JP4830643B2 - 流体輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、流体輸送システム、特に、マイクロポンプを用いて微少量の流体を高精度に輸送する流体輸送システムに関する。

近年、バイオ検査や化学分析、創薬などの流体輸送システムに組み込まれ、微少量の液体を高精度に輸送するためのマイクロポンプが種々開発、提案されている。この種のマイクロポンプは、圧電素子によって駆動されるダイヤフラムを備えたチャンバの両端部に、流路又は流体リザーバがそれぞれ絞り流路部又は開閉弁を介して連通した構成を備えている。

この種のマイクロポンプとしては特許文献１に開示されているものが知られており、圧電素子を駆動することによってダイヤフラムを規則的に変形させ、流体をチャンバを介して一方向に輸送する。しかし、この種のマイクロポンプでは、圧電素子を駆動することによってチャンバで発生する圧力振動波がインレット及びアウトレットを通じて流路の上流側及び下流側に伝達されてしまうという問題点を有していた。

そこで、特許文献２，３では、インレット及びアウトレットに振動圧力を吸収又は緩和する圧力吸収部を設けることを提案している。しかし、これらの圧力吸収部は必ずしも完全なものではなく、圧力吸収部の上流側又は下流側にポンプや可動弁などの能動的な部品がない場合には圧力吸収部から漏れた振動が作用部に悪影響を及ぼすという問題点が残されている。
特許第３６２９４０５号公報 特許第３５６９２６７号公報 特開２０００−２６５９６３号公報

そこで、本発明の目的は、チャンバで発生する振動圧力が圧力吸収部からさらに上流側及び／又は下流側へ漏れることを抑止できる流体輸送システムを提供することにある。

以上の目的を達成するため、第１の発明は、
アクチュエータによって駆動されるダイヤフラムを備えたマイクロポンプのチャンバの両端部に、流体連通部が連通している流体輸送システムにおいて、
前記流体連通部の少なくとも一方に設けた、流体振動圧力を吸収又は緩和するための圧力吸収部と、
前記圧力吸収部よりも前記チャンバから遠ざかる位置に設けた、流路断面積を狭める狭小部と、を備え、
前記狭小部の流路抵抗値をＲとし、前記圧力吸収部の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値が前記マイクロポンプの駆動周期の値以上であること、
を特徴とする。

また、第２の発明は、
アクチュエータによって駆動されるダイヤフラムを備えたマイクロポンプのチャンバの両端部に、流体連通部が連通している流体輸送システムにおいて、
前記流体連通部の少なくとも一方に設けた、流体振動圧力を吸収又は緩和するための圧力吸収部と、
前記圧力吸収部よりも前記チャンバから遠ざかる位置に設けた、複数の微細な流路を有するフィルタ部と、を備え、
前記フィルタ部の流路抵抗値をＲとし、前記圧力吸収部の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値が前記マイクロポンプの駆動周期の値以上であること、
を特徴とする。

第１及び第２の発明に係る流体輸送システムによれば、圧力吸収部のチャンバから遠ざかる位置に、流路断面積を狭める狭小部又は複数の微細な流路を有するフィルタ部を設けたため、アクチュエータの駆動によってチャンバで発生した振動圧力は、圧力吸収部及び狭小部又はフィルタ部で２段階に吸収されることになる。これにて、チャンバで発生する振動圧力が圧力吸収部からさらに上流側及び下流側へ漏れることを抑止することができる。

また、狭小部又はフィルタ部の流路抵抗値をＲとし、圧力吸収部の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値がマイクロポンプの駆動周期の値以上であるため、圧力吸収部の振動が収まってからアクチュエータによる次の振動が開始されることになり、流体の輸送がスムーズになる。但し、Ｒ×Ｃの値があまり大きくならないように、狭小部又はフィルタ部の流路抵抗値はマイクロポンプの実効的な内部流路抵抗値よりも小さいことが好ましい。

特に、第２の発明に係る流体輸送システムにあっては、フィルタ部によって流体に混在した異物を排除することができる。従って、フィルタ部はチャンバよりも輸送方向上流側に配置されていることが好ましい。

第１及び第２の発明に係る流体輸送システムにおいて、振動圧力を効果的に吸収するため、圧力吸収部の音響キャパシタンスはチャンバの音響キャパシタンスよりも大きい値であることが好ましい。

また、マイクロポンプは、チャンバの両端部にそれぞれ流路抵抗が差圧に応じて変化する第１の絞り流路と第２の絞り流路を有し、第１の絞り流路の流路抵抗の変化の割合は第２の絞り流路の流路抵抗の変化の割合よりも大きく、アクチュエータによってチャンバ内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも短い第１のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を第１の絞り流路から第２の絞り流路に向かって輸送し、アクチュエータによってチャンバ内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも長い第２のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を第２の絞り流路から第１の絞り流路に向かって輸送するものを使用すれば、高精度な流体輸送が可能となる。

以下、本発明に係る流体輸送システムの実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各実施例を示す図において同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施例の概略構成、図１参照）
第１実施例である流体輸送システム１０Ａは、図１に示すように、ガラス基板１１と薄板２０とを接合して構成されている。ガラス基板１１には流入口１２及び流出口１３が形成されている。また、薄板２０はＳｉをベースとした基板からなり、エッチングによってチャンバ２１、絞り流路２２，２３、流体リザーバ２４、フィルタ部２５、流路２６、圧力吸収部２７、狭小部２８がそれぞれ連通するように形成されている。また、チャンバ２１の外面にはアクチュエータとしての圧電素子３０が貼り付けられており、チャンバ２１を構成する薄膜部分がダイヤフラムとして機能する。

具体的な寸法の一例を示すと、薄板２０の厚さは２００μｍ、チャンバ２１を構成する薄膜ダイヤフラムなどの厚さは３０μｍ、絞り流路２２，２３の深さは２５μｍである。

流体リザーバ２４はチャンバ２１よりも幅広くかつ容積も大きく形成され、インレット側の圧力吸収部として機能する。フィルタ部２５は目の比較的粗い第１フィルタ部２５ａと目の比較的細かい第２フィルタ部２５ｂとで構成され、流体リザーバ２４のチャンバ２１から遠ざかる位置に設けられている。また、流体リザーバ２４の一端はフィルタ部２５を介してガラス基板１１の流入口１２と連通している。

狭小部２８は一端が圧力吸収部２７に連通して、かつ、その流路断面を狭めるようにチャンバ２１から遠ざかる位置に設けられ、他端はガラス基板１１の流出口１３と連通している。圧力吸収部２７はチャンバ２１よりも幅広くかつ容積も大きく形成されている。

（マイクロポンプの動作、図２及び図３参照）
前記流体輸送システム１０Ａにおいて、チャンバ２１、絞り流路２２，２３及び圧電素子３０にてマイクロポンプ３１が構成されている。ここで、マイクロポンプ３１の動作について説明する。

このマイクロポンプ３１は、概念的には、チャンバ２１の両端部にそれぞれ流路抵抗が差圧に応じて変化する絞り流路２２，２３を有し、絞り流路２２の流路抵抗の変化の割合は絞り流路２３の流路抵抗の変化の割合よりも大きく、圧電素子３０によってチャンバ２１内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも短い第１のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を絞り流路２２から絞り流路２３に向かって輸送し（順方向送液、図２参照）、圧電素子３０によってチャンバ２１内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも長い第２のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を絞り流路２３から絞り流路２２に向かって輸送する（逆方向送液、図３参照）。

具体的には、図２は順方向の送液状態（第１のパターン）を示し、（Ａ）に示す波形の電圧を圧電素子３０に印加することにより、チャンバ２１内の流体を速く加圧すると、絞り流路２２では乱流が発生して流路抵抗が大きくなり、流体はチャンバ２１から絞り流路２３を通じて排出される。そして、チャンバ２１内の流体を遅く減圧することにより、流路抵抗が小さい絞り流路２２を通じて流体がチャンバ２１内に導入される。なお、本第１実施例を含めて他の実施例においても、この第１のパターンで流体を輸送するものとして説明する。

図３は逆方向の送液状態（第２のパターン）を示し、（Ａ）に示す波形の電圧を圧電素子３０に印加することにより、チャンバ２１内の流体を遅く加圧すると、流路抵抗が小さい絞り流路２２を通じて流体がチャンバ２１から排出される。そして、チャンバ２１内の流体を速く減圧することにより、絞り流路２２では乱流が発生して流路抵抗が大きくなり、流体は絞り流路２３を通じてチャンバ２１内に導入される。

（フィルタ部及び狭小部の作用）
前記第１のパターンによりマイクロポンプ３１が駆動されることにより、流体は流入口１２からフィルタ部２５、流体リザーバ２４、絞り流路２２、チャンバ２１、絞り流路２３、流路２６、圧力吸収部２７及び狭小部２８を通じて流出口１３へと高精度に輸送される。

以上の輸送過程において、圧電素子３０を駆動することによってチャンバ２１で発生する圧力振動波が流体を介してインレット側及びアウトレット側に伝達される。流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７はそれを構成する薄膜部分の弾性にて振動圧力を吸収又は緩和し、振動圧力がインレット側及びアウトレット側に伝達されることを防止する。しかし、振動圧力の伝達を完全に吸収することはできない。

なお、流体リザーバ２４に関しては、フィルタ部２５を形成した領域を除いた領域Ｙ（図１（Ａ）参照）が圧力吸収部として機能する。

フィルタ部２５及び狭小部２８は流路抵抗が大きいため、流体リザーバ２４や圧力吸収部２７で吸収し切れなかった振動圧力をほぼ完全に吸収することができ、振動圧力が流入口１２や流出口１３から上流側及び下流側に漏れることを防止する。特に、フィルタ部２５は流体に混在した異物を排除することができる。

（第２実施例の概略構成、図４参照）
第２実施例である流体輸送システム１０Ｂは、図４に示すように、基本的には前記第１実施例で示したマイクロポンプ３１を含む流体輸送システムを二つ並列に接続し、狭小部２８，２８の下流側に設けた流路２９，２９の合流部２９ａで輸送される液体を合流させるものである。

複数のマイクロポンプが流路を介して流体連通していると、一方のマイクロポンプから発生した振動が他方のマイクロポンプの挙動に影響を及ぼして特性のばらつきの原因となることが多い。しかし、本第２実施例のように、マイクロポンプ３１，３１を並列に接続すれば、マイクロポンプ３１，３１が互いに影響を及ぼし合うことはない。

（第３実施例の概略構成、図５参照）
第３実施例である流体輸送システム１０Ｃは、図５に示すように、基本的には前記第２実施例と同様にマイクロポンプ３１を含む流体輸送システムを二つ並列に接続し、圧力吸収部２７の下流側に連通する流路２９，２９の合流部２９ａで輸送される液体を合流させるものである。但し、本第３実施例では、前記第１及び第２実施例に示した狭小部２８に代えて、圧力吸収部２７にフィルタ部２５（第１フィルタ部２５ａと第２フィルタ部２５ｂとからなる）を設けている。また、流体リザーバ２４の下流側及び圧力吸収部２７の上流側は平面視で円形形状とされている。

本第３実施例の作用効果は前記第１実施例と同様であり、かつ、二つのマイクロポンプ３１を並列に接続した作用効果は前記第２実施例と同様である。

（第４実施例の概略構成、図６参照）
第４実施例である流体輸送システム１０Ｄは、図６に示すように、基本的には前記第１実施例と同様の構成を備え、さらに、フィルタ部２５の上流側に流路４１を設けるとともに、狭小部２８の下流側に流路４２を設けている。

（第５実施例の概略構成、図７参照）
第５実施例である流体輸送システム１０Ｅは、図７に示すように、圧力吸収部２７に狭小部２８に代えてフィルタ部２５（第１フィルタ部２５ａと第２フィルタ部２５ｂとからなる）を設けたものであり、他の構成は前記第１実施例と同様である。

本第５実施例の作用効果は、前記第１実施例と同様であり、加えて、何らかの原因で流体が逆流した場合に、下流側のフィルタ部２５によってチャンバ２１への異物の混入を防止できる。特に、マイクロポンプ３１のように双方向に輸送可能なアクチュエータを使用している場合に効果的である。

（第６実施例の概略構成、図８参照）
第６実施例である流体輸送システム１０Ｆは、図８に示すように、マイクロポンプ３１よりも上流側の構成は前記第１実施例と同様であり、マイクロポンプ３１の下流側には絞り流路２３、流路２６及び流出口１３を設けたもので、第１実施例に示した圧力吸収部２７は省略されている。

本第６実施例では、下流側の流路２６が十分に長く、かつ、他のマイクロポンプと流体連通せずに流出口１３（大気開放口）に通じている。このような構成は、例えば、流入口１２よりもさらに上流側に溜まった不要な廃液を、離れた場所に排出するような用途に用いられる。下流側に関していえば、圧力振動の影響を受けにくいので、上流側だけに圧力吸収部（流体リザーバ２４）とフィルタ部２５を設ければよい。これにて、簡素な構成で小型の流体輸送システム１０Ｆを得ることができる。

（第７実施例の概略構成、図９参照）
第７実施例である流体輸送システム１０Ｇは、図９に示すように、マイクロポンプ３１よりも上流側の構成は前記第１実施例と同様であり、マイクロポンプ３１の下流側には絞り流路２３、流路２６、圧力吸収部２７及び流出口１３を設けたもので、第１実施例に示した狭小部２８は省略されている。

本第７実施例は、前記第６実施例と同様に、圧力振動の影響の大きい上流側にのみフィルタ部２５を設け、下流側の狭小部２８を省略することで小型化を図ったものである。

（第８実施例の概略構成、図１０参照）
第８実施例である流体輸送システム１０Ｈは、図１０に示すように、前記第１実施例に示した流路２６を省略したもので、狭小部２８が流出口１３と連通している。他の構成は第１実施例と同様である。流路２６を省略することで小型化を図ることができる。

（第９実施例の概略構成、図１１参照）
第９実施例である流体輸送システム１０Ｉは、図１１に示すように、マイクロポンプ３１の上流側も下流側と同様に、圧力吸収部２７と狭小部２８とで構成し、狭小部２８の上流側に流入口１２が設けられている。異物の混入が起こりにくい輸送系、例えば、外部と遮断された密封状態にある輸送系などの場合、前記フィルタ部２５による異物のトラップは不要なので、マイクロポンプ３１の上流側にフィルタ部２５を設ける必要性はない。フィルタ部２５が省略されているので、流体輸送システム１０Ｉの作製工程が簡素化される。

（振動圧力の吸収）
ここで、マイクロポンプ３１の脈動による振動圧力の吸収について詳述する。振動圧力の吸収には、音響キャパシタンスを考慮することが必要となる。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。チャンバ２１、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７の音響キャパシタンスに関しては、ガラス基板１１の変形は無視でき、チャンバ２１、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７の内部にそれぞれ単位圧力を加えたときの薄膜部分の変形体積のみを求めれば算出できる。

また、チャンバ２１、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７内の流体の音響キャパシタンスに関しては、内部の流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、流体の密度、流体中の音速、チャンバ２１、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７の容積から求めることもできる。

音響キャパシタンスには、前述のように、内部に流体が収容された筐体の一部が圧力によって変形することによるものと、内部の流体自身が圧力によって圧縮されることによるものの二つの成分がある。実際の流体輸送システムにおける音響キャパシタンスの値は、これら二つの合計によって決定すべきものである。但し、第１実施例のように、後者に対して前者のほうが数桁程度大きな値である場合には、便宜的に前者のみで論じる場合もある。

前記流体輸送システムにおいて、流体リザーバ２４（具体的には領域Ｙ）及び圧力吸収部２７の音響キャパシタンスはチャンバ２１の音響キャパシタンスよりも大きい値であることが好ましい。マイクロポンプ３１（圧電素子３０）の駆動によりチャンバ２１で発生する振動圧力を効果的に吸収することができる。

流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７の音響キャパシタンスを大きくするには、流体リザーバ２４や圧力吸収部２７を薄膜部で構成することが好ましい。具体的には、第１実施例において、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７は薄板２０をエッチングした薄膜部（例えば、厚さ２００μｍの薄板を１７０μｍ程度エッチングした厚さ３０μｍ程度の薄膜部）にて構成し、かつ、幅寸法をチャンバ２１よりも大きくしている。

寸法の一例を示すと、流体リザーバ２４内の領域Ｙ及び圧力吸収部２７は、いずれもほぼ同じ寸法であり、幅１．５ｍｍ、長さ３．０ｍｍである。これらの音響キャパシタンスＣの値は、いずれも約９０×１０^-18（ｍ³／Ｐａ）である。

フィルタ部２５の寸法の一例を示すと、第１フィルタ部２５ａは開口幅４０μｍ、長さ２００μｍ、深さ２５μｍの微小溝１０本からなる構造を有している。第２フィルタ部２５ｂは開口幅２０μｍ、長さ６０μｍ、深さ２５μｍの微小溝１７本からなる構造を有している。

このフィルタ部２５は、チャンバ２１への異物の混入を防ぐ役割とともに、狭小部２８と同様に流路抵抗値Ｒが高くて圧力振動を減衰させる機能を備えている。粘度が１ｃｐの液体（２０℃の水に相当）の場合、抵抗値Ｒの値はおよそ２．０×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）である。

フィルタ部２５にこのような機能を持たせた場合、万一フィルタ部２５の一部が異物で詰まった場合でも、流体は残りの部分に流れることができるので、１本の狭小部２８だけを配置した場合と比べて安全性が高い構造になる利点を有している。

狭小部２８の寸法の一例を示すと、開口幅４０μｍ、長さ０．５０ｍｍ、深さ１７０μｍである。前記粘度が１ｃｐの液体の場合、抵抗値Ｒの値はおよそ１．２×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）である。

このように、狭小部２８の開口断面積をその前後の流路の断面積より十分に狭く（半分以下、好ましくは、１／１０以下に）することで、比較的短い流路でありながら、必要となる流路抵抗値Ｒを確保することができる。

また、狭小部２８を十分に狭くすることで、狭小部２８の内部での流体の圧力や速度の分布がほとんどなくなるので、駆動電圧波形や周波数、あるいは、外乱の条件などによらずに常に安定した圧力減衰特性が得られる。

ところで、フィルタ部２５又は狭小部２８は、圧力吸収部（流体リザーバ２４と圧力吸収部２７を含む）と近接した位置に設けることが好ましい。それによって、圧力吸収部で吸収し切れなかった振動波が、圧力吸収部とフィルタ部２５又は狭小部２８との間で干渉して特性が不安定になることを未然に防止できる。

一方、チャンバ２１の上流側には、フィルタ部２５を設けることが好ましい。これは、上流側から異物が流れてきた場合に、異物がチャンバ２１内に混入しないようにするためである。

チャンバ２１の下流側には、フィルタ部２５ではなく、狭小部２８を設けることが好ましい。これは、万一チャンバ２１内に異物が混入してしまった場合に、その異物が下流側に流れ抜けることが期待できるからである。この場合、狭小部２８の断面積は、異物が抜けやすいように、フィルタ部２５の目の断面積よりも大きいことが望ましい。

また、流体輸送システムにおいて、狭小部２８又はフィルタ部２５の流路抵抗値をＲとし、流体リザーバ２４又は圧力吸収部２７の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値がマイクロポンプ３１（圧電素子３０）の駆動周期の値以上であることが好ましい。これにて、流体リザーバ２４及び圧力吸収部２７の振動が収まってから圧電素子３０による次の振動が開始されることになり、流体の輸送がスムーズになる。但し、Ｒ×Ｃの値が大きすぎると、マイクロポンプ３１の駆動を開始してからの応答性が悪くなり、所望の流速になるまでの時間がかかりすぎるので好ましくはない。従って、Ｒ×Ｃの値は、実際の使用形態での好ましい応答時間以下に設定することが望ましい。

例えば、図４に示した第２実施例のように、同一形状の二つのマイクロポンプ３１，３１を並列に配置し、それぞれから輸送されてきた液体を合流部２９ａで合流させる構成の場合、各マイクロポンプ３１，３１から送り出される液体が合流部２９ａに到達するタイミングがずれた場合、合流部２９ａに気泡が溜まるなどの問題が発生する。

従って、各マイクロポンプ３１，３１から輸送される液体の到達タイミングのずれは、一方のマイクロポンプ３１から合流部２９ａ（図４に点線で示す範囲）の容積を満たす量だけ輸送する時間分以下のずれしか許容されない。第２実施例の場合、合流部２９ａの幅寸法は２００μｍであり、マイクロポンプ３１，３１の流量はおよそ４００ｎＬ／ｓｅｃなので、到達タイミングのずれは２０ｍｓｅｃ程度までしか許容されない。従って、第２実施例でのＲ×Ｃの値の上限値は２０ｍｓｅｃ程度に設定することが必要となる。さらに、輸送速度が安定するのは時定数の３倍程度の時間経過後であることを考慮すると、Ｒ×Ｃの値の上限値は、前記の約１／３である６ｍｓｅｃ程度が好ましい。

ここで、流路抵抗値Ｒとは、流体が流路を流れるときの圧力損失の係数に相当し、単位時間当たりの流量をＱ、圧力損失をΔＰとしたとき、Ｒ＝ΔＰ／Ｑで求められる。

抵抗値Ｒを大きくしすぎることは、マイクロポンプ３１によって輸送される液体の流れを妨げることとなって流速が低下してしまうことから好ましくはない。従って、フィルタ部２５又は狭小部２８の抵抗値Ｒの値はマイクロポンプ３１の実効的な内部流路抵抗値よりも小さいことが好ましい。

前記第１実施例でのマイクロポンプ３１は、駆動周期が９０μｓｅｃの近辺で好適なポンプ特性が得られる（流量及び発生圧力が高い）。それに対して、流体リザーバ２４とそれに近接したフィルタ部２５からなる部分のＲ×Ｃの値は１８０μｓｅｃであり、圧力吸収部２７とそれに近接した狭小部２８からなる部分のＲ×Ｃの値は１０８μｓｅｃである。これらのＲ×Ｃの値はマイクロポンプ３１の駆動周期（９０μｓｅｃ）よりも大きな値になっているので、前記効果によって液体の輸送がスムーズになり、特性のばらつきも小さくなる。

一例として、図４に示した第２実施例のように、マイクロポンプ３１，３１をそれぞれ含んで同一形状の輸送システムを並列に配置し、それぞれから輸送されてきた液体を合流部２９ａで合流させる構成を備えている場合の、それぞれの送液量を測定した。二つの液体をそれぞれ染料で着色し、合流部２９ａよりも下流側における２液の層流の幅の比率で流量比を判別し、合流部２９ａよりも下流におけるメニスカスの動く速度で２液の合計の流量を測定した。狭小部２８を設けない場合は、２液の送液量のばらつきが±２０％程度であって、かつ、送液のたびに送液比率が異なっていた。しかし、狭小部２８を設けることによって２液の送液量のばらつきが±５％程度以下にまで低減し、送液のたびに結果が異なることもなくなった。

一方、狭小部２８の長さを０．５０ｍｍから０．３５ｍｍに変更したところ、２液の送液量のばらつきが±１０％程度に増加した。このときの狭小部２８の抵抗値Ｒはおよそ０．８×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）であり、Ｒ×Ｃの値は７２μｓｅｃであり、マイクロポンプ３１の駆動周期（９０μｓｅｃ）よりも小さな値である。このことから、Ｒ×Ｃの値が駆動周期以下では狭小部２８の効果は薄く、Ｒ×Ｃの値が駆動周期以上になって効果が顕著に現れることがわかる。

他の構成として図５に示した第３実施例のように、マイクロポンプ３１，３１をそれぞれ含んで同一形状の輸送システムを並列に配置し、それぞれから輸送されてきた液体を合流部２９ａで合流させ、かつ、圧力吸収部２７にフィルタ部２５を設けた構成の場合についても前記同様に送液量の測定実験を行った。

ここで用いたマイクロポンプ３１，３１は駆動周期が２５０μｓｅｃである。下流側の二つのフィルタ部２５は全て同じ形状、寸法であり、第１フィルタ部２５ａは開口幅１３０μｍ、長さ４５０μｍ、深さ８０μｍの微小溝９本からなる構造を有している。第２フィルタ部２５ｂは開口幅６０μｍ、長さ１８０μｍ、深さ８０μｍの微小溝２０本からなる構造を有している。粘度が１．５ｃｐの液体の場合、抵抗値Ｒはおよそ０．１８×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）である。また、二つの圧力吸収部２７はいずれも同じ形状、寸法であり、上流側が直径５．６ｍｍのほぼ円形形状であり、これらの音響キャパシタンスＣの値はいずれも約１７００×１０^-18（ｍ³／Ｐａ）である。以上の条件で２液を合流させて送液する実験を行ったところ、送液量のばらつきが±３％程度以下であった。

一方、フィルタ部２５の長さをそれぞれ前記数値よりも約０．７倍に短くしたもの、及び、フィルタ部２５を設けないもので比較実験したところ、それぞれの送液量のばらつきは前者で±１０％、後者で±２０％程度であった。これらの実験からも、Ｒ×Ｃの値がマイクロポンプ３１の駆動周波数以上で効果が顕著に現れることが確認できた。

ここで、Ｒ×Ｃの値がマイクロポンプ３１の駆動周波数の値よりも大きいときに前記効果が得られる理由について説明する。マイクロポンプ３１にパルス状の駆動電圧を１パルスだけ加えて差圧を発生させた場合、発生した差圧の値をＰ₀として、その後、時間ｔ経過後の差圧の値をＰ（ｔ）としたとき、Ｐ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ・Ｃ）という関係になる。この差圧の低下は、狭小部２８又はフィルタ部２５を液体が流れることによって発生する。時間ｔ経過後に狭小部２８又はフィルタ部２５を流れる液体の流量をＱ（ｔ）とすると、Ｑ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ・Ｃ）／Ｒとなる。

前記式から分かるように、パルス状の駆動電圧によって瞬間的に差圧が生じたとしても、狭小部２８又はフィルタ部２５における液体の流れには時間遅れが生じ、ある程度の時間が経過するまでは液体が流れない。即ち、マイクロポンプ３１の駆動によって生じる差圧Ｐの変化が急激であるとしても、狭小部２８又はフィルタ部２５を流れる液体の流量Ｑは、少なくとも経過時間ｔがＲ・Ｃの値を超える程度の時間を要して緩やかに流れ出ようとする。

従って、Ｒ・Ｃの値よりも短い時間で次々に変化する現象に関しては流量Ｑの変化が十分に追随できないので、結果として、Ｒ・Ｃの値よりも周期が短い流体振動は狭小部２８又はフィルタ部２５の外側に漏れずに減衰されることになり、脈動振動がほとんど重畳されない定常流の安定した送液が可能となる。

また、流体リザーバ２４又は圧力吸収部２７は振動圧力を吸収又は緩和する機能のみでなく、高周波の圧力粗密波を反射する特性を有することが好ましい。高周波成分をチャンバ２１側に反射することにより、高周波成分がインレット側又はアウトレット側に伝播されにくくなり、流体の流れを脈動のないスムーズなものとすることができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る流体輸送システムは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

例えば、ガラス基板１１に前記チャンバ２１、絞り流路２２，２３、流体リザーバ２４、圧力吸収部２７などの構造体を形成したものであってもよい。流路２６は複数本のものが絞り流路２３と圧力吸収部２７との間に平行に設けられていてもよい。

さらに、チャンバ２１の両端部に位置する絞り流路に対向する部分に能動弁を設けてもよい。この種の能動弁は絞り流路に対向する薄膜部分に圧電素子を設け、該圧電素子を駆動することによって、絞り流路を強制的に開閉することにより流体を一方向に輸送することができる。能動弁を設けても、該能動弁とチャンバ２１の加圧、減圧とのタイムラグが発生し、振動圧力がチャンバ２１の外部に伝達されるため、本発明の如く、圧力吸収部（流体リザーバ）２４，２７を設けるとともに、フィルタ部２５や狭小部２８を設け、振動圧力が外部に漏れるのを防止することが得策である。

フィルタ部２５と狭小部２８は、いずれかがマイクロポンプ３１の上流側と下流側の両方にそれぞれ配置されていることが、外部との振動伝達が完全に遮断されるので最も好ましい。但し、上流側又は下流側のいずれか一方が振動の影響を受けにくい場合であれば、特に、第６実施例（図８参照）のように、流路２６が他のマイクロポンプと流体連通せずに流出口１３（大気開放口）に通じている場合などであれば、マイクロポンプ３１の下流側では狭小部２８又はフィルタ部２５を省略してもよい。同様に、圧力吸収部２７又は流体リザーバ２４も必ずしもマイクロポンプ３１の上流側及び下流側の両方に配置されている必要はなく、上流側又は下流側のいずれか一方にのみ配置されていてもよい。

本発明に係る流体輸送システムの第１実施例の概略構成を示し、（Ａ）はエッチングされた薄板の平面図、（Ｂ）は断面図である。 流体輸送システムを構成するマイクロポンプの動作（順方向送液）の説明図である。 前記マイクロポンプの動作（逆方向送液）の説明図である。 本発明に係る流体輸送システムの第２実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第３実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第４実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第５実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第６実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第７実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第８実施例の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る流体輸送システムの第９実施例の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｉ…流体輸送システム
１１…ガラス基板
２０…薄板
２１…チャンバ
２２，２３…絞り流路
２４…流体リザーバ
２５…フィルタ部
２６…流路
２７…圧力吸収部
２８…狭小部
３０…圧電素子
３１…マイクロポンプ

Claims (6)

1. アクチュエータによって駆動されるダイヤフラムを備えたマイクロポンプのチャンバの両端部に、流体連通部が連通している流体輸送システムにおいて、
   前記流体連通部の少なくとも一方に設けた、流体振動圧力を吸収又は緩和するための圧力吸収部と、
   前記圧力吸収部よりも前記チャンバから遠ざかる位置に設けた、流路断面積を狭める狭小部と、を備え、
   前記狭小部の流路抵抗値をＲとし、前記圧力吸収部の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値が前記マイクロポンプの駆動周期の値以上であること、
   を特徴とする流体輸送システム。
2. 前記狭小部は前記チャンバよりも輸送方向下流側に配置されてい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. アクチュエータによって駆動されるダイヤフラムを備えたマイクロポンプのチャンバの両端部に、流体連通部が連通している流体輸送システムにおいて、
   前記流体連通部の少なくとも一方に設けた、流体振動圧力を吸収又は緩和するための圧力吸収部と、
   前記圧力吸収部よりも前記チャンバから遠ざかる位置に設けた、複数の微細な流路を有するフィルタ部と、を備え、
   前記フィルタ部の流路抵抗値をＲとし、前記圧力吸収部の音響キャパシタンス値をＣとしたとき、Ｒ×Ｃの値が前記マイクロポンプの駆動周期の値以上であること、
   を特徴とする流体輸送システム。
4. 前記フィルタ部は前記チャンバよりも輸送方向上流側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の流体輸送システム。
5. 前記マイクロポンプは前記ダイヤフラムを繰り返して変形させることで流体を輸送するものであり、
   前記圧力吸収部の音響キャパシタンスは前記チャンバの音響キャパシタンスよりも大きい値であること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の流体輸送システム。
6. 前記チャンバの両端部にそれぞれ流路抵抗が差圧に応じて変化する第１の絞り流路と第２の絞り流路を有し、
   第１の絞り流路の流路抵抗の変化の割合は第２の絞り流路の流路抵抗の変化の割合よりも大きく、
   前記アクチュエータによって前記チャンバ内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも短い第１のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を第１の絞り流路から第２の絞り流路に向かって輸送し、
   前記アクチュエータによって前記チャンバ内の流体を加圧する時間が減圧する時間よりも長い第２のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって流体を第２の絞り流路から第１の絞り流路に向かって輸送すること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の流体輸送システム。

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