JP2016065540A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造により、超微量の液体を送液することができる「ポンプ機能」と液体の流れを停止して、液体の流れを開閉することができる「バルブ機能」を併せ持つマイクロポンプを提供すること。【解決手段】複数のメイン励磁用ステータと励磁用ステータの内側に配置され、液体を輸送するためのチューブとチューブの管内に配置され、リードスクリュー形状の磁石ロータとを備えたマイクロポンプであって、上記励磁用ステータは、ヨーク及びこのヨークに巻かれて装着されたコイルを有し、上記チューブは、当該チューブの液体吐出口の内壁にチューブ側テーパ部を有し、かつ上記磁石ロータは、当該磁石ロータ一端に上記チューブ側テーパ部に嵌合可能な磁石ロータ側テーパ部を有していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明はマイクロポンプに関する。詳しくは、微量の液体を吐出する機能と液体の流れを開閉する機能とを備えたマイクロポンプに関する。さらに詳しくは、マイクロポンプを構成するチューブの液体吐出口の内壁にチューブ側テーパ部を備え、このチューブ側テーパ部に嵌合可能な磁石ロータ側テーパ部を備えたマイクロポンプに関する。

超微量の液体を輸送する手段として、いわゆるマイクロポンプが一般的に活用されている。マイクロポンプは、断続的に液体を輸送することができるポンプと、連続的に液体を輸送することができるポンプとに大別される。連続的に液体を輸送することができるポンプとしては、いわゆるギアポンプが知られている。しかしながら、ギアポンプは、微量の液体を輸送するために適したマイクロポンプではない。

ところで、いわゆるマイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）は、化学分析システムを小型化することを可能としている。このため、マイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）は、化学分析の対象となる反応サンプルの低減、及び試薬を低減させることができるという利点を有している。

化学分析を行う際には、超極微量のサンプル、試薬等の液体を、超微小流体回路を備えた基板等に送液することが必要となる。超極微量のサンプル、試薬等の液体を送液するための送液手段としてマイクロポンプが広く用いられている。

マイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）に用いられているマイクロポンプには、アクチュエータの機械的仕事を利用する機械式マイクロポンプ、電場等により流体に直接作用する体積力、表面力等を利用する非機械的マイクロポンプがある（例えば、非特許文献１）。

上記機械式マイクロポンプの中で、構造が単純で、吐出圧力の大きいダイアフラム型マイクロポンプが広く利用されている（例えば、特許文献１）。ダイアフラム型マイクロポンプは、ダイアフラムの弾性変形による容積変化を用いて流体を輸送する構造であるので、無効体積が大きいという問題点を有している。また、ダイアフラム型マイクロポンプは、液体を輸送する際に脈動を発生してしまうという問題がある。

また、別の観点において、マイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）に用いられているマイクロポンプは、液体の吐出口から供給口への逆流を防止するために必要な逆止弁を備えていなければならない。通常、逆止弁は、複雑な形状、構造をしている。このため、マイクロポンプに逆止弁を設けることは、極めて困難であるという技術上の問題を有する。しかも、逆止弁は、マイクロポンプの使用に伴い劣化する。その結果、逆止弁の蓋部の強度が低下し、吐出する流体の流量が一定とならないという不都合があった。さらに、逆止弁を備えたマイクロポンプは、高い粘度を有する液体、コロイド溶液等の微粒子を含む液体には対応できない。

このような技術的観点から、液体の補給口と吐出口を有するともに内部の円筒形のポンプ室を有するケーシングと、外周部にらせん状の溝が形成されたスクリュー軸とを有するマイクロポンプが提案されている（例えば、特許文献２）。

また、磁性光硬化樹脂で作製された回転子と、この回転子を駆動させるための電磁コイルとから構成される磁気駆動マイクロアクチュエータが提案されている（例えば、特許文献３）。

しかしながら、特許文献２に開示されたマイクロポンプは、マイクロポンプが備えているスクリュー軸の回転を停止することにより、吐出口から液体の吐出を停止することができるものに過ぎない。このため、シームレス性等が要求される液体を精度良く液送することができない。しかも、上記マイクロポンプは、スクリュー軸の回転のみによって、液体の逆流及び漏れを防止しているため、その効果は十分であると評価できるものではない。

また、特許文献３に開示された磁気駆動マイクロアクチュエータは、小型でかつ精度の良いスクリュー型マイクロ回転子を備えているに過ぎないものであり、このスクリュー型マイクロ回転子の回転を変化させることにより、流体の泳動速度を制御しているに過ぎない。

このようにマイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）に用いられているマイクロポンプは、マイクロポンプが備えている回転子の回転によって、微量の液体を吐出させ、かつ液体の流れの開閉を行っており、マイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）の更なる精度向上の観点からは、その改良が強く望まれている。

しかも、マイクロポンプに必要とされている液体を輸送する「ポンプ機能」と液体の流れを開閉する「バルブ機能」を両立させるためには、これらの機能を奏することができる部材をそれぞれ別部材として、組み込まなければならないという問題点がある。その結果、マイクロポンプが大型化してしまうという不都合がある。超微量の液体を輸送し、液体の量を制御することができる「ポンプ機能」と、当該機能のフェールセーフの機能を併せ持つことは、マイクロポンプを構成する部品として技術的にきわめて有意義である。なお、本件特許出願人は、上記文献公知発明が記載された刊行物として、以下の刊行物を提示する。

特開平１０−１１０６８１号公報 特開２００６−１４４７４０号公報 特開２０１０−１７２１１２号公報

門並秀樹、武村研治郎、山本晃生「静電駆動型マイクロスクリューポンプ」日本機械学会論文集（Ｃ編）、第７６巻７７０号 ２０１０年１０月号

本発明は、かかる技術的事情に鑑みなされたものであって、従来のマイクロポンプにおける問題を解決し、簡易な構造により、超微量の液体を輸送することができる「ポンプ機能」と、かつ液体の流れを開閉することができる「バルブ機能」を有するマイクロポンプ、及び微量液体供給装置を提供することを課題とする。

本件発明者は、鋭意技術的検討を行った結果、液体を輸送するチューブの中に配置され、リードスクリュー形状の磁石ロータの少なくとも一端に上記パイプ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状のロータ側テーパ部を設けることにより、超微量の液体を輸送することができるという「ポンプ機能」と、液体の流れを開閉することができる「バルブ機能」とを同時に発揮できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、超微量の液体を輸送し、その量を自由自在に制御することができる「ポンプ機能」と、液体の輸送に起きる「バルブ機能」と、当該機能がフェールセーフ側に働く機能とを併せ持ち、これらの機能を一体の構成において発揮することができるマイクロポンプに関する。より具体的には、本発明は以下の技術的事項から構成される。

（１） 複数のメイン励磁用ステータと、
前記メイン励磁用ステータの内側に配置され、液体を輸送するためのチューブと、
前記チューブの管内に配置され、リードスクリュー形状の磁石ロータと、を備えたマイクロポンプであって、
前記メイン励磁用ステータは、ヨーク及び前記ヨークに巻回されて装着されたコイルを有し、
前記チューブは、当該チューブの液体吐出口の内壁にチューブ側テーパ部を有し、かつ、
前記磁石ロータは、当該磁石ロータ一端に前記チューブ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状の磁石ロータ側テーパ部を有していることを特徴とするマイクロポンプ。

（２） 前記メイン励磁用ステータが励磁状態である場合には、
前記磁石ロータが前記メイン励磁用ステータの軸方向中心部に移動して、かつ、前記磁石ロータが回転することにより前記チューブの液体が送り出され、
前記メイン励磁用ステータが非励磁状態である場合には、
前記磁石ロータ側テーパ部が前記チューブ側テーパ部に嵌合することにより前記チューブの液体の流れを停止することを特徴とする（１）に記載のマイクロポンプ。

（３） 前記チューブ側テーパ部の外側に前記磁石ロータ側テーパ部を前記チューブ側テーパ部に嵌合させるためのサブ励磁用ステータを備えたことを特徴とする（１）又は（２）に記載のマイクロポンプ。

（４） 前記メイン励磁用ステータが非励磁状態であり、前記サブ励磁用ステータが励磁状態である場合には、
前記磁石ロータ側テーパ部が前記チューブ側テーパ部に嵌合することにより前記チューブの液体の流れを停止することを特徴とする（３）に記載のマイクロポンプ。

（５） 前記チューブの管内における前記磁石ロータの位置を検出する位置検出手段と、
前記検出手段による検出結果に基づき、前記メイン励磁用ステータ及び／又はサブ励磁用ステータが発生する回転磁界を制御する回転磁界制御手段と、
前記磁石ロータの回転方向及び回転数を制御する回転制御手段とを備えたことを特徴とする（１）〜（４）いずれか１に記載のマイクロポンプ。

（６） 前記磁石ロータの軸長ｌと、前記メイン励磁用ステータの軸長Ｌの比が、
０．１≦ｌ／Ｌ≦１．０であることを特徴とする（１）〜（５）いずれか１に記載のマイクロポンプ。

（７） 前記磁石ロータが前記メイン励磁用ステータの軸長の範囲から逸脱して移動ないようにストッパーを設けることを特徴とする（１）〜（６）いずれか１に記載のマイクロポンプ。

（８） 前記チューブは、当該チューブの液体供給口の内壁にチューブ側テーパ部を有し、かつ、
前記磁石ロータは、前記チューブ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状の磁石ロータ側テーパ部を有していることを特徴とする（１）〜（７）いずれか１に記載のマイクロポンプ。

（９） 前記磁石ロータが非磁性材料で被覆されていることを特徴とする（１）〜（８）いずれか１に記載のマイクロポンプ。

（１０） 前記非磁性材料がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする（９）に記載のマイクロポンプ。

本発明によれば、超微量の液体を輸送液することができる「ポンプ機能」と、液体の輸送を停止して、液体の流れを開閉することができる「バルブ機能」とを同時に発揮することができるマイクロポンプが提供される。また、本発明によれば、超微量の液体の送液の機能とともに、ポンプ機能に要求されるバルブ機能を同一系内の部材により実現することができるマイクロポンプが提供される。さらに、本発明のマイクロポンプは、軸受装置を必要としないため、小型化が可能である。しかも、本発明のマイクロポンプは、軸受装置から流出する恐れのある潤滑油によって、輸送される液体の汚染がない。

マイクロポンプの外観を示したモデル図である。 マイクロポンプの断面図（Ａ−Ａ’）である。 励磁用ステータの斜視図及び断面図を示した図である。 励磁用ステータケースの斜視図及び断面図を示した図である。 励磁用ステータにチューブを挿入した状態を示した図である。 磁石ロータ側テーパ部及びチューブ側テーパ部の断面形状（分離時（ａ）、嵌合時（ｂ））を示した図である。 磁石ロータ側テーパ部及びチューブ側テーパ部の断面形状のバリエーションを示した模式図である。 チューブ内壁と磁石ロータとの位置関係を示した模式図である。 サブ励磁用ステータを備えたマイクロポンプＤ２（実施形態２）の断面図である。 磁石ロータの回転数（ｒｐｍ）と液体吐出量（μｌ／ｍｉｎ）との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態を適宜図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する本発明を実施形態及び実施例は例示のみを目的とし、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。本発明の主旨を逸脱しないことを条件として、本発明の変更、例えば、本発明の構成要件の追加、削除及び置換を行うことができる。本明細書において言及される全ての文献はその全体が引用により本明細書に取り込まれる。

＜実施形態１＞
（マイクロポンプの構造）
図１は、本発明のマイクロポンプＤ１の構造を示した概略図である。マイクロポンプＤ１は、液体タンク２０とメイン励磁用ステータ本体２６を内蔵している。マイクロポンプＤ１は、その上部に液体タンク２０を保護するためのケーシング１２ａを備えている。また、マイクロポンプＤ１は、その下部にメイン励磁用ステータケース１４を保護するためのケーシング１２ｂを備えている。ケーシング１２ａは、メイン励磁用ステータケース１４の外周上部の側面に外接して嵌合されている。ケーシング１２ｂは、メイン励磁用ステータケース１４の外周下部の側面に外接して嵌合されている。

液体タンク２０は、その上部に液体タンク蓋１０を備えている。液体タンク蓋１０は、ケーシング１２ａの上部外周側面と嵌合し、かつ液体タンク２０の上面とも嵌合することによって、液体タンク２０の上面を密閉している。液体タンク蓋１０は、その中心点Ｃから液体タンク２０の下方に向かって延びるストッパー２２を備えている。なお、ストッパー２２の役割については後述する。

液体タンク２０を構成する材料は、液体４０の貯蔵及び保存に適した材料であれば、特に限定されるものではないが、ステンレス鋼、テフロン（登録商標）等を例示することができる。

ここで、本発明のマイクロポンプＤ１が輸送の対象としている液体４０とは、いわゆる低粘性の液体である。すなわち、本発明のマイクロポンプＤ１は、粘度が０．０１〜２．０ｃＰの液体を対象としている。本発明のマイクロポンプが輸送の対象としている液体は、上記粘度を有する液体であれば特に制限されるものではないが、例えば、水、純水、超純水、アセトン、ヘキサン、酢酸エチル、芳香族化合物等の有機溶媒、薬剤を含有する溶液を例示することができる。

また、液体タンク蓋１０を構成する材料は、加工性に優れており、液体タンク２０とシームレスに嵌合することができるものであれば、特に制限されるものではないが、プラスチック、金属等を例示することができる。ケーシング１２ａ及びケーシング１２ｂを構成する材料は、機械的特性及び耐久性に優れたものであれば、特に制限されるものではないが、ガラス、金属、プラスチック等を例示することができる。

ケーシング１２ａの上部外周側面には、液体を液体タンク２０に外部より供給するための液体タンク注入口１８が設けられている。さらに、液体タンク注入口１８に液体供給用チューブ（図示せず）を連通させて、マイクロポンプＤ１の外部より液体４０を供給してもよい。液体タンク２０から吐出された液体４０は、チューブ３０の管内に形成された液体流路２００を通過して外部に吐出される。

図２は、マイクロポンプＤ１の軸方向の断面構造（Ａ−Ａ’）を示した断面図である。図２に示すように、液体タンク２０は、ケーシング１２ａに内接している。液体タンク２０の下部は、円錐形状を有している。液体タンク２０の下部には、上記円錐形状の頂点となる部分にチューブ３０を設置するためのチューブ挿入口２８が設けられている。

液体供給口となるチューブ３０の末端は、液体タンク２０の下部付近まで到達している。チューブ３０の管内が液体４０の液体流路２００となる。液体タンク２０に貯蔵されている液体４０は、チューブ３０の管内を通過し、液体流路２００の末端から吐出される。

チューブ３０は、液体タンク２０及びメイン励磁用ステータケース１４に内蔵されるメイン励磁用ステータ本体２６の内部を連通している。チューブ３０は、液体タンク２０及びメイン励磁用ステータケース１４を通じて、一体として形成されていてもよい。また、チューブ３０は、液体タンク２０及びメイン励磁用ステータケース１４を通じて、一体として形成されていなくてよい。チューブ３０は、液体供給用チューブ１６ａと液体吐出用チューブ１６ｂとの組み合わせによって構成されていてもよい。なお、チューブ３０を構成する材料は、輸送する液体４０の性質に応じて、適宜採用することができ、親水性の材料であっても、疎水性の材料であってもよい。また、チューブ３０を構成する材料は、非磁性材料であれば、特に制限されるものではなく、プラスチック等の有機材料、金属、金属等を含む複合材料であってもよい。

（メイン励磁用ステータ）
マイクロポンプＤ１は、メイン励磁用ステータ本体２６（固定子）を内蔵している。図３は、メイン励磁用ステータ本体２６を示した図である。図３（Ａ）は、メイン励磁用ステータ本体２６の斜視図であり、図３（Ｂ）は、メイン励磁用ステータ本体２６の上面図である。

図３（Ａ）に示されるようにメイン励磁用ステータ本体２６は、第１ヨーク（２６ａ）第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）から構成されていてもよい。各ヨークは、突極型界磁極である。メイン励磁用ステータ本体２６を構成する第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）は、交流電流が通電されることにより回転磁界を発生する。第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）からなる励磁用ステータ本体２６は、３極型のメイン励磁用ステータ本体２６となる。メイン励磁用ステータ本体２６を構成する材料は、透磁率が高く、磁界が通り易い素材であれば、特に制限されるものではないが、ケイ素鋼板、電磁鋼板等を採用することができる。なお、メイン励磁用ステータ本体２６は、交流電流による回転磁界の軸方向に発生する渦電流損失を低減するためにケイ素鋼板からなる薄板のラミネート体を採用することが好ましい。

第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）の各ヨークは、径方向の断面形状が略Ｈ形状である。図３（Ｂ）に示されるように、第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）各ヨークは、径方向の中心に向かって略１２０°の位相角を以って配置されている。

メイン励磁用ステータ本体２６は、第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）から構成されることによって、磁石ロータ１００をチューブ３０の管内において、移動及び回転させるための回転磁界を発生させることができる。第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）には、三相交流のＵＶＷ相の電流を流すためのコイル２６ｄが巻回されている。第１ヨーク（２６ａ）に巻回されたコイル２６ｄの末端をそれぞれＲ_１、Ｒ_２とした。第２ヨーク（２６ｂ）に巻かれたコイル２６ｄの末端をそれぞれＴ_１、Ｔ_２とした。第３ヨーク（２６ｃ）に巻かれたコイル２６ｄの末端をそれぞれＳ_１、Ｓ_２とした。第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）に巻回されたコイル２６ｄの各末端は、電気回路を形成して電源に接続される。メイン励磁用ステータ本体２６は、中心点Ｃ（図３参照）を中心にして、電源により印加される交流電流の周波数と同じ回転磁界を発生させることができる。

メイン励磁用ステータ本体２６の構成は、回転磁界を発生することができるものであれば、これに限定されるものではない。例えば、ロータ磁石が２極に着磁されている場合、径方向の断面形状が略半円状の形状を有する第１ヨーク、及び第２ヨークから構成されていてもよい。図３（Ｃ）は、メイン励磁用ステータ本体２７の斜視図であり、図３（Ｄ）は、メイン励磁用ステータ本体２７の上面図である。図３（Ｃ）に示されるようにメイン励磁用ステータ本体２７は、第１ヨーク（２７ａ）及び第２ヨーク（２７ｂ）から構成されている。各ヨークは、突極型界磁極である。メイン励磁用ステータ本体２７を構成する第１ヨーク（２７ａ）及び第２ヨーク（２７ｂ）は、交流電流が通電されることにより回転磁界を発生する。第１ヨーク（２７ａ）及び第２ヨーク（２７ｂ）からなる励磁用ステータ本体２７は、２極型のメイン励磁用ステータ本体２７となる。２極型のメイン励磁用ステータ本体２７は、磁石ロータが一方向にのみ回転するように回転磁界が発生する。この回転磁界は、２極の偏りが発生するように磁場分布を有している。なお、一般には、一相を形成するためには、Ｎ極とＳ極とが必要となる。すなわち、一相を形成するためには、２極必要となる。例えば、三相を形成させるためには、６極必要となる。

本発明のマイクロポンプＤ１が搭載するメイン励磁用ステータ本体２６は、第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）の３極から構成されていてもよい。本発明のマイクポンプＤ１に搭載される磁石ロータ１００は、その内径及びその長さが数ミリ程度であるので、各相を単独の三極としてコイル２６ｄを巻回して、対極を形成するＮ極、あるいはＳ極の対極は仮想磁極として存在させて、回転磁界を発生させている。

各ヨークの凹部には、回転磁界を発生させるためのコイル２６ｄが巻回されている。各ヨークに巻回されているコイル２６ｄは、電源に接続されており、交流電流が印加される。コイル２６ｄに交流電流が印加されることにより回転磁界が発生する。各ヨークに巻回されているコイル２６ｄ、及びコイル２６ｄが有している巻回数は、磁石ロータの駆動及び回転を十分に行うことができる程度であれば特に制限されるものではない。例えば、コイル２６ｄは、その外径が０．１〜０．５ｍｍであり、ホルマル線、ポリウレタン銅線、ポリエステル銅線、ポリエステルイミド銅線、ポリアミドイミド銅線、ポリイミド銅線等であってもよい。また、コイル２６ｄの巻回数は、特に制限されるものではないが、メイン励磁用ステータ本体２６をコンパクトに設計させる観点から２０〜１００Ｔ巻が好ましい。また、メイン励磁用ステータ本体が２極タイプである場合にも各ヨークの凹部には、回転磁界を発生させるためのコイル２７ｃが巻回されている。コイル２７ｃに交流電流が印加されることにより回転磁界が発生する。

図４は、メイン励磁用ステータケース１４の斜視図及び断面図を示した図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すようにメイン励磁用ステータケース１４に励磁用ステータ本体２６（３極）を構成する第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）の各ヨークがセットされている。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）の各ヨークは、メイン励磁用ステータケース１４の保持空間２５に挿入されて、エポキシ樹脂等を用いることによって、固定化される。図４（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようにメイン励磁用ステータケース１４にメイン励磁用ステータ本体２７（２極）を構成する第１ヨーク（２７ａ）及び第２ヨーク（２７ｂ）の各ヨークがセットされている。図４（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、第１ヨーク（２７ａ）及び第２ヨーク（２７ｂ）の各ヨークは、メイン励磁用ステータケース１４の保持空間２５に挿入される。

図５は、メイン励磁用ステータ本体２６（３極）にチューブ３０を挿入した状態を示した図である。図５において、メイン励磁用ステータ本体２６に設けられたチューブ挿入口２８にチューブ３０が挿入されている。メイン励磁用ステータ本体２６を構成する第１ヨーク（２６ａ）、第２ヨーク（２６ｂ）、及び第３ヨーク（２６ｃ）に巻回されたコイル２６ｄに交流電流が印加されることにより、回転磁界が発生する。発生した回転磁界は、非磁性であるチューブ３０の管内を通過する。

（磁石ロータ）
次に、本発明のマイクロポンプＤ１の中心的役割を担う磁石ロータ１００について説明する。磁石ロータ１００は、チューブ３０の管内に配置されている。チューブ３０の管内は、液体４０の液体流路２００となる。磁石ロータ１００は、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の分布に従って、チューブ３０の管内を軸方向に移動する。また、磁石ロータ１００は、チューブ３０の管内において、回転する。具体的には、磁石ロータ１００は、径方向に正回転、負（逆）回転、及び回転停止をする。

磁石ロータ１００の形状は、磁石ロータ１００がチューブ３０の管内において軸方向に移動することができ、径方向に正回転（例えば、時計周り方向）、負（逆）回転（例えば、反時計周り方向）することができ、かつ液体４０を輸送することができる形状であれば、特に制限されるものではない。好ましい磁石ロータ１００の形状は、リードスクリュー形状である。

例えば、磁石ロータ１００がリードスクリュー形状を有する場合について説明する。リードスクリュー形状を有する磁石ロータ１００のスクリューのリード角（θ）は、液体４０を流すことができる範囲であれば特に制限されないが、０〜４０°である。上記リード角（θ）がかかる範囲であると、低粘度の液体４０を効率的に輸送することができるため好ましい。

リードスクリュー形状を有する磁石ロータ１００のスクリューの歯の幅（ｅ）は、０．１０〜２．００ｍｍであることが好ましい。上記スクリューの歯の幅（ｅ）がかかる範囲であると、低粘度を有する液体４０を効率的に輸送することができるため好ましい。

リードスクリュー形状を有する磁石ロータ１００の大きさは、チューブ３０の内径及び軸方向の長さに依存する。リードスクリュー形状を有する磁石ロータ１００の大きさは、外径が０．１〜５．０ｍｍ、軸方向の長さｌが０．４〜１０．０ｍｍの場合、らせんピッチ０．０５〜５．０ｍｍであることが好ましい。磁石ロータ１００の軸方向における長さｌは、メイン励磁ステータ本体２６の軸方向の長さＬとの相対関係によって決定される。

具体的には、磁石ロータ１００の軸方向の長さｌとメイン励磁用ステータ本体２６の軸長Ｌの比が０．１≦ｌ／Ｌ≦１．０となるように決定される。磁石ロータ１００の軸方向の長さｌがメイン励磁用ステータ本体２６の軸長Ｌを超えることはない。磁石ロータ１００の軸方向の長さｌとメイン励磁用ステータ本体２６の軸長Ｌの比は、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域内に磁石ロータ１００が存在するように決定された値である。

磁石ロータ１００は、磁石で構成されていてもよく、磁性光硬化樹脂を用いて作製されていてもよい。すなわち、磁石ロータ１００は、磁石それ自体を加工成形して作製されたもの、磁性光硬化樹脂を加工成形した作製されたものを含む。

磁石ロータ１００を構成する磁石としては、リードスクリュー形状を有し、所定の大きさを形成することができる磁石であれば特に制限されるものではいが、例えば、鋳造磁石、塑性加工磁石、フェライト磁石、希土類磁石、ボンド磁石、特殊磁石を例示することができる。

鋳造磁石としては、アルニコ磁石、鉄・クロム・コバルト磁石を例示することができる。塑性加工磁石としては、鉄−マンガン系、鉄−クロム−コバルト系磁石を例示することができる。また、フェライト磁石としては、バリウム系・ストロンチウム系磁石を例示することができる。希土類磁石としてはサマリウム−コバルト系磁石、ネオジウム−鉄−ホウ素系磁石を例示することができる。ボンド磁石としては、フェライト系の鉄−マンガン磁石、ニオブ−鉄−ホウ素系磁石を例示することができる。その他、マンガン−アルミ・カーボン磁石、プラセオジム磁石、プラチナ磁石等を例示することができる。

このように例示された磁石を磁石ロータ１００の材料として使用して、リードスクリュー形状に切削加工する。なお、切削加工方法及び磁気異方性による着磁方法は、材料として採用した磁石により異なり、適宜定法に従って行うことができる。磁石ロータ１００は、当該磁石ロータ１００の短軸方向に対して、当該磁石ロータの径方向に２極の着磁を施していてもよい。このように上記径方向に磁気異方性を施すことにより、着磁することにより、磁石ロータ１００の回転、移動及び停止を緻密に制御することができるため好ましい。

磁石ロータ１００が磁性光硬化樹脂を用いて作製されたものである場合について説明する。磁性光硬化樹脂は、光硬化樹脂、磁性微粒子、及び増粘剤から構成されている。光硬化樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、オキセタン系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系樹脂等が挙げられる。磁性微粒子としては、希土類微粒子、フェライト系微粒子等が挙げられる。増粘剤としては、ヒュームシリカ、炭酸カルシウム等が挙げられる。磁性光硬化樹脂は、光硬化樹脂、磁性微粒子、及び増粘剤を混入し撹拌することにより形成される。

磁石ロータ１００は、磁石又は磁性光硬化樹脂を用いて作製されたものであり、その表面を加工したものであっても、非磁性材料で被覆されていてもよい。非磁性材料は、特に制限されるものではないが、いわゆるテフロン系樹脂、エポキシ系樹脂であってもよい。テフロン系樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン、エポキシ系樹脂としては、ビスフェーノールＡ、ビスフェーノールＦ等を例示することができる。また、磁石ロータ１００は、非磁性材料を注意深く採択することにより、親水性の磁石ロータ１００としても疎水性の磁石ロータ１００として使用することができる。

（磁石ロータ側テーパ部及びチューブ側テーパ部）
図６に磁石ロータ側テーパ部１６０及びチューブ側テーパ部１８０の断面形状を示した。図６（ａ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０と及びチューブ側テーパ部１８０とが嵌合する前の断面図である。磁石ロータ１００は、チューブ３０の管内を軸方向に移動する。磁石ロータ１００は、メイン励磁用ステータ本体２６から発生する回転磁界の分布に依存して移動する。メイン励磁用ステータ本体２６が励磁状態である場合には、磁石ロータ１００は、ポテンシャル的に最も安定な位置であるチューブ３０の中央付近に位置する。この場合には、磁石ロータ側テーパ部１６０とチューブ側テーパ部１８０は分離した状態となる。

図６（ｂ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０と及びチューブ側テーパ部１８０とが嵌合している時の断面図である。励磁用ステータ本体２６が非励磁状態である場合には、磁石ロータ１００は、チューブ３０の中央付近から、反力等によりチューブ側テーパ部１８０に移動し、磁石ロータ側テーパ部１６０と及びチューブ側テーパ部１８０とが嵌合する。

磁石ロータ側テーパ部１６０は、液体吐出用チューブ１６ｂに設けられたチューブ側テーパ部１８０と嵌合することができる形状であれば、特に制限されるものではない。図７は、液体吐出用チューブ１６ｂ側に設けられた磁石ロータ側テーパ部１６０と、液体吐出用チューブ１６ｂに設けられたチューブ側テーパ部１８０の組み合わせを示したモデル図である。

図７（ａ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０の形状がピントル形状となっている磁石ロータ１００と、この磁石ロータ側テーパ部１６０と嵌合することができる凹部を有しているチューブ側テーパ部１８０を示したモデル図である。磁石ロータ側テーパ部１６０の形状がピントル形状となっている磁石ロータ１００は、いわゆる「ネジ切り」型の磁石ロータということができる。

図７（ｂ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０の先端部形状が尖形となっている磁石ロータ１００と、この磁石ロータ側テーパ部１６０と嵌合することができる尖形の凹部を有しているチューブ側テーパ部１８０を示したモデル図である。図７（ｃ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０の形状が段部を備え、さらに当該段部上にボタン状の凸部を有している磁石ロータ１００と、この磁石ロータ側テーパ部１６０と嵌合することができるボタン状の凹部を有しているチューブ側テーパ部１８０を示したモデル図である。図７（ｄ）は、磁石ロータ側テーパ部１６０の先端部形状がピントル形状であり、当該先端部と「ネジ切り」型の磁石ロータ部分の間に円筒状の中間部を備えたチューブ側テーパ部１８０を示したモデル図である。

図７（ａ）〜（ｄ）からも明らかなように、マイクロポンプＤ１が備えている磁石ロータ側テーパ部１６０は、液体吐出用チューブ１６ｂに設けられたチューブ側テーパ部１８０と三次元方向に接触をすることにより嵌合することができる。このため、チューブ３０の管内を通過する液体４０が、液体吐出用チューブ１６ｂの流路２００に侵入することを防止することができる。すなわち、本発明のマイクロポンプＤ１は、磁石ロータ側テーパ部１６０と、液体吐出用チューブ１６ｂに設けられたチューブ側テーパ部１８０との共働関係によりシームレス構造を構築し、液体４０の吐出を完全にシャットアウトすることができるというバルブ機能を発揮する。

さらに、磁石ロータ側テーパ部１６０にネジ部を設け、チューブ側テーパ部１８０には、上記ネジ部と嵌合するように溝部を設けてもよい。また、磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と嵌合し易いように、チューブ側テーパ部１８０の内壁にジョイント（図示せず）を設けてもよい。

（液体吐出用チューブ）
液体吐出用チューブ１６ｂの管内は、液体４０が輸送される液体流路２００となる。液体吐出用チューブ１６ｂの内径は、液体４０の表面張力により液体４０が流出することのない程度の大きさであれば特に制限されるものではないが、０．１００〜１０ｍｍ^２であることが好ましい。液体吐出用チューブ１６ｂの内径は、特に好ましくは、１００μｍ^２〜１．０ｍｍ^２である。

（磁石ロータとチューブ内壁との関係）
図８は、チューブ内壁３０Ｗと磁石ロータ１００との関係を示した模式図である。チューブ３０の管内には、磁石ロータ１００が配置されている。

磁石ロータ１００は、磁石ロータスクリュー部１２０、磁石ロータ棒状部１４０、及び磁石ロータ側テーパ部１６０を有している。磁石ロータ１００は、液体吐出用チューブ１６ｂ側に磁石ロータ側テーパ１６０を有している。磁石ロータ側テーパ部１６０は、液体吐出用チューブ１６ｂに設けられたチューブ側テーパ部１８０と嵌合するような形状を有している。

チューブ３０の管内は、マイクロポンプＤ１によって輸送される液体４０によって満たされている。磁石ロータ１００は、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の影響を受ける。このため、磁石ロータ１００は、液体４０で満たされたチューブ３０の管内において、液体４０を介して励磁用ステータ本体２６の片側の端部に移動する。

図８に示すように、磁石ロータ１００は、チューブ内壁３０Ｗと磁石ロータ１００を構成するリードスクリューの外縁部との距離ｄが一定の間隔を維持して、チューブ３０の管内において、回転している。磁石ロータ１００は、チューブ３０の管内において軸方向に移動することができ、径方向に回転することができる。磁石ロータ１００がチューブ３０の管内において、軸方向に移動、及び径方向に回転する場合であっても、磁石ロータ１００は、磁石ロータ１００を構成するリードスクリューの外縁部との距離ｄが一定の間隔を維持して、チューブ３０の管内において回転している。このように、本発明のマイクロポンプは、軸受けを備えることなく、回転磁界により磁石ロータ１００を制御することができる。

磁石ロータ１００を構成するリードスクリューの外縁部との距離ｄは、磁石ロータ１００を構成するリードスクリューの外縁部がチューブ３０の内壁と接触することなく、かつ、液体４０を輸送するための距離であれば特に制限されるものではないが、１．０〜３０．０μｍであることが好ましい。距離ｄがかかる範囲であると、チューブ３０の管内の内容積と磁石ロータ１００が占める体積との体積差が１．０〜１００μｌとすることができるため好ましい。

磁石ロータスクリュー部１２０は、磁石ロータスクリュー溝部１２０Ｓを有している。磁石ロータスクリュー溝部１２０Ｓは、溝構造を有している。磁石ロータスクリュー溝部１２０Ｓには、チューブ３０管内を移動する液体４０が入り込む。磁石ロータ１００が回転し、チューブ３０管内を移動することによって、磁石ロータスクリュー溝部１２０Ｓに入り込んだ液体４０が輸送される。

磁石ロータ１００は、チューブ内壁３０Ｗと磁石ロータ１００を構成するリードスクリューの外縁部との距離ｄが一定の間隔を維持して、チューブ３０の管内において、回転している。チューブ内壁３０Ｗとリードスクリューの外縁部との間に空隙が形成される。

チューブ内壁３０Ｗとリードスクリューの外縁部との間に形成される空隙を通過する液体４０と、磁石ロータスクリュー溝部１２０Ｓに入り込んだ液体４０との合計量がマイクロポンプＤ１によって輸送される液体４０の量となる。

（マイクロポンプＤ１の作用・機能）
次に、本発明のマイクロポンプＤ１の作用・機能について説明する。まず、液体タンク２０の液体タンク蓋１０を取り外して、液体タンク２０内に所要量の液体４０を注入する。チューブ３０の管内は、液体４０で満たされる。磁石ロータ１００は、液体４０によって満たされたチューブ３０の管内において回転する。

次に、三相交流電源（図示せず）をＯＮにして、メイン励磁用ステータ本体２６に巻回されたコイル２６ｄに交流電圧を印加する。メイン励磁用ステータ本体２６によって発生する回転磁界によって、磁石ロータ１００は、励磁ステータ本体２６の中央部付近に移動し、正回転（又は逆回転）を開始する。ここで、マイクロポンプＤ１は、同期電動機であり、通常はトルクが発生しない。

しかしながら、本発明のマイクロポンプＤ１は、磁石ロータ１００が磁性体であるから、メイン励磁用ステータ本体２６によって発生する回転磁界によって磁石ロータスクリュー部１２０の軸方向に電流が発生し、上記回転磁界と交差することよって、いわゆる「かご型誘導電動機」として起動が可能となっている。こうして、マイクロポンプＤ１が起動した後は、同期引き込みトルクによって、同期発動機としてトルクを発生して、液体４０の輸送を行う。

（制御手段）
マイクロポンプＤ１は、その外部に制御装置として、チューブ３０の管内における磁石ロータ１００の位置を検出する位置検出手段を備えている。位置検出手段としては、磁気センサー、光電センサー等の各種センサーを採用することができる。位置検出手段によって、チューブ３０の管内における磁石ロータ１００の位置データ（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）を検出することができる。

Ｘ軸方向の磁石ロータ１００の位置データＰｘは、チューブ３０の管内の軸方向における位置データである。Ｙ軸方向の磁石ロータ１００の位置データＰｙは、チューブ３０の管内の径方向における位置と直交する位置データである。Ｚ軸方向の磁石ロータ１００の位置データＰｚは、チューブ３０の管内の径方向におけるＹ軸方向における位置と直交する位置データである。位置検出手段によって、チューブ３０の管内における位置データを検出することができ、検出された位置データを基礎として、回転磁界を制御することができる。位置検出手段によって検出された磁石ロータ１００の位置データは、回転磁界制御手段に送信される。

さらに、マイクロポンプＤ１は、その外部に制御装置として、メイン励磁ステータ本体２６によって発生する回転磁界を調整する回転磁界制御手段を備えている。回転磁界制御手段は、回転磁界の方向及び大きさを制御する。回転磁界の方向及び大きさを制御することによって、チューブ３０の管内における磁石ロータ１００の位置を制御することができる。

また、マイクロポンプＤ１は、その外部に制御装置として、磁石ロータ１００の回転方向及び回転数を制御する回転制御手段を備えている。磁石ロータ１００の回転方向は、正回転、負回転（逆回転）の二方向である。また、回転制御手段は、磁石ロータ１００の回転を停止する機能を有している。回転制御手段は、磁石ロータ１００の極磁を検知することによって、磁石ロータ１００の回転を制御することができる。回転制御手段は、所定の電気回路より構成されている。回転制御手段の正回転状態、負回転（逆回転）状態、及び停止状態は、ＬＥＤ等の光源によって表示されることができる。なお、磁石ロータ１００の１回転は、ＬＥＤ等の光源の点灯と消滅の１サイクルを以って１回転と表すことができる。

回転制御手段は、磁石ロータ１００の回転数を制御する。磁石ロータ１００の回転数は、液体４０の輸送量に合せて調整することができる。磁石ロータ１００の回転数は、特に制限されるものではないが、１００〜１００００回転／分である。例えば、液体４０の輸送量を０．０１〜０．１ｍｌ／分に設定したい場合には、磁石ロータ１００の回転数を１００〜１０００回転／分とすることが好ましい。なお、回転制御手段は、インバータ制御により交流周波数を自由に変更して、磁石ロータ１００の回転数を調整することができる。

（ストッパー）
マイクロポンプＤ１は、液体タンク蓋１０を備えている。液体タンク蓋１０の中心点Ｃから液体タンク２０の下方に向かって延びるストッパー２２を備えている。ストッパー２２は、磁石ロータ１００がチューブ３０の管内において、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域から逸脱しないようにするための部材である。磁石ロータ１００が、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域から逸脱する場合には、ストッパー２２が液体供給用チューブ１６ａ側に移動してくる磁石ロータ１００を押し返す。

磁石ロータ１００は、ストッパー２２の抗力によって、メイン励磁ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域に戻る。そして、磁石ロータ１００は、ポテンシャル的に安定した位置において、正（逆）回転、及びチューブ３０の管内を移動する。

磁石ロータ１００の軸方向の長さｌとメイン励磁用ステータ本体２６の軸長Ｌの比は、０．１≦ｌ／Ｌ≦１．０となるように調整されている。ｌ／Ｌの値が０．１≦ｌ／Ｌ≦１．０であると、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域内に磁石ロータ１００が存在する。しかしながら、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の強度、磁石ロータ１００の推進力によっては、磁石ロータ１００が上記回転磁界の領域内を逸脱してしまうケースが発生してしまう場合ある。このようなケースが発生した場合であっても、ストッパー２２が存在することにより、メイン励磁用ステータ本体２６が発生する回転磁界の領域内に磁石ロータ１００を配置することが可能となる。ストッパー２２の端部が磁石ロータ１００の液体供給用チューブ１６ａ側端部に衝突する。

＜実施形態２＞
実施形態２は、実施形態１のマイクロポンプにおいて、チューブ側テーパ部１８０の外側に磁石ロータ側テーパ部１６０をチューブ側テーパ部に嵌合させるためのサブ励磁用ステータ５２を備えたマイクロポンプである。実施形態１のマイクロポンプは、磁石ロータ側テーパ部を前記チューブ側テーパ部に嵌合させるために反力等を用いている。実施形態２では、磁石ロータ側テーパ部１６０をチューブ側テーパ部１８０に確実に嵌合させるためにチューブ側テーパ部の外側にメイン励磁用ステータ本体２６とは別個にサブ励磁用ステータ５２を設けた構成を採用している。

図９は、実施形態２のサブ励磁用ステータを備えたマイクロポンプＤ２の断面図である。図９に示されたように実施形態２のマイクロポンプＤ２は、サブ励磁用ステータ５２を備えている。サブ励磁用ステータ５２は、チューブ側テーパ部１８０の外側に設けられている。サブ励磁用ステータ５２は、サブ励磁用ステータケース５０に収納されている。サブ励磁用ステータ５２の構造は、メイン励磁用ステータの構造とほぼ同一である。サブ励磁用ステータ５２は、磁石ロータ側テーパ部１６０をチューブ側テーパ部に嵌合させる役割を有している。

サブ励磁用ステータ５２は、三相電源によって励磁しない。サブ励磁用ステータは、三相電源の中でも、例えば、Ｕ相のみを単相励磁として、Ｓ、Ｎが交流電源に交互に反転しないようにダイオードを挿入して直流半励磁となっている。

サブ励磁用ステータ５２は、メイン励磁用ステータ本体２６が非励磁状態である場合に励磁状態として機能する。サブ励磁用ステータ５２が励磁状態である場合には磁石ロータ１００はポテンシャル的に最も安定な位置である液体吐出用チューブ１６ｂ付近に移動する。

さらに、磁石ロータ１００を構成する磁石ロータ側テーパ部１６０は、サブ励磁用ステータ５２が発生する回転磁界の影響を受け、チューブ側テーパ部１８０と嵌合する。磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と嵌合する際には、前述した回転制御手段により、磁石ロータ１００の回転を制御することができる。例えば、磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と接触した後、磁石ロータ側テーパ部１６０を１〜１０回転させることによって、磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と強固に嵌合する。磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と強固に嵌合することによって、本発明のマイクロポンプのバルブ機能を更に強化することができる。

磁石ロータ側テーパ部１６０がチューブ側テーパ部１８０と強固に嵌合することによって、液体４０の流路２００は完全に閉鎖される。所望の体積の液体４０がチューブ３０の管内を通じて輸送された時点において、メイン励磁用ステータ本体２６への三相交流電源の供給を遮断する。その後、サブ励磁用ステータ５２に単相の交流電流を供給する。磁石ロータ１００を液体吐出用チューブ１６ｂ方向に向けて移動させる。磁石ロータ側テーパ部１６０をチューブ側テーパ部１８０と嵌合させて、液体４０の輸送を停止する。すなわち、本発明のマイクロポンプは、逆止弁の機能を発揮することができる。このようにして、実施形態２のマイクロポンプＤ２の一連の作用を終了する。

＜実施形態３＞
実施形態３は、実施形態１のマイクロポンプにおいて、マイクロポンプを構成するチューブ３０の液体供給口にチューブ側テーパ部２４０を有し、かつチューブ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状の磁石ロータ側テーパ部２２０を有しているマイクロポンプである。すなわち、実施形態３のマイクロポンプは、チューブ３０の液体吐出口と液体供給口との両方にそれぞれチューブ側テーパ部１８０、２４０を有し、かつ、これらのチューブ側テーパ部に嵌合することができる磁石ロータ側テーパ部１６０、２２０を液体吐出口と液体供給口との両方に設けたマイクロポンプである。

実施形態３のマイクロポンプは、チューブ３０の液体吐出口と液体供給口との両方にチューブ側テーパ部を有し、かつ、液体吐出口と液体供給口との両方にチューブ側テーパ部に嵌合することができる磁石ロータ側テーパ部を備えている。チューブ側テーパ部と磁石ロータ側テーパ部が嵌合することは、先に説明したストッパー２２の役割に相当する。

実施形態３のマイクロポンプＤ３は、液体吐出口のみならず液体供給口においても液体４０の流れを停止することを可能としている。本発明のマイクロポンプのバルブ機能を更に強化することができる。

以下、実施例を比較例と共に挙げ、本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

マイクロポンプ（以下、「小型ポンプ」という。）は、オイルを溜める液体タンクと、小型ポンプと、バルブ機能を果たす磁石ロータとチューブとの嵌合によるバルブ機能の３つの要素から構成される。液体タンクはステンレス製の容器を切削加工にて作成し、液体タンク蓋にはネジ切りを施し、オイルの注入と密閉の役割をする。さらに、その液体タンク蓋には小さな穴を開けており、オイルタンク内が真空とならないようにした。小型ポンプは磁石材料から切削加工にて、ネジ切りされたリードスクリューに先端部を、テーパ加工を施した径方向に、二極に着磁を施したロータシャフトと、非磁性ステンレスの極薄のパイプにおいて、パイプの内部にテーパ部を設けて、リードスクリューのロータがテーパ部と嵌合し、パイプ内を送るオイルの開閉を行う機能を持たせた。

小型ポンプのステータは３極の極を持ち、０．３５ｔの厚みを持つケイ素鋼板を打ち抜き、積層して形成したステータコアにプラスチックにて成形された薄肉のボビンを装着し、そこに０．２φの絶縁被覆銅線を各極５０Ｔを整列に巻き上げ、モーターのＵ、Ｖ、Ｗ相としてスター結線を施した、ステータユニットに、ホールＩＣチップをセットし、巻き線結線と一緒に結線の端子処理を行ったステータユニットを作製した。本実施例のユニットを作製し、小型タンクを上にくるように配置し、モーター駆動を行った。

駆動電圧：１２Ｖ
ロータの回転速度：１１５回転／分
リードスクリュー：１．９８φ、ピッチ：１．５
リードスクリューテーパ：Ｃ２
液体送付パイプ：外径２．１φ、内径２φ
オイル：ハイテンオイル、粘度：０．５ｃＰ
速度温度：２７°Ｃ

（結果）
オイル層流量０．０５ｍＬ／分
ドライブ電源ＯＦＦ時：流体バルブは閉であった。
ドライブ電源ＯＮ時：流体バルブは開であり、流体は連続的に送り出された。
以上の結果を確認できた。
さらに、バルブ機能としての開閉機能を確実に機能させるため、バルブ開時に流体を送る回転に対し、１０回転の正回転信号により駆動させ、バルブ開を確実にするモーター制御を施した。一方、バルブ閉については流体吐出停止信号の後、ロータを１０回転させることにより、バルブ閉を確実にする制御信号によりバルブ閉を確実にする制御を行った。

小型ポンプは、液体タンクとポンプ部から構成される。ポンプ部は磁石ロータであるテーパ付きのリードスクリューと、流体を通す薄肉のチューブで内壁にテーパの段差を付けられたパイプとメイン励磁用ステータとして、ケイ素鋼板の板材を積層して３極の構造を持ったヨークとそのステータにコイルを巻回するとともに、その外側にバルブの開閉のための、バルブ開閉コイルを施し、さらにモーター励磁のタイミングを図るための磁石ロータの磁極位置を検知するホールＩＣとから構成される。

液体タンクはパイプが外径２０φ、内径１５φ、外径長さ２０ｌの寸法にて、ステンレスを採用して作製した。流体の出口は外径２．１φのロータパイプと結合できるジョイントを設けている。ポンプ部は光硬化樹脂にＮｄＦｅＢ磁石の１μ微粉末を６０ｖｏｌ％混ぜ、光造形法にて外径１．９８φ、ピッチ１．５で長さ１０ｌの外径２．１φ内径２φ長さ３０ｌでパイプの片側はタンクとの結合部を設け、片端から７ｍｍの位置からｃ２のテーパの付く形状にした。

メイン励磁用ステータ及びサブ励磁用ステータは、０．２φのホルマル線をそれぞれ５０Ｔ巻、ステータヨーク上部（液体供給側）、下部（液体吐出側）に配置されている。バルブが開かれた状態に相当する液体吐出時においては、メイン励磁用ステータに電流を流し、電磁力によって強制的に磁石ロータをチューブの中心部に引き上げ、吐出信号を入れ、液体輸送を始める。一方、バルブが閉じられた状態に相当する液体吐出停止時においては、吐出信号を停止し、磁石ロータの回転を止めてから、サブ励磁用ステータに電流を流し、電磁力によって、ロータをチューブの吐出側に設けたテーパ部に移動し嵌合させて、流体の吐出を停止する。このメイン励磁用ステータ及びサブ励磁用ステータにより、小型ポンプは超微量の液体を送液することができる「ポンプ機能」と液体の流れを停止して、液体の流れを開閉することができる「バルブ機能」を発揮する。

本発明の小型ポンプにおいて、メイン励磁用ステータの３極構造に対して、磁石ロータスクリュー部のピッチ２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの直径１．９９φの寸法で直径方向に磁気異方性をつけた。磁石ロータをポリテトラフルオロエチレンにてコーティングし、直径方向に２極に着磁した磁石ロータを構成した。液体の流路をポリテトラフルオロエチレンパイプ外径２．２φ、内径２φにより、形成した。なお、磁石ロータは、非磁性材料で作製されたケースに挿入され、回転止めの工夫をされたリードスクリュー型の磁石ロータでもよい。

メイン励磁用ステータは、０．７５ｍｍのケイ素鋼板を２５枚積層し、全長２０ｍｍで３極構造を作製した。コイル巻枠を絶縁処理により作製し、０．１６φのホルマル線を各３極３０Ｔずつ巻回し、Ａ、Ｂ、Ｃ相を形成し、メイン励磁用ステータ、流路パイプにリードスクリューロータをくみ上げて小型ポンプを作製した。

さらに、本発明の小型ポンプには、当該ポンプの駆動により、流体を吐出させると、磁石ロータに反力を受け、メイン励磁用ステータに対して、磁石ロータの位置が変わりポンプ効率が著しく低下する。そこで、磁石ロータと流路を形成するチューブの内部に磁石ロータの反力を受けるストッパーを設ける。ストッパーとして、流路形成のパイプより細いパイプ、外径１．９８５φ内径１．７０φを流路の両端に挿入し固着させて流路を形成した。

ストッパーの役割としては、流路内にコマなどを挿入しても、その役割を果たすことを確認した。その結果、吐出圧力が高まっても、磁石ロータ回転数に対し、吐出圧力は直線性を保ち、磁石ロータ位置がステータに対して正常な位置にあることが証明された。なお、回転数に対する吐出圧力のグラフを図１０に示す。

本発明のマイクロポンプは、超微量の液体を送液することができ、かつ、液体の流れを開閉することができるバルブ機能を発揮できる。本発明のマイクロポンプは、マイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）、のみならずラボ・オンチップ等のマイクロ化学合成分析システムにも適用可能であり、きわめて汎用性が高い。このため、化学分野、生化学分野、医歯学分野への貢献は極めて大きい。また、本発明のマイクロポンプは、燃料電池への適用、疾患患者への薬剤・サプリメントの連続投与、芳香剤噴霧デバイス、潤滑油供給デバイスにも適用可能であり、エネルギー産業、ひいては環境技術産業への貢献も期待できる。

Ｄ１ マイクロポンプ（実施形態１）
Ｄ２ マイクロポンプ（実施形態２）
１０ 液体タンク蓋
１２ａ ケーシング（液体タンク）
１２ｂ ケーシング（励磁用ステータ）
１４ メイン励磁用ステータケース
１６ａ 液体供給用チューブ
１６ｂ 液体吐出用チューブ
１８ 液体タンク注入口
２０ 液体タンク
２２ ストッパー
２４ チューブ固着部材
２５ メイン励磁用ステータケース保持空間
２６ メイン励磁用ステータ本体（３極）
２６ａ 第１ヨーク
２６ｂ 第２ヨーク
２６ｃ 第３ヨーク
２６ｄ コイル
２７ メイン励磁用ステータ本体（２極）
２７ａ 第１ヨーク
２７ｂ 第２ヨーク
２７ｃ コイル
２８ チューブ挿入口
３０ チューブ
３０Ｗ チューブ内壁
４０ 液体（流体）
４０ｆ 液体の流れ
５０ サブ励磁用ステータケース
５２ サブ励磁用ステータ
１００ 磁石ロータ
１２０ 磁石ロータスクリュー部
１２０Ｓ 磁石ロータスクリュー溝部
１４０ 磁石ロータ棒状部
１６０ 磁石ロータ側テーパ部（液体吐出用チューブ側）
１８０ チューブ側テーパ部（液体吐出用チューブ側）
２００ 液体流路
２２０ 磁石ロータ側テーパ部（液体供給用チューブ側）
２４０ チューブ側テーパ部（液体供給用チューブ側）

Claims (10)

1. 複数のメイン励磁用ステータと、
   前記メイン励磁用ステータの内側に配置され、液体を輸送するためのチューブと、
   前記チューブの管内に配置され、リードスクリュー形状の磁石ロータと、を備えたマイクロポンプであって、
   前記メイン励磁用ステータは、ヨーク及び前記ヨークに巻回されて装着されたコイルを有し、
   前記チューブは、当該チューブの液体吐出口の内壁にチューブ側テーパ部を有し、かつ、
   前記磁石ロータは、当該磁石ロータ一端に前記チューブ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状の磁石ロータ側テーパ部を有していることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 前記メイン励磁用ステータが励磁状態である場合には、
   前記磁石ロータが前記メイン励磁用ステータの軸方向中心部に移動して、かつ、前記磁石ロータが回転することにより前記チューブの液体が送り出され、
   前記メイン励磁用ステータが非励磁状態である場合には、
   前記磁石ロータ側テーパ部が前記チューブ側テーパ部に嵌合することにより前記チューブの液体の流れを停止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. 前記チューブ側テーパ部の外側に前記磁石ロータ側テーパ部を前記チューブ側テーパ部に嵌合させるためのサブ励磁用ステータを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロポンプ。
4. 前記メイン励磁用ステータが非励磁状態であり、前記サブ励磁用ステータが励磁状態である場合には、
   前記磁石ロータ側テーパ部が前記チューブ側テーパ部に嵌合することにより前記チューブの液体の流れを停止することを特徴とする請求項３に記載のマイクロポンプ。
5. 前記チューブの管内における前記磁石ロータの位置を検出する位置検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づき、前記メイン励磁用ステータ及び／又はサブ励磁用ステータが発生する回転磁界を制御する回転磁界制御手段と、
   前記磁石ロータの回転方向及び回転数を制御する回転制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のマイクロポンプ。
6. 前記磁石ロータの軸長ｌと、前記メイン励磁用ステータの軸長Ｌの比が、
   ０．１≦ｌ／Ｌ≦１．０であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のマイクロポンプ。
7. 前記磁石ロータが前記メイン励磁用ステータの軸長の範囲から逸脱して移動ないようにストッパーを設けることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のマイクロポンプ。
8. 前記チューブは、当該チューブの液体供給口の内壁にチューブ側テーパ部を有し、かつ、前記磁石ロータは、前記チューブ側テーパ部に嵌合可能なテーパ状の磁石ロータ側テーパ部を有していることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のマイクロポンプ。
9. 前記磁石ロータが非磁性材料で被覆されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載のマイクロポンプ。
10. 前記非磁性材料がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項９に記載のマイクロポンプ。

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