JP2014114772A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロポンプにおいて、極微量の流体に対応できるバルブや各種流体に対応できる内径精度が良好なチューブを必要とすることなく、容易に極微量の流体を精度良く吐出する。
【解決手段】
マイクロポンプ１は、磁性材料２を有した可撓性のチューブ４と、チューブ４と対向するようにチューブ４の長手方向に所定間隔をおいて複数配置されて磁性材料２に磁場を与える電磁石５と、を備えている。電磁石５が順次励磁されることにより、チューブ４の両面側において磁性材料２と電磁石５とが互いに反発して、チューブ４が順次圧閉され、チューブ４内の流体が送出される。従って、バルブを用いることなく、容易に極微量の流体を精度良く吐出することができる。また、チューブ４は、磁性材料２が受ける反発力によってその形状を変形させるものであって、チューブの内径精度が問題とならず、各種流体に対応可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、極微量の流体を吐出することができるマイクロポンプに関する。

昨今、薬液を分注したり、細胞培養においてマイクロ流路に培養液を流す際、薬液や培養液の流量を正確に調整するために、極微量（毎分１μl以下）の流体を吐出可能なマイクロポンプが必要とされている。

従来のダイヤフラムポンプやチューブポンプ等の機械系ポンプをマイクロポンプとして用いることが知られている。ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムの撓みを増減させ、ポンプ室の内容積が増減することで流体流入側のバルブから流体を流入させ、流体吐出側のバルブから流体を吐出する（例えば、特許文献１参照）。また、チューブポンプは、ハウジングの円孤状内壁面に沿って配置された弾力性を有するチューブを駆動機構によって駆動される回転体によって順次圧閉してチューブ内の流体を送出する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１９３９７９号公報 特開２０１２−０８７７５２号公報

ところが、上述のようなダイヤフラムポンプにおいては、極微量の流体を精度良く吐出することができるバルブを得ることが難しい。また、チューブポンプにおいては、弾力性があって各種流体に対応できる内径精度が良好なチューブを製造することが難しい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、極微量の流体に対応できるバルブや各種流体に対応できる内径精度が良好なチューブを必要とすることなく、容易に極微量の流体を精度良く吐出することができるマイクロポンプを提供することを目的とする。

本発明のマイクロポンプは、磁性材料を有し、内部に流体を流すための流路を形成する可撓性のチューブと、前記チューブと対向するように該チューブの長手方向に所定間隔をおいて複数配置されて前記磁性材料に磁場を与える電磁石と、を備え、前記磁性材料は、前記チューブの長手方向に所定間隔をおいて着磁された磁極を有し、前記複数の電磁石を時系列に順次励磁することにより、前記チューブが順次圧閉されて前記チューブ内の流体を送出することを特徴とする。

このマイクロポンプにおいて、前記チューブは、扁平状に形成され、その一面側及び他面側に前記磁性材料をそれぞれ有し、これら磁性材料が互いに反発することにより前記流路を形成し、前記複数の電磁石の励磁を交互にオン、オフすることにより、そのオン時に前記電磁石と該電磁石から磁場を与えられた前記磁性材料とを同極にして互いに反発させて、前記チューブを部分的に圧閉し、その圧閉箇所を順次移動させることにより前記チューブ内の流体を送出することが好ましい。

このマイクロポンプにおいて、前記チューブは、前記磁性材料を有した可撓性の線材と、この線材の長手方向に沿った所定深さの溝部を有し、かつ該溝部にその底部との間に流路を形成するように前記線材が配置される板状部材と、から構成され、前記複数の電磁石が前記チューブの一面側及び他面側にそれぞれ設けられ、前記複数の電磁石の励磁を交互にオン、オフすることにより、そのオン時に前記電磁石と該電磁石から磁場を与えられた前記磁性材料とを一面側において同極にして互いに反発させると共に他面側において異極にして互いに吸引させて、前記チューブを部分的に圧閉し、その圧閉箇所を順次移動させることにより前記チューブ内の流体を送出することが好ましい。

本発明のマイクロポンプによれば、複数の電磁石が時系列に順次励磁されることにより、チューブの磁性材料が磁力を受けて、チューブが順次圧閉され、チューブ内の流体を送出するので、バルブを用いることなく、容易に極微量の流体を精度良く吐出することができる。また、チューブは、磁性材料が受ける磁力によってその形状を変形させるものであって、チューブの内径精度が問題とならず、各種流体に対応可能となる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るマイクロポンプを示す上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 （ａ）乃至（ｃ）は同マイクロポンプのポンプ作用を説明するための断面図。 （ａ）及び（ｂ）は同マイクロポンプが備えているチューブの例を示す斜視図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係るマイクロポンプを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 （ａ）は同マイクロポンプが備えている線材を示す斜視図、（ｂ）は同線材の他の例を示す斜視図。 （ａ）乃至（ｃ）は同マイクロポンプのポンプ作用を説明するための断面図。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロポンプについて、図１乃至図３を参照して説明する。図１に示すように、マイクロポンプ１は、磁性材料２を有し、かつ内部に流体を流すための流路３を形成する可撓性のチューブ４と、このチューブ４と対向するようにその長手方向に複数配置される電磁石５と、を備えている。チューブ４は扁平状に形成され、その一面側及び他面側に磁性材料２をそれぞれ配設している。これらの磁性材料２を配設したチューブ４は、その上流側及び下流側をそれぞれＮ極及びＳ極として同じ方向に着磁している。そのため、チューブ４の一面側及び他面側の磁性材料２は互いに反発している。複数の電磁石５は、チューブ４の一面側及び他面側にその長手方向に所定間隔をおいて磁性材料２と近接して配置されている。これら電磁石５は、チューブ４を挟んでその両面側において最上流に配置される一対の電磁石５１，５２、その下流側に配置される一対の電磁石５３，５４、及び最下流に配置される一対の電磁石５５，５６から構成されている。電磁石５１，５２、電磁石５３，５４、及び電磁石５５，５６はそれぞれ対となって対のものが同時にオン、オフ励磁される。チューブ４は、その上流端及び下流端において流体を流路３へ流入させる流体流入部６及び流体を流路３から吐出させる流体吐出部７をそれぞれ挿入されて固定されている。流体流入部６から流路３へ流入した流体は、マイクロポンプ１のポンプ作用によって流路３を進んで流体吐出部７から吐出される。

チューブ４は、磁性材料２が予め表面に印刷された薄肉シート２枚を貼り合わせて、流路３を形成するようにプレスしたものである。流路３の幅や深さは、マイクロメートルのオーダーとなっており、その経路は磁性材料２の形状によって決定される。チューブ４の材料は、流路３に流す流体の粘度等の物理的性質や水素イオン指数等の化学的性質を考慮して選択される。本実施形態では、チューブ４は、薄肉シート２枚により上述のように構成され、その内径精度を問題としないので、例えば熱膨張や弾性変形してチューブの内径にばらつきを生じ易い材料であっても選択することができる。そのため、従来よりもチューブ４の材料選択の幅が広がり、上記流体の性質を考慮して各種の流体に対応することができる。

電磁石５は、磁性材料２に磁場を与えるものであり、例えば鉄心にコイルを巻き付けて構成されている。電磁石５は、コイルに接続された励磁用電源（図示なし）によって励磁のオン、オフが交互に切り替えられる。この切り替えは、一対の電磁石５１，５２、一対の電磁石５３，５４、及び一対の電磁石５５，５６の順に時系列に移っていく。各電磁石５の両磁極は、チューブ４の長手方向に沿って並んでいる。ここで、各電磁石５について、チューブ４の上流側にある磁極を上流側磁極とし、下流側にある磁極を下流側磁極とする。本実施形態において、一対の電磁石５の励磁がオンのとき、チューブ４の両面側においてこれら電磁石５の上流側磁極及び下流側磁極がそれぞれＮ極及びＳ極となる。このとき、一対の電磁石５は、チューブ４の一面側及び他面側の磁性材料２の反発力よりも大きな反発力をそれらの磁性材料２に与えてチューブ４を変形させる。電磁石５は、マイクロポンプ１にポンプ作用を行わせるために、少なくとも３個以上並んで配置されることが好ましい。以下において、電磁石５１，５２、電磁石５３，５４、及び電磁石５５，５６をそれぞれ、電磁石ａ、電磁石ｂ、及び電磁石ｃと略記する。

上記のようなマイクロポンプ１のポンプ作用について、図２を参照して説明する。マイクロポンプ１が、図１（ｂ）に示す初期状態にあるとき、流体を流体流入部６から流路３へ流入させる。この状態では、いずれの電磁石ａ，ｂ，ｃの励磁もオフしており、チューブ４は自身の可撓性により、流路３を全開した姿勢になる。次に、図２（ａ）に示すように、電磁石ａの励磁をオンすると、チューブ４の一面側及び他面側において、電磁石ａとこの電磁石ａから磁場を与えられた磁性材料２が同極となって、それらが互いに反発してチューブ４の上流側の部分が圧閉される。それにより、流路３の上流側に滞留していた流体が下流側へ送出される。

次に、電磁石ａの励磁をオンしたままで、図２（ｂ）に示すように、電磁石ｂの励磁をオンすると、上記と同様に、電磁石ｂと磁性材料２が互いに反発してチューブ４の中央部分が圧閉される。図２の（ａ）から（ｂ）の状態に移行する途上では、チューブ４の上流側の部分は圧閉されたままなので、流路３の中央に滞留していた流体は、逆流することなく下流側へ送出される。その後、電磁石ａの励磁をオフすれば、チューブ４の上流側の部分はその可撓性により流路３を開いた元の状態に復元する。

次に、電磁石ｂの励磁をオンしたままで、図２（ｃ）に示すように、電磁石ｃの励磁をオンすると、電磁石ｃと磁性材料２が互いに反発して、チューブ４の下流側の部分が圧閉される。図２の（ｂ）から（ｃ）の状態に移行する途上では、流路３の下流側に滞留していた流体は、上記と同様に、逆流することなく流体吐出部７から吐出される。その後、電磁石ｂ，ｃの励磁を順次オフする。上記のような動作が繰り返されて、マイクロポンプ１のポンプ作用が行われる。

このように本実施形態のマイクロポンプ１によれば、電磁石ａ，ｂ，ｃが順次励磁されることにより、チューブ４の両面側において磁性材料２と電磁石ａ，ｂ，ｃとが互いに反発してチューブ４が順次圧閉され、チューブ４内の流体が送出される。従って、バルブを用いることなく、容易に極微量の流体を精度良く吐出することができる。また、チューブ４は、磁性材料２が受ける反発力によってその形状を変形させるものであって、薄肉シート２枚を貼り合わせたような構造でよく、チューブの内径精度が問題とならず、各種流体に対応できる。従って、製造が難しい内径精度の良いチューブを必要としない。

チューブ４は上記の他、図３（ａ）に示すように、扁平状のチューブで、その一面側（表）及び他面側（裏）に、テープ状の磁性材料２を張り付けたものでもよい。このチューブ４は、その表裏において、上流側及び下流側をそれぞれＮ極及びＳ極として同じ方向に着磁している。なお、表裏において逆方向に着磁したものでは、表裏の磁性材料２が互いに吸引して、チューブ４が密着してチューブ４の流路３が常に圧閉されてしまうことから好ましくない。また、図３（ｂ）に示すように、扁平状のチューブの表裏に斑模様に磁性材料２を複数配設したものでもよい。このチューブ４の表裏において、長手方向に並ぶ各磁性材料２の隣り合うもの同士の着磁方向は、逆になっている。こうすれば、隣り合う磁性材料２同士が反発するので、チューブ４がその長手方向に引っ張られて安定に保持される。

次に、本発明の第２の実施形態に係るマイクロポンプについて、図４乃至図６を参照して説明する。図４に示すように、マイクロポンプ１ａを構成するチューブ４は、磁性材料２を有した可撓性の線材８と、この線材８の長手方向に沿った所定深さの溝部９を有する板状部材１０と、から構成されている。線材８は、チューブ４の一面側において溝部９にその底部との間に流路３を形成するように挿入されている。複数の電磁石５は、前述実施形態と同様に、板状部材１０の一面側及び他面側にその長手方向に所定間隔をおいて配置される。

線材８は、図５（ａ）に示すように、長手方向に沿って表面に所定間隔をおいて磁性材料２を配設したものである。磁性材料２はそれぞれ、流路３に沿ったその上流側及び下流側がＮ極及びＳ極となるようにチューブ４の表面に着磁している。線材８は上記の他、図５（ｂ）に示すように、線材８の表面全体にわたって磁性材料２を配設したものでもよい。この線材８は、流路３に沿ったその上流側及び下流側がそれぞれＮ極及びＳ極となるように着磁しているが、磁性材料２のコストを考慮すると、図５（ａ）の方が好ましい。板状部材１０は、磁場を透過し、厚さ数ｍｍの扁平な基板の表面に溝部を形成したものである。なお、本例においては、前述の流体流入部６及び流体吐出部７の図示を省略している。

本実施形態において、一対の電磁石５の励磁がオンのとき、チューブ４の一面側において電磁石５の上流側磁極及び下流側磁極がそれぞれＮ極及びＳ極となり、他面側において上流側磁極及び下流側磁極がそれぞれＳ極及びＮ極となる。このとき、一対の電磁石５は、チューブ４の一面側において線材８の磁性材料２と反発し、他面側において線材８の磁性材料２と吸引するので、線材８は溝部９の底部へ移動する。

上記のようなマイクロポンプ１ａのポンプ作用について、図６を参照して説明する。マイクロポンプ１ａが、図４（ｂ）に示す初期状態にあるとき、線材８は流路３が全開状態となる位置にあり、流体を流体流入部（図示なし）から流路３へ流入させる。次に、図６（ａ）に示すように、電磁石ａの励磁をオンすると、チューブ４の一面側において電磁石ａとこの電磁石ａから磁場を与えられた磁性材料２が同極となって互いに反発し、他面側においてそれらが異極となって互いに吸引する。そのため、チューブ４の上流側において線材８が溝部９の底部へ移動して、流路３の上流側に滞留していた流体が下流側へ送出される。

次に、電磁石ａの励磁をオンしたままで、図６（ｂ）に示すように、電磁石ｂの励磁をオンすると、上記と同様に、チューブ４の一面側において電磁石ｂと磁性材料２が互いに反発し、他面側においてそれらが互いに吸引して、チューブ４の中央において線材８が溝部９の底部へ移動する。図６の（ａ）から（ｂ）の状態に移行する途上では、チューブ４の上流側において線材８は溝部９の底部へ移動したままなので、流路３の中央に滞留していた流体は、逆流することなく下流側へ送出される。その後、電磁石ａの励磁をオフすれば、チューブ４の上流側において線材８はその可撓性により流路３を開いた元の状態に復元する。

次に、電磁石ｂの励磁をオンしたままで、図６（ｃ）に示すように、電磁石ｃの励磁をオンすると、チューブ４の一面側において電磁石ｃと磁性材料２が互いに反発し、他面側においてそれらが互いに吸引して、チューブ４の下流側において線材８が溝部９の底部へ移動する。図６の（ｂ）から（ｃ）の状態に移行する途上では、流路３の下流側に滞留していた流体は、上記と同様に、逆流することなく流体吐出部（図示なし）から吐出される。その後、電磁石ｂ，ｃの励磁を順次オフする。

このように本実施形態のマイクロポンプ１ａによれば、電磁石ａ，ｂ，ｃが順次励磁されることにより、チューブ４の一面側において線材８の磁性材料２と電磁石ａ，ｂ，ｃが互いに反発し、他面側においてそれらが互いに吸引して、線材８が順次溝部９の底部へ移動して、チューブ４内の流体が送出される。従って、前述の実施形態と同様に、容易に極微量の流体を精度良く吐出することができる。また、チューブ４は、線材８を溝部９の底部へ移動させてチューブ４内の流体を送出する構造であって、内径精度が良いチューブを製造する場合に比べて、製造が容易である。

本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態において、電磁石５は、チューブ４の一面側又は他面側のいずれか一方のみに配置されてもよい。但し、上記第２の実施形態において、電磁石５がチューブ４の一面側のみに配置される場合、電磁石５と磁性材料２が同極となり、電磁石５が他面側のみに配置される場合、それらが異極となるように励磁が調整される。

１，１ａ マイクロポンプ
２ 磁性材料
３ 流路
４ チューブ
５，５１，５２，５３，５４，５５，５６，ａ，ｂ，ｃ 電磁石
８ 線材
９ 溝部
１０ 板状部材

Claims (3)

1. 磁性材料を有し、内部に流体を流すための流路を形成する可撓性のチューブと、
   前記チューブと対向するように該チューブの長手方向に所定間隔をおいて複数配置されて前記磁性材料に磁場を与える電磁石と、を備え、
   前記磁性材料は、前記チューブの長手方向に所定間隔をおいて着磁された磁極を有し、
   前記複数の電磁石を時系列に順次励磁することにより、前記チューブが順次圧閉されて前記チューブ内の流体を送出することを特徴とするマイクロポンプ。
2. 前記チューブは、扁平状に形成され、その一面側及び他面側に前記磁性材料をそれぞれ有し、これら磁性材料が互いに反発することにより前記流路を形成し、
   前記複数の電磁石の励磁を交互にオン、オフすることにより、そのオン時に前記電磁石と該電磁石から磁場を与えられた前記磁性材料とを同極にして互いに反発させて、前記チューブを部分的に圧閉し、その圧閉箇所を順次移動させることにより前記チューブ内の流体を送出することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記チューブは、前記磁性材料を有した可撓性の線材と、この線材の長手方向に沿った所定深さの溝部を有し、かつ該溝部にその底部との間に流路を形成するように前記線材が配置される板状部材と、から構成され、
   前記複数の電磁石が前記チューブの一面側及び他面側にそれぞれ設けられ、
   前記複数の電磁石の励磁を交互にオン、オフすることにより、そのオン時に前記電磁石と該電磁石から磁場を与えられた前記磁性材料とを一面側において同極にして互いに反発させると共に他面側において異極にして互いに吸引させて、前記チューブを部分的に圧閉し、その圧閉箇所を順次移動させることにより前記チューブ内の流体を送出することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。