JP3569267B2 - Fluid transport system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体輸送システムに関し、詳しくは、マイクロポンプを用いて微少量の流体を高精度に送る流体輸送システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、微少量の液体を送るマイクロポンプが、種々提案されている。これらのマイクロポンプは、微少量の液体を用いて化学分析などを行う流体輸送システムに組み込まれる。
【0003】
例えば、特開2001−322099号公報には、開口部を介してチャンバーが外部の流路と接続されるマイクロポンプが開示されている。また、“AN IMPROVED VALVE−LESS PUMP FABRICATED USING DEEP REACTIVE ION ETCHING”(Anders Olssonほか、MEMS’96(IEEE)第479頁〜第484頁)には、2つのマイクロポンプを並列に配置し、位相差をつけて駆動することにより、互いの影響を相殺することが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、流体輸送システムの構成によっては、外部流路の影響を受けて、特性が劣化してしまうことがある。例えば、流路の長さや形状によっては、マイクロポンプの駆動に伴なう振動によって生じた圧力粗密波が反射して元の波と干渉し、所望の特性が得られないことがある。
【0005】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、特性の劣化を防止することができる流体輸送システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の流体輸送システムを提供する。
【0007】
本発明の第1態様によれば、マイクロポンプのチャンバーに、複数の流路又は流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通し、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、一方の開口部の流路抵抗の変化割合が他方の開口部の流路抵抗の変化割合より小さい流体輸送システムにおいて、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が大きい方の第1開口部に隣接して圧力吸収部が配置され、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が小さい方の第2開口部には流路が連通しており、該流路に該流路を介して前記チャンバー部から遠ざかる方向に進行する圧力粗密波の一部を前記チャンバー側に反射する圧力反射部が配置され、該圧力反射部で反射された圧力粗密波を干渉させることにより前記第2開口部の両端間の圧力変動を抑制する流体輸送システムを提供する。
【0008】
前記構成によれば、例えば、マイクロポンプのインレットから噴出する流体に所望の乱流が生じることで流体を輸送することができる流体輸送システムにおいて、流体振動圧力により乱流の発生が妨げられ、所望の特性が得られない場合に、第1開口部側に圧力吸収部を設けて流体振動圧力を吸収又は緩和することにより、流体振動圧力の悪影響を緩和することができる。
【0009】
また、第2開口部側に設けられた圧力反射部でチャンバー側へ反射された反射波を、チャンバーから圧力反射部に向かって進行する元の波と適宜に干渉させ、干渉による悪影響が生じないようにしたり、さらには、積極的に干渉を利用して特性の向上を図ることがで きる。したがって、流体輸送システムの特性劣化を防止することができる。
【0010】
本発明の第2態様によれば、前記圧力反射部は、前記流路の実効的な音響インピーダンスが不連続な部分である第1態様の流体輸送システムを提供する。
【0011】
本発明の第3態様によれば、前記圧力反射部は、前記流路が急激に曲がっている部分である第1態様の流体輸送システムを提供する。
【0012】
上記構成において、実効的な音響インピーダンスが不連続な部分、あるいは流路が急激に曲がっている部分で、圧力粗密波の反射が起こる。ここで、実効的な音響インピーダンスは、流体自体の体積変化のみならず、流体の周囲すなわち流路等の容積変化をも考慮した音響キャパシタンスを用いて算出する。
【0013】
本発明の第4態様によれば、前記第2開口部と前記圧力反射部との間に位置する流路の長さは、前記マイクロポンプの駆動周期に相当する圧力粗密波の波長の間隔の2分の1より短い第1から第3態様の流体輸送システムを提供する。
【0014】
上記構成において、良好な送液特性を得るには、第2開口部の流路抵抗の値は、なるべく変化しないことが望まれる。そのためには、第2開口部での圧力が大きく変動することを防止すればよい。具体的には、第2開口部から反射部までの距離は、圧力粗密波の波長の1/2のN倍(N=1,2,…)付近を避け、第2開口部から圧力反射部に進行する圧力粗密波と、圧力反射部で第2開口部側へ反射された反射波とが打ち消し合うようにすればよい。ただし、Nが大きくなると、反射波の減衰により打ち消し合う効果が小さくなるとともに、わずかな設計誤差や外乱により波長が変わり、反射波の位相がずれた場合に、狙いとは全く異なる結果となりやすい。第2開口部から圧力反射部までの距離が圧力粗密波の波長の1/2以下であれば、反射波の減衰が小さいので打ち消し合う効果が大きくなるとともに、設計誤差や外乱などがあっても、狙い通りの結果となるようにすることができる。
【0015】
本発明の第5態様によれば、マイクロポンプのチャンバーに、複数の流路又は流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通し、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、一方の開口部の流路抵抗の変化割合が他方の開口部の流路抵抗の変化割合より小さい流体輸送システムにおいて、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が大きい方の第1開口部を介して第1圧力吸収部が配置され、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が小さい方の第2開口部を介して第2圧力吸収部が配置され、
前記第1圧力吸収部の音響キャパシタンスは前記第2圧力吸収部の音響キャパシタンスがよりも大きく構成されている流体輸送システムを提供する。
【0016】
上記構成において、流体輸送システムは、一方の開口部の流路抵抗の変化割合が他方の開口部の流路抵抗の変化割合より小さいことにより、チャンバー内の圧力の昇圧時と降圧時とで、それぞれの開口部を通る流体の比率が異なることを利用して、流体の輸送を行う。
【0017】
本発明の第6態様によれば、前記第2圧力吸収部は、前記第2開口部に連通する流路に接続されていることを特徴とする第5態様の流体輸送システムを提供する。
【0018】
本発明の第7態様によれば、マイクロポンプのチャンバーに複数の流路または流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通する、流体輸送システムにおいて、
それぞれその一部分に流体振動圧力を吸収又は緩和する圧力吸収部が設けられた第1の流路又は流体リザーバと第2の流路又は流体リザーバとを備え、かつ、それらの圧力吸収の音響キャパシタンス値が、流体の一方向の流れの一方の側に位置する圧力吸収部の音響キャパシタンスの方が、チャンバーを挟んで前記流れの反対側に位置する圧力吸収部の音響キャパシタンスよりも大きく設定されている流体輸送システムを提供する。
【0019】
本発明の第8態様によれば、前記反対側の圧力吸収部は、流路の複数箇所に間隔を明けて配置された複数の圧力吸収部からなる第7態様の流体輸送システムを提供する。
【0020】
本発明の第9態様によれば、前記音響キャパシタンスが大きい圧力吸収部側には、貫通孔が連通されている第7態様の流体輸送システムを提供する。
【0021】
本発明の第10態様によれば、複数のマイクロポンプのチャンバーが直列に配置され、隣接する前記チャンバー間を接続する接続部の長さが、前記マイクロポンプの駆動周期に相当する圧力粗密波の波長の1/4以上1/2以下であり、
隣り合った前記チャンバーを、異なる駆動波形で、あるいは位相差をつけて駆動することを特徴とする、流体輸送システムを提供する。
【0022】
上記各構成の少なくとも一つの工夫を含むようにして複数のマイクロポンプを繋いで流体輸送システムを構成すると、マイクロポンプの互いの干渉を防ぐことができるので、安定して高い特性が得られる。具体的には、以下のように構成する。
【0023】
上記構成において、接続部の長さを圧力粗密波の波長の1/2より短くすることにより、反射波を元の波と適宜に干渉させて、干渉による悪影響が生じないようにしたり、さらには、干渉を積極的に利用して、マイクロポンプの送液特性の向上を図ることが可能である。また、隣り合ったチャンバーを、異なる駆動波形で、あるいは位相差をつけて駆動することで、隣り合ったマイクロポンプ同士の共振を防止するとともに、それぞれのマイクロポンプの駆動により発生した圧力粗密波を適宜に干渉させることにより、送液特性の向上に積極的に利用することが可能である。
【0024】
また、複数のマイクロポンプを直列に接続する場合、マイクロポンプのチャンバー間の接続部の長さが圧力粗密波の波長の1/4より短いと、反射波を元の波と干渉させても打ち消し合わないので、送液特性の向上に利用することができない上、かえって悪影響を及ぼす可能性もある。前記構成によれば、接続部の長さが圧力粗密波の波長の1/4以上であるので、反射波と元の波との干渉により、干渉の悪影響を防止したり、干渉を積極的に利用して特性の向上を図ることができる。
【0025】
したがって、流体輸送システムの特性の劣化を防止することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として実施例を図1〜図19に基づいて説明する。なお、図中、同様の構成部分には同じ符号を用いている。
【0027】
まず、第1実施例の流体輸送システムについて、図1〜図5、図17〜図19を参照しながら説明する。
【0028】
図1は、流体輸送システムで用いるマイクロポンプ10の断面図である。図2は、流体輸送システムの平面図である。
【0029】
流体輸送システムは、基板12と薄板14とが接合されている。基板12には、チャンバー20や流体リザーバ30となる窪みや、第1及び第2開口部22,24や流路34となるスリットが、形成され、その上に、振動板になる薄板14が接合される。薄板14には、液体を供給するための貫通孔32が形成され、流体リザーバ30に連通するようになっている。薄板14の上面には、チャンバー20に対向する部分に、圧電素子16が固着されている。圧電素子16は、駆動回路18から電圧を印加され、湾曲変形するようになっている。
【0030】
チャンバー20は、第1開口部22を介して流体リザーバ30に接続され、第2開口部24を介して流路34に接続されている。流体リザーバ30は、チャンバー20や流路34と比べて、幅が広く、容積が大きい。第1開口部22は、第2開口部24と比較して、流路抵抗が差圧に応じて変化する割合が大きくなるように形成されている。
【0031】
なお、第1開口部22と第2開口部24は、それぞれ1本の狭小流路で構成する必要はなく、例えば図3の変形例のマイクロポンプ10aのように、第2開口部を複数本の流路24a,24bで構成してもよい。第1開口部についても、同様に、複数の流路で構成してもよい。
【0032】
マイクロポンプ10は、薄板14と圧電素子16がユニモルフモードの屈曲変形をすることを利用して、チャンバー20の容積を増減させ、チャンバー20内の流体を加圧する。このとき、圧力の昇圧時と降圧時とで、第1開口部22と第2開口部24との流路抵抗の変化割合が異なることを利用して、流体を輸送する。
【0033】
すなわち、チャンバー20の容積の減少により、チャンバー20内の流体が第1及び第2開口部22,24を介して押し出される。チャンバー20の容積が元に戻ると、第1及び第2開口部22,24を介して、チャンバー20内に流体が吸い込まれる。この繰り返しにより、以下のように流体を所望の方向に輸送することができる。
【0034】
チャンバー20から第1及び第2開口部22,24を介して流出する流体の流出量をそれぞれV11,V21、第1及び第2開口部22,24を介してチャンバー20内へ流入する流体の流入量をそれぞれV12,V22とすると、
11+V21=V12+V22 (1)
となる。
【0035】
ここで、上述したように、第1開口部22は、第2開口部24と比較して、流路抵抗が差圧に応じて変化する割合が大きくなるように形成されている。
【0036】
そこで、例えばチャンバー20の容積を急激に減少させて差圧を相対的に大きくし、チャンバー20の容積を緩やかに戻して相対的に差圧を小さくすると、
11<V12 (2)
となる。
また、式(1),(2)より、
21>V22 (3)
となる。
つまり、式(2),(3)から分かるように、全体として見ると、流体は、図1において正方向に輸送される。
【0037】
逆に、チャンバー20の容積を緩やかに減少させて差圧を相対的に小さくし、チャンバー20の容積を急激に戻して差圧を相対的に大きくすると、流体は、図1において負方向に輸送される。
【0038】
一つの具体例としては、基板12には、厚さ500μmの感光性ガラスを用い、深さ100μmに達するまで、チャンバー20や流体リザーバ30の窪みと、第1及び第2開口部22,24や流路34のスリットを、エッチングにより形成する。第1開口部22は、深さが100μm、幅が25μm、長さが20μmである。第2開口部24は、深さが100μm、幅が25μm、長さが150μmである。流体リザーバ30の主要部は、直方体であり、深さが100μm、幅が1.2mm、長さが4.0mmである。流体リザーバ30は、第1開口部22から左右に45度ずつの角度で流路が広がるように形成される。流路34は、深さが100μm、幅が150μmであり、長さが約15mmである。薄板14は、厚さが50μmのガラス板であり、その上面に、厚さが50μmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)セラミックスの圧電素子16を接着剤で貼り付ける。なお、圧電素子16に30Vの電圧を印加すると、その変位量(最大窪み量)は80nmであり、チャンバー20内に満たして水に、0.4MPaの圧力が発生した。
【0039】
次に、マイクロポンプ10の圧電素子16に印加する駆動電圧波形について説明する。
【0040】
マイクロポンプ10は、チャンバー20の容積を増減させるアクチュエータ部15(図1に示したように、薄板14のチャンバー20に対向する部分と、その部分に固着された圧電素子16)の振動の変位速度が、チャンバー20の容積増加時と容積減少時とで異なるように駆動することが必要となる。
【0041】
アクチュエータ部15の振動に関しては、アクチュエータ部15の振動と流体の流れとが共振する振動(以下、「固有振動」という。)の振動モードが、その振動挙動を決める大きな要因となる。圧電素子16に電圧を印加してアクチュエータ部15を振動させるときには、この固有振動の周期に着目して、所望の振動挙動になるような駆動電圧波形を加えと、効率よく駆動することができる。
【0042】
ここでの固有振動の周期は、以下の4つの音響要素成分を用いて表すことができる。
(a)アクチュエータ部15の音響キャパシタンス:Cp
(b)チャンバー20内の液体の音響キャパシタンス:Ca
(c)第1開口部22のイナータンス:Mi
(d)第2開口部24のイナータンス:Mo
【0043】
ここで、『音響キャパシタンス』は、単位圧力に対する圧縮(もしくは変形)体積に相当する。(a)に関しては、基板12の変形は無視でき、チャンバー20の内面に単位圧力を加えたときのアクチュエータ部15の変形体積のみを求めれば算出できる。(b)については、チャンバー20内の液体全体に単位圧力を加えたときの体積減少量から算出できる。あるいは、液体の密度をρ、液体中の音速をv、チャンバー20の容積をWとすると、
Ca=W/(ρv) (4)
で求められる。
ただし、基板12が樹脂等の弾性体であれば、(a)を算出する際、その変形も含めて足し合わせるべきである。
【0044】
『イナータンス』は、流路中の液体を単位圧力で押し出そうとするときの慣性係数に相当する。イナータンス:Mは、圧力:Pに対する加速度:αから、
M=P/α (5)
で算出できる。
あるいは、流路中の液体の質量をm、流路断面積をSとすると、
M=m/S (6)
で算出できる。流路断面積が一様でない流路に関しては、これを長手方向の距離で積分すればよい。
【0045】
なお、第1開口部22又は第2開口部24が複数本の流路で構成される場合には、それらの流路を並列流路として一まとめにしたイナータンスを、この計算に使うべきである。例えば、図3のように第2開口部に相当する流路24a,24bが2本あるときには、流路24a,24bが並列関係であるので、それぞれの流路24a,24b単体のイナータンスの逆数を足し合わせたものの逆数が、第2開口部全体のイナータンスとなる。
【0046】
固有振動の周期:Tは、音響キャパシタンスCp,CaとイナータンスMi,Moを用いて、
T=2π((Cp+Ca)・Mo・Mi/(Mo+Mi)) (7)
と表される。
【0047】
ただし、この振動モードの固有振動の周期:Tは、マイクロポンプ10に接続された流路系の影響や、アクチュエータ16の質量成分の影響などの要因により、その値がシフトすることがある。実際の値は、上記式(7)による計算値の0.5〜2倍程度の範囲でシフトする可能性がある。
【0048】
なお、アクチュエータ部15が単独で振動するモードや、マイクロポンプ10に接続された外部の流路系とマイクロポンプ10との相互作用による振動モードなどにより、一般的な意味での固有振動もあるが、ここでは、アクチュエータ部15の振動と流体の流れとが共振する振動にのみ着目し、駆動電圧波形を決める。
【0049】
次に、アクチュエータ部15が所望の振動挙動になるための駆動電圧波形の例を、図17〜図19に示す。以下はあくまでも例に過ぎず、これら以外の波形でもチャンバー20の容積増加時と容積減少時とで振動速度が異なるものであれば、どんな駆動電圧波形でも問題ない。例えば、チャンバー20の容積増加と減少の1周期を、複数の駆動電圧波形の組み合わせによって実現してもよい。また、チャンバー20を変形するために圧電素子16を使った場合を例示しているが、それ以外の駆動手段(例えば静電アクチュエータや磁歪素子、形状記憶合金など)を用いてもよい。
【0050】
図17は、立上り時間:Tと立下がり時間:Tが異なる駆動電圧波形91a,91bと、それに対応する圧電素子16の変位挙動(撓み量)の波形90a,90bを示す。駆動電圧波形91a,91bは、正方向駆動時にはT<T、逆方向駆動時にはT>Tである。
【0051】
立上り時間:Tと立下がり時間:Tの少なくとも一方は、固有振動の周期:T以上とすることが好ましい。圧電素子16に印加する電圧が固有振動の周期よりも長時間かけて変化する場合は、アクチュエータ部15の振動挙動は固有振動の影響を受けにくいため、電圧波形に追随しやすく、その結果、アクチュエータ部15の振動挙動を制御しやすいからである。
【0052】
なお、駆動電圧波形91a,91bは台形形状であるが、上部の平坦部92a,92bは必ずしも必要ではない。
【0053】
図18の駆動電圧波形95a,95bと、それに対応する圧電素子16の変位挙動の波形94a,94bは、静電容量と電気抵抗などによる時定数τ,τによって、駆動電圧波形95a,95bを鈍らせた場合を示す。例えば、スイッチング回路の配線抵抗を充電時と放電時で異ならせることで時定数τ,τを異ならせたり、駆動回路もしくは配線中にダイオードなどの整流素子や非線形素子を組み込むことで充電時間と放電時間とを異ならせることで実現できる。また、静電アクチュエータのように電圧に対して静電容量が変化するものを用いれば、時間とともに時定数τ,τも変化するので、結果的にこのような駆動電圧波形95a,95bを実現できる。
【0054】
図19は、矩形波などのパルス波98a,98bを用いた駆動電圧波形97a,97bと、圧電素子16の変位挙動の波形96a,96bとを示す。駆動電圧波形97a,97bの駆動周期:Tは、固有振動の周期:Tから少しだけずらす。駆動周期:Tの範囲が、固有振動の周期:Tの1/2倍〜2倍くらいであれば、この方法は有効である。駆動パルス98a,98bのデューティー比(T/T)を変えると、圧電素子16の変位の立上り時間と立下り時間の長さが変化することを利用した駆動方法である。デューティー比50%を境に立上り時間と立下り時間の長短関係が逆転することを利用して、双方向の送液を実現できる。
【0055】
なお、このパルス波98a,98bは矩形波である必要はなく、三角波、台形波などであってもよい。
【0056】
次に、マイクロポンプの脈動による圧力の吸収について説明する。
【0057】
図1に示したように、流体リザーバ30の上壁も薄板14で構成されている。これにより、第1開口部22からチャンバー20外に噴出される流体圧の脈動を緩和し、安定した特性を得ることができる。
【0058】
圧力吸収特性を数値的に論じるためには、前述したように「(音響系)キャパシタンス:C」=「単位圧力あたりの変形(圧縮)体積」という概念を用いるとよい。この値が大きいほど、瞬間的な圧力変化が変形(圧縮)によってより多く吸収されるので緩和圧力吸収性が高いと考えられる。なお、このキャパシタンスは、液体の圧縮性に関するもの(Cwとする)と、上壁の薄板14の変形によるもの(Cdとする)の2つの成分の和で評価すべきである。
【0059】
ここで、液体の密度をρ、液体中の音速(平面圧力波の伝播速度)をv、容積をXとすると、
Cw=X/(ρ×c) (8)
で表すことができる。
【0060】
また、上壁の薄板14の変形に関しては、公知の「厚み一定の板の4辺固定等圧歪み」の式を使える。板厚をt、幅をw、長さをL、板のヤング率をEとすると、
Cd=α×L×w/(2×E×t) (9)
で求めることができる。ここで、αは無次元定数であり、幅と長さの比が2以上であれば、およそα≒0.028である。
【0061】
具体的には、流体リサーバ30のキャパシタンス:Cの値の絶対値の合計が、チャンバー20のそれよりも大きければ、圧力吸収部としての役割を果たす。圧力粗密波は、チャンバー20内の壁面の変形によって生じたものなので、それよりも硬い(すなわち、キャパシタンスが小さい)部分では、その圧力での変形体積量はチャンバー20で生じた体積振動量以下になり、圧力吸収部としては適切ではないからである。
【0062】
前述の具体例に関しては、流体リザーバ30はチャンバー20に比べて容積で3倍以上大きいので、Cwは3倍以上である。また、薄板14の流体リザーバ30部分の幅も、チャンバー20の部分の2.4倍広く、かつ、薄板14の変位を妨げるものもないので、Cdは約80倍以上ある。よって、流体リザーバ30の合計のキャパシタンスは、チャンバー20のキャパシタンスより十分大きいので、十分な効果が期待できる。
【0063】
本実施例では、圧力吸収部(流体リザーバ30)を第1開口部22の出口のすぐ近くに設けているが、この位置と個数が異なっても効果はある。また、第2開口部24側の流路34の途中に圧力吸収部を設けてもよい。
【0064】
なお、図1及び図2に示したタイプのマイクロポンプ10に限定していえば、圧力吸収部である流体リザーバ30が第1開口部22の出口のすぐ近くにあるということの意義は非常に大きい。
【0065】
なぜなら、このタイプのマイクロポンプ10では、第1開口部22付近で発生する乱流効果により、高圧力時に第1開口部22の流路抵抗が大きくなるという特性を利用するため、第1開口部22両端間の差圧の値は狙い通りにかつ精度よく制御する必要がある。したがって、第1開口部22出口のすぐ近く(流体リザーバ30)の圧力に関しても、常にチャンバー20の内圧ピークよりも十分に小さく保つ必要があるからである。
【0066】
換言すると、このタイプのマイクロポンプ10では、第1開口部22付近で発生する乱流の有無により流路抵抗が大きく変化することを利用して駆動している。マイクロポンプ10を駆動したときの脈動の影響で所望の乱流が発生しない場合があるが、流体リザーバ30が圧力吸収部として機能するように構成し、脈動の影響を排除すれば、所望の乱流を発生させることができ、特性の向上、安定化を図ることができる。
【0067】
ところで、流路34の上壁も薄板14で構成されている。流路34は流体リザーバ30に比べて幅が狭いので、流体リザーバ30ほどは大きな圧力吸収特性を示さないものの、次のような効果がある。
【0068】
すなわち、流路34が長い場合、第2開口部24での流体の動きは、流路34の液体の慣性力の影響をまともに受けてしまうために、ポンプ10の駆動周期に応答した振動が妨げられ、正常な送液ができなくなるという問題に対して、これを未然に防ぐことを期待できる。
【0069】
詳しく説明すると、流路の慣性力は、イナータンス(音響系慣性係数):Mに比例する。イナータンス:Mは、式(7)に関して説明したように、流路の長さに比例し、断面積の2乗に反比例する。したがって、流路が浅い、幅が狭いなど、流路断面積が小さいほど、また、流路が長いほど、流路の慣性の影響を受けやすい。ただし、慣性力は加速度にも比例する。そのため、流路全体の一様な流れに関しては流路全体に一定圧力がかかるので流路長さがそのまま効いてくるが、高周波の振動が伝播することに対しては、その波長の2分の1の長さ分の慣性力しか効かない。高周波振動の伝播に関しては、その波長の長さの中に、流体が前方に進む部分と流体が後方に進む部分が1/2波長の長さ分ずつ交互に存在しているからである。
【0070】
高周波振動が流路を伝播するときの波長は、前述した音響的キャパシタンス:Cと、イナータンス:Mで表すことができる。ここで、単位長さあたりのキャパシタンスをCa、単位長さあたりのイナータンスをMaとすると、振動周期:Tの振動に対する1/2波長の長さ:Lhは、
Lh=T/√(Ma×Ca) (10)
になる。
【0071】
この式(10)から分かるように、単位長さあたりのキャパシタンス:Caを大きくすれば、高周波振動に対して実効的にイナータンスが効く長さ:Lhが減少する(すなわち、実効的なイナータンスを減少させる)。すなわち、「圧力吸収構成」となるように、流路34の幅を広くしたり、上壁の薄板14を薄くしたりしてキャパシタンスを上げることによって、上記効果を期待できる。なお、この手法は、上記目的以外にも、長い流路を持つ構成でも応答性のよいシステムを設計したり、あるいは敢えて遠方まで脈動の振動を伝達したい場合にも有効な手段である。
【0072】
なお、本実施例の効果は、図1に示したタイプのマイクロポンプ10に限るものではなく、送液時に脈動を伴うマイクロポンプ全般に有効である。
【0073】
例えば図4の上面図に示すように、開口部として広がり形状の出入口42,44を持ち、常に広がり方向への流路抵抗が大きいことを利用した「ノズル/ディフューザ方式」といわれるタイプのマイクロポンプ40など、バルブのないマイクロポンプには特に有効である。図4のマイクロポンプ40は、例えば図1及び図2に示したマイクロポンプ30と同様に、圧電素子48を交流駆動し、チャンバー46内の液体を送液する。
【0074】
また、例えば図5の断面図に示すように、開閉弁であるバルブ52,54の開閉を伴って送液するタイプのマイクロポンプ50においても、高速で駆動するほど1サイクルあたりの送液量が脈動の影響を受けやすくなることが予想されるため、上記効果は有効であると考えられる。図5のマイクロポンプ50は、チャンバー56に対向する圧電素子56aの駆動と同期して、バルブ52,54を開閉する圧電素子52a,54aを所定のタイミングで駆動する。例えば、図5(a)に示すように、バルブ52を閉じた状態で、矢印56sで示すようにチャンバー56を変形して加圧し、矢印50aで示すようにチャンバー56から流路34への液体を押し出す。次に、図5(b)に示すように、バルブ54を閉じた状態で、矢印56tで示すようにチャンバー56を元に戻して減圧し、矢印50bで示すように流体リザーバ30から液体を吸い込む。これを繰り返す。
【0075】
次に、第2実施例について、図6〜図8を参照しながら説明する。
【0076】
図6に示した流体輸送システムは、図1及び図2の第1実施例と略同様に構成されているが、第1実施例と異なり、第2開口部24に接続された流路34の途中に圧力吸収部60が設けられている。圧力吸収部60の上壁は、第1実施例と同様に薄板14で構成されている。圧力吸収部60は、流路34よりも幅が広いので、その部分の薄板14は、圧力に対して撓み変形しやすくしなっている。薄板14の変形による圧力吸収部60のキャパシタンス(Cd)は、式(9)で示したように、幅wの5乗に比例するため、例えば20%程度幅を広くするだけで、その値は約2.5倍になる。実際には、液体の圧縮によるキャパシタンス(Cw)との和で評価すべきだが、この程度幅を広げるだけでも、圧力吸収部として十分に機能する場合がある。
【0077】
この圧力吸収部60では、単に圧力吸収効果を発揮するだけでなく、高周波の圧力粗密波を反射する特性も有している。具体的には、流路34と圧力吸収部60との界面61a,61bなど、実効的な音響インピーダンスが変化するところで反射を起こす。音響インピーダンスが増加する部分だけでなく、減少するような界面でもこの反射は起こり得る。
【0078】
反射部61aの手前(Laの部分)での音響インピーダンスをZa、反射部61aの先方(Lbの部分)での音響インピーダンスをZbとすると、反射部61aでの圧力の反射率:Kは、
K=(Zb−Za)/(Za+Zb) (11)
で表すことができる。
【0079】
なお、各部分での音響インピーダンスの値:Zは、
Z=√(M×C) (12)
で求められる。ここでのM、及びCは、前述のイナータンス:Mと音響キャパシタンス:Cのそれぞれ実効値のことである。
【0080】
なお、この構成で反射できるのは、ある程度以上の高周波な振動のみである。その周波数下限値の日安としては、圧力吸収部60内を波動が伝播するときに、およそその2分の1波長以上がその領域内に存在しうる周波数でなくてはならない。いいかえれば、圧力吸収部60内を波動が伝播するときの波長が、圧力吸収部60を圧力が伝播する長さ(すなわち、Lb)の2倍以上の波は反射されず、それより短い波長の波だけが反射される。
【0081】
つまり、所定の周波数以上の高周波成分が圧力吸収部より先方には伝播しにくくなるため、この部分より先方の流体の流れを脈動のないスムーズな流れにすることができる。その結果、さらに先方の流路に急激な曲がり部や外部流路とのコネクタ部など複雑な流路形状の部分があったり、又は気泡の混入など不確定な要素があっても、その部分における制御困難な波動の反射が起こらないようにして、送液特性の安定化に役立てることができる。
【0082】
圧力吸収部60で反射した反射波がマイクロポンプ20の第2開口部24に戻ってくることによって、マイクロポンプ20の特性に影響を及ぼす場合がある。一般的に、この影響は特性劣化につながることが多い。しかし、その波頭の位置を考慮した設計を行うことによって、逆に、反射波を積極的に利用して効率を上げることも可能である。特に、図1及び図2に示したタイプのマイクロポンプ10に関して、この効果が大きい。
【0083】
すなわち、上記タイプのマイクロポンプ10では、第2開口部24は圧力が変わっても流路抵抗の値が変化しないことが要求されるので、第2開口部24の両端間の圧力変動は、なるべく少ないことが望まれる。そこで、上記の反射波を利用して、圧力振動周期波形に対して位相差がある反射波を第2開口部24で干渉させることによって、第2開口部24での圧力変動を抑制して、より良好な特性を得ることが可能になる。
【0084】
そのためには、第2開口部24から圧力反射部61aまでの距離Laについて、マイクロポンプ10の駆動周期の波動が流路を伝播する波長の1/2のN倍(N=1,2,3,…)付近の長さを避け、最適距離を探せばよい。ただし、このNが大きくなると、それだけ反射波の減衰も大きくなるので、反射波で圧力変動を抑制する効果が小さくなる。さらには、わずかな設計誤差や外乱などにより波長が変わると、反射波の位相がずれてしまい、狙いとは全く異なる結果になりかねない。そこで、好ましくは、第2開口部24から圧力反射部61aまでの距離Laをマイクロポンプ10の駆動周期の波長の1/2より短くして、反射波の位相が最適になるような位置に圧力反射部61aを配置する。
【0085】
なお、マイクロポンプ10の駆動周期:Tpに対する1/2波長の長さは、前述した式(10)と同様に、
Lh=Tp/√(M×C) (13)
となる。
【0086】
したがって、このLhに対して圧力反射部61aの位置(すなわち、Laの長さ)の最適化を図るか、あるいは圧力伝播流路部(Laの部分)のキャパシタンス:Cやイナータンス:Mを変えて圧力反射部61aの位置に対するLhの最適化を図ればよい。
【0087】
次に、第2実施例の変形例について説明する。
【0088】
図7の流体輸送システムは、1本の流路34の複数箇所に間隔を設けて圧力吸収部60,62,64を配置している。これにより、高周波成分の伝播をより強く妨げることができる。このように複数の圧力吸収部60,62,64を配置すると、それぞれの界面61a,61b;63a,63b;65a,65bでの反射は、図6の場合ほど強くなくてもよいので、第2開口部24に反射して戻ってくる成分を少なくしつつ、かつ圧力吸収部64より先に伝播する高周波成分を抑制できる。
【0089】
圧力吸収部は、図6及び図7以外の構成でもよく、音響インピーダンス:Zが不連続な境界があればよい。
【0090】
さらに、このような反射現象は、音響インピーダンスの値にかかわらず、流路が急激に折れ曲がっている部分など、圧力波の直進性を妨げる部分でも起こりうるので、これも同様の目的で使うことができる。
【0091】
例えば図8の流体輸送システムでは、流路34の先方34sに複数の折れ曲がり部34kを設け、各折れ曲がり部34kで高周波波動の一部を反射させることができる。
【0092】
次に、第3実施例について、図9〜図16を参照しながら説明する。
【0093】
第1及び第2実施例のようなマイクロポンプを複数個並べ、これらを繋いでシステム化することで、一つのマイクロポンプを単独で使用するときよりもシステムとしての持性を向上させることができる。このような使い方をする場合に、以下のように、マイクロポンプ間で脈動の影響を受けないようにしたり、互いの脈動を利用し合って、さらに高性能化したりすることができる。
【0094】
図9に示した流体輸送システムは、流体チャンバー30a,30bにそれぞれ接続されたマイクロポンプ10a,10bを並列に接続し、システムとしての流量を増やすようにしている。このとき、マイクロポンプ10a,10bの互いの脈動の影響により合流部34cで思わぬ不具合が起きたり、合流後の流路36で流れの特性が変動したりするのを防ぐために、マイクロポンプ10a,10bに接続された各流路34a,34bの途中に、圧力吸収部60a,60bを設けている。
【0095】
図10及び図11の流体輸送システムは、流体チャンバー30と流路38の間に、複数のマイクロポンプ10c,10dを直列に接続することにより、システムとしての発生圧力を増やすようにしている。このとき、マイクロポンプ10c,10dの互いの脈動の影響により、マイクロポンプ10c,10dの間で圧力波の干渉が起こり、所望の特性が得られなくなることが予想される。これを防ぐために、図10の流体輸送システムでは、マイクロポンプ10c,10dのチャンバー間を繋ぐ流路34に、圧力吸収部60を設けている。図11の流体輸送システムでは、マイクロポンプ10c,10d間に圧力吸収部60のみを設け、流路を無くしている。この手法は、図1のタイプのマイクロポンプに限らず、脈動を含むマイクロポンプ全般に用いることが可能である。
【0096】
複数のマイクロポンプを直列に接続する場合、脈動圧力を緩和する方法の他に、お互いの圧力波を利用し合って特性を上げる方法もある。以下にその例を挙げる。
【0097】
図12の流体輸送システムは、流路31,35間に、複数のマイクロポンプ40a,40b,40cのチャンバーを直列に繋ぎ(流路を介して繋いでも問題ない)、隣接するマイクロポンプ40a,40b,40cに位相差をつけて(あるいは、駆動電圧のタイミングをずらして)駆動する。
【0098】
図13(a)は、図1及び図2のタイプの2つのマイクロポンプ10s,10tのチャンバー20s,20t間を共通の第1開口部22xで連通し、それぞれの反対側を第2開口部24s,24tを介して流路31,35に連通させる構成の流体輸送システムを示す。マイクロポンプ10s,10tは、アクチュエータの挙動が、互いに位相差が付く(あるいは、変形方向の正負が逆になる)ように、適宜に駆動する。例えば図13(b)は、これらのマイクロポンプ10s,10tのアクチュエータ(図示せず)にそれぞれ印加する駆動電圧波形80,82の一例である。駆動電圧波形80,82は、急激な立ち上がり80a又は立下り82aと、緩やかな立下り80b又は立ち上がり82bが同期し、位相が180度ずれている。
【0099】
図14(a)は、図1のタイプのマイクロポンプ10s,10tのチャンバー20s,20t間を共通の第2開口部24xで連通し、それぞれの反対側の第1開口部22s,22tを圧力吸収部60s,60tを介して不図示の流路に連通させる構成の流体輸送システムを示す。この場合には、圧力吸収部60s,60tを設けることが、特性の安定上望ましい。
【0100】
図14(b)は、これらのマイクロポンプ10s,10tのアクチュエータ(図示せず)に印加する駆動電圧波形84,86の一例である。マイクロポンプ10s,10tのアクチュエータは、それぞれの立上り時間(84a,86aの長さ)と立下りの時間(84b,86bの長さ)とが互い異なり、かつ、立上り又は立下りについて、いずれか一方のアクチュエータの変位速度が最も速いとき、一方のアクチュエータの変形方向と他方のアクチュエータの変位方向とが一致する。
【0101】
図15の流体輸送システムは、流路31,35の間に、複数のマイクロポンプ40s,40tを、接続部である流路33を介して直列に繋いでいる。流路33の長さLを適切な長さに設定することで、流路33を伝わる圧力粗密波の波長に対して、マイクロポンプ40s,40tが発生する脈動を互いに利用し合うことができる。
【0102】
前述したように、流路33の長さLは、圧力粗密波の波長の1/2のN倍(N=1,2,…)付近を避け、一方のマイクロポンプから他方のマイクロポンプに向けて進行する圧力粗密波と反射された反射波とが打ち消し合うようにすればよい。流路33の長さLが、圧力粗密波の波長の1/2以下であれば、反射波の減衰が小さいので打ち消し合う効果が大きくなるとともに、設計誤差や外乱などがあっても、狙い通りの結果となるようにすることができる。
【0103】
しかし、流路33が短すぎると、この効果が得られないばかりか、かえって悪影響を及ぼす可能性がある。圧力粗密波として最も一般的な正弦波では、圧力のピークの地点から圧力がゼロになる地点までの長さは、その波長の1/4の長さに相当し、それ以下の長さではあまり効果が期待できないばかりか、かえって悪影響を及ぼすことも考えられる。したがって、流路33の長さLは、駆動周波数の振動の波長の1/4以上であることが望ましい。
【0104】
上記のさまざまな工夫を任意に組み合わせることで、より高性能な流体輸送システムを構築できる。
【0105】
例えば図16の流体輸送システムは、3系統の直列に繋いだマイクロポンプ10u,10v,10w、圧力吸収部60u,60v,60wを含む流路34u,34v,34w、マイクロポンプ10x,10y,10z、流路34x,34y,34zが、流体リザーバ30xと圧力吸収部60xとの間に並列に並べて接続されている。このように、直列に繋いだもの同士をさらに並列に並べて合流させることで、合流後の流路36での流量、発生圧力の両方を増やすことが可能になる。
【0106】
以上説明したように、流体輸送システムは、圧力吸収部や反射部を設けるなどして、特性の劣化を防止することができる。
【0107】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【0108】
例えば、マイクロポンプのチャンバーに2本の流路が連通する場合に限らず、3本以上のそれぞれ独立した流路が連通するようにしてもよい。また、マイクロポンプのチャンバーに接続された流路同士を接続し、流体循環系を構成してもよい。
【0109】
また、本発明は、液体に限らず、気体も含めたすべての流体に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロポンプの断面図である。
【図2】本発明の第1実施例の流体輸送システムの平面図である。
【図3】図2の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図4】他の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図5】さらに別の変形例のマイクロポンプの断面図である。
【図6】本発明の第2実施例の流体輸送システムの平面図である。
【図7】図6の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図8】他の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図9】本発明の第3実施例の流体輸送システムの平面図である。
【図10】図9の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図11】他の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図12】さらに別の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図13】さらに別の変形例の流体輸送システムの(a)平面図及び(b)駆動電圧波形図である。
【図14】さらに別の変形例の流体輸送システムの(a)平面図及び(b)駆動電圧波形図である。
【図15】さらに別の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図16】さらに別の変形例の流体輸送システムの平面図である。
【図17】図1のマイクロポンプの変位挙動と駆動電圧のグラフである。
【図18】他の変位挙動と駆動電圧のグラフである。
【図19】さらに別の変位挙動と駆動電圧のグラフである。
【符号の説明】
10,10a,10b,10c,10d,10s,10t,10u,10v,10w,10x,10y,10z マイクロポンプ
14 薄板(壁)
20,20s,20t チャンバー
22,22s,22t,22x 第1開口部
24,24s,24t,24x 第2開口部
24a,24b 流路(開口部)
30,30a,30b,30x 流体リザーバ
31 流路
33 流路(接続部)
34,34a,34b,34u,34v,34w,34x,34y,34z 流路
34k 折れ曲がり部(反射部)
35,36,38 流路
40,40a,40b,40c,40s,40t マイクロポンプ
42,44 出入口(開口部)
46 チャンバー
50 マイクロポンプ
52,54 バルブ(開閉弁)
56 チャンバー
60,60a,60b,60s,60t,60u,60v,60w,60x 圧力吸収部
61a,61b 界面(反射部)
62 圧力吸収部
63a,63b 界面(反射部)
64 圧力吸収部
65a,65b 界面(反射部)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluid transport system, and more particularly, to a fluid transport system that sends a very small amount of fluid with high precision using a micropump.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various micro pumps for feeding a very small amount of liquid have been proposed. These micropumps are incorporated in a fluid transport system that performs chemical analysis or the like using a very small amount of liquid.
[0003]
For example, JP-A-2001-322099 discloses a micropump in which a chamber is connected to an external flow path through an opening. Also, two micropumps are arranged in parallel in "AN IMPROVED VALVE-LESS PUMP FABRICATED USING DEEP REACTIVE ION ETCHING" (Anders Olsson et al., MEMS '96 (IEEE) pp. 479-484) and the phase difference is set. It is disclosed that by driving with, the influence of each other is canceled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, depending on the configuration of the fluid transport system, the characteristics may be deteriorated due to the influence of the external flow path. For example, depending on the length and shape of the flow path, the pressure compression wave generated by the vibration accompanying the drive of the micropump is reflected and interferes with the original wave, so that desired characteristics may not be obtained.
[0005]
Therefore, a technical problem to be solved by the present invention is to provide a fluid transport system capable of preventing deterioration of characteristics.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a fluid transport system having the following configuration in order to solve the above technical problems.
[0007]
According to the first aspect of the present invention, a plurality of flow paths or fluid reservoirs are respectively opened in the chamber of the micropump.DepartmentCommunicating throughWhen the pressure in the chamber is increased or decreased, the change rate of the flow path resistance of one opening is smaller than the change rate of the flow path resistance of the other opening.In fluid transportation systems,
Of the openings, a pressure absorbing portion is arranged adjacent to the first opening having a larger change rate of the flow path resistance,
Among the openings, a flow passage communicates with the second opening having a smaller change ratio of the flow passage resistance, and a pressure that travels in a direction away from the chamber through the flow passage through the flow passage. A pressure reflecting portion that reflects a part of the compression wave to the chamber side is disposed, and a pressure fluctuation between the two ends of the second opening is suppressed by causing the pressure compression wave reflected by the pressure reflection portion to interfere.A fluid transport system is provided.
[0008]
According to the configuration, for example, in a fluid transport system that can transport a fluid by generating a desired turbulent flow in a fluid ejected from an inlet of a micropump, generation of turbulent flow is prevented by a fluid vibration pressure. If the characteristics of1st opening sideBy providing a pressure absorbing part to absorb or reduce the fluid vibration pressure, the adverse effects of the fluid vibration pressure can be reduced.You.
[0009]
Further, the reflected wave reflected toward the chamber by the pressure reflecting portion provided on the second opening side appropriately interferes with the original wave traveling from the chamber toward the pressure reflecting portion, so that no adverse effect due to the interference occurs. In addition, it is possible to improve the characteristics by utilizing interference. Wear. Therefore, it is possible to prevent characteristic deterioration of the fluid transport system.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the fluid transport system according to the first aspect, wherein the pressure reflection section is a portion where the effective acoustic impedance of the flow path is discontinuous.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the fluid transport system according to the first aspect, wherein the pressure reflecting portion is a portion where the flow path is sharply bent.
[0012]
In the above configuration, the portion where the effective acoustic impedance is discontinuous, orThe pressure compression wave is reflected at the bent portion. Here, the effective acoustic impedance is calculated using acoustic capacitance taking into account not only the volume change of the fluid itself, but also the volume change of the periphery of the fluid, that is, the flow path and the like.
[0013]
According to the fourth aspect of the present invention, the length of the flow path located between the second opening and the pressure reflecting portion is equal to the interval of the wavelength of the pressure compression wave corresponding to the driving cycle of the micro pump. The fluid transport system of the first to third aspects is provided that is shorter than half.
[0014]
In the above configuration, in order to obtain good liquid sending characteristics, it is desired that the value of the flow path resistance of the second opening does not change as much as possible. For that purpose, it is only necessary to prevent the pressure at the second opening from fluctuating greatly. More specifically, the distance from the second opening to the reflecting portion should be around N times (N = 1, 2,...) 波長 of the wavelength of the pressure compressional wave. And the reflected wave reflected to the second opening side by the pressure reflecting portion may cancel each other. However, as N increases, the effect of canceling out due to the attenuation of the reflected wave becomes smaller, and the wavelength changes due to a slight design error or disturbance, and when the phase of the reflected wave is shifted, the result tends to be completely different from the target. When the distance from the second opening to the pressure reflecting portion is equal to or less than の of the wavelength of the pressure compression wave, the attenuation of the reflected wave is small, so that the effect of canceling out becomes large, and even if there is a design error or disturbance, etc. , So that you can get the desired result.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention,A plurality of flow paths or fluid reservoirs communicate with the chamber of the micropump through the respective openings, and when the pressure in the chamber is raised or lowered, the change rate of the flow path resistance of one of the openings is changed by the other of the openings. In the fluid transport system smaller than the change rate of the flow path resistance of the section,
Of the openings, a first pressure absorbing portion is arranged via a first opening having a larger change rate of the flow path resistance,
Of the openings, a second pressure absorbing portion is disposed via a second opening having a smaller change rate of the flow path resistance,
An acoustic capacitance of the first pressure absorbing unit provides a fluid transport system in which an acoustic capacitance of the second pressure absorbing unit is configured to be larger.
[0016]
In the above configuration, the fluid transport system is configured such that the change rate of the flow path resistance of one opening is smaller than the change rate of the flow path resistance of the other opening, so that the pressure in the chamber increases and decreases. Fluid is transported using the fact that the ratio of the fluid passing through each opening is different.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the fluid transport system according to the fifth aspect, wherein the second pressure absorbing section is connected to a flow path communicating with the second opening.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a fluid transport system, wherein a plurality of flow paths or fluid reservoirs communicate with the chamber of the micropump through openings, respectively.
A first flow path or a fluid reservoir and a second flow path or a fluid reservoir, each of which is provided with a pressure absorbing portion for absorbing or reducing a fluid vibration pressure, and an acoustic capacitance value of the pressure absorption thereof; However, the acoustic capacitance of the pressure absorbing portion located on one side of the one-way flow of the fluid is set to be larger than the acoustic capacitance of the pressure absorbing portion located on the opposite side of the flow across the chamber. A fluid transport system is provided.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the fluid transport system according to the seventh aspect, wherein the pressure absorbing section on the opposite side includes a plurality of pressure absorbing sections arranged at intervals at a plurality of locations in the flow path.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the fluid transport system according to the seventh aspect, wherein a through-hole is communicated with the pressure absorbing unit having the large acoustic capacitance.
[0021]
According to the tenth aspect of the present invention, the chambers of the plurality of micropumps are arranged in series, and the length of the connecting part connecting the adjacent chambers is equal to the pressure compression wave corresponding to the driving cycle of the micropumps. Not less than 4 and not more than の of the wavelength,
A fluid transport system is provided, wherein adjacent chambers are driven with different drive waveforms or with a phase difference.
[0022]
When a fluid transport system is configured by connecting a plurality of micropumps so as to include at least one of the above-described configurations, interference between the micropumps can be prevented, so that high characteristics can be stably obtained. Specifically, the configuration is as follows.
[0023]
In the above configuration, by setting the length of the connection portion to be shorter than の of the wavelength of the pressure compressional wave, the reflected wave can appropriately interfere with the original wave so that the adverse effect of the interference does not occur. It is possible to improve the liquid sending characteristics of the micropump by positively utilizing the interference. In addition, by driving adjacent chambers with different drive waveforms or with a phase difference, resonance between adjacent micro pumps is prevented, and pressure compression waves generated by driving each micro pump are prevented. By appropriately interfering with each other, it is possible to positively use the liquid to improve the liquid sending characteristics.
[0024]
When a plurality of micropumps are connected in series and the length of the connection between the chambers of the micropumps is shorter than 1/4 of the wavelength of the pressure compressional wave, the reflected wave is canceled even if it interferes with the original wave. Since they do not match, they cannot be used for improving the liquid sending characteristics, and may have an adverse effect on the contrary. According to the configuration, since the length of the connection portion is equal to or more than 1 / of the wavelength of the pressure compression wave, interference between the reflected wave and the original wave can prevent the adverse effect of the interference or actively reduce the interference. Utilization can be used to improve characteristics.
[0025]
Therefore, deterioration of the characteristics of the fluid transport system can be prevented.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, examples will be described with reference to FIGS. 1 to 19 as embodiments of the present invention. In the drawings, the same reference numerals are used for the same components.
[0027]
First, a fluid transport system according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5 and FIGS.
[0028]
FIG. 1 is a sectional view of a micropump 10 used in a fluid transport system. FIG. 2 is a plan view of the fluid transportation system.
[0029]
In the fluid transport system, the substrate 12 and the thin plate 14 are joined. The substrate 12 is formed with a dent that becomes the chamber 20 and the fluid reservoir 30, and a slit that becomes the first and second openings 22, 24 and the flow path 34, on which the thin plate 14 that becomes the diaphragm is joined. Is done. The thin plate 14 is formed with a through hole 32 for supplying a liquid, and communicates with the fluid reservoir 30. On the upper surface of the thin plate 14, a piezoelectric element 16 is fixed to a portion facing the chamber 20. A voltage is applied to the piezoelectric element 16 from the drive circuit 18 so as to bend and deform.
[0030]
The chamber 20 is connected to the fluid reservoir 30 via the first opening 22 and to the flow path 34 via the second opening 24. The fluid reservoir 30 is wider and has a larger volume than the chamber 20 and the flow path 34. The first opening 22 is formed such that the rate at which the flow path resistance changes in accordance with the differential pressure is larger than that of the second opening 24.
[0031]
Note that the first opening 22 and the second opening 24 do not need to be formed of one narrow channel, respectively. For example, as in the micropump 10a of the modified example of FIG. May be constituted by the flow paths 24a and 24b. Similarly, the first opening may be constituted by a plurality of flow paths.
[0032]
The micropump 10 increases or decreases the volume of the chamber 20 and pressurizes the fluid in the chamber 20 by utilizing the thin plate 14 and the piezoelectric element 16 that bend in a unimorph mode. At this time, the fluid is transported using the fact that the rate of change in the flow path resistance between the first opening 22 and the second opening 24 is different between when the pressure is increased and when the pressure is decreased.
[0033]
That is, the fluid in the chamber 20 is pushed out through the first and second openings 22 and 24 due to the decrease in the volume of the chamber 20. When the volume of the chamber 20 returns to the original state, the fluid is sucked into the chamber 20 through the first and second openings 22 and 24. By repeating this, the fluid can be transported in a desired direction as described below.
[0034]
The amount of fluid flowing out of the chamber 20 through the first and second openings 22 and 24 is V11, V21, The amount of fluid flowing into the chamber 20 through the first and second openings 22 and 24 is V12, V22Then
V11+ V21= V12+ V22    (1)
It becomes.
[0035]
Here, as described above, the first opening 22 is formed such that the rate of change in the flow path resistance according to the differential pressure is larger than that of the second opening 24.
[0036]
Therefore, for example, when the differential pressure is relatively increased by rapidly reducing the volume of the chamber 20, and the differential pressure is relatively decreased by gradually returning the volume of the chamber 20,
V11<V12                    (2)
It becomes.
From equations (1) and (2),
V21> V22                    (3)
It becomes.
That is, as can be seen from Equations (2) and (3), as a whole, fluid is transported in the positive direction in FIG.
[0037]
Conversely, when the volume of the chamber 20 is gradually reduced to make the differential pressure relatively small, and when the volume of the chamber 20 is rapidly returned to make the differential pressure relatively large, the fluid is transported in the negative direction in FIG. Is done.
[0038]
As one specific example, a photosensitive glass having a thickness of 500 μm is used for the substrate 12, the depressions of the chamber 20 and the fluid reservoir 30, the first and second openings 22, 24, and so on until the depth reaches 100 μm. The slit of the channel 34 is formed by etching. The first opening 22 has a depth of 100 μm, a width of 25 μm, and a length of 20 μm. The second opening 24 has a depth of 100 μm, a width of 25 μm, and a length of 150 μm. The main part of the fluid reservoir 30 is a rectangular parallelepiped, having a depth of 100 μm, a width of 1.2 mm, and a length of 4.0 mm. The fluid reservoir 30 is formed such that the flow path expands from the first opening 22 at an angle of 45 degrees left and right. The channel 34 has a depth of 100 μm, a width of 150 μm, and a length of about 15 mm. The thin plate 14 is a glass plate having a thickness of 50 μm, and a piezoelectric element 16 of PZT (lead zirconate titanate) ceramics having a thickness of 50 μm is adhered to the upper surface thereof with an adhesive. When a voltage of 30 V was applied to the piezoelectric element 16, the displacement amount (maximum depression amount) was 80 nm, and a pressure of 0.4 MPa was generated in the water filled in the chamber 20.
[0039]
Next, a driving voltage waveform applied to the piezoelectric element 16 of the micro pump 10 will be described.
[0040]
The micropump 10 has a displacement speed of vibration of an actuator unit 15 (a portion of the thin plate 14 facing the chamber 20 and the piezoelectric element 16 fixed to the portion, as shown in FIG. 1) for increasing or decreasing the volume of the chamber 20. However, it is necessary to drive the chamber 20 differently when increasing the volume and when decreasing the volume.
[0041]
Regarding the vibration of the actuator section 15, the vibration mode of vibration (hereinafter, referred to as “natural vibration”) in which the vibration of the actuator section 15 and the flow of the fluid resonate is a major factor that determines the vibration behavior. When a voltage is applied to the piezoelectric element 16 to cause the actuator section 15 to vibrate, the driving can be efficiently performed by focusing on the period of the natural vibration and adding a drive voltage waveform having a desired vibration behavior.
[0042]
The period of the natural vibration here can be represented by using the following four acoustic element components.
(A) Acoustic capacitance of the actuator unit 15: Cp
(B) Acoustic capacitance of liquid in chamber 20: Ca
(C) Inertance of the first opening 22: Mi
(D) Inertance of the second opening 24: Mo
[0043]
Here, the “acoustic capacitance” corresponds to a compression (or deformation) volume per unit pressure. Regarding (a), the deformation of the substrate 12 can be ignored, and can be calculated by obtaining only the deformation volume of the actuator section 15 when a unit pressure is applied to the inner surface of the chamber 20. (B) can be calculated from the amount of volume decrease when a unit pressure is applied to the entire liquid in the chamber 20. Alternatively, assuming that the density of the liquid is ρ, the velocity of sound in the liquid is v, and the volume of the chamber 20 is W,
Ca = W / (ρv2) (4)
Is required.
However, if the substrate 12 is an elastic body such as a resin, it should be added including the deformation when calculating (a).
[0044]
“Inertance” corresponds to an inertia coefficient when the liquid in the flow path is to be extruded at a unit pressure. Inertance: M is obtained from pressure: acceleration with respect to P: α,
M = P / α (5)
Can be calculated.
Alternatively, assuming that the mass of the liquid in the flow path is m and the cross-sectional area of the flow path is S,
M = m / S2                      (6)
Can be calculated. For a flow path having a non-uniform flow path cross-sectional area, this may be integrated by a distance in the longitudinal direction.
[0045]
In the case where the first opening 22 or the second opening 24 is constituted by a plurality of flow paths, the inertance in which the flow paths are combined as a parallel flow path should be used for this calculation. . For example, when there are two flow paths 24a and 24b corresponding to the second opening as shown in FIG. 3, since the flow paths 24a and 24b are in a parallel relationship, the reciprocal of the inertance of each flow path 24a and 24b alone is The reciprocal of the sum is the inertance of the entire second opening.
[0046]
The period of the natural vibration: T is calculated by using the acoustic capacitances Cp and Ca and the inertances Mi and Mo.
T = 2π ((Cp + Ca) · Mo · Mi / (Mo + Mi)) (7)
It is expressed as
[0047]
However, the value of the cycle T of the natural vibration of the vibration mode may be shifted due to the influence of the flow path system connected to the micropump 10 or the influence of the mass component of the actuator 16. The actual value may shift in the range of about 0.5 to 2 times the value calculated by the above equation (7).
[0048]
In addition, there are natural vibrations in a general sense due to a mode in which the actuator section 15 vibrates alone, and a vibration mode due to an interaction between the micropump 10 and an external flow path system connected to the micropump 10. Here, the drive voltage waveform is determined by focusing only on the vibration in which the vibration of the actuator section 15 and the flow of the fluid resonate.
[0049]
Next, FIGS. 17 to 19 show examples of drive voltage waveforms for causing the actuator section 15 to have a desired vibration behavior. The following is merely an example, and any waveform other than these may be used as long as the vibration speed differs between when the volume of the chamber 20 increases and when the volume decreases. For example, one cycle of increasing and decreasing the volume of the chamber 20 may be realized by a combination of a plurality of drive voltage waveforms. Further, the case where the piezoelectric element 16 is used to deform the chamber 20 is illustrated, but other driving means (for example, an electrostatic actuator, a magnetostrictive element, a shape memory alloy, or the like) may be used.
[0050]
FIG. 17 shows the rise time: TRAnd fall time: TFIndicate different driving voltage waveforms 91a and 91b and corresponding waveforms 90a and 90b of the displacement behavior (bending amount) of the piezoelectric element 16. The drive voltage waveforms 91a and 91b have TR<TF, T for reverse driveR> TFIt is.
[0051]
Rise time: TRAnd fall time: TFIt is preferable that at least one of them has a period of natural vibration: T or more. When the voltage applied to the piezoelectric element 16 changes over a longer period than the period of the natural vibration, the vibration behavior of the actuator unit 15 is less affected by the natural vibration, and thus easily follows the voltage waveform. This is because the vibration behavior of the unit 15 can be easily controlled.
[0052]
Although the drive voltage waveforms 91a and 91b are trapezoidal, the upper flat portions 92a and 92b are not necessarily required.
[0053]
The drive voltage waveforms 95a and 95b and the corresponding waveforms 94a and 94b of the displacement behavior of the piezoelectric element 16 in FIG.1, Τ2Shows a case where the drive voltage waveforms 95a and 95b are dulled. For example, by making the wiring resistance of the switching circuit different between charging and discharging, the time constant τ1, Τ2Or by incorporating a rectifying element such as a diode or a non-linear element in the drive circuit or wiring to make the charging time and the discharging time different. Further, if an electrostatic actuator such as an electrostatic actuator whose capacitance changes with respect to voltage is used, the time constant1, Τ2Therefore, such drive voltage waveforms 95a and 95b can be realized as a result.
[0054]
FIG. 19 shows drive voltage waveforms 97a and 97b using pulse waves 98a and 98b such as rectangular waves, and waveforms 96a and 96b of the displacement behavior of the piezoelectric element 16. Driving cycle of driving voltage waveforms 97a and 97b: T2Is slightly shifted from the natural vibration period: T. Drive cycle: T2This method is effective if the range is about 1/2 to 2 times the period of the natural vibration: T. The duty ratio of the drive pulses 98a, 98b (T1/ T2This driving method utilizes the fact that the length of the rise time and the fall time of the displacement of the piezoelectric element 16 changes when the parentheses are changed. By utilizing the fact that the relationship between the rise time and the fall time is reversed at a duty ratio of 50%, bidirectional liquid transfer can be realized.
[0055]
The pulse waves 98a, 98b need not be rectangular waves, but may be triangular waves, trapezoidal waves, or the like.
[0056]
Next, absorption of pressure by pulsation of the micropump will be described.
[0057]
As shown in FIG. 1, the upper wall of the fluid reservoir 30 is also formed of the thin plate 14. Thereby, the pulsation of the fluid pressure ejected from the first opening 22 to the outside of the chamber 20 can be reduced, and stable characteristics can be obtained.
[0058]
In order to discuss the pressure absorption characteristics numerically, it is preferable to use the concept of “(acoustic) capacitance: C” = “deformation (compression) volume per unit pressure” as described above. It is considered that the larger this value is, the more the instantaneous pressure change is absorbed by deformation (compression), so that the relaxation pressure absorption is higher. This capacitance should be evaluated by the sum of two components, one related to the compressibility of the liquid (Cw) and the other due to the deformation of the thin plate 14 on the upper wall (Cd).
[0059]
Here, assuming that the density of the liquid is ρ, the velocity of sound in the liquid (propagation velocity of the plane pressure wave) is v, and the volume is X,
Cw = X / (ρ × c2) (8)
Can be represented by
[0060]
Further, regarding the deformation of the thin plate 14 on the upper wall, a well-known equation of “fixed four-sided fixed pressure distortion of a plate having a constant thickness” can be used. When the plate thickness is t, the width is w, the length is L, and the Young's modulus of the plate is E,
Cd = α × L × w5/ (2 × E × t3) (9)
Can be obtained by Here, α is a dimensionless constant, and approximately α ≒ 0.028 when the ratio of the width to the length is 2 or more.
[0061]
Specifically, when the sum of the absolute values of the capacitance: C of the fluid reservoir 30 is larger than that of the chamber 20, the fluid reservoir 30 serves as a pressure absorbing unit. Since the pressure compression wave is generated by the deformation of the wall surface in the chamber 20, the deformation volume under the pressure is less than the volume vibration generated in the chamber 20 in the harder portion (that is, the capacitance is small). This is because it is not suitable as a pressure absorbing portion.
[0062]
For the above example, the fluid reservoir 30 is at least three times larger in volume than the chamber 20, so Cw is three times or more. Also, the width of the fluid reservoir 30 portion of the thin plate 14 is 2.4 times wider than that of the chamber 20 and there is nothing to prevent the displacement of the thin plate 14, so that Cd is about 80 times or more. Therefore, since the total capacitance of the fluid reservoir 30 is sufficiently larger than the capacitance of the chamber 20, a sufficient effect can be expected.
[0063]
In the present embodiment, the pressure absorbing section (fluid reservoir 30) is provided immediately near the outlet of the first opening 22, but there is an effect even if the position and the number are different. Further, a pressure absorbing section may be provided in the flow path 34 on the second opening 24 side.
[0064]
In addition, if it is limited to the micropump 10 of the type shown in FIGS. 1 and 2, it is very significant that the fluid reservoir 30 which is the pressure absorbing portion is located very close to the outlet of the first opening 22. .
[0065]
This is because the micropump 10 of this type utilizes the characteristic that the flow resistance of the first opening 22 increases at high pressure due to the turbulence effect generated near the first opening 22. It is necessary to control the value of the differential pressure between the two ends as intended and accurately. Therefore, the pressure immediately near the outlet of the first opening 22 (the fluid reservoir 30) must always be kept sufficiently lower than the internal pressure peak of the chamber 20.
[0066]
In other words, this type of micropump 10 is driven by utilizing the fact that the flow path resistance greatly changes depending on the presence or absence of turbulence generated near the first opening 22. Desired turbulence may not be generated due to the influence of pulsation when the micropump 10 is driven. However, if the fluid reservoir 30 is configured to function as a pressure absorbing unit and the influence of pulsation is eliminated, the desired turbulence may be reduced. A flow can be generated, and the characteristics can be improved and stabilized.
[0067]
Incidentally, the upper wall of the flow path 34 is also formed of the thin plate 14. Since the width of the flow path 34 is smaller than that of the fluid reservoir 30, the flow path 34 does not exhibit the pressure absorption characteristics as large as the fluid reservoir 30, but has the following effects.
[0068]
That is, when the flow path 34 is long, the movement of the fluid in the second opening 24 is directly affected by the inertial force of the liquid in the flow path 34, so that the vibration in response to the driving cycle of the pump 10 It can be expected that this will be prevented beforehand for the problem that it is hindered and normal liquid feeding cannot be performed.
[0069]
More specifically, the inertial force of the flow path is proportional to inertance (acoustic inertia coefficient): M. Inertance: M is proportional to the length of the flow path and inversely proportional to the square of the cross-sectional area, as described with respect to equation (7). Therefore, the smaller the cross-sectional area of the flow path, such as a shallow flow path and a narrow width, and the longer the flow path, the more easily the flow path is affected by inertia. However, the inertial force is also proportional to the acceleration. Therefore, a constant pressure is applied to the entire flow path with respect to a uniform flow in the entire flow path, so that the flow path length remains effective. However, for the propagation of high-frequency vibration, a half of the wavelength is used. Only one length of inertia works. This is because, regarding the propagation of the high-frequency vibration, a portion in which the fluid moves forward and a portion in which the fluid moves backward alternately exist by the length of 波長 wavelength within the length of the wavelength.
[0070]
The wavelength at which the high-frequency vibration propagates through the flow path can be represented by the above-described acoustic capacitance: C and inertance: M. Here, assuming that the capacitance per unit length is Ca and the inertance per unit length is Ma, the vibration period: the length of a half wavelength with respect to the vibration of T: Lh is:
Lh = T / √ (Ma × Ca) (10)
become.
[0071]
As can be seen from the equation (10), when the capacitance per unit length: Ca is increased, the length: Lh at which the inertance is effective effectively with respect to the high-frequency vibration is reduced (that is, the effective inertance is reduced). Let it do). In other words, the above effect can be expected by increasing the capacitance by increasing the width of the flow path 34 or reducing the thickness of the thin plate 14 on the upper wall so as to achieve the “pressure absorption configuration”. In addition to this purpose, this method is an effective means for designing a system with good responsiveness even in a configuration having a long flow path, or when dare to transmit pulsating vibration to a distant place.
[0072]
The effect of the present embodiment is not limited to the micro pump 10 of the type shown in FIG. 1, but is effective for all micro pumps accompanied by pulsation at the time of liquid supply.
[0073]
For example, as shown in the top view of FIG. 4, a micropump of a type called a "nozzle / diffuser system" that has divergent entrances and exits 42 and 44 as openings and utilizes the fact that the flow path resistance is always large in the diverging direction It is particularly effective for a micropump having no valve, such as 40. The micropump 40 of FIG. 4 drives the piezoelectric element 48 with an alternating current, for example, like the micropump 30 shown in FIGS.
[0074]
Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5, for example, in a micropump 50 of a type in which liquid is supplied with opening and closing valves 52 and 54 which are on-off valves, the higher the driving speed, the larger the amount of liquid supply per cycle. The effect is considered to be effective because it is expected to be easily affected by the pulsation. The micropump 50 in FIG. 5 drives the piezoelectric elements 52a and 54a that open and close the valves 52 and 54 at a predetermined timing in synchronization with the driving of the piezoelectric element 56a facing the chamber 56. For example, as shown in FIG. 5A, with the valve 52 closed, the chamber 56 is deformed and pressurized as shown by an arrow 56s, and the liquid flows from the chamber 56 to the flow path 34 as shown by an arrow 50a. Extrude. Next, as shown in FIG. 5 (b), with the valve 54 closed, the chamber 56 is returned to its original position as shown by the arrow 56t to reduce the pressure, and the liquid is sucked from the fluid reservoir 30 as shown by the arrow 50b. . Repeat this.
[0075]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
[0076]
The fluid transport system shown in FIG. 6 is configured substantially in the same manner as the first embodiment of FIGS. 1 and 2, but differs from the first embodiment in that the flow path 34 connected to the second opening 24 is A pressure absorbing section 60 is provided on the way. The upper wall of the pressure absorbing section 60 is formed of the thin plate 14 as in the first embodiment. Since the pressure absorbing portion 60 is wider than the flow path 34, the thin plate 14 at that portion is easily bent and deformed by pressure. Since the capacitance (Cd) of the pressure absorbing portion 60 due to the deformation of the thin plate 14 is proportional to the fifth power of the width w as shown in Expression (9), the value is increased only by, for example, increasing the width by about 20%. About 2.5 times. Actually, it should be evaluated by the sum of the capacitance (Cw) due to the compression of the liquid, but even if the width is increased to this extent, it may function sufficiently as the pressure absorbing portion.
[0077]
The pressure absorbing portion 60 not only exhibits a pressure absorbing effect but also has a characteristic of reflecting a high-frequency pressure compression wave. Specifically, reflection occurs where the effective acoustic impedance changes, such as at the interfaces 61a and 61b between the flow path 34 and the pressure absorbing section 60. This reflection can occur not only at the portion where the acoustic impedance increases but also at the interface where the acoustic impedance decreases.
[0078]
Assuming that the acoustic impedance before the reflecting portion 61a (the portion of La) is Za and the acoustic impedance at the front of the reflecting portion 61a (the portion of Lb) is Zb, the reflectance K of the pressure at the reflecting portion 61a is:
K = (Zb−Za) / (Za + Zb) (11)
Can be represented by
[0079]
The value of the acoustic impedance at each part: Z is
Z = √ (M × C) (12)
Is required. Here, M and C are the effective values of the inertance: M and the acoustic capacitance: C, respectively.
[0080]
In this configuration, only high-frequency vibrations higher than a certain level can be reflected. As a daily limit of the lower frequency limit, when a wave propagates in the pressure absorbing section 60, it should be a frequency at which about half or more of the wavelength can exist in the region. In other words, a wave having a wavelength at which a wave propagates in the pressure absorbing section 60 twice or more the length of the pressure propagating through the pressure absorbing section 60 (ie, Lb) is not reflected. Only waves are reflected.
[0081]
That is, the high-frequency component having a frequency equal to or higher than the predetermined frequency is less likely to propagate to the front of the pressure absorbing portion, so that the flow of the fluid ahead of this portion can be made a smooth flow without pulsation. As a result, even if there is a part of a complicated flow path shape such as a sharply bent part or a connector part with an external flow path in the flow path on the other side, or even if there is an uncertain element such as mixing of bubbles, in that part, By preventing reflection of waves that are difficult to control, it is possible to help stabilize the liquid sending characteristics.
[0082]
The reflected wave reflected by the pressure absorbing unit 60 may return to the second opening 24 of the micropump 20 to affect the characteristics of the micropump 20 in some cases. Generally, this effect often leads to characteristic deterioration. However, by designing in consideration of the position of the wave front, on the contrary, it is also possible to increase the efficiency by actively using the reflected wave. In particular, this effect is great for the micropump 10 of the type shown in FIGS.
[0083]
That is, in the micropump 10 of the type described above, since it is required that the value of the flow path resistance does not change even if the pressure changes in the second opening 24, the pressure fluctuation between both ends of the second opening 24 should be as small as possible. It is desirable that there be few. Therefore, by using the above-mentioned reflected wave to cause the reflected wave having a phase difference with respect to the pressure oscillation periodic waveform to interfere with the second opening 24, the pressure fluctuation at the second opening 24 is suppressed, It is possible to obtain better characteristics.
[0084]
For this purpose, for the distance La from the second opening 24 to the pressure reflecting portion 61a, the wave of the driving cycle of the micropump 10 is N times as long as the wavelength propagating through the flow path (N = 1, 2, 3). , ...) Avoid the length in the vicinity and find the optimal distance. However, as N increases, the attenuation of the reflected wave increases accordingly, and the effect of suppressing the pressure fluctuation by the reflected wave decreases. Furthermore, if the wavelength changes due to a slight design error, disturbance, or the like, the phase of the reflected wave shifts, which may result in a completely different result from the target. Therefore, preferably, the distance La from the second opening 24 to the pressure reflecting portion 61a is shorter than の of the wavelength of the driving cycle of the micropump 10, and the pressure La is adjusted to a position where the phase of the reflected wave becomes optimal. The reflection part 61a is arranged.
[0085]
Note that the length of a half wavelength with respect to the driving cycle: Tp of the micropump 10 is calculated as in the above-described equation (10)
Lh = Tp / √ (M × C) (13)
It becomes.
[0086]
Therefore, the position of the pressure reflecting portion 61a (that is, the length of La) is optimized with respect to Lh, or the capacitance: C and the inertance: M of the pressure propagation channel portion (La portion) are changed. What is necessary is just to optimize Lh with respect to the position of the pressure reflection part 61a.
[0087]
Next, a modification of the second embodiment will be described.
[0088]
In the fluid transport system in FIG. 7, the pressure absorbing units 60, 62, and 64 are arranged at intervals at a plurality of locations of one flow path. Thereby, the propagation of the high frequency component can be more strongly prevented. When the plurality of pressure absorbing portions 60, 62, 64 are arranged in this way, the reflection at the interfaces 61a, 61b; 63a, 63b; 65a, 65b may not be as strong as in the case of FIG. It is possible to reduce high-frequency components propagating before the pressure absorbing portion 64 while reducing components reflected back to the opening 24 and returning.
[0089]
The pressure absorbing section may have a configuration other than those shown in FIGS. 6 and 7 as long as there is a boundary where the acoustic impedance Z is discontinuous.
[0090]
Furthermore, regardless of the value of the acoustic impedance, such a reflection phenomenon can occur in a part where the flow path is sharply bent, such as a part that obstructs the straightness of the pressure wave, so it can be used for the same purpose. it can.
[0091]
For example, in the fluid transport system of FIG. 8, a plurality of bent portions 34k are provided in the front 34s of the flow path 34, and each of the bent portions 34k can reflect a part of the high-frequency wave.
[0092]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS.
[0093]
By arranging a plurality of micropumps as in the first and second embodiments and connecting them to form a system, the durability of the system can be improved as compared with the case where one micropump is used alone. . In such a usage, as described below, it is possible to prevent the influence of the pulsation between the micropumps or to use the mutual pulsation to further improve the performance.
[0094]
In the fluid transport system shown in FIG. 9, micro pumps 10a and 10b connected to fluid chambers 30a and 30b, respectively, are connected in parallel to increase the flow rate of the system. At this time, the micropumps 10a and 10b are prevented from inadvertently malfunctioning due to the pulsation of the micropumps 10a and 10b, and the flow characteristics of the flow path 36 are prevented from fluctuating in the flow path 36 after the merging. Pressure absorbers 60a, 60b are provided in the middle of each flow path 34a, 34b connected to 10b.
[0095]
In the fluid transport system of FIGS. 10 and 11, a plurality of micropumps 10c and 10d are connected in series between the fluid chamber 30 and the flow path 38, so as to increase the pressure generated as a system. At this time, it is expected that interference of pressure waves occurs between the micro pumps 10c and 10d due to the influence of the pulsation of the micro pumps 10c and 10d, and desired characteristics cannot be obtained. In order to prevent this, in the fluid transport system of FIG. 10, a pressure absorbing section 60 is provided in the flow path 34 connecting between the chambers of the micro pumps 10c and 10d. In the fluid transport system of FIG. 11, only the pressure absorbing section 60 is provided between the micro pumps 10c and 10d, and the flow path is eliminated. This method can be used not only for the micropump of the type shown in FIG. 1 but also for general micropumps including pulsation.
[0096]
When a plurality of micropumps are connected in series, besides a method of alleviating the pulsating pressure, there is also a method of improving the characteristics by utilizing each other's pressure waves. The following is an example.
[0097]
In the fluid transport system of FIG. 12, the chambers of a plurality of micro pumps 40a, 40b, 40c are connected in series between the flow paths 31, 35 (there is no problem if they are connected via the flow paths), and the adjacent micro pumps 40a, 40b are connected. , 40c with a phase difference (or by shifting the timing of the drive voltage).
[0098]
FIG. 13A shows a common first opening 22x between chambers 20s and 20t of two micropumps 10s and 10t of the type shown in FIGS. 1 and 2, and a second opening 24s on the opposite side. , 24t through a fluid transport system having a configuration for communicating with flow paths 31, 35. The micro pumps 10s and 10t are appropriately driven so that the behaviors of the actuators have a phase difference with each other (or that the positive and negative of the deformation direction are opposite). For example, FIG. 13B shows an example of drive voltage waveforms 80 and 82 applied to actuators (not shown) of these micropumps 10s and 10t, respectively. In the drive voltage waveforms 80 and 82, the sharp rise 80a or fall 82a and the gentle fall 80b or rise 82b are synchronized, and the phases are shifted by 180 degrees.
[0099]
FIG. 14 (a) communicates between the chambers 20s and 20t of the micropumps 10s and 10t of the type shown in FIG. 1 through a common second opening 24x, and the first openings 22s and 22t on the opposite sides are pressure-absorbed. The fluid transport system has a configuration in which the fluid transport system communicates with a flow path (not shown) via the units 60s and 60t. In this case, it is desirable to provide the pressure absorbing portions 60 s and 60 t from the viewpoint of stability of characteristics.
[0100]
FIG. 14B shows an example of drive voltage waveforms 84 and 86 applied to actuators (not shown) of these micropumps 10s and 10t. The actuators of the micro pumps 10s and 10t have different rise times (lengths of 84a and 86a) and fall times (lengths of 84b and 86b), and either one of the rise time and the fall time is different. When the displacement speed of one actuator is the fastest, the deformation direction of one actuator coincides with the displacement direction of the other actuator.
[0101]
In the fluid transport system in FIG. 15, a plurality of micropumps 40s and 40t are connected in series between flow paths 31 and 35 via a flow path 33 that is a connection part. Length L of channel 330Is set to an appropriate length, the pulsations generated by the micro pumps 40s and 40t can be mutually used for the wavelength of the pressure compression wave transmitted through the flow path 33.
[0102]
As described above, the length L of the flow path 330Is a pressure compression wave and a reflected reflection wave that travel from one micropump to the other micropump while avoiding the vicinity of N times the wavelength of the pressure compression wave (N = 1, 2,...). And cancel each other. Length L of channel 330However, if the wavelength is less than half the wavelength of the pressure compression wave, the effect of canceling out the reflection wave is small because the attenuation of the reflected wave is small, and the intended result is obtained even if there is a design error or disturbance. be able to.
[0103]
However, if the flow path 33 is too short, not only this effect cannot be obtained, but also the adverse effect may be caused. For a sine wave, which is the most common pressure compression wave, the length from the peak of the pressure to the point where the pressure becomes zero corresponds to a quarter of its wavelength, and less than that. Not only is the effect not expected, but it can also have an adverse effect. Therefore, the length L of the flow path 330Is preferably 以上 or more of the wavelength of the vibration of the driving frequency.
[0104]
By arbitrarily combining the various devices described above, a higher-performance fluid transport system can be constructed.
[0105]
For example, the fluid transport system in FIG. 16 includes three series-connected micropumps 10u, 10v, and 10w, flow paths 34u, 34v, and 34w including pressure absorbing units 60u, 60v, and 60w, micropumps 10x, 10y, and 10z. The flow paths 34x, 34y, and 34z are connected in parallel between the fluid reservoir 30x and the pressure absorbing unit 60x. In this way, by connecting those connected in series and arranging them further in parallel and joining them, it is possible to increase both the flow rate and the generated pressure in the flow path 36 after the joining.
[0106]
As described above, the fluid transport system can prevent the deterioration of the characteristics by providing the pressure absorbing unit and the reflecting unit.
[0107]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, but can be implemented in various other modes.
[0108]
For example, the invention is not limited to the case where two flow paths communicate with the chamber of the micropump, and three or more independent flow paths may communicate with each other. Moreover, the fluid circulation system may be configured by connecting the flow paths connected to the chamber of the micropump.
[0109]
Further, the present invention is not limited to liquids, but is applicable to all fluids including gases.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a micropump.
FIG. 2 is a plan view of the fluid transport system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of a fluid transport system according to a modification of FIG. 2;
FIG. 4 is a plan view of a fluid transport system according to another modification.
FIG. 5 is a sectional view of a micropump according to still another modification.
FIG. 6 is a plan view of a fluid transport system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a fluid transport system according to a modification of FIG. 6;
FIG. 8 is a plan view of a fluid transport system according to another modification.
FIG. 9 is a plan view of a fluid transport system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view of a fluid transport system according to a modification of FIG. 9;
FIG. 11 is a plan view of a fluid transport system according to another modification.
FIG. 12 is a plan view of a fluid transport system according to still another modification.
FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a drive voltage waveform diagram of a fluid transport system according to still another modification.
14A is a plan view and FIG. 14B is a drive voltage waveform diagram of a fluid transport system according to still another modified example.
FIG. 15 is a plan view of a fluid transport system according to still another modified example.
FIG. 16 is a plan view of a fluid transport system according to still another modified example.
FIG. 17 is a graph showing a displacement behavior and a driving voltage of the micropump of FIG. 1;
FIG. 18 is a graph of another displacement behavior and drive voltage.
FIG. 19 is a graph of yet another displacement behavior and drive voltage.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10s, 10t, 10u, 10v, 10w, 10x, 10y, 10z Micropump
14 Thin plate (wall)
20,20s, 20t chamber
22, 22s, 22t, 22x First opening
24, 24s, 24t, 24x Second opening
24a, 24b Channel (opening)
30, 30a, 30b, 30x fluid reservoir
31 Channel
33 flow path (connection part)
34, 34a, 34b, 34u, 34v, 34w, 34x, 34y, 34z
34k bend (reflection part)
35, 36, 38 channel
40, 40a, 40b, 40c, 40s, 40t Micropump
42,44 doorway (opening)
46 chambers
50 micro pump
52, 54 valve (open / close valve)
56 chambers
60, 60a, 60b, 60s, 60t, 60u, 60v, 60w, 60x Pressure absorbing unit
61a, 61b Interface (reflection part)
62 Pressure absorbing part
63a, 63b interface (reflection part)
64 Pressure absorbing part
65a, 65b interface (reflection part)

Claims (10)

マイクロポンプのチャンバーに、複数の流路又は流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通し、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、一方の開口部の流路抵抗の変化割合が他方の開口部の流路抵抗の変化割合より小さい流体輸送システムにおいて、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が大きい方の第1開口部に隣接して圧力吸収部が配置され、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が小さい方の第2開口部には流路が連通しており、該流路に該流路を介して前記チャンバー部から遠ざかる方向に進行する圧力粗密波の一部を前記チャンバー側に反射する圧力反射部が配置され、該圧力反射部で反射された圧力粗密波を干渉させることにより前記第2開口部の両端間の圧力変動を抑制することを特徴とする、流体輸送システム。
The chamber of the micropump, a plurality of flow channels or fluid reservoir is communicated through the openings, respectively, said when allowed elevating the pressure in the chamber, the opening rate of change of flow path resistance of the one opening and the other In the fluid transport system smaller than the change rate of the flow path resistance of the section ,
Of the openings, a pressure absorbing portion is arranged adjacent to the first opening having a larger change rate of the flow path resistance,
Among the openings, a flow passage communicates with the second opening having a smaller change rate of the flow passage resistance, and a pressure that advances in a direction away from the chamber through the flow passage through the flow passage. A pressure reflector for reflecting a part of the compression wave toward the chamber is disposed, and a pressure fluctuation between both ends of the second opening is suppressed by interfering with the pressure compression wave reflected by the pressure reflector. A fluid transportation system, characterized by the following.
前記圧力反射部は、前記流路の実効的な音響インピーダンスが不連続な部分であることを特徴とする請求項1に記載の流体輸送システム。2. The fluid transport system according to claim 1, wherein the pressure reflection unit is a portion where the effective acoustic impedance of the flow path is discontinuous. 前記圧力反射部は、前記流路が急激に曲がっている部分であることを特徴とする、請求項1に記載の流体輸送システム。  The fluid transport system according to claim 1, wherein the pressure reflecting portion is a portion where the flow path is sharply bent. 前記第2開口部と前記圧力反射部との間に位置する流路の長さは、前記マイクロポンプの駆動周期に相当する圧力粗密波の波長の間隔の2分の1より短いことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1つに記載の流体輸送システム。The length of the flow path located between the second opening and the pressure reflecting portion is shorter than one half of the wavelength interval of the pressure compression wave corresponding to the driving cycle of the micropump. The fluid transport system according to any one of claims 1 to 3, wherein マイクロポンプのチャンバーに、複数の流路又は流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通し、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、一方の開口部の流路抵抗の変化割合が他方の開口部の流路抵抗の変化割合より小さい流体輸送システムにおいて、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が大きい方の第1開口部を介して第1圧力吸収部が配置され、
前記開口部のうち、流路抵抗の変化割合が小さい方の第2開口部を介して第2圧力吸収部が配置され、
前記第1圧力吸収部の音響キャパシタンスは前記第2圧力吸収部の音響キャパシタンスがよりも大きく構成されていることを特徴とする、流体輸送システム。
The chamber of the micropump, a plurality of flow channels or fluid reservoir is communicated through the openings, respectively, said when allowed elevating the pressure in the chamber, the opening rate of change of flow path resistance of the one opening and the other In the fluid transport system smaller than the change rate of the flow path resistance of the section ,
Of the openings, the first pressure absorbing portion is disposed via the first opening having the larger change rate of the flow path resistance,
Of the openings, a second pressure absorbing portion is disposed via a second opening having a smaller change rate of the flow path resistance,
A fluid transport system, wherein the acoustic capacitance of the first pressure absorbing unit is configured to be larger than the acoustic capacitance of the second pressure absorbing unit.
前記第2圧力吸収部は、前記第2開口部に連通する流路に接続されていることを特徴とする、請求項5に記載の流体輸送システム。The fluid transport system according to claim 5, wherein the second pressure absorbing section is connected to a flow path communicating with the second opening. マイクロポンプのチャンバーに複数の流路または流体リザーバがそれぞれ開口部を介して連通する、流体輸送システムにおいて、In a fluid transport system, a plurality of flow paths or fluid reservoirs communicate with the chambers of the micropump through openings, respectively.
それぞれその一部分に流体振動圧力を吸収又は緩和する圧力吸収部が設けられた第1の流路又は流体リザーバと第2の流路又は流体リザーバとを備え、かつ、それらの圧力吸収の音響キャパシタンス値が、流体の一方向の流れの一方の側に位置する圧力吸収部の音響キャパシタンスの方が、チャンバーを挟んで前記流れの反対側に位置する圧力吸収部の音響キャパシタンスよりも大きく設定されていることを特徴とする、流体輸送システム。  A first flow path or a fluid reservoir and a second flow path or a fluid reservoir, each of which is provided with a pressure absorbing portion for absorbing or reducing a fluid vibration pressure, and an acoustic capacitance value of the pressure absorption thereof; However, the acoustic capacitance of the pressure absorbing portion located on one side of the one-way flow of the fluid is set to be larger than the acoustic capacitance of the pressure absorbing portion located on the opposite side of the flow across the chamber. A fluid transportation system characterized by the above-mentioned.
前記反対側の圧力吸収部は、流路の複数箇所に間隔を明けて配置された複数の圧力吸収部からなることを特徴とする、請求項7に記載の流体輸送システム。The fluid transport system according to claim 7, wherein the pressure absorption section on the opposite side includes a plurality of pressure absorption sections arranged at intervals at a plurality of locations in the flow path. 前記音響キャパシタンスが大きい圧力吸収部側には、貫通孔が連通されていることを特徴とする、請求項7に記載の流体輸送システム。The fluid transport system according to claim 7, wherein a through hole communicates with the pressure absorbing unit having the large acoustic capacitance. 複数のマイクロポンプのチャンバーが直列に配置され、隣接する前記チャンバー間を接続する接続部の長さが、前記マイクロポンプの駆動周期に相当する圧力粗密波の波長の1/4以上1/2以下であり
隣り合った前記チャンバーを、異なる駆動波形で、あるいは位相差をつけて駆動することを特徴とする、流体輸送システム。
Chambers of a plurality of micropumps are arranged in series, and the length of a connecting portion connecting the adjacent chambers is not less than の and not more than波長 of the wavelength of the pressure compressional wave corresponding to the driving cycle of the micropump. And
A fluid transport system, wherein adjacent chambers are driven with different drive waveforms or with a phase difference.
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