JP4774706B2 - マイクロポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロポンプに関し、詳しくは、微少量の液体の流れを推進するマイクロポンプに関する。
従来、弾性表面波による放射圧を利用したマイクロポンプが種々検討されている。従来のマイクロポンプでは、櫛型電極を用いて弾性表面波を励振しているが、弾性表面波は櫛型電極の中央部で発生し、櫛型電極の各電極指に直交する方向の両側に伝搬する（特許文献１）。このため、従来のマイクロポンプでは、液体が一方向に流動する流路を形成するためには、弾性表面波の一方の伝搬方向において、櫛型電極に対し伝搬方向の下流側に流路を形成しなければならず、装置の小型化を図るのが難しいという問題があった。
また、励振信号の改善により一方向に弾性表面波を伝搬する一方向性トランスデューサが知られている（特許文献２、非特許文献１）。しかしながら、一方向性トランスデューサでは、位相器、複雑な設計のトランスデューサ、及び外部付加回路や切換回路等の余分で複雑な回路が必要であり、マイクロポンプに適用することはできなかった。
特表２００３−５３５３４９号公報
特開昭５６−１４８８１号公報
「弾性表面波工学」柴山乾夫監修、電子情報通信学会編、P.68
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、弾性表面波を励振する電極上に流路を形成して、より小型のマイクロポンプを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明のマイクロポンプは、弾性表面波を発生する圧電基板と、前記圧電基板の表面に弾性表面波を励振する複数の電極指を有する対電極と、前記圧電基板上の、前記対電極により発生した弾性表面波が伝搬する伝搬面と接するように設けられ、液体を吸入する吸入口と液体を吐出させる吐出口とを連結する流路と、を備え、前記対電極の両端電極指から見たときの中間点を通り且つ電極指に平行である前記対電極の中心線に対して対称に配置された吐出側領域及び吸入側領域を想定した場合に、前記吐出側領域の前記伝搬面の前記流路に面する流路面積が、前記吸入側領域の流路面積より大きくなるように、前記流路が形成されたことを特徴とする。ここで「流路面積」とは、流路に面した伝搬面の面積である。
本発明のマイクロポンプでは、交流によって交互に励振する対電極により圧電基板の表面に弾性表面波が励振され、対電極により発生した弾性表面波は圧電基板の表面を伝搬する。この弾性表面波の放射圧により、弾性表面波の伝搬面と接するように対電極上に設けられた流路の吸入口から吸入された液体が移動され、該流路の吐出口から吐出される。
ここで、液体が移動する流路が対電極上に形成されるので、従来のマイクロポンプに比べて装置の小型化を図ることができる。また、対電極の中心線に対して対称な所定領域を想定した場合に、一方の領域の伝搬面の流路に面する流路面積が、他方の領域の流路面積より大きくなるように、流路形状が設計されているので、吐出口に向う流動駆動力が吸入口に向う流動駆動力より大きくなり、流路内の液体を吐出口に向かって流動させることができる。
上記のマイクロポンプにおいては、所定領域は、例えば、対電極の中心線から電極長以内に想定することができるが、装置の小型化を図るためには、対電極の中心線から電極長の半分の距離以内に想定することがより好ましい。また、流路は、例えば、対電極の中心線の吐出口側でその流路幅が拡大するように形成することができる。
以上説明したように、本発明のマイクロポンプによれば、弾性表面波を励振する電極上に該電極を横断する形で流路を形成することができ、装置の小型化を図ることができる、という効果がある。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（マイクロポンプの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプの概略構成を示す斜視図である。図２は、このマイクロポンプを上方から見た平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
（マイクロポンプの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプの概略構成を示す斜視図である。図２は、このマイクロポンプを上方から見た平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
このマイクロポンプは、図１に示すように、圧電性材料からなる圧電基板１０と、圧電基板１０上に設けられ、圧電基板１０の表面に弾性表面波を励振させる櫛型電極１２と、圧電基板１０上に配設され、弾性表面波が伝搬する伝搬面と共に管状の流路１８を形成するハウジング２０と、櫛型電極１２を駆動する駆動回路２２と、を備えている。流路１８は、液体を吸入する吸入口１４と液体を吐出させる吐出口１６とを連結すると共に、圧電基板１０の櫛型電極１２上から弾性表面波の伝搬方向下流側に延びるように設けられている。
圧電基板１０としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、Ｌｉ2ＢＯ7、Ｂｉ12ＧｅＯ20などのレイリーモードの弾性表面波もしくは擬似弾性波を発生する圧電体結晶を用いることができる。例えば、１２８度Ｙカット、厚さ５００μｍのＬｉＮｂＯ3基板を用いることができる。
また、圧電基板１０は、縦波を含む表面波を発生することができればよく、ＰＺＴなどの圧電セラミクスや酸化亜鉛などの圧電性薄膜をガラス上に全面もしくは部分的に積層した構造としてもよい。また、圧電性の高分子基板を用いることもできる。高分子基板は加工がし易く好適である。
櫛型電極１２は、すだれ状電極とも呼ばれ、直線状の基端部と、その基端部の一方の側部から直交する方向に延びる複数の互いに平行な電極指とを備えている。櫛型電極１２は、本発明の「対電極」に相当する。
櫛型電極１２は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔなどの金属もしくはこれらの金属の合金から構成され、圧電基板１０上にフォトリソグラフィーを用いて形成される。
なお、櫛型電極による励振が効率や小型化の観点からは好ましいが、櫛型電極１２に代えて、楔形トランスデューサやバルク波振動子、ガンダイオードなどによる励振手段を用いることもできる。
ハウジング２０は、圧電基板１０と対向する面に溝が形成されており、圧電基板１０上に配設された状態で、圧電基板１０の伝搬面と共に管状の流路１８を形成する。ハウジング２０は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の樹脂で構成することができる。
流路１８は、吸入口１４から吸入された液体が、流路１８内を弾性表面波の伝搬方向に沿って移動し、吐出口１６から吐出されるように、電極指と直交する方向に沿って形成されている。また、流路１８は、圧電基板１０の幅方向においては、櫛型電極１２の電極指の内側に形成されるのが好ましい。
本実施の形態では、図２に示すように、櫛型電極１２の中心線ｂに対して対称な所定領域を想定し、流路１８の吸入口１４側を領域Ａ、吐出口１６側を領域Ｂとする。圧電基板１０の長さ方向（電極指と直行する方向）における、櫛型電極１２の両端電極指からみたときの中間点を通り且つ電極指に平行な線が、櫛型電極１２の中心線である。圧電基板１０の長さ方向における櫛型電極１２の電極長をＬとした場合、領域Ａの境界を示す線ａ、領域Ｂの境界を示す線ｃは、各々中心線ｂから電極長の半分の距離Ｌ／２以上離間されている。
流路１８は、中心線ｂの吐出口１６側で流路幅が拡大し、領域Ｂの流路面積ＳBが領域Ａの流路面積ＳAより大きくなるように形成されている。ここで、流路面積とは、弾性表面波が伝搬する圧電基板１０の表面（伝搬面）の流路１８に面した部分の面積である。
なお、この例では、液体の流路１８による流動抵抗を低減するために、流路断面積が大きい部分での流路形状を流線形としたが、三角形、四角形、他の多角形、楕円形等、種々の形状とすることができる。
駆動回路２２は、交流電気信号を発生する交流信号発生器２４と、発生した交流電気信号をパルス信号に変換するパルス信号発生器２６と、を含んで構成されている。駆動回路２２としては、例えば、ウェーブテック社製の「ファンクションジェネレータＭｏｄｅｌ８０」などを用いることができる。
（マイクロポンプの動作）
次に、上記マイクロポンプの動作について説明する。
次に、上記マイクロポンプの動作について説明する。
駆動回路２０から交流パルス信号を櫛型電極１２に入力すると、圧電基板１０の表面に弾性表面波が励振される。弾性表面波は、図４に示すように、櫛型電極１２の中心部で発生し、圧電基板１０の表面を電極指と直交する方向（矢印方向）に伝搬する。そして、圧電基板１０上に形成された流路１８の底面（伝搬面）にも伝達される。これによって、吸入口１４から吸入された液体は、流路１８内で伝搬面から放射圧を受けて弾性表面波の所定の伝搬方向に沿って移動し、吐出口１６から吐出される。
弾性表面波の放射圧は、塩川祥子、“ＳＡＷストリーミング現象の解明”、電子情報学会論文誌，ＵＳ８９−５１（１９８９），４１によれば、下記式に従い計算することができる。
式中、ρ0は液体の密度、αは液体中への漏れ弾性波の吸収係数、ωは駆動角周波数、Ａは弾性波による振動変位を表す。
また、図５に、流路内の液体に生ずる弾性表面波による流動駆動力を示す。弾性表面波から受ける単位面積当りの流動駆動力をＦ（ｐN/ｍｍ2）とすると、領域Ａでの流動駆動力ＦAは、領域Ａの流路面積ＳAを用いて下記式で表され、
領域Ｂでの流動駆動力ＦBは、領域Ｂの流路面積ＳBを用いて下記式で表される。
ここで、流路面積ＳBが流路面積ＳAより大きいと、吐出口１６に向う流動駆動力ＦBは吸入口１４に向う流動駆動力ＦAより大きくなる。また、微少量の液体では、相互の分子間力が支配的となる。従って、流路１８内の液体は、分離することなく一体となって吐出口１６に向かって流動する。
例えば、１２８度Ｙカット、厚さ５００μｍのＬｉＮｂＯ3基板上に、１０６μｍライン／スペース（中心間距離２１２μｍ）で交差幅５ｍｍ、３０対のＴｉ／Ａｕ（厚さ３０ｎｍ／３００ｎｍ）２層構造の櫛型電極を、長瀬産業社製「ポジレジストＮＰＲ９７１０」を用いたリフトオフプロセスにより作製した。
櫛型電極を形成した圧電基板上に、図２に示す形状の流路を形成した。流路の通常の直線部分での幅を１ｍｍ、最大幅を５ｍｍとした場合に、８．９７ＭＨｚ、１６Ｖｐ−ｐの交流パルス電気信号を櫛型電極に印加すると、約２５０μｍ／ｓｅｃの流速を得ることができた。
なお、流路１８内を移動する液体の流速・流量は、櫛型電極１２から圧電基板１０に与える交流電気信号の電圧、交流パルス信号の電圧やデューティ比を変えることによって制御することができる。また、櫛型電極の中心間距離（ピッチ）、共振周波数、電極対数をそれぞれ又は複数変えることによっても制御することができる。
以上説明した通り、本実施の形態では、流路が櫛型電極上にそれを横断する形で形成されるので、従来のマイクロポンプに比べて装置の小型化を図ることができる。また、流路を櫛型電極上に形成した場合でも、櫛型電極の中心線に対して対称な所定領域を想定し、中心線に対して吐出口側の領域での流路面積が吸入口側の領域での流路面積よりも大きくなるように流路形状が設計されているので、吐出口に向う流動駆動力が吸入口に向う流動駆動力より大きくなり、流路内の液体を吐出口に向かって流動させることができる。
（流路の配設方法）
なお、上記の実施の形態では、ハウジングの圧電基板と対向する面に溝を形成し、圧電基板の伝搬面と共に管状の流路を形成する例について説明したが、圧電基板内に埋め込み流路を形成してもよい。
なお、上記の実施の形態では、ハウジングの圧電基板と対向する面に溝を形成し、圧電基板の伝搬面と共に管状の流路を形成する例について説明したが、圧電基板内に埋め込み流路を形成してもよい。
（所定領域の想定）
また、上記の実施の形態では、櫛型電極の中心線から電極長の半分の距離までの領域を所定領域としたが、弾性表面波の伝搬する有効場内において所定領域を設定することができる。ここで有効場とは、弾性表面波が所定の減衰率以内（例えば、９０％程度）で伝達される範囲であり、具体例を挙げると、櫛型電極の各電極対によって物理的に発生させられた各弾性表面波の合成波の見かけ上の発生中心（仮想点）からの距離が、この中心から末端の電極対までの距離の２倍以内の距離となる範囲である。通常、櫛型電極の中心部が発生中心であり、この中心部から電極長以内の範囲が有効場となる。なお、減衰の求め方としては、「弾性表面波工学」柴山乾夫監修、電子情報通信学会編、Ｐ．１６０に記載された方法を用いることができる。
また、上記の実施の形態では、櫛型電極の中心線から電極長の半分の距離までの領域を所定領域としたが、弾性表面波の伝搬する有効場内において所定領域を設定することができる。ここで有効場とは、弾性表面波が所定の減衰率以内（例えば、９０％程度）で伝達される範囲であり、具体例を挙げると、櫛型電極の各電極対によって物理的に発生させられた各弾性表面波の合成波の見かけ上の発生中心（仮想点）からの距離が、この中心から末端の電極対までの距離の２倍以内の距離となる範囲である。通常、櫛型電極の中心部が発生中心であり、この中心部から電極長以内の範囲が有効場となる。なお、減衰の求め方としては、「弾性表面波工学」柴山乾夫監修、電子情報通信学会編、Ｐ．１６０に記載された方法を用いることができる。
１０ 圧電基板
１２ 櫛型電極
１４ 吸入口
１６ 吐出口
１８ 流路
２０ ハウジング
２２ 駆動回路
１２ 櫛型電極
１４ 吸入口
１６ 吐出口
１８ 流路
２０ ハウジング
２２ 駆動回路
Claims (5)
- 弾性表面波を発生する圧電基板と、
前記圧電基板の表面に弾性表面波を励振する複数の電極指を有する対電極と、
前記圧電基板上の、前記対電極により発生した弾性表面波が伝搬する伝搬面と接するように設けられ、液体を吸入する吸入口と液体を吐出させる吐出口とを連結する流路と、
を備え、
前記対電極の両端電極指から見たときの中間点を通り且つ電極指に平行である前記対電極の中心線に対して対称に配置された吐出側領域及び吸入側領域を想定した場合に、前記吐出側領域の前記伝搬面の前記流路に面する流路面積が、前記吸入側領域の流路面積より大きくなるように、前記流路が形成されたことを特徴とするマイクロポンプ。 - 前記対電極の中心線から電極長以内に前記吐出側領域及び吸入側領域を想定する請求項１に記載のマイクロポンプ。
- 前記対電極の中心線から電極長の半分の距離以内に前記吐出側領域及び吸入側領域を想定する請求項１に記載のマイクロポンプ。
- 前記流路は、前記対電極の中心線の吐出口側で流路幅が拡大するように形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
- 前記流路は、前記圧電基板の幅方向において前記対電極の電極指の内側に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
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