second flow rate” for convenience). .) Is repeated to enter and exit the
そして、第1ポンプ41及び第3ポンプ43による作動流体F2の吐出及び吸引によって、被移動流体F1はX軸負方向に移動を開始し、時刻t2にて電極45a及び電極45bを完全に覆う位置に移動する。このとき、被移動流体F1は電極45a及び電極45bの両方に接触する。従って、電極45a及び電極45bは導通状態となる。
A position where the fluid F1 starts moving in the negative direction of the X-axis by the discharge and suction of the working fluid F2 by the
電気制御装置は、時刻t2〜t3の間、第1駆動電圧V1及び第3駆動電圧V3をVa及び−Vaにそれぞれ維持する。そして、時刻t3になると、電気制御装置は、第1駆動電圧V1をVaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|=|Va/(t4−t3)|)にて所定時間(t2−t1=t4−t3)だけ減少せしめる。これにより、第1ポンプ41に流路44a内から作動流体F2が吸引される。このときの作動流体F2の吸引流量は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)となる。
The electric control device maintains the first drive voltage V1 and the third drive voltage V3 at Va and -Va, respectively, between times t2 and t3. Then, at time t3, the electric control device changes the first drive voltage V1 from Va to “0” at the first speed (= | Va / (t2-t1) | = | Va / (t4-t3). |) Is decreased by a predetermined time (t2-t1 = t4-t3). As a result, the working fluid F2 is sucked into the
同様に、電気制御装置は、時刻t3から、第3駆動電圧V3を−Vaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて所定時間(t2−t1)だけ増大せしめる。これにより、第3ポンプ43から流路44a内に作動流体F2が吐出される。このときの作動流体F2の吐出流量は、第1の速度に応じた流量(第1の流量)となる。
Similarly, from the time t3, the electric control device changes the third drive voltage V3 from −Va to “0” at a first speed (= | Va / (t2-t1) |) for a predetermined time (t2- Increase by t1). As a result, the working fluid F2 is discharged from the
一方、時刻t3〜t4においても、第2ポンプ42の作動により、作動流体F2は所定時間(t3−t4)=(t2−t1)内において複数回にわたり第2の流量をもって流路44aへの入出を繰り返す。
On the other hand, at time t3 to t4, the operation of the
そして、この第1ポンプ41及び第3ポンプ43による作動流体F2の吐出及び吸引によって、被移動流体F1はX軸正方向に移動を開始し、時刻t4にて初期位置に復帰する。これにより、電極45a及び電極45bは非導通状態となる。以降、電気制御装置は、時刻t1〜t4の動作を繰り返し実行する。
Then, due to the discharge and suction of the working fluid F2 by the
以上、説明したように、第3実施形態に係る被移動流体移動デバイス40は、作動流体F2を流路44aに対して吐出又は吸引する被移動体移動用ポンプ(第1ポンプ41及び/又は第3ポンプ43)と、作動流体F2を流路44aに対して吐出及び吸引する振動用ポンプ(第2ポンプ42)と、を含んでいる。即ち、第1ポンプ41、第2ポンプ42及び第3ポンプ43は、被移動流体F1を流路44a内において振動させながら移動させるアクチュエータとして機能する。また、第1ポンプ41及び第3ポンプ43には、移動用駆動電圧として第1駆動電圧V1及び第3駆動電圧V3が付与され、第2ポンプ42には、振動用駆動電圧として第2駆動電圧V2が付与される。
As described above, the moved fluid moving
そして、第2ポンプ42の作動により、被移動流体F1が振動せしめられるとともに、被移動流体F1を滑らかに移動させるための作動流体F2の膜が被移動流体F1と流路34aの壁面との間に形成される。この結果、被移動流体移動デバイス40は、高速で被移動流体F1を移動することができる。換言すると、被移動流体移動デバイス40は、高速スイッチング動作が可能なスイッチングデバイスとなっている。
(第4実施形態)
次に、第3の発明の第4実施形態に係る被移動流体移動デバイス50について、図27及び図28を参照しながら説明する。図27は被移動流体移動デバイス50の概念的な断面図である。図28は被移動流体移動デバイス50において用いられる第1〜第3駆動電圧V1〜V3のタイムチャートである。
Then, the
(Fourth embodiment)
Next, a moved
被移動流体移動デバイス50は、セラミックシート50a1〜50a3をZ軸方向に積層し、これらを焼成又は接着により一体化することにより形成された基体50aを備えている。基体50aは、流路形成部13と同様の流路形成部53と、第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。
The
被移動流体移動デバイス50は、また、第1ポンプ11と第2ポンプ12とを備えている。第1ポンプ11は、第1ポンプ連通部14を介して流路53aに接続されている。第1ポンプ11、第1ポンプ連通部14及び流路53aの関係は、第1ポンプ11、第1ポンプ連通部14及び流路13aの関係と同様である。第2ポンプ12は、第2ポンプ連通部15を介して流路53aに接続されている。第2ポンプ12、第2ポンプ連通部15及び流路53aの関係は、第2ポンプ12、第2ポンプ連通部15及び流路13aの関係と同様である。第1ポンプ11の駆動部11b及び第2ポンプの駆動部12bには、図示しない電気制御装置から第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2がそれぞれ付与されるようになっている。
The moved fluid moving
セラミックシート50a3は、薄板部(ダイヤフラム)54を有している。薄板部54は、流路53aのX軸方向略中央部に設けられている。薄板部54の上面には膜型圧電素子55が焼成等により固定されている。膜型圧電素子55は、図示しない電気制御装置から第3駆動電圧V3が付与されると、図27の(B)に示したように、薄板部54を下方に屈曲変形させるようになっている。薄板部54が下方に屈曲変形されると、流路53aのX軸方向略中央部における流路断面積は、流路53aのX軸方向両端部近傍の流路断面積よりも小さくなる。
The
流路53aは、流路13aと同様、被移動流体F1と作動流体F2とを収容している。被移動流体F1は、初期状態において流路53aのX軸方向略中央部に位置し、薄板部54に接している。第1ポンプ11、第1ポンプ連通部14、第2ポンプ12及び第2ポンプ連通部15は、作動流体F2で満たされている。
The
次に、この被移動流体移動デバイス50の作動について説明する。図28に示したように、電気制御装置は、所定の周波数f1vで正弦波状に変化する第1駆動電圧V1(振動用駆動電圧)を第1ポンプ11の駆動部11bに継続的に付与する。第1駆動電圧V1は、その振幅がVvであり、その振幅中心は「0」である。更に、電気制御装置は、周波数f1vと等しい所定の周波数f2vで正弦波状に変化する第2駆動電圧V2(振動用駆動電圧)を第2ポンプ12の駆動部12bに継続的に付与する。第2駆動電圧V2は、その振幅がVvであり、その振幅中心は「0」である。但し、第2駆動電圧V2の位相は、第1駆動電圧V1の位相と180度だけ相違している。
Next, the operation of the moved fluid moving
この結果、第1ポンプ11が作動流体F2を流路53a内へ吐出したとき第2ポンプ12は作動流体F2を流路53a内から吸引する。第2ポンプ12が作動流体F2を流路53a内へ吐出したとき第1ポンプ11は作動流体F2を流路53a内から吸引する。従って、第1ポンプ11及び第2ポンプ12により、作動流体F2の流路53a内への吐出及び作動流体F2の流路53a内からの吸引が周期的に(周波数f1v=f2vにて)繰り返される。この結果、被移動流体F1は周波数f1vにて振動するとともに、作動流体F2は、被移動流体F1と流路53aの壁面との間に周波数f1vで入出を繰り返し、見かけ上、被移動流体F1を滑らかに移動させるための膜を形成する。
As a result, when the
一方、電気制御装置は、時刻t0〜t1の間、移動用駆動電圧としての第3駆動電圧V3を「0」に維持している。従って、被移動流体移動デバイス50は初期状態となるから、被移動流体F1は流路53aのX軸方向略中央部に位置している。その後、電気制御装置は、時刻t1になると、第3駆動電圧V3を「0」からVaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて増大せしめる。VaはVvよりも大きい電圧である。これにより、薄板部54が下方に屈曲変形されるので、被移動流体F1は流路53aから被移動流体F1と流路53aとの間の濡れ性に基づく斥力を受け、二つの塊に分離する。その二つの塊の一つはX軸正方向に移動し、他の塊はX軸負方向に移動する。この被移動流体F1の移動は、上述した被移動流体F1の振動及び作動流体F2の見かけ上の膜により、滑らかに行われる。
On the other hand, the electric control device maintains the third drive voltage V3 as the movement drive voltage at “0” between times t0 and t1. Accordingly, since the moved fluid moving
電気制御装置は、時刻t2〜t3の間、第3駆動電圧V3をVaに維持する。そして、時刻t3になると、電気制御装置は、第1駆動電圧V3をVaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|=|Va/(t4−t3)|)にて減少せしめる。これにより、薄板部54が上方に変形して、被移動流体移動デバイス50は初期状態に復帰するので、二つの塊に分離していた被移動流体F1は、それぞれX軸方向略中央部に移動する。この結果、被移動流体F1は流路53aのX軸方向略中央部にて再び一つの塊となる。この被移動流体F1の移動も、上述した被移動流体F1の振動及び作動流体F2の見かけ上の膜により、滑らかに行われる。以降、電気制御装置は、時刻t1〜t4の動作を繰り返し実行する。
The electric control device maintains the third drive voltage V3 at Va during times t2 to t3. At time t3, the electric control device shifts the first drive voltage V3 from Va to “0” and sets the first speed (= | Va / (t2-t1) | = | Va / (t4-t3). Decrease with |). As a result, the
以上、説明したように、第4実施形態に係る被移動流体移動デバイス50は、作動流体F2を流路53aに対して吐出及び吸引する振動用ポンプ(第1ポンプ11及び第2ポンプ12)を備えている。即ち、第1ポンプ11及び第2ポンプ12は、被移動流体F1を流路53a内において振動させるアクチュエータとして機能する。また、被移動流体移動デバイス50は、薄板部54及び膜型圧電素子55を備えている。薄板部54及び膜型圧電素子55は、被移動流体F1を流路53a内において移動させるアクチュエータとして機能する。
As described above, the moved fluid moving
従って、第1ポンプ11及び第2ポンプ12の作動により、被移動流体F1は流路53a内を滑らかに移動することができる。この結果、初期状態においては被移動流体F1に接触することなく、薄板部54が屈曲変形せしめられた作動状態においては被移動流体F1に接触する一対の電極を流路53aに露呈するように配設すれば、高速スイッチング動作が可能なスイッチングデバイスを得ることができる。
(被移動流体移動デバイスの製造方法について)
次に、上述した各被移動流体移動デバイスの製造方法について説明する。上述した基体(基体10a及び基体50a等)は、セラミックスとしてのジルコニアの他、シリコン、ガラス、アルミナ、アクリル又はポリカーボネートから構成することもできる。従って、以下のような方法により、流路(流路13a、流路44a、53a等)を形成することができる。
(流路形成方法)
(1)基体の材料がセラミックスである場合、セラミックシートに打ち抜き加工を施してスリットを形成し、このセラミックシートを挟むようにセラミックシートを積層・一体化することにより流路を形成することができる。例えば、図20に示した被移動流体移動デバイス10の場合、セラミックシート10a2に対して流路13aの側壁を構成することになるスリットを打ち抜き加工により形成する。次いで、このセラミックシート10a2をセラミックシート10a1,10a3で挟むように、セラミックシート10a2〜10a3を積層する。その後、セラミックシート10a2〜10a3を焼成(又は接着)等により一体化する。以上により、流路13aが形成される。
Therefore, by the operation of the
(Regarding the manufacturing method of the fluid movement device to be moved)
Next, the manufacturing method of each above-mentioned to-be-moved fluid moving device is demonstrated. The above-described substrates (
(Flow path forming method)
(1) When the material of the substrate is ceramics, a flow path can be formed by punching a ceramic sheet to form a slit and laminating and integrating the ceramic sheets so as to sandwich the ceramic sheet. . For example, in the case of the moved fluid moving
(2)基体の材料がガラス或いはシリコンである場合、等方性エッチングや異方性エッチングにより流路を形成することができる。 (2) When the material of the substrate is glass or silicon, the flow path can be formed by isotropic etching or anisotropic etching.
(3)レーザー加工により流路を形成することもできる。 (3) The flow path can also be formed by laser processing.
(4)エンドミルを用いた機械加工(マシニング)により、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。 (4) You may form the groove | channel which comprises a part of flow path by machining (machining) using an end mill.
(5)サンドブラストにより流路の一部を構成する溝を形成してもよい。 (5) You may form the groove | channel which comprises some flow paths by sandblasting.
(6)凹凸を有する金型を高温とし、その高温の金型を基体の表面に押し付けること(即ち、ホットエンドボス)により、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。
(クラック抑止方法)
上述したマシニング加工やサンドブラストを用いて溝を形成すると、溝の角部にマイクロクラックと呼ばれる加工傷が発生し、クラックがそのマイクロクラックを起点として進展し、このクラックにより基体(基材)が破損する場合がある。これに対しては以下の対策を採用することが望ましい。
(6) Grooves constituting a part of the flow path may be formed by setting the mold having irregularities to a high temperature and pressing the high-temperature mold against the surface of the substrate (that is, a hot end boss).
(Crack suppression method)
When a groove is formed using the above-mentioned machining or sandblasting, a processing flaw called a microcrack occurs at the corner of the groove, and the crack develops starting from the microcrack, and the substrate (base material) is damaged by this crack. There is a case. It is desirable to adopt the following measures against this.
(1)基体(基材)に対してヒーリング処理(熱処理、アニール処理)を施し、表面に発生しているマイクロクラックを閉じる(消滅させる)とともに、残留応力を開放する。 (1) Healing treatment (heat treatment, annealing treatment) is performed on the substrate (base material) to close (eliminate) microcracks generated on the surface and release residual stress.
(2)上記溝の表面にコーティング層を形成し、コーティング層によりクラックを覆うようにして閉じる。より具体的に述べると、流動性の高い紫外線硬化型のアクリル樹脂を用いて溝の表面にコーティング層を形成し、このコーティング層に紫外線を照射してコーティング層を硬化させる。これにより、アクリル樹脂がクラック内に浸透し、滑らかな溝表面が形成される。また、熱膨張係数が基体(基材)の熱膨張係数よりも小さい材料を用いて溝の表面をコーティングしてもよい。これによれば、溝表面に圧縮応力が加わるので、クラックの進展を阻止することができる。
(セラミックスポンプと基体の接合方法について)
上述したセラミックスからなるポンプ(第1ポンプ11,41、第2ポンプ12,42等、以下「セラミックスポンプ」と称呼する。)と基体(基体10a、50a等)とは、以下に述べるいくつかの方法で接合することができる。
(1)基体とセラミックスポンプの間(例えば、基体10aの上面と第1ポンプ11のセラミックシート11a1の下面の間)に接着シートを介在させ、この接着シートによりセラミックスポンプを基体に接合する。
(2)基体とセラミックスポンプの間(例えば、基体10aの上面と第1ポンプ11のセラミックシート11a1の下面の間)にスペーサーを設置するなどして一定のギャップを形成した後、そのギャップにアクリル樹脂を側面より流し込み、このアクリル樹脂を用いてセラミックスポンプを基体に接合する。この場合、アクリル樹脂流し込みのための前記ギャップをスクリーン印刷法により形成することもできる。接合面積が大きい場合、基体を構成する基材に貫通穴を開けると良い。これによれば、接合部に残留する空気を接合部外に排出することができる。また、接合面積や基体材料(基材)に応じてアクリル樹脂の粘性を調整することが望ましい。更に、アクリル樹脂を硬化させるための紫外線硬化パワーを最適な大きさとすることが望ましい。紫外線硬化パワーが小さすぎると硬化時間が長くなりすぎ、同パワーが大きすぎると急激な硬化反応が起こって、接合部にクラックが入ることがあるからである。
(3)接着剤を接合面にスクリーン印刷法により形成し、この接着剤によりセラミックスポンプを基体に接合する。この場合、接着後、接着層を強化するため紫外線硬化型アクリル樹脂を流し込むこともできる。
(2) A coating layer is formed on the surface of the groove, and the coating layer is closed so as to cover the crack. More specifically, a coating layer is formed on the surface of the groove using an ultraviolet curable acrylic resin having high fluidity, and the coating layer is cured by irradiating the coating layer with ultraviolet rays. As a result, the acrylic resin penetrates into the cracks, and a smooth groove surface is formed. Further, the surface of the groove may be coated using a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the base (base material). According to this, since the compressive stress is applied to the groove surface, the progress of cracks can be prevented.
(Ceramic pump and substrate bonding method)
The above-mentioned pumps made of ceramics (first pumps 11, 41, second pumps 12, 42, etc., hereinafter referred to as “ceramics pumps”) and bases (
(1) An adhesive sheet is interposed between the substrate and the ceramic pump (for example, between the upper surface of the
(2) A certain gap is formed between the substrate and the ceramic pump (for example, between the upper surface of the
(3) An adhesive is formed on the bonding surface by screen printing, and the ceramic pump is bonded to the substrate with this adhesive. In this case, an ultraviolet curable acrylic resin can be poured after the bonding to strengthen the adhesive layer.
以上、説明したように、第3の発明の各実施形態の被移動流体移動デバイスは、被移動流体F1を振動させるとともに、被移動流体F1と流路の壁面との間に作動流体の膜を形成しながら被移動流体F1を移動させる。従って、被移動流体F1が流路から受ける摩擦力が小さく、被移動流体F1の移動が滑らかになるので、被移動流体F1をより高速で移動させることができる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 As described above, the moved fluid moving device of each embodiment of the third invention vibrates the moved fluid F1, and forms a working fluid film between the moved fluid F1 and the wall surface of the flow path. The moving fluid F1 is moved while forming. Therefore, the frictional force that the moved fluid F1 receives from the flow path is small, and the movement of the moved fluid F1 becomes smooth, so that the moved fluid F1 can be moved at a higher speed. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
なお、第3の発明は上記実施形態に限定されることはなく、第3の発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上述した駆動部に使用されている膜型圧電素子を反強誘電体膜に置き換えることができる。 The third invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the third invention. For example, the film-type piezoelectric element used in the drive unit described above can be replaced with an antiferroelectric film.
また、被移動流体F1の振動を発生させるとともに上述した作動流体F2の見かけ上の膜を形成するための作動流体F2の振動的な流路への入出は、被移動流体F1の移動が開始せしめられる時点を含む被移動流体F1の移動開始前後の期間のみとしてもよい。即ち、例えば、図24に代わる図29に示したように、第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30の駆動部11bに対し、被移動流体F1の移動が開始される時刻t2及び時刻t6の前後の期間(時刻t1〜t3、時刻t5〜t7)のみにおいて、被移動流体F1を移動させるための移動用駆動電圧に作動流体F2を振動的に流路内に入出させるための振動用駆動電圧を重畳した駆動電圧Vdを付与するようにしてもよい。また、図29において、時刻t2〜t4或いは時刻t6〜t8においてのみ(即ち、被移動流体F1が移動せしめられている期間においてのみ)、移動用駆動電圧に振動用駆動電圧を重畳させた駆動電圧Vdを付与するようにしてもよい。
In addition, the movement of the fluid F1 starts when the fluid F2 enters and exits the vibrational flow path for generating the vibration of the fluid F1 and forming the apparent film of the fluid F2 described above. It is good also as only the period before and after the movement start of the to-be-moved fluid F1 including the time to be performed. That is, for example, as shown in FIG. 29 instead of FIG. 24, the time t2 and the time t6 at which the movement of the moved fluid F1 is started with respect to the
加えて、上記各実施形態に係る被移動流体移動デバイスの基体は、セラミックスから形成されていた。これに対し、図30に示した被移動流体移動デバイス60のように、基体60aをコバールガラス60aから形成することもできる。
In addition, the substrate of the moved fluid movement device according to each of the above embodiments is made of ceramics. On the other hand, the
この被移動流体移動デバイス60においては、基体60a内に流路13aと同様な流路61aが形成されている。流路61aには、被移動流体移動デバイス10と同様に、被移動流体F1と作動流体F2とが収容されている。被移動流体移動デバイス60は、図示が省略された第1ポンプ11及び第2ポンプ12を備えている。被移動流体移動デバイス60は、一対の電極62a,62bを備えている。電極62a,62bは、コバール金属から形成されている。電極62a,62bは、それぞれ円筒の棒状であって、流路61aの上壁に形成された一対の貫通孔にそれぞれ挿入されている。電極62a,62bは、基体60aの外面において、貫通孔の周囲がバーナーを用いて溶かされることにより、基体60aに固定されている。電極62a,62bは、その下面が流路61aの上壁面と一致する面内に存在するように流路61aに露呈している。
In the moved fluid moving
かかる被移動流体移動デバイス60は、次の利点を有する。
(1)電極62a,62bを構成するコバール金属の熱膨張係数と基体60aを構成するコバールガラスの熱膨張係数とは略等しいので、冷熱サイクルが被移動流体移動デバイス60に加わっても応力が発生し難い。従って、被移動流体移動デバイス60が熱による応力で破損しないので、被移動流体移動デバイス60の耐久性が高い。
(2)接着剤等の軟材料を用いることなく流路及び電極を一体的に形成することができるので、被移動流体移動デバイス60は高い剛性を有する。従って、被移動流体F1を移動するために流路61aに作動流体F2を流入させ、流路61a内の内圧を上昇させようとするとき、その圧力上昇が吸収され難い。その結果、被移動流体F1を高速で移動させることができる。
(3)電極62a,62bを構成するコバール金属は、水銀との濡れ性が良好である。従って、被移動流体F1として水銀を用いれば、被移動流体F1と電極62a,62bとの間の抵抗を下げることができ、且つ、被移動流体F1を電極62a,62bにより確実に保持することができる。更に、コバール金属は、耐食性が高いので、劣化し難い電極62a,62bを得ることもできる。
Such a moved fluid moving
(1) Since the coefficient of thermal expansion of the Kovar metal constituting the
(2) Since the flow path and the electrode can be integrally formed without using a soft material such as an adhesive, the
(3) The Kovar metal constituting the
なお、コバール金属からなる電極62a,62bは、薄膜状に形成することもできる。また、電極62a,62bは、ワイヤー状又はチューブ状に形成することもできる。更に、電極62a,62bは、電鋳法により流路内の一部を埋めるように形成することもでき、フォトエッチング或いはリフトオフにより形成することもできる。
The
また、被移動体を流路内で振動させるために、流路の近傍に同流路の壁面を振動させ得るアクチュエータを配設してもよい。具体的には、被移動体移動デバイスが、流路を形成する流路形成部と、実質的に非圧縮性であって前記流路に同流路を実質的に少なくとも二つに分離するように収容される被移動体と、前記流路の前記被移動体が存在している部分以外の部分に収容される実質的に非圧縮性である作動流体と、前記流路の壁面を振動させる振動用アクチュエータと、前記被移動体を前記流路内で流線方向に移動させる移動用アクチュエータと、を備えていてもよい。 Further, an actuator that can vibrate the wall surface of the flow path may be disposed in the vicinity of the flow path in order to vibrate the movable body in the flow path. Specifically, the movable body moving device and the flow path forming portion that forms the flow path are substantially incompressible and the flow path is substantially separated into at least two of the flow paths. A movable body housed in the fluid passage, a substantially incompressible working fluid housed in a portion of the flow path other than the portion where the movable body is present, and a wall surface of the flow path. You may provide the actuator for vibration, and the actuator for a movement which moves the said to-be-moved body to a streamline direction within the said flow path.
また、そのようなデバイスにおいて、前記振動用アクチュエータは、前記流路形成部に固定された圧電/電歪素子であり、同圧電/電歪素子の伸縮により同流路の壁面を振動させるように構成されていてもよい。更に、前記移動用アクチュエータは、前記作動流体を前記流路に吐出し及び同作動流体を同流路から吸引するポンプ(例えば、上述したセラミックスポンプのようなポンプ)であってもよい。 Further, in such a device, the vibration actuator is a piezoelectric / electrostrictive element fixed to the flow path forming section, and vibrates the wall surface of the flow path by expansion / contraction of the piezoelectric / electrostrictive element. It may be configured. Further, the moving actuator may be a pump that discharges the working fluid into the flow path and sucks the working fluid from the flow path (for example, a pump such as the ceramic pump described above).
さらに、本願において以下の第4の発明が提供される。本第4の発明は、マイクロモーター、マイクロセンサー及びマイクロリレー等のマイクロマシンやマイクロエレクトロメカニカルシステム(Micro Electro Mechanical System,MEMS)と呼ばれる微細電気機械部品に適用され得るデバイス、電気経路や光学経路等に利用され得るスイッチングデバイス、並びにシリンダ等の駆動源等として利用され得るデバイスであって、流路内の被移動体を移動するデバイスに関する。 Furthermore, the following fourth invention is provided in the present application. The fourth aspect of the present invention relates to a device that can be applied to a microelectromechanical component called a micromachine such as a micromotor, a microsensor, a microrelay, or a microelectromechanical system (MEMS), an electrical path, an optical path, and the like. The present invention relates to a switching device that can be used, and a device that can be used as a drive source such as a cylinder, etc., and that moves a moving object in a flow path.
近年、半導体製造技術に代表されるような材料の微細加工技術等を利用して、数ミリから数十ミクロンサイズの微細なマイクロモーター、マイクロセンサー及びマイクロスイッチ等の開発が進められている。それらの要素デバイスは、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロバルブ、フローセンサー、圧力センサー、記録ヘッド、トラッキングサーボ用アクチュエータ、オンチップ生化学分析、マイクロリアクタ、高周波スイッチングデバイス、マイクロ磁気デバイス、マイクロリレー、加速度センサー、ジャイロ、駆動デバイス、ディスプレイ、光スキャナ、等々へ幅広く応用され得る。 In recent years, micro-motors, micro-sensors, micro-switches, and the like having a size of several millimeters to several tens of microns have been developed using a microfabrication technique for materials such as semiconductor manufacturing techniques. These element devices include, for example, inkjet printer heads, microvalves, flow sensors, pressure sensors, recording heads, tracking servo actuators, on-chip biochemical analysis, microreactors, high-frequency switching devices, micromagnetic devices, microrelays, acceleration sensors. , Gyros, driving devices, displays, optical scanners, and so on.
これらのデバイスのうち、例えば、日本国特許公開昭和47−21645号公報(第2頁、第2図及び第3図)に開示されたスイッチングデバイスは、流路内において被移動体としての水銀を移動させ、この水銀により流路壁に設けられた複数の電極の導通状態を切り替えるようになっている。
Among these devices, for example, the switching device disclosed in Japanese Patent Publication Showa 47-21645 (
この開示されたデバイスは、水銀と電極との状態を接触状態から非接触状態へと変更したり、逆に非接触状態から接触状態に変更することによりスイッチング動作を行うようになっている。このデバイスの場合、水銀と電極とが接触状態にあるときの両者間の電気的抵抗値が小さいほど、スイッチにおける電気的損失は小さくなる。水銀と電極の間の電気的抵抗値を小さくするには、電極を水銀との濡れ性が良好となる材質により形成すれば良い。 This disclosed device performs a switching operation by changing the state of mercury and electrodes from a contact state to a non-contact state, or conversely, changing from a non-contact state to a contact state. In this device, the smaller the electrical resistance between the mercury and the electrode in contact, the smaller the electrical loss in the switch. In order to reduce the electrical resistance value between mercury and the electrode, the electrode may be formed of a material that has good wettability with mercury.
ところが、電極と水銀との濡れ性が良好であると、両者間の状態を接触状態から非接触状態へと移行することが困難となる。その結果、スイッチングの応答性が悪化したり、水銀を移動するために必要なアクチュエータの発生力を大きくする必要が生じる。このような問題は、電極を持たないデバイスや、水銀が電極を常に覆いながら移動するデバイス等にも不可避的に存在する。即ち、一般に流路内にて被移動体を移動させるデバイスにおいては、被移動体が流路の壁面から摩擦力を受けるため、被移動体を高速で移動させ難いという問題がある。 However, if the wettability between the electrode and mercury is good, it becomes difficult to shift the state between the two from the contact state to the non-contact state. As a result, the responsiveness of switching deteriorates, and it is necessary to increase the generated force of the actuator necessary for moving mercury. Such a problem inevitably exists in a device that does not have an electrode or a device in which mercury moves while always covering the electrode. That is, in general, a device that moves a moving object in a flow path has a problem that it is difficult to move the moving object at a high speed because the moving object receives a frictional force from the wall surface of the flow path.
第4の発明は、上述した問題に対処するためになされたものであって、流路内の被移動体を高速で移動させ得るデバイスを提供することにある。第4の発明によるデバイスは、例えば、高速スイッチング動作が必要なスイッチ(スイッチングデバイス)等に特に好適に用いられ得る。 The fourth invention is made to cope with the above-described problem, and provides a device capable of moving a moving object in a flow path at high speed. The device according to the fourth aspect of the invention can be particularly suitably used for a switch (switching device) that requires high-speed switching operation, for example.
上記目的を達成するため、第4の発明の流路内の被移動体を移動するデバイスは、流路を形成する流路形成部を有する基体と、実質的に非圧縮性であって前記流路に同流路を実質的に少なくとも二つに分離するように収容される被移動体と、前記流路の前記被移動体が存在している部分以外の部分に収容される実質的に非圧縮性である作動流体と、前記流路の壁面を振動させる振動用アクチュエータと、前記被移動体を前記流路内で流線方向に移動させる移動用アクチュエータと、を備えている。 In order to achieve the above object, a device for moving a moving object in a flow channel according to a fourth aspect of the present invention includes a substrate having a flow channel forming part that forms a flow channel, and a substantially non-compressible, A movable body that is accommodated so as to substantially separate the flow path into at least two in the path, and a substantially non-accommodated portion that is accommodated in a portion of the flow path other than the portion where the movable body exists A working fluid that is compressible, a vibration actuator that vibrates the wall surface of the flow path, and a movement actuator that moves the movable body in a streamline direction in the flow path.
これによれば、振動用アクチュエータにより流路の壁面が振動せしめられるので、被移動体は流路内で振動する。この被移動体の振動に伴い、作動流体が被移動体と流路の壁面との僅かな隙に入出し、被移動体と流路の壁面との間に膜を形成する。この膜は、凹凸のある流路の壁面を実質的に滑らかにする。この結果、移動用アクチュエータにより流路内を移動せしめられる被移動体は、滑らかな膜上をすべりながら移動することになるので、被移動体が流路壁面から受ける摩擦力は減少する。このため、被移動体は高速で移動することができる。従って、係るデバイスを、被移動体により開閉する電極を備えたスイッチとして使用すれば、高速スイッチングが可能なスイッチングデバイスが提供される。 According to this, since the wall surface of the flow path is vibrated by the vibration actuator, the moving object vibrates in the flow path. With this vibration of the moving body, the working fluid enters a slight gap between the moving body and the wall surface of the flow path, and a film is formed between the moved body and the wall surface of the flow path. This membrane makes the walls of the uneven channel substantially smooth. As a result, the moving object that is moved in the flow path by the moving actuator moves while sliding on the smooth film, so that the frictional force that the moving object receives from the wall surface of the flow path decreases. For this reason, a to-be-moved body can move at high speed. Therefore, if such a device is used as a switch having an electrode that is opened and closed by a movable body, a switching device capable of high-speed switching is provided.
この場合、前記振動用アクチュエータは、前記流路形成部に固定された圧電/電歪素子であり、同圧電/電歪素子の伸縮により同流路の壁面を振動させるように構成されることが好適である。 In this case, the vibration actuator is a piezoelectric / electrostrictive element fixed to the flow path forming portion, and is configured to vibrate the wall surface of the flow path by expansion and contraction of the piezoelectric / electrostrictive element. Is preferred.
一般に、圧電/電歪素子の伸縮の周波数は極めて大きくされ得る。従って、前記構成によれば、流路を高周波数をもって振動させることができるので、被移動体の移動に好適な上述した膜を容易に形成することができる。 In general, the expansion / contraction frequency of the piezoelectric / electrostrictive element can be extremely increased. Therefore, according to the said structure, since a flow path can be vibrated with a high frequency, the above-mentioned film | membrane suitable for a movement of a to-be-moved body can be formed easily.
また、前記移動用アクチュエータは、前記作動流体を前記流路に吐出し及び同作動流体を同流路から吸引するポンプであってよい。この場合、前記ポンプは、セラミックダイヤフラムを一つの壁として備えたポンプ室と膜型圧電素子とを含み、同膜型圧電素子によって同セラミックダイヤフラムを変形して同ポンプ室の容積を変更することにより前記作動流体の吐出及び吸引を行うポンプであることが好適である。 The moving actuator may be a pump that discharges the working fluid into the flow path and sucks the working fluid from the flow path. In this case, the pump includes a pump chamber having a ceramic diaphragm as a wall and a membrane type piezoelectric element, and the volume of the pump chamber is changed by deforming the ceramic diaphragm by the membrane type piezoelectric element. A pump that discharges and sucks the working fluid is preferable.
このような膜型圧電素子とセラミックスダイヤフラムを用いたポンプによれば、所望のタイミングにて遅滞なく作動流体の吐出及び吸引を行うことができるので、その作動流体の吐出又は吸引によって所望のタイミングにて被移動体を移動させることができる。 According to the pump using such a film-type piezoelectric element and a ceramic diaphragm, the working fluid can be discharged and sucked without delay at a desired timing, so that the working fluid can be discharged or sucked at a desired timing. To move the object to be moved.
一方、前記被移動体は前記作動流体に対して不溶性であり且つ前記流路の壁面に対する濡れ性が同作動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも非良好な流体(即ち、被移動流体)であり、前記移動用アクチュエータは、前記流路の一部の流路断面積を変化させることにより前記被移動体を同被移動体の前記壁面に対する濡れ性に基づく斥力を利用して移動させるように構成されることも好適である。 On the other hand, the movable body is insoluble in the working fluid, and the wettability with respect to the wall surface of the flow path is less favorable than the wettability of the working fluid with respect to the wall surface of the flow path (that is, the moved fluid). The moving actuator moves the movable body using repulsive force based on the wettability of the movable body with respect to the wall surface by changing a flow passage sectional area of a part of the flow passage. It is also preferable to be configured as described above.
流路は、流路内圧の変化を吸収してしまうガタツキ部を不可避的に有する。従って、作動流体を流路内に吐出し、或いは、作動流体を流路内から吸引することによって被移動流体を移動させる場合、作動流体の吐出又は吸引の開始から流路内の圧力が変化して被移動流体の移動が開始するまでに時間を要する場合がある。これに対し、上記構成のように、流路断面積を変化させることにより生じる濡れ性に基づく斥力を利用して被移動流体を移動させれば、被移動流体の移動は流路断面積の開始直後から直ちに開始する。従って、上記構成によれば、一層高速に被移動体を移動させることが可能なデバイスが提供され得る。 The flow path inevitably has a shaky part that absorbs changes in the flow path internal pressure. Therefore, when the fluid to be moved is moved by discharging the working fluid into the flow path or by sucking the working fluid from the flow path, the pressure in the flow path changes from the start of discharge or suction of the working fluid. Thus, it may take time before the movement of the fluid to be moved starts. In contrast, if the fluid to be moved is moved using repulsive force based on the wettability generated by changing the channel cross-sectional area as in the above configuration, the movement of the fluid to be moved starts the channel cross-sectional area. Start immediately after. Therefore, according to the said structure, the device which can move a to-be-moved body at higher speed can be provided.
また、前記流路の一部の流路断面積を変化させる移動用アクチュエータは、前記流路の壁の一部を変形することにより同流路の一部の流路断面積を変化させるアクチュエータであって、前記振動用アクチュエータとしても使用されるように構成されていてもよい。この場合、前記振動用アクチュエータは、前記移動用アクチュエータとは別に設けられていてもよく、或いは、この移動用アクチュエータだけで構成されていてもよい。 Further, the moving actuator that changes the cross-sectional area of a part of the flow path is an actuator that changes the cross-sectional area of a part of the flow path by deforming a part of the wall of the flow path. Thus, it may be configured to be used as the vibration actuator. In this case, the vibration actuator may be provided separately from the moving actuator, or may be constituted only by the moving actuator.
更に、前記基体は、前記振動せしめられる流路の壁面を構成する部材と同部材を包囲する部材とから構成され、同振動せしめられる流路の壁面を構成する部材は同部材を包囲する部材の剛性よりも高い剛性を有する材料から形成されてなることが好適である。また、少なくとも前記振動せしめられる流路の壁面を構成する部材がセラミックス、ガラス及びシリコンのうちの少なくとも一つから構成されてなることが好適である。 Further, the base is composed of a member constituting the wall surface of the flow path to be vibrated and a member surrounding the member, and the member constituting the wall face of the flow path to be vibrated is a member of the member surrounding the member. It is preferable to be formed from a material having higher rigidity than rigidity. Further, it is preferable that at least the member constituting the wall surface of the flow path to be vibrated is made of at least one of ceramics, glass and silicon.
これらによれば、振動せしめられる流路の壁面の剛性が高くなるので、壁面の共振周波数が高くなる。従って、被移動体を滑らかに移動させるのに好適な前述した膜を形成するために必要な振動数で流路の壁面を振動させることが可能となる。 According to these, since the rigidity of the wall surface of the flow path to be vibrated is increased, the resonance frequency of the wall surface is increased. Therefore, the wall surface of the flow path can be vibrated at a frequency necessary for forming the above-described film suitable for smoothly moving the moving object.
ところで、流路の壁面の表面粗さは「算術的平均粗さRa」により表される。算術的平均粗さRaは、以下のように定義される値である。
(1)流路をある平面により切断し、その平面内における流路の壁面の凹凸を示す粗さ曲線f(x)を求める。
(2)壁面に沿った所定の距離Lに対する粗さ曲線f(x)の平均値(平均線)faveを求める。
(3)上記距離Lの部分の粗さ曲線f(x)と平均線faveの偏差の絶対値を合計し、この合計値から距離Lに関して平均値を求める。この平均値が算術的平均粗さRaである。即ち、算術的平均粗さRaは、次の(1)式により求められる値である。
By the way, the surface roughness of the wall surface of the flow path is expressed by “arithmetic average roughness Ra”. The arithmetic average roughness Ra is a value defined as follows.
(1) The flow path is cut along a certain plane, and a roughness curve f (x) indicating the unevenness of the wall surface of the flow path in the plane is obtained.
(2) An average value (average line) fave of the roughness curve f (x) with respect to a predetermined distance L along the wall surface is obtained.
(3) The absolute values of the deviations of the roughness curve f (x) and the average line fave at the distance L are summed, and the average value for the distance L is obtained from the sum. This average value is the arithmetic average roughness Ra. That is, the arithmetic average roughness Ra is a value obtained by the following equation (1).
このようにして求められる流路壁面の算術的平均粗さRaが0.02μmより小さい(即ち、流路の壁面の凹凸が過小であって流路壁面が滑らかである)と、被移動体と流路壁面との間に作動流体が浸入し難く、被移動体と流路壁面との間に存在する作動流体の量が少なくなりすぎる。この結果、被移動体と流路の壁面との間に被移動体を滑らかに移動するための膜が形成できない。 When the arithmetic average roughness Ra of the flow path wall surface thus obtained is smaller than 0.02 μm (that is, the unevenness of the flow path wall surface is excessively small and the flow path wall surface is smooth), It is difficult for the working fluid to enter between the flow path wall surface, and the amount of the working fluid existing between the movable body and the flow path wall surface becomes too small. As a result, a film for smoothly moving the moving object cannot be formed between the moving object and the wall surface of the flow path.
一方、流路壁面の算術的平均粗さRaが5.0μmより大きい(即ち、流路壁面の凹凸が過大である)と、流路壁面の凹部に作動流体が集中して存在し、被移動体と同被移動体を支持する流路壁面の凸部との間に存在する作動流体の量が過小となる。この結果、被移動体と流路壁面との間に同被移動体を滑らかに移動するための膜が形成できない。 On the other hand, when the arithmetic average roughness Ra of the flow path wall surface is larger than 5.0 μm (that is, the unevenness of the flow path wall surface is excessive), the working fluid is concentrated in the recesses of the flow path wall surface, and is moved. The amount of the working fluid existing between the body and the convex portion of the flow path wall surface that supports the body to be moved becomes too small. As a result, a film for smoothly moving the movable body cannot be formed between the movable body and the channel wall surface.
従って、このようなデバイスにおいては、少なくとも前記振動せしめられる流路の壁面の表面粗さを表す算術平均粗さRaが0.02乃至5.0μmの間の値であることが好適である。 Therefore, in such a device, it is preferable that the arithmetic average roughness Ra representing the surface roughness of the wall surface of the flow path to be vibrated is a value between 0.02 and 5.0 μm.
以下、第4の発明による流路内の被移動体を移動するデバイスの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。流路内で移動される被移動体は非圧縮性の固体であってもよく、後述するように非圧縮性の流体(被移動流体)であってもよい。被移動体としての固体は、導電性を有していてもよく、誘電体であってもよい。被移動体が被移動流体である場合、第4の発明による流路内の被移動体を移動するデバイスは、単に「被移動流体移動デバイス」と称呼される。なお、第4の発明は、以下に述べる実施形態に限定されるものではなく、第4の発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(第1実施形態)
図31は、第4の発明の第1実施形態に係る被移動流体移動デバイス10の平面図である。図32は図31の1−1線に沿った平面にて被移動流体移動デバイス10を切断した断面図である。なお、電気制御装置20は図31において概念的に示され、図32において省略されている。
Hereinafter, embodiments of a device for moving a moving object in a flow path according to a fourth invention will be described with reference to the drawings. The moving object moved in the flow path may be an incompressible solid, or may be an incompressible fluid (moving fluid) as described later. The solid as the object to be moved may have conductivity or may be a dielectric. When the moving body is a moving fluid, the device that moves the moving body in the flow path according to the fourth invention is simply referred to as a “moving fluid moving device”. The fourth invention is not limited to the embodiment described below, and various changes, modifications, and improvements are made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the fourth invention. To get.
(First embodiment)
FIG. 31 is a plan view of the moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス10は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状のセラミックスからなる基体10aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12と、複数(ここでは5個)の圧電素子16と、樹脂層17と、電気制御装置20とを備えている。基体10a、第1ポンプ11及び第2ポンプ12は、被移動流体F1及び作動流体F2の収容体を構成している。
The moving
基体10aは、図32に示したように、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)10a1〜10a3をZ軸方向に積層し、これらを焼成一体化することにより形成されている。基体10aは、図31及び図32に示したように、その内部に、流路13aを構成する流路形成部13と第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。なお、セラミックシート10a1〜10a3を接着によって一体化することにより、基体10aを形成してもよい。
As shown in FIG. 32, the
第1ポンプ11は、作動流体F2を吐出及び吸引することにより、被移動流体F1を流路13a内において流線方向(X軸方向)に移動するアクチュエータ(移動用アクチュエータ)として機能する。第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aと駆動部11bとを含んで構成されている。
The
第1ポンプ室11aは、セラミックシート10a3の上面に焼成により一体的に固定されたセラミックシート11a1と、そのセラミックシート11a1の上面に焼成により一体的に固定された容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)11a2とにより構成されている。第1ポンプ室11aには作動流体F2が収容されている。
The
セラミックシート11a1は、平面視で円形であり、中空円筒状の貫通孔を有している。セラミックダイヤフラム11a2は、平面視でセラミックシート11a1と同じ円形であり、セラミックシート11a1の貫通孔の上面を閉塞するようにセラミックシート11a1の上部に固定されている。第1ポンプ室11aは、セラミックシート11a1の貫通孔を形成する側壁面とセラミックダイヤフラム11a2の下面とにより規定された空間である。
The ceramic sheet 11a1 is circular in a plan view and has a hollow cylindrical through hole. The ceramic diaphragm 11a2 has the same circular shape as the ceramic sheet 11a1 in plan view, and is fixed to the upper part of the ceramic sheet 11a1 so as to close the upper surface of the through hole of the ceramic sheet 11a1. The
駆動部11bは、平面視でセラミックシート11a1の貫通孔と同じ円形を有する薄板体(厚さは、例えば20μm程度である。)である。駆動部11bは、セラミックダイヤフラム11a2の上面に焼成等により一体的に固定されている。駆動部11bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子である。駆動部11bは、前記一対の電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム11a2を変形させる。これにより、駆動部11bは、第1ポンプ室11aの容積を増減し、第1ポンプ室11a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプであり、第1ポンプ室11aの容積を初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプでもある。なお、駆動部11bは、電歪膜又は反強誘電体膜とこの膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
このように構成された第1ポンプ11は、駆動部11bの膜型圧電素子、セラミックダイヤフラム11a2及びセラミックシート11a1が、接着剤等を使用することなく、一体的に形成されている。従って、第1ポンプ11は高い剛性を有することができるので、作動流体F2の吐出又は吸引を高速で行うことができる。
In the
第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様、作動流体F2を吐出及び吸引することにより、被移動流体F1を流路13a内において流線方向(X軸方向)に移動するアクチュエータ(移動用アクチュエータ)として機能する。第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aと、駆動部11bと同様の膜型圧電素子である駆動部12bと、を含んでいる。
Similarly to the
第2ポンプ室12aは、セラミックシート10a3の上面に焼成により一体的に固定されたセラミックシート12a1と、そのセラミックシート12a1の上面に焼成により一体的に固定された容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)12a2とにより構成されている。第2ポンプ室12aには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様の構成を備えているので詳細な説明を省略する。
The
第2ポンプ12は、駆動部12bの電極間に駆動電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム12a2を変形させることにより第2ポンプ室12aの容積を増減し、第2ポンプ室12a内部の流体を加減圧するようになっている。
The
換言すると、第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aの容積を駆動電圧が印加されていないときの初期容積より増大することにより流体を吸引可能なポンプであり、第2ポンプ室12aの容積を初期容積より減少することにより流体を吐出可能なポンプでもある。なお、駆動部12bは、反強誘電体膜と同反強誘電体膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
In other words, the
このように構成された第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様に、駆動部12bの膜型圧電素子、セラミックダイヤフラム12a2及びセラミックシート21a1が、接着剤等を使用することなく、一体的に形成されている。従って、第2ポンプ12は高い剛性を有することができるので、作動流体F2の吐出又は吸引を高速で行うことができる。なお、係る一体構造による利点は、以下に述べる他の実施形態のポンプも有するものである。
Like the
また、第1ポンプ11は、流路内の作動流体F2を吸引するが、このとき被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第1ポンプ11内(及び第1ポンプ連通部14内)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。同様に、第2ポンプ12は、流路内の作動流体F2を吸引するが、場合により被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第2ポンプ12内(及び第2ポンプ連通部15)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。
Further, the
ここで、第1,第2ポンプ11,12についての具体的な寸法を例示すると、中空円筒形の第1,第2ポンプ室11a,12aの底面(上面)の各半径は0.5mm程度であり、各高さは150μm程度である。また、円形薄板状のセラミックダイヤフラム11a2,12a2の各半径は0.5mm程度であり、各厚さ(高さ)は10μm程度である。
Here, exemplifying specific dimensions of the first and
流路形成部13は、流路13aを構成する部分である。流路13aは、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される密閉された空間である。セラミックシートは絶縁体であるから、流路13aの壁面を介して電流が流れることはない。
The flow
流路13aは、直線状で細長の空間であって、X軸に沿う方向に流線方向(長手方向の軸)を有している。流路13aは、流線方向に直交する平面で(Y−Z平面)で同流路13aを切断した断面(以下、この断面を「流路の縦断面」と云うことがある。)が略正方形状となっている。流路13aは、マイクロチャネルとも呼ばれる。流路13aの流線方向の長さは1mm程度であり、前記縦断面の正方形の一辺(流路の高さ及び幅)は数10μm程度である。
The
流路13a内には被移動流体F1と作動流体F2とが収容され、流路13aはこれらの流体により実質的に満たされている。被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体であり、本例では水銀である。被移動流体F1は、非圧縮性であればよく、磁性材料、ガリウム合金の如き液体金属及び油等であってもよい。被移動流体F1は塊状となって流路13a内に存在する。これにより、被移動流体F1は、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との二つの空間に実質的に分離している。
A fluid F1 and a working fluid F2 are accommodated in the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート、パラフィン系電気絶縁油及びシリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の流路13a壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路13a壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent fluorinate, paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like. As the working fluid F2, a fluid is selected in which the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the
流路13aには、互いに電気的に絶縁された一対の電極21a,21bが配設されている。電極21a及び電極21bは、基体10aのX軸方向中央部よりもX軸負側の位置であって第2ポンプ連通部15(後述の第2開口)よりもX軸正側の位置において、流路13aを挟んで対向するように同流路13aに露呈している。
A pair of
電極21a,21bは、それぞれ図示しない配線を介して基体10aの外部の図示しない回路に接続されている。電極21aと電極21bは、被移動流体F1が基体10aのX軸方向略中央部に存在する場合(即ち、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき)、非導通状態となるように配設されている。また、電極21a及び電極21bは、被移動流体F1がX軸負側に移動せしめられたとき、被移動流体F1を介して導通状態となるように配設されている。
The
第1ポンプ連通部14は、第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bとを形成する部分である。第1ポンプ連通部14は、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 1st
第1流路接続部14aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第1開口14a1を形成している。第1ポンプ接続部14bは、第1流路接続部14aの他方の端部と第1ポンプ室11aとを連通している。第1流路接続部14aと第1ポンプ接続部14bには作動流体F2が収容されている。
One end of the first flow
第1開口14a1は、流路13aのX軸正方向端部近傍に設けられている。第1開口14a1は、正面視において(Y軸方向から見て)流路13aの流線方向(X軸方向)に沿う辺と同流線方向に直交する方向(この場合、Z軸方向)に沿う辺とからなる略正方形状を有している。
The first opening 14a1 is provided in the vicinity of the end portion in the positive direction of the X axis of the
第2ポンプ連通部15は第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bとを形成する部分である。第2ポンプ連通部15は、セラミックシート10a2内に設けられたスリットの側壁、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間、並びにセラミックシート10a3に設けられた円柱状の貫通孔により画定される空間である。
The 2nd
第2流路接続部15aは、その一方の端部が流路13aに接続されていて、流路13aに第2開口15a1を形成している。第2開口15a1は、流路13aのX軸負方向端部近傍に設けられている。第2開口15a1の形状は、第1開口14a1の形状と同一である。第2ポンプ接続部15bは、第2流路接続部15aの他方の端部と第2ポンプ室12aとを連通している。第2流路接続部15aと第2ポンプ接続部15bには作動流体F2が収容されている。第2流路接続部15aは、第1流路接続部14aと同一構造を有している。
One end of the second flow
圧電素子16は、一つの圧電膜と、この圧電膜を挟んで対向する一対の電極膜とからなる組を複数組積層した積層型の圧電素子である。圧電素子16は、一対の共通電極を備えている。前記電極膜は、その一対の共通電極の何れかに交互に接続されている。圧電素子16は、流路13aを構成するセラミックシート10a1の下面に焼成(又は接着)により強固に固定されている。圧電素子16は、一対の共通電極に所定の駆動電圧が印加されることにより伸縮する。この伸縮が繰り返されることにより、流路13aの下壁(壁面)が振動する。
The
樹脂層17は、圧電素子16を覆うようにセラミックシート10a1の下面に形成されている。樹脂層17は、圧電素子16を空気中の水分等から保護する機能を有する。
The
電気制御装置20は、第1ポンプ11の駆動部11bの電極間に電気的に接続されていて、同駆動部11bの電極間に第1駆動電圧V1を付与するとともに、第2ポンプ12の駆動部12bの電極間に電気的に接続されていて、同駆動部12bの電極間に第2駆動電圧V2を付与するようになっている。第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2は、被移動流体F1を移動するための信号である。このような駆動電圧は、以下、「移動用駆動電圧Vm」とも称呼される。更に、電気制御装置20は、複数の圧電素子16に接続されていて、各圧電素子16に第3駆動電圧V3を付与するようになっている。第3駆動電圧V3は、流路13a(流路13aの壁、流路13aの壁面)を振動させるための信号である。以下、このような駆動電圧は、「振動用駆動電圧Vv」とも称呼される。
The
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス10の作動について図33及び図34を参照しながら説明する。図33は、上から順に、第1駆動電圧V1のタイムチャート、第2駆動電圧V2のタイムチャート及び第3駆動電圧V3のタイムチャートである。これらのチャートにおける横軸は同一スケールの時間である。
Next, the operation of the moved fluid moving
先ず、電気制御装置20は、時刻t0〜t1までの期間、第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2を「0」とする。かかる状態をデバイス10の初期状態と称呼する。このとき、被移動流体F1は、図32に示したように、流路13aのX軸方向略中央の位置(初期位置)において一つの塊として存在している。
First, the
即ち、被移動流体F1の流路13aの壁面に対する濡れ性が作動流体F2の流路13aの壁面に対する濡れ性よりも非良好であるから、被移動流体F1は表面積を最小とするように流路13a内において流体の塊となって存在する。このような状態においては、被移動流体F1は流路13aの壁面に実質的に接触し、流路13aをX軸正方向側の空間とX軸負方向側の空間との2つの空間に分離する。作動流体F2は、流路の被移動流体F1が存在していない部分を満たしている。図31から理解されるように、被移動流体移動デバイス10が初期状態にあるとき、被移動流体F1は電極21a及び電極21bの何れにも接触しない位置に存在する。従って、電極21a及び電極21bは非導通状態となる。
In other words, the wettability of the fluid F1 to the wall surface of the
一方、電気制御装置は、時刻t0から、所定の周波数fvで正弦波状に変化する第3駆動電圧V3を圧電素子16に継続的に付与している。第3駆動電圧V3は、その振幅がVbであり、その振幅中心は「0」である。この結果、圧電素子16は伸縮を周波数fvで繰り返すので、流路13a(の壁面)が同周波数fvで振動する。被移動流体F1は、この流路13aの壁面の振動を受けて流路13a内で振動する。
On the other hand, the electric control device continuously applies the third drive voltage V3 that changes in a sine wave shape at a predetermined frequency fv to the
このような流路13aの壁面の振動及びこれに伴う被移動流体F1の振動によって、推定ではあるが、作動流体F2は被移動流体F1と流路13aの壁面との僅かな隙に入出し、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に膜を形成する。この膜は、凹凸のある流路13aの壁面を実質的に滑らかにする。この結果、被移動流体F1は流路13a内を滑らかに移動することができる状態に置かれる。
Due to the vibration of the wall surface of the
時刻t1になると、電気制御装置20は、第1駆動電圧V1を「0」からVaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて所定時間(t2−t1)だけ増大せしめる。これにより、駆動部11bがセラミックダイヤフラム11a2を下方に直ちに屈曲変位させ始めるので、第1ポンプ室11aから第1開口14a1を介して流路13a内に作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吐出される。
At time t1, the
電気制御装置20は、また、時刻t1になると、第2駆動電圧V2を「0」から−Vaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて所定時間(t2−t1)だけ減少せしめる。これにより、駆動部12bがセラミックダイヤフラム12a2を上方に直ちに屈曲変位させ始めるので、流路13a内の作動流体F2が第2ポンプ室12aに第2開口15a1を介して第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吸引される。
Further, at time t1, the
この結果、被移動流体F1はX軸負方向に移動し始める。一方、時刻t1〜t2においても、圧電素子16の伸縮作動は繰り返し行われている。従って、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなっているので、被移動流体F1は流路13a内を滑らかにX軸負方向へ移動する。そして、被移動流体F1は、時刻t2にて、電極21aと電極21bとを完全に覆う位置(作動位置)に移動する。この結果、電極21aと電極21bは、導通状態となる。
As a result, the moved fluid F1 starts to move in the negative direction of the X axis. On the other hand, the expansion / contraction operation of the
電気制御装置20は、時刻t2〜t3の間、第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2をVa及び−Vaにそれぞれ維持する。そして、時刻t3になると、電気制御装置20は、第1駆動電圧V1をVaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|=|Va/(t4−t3)|)にて所定時間(t2−t1=t4−t3)だけ減少せしめる。これにより、駆動部11bがセラミックダイヤフラム11a2を上方に直ちに屈曲変位させ始めるので、流路13a内の作動流体F2が第1ポンプ室11aに第1開口14a1を介して第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吸引される。
The
電気制御装置20は、また、時刻t3になると、第2駆動電圧V2を−Vaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|=|Va/(t4−t3)|)にて所定時間(t2−t1=t4−t3)だけ増大せしめる。これにより、駆動部12bがセラミックダイヤフラム12a2を下方に直ちに屈曲変位させ始めるので、第2ポンプ室12aから第2開口15a1を介して流路13a内に作動流体F2が第1の速度に応じた流量(第1の流量)をもって吐出される。
Further, at time t3, the
この結果、被移動流体F1はX軸正方向に移動し始める。一方、時刻t3〜t4においても、圧電素子16の伸縮作動は繰り返し行われている。従って、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなっているので、被移動流体F1は流路13a内を滑らかにX軸正方向に移動する。そして、被移動流体F1は、時刻t4にて、初期位置に復帰する。これにより、電極21aと電極21bは再び非導通状態となる。以降、電気制御装置は、時刻t1〜t4の動作を繰り返し実行する。
As a result, the moved fluid F1 starts to move in the positive direction of the X axis. On the other hand, the expansion / contraction operation of the
以上、説明したように、被移動流体移動デバイス10においては、流路13aの壁面の振動及びこれに伴う被移動流体F1の振動によって、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に作動流体F2からなる膜が形成されるので、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなる。従って、被移動流体移動デバイス10は、より高速に被移動流体F1を移動させることが可能となる。換言すると、被移動流体移動デバイス10は、より高速なスイッチング動作を行うことができる。
(第2実施形態)
次に、第4の発明の第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30について、図34及び図35を参照しながら説明する。図34は被移動流体移動デバイス30の概念的な断面図である。図34において、電気制御装置20は省略されている。図35は被移動流体移動デバイス30において用いられる移動用駆動電圧Vmと振動用駆動電圧Vvのタイムチャートである。
As described above, the moved fluid moving
(Second Embodiment)
Next, a moved fluid moving
この被移動流体移動デバイス30は、被移動流体移動デバイス10の第2ポンプ12及び第2ポンプ連通部15を圧力変動吸収部31及び接続部32にそれぞれ置換した点のみにおいて、被移動流体移動デバイス10と相違している。以下、かかる相違点を中心として説明する。
This moved fluid moving
圧力変動吸収部31は、第2ポンプ12から駆動部12bを除去したものと実質的に同一の構造を有している。圧力変動吸収部31は、第2ポンプ連通部15と実質的に同一の構造を有する接続部32により流路13aのX軸負方向端部近傍において流路13aと接続されている。
The pressure
次に、上記のように構成された被移動流体移動デバイス30の作動について説明する。図35に示したように、電気制御装置20は、第1ポンプ11の駆動部11bに上記第1駆動電圧V1と同一の移動用駆動電圧Vmを付与するとともに、圧電素子16に上記第3駆動電圧V3と同一の振動用駆動電圧Vvを付与するようになっている。
Next, the operation of the moved fluid moving
即ち、電気制御装置20は、時刻t0にて、移動用駆動電圧Vmを略「0」とする。かかる状態を初期状態と称呼する。このとき、被移動流体F1は流路13aのX軸方向略中央の位置(初期位置)において一つの塊として存在している。従って、被移動流体F1は電極21a及び電極21bの何れにも接触しないので、電極21a及び電極21bは非導通状態に維持される。
That is, the
以降、電気制御装置20は、移動用駆動電圧Vmを第1ポンプ11の駆動部11bに付与する。従って、時刻t1〜t2の期間、第1ポンプ11は第1開口14a1を介して流路13a内に作動流体F2を吐出する。この作動流体F2の吐出による流路13a内の圧力変動は、圧力変動吸収部31の容積変化によって吸収される。また、時刻t1〜t2においても、圧電素子16の伸縮作動は繰り返し行われているので、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に作動流体F2からなる膜が形成されている。従って、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなっているので、被移動流体F1は流路13a内を滑らかにX軸負方向へ移動する。そして、被移動流体F1は時刻t2にて電極21aと電極21bとを完全に覆う位置(作動位置)に移動する。この結果、電極21aと電極21bとは導通状態となる。
Thereafter, the
また、時刻t3〜t4の期間、第1ポンプ11は第1開口14a1を介して流路13a内から作動流体F2を吸引する。この作動流体F2の吸引による流路13a内の圧力変動は、圧力変動吸収部31の容積変化によって吸収される。また、時刻t3〜t4においても、圧電素子16の伸縮作動は繰り返し行われているので、被移動流体F1と流路13aの壁面との間に作動流体F2からなる膜が形成されている。従って、被移動流体F1が流路13aの壁面から受ける摩擦力は小さくなっているので、被移動流体F1は流路13a内を滑らかにX軸正方向へ移動する。そして、被移動流体F1は時刻t4にて初期位置に復帰する。これにより、電極21aと電極21bは再び非導通状態となる。以降、電気制御装置は、時刻t1〜t4の動作を繰り返し実行する。
Further, during the period from time t3 to t4, the
以上、説明したように、第4の発明の第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30は、被移動流体移動デバイス10と同様に、流路13aの壁面の振動及びこれに伴う被移動流体F1の振動によって形成される作動流体F2の膜により、高速で被移動流体F1を移動させることが可能となる。換言すると、被移動流体移動デバイス30は、高速スイッチング動作を行うことができる。
(第3実施形態)
次に、第4の発明の第3実施形態に係る被移動流体移動デバイス50について、図36及び図37を参照しながら説明する。図36は被移動流体移動デバイス50の概念的な断面図である。図36の(A)は被移動流体移動デバイス50が初期状態にある場合、図36の(B)は被移動流体移動デバイス50が作動状態にある場合を示している。図37は被移動流体移動デバイス50において用いられる移動用駆動電圧Vmと振動用駆動電圧Vvのタイムチャートである。
As described above, similarly to the moved fluid moving
(Third embodiment)
Next, a moved
被移動流体移動デバイス50は、基体50aと、複数(ここでは7個)の圧電素子51と、樹脂層52と、図示を省略した電気制御装置とを備えている。基体50aは、セラミックシート50a1〜50a3を積層して焼成により一体化することにより形成され、基体10aと同じ直方体形状を有している。基体50aは、流路形成部13と同様な流路形成部53を含んでいる。流路形成部53は、流路13aと同様な流路53aを形成している。
The
セラミックシート50a3は、薄板部(ダイヤフラム)54を有している。薄板部54は、流路53aのX軸方向略中央部に設けられている。薄板部54の上面には膜型圧電素子55が焼成等により固定されている。膜型圧電素子55は、電気制御装置から移動用駆動電圧Vmが付与されると、図36の(B)に示したように、薄板部54を下方に屈曲変形させるようになっている。薄板部54が下方に屈曲変形されると、流路53aのX軸方向略中央部における流路断面積は、流路53aのX軸方向両端部近傍の流路断面積よりも小さくなる。
The
流路53aは、流路13aと同様、被移動流体F1と作動流体F2とを収容している。被移動流体F1は、図36の(A)に示したように、初期状態において流路53aのX軸方向略中央部において一つの塊として存在し、薄板部54に接するようになっている。流路53aの被移動流体F1が存在する以外の部分は、作動流体F2で満たされている。流路53aのX軸方向両端部には、図示を省略した圧力変動吸収部が接続されている。圧力変動吸収部は、その容積が変更することにより、流路53a内の圧力変動を吸収するようになっている。
The
次に、この被移動流体移動デバイス50の作動について説明する。図37に示したように、電気制御装置は、所定の周波数fvで正弦波状に変化する振動用駆動電圧Vvを圧電素子51に継続的に付与する。振動用駆動電圧Vvは、図33に示した第3駆動電圧V3と同一の電圧信号である。この結果、圧電素子51は伸縮を周波数fvで繰り返すので、流路53a(の壁面)が同周波数fvで振動する。被移動流体F1は、この流路53aの壁面の振動を受けて流路53a内で振動する。従って、被移動流体F1と流路53aの壁面との間に、凹凸のある流路53aの壁面を実質的に滑らかにする作動流体F2の膜が形成される。この結果、被移動流体F1は流路53a内を滑らかに移動することができる状態に置かれる。
Next, the operation of the moved fluid moving
一方、電気制御装置は、時刻t0〜t1の間、移動用駆動電圧Vmを「0」に維持している。従って、時刻t0〜t1の間、被移動流体移動デバイス50は初期状態となるから、被移動流体F1は流路53aのX軸方向略中央部に位置している。その後、電気制御装置は、時刻t1になると、移動用駆動電圧Vmを「0」からVaに向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|)にて増大せしめる。
On the other hand, the electric control device maintains the movement drive voltage Vm at “0” during the time t0 to t1. Accordingly, since the
これにより、図36の(B)に示したように、薄板部54が下方に屈曲変形されるので、被移動流体F1は流路53aから被移動流体F1と流路53aの壁面の間の濡れ性に基づく斥力を受け、二つの塊に分離する。その二つの塊の一つはX軸正方向に移動し、他の塊はX軸負方向に移動する。この被移動流体F1の移動は、上述した作動流体F2の膜により、滑らかに行われる。
As a result, as shown in FIG. 36B, the
電気制御装置は、時刻t2〜t3の間、移動用駆動電圧VmをVaに維持する。そして、時刻t3になると、電気制御装置は、移動用駆動電圧VmをVaから「0」に向けて第1の速度(=|Va/(t2−t1)|=|Va/(t4−t3)|)にて減少せしめる。これにより、薄板部54が上方に変形して、被移動流体移動デバイス50は初期状態に復帰するので、二つの塊に分離していた被移動流体F1は、それぞれX軸方向略中央部に移動する。この結果、被移動流体F1は流路53aのX軸方向略中央部にて再び一つの塊となる。この被移動流体F1の移動も、上述した作動流体F2の膜により、滑らかに行われる。以降、電気制御装置は、時刻t1〜t4の動作を繰り返し実行する。
The electric control device maintains the driving voltage Vm for movement at Va for the time t2 to t3. Then, at time t3, the electric control device shifts the driving voltage Vm from Va to “0” for the first speed (= | Va / (t2-t1) | = | Va / (t4-t3). Decrease with |). As a result, the
以上、説明したように、被移動流体移動デバイス50は、流路53aの壁面を振動させるアクチュエータ(振動用アクチュエータ)として圧電素子51を備えている。また、被移動流体移動デバイス50は、薄板部54及び膜型圧電素子55を備えている。薄板部54及び膜型圧電素子55は、被移動流体F1を流路53a内において移動させるアクチュエータ(移動用アクチュエータ)として機能する。
As described above, the
そして、被移動流体移動デバイス50は、振動用アクチュエータにより流路53aの壁面を振動させて作動流体F2の膜を被移動流体F1と流路53aの壁面との間に形成した状態にて、移動用アクチュエータにより被移動流体F1を流路53aの流線方向に移動させる。従って、被移動流体移動デバイス50は、被移動流体F1を流路53a内において滑らかに移動することができる。この結果、初期状態においては被移動流体F1に接触することなく、薄板部54が屈曲変形せしめられた作動状態においては被移動流体F1に接触する一対の電極を流路53aに露呈するように配設すれば、高速スイッチング動作が可能なスイッチングデバイスを得ることができる。
Then, the moved fluid moving
なお、薄板部54及び膜型圧電素子55を、流路53aの壁面を振動させるアクチュエータとして、圧電素子56に加え、又は、圧電素子56に代え、使用することもできる。この場合、図38に示したように、図37に示した移動用駆動電圧Vmに、高周波数の移動用駆動電圧Vvmを重畳した電圧Vmvを膜型圧電素子55に印加すればよい。
(被移動流体移動デバイスの製造方法について)
次に、上述した各被移動流体移動デバイスの材料及び製造方法について説明する。
(基体の材質等)
上述した基体(基体10a及び基体50a等)は、セラミックスとしてのジルコニアの他、シリコン、ガラス、アルミナ、アクリル又はポリカーボネートから構成することもできる。
Note that the
(Regarding the manufacturing method of the fluid movement device to be moved)
Next, materials and manufacturing methods of each of the above-described fluid movement devices will be described.
(Substrate material etc.)
The above-described substrates (
但し、基体は、流路の共振周波数が高い値となるように、比較的剛性が高い材質から形成されることが望ましい。これは、被移動流体F1を滑らかに移動させるのに好適である前述した作動流体F2からなる膜を流路と被移動流体F1との間に形成するためには、流路の壁面を比較的高い周波数で振動せしめる必要があり、流路の共振周波数が低ければ上記膜形成に適切な周波数で流路の壁面を振動させ得ないからである。これら比較的剛性が高い材料例としては、セラミックス、ガラス及びシリコン等を挙げることができる。 However, it is desirable that the substrate is made of a material having a relatively high rigidity so that the resonance frequency of the flow path becomes a high value. This is because, in order to form a film composed of the above-described working fluid F2 suitable for smoothly moving the fluid F1 to be moved, the wall surface of the channel is relatively This is because it is necessary to vibrate at a high frequency, and if the resonance frequency of the flow path is low, the wall surface of the flow path cannot be vibrated at a frequency suitable for the film formation. Examples of these materials having relatively high rigidity include ceramics, glass and silicon.
なお、基体がプラスチック等の比較的剛性の低い材質から形成される場合、流路の壁面を含む部材を上述した比較的剛性の高い材質から形成することもできる。即ち、基体を、振動せしめられる流路の壁面を構成する部材と同部材を包囲する部材とにより構成し、振動せしめられる流路の壁面を構成する部材は、同部材を包囲する部材の剛性よりも高い剛性を有する材料から形成されることが好適である。
(流路の壁面粗さについて)
また、被移動流体を流路内で滑らかに移動するのに好適な作動流体の膜を形成するという点において、流路の壁面の表面粗さを表す算術平均粗さRaが0.02乃至5.0μmの間の値であることが望ましい。この算術平均粗さは上述した(1)式により定義される値である。これは、以下の理由による。
In addition, when the base is formed of a material having a relatively low rigidity such as plastic, the member including the wall surface of the flow path can also be formed from the above-described material having a relatively high rigidity. That is, the base is constituted by a member constituting the wall surface of the flow path to be vibrated and a member surrounding the member, and the member constituting the wall face of the flow path to be vibrated is determined by the rigidity of the member surrounding the member. It is also preferable that the material is made of a material having high rigidity.
(About the wall roughness of the flow path)
In addition, an arithmetic average roughness Ra representing the surface roughness of the wall surface of the flow path is 0.02 to 5 in that a working fluid film suitable for smoothly moving the fluid to be moved in the flow path is formed. A value between 0.0 μm is desirable. This arithmetic average roughness is a value defined by the above-described equation (1). This is due to the following reason.
流路壁面の算術的平均粗さRaが0.02μmより小さい(即ち、流路の壁面の凹凸が過小であって流路壁面が滑らかである)と、被移動流体と流路壁面との間に作動流体が浸入し難く、被移動流体と流路壁面との間に存在する作動流体の量が少なくなりすぎる。この結果、被移動流体と流路の壁面との間に被移動流体を滑らかに移動するための膜が形成できない。 When the arithmetic average roughness Ra of the flow path wall surface is smaller than 0.02 μm (that is, the unevenness of the flow path wall surface is too small and the flow path wall surface is smooth), the gap between the fluid to be moved and the flow path wall surface Therefore, the working fluid is difficult to enter, and the amount of the working fluid existing between the fluid to be moved and the channel wall surface becomes too small. As a result, a film for smoothly moving the fluid to be moved cannot be formed between the fluid to be moved and the wall surface of the flow path.
一方、流路壁面の算術的平均粗さRaが5.0μmより大きい(即ち、流路壁面の凹凸が過大である)と、流路壁面の凹部に作動流体が集中して存在し、被移動流体と同被移動流体を支持する流路壁面の凸部との間に存在する作動流体の量が過小となる。この結果、被移動流体と流路壁面との間に同被移動体を滑らかに移動するための膜が形成できない。
(流路形成方法)
流路(流路13a、44a、53a等)は、以下に述べる方法を利用して形成することができる。
On the other hand, when the arithmetic average roughness Ra of the flow path wall surface is larger than 5.0 μm (that is, the unevenness of the flow path wall surface is excessive), the working fluid is concentrated in the recesses of the flow path wall surface, and is moved. The amount of the working fluid existing between the fluid and the convex portion of the flow path wall surface that supports the fluid to be moved becomes too small. As a result, a film for smoothly moving the transferred object cannot be formed between the transferred fluid and the channel wall surface.
(Flow path forming method)
The flow paths (flow
(1)基体の材料がセラミックスである場合、セラミックシートに打ち抜き加工を施してスリットを形成し、このセラミックシートを挟むようにセラミックシートを積層・一体化することにより流路を形成することができる。例えば、図32に示した被移動流体移動デバイス10の場合、セラミックシート10a2に対して流路13aの側壁を構成することになるスリットを打ち抜き加工により形成する。次いで、このセラミックシート10a2をセラミックシート10a1,10a3で挟むように、セラミックシート10a2〜10a3を積層する。その後、セラミックシート10a2〜10a3を焼成(又は接着)等により一体化する。以上により、流路13aが形成される。
(1) When the material of the substrate is ceramics, a flow path can be formed by punching a ceramic sheet to form a slit and laminating and integrating the ceramic sheets so as to sandwich the ceramic sheet. . For example, in the case of the moved fluid moving
(2)基体の材料がガラス或いはシリコンである場合、等方性エッチングや異方性エッチングにより流路を形成することができる。 (2) When the material of the substrate is glass or silicon, the flow path can be formed by isotropic etching or anisotropic etching.
(3)レーザー加工により流路の一部を構成する溝を形成することもできる。 (3) A groove constituting a part of the flow path can be formed by laser processing.
(4)エンドミルを用いた機械加工(マシニング)により、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。 (4) You may form the groove | channel which comprises a part of flow path by machining (machining) using an end mill.
(5)サンドブラストにより流路の一部を構成する溝を形成してもよい。 (5) You may form the groove | channel which comprises some flow paths by sandblasting.
(6)凹凸を有する金型を高温とし、その高温の金型を基体の表面に押し付けること(即ち、ホットエンドボス)により、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。
(クラック抑止方法)
上述したマシニング加工やサンドブラストを用いて溝を形成すると、溝の角部にマイクロクラックと呼ばれる加工傷が発生し、クラックがそのマイクロクラックを起点として進展し、このクラックにより基体(基材)が破損する場合がある。これに対しては以下の対策を採用することが望ましい。
(6) Grooves constituting a part of the flow path may be formed by setting the mold having irregularities to a high temperature and pressing the high-temperature mold against the surface of the substrate (that is, a hot end boss).
(Crack suppression method)
When a groove is formed using the above-mentioned machining or sandblasting, a processing flaw called a microcrack occurs at the corner of the groove, and the crack develops starting from the microcrack, and the substrate (base material) is damaged by this crack. There is a case. It is desirable to adopt the following measures against this.
(1)基体(基材)に対してヒーリング処理(熱処理、アニール処理)を施し、表面に発生しているマイクロクラックを閉じる(消滅させる)とともに、残留応力を開放する。 (1) Healing treatment (heat treatment, annealing treatment) is performed on the substrate (base material) to close (eliminate) microcracks generated on the surface and release residual stress.
(2)上記溝の表面にコーティング層を形成し、コーティング層によりクラックを覆うようにして閉じる。より具体的に述べると、流動性の高い紫外線硬化型のアクリル樹脂を用いて溝の表面にコーティング層を形成し、このコーティング層に紫外線を照射してコーティング層を硬化させる。これにより、アクリル樹脂がクラック内に浸透し、滑らかな溝表面が形成される。また、熱膨張係数が基体(基材)の熱膨張係数よりも小さい材料を用いて溝の表面をコーティングしてもよい。これによれば、溝表面に圧縮応力が加わるので、クラックの進展を阻止することができる。
(セラミックスポンプと基体の接合方法について)
上述したセラミックスからなるポンプ(第1ポンプ11,41、第2ポンプ12,42等、以下「セラミックスポンプ」と称呼する。)と基体(基体10a、50a等)とは、以下に述べるいくつかの方法で接合することができる。
(1)基体とセラミックスポンプの間(例えば、基体10aの上面と第1ポンプ11のセラミックシート11a1の下面の間)に接着シートを介在させ、この接着シートによりセラミックスポンプを基体に接合する。
(2)基体とセラミックスポンプの間(例えば、基体10aの上面と第1ポンプ11のセラミックシート11a1の下面の間)にスペーサーを設置するなどして一定のギャップを形成した後、そのギャップにアクリル樹脂を側面より流し込み、このアクリル樹脂を用いてセラミックスポンプを基体に接合する。この場合、アクリル樹脂流し込みのための前記ギャップをスクリーン印刷法により形成することもできる。接合面積が大きい場合、基体を構成する基材に貫通穴を設けておくと良い。これによれば、接合部に残留する空気を接合部外に排出することができる。また、接合面積や基体材料(基材)に応じてアクリル樹脂の粘性を調整することが望ましい。更に、アクリル樹脂を硬化させるための紫外線硬化パワーを最適な大きさとすることが望ましい。紫外線硬化パワーが小さすぎると硬化時間が長くなりすぎ、同パワーが大きすぎると急激な硬化反応が起こって、接合部にクラックが入ることがあるからである。
(3)接着剤を接合面にスクリーン印刷法により形成し、この接着剤によりセラミックスポンプを基体に接合する。この場合、接着後、接着層を強化するため紫外線硬化型アクリル樹脂を流し込むこともできる。
(2) A coating layer is formed on the surface of the groove, and the coating layer is closed so as to cover the crack. More specifically, a coating layer is formed on the surface of the groove using an ultraviolet curable acrylic resin having high fluidity, and the coating layer is cured by irradiating the coating layer with ultraviolet rays. As a result, the acrylic resin penetrates into the cracks, and a smooth groove surface is formed. Further, the surface of the groove may be coated using a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the base (base material). According to this, since the compressive stress is applied to the groove surface, the progress of cracks can be prevented.
(Ceramic pump and substrate bonding method)
The above-mentioned pumps made of ceramics (first pumps 11, 41, second pumps 12, 42, etc., hereinafter referred to as “ceramics pumps”) and bases (
(1) An adhesive sheet is interposed between the substrate and the ceramic pump (for example, between the upper surface of the
(2) A certain gap is formed between the substrate and the ceramic pump (for example, between the upper surface of the
(3) An adhesive is formed on the bonding surface by screen printing, and the ceramic pump is bonded to the substrate with this adhesive. In this case, an ultraviolet curable acrylic resin can be poured after the bonding to strengthen the adhesive layer.
以上、説明したように、第4の発明の各実施形態の被移動流体移動デバイスは、流路の壁面を振動させて被移動流体F1を振動させ、被移動流体F1と流路の壁面との間に作動流体F2の膜を形成しながら被移動流体F1を移動させる。従って、被移動流体F1が流路の壁面から受ける摩擦力が小さく、被移動流体F1の移動が滑らかになるので、被移動流体F1をより高速で移動させることができる。この結果、応答性が極めて良好な被移動流体移動デバイスが提供される。 As described above, the moved fluid moving device according to each embodiment of the fourth invention vibrates the moved fluid F1 by vibrating the wall surface of the flow path, so that the moved fluid F1 and the wall surface of the flow path The fluid F1 is moved while a film of the working fluid F2 is formed therebetween. Accordingly, the frictional force that the fluid F1 receives from the wall surface of the flow path is small, and the movement of the fluid F1 is smooth, so that the fluid F1 can be moved at a higher speed. As a result, a moved fluid moving device having very good responsiveness is provided.
なお、第4の発明は上記実施形態に限定されることはなく、第4の発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上述した駆動部に使用されている膜型圧電素子を反強誘電体膜に置き換えることができる。 The fourth invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be adopted within the scope of the fourth invention. For example, the film-type piezoelectric element used in the drive unit described above can be replaced with an antiferroelectric film.
また、上記各実施形態においては、流路の壁面が常に振動されるようになっていた。これに対し、被移動流体F1の移動が開始せしめられる時点を含む被移動流体F1の移動開始前後の期間にのみ、流路の壁面を振動させるように構成してもよい。 Moreover, in each said embodiment, the wall surface of the flow path was always vibrated. On the other hand, you may comprise so that the wall surface of a flow path may be vibrated only in the period before and behind the movement start of the to-be-moved fluid F1 including the time of the start of the movement of the to-be-moved fluid F1.
即ち、例えば、図35に代わる図39に示したように、第2実施形態に係る被移動流体移動デバイス30の駆動部11bに対し、被移動流体F1の移動が開始される時刻t2及び時刻t6の前後の期間(時刻t1〜t3、時刻t5〜t7)のみにおいて、振動用駆動電圧Vvを振動させて流路の壁面を振動させてもよい。また、図39において、時刻t2〜t4或いは時刻t6〜t8においてのみ(即ち、被移動流体F1が移動せしめられている期間においてのみ)、振動用駆動電圧Vvを振動させて流路の壁面を振動させてもよい。
That is, for example, as shown in FIG. 39 instead of FIG. 35, the time t2 and the time t6 at which the movement of the moved fluid F1 is started with respect to the
加えて、上記各実施形態に係る被移動流体移動デバイスの基体は、セラミックスから形成されていた。これに対し、図40に示した被移動流体移動デバイス60のように、基体60aをコバールガラス60aから形成することもできる。
In addition, the substrate of the moved fluid movement device according to each of the above embodiments is made of ceramics. On the other hand, the
この被移動流体移動デバイス60においては、基体60a内に流路13aと同様な流路61aが形成されている。流路61aには、被移動流体移動デバイス10と同様に、被移動流体F1と作動流体F2とが収容されている。被移動流体移動デバイス60は、図示が省略された第1ポンプ11及び第2ポンプ12を備えている。第1ポンプ11は図示しない第1開口を介して流路61aのX軸正方向端部近傍に接続されている。第2ポンプ12は図示しない第2開口を介して流路61aのX軸負方向端部近傍に接続されている。
In the moved fluid moving
更に、被移動流体移動デバイス60は、コバール金属からなる一対の電極62a,62bを備えている。電極62a,62bは、それぞれ円筒の棒状であって、流路61aの上壁に形成された一対の貫通孔にそれぞれ挿入されている。電極62a,62bは、基体60aの外面において、貫通孔の周囲がバーナーを用いて溶かされることにより、基体60aに固定されている。電極62a,62bは、その下面が流路61aの上壁面と一致する面内に存在するように流路61aに露呈している。
Further, the
この被移動流体移動デバイス60は、初期状態にあるとき、図40の仮想線により示したように、被移動流体F1を、電極62aを覆うが電極62bを覆わない位置に存在せしめる。従って、初期状態において、電極62aと電極62bは非導通状態となる。また、被移動流体移動デバイス60は、作動状態にあるとき、図40の実線により示したように、被移動流体F1が電極62a及び電極62bを共に覆うように被移動流体F1を移動する。従って、作動状態において、電極62aと電極62bは導通状態となる。
When the moved fluid moving
かかる被移動流体移動デバイス60は、次の利点を有する。
(1)電極62a,62bを構成するコバール金属の熱膨張係数と基体60aを構成するコバールガラスの熱膨張係数とは略等しいので、冷熱サイクルが被移動流体移動デバイス60に加わっても応力が発生し難い。従って、被移動流体移動デバイス60が熱による応力で破損しないので、被移動流体移動デバイス60の耐久性が高い。
(2)接着剤等の軟材料を用いることなく流路及び電極を一体的に形成することができるので、被移動流体移動デバイス60は高い剛性を有する。従って、被移動流体F1を移動するために流路61aに作動流体F2を流入させ、流路61a内の内圧を上昇させようとするとき、その圧力上昇が吸収され難い。その結果、被移動流体F1を高速で移動させることができる。
(3)電極62a,62bを構成するコバール金属は、水銀との濡れ性が良好である。従って、被移動流体F1として水銀を用いれば、被移動流体F1と電極62a,62bとの間の抵抗を下げることができ、且つ、被移動流体F1を電極62a,62bにより確実に保持することができる。更に、コバール金属は、耐食性が高いので、劣化し難い電極62a,62bを得ることもできる。
Such a moved fluid moving
(1) Since the coefficient of thermal expansion of the Kovar metal constituting the
(2) Since the flow path and the electrode can be integrally formed without using a soft material such as an adhesive, the
(3) The Kovar metal constituting the
なお、コバール金属からなる電極62a,62bは、薄膜状に形成することもできる。また、電極62a,62bは、ワイヤー状又はチューブ状に形成することもできる。更に、電極62a,62bは、電鋳法により流路内の一部を埋めるように形成することもでき、フォトエッチング或いはリフトオフにより形成することもできる。
The
さらに、本願において、流路内の被移動体を移動させることにより高周波信号のスイッチングを行う(高周波信号の通過及び遮断の切替えを行う)スイッチングデバイスに関する第5の発明が提供される。 Furthermore, in the present application, a fifth invention relating to a switching device that performs switching of a high-frequency signal (moving and switching of a high-frequency signal) by moving a movable body in a flow path is provided.
従来より、例えば導電性流体である被移動体を流路内で移動させ、これにより電極間の電気的な導通及び電気的遮断を行うスイッチングデバイスが知られている。このようなスイッチングデバイスは、マイクロリレー素子とも呼ばれる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a switching device that moves a moving body, for example, a conductive fluid in a flow path, thereby electrically connecting and disconnecting electrodes. Such a switching device is also called a micro relay element.
例えば、日本国特許公開昭和47−21645号公報(第2頁、第2図及び第3図)に開示されたスイッチングデバイスは、流路内において導電性流体である水銀を移動させ、この水銀により流路壁に設けられた複数の電極の接続状態を切り替えるようになっている。
For example, a switching device disclosed in Japanese Patent Publication No. Showa 47-21645 (
この開示されたスイッチングデバイスは、水銀と電極との状態を接触状態から非接触状態へと変更したり、逆に非接触状態から接触状態に変更することによりスイッチング動作を行うようになっている。このデバイスの場合、水銀と電極とが接触状態にあるときの両者間の電気的抵抗値が小さいほど、スイッチにおける損失は小さくなる。水銀と電極の間の電気的抵抗値を小さくするには、電極を水銀との濡れ性が良好となる材質により形成すれば良い。 This disclosed switching device performs a switching operation by changing the state of mercury and electrodes from a contact state to a non-contact state, or conversely from a non-contact state to a contact state. In this device, the smaller the electrical resistance between the mercury and the electrode in contact, the smaller the loss in the switch. In order to reduce the electrical resistance value between mercury and the electrode, the electrode may be formed of a material that has good wettability with mercury.
ところが、電極と水銀との濡れ性が良好であると、両者間の状態を接触状態から非接触状態へと移行することが困難となる。その結果、スイッチングの応答性が悪化したり、水銀を移動するために必要なアクチュエータの発生力を大きくする必要が生じる。 However, if the wettability between the electrode and mercury is good, it becomes difficult to shift the state between the two from the contact state to the non-contact state. As a result, the responsiveness of switching deteriorates, and it is necessary to increase the generated force of the actuator necessary for moving mercury.
第5の発明は、上述した問題に対処するためになされたものであって、電極間の容量(静電容量、キャパシタンス)の変化を利用して高速スイッチングが可能なスイッチングデバイスを提供する。 The fifth invention is made to cope with the above-described problem, and provides a switching device capable of high-speed switching by using a change in capacitance (capacitance, capacitance) between electrodes.
第5の発明のスイッチングデバイスは、流路を形成する流路形成部を備えた絶縁材料からなる基体と、前記流路を同流路の流線方向において実質的に二つの空間に分離するように同流路内に収容される導電性の被移動体と、前記流路の前記被移動体が収容されている部分以外の部分を満たすように同流路に収容される非導電性の作動流体と、前記被移動体を前記流路内の第1位置と第2位置との間で移動させるアクチュエータと、前記基体内に配設された一対の電極と、を備えたスイッチングデバイスであって、前記一対の電極のうちの少なくとも一つは前記被移動体と接触しない位置に配設されるとともに同被移動体が前記第1位置にあるときと前記第2位置にあるときとで同一対の電極間の容量が異なるように形成され、前記一対の電極間の前記容量変化により同一対の電極間の導通及び非導通の切り替えを行うように構成されている。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a switching device comprising: a base body made of an insulating material having a flow path forming portion for forming a flow path; and the flow path substantially separated into two spaces in a streamline direction of the flow path A non-conductive operation accommodated in the flow path so as to fill a portion of the flow path other than the portion where the movable body is accommodated. A switching device comprising: a fluid; an actuator for moving the object to be moved between a first position and a second position in the flow path; and a pair of electrodes disposed in the base body. And at least one of the pair of electrodes is disposed at a position where it does not come into contact with the body to be moved, and is identical when the body to be moved is at the first position and at the second position. The pair of electrodes are formed so that the capacitance between the electrodes is different. It is configured to perform the switching between conduction and non-conduction between the pair of electrodes by the capacitance change.
これによれば、第1位置と第2位置との間で移動される被移動体の位置に応じて、一対の電極間の容量が変化し、この容量の変化に基づいてスイッチング動作がなされる。また、前記一対の電極のうちの少なくとも一つの電極は前記被移動体と接触しない。 According to this, according to the position of the to-be-moved body moved between the first position and the second position, the capacitance between the pair of electrodes changes, and a switching operation is performed based on the change in the capacitance. . In addition, at least one of the pair of electrodes does not contact the object to be moved.
従って、被移動体と少なくとも一つの電極との状態が、互いに接触している状態から非接触の状態へ又はその逆へと変化させられることなくスイッチング動作が行われるので、従来のデバイスよりも高速でスイッチングを行うことが可能なスイッチングデバイスが提供され得る。 Accordingly, since the switching operation is performed without changing the state of the moving object and the at least one electrode from the state of being in contact with each other to the state of non-contact or vice versa, it is faster than the conventional device. A switching device capable of performing switching can be provided.
この場合、前記一対の電極のうちの一方の電極は前記流路の一部に露呈するように配設されるとともに前記一対の電極のうちの他方の電極は同流路に露呈しないように配設され、前記被移動体は、前記一方の電極と常に接触した状態にあるように構成されることが好適である。 In this case, one electrode of the pair of electrodes is disposed so as to be exposed to a part of the flow path, and the other electrode of the pair of electrodes is not exposed to the flow path. It is preferable that the movable body is configured to be always in contact with the one electrode.
これによれば、流路の一部に露呈するように配設された電極は、被移動体と常に接触している。換言すると、被移動体は、流路の一部に露呈するように配設された電極と接触状態を維持したまま、第1位置と第2位置の間を移動する。これに対し、流路に露呈しないように配設された電極は被移動体と接触しない。従って、被移動体と電極との状態が、接触状態から非接触状態へ又はその逆へ変化せしめられることがないから、被移動体の動きが電極により阻害されない。その結果、より高速なスイッチング動作が達成され得る。 According to this, the electrode disposed so as to be exposed to a part of the flow path is always in contact with the moving object. In other words, the movable body moves between the first position and the second position while maintaining a contact state with the electrode disposed so as to be exposed to a part of the flow path. On the other hand, the electrode disposed so as not to be exposed to the flow path does not contact the moving object. Accordingly, the state of the moving body and the electrode is not changed from the contact state to the non-contact state or vice versa, and thus the movement of the moving body is not hindered by the electrode. As a result, a faster switching operation can be achieved.
更に、このスイッチングデバイスは、前記他方の電極(即ち、流路に露呈していない電極)と前記第2位置にある前記被移動流体の間の位置に配設され、且つ、前記基体及び前記作動流体の何れの誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体を備えることが好適である。また、前記誘電体は、前記流路の一部に露呈し、前記被移動体が前記第1位置にあるとき同被移動体と非接触となるとともに同被移動体が前記第2位置にあるとき同被移動体と接触するように構成されることが好適である。更に、前記誘電体は、前記他方の電極と接触するように構成されることが好適である。 Furthermore, the switching device is disposed at a position between the other electrode (that is, an electrode not exposed to the flow path) and the fluid to be moved at the second position, and the substrate and the operation It is preferred to provide a dielectric having a dielectric constant that is greater than any dielectric constant of the fluid. The dielectric is exposed to a part of the flow path, and is not in contact with the movable body when the movable body is in the first position, and the movable body is in the second position. It is sometimes suitable to be configured to come into contact with the moving object. Furthermore, it is preferable that the dielectric is configured to be in contact with the other electrode.
これらによれば、前記被移動体が前記第2位置にあるとき、実質的に一方の電極と他方の電極の間に被移動体を介して誘電体が存在することになり、前記被移動体が前記第1位置にあるときに一方の電極と他方の電極の間に誘電体が存在しないことになる。従って、被移動体が前記第1位置にあるときと前記第2位置にあるときとで、電極間の容量が大きく変化する。この結果、スイッチングデバイスは、スイッチング動作を確実に狙いとするタイミングにて行い得る。 According to these, when the movable body is in the second position, a dielectric is substantially present between the one electrode and the other electrode via the movable body, and the movable body When the is in the first position, there is no dielectric between one electrode and the other electrode. Therefore, the capacitance between the electrodes varies greatly depending on whether the moving object is in the first position or the second position. As a result, the switching device can be performed at a timing that reliably aims at the switching operation.
一方、前記一対の電極は、何れも前記流路に露呈しないように配設されてもよい。 On the other hand, the pair of electrodes may be arranged so as not to be exposed to the flow path.
これによっても、被移動体と電極との状態が、接触状態から非接触状態へ又はその逆へ変化せしめられることがないから、被移動体の動きが電極により阻害されない。その結果、より高速なスイッチング動作が達成され得る。また、電極が流路に露呈しないので、被移動体が電極上を移動することに伴う電極の機械的摩耗が発生せず、且つ、電極が作動流体に暴露されることに伴う作動流体中の微量酸素による電極の酸化も発生しない。その結果、電極の劣化を回避することができるので、スイッチングデバイスの寿命を延ばすことができる。 This also prevents the movement of the moving object from being disturbed by the electrode because the state of the moving object and the electrode is not changed from the contact state to the non-contact state or vice versa. As a result, a faster switching operation can be achieved. Further, since the electrode is not exposed to the flow path, mechanical wear of the electrode due to the movement of the moving object on the electrode does not occur, and the working fluid in the working fluid accompanying the exposure of the electrode to the working fluid does not occur. Oxidation of the electrode by trace amounts of oxygen does not occur. As a result, electrode deterioration can be avoided, and the life of the switching device can be extended.
この場合(即ち、前記一対の電極が何れも前記流路に露呈しないように配設されている場合)、一対の電極の少なくとも一方と前記第2位置にある前記被移動体の間の位置に配設され、且つ、前記基体及び前記作動流体の何れの誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体を備えることが好適である。この場合、前記誘電体は、前記流路の一部に露呈し、前記被移動体が前記第1位置にあるとき同被移動体と非接触となるとともに同被移動体が前記第2位置にあるとき同被移動体と接触するように構成されることが好適である。更に、前記誘電体(前記一対の電極の少なくとも一方と前記第2位置にある前記被移動流体の間の位置に配設された誘電体)は、前記少なくとも一方の電極と接触するように構成されることが好適である。 In this case (that is, when the pair of electrodes are arranged so as not to be exposed to the flow path), at a position between at least one of the pair of electrodes and the movable body at the second position. It is preferable to provide a dielectric that is disposed and that has a dielectric constant greater than any of the dielectric constants of the substrate and the working fluid. In this case, the dielectric is exposed to a part of the flow path, and is not in contact with the movable body when the movable body is in the first position, and the movable body is in the second position. In some cases, it is preferable to be configured so as to come into contact with the movable body. Furthermore, the dielectric (dielectric disposed at a position between at least one of the pair of electrodes and the moved fluid at the second position) is configured to contact the at least one electrode. Is preferable.
これらによれば、前記被移動体が前記第2位置にあるとき、一方の電極と他方の電極の間に被移動体を介して誘電体が実質的に存在することになり、前記被移動体が前記第1位置にあるときに一方の電極と他方の電極の間に誘電体が存在しないことになる。従って、被移動体が前記第1位置にあるときと前記第2位置にあるときとで、電極間の容量が大きく変化する。この結果、スイッチングデバイスは、スイッチング動作を確実に狙いとするタイミングにて行い得る。 According to these, when the movable body is in the second position, a dielectric is substantially present between the one electrode and the other electrode via the movable body, and the movable body When the is in the first position, there is no dielectric between one electrode and the other electrode. Therefore, the capacitance between the electrodes varies greatly depending on whether the moving object is in the first position or the second position. As a result, the switching device can be performed at a timing that reliably aims at the switching operation.
上述した被移動体は、固体であってもよく、流体(被移動流体)であってもよい。被移動体が被移動流体である場合、前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体であることが必要である。 The above-described object to be moved may be a solid or a fluid (a fluid to be moved). When the movable body is a fluid to be moved, the working fluid is substantially insoluble with respect to the fluid to be moved and the wettability with respect to the wall surface of the flow path is relative to the wall surface of the flow path The fluid must be better than wettability.
また、第5の発明は、独立した二つの流路を備えたスイッチングデバイスとしても構成できる。 Further, the fifth invention can be configured as a switching device having two independent flow paths.
即ち、第5の発明の他のスイッチングデバイスは、第1流路及び第1流路とは独立した第2流路を形成する流路形成部を備えた絶縁材料からなる基体を備える。このスイッチングデバイスは、前記第1流路を同第1流路の流線方向において実質的に二つの空間に分離するように同第1流路に収容される導電性の第1被移動体と、前記第1流路の前記第1被移動体が収容されている部分以外の部分を満たすように同第1流路に収容される非導電性の第1作動流体と、前記第1被移動体を前記第1流路内の第1位置と第2位置との間で移動させるアクチュエータとを備える。 That is, another switching device of the fifth invention includes a substrate made of an insulating material including a first flow channel and a flow channel forming portion that forms a second flow channel independent of the first flow channel. The switching device includes a conductive first movable body accommodated in the first flow path so as to substantially separate the first flow path into two spaces in the streamline direction of the first flow path. A non-conductive first working fluid accommodated in the first flow path so as to fill a portion of the first flow path other than a portion where the first movable body is accommodated, and the first moved An actuator for moving the body between a first position and a second position in the first flow path.
同様に、このスイッチングデバイスは、前記第2流路を同第2流路の流線方向において実質的に二つの空間に分離するように同第2流路に収容される導電性の第2被移動体と、前記第2流路の前記第2被移動体が収容されている部分以外の部分を満たすように同第2流路に収容される非導電性の第2作動流体と、前記第2被移動体を前記第2流路内の第3位置と第4位置との間で移動させるアクチュエータとを備える。 Similarly, the switching device includes a conductive second cover housed in the second flow path so as to substantially separate the second flow path into two spaces in the streamline direction of the second flow path. A moving body, a non-conductive second working fluid accommodated in the second flow path so as to fill a portion other than a portion of the second flow path where the second moved body is accommodated, and And 2 an actuator for moving the object to be moved between the third position and the fourth position in the second flow path.
更に、このスイッチングデバイスは、前記第1流路と前記第2流路の間に配設されるとともに前記基体、前記第1作動流体及び前記第2作動流体のそれぞれの誘電率よりも大きい誘電率を有する第1誘電体と、前記基体内に配設された第1電極と、前記基体内に配設された第2電極と、を備えている。 Further, the switching device is disposed between the first flow path and the second flow path and has a dielectric constant larger than each of the dielectric constants of the base body, the first working fluid, and the second working fluid. A first dielectric body, a first electrode disposed in the base body, and a second electrode disposed in the base body.
そして、係るスイッチングデバイスにおいては、前記第1電極は、前記第1流路に露呈しないように配設されるか又は前記第1被作動流体に常に接触するように構成され、前記第2電極は、前記第2流路に露呈しないように配設されるか又は前記第2被作動流体に常に接触するように構成される。更に、前記第1被移動体が前記第1位置にあり且つ前記第2被移動体が前記第3位置にある場合の前記第1電極と前記第2電極の間の容量と、同第1被移動体が前記第2位置にあり且つ同第2被移動体が前記第4位置にある場合の同第1電極と同第2電極の間の容量とが異なるように形成され、前記第1電極と前記第2電極の間の前記容量変化により同第1電極と同第2電極の導通及び非導通の切り替えを行うように構成される。 In the switching device, the first electrode is arranged so as not to be exposed to the first flow path, or configured to always contact the first actuated fluid, and the second electrode is The second flow path is arranged so as not to be exposed, or is configured to always contact the second actuated fluid. Further, the capacitance between the first electrode and the second electrode when the first movable body is at the first position and the second movable body is at the third position, The first electrode is formed such that the capacitance between the first electrode and the second electrode when the moving body is in the second position and the second moving body is in the fourth position is different. And switching between conduction and non-conduction of the first electrode and the second electrode by the change in capacitance between the second electrode and the second electrode.
これによれば、前記第1電極が、前記第1流路に露呈しないように配設されるか又は前記第1被作動流体に常に接触するように構成され、前記第2電極が、前記第2流路に露呈しないように配設されるか又は前記第2被作動流体に常に接触するように構成される。従って、各被移動体と各電極との状態が、接触状態から非接触状態へ又はその逆へ変化せしめられることがないから、各被移動体の動きが各電極により阻害されない。その結果、より高速なスイッチング動作が達成され得る。また、電極が流路に露呈しないので、被移動体が電極上を移動することに伴う電極の機械的摩耗が発生せず、且つ、電極が作動流体に暴露されることに伴う作動流体中の微量酸素による電極の酸化も発生しない。その結果、電極の劣化を回避することができるので、スイッチングデバイスの寿命を延ばすことができる。 According to this, the first electrode is arranged so as not to be exposed to the first flow path, or is configured to always contact the first working fluid, and the second electrode is configured to be in contact with the first fluid. It is arrange | positioned so that it may not expose to 2 flow paths, or it is comprised so that it may always contact the said 2nd to-be-operated fluid. Therefore, since the state of each movable body and each electrode is not changed from the contact state to the non-contact state or vice versa, the movement of each movable body is not hindered by each electrode. As a result, a faster switching operation can be achieved. Further, since the electrode is not exposed to the flow path, the mechanical wear of the electrode due to the movement of the moving object on the electrode does not occur, and the working fluid in the working fluid accompanying the exposure of the electrode to the working fluid does not occur. Oxidation of the electrode by trace amounts of oxygen does not occur. As a result, electrode deterioration can be avoided, and the life of the switching device can be extended.
この場合、前記第1位置と前記第3位置の距離は前記第2位置と前記第4位置の距離よりも大きく、且つ、前記第2位置と前記第4位置の距離は前記第1被移動体が前記第1流路内を移動するとともに前記第2被移動体が前記第2流路内を移動したときの最短距離となるように選択されていることが好適である。 In this case, the distance between the first position and the third position is greater than the distance between the second position and the fourth position, and the distance between the second position and the fourth position is the first movable body. It is preferable that the distance is selected to be the shortest distance when the second moving object moves in the second flow path while moving in the first flow path.
これによれば、電極間を導通状態とするときの電極間の容量と、電極間を非導通状態とするときの電極間の容量との差を大きくすることができる。この結果、スイッチングデバイスは、スイッチング動作を確実に狙いとするタイミングにて行い得る。 According to this, the difference between the capacitance between the electrodes when the electrodes are in a conductive state and the capacitance between the electrodes when the electrodes are in a non-conductive state can be increased. As a result, the switching device can be performed at a timing that reliably aims at the switching operation.
この場合、前記第1電極は、前記第1流路に露呈しないように配設され、前記第1電極と前記第1流路の間に、前記基体、前記第1作動流体及び前記第2作動流体の何れの誘電率よりも大きい誘電率を有する第2誘電体を更に備えることも好適である。更に、前記第2電極は、前記第2流路に露呈しないように配設され、前記第2電極と前記第2流路の間に、前記基体、前記第1作動流体及び前記第2作動流体の何れの誘電率よりも大きい誘電率を有する第3誘電体を更に備えることも好適である。 In this case, the first electrode is disposed so as not to be exposed to the first flow path, and the base, the first working fluid, and the second operation are disposed between the first electrode and the first flow path. It is also preferable to further include a second dielectric having a dielectric constant greater than any dielectric constant of the fluid. Further, the second electrode is disposed so as not to be exposed to the second flow path, and the base, the first working fluid, and the second working fluid are disposed between the second electrode and the second flow path. It is also preferable to further include a third dielectric having a dielectric constant larger than any of the above.
これらによれば、電極を流路に露呈させることなく、第1被移動及び第2被移動体の移動による電極間の容量変化を大きくすることができる。 According to these, it is possible to increase the capacitance change between the electrodes due to the movement of the first and second moving bodies without exposing the electrodes to the flow path.
このようなスイッチングデバイスの一つの態様は、前記第1被移動体が前記第1の位置に移動され且つ前記第2被移動体が前記第3の位置に移動されたとき前記容量が最小となり、同第1被移動体が前記第2の位置に移動され且つ同第2被移動体が前記第4の位置に移動されたとき同容量が最大となるように配置構成されたスイッチングデバイスである。 One aspect of such a switching device is that when the first moving body is moved to the first position and the second moving body is moved to the third position, the capacity is minimized, The switching device is arranged and configured so that the same capacity is maximized when the first moving body is moved to the second position and the second moving body is moved to the fourth position.
また、このようなスイッチングデバイスの他の態様は、前記第1流路は第1部分と同第1部分に連接されて直線状に延びる第2部分とを備え、前記第2流路は第3部分と同第3部分に連接されて直線状に延びる第4部分とを備え、前記第2部分及び前記第4部分は互いに平行で且つ隣接するように形成され、前記第1部分と前記第3部分はそれらの距離が前記第2部分と前記第4部分の距離よりも大きくなるように形成され、前記第1誘電体は前記第2部分及び前記第4部分の間にのみ配設され、前記第1被移動体は前記第1位置に移動されたとき前記第1部分に位置するとともに前記第2位置に移動されたとき前記第2部分に位置するように構成され、前記第2被移動体は前記第3位置に移動されたとき前記第3部分に位置するとともに前記第4位置に移動されたとき前記第4部分に位置するように構成されたスイッチングデバイスである。 In another aspect of the switching device, the first flow path includes a first part and a second part that is connected to the first part and extends linearly, and the second flow path is a third part. And a fourth portion extending linearly connected to the third portion, wherein the second portion and the fourth portion are formed to be parallel and adjacent to each other, and the first portion and the third portion The portions are formed such that their distance is greater than the distance between the second portion and the fourth portion, the first dielectric is disposed only between the second portion and the fourth portion, The first movable body is configured to be positioned at the first portion when moved to the first position and at the second portion when moved to the second position, and the second movable body. Is located in the third part and moved forward when moved to the third position. It is configured switching devices so as to be located in the fourth part when moved to the fourth position.
これによれば、前記第1誘電体は、直線状の第2部分と直線状の第4部分とが平行に併設された部分(直線部)において、第2位置に移動された第1被移動体と第4位置に移動された第2被移動体とによって挟まれる。また、第1誘電体は、その直線部の一部のみに配設されている。従って、第1被移動体が第2位置に精度良く停止しない場合及び/又は第2被移動体が第4位置に精度良く停止しない場合においても、第1誘電体は第1被移動体及び第2被移動体により確実に挟まれ得る(第1被移動体及び第2被移動体により挟まれる第1誘電体の面積が一定となる)ので、そのような状態における第1電極と第2電極の間の容量を安定的に一定にすることができる。この結果、安定したスイッチング動作が達成され得る。 According to this, the first dielectric is moved to the second position in the portion (straight portion) in which the linear second portion and the linear fourth portion are arranged in parallel. It is sandwiched between the body and the second moving body moved to the fourth position. Further, the first dielectric is disposed only on a part of the straight line portion. Therefore, even when the first movable body does not accurately stop at the second position and / or when the second movable body does not accurately stop at the fourth position, the first dielectric is the first movable body and the first movable body. Since it can be reliably sandwiched between the two movable bodies (the area of the first dielectric sandwiched between the first movable body and the second movable body is constant), the first electrode and the second electrode in such a state The capacity between the two can be made stable and constant. As a result, a stable switching operation can be achieved.
また、このようなスイッチングデバイスの他の態様は、前記第1流路と前記第2流路は所定の方向から見た場合に互いに交差するように形成され、前記第1誘電体は前記第1流路及び前記第2流路が前記所定の方向から見て交差する部分にのみ配設されたスイッチングデバイスである。 In another aspect of the switching device, the first flow path and the second flow path are formed to intersect each other when viewed from a predetermined direction, and the first dielectric is the first dielectric In the switching device, the flow path and the second flow path are disposed only at a portion where the flow path and the second flow path intersect when viewed from the predetermined direction.
これによれば、前記第1誘電体は、第1流路と第2流路とが交差した部分にのみ配設されているから、第1流路と第2流路とが交差した部分において、第2位置に移動された第1被移動体と第4位置に移動された第2被移動体とによって挟まれる。従って、第1被移動体が第2位置に精度良く停止しない場合及び/又は第2被移動体が第4位置に精度良く停止しない場合においても、第1被移動体及び第2被移動体により挟まれる誘電体の面積が安定する。その結果、そのような状態における第1電極と第2電極の間の容量を安定的に一定にすることができるから、安定したスイッチング動作が達成され得る。 According to this, since the first dielectric is disposed only at the portion where the first flow path and the second flow path intersect, the first flow path and the second flow path intersect at the portion. The first moving body moved to the second position and the second moving body moved to the fourth position. Therefore, even when the first moving body does not stop at the second position with high accuracy and / or when the second moving body does not stop at the fourth position with high accuracy, the first moving body and the second moving body do not The area of the sandwiched dielectric is stabilized. As a result, since the capacitance between the first electrode and the second electrode in such a state can be stably made constant, a stable switching operation can be achieved.
このように二つの流路を備えてスイッチングデバイスにおいても被移動体を被移動流体とすることができる。 Thus, a moving body can be made into a to-be-moved fluid also in a switching device provided with two flow paths.
具体的に述べると、そのようなスイッチングデバイスにおいて、前記第1被移動体は第1被移動流体であり、前記第1作動流体は前記第1被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ前記第1流路の壁面に対する濡れ性が同第1被移動流体の同第1流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体であり、前記第2被移動体は第2被移動流体であり、前記第2作動流体は前記第2被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ前記第2流路の壁面に対する濡れ性が同第2被移動流体の同第2流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体であるスイッチングデバイスである。 Specifically, in such a switching device, the first moved body is a first moved fluid, and the first working fluid is substantially insoluble in the first moved fluid. And the wettability with respect to the wall surface of the said 1st flow path is a fluid whose wettability with respect to the wall surface of the said 1st flow path of the said 1st to-be-moved fluid is better, The second working fluid is substantially insoluble with respect to the second moving fluid, and the wettability with respect to the wall surface of the second moving channel is the wall surface of the second moving fluid of the second moving fluid. It is a switching device that is a fluid that is better than the wettability with respect to.
また、以上のスイッチングデバイスおける各電極は、電極膜と誘電体膜が交互に積層されてなる電極であることが好適である。 Further, each electrode in the above switching device is preferably an electrode in which electrode films and dielectric films are alternately laminated.
これによれば、スイッチングの対象となる高周波信号のフィルタリング機能を電極に持たせることができる。 According to this, the electrode can be provided with a filtering function of a high-frequency signal to be switched.
また、第5の発明によるスイッチングデバイスであって、前記流路は大径部と小径部とを備え、前記被移動体は被移動流体であり、前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体であり、前記一対の電極は前記小径部に配設され、前記アクチュエータは前記作動流体を前記大径部に吐出又は同作動流体を同大径部から吸引するように構成されることが好適である。 Further, in the switching device according to the fifth invention, the flow path includes a large-diameter portion and a small-diameter portion, the movable body is a fluid to be moved, and the working fluid substantially corresponds to the fluid to be moved Is insoluble and has better wettability with respect to the wall surface of the flow channel than the wettability of the fluid to be moved with respect to the wall surface of the flow channel, and the pair of electrodes are disposed in the small diameter portion, It is preferable that the actuator is configured to discharge the working fluid to the large diameter portion or to suck the working fluid from the large diameter portion.
これによれば、被移動流体は小径部を移動し、それにより電極間の容量が変化してスイッチング動作がなされる。この結果、このスイッチングデバイスは、アクチュエータから同一量の作動流体が吐出又は吸引されたとき、小径部を有さないデバイスよりも、被移動流体の電極に対する速度を大きくすることができ、高速でのスイッチングを行うことができる。 According to this, the fluid to be moved moves in the small diameter portion, whereby the capacitance between the electrodes changes, and the switching operation is performed. As a result, when the same amount of working fluid is discharged or sucked from the actuator, this switching device can increase the speed of the fluid to be moved relative to the electrode, compared with a device that does not have a small-diameter portion. Switching can be performed.
さらに、第5の発明の第1流路と第2流路とを備えるスイッチングデバイスにおいて、前記第2流路は、筒状であって前記第1流路と同軸的に形成されてなることが好適である。 Furthermore, in the switching device including the first flow path and the second flow path according to the fifth aspect of the invention, the second flow path is cylindrical and formed coaxially with the first flow path. Is preferred.
これによれば、第1被移動体及び第2被移動流体が軸対称の形状を維持しながら移動することにより、第1電極と第2電極の間の容量が変化する。従って、このスイッチングデバイスは、同スイッチングデバイスにより伝達される高周波信号に雑音が重畳し難いという利点を有している。 According to this, the capacity | capacitance between a 1st electrode and a 2nd electrode changes because a 1st to-be-moved body and a 2nd to-be-moved fluid move, maintaining an axisymmetric shape. Therefore, this switching device has an advantage that noise is difficult to be superimposed on a high-frequency signal transmitted by the switching device.
以下、第5の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。このスイッチングデバイスは、流路内で被移動体を移動させることにより電極間の容量(静電容量、キャパシタンス)を変化させ、その容量変化を利用してスイッチング動作を行う。 Embodiments of the switching device according to the fifth invention will be described below with reference to the drawings. This switching device changes a capacitance (capacitance, capacitance) between electrodes by moving a moving object in a flow path, and performs a switching operation using the change in capacitance.
流路内の被移動体は固体及び流体(被移動流体)の何れであってもよい。被移動体は、非圧縮性で導電性を備えていてもよく、又は誘電体であってもよい。なお、第5の発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、第5の発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
(第1実施形態)
図41は、第5の発明の第1実施形態に係るスイッチングデバイス(マイクロリレー素子)10が初期状態(「オフ」状態、非導通状態)にあるときの同デバイス10の縦断面図である。図42は、スイッチングデバイス10が作動状態(「オン」状態、導通状態)にあるときの同デバイス10の縦断面図である。図41及び図42において、電気制御装置20及び電気回路21は概念的に示されている。
The moving object in the flow path may be either a solid or a fluid (moving fluid). The object to be moved may be incompressible and conductive, or may be a dielectric. The fifth invention is not limited to these embodiments, and various changes, modifications, and improvements can be added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the fifth invention. Is.
(First embodiment)
FIG. 41 is a longitudinal sectional view of the
このスイッチングデバイス10は、基体10aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12とを備えている。基体10aは、絶縁体であるセラミックスからなり、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。
The switching
基体10aは、複数のセラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)をZ軸方向に積層し、これらを焼成又は接着により一体化することにより形成されている。基体10aは、その内部に、流路形成部13と第1ポンプ連通部14と第2ポンプ連通部15とを含んでいる。流路形成部13は流路13aを構成している。流路13aは、被移動体である被移動流体F1と作動流体F2とにより満たされている。第1ポンプ連通部14及び第2ポンプ連通部15は、作動流体F2により満たされている。
The
基体10aは、セラミックスとしてのジルコニアの他、ガラス、アルミナ、アクリル又はポリカーボネートから構成することもできる。ジルコニアの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約12.5である。ガラスの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約3〜5である。アルミナの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約10である。アクリルの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約4である。ポリカーボネートの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約3である。
The
第1ポンプ11は、第1ポンプ室11aとアクチュエータ11bとを含んで構成されている。第1ポンプ室11aは、基体10aの上面に(例えば、焼成により一体的に)固定されたセラミックシート11a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)11a2とにより構成されている。第1ポンプ室11aには、作動流体F2が収容されている。第1ポンプ室11aは、第1連通部14を介して流路13aと連通されている。流路13aと第1連通部14との連結部は第1開口を形成している。第1開口は流路13aのX軸正方向端部に形成される。
The
セラミックシート11a1は上面及び下面が開放した円筒形状を有している。セラミックダイヤフラム11a2はセラミックシート11a1の上面と同一形状を有し、セラミックシート11a1の上面を閉塞するようにセラミックシート11a1の上部に(例えば、焼成により一体的に)固定されている。 The ceramic sheet 11a1 has a cylindrical shape whose upper and lower surfaces are open. The ceramic diaphragm 11a2 has the same shape as the upper surface of the ceramic sheet 11a1, and is fixed to the upper portion of the ceramic sheet 11a1 (for example, integrally by firing) so as to close the upper surface of the ceramic sheet 11a1.
アクチュエータ11bは、セラミックダイヤフラム11a2よりも僅かに小さい直径を有する円形の薄板体(厚さは、例えば20μm程度である。)である。アクチュエータ11bは、セラミックダイヤフラム11a2の上面に(例えば、焼成により一体的に)固定されている。アクチュエータ11bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であり、その電極間に電気制御装置20から電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム11a2を変形させるようになっている。
The
第1ポンプは、このセラミックダイヤフラム11a2の変形により、第1ポンプ室11aの容積を増減し、第1ポンプ室11a内部の流体を吐出又は第1ポンプ室11a内に流体を吸引するようになっている。
Due to the deformation of the ceramic diaphragm 11a2, the first pump increases or decreases the volume of the
第2ポンプ12は、第2ポンプ室12aとアクチュエータ12bとを含んでいる。第2ポンプ室12aは、基体10aの上面に(例えば、焼成により一体的に)固定されたセラミックシート12a1と、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)12a2とにより構成されている。第2ポンプ室12aには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ室12aは、第2連通部15を介して流路13aと連通されている。流路13aと第2連通部15との連結部は第2開口を形成している。第2開口は流路13aのX軸負方向端部に形成される。第2ポンプ12は、第1ポンプ11と同様の構成を備えているので詳細な説明を省略する。
The
第2ポンプ12は、アクチュエータ11bと同様の膜型圧電素子であるアクチュエータ12bの電極間に電気制御装置20から電圧が印加されたときセラミックダイヤフラム12a2を変形させるようになっている。第2ポンプ12は、このセラミックダイヤフラム12a2の変形により、第2ポンプ室12aの容積を増減し、第2ポンプ室12a内部の流体を吐出又は第2ポンプ室12a内に流体を吸引するようになっている。
The
なお、アクチュエータ11b及びアクチュエータ12bは、電歪膜又は反強誘電体膜とこの膜を挟む少なくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であっても良い。また、一つの圧電膜を一対の電極で挟んでなる組を複数組積層した積層型の膜型圧電素子であってもよい。
The
また、第1ポンプ11は、流路内の作動流体F2を吸引するためにも使用できるが、このとき被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第1ポンプ11内(及び第1ポンプ連通部14内)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。同様に、第2ポンプ12は、後述するように流路内の作動流体F2を吸引するが、場合により被移動流体F1を合わせて吸引することもある。換言すると、第2ポンプ12内(及び第2ポンプ連通部15)に収容されている流体は作動流体F2には限定されない。
The
第1,第2ポンプ11,12についての具体的な寸法を例示すると、中空円筒形の第1,第2ポンプ室11a,12aの底面(上面)の各半径は0.5mm程度であり、各高さは150μm程度である。また、円形薄板状のセラミックダイヤフラム11a2,12a2の各半径は0.5mm程度であり、各厚さ(高さ)は10μm程度である。
Exemplifying specific dimensions of the first and
前述したように、流路形成部13は、基体10a内に形成された流路13aを構成する部分である。基体10aは絶縁体であるセラミックシートから構成されているから、流路13aの壁面に沿って電流が流れることはない。
As described above, the flow
流路13aは、直線状の細長の密閉された空間であって、X軸に沿う方向に流線方向(長手方向の軸)を有している。流路13aは、流線方向に直交する平面で(Y−Z平面)で同流路13aを切断した断面(以下、この断面を「流路の縦断面」と云うことがある。)が略正方形状となっている。流路13aは、マイクロチャネルとも呼ばれる。流路13aの流線方向の長さは1mm程度であり、前記縦断面の正方形の一辺(流路の高さ及び幅)は数10μm程度である。
The
流路13a内には、前述したように、被移動体としての被移動流体F1と、作動流体F2と、が収容されている。被移動流体F1は流路13aを流路13aの流線方向において実質的に二つの空間に分離するように流路13a内に収容されている。流路13aの被移動流体F1が満たされていない部分は作動流体F2で満たされている。被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体であり、本例では水銀である。被移動流体F1はガリウム合金の如き液体金属であってもよい。被移動流体F1は一つの塊状となって流路13a内に存在する。
As described above, the fluid 13 to be moved and the working fluid F2 are accommodated in the
被移動流体F1は、図41に示したように、第1ポンプ11に第1駆動電圧が付与されず、且つ、第2ポンプ12に第2駆動電圧が付与されていないとき(即ち、スイッチングデバイス10が初期状態(「オフ」状態)にあるとき)、流路13aのX軸方向略中央部の位置(以下、「第1位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、被移動流体F1は、図42に示したように、第1ポンプ11及び第2ポンプ12にそれぞれ適当な第1駆動電圧及び第2駆動電圧が付与されたとき(即ち、スイッチングデバイス10が作動状態(「オン」状態)にあるとき)、流路13aのX軸方向略中央部よりも所定距離だけX軸正方向の位置(以下、「第2位置」と称呼する。)に存在するようになっている。被移動流体F1は、この第1位置と第2位置の間のみ(第1位置及び第2位置を含む)を移動せしめられるようになっている。
As shown in FIG. 41, the fluid F1 to be moved is when the first drive voltage is not applied to the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート、シリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の流路13aの壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路13aの壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent fluorinate, silicon oil, or the like. The working fluid F2 is selected such that the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the
脱イオン水の誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約78である。フロリナートの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約1.8である。シリコンオイルの誘電率は1kHzの周波数を有する電気信号に対して約2.7である。 The dielectric constant of deionized water is about 78 for an electrical signal having a frequency of 1 kHz. The dielectric constant of florinate is about 1.8 for an electrical signal having a frequency of 1 kHz. The dielectric constant of silicon oil is about 2.7 for an electrical signal having a frequency of 1 kHz.
基体10a内には、互いに電気的に絶縁された一対の電極(電極膜)21a,21bが配設されている。電極21aは、流路13aの巾と略等しい長さの辺を有する正方形状の薄膜である。電極21bは電極21aと略同一形状を有している。
A pair of electrodes (electrode films) 21a and 21b that are electrically insulated from each other are disposed in the
電極21aは、流路13aのX軸方向略中央部の位置であって第2ポンプ連通部15(第2開口)よりもX軸正側の位置に配設されている。電極21aは、流路13aよりも下方(Z軸負側)に設けられ、その膜面が流路13aの下壁面と平行となるように形成されている。電極21aは、その膜面の上側が流路13aの下壁面と同一平面内に存在し、流路13aに露呈するようになっている。電極21aは、基体10aの外部の電気回路21に導電線により接続されている。
The
電極21aは、被移動流体F1が第1位置に存在するか第2位置に存在するかに関わらず(被移動流体F1が第1位置と第2位置との間の任意の位置に存在するとき)、常に被移動流体F1と接触する(被移動流体F1により覆われる)ように配設されている。
The
電極21bは、流路13aのX軸方向中央部(即ち、電極21aが配設されている位置)よりもX軸正側で第1ポンプ連通部14(第1開口)よりもX軸負側の位置に配設されている。電極21bは、その膜面が流路13aから僅かな距離を隔てて同流路13aを構成する上壁面と平行となるように形成されている。電極21bは、流路13aよりも上方(Z軸正側)に設けられている。電極21bは、基体10aの外部の電気回路21に導電線により接続されている。
The
電極21bと流路13aの間には、電極21bと略同一形状の薄膜の誘電体21cが配設されている。誘電体21cの上面は電極21bの下面と接している。誘電体21cの下面は流路13aの上壁面と同一平面内に存在し、誘電体21cは流路13aに露呈している。誘電体21cは、その誘電率が基体10aの誘電率よりも大きく、且つ、作動流体F2の誘電率よりも大きい材料から選択される。
A thin film dielectric 21c having substantially the same shape as the
例えば、誘電体21cは、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、メタニオブ酸鉛又はポリフッ化ビリニデン等であって、1kHzの周波数を有する電気信号に対して誘電率が1000以上である強誘電体材料から構成される。誘電率は10000以上であることが更に好ましい。 For example, the dielectric 21c is barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, lead metaniobate, polyvinylidene fluoride, or the like, and has a dielectric constant of 1000 or more with respect to an electric signal having a frequency of 1 kHz. It is composed of a ferroelectric material. More preferably, the dielectric constant is 10,000 or more.
また、被移動流体F1の誘電体21cに対する濡れ性は、被移動流体F1の基体10a(誘電体21cを除いた流路13aの壁面)に対する濡れ性と略等しいが、被移動流体F1の電極21aに対する濡れ性より良好でないように、基体10a、誘電体21c、電極21a及び被移動流体F1の材料が選択される。
The wettability of the fluid F1 to the dielectric 21c is substantially equal to the wettability of the fluid F1 to the
誘電体21cは、図41に示したように、スイッチングデバイス10が初期状態にあって被移動流体F1が第1位置に存在する場合、作動流体F2に覆われ、被移動流体F1には覆われないように(被移動流体F1と接触しないように)配置構成されている。誘電体21cは、図42に示したように、スイッチングデバイス10が作動状態にあって被移動流体F1が第2位置に存在する場合、被移動流体F1により覆われる(被移動流体F1と接触する)ように配置構成されている。
As shown in FIG. 41, when the
以上の構成を備えるスイッチングデバイス10にあっては、被移動流体F1が図41に示した第1位置にあるときに電極21aと電極21bの間の容量(キャパシタンス)が最小となり、被移動流体F1が図42に示した第2位置にあるときに電極21aと電極21bの間の容量は最大となる。そして、スイッチングデバイス10は、かかる容量変化を利用してスイッチングを行うようになっている。
In the
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス10の作動について説明する。上述したように、第1ポンプ11に第1駆動電圧が付与されず、且つ、第2ポンプ12に第2駆動電圧が付与されていないとき(図41に示した初期状態にあるとき)、第1ポンプ室11aの容積及び第2ポンプ室12aの容積は、それぞれ初期容積となっている。
Next, the operation of the
このとき、電極21aと電気的に導通している被移動流体F1は第1位置に存在するから、被移動流体F1と電極21bの実質的な距離dは相対的に大きい距離dmaxとなる。また、電極21aと電気的に導通している被移動流体F1は第1位置に存在するから、電極21aと電極21bの間には誘電率が誘電体21cよりも小さい作動流体F2が存在することになる。このため、電極21a(被移動流体F1)と電極21bの間の容量(キャパシタンス)は最小値Cminとなる。従って、この状態では電極21a,21b間のインピーダンス1/jωC(=1/jωCmin)は最大値となるので、高周波信号は電極21a,21b間を通過することができない。即ち、スイッチングデバイス10がスイッチ接点を実質的に開いたことになる。
At this time, since the moved fluid F1 electrically connected to the
次に、電気制御装置20は、第1ポンプ11に負の第1駆動電圧を付与し、第2ポンプ12に正の第2駆動電圧を付与する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は増大し、第1ポンプ11は流路13aから作動流体F2を第1開口(第1連通路14)を介して吸引する。また、第2ポンプ室12aの容積は減少し、第2ポンプ12は作動流体F2を流路13aに第2開口(第2連通路15)を介して吐出する。
Next, the
この結果、作動流体F2を介して被移動流体F1はX軸正方向に第2位置まで移動し、被移動流体F1と電極21bの実質的な距離dは前記距離dmaxよりも小さいdminとなる。また、第1電極21aと第2電極21bの間には、実質的に誘電体21cのみが存在することになる。従って、電極21a(被移動流体F1)及び電極21b間の容量(キャパシタンス)は最大値Cmaxとなり、そのインピーダンス1/jωC(=1/jωCmax)は最小値となるので、高周波信号は電極間21a,21b間を通過する。即ち、スイッチングデバイス10がスイッチ接点を実質的に閉じたことになる。
As a result, the moved fluid F1 moves to the second position in the X-axis positive direction via the working fluid F2, and the substantial distance d between the moved fluid F1 and the
その後、電気制御装置20は、第1駆動電圧及び第2駆動電圧を共に消滅させる(「0(V)」に設定する。)。これにより、第1ポンプ室11aの容積は減少して初期容積に復帰するので、第1ポンプは作動流体F2を流路13aに第1開口を介して吐出する。また、第2ポンプ室12aの容積は増大して初期容積に復帰するので、第2ポンプ12は作動流体F2を第2開口を介して流路13aから吸引する。この結果、被移動流体F1は第2位置からX軸負方向に移動して第1位置に復帰するから、電極21a,21b間の容量は最小(インピーダンスは最大)となり、高周波信号は電極21a,21b間を通過することができなくなる。
Thereafter, the
以上、説明したように、第1実施形態に係るスイッチングデバイス10は、一対の電極21a,21b間の容量の変化により(高周波信号に対する)同一対の電極間の導通及び非導通の切り替えを行う。更に、このスイッチングデバイス10においては、電極21aは、被移動流体F1の位置に関わらず常に被移動流体F1により覆われている(被移動流体F1と接触状態にある。)。また、第2電極21は、被移動流体F1の位置に関わらず常に被移動流体F1と非接触状態にある。従って、スイッチングデバイス10は、以下の利点を有する。
(1)電極21aが劣化し難い。これは、電極21aは常に被移動流体F1に覆われていて作動流体F2に暴露されないので、電極21aが作動流体F2に暴露されることに伴う作動流体F2中の微量酸素による電極21aの酸化が発生しないことによると考えられる。
(2)電極21bが劣化しない。これは、電極21bが流路13aに露呈しないので、被移動流体F1が移動することに伴う電極21bの機械的摩耗が発生しないこと、及び、電極21bが作動流体F2に暴露されることに伴う作動流体F2中の微量酸素による電極21bの酸化が発生しないことによると考えられる。
(3)被移動流体F1は電極21aに常に接触した状態のまま、第1位置及び第2位置の間を移動するから、被移動流体F1を電極21aから離脱させるための大きな力が不要である。従って、第1ポンプ11及び第2ポンプ12のそれぞれが発生する力を小さくでき、これらのポンプを小型化できる。
(4)被移動流体F1は電極21aに常に接触した状態のまま、第1位置及び第2位置の間を移動するから、被移動流体F1が移動する際に被移動流体F1に加わる摩擦抵抗が小さい。従って、被移動流体F1を速やかに移動させることができ、スイッチングの高速化が達成され得る。
(第2実施形態)
次に、第5の発明の第2実施形態に係るスイッチングデバイス30について図43及び図44を参照しながら説明する。図43は、スイッチングデバイス30が初期状態(非導通状態)にあるときの同デバイス30の縦断面図である。図44は、スイッチングデバイス30が作動状態(導通状態)にあるときの同デバイス30の縦断面図である。図43及び図44において電気制御装置20は概念的に示され、図41及び図42に示した電気回路21は省略されている。
As described above, the switching
(1) The
(2) The
(3) Since the moved fluid F1 moves between the first position and the second position while being always in contact with the
(4) Since the moved fluid F1 moves between the first position and the second position while always in contact with the
(Second Embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス30は、第1実施形態に係るスイッチングデバイス10が流路13aを一つだけ備えていたのに対し、一対の流路を備え、一対の被移動体を各流路内にて移動させて電極間の容量を変化させるようになっている点において、同スイッチングデバイス10と大きく相違している。
The switching
より具体的に述べると、スイッチングデバイス30は、基体10aと同様な基体30aと、第1ポンプ11と、第2ポンプ12とを備えている。基体30a内には、互いに電気的に絶縁された一対の電極(電極膜)41a,41bが配設されている。
More specifically, the switching
基体30aは、複数のセラミックシートと層状の誘電体(誘電体膜)41cをZ軸方向に積層し、これらを焼成及び/又は接着により一体化することにより形成されている。基体30aは、その内部に、第1流路形成部31と、第2流路形成部32と、第1ポンプ連通部33と第2ポンプ連通部34とを含んでいる。
The
第1流路形成部31は、基体30a内に形成された第1流路31aを構成する部分である。第1流路31aの下壁は基体30a内に埋設された誘電体41cの上面により構成されている。第1流路31aの下壁以外の壁は、基体30aを構成するセラミックスにより構成されている。従って、第1流路31aの壁面に沿って電流が流れることはない。
The 1st flow
第1流路31aは流路13aと同様なX軸に沿う方向に流線方向を有する空間である。第1流路31aはX軸正方向端部において第1連通路33を介して第1ポンプ室11aに連通されている。第1流路31aのX軸負方向端部は、通路31bの開口及び通路31bを介して図示を省略した第1圧力変化吸収部と連通している。第1圧力変化吸収部は、第1流路31a内の圧力変動を吸収するように、その容積が変化するようになっている。
The
第1流路31a内には第1被移動体としての第1被移動流体Fd1と、第1作動流体Fo1と、が収容されている。第1被移動流体Fd1は、被移動流体F1と同一の流体であって、第1流路31a内において一つの塊状となって存在する。第1被移動流体Fd1は、第1流路31aを同第1流路31aの流線方向において実質的に二つの空間に分離するように同第1流路31aに収容されている。第1作動流体Fo1は、作動流体F2と同一の流体であって、第1流路31aの第1被移動流体Fd1が存在しない部分、第1連通路33、第1ポンプ室11a、通路31b及び第1圧力変化吸収部に充填されている。
A first moving fluid Fd1 as a first moving body and a first working fluid Fo1 are accommodated in the
第1被移動流体Fd1は、図43に示したように、第1ポンプ11に第1駆動電圧が付与されていないとき、第1流路31aのX軸方向略中央部よりも所定距離だけX軸正方向側の位置(以下、「第1位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第1被移動流体Fd1は、図44に示したように、第1ポンプ11に適当な第1駆動電圧が付与されたとき、第1流路31aのX軸方向略中央部の位置(以下、「第2位置」と称呼する。)に存在するようになっている。第1被移動流体Fd1は、この第1位置と第2位置との間のみを移動せしめられるようになっている。
As shown in FIG. 43, when the first drive voltage is not applied to the
第1被移動流体Fd1の第1流路31a(基体30aを構成するセラミックス)に対する濡れ性は、第1被移動流体Fd1の誘電体41cに対する濡れ性と略同一であり、第1被移動流体Fd1の電極41aに対する濡れ性よりも非良好である。
The wettability of the first moved fluid Fd1 with respect to the
電極41aは、流路13a(従って、第1流路31a)の巾と略等しい一辺の長さを有する正方形状の薄膜であり、第1流路31aのX軸方向略中央部の位置に配設されている。電極41aは、その膜面が第1流路31aの上壁面と平行であり、その膜面の下面が第1流路31aの上壁面と同一平面内に存在することにより、第1流路31aに露呈するように配設されている。電極41aは、基体30aの外部の図示を省略した電気回路に導電線により接続されている。
The
電極41aは、第1被移動流体Fd1が第1位置に存在するか第2位置に存在するかに関わらず(即ち、被移動流体Fd1が第1位置と第2位置との間の任意の位置に存在するとき)、常に第1被移動流体Fd1と接触する(第1被移動流体Fd1により覆われる)ように配設されている。
The
第2流路形成部32は、基体30a内に形成された第2流路32aを構成する部分である。第2流路32aの上壁は誘電体(誘電体膜)41cの下面により構成されている。第2流路32aの上壁以外の壁は、基体30aを構成するセラミックスにより構成されている。従って、第2流路32aの壁面に沿って電流が流れることはない。
The 2nd flow
第2流路32aは流路13aと同様なX軸に沿う方向に流線方向を有する空間であり、第1流路31aの下方(Z軸負方向)であって第1流路31aと平行に延びている。第2流路32aは、第1流路31aから僅かな距離だけX軸負方向に離れた位置に設けられている。
The
第2流路32aはX軸負方向端部において第2連通路34を介して第2ポンプ室12aに連通されている。第2流路32aのX軸正方向端部は、通路32bの開口及び通路32bを介して図示を省略した第2圧力変化吸収部と連通している。第2圧力変化吸収部は、第2流路32a内の圧力変動を吸収するように、その容積が変化するようになっている。
The
第2流路32a内には第2被移動体としての第2被移動流体Fd2と、第2作動流体Fo2と、が収容されている。第2被移動流体Fd2は、被移動流体F1と同一の流体であって、第2流路32a内において一つの塊状となって存在する。第2被移動流体Fd2は、第2流路32aを同第2流路32aの流線方向において実質的に二つの空間に分離するように同第2流路32aに収容されている。第2作動流体Fo2は、作動流体F2と同一の流体であって、第2流路32aの第2被移動流体Fd2が存在しない部分、第2連通路34、第2ポンプ室12a、通路32b及び第2圧力変化吸収部に充填されている。
A second moving fluid Fd2 as a second moving body and a second working fluid Fo2 are accommodated in the
第2被移動流体Fd2は、図43に示したように、第2ポンプ12に第2駆動電圧が付与されていないとき、第2流路32aのX軸方向略中央部よりも所定距離だけX軸負方向側の位置(以下、「第3位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第2被移動流体Fd2は、図44に示したように、第2ポンプ12に適当な第2駆動電圧が付与されたとき、第2流路32aのX軸方向略中央部の位置(以下、「第4位置」と称呼する。)に存在するようになっている。第2被移動流体Fd2は、この第3位置と第4位置との間のみを移動せしめられるようになっている。
As shown in FIG. 43, when the second drive voltage is not applied to the
第2被移動流体Fd2の第2流路32a(基体30aを構成するセラミックス)に対する濡れ性は、第2被移動流体Fd2の誘電体41cに対する濡れ性と略同一であり、第2被移動流体Fd2の電極41bに対する濡れ性よりも非良好である。従って、第2被移動流体Fd2が第2流路32a内を移動する際の抵抗(摩擦抵抗)は比較的小さい。
The wettability of the second transferred fluid Fd2 with respect to the
電極41bは、流路13a(従って、第2流路32a)の巾と略等しい一辺の長さを有する正方形状の薄膜であり、第2流路32aのX軸方向略中央部の位置に配設されている。電極41bは、その膜面が第2流路32aの下壁面と平行であり、その膜面の上面が第2流路32aの下壁面と同一平面内に存在することにより、第2流路32aに露呈するように配設されている。電極41bは、基体30aの外部の図示を省略した電気回路に導電線により接続されている。
The
電極41bは、第2被移動流体Fd2が第3位置に存在するか第4位置に存在するかに関わらず(即ち、第2被移動流体Fd2が第3位置と第4位置との間の任意の位置に存在するとき)、常に第2被移動流体Fd2と接触する(第2被移動流体Fd2により覆われる)ように配設されている。
The
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス30の作動について説明する。先ず、電気制御装置20は、図43に示したように、第1ポンプ11に第1駆動電圧が付与せず、且つ、第2ポンプ12に第2駆動電圧を付与しない。このとき、第1ポンプ室11aの容積及び第2ポンプ室12aの容積は、それぞれ初期容積となる。
Next, the operation of the
この状態において、電極41aと電気的に導通している第1被移動流体Fd1は第1位置に存在し、電極41bと電気的に導通している第2被移動流体Fd2は第3位置に存在する。従って、第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2の距離dは相対的に大きい距離dmaxとなる。このため、電極41aと電極41bの間の容量は最小値Cminとなる。従って、電極41a,41b間のインピーダンス1/jωC(=1/jωCmin)は最大値となるので、スイッチングデバイス30は電極41a,41b間を流れようとする高周波信号を遮断する。即ち、スイッチングデバイス30がスイッチ接点を実質的に開いたことになる。
In this state, the first moved fluid Fd1 electrically connected to the
次に、電気制御装置20は、図44に示したように、第1ポンプ11に第1駆動電圧を付与し、第2ポンプ12に第2駆動電圧を付与する。これにより、第1ポンプ室11aの容積は減少し、第1ポンプ11は第1作動流体Fo1を第1流路31aに第1開口(第1連通路33)を介して吐出する。この結果、第1被移動流体Fd1は第1位置からX軸負方向に第2位置まで移動する。一方、第2ポンプ室12aの容積も減少し、第2ポンプ12は第2作動流体Fo2を第2流路32aに第2開口(第2連通路34)を介して吐出する。この結果、第2被移動流体Fd2は第3位置からX軸正方向に第4位置まで移動する。
Next, as shown in FIG. 44, the
このとき、第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2の距離dは距離dmaxより小さい最小距離dminとなる。このため、電極41aと電極41bの間の容量は最大値Cmaxとなる。従って、電極41a,41b間のインピーダンス1/jωC(=1/jωCmax)は最小値となるので、スイッチングデバイス40は電極41aと電極41b間に高周波信号を通過させる。即ち、スイッチングデバイス10がスイッチ接点を実質的に閉じたことになる。
At this time, the distance d between the first moved fluid Fd1 and the second moved fluid Fd2 is the minimum distance dmin smaller than the distance dmax. For this reason, the capacitance between the
その後、電気制御装置20は、第1駆動電圧及び第2駆動電圧を共に消滅させる(「0(V)」に設定する。)。これにより、第1ポンプ室11a及び第2ポンプ室12aの容積は増大して初期容積に復帰するので、第1ポンプ室11及び第2ポンプ室12は、それぞれ第1流路31aから第1作動流体Fo1及び第2流路32aから第2作動流体Fo2を吸引する。
Thereafter, the
この結果、第1被移動流体Fd1は第2位置からX軸正方向に移動して第1位置に復帰し、第2被移動流体Fd2は第4位置からX軸負方向に移動して第3位置に復帰する。従って、電極41a,41b間の容量は最小(インピーダンスは最大)となり、高周波信号は電極41a,41b間を通過することができなくなる。
As a result, the first moved fluid Fd1 moves from the second position in the X-axis positive direction and returns to the first position, and the second moved fluid Fd2 moves from the fourth position in the X-axis negative direction to move to the third position. Return to position. Therefore, the capacitance between the
以上、説明したように、第2実施形態に係るスイッチングデバイス30によれば、スイッチングデバイス10と同様に、電極41a,41b間の容量の変化に基づいて(高周波信号に対する)電極41a,41b間の導通及び非導通の切り替えを行う。また、スイッチングデバイス30においては、電極41aは第1被移動流体Fd1の位置に関わらず常に第1被移動流体Fd1により覆われ、電極41bは、第2被移動流体Fd2の位置に関わらず常に第2被移動流体Fd2により覆われている。従って、スイッチングデバイス30は、以下の利点を有する。
(1)電極41a及び電極41bが劣化し難い。これは、電極41a及び電極41bが第1作動流体Fo1及び第2作動流体Fo2にそれぞれ暴露されることに伴う第1作動流体Fo1及び第2作動流体Fo2中の微量酸素による電極41a及び電極41bの酸化が発生しないことによると考えられる。
(2)第1被移動流体Fd1は電極41aに常に接触した状態のまま、第1位置及び第2位置の間を移動するから、第1被移動流体Fd1を電極41aから離脱させるための大きな力が不要である。同様に、第2被移動流体Fd2は電極41bに常に接触した状態のまま、第3位置及び第4位置の間を移動するから、第2被移動流体Fd2を電極41bから離脱させるための大きな力が不要である。従って、第1ポンプ11及び第2ポンプ12のそれぞれが発生する力を小さくでき、これらのポンプを小型化できる。
(3)第1被移動流体Fd1が流路31a内を移動する際の第1被移動流体Fd1と流路31aの壁面の間の摩擦抵抗が小さいので、第1被移動流体Fd1を速やかに移動させることができる。同様に、第2被移動流体Fd2が流路32a内を移動する際の第2被移動流体Fd2と流路32aの壁面の間の摩擦抵抗が小さいので、第2被移動流体Fd2を速やかに移動させることができる。この結果、スイッチングの高速化が達成され得る。
(第3実施形態)
次に、第5の発明の第3実施形態に係るスイッチングデバイス40について図45及び図46を参照しながら説明する。図45は、スイッチングデバイス40が初期状態にあるときの同デバイス40の縦断面図である。図46は、スイッチングデバイス40が作動状態にあるときの同デバイス40の縦断面図である。図45及び図46において電気制御装置20は概念的に示され、図41及び図42に示した電気回路21は省略されている。
As described above, according to the
(1) The
(2) Since the first moved fluid Fd1 moves between the first position and the second position while always in contact with the
(3) Since the frictional resistance between the first moved fluid Fd1 and the wall surface of the
(Third embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス40は、第2実施形態に係るスイッチングデバイス30の誘電体41cを電極41aと略同一形状の小さな薄膜状のものに置換した
点のみにおいて、同スイッチングデバイス30と相違している。従って、以下、この相違点について主として説明する。
This
第1流路31aと第2流路32aの間にはセラミックシート41dが配設されている。セラミックシート41dは、基体30aを構成するセラミックシートと焼成又は接着により一体化されている。セラミックシート41dのX軸方向略中央部であって第1流路31aと第2流路32aの間には誘電体41eが配設されている。誘電体41eは、電極41aと略同一の形状を有している。誘電体41eはX軸方向において電極41aと電極41bの中間に設けられている。
A
誘電体41eの膜面の上面は、第1流路31aの下壁の壁面と同一面上に存在するようになっている。そして、誘電体41eは、図45に示したように、第1位置にある第1被移動流体Fd1とは接触せず、図46に示したように、第2位置にある第1被移動流体Fd1と接触する(第1被移動流体Fd1により覆われる)ように第1流路31aに露呈している。
The upper surface of the film surface of the dielectric 41e is on the same plane as the wall surface of the lower wall of the
誘電体41eの膜面の下面は、第2流路32aの上壁の壁面と同一面上に存在するようになっている。そして、誘電体41eは、図45に示したように、第3位置にある第2被移動流体Fd2とは接触せず、図46に示したように、第4位置にある第2被移動流体Fd2と接触する(第2被移動流体Fd2により覆われる)ように第2流路32aに露呈している。
The lower surface of the film surface of the dielectric 41e exists on the same plane as the wall surface of the upper wall of the
かかるスイッチングデバイス40の作動は、スイッチングデバイス30の作動とほぼ同一である。即ち、第1被移動流体Fd1は第1ポンプ11の作動により第1位置と第2位置の間を移動し、第2被移動流体Fd2は第2ポンプ12の作動により第3位置と第4位置の間を移動する。
The operation of the
また、スイッチングデバイス40の状態が初期状態であって第1被移動流体Fd1が第1位置に移動せしめられたとき第2被移動流体Fd2は第3位置に移動せしめられる。この場合、電極41aと電極41bの間の容量は最小値Cminとなり、インピーダンスが最大値となるので、スイッチングデバイス40は電極41aと電極41b間を流れようとする高周波信号を遮断する。
In addition, when the
一方、作動状態において、第1被移動流体Fd1が第2位置に移動せしめられたとき第2被移動流体Fd2は第4位置に移動せしめられる。この場合、電極41aと電極41bの間の容量は最大値Cmaxとなり、インピーダンスが最小値となるので、スイッチングデバイス40は電極41aと電極41b間に高周波信号を通過させる。
On the other hand, in the operating state, when the first moved fluid Fd1 is moved to the second position, the second moved fluid Fd2 is moved to the fourth position. In this case, since the capacitance between the
以上、説明したように、第3実施形態に係るスイッチングデバイス40によれば、電極41aが第1被移動流体Fd1の位置に関わらず常に第1被移動流体Fd1により覆われている。また、電極41bは、第2被移動流体Fd2の位置に関わらず常に第2被移動流体Fd2により覆われている。従って、スイッチングデバイス40は、上述のスイッチングデバイス30が有する利点を有している。
(第4実施形態)
次に、第5の発明の第4実施形態に係るスイッチングデバイス60について図47を参照しながら説明する。図47は、スイッチングデバイス60が作動状態にあるときの同デバイス60の横断面を概念的に示した図である。図47においては、図41及び図42に示した電気制御装置20及び電気回路21は省略されている。
As described above, according to the
(Fourth embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス60は、第1ポンプ61、第1流路62、第1圧力変化吸収部63及び第1電極64を備えている。第1ポンプ61及び第1圧力変化吸収部63は、第1作動流体Fo1により満たされている。第1流路62には第1被移動流体Fd1が、第1流路62を流線方向において実質的に二つの空間に分離するように収容されている。第1流路62の第1被移動流体Fd1が存在しない部分には第1作動流体Fo1が充填されている。
The switching
また、スイッチングデバイス60は、第2ポンプ71、第2流路72、第2圧力変化吸収部73、第2電極74及び誘電体75を備えている。第2ポンプ71及び第2圧力変化吸収部73は、第2作動流体Fo2により満たされている。第2流路72には第2被移動流体Fd2が、第2流路72を流線方向において実質的に二つの空間に分離するように収容されている。第2流路72の第2被移動流体Fd2が存在しない部分には第2作動流体Fo2が充填されている。
The switching
第1ポンプ61は、第1ポンプ11と同一構成を有するポンプである。第1ポンプ61のアクチュエータの電極(図示省略)間には電気制御装置20(図示省略)から第1駆動電圧が印加されるようになっている。第1ポンプ61は、第1流路62内に第1作動流体Fo1を吐出するとともに、第1流路62から第1作動流体Fo1を吸引するようになっている。第1圧力変化吸収部63は、第1流路62と連通していて、第1流路62内の圧力を一定に維持するように、その容積が変化するようになっている。
The
第2ポンプ71は、第2ポンプ12と同一構成を有するポンプである。第2ポンプ71のアクチュエータの電極(図示省略)間には電気制御装置20(図示省略)から第2駆動電圧が印加されるようになっている。第2ポンプ71は、第2流路72内に第2作動流体Fo2を吐出するとともに、第2流路72から第2作動流体Fo2を吸引するようになっている。第2圧力変化吸収部73は、第2流路72と連通していて、第2流路72内の圧力を一定に維持するように、その容積が変化するようになっている。
The
第1流路62は、第1ポンプ61からY軸負方向に延びながらX軸負方向に屈曲する第1部分と、その第1部分に連接されるとともにX軸に沿って直線状に延びる第2部分と、その第2部分に連接されてY軸正方向に屈曲する端部とを備え、その端部に第1圧力変化吸収部63が接続されている。同様に、第2流路72は、第2ポンプ71からY軸正方向に延びながらX軸正方向に屈曲する第3部分と、その第3部分に連接されるとともにX軸に沿って直線状に延びる第4部分と、その第4部分に連接されてY軸負方向に屈曲する端部とを備え、その端部に第2圧力変化吸収部73が接続されている。
The
第1流路62と第2流路72は、第2部分と第4部分(直線状に延びる部分)同士が平行になるように所定距離だけ離れて隣接配置されている。第1部分と第3部分は、それらの間の距離が第2部分と第4部分の前記所定距離よりも大きくなるように形成されている。
The
誘電体75は、第2部分と第4部分の間のみに配設されている。誘電体75は、第1流路62の第2部分のY軸方向負側の側壁を構成するとともに、第2流路72の第4部分のY軸方向正側の側壁を構成している。
The dielectric 75 is disposed only between the second part and the fourth part. The dielectric 75 constitutes a side wall on the Y axis direction negative side of the second portion of the
第1電極64は、略正方形状の薄膜であって、第1流路62の第1部分に配設されている。第1電極64は、第1流路62に露呈し、第1流路62の側壁の一部を構成している。第2電極74は、略正方形状の薄膜であって、第2流路72の第3部分に配設されている。第2電極74は、第2流路72に露呈し、第2流路72の側壁の一部を構成している。このようにスイッチングデバイス60は、X−Y平面内において点対称となっている。
The
第1被移動流体Fd1は、図47の仮想線によりに示したように、第1ポンプ61に第1駆動電圧が付与されていないとき、第1流路62の第1部分の所定位置(以下、「第1位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第1被移動流体Fd1は、図47の実線により示したように、第1ポンプ61に適当な第1駆動電圧が付与されたとき、第1流路62の第2部分の所定位置(以下、「第2位置」と称呼する。)に移動されるようになっている。第1被移動流体Fd1は、この第1位置と第2位置との間のみを移動せしめられるようになっている。第1被移動流体Fd1が第1位置と第2位置との間のみを移動する限り、第1電極64は常に第1被移動流体Fd1に覆われて第1被移動流体Fd1と接するようになっている。
47, when the first drive voltage is not applied to the
第2被移動流体Fd2は、図47の仮想線によりに示したように、第2ポンプ71に第2駆動電圧が付与されていないとき、第2流路72の第3部分の所定位置(以下、「第3位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第2被移動流体Fd2は、図47の実線により示したように、第1被移動流体Fd1が第2位置に移動されたとき、第2ポンプ71に適当な第2駆動電圧が付与されることにより、第2流路72の第4部分の所定位置(以下、「第4位置」と称呼する。)に移動されるようになっている。第2被移動流体Fd2は、この第3位置と第4位置との間のみを移動せしめられるようになっている。第2被移動流体Fd2が、第3位置と第4位置との間のみを移動する限り、第2電極74は常に第2被移動流体Fd2に覆われて第2被移動流体Fd2と接するようになっている。
47, when the second drive voltage is not applied to the
このスイッチングデバイス60は、第1作動流体Fd1を第1位置に移動したとき第2作動流体Fd2を第3位置に移動させる。この場合、第1電極64と第2電極74の間の容量は最小値Cminとなり、インピーダンスが最大値となる。従って、スイッチングデバイス60は第1電極64と第2電極74の間を流れようとする高周波信号を遮断する。
The switching
一方、スイッチングデバイス60は、第1作動流体Fd1を第2位置に移動させdるとともに第2作動流体Fd2を第4位置に移動させる。この場合、第1電極64と第2電極74の間の容量は最大値Cmaxとなり、インピーダンスが最小値となる。従って、スイッチングデバイス60は第1電極64と第2電極74の間に高周波信号を通過させる。
On the other hand, the switching
以上、説明したように、第4実施形態に係るスイッチングデバイス60によれば、第1電極64が第1被移動流体Fd1の位置に関わらず常に第1被移動流体Fd1により覆われている。また、第2電極74は、第2被移動流体Fd2の位置に関わらず常に第2被移動流体Fd2により覆われている。従って、スイッチングデバイス60は、上述のスイッチングデバイス30が有する利点を有している。
As described above, according to the
更に、スイッチングデバイス60は、誘電体75を第1流路62の第2部分と第2流路72の第4部分との間のみに存在するように構成した。従って、スイッチングデバイス60が作動状態とされたとき、第1被移動流体Fd1が第2位置から僅かにずれた場合及び第2被移動流体Fd2が第4位置から僅かにずれた場合であっても、第1被移動流体Fd1の先端(第1ポンプ61とは反対側の端部)が第2部分と第1圧力変化吸収部63側の端部との連接部に少なくとも到達し、第2被移動流体Fd2の先端(第2ポンプ71とは反対側の端部)が第4部分と第2圧力変化吸収部73側の端部との連接部に少なくとも到達するように第1ポンプ61及び第2ポンプ71を駆動すれば、常に誘電体75を完全に第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2で挟むことができる。
Further, the switching
換言すると、スイッチングデバイス60は、作動状態において、第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2とで挟み込まれる誘電体75の面積を安定的に一定とすることができる。従って、スイッチングデバイス60は、第1電極64と第2電極74の間の容量の最大値を一定にすることができるので、安定したスイッチング動作を達成することができる。
(第5実施形態)
次に、第5の発明の第5実施形態に係るスイッチングデバイス80について図48及び図49を参照しながら説明する。図48は、スイッチングデバイス80が作動状態にあるときの同デバイス80の横断面を概念的に示した図である。図49は、図48の1−1線に沿った平面にてスイッチングデバイス80を切断した断面図である。図48及び図49においては、図41及び図42に示した電気制御装置20及び電気回路21は省略されている。
In other words, in the operating state, the switching
(Fifth embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス80は、セラミックスシートが一体化されてなる基体80a、第1ポンプ81、基体80a内においてY軸方向に直線的に延びる第1流路82、基体80a内に形成された第1圧力変化吸収部83及び第1電極84を備えている。第1流路82は、その一端が第1ポンプ81に連接され、その他端が第1圧力変化吸収部83に連接されている。
The switching
第1ポンプ81及び第1圧力変化吸収部83は、第1作動流体Fo1により満たされている。第1流路82には、第1被移動流体Fd1が収容されている。第1被移動流体Fd1は、第1流路82を流線方向であるY軸方向において実質的に二つの空間に分離している。第1被移動流体Fd1が存在しない部分は第1作動流体Fo1で満たされている。
The
また、スイッチングデバイス80は、第2ポンプ91、基体80a内においてX軸方向に直線的に延びる第2流路92、第2圧力変化吸収部93、第2電極94及び誘電体95を備えている。第2流路92は、その一端が第2ポンプ91に連接され、その他端が第2圧力変化吸収部93に連接されている。
The switching
第2ポンプ91及び第2圧力変化吸収部93は、第2作動流体Fo2により満たされている。第2流路92には、第2被移動流体Fd2が、第2流路92を同流路92の流線方向であるX軸方向において実質的に二つの空間に分離するように収容されている。第2流路92の第2被移動流体Fd2が存在しない部分は第2作動流体Fo2で満たされている。
The
第1ポンプ81は、第1ポンプ11と同一構成を有するポンプである。第1ポンプ81のアクチュエータの電極(図示省略)間には電気制御装置20(図示省略)から第1駆動電圧が印加されるようになっている。第1ポンプ81は、第1流路82内に第1作動流体Fo1を吐出するとともに、第1流路82から第1作動流体Fo1を吸引するようになっている。第1圧力変化吸収部83は、第1流路82内の圧力を一定に維持するように、その容積が変化するようになっている。
The
第2ポンプ91、第2流路92及び第2圧力変化吸収部93(以下、「第2セット」と称呼する。)は、第1ポンプ81、第1流路82及び第1圧力変化吸収部83(以下、「第1セット」と称呼する。)と同一の構成を備えている。第2セットは第1セットをX−Y平面内において90°だけ回転するとともに、第1セットの下方(Z軸負方向)に配置したものである。このとき、第1流路82と第2流路92は、所定の短い距離だけ離れていて、平面視で(所定の方向であるZ軸正方向から見て)交差するようになっている。このように、第2流路92は、第1流路82の下方(又は上方)において第1流路82と交差するように形成されている。
The
第1電極84は、第1流路82と第2流路92の間(交差部)よりも所定距離だけ第1ポンプ81側の位置であって、第1流路82の側壁に備えられている。第1電極84は薄膜であって、その膜面の一つが第1流路82の側壁の面と同一面上に位置し、第1流路82に露呈している。
The
第2電極94は、第1流路82と第2流路92の間(交差部)よりも所定距離だけ第2ポンプ91側の位置であって、第2流路92の側壁に備えられている。第2電極94は第1電極84と同一の薄膜であって、その膜面の一つが第2流路92の側壁の面と同一面上に位置し、第2流路92に露呈している。
The
誘電体95は、略正方形状を有する薄膜であって、第1流路82と第2流路92の間(交差部)にのみ存在するように配置されている。
The dielectric 95 is a thin film having a substantially square shape, and is disposed so as to exist only between the
第1被移動流体Fd1は、図48の仮想線によりに示したように、第1ポンプ81に第1駆動電圧が付与されていないとき、第1電極84から第1ポンプ81側の位置(以下、「第1位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第1被移動流体Fd1は、図48の実線により示したように、第1ポンプ81に適当な第1駆動電圧が付与されたとき、第1電極84から交差部よりも第1圧力吸収部83に近い位置(以下、「第2位置」と称呼する。)に移動されるようになっている。第1被移動流体Fd1は、この第1位置と第2位置との間のみを移動せしめられるようになっている。第1被移動流体Fd1が、第1位置と第2位置との間のみを移動されるので、第1電極84は常に第1被移動流体Fd1に覆われて第1被移動流体Fd1と接するようになっている。
As indicated by the phantom line in FIG. 48, the first moved fluid Fd1 is positioned on the
第2被移動流体Fd2は、図48の仮想線によりに示したように、第2ポンプ91に第2駆動電圧が付与されていないとき、第2電極94から第2ポンプ91側の位置(以下、「第3位置」と称呼する。)に存在するようになっている。一方、第2被移動流体Fd2は、図48の実線により示したように、第2ポンプ91に適当な第2駆動電圧が付与されたとき、第2電極94から交差部よりも第2圧力吸収部93に近い位置(以下、「第4位置」と称呼する。)に移動されるようになっている。第2被移動流体Fd2は、この第3位置と第4位置との間のみを移動せしめられるようになっている。第2被移動流体Fd2が、第3位置と第4位置との間のみを移動されるので、第2電極94は常に第2被移動流体Fd2に覆われて第2被移動流体Fd2と接するようになっている。
As indicated by the phantom line in FIG. 48, the second moved fluid Fd2 is positioned on the
このスイッチングデバイス80は、第1被移動流体Fd1を第1位置に移動したとき第2被移動流体Fd2を第3位置に移動させる。この場合、第1電極84と第2電極94の間の容量は最小値Cminとなり、インピーダンスが最大値となる。従って、スイッチングデバイス80は第1電極84と第2電極94の間を流れようとする高周波信号を遮断する。
The switching
一方、スイッチングデバイス80は、第1被移動流体Fd1を第2位置に移動させるとともに第2被移動流体Fd2を第4位置に移動させる。この場合、第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2とは、誘電体95をZ軸方向において挟む状態となる。従って、第1電極84と第2電極94の間の容量は最大値Cmaxとなり、インピーダンスが最小値となる。その結果、スイッチングデバイス80は第1電極84と第2電極94の間に高周波信号を通過させる。
On the other hand, the switching
以上、説明したように、第5実施形態に係るスイッチングデバイス80によれば、第1電極84が第1被移動流体Fd1の位置に関わらず常に第1被移動流体Fd1により覆われている。また、第2電極94は、第2被移動流体Fd2の位置に関わらず常に第2被移動流体Fd2により覆われている。従って、スイッチングデバイス80は、上述のスイッチングデバイス30が有する利点を有している。
As described above, according to the
また、スイッチングデバイス80においては、第1作動流体Fd1を第2位置に移動させるとともに第2作動流体Fd2を第4位置に移動させたとき、常に誘電体95を完全に第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2で挟むことができる。即ち、第1被移動流体Fd1と第2被移動流体Fd2で挟み込まれる誘電体95の面積が一定となる。従って、第1電極84と第2電極94の間の容量の最大値を一定にすることができる。その結果、このスイッチングデバイス80は、安定したスイッチング動作を達成することができる。
(第6実施形態)
次に、第5の発明の第6実施形態に係るスイッチングデバイス100について図50及び図51を参照しながら説明する。図50は、スイッチングデバイス100が作動状態にあるときの同デバイス100の縦断面を概念的に示した図である。図51は、図50の2−2線に沿った平面にてスイッチングデバイス100を切断した断面図である。図50及び図51においては、図41及び図42に示した電気制御装置20及び電気回路21は省略されている。
Further, in the
(Sixth embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス100は、セラミックスシートが一体化されてなる基体100a、ポンプ101、X軸方向に直線的に延びる流路102、圧力変化吸収部103、一対の電極103a,103b及び誘電体104を備えている。ポンプ101は第1ポンプ11と実質的に同一の構造を有している。ポンプ101は、図50において概念的に示されている。
The
流路102は、基体100a内に形成されたX軸方向に流線方向を有する密閉空間である。流路102のX軸負方向側端部はポンプ101と連通されている。流路102のX軸正方向側端部は圧力変化吸収部103と接続されている。圧力変化吸収部103は、上述した圧力変化吸収部83と実質的に同一構成を備えている。
The
流路102のX軸方向略中央部には被移動流体F1が収容されている。被移動流体F1は流路102を流路102の流線方向(X軸方向)において実質的に二つの空間に分離するように流路102内に収容されている。流路102の被移動流体F1が満たされていない部分、ポンプ101及び圧力変化吸収部103は、作動流体F2で満たされている。流路102は、図51に示したように、流線方向に直交する面(Z−Y平面)にそって切断した断面の形状が略円形となっている。
A fluid F1 to be moved is accommodated in a substantially central portion of the
一対の電極103a及び103bは、それぞれ略正方形状を有する薄板体である。一対の電極103a及び103bは、流路102aと所定の距離だけ隔てた位置に流路102の壁面に沿うように形成されている。電極103aは、流路102を挟んで電極103bと対向している。
Each of the pair of
誘電体104は、X軸方向に延びる軸を有する円環形状を有していて、流路102の壁面(外壁)と一対の電極103a及び103bの間に形成されている。誘電体104は流路102に露呈している。換言すると、誘電体104の内壁は流路102の壁面と一致して、流路102の一部を構成している。
The dielectric 104 has an annular shape having an axis extending in the X-axis direction, and is formed between the wall surface (outer wall) of the
スイッチングデバイス100にあっては、ポンプ101を非作動状態としたとき、被移動流体F1は、図50に仮想線にて示したように、誘電体104が形成された位置よりもX軸負方向の第1位置に存在するように構成されている。このとき、電極103aと電極103bの間の容量(キャパシタンス)は最小となる。
In the
ポンプ101を作動状態とすると、被移動流体F1は、ポンプ101から吐出される作動流体F2によりX軸正方向側に移動せしめらる。この結果、被移動流体F1は、図50に実線にて示したように、誘電体104が形成された位置である第2位置に到達する。このとき、電極103aと電極103bの間の容量(キャパシタンス)は最大となる。スイッチングデバイス100は、かかる容量変化を利用してスイッチングを行うようになっている。
When the
スイッチングデバイス100によれば、流路102の断面形状が略円形になっているので、被移動流体F1が第2位置に移動されたとき、被移動流体F1は誘電体104と実質的に密着する。換言すると、流路102には角部が存在しないので、被移動流体F1が第2位置に移動されたとき、作動流体F2が被移動流体F1と電極103a,103bの各間に侵入しない。この結果、スイッチングデバイス100によれば、被移動流体F1が第1位置に存在するときの電極103a,103bの間の容量と被移動流体F1が第2位置に存在するときの電極103a,103b間の容量の差を大きくすることができる。従って、スイッチングデバイス100は、安定したスイッチング動作を達成することができる。
According to the
なお、流路102の断面形状は略円形になっていたが、楕円形及び長円形のように角部を有さない形状であっても、スイッチングデバイス100と同様の効果を得ることができる。
(第7実施形態)
次に、第5の発明の第7実施形態に係るスイッチングデバイス110について図52乃至図54を参照しながら説明する。図52は、スイッチングデバイス110が作動状態にあるときの同デバイス110の縦断面を概念的に示した図である。図53は、図52の3−3線に沿った平面にてスイッチングデバイス110を切断した断面図である。図54は、図52の4−4線に沿った平面にてスイッチングデバイス110を切断した断面図である。これらの図においては、図41及び図42に示した電気制御装置20及び電気回路21は省略されている。
In addition, although the cross-sectional shape of the
(Seventh embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス110は、セラミックスシートが一体化されてなる基体110a、ポンプ111、X軸方向に直線的に延びる流路112、圧力変化吸収部113、一対の電極114a,114b及び一対の誘電体115a,115bを備えている。ポンプ111は第1ポンプ11と実質的に同一の構造を有している。ポンプ111は、図52において概念的に示されている。
The
流路112は、基体110a内に形成されたX軸方向に流線方向を有する密閉空間である。流路112のX軸負方向側端部はポンプ111と連通されている。流路112のX軸正方向側端部は圧力変化吸収部113と接続されている。圧力変化吸収部113は、上述した圧力変化吸収部83と実質的に同一構成を備えている。
The
流路112のX軸方向略中央部には被移動流体F1が収容されている。被移動流体F1は流路112を流路112の流線方向(X軸方向)において実質的に二つの空間に分離するように流路112内に収容されている。流路112の被移動流体F1が満たされていない部分、ポンプ111及び圧力変化吸収部113は、作動流体F2で満たされている。
A fluid F1 to be moved is accommodated in the approximate center of the
図53に示したように、X軸方向略中央部において、流線方向に直交する面(Y−Z平面)にそって流路112を切断した断面の形状は略長方形状となっている。この長方形は、Y軸方向に長辺を有し、Z軸方向に短辺を有している。この長方形の面積(流路断面積)はSである。流路112は、図54に示したように、X軸方向略中央部を除いた部分において、流線方向に直交する面にそって切断した断面の形状が略正方形状となっている。この正方形の面積(流路断面積)はSである。即ち、流路112は、流線方向の略中央部において略長方形の断面形状を有し、その他の部分(流線方向の両端部)において略正方形の断面形状を有している。また、流路112の流路断面積は一定である。
As shown in FIG. 53, the cross-sectional shape of the
電極114aは長方形状を有する薄板状に形成されている。電極114bの形状は電極114aの形状と同一である。一対の電極114a,114bは、流路112の略中央部(即ち、断面形状が長方形状となっている部分)において、流路112の長辺を含む壁面と平行となるように、流路112の壁面から所定の距離だけ離れた位置に配置されている。一対の電極114a,114bは、流路112を挟んで対向するように形成されている。
The
誘電体115aは長方形を有する薄板状で、電極114aと略同一形状となるように形成されている。誘電体115aは、流路112の略中央部(即ち、断面形状が長方形状となっている部分)において、流路112と電極114aの間に配置されている。誘電体115aは電極114aと接触している。誘電体115aは流路に露呈している。換言すると、誘電体115aの内壁は流路112の壁の一部を構成している。
The dielectric 115a is a thin plate having a rectangular shape, and is formed to have substantially the same shape as the
同様に、誘電体115bは誘電体115aと同一の長方形を有する薄板状に形成されている。誘電体115bは、流路112の略中央部(即ち、断面形状が長方形状となっている部分)において、流路112と電極114bの間に配置されている。誘電体115bは電極114bと接触している。誘電体115bは、流路112を挟んで誘電体115aと対向している。誘電体115bは流路に露呈している。換言すると、誘電体115bの内壁は流路112の壁の一部を構成している。
Similarly, the dielectric 115b is formed in a thin plate shape having the same rectangle as the dielectric 115a. The dielectric 115b is disposed between the
スイッチングデバイス110にあっては、ポンプ111を非作動状態としたとき、被移動流体F1は、図52に仮想線にて示したように、誘電体115a,115bが形成された位置(即ち、流路112の断面形状が長方形の部分)よりもX軸負方向の第1位置に存在するように構成されている。このとき、電極114aと電極114bの間の容量(キャパシタンス)は最小となる。
In the
ポンプ111を作動状態とすると、被移動流体F1は、ポンプ111から吐出される作動流体F2によりX軸正方向側に移動せしめらる。この結果、被移動流体F1は、図52に実線にて示したように、誘電体115a,115bが形成された部分を含む第2位置に到達する。このとき、電極114aと電極114bの間の容量(キャパシタンス)は最大となる。スイッチングデバイス110は、かかる容量変化を利用してスイッチングを行うようになっている。
When the
スイッチングデバイス110によれば、流路112の断面形状が長方形となっている部分に、誘電体115a,115b及び電極114a,114bが形成されている。従って、基体110aが小さく、或いは流路113の流路断面積が微小であっても、大きい面積の誘電体115a,115b及び大きい面積の電極114a,114bを備えることができるので、第2位置に移動された被移動流体F1と誘電体115a,115bとの接触面積が大きくなる。更に、電極114aと電極114bと被移動流体F1との相互の距離が小さくなる。
According to the
この結果、被移動流体F1が第2位置に移動したときの容量を大きくすることができる。換言すると、被移動流体F1が第1位置に移動したときの電極114a,114b間の容量と第2位置に移動したときの電極114a,114b間の容量の差を大きくすることができる。従って、スイッチングデバイス110は、安定したスイッチング動作を達成することができる。
(第8実施形態)
次に、第5の発明の第8実施形態に係るスイッチングデバイス120について図55を参照しながら説明する。図55は、スイッチングデバイス120の縦断面を示す概略図である。
As a result, the capacity when the moved fluid F1 moves to the second position can be increased. In other words, the difference between the capacitance between the
(Eighth embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス120は、セラミックスシートが一体化されてなる基体120a、ポンプ121、X軸方向に直線的に延びる流路122、圧力変化吸収部123、一対の電極124a,124b及び一対の誘電体125a,125bを備えている。ポンプ121は第1ポンプ11と実質的に同一の構造を有している。
The
流路122は、基体120a内に形成されたX軸方向に流線方向を有する密閉空間である。流路122のX軸負方向側端部はポンプ121と接続されている。流路122のX軸正方向側端部は、圧力変化吸収部123と接続されている。圧力変化吸収部123は、上述した圧力変化吸収部83と実質的に同一の構造を有している。
The
流路122のX軸方向略中央部には被移動流体F1が収容されている。被移動流体F1は流路122を流路122の流線方向(X軸方向)において実質的に二つの空間に分離するように流路122内に収容されている。流路122の被移動流体F1が満たされていない部分、ポンプ121及び圧力変化吸収部123は、作動流体F2で満たされている。
A fluid F1 to be moved is accommodated in a substantially central portion of the
流路122を流線方向に直交する面(Y−Z平面)に沿って切断した断面の形状は略長方形状(又は、略円形状)となっている。流路122は、X軸方向略中央部からポンプ121との接続部(X軸方向負側)との間に、流路断面積の大きい大径部122aを有している。流路122は、X軸方向略中央部から圧力変化吸収部123との接続部(X軸方向正側)との間に、大径部122aよりも流路断面積の小さい小径部122bを有している。
The shape of the cross section obtained by cutting the
電極124aは長方形の薄板状に形成されている。電極124bの形状は電極124aの形状と同一である。一対の電極124a,124bは、流路122の小径部122bにおいて、流路122の壁面から所定の距離だけ離れた位置に配置されている。一対の電極124a,124bは、流路122を挟んで対向するように形成されている。
The
誘電体125aは長方形の薄板状であって、電極124aと略同一の形状を有している。誘電体125aは、流路122の小径部122bにおいて、流路122と電極124aの間に配置されている。誘電体125aは、一面において電極124aと接触し、他面において流路122に露呈している。換言すると、誘電体125aの下面は流路122の壁面の一部を構成している。
The dielectric 125a is a rectangular thin plate and has substantially the same shape as the
誘電体125bは誘電体125aと同一の形状を有している。誘電体125bは、流路122の小径部122bにおいて、流路122と電極124bの間に配置されている。誘電体125bは、流路122を挟んで誘電体125aと対向している。誘電体125bは一面において電極124bと接触し、他面において流路122に露呈している。換言すると、誘電体125bの上面は流路122の壁面の一部を構成している。
The dielectric 125b has the same shape as the dielectric 125a. The dielectric 125b is disposed between the
スイッチングデバイス120にあっては、ポンプ121を非作動状態(デバイス120を初期状態)としたとき、被移動流体F1は、図55に仮想線にて示したように、大径部122a内の第1位置に存在するように構成されている。このとき、電極124aと電極124bの間の容量(キャパシタンス)は最小となる。
In the
ポンプ121を作動状態(デバイス120を作動状態)とすると、被移動流体F1は、ポンプ121から吐出される作動流体F2によりX軸正方向側に移動せしめらる。この結果、被移動流体F1は、図55に実線にて示したように、大径部122aと小径部122bの両方に跨って存在し、誘電体125a,125bが形成された位置に達する。この被移動流体F1が存在する位置を第2位置と称呼する。被移動流体F1が第2位置に存在するとき、誘電体125a,125bは被移動流体F1によって覆われる。このとき、電極124aと電極124bの間の容量(キャパシタンス)は最大となる。スイッチングデバイス120は、かかる容量変化を利用してスイッチングを行うようになっている。
When the
その後、ポンプ121を非作動状態とすると、ポンプ121は作動流体F2を大径部122aから吸引する。これにより、被移動流体F1は第2位置から第1位置へと移動する。
Thereafter, when the
スイッチングデバイス120によれば、被移動流体F1がX軸正方向に移動せしめられることにより、「オフ」状態から「オン」状態へとスイッチ状態が変化する。このとき、被移動流体F1の移動側先端部は、大径部122aから小径部122bへと侵入する。従って、被移動流体F1の移動側先端部は、被移動流体F1が大径部122a内のみを移動している場合に比べて高速で移動することができる。
According to the
また、被移動流体F1がX軸負方向に移動せしめられることにより、「オン」状態から「オフ」状態へとスイッチ状態が変化する。この場合、被移動流体F1の移動側後端部が小径部122b内を移動している最中に、被移動流体F1と誘電体125a,125bとが接触状態から非接触状態へと変化し、その後、被移動流体F1と誘電体125a,125bの距離が短時間内に大きくなる。これらの結果、スイッチングデバイス120は、スイッチング動作をより高速に行うことができる。
Further, when the fluid F1 to be moved is moved in the negative direction of the X axis, the switch state changes from the “on” state to the “off” state. In this case, the moving fluid F1 and the
このように、スイッチングデバイス120において、流路122は大径部122aと小径部122bとを備えている。被移動体は被移動流体F1であり、作動流体F2は被移動流体F1に対して実質的に非溶性であり且つ流路122の壁面に対する濡れ性が被移動流体F1の流路122の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体である。また、一対の電極124a,124bは小径部122bに配設され、アクチュエータ(ポンプ121)は作動流体F2を大径部122aに吐出又は作動流体F2を大径部122aから吸引するように構成されている。
Thus, in the
そして、被移動流体F1の一方の端部は小径部122b内を移動し、それにより電極124a,124b間の容量が変化してスイッチング動作がなされる。この結果、このスイッチングデバイス120は、ポンプ121から同一量の作動流体が吐出又は吸引されたとき、小径部122bを有さないデバイスよりも、被移動流体F1の電極124a,124bに対する速度を大きくすることができ、高速でのスイッチングを行うことができる。
(第9実施形態)
次に、第5の発明の第9実施形態に係るスイッチングデバイス130について図56乃至図59を参照しながら説明する。図56は、スイッチングデバイス130の流路近傍の縦断面である。図57乃至図59は、図56の5−5線、6−6線及び7−7線に沿った平面にてスイッチングデバイス130の流路近傍を切断した断面図である。
Then, one end of the fluid F1 to be moved moves in the
(Ninth embodiment)
Next, a
このスイッチングデバイス130は、セラミックスからなる基体130a、図示を省略した二つのポンプ、第1流路131a、第2流路131b、図示を省略した二つの圧力変化吸収部、一対の電極132a,132b及び誘電体133を備えている。
The
第1流路131aは、X軸方向に直線的に延び、X軸方向に流線方向を有する密閉空間である。第1流路131aは、図57乃至図59に示したように、断面が略円形となっている。第1流路131aのX軸負方向端部は図示を省略した一つのポンプに接続されている。このポンプは、第1ポンプ11と実質的に同一の構造を有している。第1流路131aのX軸正方向端部は図示を省略した一つの圧力変化吸収部に接続されている。この圧力変化吸収部は、上述した圧力変化吸収部83と実質的に同一の構造を有している。
The
第1流路131aには第1被移動流体Fd1が収容されている。第1被移動流体Fd1は第1流路131aを第1流路131aの流線方向(X軸方向)において実質的に二つの空間に分離するように第1流路131a内に収容されている。第1流路131aの第1被移動流体Fd1が満たされていない部分、第1流路131aに接続されたポンプ及び第1流路131aに接続された圧力変化吸収部は、第1作動流体Fo1で満たされている。
The first fluid 131 is accommodated in the
第2流路131bは、X軸方向に直線的に延び、図57乃至図59に示したように、X軸方向に流線方向を有する円筒状の密閉空間である。第2流路131bは、第1流路131aと同軸的に形成されている。第2流路131bと第1流路131aとの間には、セラミックスからなる円筒状隔壁130bが設けられている。
The
第2流路131bのX軸正方向端部は図示を省略した一つのポンプに接続されている。このポンプは、第1ポンプ11と実質的に同一の構造を有している。第2流路131bのX軸負方向端部は図示を省略した一つの圧力変化吸収部に接続されている。この圧力変化吸収部は、上述した圧力変化吸収部83と実質的に同一の構造を有している。
The positive end of the
第2流路131bには第2被移動流体Fd2が収容されている。第2被移動流体Fd2は第2流路131bを第2流路131bの流線方向(X軸方向)において実質的に二つの空間に分離するように第2流路131b内に収容されている。第2流路131bの第2被移動流体Fd2が満たされていない部分、第2流路131bに接続されたポンプ及び第2流路131bに接続された圧力変化吸収部は、第2作動流体Fo2で満たされている。
The
第1電極132aは、第1流路131aのX軸方向略中央部よりもX軸負方向側に設けられている。第1電極132aは円環状であって第1流路131aと第2流路131bとの間の隔壁130bに埋設され、第1流路131aに露呈している。
The
誘電体133は、第1電極132aが設けられた位置よりもX軸正方向側であって、第1流路131aのX軸方向略中央部に設けられている。誘電体133は円環状であって第1流路131aと第2流路131bとの間の隔壁130bに埋設され、第1流路131a及び第2流路131bに露呈している。
The dielectric 133 is provided on the X-axis positive direction side of the position where the
第2電極132bは、誘電体133が設けられた位置よりもX軸正方向側に設けられている。第2電極132bは、円環状であって、第2流路131bを形成する基体130aに埋設され、第2流路131bに露呈している。
The
スイッチングデバイス130にあっては、図56に仮想線にて示したように、一対のポンプを共に非作動状態としたとき(即ち、スイッチングデバイス130が初期状態にあるとき)、第1被移動流体Fd1はX軸方向負側に存在し、第2被移動流体Fd2はX軸正方向側に存在するようになっている。このとき、第1被移動流体Fd1は第1電極132aを覆って第1電極132aと接触するが、誘電体133とは接触しないようになっている。この第1被移動流体Fd1の位置は、便宜上、第1位置と称呼される。また、第2被移動流体Fd2は第2電極132bを覆って第2電極132bと接触するが、誘電体133とは接触しないようになっている。この第2被移動流体Fd2の位置は、便宜上、第3位置と称呼される。このとき、第1電極132aと第2電極132bの間の容量は最小となる。
In the
一対のポンプを共に作動状態とすると(即ち、スイッチングデバイス130が作動状態にあるとき)、第1被移動流体Fd1は、ポンプから吐出される第1作動流体Fo1によりX軸正方向側に移動せしめらる。この結果、第1被移動流体Fd1は、図56に実線にて示したように、第1電極132a及び誘電体133を覆い、これらに接触する位置に移動する。この第1被移動流体Fd1の位置は、便宜上、第2位置と称呼される。また、第2被移動流体Fd2は、ポンプから吐出される第2作動流体Fo2によりX軸負方向に移動せしめられる。この結果、第2被移動流体Fd2は、第2電極132b及び誘電体133を覆い、これらに接触する位置に移動する。この第2被移動流体Fd2の位置は、便宜上、第4位置と称呼される。このとき、第1電極132aと第2電極132bの間の容量は最大となる。スイッチングデバイス130は、かかる容量変化を利用してスイッチングを行うようになっている。
When the pair of pumps are both activated (that is, when the
このように、スイッチングデバイス130においては、第2流路131bは、筒状であって第1流路131aと同軸的に形成されている。従って、スイッチングデバイス130によれば、例えば第2実施形態のスイッチングデバイス30及び第3実施形態のスイッチングデバイス40等の二つの流路を有するスイッチングデバイスと異なり、第1被移動体Fd1及び第2被移動流体Fd2が軸対称の形状を維持しながら移動することにより、第1電極132aと第2電極132bの間の容量が変化する。従って、スイッチングデバイス130は、スイッチングデバイス130により伝達される高周波信号に雑音が重畳し難いという利点を有している。
Thus, in the
なお、第9実施形態の隔壁130b全体(第1電極132aを除く)を誘電体133により形成してもよい。また、図57乃至図59にそれぞれ対応する図60乃至図62に示したように、第1流路及び第2流路の断面形状を正方形状(或いは、多角形状)にしても良い。この場合、図60に示したように、第1電極132aに代えて4個に分離した第1電極142a1〜142a4を、第1流路131aに代わる第1流路141aの各辺の中央部のみに形成することが望ましい。なお、第1電極142a1〜142a4は、基体130aに代わる基体140aの内部又は外部にて電気的に接続されている。
Note that the
同様に、図61に示したように、誘電体133に代えて4個に分離した誘電体143a〜143dを、第1流路141aの各辺の中央部のみに形成することが望ましい。更に、図62に示したように、第2電極132bに代えて4個に分離した第2電極142b1〜142b4を、第2流路131bに代わる第2流路141bの各辺の中央部のみに形成することが望ましい。なお、第2電極142b1〜142b4は、基体140aの内部又は外部にて電気的に接続されている。
Similarly, as shown in FIG. 61, it is desirable to form the
図60乃至図62により示した変形例に係るスイッチングデバイス140においても、第1被移動体Fd1及び第2被移動流体Fd2が実質的に軸対称の形状を維持しながら移動することにより、第1電極142a1〜142a4と第2電極142b1〜142b4の間の容量が変化する。従って、スイッチングデバイス140は、スイッチングデバイス140により伝達される高周波信号に雑音が重畳し難いという利点を有している。更に、スイッチングデバイス140は、各流路の断面形状が略正方形であるので、容易に製造され得る。
Also in the
また、第1被移動流体Fd1は、濡れ性のために第1流路141aの角部に存在できない。これに対し、第1電極142a1〜142a4は、第1流路141aの各辺の中央部のみに形成されているので、第1被移動流体Fd1によって常に覆われ、第1作動流体Fo1に曝されない。同様に、第2被移動流体Fd2は、濡れ性のために第2流路141bの角部に存在できない。これに対し、第2電極142b1〜142b4は、第2流路141bの各辺の中央部のみに形成されているので、第2被移動流体Fd2に常に覆われ、第2作動流体Fo2に曝されない。従って、第1電極142a1〜142a4及び第2電極142b1〜142b4の酸化による劣化を回避することができる。
Moreover, the 1st to-be-moved fluid Fd1 cannot exist in the corner | angular part of the
以上、説明したように、第5の発明による各実施形態によれば、高速スイッチング動作を安定して行うことができ、且つ、電極の劣化も抑制することができるスイッチングデバイスが提供される。 As described above, according to the embodiments of the fifth invention, there is provided a switching device that can stably perform a high-speed switching operation and can suppress deterioration of an electrode.
なお、第5の発明は上記実施形態に限定されることはなく、第5の発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図63に示したように、一つの流路を備えた第5の発明によるスイッチングデバイスにおいて、電極、誘電体及び流路の相対配置関係は多数存在する。 The fifth invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the fifth invention. For example, as shown in FIG. 63, in the switching device according to the fifth aspect of the present invention having one flow path, there are a large number of relative arrangement relationships among the electrodes, the dielectric and the flow paths.
また、例えば、上述した流路は、流線方向に直交する断面の形状が円形であることが望ましい。この場合、この円形の外周部に同円形と同心的に接地領域を形成することが望ましい。これにより、スイッチング動作時の波形を安定させることができる。 In addition, for example, the above-described flow path desirably has a circular cross-sectional shape orthogonal to the streamline direction. In this case, it is desirable to form a grounding region concentrically with the circular shape on the circular outer periphery. Thereby, the waveform at the time of switching operation can be stabilized.
更に、各実施形態のポンプの駆動源(アクチュエータ)は、圧電膜に限定されることはなく、例えば、静電気力を利用したり、形状記憶合金の変形力を利用するものであってもよい。 Furthermore, the drive source (actuator) of the pump of each embodiment is not limited to the piezoelectric film, and may use, for example, an electrostatic force or a deforming force of a shape memory alloy.
加えて、上記各実施形態において、誘電体の膜厚を小さくすることにより、電極間の容量を増大させてもよい。例えば、電極の材料としてニッケルを使用し、その表面に酸化処理を施すことにより、薄膜状酸化ニッケルを形成し、これを上述した誘電体として使用することもできる。また、電極の材料として白金を使用した場合、その表面にクロムメッキを施し、更に酸化処理することによって形成される薄膜状酸化クロムを上述した誘電体として使用することもできる。 In addition, in each of the above embodiments, the capacitance between the electrodes may be increased by reducing the thickness of the dielectric. For example, nickel can be used as an electrode material, and the surface thereof is oxidized to form a thin film of nickel oxide, which can be used as the above-described dielectric. Further, when platinum is used as the electrode material, a thin film of chromium oxide formed by performing chromium plating on the surface and further oxidizing it can also be used as the above-described dielectric.
また、薄膜誘電体と薄膜電極とを交互に積層した電極を、上述した電極(及び/又は誘電体)に代わるものとして使用することも好適である。これによれば、スイッチングの対象となる高周波信号のフィルタリング機能を電極に持たせることができる。 It is also preferable to use an electrode in which thin film dielectrics and thin film electrodes are alternately stacked as a substitute for the above-described electrode (and / or dielectric). According to this, the electrode can be provided with a filtering function of a high-frequency signal to be switched.
さらに、本願において、流路内の導電性被移動流体を移動することによりスイッチングを行うスイッチングデバイス及びその製造方法に関する第6の発明が提供される。 Furthermore, in this application, the 6th invention regarding the switching device which switches by moving the electroconductive moved fluid in a flow path, and its manufacturing method is provided.
従来より知られるスイッチングデバイスの一つは、導電性被移動流体と気体とが充填される細長のチャネル(流路)、気体加熱手段を含み前記気体が充填されるチャンバ及びチャンバとチャネルとを連結し前記気体が充填されるサブチャネル(連通路)を有し、前記加熱手段で前記気体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記導電性流体を前記チャネル内で移動させ、これにより前記導電性流体を含む電気パスを開閉するようになっている(例えば、特開2002−260499号公報(第1頁−6頁、図65、図67、図68及び図69)を参照。)。 One of the conventionally known switching devices includes an elongated channel (flow channel) filled with a conductive transferred fluid and a gas, a chamber containing gas heating means, and the chamber and the channel are connected to each other. And a sub-channel (communication path) filled with the gas, and the conductive fluid is moved in the channel by heating the gas and expanding the gas by the heating means, whereby the conductive An electric path containing a sexual fluid is opened and closed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-260499 (page 1-6, FIGS. 65, 67, 68 and 69)).
一方、本発明者は図80及び図81に示した構造を有するスイッチングデバイス100を開発している。図80は、スイッチングデバイス100が第1の状態にある場合の概略断面図である。図81は、スイッチングデバイス100が第2の状態にある場合の概略断面図である。スイッチングデバイス100は、長手方向を流線方向とする流路101、一対の電極102a,102b、一対の貫通孔103a,103b、一対の導体104a,104b、一対の表面配線膜105a,105b、流路101に収容された被移動流体F(FL,FR)及び図示しないアクチュエータとを備えている。
On the other hand, the present inventor has developed a
被移動流体F(FL,FR)は、例えば、水銀からなっている。図80に示したように、スイッチングデバイスが第1の状態にあるとき、被移動流体Fは一つの塊として存在している。被移動流体Fは、図81に示したように、アクチュエータが作動されてスイッチングデバイスが第2の状態になったとき、二つの塊からなる被移動流体FL,FRに分離する。 The fluid F (FL, FR) to be moved is made of mercury, for example. As shown in FIG. 80, when the switching device is in the first state, the fluid F to be moved exists as one lump. As shown in FIG. 81, the fluid F to be moved is separated into fluids FL and FR that are made of two blocks when the actuator is operated and the switching device is in the second state.
電極102a,102bは、例えば、白金からなっている。電極102a,102bは、流路101内に露呈するように形成されている。導体104a,104bは、貫通孔103a,103b内にそれぞれ収納されている。電極102aは導体104aを介して表面配線膜105aに接続されている。電極102bは導体104bを介して表面配線膜105bに接続されている。従って、第1の状態において、電極102aと電極102bは導通する。また、第2の状態において、電極102aと電極102bは非導通となる。
The
このようなスイッチングデバイス100において、電極102a,102bは流路101内の被移動流体F,FL,FRに曝されている。被移動流体F,FL,FRは流路101内を振動する。更に、被移動流体F,FL,FRの内部には対流が生じている。従って、電極102a,102bの表面は被移動流体F,FL,FRによって摩耗する。また、電極102a,102bは被移動流体F,FL,FR中に溶出する。
In such a
この結果、電極102a,102bに対する被移動流体F,FL,FRの濡れ性が低下し、電極102a,102bと被移動流体F,FL,FR間の接触抵抗が増大してしまうという問題がある。更に、被移動流体F,FL,FR内に溶出した電極102a,102bを構成する金属及びその金属が酸化して形成される金属酸化物等により、被移動流体F,FL,FRの粘性が上昇するため、スイッチング速度の低下を招くという問題もある。
As a result, the wettability of the moved fluids F, FL, FR with respect to the
他方、図82及び図83に示したようなスイッチングデバイス200も知られている(特開2000−195389号公報の図69及び図70を参照。)このスイッチングデバイス200は、直線状の第1流路201、第1流路201に直交する直線状の第2流路202、第1アクチュエータ203、第2アクチュエータ204、第1電極205及び第2電極206を備えている。第1電極205及び第2電極206は、第1流路201の両端において第1流路201内に露呈するように配設されている。
On the other hand, a
スイッチングデバイス200が第1状態にあるとき、図82に示したように、第1流路201には被移動流体F1が収容され、第2流路202、第1アクチュエータ203及び第2アクチュエータ204には作動流体F2が収容されている。従って、第1電極205と第2電極206とは導通状態にある。
When the
スイッチングデバイス200は、次いでアクチュエータ203を作動させ、作動流体F2を第1流路201に送り込む。これにより、図83に示したように、第1流路201と第2流路202との交差部分に存在していた被移動流体F1は第1流路201から押し出され、第2流路202に設けられている滞留部202aに移動する。この結果、第1流路201内の被移動流体F1は二つの塊に分離するので、第1電極205と第2電極206とは非導通状態となる。この状態が第2の状態である。
The
スイッチングデバイス200は、第2の状態から第1の状態へと変化するとき、第2アクチュエータ204を作動させる。これにより、滞留部202aに存在していた被移動流体F1は第1流路201と第2流路202との交差部分に戻る。この結果、第1流路201内の被移動流体F1は再び一つの塊に復帰するので、第1電極205と第2電極206とは導通状態となる。
The
これによっても、第1電極205及び第2電極206は第1流路201内の被移動流体F1に曝されている。被移動流体F1は分離及び一体化を繰り返すので、振動するとともに、その内部において対流が生じる。この被移動流体F1の振動及び対流は、第1電極205及び第2電極206に直接的に影響を及ぼす。従って、第1電極205及び第2電極206は、被移動流体F1によって摩耗し、且つ、被移動流体F1中に溶出する。この結果、上述した電極の劣化が進行し易く、抵抗値が増大する等のスイッチング性能の低下を招くという問題がある。
Also by this, the
第6の発明の目的は、上述した問題を回避し得るスイッチングデバイスを提供することにある。第6の発明の他の目的は、そのようなスイッチングデバイスを簡単に製造することができる製造方法を提供することにある。 An object of the sixth invention is to provide a switching device that can avoid the above-mentioned problems. Another object of the sixth invention is to provide a manufacturing method capable of easily manufacturing such a switching device.
第6の発明のスイッチングデバイスは、長手方向を流線方向とする流路を内部に備える流路形成体と、前記流路に収容される導電性の被移動流体と、前記被移動流体を前記流路内にて前記流線方向に沿って移動させるアクチュエータと、少なくとも一対の電極とを備え、前記一対の電極は前記流路内の被移動流体を介して導通状態となるとともに同被移動流体の移動により非導通状態へと切り換えられるスイッチングデバイスである。 A switching device according to a sixth aspect of the present invention is a flow path forming body that includes therein a flow path whose longitudinal direction is a streamline direction, a conductive transferred fluid accommodated in the flow path, and the transferred fluid. An actuator that moves in the flow path along the streamline direction and at least a pair of electrodes, and the pair of electrodes are in a conductive state via the fluid to be moved in the flow path and the fluid to be moved It is a switching device that can be switched to a non-conducting state by the movement of.
更に、前記流路形成体は、前記流路に連通され且つ同流路の流線方向と第1の所定角度をもって交差する方向に延びる第1連通路を備えるとともに、同第1連通路に、前記流路内の被移動流体に常に連続する状態を維持するように被移動流体を収容している。また、前記一対の電極のうちの一つは前記第1連通路に収容された前記被移動流体を介して前記流路内の被移動流体と電気的に接続されるように配設されている。 Further, the flow path forming body includes a first communication path that communicates with the flow path and extends in a direction intersecting with the flow line direction of the flow path at a first predetermined angle, and the first communication path, The fluid to be moved is accommodated so as to maintain a continuous state with the fluid to be moved in the flow path. One of the pair of electrodes is disposed so as to be electrically connected to the fluid to be moved in the flow path via the fluid to be moved accommodated in the first communication path. .
第1連通路は第1の所定角度をもって流路の流線方向に交差している。従って、流路内の被移動流体が移動された場合であっても、第1連通路内の被移動流体は移動せず、更に、第1連通路内の被移動流体に生じる対流及び振動は相対的に弱い。従って、前記一対の電極のうちの一つは、被移動流体によって摩耗され難く、且つ、被移動流体中へ溶出し難い。この結果、接触抵抗が増大し難く、且つ、スイッチング速度が低下し難いスイッチングデバイスが提供される。 The first communication passage intersects the streamline direction of the flow path at a first predetermined angle. Therefore, even when the moved fluid in the flow path is moved, the moved fluid in the first communication path does not move, and further, the convection and vibration generated in the moved fluid in the first communication path are Relatively weak. Therefore, one of the pair of electrodes is not easily worn by the fluid to be moved and is not easily eluted into the fluid to be moved. As a result, a switching device in which the contact resistance is difficult to increase and the switching speed is difficult to decrease is provided.
第6の発明によるスイッチングデバイスの一態様は、長手方向を流線方向とする流路を内部に備える流路形成体と、前記流路に収容される導電性の被移動流体と、前記被移動流体を前記流路内にて前記流線方向に沿って移動させることにより、一つの塊の被移動流体を二つ以上の塊の被移動流体に分離するとともに、同分離した二つ以上の塊の被移動流体を同一つの塊の被移動流体へと復元するアクチュエータと、一対の電極と、を備え、前記被移動流体の移動により前記一対の電極間の導通状態を切り換えるスイッチングデバイスである。 One aspect of the switching device according to the sixth aspect of the present invention is a flow path forming body including therein a flow path whose longitudinal direction is a streamline direction, a conductive transferred fluid accommodated in the flow path, and the transferred By moving the fluid along the streamline direction in the flow path, one mass of the fluid to be moved is separated into two or more masses of the fluid to be moved, and the two or more masses separated from each other are separated. And a pair of electrodes, the switching device switching a conduction state between the pair of electrodes by movement of the fluid to be moved.
更に、前記流路形成体は、前記流路に連通され且つ同流路の流線方向と第1の所定角度をもって交差する方向に延びる第1連通路を備えるとともに、同第1連通路に、前記被移動流体が前記一つの塊の被移動流体であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体のうちの一つに連続するように、前記被移動流体を収容している。また、前記流路形成体は、前記流路に連通され且つ同流路の流線方向と第2の所定角度をもって交差する方向に延びる第2連通路を備えるとともに、同第2連通路に、前記被移動流体が前記一つの塊の被移動流体であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体のうちの他の一つに連続するように、前記被移動流体を収容している。 Further, the flow path forming body includes a first communication path that communicates with the flow path and extends in a direction intersecting with the flow line direction of the flow path at a first predetermined angle, and the first communication path, When the transferred fluid is the single block of the transferred fluid, it is continuous to the same block, and when the transferred fluid is separated into the two or more blocks, the two or more blocks of the transferred fluid The fluid to be moved is accommodated so as to be continuous with one of them. In addition, the flow path forming body includes a second communication path that communicates with the flow path and extends in a direction intersecting the streamline direction of the flow path at a second predetermined angle, and the second communication path, When the transferred fluid is the single block of the transferred fluid, it is continuous to the same block, and when the transferred fluid is separated into the two or more blocks, the two or more blocks of the transferred fluid The fluid to be moved is accommodated so as to be continuous with the other one of them.
加えて、前記一対の電極のうちの一つは前記第1連通路に収容された前記被移動流体を介して前記流路内の被移動流体と電気的に接続されるように配設され、同一対の電極のうちの他の一つは前記第2連通路に収容された前記被移動流体を介して前記流路内の被移動流体と電気的に接続されるように配設されている。 In addition, one of the pair of electrodes is disposed so as to be electrically connected to the moved fluid in the flow path via the moved fluid accommodated in the first communication path, The other electrode of the same pair is arranged so as to be electrically connected to the fluid to be moved in the flow path via the fluid to be moved accommodated in the second communication path. .
この場合、前記第1の所定角度及び前記第2の所定角度は、0°でない角度であって、それらの少なくとも一方は90°であってよい。 In this case, the first predetermined angle and the second predetermined angle may be angles other than 0 °, and at least one of them may be 90 °.
第1連通路は第1の所定角度をもって流路の流線方向に交差し、第2連通路は第2の所定角度をもって流路の流線方向に交差している。従って、流路内の被移動流体が移動された場合であっても、第1連通路内及び第2連通路内の被移動流体は移動せず、更に、これらの被移動流体に生じる対流及び振動は相対的に弱い。従って、一対の電極は、被移動流体によって摩耗され難く、且つ、被移動流体中へ溶出し難い。この結果、接触抵抗が増大し難く、且つ、スイッチング速度が低下し難いスイッチングデバイスが提供される。 The first communication path intersects the streamline direction of the flow path at a first predetermined angle, and the second communication path intersects the streamline direction of the flow path at a second predetermined angle. Therefore, even if the moved fluid in the flow path is moved, the moved fluid in the first communication path and the second communication path does not move, and further, the convection generated in these moved fluids and Vibration is relatively weak. Therefore, the pair of electrodes are not easily worn by the moved fluid and are not easily eluted into the moved fluid. As a result, a switching device in which the contact resistance is difficult to increase and the switching speed is difficult to decrease is provided.
第6の発明によるスイッチングデバイスの他の態様は、長手方向を流線方向とする流路を内部に備える流路形成体と、前記流路に収容される導電性の被移動流体と、前記被移動流体を前記流路内にて前記流線方向に沿って移動させることにより、一つの塊の被移動流体を二つ以上の塊の被移動流体に分離するとともに、同分離した二つ以上の塊の被移動流体を同一つの塊の被移動流体へと復元するアクチュエータと、一対の電極と、を備え、前記被移動流体の移動により前記一対の電極間の導通状態を切り換えるスイッチングデバイスである。 In another aspect of the switching device according to the sixth invention, a flow path forming body including a flow path having a longitudinal direction as a streamline direction therein, a conductive transferred fluid accommodated in the flow path, and the covered By moving the moving fluid along the streamline direction in the flow path, the lump to be moved is separated into two or more lump to be moved, and two or more separated A switching device comprising an actuator that restores a mass of fluid to be moved to the same mass of fluid and a pair of electrodes, and that switches a conduction state between the pair of electrodes by movement of the fluid to be moved.
更に、前記流路形成体は、一端が前記流路に連通され他端が同流路を構成する壁とは異なる第1部分まで延びる第1連通路を備えるとともに、同第1連通路に、前記被移動流体が前記一つの塊の被移動流体であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体のうちの一つに連続するように、前記被移動流体を収容している。また、前記流路形成体は、一端が前記流路に連通され他端が同流路を構成する壁とは異なる第2部分まで延びる第2連通路を備えるとともに、同第2連通路に、前記被移動流体が前記一つの塊の被移動流体であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体のうちの他の一つに連続するように、前記被移動流体を収容している。 Further, the flow path forming body includes a first communication path having one end communicating with the flow path and the other end extending to a first portion different from the wall constituting the flow path, When the transferred fluid is the single block of the transferred fluid, it is continuous to the same block, and when the transferred fluid is separated into the two or more blocks, the two or more blocks of the transferred fluid The fluid to be moved is accommodated so as to be continuous with one of them. Further, the flow path forming body includes a second communication path having one end communicating with the flow path and the other end extending to a second portion different from the wall constituting the flow path, and the second communication path, When the transferred fluid is the single block of the transferred fluid, it is continuous to the same block, and when the transferred fluid is separated into the two or more blocks, the two or more blocks of the transferred fluid The fluid to be moved is accommodated so as to be continuous with the other one of them.
加えて、前記一対の電極のうちの一つは前記第1部分にて平面状に形成されるとともに前記第1連通路に収容された前記被移動流体を介して前記流路内の被移動流体と電気的に接続されるように配設され、同一対の電極のうちの他の一つは前記第2部分にて平面状に形成されるとともに前記第2連通路に収容された前記被移動流体を介して前記流路内の被移動流体と電気的に接続されるように配設されている。 In addition, one of the pair of electrodes is formed in a planar shape in the first portion, and the fluid to be moved in the flow path through the fluid to be moved accommodated in the first communication path. The other electrode of the same pair is formed in a planar shape in the second portion and is moved in the second communication path. It is disposed so as to be electrically connected to the fluid to be moved in the flow path via the fluid.
これによれば、第1連通路は、その一端が前記流路に連通され他端が同流路を構成する壁とは異なる第1部分まで延びている。同様に、第2連通路は、その一端が前記流路に連通され他端が同流路を構成する壁とは異なる第2部分まで延びている。更に、前記一対の電極のうちの一つは前記第1部分にて平面状に形成され、同一対の電極のうちの他の一つは前記第2部分にて平面状に形成されている。 According to this, the first communication path has one end communicating with the flow path and the other end extending to a first portion different from the wall constituting the flow path. Similarly, the second communication path has one end communicating with the flow path and the other end extending to a second portion different from the wall constituting the flow path. Further, one of the pair of electrodes is formed in a planar shape at the first portion, and the other one of the same pair of electrodes is formed in a planar shape at the second portion.
即ち、第1部分及び第2部分は巾が狭い流路以外の部分に存在し、その第1部分及び第2部分に電極が形成されるから、電極を流路内に配置する場合に比べ、電極面積を大きく確保することができる。これにより、被移動流体と電極との間の接触抵抗を小さくすることができ、高性能のスイッチングデバイスを提供することができる。 That is, the first part and the second part are present in parts other than the narrow channel, and electrodes are formed in the first part and the second part. Therefore, compared to the case where the electrodes are arranged in the channel, A large electrode area can be secured. Thereby, the contact resistance between a to-be-moved fluid and an electrode can be made small, and a high performance switching device can be provided.
この場合、前記第1部分及び前記第2部分の少なくとも一方は、前記流路形成体の外面に位置していてもよく、前記流路形成体の内部に位置していてもよい。特に、前記第1部分及び前記第2部分の少なくとも一方が前記流路形成体の外面に位置している場合、流路形成体の外面に薄膜状の電極接続線を容易に形成することができる。 In this case, at least one of the first part and the second part may be located on the outer surface of the flow path forming body, or may be located inside the flow path forming body. In particular, when at least one of the first part and the second part is located on the outer surface of the flow path forming body, a thin film electrode connection line can be easily formed on the outer surface of the flow path forming body. .
第6の発明によるスイッチングデバイスの製造方法は、長手方向を流線方向とする流路及び一端が同流路に連通し他端が外部に露呈する開口を形成する連通路を有する流路形成体と、前記流路及び前記連通路に収容される導電性の被移動流体と、前記被移動流体を前記流路内にて前記流線方向に沿って移動させるアクチュエータと、電極と、を備えたスイッチングデバイスの製造方法であって、前記流路形成体に前記流路及び前記連通路を形成するとともに、同流路形成体の外面であって前記連通路の開口の周囲に前記電極を形成する工程と、前記被移動流体が前記電極から前記流路内にまで存在するように、前記連通路の開口から前記被移動流体を前記流路及び前記連通路に注入する工程と、を含んでいる。 A method for manufacturing a switching device according to a sixth aspect of the present invention is a flow path forming body having a flow path having a longitudinal direction as a streamline direction and a communication path having one end communicating with the flow path and the other end exposed to the outside. And a conductive moved fluid accommodated in the flow path and the communication path, an actuator for moving the moved fluid in the flow path along the streamline direction, and an electrode. A method of manufacturing a switching device, wherein the flow path and the communication path are formed in the flow path forming body, and the electrode is formed on the outer surface of the flow path forming body and around the opening of the communication path. And a step of injecting the fluid to be moved from the opening of the communication path into the flow path and the communication path so that the fluid to be moved exists from the electrode into the flow path. .
これによれば、流路内に被移動流体を注入するための余分な孔を設ける工程を省くことができる。また、連通路は被移動流体で満たされるとともに、被移動流体が連通路の開口に形成された電極に十分に濡れた状態で保持されるので、図80及び図81に示した従来技術のように貫通孔103a,103bと導体104a,104bとの間の気密性を維持するための工程も不要となる。
According to this, the process of providing an extra hole for injecting the fluid to be moved into the flow path can be omitted. In addition, the communication path is filled with the fluid to be moved, and the fluid to be moved is sufficiently wetted by the electrode formed in the opening of the communication path, so that the conventional technique shown in FIGS. 80 and 81 is used. In addition, a process for maintaining the airtightness between the through
以下、第6の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
図64は第6の発明の第1実施形態に係るスイッチングデバイス10の平面図である。図65は、図64の1−1線に沿った平面にてスイッチングデバイス10を切断した断面図である。図66は、図64の2−2線に沿った平面にてスイッチングデバイス10を切断した断面図である。スイッチングデバイス10は、流路形成体(基体)10a、表面配線膜20a,20b、第1圧電素子21及び第2圧電素子22を備えている。なお、図示を省略したが、流路形成体10aの上面は樹脂等の封止剤により覆われている。
Embodiments of a switching device according to the sixth invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 64 is a plan view of the
流路形成体10aは、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。流路形成体10aは、第1ポンプ室11、第2ポンプ室12、主流路13、第1副流路14、第2副流路15、第1連通路16及び第2連通路17を、内部に備えている。
The flow
流路形成体10aは、図65及び図66に示したように、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)10a1〜10a5となる複数のセラミックグリーンシートをZ軸方向に積層し、これらを焼成・一体化することにより形成されている。セラミックシート10a5は、容易に変形可能なセラミックスの薄板からなるダイヤフラム(セラミックダイヤフラム)である。
As shown in FIGS. 65 and 66, the flow
第1ポンプ室11は、セラミックシート10a4に形成された貫通孔、セラミックシート10a5の下面及びセラミックシート10a3の上面により画定される空間である。第1ポンプ室11は、流路形成体10aのX軸方向略中央部でY軸負方向側の部分に位置している。第1ポンプ室11には作動流体F2が収容されている。
The
第1圧電素子21は、平面視で第1ポンプ室11よりも僅かだけ小さい外形を有している。第1圧電素子21は、平面視で第1ポンプ室11の内側に位置し、セラミックシート10a5の上面に固定されている。第1圧電素子21は、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子であり、その電極間に駆動電圧が印加されたとき第1ポンプ室11を形成しているセラミックシート10a5の部分を変形させる。これにより、第1圧電素子21は、第1ポンプ室11の容積を増減し、第1ポンプ室11内部の流体を加減圧するようになっている。第1ポンプ室11及び第1圧電素子21は、主流路13内の被移動流体F1を移動するためのアクチュエータとして機能する第1ポンプを構成している。
The first
第2ポンプ室12は、第1ポンプ室11と同様、セラミックシート10a4に形成された貫通孔、セラミックシート10a5の下面及びセラミックシート10a3の上面により画定される空間である。第2ポンプ室12は、流路形成体10aのX軸方向略中央部でY軸正方向側の部分に位置している。第2ポンプ室12には作動流体F2が収容されている。
Similar to the
第2圧電素子22は、平面視で第2ポンプ室12よりも僅かだけ小さい外形を有している。第2圧電素子22は、平面視で第2ポンプ室12の内側に位置し、セラミックシート10a5の上面に固定されている。第2圧電素子22は、第1圧電素子21と同一の膜型圧電素子であり、その電極間に駆動電圧が印加されたとき第2ポンプ室12を形成しているセラミックシート10a5の部分を変形させる。これにより、第2圧電素子22は、第2ポンプ室12の容積を増減し、第2ポンプ室12内部の流体を加減圧するようになっている。即ち、第2ポンプ室12及び第2圧電素子22は、主流路13内の被移動流体F1を移動するためのアクチュエータとして機能する第2ポンプを構成している。
The second
主流路13は、セラミックシート10a2に形成された貫通孔、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される直線状の空間である。主流路13は、流路形成体10aのX軸方向略中央部であってY軸方向略中央部に位置している。主流路13は、X軸に沿う長手方向を有し、X軸方向を流線方向としている。主流路13の流線に直交する平面で主流路13を切断した断面は長方形状を有している。主流路13のX軸方向中央部付近には被移動流体F1が収容され、残りの部分には作動流体F2が収容されている。なお、主流路13の断面形状は、長方形である必要はなく、円形、楕円形及び三角形等の他の形状であってもよい。
The
第1副流路14は、セラミックシート10a2に形成された貫通孔、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間と、セラミックシート10a3に形成された貫通孔とにより形成される空間である。第1副流路14は、流路形成体10aのX軸方向略中央部に位置し、Y軸に沿う長手方向を有している。第1副流路14のY軸正方向の端部は主流路13のX軸方向中央部に連通され、主流路13に作動流体噴射口14aを形成している。作動流体噴射口14aは略長方形を有している。第1副流路14のY軸負方向の端部は前記セラミックシート10a3に形成された貫通孔と連通し、この貫通孔を介して第1ポンプ室11に連通している。第1副流路14には作動流体F2が収容されている。
The
第2副流路15は、セラミックシート10a2に形成された貫通孔、セラミックシート10a1の上面及びセラミックシート10a3の下面により画定される空間と、セラミックシート10a3に形成された貫通孔とにより構成される空間である。第2副流路15は、主流路13のX軸方向両端部にそれぞれ接続されてY軸正方向に延びる部分、そのY軸正方向に延びた部分の端部同士を連結するX軸方向に延びる部分及びそのX軸方向に延びた部分の中央部からY軸正方向に延びる部分を有している。前記Y軸正方向に延びた部分の端部は前記セラミックシート10a3に形成された貫通孔と連通し、この貫通孔を介して第2ポンプ室12に連通している。第2副流路15には作動流体F2が収容されている。
The
第1連通路16は、セラミックシート10a2〜10a5に形成された貫通孔により構成される円筒状空間である。第1連通路16の下端は、主流路13のX軸方向中央部(作動流体噴射口14a)とX軸負方向端部(第2副流路15が接続された部分)との間の位置にて主流路13に接続されている。第1連通路16はZ軸に沿って延びている。換言すると、第1連通路16は、主流路13の流線方向(X軸方向)と0°ではない第1の所定角度(ここでは90°)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びている。第1連通路16には、被移動流体F1が収容されている。後述するように、第1連通路16に収容された被移動流体F1は、主流路13内に収容された被移動流体F1と常に連続している。
The
第2連通路17は、セラミックシート10a2〜10a5に形成された貫通孔により構成される円筒状空間である。第2連通路17の下端は、主流路13のX軸方向中央部(作動流体噴射口14a)とX軸正方向端部(第2副流路15が接続された部分)との間の位置にて主流路13に接続されている。第2連通路17はZ軸に沿って延びている。換言すると、第2連通路17は、主流路13の流線方向(X軸方向)と0°ではない第2の所定角度(ここでは、第1の所定角度と同じ90°)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びている。第2連通路17には、被移動流体F1が収容されている。後述するように、第2連通路17に収容された被移動流体F1は、主流路13内に収容された被移動流体F1と常に連続している。
The
表面配線膜20aは、例えば、白金或いは金等の導電性を有し且つ水銀等の被移動流体F1との濡れ性が良好な金属材料から形成されている。表面配線膜20aは、電極及びスイッチ配線として機能する。表面配線膜20aは流路形成体10aの上面(即ち、セラミックシート10a5の上面)に形成されている。表面配線膜20aは、平面視で長方形状を有している。表面配線膜20aは、流路形成体10aのX軸方向略中央部からX軸負方向端部までの領域に形成されている。表面配線膜20aは、第1連通路16の上端部である開口を包囲するように形成されている。
The
表面配線膜20bは、配設位置を除き、表面配線膜20aと同様の膜である。流路形成体10aのX軸方向略中央部からX軸正方向端部までの領域に形成されている。表面配線膜20bは、第2連通路17の上端部である開口を包囲するように形成されている。表面配線膜20bは、表面配線膜20aと所定の距離だけ隔ててられている。従って、表面配線膜20bと表面配線膜20aは、セラミックシート10a5の上面においては電気的に接続されていない。
The
なお、後に説明する図79に示した変形例のように、表面配線膜20aの上面であって第1連通路16の周囲に、被移動流体F1との濡れ性が表面配線膜20aよりも良好である金属からなる電極23aを設けてもよい。同様に、表面配線膜20bの上面であって第2連通路17の周囲に、被移動流体F1との濡れ性が表面配線膜20bよりも良好である金属からなる電極23bを設けてもよい。この場合、表面配線膜20a及び表面配線膜20bは、被移動流体F1との濡れ性が良好である必要はない。
79, which will be described later, has better wettability with the fluid F1 to be moved around the
被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体である。本例では被移動流体F1は水銀であるが、ガリウム合金の如き液体金属であってもよい。通常の状態(第1の状態、初期状態)において、被移動流体F1は一つの塊となって主流路13内のX軸方向略中央部に存在する。
The fluid F1 to be moved is an incompressible and conductive fluid. In this example, the fluid F1 to be moved is mercury, but may be a liquid metal such as a gallium alloy. In a normal state (first state, initial state), the fluid F1 to be moved is present as one lump in the substantially central portion of the
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例では作動流体F2は、脱イオン水であるが、高浸透性溶剤フロリナート(3M社製)、パラフィン系電気絶縁油又はシリコンオイル等であってもよい。作動流体F2には、作動流体F2の主流路13の壁面(即ち、流路形成体10aを構成するセラミックの表面)に対する濡れ性が被移動流体F1の主流路13の壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water, but may be a highly permeable solvent Fluorinert (manufactured by 3M), paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like. In the working fluid F2, the wettability of the working fluid F2 with respect to the wall surface of the main flow path 13 (that is, the surface of the ceramic constituting the flow
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス10の作動について図67及び図68を参照して説明する。図67及び図68は、便宜上、セラミックシート10a2とセラミックシート10a3の界面でスイッチングデバイス10を切断した断面図である。図67はスイッチングデバイス10が第1の状態(「オン」状態)にあるとき、図68はスイッチングデバイス10が第2の状態(「オフ」状態)にあるときの様子を示している。
Next, the operation of the
スイッチングデバイス10は、第1の状態において、第2圧電素子22の電極に電圧を付与して第2圧電素子22を駆動する。これにより、第2ポンプ室12から作動流体F2が吐出される。従って、作動流体F2は第2副流路15を介して主流路13の両端から主流路13内に流入する。この結果、被移動流体F1は主流路13内の中央部において一つの塊となって存在する。このとき、図67及び図65に示したように、表面配線膜20aと表面配線膜20bは、第1連通路16、主流路13及び第2連通路17において一体的に連続している被移動流体F1により導通状態となる。なお、第1の状態において、第1圧電素子21は駆動されていない。
In the first state, the switching
スイッチングデバイス10は、次に、第1圧電素子21を駆動することにより第1ポンプ室11から作動流体F2を吐出する。従って、図68に示したように、作動流体F2は主流路13の中央部に位置する作動流体噴射口14aから主流路13内に流入(吐出、噴射)される。
Next, the switching
この結果、被移動流体F1は主流路13内の中央部において切断されて二つの塊となる。一つの塊は、主流路13内をX軸負方向に移動する。ただし、このX軸負方向に移動した被移動流体F1と第1連通路16内に収容されている被移動流体F1とは連続している。
As a result, the fluid F1 to be moved is cut at the central portion in the
また、他の一つの塊は、主流路13内をX軸正方向に移動する。ただし、このX軸正方向に移動した被移動流体F1と第2連通路17内に収容されている被移動流体F1とは連続している。
The other lump moves in the positive direction of the X axis in the
従って、分離した二つの被移動流体F1の塊の間には非導電性の作動流体F2が存在することになる。この結果、表面配線膜20aと表面配線膜20bは、非導通状態となる。かかる状態が第2の状態である。なお、第2の状態において、第2圧電素子22は駆動されていない。
Accordingly, the non-conductive working fluid F2 exists between the two separated masses of the moved fluid F1. As a result, the
以上、説明したように、第1実施形態のスイッチングデバイス10は、長手方向(X軸方向)を流線方向とする流路(主流路13)を内部に備える流路形成体10aと、前記流路(主流路13)に収容される導電性の被移動流体F1と、前記被移動流体F1を前記流路(主流路13)内にて前記流線方向に沿って移動させるアクチュエータ(第1ポンプ及び第2ポンプ)と、少なくとも一対の電極(表面配線膜20a,20b)とを備え、前記一対の電極(表面配線膜20a,20b)は前記流路(主流路13)内の被移動流体F1を介して導通状態(「オン」状態)となるとともに同被移動流体F1の移動(分離・切断)により非導通状態(「オフ」状態)へと切り換えられるスイッチングデバイスである。
As described above, the switching
更に、前記流路形成体10aは、前記流路(主流路13)に連通され且つ同流路(主流路13)の流線方向(X軸方向)と第1の所定角度(90°)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びる第1連通路16を備えるとともに、同第1連通路16に、前記流路(主流路13)内の被移動流体F1に常に連続する状態を維持するように被移動流体F1を収容している。また、前記一対の電極のうちの一つ(表面配線膜20a)は前記第1連通路16に収容された前記被移動流体F1を介して前記流路(主流路13)内の被移動流体F1と電気的に接続されるように配設されている。
Furthermore, the flow
このように、第1連通路16は第1の所定角度をもって流路(主流路13)の流線方向に交差している。従って、流路(主流路13)内の被移動流体F1が移動された場合であっても、第1連通路16内の被移動流体F1は移動せず、更に、第1連通路16内の被移動流体F1に生じる対流及び振動は相対的に弱い。従って、前記一対の電極のうちの一つ(表面配線膜20a)は、被移動流体F1によって摩耗され難く、且つ、被移動流体F1中へ溶出し難い。また、第2連通路17及び表面配線膜20bについても同様である。この結果、接触抵抗が増大し難く、且つ、スイッチング速度が低下し難いスイッチングデバイス10が提供される。
As described above, the
一方、スイッチングデバイス10は、長手方向(X軸方向)を流線方向とする流路(主流路13)を内部に備える流路形成体10aと、前記流路(主流路13)に収容される導電性の被移動流体F1と、前記被移動流体F1を前記流路(主流路13)内にて前記流線方向に沿って移動させることにより、一つの塊の被移動流体F1を二つ以上の塊の被移動流体F1に分離するとともに、同分離した二つ以上の塊の被移動流体F1を同一つの塊の被移動流体F1へと復元するアクチュエータ(第1ポンプ及び第2ポンプ)と、一対の電極(表面配線膜20a,20b)と、を備え、前記被移動流体F1の移動により前記一対の電極(表面配線膜20a,20b)間の導通状態を切り換えるスイッチングデバイスである。
On the other hand, the switching
更に、前記流路形成体10aは、前記流路(主流路13)に連通され且つ同流路(主流路13)の流線方向(X軸方向)と第1の所定角度をもって交差する方向(Z軸方向)に延びる第1連通路16を備えるとともに、同第1連通路16に、前記被移動流体F1が前記一つの塊の被移動流体F1であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体F1が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体F1のうちの一つに連続するように、前記被移動流体F1を収容している。
Further, the flow
また、前記流路形成体10aは、前記流路(主流路13)に連通され且つ同流路(主流路13)の流線方向(X軸方向)と第2の所定角度(第1の所定角度と同一であっても又は異なっていてもよく、ここでは共に90°である。)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びる第2連通路17を備えるとともに、同第2連通路17に、前記被移動流体F1が前記一つの塊の被移動流体F1であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体F1が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体F1のうちの他の一つに連続するように、前記被移動流体F1を収容している。
Further, the flow
加えて、前記一対の電極のうちの一つ(表面配線膜20a)は前記第1連通路16に収容された前記被移動流体F1を介して前記流路(主流路13)内の被移動流体F1と電気的に接続されるように配設され、同一対の電極のうちの他の一つ(表面配線膜20b)は前記第2連通路17に収容された前記被移動流体F1を介して前記流路(主流路13)内の被移動流体F1と電気的に接続されるように配設されている。
In addition, one of the pair of electrodes (
このように、第1連通路16は第1の所定角度(0°でない角度であって、例えば、90°)をもって流路(主流路13)の流線方向に交差し、第2連通路17は第2の所定角度をもって流路(主流路13)の流線方向に交差している。従って、流路(主流路13)内の被移動流体F1が移動された場合であっても、第1連通路16内及び第2連通路17内の被移動流体F1は移動せず、更に、これらの被移動流体F1に生じる対流及び振動は相対的に弱い。従って、一対の電極(表面配線膜20a,20b)は、被移動流体F1によって摩耗され難く、且つ、被移動流体F1中へ溶出し難い。この結果、接触抵抗が増大し難く、且つ、スイッチング速度が低下し難いスイッチングデバイス10が提供される。
As described above, the
他方、スイッチングデバイス10において、前記流路形成体10aは、一端が前記流路(主流路13)に連通され他端が同流路(主流路13)を構成する壁とは異なる第1部分(流路形成体10aの上面でX軸方向略中央部よりもX軸負方向側の位置)まで延びる第1連通路16を備えるとともに、同第1連通路16に、前記被移動流体F1が前記一つの塊の被移動流体F1であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体F1が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体のうちの一つに連続するように、前記被移動流体F1を収容している。
On the other hand, in the
更に、前記流路形成体10aは、一端が前記流路(主流路13)に連通され他端が同流路(主流路13)を構成する壁とは異なる第2部分(流路形成体10aの上面でX軸方向略中央部よりもX軸正方向側の位置)まで延びる第2連通路17を備えるとともに、同第2連通路17に、前記被移動流体F1が前記一つの塊の被移動流体F1であるとき同一つの塊に連続し且つ前記被移動流体F1が前記二つ以上の塊に分離されたとき同二つ以上の塊の被移動流体F1のうちの他の一つに連続するように、前記被移動流体F1を収容している。
Further, the flow
加えて、前記一対の電極のうちの一つ(表面配線膜20a)は前記第1部分にて平面状に形成されるとともに前記第1連通路16に収容された前記被移動流体F1を介して前記流路(主流路13)内の被移動流体F1と電気的に接続されるように配設されている。また、一対の電極のうちの他の一つ(表面配線膜20b)は前記第2部分にて平面状に形成されるとともに前記第2連通路17に収容された前記被移動流体F1を介して前記流路(主流路13)内の被移動流体F1と電気的に接続されるように配設されている。
In addition, one of the pair of electrodes (
これによれば、第1連通路16は、その一端が前記流路(主流路13)に連通され他端が同流路(主流路13)を構成する壁とは異なる第1部分まで延びている。同様に、第2連通路17は、その一端が前記流路(主流路13)に連通され他端が同流路(主流路13)を構成する壁とは異なる第2部分まで延びている。更に、前記一対の電極のうちの一つ(表面配線膜20a)は前記第1部分にて平面状に形成され、同一対の電極のうちの他の一つ(表面配線膜20b)は前記第2部分にて平面状に形成されている。
According to this, the
即ち、第1部分及び第2部分は巾が狭い主流路13以外の部分に存在し、その第1部分及び第2部分に電極(表面配線膜20a,20b)が形成されるから、電極を主流路13内に配置する場合に比べ、電極面積を大きく確保することができる。これにより、被移動流体F1と電極との間の接触抵抗を小さくすることができ、高性能のスイッチングデバイス10を提供することができる。なお、前記第1部分及び前記第2部分の少なくとも一方は、前記流路形成体10aの内部に位置していてもよい。
That is, the first part and the second part exist in parts other than the narrow
次に、スイッチングデバイス10の製造方法について説明する。
(1)図69に示したように、セラミックグリーンシート10b1を準備する。セラミックグリーンシート10b1は、後に焼成されてセラミックシート10a1となるシートである。
(2)図70に示したように、セラミックグリーンシート10b2を準備する。セラミックグリーンシート10b2は、後に焼成されてセラミックシート10a2となるシートである。次いで、セラミックグリーンシート10b2に、打ち抜き加工やレーザー加工等の加工法を用いて図示したような貫通部分13b,14b,15bを形成する。貫通孔13bは、前述した主流路13となる部分である。貫通孔14bは後に第1副流路14となる部分である。貫通孔15bは後に第2副流路15となる部分である。
(3)図71に示したように、セラミックグリーンシート10b3を準備する。セラミックグリーンシート10b3は、後に焼成されてセラミックシート10a3となるシートである。次いで、セラミックグリーンシート10b3に、打ち抜き加工やレーザー加工等の加工法を用いて図示したような貫通孔14c,15c,16a,17aを形成する。貫通孔14cは、前述した第1副流路14のZ軸方向に延びる貫通孔となる部分である。貫通孔15cは、前述した第2副流路15のZ軸方向に延びる貫通孔となる部分である。貫通孔16a及び貫通孔17aは、前述した第1連通路16の一部及び第2連通路17の一部をそれぞれ構成する部分である。
(4)図72に示したように、セラミックグリーンシート10b4を準備する。セラミックグリーンシート10b4は、後に焼成されてセラミックシート10a4となるシートである。次いで、セラミックグリーンシート10b4に、打ち抜き加工やレーザー加工等の加工法を用いて図示したような貫通穴11a,12a及び貫通孔16b,17bを形成する。貫通穴11aは、前述した第1ポンプ室11となる部分である。貫通穴12aは、前述した第2ポンプ室12となる部分である。貫通孔16b及び貫通孔17bは、前述した第1連通路16の一部及び第2連通路17の一部をそれぞれ構成する部分である。
(5)図73に示したように、セラミックグリーンシート10b5を準備する。セラミックグリーンシート10b5は、後に焼成されてセラミックシート10a5となるシートである。次いで、セラミックグリーンシート10b5に、打ち抜き加工やレーザー加工等の加工法を用いて図示したような貫通孔16c,17cを形成する。貫通孔16c及び貫通孔17cは、前述した第1連通路16の一部及び第2連通路17の一部をそれぞれ構成する部分である。
(6)次に、上記セラミックグリーンシート10b1〜10b5を、セラミックグリーンシート10b1,10b2,10b3,10b4,10b5の順に積層して成形体を作成し、その成形体を焼成する。更に、図74に示したように、セラミックグリーンシート10b5の上面に、表面配線膜20a,20b及び圧電素子21,22を形成する。そして、第1連通路16及び第2連通路17を利用して被移動流体F1及び作動流体F2を主流路13、第1副流路14及び第2副流路15に充填・注入する。なお、作動流体F2を別途設けておいた注入用の穴から第1副流路14及び第2副流路15に充填・注入するようにしてもよい。具体的には、被移動流体F1を、水銀ポロシメータの圧入原理を用いて第1連通路16及び第2連通路17から注入し、その後、別途設けておいた作動流体注入用の穴から流路(主流路13、第1副流路14及び第2副流路15)内を真空脱気し、次いで、作動流体F2を注入すればよい。最後に、デバイスの上部を樹脂等の封止剤で被覆する。以上により、スイッチングデバイス10が完成する。
Next, a method for manufacturing the
(1) As shown in FIG. 69, a ceramic green sheet 10b1 is prepared. The ceramic green sheet 10b1 is a sheet that is fired later to become the ceramic sheet 10a1.
(2) As shown in FIG. 70, a ceramic green sheet 10b2 is prepared. The ceramic green sheet 10b2 is a sheet that is fired later to become the ceramic sheet 10a2. Next, through
(3) As shown in FIG. 71, a ceramic green sheet 10b3 is prepared. The ceramic green sheet 10b3 is a sheet that is fired later to become the ceramic sheet 10a3. Next, through
(4) As shown in FIG. 72, a ceramic green sheet 10b4 is prepared. The ceramic green sheet 10b4 is a sheet that is fired later to become the ceramic sheet 10a4. Next, through
(5) As shown in FIG. 73, a ceramic green sheet 10b5 is prepared. The ceramic green sheet 10b5 is a sheet that is fired later to become the ceramic sheet 10a5. Next, through
(6) Next, the ceramic green sheets 10b1 to 10b5 are laminated in the order of the ceramic green sheets 10b1, 10b2, 10b3, 10b4, and 10b5 to form a compact, and the compact is fired. Further, as shown in FIG. 74, the
このように、上記製造方法は、前記流路形成体10aに流路(主流路13)及び連通路(第1連通路16,第2連通路17)を形成するとともに、同流路形成体10aの外面であって前記連通路(第1連通路16,第2連通路17)の開口の周囲に前記電極(表面配線膜20a,20b)を形成する工程と、前記被移動流体F1が前記電極(表面配線膜20a,20b)から前記流路(主流路13)内にまで存在するように、前記連通路(第1連通路16,第2連通路17)の開口から前記被移動流体F1を前記流路(主流路13)及び前記連通路(第1連通路16,第2連通路17)に注入する工程と、を含んでいる。
Thus, the manufacturing method forms the flow path (main flow path 13) and the communication path (the
従って、流路(主流路13)内に被移動流体F1を注入するための余分な孔を設ける工程を省くことができる。また、連通路(第1連通路16,第2連通路17)は被移動流体F1で満たされるとともに、被移動流体F1が連通路の開口部に設けられた電極(この場合は、表面配線膜20a,20b)に十分に濡れた状態で保持されるので、同連通路(第1連通路16,第2連通路17)の気密性を維持するために樹脂等を注入する工程も不要となる。
(第2実施形態)
次に、第6の発明の第2実施形態に係るスイッチングデバイス30について、図75乃至図77を参照して説明する。
Therefore, it is possible to omit the step of providing an extra hole for injecting the fluid F1 to be moved into the flow path (main flow path 13). Further, the communication path (the
(Second Embodiment)
Next, a
図75は、スイッチングデバイス30の平面図である。図76は、図75の3−3線に沿った平面にてスイッチングデバイス30を切断した断面図である。図77は、図75の4−4線に沿った平面にてスイッチングデバイス30を切断した断面図である。スイッチングデバイス30は、流路形成体(基体)30a、表面配線膜40a,40b、第1ポンプ51及び第2ポンプ52を備えている。なお、図示を省略したが、流路形成体30aの上面は樹脂等の封止剤により覆われている。
FIG. 75 is a plan view of the
流路形成体30aは、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。流路形成体30aは、主流路33、第1副流路34、第2副流路35、第1連通路36及び第2連通路37を、内部に備えている。
The flow
流路形成体30aは、図76及び図77に示したように、平板のバルク体30a1と、溝及び貫通穴を形成した平板のバルク体30a2とを接合して一体化することにより形成されている。バルク体30aは、セラミックシート、ガラス板、Siウエハ、又はアクリルなどのプラスチックなどから形成される。また、セラミックシート30a1,30a2となる二枚のセラミックグリーンシートをZ軸方向に積層し、これらを焼成一体化することにより流路形成体30aを得てもよい。
As shown in FIGS. 76 and 77, the flow
主流路33は、セラミックシート30a2の下面側に形成された溝と、セラミックシート30a1の上面とにより画定される直線状の空間である。主流路33は、主流路13と同様に、流路形成体30aのX軸方向略中央部であってY軸方向略中央部に位置している。主流路33は、X軸に沿う長手方向を有し、X軸方向を流線方向としている。主流路33の流線に直交する平面で主流路33を切断した断面は略長方形状(或いは、半円形等でもよい。)を有している。主流路33のX軸方向中央部付近には被移動流体F1が収容され、残りの部分には作動流体F2が収容されている。
The
第1副流路34は、セラミックシート30a2の下面側に形成された溝とセラミックシート30a1の上面とにより画定される空間、及び、セラミックシート30a2の上面側に形成された貫通孔により形成される空間である。第1副流路34は、第1副流路14と同様に、流路形成体30aのX軸方向略中央部に位置し、Y軸に沿う長手方向を有している。第1副流路34のY軸正方向の端部は主流路33のX軸方向中央部に連通され、主流路33への作動流体噴射口34−1を形成している。作動流体噴射口34−1は略長方形状を有している。第1副流路34のY軸負方向の端部は前記セラミックシート30a2の上面側に形成された貫通孔と連通し、この貫通孔を介して第1ポンプ51の第1ポンプ室51cに連通している。第1副流路34には作動流体F2が収容されている。
The
第2副流路35は、セラミックシート30a2の下面側に形成された溝とセラミックシート30a1の上面とにより画定される空間、及び、セラミックシート30a2の上面側に形成された貫通孔により構成される空間である。第2副流路35は、主流路33のX軸方向両端部にそれぞれ接続されてY軸正方向に延びる部分、そのY軸正方向に延びた部分の端部同士を連結するX軸方向に延びる部分及びそのX軸方向に延びた部分の中央部からY軸正方向に延びる部分を有している。前記Y軸正方向に延びた部分の端部は前記セラミックシート30a2の上面側に形成された貫通孔と連通し、この貫通孔を介して第2ポンプ52の第2ポンプ室52cに連通している。第2副流路35には作動流体F2が収容されている。
The
第1連通路36は、セラミックシート30a2に形成された貫通孔により構成される円筒状空間である。第2連通路36の下端は、主流路13のX軸方向中央部(作動流体噴射口34−1)とX軸負方向端部(第2副流路35が接続された部分)との間の位置にて主流路33に接続されている。第1連通路36はZ軸に沿って延びている。換言すると、第1連通路36は、主流路33の流線方向(X軸方向)と第1の所定角度(ここでは90°)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びている。第1連通路36には、被移動流体F1が収容されている。後述するように、第1連通路36に収容された被移動流体F1は主流路33内に収容された被移動流体F1と常に連続している。
The
第2連通路37は、セラミックシート30a2に形成された貫通孔により構成される円筒状空間である。第2連通路37の下端は、主流路33のX軸方向中央部(作動流体噴射口34−1)とX軸正方向端部(第2副流路35が接続された部分)との間の位置にて主流路33に接続されている。第2連通路37はZ軸に沿って延びている。換言すると、第2連通路37は、主流路33の流線方向(X軸方向)と第2の所定角度(ここでは第1の所定角度と同じ90°)をもって交差する方向(Z軸方向)に延びている。第2連通路37には、被移動流体F1が収容されている。後述するように、第2連通路37に収容された被移動流体F1は主流路33内に収容された被移動流体F1と常に連続している。
The
表面配線膜40aは、表面配線膜20aと同様な金属材料から形成されている。表面配線膜40aは、電極及びスイッチ配線として機能する。表面配線膜40aは流路形成体30aの上面(即ち、セラミックシート30a2の上面)に形成されている。表面配線膜40aは、平面視で長方形状を有している。表面配線膜40aは、流路形成体30aのX軸方向略中央部からX軸負方向端部までの領域に形成されている。表面配線膜40aは、第1連通路36の上端部である開口を包囲するように形成されている。
The
表面配線膜40bは、配設位置を除き、表面配線膜40aと同様の膜である。表面配線膜40bは、流路形成体30aのX軸方向略中央部からX軸正方向端部までの領域に形成されている。表面配線膜40bは、第2連通路37の上端部である開口を包囲するように形成されている。表面配線膜40bは、表面配線膜40aと所定の距離だけ隔ててられている。従って、表面配線膜40bと表面配線膜40aは、セラミックシート30a2の上面においては電気的に接続されていない。
The
第1ポンプ51は、第1ポンプ室形成部51aと、圧電素子51bとからなっている。第1ポンプ51は、主流路33内の被移動流体F1を移動するアクチュエータとして機能する。第1ポンプ室形成部51aは、上面が閉じられ下面が開放された第1ポンプ室51cを形成している。第1ポンプ形成部51aの上壁はセラミックダイヤフラムである。第1ポンプ51は、流路形成体30aのX軸方向略中央部でY軸負方向側の部分に位置している。第1ポンプ51は、第1ポンプ室形成部51aの下面が流路形成体30aの上面(セラミックシート30a2の上面)に接着剤により固定されている。第1ポンプ室52cには作動流体F2が収容されている。
The
圧電素子51bは、第1ポンプ形成部51aの上面に固定されている。圧電素子51bは、圧電素子21と同様の構成を備えている。従って、圧電素子51bは、図示しない一対の電極間に駆動電圧が印加されたとき第1ポンプ室形成部51aの上面を変形させる。これにより、第1ポンプ室51cの容積が増減され、第1ポンプ室51c内部の流体が加減圧されるようになっている。
The
第2ポンプ52は、第1ポンプ室形成部52aと、圧電素子52bとからなり、第1ポンプ51と同一の構成を備えている。第2ポンプ52も、主流路33内の被移動流体F1を移動するアクチュエータとして機能する。第2ポンプ52は、流路形成体30aのX軸方向略中央部でY軸正方向側の部分に位置している。第2ポンプ52は、第2ポンプ室形成部52aの下面が流路形成体30aの上面(セラミックシート30a2の上面)に接着剤により固定されている。第2ポンプ室52cには作動流体F2が収容されている。圧電素子52bは、図示しない一対の電極間に駆動電圧が印加されたとき第2ポンプ室形成部52aの上面を変形させる。これにより、第2ポンプ室52cの容積が増減され、第2ポンプ室52c内部の流体が加減圧されるようになっている。
The
このように構成されたスイッチングデバイス30は、スイッチングデバイス10と同様の作動する。即ち、スイッチングデバイス30は、第1の状態において、第2ポンプ52を駆動する。これにより、第2ポンプ室52cから作動流体F2が吐出される。従って、作動流体F2は、第2副流路35を介して主流路33の両端から主流路33内に流入する。この結果、被移動流体F1は主流路33内の中央部において一つの塊となって存在する。このとき、表面配線膜40aと表面配線膜40bは、第1連通路36、主流路33及び第2連通路37において一体的に連続している被移動流体F1により導通状態となる。なお、第1の状態において、第1ポンプ51は駆動されていない。
The
スイッチングデバイス30は、次に、第1ポンプ51を駆動することにより、第1ポンプ室51cから作動流体F2を吐出する。従って、作動流体F2は主流路33の中央部に位置する作動流体噴射口34−1から主流路33内に流入(吐出、噴射)される。この結果、被移動流体F1は主流路33内の中央部において切断されて二つの塊となり、主流路33内を流線方向に移動する。
Next, the
分離した二つの塊は、主流路33内のX軸負方向端部近傍及びX軸正方向端部近傍にて一つの塊となる。このX軸負方向に移動した被移動流体F1と第1連通路36内に収容されている被移動流体F1とは連続している。また、X軸正方向に移動した被移動流体F1と第2連通路37内に収容されている被移動流体F1とは連続している。このとき、作動流体F2は、主流路13の中央部に流れ込む。
The two separated lumps become one lump in the vicinity of the X-axis negative direction end and the X-axis positive direction end in the
従って、分離した二つの被移動流体F1の塊の間には非導電性の作動流体F2が存在することになる。この結果、表面配線膜40aと表面配線膜40bは、非導通状態となる。かかる状態が第2の状態である。なお、第2の状態において、第2ポンプ52は駆動されていない。
Accordingly, the non-conductive working fluid F2 exists between the two separated masses of the moved fluid F1. As a result, the
以上、説明したように、スイッチングデバイス30は、スイッチングデバイス10と同様の構成を備え、スイッチングデバイス10と同様に作動する。従って、スイッチングデバイス30は、スイッチングデバイス10が備える利点を有している。
As described above, the
次に、スイッチングデバイス30の製造方法について図78を参照しながら説明する。
(1)図78の(A)に示したように、セラミックグリーンシートを準備し、これを焼成してセラミックシート30a1を得る。
(2)セラミックグリーンシートを準備し、これを焼成してセラミックシート30a2となる板体を得る。そして、図78の(B)及び図78の(C)に示したように、レーザー加工、ブラスト、切削等の適当な加工法を用いて図示したような溝及び貫通孔を形成する。溝33aは、前述した主流路33となる部分である。溝34a及び貫通孔34a,34bは後に第1副流路34となる部分である。溝35a及び貫通孔35a,35bは後に第2副流路35となる部分である。なお、図78の(B)及び(C)は、セラミックシート30a2を裏面及び表面からそれぞれ見た図である。
(3)次に、セラミックシート30a1及びセラミックシート30a2を積層し、接着等により一体化して成形体SKを得る。
(4)次に、図78の(D)に示したように、成形体SKの表面に、表面配線膜40a,40bを形成するとともに、別途製造しておいた第1ポンプ51及び第2ポンプ52を接着剤によって固定する。
(5)次に、第1連通路36及び第2連通路37を利用して被移動流体F1及び作動流体F2を主流路33、第1副流路34及び第2副流路35に充填・注入する。最後に、デバイスの上部を樹脂等の封止剤で被覆する。以上により、スイッチングデバイス30が完成する。
Next, a method for manufacturing the
(1) As shown in FIG. 78A, a ceramic green sheet is prepared and fired to obtain a ceramic sheet 30a1.
(2) A ceramic green sheet is prepared and fired to obtain a plate body that becomes the ceramic sheet 30a2. Then, as shown in FIGS. 78B and 78C, grooves and through holes as shown in the figure are formed using an appropriate processing method such as laser processing, blasting, and cutting. The
(3) Next, the ceramic sheet 30a1 and the ceramic sheet 30a2 are laminated and integrated by adhesion or the like to obtain a formed body SK.
(4) Next, as shown in FIG. 78 (D), the
(5) Next, the moving fluid F1 and the working fluid F2 are filled into the
この製造方法も、第1実施形態のスイッチングデバイス10の製造方法と同様、流路(主流路33)内に被移動流体F1を注入するための余分な孔を設ける工程を省くことができる。また、連通路(第1連通路36,第2連通路37)は被移動流体F1で満たされるとともに、被移動流体F1が連通路の開口部に設けられた電極(この場合は、表面配線膜40a,40b)に十分に濡れた状態で保持されるので、同連通路(第1連通路36,第2連通路37)の気密性を維持するために樹脂等を注入する工程も不要となる。
This manufacturing method can also omit the step of providing an extra hole for injecting the fluid F1 to be moved into the flow path (main flow path 33), as in the manufacturing method of the
以上、説明したように、第6の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態は、接触抵抗の増大やスイッチング速度の低下を招くことのない、高い信頼性及び耐久性を備えたスイッチングデバイスとなっている。また、第6の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態は、簡単な方法により製造することができ、安価に製造することができる。 As described above, each embodiment of the switching device according to the sixth invention is a switching device having high reliability and durability that does not cause an increase in contact resistance or a decrease in switching speed. . Further, each embodiment of the switching device according to the sixth invention can be manufactured by a simple method and can be manufactured at low cost.
なお、第6の発明は上記実施形態に限定されることはなく、第6の発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図79に示したように、表面配線膜20aの上面であって第1連通路16の周囲に、被移動流体F1との濡れ性が表面配線膜20aよりも良好である金属からなる電極23aを設けてもよい。同様に、表面配線膜20bの上面であって第2連通路17の周囲に、被移動流体F1との濡れ性が表面配線膜20bよりも良好である金属からなる電極23bを設けてもよい。
The sixth invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the sixth invention. For example, as shown in FIG. 79, on the upper surface of the
更に、図79に示したように、主流路13の壁面に電極24a,24bを設けてもよい。この場合、被移動流体F1の電極24a,24bに対する濡れ性が、被移動流体F1の主流路13の壁面に対する濡れ性よりも良好であるように、電極24a,24bの材質を選択することが望ましい。
Furthermore, as shown in FIG. 79,
さらに、本願において、流路内の導電性被移動流体を移動することによりスイッチングを行うスイッチングデバイスに関する第7の発明が提供される。。 Furthermore, in this application, 7th invention regarding the switching device which switches by moving the electroconductive to-be-transferred fluid in a flow path is provided. .
従来より知られるスイッチングデバイスの一つは、導電性の被移動流体と気体とが充填される細長のチャネル(流路)、気体加熱手段を含み前記気体が充填されるチャンバ及びチャンバとチャネルとを連結し前記気体が充填されるサブチャネル(連通路)を有し、前記加熱手段で前記気体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記被移動流体を前記チャネル内で移動させ、これにより前記被移動流体を含む電気パスを開閉するようになっている(例えば、特開2002−260499号公報(第1頁−6頁、図85、図87、図88及び図89)を参照。)。 One conventionally known switching device includes an elongated channel (flow channel) filled with a conductive transferred fluid and a gas, a chamber containing gas heating means, and a chamber and a channel filled with the gas. A sub-channel (communication path) that is connected and filled with the gas, the gas is expanded by heating the gas by the heating means, and the fluid to be moved is moved in the channel, thereby An electric path including a fluid to be moved is opened and closed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-260499 (page 1-6, FIGS. 85, 87, 88, and 89)).
このスイッチングデバイスは、アクチュエータとして加熱手段を備える。一方、熱発生量が小さい圧電膜を駆動源とするポンプをアクチュエータとして使用するスイッチングデバイスも考えられる。しかし、熱の発生量の多少はあれども、いずれのデバイスも熱の発生源を備えている。 This switching device includes a heating means as an actuator. On the other hand, a switching device using a pump that uses a piezoelectric film with a small amount of heat generation as a drive source as an actuator is also conceivable. However, regardless of the amount of heat generated, each device has a heat source.
一方、係るスイッチングデバイスにおいては、抵抗を不可避的に有する導電性の被移動流体(例えば、水銀)に電気信号が流れる。従って、被移動流体の温度はジュール熱により上昇する。従って、係るスイッチングデバイスでは、スイッチング中におけるデバイス内部温度の上昇は避けられない。 On the other hand, in such a switching device, an electric signal flows through a conductive fluid (for example, mercury) that inevitably has resistance. Therefore, the temperature of the fluid to be moved rises due to Joule heat. Therefore, in such a switching device, an increase in device internal temperature during switching is inevitable.
他方、電極材料と被移動流体の材料の組み合わせにもよるが、電極と被移動流体とが化学反応する場合もある。更に、流路内に存在する微量酸素により酸化する電極も存在する。このような化学反応は、デバイス内部温度が上昇すると活発化する。このため、デバイス内部温度の上昇に伴って電極が化学反応により劣化し易くなり、その結果、信号経路の抵抗が上昇してしまうという問題がある。 On the other hand, depending on the combination of the electrode material and the material of the fluid to be moved, the electrode and the fluid to be moved may react chemically. Furthermore, there is an electrode that is oxidized by a trace amount of oxygen present in the flow path. Such a chemical reaction is activated as the temperature inside the device increases. For this reason, as the internal temperature of the device increases, the electrode is likely to be deteriorated by a chemical reaction, and as a result, there is a problem that the resistance of the signal path increases.
加えて、デバイス内部温度が上昇すると、電極材料が被移動流体内に溶解(溶出)したり、被移動流体自体が流路内の微量酸素と反応し易くなる。これにより、被移動流体の粘性が上昇する場合がある。このような粘性の上昇は被移動流体を流路内で高速に移動させ難くする要因となる。また、被移動流体の反応が進むと、被移動流体の流路壁面に対する濡れ性が良好となってしまう場合がある。このような被移動流体の濡れ性の変化は被移動流体と流路壁面との付着力を増大させるので、やはり被移動流体を流路内で高速に移動させ難くする要因となる。
(発明の概要)
第7の発明は、上記課題に対処するためになされたものであって、その目的の一つは、スイッチングデバイス内部の温度上昇を抑制することにより上述した問題を回避し、高速スイッチング動作が可能で且つ性能劣化の小さいスイッチングデバイスを提供することにある。
In addition, when the device internal temperature rises, the electrode material dissolves (elutes) in the transferred fluid, or the transferred fluid itself easily reacts with a trace amount of oxygen in the flow path. Thereby, the viscosity of the fluid to be moved may increase. Such an increase in viscosity becomes a factor that makes it difficult to move the fluid to be moved at high speed in the flow path. Moreover, when the reaction of the fluid to be moved proceeds, the wettability of the fluid to be moved with respect to the channel wall surface may be improved. Such a change in the wettability of the fluid to be moved increases the adhesion force between the fluid to be moved and the wall surface of the flow path, which also makes it difficult to move the fluid to be moved at high speed in the flow path.
(Summary of Invention)
The seventh invention is made to cope with the above-mentioned problem, and one of its purposes is to avoid the above-mentioned problem by suppressing the temperature rise inside the switching device and to enable high-speed switching operation. It is another object of the present invention to provide a switching device with little performance deterioration.
第7の発明のスイッチングデバイスは、流路に収容された導電性の被移動流体と、少なくとも一対の電極と、前記被移動流体を前記流路内で移動させることにより前記一対の電極間の導通状態を切り換えるアクチュエータと、を備えたスイッチングデバイスに関する。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a switching device comprising: a conductive moved fluid housed in a flow path; at least a pair of electrodes; and conduction between the pair of electrodes by moving the moved fluid in the flow path. And an actuator for switching a state.
更に、第7の発明のスイッチングデバイスは、前記流路を形成するための空間を内部に有する基体を備える。また、前記一対の電極のうちの少なくとも一つの電極は少なくとも一つの端面が開放された金属からなる筒体であって同開放された端面を含む部分が前記基体の流路を形成するための空間の一部に配置された筒状電極である。そして、このスイッチングデバイスの前記流路は、前記筒状電極の内部と、前記基体の流路を形成するための空間のうち同筒状電極が配置されていない部分と、により構成される。 Furthermore, a switching device according to a seventh aspect of the present invention includes a base body having a space for forming the flow path therein. Further, at least one of the pair of electrodes is a cylindrical body made of a metal having at least one end face open, and a portion including the open end face is a space for forming a flow path of the base body. It is the cylindrical electrode arrange | positioned at one part. And the flow path of this switching device is comprised by the inside of the said cylindrical electrode, and the part in which the said cylindrical electrode is not arrange | positioned among the space for forming the flow path of the said base | substrate.
これによれば、筒状電極が流路の一部を構成することになる。従って、筒状電極の内部を導電性の被移動流体(一般には、液体金属)が移動するから、被移動流体の界面と固体である筒状電極との熱交換率が上昇する。即ち、被移動流体を介して基体内部の熱が効率良く筒状電極に伝達される。この結果、被移動流体が局所的に高温部を有することになっても、その高温部の熱は被移動流体の移動に伴って低温の筒状電極に効果的に伝達・拡散される。更に、被移動流体内において対流が発生し、これによっても筒状電極に効果的に熱が伝達される。従って、この筒状電極の他の端面を含む部分を基体の外部にまで延在させたり、或いは、筒状電極の他の端面を含む部分を基体内に配置するとともに同他の端面を含む部分に接続され同基体の外部まで伸びる熱伝導体(例えば、ヒートシンクなど)を備えることにより、基体の内部(デバイス内)で発生した熱を基体の外部に容易に取り出すことができる。この結果、基体内部の温度上昇が抑制されるので、電極の劣化や被移動流体の特性変化が発生し難くなるから、低抵抗であって高速スイッチング動作が長期に渡り安定的に達成可能なスイッチングデバイスが提供される。 According to this, a cylindrical electrode comprises a part of flow path. Therefore, since the electrically conductive fluid (generally, liquid metal) moves inside the cylindrical electrode, the heat exchange rate between the interface of the fluid to be transferred and the cylindrical electrode that is solid increases. That is, the heat inside the substrate is efficiently transmitted to the cylindrical electrode via the fluid to be moved. As a result, even if the fluid to be moved has a local high temperature portion, the heat of the high temperature portion is effectively transmitted and diffused to the low temperature cylindrical electrode as the fluid to be moved moves. Furthermore, convection occurs in the fluid to be moved, and this also effectively transfers heat to the cylindrical electrode. Accordingly, the part including the other end face of the cylindrical electrode extends to the outside of the base, or the part including the other end face of the cylindrical electrode is disposed in the base and includes the other end face. By providing a heat conductor (for example, a heat sink) connected to the base and extending to the outside of the base, heat generated inside the base (inside the device) can be easily taken out of the base. As a result, since the temperature rise inside the substrate is suppressed, it is difficult for the electrodes to deteriorate and the characteristics of the fluid to be moved to change, so that switching with low resistance and high-speed switching operation can be achieved stably over a long period of time. A device is provided.
この場合、前記一対の電極は、双方とも前記筒状電極であることが好適である。これによれば、より多量の熱を基体外部に伝達することができる。 In this case, it is preferable that both of the pair of electrodes are the cylindrical electrodes. According to this, a larger amount of heat can be transmitted to the outside of the substrate.
前記一対の電極の双方ともが前記筒状電極である場合、前記基体は、前記流路を形成するための空間として直線状の貫通空間を備え、前記一対の電極は、前記開放された各端面が互いに対向するように前記貫通空間に配置されていることが好適である。基体に対して直線状の貫通空間を形成することは容易であるから、上記構成によって簡単な構造で且つ製造しやすいスイッチングデバイスが提供される。この場合、前記筒状電極の他の端面を含む部分を基体の外部にまで延在させてもよい。 When both of the pair of electrodes are the cylindrical electrodes, the base body includes a linear through space as a space for forming the flow path, and the pair of electrodes has the open end faces. It is preferable that they are arranged in the through space so as to face each other. Since it is easy to form a linear through space with respect to the substrate, the above configuration provides a switching device with a simple structure and easy to manufacture. In this case, you may extend the part containing the other end surface of the said cylindrical electrode to the exterior of a base | substrate.
また、前記一対の電極の双方ともが前記筒状電極である場合、前記基体は、前記流路を形成するための空間として、共に直線状の空間であって互いに180°以外の所定角度をもって同基体内において交差するとともに、それぞれが同交差した部分から同基体の外面に到る空間を備え、前記一対の電極は、それぞれの前記開放された端面が前記交差する部分に向くように前記基体に配置されてなることが好適である。この場合、前記所定角度が略90°であることが望ましい。また、前記筒状電極の他の端面を含む部分を基体の外部にまで延在させてもよい。 In addition, when both of the pair of electrodes are the cylindrical electrodes, the base is a linear space as a space for forming the flow path, and is the same at a predetermined angle other than 180 °. Each of the electrodes has a space extending from the intersecting portion to the outer surface of the substrate, and the pair of electrodes are disposed on the substrate such that the open end surfaces thereof face the intersecting portion. It is preferable that they are arranged. In this case, it is desirable that the predetermined angle is approximately 90 °. Moreover, you may extend the part containing the other end surface of the said cylindrical electrode to the exterior of a base | substrate.
これによれば、例えば、基体に対してT字形状の貫通路を形成し、3方から筒状電極を挿入・配置したスイッチングデバイスや、基体に対してV字形状の貫通路を形成し、それらの貫通路に筒状電極を挿入・配置したスイッチングデバイスを得ることができる。 According to this, for example, a T-shaped through path is formed on the base, a switching device in which a cylindrical electrode is inserted and arranged from three sides, and a V-shaped through path is formed on the base. It is possible to obtain a switching device in which cylindrical electrodes are inserted and arranged in those through paths.
上記何れかのスイッチングデバイスにあっては、前記アクチュエータが、前記基体の流路を形成するための空間のうち前記筒状電極が配置されていない部分に作動流体を吐出し、同部分に存在する被移動流体を切断するように構成されることができる。 In any one of the above switching devices, the actuator discharges the working fluid to a portion of the space for forming the flow path of the base body where the cylindrical electrode is not disposed, and exists in the portion. It can be configured to cut the transferred fluid.
また、前記一対の電極の双方が筒状電極である場合、前記基体は、前記流路を形成するための空間として、直線状の第1空間と、互いに平行に延びて同第1空間に連通する少なくとも一対の第2空間及び第3空間とを備え、前記一対の電極は、前記開放された各端面が前記第1空間に連通するように前記第2空間及び前記第3空間にそれぞれ配置され、前記アクチュエータは、前記被移動流体を前記基体の直線状の空間の流線方向に移動するように構成されることも好適である。 In addition, when both of the pair of electrodes are cylindrical electrodes, the base body, as a space for forming the flow path, extends in parallel with the linear first space and communicates with the first space. At least a pair of second and third spaces, and the pair of electrodes are disposed in the second space and the third space, respectively, so that the opened end faces communicate with the first space. The actuator is preferably configured to move the fluid to be moved in a streamline direction of a linear space of the base body.
これによれば、例えば、被移動流体が基体の直線状流路を往復運動するように同被移動流体の端部に向けて作動流体を吐出するアクチュエータを利用することができる。 According to this, for example, it is possible to use an actuator that discharges the working fluid toward the end of the moving fluid so that the moving fluid reciprocates in the linear flow path of the substrate.
上記何れかのスイッチングデバイスのアクチュエータは、圧電/電歪膜及び同圧電/電歪膜の作動により容積が変更されるとともに作動流体を収容するポンプ室を備え、同圧電/電歪膜の作動により同ポンプ室内に収容された作動流体を前記流路内の被移動流体に向けて吐出するように構成されることが好適である。 The actuator of any of the above switching devices is provided with a pump chamber in which the volume is changed by the operation of the piezoelectric / electrostrictive film and the piezoelectric / electrostrictive film and the working fluid is accommodated. It is preferable that the working fluid stored in the pump chamber is discharged toward the fluid to be moved in the flow path.
加熱手段による気体の膨張や加熱手段による液体気化に伴う体積膨張等を利用して被移動流体を移動するアクチュエータに比べ、圧電/電歪膜を用いたポンプは応答動作が極めて速いから、より高速なスイッチング動作を行うことができる。また、圧電/電歪膜は、加熱手段よりも発熱量が一般に小さいから、電極や被移動流体の変化を一層抑制することができる。 Compared to actuators that move the fluid to be moved by using gas expansion by heating means or volume expansion accompanying liquid vaporization by heating means, a pump using a piezoelectric / electrostrictive film has a very fast response operation, so it is faster. Switching operation can be performed. In addition, since the piezoelectric / electrostrictive film generally generates a smaller amount of heat than the heating means, changes in the electrode and the fluid to be moved can be further suppressed.
また、上記何れかのスイッチングデバイスのアクチュエータは、加熱手段と液体とを収容するチャンバーとを備え、同加熱手段により同チャンバー内の液体を加熱して気化させ、同気化に伴う体積膨張を利用して前記流路内の被移動流体を移動するように構成されてもよい。 In addition, the actuator of any of the above switching devices includes a heating unit and a chamber that accommodates the liquid. The liquid in the chamber is heated and vaporized by the heating unit, and the volume expansion accompanying the vaporization is used. The fluid to be moved in the flow path may be moved.
更に、前記アクチュエータは、加熱手段と気体とを収容するチャンバーとを備え、同加熱手段により同チャンバー内の気体を加熱し、同加熱に伴う気体の体積膨張を利用して前記流路内の被移動流体を移動するように構成されてもよい。 Further, the actuator includes a heating means and a chamber for containing the gas, and heats the gas in the chamber by the heating means, and utilizes the volume expansion of the gas accompanying the heating to cover the object in the flow path. It may be configured to move the moving fluid.
以下、第7の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
図84は第7の発明の第1実施形態に係るスイッチングデバイス10の平面図である。図85は、図84の1−1線に沿った平面にて第1状態にあるスイッチングデバイス10を切断した断面図である。図86は、図84の1−1線に沿った平面にて第2状態にあるスイッチングデバイス10を切断した断面図である。
Embodiments of the switching device according to the seventh invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 84 is a plan view of the
スイッチングデバイス10は、基体11、一対の電極12a,12b及びポンプ13を備えている。
The switching
基体(基板)11は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。基体11は、複数の石英基板を熱融着することで形成される。基体11は、セラミックスの薄板体(以下、「セラミックシート」と云う。)となるセラミックグリーンシートをZ軸方向に積層し、これらを焼成・一体化することにより形成されてもよい。また、基体11は、プラスチックにより形成することもできる。更に、基体11は、マイクロマシンプロセスを利用して作製することもできる。
The base body (substrate) 11 has a substantially rectangular parallelepiped shape having sides extending along the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions orthogonal to each other. The
基体11は、基体11のY軸方向略中央部で且つZ軸方向略中央部において、X軸方向に沿って直線状に延びる貫通空間11aを備えている。貫通空間11aは、中空の円筒形であって、基体11を貫通している。従って、貫通空間11aをX軸方向(貫通空間11aの軸線方向)に直交する平面で切断した断面は円形である。貫通空間11aは、流路を形成するための空間である。
The
このような断面が円形の貫通空間11aは、二枚の板体(基体11を構成する部材)のそれぞれの表面に断面が半円状である溝をマシニング或いはエッチング等により形成し、各溝が互いに対向するように二枚の板体を張り合わせて形成することができる。また、加工は容易ではないが、ドリルにより基体11に断面が円形の孔を形成することもできる。
The through
これに対し、貫通空間11aの断面を略四角形或いは略三角形としてもよい。これらの断面形状を有する貫通空間11aは、サンドブラスト、マシニング、レーザー加工、ウェットエッチング、及びドライエッチング等のうちの適切な方法により製造することができる。この場合、四角形又は三角形の角部は円弧形状となる。以上に述べた貫通空間の形状及び製造方法は、以下に述べられる他の貫通空間(流路を形成するための空間)についても同様に適用される。
On the other hand, the cross section of the through
更に、貫通空間11aの断面を略楕円形又は略長円形としてもよい。断面が略楕円形又は略長円形の貫通空間11aは、上述した断面が円形の貫通空間11a及び断面が略四角形の貫通空間11aを作製するのと同様な方法を用いて形成することができる。
Furthermore, the cross section of the through
更に、基体11は、基体11のX軸方向略中央部で且つY軸方向略中央部に、連通路(作動流体供給通路)11bを備えている。連通路11bは、中空の円柱状であってZ軸方向に延びている。従って、連通路11bの流線方向はZ軸に平行であり、連通路11bの断面形状は円形である。連通路11bの一端は、貫通空間11aに連通していて、貫通空間11aに吐出口11cを形成している。連通路11bの他端は、X−Y平面に沿った基体11の上面に到達している。
Further, the
このように、基体11のX−Y平面に対して垂直方向に延びる断面が円形の孔(基体が幾つかの板体を積層したものである場合において、その板体の平面に垂直な方向に軸線を有する孔)は、マシニング、レーザー加工、及び超音波加工などの加工法を用いて容易に形成することができる。
In this way, the hole extending in the direction perpendicular to the XY plane of the
電極12aは、一の端面(一端)が開放され、且つ、他の端面(他端)が閉止された中空の筒体である。以下、このような形状の電極を「筒状電極」とも称呼する。電極12aは、導電性の金属により形成されている。この例において、電極12aは白金からなる。電極12aの材質として、銅やニッケルなどを用いることもできる。電極12aの外側の直径(外径、外形)は、貫通空間11aの直径(内径、内形)と一致している。
The
電極12aの前記開放された一端を含む部分は、貫通空間11aに挿入されるように配置されている。電極12aの前記開放された一端は、貫通空間11aと連通路11bの接続箇所(即ち、吐出口11cが形成されている箇所)よりもX軸負方向側に位置している。電極12aの前記閉止された他端は、基体11のX軸負方向外部に位置している。電極12aは、基体11の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The part including the opened one end of the
電極12bは、電極12aと同一の構成を有している。電極12bは白金からなる。電極12bの開放された一端を含む部分は、貫通空間11aに挿入されるように配置されている。電極12bの前記開放された一端は、貫通空間11aと連通路11bの接続箇所(即ち、吐出口11cが形成されている箇所)よりもX軸正方向側に位置している。電極12bの閉止された他端は、基体11のX軸正方向外部に位置している。電極12bは、基体11の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
即ち、電極12a,12bのそれぞれは、一つの端面が開放された金属からなる筒体であって同開放された端面を含む部分が前記基体11の流路を形成するための空間(貫通空間)11aの一部に配置されるとともに他の端面を含む部分が同基体11の外部にまで延在する筒状電極である。また、電極12aの前記開放された端面と電極12bの前記開放された端面とは、互いに対向するように貫通空間11aに配置されていることになる。
That is, each of the
なお、貫通空間11aの断面が略四角形、略三角形、略楕円形及び略長円形等の場合、筒状電極12a,12bの断面の外形は、貫通空間11aの断面形状と一致させておく。この場合、筒状電極12a,12bを貫通空間11aに挿入・配設したとき、筒状電極12a,12bの外側と貫通空間11aの壁面との間に隙間が発生し得る。従って、圧力損失を小さくするために、この隙間を樹脂などにより埋めておくことが望ましい。また、筒状電極12a,12bと基体11との熱伝導を効率的に行うために、前述した隙間を埋める材料はその熱伝導率が高いものが好ましい。この材料としては、窒化アルミニウムなどの高熱伝導率を有するフィラーが混入された樹脂を挙げることができる。
When the cross section of the through
このように構成されたスイッチングデバイス10は、一対の電極12a,12bと、同一対の電極12a,12bが存在していない貫通空間11aの部分とから構成される直線状の流路を備えている。この直線状の流路には、被移動流体F1が収容され、被移動流体F1が収容されていない部分には気体G1が収容されている。気体G1は窒素又はヘリウム等の不活性気体である。また、連通路11bは、一対の電極12a,12bが存在していない貫通空間11aの部分に吐出口11cを介して接続されていることになる。連通路11bには、作動流体F2が収容されている。
The switching
ポンプ13は、ポンプ室形成部13aと、圧電素子13bとからなる圧電ポンプである。ポンプ13は、一対の電極12a,12b間の導通状態を切り換えるアクチュエータとして機能する。ポンプ13は、基体11の上面に焼成又は接着剤により固定されている。
The
ポンプ室形成部13aは、上面が閉止され下面が開放されたポンプ室13cを形成している。ポンプ室形成部13aの上壁はセラミックダイヤフラムである。ポンプ室13cは、平面視で略正方形の空間である。ポンプ室13cには作動流体F2が収容されている。ポンプ室13cは連通路11bと接続されている。
The pump
圧電素子13bは、ポンプ室形成部13aの上面に固定されている。圧電素子13bは、平面視でポンプ室13cよりも僅かだけ小さい外形を有している。圧電素子13bは、平面視でポンプ室13cの内側に位置している。圧電素子13bは、ポンプ室形成部13aの上壁の上に焼成により一体的に固定されている。圧電素子13bは、圧電膜と同圧電膜を挟むすくなくとも一対の電極とからなる膜型圧電素子である。
The
圧電素子13bの電極間に駆動電圧が印加されたとき、圧電素子13bはポンプ室13cの上壁を変形させ、ポンプ室13cの容積を増減する。この作用により、ポンプ13はポンプ室13c内部の作動流体F2を加減圧(吐出及び吸引)するようになっている。
When a driving voltage is applied between the electrodes of the
被移動流体F1は、非圧縮性で導電性の流体である。本例では被移動流体F1は水銀であるが、ガリウム合金の如き液体金属であってもよい。 The fluid F1 to be moved is an incompressible and conductive fluid. In this example, the fluid F1 to be moved is mercury, but may be a liquid metal such as a gallium alloy.
作動流体F2は、被移動流体F1に対して非溶性であり、実質的に非圧縮性で、絶縁性(非導電性)の流体である。本例において、作動流体F2は脱イオン水である。作動流体F2として、高浸透性溶剤フロリナート(3M社製)、パラフィン系電気絶縁油又はシリコンオイル等を使用することもできる。作動流体F2には、作動流体F2の流路の壁面(即ち、基体11を構成する石英の表面、電極12a、電極12bの内壁面)に対する濡れ性が被移動流体F1の流路の壁面に対する濡れ性よりも良好である流体が選択される。この結果、被移動流体F1は塊となって流路内に存在する。但し、電極12a,電極12bの貫通空間11aの一部に配置された端面と被移動流体F1とは濡れ性が良好であることが望ましい。
The working fluid F2 is a fluid that is insoluble in the fluid F1 to be moved, is substantially incompressible, and is insulating (non-conductive). In this example, the working fluid F2 is deionized water. As the working fluid F2, highly permeable solvent Fluorinert (manufactured by 3M), paraffin-based electrical insulating oil, silicon oil, or the like can also be used. In the working fluid F2, the wettability with respect to the wall surface of the flow path of the working fluid F2 (that is, the quartz surface constituting the
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス10の作動について説明する。スイッチングデバイス10は、第1状態において、圧電素子13bの電極に電圧を付与せず、ポンプ13を作動させない。このとき、図85に示したように、流路の両端部にはガスG1が存在していて、被移動流体F1は前記流路の中央部において一つの塊となって存在する。従って、電極12aと電極12bは被移動流体F1を介して導通状態(「オン」状態)となる。
Next, the operation of the
スイッチングデバイス10は、次に、圧電素子13bの電極に電圧を付与する。これにより、ポンプ室13cの容積は減少するので、ポンプ13はポンプ室13cから連通路11bに作動流体F2を吐出する。従って、作動流体F2は、吐出口11cから流路内に吐出(噴射)される。この結果、図86に示したように、被移動流体F1は流路内において切断され、二つの塊となる。
Next, the switching
被移動流体F1の一つの塊は、流路内をX軸負方向に移動する。被移動流体F1の他の一つの塊は、流路内をX軸正方向に移動する。この結果、この二つの塊に分離した被移動流体F1の間には、非導電性の作動流体F2が存在することになるので、電極12aと電極12bは非導通状態(「オフ」状態)となる。このとき、流路の両端部に存在しているガスG1は圧縮される。
One lump of the fluid F1 to be moved moves in the negative direction of the X axis in the flow path. Another mass of the fluid to be moved F1 moves in the positive direction of the X axis in the flow path. As a result, since the non-conductive working fluid F2 exists between the transferred fluid F1 separated into the two masses, the
スイッチングデバイス10は、次に、圧電素子13bの電極に対する電圧付与を停止する。これにより、ポンプ室13cの容積は初期容積に向けて増大する。従って、ポンプ13は連通路11b(吐出口11c)を介して流路からポンプ室13cへと作動流体F2を吸引する。このとき、流路の両端部に存在するガスG1は膨張する。この結果、分離されていた被移動流体F1のそれぞれは、流路の中央部に向けて移動し、一つの塊に復帰する。従って、電極12aと電極12bは被移動流体F1を介して再び導通状態となる。スイッチングデバイス10は、以上の作動を繰り返し行うことにより、一対の電極12a,12b間の導通状態を切り換える。
Next, the switching
以上、説明したように、スイッチングデバイス10は、流路の一部を構成する筒状電極(電極12a及び電極12b)を備えていて、この筒状電極の内部を導電性の被移動流体F1が移動(振動)する。従って、被移動流体F1の界面と固体である筒状電極12a,12bとの熱交換率が上昇する。即ち、被移動流体F1を介して基体11内部の熱が効率良く筒状電極12a,12bに伝達される。この結果、被移動流体F1が局所的に高温部を有することになっても、その高温部の熱は被移動流体F1の移動に伴って低温の筒状電極12a,12bに効果的に伝達・拡散される。更に、被移動流体F1内において対流が発生し、これによっても筒状電極12a,12bに効果的に熱が伝達される。
As described above, the switching
また、この筒状電極12a,12bの他の端面を含む部分は基体11の外部にまで延在している。従って、基体11の内部(デバイス10内)で発生した熱を基体の外部に容易に取り出すことができるので、基体11内部の温度上昇が抑制される。この結果、電極12a及び電極12bと被移動流体F1との化学反応や流路内に存在する微量酸素による電極12a,12bの酸化等に基づく電極劣化の進行等が抑制される。また、電極材料の被移動流体F1内への溶解(溶出)及び流路内の微量酸素と被移動流体F1自体との反応が抑制される。従って、スイッチングデバイス10は、低抵抗であって高速スイッチング動作が長期に渡り安定的に達成可能なデバイスとなっている。
Further, the portions including the other end faces of the
なお、スイッチングデバイス10においては、筒状電極12a,12bの他の端面を含む部分が基体11の外部にまで延在されていたが、筒状電極12a,12bの他の端面を含む部分を基体11内に配置するとともに、同他の端面を含む部分に接続され同基体11の外部まで伸びる熱伝導体(例えば、ヒートシンクなど)を備えさせることもできる。これによっても、被移動流体F1、筒状電極12a,12b及び熱伝導体により、基体11内部の熱が基体11の外部に容易に伝達されるから、基体11内部の温度上昇が抑制される。係る変形は、以下に述べる他の実施形態においても同様に適用され得る。
In the
更に、スイッチングデバイス10においては、一対の電極12a,12bの双方ともが筒状電極であり、基体11は流路を形成するための空間として直線状の貫通空間11aを備え、前記一対の電極12a,12bは、開放された各端面が互いに対向するように貫通空間11aに配置されている。このように、基体11に対して直線状の貫通空間11aを形成することは比較的容易であるから、スイッチングデバイス10は簡単な構造で且つ製造しやすいスイッチングデバイスとなっている。
(第2実施形態)
次に、第7の発明の第2実施形態に係るスイッチングデバイス20について、図87乃至図89を参照して説明する。図87は、スイッチングデバイス20の平面図である。図88は、図87の2−2線に沿った平面にてスイッチングデバイス20を切断した断面図である。図89は、スイッチングデバイス20の作動を説明するための図であって、(A)は第1状態にあるスイッチングデバイス20の断面図、(B)は第2状態にあるスイッチングデバイス20の断面図である。
Further, in the
(Second Embodiment)
Next, the switching
スイッチングデバイス20は、基体21、第1電極31、第2電極32、第3電極33、第1ポンプ41及び第2ポンプ42を備えている。
The switching
基体21は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。基体21は、基体11と同様な材料及び方法で形成される。
The
基体21は、第1流路を形成するための第1空間21a及び第2流路を形成するための第2空間21bを備えている。第1空間21aは、基体21のY軸方向略中央部で且つZ軸方向略中央部に形成されている。第1空間21aは、基体21のY軸及びZ軸方向略中央部においてX軸方向に沿って直線状に延びる円筒形の空間である。第1空間21aは基体21を貫通している。
The
第2空間21bは、基体21のX軸方向略中央部で且つY軸方向略中央部に形成されている。第2空間21bは、Z軸方向に沿って直線状に延びる円筒形の空間である。第2空間21bの一つの端部は第1空間21aのX軸方向中央部にて第1空間21aと接続されている。第2空間21bの他の端部は、基体21の下面に到達している。
The
基体21は、基体21のY軸方向略中央部であってX軸方向略中央部とX軸負方向端部との間の位置に、第1連通路(第1作動流体供給通路)21cを備えている。第1連通路21cは、中空の円柱状であってZ軸方向に延びている。従って、第1連通路21cの流線方向はZ軸に平行である。第1連通路21cの一端は、第1空間21aに連通している。これにより、第1空間21aのX軸方向略中央部とX軸負方向端部との間の位置に、第1吐出口21c1が形成されている。第1連通路21cの他端は、基体21の上面に到達している。第1連通路21cの断面形状は円形である。第1連通路21cには作動流体F2が収容されている。
The
基体21は、基体21のY軸方向略中央部であってX軸方向略中央部とX軸正方向端部との間の位置に、第2連通路(第2作動流体供給通路)21dを備えている。第2連通路21dは、第1連通路21cと同一の中空の円柱状であってZ軸方向に延びている。従って、第2連通路21dの流線方向はZ軸に平行である。第2連通路21dの一端は、第1空間21aに連通している。これにより、第1空間21aのX軸方向略中央部とX軸正方向端部との間の位置に、第2吐出口21d1が形成されている。第2連通路21dの他端は、基体21の上面に到達している。第2連通路21dには作動流体F2が収容されている。
The
第1電極31は、電極12aと同様の構成を備えている。第1電極31の直径(外径)は、第1空間21aの直径(内径)と一致している。第1電極31の開放された一端を含む部分は、第1空間21aに挿入されるように配置されている。第1電極31の開放された一端は、第1空間21aと第1連通路21cの接続箇所(即ち、第1吐出口21c1が形成されている箇所)よりもX軸負方向側に位置している。第1電極31の閉止された他端は、基体21のX軸負方向外部に位置している。第1電極31は、基体21の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
第2電極32も、電極12aと同様の構成を備えている。従って、第2電極32の直径は、第1空間21aの直径と一致している。第2電極32の開放された一端を含む部分は、第1空間21aに挿入されるように配置されている。第2電極32の開放された一端は、第1空間21aと第2連通路21dの接続箇所(即ち、第2吐出口21d1が形成されている箇所)よりもX軸正方向側に位置している。第2電極32の閉止された他端は、基体21のX軸正方向外部に位置している。第2電極32は、基体21の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
第3電極33も、電極12aと同様の構成を備えている。第3電極33の直径は、第2空間21bの直径と一致している。第3電極33の開放された一端を含む部分は、第2空間21bに挿入されるように配置されている。第3電極33の開放された一端は、第1空間21aと第2空間21bの接続箇所に位置している。第3電極33の閉止された他端は、基体21のZ軸負方向外部に位置している。第3電極33は、基体21の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
このように構成されるスイッチングデバイス20の流路は、第1電極31と、第2電極32と、第1電極31及び第2電極32が存在していない第1空間21aの部分とから構成される第1流路、並びに、第3電極33から構成される第2流路からなっている。
The flow path of the
第1ポンプ41は、ポンプ13と同一の構成を有している。即ち、第1ポンプ41は、第1ポンプ室形成部41aと、第1圧電素子41bとからなる圧電ポンプである。第1ポンプ室形成部41aは、ポンプ室13cと同様な第1ポンプ室41cを形成している。第1ポンプ41は、基体21の上面に焼成又は接着剤により固定されている。第1ポンプ41はY軸方向略中央部であって、且つ、X軸方向中央部よりもX軸負方向側に位置している。第1ポンプ室41cには作動流体F2が収容されている。第1ポンプ室41cは第1連通路21cと接続されている。
The
第2ポンプ42は、ポンプ13と同一の構成を有している。即ち、第2ポンプ42は、第2ポンプ室形成部42aと、第2圧電素子42bとからなる圧電ポンプである。第2ポンプ室形成部42aは、ポンプ室13cと同様な第2ポンプ室42cを形成している。第2ポンプ42は、基体21の上面に焼成又は接着剤により固定されている。第2ポンプ室42cには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ室42cは第2連通路21dと接続されている。
The
第1ポンプ41及び第2ポンプ42は、後述するように、第1電極31と第3電極33を導通状態とするか、第2電極32と第3電極33を導通状態とするかを切り換えるためのアクチュエータとして機能するようになっている。
As will be described later, the
このように構成されたスイッチングデバイス20において、第1電極31〜第3電極33の各閉止された端部側には気体G1が収容され、各開放された端部側には被移動流体F1が収容されている。
In the
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス20の作動について説明する。スイッチングデバイス20は、第1状態において、第1圧電素子41bの電極に電圧を付与するとともに、第2圧電素子42bの電極に電圧を付与しない。即ち、スイッチングデバイス20は、第1ポンプ41を作動し、第2ポンプ42を作動させない。これにより、作動流体F2は第1ポンプ室41cから第1連通路21c及び第1吐出口21c1を介して第1流路に吐出される。この結果、被移動流体F1は第1吐出口21c1に対向する部分で分断され、二つの塊となって存在する。
Next, the operation of the
このとき、図89の(A)に示したように、被移動流体F1の一つの塊は、第1流路内であって第1吐出口21c1が形成されている部分よりもX軸負方向の部分(即ち、第1電極31内)に存在する。被移動流体F1の他の一つの塊は、第2電極32内と第3電極33内とこれらの間を繋ぐ第1流路内に連続的に一つの塊として存在することになる。この結果、第2電極32と第3電極33は導通状態(「オン」状態)となる。一方、被移動流体F1の二つの塊の間には非導電性の作動流体F2が存在することになる。従って、第1電極31と第3電極33は非導通状態(「オフ」状態)となる。
At this time, as shown in FIG. 89 (A), one lump of the fluid F1 to be moved is in the negative direction of the X axis more than the portion in the first flow path where the first discharge port 21c1 is formed. (That is, in the first electrode 31). The other one lump of the fluid F1 to be moved exists continuously as one lump in the
なお、各部のガスG1は、動作環境(スイッチングデバイス20の外部)の気圧よりも十分高い圧力で封入されている。これにより、動作環境の圧力変動などがあった場合においても、被作動流体F1が筒状電極(第1電極31、第2電極32及び第3電極33)の閉止された他端側近傍(筒状電極の奥)に移動してしまわないようになっている。また、ガスG1は、被移動流体F1及び/又は作動流体F2の熱膨張による第1流路及び第2流路内の内圧変化を吸収する機能も果たしている。
The gas G1 in each part is sealed at a pressure sufficiently higher than the atmospheric pressure in the operating environment (outside the switching device 20). As a result, even when there is a pressure fluctuation in the operating environment, the actuated fluid F1 is close to the other end side (cylinder) of the cylindrical electrodes (
スイッチングデバイス20は、次に、第1圧電素子41bの電極に対する電圧付与を停止するとともに、第2圧電素子42bの電極に対する電圧付与を開始する。即ち、スイッチングデバイス20は、第2ポンプ42を作動し、第1ポンプ41を作動させない。これにより、第1ポンプ室41cの容積は増大し、第2ポンプ室42cの容積は減少する。
Next, the switching
従って、作動流体F2は第1ポンプ室41cに向けて第1連通路21c及び第1吐出口21c1を介して第1流路から吸引されるとともに、第2ポンプ室42cから第2連通路21d及び第2吐出口21d1を介して第1流路に吐出される。この結果、被移動流体F1は第2吐出口21d1に対向する部分で分断される。
Accordingly, the working fluid F2 is sucked from the first flow path toward the
このとき、第1流路の略中央部にて一つの塊となった被移動流体F1はX軸負方向に移動して第1電極31内に存在していた被移動流体F1と合体し、一つの塊となる。この結果、図89の(B)に示したように、被移動流体F1の一つの塊は、第1流路内及び第2流路内であって第2吐出口21d1が形成されている部分よりもX軸負方向の部分に存在する。一方、被移動流体F1の他の一つの塊は、第1流路内であって第2吐出口21d1が形成されている部分よりもX軸正方向の部分(即ち、第2電極32内)に存在する。被移動流体F1の前記一つの塊と前記他の塊の間には作動流体F2が存在する。
At this time, the moving fluid F1 that has become one lump in the substantially central portion of the first flow path moves in the negative direction of the X axis and merges with the moving fluid F1 that was present in the
このように、被移動流体F1は、第1電極31内と第3電極33内とこれらの間を繋ぐ第1流路内に連続的に一つの塊として存在することになる。この結果、第1電極31と第3電極33は導通状態(「オン」状態)となり、第2電極32と第3電極33は非導通状態(「オフ」状態)となる。係る状態が第2状態である。
Thus, the fluid F1 to be moved exists continuously as one lump in the
スイッチングデバイス20は、次に、第1圧電素子41bの電極に対する電圧付与を開始するとともに、第2圧電素子42bの電極に対する電圧付与を停止する。即ち、スイッチングデバイス20は、第1ポンプ41を作動し、第2ポンプ42を作動させない。これにより、第1ポンプ室41cの容積は減少し、第2ポンプ室42cの容積は増大する。
Next, the switching
この結果、スイッチングデバイス20は、図89の(A)に示した第1状態に復帰する。従って、被移動流体F1は、第2電極32内と第3電極33内とこれらの間を繋ぐ第1流路内に連続的に一つの塊として存在することになる。この結果、第2電極32と第3電極33は再び導通状態(「オン」状態)となり、第1電極31と第3電極33は非導通状態(「オフ」状態)となる。スイッチングデバイス20は、以上の作動を繰り返し行うことにより、第1〜第3電極31〜33間の導通状態を切り換える。なお、この場合、第3電極33は共通電極として機能している。
As a result, the switching
このスイッチングデバイス20は、スイッチングデバイス10と同様に、流路(第1流路,第2流路)に収容された導電性の被移動流体F1と、少なくとも一対の電極(第1電極31と第3電極33、又は、第2電極32と第3電極33)と、前記被移動流体F1を流路内で移動させることにより前記一対の電極間の導通状態を切り換えるアクチュエータ(第1ポンプ41及び第2ポンプ42)と、を備えている。
Similar to the
更に、スイッチングデバイス20は、前記流路を形成するための空間(第1空間21a及び第2空間21b)を内部に有する基体21を備える。また、各電極(第1電極31,第2電極32,第3電極33)は一つの端面が開放された金属(白金)からなる筒体(筒状電極)であって同開放された端面を含む部分が前記基体21の流路を形成するための空間の一部に配置されている。更に、各電極の他の端面を含む部分は基体21の外部にまで延在している。そして、このスイッチングデバイス20の流路(第1流路及び第2流路)は、前記筒状電極の内部と、前記基体の流路を形成するための空間のうち同筒状電極が配置されていない部分と、により構成される。
Furthermore, the switching
従って、筒状電極(例えば、第1電極31)が流路(例えば、第1流路)の一部を構成することになるから、筒状電極の内部を導電性の被移動流体F1が移動する。従って、スイッチングデバイス10における理由と同様の理由により、被移動流体F1から筒状電極へと熱が効率良く筒状電極に伝達される。
Accordingly, since the cylindrical electrode (for example, the first electrode 31) constitutes a part of the flow path (for example, the first flow path), the conductive movable fluid F1 moves inside the cylindrical electrode. To do. Therefore, for the same reason as that in the
更に、この筒状電極は、前記他の端面を含む部分が基体21の外部にまで延在している。従って、基体21(第1流路及び第2流路)の内部で発生した熱を基体21の外部に容易に取り出すことができる。この結果、基体21(第1流路及び第2流路)内部の温度上昇が抑制されるので、電極(例えば、第1電極31)の劣化や被移動流体F1の特性変化が発生し難くなるから、スイッチングデバイス20は、低抵抗であって高速スイッチング動作が長期に渡り安定的に達成可能なスイッチングデバイスとなっている。
Further, in this cylindrical electrode, a portion including the other end surface extends to the outside of the
ここで、スイッチングデバイス20において、第1電極31と第3電極33に着目する。この場合、第1電極31と第3電極33は共に筒状電極である。一方、基体21は、第1流路を形成するための第1空間21aと、第2流路を形成するための第2空間21bとを備えている。
Here, in the
第1空間21aと第2空間21bは、共に直線状の空間であって互いに180°以外の所定角度(ここでは、実質的に90°)をもって基体21内において交差している。また、第1空間21aと第2空間21bは、それぞれが交差した部分から基体21の外面に到っている。更に、第1電極31及び第3電極33は、それぞれの開放された端面が前記交差する部分に向くように基体21に配置されている。
The
更に、スイッチングデバイス20にあっては、アクチュエータとして機能する第1ポンプ41が、基体21の流路を形成するための空間のうち第1電極31及び第3電極33が配置されていない部分に作動流体F2を吐出し、同部分に存在する被移動流体F1を切断するように構成されている。なお、上述した点は、第2電極32と第3電極33に着目した場合も同様である。
Further, in the
また、スイッチングデバイス20は、基体21に対してT字形状の貫通路(第1空間21a及び第2空間21bからなる貫通路)を形成し、3方から筒状電極(第1電極31〜第3電極33)を挿入・配置したスイッチングデバイス20であるということもできる。
(第3実施形態)
次に、第7の発明の第3実施形態に係るスイッチングデバイス50について、図90乃至図92を参照して説明する。図90は、スイッチングデバイス50の平面図である。図91は、図88の3−3線に沿った平面にてスイッチングデバイス50を切断した断面図である。図92は、スイッチングデバイス50の作動を説明するための図であって、(A)は第1状態にあるスイッチングデバイス50の断面図、(B)は第2状態にあるスイッチングデバイス50の断面図である。
In addition, the switching
(Third embodiment)
Next, a
スイッチングデバイス50は、基体51、第1電極61、第2電極62、第3電極63、第1ポンプ71及び第2ポンプ72を備えている。
The switching
基体51は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状を有している。基体51は、基体11と同様の材質及び製法により形成される。
The
基体51は、図91に示したように、第1流路を形成するための第1空間51a、第2流路を形成するための第2空間51b、第3流路を形成するための第3空間51c、及び第4流路を形成するための第4空間51dを備えている。
As shown in FIG. 91, the
第1空間51aは、基体51のY軸方向略中央部で且つZ軸方向略中央部に形成されている。第1空間51aは、基体51のZ軸方向略中央部においてX軸方向に沿って直線状に延びる軸線を有する中空円筒の空間である。第1空間51aは、基体51を貫通している。第1空間51aは、X軸方向両端部近傍における直径が、同X軸方向両端部を除くX軸方向中央部における直径よりも僅かだけ小さくなっている。即ち、第1空間51aは、X軸方向中央部に大径部51Lを備え、X軸方向両端部に小径部51S1,51S2を備えている。
The
第2空間51bは、基体51のX軸方向中央部よりもX軸負方向側で且つY軸方向略中央部に形成されている。第2空間51bは、Z軸方向に沿って直線状に延びる円筒形の空間である。第2空間51bの一つの端部は、第1空間51aの大径部51LのX軸負方向端部にて第1空間51aと接続されている。第2空間51bの他の端部は、基体51の下面に到達している。
The
第3空間51cは、基体51のX軸方向中央部で且つY軸方向略中央部に形成されている。第3空間51cは、Z軸方向に沿って直線状に延びている。第3空間51cは、第2空間51bと同形の円筒形の空間である。第3空間51cの一つの端部は、第1空間51aの大径部51LのX軸方向中央部にて第1空間51aと接続されている。第3空間51cの他の端部は、基体51の下面に到達している。
The
第4空間51dは、基体51のX軸方向中央部よりもX軸正方向側で且つY軸方向略中央部に形成されている。第4空間51dは、Z軸方向に沿って直線状に延びている。第4空間51dは、第2空間51bと同形の円筒形の空間である。第4空間51dの一つの端部は、第1空間51aの大径部51LのX軸正方向端部にて第1空間51aと接続されている。第4空間51dの他の端部は、基体51の下面に到達している。
The
第1ポンプ71は、ポンプ13と同一の構成を有している。即ち、第1ポンプ71は、第1ポンプ室形成部71aと、第1圧電素子71bとからなる圧電ポンプである。第1ポンプ室形成部71aは、ポンプ室13cと同様な第1ポンプ室71cを形成している。第1ポンプ71は、基体51のX軸負方向側の側面(Y−Z平面に沿った面)に焼成又は接着剤により固定されている。第1ポンプ71はY軸方向略中央部であって、且つ、Z軸方向中央部に位置している。第1ポンプ室71cには作動流体F2が収容されている。第1ポンプ室71cはX軸負方向側の小径部51S1と接続されている。
The
第2ポンプ72は、ポンプ13と同一の構成を有している。即ち、第2ポンプ72は、第2ポンプ室形成部72aと、第2圧電素子72bとからなる圧電ポンプである。第2ポンプ室形成部72aは、ポンプ室13cと同様な第2ポンプ室72cを形成している。第2ポンプ72は、基体51のX軸正方向側の側面(Y−Z平面に沿った面)に焼成又は接着剤により固定されている。第2ポンプ72はY軸方向略中央部であって、且つ、Z軸方向中央部に位置している。第2ポンプ室72cには作動流体F2が収容されている。第2ポンプ室72cはX軸正方向側の小径部51S2と接続されている。
The
第1ポンプ71及び第2ポンプ72は、後述するように、第1電極61と第2電極62を導通状態とするか、第2電極62と第3電極63を導通状態とするかを切り換えるためのアクチュエータとして機能するようになっている。
As will be described later, the
第1電極61は、電極12aと同様の構成を備えている。第1電極61の直径(外径)は、第2空間51bの直径(内径)と一致している。第1電極61の開放された一端を含む部分は、第2空間51bに挿入されるように配置されている。第1電極61の開放された一端は、第1空間51aと第2空間51bの接続箇所に位置している。第1電極61の閉止された他端は、基体51のZ軸負方向外部に位置している。第1電極61は、基体51の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
第2電極62は、電極12aと同様の構成を備えている。第2電極62の直径(外径)は、第3空間51cの直径(内径)と一致している。第2電極62の開放された一端を含む部分は、第3空間51cに挿入されるように配置されている。第2電極62の開放された一端は、第1空間51aと第3空間51cの接続箇所に位置している。第2電極62の閉止された他端は、基体51のZ軸負方向外部に位置している。第2電極62は、基体51の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
第3電極63は、電極12aと同様の構成を備えている。第3電極63の直径(外径)は、第4空間51dの直径(内径)と一致している。第3電極63の開放された一端を含む部分は、第4空間51dに挿入されるように配置されている。第3電極63の開放された一端は、第1空間51aと第4空間51dの接続箇所に位置している。第3電極63の閉止された他端は、基体51のZ軸負方向外部に位置している。第3電極63は、基体51の外部において図示しない電気回路に電気的に接続されている。
The
このように構成されるスイッチングデバイス50の流路は、第1空間51aの大径部51Lと、第1電極61と、第2電極62と、第3電極63とから構成されている。大径部51Lには、被移動流体F1と作動流体F2とが収容されている。小径部51S1,51S2には、被移動流体F1は実質的に進入せず、作動流体F2が収容されている。第1電極61〜第3電極63の各閉止された端部側には気体G1が収容され、各開放された端部側には被移動流体F1が収容されている。
The flow path of the
次に、上記のように構成されたスイッチングデバイス50の作動について説明する。スイッチングデバイス50は、第1状態において、第1圧電素子71bの電極に電圧を付与するとともに、第2圧電素子72bの電極に電圧を付与しない。即ち、スイッチングデバイス20は、第1ポンプ71を作動し、第2ポンプ72を作動させない。これにより、作動流体F2は第1ポンプ室71cから小径部51S1を介して大径部51Lに吐出される。これにより、被移動流体F1は、大径部51LのX軸正方向端部に移動する。
Next, the operation of the
この結果、図92の(A)に示したように、大径部51LのX軸正方向端部に移動した被移動流体と、第2電極62内の被移動流体と、第3電極63内の被移動流体とは合体し、被移動流体F1の一つの塊を形成する。一方、第1電極61内の被移動流体F1は孤立し、一つの塊となっている。従って、第2電極62と第3電極63は導通状態(「オン」状態)となり、第2電極62と第1電極61は非導通状態(「オフ」状態)となる。
As a result, as shown in FIG. 92 (A), the moved fluid that has moved to the X axis positive direction end of the
スイッチングデバイス50は、次に、第1圧電素子71bの電極に対する電圧付与を停止するとともに、第2圧電素子72bの電極に対する電圧付与を開始する。即ち、スイッチングデバイス50は、第2ポンプ72を作動し、第1ポンプ71を作動させない。これにより、第作動流体F2は第2ポンプ室72cから小径部51S2を介して大径部51Lに吐出される。これにより、被移動流体F1は、大径部51LのX軸負方向端部に移動する。
Next, the switching
この結果、図92の(B)に示したように、大径部51LのX軸負方向端部に移動した被移動流体と、第2電極62内の被移動流体と、第1電極61内の被移動流体とは合体し、被移動流体F1の一つの塊を形成する。一方、第3電極63内の被移動流体F1は孤立し、一つの塊となる。従って、第2電極62と第1電極61は導通状態(「オン」状態)となり、第2電極62と第3電極63は非導通状態(「オフ」状態)となる。係る状態が第2状態である。
As a result, as shown in FIG. 92 (B), the moved fluid that has moved to the X-axis negative direction end of the large-
スイッチングデバイス50は、次に、第1圧電素子71bの電極に対する電圧付与を開始するとともに、第2圧電素子72bの電極に対する電圧付与を停止する。即ち、スイッチングデバイス50は、第1ポンプ71を作動し、第2ポンプ72を作動させない。これにより、第1ポンプ室71cの容積は減少し、第2ポンプ室72cの容積は増大する。
Next, the switching
この結果、スイッチングデバイス20は、図92の(A)に示した第1状態に復帰する。即ち、第2電極62と第3電極63は導通状態となり、第2電極62と第1電極61は非導通状態となる。スイッチングデバイス50は、以上の作動を繰り返し行うことにより、第1〜第3電極61〜63間の導通状態を切り換える。なお、この場合、第2電極62は共通電極として機能している。
As a result, the switching
以上、説明したように、スイッチングデバイス50においては、第1〜第3電極61〜63内に被移動流体F1を収容している。また、第2電極62内に収容されている被移動流体F1は、流路である第1空間51aの大径部51L内を移動する被移動流体F1と何れの状態(第1及び第2状態)においても連続している。更に、第1電極61及び第3電極63に収容されている被移動流体F1は、第1空間51aの大径部51L内を移動する被移動流体F1と断続的に一体となる。従って、基体51(流路)内部の熱を被移動流体F1及び第1〜第3電極61〜63を介して効率的に基体51の外部に取り出すことができ、基体51内部温度の上昇を抑制することができる。
As described above, in the
このように、スイッチングデバイス50において、基体51は、流路を形成するための空間として直線状の第1空間51a、互いに平行に延びて同第1空間に連通する少なくとも一対の第2空間51b、第3空間51c及び第4空間51dとを備えている。また、少なくとも一対の筒状電極(例えば、第2電極62と第3電極63)は、開放された各端面が前記第1空間51aに連通するように第3空間51cと第4空間51dにそれぞれ配設されている。更に、アクチュエータとして機能する第1ポンプ71及び第2ポンプ72は、被移動流体F1を第1空間51aの流線方向(X軸方向)に移動するように構成されている。
Thus, in the
換言すると、スイッチングデバイス50は、被移動流体F1が基体51の直線状流路(第1空間51aの大径部51L内)を往復運動するように、被移動流体F1の端部(少なくとも一方の端部)に向けて作動流体F2を吐出するアクチュエータ(第1ポンプ71又は第2ポンプ72)を備えている。
In other words, the switching
次に、上記各実施形態に係るスイッチングデバイスの製造方法について簡単に追加説明する。基板は、石英基板に対してサンドブラスト法により溝を形成し、蓋に相当する石英基板を熱融着させて形成する。この溝は、流路を形成するための空間及び各ポンプ室と流路とを接続する連通路となる。 Next, a method for manufacturing the switching device according to each of the above embodiments will be briefly described. The substrate is formed by forming grooves on the quartz substrate by sandblasting and thermally fusing the quartz substrate corresponding to the lid. This groove serves as a communication path that connects the space for forming the flow path and each pump chamber and the flow path.
電極は、上述したように白金から形成する。ただし、電極の表面の酸化物層を除去するために逆スパッタ処理を行い、その後、金を表面にスパッタ法により100Å程度コーティングする。 The electrode is formed from platinum as described above. However, reverse sputtering treatment is performed to remove the oxide layer on the surface of the electrode, and then gold is coated on the surface by about 100 mm by sputtering.
以上、説明したように、第7の発明によるスイッチングデバイスの各実施形態によれば、筒状電極を利用することにより、基体内部の熱を効果的に基体外部に取り出せるので、基体内部の温度上昇を抑制することができる。その結果、各実施形態のスイッチングデバイスは、電極の劣化や被移動流体の特性変化が発生し難いので、高速スイッチング動作を長期に渡り安定的に達成することができる。 As described above, according to the embodiments of the switching device of the seventh invention, the temperature inside the base can be increased because the heat inside the base can be effectively taken out by using the cylindrical electrode. Can be suppressed. As a result, the switching device of each embodiment is less likely to cause electrode deterioration and change in characteristics of the fluid to be moved, so that high-speed switching operation can be stably achieved over a long period of time.
なお、第7の発明は上記実施形態に限定されることはなく、第7の発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態において、電極は総べて筒状電極であったが、基体一つに対して筒状電極は一つであって、他の電極は流路内に露呈するように形成された電極であってもよい。また、上記各電極は、その閉止された他端に電極内の圧力変化を吸収する圧力吸収部(体積変化吸収部)を備えていてもよい。 The seventh invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the seventh invention. For example, in each of the above embodiments, the electrodes are all cylindrical electrodes, but one cylindrical electrode is provided for one substrate, and the other electrodes are formed so as to be exposed in the flow path. It may be an electrode. Moreover, each said electrode may be equipped with the pressure absorption part (volume change absorption part) which absorbs the pressure change in an electrode in the other end closed.
また、上記各実施形態において、流路は直線状又はT字形状であったが、基体内の任意の箇所で交差するように設けられた二つ以上の直線状流路からなる流路であってもよい。例えば、流路はV字形状であってもよい。 In each of the above embodiments, the flow path is linear or T-shaped. However, the flow path is a flow path including two or more linear flow paths provided so as to intersect at an arbitrary position in the substrate. May be. For example, the flow path may be V-shaped.
更に、上記各実施形態においては、アクチュエータは圧電体ポンプ(圧電膜型ポンプ)であったが、加熱手段としてヒーターを備えたアクチュエータであってもよい。このアクチュエータは、ヒータにより作動流体としての気体の体積を膨張させ、この体積膨張を利用して被移動流体F1を移動させるタイプであってよい。このようなヒータを用いたアクチュエータにおいて、作動流体F2はヘリウムガスであることが好適である。また、このアクチュエータは、ヒータにより液体を気化させ、この気化に伴う体積膨張を利用して被移動流体F1を移動させるタイプであってよい。
Further, in each of the embodiments described above, the actuator is a piezoelectric pump (piezoelectric film type pump), but it may be an actuator provided with a heater as a heating means. This actuator may be of a type in which the volume of gas as a working fluid is expanded by a heater, and the fluid F1 is moved using this volume expansion. In the actuator using such a heater, the working fluid F2 is preferably helium gas. Further, this actuator may be of a type in which liquid is vaporized by a heater and the fluid F1 is moved using volume expansion accompanying this vaporization.
Claims (12)
前記収容体は、
密閉された空間である流路を形成する流路形成部と、
前記流路に同流路を実質的に二つに分離するように収容される実質的に非圧縮性の被移動体と、
前記流路に収容されるとともに前記被移動体を移動させるための実質的に非圧縮性である作動流体と、
前記流路に設けられた第1開口と連通された第1ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第1ポンプ室の容積を減少することにより同第1ポンプ室内の作動流体を同第1開口を介して同流路に吐出する第1ポンプと、
前記流路に設けられた第2開口と連通された第2ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第2ポンプ室の容積を減少することにより同第2ポンプ室内の作動流体を同第2開口を介して同流路に吐出する第2ポンプと、
を含み、
前記電気制御装置は、
前記デバイスが初期状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積及び前記第2ポンプ室の容積の和を第1の速度で減少させる駆動信号を発生して前記流路内に前記作動流体を前記第1開口及び/又は前記第2開口を介して緩やかに吐出することにより同デバイスを同流路内の圧力が前記収容体の外部の圧力よりも上昇したスタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに同第1ポンプ室の容積を同第1の速度よりも大きな第2の速度で減少させる駆動信号を発生して同流路内に同作動流体を同第1開口を介して急激に吐出することにより前記被移動体を同流路内にて移動させるように構成した被移動体を移動させるデバイス。 A device for moving a moving object in a flow path comprising a container and an electric control device,
The container is
A flow path forming part that forms a flow path that is a sealed space;
A substantially incompressible movable body accommodated in the flow path so as to substantially separate the flow path into two;
A working fluid that is contained in the flow path and is substantially incompressible for moving the movable body;
The working fluid in the first pump chamber is reduced by reducing the volume of the first pump chamber in response to a drive signal including a first pump chamber communicated with a first opening provided in the flow path. A first pump that discharges to the same flow path through the opening;
A second pump chamber communicated with a second opening provided in the flow path includes a second pump chamber that reduces the volume of the second pump chamber in response to a drive signal, thereby reducing the second working fluid in the second pump chamber. A second pump that discharges the same flow path through the opening;
Including
The electrical control device
When the device is in an initial state, a driving signal is generated to reduce the sum of the volume of the first pump chamber and the volume of the second pump chamber at a first speed, and the working fluid is placed in the flow path. By slowly discharging through the first opening and / or the second opening, the device is shifted to a standby state in which the pressure in the flow path is higher than the pressure outside the container, and the device is the same. When in the standby state, a drive signal is generated to reduce the volume of the first pump chamber at a second speed larger than the first speed, and the working fluid is passed through the first opening in the flow path. A device for moving the movable body configured to move the movable body in the same flow path by rapidly discharging.
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第2開口までの間の前記流路内に存在するように構成され、
前記第2ポンプは第2ポンプ室の容積を増大することにより前記流路内の作動流体を前記第2開口を介して同第2ポンプ室内に吸引することができるポンプであり、
前記電気制御装置は、
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積を前記第2の速度で減少させる前記駆動信号を発生するとともに、前記流路内の圧力を前記収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持しながら同流路から同作動流体を前記第2開口を介して吸引するように前記第2ポンプ室の容積を第3の速度で増大する駆動信号を発生するように構成された流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 1,
When the device is in the standby state, the movable body is configured to exist in the flow path between at least the first opening and the second opening,
The second pump is a pump capable of sucking the working fluid in the flow path into the second pump chamber through the second opening by increasing the volume of the second pump chamber,
The electrical control device
When the device is in the standby state, the drive signal is generated to reduce the volume of the first pump chamber at the second speed, and the pressure in the flow path is set to be higher than the pressure outside the container. A drive signal is generated to increase the volume of the second pump chamber at a third speed so as to suck the working fluid from the same flow path through the second opening while maintaining a high pressure. A device that moves a moving object in a flow path.
前記流路に設けられた第3開口と連通された第3ポンプ室を含み駆動信号に応答して同第3ポンプ室の容積を増大することにより同流路内の作動流体を同第3開口を介して同第3ポンプ室内に吸引する第3ポンプを備え、
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動体が少なくとも前記第1開口と前記第3開口までの間の前記流路内に存在するように構成され、
前記電気制御装置は、
前記デバイスが前記初期状態にあるときに前記第2ポンプ室の容積を前記第1の速度で減少させる駆動信号を発生して前記流路内に前記作動流体を前記第2開口を介して緩やかに吐出することにより同デバイスを前記スタンバイ状態に移行させ、同デバイスが同スタンバイ状態にあるときに前記第1ポンプ室の容積を前記第2の速度で減少させる駆動信号を発生して同流路内に同作動流体を前記第1開口を介して急激に吐出するとともに、同流路内の圧力を同収容体の外部の圧力よりも高い圧力に維持しながら同流路から同作動流体を前記第3開口を介して吸引するように前記第3ポンプ室の容積を第3の速度で増大する駆動信号を発生するように構成された流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 1,
A third pump chamber communicated with a third opening provided in the flow path includes a third pump chamber that increases the volume of the third pump chamber in response to a drive signal, thereby allowing the working fluid in the flow path to pass through the third opening. A third pump for sucking into the third pump chamber via
When the device is in the standby state, the movable body is configured to exist in the flow path between at least the first opening and the third opening,
The electrical control device
When the device is in the initial state, a drive signal is generated to reduce the volume of the second pump chamber at the first speed, and the working fluid is gently introduced into the flow path through the second opening. By discharging, the device is shifted to the standby state, and when the device is in the standby state, a drive signal for reducing the volume of the first pump chamber at the second speed is generated, The working fluid is rapidly discharged through the first opening, and the working fluid is removed from the flow path while maintaining the pressure in the flow path higher than the pressure outside the container. A device for moving a movable body in a flow path configured to generate a drive signal for increasing the volume of the third pump chamber at a third speed so as to be sucked through three openings.
前記被移動体は固体である流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 1,
A device for moving a moving object in a flow path, wherein the moving object is a solid.
前記被移動体は固体である流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 2,
A device for moving a moving object in a flow path, wherein the moving object is a solid.
前記被移動体は固体である流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 3,
A device for moving a moving object in a flow path, wherein the moving object is a solid.
前記被移動体は非圧縮性の被移動流体であり、
前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体である被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 1,
The moving object is an incompressible moving fluid;
The working fluid is substantially insoluble with respect to the fluid to be moved, and the moving fluid has better wettability with respect to the wall surface of the flow path than the wettability of the fluid to be moved with respect to the wall surface of the flow path. A device that moves the body.
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動流体が前記第1開口に対向する位置に存在するとともに前記作動流体が前記第2開口に対向する位置に存在するように構成され、
前記第1ポンプ室の容積が前記第2の速度で減少されたときに同第1ポンプ室から前記第1開口を介して前記流路内に急激に吐出された前記作動流体により同流路内の前記被移動流体が切断されることにより同被移動流体が同流路内を移動するように構成された流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in a flow path according to claim 7,
When the device is in the standby state, the moving fluid is present at a position facing the first opening and the working fluid is present at a position facing the second opening;
When the volume of the first pump chamber is reduced at the second speed, the working fluid suddenly discharged from the first pump chamber through the first opening into the flow channel A device for moving a movable body in a flow path configured such that the moved fluid moves in the flow path when the moved fluid is cut.
前記被移動体は非圧縮性の被移動流体であり、
前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体である被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 2,
The moving object is an incompressible moving fluid;
The working fluid is substantially insoluble with respect to the fluid to be moved, and the moving fluid has better wettability with respect to the wall surface of the flow path than the wettability of the fluid to be moved with respect to the wall surface of the flow path. A device that moves the body.
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動流体が前記第1開口に対向する位置に存在するとともに前記作動流体が前記第2開口に対向する位置に存在するように構成され、
前記第1ポンプ室の容積が前記第2の速度で減少されたときに同第1ポンプ室から前記第1開口を介して前記流路内に急激に吐出された前記作動流体により同流路内の前記被移動流体が切断されることにより同被移動流体が同流路内を移動するように構成された流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in a flow path according to claim 9,
When the device is in the standby state, the moving fluid is present at a position facing the first opening and the working fluid is present at a position facing the second opening;
When the volume of the first pump chamber is reduced at the second speed, the working fluid suddenly discharged from the first pump chamber through the first opening into the flow channel A device for moving a movable body in a flow path configured such that the moved fluid moves in the flow path when the moved fluid is cut.
前記被移動体は非圧縮性の被移動流体であり、
前記作動流体は前記被移動流体に対して実質的に非溶性であり且つ同流路の壁面に対する濡れ性が同被移動流体の同流路の壁面に対する濡れ性よりも良好な流体である被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in the flow path according to claim 3,
The moving object is an incompressible moving fluid;
The working fluid is substantially insoluble with respect to the fluid to be moved, and the moving fluid has better wettability with respect to the wall surface of the flow path than the wettability of the fluid to be moved with respect to the wall surface of the flow path. A device that moves the body.
前記デバイスが前記スタンバイ状態にあるときに前記被移動流体が前記第1開口に対向する位置に存在するとともに前記作動流体が前記第2開口に対向する位置に存在するように構成され、
前記第1ポンプ室の容積が前記第2の速度で減少されたときに同第1ポンプ室から前記第1開口を介して前記流路内に急激に吐出された前記作動流体により同流路内の前記被移動流体が切断されることにより同被移動流体が同流路内を移動するように構成された流路内の被移動体を移動するデバイス。 A device for moving a moving object in a flow path according to claim 11,
When the device is in the standby state, the moving fluid is present at a position facing the first opening and the working fluid is present at a position facing the second opening;
When the volume of the first pump chamber is reduced at the second speed, the working fluid suddenly discharged from the first pump chamber through the first opening into the flow channel A device for moving a movable body in a flow path configured such that the moved fluid moves in the flow path when the moved fluid is cut.
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