JP2011144692A

JP2011144692A - 導電性高分子を用いた流体搬送装置

Info

Publication number: JP2011144692A
Application number: JP2010003693A
Authority: JP
Inventors: Kimiya Ikushima; 君弥生嶋; Kazuo Yokoyama; 和夫横山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】小型軽量かつ低電圧で静音動作が可能であり、流体の吸入吐出量が大きく、安定に動作可能な流体搬送装置を提供する。
【解決手段】流体を吸入吐出するポンプの機能を有し、流体を内部に含むポンプ室と、ポンプ室壁面の一部を構成する筺体部と、電解伸縮を行う導電性高分子膜で形成されポンプ室壁面の一部を構成するダイヤフラムと、内部に含まれた電解液がダイヤフラムに接する閉空間部と、ポンプ室内のダイヤフラムに接した部分に少なくとも電解液が配置され、さらに、前記電解液中に前記ダイヤフラムと対向して配置された電極とを備える。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、特にＣＰＵを含む電子機器を冷却するための冷却用液体の循環装置、血液検査チップへの血液若しくは反応液体の搬送装置、又は、燃料電池における燃料液体の供給装置などに用いられて、流体の吸入と吐出を行う、導電性高分子を用いた流体搬送装置に関する。

流体を搬送する装置であるポンプは、ＣＰＵなどの発熱素子の冷却用液体の搬送、血液検査用チップへの血液の搬送、人体への医薬品の微量投与、生化学実験若しくは生化学操作をダウンサイジングして集積化して行うためのＬａｂｏｎａｃｈｉｐ（ラボオンチップ）、又は、燃料電池における燃料液体の供給を行うためなどに開発が進められている。これらの用途においては、小型化、軽量化、低電圧化、及び、静音化などが要求される。

これらの要求に応えることのできる従来のポンプとしては、導電性高分子膜をダイヤフラムとして膨張伸縮させるダイヤフラム型のポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８Ａ、図８Ｂは、特許文献１に記載された従来のダイヤフラム型のポンプの構造を示すものである。

図８Ａのポンプは、筺体１０２の内側に、それぞれ、導電性高分子膜からなるダイヤフラム１０３、１０４を備えている。ダイヤフラム１０３を第１ダイヤフラムと定義するとともに、ダイヤフラム１０４を第２ダイヤフラムと定義する。筺体１０２は、円筒形状であり、かつ内部空間を有する。第１及び第２ダイヤフラム１０３と１０４は、それぞれ、円板状の導電高分子膜であり、それぞれの周辺部が固定部分１３０と１３１において筐体１０２にそれぞれ固定されている。また、第１及び第２ダイヤフラム１０３、１０４は、それぞれの中央部分において接続部材１０６によって互いに接続されている。このようにして、第１及び第２ダイヤフラム１０３，１０４は、それぞれ膜面方向に張力がかかる状態で設置されて、それぞれ、円錐状の形状となる。第１及び第２ダイヤフラム１０３、１０４及び筐体１０２で囲まれたリング状の空間部１０９を閉空間部と定義する。閉空間部１０９には電解液が満たされている。第１及び第２ダイヤフラム１０３，１０４はそれぞれリード線１１０ａ，１１０ｂを介して電源１１０ｃに接続される。第１及び第２ダイヤフラム１０３，１０４に互いに逆位相の電圧をそれぞれ印加することにより、第１及び第２ダイヤフラム１０３，１０４のそれぞれの導電性高分子膜が伸縮運動を行う。筐体１０２と第１ダイヤフラム１０３で囲まれた第１空間部分１０７を第１ポンプ室と呼び、筐体１０２と第２ダイヤフラム１０４で囲まれた第２空間部分１０８を第２ポンプ室と呼ぶ。図８Ａで示した状態では、第１ダイヤフラム１０３が伸張して、第２ダイヤフラム１０４が収縮した状態である。この状態では、第１吸入弁１１２を備えた第１吸入口１１１ａから第１ポンプ室１０７の外部の液体を第１ポンプ室１０７の内部に吸入して、第２吐出弁１２４を備えた第２吐出口１１３ｂから第２ポンプ室１０８の内部の液体を第２ポンプ室１０８の外部に吐出する。また、逆に、第１ダイヤフラム１０３が収縮して第２ダイヤフラム１０４が伸張した状態では、第２吸入弁１２３を備えた第２吸入口１１１ｂから第２ポンプ室１０８の外部の液体を第２ポンプ室１０８の内部に吸入して、第１吐出弁１２２を備えた第１吐出口１１３ａから第１ポンプ室１０７の内部の液体を第１ポンプ室１０７の外部に吐出する。これらの状態の切り替えを連続して行うことによって、第１ポンプ室１０７及び第２ポンプ室１０８の体積の増減が繰り返されて、それに応じてそれぞれのポンプ室に対する液体の吸入と吐出が繰り返される。このことによって、ポンプの機能を果たす。

また、図８Ｂのポンプは、図８Ａのポンプとほぼ同様の構成であるが、接続部材１０６が無い点が異なる。本構成においては、閉空間部１０９に満たされた電解液を介して第１及び第２ダイヤフラム１０３と１０４が力を及ぼし合う。このことによって、図８Ａと同様の動作を行う。図８Ｂのポンプにおいては、電解液室１０９の内部の電解液の圧力を、第１ポンプ室内部の流体及び第２ポンプ室内部の流体の圧力よりも大きくするか、若しくは、小さくすることによって、第１ダイヤフラム１０３及び第２ダイヤフラム１０４が弛まずに張った状態とすることができる。

図９は、図８Ａに示した従来のポンプにおける、ダイヤフラムの伸縮動作を説明する断面図である。導電性高分子膜からなるダイヤフラム１０３及び１０４に、閉空間部１０９に満たされた電解液中の正イオン（カチオン）が出入りする様子を示したものである。図９中に示す＋−の極性の電圧が電源１１０ｃからダイヤフラム１０３及び１０４に印加された場合、第１ダイヤフラム１０３にはカチオンが閉空間部１０９側から入り込み第１ダイヤフラム１０３は伸張し、第２ダイヤフラム１０４からはカチオンが閉空間部１０９側に抜け出し第２ダイヤフラム１０４は収縮する様子を示している。ここでは説明の簡便のため、カチオンが主に出入りする場合について述べたが、電解液の種類によっては負イオン（アニオン）が主に出入りする場合もある。いずれの場合も、イオン種は電解液で満たされた閉空間部１０９側の片側からのみダイヤフラム１０３及び１０４に出入りし、ダイヤフラム１０３及び１０４の伸縮動作がなされる。

特開２００５−２０７４０６号公報

特許文献１に開示された導電性高分子膜を用いたポンプは、背景技術で説明したようにイオンの出し入れが膜の片側からのみ行われるため、膜厚方向の全域にイオンを出し入れするのに時間がかかり、動作が遅いという課題を有していた。また、限られた時間内での導電性高分子膜の膨張収縮量が小さく、したがって単位時間当たりの流体の吐出量及び吸入量が小さいという課題を有していた。

さらに、特許文献１に開示された導電性高分子を用いたポンプは、ダイヤフラムを構成する導電性高分子膜の片側のみが電解液と接しており、その反対側は吐出又は吸入させる流体（搬送流体）と接しており、導電性高分子膜で、異なる液体を隔離する構成となっている。このため、導電性高分子膜を通じて異なる液体間での浸透圧の差異などにより、電解液中のイオン種が、搬送流体へ流出したり、吐出又は吸入させる搬送流体が電解液中に混入したりするなど、動作が不安定となる要因を持つ課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、単位時間当たりの流体の吐出量及び吸入量が大きく、安定して動作可能な、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、流体を吸入及び吐出する、導電性高分子を用いた流体搬送装置であって、
前記流体を内部に含む一対のポンプ室と、
前記一対のポンプ室が内部に形成されかつ前記一対のポンプ室のそれぞれの壁面の一部を構成する筺体部と、
前記筺体部内にそれぞれ支持されて一部分若しくは全部分が電解伸縮を行う導電性高分子膜でそれぞれ形成されて、前記筺体部と共に前記一対のポンプ室の壁面をそれぞれ構成する一対のダイヤフラムと、
前記筺体部に配置されかつ前記一対のポンプ室のそれぞれにおいて前記流体の吐出及び吸入を行う開口部と、
前記一対のポンプ室とは隔離されかつ前記筺体部と前記一対のダイヤフラムとで囲まれかつ内部に電解液を含み、その電解液の一部が前記一対のダイヤフラムと接する閉空間部と、
前記各ポンプ室内の前記各ダイヤフラムに接した部分に少なくとも電解液が配置され、さらに、前記電解液中に前記各ダイヤフラムと対向して配置された電極と、
前記一対のダイヤフラムのそれぞれと前記電極のそれぞれに電圧を印加する電源と、
を備える、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本構成によって効率良く安定に流体の吸入及び吐出をさせることができる。

本発明の導電性高分子を用いた流体搬送装置においては、導電性高分子膜よりなる一対のダイヤフラムのそれぞれの両面に電解液が接する構成を採っている。このことにより、導電性高分子膜の両面から電解液のイオン種を同時に出し入れすることができ、従って、導電性高分子膜の膜厚方向の全域に速やかにイオン種を出し入れさせることができ、流体の吐出吸入を高速に動作させることが可能となる。さらに、単位時間当たりの吐出量及び吸入量を大きくすることができる。

また、導電性高分子膜よりなる一対のダイヤフラムのそれぞれの両面に同じイオン種を含んだ電解質を接した構成とすることができ、導電性高分子膜を通してイオン種が流出することがなく、長期にわたって安定した動作をさせることができる。

本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の斜視図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の平面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の正面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の動作説明の断面図である。本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の動作説明の断面図である。本発明の第２実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第２実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第２実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第３実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第３実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第４実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第４実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。本発明の第４実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である従来例のポンプの構造を示す断面図である従来例のポンプの構造を示す断面図である従来例のポンプの動作説明を示す断面図である

以下に、本発明にかかる実施の形態を、図面を参照しながら説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第２態様によれば、吸入及び吐出する前記流体が電解液であり、前記一対のポンプ室のそれぞれの内部が前記電解液により満たされている第１の態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記筺体部に支持され、かつ、吸入及び吐出する前記流体と、前記一対のポンプ室内のそれぞれに満たされた電解液とを隔離するフレキシブル膜をさらに備える第１の態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記電解液がイオン液体である第１〜３のいずれか１つの態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記導電性高分子膜が、有機導電性高分子及びその誘導体を含む部材、又は、導電性微粒子分散高分子及びその誘導体を含む部材である第１〜４のいずれか１つの態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記電源が２電極電源であり、前記一対のダイヤフラムに電圧を印加するとともに、前記一対のダイヤフラムのそれぞれと対向して配置された前記電極に前記電圧と逆極性の電圧を印加する第１〜５のいずれか１つの態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、前記電源がバイポーラ電源であり、前記一対のダイヤフラムに電圧をバイポーラ印加するとともに、前記一対のダイヤフラムのそれぞれと対向した配置された前記電極を接地電位とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置を提供する。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる、導電性高分子を用いた流体搬送装置の斜視図である。図１の流体搬送装置の外観には、筺体２と、流体管部１と、第１及び第２ダイヤフラムに接続されたリード３ａ及び３ｂと、前記ダイヤフラムに対向した電極のリード６ｃ及び６ｄの各部分を備えている。筐体２の外形の全体形状は、直方体筒形状あるいは円筒あるいはこれらの組み合わせた形状などの任意の形状とすることができるが、この図１の場合はおおよそ円筒状である。筐体２は、円筒形状の中央の筐体２ａの上下に、円筒形状の中間部の筐体部２ｂを介して円板状の端部の筐体部２ｃをそれぞれ配置することにより、複数の筐体部２ａ、２ｂ及び２ｃとで構成されている。中央の筐体部２ａと上側と下側の中間部の筐体部２ｂとの間に、リード３ａ及び３ｂを配置し、第１ダイヤフラム３及び第２ダイヤフラム４を中央の筐体部２ａと上側と下側の中間部の筐体部２ｂとの間に挟持する構造としている。第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４とが筺体部２を介して導通しないようにするため、筺体部２自体を絶縁体より構成するか、又は、第１ダイヤフラム３又は第２ダイヤフラム４又はその両方と筺体部２とが絶縁体を介して固定されるようにしている。後述する電極についても、ダイヤフラム３，４と同様である。

さらに、上下の円板状の端部の筐体部２ｃには、それぞれ一対の流体管部１を有し、流体管部１の吐出口１ａ及び吸入口１ｂより流体が吐出及び吸入される。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の平面図及び正面図である。図中の各記号は、前記の図１の斜視図の場合と同様である。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の縦断面図である。図３Ａは、第１ダイヤフラム３が伸びかつ第２ダイヤフラム４が縮んだ状態であって、第１ポンプ室７の吸入口１ａより第１ポンプ室７外の流体を吸入し、第２ポンプ室８の吐出口１ｂより第２ポンプ室８内の流体を吐出する状態の断面図を示す。図３Ｂは第１ダイヤフラム３が縮みかつ第２ダイヤフラム４が伸びた状態で、同様に、第１ポンプ室７の吐出口１ｂより第１ポンプ室７内の流体を吐出し、第２ポンプ室８の吸入口１ａより第２ポンプ室８外の流体を吸入する状態の縦断面図を示す。

図３Ｃは、図３Ａと同様の本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の縦断面図を示すが、第１ポンプ室７、第２ポンプ室８、及び閉空間部９をハッチング表示して明示したものである。

図３Ｃにおいて、第１ポンプ室７は、上側の中間部の筐体部２ｂの内壁面と、導電性高分子膜よりなる第１のダイヤフラム３の壁面により形成されている。第１ポンプ室７には、流体の吐出吸入を行うための一対の開口部５がそれぞれ独立して設けられている。第２ポンプ室８は、同様に、下側の中間部の筐体部２ｂの内壁面と、導電性高分子膜よりなる第２のダイヤフラム４の壁面により形成されている。第２ポンプ室８には、流体の吐出吸入を行うための一対の開口部５が同様にそれぞれ独立して設けられている。

図３Ｃにおいて、閉空間部９は、中央の筐体部２ａの内壁面と、それぞれ導電性高分子膜よりなる第１のダイヤフラム３及び第２のダイヤフラム４の壁面より円環状に形成され、その内部に電解液を満たしている。

本第１実施形態では、第１ポンプ室７の第１ダイヤフラム３に接した部分に電解液を配置するため、第１ポンプ室７の全体にも、前記閉空間部９の電解液と同種の電解液を満たして、この電解液中に、第１ダイヤフラム３と対向して電極６ａを上側の中間部の筐体部２ｂの内壁に設けている。同様に、第２ポンプ室８の第２ダイヤフラム４に接した部分に電解液を配置するため、第２ポンプ室８の全体にも。同様の電解液を満たして、この電解液中に、第２ダイヤフラム４と対向して電極６ｂを下側の中間部の筐体部２ｂの内壁に設けている。よって、本第１実施形態は、第１ポンプ室７と第２ポンプ室８とで吸入吐出する流体を、電解液とするものである。

図３Ａにおいて、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４は、それらの中央部分において、中央の連結部材１３ａ及び上下端部の連結部材１３ｂをねじ１３ｃで固定することにより連結する構造としており、各ダイヤフラムが緩まないよう張った状態で筐体部２に固定する。

第１ダイヤフラム３に接続されたリード３ａと、第２ダイヤフラム４に接続されたリード３ｂには、電源１０例えば２電極電源１０ａの配線部１１ｂと１１ａが接続されている。同様に第１ダイヤフラム３と対向した電極６ａのリード６ｃと、第２ダイヤフラム４と対向した電極６ｂのリード６ｄにも、同様に２電極電源１０ａの配線部１１ａと１１ｂが接続されている。２電極電源１０ａから配線部１１ａと配線部１１ｂとの間に電圧を印加することにより、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４は伸縮動作をする。

図３Ｂにおいても、その構成要素及び記号は前記と同様であるが、２電極電源１０ａから配線部１１ａと配線部１１ｂとの間に図２Ａの場合とは逆の電圧を印加し、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４が逆の伸縮動作をしている状態を示している。

前述したように、図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の断面図である。図３Ａは、第１ダイヤフラム３が伸び第２ダイヤフラム４が縮んで、吸入口１ａより流体を吸入し吐出口１ｂより流体を吐出する状態を示す。図３Ｂは第１ダイヤフラム３が縮み第２ダイヤフラム４が伸びて、同様に吸入口１ａより流体を吸入し吐出口１ｂより流体を吐出する状態を示す。

このような状態になる動作の説明として、図４Ａと図４Ｂに本発明の第１実施形態にかかる流体搬送装置の動作説明の断面図を示す。図４Ａは図３Ａの動作状態、図４Ｂは図３Ｂの動作状態に対応している。

図４Ａにおいて、導電性高分子膜よりなる第１ダイヤフラム３に負電圧（−Ｖ）が印加され、導電性高分子膜よりなる第２ダイヤフラム４には正電圧（＋Ｖ）が印加されると、この間にある閉空間部９に満たされた電解液中の正イオン２０ａが、第１ダイヤフラム３側に引き寄せられ、導電性高分子膜である第１ダイヤフラム３の内部に入り込み、この正イオン２０ａの嵩により導電性高分子膜が伸び（伸びを矢印２１のように図示している。）、一方、導電性高分子膜である第２ダイヤフラム４の内部の正イオン２０ａが閉空間部９の電解液中に抜け出すことによって、導電性高分子膜よりなる第１ダイヤフラム３が縮む（縮みを矢印２２のように図示している。）様子を示している。

さらに、導電性高分子膜よりなる第１ダイヤフラム３と対向する電極６ａには逆極性の正電圧（＋Ｖ）が印加され、ポンプ室７の電解液中の正イオン２０ｂも、同様に、第１ダイヤフラム３側に引き寄せられ、ポンプ室７側からも導電性高分子膜である第１ダイヤフラム３の内部に入り込み、この正イオン２０ｂの嵩によって導電性高分子膜よりなる第１ダイヤフラム３が伸びる（伸びを矢印２１のように図示している。）。

同様に、導電性高分子膜よりなる第２ダイヤフラム４と対向する電極６ｂには逆極性の負電圧（−Ｖ）が印加され、導電性高分子膜である第２ダイヤフラム４の内部の正イオン２０ｃがポンプ室８の電解液中に抜け出すことによって、導電性高分子膜よりなる第２ダイヤフラム４が縮む（縮みを矢印２２のように図示している。）。

このようなダイヤフラム３，４の駆動動作により第１ポンプ室７の電解液である流体は、筐体部２に設けられた開口部５の吸入弁１２ａを通して吸入され、同時に第２ポンプ室８の電解液である流体は、筐体部２に設けられた開口部５の吐出弁１２ｂを通して吐出される。

図４Ｂは、図４Ａの場合に対して各電極リードに図４Ａの場合の逆の極性の電圧を印加した場合の動作説明断面図である。動作状態を分かりやすくするため、図４Ａの動作状態のダイアフラム３，４の位置を点線で図示している。この場合は、図４Ａの場合とは逆に、第１ダイヤフラム３は縮み（縮みとして矢印２２を参照。）第２ダイヤフラムは伸びる（伸びとして矢印２１を参照。）ことにより、第１ポンプ室７からは吐出弁１２ｂを通じて電解液である流体が吐出され、第２ポンプ室８へは吸入弁１２ａを通じて電解液である流体が吸入される。

このように本第１実施形態の構成によれば、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４間に満たされた電解液中からのイオンの出し入れだけでなく、これらと対向する別の電極６ａ、６ｂを設けて、この間に満たされた電解液中からもイオンを出し入れし、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４を構成する導電性高分子膜の両面から電解液のイオン種を同時に出し入れすることができる。このことにより、導電性高分子膜の膜厚方向の全域に速やかにイオン種を出し入れさせることができ、導電性高分子膜よりなるダイヤフラム３，４の膨張収縮動作を高速にさせることができ、流体の吐出吸入を高速に動作させることができる。さらに、単位時間当たりの吐出量及び吸入量も大きくすることができる。

導電性高分子膜中のイオンの移動は主に拡散により行われ、拡散時間は拡散距離の２乗に比例して長くなることが知られている。従って、導電性高分子膜の膜厚全体にイオンを行き渡らすために要する時間は、導電性高分子膜の片面からイオンを拡散させる場合に比べて、この第１実施形態によれば導電性高分子膜の両面からイオンを拡散させる場合には約４分の１の時間で済むことになり、導電性高分子膜の膨張収縮を高速にさせることができ、流体の吐出吸入を高速に動作させることができる。さらに、この第１実施形態によれば、単位時間当たりの吐出量及び吸入量も大きくすることができる。

また、第１実施形態では、導電性高分子膜よりなるダイヤフラム３，４の両面に同じイオン種を含んだ電解質を接した構成としており、ダイヤフラムの片面のみを電解質に接した構成の場合に比べて、導電性高分子膜を通してイオン種が流出することがなく、長期にわたって安定した動作をさせることができる。

尚、前記の動作説明は、導電性高分子膜に主に正イオン（カチオン）が出入りする場合について簡便化して説明したが、使用する導電性高分子及び電解液の種類によっては、主に負イオン（アニオン）が出入りする場合、又は、両イオン種が同時に出入りする場合もある。

導電性高分子膜の材料としてポリピロールを、電解液としてイオン液体を用いた実施例について述べる。ピロールのモノマーを支持電解質となるプロピレンカーボネート中に溶解した有機溶媒中で、カーボン電極を析出電極としてガルバノスタットモード（定電流制御モード）にてポリピロールを電解重合により合成した膜を用い、電解液としてイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いた。この電解液は、ＥＭＩ（エチルメチルイミダゾリウム）有機カチオンとＴＦＳＩ（トリフロロメタンスルフォニルイミド）アニオンよりなるイオン結合性の常温で液体である常温溶融塩である。

このような導電性高分子膜と電解液を用いたダイヤフラムは、±１Ｖ〜２Ｖの低駆動電圧にて無音で駆動可能である。この場合、主にＥＭＩカチオンがポリピロール膜に出入りすることによりダイヤフラムの伸縮動作が行われる。従って、前記図４Ａ及び図４Ｂで動作説明した通り、導電性高分子膜に主にカチオンが出入りする動作モデルの通りの駆動動作をする。比較的イオン半径が大きい有機カチオンであるＥＭＩカチオンの出入りに伴う、導電性高分子膜の伸縮を利用することができるので、発生変位の大きなダイヤフラムとすることができ、流体の吐出吸入を大きくすることができるとともに、大きな吐出圧力を得ることができる。

第１実施形態は、電解液そのものを吐出吸入する流体搬送装置である。この電解液に前記材料のごとくイオン液体を使用することは、ＣＰＵなどの発熱素子の冷却用液体としてのイオン液体の搬送装置、又は、摺動部材の潤滑油としてのイオン液体の搬送装置などに特に有効である。イオン液体は、冷却用液体として良く使われる水に対して、比熱容量が大きく冷却用媒体として優れている。ダイヤフラムを構成する導電性高分子膜の駆動特性は一般に温度上昇により活性化して上昇する。即ち、同じ駆動電圧に対して発生変位が大きくなったり高速に動作するようになる。従って、冷却に伴うイオン液体の温度上昇は好都合である。また、イオン液体は、高温でも分解されにくく摺動部材の潤滑油として優れた特性を持っていることが知られており、この搬送装置としても有用である。

本流体搬送装置の実施例の材質及び部材の主要寸法について参考まで述べる。駆動用ダイヤフラムの材料として前記のポリピロール膜を使用し、その厚みは例えば、厚さ数μｍ〜１００μｍのものを使用することができる。厚ければ仕事量を大きくすることができるが動作速度は遅くなる傾向があり、単位時間あたりの吐出量及び吸入量を大きくするには動作速度をある程度早くさせる必要がある。このため、適度な厚み５μｍ〜３０μｍ程度を選択する。直径は、用途に応じて約１０ｍｍ〜４５ｍｍの例えば円板形状とし、１サイクル動作当たりの吐出量及び吸入量を目的に応じて設計することができる。筐体の材質は、前記のイオン液体を使用する場合、アクリルではイオン液体によりその壁面が溶出するため適当でなく、これに不溶の材質、例えばポリカーボネート又はポリプロピレンなどを用い、直径はダイヤフラムの径に合わせて約１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度、高さは１サイクル動作当たりの吐出吸量に応じて５ｍｍ〜数１０ｍｍ程度に設計する。前記寸法はこれに限るものではなく、例えば、第１実施形態の構成の流体搬送装置を、シリコンウエファー上にマイクロマシニングにより多数連結した構成のマイクロ流体搬送装置とすることもでき、このような場合には前記寸法は適用されない。

導電性高分子膜の材料としてポリピロールを、電解液として食塩水を用いた実施例について述べる。ピロールのモノマーを支持電界質となるパラフェノールスルフォン酸を溶解した水溶液中で、カーボン電極を析出電極としてガルバノスタットモード（定電流制御モード）にてポリピロールを電解重合により合成した膜を用い、電解液として食塩水を用いた。このような導電性高分子膜と電解液を用いたダイヤフラムは、実施例１と同様±１Ｖ〜２Ｖの低駆動電圧にて無音で駆動可能である。この場合、主に塩素アニオンがポリピロール膜に出入りすることによりダイヤフラムの伸縮動作が行われる。

第１実施形態は、電解液そのものを吐出吸入する流体搬送装置である。この電解液に前記材料のごとく食塩水を使用できることは、血液などの生体内生理食塩水で動作可能であることを示しており、血液検査用チップへの血液の搬送、人体への医薬品の微量投与、又は、生化学実験若しくは生化学操作をダウンサイジングして集積化して行うためのラボオンチップなどへの応用に用いることができる。

前記実施例１及び実施例２については、導電性高分子膜の材質としポリピロールの場合について述べたが、導電性高分子膜は、それ自体電子導電性をもつ有機導電性高分子及びその誘導体を含む部材、又は導電性微粒子分散高分子及びその誘導体を含む部材であっても同様の原理で動作可能である。有機導電性高分子及びその誘導体を含む部材としては、ポリアニリン又はポリチオフェン基体、その他のπ 共役ポリマー又はその誘導体を含む部材が適用可能である。導電性微粒子分散高分子及びその誘導体を含む部材としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、ブラックカーボン、有機導電性高分子例えば各種活性炭などの炭素微粒子を分散した高分子及びその誘導体、導電性微粒子分散高分子、例えば、金、白金、ニッケル、チタン、銀などの金属微粒子を分散した高分子及びその誘導体、又は、さらに、これらを任意に組み合わせて含有する部材が適用可能である。

（第２実施形態）
図５Ａ及び図５Ｂは本発明の第２実施形態にかかる、導電性高分子を用いた流体搬送装置の断面図である。図５Ａは、第１ダイヤフラム３が伸び第２ダイヤフラム４が縮んで、第１ポンプ室７ａの吸入口１ａより流体を吸入し、第２ポンプ室８ａの吐出口１ｂより流体を吐出する状態の断面図を示す。図５Ｂは、第１ダイヤフラム３が縮み第２ダイヤフラム４が伸びて、同様に第１ポンプ室７ａの吐出口１ｂより流体を吐出し、第２ポンプ室８ａの吸入口１ａより流体を吸入する状態の断面図を示す。

図５Ｃは、図５Ａと同様の本発明の第２実施形態にかかる流体搬送装置の断面図を示すが、第１ポンプ室７ａ、第１ポンプ室７ａの電解液部７ｂ、第２ポンプ室８ａ、第２ポンプ室８ａの電解液部８ｂ、及び、閉空間部９をハッチング表示して明示したものである。

図５Ｃにおいて、第１ポンプ室７は、筐体部２ｂの壁面と、導電性高分子膜よりなる第１のダイヤフラム３の壁面とにより形成されている。第１ポンプ室７は、さらに、フレキシブル膜１４により２つに仕切られ、搬送流体を吐出吸入する第１ポンプ室７ａと、第１ダイヤフラム３と接した電解液部７ｂとに分割されている。また、上側と下側の円筒形状の中間部の筐体部２ｂも、それぞれ、円筒形状の第１中間筐体部２ｂ_１と円筒形状の第２中間筐体部２ｂ_２とに分割されており、第１中間筐体部２ｂ_１と第２中間筐体部２ｂ_２とでフレキシブル膜１４を挟持している。第１ポンプ室７ａは、第１中間筐体部２ｂ_１とフレキシブル膜１４とにより囲まれて搬送流体を吐出吸入するポンプ室を構成し、第１ポンプ室の電解液部７ｂは、第２中間筐体部２ｂ_２と第１ダイヤフラム３とフレキシブル膜１４とにより囲まれて、閉空間部９の電解液と同種の電解液が満たされている。

同様に、図５Ｃにおいて、第２ポンプ室８は、筐体部２ｂの壁面と、導電性高分子膜よりなる第２のダイヤフラム４の壁面とにより形成されている。第２ポンプ室８は、さらに、フレキシブル膜１４により仕切られ、搬送流体を吐出吸入する第２ポンプ室８ａと、第２ダイヤフラム４と接した電解液部８ｂとに分割されている。第２ポンプ室８ａは、筐体部２ｂ_１とフレキシブル膜１４とにより囲まれて搬送流体を吐出吸入するポンプ室を構成し、第２ポンプ室８ａの電解液部７ｂは、筐体部２ｂ_２と第２ダイヤフラム４とフレキシブル膜１４とにより囲まれて、同様の電解液が満たされている。

電極への電圧印加により、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４が拮抗して膨張収縮する動作は、図４Ａ及び図４Ｂで説明したのと同様である。この第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４の膨張収縮に伴い、以下のように流体の吐出吸入動作がされる。第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４の間の電解液で満たされた閉空間部９と、さらに、これらに対向して設けられた一対のフレキシブル膜１４で仕切られ電解液で満たされたポンプ室の電解液部７ｂ及び８ｂは、ともに非圧縮性流体である電解液で満たされており、その体積はほぼ一定である。従って、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４の膨張収縮による変形は、それと対向して設けられた一対のフレキシブル膜１４に伝えられフレキシブル膜を変形させる。その結果、フレキシブル膜１４により仕切られた第１ポンプ室７ａ及び第２ポンプ室８ａに満たされた搬送流体は、吸入口１ａ及び吐出口１ｂより吸入、吐出される。

本第２実施形態の構成では、搬送流体と、ダイヤフラム３，４の駆動動作のための電解液が、フレキシブル膜１４により隔離されているため、搬送流体の材質を電解液とは独立に選択することができる。前述の第１実施形態と同様、搬送流体を電解液とする場合も、ダイヤフラム３，４を駆動するのに適した電解液と、搬送流体に適した電解液を独立に材料選択できる。例えば、本流体搬送装置を、血液検査用チップへの血液の搬送、人体への医薬品の微量投与、又は、化学実験若しくは化学操作をダウンサイジングして集積化して行うためのＬａｂｏｎａｃｈｉｐ（ラボオンチップ）などへ応用する場合、搬送に必要な流体が応用ごとに異なり、ダイヤフラム３，４を駆動するための電解液と独立に材料選択できることは、各システムの設計上有利である。また、搬送流体として電解液以外の流体を選ぶことができることは、勿論である。

フレキシブル膜１４に必要な機能としては、ダイヤフラムの変形に伴ってこのフレキシブル膜も同様に弾性変形可能であることが求められる。さらに、このフレキシブル膜の両面に接する異なる種類の液体が、このフレキシブル膜を通して浸透しないことも求められる。これらに適合したフレキシブル膜の材質として、軟質のシリコーンゴムが好都合であった。

本実施例の流体搬送装置として前述した第１実施形態、実施例１に準じた部材を用いる。駆動用の電解液としてイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用い、搬送流体としてエチレングリコールを主成分とする不凍の水溶液を使用する。駆動用ダイヤフラムの材料としてポリピロール膜を使用し、厚み５μｍ〜３０μｍ程度のものを使用する。直径は、用途に応じて約１０ｍｍ〜４５ｍｍの例えば円板形状とし、１サイクル動作当たりの吐出量及び吸入量を目的に応じて設計する。筐体の材質は、例えばポリカーボネートなどを用い、直径はダイヤフラムの径に合わせて約１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度、高さは１サイクル動作当たりの吐出量及び吸入量に応じて１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設計する。

これら部材の寸法に合わせて前記フレキシブル膜として軟質のシリコーンゴム製の厚み５０μｍ、直径約１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の膜を使用することにより、ダイヤフラムの変形を、このフレキシブル膜に効率良く伝えることができ、前記搬送流体の吐出吸入をさせることができた。このようにダイヤフラムの変形がフレキシブル膜の変形に変換されるのは、非圧縮性流体である電解液を通じて、ダイヤフラムの変形により発生する圧力がフレキシブル膜を変形する圧力として伝わるためである。この圧力伝達は静水圧により行われえるため、フレキシブル膜の強度はそれほど要求されない。フレキシブル膜の膜面内の引っ張り応力が、その弾性範囲内の大きさである限り、弾性率が十分に小さい柔らかい膜を使うことができる。

シリコーンゴム膜は、本実施例のように、それと接している駆動用の電解液であるイオン性液体と搬送流体である水溶液を隔離して、相互に浸透させない機能があることが確認できた。

（第３実施形態）
図６Ａ及び図６Ｂは本発明の第３実施形態にかかる、導電性高分子を用いた流体搬送装置の断面図である。図６Ａは、第１ダイヤフラム３が伸び第２ダイヤフラム４が縮んで、第１ポンプ室７の吸入口１ａより流体を吸入し、第２ポンプ室８の吐出口１ｂより流体を吐出する状態の断面図を示す。図６Ｂは第１ダイヤフラム３が縮み第２ダイヤフラム４が伸びて、同様に第１ポンプ室７の吐出口１ｂより流体を吐出し、第２ポンプ室８の吸入口１ａより流体を吸入する状態の断面図を示す。図６Ａ及び図６Ｂは図３Ａ及び図３Ｂの場合と異なり、その電源１０ａをバイポーラ電源１０ｂとするものであり、その他の構成は同じである。

バイポーラ電源１０ｂの両極端子の一方の配線部１１ｂを、第１ダイヤフラム３に接続されたリード３ａに接続し、両極端子のもう一方の配線部１１ａを、第２ダイヤフラム４に接続されたリード３ｂに接続する。さらに、バイポーラ電源１０ｂの接地電極となる配線部１１ｃを、第１及び第２ダイヤフラム３，４と対向して設けられた電極６ａ及び６ｂのリード６ｃ，６ｄに接続する構成とする。この場合も、各電極６ａ及び６ｂに印加される電圧の極性は第１実施形態の図３Ａ及び図３Ｂの場合と同じであり、導電性高分子膜よりなる第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４の両面からイオン種が同時に出入りする点は同じであり、効率的で安定な駆動動作が可能である。

第３実施形態は、第１実施形態と同様、電解液そのものを搬送流体とする流体搬送装置である。第１実施形態と異なる点は、吐出吸入口側に設けられた電極６ａ及び６ｂを接地電位としているため、吐出吸入口から吐出吸入される電解液を無電界で搬送することができる特徴がある。このことは、生化学実験又は生化学操作をダウンサイジングして集積化して行うためのラボオンチップなどへ応用する場合、分析結果などに影響を少なくすることができ好都合である。

（第４実施形態）
図７Ａ及び図７Ｂ及び図７Ｃは、本発明の第４実施形態にかかる、導電性高分子を用いた流体搬送装置の断面図である。図７Ａは、第１ダイヤフラム３が伸び第２ダイヤフラム４が縮んで、第１ポンプ室７の吸入口１ａより流体を吸入し、第２ポンプ室８の吐出口１ｂより流体を吐出する状態の断面図を示す。図７Ｂは、第１ダイヤフラム３が縮み第２ダイヤフラム４が伸びて、同様に第１ポンプ室７の吐出口１ｂより流体を吐出し、第２ポンプ室８の吸入口１ａより流体を吸入する状態の断面図を示す。図７Ｃは、圧力調整手段１５を説明するため、閉空間部９内の圧力が所定の圧力よりも増加した場合を示す断面図である。

本第４実施形態では、図７Ａ及び図７Ｂ及び図７Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂの場合と異なり、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４とは、連結部１３で固定することのない構造とし、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４と筐体部２ａとで囲まれた閉空間部９を構成している。両ダイヤフラム３，４が緩まないようにするため、この第４実施形態では、閉空間部９に接続された圧力調整手段１５で閉空間部９の圧力を調整、設定することにより両ダイヤフラム３，４に張力を加える。

圧力調整手段１５の一例としては弾性膜部で構成されている。ここでは、弾性膜部１５は、中央の筐体部２ａの側壁の貫通穴２ｇの内側の開口縁部に固定されている。閉空間部９内が所定の圧力に維持されている状態では、図７Ａ及び図７Ｂに示すように閉空間部９の外側から閉空間部９内に向けて断面山型の形状である。閉空間部９内の圧力が所定の圧力よりも減少した場合には、弾性膜部１５が、より内向きに張り出して初期状態の圧力に戻す一方、閉空間部９内の圧力が所定の圧力よりも増加した場合（図７Ｃ参照）には、弾性膜部１５が、内向きへの張り出し量を減少させるか又は外向きに張り出して初期状態の圧力に戻す。この結果、弾性膜部１５の働きによって、ダイヤフラム３及び４に加えられる張力が一定範囲内に保つことができて、圧力調整機能を発揮することができる。

第１ポンプ室７の第１ダイヤフラム３に接した部分に電解液を配置するため、第１ポンプ室７の全体にも電解液を満たし、この電解液中に、第１ダイヤフラム３と対向して電極６ａを設けている。同様に、第２ポンプ室８の第２ダイヤフラム４に接した部分に電解液を配置するため、第２ポンプ室８の全体にも電解液を満たし、この電解液中に、第２ダイヤフラム４と対向して電極６ｂを設けている。本第４実施形態は、吸入吐出する流体を電解液とする点は第１実施形態と同様である。第１ダイヤフラム３に接続されたリード３ａと、第２ダイヤフラム４に接続されたリード３ｂには、２電極電源１０ａの配線部１１ｂと１１ａが接続されており、第１ダイヤフラム３に接続されたリード３ａと第２ダイヤフラム４に接続されたリード３ｂの間に電圧を印加する。かつ第１ダイヤフラム３と対向した電極６ａのリード６ｃと、第２ダイヤフラム４と対向した電極６ｂのリード６ｄにも、同様に、２電極電源１０ａの配線部１１ａと１１ｂが接続されており、第１ダイヤフラム３に接続されたリード３ａと第１ダイヤフラム３と対向した電極６ａのリード６ｃの間に前記とは逆極性の電圧を印加する。第２ダイヤフラム４に接続されたリード３ｂと第２ダイヤフラム４と対向した電極６ｂのリード６ｄとの間にも、同様に、逆極性の電圧を印加する。このことにより、両ダイヤフラム３，４は拮抗して膨張伸縮し、流体の吐出吸入作用をさせることができる。

本第４実施形態は、第１ダイヤフラム３と第２ダイヤフラム４を連結部１３で連結してダイヤフラム３，４が緩まないよう張った状態で筐体部２に固定して組み込むようなアセンブル要素を排除できるため、例えば、第４実施形態の構成の流体搬送装置を、シリコンウエファー上にマイクロマシニングにより多数連結した構成のマイクロ流体搬送装置を形成する際に有利な簡便な構成の流体搬送装置を提供できる。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる、導電性高分子を用いた流体搬送装置は、単位時間当たりの流体の吐出量及び吸入量が大きく、安定してに動作可能であり、特にＣＰＵを含む電子機器を冷却するための冷却用液体の循環装置、血液検査チップへの血液若しくは反応液体の搬送装置、又は、燃料電池における燃料液体の供給装置などに用いることができて、流体の吸入と吐出を高効率で行う流体搬送装置として有用である。

１流体管部
１ａ流体管部の吸入口
１ｂ流体管部の吐出口
２筺体部
２ａ閉空間部と接する筺体部
２ｂポンプ室と接する筺体部
２ｂ_１ポンプ室と接する筺体部
２ｂ_２ポンプ室の電解液と接する筺体部
２ｃ流体管部を有する筺体部
３第１ダイヤフラム
３ａ第１ダイヤフラムに接続されたリード
４第２ダイヤフラム
４ａ第２ダイヤフラムに接続されたリード
５開口部
６電極
６ａ第１ダイヤフラムと対向した電極
６ｃ電極のリード
６ｂ第２ダイヤフラムと対向した電極
６ｄ電極のリード
７第１ポンプ室
７ａ第１ポンプ室
７ｂ第１ポンプ室内の電解液部
８第２ポンプ室
８ａ第２ポンプ室
８ｂ第２ポンプ室内の電解液部
９閉空間部
１０電源
１０ａ２電極電源
１０ｂバイポーラ電源
１１配線部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ配線部
１２弁
１２ａ吸入弁
１２ｂ吐出弁
１３連結部
１３ａ、１３ｂ連結部材
１３ｃねじ
１４フレキシブル膜
１５圧力調整手段
２０カチオン
２０ａ閉空間部の電解液中のカチオン
２０ｂポンプ室の電解液中のカチオン
２０ｃポンプ室の電解液中のカチオン
２１伸び
２２縮み

Claims

流体を吸入及び吐出する、導電性高分子を用いた流体搬送装置であって、
前記流体を内部に含む一対のポンプ室と、
前記一対のポンプ室が内部に形成されかつ前記一対のポンプ室のそれぞれの壁面の一部を構成する筺体部と、
前記筺体部内にそれぞれ支持されて一部分若しくは全部分が電解伸縮を行う導電性高分子膜でそれぞれ形成されて、前記筺体部と共に前記一対のポンプ室の壁面をそれぞれ構成する一対のダイヤフラムと、
前記筺体部に配置されかつ前記一対のポンプ室のそれぞれにおいて前記流体の吐出及び吸入を行う開口部と、
前記一対のポンプ室とは隔離されかつ前記筺体部と前記一対のダイヤフラムとで囲まれかつ内部に電解液を含み、その電解液の一部が前記一対のダイヤフラムと接する閉空間部と、
前記各ポンプ室内の前記各ダイヤフラムに接した部分に少なくとも電解液が配置され、さらに、前記電解液中に前記各ダイヤフラムと対向して配置された電極と、
前記一対のダイヤフラムのそれぞれと前記電極のそれぞれに電圧を印加する電源と、
を備える、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
吸入及び吐出する前記流体が電解液であり、前記一対のポンプ室のそれぞれの内部が前記電解液により満たされている請求項１に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
前記筺体部に支持され、かつ、吸入及び吐出する前記流体と、前記一対のポンプ室内のそれぞれに満たされた電解液とを隔離するフレキシブル膜をさらに備える請求項１に記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
前記電解液がイオン液体である請求項１〜３のいずれか１つに記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
前記導電性高分子膜が、有機導電性高分子及びその誘導体を含む部材、又は、導電性微粒子分散高分子及びその誘導体を含む部材である請求項１〜４のいずれか１つに記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
前記電源が２電極電源であり、前記一対のダイヤフラムに電圧を印加するとともに、前記一対のダイヤフラムのそれぞれと対向して配置された前記電極に前記電圧と逆極性の電圧を印加する請求項１〜５のいずれか１つに記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。
前記電源がバイポーラ電源であり、前記一対のダイヤフラムに電圧をバイポーラ印加するとともに、前記一対のダイヤフラムのそれぞれと対向した配置された前記電極を接地電位とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の、導電性高分子を用いた流体搬送装置。