JP4629231B2 - 圧電マイクロポンプ - Google Patents
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Description
【発明の分野】
本発明は、流体を少量かつ制御流量で、容器から送り出し点へポンプ輸送する方法および装置の技術に関し、特に、医薬溶液または懸濁液などの流体の容器から送り出し点への送り出しを制御するために、圧電駆動ポンプを使用する方法および装置に関する。
【0002】
【関連技術の説明】
医薬、化学および環境試験などの分野には、サンプル寸法、試薬のコスト、または携帯性の理由から、小型にした多くの流体素子工学的用例が存在する。そのような小型システムには、有能かつ信頼できる、ポンプを含めたコスト効率の高い流体素子構成部材が必要とされる。現在のポンプ構造は、一般的に、開閉する弁に基づいている。そのような弁は、大型装置でうまく働く構造を直接的に応用したものになり易いが、小型装置には必ずしも最良の選択ではない。これらの装置は、弁座または他の形式のシール部と焼き付き防止機構とを必要とし、一般的に比較的小さい全開クリアランスに制限される。
【0003】
少量の流体を送り出し点へ送り出すための多数のマイクロポンプが存在する。一部のポンプは、電圧によって電気的に応力が加えられた時に寸法が変化する圧電素子を含む。スミッツ(Smits)の米国特許第4,938,742号は、圧電弁を備えたマイクロポンプを記載している。これらの弁は、単一の圧電材料層で被覆されたダイアフラムを含み、これによって弁の制御性および撓み可能性が制限される。
【0004】
オオウミ(Ooumi)等の米国特許第5,611,676号は、片持ち式圧電バイモルの使用を示している。圧電バイモルは、2つの圧電材料層をシムで分離したものである。2つのバイモル層間に電界を加えることによって、一方の層が膨張し、他方が収縮する。最終的な結果として、個々の層の長さまたは厚さ変形より、遥かに大きく湾曲する。しかし、オオウミ等特許のマイクロポンプは、圧電バイモルを多重機能的なシールおよびポンプとしてではなく、開口の開閉を行う単一機能的なシールとして、または、単一機能的なポンプとして使用しているだけである。
【0005】
本発明は、構造が簡単で、効率的に使用でき、小型である新規の改良型圧電マイクロポンプを考えている。新規の改良型圧電マイクロポンプは、低電力消費量で増加した流体流量を与える。それは、上記問題を解決しながら、良好でより有利な全体的結果を与える。
【0006】
【発明の概要】
本発明によれば、流体を正確な少量または制御流量で流体容器から送り出し点へポンプ輸送する新規の改良型圧電マイクロポンプが提供されている。
【0007】
本発明の1つの態様によれば、ポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。通路は、流体容器から送り出し点までの間でポンプ胴部に貫設されている。ポンプ胴部は、通路と交差する第1、第2および第3キャビティを有する。第1ダイアフラムは、第1キャビティを覆っており、第1ダイアフラムが上昇および降下する時に、通路が開放および閉鎖される。第1ダイアフラムクランプは、第1ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第1片持ち式圧電アクチュエータは、第1ダイアフラムを上昇および降下させる。第1片持ち式圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第1ダイアフラムに作動連結されている。第1アクチュエータクランプは、第1片持ち式圧電アクチュエータの第2端部をポンプ胴部に固定している。第2ダイアフラムは、第2キャビティを覆っており、第2ダイアフラムが上昇および降下する時に通路が開放および閉鎖される。第2ダイアフラムクランプは、第2ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第2片持ち式圧電アクチュエータは、第2ダイアフラムを上昇および降下させる。第2片持ち式圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第2ダイアフラムに作動連結されている。第2アクチュエータクランプは、第2片持ち式圧電アクチュエータの第2端部をポンプ胴部に固定している。第3ダイアフラムは、第3キャビティを覆っている。第3ダイアフラムは、上昇および降下する時に通路を開放および閉鎖する。第3ダイアフラムは、第1ダイアフラムクランプによってポンプ胴部に固定されている。第3片持ち式圧電アクチュエータは、第3ダイアフラムを上昇および降下させる。第3片持ち式圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第3ダイアフラムに作動連結され、第2端部が第1アクチュエータクランプによってポンプ胴部に固定されている。電子制御回路は、第1、第2および第3片持ち式圧電アクチュエータに電圧を供給することによって、第1、第2および第3ダイアフラムを所定間隔で上昇および降下させ、それによって通路を通る流体の流れを促進する。
【0008】
本発明の別の態様によれば、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有するポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。ポンプ胴部は、通路と交差する第1および第2キャビティを有する。第1ダイアフラムは、第1キャビティを覆っている。第1圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第1ダイアフラムに作動連結されている。第1ダイアフラムは、第1圧電アクチュエータに応じて上昇および降下する時に通路を開放または閉鎖する。第2ダイアフラムは、第2キャビティを覆っている。第2ダイアフラムは、上昇および降下する時に通路を開放および閉鎖する。固定装置が、第1および第2ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第2圧電アクチュエータは、第2ダイアフラムを上昇および降下させる。第2圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第2ダイアフラムに作動連結されている。第1および第2圧電アクチュエータの第2端部は、ポンプ胴部に固定されており、アクチュエータの第1端部は、ポンプ胴部から片持ち式に支持されている。電気装置が第1および第2圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第1および第2圧電アクチュエータは、第1および第2ダイアフラムを所定間隔で上昇および降下させることができる。
【0009】
本発明の別の態様によれば、マイクロポンプのポンプ胴部は、通路と交差する第3キャビティを有する。マイクロポンプは、さらに、第3キャビティを覆う第3ダイアフラムを含む。第3ダイアフラムは、上昇および降下時に通路を開放および閉鎖する。第3ダイアフラムは、固定装置によってポンプ胴部に固定されている。第3圧電アクチュエータは、第3ダイアフラムを上昇および降下させる。第3圧電アクチュエータは、第1端部および第2端部を有し、第1端部が第3ダイアフラムに作動連結されている。第3圧電アクチュエータの第2端部は、片持ち式固定手段によってポンプ胴部に固定されている。電気装置が第3圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第3圧電アクチュエータは、第3ダイアフラムを上昇および降下させることができる。
【0010】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。ポンプ胴部は、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有する。ポンプ胴部は、通路と交差する第1および第2キャビティを有する。第1ポンピング装置は、通路を第1キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する。第1圧電アクチュエータは、第1ポンピング装置を作動させる。第2ポンピング装置は、通路を第2キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する。第2圧電アクチュエータは、第2ポンピング装置を作動させる。電気装置が、第1および第2圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第1および第2圧電アクチュエータは、第1および第2ポンピング装置を作動させることができる。
【0011】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部は、通路と交差する第3キャビティを有する。マイクロポンプは、さらに、通路を第3キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する第3ポンピング装置を含む。第3圧電アクチュエータは、第3ポンピング装置を作動させる。電気装置は、第3圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記3圧電アクチュエータは、第3ポンピング装置を作動させることができる。
【0012】
本発明の別の態様によれば、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。マイクロポンプは、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路と、通路と交差する第1および第2キャビティとを有するポンプ胴部を含む。マイクロポンプは、それぞれ第1および第2キャビティを覆う第1および第2ダイアフラムを含む。マイクロポンプは、さらに、それぞれが第1端部および第2端部を有する第1および第2圧電アクチュエータを含む。アクチュエータの第1端部は、対応のダイアフラムに作動連結され、第2端部は、ポンプ胴部に連結されて、ダイアフラムを片持ち式に支持している。また、ポンプが第1および第2圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加することによって、前記第1および第2圧電アクチュエータは、対応のダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電源を含む。第1および第2ダイアフラムの各々は、圧電アクチュエータがそれら上昇および降下させた時に通路を開放および閉鎖する。
【0013】
上記マイクロポンプの圧電アクチュエータは、圧電バイモルにすることができる。そのようなポンプでは、第1および第2ダイアフラムの作動は、ポンピングおよび弁作動の両方を制御する。
【0014】
本発明の別の態様によれば、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。マイクロポンプは、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路と、通路と交差する第1および第2キャビティとを有するポンプ胴部を含む。マイクロポンプは、それぞれ第1および第2キャビティを覆う第1および第2ダイアフラムを含む。マイクロポンプは、さらに、それぞれが第1端部および第2端部を有する第1および第2圧電バイモルを含む。第1端部は、それぞれ第1および第2ダイアフラムに作動連結され、第2端部は、ポンプ胴部に連結されている。また、マイクロポンプが第1および第2圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加することによって、対応のダイアフラムを上昇および降下させることができる電源を含む。第1および第2ダイアフラムの各々は、圧電アクチュエータがそれらを上昇および降下させた時に通路を開放および閉鎖する。第1圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第1ダイアフラムが変位して第1キャビティ内に第1タンクを生じ、流体を容器から入口を通って第1タンクに引き込むことができ、第1圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、第1ダイアフラムが逆方向に変位して、第1タンク内の流体を第1タンクより下流側の通路に流し込んで、第1キャビティを密閉することができる。
【0015】
本発明のさらに別の態様によれば、上記マイクロポンプの第2圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第2ダイアフラムが変位して第2キャビティ内に第2タンクを生じ、流体を第1タンクより下流側の通路から第2タンクに引き込むことができ、第2圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、第2ダイアフラムが逆方向に変位して、第2タンク内の流体を第2タンクより下流側の通路に流し込んで、第2キャビティを密閉することができる。
【0016】
本発明の別の態様によれば、マイクロポンプによって流体を容器から送り出し点へポンプ輸送する方法が開示されている。マイクロポンプは、通路を貫設し、通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、第1および第2キャビティを覆う第1および第2ダイアフラムと、ポンプ胴部と第1および第2ダイアフラムとの間に片持ち式に取り付けられて、第1および第2ダイアフラムを上昇および降下させる第1および第2圧電アクチュエータとを含む。本方法は、第1圧電アクチュエータを作動させて第1ダイアフラムを上昇させることによって、流体が容器から第1キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第2圧電アクチュエータを作動させて第2ダイアフラムを上昇させ、また、第1圧電アクチュエータを作動させて第1ダイアフラムを降下させることによって、流体が第1キャビティから第2キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第2圧電アクチュエータを作動させて第2ダイアフラムを降下させることによって、流体が送り出し点に向かって通路を通って流れるようにする段階とを含む。
【0017】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部は、通路と交差する第3キャビティを有しており、マイクロポンプは、さらに、第3キャビティを覆う第3ダイアフラムと、第3ダイアフラムを上昇および降下させる第3圧電アクチュエータとを含む。本方法は、さらに、第3圧電アクチュエータを作動させて第3ダイアフラムを上昇させる一方、第2圧電アクチュエータを作動させて第2ダイアフラムを降下させることによって、流体が第2キャビティから第3キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第3圧電アクチュエータを作動させて第3ダイアフラムを降下させることによって、流体が送り出し点に向かって通路を通って流れるようにする段階とを含む。
【0018】
本発明の1つの利点は、マイクロポンプが正確な量の流体の流れを制御することであり、これは、医薬または他の流体を正確な量または制御流量で分配するのに特に好都合である。
【0019】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータおよびダイアフラムアセンブリの各々が、マイクロポンプの通路用のゲートと、マイクロポンプを通る流体の流れを促進するポンプの両方の働きをすることである。
【0020】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータに印加される電圧のレベルを変化させ、それによって撓み量およびダイアフラムが上昇するレベルを制御することによって、流体の流量を制御することができることである。
【0021】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータのポンピングサイクルの周波数を変化させることによって、流体の流量を制御することができることである。
【0022】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータに増加または減少する電圧を漸進的に印加することによって、マイクロポンプを通る流体の流れが安定することである。
【0023】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータをポンプ胴部およびダイアフラム間に片持ち式に支持することによって、圧電円形ディスクと比較してダイアフラムの撓みを増加させることができ、電力消費量を制御しながら流体の流れを最大にすることができることである。
【0024】
本発明のさらなる利点は、当該技術分野の専門家には以下の詳細な説明を読んで理解すれば明らかになるであろう。
【0025】
本発明は一定の部品の物理的な形および部品配置をとることができ、それの好適な実施形態が本明細書に詳細に記載され、添付の図面に示されている。
【0026】
【好適な実施形態の説明】
本発明の好適な実施形態を示すことを目的とし、本発明を制限する目的はない図面を参照すると、図1は、正確な量の流体を容器14から送り出し点18へ送り出すマイクロポンプ10の斜視図である。マイクロポンプ10は、ポンプ胴部22を含む。好適な実施形態では、ポンプ胴部22は、好ましくは、デルリン(Delrin)などの成形または機械加工プラスチックで形成されている。
【0027】
医薬または他の用途の場合、ポンプ胴部22を抗菌材料で形成するか、抗菌コーティングを設けることができる。抗菌材料またはコーティングは、非浸出性でなければならない。マイクロポンプ10を無菌状態で包装できるように、ポンプ胴部22および他の構成部材が殺菌に適合することが好ましい。
【0028】
図1を続けて参照しながら説明すると、図2は、マイクロポンプ10の分解図である。ポンプ胴部22内に通路26が設けられている。通路26は、好ましくは、ポンプ胴部22内に成形または機械加工されており、ポンプ輸送される溶液および微細懸濁液を含む流体と物理的に適合している。通路26および流体と接触する他の総てのポンプ表面は、ポンプ輸送される流体と化学的に適合している。通路26は、容器14を交換可能に接続する入口30からポンプ胴部22を通って、図3に示されている出口32および送り出し点18まで延びている。
【0029】
図1および図2を続けて参照しながら説明すると、図1の線分3−3に沿った断面図である図3に示されているように、通路26は、入口30から出口32までポンプ胴部22内を好ましくはジグザグ状に進んでいる。通路26は、3つの通路キャビティ34、36、38と交差してそれに開いている。これらのキャビティ34、36、38は、好ましくは、非浸出性のエラストマーダイアフラム40、42、44で覆われている。ダイアフラム40、42、44は、好ましくは、シリコーンディスク製であり、約10〜100マイクロリットル/秒の範囲でポンプ輸送することができるポンプでは、厚さが約0.0127センチ(0.005インチ)で、直径が約12ミリである。ダイアフラム40、42、44がキャビティ34、36、38内でポンプ胴部22に密接状に付着する時、通路26は、キャビティ34、36、38の各々の位置で閉鎖される。ダイアフラム40、42、44がそれのキャビティ34、36、38から引き離された時、通路26の対応部分は、開放する。
【0030】
図1、図2および図3を続けて参照すると、圧電アクチュエータ46、48、50は、それぞれ第1端部64、66、68でダイアフラム40、42、44に取り付けられている。好適な実施形態では、ダイアフラム40、42、44を圧電アクチュエータ46、48、50に取り付けるために、シリコーン接着剤または他の適合接着剤が使用される。しかし、いずれの適当な付着方法を使用してもよい。たとえば、ダイアフラム40、42、44にスロットを設け、それに圧電アクチュエータ46、48、50の第1端部を嵌め込むようにしたり、ダイアフラム40、42、44および圧電アクチュエータ46、48、50を一体部材に成形していもよい。
【0031】
圧電アクチュエータ46、48、50は、アクチュエータクランプ78、80によってポンプ胴部22に取り付けることができる。本発明の1つの実施形態では、アクチュエータクランプ78、80は、ポンプ胴部22と別体に構成された部片である。しかし、アクチュエータクランプ78、80をポンプ胴部22と一体成形することもできる。圧電アクチュエータ46、48、50の第2端部70、72、74をポンプ胴部22に固定することによって、片持ち式取り付けシステムが形成される。圧電アクチュエータ46、48、50がある印加電圧で得られる圧電撓みを最大にするために、片持ち式取り付けシステムおよび圧電バイモルの使用が好ましい。電圧を圧電アクチュエータ46、48、50に印加すると、第2端部70、72、74は静止したままであるが、第1端部64、66、68がポンプ胴部22に対して変位し、それによってダイアフラム40、42、44が上昇または降下する。ダイアフラム40、42、44の1つが撓むことによって、ポンプ胴部22内を通っている通路26の対応部分が開放する。好適な実施形態では、ダイアフラム40、42、44は、ダイアフラムクランプ84、86によってキャビティ34、36、38内でポンプ胴部22とさらにしっかり接触する状態に保持される。
【0032】
圧電アクチュエータ46、48、50は、好ましくは圧電バイモルアクチュエータである。図4は、圧電アクチュエータの1つ46の詳細図である。圧電アクチュエータ46は、好ましくは、2つの圧電セラミック層54、56を好ましくは黄銅または適当な炭素繊維材料製のシム60で分離して構成されている。2つの圧電セラミック材料層54、56間に電界を印加することによって、一方の圧電セラミック層54が膨張し、他方の圧電セラミック層56が収縮する。最終的な結果として、個々の圧電セラミック部材54、56の長さまたは厚さ変形より、遥かに大きく湾曲する。約10〜100マイクロリットル/秒の範囲でポンプ輸送することができるポンプの圧電アクチュエータ46は、幅が約0.1905センチ(0.075インチ)で、片持ち長さが約2.54センチ(1.0インチ)である。好適な圧電セラミックス54、56は、ジルコン酸チタン酸鉛5H種(lead ziroconate titanate, class 5H)である。5A種の圧電セラミックスも使用できるが、5H種圧電セラミックスと同様な動きを達成するために必要な電圧が高くなる。圧電バイモルを使用することによって、ダイアフラム40、42、44は、シールおよびポンプの両方の機能を果たすことができる。ダイアフラム40、42、44の1つが一方向に変位することによって、対応のキャビティ34、36、38が開放して、流体用のタンクを形成する。ダイアフラム40、42、44が逆方向に変位すると、流体がタンクおよびキャビティ34、36、38から押し出される。
【0033】
図1、図2および図3を続けて参照しながら説明すると、図5A〜図5Eは、マイクロポンプ10のポンピングサイクルを示している。各ダイアフラム40、42、44は、圧電アクチュエータ46、48、50によって独立的に制御される。ポンピングサイクル中に、圧電アクチュエータ46、48、50が協働して、流体を容器14から送り出し点18へ一方向に移動させる。一方向の流れとダイアフラム40、42、44のシール作用とによって、流体の一体性が維持される。
【0034】
マイクロポンプ10が図5Aに示されているような休止位置にある時、ダイアフラム40、42、44の各々は、キャビティ34、36、36に当接した降下位置にあり、そのためにキャビティ34、36、38の各々の位置で通路26が閉鎖される。図5Bに示されているような第1作動段階において、圧電アクチュエータ46に電圧が印加されることによって第1ダイアフラム40が撓む、すなわち上昇し、そのために圧電アクチュエータ46の第1端部64が変位する。ダイアフラム40が上昇することによって、通路26内のキャビティ34内に真空が発生するため、流体が容器14から入口30を通って、上昇ダイアフラム40によってキャビティ34内に生じたタンクに引き込まれる。ここで使用するダイアフラムの「上昇」とは、ダイアフラムが開放すなわち離脱位置へ移動することを意味し、この移動が上向きの方向である必要はない。同様に、ダイアフラムの「降下」とは、ダイアフラムが閉鎖すなわち着座位置へ移動することを意味し、この移動が下向き方向である必要はない。
【0035】
図5Cに、ポンピングサイクルの第2段階が示されている。圧電アクチュエータ48に電圧を印加することによって、ダイアフラム42を上昇させて、通路26内のキャビティ36に真空を発生する。同時に、逆電圧を圧電アクチュエータ46に印加することによって、第1端部64がダイアフラム40を降下させる。ダイアフラム42によってキャビティ36内に発生した真空とダイアフラム40の降下とによって、流体がキャビティ34内に生じたタンクからキャビティ36内に生じたタンクへ流れる。
【0036】
図5Dは、ポンピングサイクルの次の段階を示している。圧電アクチュエータ50に電圧を印加することによって、圧電アクチュエータ50の第1端部68がダイアフラム44を上昇させて、キャビティ38内に真空を生じる。同時に、逆電圧を圧電アクチュエータ48に印加することによって、圧電アクチュエータ48の第1端部66がダイアフラム42をタンク内へ降下させる。ダイアフラム44の上昇によって発生した真空とダイアフラム42の降下とによって、流体が通路26を通ってキャビティ38へ押し進められる。
【0037】
図5Eは、ポンピングサイクルの最終段階を示している。逆電圧を圧電アクチュエータ50に印加することによって、圧電アクチュエータ50の第1端部68を降下させ、ダイアフラム44を降下させる。ダイアフラム44の降下によって、流体が、キャビティ38内に生じたタンクから通路26および出口32を通って送り出し点18へ押し進められる。
【0038】
図6は、水をポンプ輸送するためのマイクロポンプ10の理論作動中に圧電アクチュエータ46、48、50に印加される電圧を示すグラフである。符号1で示されたグラフは、第1圧電アクチュエータ46に印加された電圧を示している。符号2で示されたグラフは、第2圧電アクチュエータ48に印加された電圧を示している。符号3で示されたグラフは、第3圧電アクチュエータ50に印加された電圧を示している。3つのグラフ1、2、3は、総て、x軸に沿った時間と共に示されている。マイクロポンプ10の作動中のアクチュエータの振動および可聴騒音を防止すると共に、通路26内の均一な流れを助長するために、グラフ1、2、3に示されているように、各電圧は、漸増的に印加される。圧電アクチュエータ46、48、50への電圧印加は、図1に示されている、電子工学の技術分野の専門家には周知の制御回路88によって制御される。グラフ1のピークは、ポンピングサイクルの図5Bに示されている段階にほぼ対応する。グラフ2のピークは、ポンピングサイクルの図5Cに示されている段階にほぼ対応する。グラフ3のピークは、ポンピングサイクルの図5Dに示されている段階にほぼ対応する。電圧の漸増および様々なアクチュエータの起動のタイミングは、一方向への流れを制御し、逆流を最小限に抑えることができるようにする。波形およびタイミングは、ポンプ輸送される流体および所望の流体出力に応じて変化するであろう。
【0039】
好適な実施形態では、圧電アクチュエータ46、48、50に印加される最大電圧が120ボルトである。バッテリを使用して圧電アクチュエータ46、48、50に電力を供給する場合、一般的なバッテリの電圧を制御回路88によって段階的に増加させて、圧電アクチュエータ46、48、50の圧電効果を生じることができる十分な電圧を与えるようにしなければならない。好適な実施形態では、図1に示されているように、圧電アクチュエータ46、48、50に取り付けられたリード線90、92で電圧が印加される。しかし、圧電アクチュエータ46、48、50に電圧を供給する他の適当な方法を使用してもよく、例えば、制限的ではないが、導電性ストリップまたは他の適当な材料を使用することができる。
【0040】
マイクロポンプ10を通る流体の流量は、3つの方法の1つまたはそれらの組み合わせの方法によて制御することができる。マイクロポンプ10を通る流体の流量を制御する第1の最も好適な方法は、ポンピングサイクルの周波数を増減させることによるものである。ポンピングサイクルの周波数は、圧電アクチュエータ46、48、50への電圧の印加を高速化または低速化するように、制御回路88をプログラムすることによって制御することができる。
【0041】
マイクロポンプ10を通る流体の流量を制御する第2方法は、圧電アクチュエータ46、48、50に印加される電圧レベルを制御することである。圧電アクチュエータ46、48、50に低電圧を印加すると、圧電アクチュエータ46、48、50の撓み量が減少し、そのためにダイアフラム40、42、44が上昇する高さが制限される。ダイアフラム40、42、44の変位によって、ポンピングサイクル中にキャビティ34、36、38内に発生する真空が制限される。真空が小さいほど、タンク14から引き出されてポンプ10を通る流体の量が減少する。
【0042】
マイクロポンプ10を通る流体の流量を制御する第3方法は、通路26の直径を制御することによる。通路26の直径が大きいほど、マイクロポンプ10内を流れる流体の量が増加する。
【0043】
本発明の好適な実施形態では、マイクロポンプ10を流れる流体の流量が、約10マイクロリットル/秒から100マイクロリットル/秒の間である。圧電アクチュエータ46、48、50の正確な動作によって、低流量で狭い公差が得られる。1回分に対して多重ダイアフラムサイクルを使用することによって、少量で狭い公差が得られる。
【0044】
容器14は、図1に示されているような開放型タンクでもよいが、容器14は、密閉収縮型容器でもよい。開放型タンクを使用する場合、マイクロポンプ10をほぼ直立向きに維持し、容器14をポンプ胴部22の上部に置く必要がある。密閉収縮型容器を使用する場合、マイクロポンプ10は、様々な向きで使用することができる。しかし、マイクロポンプ10の現在形式では、密封収縮型容器を使用する時でも、容器14をポンプ胴部22の上部に置いた向きの時に最良に作動し続ける。向きの変化は、向きの変化に伴った重力効果および上部圧力の変化と共に、マイクロポンプ10内を流れる流体の流量に影響を与えるであろう。
【0045】
図7は、本発明の変更形実施形態を示しており、ポンプ10’は、2つのダイアフラム40’、42’によって覆われた2つのキャビティ34’、36’を有するポンプ胴部22’を特徴としている。2つのダイアフラム40’、42’は、これらのダイアフラム40’、42’を上昇および降下させる2つの圧電アクチュエータ46’、48’に取り付けられている。図7のマイクロポンプ10’は、マイクロポンプ10と同様に機能して働くが、図1、図2および図3に示されているような3つのダイアフラム40、42、44を有するマイクロポンプ10の方が、制御性が高いために好ましい。マイクロポンプ10’は、また、流体が第1キャビティ34’から第2キャビティ36’へ流れる時に通路26’が完全に開放しているため、マイクロポンプ10の場合より容器14’から上部圧力を受け易い。正圧を受けた流体容器をマイクロポンプ10’に使用することによって、この問題を克服することができるであろう。
【0046】
マイクロポンプ10は、マイクロポンプ10の作動後に残留流体を通路26から除去するために、パージ機構を含むことができる。マイクロポンプ10から流体を除去することは、通路26内の特に出口32付近での微生物の生育を防止したり、通路26内での残留物の蓄積を防止するために望ましい。後述するように、パージ機構は、パージング媒体を導入すると共に、パージング媒体が通路26を通り抜けるようにする装置を含むことができる。
【0047】
図8は、マイクロポンプ10”の作動後に通路26”から流体を除去するための手段を組み込んだ本発明の実施形態を示している。パージ機構は、パージング媒体を通路26”に導入するための入口31”を含む。ポンプ胴部22”は、入口30”から出口32”まで延びた通路26”を有する。通路26”は3つの通路キャビティ34”、36”、38”と交差している。これらのキャビティ34”、36”、38”は好ましくは、エラストマーダイアフラム40”、42”、44”によって覆われている。第2および第3ダイアフラム42”、44”は、それぞれ、上記のように圧電アクチュエータ48”、50”によって制御される。ポンプ胴部22”には、第1キャビティ34”に通じる第2入口31”も設けられている。ダイアフラム40”は、第1キャビティ34”を覆っている。第1圧電アクチュエータ46”が、通路26”の入口30”に通じる部分の上方でダイアフラム40”を上昇および降下させ、第2圧電アクチュエータ47”が、第2入口31”および通路26”の第2キャビティ36”に向かって続く部分の上方でダイアフラム40”を上昇および降下させる。先行実施形態で説明したように、マイクロポンプ10”の作動中、圧電アクチュエータ46”、48”、50”は、ダイアフラム40”、42”、44”を上昇および降下させる。
【0048】
パージングは、ポンピングサイクルの完了時に、濾過空気、水、洗浄流体または他の適当な物質にすることができるパージング媒体を入口31”からマイクロポンプ10”に導入することによって行うことができる。パージング中、圧電アクチュエータ46”が、入口30”に続く通路26”を密閉する。パージング媒体を通路26”の端から端まで流すために3つの方法を用いることができる。第1方法として、パージング媒体を第2入口31”から導入し、前述したようマイクロポンプ10”内をポンプ輸送するが、圧電アクチュエータ46”の代わりに圧電アクチュエータ47”がダイアフラム40”を上昇および降下させる。第2方法として、アクチュエータ47”、48”、50”がダイアフラム40”、42”、44”を開放状態に保持している間に、パージング媒体を加圧状態で第2入口31”から供給することによって、パージング媒体が通路26”を吹き抜けることができるようにする。第3方法として、ダイアフラム40”、42”、44”の各々をアクチュエータ47”、48”、50”によって開放状態に保持することによって、出口32”の機構(図示せず)がパージング媒体を引き出す時、パージング媒体が入口31”から流入して通路26”を通り抜けるようにする。この機構は、例えば、電気流体力学的スプレー装置にすることができる。パージング流体をマイクロポンプ10”に導入するための1つの方法および装置を開示しているが、パージング媒体を入口30”または第1ダイアフラム40”の位置またはその付近に導入して、マイクロポンプ10”内をポンプ輸送して押し進める、または引き出す他の方法および装置を使用することもできる。
【0049】
本発明のさらに別の実施形態では、ダイアフラム40、42、44の代わりに、流体流を誘発するためにキャビティ34、36、38内で移動するピストンまたは他のポンピング装置を用いてもよい。
【0050】
以上に、好適な実施形態を説明してきた。本発明の包括的範囲から逸脱することなく上記方法に変更および変化を組み込むことができることは、当該技術分野の専門家には明らかであろう。本発明は、請求項またはその同等物の範囲に入る変更および修正をすべて包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 圧電マイクロポンプの側部斜視図である。
【図2】 図1の圧電マイクロポンプの分解図である。
【図3】 図1の線分3−3に沿った圧電マイクロポンプの断面図である。
【図4】 圧電アクチュエータの側部斜視図である。
【図5A】 圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図5B】 圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図5C】 圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図5D】 圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図5E】 圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図6】 圧電マイクロポンプの実施形態のための電気制御回路の波形のグラフである。
【図7】 2つのダイアフラムを有する圧電マイクロポンプの側部斜視図である。
【図8】 通路から流体を除去するための手段を特徴とする圧電マイクロポンプの変更形実施形態の斜視図である。
Claims (35)
- 流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第1、第2および第3キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第1キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第1ダイアフラムと、
前記第1ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第1ダイアフラムクランプと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第1ダイアフラムに作動連結した、前記第1ダイアフラムを上昇および降下させる第1片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第1片持ち式圧電アクチュエータの前記第2端部を前記ポンプ胴部に固定する第1アクチュエータクランプと、
前記第2キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第2ダイアフラムと、
前記第2ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第2ダイアフラムクランプと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第2ダイアフラムに作動連結した、前記第2ダイアフラムを上昇および降下させる第2片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第2片持ち式圧電アクチュエータの前記第2端部を前記ポンプ胴部に固定する第2アクチュエータクランプと、
前記第3キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖し、前記第1ダイアフラムクランプによって前記ポンプ胴部に固定されている第3ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第3ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記第1ダイアフラムクランプによって前記ポンプ胴部に固定した、前記第3ダイアフラムを上昇および降下させる第3片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第1、第2および第3片持ち式圧電アクチュエータに電圧を供給して前記第1、第2および第3ダイアフラムを上昇および降下させ、それによって前記通路を通る前記流体の流れを促進する電子制御回路と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。 - 前記ポンプ胴部は、第1側部および第2側部を有し、前記第1および第3キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第1側部に位置し、前記第2キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第2側部に位置している請求項1記載のマイクロポンプ。
- 流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第1キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第1ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第1ダイアフラムに作動連結した、前記第1ダイアフラムを上昇および降下させる第1圧電アクチュエータと、
前記第2キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第2ダイアフラムと、
前記第1および第2ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する固定手段と、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第2ダイアフラムに作動連結した、前記第2ダイアフラムを上昇および降下させる第2圧電アクチュエータと、
前記第1圧電アクチュエータの前記第2端部および前記第2圧電アクチュエータの前記第2端部を前記ポンプ胴部に片持ち式に固定する片持ち式固定手段と、
前記第1および第2圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記第1および第2圧電アクチュエータが前記第1および第2ダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電気手段と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。 - 前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第3キャビティを有し、さらに、
前記第3キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖し、前記固定手段によって前記ポンプ胴部に固定されている第3ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第3ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記片持ち式固定手段によって前記ポンプ胴部に固定した、前記第3ダイアフラムを上昇および降下させる第3圧電アクチュエータとを含み、前記電気手段が前記第3圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第3圧電アクチュエータが前記第3ダイアフラムを上昇および降下させることができるようにした請求項3記載のマイクロポンプ。 - 前記ポンプ胴部は、第1側部および第2側部を有し、前記第1および第3キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第1側部に位置し、前記第2キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第2側部に位置している請求項4記載のマイクロポンプ。
- 前記第1、第2および第3圧電アクチュエータの各々は、
第1圧電材料層と、
第2圧電材料層と、
前記第1および第2層を分離するシムとを含む請求項4記載のマイクロポンプ。 - 前記圧電材料は、5H種ジルコン酸チタン酸鉛である請求項6記載のマイクロポンプ。
- 前記シムは、黄銅である請求項6記載のマイクロポンプ。
- 前記シムは、炭素繊維複合材料である請求項6記載のマイクロポンプ。
- 前記固定手段は、さらに、
前記第1および第3ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第1ダイアフラムクランプと、
前記第2ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第2ダイアフラムクランプとを含む請求項5記載のマイクロポンプ。 - 前記固定手段は、前記第1、第2および第3ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定するクランプを含む請求項5記載のマイクロポンプ。
- 前記片持ち式固定手段は、前記クランプを含む請求項11記載のマイクロポンプ。
- 前記片持ち式固定手段は、
前記第1圧電アクチュエータの前記第2端部および前記第3圧電アクチュエータの前記第2端部を前記ポンプ胴部に固定する第1アクチュエータクランプと、
前記第2圧電アクチュエータの前記第2端部を前記ポンプ胴部に固定する第2アクチュエータクランプとを含む請求項5記載のマイクロポンプ。 - 前記第1および第2アクチュエータクランプは、前記ポンプ胴部と一体化している請求項13記載のマイクロポンプ。
- 前記電気手段は、
前記第1、第2および第3圧電アクチュエータに電圧を供給して前記第1、第2および第3ダイアフラムを上昇および降下させ、それによって前記通路を通る前記流体の流れを促進する電子制御回路を含む請求項6記載のマイクロポンプ。 - 前記電子制御回路は、さらに、
前記第1、第2および第3圧電アクチュエータの各々の前記第1および第2層に電圧を徐々に印加する手段を含む請求項15記載のマイクロポンプ。 - 流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、
前記通路を前記第1キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第1ポンピング手段と、
前記第1ポンピング手段を作動させる第1圧電アクチュエータと、
前記通路を前記第2キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第2ポンピング手段と、
前記第2ポンピング手段を作動させる第2圧電アクチュエータと、
前記第1および第2圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記第1および第2圧電アクチュエータが前記第1および第2ポンピング手段を作動させることができるようにする電気手段と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。 - 前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第3キャビティを有し、さらに、
前記通路を前記第3キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第3ポンピング手段と、
前記第3ポンピング手段を作動させる第3圧電アクチュエータと、
前記第3圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記3圧電アクチュエータが前記第3ポンピング手段を作動させることができるようにする電気手段とを含む請求項17記載のマイクロポンプ。 - 前記第1ポンピング手段は、前記第1キャビティに係合可能な第1ピストンを含む請求項18記載のマイクロポンプ。
- 前記第2ポンピング手段は、前記第2キャビティに係合可能な第2ピストンを含む請求項19記載のマイクロポンプ。
- 前記第3ポンピング手段は、前記第3キャビティに係合可能な第3ピストンを含む請求項20記載のマイクロポンプ。
- 前記第1ポンピング手段は、前記第1キャビティに係合可能な第1ダイアフラムを含む請求項18記載のマイクロポンプ。
- 前記第2ポンピング手段は、前記第2キャビティに係合可能な第2ダイアフラムを含む請求項22記載のマイクロポンプ。
- 前記第3ポンピング手段は、前記第3キャビティに係合可能な第3ダイアフラムを含む請求項23記載のマイクロポンプ。
- さらに、前記通路と連通した開放型容器を含む請求項17記載のマイクロポンプ。
- さらに、前記通路と連通した密閉型容器を含む請求項17記載のマイクロポンプ。
- 通路を貫設し、該通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、前記第1および第2キャビティを覆う第1および第2ダイアフラムと、前記第1および第2ダイアフラムに片持ち式に取り付けられて、前記第1および第2ダイアフラムを上昇および降下させる第1および第2圧電アクチュエータとを含むマイクロポンプによって流体を容器から送り出し点へポンプ輸送する方法であって、
前記第1圧電アクチュエータを作動させて前記第1ダイアフラムを上昇させることによって、流体が前記容器から前記第1キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第2圧電アクチュエータを作動させて前記第2ダイアフラムを上昇させ、また、前記第1圧電アクチュエータを作動させて前記第1ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記第1キャビティから前記第2キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第2圧電アクチュエータを作動させて前記第2ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記送り出し点に向かって前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記通路から残留流体を除去する段階とを含む方法。 - 前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第3キャビティを有し、前記マイクロポンプは、さらに、前記第3キャビティを覆う第3ダイアフラムと、前記第3ダイアフラムを上昇および降下させる第3圧電アクチュエータとを含み、さらに、
前記第3圧電アクチュエータを作動させて前記第3ダイアフラムを上昇させる一方、前記第2圧電アクチュエータを作動させて前記第2ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記第2キャビティから前記第3キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第3圧電アクチュエータを作動させて前記第3ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記送り出し点に向かって前記通路を通って流れるようにする段階とを含む請求項27記載の方法。 - 流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第1キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第1ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第1ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記ポンプ胴部に連結して前記第1ダイアフラムを片持ち式に支持できるようにした第1圧電アクチュエータと、
前記第2キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第2ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第2ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記ポンプ胴部に連結して前記第2ダイアフラムを片持ち式に支持できるようにした第2圧電アクチュエータと、
前記第1および第2圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加して、前記第1および第2圧電アクチュエータが対応のダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電源と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。 - 前記圧電アクチュエータは、圧電バイモルである請求項29記載のマイクロポンプ。
- 前記第1および第2ダイアフラムの作動が、ポンピングおよび弁作動の両方を制御する請求項29記載のマイクロポンプ。
- 流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第1および第2キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第1キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第1ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第1ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記ポンプ胴部に連結した第1圧電バイモルアクチュエータと、
前記第2キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第2ダイアフラムと、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部を前記第2ダイアフラムに作動連結し、前記第2端部を前記ポンプ胴部に連結した第2圧電バイモルアクチュエータと、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段と、
前記第1および第2圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加する電源とを含み、前記第1圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第1ダイアフラムが変位して前記第1キャビティ内に第1タンクを生じ、流体を前記容器から前記入口を通って前記第1タンクに引き込むことができ、前記第1圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、前記第1ダイアフラムが逆方向に変位して、前記第1タンク内の流体を前記第1ダイアフラムより下流側の前記通路に流し込んで、前記第1キャビティを密閉することができるマイクロポンプ。 - 前記第2圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第2ダイアフラムが変位して前記第2キャビティ内に第2タンクを生じ、流体を前記第1タンクより下流側の前記通路から前記第2タンクに引き込むことができ、前記第2圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、前記第2ダイアフラムが逆方向に変位して、前記第2タンク内の流体を前記第2タンクより下流側の前記通路に流し込んで、前記第2キャビティを密閉することができる請求項32記載のマイクロポンプ。
- 前記電源は、前記第1および第2圧電アクチュエータに漸増または漸減電圧を印加する請求項29記載のマイクロポンプ。
- 前記電源は、前記第1および第2圧電アクチュエータに漸増または漸減電圧を印加する請求項33記載のマイクロポンプ。
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