JP2013117211A - マイクロダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法を小さくしてもポンプ効率（吐出効率）を上げ、流体の流量制御精度を向上させる。吸引力と吐出力を大きくすることにより、ポンプの自吸性と気泡耐性を向上させる。使用する材料がシリコン基板に制約されることなく材料の選定自由度をが大きくでき、信頼性を高くする。
【解決手段】ポンプ室４０を囲む枠体３４が複数の薄板３４ａ〜ｄを積層して形成され、各薄板は、ダイヤフラム３６のポンプ室４０側への変位による曲面形状に近接させて開口径が変化している。
【選択図】図３

Description

この発明は、弁板や弁座などのパターンを形成した薄膜やダイヤフラムとなる薄膜などを積層し、互いに接合することにより形成するマイクロダイヤフラムポンプに関するものである。

近年家庭用（戸建て住宅用）の分散型エネルギープラントとして燃料電池システムの普及と商業化が期待されている。この種の燃料電池では、燃料ガスや液体燃料、改質器に供給する水、改質器でできた水素などを燃料電池自体に供給するためのポンプが必要になる。また燃料から必要な水素（Ｈ₂）を取り出す改質時に一酸化炭素（ＣＯ）が生成されるが、この一酸化炭素は電池触媒の性能に悪影響を及ぼすため、一酸化炭素濃度低減のため選択酸化用空気の流量制御も同時に求められる。さらに分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）では、気体や液体の微少量の供給が必要になる。さらに、電子機器の性能向上にに伴って発生する熱を放出し冷却するためのポンプも必要になる。

従来よりこのような用途に用いるマイクロポンプが種々提案されている。一般的なポンプとしては、遠心式、容積回転式、容積往復式などが周知である。容積往復式は微少流量の吐出が可能で軽量精度が良いなどの特徴が有り、特にダイヤフラム式のものは小型化に適するから、体内にインプラント可能な医療機器、小型の分析機器や事務用機器などへの適用が行われている。

特許文献１〜４には、圧電素子で駆動するダイヤフラム式マイクロポンプが開示されている。この開示されたポンプでは、Ｓｉ（シリコン）製の基板をエッチングすることによりダイヤフラムと、このダイヤフラムを囲む枠とを一体に形成し、ダイヤフラムの振動により圧力変化するポンプ室を形成している。

ここにポンプ室にはダイヤフラムに対向するように収入弁と吐出弁とが配設され、ダイヤフラムの他の面に貼り付けた圧電素子（ピエゾ素子）によりダイヤフラムを振動させてポンプ室の圧力を変化させ、流体を吸入弁からポンプ室に吸入し、吐出弁から吐出するものである。

特開２０１０−２９９６５９号公報 特開平０５−００１６６９号公報 特開２００７−１２０３９９号公報 ＵＳＰ６２６１０６６号公報

しかし発明者らの研究によれば、このポンプ室の容積（Ｖ0）がダイヤフラムの一回の往復動による容積変化に比べて大きいとポンプ効率（吐出効率）が低下するという問題があることが明らかになった。すなわち、ポンプ室内でダイヤフラムの振動によりダイヤフラムが占める容積（排除容積Ｖａ）の変化が小さいと、ダイヤフラムが占めない部分の容積であるデッドボリューム（Ｖｄ＝Ｖ0−Ｖａ、不要容積）が増えることになり、圧縮比が小さくなるからである。

例えば、送る流体が圧縮性のもの（気体、あるいは気体を含むもの）であるときには効率の低下が顕著である。また吐出する流体が液体である場合に気泡が混入すると、この気泡が液体と共にポンプ室に入ることになるが、ポンプの圧縮比が小さいとポンプ室に入った気泡を吐出できず、ポンプとして機能できなかったり（すなわち自吸性が低下する）、液体吐出量が不正確になるという問題が生じる。すなわち気泡の混入に対してポンプ機能の低下を受けない性質（気泡耐性という。）が低く信頼性が低下する。

このため圧縮性の気体などには使用するのが困難または不可能である。さらにダイヤフラムの面積を小さくしてポンプの小型化、マイクロ化を図ると流体の吸引力と吐出力を大きくするのが困難であるため、小型化、マイクロ化にも制約があるという問題もある。さらにまたここで用いるシリコン基板は比較的高価である、という問題もある。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ダイヤフラムがポンプ室側に変位した時の容積(デッドボリューム、Ｖ0−Ｖａ）の容積を小さくすることにより、外形寸法を小さくしてもポンプ効率（吐出効率）を上げ、流体の流量制御精度を向上させることができ、また、吸引力と吐出力を大きくすることにより、ポンプの自吸性と気泡耐性を向上させることができ、さらに使用する材料がシリコン基板に制約されることなく材料の選定自由度をが大きくでき、信頼性の高いマイクロダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。

この発明によれば第１の目的は、吸入弁および吐出弁の一側に枠体を介して固定したダイヤフラムによって、前記吸入弁および吐出弁に対向するポンプ室を形成し、前記ダイヤフラムの振動によって流体を前記吸入弁から前記吐出弁に導くマイクロダイヤフラムポンプであって、前記ポンプ室を囲む枠体が複数の薄板を積層して形成され、各薄板は、前記ダイヤフラムのポンプ室側への変位による曲面形状に近接させて開口径が変化していることを特徴とするマイクロダイヤフラムポンプ、により達成される。

この発明は、ポンプ室の枠体を複数の薄板を積層して形成し、前記薄板にダイヤフラムの変位に対応した曲面形状に近接するように開口径を変化させた開口を形成したものであるから、ダイヤフラムがダイヤフラム室側に変位した時の容積(デッドボリュームＶ0−Ｖa)の容積を小さくすることができる。このため、外形寸法とポンプ室容積を極めて小さくしても、ポンプ効率（吐出効率）を上げ、流体の流量制御精度を向上させることができる。

またダイヤフラムを小さくしても所定の吐出量や吐出圧を発生させることが可能になるから、液体流体に混入する気泡に対する自吸性と気泡耐性を向上させることができる。さらにポンプの小型化、マイクロ化が可能である。また従来のものようにＳｉ基板をエッチングするものに比べて、薄板の積層によりポンプ室を形成できるので材料の選定自由度が増え、信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施例であるマイクロダイヤフラムポンプの斜視図 同じく分解斜視図 同じく積層構造を示すための拡大側断面図 同じく積層状態を示す一部の拡大分解斜視図 ダイヤフラム室の圧縮比を説明するための概念図

ポンプ室の枠体となる部分は金属薄板を積層したものが最適である（請求項２）。例えばステンレス鋼などの薄板が使用できる。この場合は比較的高価なシリコンを使用する必要が無く、安価でもある。なお薄板は金属以外の材料、例えばセラミックス薄板、ガラス薄板、シリコン薄板、硬質の樹脂の薄板、などであってもよく、使用する流体により腐食しないものが使用できる。ここに薄板は、箔状のものを含む。

各薄板の開口径は、ダイヤフラムの変位曲面形状に沿わせて段階的に変化させるのが望ましいが、一部隣接する薄板の開口径は同一としてもよい。またステンレス薄板を多層積層し接合するためには、ステンレス鋼に対して濡れ性やはんだ付け強度などの点からＳｎ（スズ）濃度の高いはんだや、Ｓｎ−Ａｇなどの銀合金のはんだメッキを用いることができる。また、接着剤や、金属の拡散接合など、種々の方法も使用可能である。

ポンプはその外形を平面視で四角形とし、ポンプ室を円形とすることができる（請求項３）。この場合にはこのポンプを電子基板などに電子部品と共に実装した時に、外形が四角形のポンプと他の電子部品との間にできる無駄な間隙がを小さくして実装密度を上げることができる。

ダイヤフラムに保持する駆動素子は、圧電素子（ピエゾ素子）が適する（請求項４）。例えばジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含みＰＺＴと総称される圧電性材料の焼結体を用い、これをダイヤフラムに貼着し、電界印加によって分極させたものを使用することができる。ダイヤフラムの周縁には、この駆動素子を囲む第２の枠体を固着しておけば、この第２の枠体の内側に駆動素子やダイヤフラムの可動域（可動空間）を確保でき、このポンプを基板などに実装した場合に、隣接する部品が接触してポンプ動作の障害になることがない。

図１〜３において、符号１０は本発明に係るマイクロダイヤフラムポンプの一実施例を示している。このポンプ１０は、複数のステンレスの金属薄板と枠体とを多層化接合、すなわち金属薄板などを位置合わせして積層し、接合したものであり、一辺が約７〜１０mmの四角形である。このポンプ１０の構造は、同一出願人による特許出願２０１０−１３０３０４号に詳細に説明されている通りである。

１２は弁板シートであり、図２、３に示すように、例えば厚さ０．０１mm（１０ミクロン）のステンレス薄板に弁板１４と流路開口１６とをエッチングやプレス打ち抜きにより形成したものである。ここに弁板１４は、流路開口１６とほぼ同径の開口から内径側に折曲しながら伸びる支持腕に保持されて上下動可能である。

１８は弁座シートであり、例えば厚さが０.０５mmのステンレス薄板に、弁座２０と弁ストッパ２２とをエッチングやプレス打ち抜きにより形成したものである。弁ストッパ２２は、環状部２２ａと、この環状部２２ａの周囲に周方向に分割された３つの流路２２ｂとを有する（図３）。この環状部２２ａは、後記するようにポンプ１０を組み立てた状態で弁板１４を介して弁座２０に対向するものである。

このように加工された弁板シート１２と弁座シート１８とは二枚ずつ準備され、弁板シート１２，１２を図２、３に示すように重ね、その両側に弁座シート１８，１８を重ねて多層化接合する。例えば拡散接合（真空中で加熱・加圧して接合）する。なおこの時弁板シート１２，１２は、図２から明らかなように、左右を逆にして（１８０度回転して）かつ裏返して重ねる。このため弁板シート１２の弁板１４と流路開口１６は、弁板シート１２の左右を逆にしたり裏返した時に弁座シート１８の弁座２０，弁ストッパ２２と同心に重なる位置に形成する。この結果この積層体（予備積層体）２４には、図３に示す吸入弁２６と吐出弁２８とが形成される。

図２、３で、符号３２はベース板である。このベース板３２は、例えば厚さ０．４mmのステンレス板であって、吸入弁２６の弁座２０に対向する吸入口となる流路３２ａと、吐出弁２８の弁ストッパ２２（流路２２ｂ）に対向する吐出口となる流路３２ｂとが形成されている（図３）。これらの流路３２ａ、３２ｂは予備積層体２４の下面に積層される。

３４は本発明の枠体に対応する第１の枠体であり、ベース板３０と外形が同じで、厚さが０．００５mmの４枚のステンレス薄板３４ａ〜ｄを積層して約０．０２mmの厚さにしたものである。なおステンレス薄板３４ａ〜ｄは非常に薄いので金属箔状のものであってもよい。各ステンレス薄板３４ａ〜ｄには、それぞれ開口径が異なる円形の開口がエッチングや打ち抜きなどで形成され、各開口の直径は、後記ダイヤフラム３６が後記ダイヤフラム室４０側に湾曲する時の曲面形状に段階的に接近するように設定されている。なおこれらの開口は吸入弁２６と吐出弁２８の周囲を囲んでいる。また図２では、作図上の都合から各薄板３４ａ〜ｄの開口が同一径に描かれているが、実際には図３、４に示すように段階的に（階段状に）変化している。

３６はダイヤフラムであり、厚さ０．０５mmのステンレス薄板である。これもベース板３２と外形が同じである。３８は第２の枠体であり、例えば厚さ０．０４mmのステンレス薄板である。この第２の枠体３８は外形がベース板３２と同一である。

前記予備積層体２４には、下面にベース板３２が、上面に枠体３４とダイヤフラム３６と第２の枠体３８とが順次重ねられ、加圧しながら多層化接合される。例えば拡散接合される。この結果ダイヤフラム３６とこれに対向する上方の弁座シート１８との間にポンプ室（圧力室）４０が形成される。

以上のようにして多数の金属薄板の多層化接合がなされると、次に第２の枠体３８の上方からダイヤフラム３６にシート状の圧電素子であるＰＺＴ４２が接着シート４４によって貼着される。このＰＺＴ４２は分極前のものであればこれを電界中に入れて分極する。このＰＺＴ４２の電極に接続される配線は上方に導かれて、図示しない駆動回路に接続される。

この実施例は、ベース板３２の流路（吸入口）３２ａ、流路（吐出口）３２ｂをそれぞれ流体の供給路と流出路（共に図示せず）に接続し、ＰＺＴ４２の駆動回路を作動させて用いる。ＰＺＴ４２の作動によってダイヤフラム３６が上下に振動し、この振動によってポンプ室４０の容積が変化する。この振動によってポンプ室４０が負圧になる時には吸入弁２６の弁板１４が弁座２０から離れて吸入弁２６が開き、吐出弁２８の弁板１４は弁座２０に当たって吐出弁２８が閉じる。この結果吸入弁２６から新しく流体が吸入される。ダイヤフラム３６がポンプ室４０を加圧する時には、吸入弁２６が閉じ、吐出弁２８が開き、流体はポンプ室４０から吐出弁２８を通して吐出される。

次に枠体３４について説明する。図５はポンプ室４０とダイヤフラム３６の振動による圧縮比を説明するために、その構造を簡略化して示すものであり、ここではポンプ室４０の形状が円形にしたものが正方形にしたものよりも圧縮比が大きくなることを説明する。図５で一辺が２ｒである正方形のポンプ室４０では、その容積Ｖ1は２ｒ×２ｒ×ｔ（ｔは高さ）である。直径が２ｒの円形のダイヤフラム室４０では、その容積Ｖ2はπ×ｒ×ｒ×ｔである。

一方ダイヤフラム３６の振動により変化しない容積であるデッドボリュームＶｄは、正方形ではＶｄ1＝Ｖ1−Ｖａ、円形ではＶｄ2＝Ｖ2−Ｖａとなる。ここにＶａは、ダイヤフラム３６の下方への最大振幅時にダイヤフラム３６が占める容積である。またポンプ室４０の変動容積（排除容積）Ｖｅは、Ｖｅ＝２Ｖａである。

この時の圧縮比γはγ＝（排除容積Ｖｅ）／（デッドボリュームＶｄ）であるから、正方形ではγ1＝Ｖｅ／Ｖｄ1、円形ではγ2＝Ｖｅ／Ｖｄ2である。デッドボリュームＶｄは、正方形の方が大きい（Ｖｄ1＞Ｖｄ2）から、圧縮比はγ1＜γ2となる。すなわち円形のポンプ室４０の方が正方形のものよりも圧縮比γは大きくなる。

またこの発明では前記しているように、ポンプ室４０を形成する枠体３４を多層の薄板（箔）を積層し、これらにダイヤフラム３６の湾曲面に接近するように口径が段階的に異なる開口を形成しているので、デッドボリュームＶｄを小さくすることができる。このため圧縮比γを増大できる。この場合にポンプ室４０を円形にすれば、前記した理由により正方形にしたものよりもさらに圧縮比γを大きくすることができる。

１０ マイクロダイヤフラムポンプ
２０ 弁座
３２ａ 流路（吸入口）
３２ｂ 流路（吐出口）
３４ 枠体
３４ａ〜３４ｄ 薄板（金属薄板）
３６ ダイヤフラム
４０ ポンプ室
４２ 駆動素子（ピエゾ素子、ＰＺＴ）

Claims (4)

1. 吸入弁および吐出弁の一側に枠体を介して固定したダイヤフラムによって、前記吸入弁および吐出弁に対向するポンプ室を形成し、前記ダイヤフラムの振動によって流体を前記吸入弁から前記吐出弁に導くマイクロダイヤフラムポンプであって、
   前記ポンプ室を囲む枠体が複数の薄板を積層して形成され、前記薄板は、前記ダイヤフラムのポンプ室側への変位による曲面形状に近接させて開口径が変化していることを特徴とするマイクロダイヤフラムポンプ。
2. 枠体を形成する複数の薄板は、複数の金属薄板であり、各金属薄板の開口径は段階的に変化している請求項１のマイクロダイヤフラムポンプ。
3. ポンプの外形を平面視で四角形とし、ポンプ室を円形とした請求項1のマイクロダイヤフラムポンプ。
4. ダイヤフラムは、このダイヤフラムに固定した圧電素子により振動される請求項１のマイクロダイヤフラムポンプ。

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