JP4843786B2 - 流体輸送機構及び流体輸送方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体輸送機構及び流体輸送方法に関するものであり、より詳細には、沸騰伝播現象により発生する駆動力を搬送動力として利用するとともに、沸騰伝播時に発生する熱が輸送流体に作用するのを防止し、任意流体の輸送を可能にする流体輸送機構及び流体輸送方法に関するものである。なお、本願において、「沸騰伝播現象」とは、液体過熱温度の発熱面上に生じる液体の突沸によって発熱面上に発生した気泡が、発熱面から熱供給を受ける側に移動するとともに、発熱面から受熱して成長又は膨張しながら更に加熱されることにより、発熱面に沿って移動して消泡する現象を意味する。

流体輸送の用途に使用されるマイクロアクチュエータ、マイクロポンプ等の流体輸送機構においては、駆動力発生源として、圧電素子、形状記憶合金、沸騰気泡等が使用される。圧電素子又は形状記憶合金を用いた流体輸送機構では、その構造や、駆動電気信号の制御が複雑化する。これに対し、沸騰気泡を利用した流体輸送機構は、構造及び駆動信号を単純化し得ることから、小型化に適し、しかも、応答性及び再現性に優れることから、バブルジェット（登録商標）式プリンターの液体吐出ヘッド等の用途に使用されている。近年、このような流体輸送機構を回路基板作成や、膜コーティング、或いは、ＤＮＡ合成等の多様の用途に応用することが提案されている。

しかし、沸騰気泡を用いた流体輸送機構においては、パルス加熱に応答した気泡発生及び気泡消滅の現象が繰り返し発生するにすぎず、マイクロ流路内に特定方向の流体流を形成するには、ノズル・デフューザー等の非対称構造（断面積の一方向への連続的変化）を流路に形成するか、或いは、流路に沿って配置した複数のヒータを時系列的に加熱し、気泡発生及び気泡消滅に位相差を与えるといった方法を採用しなければならない（W.J.Yang,Thermal Science and Engineering,9-4(2001),pp.3-8 、及びT.K.Jun & C.J.Kim, J.Applied Physics,83-11(1998),pp.5658-5664)。

このような流体輸送機構に関し、吐出液（インク）及び発泡液を可動分離膜によって分離し、発泡液の発泡によって生起した圧力を可動分離膜の変形によって吐出液に伝達するように構成したインクジェットプリンタの液体吐出ヘッドが、特開2000-85129号公報に開示されている。発泡液の気泡発生領域に位置する可動分離膜の部分には、凹部が形成され、凹部は、発泡液の泡発生圧力によって変形する。気泡発生領域には、発泡液の給排流路が接続され、給排流路は、発泡・消泡時に気泡発生領域の液圧を均等化するように発泡液を気泡発生領域から流出させ又は気泡発生領域に流入させる。従って、可動分離膜は、確実且つ安定的に上下動し、可動分離膜の凹部を変形させるので、特開2000-85129号公報に記載される如く、液体吐出ヘッドの吐出安定性を向上し得るかもしれない。
特開2000-85129号公報 W.J.Yang,Thermal Science and Engineering,9-4(2001),pp.3-8 T.K.Jun & C.J.Kim, J.Applied Physics,83-11(1998),pp.5658-5664

しかしながら、輸送流体の流路と駆動液の収容域とを分離する可動分離膜を用いた従来の流体輸送機構は、流路の特定部分に可動分離膜の変形を周期的に生じさせ、特定部分の容積変化によって輸送流体を加圧又は減圧するように構成したものにすぎない。即ち、輸送流体の搬送動力は、駆動液収容域の気泡発生及び消泡によって、膜面と直交する方向又は膜面に垂直な方向（以下、「面外方向」という。）に可動分離膜の特定部分を変位させ、可動分離膜の特定部分に接する輸送流体の流路部分を加圧又は減圧するにすぎず、可動分離膜の膜方向（膜面に沿う方向又は膜面と平行な方向（以下、「面内方向」という。））の挙動を利用したものではない。例えば、特開2000-85129号公報（特許文献１）に開示された記載された液体吐出ヘッドでは、気泡は、発熱体の垂直方向にのみ成長し、可動分離膜は、気泡の直上で上下変位するにすぎない。

従って、このような流体輸送機構を用いて輸送流体を特定方向に輸送するには、膜の面外方向の挙動のみによって特定方向に流体を輸送し得るように流路に凹凸、起伏又は流動障害物等を形成したり、流路を変形させ又は流路断面を連続的に変化させ、或いは、駆動部の前後の流路を駆動部に対して非対称構造に設計しなければならず、しかも、流体の輸送方向は、流路形態によって決定されてしまう。このため、輸送流体の流路は、凹凸や流動障害物等を備えない低い流動抵抗の直管型流路や、直線的流路に設計することができず、輸送流体を双方向に搬送する流路として設計することもできない。

また、従来の流体輸送機構では、輸送流体の輸送量は、膜の面外方向の挙動と、流路形態とによって決定されるので、輸送量を調節することができず、しかも、膜の往復動の周期によって輸送タイミングが決定されるので、多量の流体を連続的に輸送することはできない。

これに対し、輸送流体を直に加熱し、輸送流体自体の沸騰伝播現象によって輸送流体を輸送方向に流動させる方式のマイクロポンプが、本発明者等によって提案されており（日本混相流学会年会講演会講演論文集(2005)、第225-226 頁）、この原理を用いてマイクロポンプ等の流体輸送機構を設計し得るかもしれない。しかし、このような方式の流体輸送機構では、輸送流体は、突沸するほどの高温に直に曝されてしまうので、輸送可能な流体の種類が限られてしまう。例えば、このような方式の流体輸送機構を化学やバイオの分野で用いられるマイクロポンプに応用することは、液中成分の変成・分解等による機能喪失の点から好ましくない。かくして、沸騰伝播現象のために供給される熱の影響を最小限に抑制し、任意の流体を輸送することができる流体輸送機構の開発が求められる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、直管型又は直線的流路を輸送流体の流路として使用するとともに、駆動力を得るための熱が輸送流体に影響するのを防止し、任意の流体の輸送を可能にする流体輸送機構及び流体輸送方法を提供することにある。

本発明は又、このような流体輸送機構及び流体輸送方法において、双方向に流体を輸送することができる流体輸送機構及び流体輸送方法を提供することを目的とする。

本発明は更に、このような流体輸送機構及び流体輸送方法において、輸送流体の輸送量を調節することができる流体輸送機構及び流体輸送方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成すべく、輸送すべき流体の流路と、駆動液の突沸により該駆動液に気泡を生成する駆動液収容域と、前記流路及び収容域を分離するダイヤフラムとを有する流体輸送機構において、
前記収容域に配設され、該収容域に封入した前記駆動液を加熱する発熱面を備えた発熱体と、
該発熱面の過熱温度よりも高い過熱温度に昇温し、前記発熱体の端部に気泡を発生させ、前記発熱面上に沸騰伝播現象を誘起するトリガー部とを有し、
前記収容域、発熱体及びダイヤフラムは、前記流路に沿って延び、前記トリガー部は、前記発熱体の端部に配置され、前記ダイヤフラムは、前記沸騰伝播現象により前記発熱面上を移動する気泡によって前記流路内に隆起し且つ該流路に沿って遷移する変形部を形成することを特徴とする流体輸送機構を提供する。

本発明は又、輸送すべき流体の流路にダイヤフラムを介して接した駆動液収容域に駆動液を封入し、該駆動液の突沸により駆動液内に気泡を生成し、前記ダイヤフラムの変形によって前記流路の流体を輸送する流体輸送方法において、
第１過熱温度に昇温する発熱面を備えた発熱体を前記収容域に配設するとともに、第１過熱温度よりも高い第２過熱温度に昇温するトリガー部を前記発熱体の端部に配置し、該トリガー部によって前記駆動液に突沸気泡を発生させて、前記発熱面上に沸騰伝播現象を誘起し且つ進行させ、
前記発熱面上を移動し且つ成長する気泡によって、前記ダイヤフラムを変形させるとともに、該ダイヤフラムの変形部を前記流体の輸送方向に遷移させ、該変形部によって前記流体を輸送することを特徴とする流体輸送方法を提供する。

本発明者は、液体の沸騰伝播現象により発生する一群の気泡によってダイヤフラムを面外方向且つ面内方向に変形させる駆動力が得られ、しかも、沸騰伝播現象の方向性、応答性及び再現性を利用して流体の輸送を制御することができるこを実験的に見い出し、かかる知見に基づき、本発明を達成したものである。

本発明の上記構成によれば、発熱体の端部（トリガー部）に発生した気泡（トリガー気泡）が発熱体の発熱面上を移動しながら成長し、ダイヤフラムを変形させる。ダイヤフラムの変形部は、輸送すべき流体の流路内に隆起し、流体の輸送方向に遷移し、流体を輸送方向に押し出す。気泡が保有する熱は、成長過程で失われ、気泡は、順次後方から凝縮消泡し、発熱体の他端部（前端部）に達した後、完全に消滅する。発熱体端部（トリガー部）及び発熱面の発熱を制御し、発熱面上の沸騰伝播現象の進行を制御することができる。

従って、本発明によれば、流体を輸送方向に流動させる圧力や、流路輪郭の変形は、ダイヤフラムの面外方向且つ面内方向の変形によって得られるので、流路自体は、凹凸や流動障害物等を備えない直管型流路又は直線的流路に設計することができる。

また、発熱体端部（トリガー部）は、沸騰伝播現象を誘起するトリガー気泡を発生させるように短時間だけ発熱すれば良く、発熱面は、沸騰伝播現象を進行させる程度に発熱を持続すれば良く、発熱面は、ダイヤフラムによって輸送流体の流路から隔てられ、位置的にも流体から離間する。しかも、気泡の周囲の駆動液は、実際には、駆動液の沸点温度よりもかなり低い温度を有するにすぎない。従って、駆動力を得るための熱、即ち、発熱体端部及び発熱面の発熱は、輸送流体に直に作用せず、輸送流体に対する発熱の影響も、限られたものにすぎず、かくして、本発明の流体輸送機構は、化学又はバイオ分野で使用される液体等、任意の流体を輸送することができる。

好ましくは、上記第１過熱温度は、前記駆動液の沸点温度に対し、５０Ｋ以上の過熱度を有する温度に設定される。なお、沸騰伝播現象は、発熱面が蒸着膜のように滑らかであり、０．１μｍ以下の僅かな傷又は窪みしか発熱面に存在しない条件において、液体の種類に限らずに生起する現象であると考えられている。従って、本明細書において、「発熱面」は、沸騰伝播現象を進行させ、これを妨げない性状及び物性を有する高温の伝熱面を意味する。また、本明細書において、二次側の流体（輸送流体）は、水溶液、有機液、油等の液体のみならず、粉体等の流動性物質を包含する概念として把握される。

本発明は又、上記構成の流体輸送機構において、上記トリガー部を前記発熱体の両端部に対をなして配置したことを特徴とする流体輸送機構を提供する。沸騰伝播現象の進行方向は、加熱されるトリガー部の位置によって決定され、流体は、沸騰伝播現象の進行方向に輸送されるので、流体の輸送方向をトリガー部の配置により設定し、或いは、トリガー部の選択的加熱により制御することができる。

本発明は更に、上記構成の流体輸送機構において、上記発熱体及びトリガー部は、パルス電流が通電される電熱体からなり、前記パルス電流を制御する電気回路が設けられたことを特徴とする流体輸送機構を提供する。このような構成によれば、パルス電圧信号のパルス幅、パルス電圧及び位相を制御することにより、発熱面上の沸騰伝播現象を制御し、輸送流体の輸送量を調節することができる。

本発明の流体輸送機構及び流体輸送方法によれば、輸送流体は、ダイヤフラムの面外方向及び面内方向の変形により輸送されるので、低い流動抵抗の直管型又は直線的流路を輸送流体の流路として使用することができる。また、駆動液収容域の発熱面は、ダイヤフラムによって輸送流体の流路から隔てられるので、輸送流体に対する発熱面の熱の影響は抑制される。従って、本発明の流体輸送機構及び流体輸送方法によれば、沸騰伝播現象を利用して任意の流体の輸送することができる。

また、本発明の流体輸送機構及び流体輸送方法によれば、トリガー部を発熱体の両端部に配置することにより、流体の輸送方向を設定し又は制御し、これにより、流体を双方向に輸送することができる。

更に、本発明の流体輸送機構及び流体輸送方法によれば、パルス電流が通電される電熱体を発熱体及びトリガー部として使用し、パルス電流のパルス幅、パルス電圧及び位相を制御することにより、発熱面上の沸騰伝播現象を制御し、輸送流体の輸送量を調節することができる。

本発明の好適な実施形態によれば、流体輸送機構は、輸送流体を輸送するマイクロ流路を備えたマイクロポンプ又はマイクロアクチュエータを構成する。好ましくは、上記駆動液収容域は、両端部を端壁によって終端した細長い凹所形態の溝からなり、或いは、発熱体の前方の駆動液を発熱体の後方に還流させる還流路を含む循環流路形態を有する。

所望により、複数の駆動液収容域が、流路に対して並列に配置され、複数のダイヤフラム変形部が形成される。このような構成によれば、変形部の挙動を同期させ、複数の変形部を用いた強力なポンプ作用により輸送液を輸送することができる。

好ましくは、上記電熱体は、基板に製膜した金属薄膜からなり、金属薄膜は、細長い有効発熱部と、有効発熱部の両端に配置された一対の電極部と、有効発熱部の端部に接続された電圧タップの縮小部とを有する。電圧回路は、電極に接続された主回路と、電圧タップに接続されたトリガー回路とを含み、縮小部は、トリガー部を構成する。トリガー回路は、パルス電圧信号を縮小部に通電し、縮小部を発熱させる。好ましくは、電圧回路は、パルス電圧信号を発熱体及びトリガー部に通電するとともに、パルス電圧信号のパルス幅、パルス電圧及び位相を制御し、これにより、発熱面上の沸騰伝播現象を制御する。

本発明の好適な実施形態において、トリガー部は、発熱体の両端部に配置され、トリガー部の選択的加熱によって沸騰伝播現象の進行方向が設定される。このような構成によれば、トリガー部の加熱を制御することにより、流体の輸送方向を制御することができる。

上記ダイヤフラムとして、１０μｍ程度の厚さを有し、伸縮性、密着性、不透過性、強度、耐薬品性及び断熱性を有する可撓性膜材（例えば、シリコンゴム又は樹脂膜等) を好ましく使用し得る。また、基板として、SiO2のような低熱伝導性の層を発熱体の直下に有し、シリコンのような高熱伝導材料を基板のベース材として有する複合構造の基板を好ましく使用し得る。低熱伝導性の層は、パルス加熱の際に発熱体の放熱損失を妨げ、高熱伝導材料のベース材は、基板の過剰な温度上昇を防止する。

図１（Ａ）は、本発明に係る流体輸送機構の構造を示す縦断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線における断面図である。図２は、図１に示す流体輸送機構を用いた流体輸送方法の原理を示す縦断面図である。

図１に示す如く、流体輸送機構１は、駆動液（一次側液体) ２を封入可能な駆動液収容域３と、輸送液（二次側液体) ４を輸送するための輸送液流路５と、収容域３及び輸送液流路５を分離するダイヤフラム６とから構成される。収容域３は、収容域形成部材７の頂部開口形チャンネルを水平なダイヤフラム６によって封止することにより形成され、駆動液２が収容域３に封入される。流路方向に延びる薄膜ヒータ１０が駆動液収容域３の底面に配設され、トリガー気泡Ｐ（図２）を発生させるトリガー部１１が薄膜ヒータ１０の端部に配置される。流路５は、流路形成部材８の底部開口形チャンネルをダイヤフラム６によって封止することにより形成される。流路形成部材８の内壁面８ａは、凹凸、起伏等を備えず、非対称部分をも備えず、全長に亘って等断面の直管型流路を流体輸送機構１に形成する。流路５の両端部は開放し又は他系統の流路に接続され、流路５は、一端（上流端）から他端（下流端）に向かって矢印Ａ方向に輸送液４を輸送する。ダイヤフラム６は、流路１に沿って延びる水平な可撓性膜材からなり、駆動液２及び輸送液４を隔絶するとともに、駆動液２の急激な圧力変化に応答して局部的に弾性変形可能な変形能を有する。

駆動液２に接するヒータ１０の発熱面１０ａは、ヒータ１０の通電加熱によって所定温度（液体過熱温度）に昇温する。発熱面１０ａの液体過熱温度は、駆動液２の沸点温度に対し、５０Ｋ以上の過熱度を有する温度に設定される。発熱面１０ａを液体過熱温度に昇温した状態でトリガー部１１に通電し、トリガー部１１の表面温度を液体過熱温度よりも高温に昇温させると、図２（Ａ）に示す如く、トリガー部１１にトリガー気泡Ｐが生成する。発熱面１０ａは、トリガー部１１を起点として下流側に延び、気泡Ｐは、熱供給を受ける側に移動し且つ成長する性質を有する。従って、気泡Ｐは、発熱面１０ａに沿って矢印Ａ方向に移動し、発熱面１０ａによって更に加熱され、急激に膨張しながら気泡Ｂに成長する。気泡Ｂが受熱した熱エネルギーは、気泡Ｂの成長によって消費され、この結果、気泡Ｂは、速やかに消泡する。気泡Ｂの消泡は、後方の液体（駆動液）を矢印Ａ方向に誘引するように作用する。

ヒータ１０及びトリガー部１１の加熱を制御する主回路及びトリガー回路（図示せず）をヒータ１０及びトリガー部１１に接続し、これら回路によりヒータ１０及びトリガー部１１を通電加熱するとともに、加熱のシーケンスを一定の繰り返し周波数で繰り返し、ヒータ１０及びトリガー部１１を周期的に発熱させることができる。これにより、沸騰伝播現象が、周期的にヒータ１０上に生起し、輸送液４は、矢印Ａ方向に連続的に輸送される。

沸騰伝播は、一種の「突沸現象」であり、気泡Ｂを連続的に生成するには、ヒータ１０及びトリガー部１１の周期的発熱によって高過熱度の沸騰を繰り返し生じさせる必要があるのみならず、発熱面１０ａ上の気泡Ｂを速やかに消滅させる必要がある。従って、速やかな気泡Ｂの消滅は、発熱面１０ａ上の沸騰伝播現象を持続する上で重要な要素である。例えば、十分脱気した水やエタノールでは、気泡Ｂの消滅後に非凝縮性気体が僅かに残留することから、駆動液２の沸騰伝播を繰り返し生起させることが困難である。従って、駆動液２として、気泡Ｂの消滅後に非凝縮性気体が残留しない液体が好ましく使用される。

発熱面１０ａ上で成長する気泡Ｂは、図２に示す如く、その膨張により駆動液２の容積を局所的に増大させるとともに、気泡Ｂの蒸気圧によってダイヤフラム６を二次側（流路５の側）に押し上げ、変形させる。ダイヤフラム６は、流路５側に隆起する変形部６ａを形成し、変形部６ａは、駆動液２の沸騰伝播によって矢印Ａ方向に遷移し又は推移する。変形部６ａは、流路５の容積を局所的に縮小し、変形部６ａの前方傾斜面は、流路５の輸送液４を前方に押圧し、輸送液４を矢印Ａ方向に押し出すように働く。

気泡Ｐは、トリガー部１１に通電したパルス電流に応答してトリガー部１１に生成し、図２に示す如く発熱面１０ａ上を移動する一群の気泡Ｂとして成長し、発熱面１０ａの他端（前端）に達した後、消滅する。前述の主回路によりヒータ１０をパルス加熱して発熱面１０ａを予め過熱した状態で、所定の位相差（時間差）を与えたパルス電流（トリガー信号）を前述のトリガー回路によってトリガー部１１に通電することにより、一群の気泡Ｂが周期的に発熱面１０ａ上を移動し、変形部６ａは、矢印Ａ方向に順次移動する。主回路及びトリガー回路による加熱のシーケンスを所定周波数で繰り返し、沸騰伝播現象を周期的に発熱面１０ａ上に生起することにより、ダイヤフラム６は、輸送液４を矢印Ａ方向に押し出すように波動し又は脈動する。

発熱面１０ａ上で成長する一群の沸騰気泡Ｂの成長過程は、発熱面１０ａの液体過熱温度と、発熱面１０ａに対するトリガー部１１の相対位置とによって制御することができる。気泡Ｂにより形成される変形部６ａの位置は、発熱面１０ａに沿って矢印Ａ方向に推移し、変形部６ａは、流路５の流路断面積を輸送方向（矢印Ａ方向）に順次減少させるので、流体輸送機構１は、しごきポンプと同様の力学的作用により輸送液４を矢印Ａ方向に輸送する。即ち、本発明の流体輸送機構１によれば、主に気泡成長初期の高い蒸気圧による気泡周囲液（駆動液２）の急激な加速により、ダイヤフラム６を変形させる駆動力が得られ、ダイヤフラム６の変形及び変位挙動により、輸送液４の搬送動力が得られる。ダイヤフラム６の変位挙動の方向性及び速度は、沸騰伝播現象という沸騰の特異性に依存するので、トリガー部１１及び発熱面１０ａの位置関係により、駆動液２の沸騰伝播方向（従って、輸送液４の輸送方向）が決定され、発熱面１０ａの長さ等に相応して、１回の沸騰伝播による輸送液４の輸送量が変化する。従って、輸送液４の輸送方向は、流体輸送路１の形状（非対称性等）に依存せず、発熱面１０ａ及びトリガー部１１の相対位置により決定され、輸送液４の輸送量は、ヒータ１０及びトリガー部１１のパルス電流印加のシーケンスの繰り返しの周期、発熱面１０ａの液体過熱温度、発熱面１０ａの長さ等によって決定される。

このような流体輸送機構１によれば、トリガー部１１の発熱は、短時間のパルス状発熱であるにすぎず、発熱面１０ａは、ダイヤフラム６によって輸送液４から隔てられ、位置的にも輸送液４から離間する。従って、トリガー部１１及びヒータ１０の近傍の駆動液２だけが高温に加熱されるにすぎない。しかも、膨張中の気泡Ｂの周囲の駆動液２は、実際には、駆動液２の沸点温度よりもかなり低い温度を有するにすぎない。更に、輸送液４は、ダイヤフラム６によって駆動液２から分離し、駆動液２が保有する熱は、ダイヤフラム６を介して輸送液４に熱伝導するにすぎない。従って、上記構成の流体輸送機構１によれば、輸送液４に対する熱の影響を最小限に抑制することができる。

駆動液２の動作温度範囲や蒸気圧等は、輸送液４の温度条件や、物性等に相応して調節することが望ましく、従って、駆動液２の成分及び組成は、駆動液２の動作温度範囲や蒸気圧等に相応して適宜選択される。駆動液２として、例えば、水溶液、有機液、油、代替フロン、極低温液体等を採用し得るが、その成分及び組成は、前述の如く、気泡Ｂの消滅後に非凝縮性気体が駆動液収容域３に残留しないように設定することが望ましい。

一本の長尺ヒータをヒータ１０として使用することにより、比較的長時間持続する一連の沸騰伝播現象を駆動液収容域３に生起し、これにより、一回のパルス加熱及び伝播現象によって比較的多量の輸送液４を輸送することができ、他方、全長が比較的短いヒータ１０を使用し、比較的短時間に完結する沸騰伝播現象を繰り返し駆動液収容域３に生じさせることにより、輸送液４を小刻みに輸送することができる。このような輸送形態の相違は、流体輸送機構１の使用目的に応じて適宜選択的に採用される。

図３は、駆動液収容域３の構造を例示する流体輸送機構１の縦断面図である。

図３（Ａ）に示す駆動液収容域３は、両端部が端壁３ａによって終端した細長い凹所形態の溝からなる。収容域３は、ダイヤフラム６によって封止され、駆動液２が収容域３に封入される。トリガー部１１及びヒータ１０の発熱によって収容域３に生成した気泡Ｂは、仮想線で示すように急激に膨張し、駆動液２を気泡Ｂの移動方向に付勢するが、駆動液２の流動は、前方の端壁３ａによって阻止されるので、気泡Ｂの蒸気圧は、主に、ダイヤフラム６を押上げる圧力としてダイヤフラム６に作用する。このような収容域３の構造は、例えば、ヒータ１０及びトリガー部１１に通電すべきパルス電流の繰り返しの周波数を比較的小さく設定し、トリガー気泡Ｐの発生周期を比較的長期に設定した場合に好ましく採用し得る。前述の如く、ヒータ１０及びトリガー部１１の加熱のシーケンスを一定の繰り返し周波数で繰り返してヒータ１０及びトリガー部１１を周期的に発熱させることにより、沸騰伝播現象は、周期的にヒータ１０上に生起し、輸送液４は、矢印Ａ方向に連続的に輸送される。

図３（Ｂ）には、循環流路形態の駆動液収容域３が示されている。収容域３は、隔壁９によって往流路３ｂから分離した還流路３ｄを有し、往流路３ｂ及び還流路３ｄは、ヒータ１０の前方及び後方に夫々配置した連通流路３ｃによって相互連通する。収容域３に生成した気泡Ｂ（仮想線で示す）は、駆動液２を気泡Ｂの移動方向に付勢し、駆動液２の少なくとも一部は、前方の連通路３ｃから還流路３ｄに流出し、後方の連通路３ｃから往流路３ｂに還流する。このような収容域３の構造は、例えば、ヒータ１０及びトリガー部１１に通電すべきパルス電流の繰り返しの周波数を比較的大きく設定し、トリガー気泡Ｐの発生周期を比較的短期に設定した場合に好ましく採用し得る。前述の如く、ヒータ１０及びトリガー部１１の加熱のシーケンスを一定の繰り返し周波数で繰り返してヒータ１０及びトリガー部１１を周期的に発熱させることにより、沸騰伝播現象は、周期的にヒータ１０上に生起し、輸送液４は、矢印Ａ方向に連続的に輸送される。

図４は、駆動液収容域３の他の構造を例示する流体輸送機構１の縦断面図である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す流体輸送機構１は、流路５廻りに配設した複数の駆動液収容域３を備える。図４（Ａ）に示す流体輸送機構１は、図３（Ａ）に示す流体輸送機構１と同じく、両端部を端壁３ａによって閉塞した形態の収容域３を備え、図４（Ｂ）に示す流体輸送機構１は、図３（Ｂ）に示す流体輸送機構１と同じく、循環流路形態の収容域３を有する。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように複数の収容域３を流路５廻りに並列に形成した構成の流体輸送機構１によれば、複数の変形部６ａを輸送液流路に同時に形成することができる。発熱面１０ａを同時に所定温度（液体過熱温度）に昇温させるとともに、トリガー部１１のパルス電流を同期させることにより、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に仮想線で示すようにトリガー気泡Ｐを各収容域３に同時に発生させ、複数の変形部６ａにより輸送液４を輸送することができる。このような構成の流体輸送機構１によれば、高い駆動力（搬送動力）が得られるので、輸送液４は、流体輸送機構１の強力なポンプ作用により輸送される。

図５（Ａ）は、本発明の流体輸送機構を適用したマイクロポンプの実施例を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すマイクロポンプの分解斜視図である。また、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、基板上に製膜した薄膜ヒータの構成を示す平面図及び部分拡大図である。

図５（Ａ）に示すマイクロポンプ２０は、基板２１、樹脂シート２２、ダイヤフラム６、樹脂シート２３及びガラス板２４を一体的に積層した多層構造を有する。輸送液流路５の端部がマイクロポンプ２０の両端面に開口する。

図５（Ｂ）に示す如く、ヒータ１０が基板２１上に形成される。ヒータ１０は、蒸着又はスパッタリング等によって基板２１の上面中央部に製膜した金属薄膜のパターンからなる。本例の金属薄膜は、白金蒸着膜からなり、幅（Ｗ）０．２〜１mm、長さ（Ｌ）２〜１０mm程度の有効発熱部１２を有する。図６に示すように、一対の電圧タップ１３が、幅０．１mm程度の縮小部を介して有効発熱部１２の両端部に接続される。電圧タップ１３の縮小部は、トリガー部１１を構成する。電圧タップ１３は、トリガー気泡Ｐを発生させる沸騰開始手段として使用されるとともに、温度測定手段として使用される。

図５（Ａ）に示す如く、駆動液収容域３を形成するための収容域形成用スリット２６を中央部に形成した樹脂シート２２が、基板２１上に重ねられる。樹脂シート２６は、０．２〜０．５mm程度の厚さを有する。スリット２６は、０．５〜３mm程度の幅を有し、有効発熱部１２の長さ（Ｌ）の約１〜１．２倍程度の全長を有する。本例では、樹脂シート２２として、シリコンゴム製シートが使用されるが、他の樹脂、ゴム又はエラストマー製のシート状物をシート２２として使用しても良い。スリット２６は、樹脂シート２２を垂直に貫通する。スリット２６及びヒータ１０は、樹脂シート２２及び基板２１の積層状態において整合し、駆動液２を収容可能な頂部開口形の溝を形成する。

スリット２６を駆動液２によって満たした状態で樹脂シート２２上にダイヤフラム６を重ねることにより、駆動液２を封入した駆動液収容域３が形成される。ダイヤフラム６は、１０μｍ程度の厚さを有する樹脂製の可撓性膜材、例えば、ポリ塩化ビニリデン製の膜材からなり、駆動液２の圧力変化に応答して局部的に弾性変形可能な変形能を有する。

輸送液流路５を形成するための流路形成用スリット２７を含む樹脂シート２３が、ダイヤフラム６上に更に重ねられる。樹脂シート２３は、０．２〜０．５mm程度の厚さを有する。スリット２７は、スリット２６と実質的に同一の幅（０．５〜３mm程度）を有し、樹脂シート２３を垂直に貫通する。スリット２７は、樹脂シート２３の中心線上に配置され、樹脂シート２３の全長に亘って延びる。本例では、シート２３として、シリコンゴム製シートが使用されるが、他の樹脂、ゴム又はエラストマー製のシート状物をシート２３として使用しても良い。

方形平板状のガラス板２４が、樹脂シート２３上に更に重ねられ、図５（Ａ）示す積層構造のマイクロポンプ２０が形成される。マイクロポンプ２０の両端面に位置する輸送液流路５の開口端には、輸送液４の流路５１、５２が接続され、輸送液４がマイクロシリンジ等によって流路５、５１、５２に注入される。

図７（Ａ）は、マイクロポンプ２０を駆動するための電気回路を示す回路構成図である。

マイクロポンプ２０を駆動するための電気回路には、波形発生器、高速電力増幅器、デジタルオシロスコープ及び標準抵抗器（電流による発熱の影響を受けずに電気抵抗値が一定の状態を維持する抵抗器）が組み込まれる。波形発生器は、矩形のパルス電圧信号を発生させ、高速電力増幅器は、パルス電圧信号を増幅する。電気回路は、ヒータ１０に通電するための主回路と、電圧タップ１３に通電するためのトリガー回路とを含み、高速電力増幅器は、主回路及びトリガー回路に夫々組み込まれる。

図６に示す如く、ヒータ１０の金属薄膜は、端部が拡大しており、通電線６１を接続可能な電極部１５がヒータ１０の両端部に形成される。図５（Ｂ）に示すように、主回路を構成する通電線６１が、各電極部１５に夫々接続され、トリガー回路を構成する通電線６２が、電圧タップ１３及び電極部１５に夫々接続される。通電発熱するトリガー部１１は、トリガー気泡Ｐを発生させるので、マイクロポンプ２０の輸送方向は、図７に示す矢印Ａ方向に設定される。デジタルオシロスコープの計測信号線６３、６４が電圧タップ１３及び標準抵抗器に夫々接続され、タップ間電位差とヒータ１０の通電電流とがオシロスコープによって測定され、タップ間の電気抵抗と通電電流とからヒータ１０の熱流束値及び伝熱面温度が求められる。

図７（Ｂ）は、主回路及びトリガー回路に夫々通電されるパルス電圧信号の波形を示すパルス波形線図である。

波形発生器で発生した矩形のパルス電圧信号は、高速電力増幅器によって増幅され、加熱電流としてヒータ１０の電極部１５に通電される。ヒータ１０は、ジュール発熱し、発熱面１０ａは、昇温する。電圧タップ１３間の電位差とヒータ１０の通電電流とがによって求められたヒータ１０の伝熱面温度（平均温度）が所定過熱度の温度Ｔ（液体過熱温度）に到達したとき、パルス幅（時間幅）δ＝約０．１msのパルス電圧信号がトリガー信号としてトリガー回路に通電される。上流側電圧タップ１３（１３ａ）のトリガー部１１は発熱し、トリガー部１１に沸騰気泡（トリガー気泡Ｐ）が発生する。この気泡をトリガーとして発熱面１０ａ上に沸騰伝播現象を誘起させることにより、伝播気泡Ｂが発熱面１０ａ上を矢印Ａ方向に移動し、順次消滅する。この過程でダイヤフラム６が気泡Ｂによって押し上げられ、輸送液流路５内に隆起した変形部６ａ（図２）が形成される。変形部６は、伝播気泡Ｂの進行方向に遷移するので、流路５内の輸送液４は、伝播方向（矢印Ａ方向）に輸送される。

主回路及びトリガー回路による加熱のシーケンスを一定の繰り返し周波数で繰り返し、沸騰伝播現象を周期的にヒータ１０上に生起することにより、輸送液４は、矢印Ａ方向に連続的に輸送される。

トリガー信号の通電時期を決定する温度Ｔと、駆動液２の沸点温度との差、即ち、過熱度は、５０Ｋ以上の温度に設定される。過熱度は、駆動液２の種類及び物性により適宜決定されるが、ヒータ１０上の沸騰伝播現象を進行させるには、輸送液４の種類及び物性にかかわらず、概ね全ての駆動液に関し、過熱度を５０Ｋ以上に設定することが望ましい。

トリガー気泡発生用のパルス電圧信号（トリガー信号）をヒータ１０の反対側の電圧タップ１３（１３ｂ）に通電することにより、伝播気泡Ｂの移動方向を逆転し、輸送液４の輸送方向を反転させることができる。このような輸送方向の反転は、トリガー回路をヒータ１０の反対側の電極部１５（１５ｂ）及び電圧タップ１３ｂに接続し直し、或いは、予め両電極部１５にトリガー回路を接続し、トリガー回路を切換操作することにより、実行することができる。

図８は、マイクロポンプ２０の性能試験方法を示す電気回路構成図及びパルス波形線図である。図８において、図７に示す各構成要素と実質的に同一又は同等の構成要素には、同一の参照符号が付されている。

本発明者は、図８に示す実験装置を使用してマイクロポンプ２０の性能試験を実施した。図８に示す実験装置は、マイクロポンプ２０の輸送量を測定するためのマイクロチャンネル７０を備えるとともに、輸送液４の流れの様相や、駆動液２の沸騰様相を撮像する高速ビデオカメラ７１を備える。

図９には、マイクロチャンネル７０の構造が示されている。

マイクロチャンネル７０は、一対のキャピラリチューブ７２と、一対の貫通孔７３を形成した樹脂板７４とから構成される。チューブ７２は、貫通孔７３に挿入される。輸送液流路５の両端部には、チューブ７２を挿入可能な一対の円形ポート５ａが形成される。チューブ７２の管内領域は、円形ポート５ａを介して流路５と連通する。輸送液４は、実験開始時に流路５及びチューブ７２内に注入される。

高速ビデオカメラ７１は、信号線７６によってコントローラに接続され、コントローラは、信号線７７によってデジタルオシロスコープに接続される。光源７５が、高速ビデオカメラ７１に隣接して配置され、撮像用の光をマイクロポンプ２０に照射する。高速ビデオカメラ７は、ガラス板２４を介して流路５内の流体の流れを撮像するとともに、チューブ７２内の輸送液５の液面を撮像する。コントローラは、撮像結果を分析し、輸送液５の流動状態及びチューブ内液面レベルを記録する。

図８に示す実験装置において、ヒータ１０は、石英ガラスの基板２１（図５）上に製膜した白金蒸着膜からなり、幅０．５mm、長さ５mm、厚さ０．２５μｍの有効発熱部１２を有する。樹脂シート２２、２３（図５）は、厚さ０．５mmのシリコンゴムシートからなり、ダイヤフラム６は、ポリ塩化ビニリデンの膜材（厚さ１０μｍ）からなる。スリット２６、２７（図５）の幅は、１．５mmに設定され、スリット２６の全長は、約１２mmに設定された。また、駆動液２として、水６５％、エチレングリコール２０％及びイソプロパノール１５％の混合液が使用され、輸送液４として、水が使用された。

この実験装置を用いた実験では、高速電力増幅器によって増幅したパルス電圧信号をヒータ１０に通電し、ヒータ１０をジュール発熱させるとともに、トリガー信号をトリガー回路に通電し、トリガー気泡Ｐを発生させ、駆動液収容域３に沸騰伝播現象を生じさせた。主回路及びトリガー回路による加熱のシーケンスを一定の繰り返し周波数（１０Hz）で繰り返し、沸騰伝播現象を周期的にヒータ１０上に生起することにより、輸送液（水）４は、矢印Ａ方向に輸送され、下流側のチューブ７２では、液面レベルが上昇し、上流側のチューブ７２では、液面レベルが降下した。キャピラリチューブ７２内の水柱表面のメニスカスを高速ビデオカメラ７によって撮像した結果、メニスカスの挙動より、水が伝播方向（矢印Ａ方向）に１分当たり約１０mm程度の速度で移動する（輸送される) ことが実験的に確認された。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、有効発熱部１２の幅（Ｗ）や、スリット２６、２７の幅を拡大することにより、ダイヤフラム６の変位量を増大し、流体輸送機構１の輸送能力を高めることができる。

また、ヒータ１０の過熱度、パルス電圧信号のパルス幅等は、駆動液の種類等に応じて適宜設定変更し得るものである。

本発明は、単純な構造の微細な流路を用いて応答性・制御性に優れた微小流量の液輸送及び給排制御を行うマイクロポンプ及びマイクロアクチュエータ等に好ましく適用される。本発明は、化学、医療、バイオ、情報、機械、環境、宇宙の分野におけるマイクロチップへの幅広い応用（例えば、μTAS 等の生体、環境の各種計測・診断・化学分析、光スイッチ等の情報素子、マイクロマシン駆動用アクチュエータ、マイクロスラスタ（小型人工衛星の姿勢制御用噴射装置) 、電子機器の冷却等) が期待される。

図１（Ａ）は、本発明に係る流体輸送機構の構造を示す縦断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線における断面図である。 図１に示す流体輸送機構を用いた流体輸送方法の原理を示す縦断面図である。 駆動液収容域の構造を例示する流体輸送機構の縦断面図である。 駆動液収容域の他の構造を例示する流体輸送機構の縦断面図である。 図５（Ａ）は、本発明の流体輸送機構を適用したマイクロポンプの実施例を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すマイクロポンプの分解斜視図である。 基板上に製膜した薄膜ヒータの構成を示す平面図及び部分拡大図である。 図７（Ａ）は、マイクロポンプを駆動するための電気回路を示す回路構成図であり、図７（Ｂ）は、主回路及びトリガー回路に夫々通電されるパルス電圧信号の波形を示すパルス波形線図である。 マイクロポンプの性能試験方法を示す電気回路構成図及びパルス波形線図である。 マイクロチャンネルの構造を示す平面図、縦断面図及び分解斜視図である。

符号の説明

１ 流体輸送機構
２ 駆動液
３ 駆動液収容域
４ 輸送液
５ 輸送液流路
６ ダイヤフラム
６ａ 変形部
７ 収容域形成部材
８ 流路形成部材
１０ ヒータ
１０ａ 発熱面
１１ トリガー部
Ｐ トリガー気泡
Ｂ 気泡
Ａ 方向（輸送方向）

Claims (11)

1. 輸送すべき流体の流路と、駆動液の突沸により該駆動液に気泡を生成する駆動液収容域と、前記流路及び収容域を分離するダイヤフラムとを有する流体輸送機構において、
   前記収容域に配設され、該収容域に封入した前記駆動液を加熱する発熱面を備えた発熱体と、
   該発熱面の過熱温度よりも高い過熱温度に昇温し、前記発熱体の端部に気泡を発生させ、前記発熱面上に沸騰伝播現象を誘起するトリガー部とを有し、
   前記収容域、発熱体及びダイヤフラムは、前記流路に沿って延び、前記トリガー部は、前記発熱体の端部に配置され、前記ダイヤフラムは、前記沸騰伝播現象により前記発熱面上を移動する気泡によって前記流路内に隆起し且つ該流路に沿って遷移する変形部を形成することを特徴とする流体輸送機構。
2. 前記トリガー部を前記発熱体の両端部に対をなして配置したことを特徴とする請求項１に記載の流体輸送機構。
3. 前記発熱体及びトリガー部は、通電発熱する電熱体からなり、該電熱体にパルス電圧信号を通電する電気回路が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体輸送機構。
4. 前記収容域は、前記発熱体の前方の駆動液を該発熱体の後方に還流させる還流路を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体輸送機構。
5. 複数の前記収容域が、前記流路に対して並列に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体輸送機構。
6. 前記電熱体は、基板に製膜した金属薄膜からなり、該金属薄膜は、細長い有効発熱部と、該有効発熱部の両端に配置された一対の電極部と、前記有効発熱部の端部に接続された電圧タップの縮小部とを有し、前記電圧回路は、前記電極に接続された主回路と、前記電圧タップに接続されたトリガー回路とを含み、前記縮小部は、前記トリガー部を構成し、前記トリガー回路は、パルス電圧信号を前記縮小部に通電し、該縮小部を発熱させることを特徴とする請求項３に記載の流体輸送機構。
7. 輸送すべき流体の流路にダイヤフラムを介して接した駆動液収容域に駆動液を封入し、該駆動液の突沸により駆動液内に気泡を生成し、前記ダイヤフラムの変形によって前記流路の流体を輸送する流体輸送方法において、
   第１過熱温度に昇温する発熱面を備えた発熱体を前記収容域に配設するとともに、第１過熱温度よりも高い第２過熱温度に昇温するトリガー部を前記発熱体の端部に配置し、該トリガー部によって前記駆動液に突沸気泡を発生させて、前記発熱面上に沸騰伝播現象を誘起し且つ進行させ、
   前記発熱面上を移動し且つ成長する気泡によって、前記ダイヤフラムを変形させるとともに、該ダイヤフラムの変形部を前記流体の輸送方向に遷移させ、該変形部によって前記流体を輸送することを特徴とする流体輸送方法。
8. 前記トリガー部を前記発熱体の両端部に配置し、該トリガー部の選択的加熱によって沸騰伝播現象の進行方向を設定し、流体の輸送方向を制御することを特徴とする請求項７に記載の流体輸送方法。
9. 前記発熱体及びトリガー部を構成する電熱体にパルス電圧信号を通電し、該パルス電圧信号のパルス幅、パルス電圧及び位相を制御し、発熱面上の沸騰伝播現象を制御することを特徴とする請求項７又は８に記載の流体輸送方法。
10. 前記流路に対して並列に配置した複数の前記収容域によって複数の前記変形部を形成し、該変形部の挙動を同期させることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の流体輸送方法。
11. 前記第１過熱温度は、前記駆動液の沸点温度に対し、５０Ｋ以上の過熱度を有する温度に設定されることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の流体輸送方法。

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