JP3767605B2 - 流体輸送システム - Google Patents

Description

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。

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。

例えば、特開２００１−３２２０９９号公報（特許文献１）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。
特開２００１−３２２０９９号公報

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。

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。また、本発明は、システム発生圧力を増やし、複数のマイクロポンプのお互いの圧力波を利用し合って特性を上げるようにした新規かつ有用な流体輸送システムを提供することを課題とする。

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。

本発明の第１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た流体輸送システムにおいて、
各マイクロポンプは、マイクロポンプのチャンバーに第１開口部と第２開口部とが設けられ、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、前記第１開口部の流路抵抗の変化割合が前記第２開口部の流路抵抗の変化割合よりも大きくなるように構成され、
隣接するマイクロポンプ間においては、共通の第１開口部で連通しそれぞれの反対側に第２開口部が位置するか、又は、共通の第２開口部で連通しそれぞれの反対側に第１開口部が位置するように接続され、
隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーを異なる駆動波形で駆動させることを特徴とする、流体輸送システムを提供する。

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。

上記構成において、複数のマイクロポンプを共通の第１開口部で連通しそれぞれの反対側に第２開口部が位置するか、又は、共通の第２開口部で連通しそれぞれの反対側に第１開口部が位置するように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、また、お互いの圧力波を利用し合って特性を上げることができるので、安定して高い特性が得られる。

本発明の第２態様によれば、隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーについて、第１のマイクロポンプのチャンバーを第１駆動波形で、第２のマイクロポンプのチャンバーを前記第１駆動波形を反転させた第２駆動波形でそれぞれ駆動する第１態様の流体輸送システムを提供する。

上記構成において、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、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。

本発明の第３態様によれば、隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーを位相差を有する異なる駆動波形で駆動する第２態様の流体輸送システムを提供する。

上記構成において、隣り合ったチャンバーを、互いに反転させた異なる駆動波形で駆動することで、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。

本発明の第４態様によれば、前記第１開口部と前記第２開口部はそれぞれ一様な断面形状を有し、前記第１開口部の長さが、前記第２開口部の長さよりも短い第１から第３態様のいずれか１つの流体輸送システムを提供する。

本発明の第５態様によれば、前記複数のマイクロポンプのうち、最も外側にある２つのマイクロポンプのチャンバーには前記開口部を介してそれぞれ流路が接続されている第１から第３態様のいずれか１つの流体輸送システムを提供する。

本発明の第６態様によれば、前記複数のマイクロポンプのうち、最も外側にある２つのマイクロポンプのチャンバーには前記開口部を介してそれぞれ圧力吸収部が接続されている第１から第３態様のいずれか１つの流体輸送システムを提供する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_１１，Ｖ_２１、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Ｖ_１２，Ｖ_２２とすると、
Ｖ_１１＋Ｖ_２１＝Ｖ_１２＋Ｖ_２２ （１）
となる。

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。

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、
Ｖ_１１＜Ｖ_１２ （２）
となる。
また、式（１），（２）より、
Ｖ_２１＞Ｖ_２２ （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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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^２） （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。

『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^２ （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。

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。

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。

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（８）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。

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。

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。

図１７は、立上り時間：Ｔ_Ｒと立下がり時間：Ｔ_Ｆ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_Ｒ＜Ｔ_Ｆ、逆方向駆動時にはＴ_Ｒ＞Ｔ_Ｆである。

立上り時間：Ｔ_Ｒと立下がり時間：Ｔ_Ｆ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。

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。

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_１，τ_２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_１，τ_２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_１，τ_２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。

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_２は、固有振動の周期：Ｔから少しだけずらす。駆動周期：Ｔ_２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_１／Ｔ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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^２） （８）
で表すことができる。

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^５／（２×Ｅ×ｔ^３） （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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（１１）と同様に、
Ｌｈ＝Ｔｐ／√（Ｍ×Ｃ） （１３）
となる。

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。

次に、第２実施例の変形例について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_０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。

前述したように、流路３３の長さＬ_０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_０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。

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_０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。

上記のさまざまな工夫を任意に組み合わせることで、より高性能な流体搬送システムを構築できる。

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。

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。

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。

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。

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。

マイクロポンプの断面図である。 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２の変形例の流体輸送システムの平面図である。 他の変形例の流体輸送システムの平面図である。 さらに別の変形例のマイクロポンプの断面図である。 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６の変形例の流体輸送システムの平面図である。 他の変形例の流体輸送システムの平面図である。 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９の変形例の流体輸送システムの平面図である。 他の変形例の流体輸送システムの平面図である。 さらに別の変形例の流体輸送システムの平面図である。 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。 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。 さらに別の変形例の流体輸送システムの平面図である。 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。 他の変位挙動と駆動電圧のグラフである。 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）

Claims (6)

1. 複数のマイクロポンプのチャンバーが直列に配置された流体輸送システムにおいて、
   各マイクロポンプは、マイクロポンプのチャンバーに第１開口部と第２開口部とが設けられ、前記チャンバー内の圧力を昇降させたときに、前記第１開口部の流路抵抗の変化割合が前記第２開口部の流路抵抗の変化割合よりも大きくなるように構成され、
   隣接するマイクロポンプ間においては、共通の第１開口部で連通しそれぞれの反対側に第２開口部が位置するか、又は、共通の第２開口部で連通しそれぞれの反対側に第１開口部が位置するように接続され、
   隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーを異なる駆動波形で駆動させることを特徴とする、流体輸送システム。
2. 隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーについて、第１のマイクロポンプのチャンバーを第１駆動波形で、第２のマイクロポンプのチャンバーを前記第１駆動波形を反転させた第２駆動波形でそれぞれ駆動す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。
3. 隣接する２つのマイクロポンプのチャンバーを位相差を有する異なる駆動波形で駆動することを特徴とする、請求項２に記載の流体輸送システム。
4. 前記第１開口部と前記第２開口部はそれぞれ一様な断面形状を有し、前記第１開口部の長さが、前記第２開口部の長さよりも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。
5. 前記複数のマイクロポンプのうち、最も外側にある２つのマイクロポンプのチャンバーには前記開口部を介してそれぞれ流路が接続されていることを特徴とする、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。
6. 前記複数のマイクロポンプのうち、最も外側にある２つのマイクロポンプのチャンバーには前記開口部を介してそれぞれ圧力吸収部が接続されていることを特徴とする、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。

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