JP2006161779A - Micro pump and manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロポンプ及びその製造方法に係り、特に、微小流路を有するマイクロチップを用いた化学合成装置、化学分析装置及び医療用分析装置等へ微量の液体を送液可能なマイクロポンプ及びその製造方法に好適なものである。 The present invention relates to a micropump and a method for manufacturing the same, and in particular, a micropump capable of feeding a small amount of liquid to a chemical synthesis device, a chemical analysis device, a medical analysis device, or the like using a microchip having a microchannel, and It is suitable for the manufacturing method.
従来の医療、化学合成・分析等の分野で適用されているマイクロポンプとして、例えば、特開平11−257232号公報(特許文献1)に開示されたものがある。このマイクロポンプは、バルブ基板(ガラス基板)に接合され、そのバルブ基板との間に微小流路(流路部)を形成すると共に、微小流路の両側に開口する液体出入り流路をポート基板本体に設けたポート基板(シリコン基板)と、液体出入り流路(貫通孔)の開口部に対向するバルブダイアフラムと両側の液体出入り流路の間に位置する微小流路に面するポンプダイアフラムとを設けたバルブ基板と、バルブダイアフラムを変位して液体出入り流路の開口部をパッキンを介して開閉動作させるバルブ圧電素子と、ポンプダイアフラムを変位して微小流路の容積を変化させるポンプ圧電素子と、を備えて構成されている。 As a conventional micropump applied in the fields of medicine, chemical synthesis and analysis, for example, there is one disclosed in JP-A-11-257232 (Patent Document 1). This micro pump is bonded to a valve substrate (glass substrate), forms a micro flow channel (flow channel part) between the micro pump and the port substrate with a liquid inlet / outlet channel opened on both sides of the micro flow channel. A port substrate (silicon substrate) provided in the main body, a valve diaphragm facing the opening of the liquid inlet / outlet channel (through hole), and a pump diaphragm facing the micro channel located between the liquid inlet / outlet channels on both sides A provided valve substrate, a valve piezoelectric element that displaces the valve diaphragm to open and close the opening of the liquid in / out flow path through the packing, and a pump piezoelectric element that displaces the pump diaphragm to change the volume of the micro flow path. , And is configured.
微小流路を有するマイクロチップを用いた化学合成装置、化学分析装置及び医療用分析装置等では、微小流路の流路抵抗が大きいため、高圧で液体を送液するマイクロポンプが必要である。また、微小量の液体を高精度に送液する必要があるため、ダイアフラム基板とポート基板とからなる微小流路に対するダイアフラムを精度よく動作させる必要がある。さらに、化学合成装置、化学分析装置及び医療用分析装置等においては様々な性質の試薬を使用するため、耐薬品性能が要求される。 In a chemical synthesis device, a chemical analysis device, a medical analysis device, or the like using a microchip having a microchannel, a micropump for feeding a liquid at a high pressure is required because the channel resistance of the microchannel is large. In addition, since it is necessary to feed a minute amount of liquid with high accuracy, it is necessary to operate the diaphragm with respect to the minute flow path composed of the diaphragm substrate and the port substrate with high accuracy. Furthermore, chemical synthesizers, chemical analyzers, medical analyzers, etc. require chemical resistance because they use reagents with various properties.
しかし、特許文献1のマイクロポンプでは、駆動源に単なる圧電素子を使用しており、高圧での送液は困難であった。また、特許文献1には、ダイアフラムを精度よく動作させることについては開示されていない。特に、積層圧電素子を用いた場合には、駆動力が大きくなると共にその厚さ寸法が大きくなるため、ダイアフラムを精度よく動作させる配慮が特に重要になる。さらに、特許文献1のマイクロポンプでは、液体接触部にシリコン、ガラスが面しているため、塩基性液体の送液に適していなかった。 However, the micropump of Patent Document 1 uses a simple piezoelectric element as a drive source, and liquid feeding at high pressure is difficult. Further, Patent Document 1 does not disclose operating the diaphragm with high accuracy. In particular, when a laminated piezoelectric element is used, since the driving force increases and the thickness dimension increases, it is particularly important to consider operating the diaphragm with high accuracy. Further, the micropump of Patent Document 1 is not suitable for feeding a basic liquid because silicon and glass face the liquid contact portion.
本発明の目的は、微小量の液体を高圧でしかも高精度に送液可能なマイクロポンプ及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a micropump capable of feeding a minute amount of liquid at high pressure and with high accuracy, and a method for manufacturing the same.
本発明の別の目的は、耐薬品性を有しつつ微小量の液体を高圧でしかも高精度に送液可能なマイクロポンプを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a micropump capable of feeding a minute amount of liquid at high pressure and high accuracy while having chemical resistance.
前述の目的を達成するための本発明の第1の態様は、バルブ基板と接合されそのバルブ基板との間に微小流路を形成すると共に、前記微小流路の両側に開口する2つ液体出入り流路を設けたポート基板と、前記各液体出入り流路の開口部に対向する2つバルブダイアフラムと前記2つの液体出入り流路の開口部間に位置する前記微小流路に面するポンプダイアフラムとを設けたバルブ基板と、前記各バルブダイアフラムを変位して前記液体出入り流路の開口部を開閉する2つのバルブ圧電素子と、前記ポンプダイアフラムを変位して前記微小流路の容積を変化させるポンプ圧電素子と、を備えたマイクロポンプにおいて、前記各バルブダイアフラムの中央部に前記液体出入り流路の開口部の径より大径の厚肉部を設け、前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの反微小流路側に位置してそれぞれ独立した駆動部設置穴を前記バルブ基板に形成し、前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子を積層圧電素子で構成して前記駆動部設置穴にそれぞれ収納して設置し、前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの一側を前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの厚肉部に当接して固定し、前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの他側に位置決め用ピンを当接して固定し、前記各位置決め用ピンを前記駆動部設置穴に嵌合して固定した構成である。 The first aspect of the present invention for achieving the above-described object is to form a microchannel between the valve substrate and the valve substrate, and to enter and exit two liquids that open on both sides of the microchannel. A port substrate provided with a flow path, two valve diaphragms facing the openings of the liquid flow channels, and a pump diaphragm facing the micro flow channel positioned between the openings of the two liquid flow paths , A valve substrate that displaces each valve diaphragm to open and close the opening of the liquid in / out channel, and a pump that displaces the pump diaphragm to change the volume of the microchannel In the micropump including the piezoelectric element, a thick wall portion having a diameter larger than the diameter of the opening portion of the liquid inlet / outlet flow path is provided in the central portion of each valve diaphragm. In the valve substrate, an independent drive part installation hole located on the anti-microchannel side of the pump diaphragm and the pump diaphragm is formed in the valve substrate, and each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements is formed of a laminated piezoelectric element. Each valve piezoelectric element and each pump piezoelectric element are fixed in contact with each valve diaphragm and the thick part of the pump diaphragm, respectively. In addition, the positioning pin is abutted and fixed to the other side of each of the pump piezoelectric elements, and the positioning pins are fitted and fixed in the driving portion installation holes.
係る本発明の第1の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
(1)前記各バルブダイアフラムにおける微小流路側の面に変形し易い金属製の平板状パッキンを設置すると共に、前記各液体出入り流路の開口部周囲に変形し易い金属製のリング状パッキンを設置したこと。
(2)前記ポート基板における前記各バルブダイアフラムに対向する部分にポートダイアフラムを設け、前記各ポートダイアフラムの中央部に開口するように前記各液体出入り流路を設けたこと。
A more preferable specific configuration example in the first aspect of the present invention is as follows.
(1) A flat plate-like packing made of metal that is easily deformed is installed on the surface of each valve diaphragm on the side of the minute flow path, and a ring-shaped packing made of metal that is easily deformed is installed around the opening of each flow path of liquid. What you did.
(2) A port diaphragm is provided in a portion of the port substrate facing the valve diaphragm, and the liquid inflow / outflow channels are provided so as to open in a central portion of the port diaphragm.
前述のを達成するための本発明の第2の態様は、バルブ基板と接合されそのバルブ基板との間に微小流路を形成すると共に、前記微小流路の両側に開口する2つ液体出入り流路を設けたポート基板と、前記各液体出入り流路の開口部に対向する2つバルブダイアフラムと前記2つの液体出入り流路の開口部間に位置する前記微小流路に面するポンプダイアフラムとを設けたバルブ基板と、前記各バルブダイアフラムを変位して前記液体出入り流路の開口部を開閉する2つのバルブ圧電素子と、前記ポンプダイアフラムを変位して前記微小流路の容積を変化させるポンプ圧電素子と、を備えたマイクロポンプの製造方法において、前記各バルブダイアフラムの中央部に前記各液体出入り流路の開口部の径より大径の厚肉部を前記バルブ基板に成形すると共に、前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの反微小流路側に位置してそれぞれ独立した駆動部設置穴を前記バルブ基板に成形した後、積層圧電素子で構成した前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子を前記各駆動部設置穴にそれぞれ収納して前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの一側を前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの厚肉部に当接して固定し、次いで、前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの他側に当接して固定した位置決め用ピンを前記各駆動部設置穴に嵌合して固定することである。 In order to achieve the above, the second aspect of the present invention is a two-channel liquid flow in and out of both sides of the microchannel, which is joined to the valve substrate and forms a microchannel between the valve substrate. A port substrate provided with a path, two valve diaphragms facing the openings of the liquid inlet / outlet channels, and a pump diaphragm facing the microchannel located between the openings of the two liquid inlet / outlet channels. A provided valve substrate; two valve piezoelectric elements for displacing each valve diaphragm to open and close the opening of the liquid inlet / outlet channel; and a pump piezoelectric for displacing the pump diaphragm to change the volume of the microchannel. In the manufacturing method of the micropump including the element, a thick wall portion having a diameter larger than the diameter of the opening portion of each liquid inlet / outlet channel is formed on the valve substrate at the center portion of each valve diaphragm. In addition, the valve piezoelectric elements and the pumps constituted by the laminated piezoelectric elements are formed in the valve substrate after forming independent drive portion installation holes on the valve substrate on the anti-micro flow path side of the valve diaphragms and the pump diaphragms. Each piezoelectric element is housed in each driving portion installation hole, and one side of each of the valve piezoelectric element and the pump piezoelectric element is brought into contact with and fixed to the thick part of each of the valve diaphragm and the pump diaphragm, The positioning pins fixed in contact with the other sides of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements are fitted and fixed in the drive portion installation holes.
係る本発明の第2の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
(1)前記ポート基板と前記バルブ基板とを接合した後、前記バルブ圧電素子を前記ポンプダイアフラムの厚肉部及び前記位置決め用ピンに固定した状態でそのバルブ圧電素子を動作させると共に前記位置決め用ピンを所定の圧力で押圧し、前記ポンプダイアフラムの厚肉部が前記ポート基板に当接した状態で前記位置決め用ピンを前記バルブ基板に接着して固定すること。
A more preferable specific configuration example in the second aspect of the present invention is as follows.
(1) After the port substrate and the valve substrate are joined, the valve piezoelectric element is operated with the valve piezoelectric element fixed to the thick part of the pump diaphragm and the positioning pin, and the positioning pin Is pressed with a predetermined pressure, and the positioning pin is adhered and fixed to the valve substrate in a state where the thick part of the pump diaphragm is in contact with the port substrate.
前述の別の目的を達成するための本発明の第3の態様は、上述した第1の態様に加えて、前記バルブ基板及び前記ポート基板をステンレス鋼SUS316で形成すると共に、前記バルブ基板及び前記ポート基板における前記微小流路及び前記液体出入り流路を構成する面に耐酸性を有する表面処理を施したものである。 According to a third aspect of the present invention for achieving the above-described another object, in addition to the first aspect described above, the valve substrate and the port substrate are formed of stainless steel SUS316, and the valve substrate and the port substrate are formed. The surface which comprises the said micro flow path and the said liquid in / out flow path in a port board | substrate performs the surface treatment which has acid resistance.
係る本発明の第3の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
(1)前記平板状パッキン及び前記リング状パッキンを金、パラジウム、白金、ルテニウムなどの耐薬品性を有する貴金属で形成し、前記バルブ基板及び前記ポート基板をステンレス鋼SUS316で形成すると共に、前記バルブ基板及び前記ポート基板における前記微小流路を構成する面に耐酸性を有する表面処理を施したこと。
A more preferable specific configuration example in the third aspect of the present invention is as follows.
(1) The flat packing and the ring packing are formed of a noble metal having chemical resistance such as gold, palladium, platinum, ruthenium, the valve substrate and the port substrate are formed of stainless steel SUS316, and the valve The surface which comprises the said microchannel in a board | substrate and the said port board | substrate performed the surface treatment which has acid resistance.
本発明によれば、微小量の液体を高圧でしかも高精度に送液可能なマイクロポンプ及びその製造方法を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a micropump capable of feeding a minute amount of liquid at high pressure with high accuracy and a method for manufacturing the micropump.
また、本発明によれば、耐薬品性を有しつつ微小量の液体を高圧でしかも高精度に送液可能なマイクロポンプを実現できる。 Further, according to the present invention, it is possible to realize a micropump capable of feeding a minute amount of liquid at high pressure with high accuracy while having chemical resistance.
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。本発明は各実施形態に示すマイクロポンプの設置状態を通常の設置状態として説明するが、マイクロポンプを縦にした設置状態や逆にした設置状態などを許容する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態のマイクロポンプ及びその製造方法を図1及び図2を用いて説明する。本実施形態のマイクロポンプ50は、マイクロポンプの駆動源、バルブの締切り性能、微小流量を制御するためダイアフラム基板とポート基板からなる流路及びポンプ室の間隔の制御、耐薬品性などについて、特に配慮して構成されている。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals in the drawings of the respective embodiments indicate the same or equivalent. In the present invention, the installation state of the micropump shown in each embodiment will be described as a normal installation state. However, the installation state in which the micropump is installed vertically or inverted is allowed.
(First embodiment)
A micropump and a manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
本実施形態のマイクロポンプの全体構成に関して図1を参照しながら説明する。図1は本発明の第1実施形態のマイクロポンプを示す縦断面図である。 The overall configuration of the micropump of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a micro pump according to a first embodiment of the present invention.
本実施形態のマイクロポンプ50は、化学合成装置、化学分析装置及び医療用分析装置等の液体(試薬など)を高圧で送液するために用いられるものである。マイクロポンプ50は、ポート基板14、バルブ基板13、バルブ圧電素子15A、ポンプ圧電素子15B及び位置決め用ピン20を備えて構成されている。
The
ポート基板14は、バルブ基板13との間に微小流路16を形成するようにバルブ基板13と接合されている。なお、本発明における接合には溶着、接着、その他の固着を含む。この微小流路16はポート基板14に凹部を設けることにより形成されている。なお、バルブ基板13の側に凹部を設けることによって微小流路16を形成してもよく、或いは、ポート基板14とバルブ基板13の両方に凹部を設けることによって微小流路16を形成してもよい。微小流路16は左右に延びて形成されており、微小流路16の上面がバルブ基板13の下面で形成され、微小流路16の底面がポート基板14の凹部の底面により形成されている。バルブ圧電素子15A及びポンプ圧電素子15Bが動作していない状態で、バルブ基板13の下面とポート基板14の凹部の底面とが平行となっている。
The
ポート基板14には、微小流路16の底面両側に位置して開口する2つの液体出入り流路19が設けられている。本実施形態では、垂直に延びる貫通孔で流体出入り流路19が構成されている。流体出入り流路19は、バルブ圧電素子15Aの動作状態によって、液体流入口となったり、逆に液体流出口となったりする。
The
バルブ基板13は、液体出入り流路19の開口部に対向するバルブダイアフラム11と、2つの液体出入り流路19の開口部の間に位置する微小流路16に面するポンプダイアフラム12とを設けて構成されている。バルブダイアフラム11Aの下面及びポンプダイアフラム11Bの下面は、微小流路16の上面の一部をそれぞれ形成している。
The
本実施形態のマイクロポンプ50が適用される装置に用いられる薬品などを考慮すると、主に酸性、塩基性、有機溶媒に耐性を有することが必要である。全ての薬品に耐性のある材質は、貴金属であるが、高コストであるため、基板全体に適用することは困難である。シリコンでは、酸性、有機溶媒に耐性を有するが、塩基性の薬品などには適用不可である。そこで、本実施形態では、バルブ基板13及びポート基板14の金属材料としてステンレス鋼SUS316を用いることで、塩基性、有機溶媒の薬品などに適用可能とすると共に、バルブ基板13及びポート基板14における微小流路16及び流体出入り流路19を構成する面に耐酸性を有する表面処理を施すことで、酸性の薬品に適用可能としている。即ち、ステンレス鋼SUS316は表面に官能基があるため、この官能基を利用して表面処理を施すことで、耐酸性を持たせることを可能としたものである。なお、シリコンに同様の表面処理を行った場合には、塩基性への耐性はなく、表面処理剤の剥離の問題が生ずる。従って、本実施形態の構成によれば、安価な構成で、高い信頼性を有しつつ、耐薬品性を確保することができる。
Considering the chemicals used in the apparatus to which the
バルブダイアフラム11Aの中央部には液体出入り流路19の開口部の径より大径の厚肉部18Aが島状に設けられている。この厚肉部18Aの上面は、厚肉部18Aの下面と平行な平面に形成され、バルブ圧電素子15Aの下面に接着剤22(図2参照)を介して当接され固定されている。上面から厚肉部18Aにバルブ圧電素子15Aの変形力が加えられた際に、厚肉部18Aの周囲の薄肉部が湾曲し、厚肉部18Aは湾曲することなく平行に変位されて液体出入り流路19の開口部に押圧される。これによって、バルブダイアフラム11Aによる流体出入り流路19の開閉を確実に精度よく行なうことができ、バルブ締め切り性能を向上することができる。なお、厚肉部18Aの上面は、本実施形態では完全な平坦面であるが、実質的に平面を構成してバルブ圧電素子15Aと固定される構成であればよい。
A
ポンプダイアフラム11Bの中央部には厚肉部18Bが島状に設けられている。上面から厚肉部18Bにポンプ圧電素子15Bの変形力が加えられた際に、厚肉部18Bの周囲の薄肉部が湾曲し、厚肉部18Bは湾曲することなく平行に変位される。これによって、ポンプダイアフラム11Bによるポンプ作用を精度よく行なうことができる。この厚肉部18Bの上面は、厚肉部18Bの下面と平行な平面に形成され、ポンプ圧電素子15Bの下面に接着剤22を介して当接され固定されている。なお、厚肉部18Bの上面は、全てが平坦面である必要はなく、実質的に平面を構成してポンプ圧電素子15Bと固定される構成であればよい。
A
バルブダイアフラム11A及びポンプダイアフラム11Bの反微小流路側に位置してそれぞれ独立した駆動部設置穴12A、12Bがバルブ基板13に縦長に形成されている。この駆動部設置穴12A、12Bの壁面は垂直に形成されている。
Drive
バルブ圧電素子15Aは、バルブダイアフラム11Aを変位して流体出入り流路19の開口部を開閉するための駆動源であり、積層圧電素子で構成されている。積層圧電素子を用いることによって、液体を高圧で送液する流体出入り流路19の開口部であっても確実に精度よく開閉することができる。また、バルブ圧電素子15Aは、駆動部設置穴12A内に収納して設置され、そのバルブ圧電素子15Aの一側はバルブダイアフラム11Aの厚肉部18Aに当接して固定され、そのバルブ圧電素子15Aの他側は位置決め用ピン20Aに当接して固定されている。バルブ圧電素子15Aの一側及び他側は、ポート基板14の凹部の底面、厚肉部18Aの上面と平行な面で形成されている。これによって、バルブダイアフラム11Aによる流体出入り流路19の開口部の開閉を精度よく行なうことができる。
The valve
ポンプ圧電素子15Bは、ポンプダイアフラム11Bを変位して微小流路16の容積を変化させて送液を行なうための駆動源であり、積層圧電素子で構成されている。積層圧電素子を用いることによって、厚さ寸法は大きくなるが、大きな駆動力を発生できることにより、液体を高圧で送液することができる。また、ポンプ圧電素子15Bは、駆動部設置穴12B内に収納して設置され、そのポンプ圧電素子15Bの一側は厚肉部18Bに当接して固定され、そのポンプ圧電素子15Bの他側は位置決め用ピン20Bに当接して固定されている。ポンプ圧電素子15Bの一側及び他側は、ポート基板14の凹部の底面、厚肉部18Bの上面と平行な面で形成されている。これによって、ポンプダイアフラム11Bによる送液作用を精度よく行なうことができる。
The pump
バルブ圧電素子15A及びポンプ圧電素子15Bの動作は、制御装置(図示せず)により制御される。バルブ圧電素子15A及びポンプ圧電素子15Bによる送液動作は、次の通り行なわれる。
The operations of the valve
一方のバルブ圧電素子15Aに電圧を印加してその積層圧電素子部を伸ばし、これに対応するバルブダイアフラム11Aを変位させて流体出入り流路19を閉じる。この状態で、ポンプ圧電素子15Bに電圧を印加してその積層圧電素子部を伸ばし、微小流路16内の液体を他方の流体出入り流路19を通して送液する。送液が終了した後に、他方のバルブ圧電素子15Aに電圧を印加してその積層圧電素子部を伸ばし、これに対応するバルブダイアフラム11Aを変位させて流体出入り流路19を閉じる。
A voltage is applied to one valve
次いで、一方のバルブ圧電素子15Aの電圧印加を停止してその積層圧電素子部を縮め、これに対応するバルブダイアフラム11Aを復帰させて流体出入り流路19を開く。しかる後、ポンプ圧電素子15Bの電圧印加を停止してその積層圧電素子部を元に戻し、これに対応するポンプダイアフラム11Bを元に戻すことにより、一方の流体出入り流路19を開いてその流体出入り流路19を通して液体を微小流路16内に吸引する。
Next, the voltage application to one valve
次いで、一方のバルブ圧電素子15Aに電圧を印加してその積層圧電素子部を伸ばし、これに対応するバルブダイアフラム11Aを変位させて流体出入り流路19を閉じる。この状態で、ポンプ圧電素子15Bに電圧を印加してその積層圧電素子部を伸ばし、微小流路16内の液体を他方の流体出入り流路19を通して送液する。以下、これを繰返すことにより、連続的な送液が行なわれる。
Next, a voltage is applied to one of the valve
なお、2つのバルブ圧電素子15Aの電圧印加を前述と逆にすれば、逆方向に送液することができる。
In addition, if the voltage application of the two valve
位置決め用ピン20A、20Bは、バルブダイアフラム11A及びポンプダイアフラム11Bの微小流路16における位置を決めるためのものであり、前述したようにバルブ圧電素子15A及びポンプ圧電素子15Bに固定されると共に、駆動部設置穴12A、12Bに嵌合して固定されている。位置決め用ピン20A、20Bの側壁は垂直に形成されており、その外形は駆動部設置穴12A、12Bの内形と殆ど同一に形成されている。係る位置決め用ピン20A、20Bの固定構造により、バルブ圧電素子15A及びポンプ圧電素子15Bの上下面を平行に精度よく保って固定することができる。
The positioning pins 20A and 20B are for determining the positions of the
バルブの締切り性能を向上させるために、バルブダイアフラム11Aの微小流路側の面に変形し易い金属製の平板状パッキン17A1を設置すると共に、液体出入り流路19の開口部周囲に変形し易い金属製のリング状パッキン17A2を設置している。換言すれば、バルブダイアフラム11Aにおける流体出入り流路19の開口部を押圧する部分に平板状パッキン17A1を設け、この平板状パッキン17A1及びリング状パッキン17A2を設けている。このように、パッキンとして変形しやすい材料を設置することで、バルブダイアフラム11Aを流体出入り流路19の開口部に押圧したときに、その材料が変形することで、バルブの締切り性能を向上させることができる。
In order to improve the shut-off performance of the valve, a deformable metal flat packing 17A1 is installed on the surface of the
また、平板状パッキン17A1及びリング状パッキン17A2は、金、パラジウム、白金、ルテニウムなどの耐薬品性を有する貴金属で形成されている。このように、パッキン部分のみを貴金属で形成することにより、コストアップを抑制しつつバルブの締切り性能を向上することができる。 The flat packing 17A1 and the ring packing 17A2 are made of a noble metal having chemical resistance such as gold, palladium, platinum, ruthenium. Thus, by forming only the packing portion with a noble metal, it is possible to improve the valve shut-off performance while suppressing an increase in cost.
次に、本実施形態によるマイクロポンプ50の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
バルブ基板13を下部基板と上部基板とを接合して製作する。具体的には、下部基板をホトリソ、エッチングにより、バルブダイアフラム11A、ポンプダイアフラム11B及び島構造の厚肉部18A、18Bを形成した後、その上部にバルブ圧電素子15A、ポンプ圧電素子15Bを収納すると共に位置決め用ピン20A、20Bを固定する駆動部設置穴12A、駆動部設置穴12Bの空いた上部基板を接合してバルブ基板13を製作する。また、微小流路16をホトリソ、エッチングで形成した後、流体出入り流路19を形成することによりポート基板14を製作する。係るバルブ基板13及びポート基板14を接合することでマイクロポンプ50の筐体を製作する。
The
次いで、バルブ圧電素子15A、ポンプ圧電素子15B、位置決め用ピン20、20Bの組立て方法を図2を参照しながら説明する。図2は図1のマイクロポンプの組立て工程を示す縦断面図である。本実施形態では、バルブダイアフラム11Aとポンプダイアフラム11B、厚肉部18Aと厚肉部18B、バルブ圧電素子15Aとポンプ圧電素子15B、位置決め用ピン20と位置決め用ピン20Bは、同一構造であるため、以下では、符号のアルファベット省略すると共に共通名称を用いて代表例で説明する。また、液体出入り流路19、パッキン17A1、17A2を図示省略している。
Next, a method of assembling the valve
図2(a)に示すように、積層圧電素子15を位置決め用ピン20及び厚肉部18に接着剤22を用いて接着する。この接着剤22としては、積層圧電素子15の変位量を吸収しないポリシアネート系の接着剤が好ましい。また、接着剤22中に変形しない粒子を導入することで積層圧電素子15の変位量を吸収しないようにしても良い。
As shown in FIG. 2A, the laminated
しかる後、図2(b)に示すように、積層圧電素子15に電圧を印加して積層圧電素子15を変位させた状態で、上部より所定の押付け力Fを位置決め用ピン20に加えながら平行に位置決め用ピン20を押圧して、ダイアフラム11をポート基板14の凹部の底面に押し付ける。この所定の押付け力Fは、ダイアフラム11で流体出入り流路19の開口部を確実に精度よく閉じることが可能な押付け力に設定されている。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, in a state where a voltage is applied to the laminated
しかる後、図2(c)に示すように、バルブ基板13の駆動部設置穴12に位置決め用ピン20を嵌合した状態で、位置決め用ピン20をバルブ基板13に接着剤22を介して固定する。
After that, as shown in FIG. 2C, the
しかる後、図2(d)に示すように、積層圧電素子15への電圧の印加を停止することにより積層圧電素子15の変位を元に戻す。これによって、ダイアフラム11も元の位置に復帰される。
Thereafter, as shown in FIG. 2D, the displacement of the laminated
このように組み立てることで、積層圧電素子15の変位量でダイアフラム11を微小流路16の底面まで確実に変位させることが可能である。従って、液体を安定して送液可能なマイクロポンプ50を製造できる。
(実施例1)
次に、本実施形態を適用して製作したマイクロポンプ50の具体的な製造方法の一例について説明する。
By assembling in this way, it is possible to reliably displace the
Example 1
Next, an example of a specific manufacturing method of the
マイクロポンプの筐体(バルブ基板13、ポート基板14)には、塩基性水溶液、有機溶媒に耐性のあるステンレス鋼SUS316を適用した。バルブ基板13におけるバルブダイアフラム11A、ポンプダイアフラム11B及び島構造の厚肉部18A、18Bをホトリソ、エッチングにより形成してバルブ下部基板とした。また、バルブ基板13における位置決め用ピン20を固定する部分を機械加工により穴あけしてバルブ上部基板とした。バルブ下部基板とバルブ上部基板とを接合することでバルブ基板13を形成した。
Stainless steel SUS316 resistant to basic aqueous solution and organic solvent was applied to the casing of the micropump (
さらに、バルブダイアフラム11Aのポート基板14を押圧する部分にホトリソ、スパッタ、めっきにより、平板状パッキン17A1を形成した。平板状パッキン17A1の材質には、金を用いた。
Further, a flat packing 17A1 was formed on the portion of the
次いで、ポート基板14の微小流路16をホトリソ、エッチングにより形成した後、液体出入り流路19を機械加工により形成した。また、バルブ基板13同様にホトリソ、スパッタ、めっきにより、リング状パッキン17A2を、液体出入り流路19の開口部の周囲に形成した。リング状パッキン17A2の材質には、金を用いた。
Next, after the
上記方法で作製したバルブ基板13及びポート基板14とを接合することでマイクロポンプの筐体を作製した。
The
次いで、位置決め用ピン20に積層圧電素子15を接着剤22により固定した。接着剤22にはポリシアネート系のものを適用して、中に数um程度のSiO2製の粒子を混入して接着した。次いで、積層圧電素子15を同様にバルブ基板13の島構造18に接着剤22により固定する。図2に示したように、積層圧電素子15を変位させた状態でピン20を押圧して、ピン20をバルブ基板13にポリシアネート系の接着剤により固定することでマイクロポンプ50を作成した。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図3を用いて説明する。図3は本発明の第2実施形態のマイクロポンプの縦断面図である。この第2実施形態は、次に述べる点で第1実施形態と相違するものであり、その他の点については第1実施形態と基本的には同一である。
Next, the laminated
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a micro pump according to a second embodiment of the present invention. The second embodiment is different from the first embodiment in the following points, and is basically the same as the first embodiment in other points.
第2実施形態では、バルブの締切り性能をさらに向上させるために、ポート基板14におけるバルブダイアフラム11Aに対向する部分にポートダイアフラム21を設け、ポートダイアフラム21の中央部に開口するように液体出入り流路19を設けたものである。このポートダイアフラム21を設けたことにより、バルブダイアフラム11Aを液体出入り流路19の開口部に押圧した際に、液体出入り流路19の開口部におけるポートダイアフラム21がこの押圧に倣うこととなり、バルブの締切り性能を向上させることが可能である。
In the second embodiment, in order to further improve the shut-off performance of the valve, a
ポートダイアフラム21の中央部の反微小流路側に島構造の厚肉部23を設けている。この厚肉部23はリング状パッキン17A2の外形と同じ外形を有している。係る厚肉部23により、リング状パッキン17A2と平板状パッキン17A1との良好な接触状態を確保でき、この点からもバルブの締切り性能を向上させることが可能である。
A
11A…バルブダイアフラム、11B…ポンプダイアフラム、12…駆動部設置孔、13…バルブ基板、14…ポート基板、15A…バルブ圧電素子、15B…ポンプ圧電素子、16…微小流路、17A…平板状パッキン、17B…リング状パッキン、18A・18B…厚肉部、19…液体出入り流路、20A・20B…位置決め用ピン、21…ポートダイアフラム、22…接着剤、23…厚肉部、50…マイクロポンプ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記各液体出入り流路の開口部に対向する2つバルブダイアフラムと前記2つの液体出入り流路の開口部間に位置する前記微小流路に面するポンプダイアフラムとを設けたバルブ基板と、
前記各バルブダイアフラムを変位して前記液体出入り流路の開口部を開閉する2つのバルブ圧電素子と、
前記ポンプダイアフラムを変位して前記微小流路の容積を変化させるポンプ圧電素子と、を備えたマイクロポンプにおいて、
前記各バルブダイアフラムの中央部に前記液体出入り流路の開口部の径より大径の厚肉部を設け、
前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの反微小流路側に位置してそれぞれ独立した駆動部設置穴を前記バルブ基板に形成し、
前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子を積層圧電素子で構成して前記駆動部設置穴にそれぞれ収納して設置し、
前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの一側を前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの厚肉部に当接して固定し、
前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの他側に位置決め用ピンを当接して固定し、
前記各位置決め用ピンを前記駆動部設置穴に嵌合して固定した
ことを特徴とするマイクロポンプ。 A port substrate bonded to the valve substrate to form a micro flow channel between the valve substrate and two liquid inflow / outflow channels opened on both sides of the micro flow channel;
A valve substrate provided with two valve diaphragms opposed to the openings of the liquid inlet / outlet channels and a pump diaphragm facing the minute channel located between the openings of the two liquid inlet / outlet channels;
Two valve piezoelectric elements for displacing each valve diaphragm to open and close the opening of the liquid flow path;
In a micropump comprising a pump piezoelectric element that changes the volume of the microchannel by displacing the pump diaphragm,
A thick part having a diameter larger than the diameter of the opening of the liquid inlet / outlet channel is provided at the center of each valve diaphragm,
Each valve diaphragm and the pump diaphragm are located on the anti-micro flow path side and independent drive part installation holes are formed in the valve substrate,
Each valve piezoelectric element and the pump piezoelectric element are composed of laminated piezoelectric elements and are respectively housed and installed in the drive unit installation holes,
One side of each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements is in contact with and fixed to the thick parts of the valve diaphragms and the pump diaphragms,
A positioning pin abuts and is fixed to the other side of each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements,
A micropump characterized in that each positioning pin is fitted and fixed in the drive part installation hole.
前記各液体出入り流路の開口部に対向する2つバルブダイアフラムと前記2つの液体出入り流路の開口部間に位置する前記微小流路に面するポンプダイアフラムとを設けたバルブ基板と、
前記各バルブダイアフラムを変位して前記液体出入り流路の開口部を開閉する2つのバルブ圧電素子と、
前記ポンプダイアフラムを変位して前記微小流路の容積を変化させるポンプ圧電素子と、を備えたマイクロポンプの製造方法において、
前記各バルブダイアフラムの中央部に前記各液体出入り流路の開口部の径より大径の厚肉部を前記バルブ基板に成形すると共に、前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの反微小流路側に位置してそれぞれ独立した駆動部設置穴を前記バルブ基板に成形した後、
積層圧電素子で構成した前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子を前記各駆動部設置穴にそれぞれ収納して前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの一側を前記各バルブダイアフラム及び前記ポンプダイアフラムの厚肉部に当接して固定し、
次いで、前記各バルブ圧電素子及び前記ポンプ圧電素子のそれぞれの他側に当接して固定した位置決め用ピンを前記各駆動部設置穴に嵌合して固定する
ことを特徴とするマイクロポンプの製造方法。 A port substrate bonded to the valve substrate to form a micro flow channel between the valve substrate and two liquid inflow / outflow channels opened on both sides of the micro flow channel;
A valve substrate provided with two valve diaphragms opposed to the openings of the liquid inlet / outlet channels and a pump diaphragm facing the minute channel located between the openings of the two liquid inlet / outlet channels;
Two valve piezoelectric elements for displacing each valve diaphragm to open and close the opening of the liquid flow path;
In a method of manufacturing a micropump comprising a pump piezoelectric element that displaces the pump diaphragm and changes the volume of the microchannel,
A thick wall portion having a diameter larger than the diameter of the opening portion of each liquid inlet / outlet channel is formed on the valve substrate at the center of each valve diaphragm, and is positioned on the anti-microchannel side of each valve diaphragm and pump diaphragm. After forming the independent drive part installation holes in the valve substrate,
Each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements constituted by laminated piezoelectric elements are respectively housed in the respective drive unit installation holes, and one side of each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements is arranged on the valve diaphragm and the Abut against the thick part of the pump diaphragm,
Next, a positioning pin fixed in contact with the other side of each of the valve piezoelectric elements and the pump piezoelectric elements is fitted and fixed in the drive portion installation holes, and the micropump manufacturing method is characterized. .
7. The micropump manufacturing method according to claim 6, wherein after the port substrate and the valve substrate are joined, the valve piezoelectric element is fixed to the thick part of the pump diaphragm and the positioning pin. The element is operated and the positioning pin is pressed with a predetermined pressure, and the positioning pin is adhered and fixed to the valve substrate in a state where the thick part of the pump diaphragm is in contact with the port substrate. A manufacturing method of a micropump characterized by the above.
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CN102269150A (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-07 | 罗伯特·博世有限公司 | Micro pump |
WO2013046330A1 (en) | 2011-09-27 | 2013-04-04 | 株式会社菊池製作所 | Microdiaphragm pump |
JP2020514611A (en) * | 2016-12-21 | 2020-05-21 | フレセニウス・メディカル・ケア・ドイチュラント・ゲーエムベーハー | Membrane pump device and membrane pump having membrane pump device and actuation device |
-
2004
- 2004-12-10 JP JP2004358089A patent/JP2006161779A/en active Pending
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