JP2982911B2 - 起動を改善したマイクロポンプ - Google Patents
起動を改善したマイクロポンプInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はマイクロポンプ、特に、ポンプ機構の一部
が、写真平板技術等の微細加工技術により加工されたウ
エハーによって作られたマイクロポンプに関する。更に
本発明は、起動を改善したマイクロポンプに関する。
が、写真平板技術等の微細加工技術により加工されたウ
エハーによって作られたマイクロポンプに関する。更に
本発明は、起動を改善したマイクロポンプに関する。
背景技術 この種のポンプは、特に薬剤の根本的な管理に使用可
能であることから、この種のポンプを小型化することに
よりそれを患者の身につけることや、あるいはまた直接
患者の身体に埋め込むことも可能となる。
能であることから、この種のポンプを小型化することに
よりそれを患者の身につけることや、あるいはまた直接
患者の身体に埋め込むことも可能となる。
加えて、この種のポンプを使うことにより注入すべき
少量の注射液の正確な管理も可能となる。
少量の注射液の正確な管理も可能となる。
“センターとアクチュエータ”のNo.15の153ページか
ら167ページに掲載された「シリコンの微細加工に基づ
くピエゾエレクトリック マイクロポンプ」と題された
刊行文献において、エッチ・バン・リンテル（H.Van Li
ntel）等は、２つのマイクロポンプの実施例を掲記して
おり、各マイクロポンプは３つのウエハーの積層体、即
ち、加工したシリコンウエハーを２つのグラスウエハー
の間に配置した構成を備えたものである。
ら167ページに掲載された「シリコンの微細加工に基づ
くピエゾエレクトリック マイクロポンプ」と題された
刊行文献において、エッチ・バン・リンテル（H.Van Li
ntel）等は、２つのマイクロポンプの実施例を掲記して
おり、各マイクロポンプは３つのウエハーの積層体、即
ち、加工したシリコンウエハーを２つのグラスウエハー
の間に配置した構成を備えたものである。
シリコンウエハーは、一方のグラスウエハーと共にポ
ンプ室を形成し、同ポンプ室と同空間を占める対応部分
が駆動手段によって変形可能な部分で、本例ではピエゾ
エレクトリック・クリスタルである。
ンプ室を形成し、同ポンプ室と同空間を占める対応部分
が駆動手段によって変形可能な部分で、本例ではピエゾ
エレクトリック・クリスタルである。
ピエゾエレクトリック クリスタルは、電極を具備し
それを交流電源に接続すると、クリスタルが変形し、従
ってグラスウエハーが変形する。この後者の変形が次い
でポンプ室の容積変化を周期的に生ぜしめるものであ
る。
それを交流電源に接続すると、クリスタルが変形し、従
ってグラスウエハーが変形する。この後者の変形が次い
でポンプ室の容積変化を周期的に生ぜしめるものであ
る。
上記ポンプ室の各側部は、シリコンを機械加工して形
成した逆止弁に接続されており、同弁の弁座は、上述し
た一方のグラスウエハーとは別のグラスウエハーにより
形成されている。
成した逆止弁に接続されており、同弁の弁座は、上述し
た一方のグラスウエハーとは別のグラスウエハーにより
形成されている。
この種のポンプの運転方式は、流体の圧縮性に影響さ
れ、その結果空気をあまり多く含む場合には、作動しな
くなる。
れ、その結果空気をあまり多く含む場合には、作動しな
くなる。
こうしたマイクロポンプを起動する技術には種々のも
のがある。
のがある。
第１の技術では、真空下において、ポンプ起動をす
る。マイクロポンプの入口側を例えば注射器等の液体容
器に接続し、そして、出口側を真空ポンプに連結する。
即ち、真空ポンプを始動すると、マイクロポンプから空
気が吸い出され、流体が注入される。
る。マイクロポンプの入口側を例えば注射器等の液体容
器に接続し、そして、出口側を真空ポンプに連結する。
即ち、真空ポンプを始動すると、マイクロポンプから空
気が吸い出され、流体が注入される。
第２の起動技術は、真空ポンプに連結され、かつ部分
的に流体を満した容器を使ったものである。マイクロポ
ンプを、流体に浸漬した後に容器から空気を除去するよ
うに真空ポンプを作動させ、次いで、再度空気を導入す
ることによって容器内の圧力を高め、それによってマイ
クロポンプに液体を強制的に注入する。こうした操作は
マイクロポンプから十分な空気を追い出すために数回繰
り返される。これら２つの技術は、多くの装置を必要と
し、そしてそのために診療所規模においては、実施する
ことができず、病院規模や工場における製造中に実施す
るしかないということが明らかであろう。マイクロポン
プは常圧下においても起動できる。つまり流体を注射器
により、繰り返しの往復運動によって、又は連続動作で
単純にマイクロポンプに注入するものである。空気は通
常マイクロポンプの出口側へ流体によって押し出される
か又は、流体と共に運ばれて行く。然しながら、ポンプ
室や流路の形状の故に、気泡がマイクロポンプ中に形成
され、取り込まれたまま残存することが有る。こうした
危惧は、液体の注入圧と高くすることによって低減させ
ることができる。それでも気泡の除去については十分な
信頼性が無い。従って、本発明は、マイクロポンプの起
動時にマイクロポンプ内に空気が残留しないようにマイ
クロポンプを改良することを目的とする。
的に流体を満した容器を使ったものである。マイクロポ
ンプを、流体に浸漬した後に容器から空気を除去するよ
うに真空ポンプを作動させ、次いで、再度空気を導入す
ることによって容器内の圧力を高め、それによってマイ
クロポンプに液体を強制的に注入する。こうした操作は
マイクロポンプから十分な空気を追い出すために数回繰
り返される。これら２つの技術は、多くの装置を必要と
し、そしてそのために診療所規模においては、実施する
ことができず、病院規模や工場における製造中に実施す
るしかないということが明らかであろう。マイクロポン
プは常圧下においても起動できる。つまり流体を注射器
により、繰り返しの往復運動によって、又は連続動作で
単純にマイクロポンプに注入するものである。空気は通
常マイクロポンプの出口側へ流体によって押し出される
か又は、流体と共に運ばれて行く。然しながら、ポンプ
室や流路の形状の故に、気泡がマイクロポンプ中に形成
され、取り込まれたまま残存することが有る。こうした
危惧は、液体の注入圧と高くすることによって低減させ
ることができる。それでも気泡の除去については十分な
信頼性が無い。従って、本発明は、マイクロポンプの起
動時にマイクロポンプ内に空気が残留しないようにマイ
クロポンプを改良することを目的とする。
発明の開示 本発明は、ウエハーを積層してポンプ室（34）を形成
し、前記ポンプ室の容積変化を周期的に生起する制御手
段（26）を配設し、前記ポンプ室を上流側弁（36）と下
流側弁（48）を介して入口側および出口側に選択的に接
続するようにしたマイクロポンプにおいて、前記上流側
弁（36）は、偏平な上流側隔室（38）と、前記ポンプ室
を形成する或いはポンプ室に連通する偏平な下流側隔室
（62）とを形成する薄膜（40）を有し、前記薄膜には上
流側隔室から下流側隔室へ流体を通過させるためのオリ
フィス（42）が貫通、形成されており、かつ、前記オリ
フィスを囲繞すると共に、弾性作用により弁座に付勢さ
れているシールリング（44）が設けられており、前記下
流側隔室の出口（50,69）は、前記オリフィス（42）と
前記出口（50,69）の間の距離が、前記オリフィス（4
2）と前記下流側隔室の周縁壁との間の最短距離よりも
大きくなるように配設されており、前記下流側隔室内に
流入した流体が、前記下流側隔室の実質的に全ての周縁
壁に接触した後に、前記出口から週出するようになって
いるマイクロポンプを要旨とする。
し、前記ポンプ室の容積変化を周期的に生起する制御手
段（26）を配設し、前記ポンプ室を上流側弁（36）と下
流側弁（48）を介して入口側および出口側に選択的に接
続するようにしたマイクロポンプにおいて、前記上流側
弁（36）は、偏平な上流側隔室（38）と、前記ポンプ室
を形成する或いはポンプ室に連通する偏平な下流側隔室
（62）とを形成する薄膜（40）を有し、前記薄膜には上
流側隔室から下流側隔室へ流体を通過させるためのオリ
フィス（42）が貫通、形成されており、かつ、前記オリ
フィスを囲繞すると共に、弾性作用により弁座に付勢さ
れているシールリング（44）が設けられており、前記下
流側隔室の出口（50,69）は、前記オリフィス（42）と
前記出口（50,69）の間の距離が、前記オリフィス（4
2）と前記下流側隔室の周縁壁との間の最短距離よりも
大きくなるように配設されており、前記下流側隔室内に
流入した流体が、前記下流側隔室の実質的に全ての周縁
壁に接触した後に、前記出口から週出するようになって
いるマイクロポンプを要旨とする。
この構造のおかけで、全ての空気は効果的に下流に押
し流される。下流側の隔室における流体の伝播の様子は
その流速のために正確には観察されていないが、しか
し、マイクロポンプを起動する間、下流側の隔室に流れ
込んだ流体は、周壁の両側の空気を押し出しながら、ま
ず周壁の該部分に到達し、次いで出口側の流路の方向へ
流れていくと推察される。
し流される。下流側の隔室における流体の伝播の様子は
その流速のために正確には観察されていないが、しか
し、マイクロポンプを起動する間、下流側の隔室に流れ
込んだ流体は、周壁の両側の空気を押し出しながら、ま
ず周壁の該部分に到達し、次いで出口側の流路の方向へ
流れていくと推察される。
上記ポンプ室と直接に連通した各々の下流側の弁が有
する上流側の隔室の高さは40μｍより低いことが望まし
い。このようにこの隔室の高さが充分に低いとマイクロ
ポンプに流体が注入されるときに隔室に含まれた空気が
弁から除去されることになるのである。
する上流側の隔室の高さは40μｍより低いことが望まし
い。このようにこの隔室の高さが充分に低いとマイクロ
ポンプに流体が注入されるときに隔室に含まれた空気が
弁から除去されることになるのである。
本発明に係るマイクロポンプの多くの応用例におい
て、特に医学の分野における用途の場合、流体は、水溶
液である。そしてこの場合、ウエハーの表面が親水性で
あるときは、下流側の隔室からの空気の除去が促進され
るが、この点は、液体がオリフィスの近傍にある壁の前
記部分に到達すると壁に付着する波面を形成し、その前
面において空気を追いながら、出口側の流路の方へ伝播
して行くものと考えられる。
て、特に医学の分野における用途の場合、流体は、水溶
液である。そしてこの場合、ウエハーの表面が親水性で
あるときは、下流側の隔室からの空気の除去が促進され
るが、この点は、液体がオリフィスの近傍にある壁の前
記部分に到達すると壁に付着する波面を形成し、その前
面において空気を追いながら、出口側の流路の方へ伝播
して行くものと考えられる。
本発明によれば該マイクロポンプは、マイクロポンプ
入口側とポンプ室との間及びポンプ室とマイクロポンプ
の出口側との間に１つ以上の弁を備えるようにしてもよ
い。ポンプ室に直接連通した各上流側の弁は、本発明に
よればポンプ室から空気の除去を確実に達成させる点に
特に有利である。
入口側とポンプ室との間及びポンプ室とマイクロポンプ
の出口側との間に１つ以上の弁を備えるようにしてもよ
い。ポンプ室に直接連通した各上流側の弁は、本発明に
よればポンプ室から空気の除去を確実に達成させる点に
特に有利である。
本発明の特徴及び利点を添付図面に示した実施例に基
づいてより一層明らかにするが、実施例は、添付図面の
ものには限定されない。
づいてより一層明らかにするが、実施例は、添付図面の
ものには限定されない。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるマイクロポンプの略示断面
図、 第２図は、第１図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第３図は、本発明による他のもう一つのマイクロポン
プの略示断面図、 第４図は、第３図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第５図は、第４図に示されたウエハーの変形例を示す
図、 第６図は、第３図に示されたマイクロポンプの実施例
の略示断面図、 第７図は、第６図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第８図は、第６図に示されたマイクロポンプの略示拡
大断面図、 第９図は、本発明による別の１つのマイクロポンプの
断面図、 第10図は、第９図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第11図は、第10図に示されたウエハーの実施例を示す
図、 第12a図から12d図は、本発明によるマイクロポンプの
弁の下流側の隔室を通過する流体の伝播を示している。
これらの図において幾つかの図に渡る同じ要素は各々同
じ参照番号で示してある。図示の複数の実施例におい
て、マイクロポンプは１つの入口側の弁及び出口側の弁
を備えている。然しながら図中には示されていないが、
本発明は、入口側とポンプ室との間及び又はポンプ室と
出口側との間に数個の弁を具えるマイクロポンプにも適
用されることを了解すべきである。本マイクロポンプ
は、複数の入口側と複数の出口側とを具えることも可能
である。
図、 第２図は、第１図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第３図は、本発明による他のもう一つのマイクロポン
プの略示断面図、 第４図は、第３図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第５図は、第４図に示されたウエハーの変形例を示す
図、 第６図は、第３図に示されたマイクロポンプの実施例
の略示断面図、 第７図は、第６図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第８図は、第６図に示されたマイクロポンプの略示拡
大断面図、 第９図は、本発明による別の１つのマイクロポンプの
断面図、 第10図は、第９図に示されたマイクロポンプの中間ウ
エハーの平面図、 第11図は、第10図に示されたウエハーの実施例を示す
図、 第12a図から12d図は、本発明によるマイクロポンプの
弁の下流側の隔室を通過する流体の伝播を示している。
これらの図において幾つかの図に渡る同じ要素は各々同
じ参照番号で示してある。図示の複数の実施例におい
て、マイクロポンプは１つの入口側の弁及び出口側の弁
を備えている。然しながら図中には示されていないが、
本発明は、入口側とポンプ室との間及び又はポンプ室と
出口側との間に数個の弁を具えるマイクロポンプにも適
用されることを了解すべきである。本マイクロポンプ
は、複数の入口側と複数の出口側とを具えることも可能
である。
まず第１図及び第２図に示す、本発明によるマイクロ
ポンプの最初の実施例を参照する。
ポンプの最初の実施例を参照する。
明確にするためにマイクロポンプを構成する個々のウ
エハーの厚みは図面上著しく誇張されていることに注意
しなければならない。
エハーの厚みは図面上著しく誇張されていることに注意
しなければならない。
第１図及び第２図において、マイクロポンプは、例え
ばガラス製のベースとなるウエハー２を含み、そしてそ
れは該ポンプの入口流路を構成する流路４を貫通具備し
ている。該流路４は連結部６に連通し、また同連結部６
は、ポンプで汲み出すべき流体の入った容器10に接続さ
れた管８に接続されている。容器10は穴のあいた蓋12に
より閉塞されており、容器10の作動容積空間は、移動可
能なピストン14により外界を遮断されている。この容器
には、例えば該ポンプが人体に薬剤を正確に投与するこ
とに使われる場合等には、その薬剤が溜められる。こう
した応用例においては、該マイクロポンプは患者の身に
つけさせたり、体内に埋め込まれたりする。
ばガラス製のベースとなるウエハー２を含み、そしてそ
れは該ポンプの入口流路を構成する流路４を貫通具備し
ている。該流路４は連結部６に連通し、また同連結部６
は、ポンプで汲み出すべき流体の入った容器10に接続さ
れた管８に接続されている。容器10は穴のあいた蓋12に
より閉塞されており、容器10の作動容積空間は、移動可
能なピストン14により外界を遮断されている。この容器
には、例えば該ポンプが人体に薬剤を正確に投与するこ
とに使われる場合等には、その薬剤が溜められる。こう
した応用例においては、該マイクロポンプは患者の身に
つけさせたり、体内に埋め込まれたりする。
マイクロポンプの出口側は、管18を介して注射針（図
示なし）と接続可能な出口の連結部16を備えている。図
示の実施例においては、上記の出口連結部16は、以下に
記載する別のウエハー22に固定される。
示なし）と接続可能な出口の連結部16を備えている。図
示の実施例においては、上記の出口連結部16は、以下に
記載する別のウエハー22に固定される。
本発明によるマイクロポンプのこうした使用法は、あ
る種の型のガンのペプチドを用いた治療法に特に適合
し、そしてその治療法においては好ましくは薬剤は正確
な投与量で投与され、且つその薬剤投与は決められた時
間的間隔で、少量ずつ繰り返えされる。他の利用方法と
しては、毎日決められた少量の薬剤投与を必要とする糖
尿病患者の治療への応用が考えられ、例えば投与量を決
定するに際し、血糖値をそれ自体周知の手段で測定し、
そして適量のインシュリン投与が行なわれるようにポン
プをコントロールするのである。
る種の型のガンのペプチドを用いた治療法に特に適合
し、そしてその治療法においては好ましくは薬剤は正確
な投与量で投与され、且つその薬剤投与は決められた時
間的間隔で、少量ずつ繰り返えされる。他の利用方法と
しては、毎日決められた少量の薬剤投与を必要とする糖
尿病患者の治療への応用が考えられ、例えば投与量を決
定するに際し、血糖値をそれ自体周知の手段で測定し、
そして適量のインシュリン投与が行なわれるようにポン
プをコントロールするのである。
シリコンその他写真平板侵食技術により加工可能な材
料を用いたウエハー22は、グラスウエハー２と接着され
ている。このシリコンウエハーの上には、蓋となるグラ
スウエハー24が設けられ、そしてその厚みは制御要素26
により変形可能なものとなっており、ここで示す本発明
の実施例において同制御要素は、交流電源に接続された
電極28及び30を具備したピエゾエレクトリックディスク
を使用している。このディスクは、フィリップス社の製
造によるもので参照番号PXE−52のものであり、適宜の
接着剤によりウエハー24に接着されている。
料を用いたウエハー22は、グラスウエハー２と接着され
ている。このシリコンウエハーの上には、蓋となるグラ
スウエハー24が設けられ、そしてその厚みは制御要素26
により変形可能なものとなっており、ここで示す本発明
の実施例において同制御要素は、交流電源に接続された
電極28及び30を具備したピエゾエレクトリックディスク
を使用している。このディスクは、フィリップス社の製
造によるもので参照番号PXE−52のものであり、適宜の
接着剤によりウエハー24に接着されている。
一例をあげると、中間のシリコンウエハーは、エッチ
ングによる食刻に適しているように、且つ要求される強
度を与えるように＜100＞の結晶方位を具えたものとな
っている。ウエハー2,22,24は十分に研磨されている。
これらのウエハー2,22,24が親水性であることが有効で
あり、特にマイクロポンプに使われる流体が水溶液であ
る場合には有効である。このためにシリコンウエハー22
は、沸騰硝酸（HNO3）に浸される。
ングによる食刻に適しているように、且つ要求される強
度を与えるように＜100＞の結晶方位を具えたものとな
っている。ウエハー2,22,24は十分に研磨されている。
これらのウエハー2,22,24が親水性であることが有効で
あり、特にマイクロポンプに使われる流体が水溶液であ
る場合には有効である。このためにシリコンウエハー22
は、沸騰硝酸（HNO3）に浸される。
ウエハー22と24は、まず第一に例えば円形をしたポン
プ室34を形成する（第２図も参照のこと）。そしてこの
ポンプ室は、制御要素26によって撓ませることのできる
ウエハー24の１つの領域の下方に位置する。
プ室34を形成する（第２図も参照のこと）。そしてこの
ポンプ室は、制御要素26によって撓ませることのできる
ウエハー24の１つの領域の下方に位置する。
シリコンウエハー22より削成した第１の逆流防止弁36
が、入口の流路４とポンプ室34の中間に置かれる。
が、入口の流路４とポンプ室34の中間に置かれる。
この第１の弁36は上流側の隔室38と、下流側の隔室62
の２つの隔室を形成し、本実施例においては下流側の隔
室はポンプ室34の役目も果している。
の２つの隔室を形成し、本実施例においては下流側の隔
室はポンプ室34の役目も果している。
２つの隔室は中心にオリフィス42を備え、該オリフィ
ス42を取り巻き、且つシールリングを同時に形成する環
状リブより成るシールリング44を流路４側に具備する略
円形の薄膜40により隔てられる。
ス42を取り巻き、且つシールリングを同時に形成する環
状リブより成るシールリング44を流路４側に具備する略
円形の薄膜40により隔てられる。
このシールリング44は薄い酸化層46によって被覆され
ており、同層46又、やはり写真平板技術により得られる
もので、薄膜40に適正度の張力（プレテンション）を与
え、この張力によって該シールリング44をグラスウエハ
ー２に押しつけている。従ってグラスウエハー２は弁36
の弁座として作用する。
ており、同層46又、やはり写真平板技術により得られる
もので、薄膜40に適正度の張力（プレテンション）を与
え、この張力によって該シールリング44をグラスウエハ
ー２に押しつけている。従ってグラスウエハー２は弁36
の弁座として作用する。
当然のことながら、薄膜49及び又はシールリング44は
円形のみならず、例えば楕円形、長方形、正方形であっ
てもよい。本実施例においては、シールリングは薄膜に
具備されていることが好ましいが、同様の状況において
シールリングを薄膜に接するようにグラスウエハーに機
械加工して作ることも可能であることは明らかである。
円形のみならず、例えば楕円形、長方形、正方形であっ
てもよい。本実施例においては、シールリングは薄膜に
具備されていることが好ましいが、同様の状況において
シールリングを薄膜に接するようにグラスウエハーに機
械加工して作ることも可能であることは明らかである。
ポンプの出口連結部16の流路20は、前述の弁36と同様
に設計された弁48を介しポンプ室34と連通されている。
に設計された弁48を介しポンプ室34と連通されている。
従って弁48は、薄膜54と環状リブ又はシールリング56
とを具備し、同リング56は酸化層46に被覆されると共
に、オリフィス59を介し流路20並びに上流側の隔室49に
連通した空間58を形成している。上記上流側の隔室49
は、オリフィス50及び流路52を介し直接にポンプ室に連
通し、これらのオリフィス50及び流路52は、共にシリコ
ンウエハー22を機械加工して作られている。
とを具備し、同リング56は酸化層46に被覆されると共
に、オリフィス59を介し流路20並びに上流側の隔室49に
連通した空間58を形成している。上記上流側の隔室49
は、オリフィス50及び流路52を介し直接にポンプ室に連
通し、これらのオリフィス50及び流路52は、共にシリコ
ンウエハー22を機械加工して作られている。
該マイクロポンプの運転作用は、前述のエッチ・ヴァ
ン・リンテル等の論文に開示された２弁式マイクロポン
プのそれと同様である。
ン・リンテル等の論文に開示された２弁式マイクロポン
プのそれと同様である。
一例をあげると、ウエハーの表面積が15mm×20mmのオ
ーダーに対しウエハー2,22,24は各々約1mm,0.3mm,0.2mm
となろう。
ーダーに対しウエハー2,22,24は各々約1mm,0.3mm,0.2mm
となろう。
更に各ウエハーは、接着剤や又は例えば陽極接着技術
として周知の、様々な従来からある接着技術を使って他
のウエハーに固定される。
として周知の、様々な従来からある接着技術を使って他
のウエハーに固定される。
ポンプ起動の間、ポンプ室に直接連通した空間にはど
のような大きさにせよ気泡が存在しないことが重要であ
る。なぜならば、こうした気泡の存在は、ポンプの機能
を損う危険があるためである。ポンプの１サイクルの吐
出量の1/10の体積より少量の空気なら、存在していても
マイクロポンプの機能を損うことはないと考えられる
が、実際上このことは、裸眼では気泡が見えないことを
意味している。
のような大きさにせよ気泡が存在しないことが重要であ
る。なぜならば、こうした気泡の存在は、ポンプの機能
を損う危険があるためである。ポンプの１サイクルの吐
出量の1/10の体積より少量の空気なら、存在していても
マイクロポンプの機能を損うことはないと考えられる
が、実際上このことは、裸眼では気泡が見えないことを
意味している。
この目的のため、本発明によれば、ポンプ室の前面に
ある弁36は以下に記載するような特殊な構造を有してい
る。
ある弁36は以下に記載するような特殊な構造を有してい
る。
弁のオリフィス42は本実施例において、ポンプ室とな
っている下流側の隔室の壁面60に最も近く、且つオリフ
ィス50に最も遠くなるように位置決めされ、下流側の隔
室に通じている。より明確に言えば、オリフィス42と、
周壁の特定部分60との距離は、オリフィスと下流側の隔
室の周壁の他の如何なる部との距離よりも小さくなけれ
ばならない。
っている下流側の隔室の壁面60に最も近く、且つオリフ
ィス50に最も遠くなるように位置決めされ、下流側の隔
室に通じている。より明確に言えば、オリフィス42と、
周壁の特定部分60との距離は、オリフィスと下流側の隔
室の周壁の他の如何なる部との距離よりも小さくなけれ
ばならない。
図示の実施例ようにオリフィス42と50が下流側の隔室
の対称軸上に配置されるときは、オリフィス42に最も近
い下流側の隔室の周壁の該特定部分もこの対称軸上にあ
ることとなる。然しながら、下流側の隔室の周壁の形状
がある特定のものであれば、オリフィス42に最も近い下
流側の隔室の上記特定部分、オリフィス42、50は一直線
上に位置しないこともある。
の対称軸上に配置されるときは、オリフィス42に最も近
い下流側の隔室の周壁の該特定部分もこの対称軸上にあ
ることとなる。然しながら、下流側の隔室の周壁の形状
がある特定のものであれば、オリフィス42に最も近い下
流側の隔室の上記特定部分、オリフィス42、50は一直線
上に位置しないこともある。
重要なのは、マイクロポンプの起動時に、流体が下流
側隔室内に流れ込んで拡がる際に、流体がこの隔室壁の
独特の特定の部分に最初に接触するようにオリフィス42
の位置決めをすることである。
側隔室内に流れ込んで拡がる際に、流体がこの隔室壁の
独特の特定の部分に最初に接触するようにオリフィス42
の位置決めをすることである。
第12aから第12d図に、水性の流体と隔室に親水性の壁
を有する場合に、弁の下流側の隔室に流体がどのように
拡がっていくと考えられているかを詳示している。まず
この液滴61は、オリフィス42を中心とする円形を形づく
る（第12a図）。この液滴が、隔室の壁すなわちオリフ
ィス42に最も近い部分60に到達すると（第12b図）、そ
の液滴端63及び65は部分60の両側において毛細管現象に
よって壁面に沿って急速に進行する（第12c図）。その
結果オリフィス50に向い進行する波面67が形成され、空
気を前面に押しのけていく（第12d図）。
を有する場合に、弁の下流側の隔室に流体がどのように
拡がっていくと考えられているかを詳示している。まず
この液滴61は、オリフィス42を中心とする円形を形づく
る（第12a図）。この液滴が、隔室の壁すなわちオリフ
ィス42に最も近い部分60に到達すると（第12b図）、そ
の液滴端63及び65は部分60の両側において毛細管現象に
よって壁面に沿って急速に進行する（第12c図）。その
結果オリフィス50に向い進行する波面67が形成され、空
気を前面に押しのけていく（第12d図）。
これとは異なり従来のマイクロポンプにおいては、下
流側の隔室は通常円盤状であり、且つオリフィス42は対
称軸に沿って中心にある。マイクロポンプ起動時に、オ
リフィス42から拡がる液滴は、その結果隔室の周壁の不
特定な場所か又は同時に複数の場所に到達し得るから、
下流側の隔室の周壁に沿って気泡を生じるのである。
流側の隔室は通常円盤状であり、且つオリフィス42は対
称軸に沿って中心にある。マイクロポンプ起動時に、オ
リフィス42から拡がる液滴は、その結果隔室の周壁の不
特定な場所か又は同時に複数の場所に到達し得るから、
下流側の隔室の周壁に沿って気泡を生じるのである。
第１図及び第２図に見られるように、オリフィス50
は、下流側の隔室62における特定部分60と反対側の位置
に、下流側の隔室の周壁にきわめて近接して設けられて
いる。該オリフィス50は、流路52に連通している。それ
によって下流隔室62で形成された波面は、すべての空気
をその前面で押しのけながらオリフィス50を伝り流路52
の中へ流れ込む。
は、下流側の隔室62における特定部分60と反対側の位置
に、下流側の隔室の周壁にきわめて近接して設けられて
いる。該オリフィス50は、流路52に連通している。それ
によって下流隔室62で形成された波面は、すべての空気
をその前面で押しのけながらオリフィス50を伝り流路52
の中へ流れ込む。
本発明による構造によれば、第１図及び第２図に示さ
れるマイクロポンプの下流側の隔室62つまり、ポンプ室
34から及びオリフィス50から空気を排出することを可能
し、依ってマイクロポンプの起動性を著しく改善する。
然しながら弁48の上流隔室49内にいくらかの空気が取り
残される可能性がある。しかし、該上流側の隔室の高さ
を十分低く制限することによって、この隔室からの空気
の排出も改善することが可能である。
れるマイクロポンプの下流側の隔室62つまり、ポンプ室
34から及びオリフィス50から空気を排出することを可能
し、依ってマイクロポンプの起動性を著しく改善する。
然しながら弁48の上流隔室49内にいくらかの空気が取り
残される可能性がある。しかし、該上流側の隔室の高さ
を十分低く制限することによって、この隔室からの空気
の排出も改善することが可能である。
弁48の上流隔室49からの空気排出を、以下の想定の下
に説明することができる。この隔室の高さが低いと流体
の速度が高くなる。すなわちその結果弁が開くと、十分
な量の流体がシールリング56の囲りを取り巻き、そして
該オリフィスに空気を押し込む。その結果、該上流隔室
49には、高い流速によって生じる摩擦により、流体と共
に簡単にオリフィス59に運ばれてしまうような１つか２
つの気泡のみが留まるに過ぎない。
に説明することができる。この隔室の高さが低いと流体
の速度が高くなる。すなわちその結果弁が開くと、十分
な量の流体がシールリング56の囲りを取り巻き、そして
該オリフィスに空気を押し込む。その結果、該上流隔室
49には、高い流速によって生じる摩擦により、流体と共
に簡単にオリフィス59に運ばれてしまうような１つか２
つの気泡のみが留まるに過ぎない。
他の要因も空気の良好な排出に寄与することができ
る。隔室の高さが均等であることは、気泡の発生を回避
し、且つ室の弯曲や凹所に気泡が取り込まれて残存する
のを防止する。また初期充填時に、オリフィス42がオリ
フィス50よりも低くなるように、マイクロポンプを垂直
に設置することも、空気をオリフィス50へ移動させるこ
とを容易にすることが見出されている。
る。隔室の高さが均等であることは、気泡の発生を回避
し、且つ室の弯曲や凹所に気泡が取り込まれて残存する
のを防止する。また初期充填時に、オリフィス42がオリ
フィス50よりも低くなるように、マイクロポンプを垂直
に設置することも、空気をオリフィス50へ移動させるこ
とを容易にすることが見出されている。
気泡は上流側の隔室38においても形成されるかもしれ
ない。これを回避するために、この隔室の高さを均等に
且つ低くすることが有益である。こうして、ポンプ室及
びマイクロポンプの他の全ての隔室から、簡単に空気を
排除可能なマイクロポンプがついに得られるのである。
ない。これを回避するために、この隔室の高さを均等に
且つ低くすることが有益である。こうして、ポンプ室及
びマイクロポンプの他の全ての隔室から、簡単に空気を
排除可能なマイクロポンプがついに得られるのである。
一例を示すと、上流側の隔室38及び49は高さ30μｍに
対し直径4mm、オリフィス42及び50は直径300μｍ、下流
側の隔室62は直径8mmそして高さ200μｍとなっている。
対し直径4mm、オリフィス42及び50は直径300μｍ、下流
側の隔室62は直径8mmそして高さ200μｍとなっている。
弁36の上流側の隔室から、すべての気泡を排除すべき
ことは、絶対的に必要というわけではないことを注意し
なければならない。というのは、気泡が該上流側隔室内
に留る限りそして下流側隔室に流れ込まなければ、マイ
クロポンプは作動するからである。これとは正反対に気
泡が下流側の隔室には留らないことが、更に正確を期せ
ば、前述のとおりマイクロポンプの正常な作動を損うお
それのない程度に、留る空気の体積が十分に小さいこと
が重要である。
ことは、絶対的に必要というわけではないことを注意し
なければならない。というのは、気泡が該上流側隔室内
に留る限りそして下流側隔室に流れ込まなければ、マイ
クロポンプは作動するからである。これとは正反対に気
泡が下流側の隔室には留らないことが、更に正確を期せ
ば、前述のとおりマイクロポンプの正常な作動を損うお
それのない程度に、留る空気の体積が十分に小さいこと
が重要である。
第１図及び第２図に示される本実施例において、下流
側の隔室は同時にポンプ室を兼ている。もちろん２つの
区画に分けることは可能である。この型式を具体化した
マイクロポンプを第３図及び第４図に示す。わかり易く
するために３つのウエハーと制御要素のみ示す。
側の隔室は同時にポンプ室を兼ている。もちろん２つの
区画に分けることは可能である。この型式を具体化した
マイクロポンプを第３図及び第４図に示す。わかり易く
するために３つのウエハーと制御要素のみ示す。
第３図において、ポンプ室34の上流に設置された入口
弁36は上流側の隔室38と下流側の隔室62を構成し、下流
側の隔室62はオリフィス50を介してポンプ室34に連通し
ている。この実施例において制御要素26は、シリコンウ
エハー22上に固定されそして出口弁48の薄膜54にはオリ
フィスが具備されず、シールリング56の反対側の基盤と
なるウエハー２に、マイクロポンプの出口流路69が具備
されている点に注意しなければならない。
弁36は上流側の隔室38と下流側の隔室62を構成し、下流
側の隔室62はオリフィス50を介してポンプ室34に連通し
ている。この実施例において制御要素26は、シリコンウ
エハー22上に固定されそして出口弁48の薄膜54にはオリ
フィスが具備されず、シールリング56の反対側の基盤と
なるウエハー２に、マイクロポンプの出口流路69が具備
されている点に注意しなければならない。
この出口弁48の場合には、同弁48が閉っている場合に
出口圧は、ポンプ室内に存在する圧力が作用し得る十分
に大きな面積に比べて、小さな容積部58の面積にだけ作
用する。その結果出口における出力流量は、出口の圧力
にはほとんど依存することなく制御可能となるもので、
この効果は、酸化層46によって薄膜に生じる張力（プレ
テンション）によりもたらされる。
出口圧は、ポンプ室内に存在する圧力が作用し得る十分
に大きな面積に比べて、小さな容積部58の面積にだけ作
用する。その結果出口における出力流量は、出口の圧力
にはほとんど依存することなく制御可能となるもので、
この効果は、酸化層46によって薄膜に生じる張力（プレ
テンション）によりもたらされる。
第１図及び第２図において、上流側の隔室38は、円盤
の形状をしているのに対し、ほぼ円形をしている下流側
の隔室62は、ポンプ室に連通するオリフィス50を備えた
ほぼＶ字形をした部分を備えている。
の形状をしているのに対し、ほぼ円形をしている下流側
の隔室62は、ポンプ室に連通するオリフィス50を備えた
ほぼＶ字形をした部分を備えている。
このＶ字形をした部分64により、空気をより効果的に
オリフィス50へ導くことが可能となる。
オリフィス50へ導くことが可能となる。
２つ隔室をつなぐオリフィス42は、矩形の断面を有
し、そしてできるだけ下流側隔室62の周壁の部分60に近
くなるように、シールリングに対し偏心して配置され
る。
し、そしてできるだけ下流側隔室62の周壁の部分60に近
くなるように、シールリングに対し偏心して配置され
る。
第１図、第２図及び第３図第４図に示される本実施例
において、該弁のオリフィス42と下流側の隔室の壁面と
の間の距離は、オリフィス42に最も近い壁の部分60か
ら、オリフィス50に最も近い壁の部分に向って連続的に
大きなることに注意しなければならない。この形状は、
気泡が壁面に残存しないことを確証する。親和性の液体
の場合、下流側の隔壁の形状はあまり重要ではないが、
それでも上述した形状が好ましい。
において、該弁のオリフィス42と下流側の隔室の壁面と
の間の距離は、オリフィス42に最も近い壁の部分60か
ら、オリフィス50に最も近い壁の部分に向って連続的に
大きなることに注意しなければならない。この形状は、
気泡が壁面に残存しないことを確証する。親和性の液体
の場合、下流側の隔壁の形状はあまり重要ではないが、
それでも上述した形状が好ましい。
弁36の下流側の隔室から追い出された空気が、ポンプ
室内又はポンプ室と直接に連通する出口弁室48内に、残
存しないことも重要である。
室内又はポンプ室と直接に連通する出口弁室48内に、残
存しないことも重要である。
第２図において下流側隔室の出口のオリフィス50は、
弁室48につながる流路52に連通する。第４図において出
口弁48は、ポンプ室48に直接配置されている。第５図
は、ポンプ室34と弁室48を分ける流路を形成する隘路66
を有する、第４図に示された実施例の１つの変形を例示
している。
弁室48につながる流路52に連通する。第４図において出
口弁48は、ポンプ室48に直接配置されている。第５図
は、ポンプ室34と弁室48を分ける流路を形成する隘路66
を有する、第４図に示された実施例の１つの変形を例示
している。
これら３つの実施例においてオリフィス50は、壁に近
接して配置されている点が注意される。このことが、下
流側の隔室において壁の部分60に近接したオリフィスか
ら、オリフィス50の方向へ空気を追いやったのと同様、
空気を反対の方向、即ち弁48の方向へと追いやることを
可能とする。
接して配置されている点が注意される。このことが、下
流側の隔室において壁の部分60に近接したオリフィスか
ら、オリフィス50の方向へ空気を追いやったのと同様、
空気を反対の方向、即ち弁48の方向へと追いやることを
可能とする。
第６図及び第７図は、第３図及び第４図に示されたマ
イクロポンプの現在好ましいとされている実施例を示
す。この実施例において入口流路４の位置が、オリフィ
ス42及50に関して異っている。
イクロポンプの現在好ましいとされている実施例を示
す。この実施例において入口流路４の位置が、オリフィ
ス42及50に関して異っている。
確かに、マイクロポンプ起動後、第３図及び第４図に
図示する入口側の弁36の上流側の隔室38に、気泡は存在
したが、気泡が該隔室にとどまる限り、あるいは場合に
よっては、流体によりオリフィス42を通って下流側の隔
室62に押し流されることもあろうが、それ自体ポンプの
性能を損うことはない。
図示する入口側の弁36の上流側の隔室38に、気泡は存在
したが、気泡が該隔室にとどまる限り、あるいは場合に
よっては、流体によりオリフィス42を通って下流側の隔
室62に押し流されることもあろうが、それ自体ポンプの
性能を損うことはない。
これは、層流状態下で、そしてマイクロポンプ起動
後、入口弁36の下流側の隔室62に流れ込む液体の流速
が、全ての方向で同一でないことに因る。実際オリフィ
ス50への方向（即ち液体の正常な流れ方向）の流速が十
分大きく、反対方向の流速は十分小さいか又は無視し得
る程度であることが予想される。
後、入口弁36の下流側の隔室62に流れ込む液体の流速
が、全ての方向で同一でないことに因る。実際オリフィ
ス50への方向（即ち液体の正常な流れ方向）の流速が十
分大きく、反対方向の流速は十分小さいか又は無視し得
る程度であることが予想される。
上流側の隔室38内に発生し得る気泡は、流路４から最
も遠い位置に現われるであろう。そして、仮にこの気泡
がオリフィス42を通って運ばれるならば、それは下流側
の隔室の流速が無視し得る領域に運ばれるであろう。そ
の時は気泡は、下流側の隔室に取り残されることとな
る。
も遠い位置に現われるであろう。そして、仮にこの気泡
がオリフィス42を通って運ばれるならば、それは下流側
の隔室の流速が無視し得る領域に運ばれるであろう。そ
の時は気泡は、下流側の隔室に取り残されることとな
る。
この危惧は、第６図及び第７図に示されるマイクロポ
ンプにおいては著しく減少する。
ンプにおいては著しく減少する。
入口弁を拡大した第８図は、気泡が液体によって運ば
れる様子を示している。
れる様子を示している。
この図は層流状態下、即ち起動後のマイクロポンプの
通常の運転状態下における液体の流線を示している。流
れは、オリフィス42及び50の間で十分大きく、下流側の
隔室内の反対側の領域43においては以上に小さいか又は
無視し得る。
通常の運転状態下における液体の流線を示している。流
れは、オリフィス42及び50の間で十分大きく、下流側の
隔室内の反対側の領域43においては以上に小さいか又は
無視し得る。
もし入口流路４が、第８図の場合のように、この反対
領域43に配置されていると、気泡は、入口の流路４が弁
36の上流側の隔室38に接続される反対側領域のみに形成
される。気泡が液体によって運ばれる場合、気泡は流線
に沿って運ばれ自動的にオリフィス42及び50の間の流速
が最も高い領域に達することとなり、このようにして、
弁36の下流側の隔室62に気泡が滞留することはないと考
えられる。
領域43に配置されていると、気泡は、入口の流路４が弁
36の上流側の隔室38に接続される反対側領域のみに形成
される。気泡が液体によって運ばれる場合、気泡は流線
に沿って運ばれ自動的にオリフィス42及び50の間の流速
が最も高い領域に達することとなり、このようにして、
弁36の下流側の隔室62に気泡が滞留することはないと考
えられる。
第１図第２図に示すマイクロポンプの入口の流路４も
また、第８図に示すように他の位置に置くことが可能で
ある。一般的に、流体の摩擦によって気泡が運ばれてし
まう程度に隔室の小さなマイクロポンプにおいては、上
述の型の構造が有効であると言われる。
また、第８図に示すように他の位置に置くことが可能で
ある。一般的に、流体の摩擦によって気泡が運ばれてし
まう程度に隔室の小さなマイクロポンプにおいては、上
述の型の構造が有効であると言われる。
本発明による他の実施例を第９図及び第10図に示す。
第９図から明らかなように、出口流路を形成する流路
69が、ウエハー22を相変らず貫通しているのに対し、入
口流路を形成する流路４は、ウエハー24を貫通してい
る。そのためシールリング44は、薄膜40上にウエハー24
に相対して形成されている。この方式では、入口の弁36
の下流側の隔室62は、流路68を介してポンプ室34に通じ
ることとなる。
69が、ウエハー22を相変らず貫通しているのに対し、入
口流路を形成する流路４は、ウエハー24を貫通してい
る。そのためシールリング44は、薄膜40上にウエハー24
に相対して形成されている。この方式では、入口の弁36
の下流側の隔室62は、流路68を介してポンプ室34に通じ
ることとなる。
対称となるように、流路７がポンプ室34と出口弁48の
隔室との間に具備される。
隔室との間に具備される。
該流路68及び70の流路巾は、ポンプ室の大きさまで拡
げることが可能である。流路巾を拡大すると、第11図に
示すように、入口弁36の下流側隔室とポンプ室及び出口
弁48を一体とする構造のマイクロポンプが得られる。
げることが可能である。流路巾を拡大すると、第11図に
示すように、入口弁36の下流側隔室とポンプ室及び出口
弁48を一体とする構造のマイクロポンプが得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F04B 43/04 A61M 1/36 A61M 5/14
Claims (12)
- 【請求項１】ウエハーを積層してポンプ室（34）を形成
し、前記ポンプ室の容積変化を周期的に生起する制御手
段（26）を配設し、 前記ポンプ室を上流側弁（36）と下流側弁（48）を介し
て入口側および出口側に選択的に接続するようにしたマ
イクロポンプにおいて、 前記上流側弁（36）は、偏平な上流側隔室（38）と、前
記ポンプ室を形成する或いはポンプ室に連通する偏平な
下流側隔室（62）とを形成する薄膜（40）を有し、前記
薄膜には上流側隔室から下流側隔室へ流体を通過させる
ためのオリフィス（42）が貫通、形成されており、か
つ、前記オリフィスを囲繞すると共に、弾性作用により
弁座に付勢されているシールリング（44）が設けられて
おり、 前記下流側隔室（62）の出口（50,69）は、前記オリフ
ィス（42）と前記出口（50,69）の間の距離が、前記オ
リフィス（42）と前記下流側隔室の周縁壁との間の最短
距離よりも大きくなるように配設されており、前記下流
側隔室内に流入した流体が、前記下流側隔室の実質的に
全ての周縁壁に接触した後に、前記出口から週出するよ
うになっているマイクロポンプ。 - 【請求項２】前記出口（50）が前記下流側隔室内におい
て前記オリフィス（42）から最も遠い周縁部に配設され
ている請求項１に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項３】前記下流側隔室（62）が、前記ポンプ室
（34）を形成する請求項１に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項４】前記下流側隔室（62）と前記ポンプ室（3
4）とは異なる平面内に配置されており、前記出口オリ
フィス（50）を介して互いに連通している請求項１に記
載のマイクロポンプ。 - 【請求項５】前記下流側弁（48）が前記ポンプ室（34）
を形成する或いは前記ポンプ室（34）に連通する上流側
隔室（49）を具備している請求項１に記載のマイクロポ
ンプ。 - 【請求項６】前記上流側弁（36）の下流側隔室（62）、
前記ポンプ室（34）および前記下流側弁（48）の上流側
隔室（49）が同一空間を形成しており、前記下流側弁に
より出口流路が形成されている請求項５に記載のマイク
ロポンプ。 - 【請求項７】前記ポンプ室（34）に連通する下流側弁
（48）の上流側隔室（49）の高さが、40μｍよりも低く
なっている請求項１または５に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項８】前記上流側弁または下流側弁の上流側隔室
（38、49）の高さが40μｍよりも低くなっている請求項
１から６の何れか１項に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項９】前記ウエハーの表面が親水性を有している
請求項１から８の何れか１項に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項１０】前記積層したウエハーは、表面が酸化処
理により親水性を備えたシリコンウエハーと、グラスウ
エハーを含む請求項９に記載のマイクロポンプ。 - 【請求項１１】前記マイクロポンプは、前記入口側弁の
上流側隔室（38）に連通し流体を流入させる入口流路
（４）を有する請求項１から10の何れか１項に記載のマ
イクロポンプ。 - 【請求項１２】前記シールリング（44）が、前記薄膜と
一体形成されている請求項１から11の何れか１項に記載
のマイクロポンプ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH04055/89-3 | 1989-11-10 | ||
| CH4055/89A CH681168A5 (en) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | Micro-pump for medicinal dosing |
| CH694/90A CH682456A5 (fr) | 1989-11-10 | 1990-03-05 | Micropompe. |
| CH00694/90-0 | 1990-03-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04502796A JPH04502796A (ja) | 1992-05-21 |
| JP2982911B2 true JP2982911B2 (ja) | 1999-11-29 |
Family
ID=25685393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2514757A Expired - Fee Related JP2982911B2 (ja) | 1989-11-10 | 1990-11-07 | 起動を改善したマイクロポンプ |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5219278A (ja) |
| EP (1) | EP0453532B1 (ja) |
| JP (1) | JP2982911B2 (ja) |
| AT (1) | ATE101691T1 (ja) |
| AU (1) | AU642440B2 (ja) |
| CA (1) | CA2045398A1 (ja) |
| CH (2) | CH681168A5 (ja) |
| DE (1) | DE69006721T2 (ja) |
| ES (1) | ES2049989T3 (ja) |
| IE (1) | IE904043A1 (ja) |
| PT (1) | PT95847A (ja) |
| WO (1) | WO1991007591A1 (ja) |
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