JP4645159B2 - マイクロポンプ - Google Patents

Description

この発明はマイクロポンプに関し、特に、微少量の液体を高精度に送るためのマイクロポンプに関する。

従来、微少量の液体を搬送するためのマイクロポンプの主な方式としては、逆止弁を用いる機械的な第１の方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルを用いた第２の方式とに大別することができる。第１の方式として、特開平１１−２５７２３３号公報には、ダイアフラムを稼動させることでポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載されている。また、特開平１０−２９９６５９号公報には、圧力室に連通するノズル部に可動バルブを設け、圧電素子を用いて可動バルブを開閉させて液体の流れの方向性を持たせるマイクロポンプが記載されている。

第２の方式として、特開平１０−１１０６８１号公報には、加圧室に連通するノズル部に突起物を設け、流れの方向により流路抵抗が異なるマイクロポンプが記載されている。このマイクロポンプによれば、所望の流れの方向とは逆方向への流れを起こりにくくすることができ、所望の１方向に液体を搬送することができる。

しかしながら、第１の方式におけるマイクロポンプは、逆止弁または可動バルブを設けるので、構造が複雑で、機械的に劣化しやすいという問題がある。また、特開平１０−２９９６５９号公報に記載のマイクロポンプは、可動バルブを開閉させるための圧電素子と、圧力室の圧力を変化させるための圧電素子との少なくとも３つの圧電素子が必要である。さらに、これらの圧電素子を別個に駆動するための駆動回路が複雑になってしまうという問題がある。

第２の方式におけるマイクロポンプは、１方向にしか液体を搬送することができないという問題がある。

この発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的の１つは、簡単な構成で微少量の液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能なマイクロポンプを提供することである。

上述の目的を達成するためにこの発明のある局面によれば、マイクロポンプは、流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路と、差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さい第２流路と、第１流路および第２流路に接続された加圧室と、加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエータとを備える。

この発明に従えば、第１流路は流路抵抗が差圧に応じて変化し、第２流路は差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さいので、差圧が大きいときと小さいときとで第１流路の流路抵抗と第２流路の流路抵抗との比が異なる。アクチュエータにより第１流路および第２流路に接続された加圧室の内部の圧力を変化させるので、第１流路の流路抵抗と第２流路の流路抵抗との比を異ならせることができる。このため、簡単な構成で微少量の液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能なマイクロポンプを提供することができる。

好ましくは、マイクロポンプの第１流路と第２流路それぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路の流路長の断面積に対する割合が、第２流路の流路長の断面積に対する割合よりも大きいことを特徴とする。

この発明に従えば、第１流路と第２流路それぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路の流路長の断面積に対する割合が、第２流路の流路長の断面積に対する割合よりも大きいので、第１流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が第２流路よりも大きくなる。このため、差圧が大きいときと小さいときとで、第１流路の流路抵抗と第２流路の流路抵抗との比を異ならせることができる。

好ましくは、マイクロポンプの第１流路は、断面積が急激に変化する形状、中心線が直線でない形状、または、流路に障害物を有する形状のいずれかであることを特徴とする。

この発明に従えば、第１流路は、断面積が急激に変化する形状、中心線が直線でない形状、または、流路に障害物を有する形状のいずれかなので、第１流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合を第２流路よりも大きくすることができる。

好ましくは、マイクロポンプは、加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、繰返しは、加圧室の体積を増加させる時間と減少させる時間とが相反することを特徴とする。

この発明に従えば、駆動手段により加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動される。その繰返しにおいて加圧室の体積を増加させる時間と減少させる時間とが相反するので、体積を増加させるときと減少させるときとで差圧を異ならせることができる。その結果、アクチュエータの構成を簡単にすることができる。

好ましくはマイクロポンプの駆動手段は、加圧室の体積を増加させる時間が相反する第１の繰返しと第２の繰返しで駆動可能であることを特徴とする。

この発明に従えば、第１の繰返しと第２の繰返しとで、加圧室の体積を増加させる時間が相反するので、第１の繰返しと第２の繰返しとで液体を搬送する方向を異ならせることができる。

好ましくはマイクロポンプは、加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、第１流路は、第１の方向の流路抵抗が第１の方向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きく、駆動手段は、体積を増加させる時間と減少させる時間とが同じ第１の繰り返しと増加させる時間と減少させる時間とが異なる第２の繰り返しで駆動可能であることを特徴とする。

この発明に従えば、駆動手段により加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動される。第１流路は、第１の方向の流路抵抗が第１の方向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きいので、体積を増加させる時間と減少させる時間とが同じ第１の繰返しでは、第２の方向で液体が搬送され、体積を増加させる時間と減少させる時間とが異なる第２の繰返しでは、第１の方向で液体が搬送される。このため、液体を正逆両方向により効率的に搬送することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図中同一符号は同一または相当する部材を示し、説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分的な断面図である。図２は、本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分的な平面図である。図１および図２を参照して、マイクロポンプ１００は、第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７、および第２液室１１３とが形成された基板１０１と、基板１０１上に積層された上側基板１０３と、上側基板１０３上に積層された振動板１０５と、振動板１０５の加圧室１０９と対向する側に積層された圧電素子１０７と、圧電素子１０７を駆動するための駆動部１２０とを含む。

基板１０１は、厚さ５００［μｍ］の感光性ガラス基板であり、深さ１００［μｍ］に達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７および第２液室１１３が形成される。本実施の形態においては、第１流路１１５はその幅を２５［μｍ］、長さを２０［μｍ］としている。また、第２流路１１７は、その幅を２５［μｍ］、長さを１５０［μｍ］としている。したがって、第１流路１１５と第２流路１１７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路よりも第２流路の方が長くなっている。

なお、第１流路１１５および第２流路１１７は、基板１０１をエッチング溝加工することによりスリット形状に形成されるものに限られるわけではなく、板材に対してドリル、プレス、レーザ加工等により穴あけ加工をして形成するようにしてもよい。

上側基板１０３は、ガラス基板であり、基板１０１上に積層されることにより、第１液室１１１、第１流路１１５、第２液室１１３および第２流路１１７の上面が形成される。上側基板１０３の加圧室１０９の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて、貫通している。

振動板１０５は、厚さ５０［μｍ］の薄板ガラスである。圧電素子１０７は、圧電性セラミックスであり、本実施の形態においては厚さ５０［μｍ］のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを用いた。圧電素子１０７と振動板１０５とは接着剤等で貼り合わせられている。

駆動部１２０は、圧電素子１０７に駆動電圧を印加するために、所定の波形の電圧を発生させる。圧電素子１０７に駆動部１２０から駆動電圧が印加されることにより、振動板１０５と圧電素子１０７とがユニモルフモードの屈曲変形（反り変形）をする。これにより、加圧室１０９の容積が増減する。

本実施の形態におけるマイクロポンプ１００では、圧電素子１０７に３０［Ｖ］の電圧が印加されると、圧電素子１０７の変形は、変位量が８０［ｎｍ］、発生圧力が０．４［ＭＰａ］である。

図３は、本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す図である。図３（Ａ）は第１流路の場合を示し、図３（Ｂ）は第２流路の場合を示す。ここで、流路抵抗とは、液体が流路を流れるときの圧力損失の係数に相当し、単位時間に流れる流体体積を流量Ｑ、液体が流路を流れることによる圧力損失をΔＰとしたとき、流路抵抗Ｒ［Ｎ・ｓ／ｍ5］は、Ｒ＝ΔＰ／Ｑで求められる。ただし、Ｎは力（Newton）、ｓは時間（second）である。図３に示した値は、液体に水を用いて、第１流路および第２流路について所定の圧力で液体を流し、そのときの流速から流路抵抗の圧力依存を求めることにより、測定した値である。

図３を参照して、第１流路１１５は、流路抵抗の圧力依存が大きいのに対し、第２流路１１７は流路抵抗の圧力依存が小さいことがわかる。この流路抵抗の圧力依存の違いにより次のことが導き出される。すなわち、差圧が大きいときには、換言すれば加圧室の容積の変化率の絶対値が大きいときには、第１流路は第２流路に比べて液体を通しにくくなり、差圧が小さいとき、換言すれば加圧室１０９の容積変化率の絶対値が小さいときには、第１流路は第２流路に比べて液体が流れやすい。したがって、加圧室１０９の容積変化率の絶対値が大きなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に第１流路１１５を通り、また、加圧室の容積変化率が小さなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に第２流路１１７を通ることになる。

次に、圧電素子１０７に印加される電圧の波形について説明する。圧電素子１０７に印加される電圧は、駆動部１２０で発生される。本実施の形態におけるマイクロポンプ１００では、加圧室１０９の加圧時と減圧時とで圧力の絶対値に差が生じることが必要となる。図４は、圧電素子１０７に印加する第１の電圧波形と流体の挙動を示す図である。図４（Ａ）は、圧電素子１０７に印加する第１の電圧波形を示す。図４（Ａ）を参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波形は、立上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２よりも長い。圧電素子１０７に印加される電圧が上昇すると、圧電素子１０７と振動板１０５は、加圧室１０９側に反り変形し、その結果、加圧室１０９の容積が減少する。逆に、圧電素子１０７に印加される電圧が減少すると、圧電素子の反り変形する変位量が減少するため、加圧室１０９の容積が増加する。したがって、図４（Ａ）に示す波形の電圧が圧電素子１０７に印加されると、加圧室１０９の容積変化率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも小さくなる。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも液体を流れやすくし、第２流路１１７は期間ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほとんど変わらない。

図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示す波形の電圧が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示している。図４（Ｂ）を参照して、液体はマクロには正方向、換言すれば図１の左側から右側に向かう方向に流れる。

図５は、圧電素子１０７に印加する第２の電圧波形と流体の挙動を示す図である。図５（Ａ）は、圧電素子１０７に印加する第２の電圧波形を示す。図５（Ａ）を参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波形は、立上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２よりも短い。したがって、図５（Ａ）に示す波形の電圧が圧電素子１０７に印加されると、加圧室１０９の容積変化率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも大きくなる。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも液体を流れにくくし、第２流路１１７は期間ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほとんど変わらない。

図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示す波形の電圧が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示している。図５（Ｂ）を参照して、液体はマクロには負方向、換言すれば図１の右側から左側に向かう方向に流れる。

液体のマクロな流れは、液送り量の効率で表わすことができる。液送り量の効率は、差圧が高圧時における第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１１７の流路抵抗との比と、差圧が低圧時における第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１１７の流路抵抗の比とによって定まる。差圧が低圧時における第２流路１１７に対する第１流路１１５の流路抵抗比をＫｌとし、高圧時における第２流路１１７に対する第１流路１１５の流路抵抗比をＫｈとすると、液送り量の効率αは次式（１）で表わされる。

α＝（１／（１＋Ｋｌ））−（１／（１＋Ｋｈ）） … （式１）
本実施の形態におけるマイクロポンプ１００では、低圧時の差圧を１０［ｋＰａ］とし、高圧時の差圧を１００［ｋＰａ］である。このとき、低圧時の流路抵抗比Ｋｌ≒０．５６、高圧時の流路抵抗比Ｋｈ≒１．１７となる。（１）式を用いて、液送り量効率αは、正方向および負方向ともに約１８％となる。

（１）式からわかるように、液送り量効率αを向上させるためには、Ｋｌができる限り小さく、Ｋｈができる限り大きくなることが望ましい。このためには、一方の流路は差圧による流路抵抗の変化ができる限り小さい方がよく（層流的挙動）、他方の流路は圧力による流路抵抗の変化ができる限り大きい方がよい（乱流的挙動）。さらに、低圧時と高圧時とで第１流路および第２流路の流路抵抗の値が逆転するのが好ましい。

さらに、変化させる差圧の領域を、全体的に高圧方向にシフトする方が液送り量効率を高めるためには好ましい。具体的には、低圧時の圧力を１［ｋＰａ］、高圧時の圧力を１０［ｋＰａ］とするよりも、低圧時の圧力を１０［ｋＰａ］、高圧時の圧力を１００［ｋＰａ］とする方がよい。

［駆動電圧の変形例］
圧電素子１０７に印加される電圧の立上がりに要する時間と、電圧の立下がりに要する時間とを異ならせるために、最も典型的には、図４（Ａ）または図５（Ａ）に示した波形を用いることができる。ただし、時間軸に対して立上がりと立下がりとが対称でない波形であれば、これに限られるものではない。

図６は、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００の駆動部１２０が圧電素子１０７に印加する電圧の波形の変形例を示す図である。図６を参照して、図６（Ａ）は、液体を正方向に搬送する場合の波形を示し、図６（Ｂ）は液体を負方向に搬送する場合の波形を示す。図６を参照して、期間ｔ１と期間ｔ２との間に、電圧が変化しない期間ｔ３が含まれる。液体を正方向に搬送する場合には、期間ｔ１が期間ｔ２よりも長くなり、液体を負方向に搬送する場合には、期間ｔ１が期間ｔ２よりも短くなる。期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧が変化しない期間ｔ３が加わった以外については、図４（Ａ）および図５（Ａ）に示した電圧の波形と同じである。期間ｔ３では、電圧が変化しないから、加圧室１０９の容積に変化はなく、第１流路１１５と第２流路１１７の差圧はそれぞれほぼゼロになる。図６に示した波形の電圧を圧電素子１０７に印加することにより、液体を正方向と負方向とに搬送することができる。

次に、第１流路１１５と第２流路１１７の形状について説明する。第２流路１１７は、層流で境界層の発達した流れを生じさせる形状である必要がある。このため、レイノルズ数Ｒｅが低く、かつ、流路幅に対する流路長の比が大きい方が望ましい。ここで、レイノルズ数Ｒｅは、流体力学では一般的な指標となる値である。レイノルズ数が大きいほど乱流域に近づく値を示すものである。流体の密度をρ、粘度をη、流速をｖ、流路の断面を正方形とした場合に一辺の長さをｄとすると、Ｒｅ＝ρｖｄ／ηで求められる。

レイノルズ数は、流路の断面形状により異なるが、流路が円環状の場合の理論は一般的に知られており、たとえば「水力学」（森北出版）ｐｐ．９５−９６に記されている。それによると、直径をｄ、長さをＬとする円環では、流れが層流（Ｒｅ＜２３２０）の場合、Ｌ＞ｋ×Ｒｅ×ｄが望まれる。ここで、定数ｋは、ニクラゼ（Nikuradse）の実験によると、ｋ＝０．０６５、ラングハール（Langharr）の理論によるとｋ＝０．０５８である。

基本的には、流れの方向に垂直な断面形状が一定で、長さの長い流路が好ましいが、境界層の発達した流れを起こすものであれば、これに限られるものではない。また、多少境界層の発達が不十分であっても、第１流路１１５と比較してより境界層の発達度合いが高い層流であればよい。

一方、第１流路１１５は、乱流あるいは渦が発生しやすい形状、もしくは境界層の形成が不十分な領域を含む形状である必要がある。第１流路１１５は、差圧が大きくなるほど、流路抵抗Ｒの値が増加する形状であり、以下にこの形状の例を示す。なお、差圧とは、流路の両端における圧力の差をいう。

第１流路１１５の形状の条件は、以下のとおりである。

（１） レイノルズ数Ｒｅが高い
形状により最適な値は異なるが、円環状の場合は、少なくとも流速のピーク時にＲｅ＞２３２０となる（乱流になる）形状。

（２） 流路の幅ｄに対して流路長さＬの比が比較的小さい形状
形状によりその適切な値は異なるが、円環状の場合、少なくとも流速のピーク時にＬ＜０．０６５×Ｒｅ×ｄとなる形状。

図７は、第１流路１１５の形状の第１の具体例を示す図である。図７を参照して、第１流路１１５の断面形状を正方形とした場合の一辺の長さをｄとし、第１流路１１５の長さをＬとした場合に、Ｌ／ｄが比較的小さいことが条件となる。第１流路１１５の断面形状を円とした場合には、直径ｄと流路長さＬの比が小さくなることが条件となる。特に、流速のピーク時にＬ／ｄ＜０．０６５×Ｒｅとなることが条件となる。

図８は、第１流路の形状の第２の具体例を示す図である。図８を参照して、第１流路１１５Ａの幅は、加圧室１０９側から第１液室１１１に向かって徐々に大きくなる形状となっている。このような場合においても、第１流路１１５Ａの形状は、上記（２）の条件を満たす形状とすることができる。

図９は、第１流路の形状の第３の具体例を示す図である。図９を参照して、第１流路１１５Ｂは、断面積が２段階に変化し、面積の変化が急激な形状となっている。第１流路１１５Ｂの断面形状は、円であっても矩形であってもよい。

図１０は、第１流路の形状の第４の具体例を示す図である。第１流路１１５Ｃは、加圧室１０９と第１液室１１１との間に設けられ、液体の流れる方向が直線でなく、折れ曲がっている。

図１１は、第１流路の形状の第５の具体例を示す図である。第１流路１１５Ｄは、そのほぼ中央に障害物１３１を備えている。障害物１３１の液体が流れる方向に垂直な断面形状は、加圧室１０９側から第１液室１１１に向かって小さくなる形状となっている。

図１２は、第１流路の形状の第６の具体例を示す図である。図１２を参照して、加圧室１０９の第１流路１１５Ｅ近傍に障害物１３１Ａが設けられている。

図１３は、第１流路の形状の第７の具体例を示す図である。図１３を参照して、第１流路１１５Ｆは、加圧室１０９と第１液室１１１と同じ幅で、加圧室１０９と第１液室１１１とを連結している。加圧室１０９と第１液室１１１との間の第１流路１１５Ｆには、障害物１３１Ｂが設けられている。障害物１３１Ｂは、加圧室１０９から第１液室１１１に向かって断面積が小さくなる形状である。このように、第１流路１１５Ｆに障害物１３１Ｂが設けられているので、第１流路１１５における液体が通過可能な面積は、加圧室１０９の断面積および第１液室１１１の断面積よりも小さくなっている。

［マイクロポンプの第１の変形例］
次に、上述したマイクロポンプ１００の変形例について説明する。変形されたマイクロポンプは、第１流路１１５に方向性を持たせたものである。方向性とは、差圧の絶対値が同じ条件で、加圧室１０９から第１液室１１１に液体が流れる場合の流路抵抗と、第１液室１１１から加圧室１０９に液体が流れる場合の流路抵抗とが異なることをいう。このように、第１流路１１５に方向性を持たせることにより、駆動部１２０から圧電素子１０７に正弦波の電圧を印加した場合においても、液体を１方向に搬送することができる。一般に、１方向に液体を搬送する場合、振動板１０５が共振点で振動するように正弦波の電圧を圧電素子１０７に印加して駆動するのが最も効率的である。したがって、第１流路１１５に方向性を持たせて正弦波の電圧を圧電素子１０７に印加することにより、第１流路１１５の方向性に従った方向に液体を搬送することができる。この場合には、正弦波の電圧が圧電素子１０７に印加され、振動板１０５が共振点で振動するため、液体を効率的に搬送することができる。

一方、圧電素子１０７に電圧の立上がりに要する時間と立下がりに要する時間とが異なる電圧を印加することにより、第１流路１１５の方向性に従った方向とは逆の方向に液体を搬送することができる。これにより、第１流路１１５の方向性に従った方向への液体の搬送を効率よく行なうことができ、かつ、第１流路１１５の方向性に従った方向とは逆の方向へも液体を搬送することができるマイクロポンプとすることができる。

図１４は、本実施の形態におけるマイクロポンプの第１の変形例の平面図である。図１４を参照して、第１の変形例におけるマイクロポンプ１００は、第１流路１３０の形状が、その幅が加圧室１０９から第１液室１１１に向かって大きくなっている。このため、加圧室１０９から第１液室１１１に液体が流れる場合の流路抵抗が、第１液室１１１から加圧室１０９に液体が流れる場合の流路抵抗よりも小さくなる。この結果、加圧室１０９を加圧する時間と、減圧する時間とが同じ場合には、液体がマクロには第２液室１１３から加圧室１０９を通って第１液室１１１に向かう方向に流れる。

また、加圧室１０９を加圧する時間を減圧する時間よりも短くすれば、液体はマクロには、第１液室１１１から加圧室１０９を通って第２液室１１３へ向かって流れることになる。

図１５は、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子１０７に印加する電圧の一例を示す図である。図１５（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１１に向かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１５（Ｂ）は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方向に搬送する場合の波形を示す。図１５（Ａ）に示す波形は、正弦波である。この正弦波は、振動板１０５が共振点で振動するように圧電素子１０７に印加される電圧の波形である。その結果、この正弦波の電圧が圧電素子１０７に印加されると、液体がマクロには、第１流路１３０の方向性に従った方向、すなわち、第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。

図１５（Ｂ）に示す波形は、電圧が増加する期間ｔ１が、電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。このため、加圧室１０９の容積が減少する期間が増加する期間よりも短い。その結果、加圧室１０９の容積が減少するときの第１流路１１５の差圧が、加圧室１０９の容積が増加するときの第１流路１１５の差圧よりも大きくなる。その結果、この波形の電圧が圧電素子１０７に印加されると、液体がマクロには、第１流路１３０の方向性に従った方向と逆の方向、すなわち、第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。

図１６は、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子１０７に印加する電圧の波形の別の例を示す図である。図１６（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１１に向かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１６（Ｂ）は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方向に搬送する場合の波形を示す。図１６（Ａ）を参照して、電圧の波形は矩形で表わされている。加圧室１０９の容積が増加する期間と減少する期間とが同じとなる。そして、第１流路１１５では、加圧室１０９の容積が増加する場合と減少する場合とで第１流路１３０の差圧の絶対値が同じになる。このため、第１流路１３０の方向性に従った方向、すなわち、加圧室１０９から第１液室１１１に向かう方向に液体が流れることになる。

図１６（Ｂ）を参照して、電圧が増加する期間ｔ１が電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。また、期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧が変化しない期間ｔ３が含まれる。電圧が増加する期間ｔ１が電圧が減少する期間ｔ２よりも短いため、加圧室１０９の容積が減少する期間ｔ１が増加する期間ｔ２よりも短くなる。その結果、期間ｔ１における第１流路の差圧の絶対値が期間ｔ２における第１流路１３０の差圧の絶対値よりも大きくなる。このため、マクロでは、液体が第１流路１３０の方向性に従った方向と逆の方向、すなわち、加圧室１０９から第２液室１１３に向かう方向に搬送される。

［マイクロポンプの第２の変形例］
図１７は、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００の第２の変形例の平面図である。第１流路と第２流路とを相対的に比較して、差圧に対する流路抵抗の変化率に違いが認められるならば、第１流路に加えて第２流路にも方向性を持たせても問題ない。ただし、第１流路の差圧に対する流路抵抗の変化率が第２流路の差圧に対する流路抵抗の変化率よりも大きくなることが条件となる。第１流路および第２流路の双方に同じ方向性を持たせることにより、圧電素子１０７に正弦波を印加して駆動した場合に液体を搬送する効率がさらに改善される。

図１７を参照して、第２流路１３１は、その形状が、第２液室１１３から加圧室１０９に向かって幅が広くなる形状となっている。このため、液体が第２液室１１３から加圧室１０９に流れるときの流路抵抗が、加圧室１０９から第２液室１１３に流れるときの流路抵抗よりも小さい。このため、加圧室１０９の容積を減少する期間と増加する期間とが同じであれば、マクロでは液体が第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に従った方向、すなわち、第２液室１１３から加圧室１０９に向かう方向に流れる。

一方、加圧室１０９の容積が減少する期間を増加する期間よりも短くすれば、マクロでは液体が、第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に従った方向と逆の方向、すなわち、第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方向に流れる。

図１８は、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００の第２の変形例の第１流路１３０および第２流路１３１それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す図である。図１８（Ａ）は第１流路１３０の場合を示し、図１８（Ｂ）は第２流路１３１の場合を示す。図１８を参照して、第１流路および第２流路ともに差圧が正の場合の流路抵抗が、差圧が負の場合の流路抵抗よりも小さくなっている。したがって、第１流路および第２流路が方向性を有することが示されている。また、第１流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が、第２流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合よりも大きくなっている。このため、加圧室の容積を減少させる期間を増加させる期間よりも短くすることにより、増加させる期間と減少させる期間が同じ場合に液体が流れる方向とは逆の方向に液体を搬送することができる。

以上説明したように本実施の形態におけるマイクロポンプは、液体の流れが急峻となるときに第１流路１１５，１３０のみに乱流を発生させるようにした。このため、２つの波形の電圧を切換えて圧電素子１０７を駆動することにより、マクロ的な流体の流れの方向を制御し、正逆両方向に液体を搬送することができる。

また、従来のように逆止弁を開閉させる方式に比べて、応答性および耐久性が改善されるため、安定して駆動するマイクロポンプとすることができる。さらに、マイクロポンプの構成を簡単にすることができ、マイクロポンプ自体を小型化することができる。

さらに、圧電素子１０７を駆動する電圧の１パルス信号当りの液送り量を微小にすることができるので、高い精度で脈動のない液送りをすることができる。

なお、本実施の形態におけるマイクロポンプ１００は、アクチュエータとして圧電素子１０７と振動板１０５とを貼り合わせたユニモルフ振動を用いたが、加圧室１０９の容積の増加または減少を繰返し行なうことができれば、ユニモルフ振動に限定されるものではない。たとえば、圧電素子の縦振動、横振動を用いてダイアフラムを振動する形態や、圧電素子のずり変形を用いるもの、または、圧電材料を用いたマイクロチューブを径方向へ縮小させる形態のものを用いてもよい。なお、圧電素子のずり変形とは、シェアモードとも呼ばれる変形で、圧電素子の分極方向と電界の方向とが直交するときに素子が斜めにずれる変形をいう。さらに、圧電素子以外に静電気力によってダイアフラムを変形させる方式や、振動子の一部に形状記憶合金を用いる形態のものを用いてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分的な断面図である。 本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分的な平面図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す図である。 圧電素子に印加する第１の電圧波形と流体の挙動を示す図である。 圧電素子に印加する第２の電圧波形と流体の挙動を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの駆動部１２０が圧電素子に印加する電圧の波形の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第１の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第２の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第３の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第４の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第５の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第６の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１流路の形状の第７の具体例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１の変形例の平面図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の一例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の波形の別の例を示す図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第２の変形例の平面図である。 本実施の形態におけるマイクロポンプの第２の変形例の第１流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す図である。

符号の説明

１００ マイクロポンプ、１０１ 基板、１０３ 上側基板、１０５ 振動板、１０７ 圧電素子、１０９ 加圧室、１１１ 第１液室、１１３ 第２液室、１１５ 第１流路、１１７ 第２流路、１２０ 駆動部、１３１ 障害物。

Claims (9)

1. 加圧室と、
   前記加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエータと、
   前記加圧室に接続された第１流路および第２流路とを備え、
   前記アクチュエータが第１の差圧を発生する場合における前記第１流路と前記第２流路との間の流路抵抗についての大小関係は、前記アクチュエータが前記第１の差圧から所定圧力だけ離れた第２の差圧を発生する場合における前記第１流路と前記第２流路との間の流路抵抗についての大小関係に対して逆転することを特徴とする、マイクロポンプ。
2. 前記第１流路における流路抵抗の圧力依存は、前記第２流路における流路抵抗の圧力依存よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記第１流路における差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合は、前記第２流路における差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロポンプ。
4. 前記第１流路に接続された第１液室と、
   前記第２流路に接続された第２液室とをさらに備え、
   前記第１流路と前記第２流路とは、その断面形状が互いに同一であるとともに、その長さが異なることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
5. 前記第１流路と第２流路それぞれは、一様な断面形状を有し、前記第１流路の流路幅に対する流路長の比が、前記第２流路の流路幅に対する流路長の比よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
6. 前記第１流路は、断面積が急激に変化する形状、中心線が直線でない形状、または、流路に障害物を有する形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
7. 前記加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるために前記アクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、
   前記繰返しは、前記加圧室の体積を増加させる時間と減少させる時間とを異ならせることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプ。
8. 前記駆動手段は、前記加圧室の体積を増加させる時間が異なる第１の繰返しと第２の繰返しで駆動可能であることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロポンプ。
9. 前記加圧室の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるために前記アクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、
   前記第１流路は、第１の方向の流路抵抗が前記第１の方向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きく、
   前記駆動手段は、体積を増加させる時間と減少させる時間とが同じ第１の繰り返しと増加させる時間と減少させる時間とが異なる第２の繰り返しとで駆動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロポンプ。

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