JPH03199682A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロマシーニング技術を応用したマイク
ロポンプに関する。

［従来の技術］ 日経エレクトロニクスＮｏ、４８０（１９８９年８月２
１日発行）はＳｉマイクロマシーニング技術について特
集している。その記事の第１３５頁〜第１３９頁によれ
ば、マイクロポンプに関し、第１２図に示すような構成
が記載されている。これは、ガラス基板２００の上にＳ
ｉ薄膜板２０１により２つのバルブ２０２，２０３とそ
の中間にダイアフラム２０４を形成して接合し、さらに
そのＳｉ薄膜板２０１上にガラス板２０５を接合し、ダ
イアフラム２０４を空気層２０６を介して発熱抵抗２０
７で駆動する構成である。ガラス基板２００にはバルブ
２０２，２０３にそれぞれ通じる入口ポート２０８及び
出口ボート２０９が設けられ、空気層２０６の空気膨脂
によりダイアフラム２０４が膨らむと、ポンプ室２１０
の内圧の上昇により入口バルブ２０２を閉じるとともに
出口バルブ２０３を開き、ポンプ室２１０内の圧力流体
を出口ポート２０９へ吐出し、一方空気層２０６の収縮
によりダイアフラム２０４が元に戻ると、上記バルブ２
０２，２０３がそれぞれ反対に動作し、入口ボート２０
８から流体を吸い込み、出口ポート２０９への吐出はバ
ルブ２０３の閉止により遮断するようになっている。

かかるマイクロポンプは微量の精密な流量制御が可能な
ので、医療用（塘尿病患者のインシュリン投薬等）や化
学分析用への応用が可能であることを示唆している。

一方、ポンプの動作速度が遅いことや空気熱によって流
路を流れる液体の温度が上がることなどの問題点も指摘
されている。

また、ダイアフラムの駆動に圧電素子を利用するもの、
逆流防止のために３つのバルブを設けたものなどの記載
も見られる。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のような２バルブ式のマイクロポンプは３バルブ式
のものに比べて製作が容易である反面、ポンプ性能にお
いて人出列間差圧により流量が次第に低下するという問
題がある。第１３図は前記文献の第１３６頁にも見られ
る特性線図であり、２バルブの場合、流ｍＱは差圧Ｐの
増加に伴い直線的に城少する（Ａ線）。これに対して、
３バルブの場合はほぼ一定に推移する（Ｂ線）。その理
由は、３バルブの場合、入口・出口バルブの流路間に第
３のバルブが設けられているため、この第３のバルブが
差圧による逆流を防止し、一定の流量を確保しているの
に対し、２バルブの場合は差圧が出口バルブに直接作用
し、これを強い力で閉止方向に神しつけるためである。

このような理由から、２バルブ式のマイクロポンプを例
えばインシュリン投薬に利用しようとすると、上記特性
のため背圧が６００　ｍｍ　Ｈ２０位でほとんど吐出不
能になる。実際問題上、４００　ｍｍＨＯ程度まではほ
ぼ一定に吐出することが要求されるので、ポンプ性能の
改善が望まれる。

本発明は、かかるポンプ性能の改善をはかり、所要のポ
ンプ使用範囲においてほぼ一定の流量特性を持つように
するとともに、これをより安価な２バルブ式のマイクロ
ポンプで実現することを目的とする。

本発明の他の目的は、バルブの開閉動作の検知及び１，
１ｊ御が可能で、より安定したシール性を持つマイクロ
ポンプを得ることである。

本発明のさらに他の目的は、薄型てコンノくクトなマイ
クロポンプを得ることである。

その他の本発明の目的は、後述する実施例及び図面につ
いての説明で明らかにされる。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明に係るマイクロポ
ンプは、基本的に２バルブ式のマイクロポンプにおいて
、出口バルブを出口ポートの入口を覆うキャップ状の弁
体にて構成したものである。

また、ダイアフラムの駆動手段として、制御性のよい圧
電素子を用いる。

入力流体は直接入口バルブを設けた室に導入することも
できるが、入力流体を一旦出ロバルブの隔を上方に設け
た室に導入したのち、入口バルブ側の室に導入する。

また、上記構成とともに、ポンプ室を出口バルブを設け
た室及び入口バルブの隔壁上方に設けた室に連通させ、
バルブの開閉を確実に行わしめる。

特に出口バルブの開閉動作の検知及び制御をはかるため
、少なくとも出口バルブ側の隔壁上方を大気に開放し、
さらにその隔壁上に駆動用圧電素子と同様の圧電素子を
固着する。この場合、入口バルブを出口バルブの場合と
同様に入口ポートの出口を覆うキャップ状の弁体で構成
してもよい。

また、基板と薄膜板の間に中間基板を設け、この中間基
板を利用して入口・出口ポートを横向きに（中間基板の
側方へ）引き出すようにする。

入口バルブ側と出口バルブ側は上下２段に積層構成する
こともでき、中間基板を介して上位に入口バルブ及びポ
ンプ室を設けた上部薄膜板を接合し、下位に出口バルブ
を設けた下部位薄膜板を接合する。そして、入口ボート
から入口バルブの室に通じる流路とポンプ室から出口バ
ルブの室に通じる流路を前記中間基板に設ける。

以上の各構成において、入口・出口バルブのシール部に
予圧を与える付勢膜を基板に設けるとよい。

［作　用］ 本発明のマイクロポンプは、出口バルブの弁体が出口ポ
ートの入口を覆うようにキャップ状に形成されているた
め、背圧によりその弁体を持ち上げようとする力の作用
方向とポンプ室の圧力流体により出口バルブを設けた隔
壁を抑し上げようとする力の作用方向が同じになってい
る。したがって、背圧が出口バルブにあらかじめ付与さ
れたシール力に打ち勝つまで、つまりポンプ使用範囲で
はほぼ一定の流量を吐出することになる。

また、この場合において、入力流体を出口バルブの隔壁
上方に設けた室に導入することにより、例えばゴム製タ
ンクに急激な外力が作用したときなどのように人力流体
の急激な圧力変化が出口バルブの隔壁上の室に伝えられ
、出口バルブを積極的に閉じることにより、出口バルブ
からの吐出を防いでいる。

さらに、ポンプ室の圧力を出口バルブを設けた室及び入
口バルブを設けた隔壁上方の室に同時に伝達することに
より、出口・入口バルブの開閉が周期的に確実に行われ
る。

ポンプ室の圧力付与はダイアフラム上に固着した圧電素
子によりダイアフラムを上下に振動させることにより行
われ、圧電素子を使用することで動作速度が早く、流体
の温度上昇のおそれもない。

出口・入口バルブもしくは少なくとも出口バルブの隔壁
上方を大気に開放することにより、バルブの開閉動作の
検知手段の取付けが容易になり、さらに大気に開放され
た出口バルブの隔壁上にダイアフラム駆動用圧電素子と
同様の圧電素子を取り付けることにより、積極的に出口
バルブの開閉動作を制御することができる。この場合、
入口バルブの弁体を出口バルブと同様の構成にでき、構
成が一層簡潔になる。

基板と薄膜板の間に薄膜板と同じ材料の中間基板を設け
ると、入口・出口ポートをエツチング法で横向きに引き
出すことができるようになり、チューブの引き回しのう
えで便利である。

平面に比べて高さ（厚さ）方向に寸法上の余裕がある場
合には、薄膜板を中間基板を介して上下２段の積層構成
とすることができる。ポンプ作用は上記の平面的な構成
によるポンプの場合と同じである。

出口・入口バルブのシール部は基板に形成した付勢膜に
より予圧を与えるという簡単な方法でシール性を向上さ
せることができる。

［実施例コ 第１図は本発明によるマイクロポンプの実施例を示す断
面図で、第２図及び第３図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ線
、Ｂ−Ｂ線における横断平面図である。

全体符号１０で示すマイクロポンプは、基板１、薄膜板
２、表面板３のサンドイッチ構造によるものである。

基板１は、例えば厚さ１　ｍｍ程度のガラス基板からな
り、入口ポート１１及び出口ポート１２が設けられてい
る。これらのボートにはそれぞれチューブ１３．１４を
液洩れしないように接着剤１５で接合し、チューブ１３
の基端は例えば薬液タンク（図示せず）に、チューブ１
４の先端は例えば注射針（図示せず）に連結される。

薄膜板２は、例えば厚さ０．３＋ｏｎ程度のＳｉ基板か
らなり、エツチング法により入口バルブ４゜出口バルブ
５．及び両バルブの間にダイアフラム６を形成し、さら
に必要な流路（第２図、第３図参照）を設け、基板１の
上に陽極接合法で接合される。接合個所は符号１６ａ、
１６ｂ、１６ｃで示される部位である。

第２図、第３図に見られるように、入口ポート１１に連
なる人力流路１１１が設けられ、入力流路１１１は通孔
１１２を介して出口バルブ５の上方に設けた室１１３に
通じ、さらに通孔１１４及び連絡流路１１５を介して入
口バルブ４の室１１６に通じている。入口バルブ４は正
方形の弁体４１で形成されており、その中心に通孔１１
７を設け、上方の室１１８に通じている。さらに室１１
８は通孔１１９及び連絡流路１２０を介してダイアフラ
ム６下方のポンプ室１２１に通じ、圧力流体は出力流路
１２２を経て出口バルブ５の室１２３に流れる。そして
、出口バルブ５は出口ボート１２の入口１２ａを覆うキ
ャップ状の正方形の弁体５１で形成されている。

ダイアフラム６の駆動手段として、ピエゾディスクの圧
電素子７が薄膜の電極板７１を介してダイアフラム６上
に接着されている。図中、７２゜７３は圧電素子７に電
圧を印加するためのリード線である。

薄膜板２の上には基板１と同様のガラス基板からなる表
面板３が圧電素子７の押入口３１を設けて陽極接合法に
より接合され、上記のポンプ流路系を確立している。表
面板３の厚さは約０．５ｍ■である。

第４図は圧電素子７を駆動する駆動回路の一実施例を示
すブロック図であり、７０１はリチウム電池等の電源、
７０２は昇圧回路、７０３はｃＰＵ、７０４は低電圧の
信号を高電圧の信号に変換するレベルシフタ、７０５は
圧電素子７を駆動するドライバー　７０６はポンプの流
量を表示する表示装置、７０７は流量の選択スイッチで
ある。

第５図は上記実施例の動作図であり、第４図、第５図を
参照して動作を説明する。

まず、スイッチ７０７で流量を選択し、ＣＰＵ７０３か
らポンプ駆動信号が出力される。ＣＰＵ７０３の信号は
一般的に３〜５Ｖの電圧で動作しており、また圧電素子
７は５０Ｖ等の高電圧で動作される。そして、昇圧回路
７０２で３Ｖの電圧を５０Ｖに昇圧し、レベルシフタ７
０４によってＣＰＵ７０Ｂからの信号を５０Ｖの信号に
変換する。

このように圧電素子７に５０Ｖの電圧を周期的に印加し
、ＩＨｚ〜数Ｈｚの振動を与える。ピエゾ効果によりダ
イアフラム６が第５図（ａ）のように下側へたわむと、
ポンプ室１２１の圧力が上昇し、この圧力はそれぞれ流
路１２０，１２２を通じて室１１８，１２３に同時に伝
達されその内圧を昇圧する。室１１８の内圧の昇圧によ
り入口バルブ４を設けた隔壁４２が下側へ押され、入口
バルブ４の弁体４１を基板１に押しつけるため、入口バ
ルブ４は閉じることになる。同時に、室１２３の内圧の
昇圧によりその隔壁５２を押し上げるため、出口バルブ
５の弁体５１が基板１より離れ、出口バルブ５が開き、
出口ボート１２へ定量の圧力流体を吐出する。

反対にダイアフラム６が第５図（ｂ）のように上側へた
わむと、ポンプ室１２１が減圧するので、これにより室
１２３の隔壁５２が下側へたわみ、出口バルブ５が閉じ
ると同時に、室１１８の隔壁４２が上側へたわみ、入口
バルブ４が開くため、通孔１１７を通じて入口ボート１
１に連通ずる室１１６から定量の流体を吸入する。

圧電素子７によりダイアフラム６を振動させることによ
り、上記の吸入・吐出が連続的に行われ、かつ振動数を
増加させれば脈流の少ないポンプが得られる。しかも、
従来の２バルブ式では背圧による力が出口バルブを閉じ
る方向に働いていたため、背圧がかかればかかるほど出
口バルブを開放する力が必要になり、圧電素子を駆動し
てもポンプ室の内圧が上り、それにより圧電素子の振幅
が拘束されることになり、結果として吐出流量が排圧の
量曽加に伴い減少してしまっていたが、本発明では、出
口バルブ５は出口ポート１２の入口１２ａを覆うキャッ
プ状の弁体５１で形成されているため、出口ポート１２
の背圧による隔壁５２の持上げ力（出口バルブ５の開放
力）の作用方向はその隔壁５２に対するポンプ室１２１
の圧力の押上げ方向と同じになり、背圧による圧電素子
の振幅への拘束がなくなるため、背圧が出口バルブ５の
持つ１Ｊｌｉｔ性力及び隔壁５２に及ぼす外力に基づく
押付力に打ち勝つまでは、つまり所要のポンプ使用範囲
ではほぼ一定の流量を吐出することになる。

かかる本発明のポンプ性能を従来例を示した第１３図に
併記すると、同図のＣ線のようになる。

したがって、２バルブ式のマイクロポンプであっても３
バルブ式のものとほぼ同様の性能が得られ、しかもより
安価に製作できる。

第６図はダイアフラム６の駆動手段として上記の圧電素
子７に代え誘電体８を用いた実施例を示すもので、静電
気力を利用して上記と同様にダイアフラム６に振動を与
えることができる。

第７図は本発明の他の実施例を示す断面図で、第１図の
実施例における室１１３の上部にある表面板３の部分を
取り除いた場合を示すものである。

すなわち、この実施例では出口バルブ５０′）、隔壁５
２上方は大気に開放されている。

この構成によると、第１図の実施例のように人力流体を
出口バルブ５の上方にある室１１３に導入しないので、
入力流体の急激な圧力変化（例えば、ゴム製のタンクに
急激な外力が作用した場合など）に対する緩和手段は持
っていないが（なお、かかる外力の保護手段は他にとり
得る）、その代りに隔壁５２上に例えば歪センサ９を取
り付けることが容易にでき、この歪センサ９により出口
バルブ５のシール具合を検出することが可能になる。

出口バルブ５のシール性は隔壁５２の弾性変位で保持さ
れるので、この弾性変位の検出によりポンプ動作の制御
が可能になる。例えば、出口バルブ５の開度とポンプ出
力の関係を知ることができ、これにμづき流量制御が可
能になる。

また、第８図のように表面板３を全部取り除き、それぞ
れの隔壁４２．５２上に圧電素子１７，１８を取り付け
、積極的にバルブの開閉を制御する構成とすることもで
きる。この場合、少なくとも出口バルブ５側に圧電素子
１８を取り付け、その圧電素子１８によって出口バルブ
５の開閉を積極的に助勢し、そのシール性を高める。ま
た、ダイアフラム６の駆動用圧電素子７の動作と同期を
とることによりポンプ動作の安定性、正確性か向上し得
る。

また、入口バルブの４の弁体４１を出口バルブ５と同様
に入口ボート１１の出口１１ａを覆うようにキャップ状
に形成することもでき、シール性の安定化がはかり得る
とともに、より薄型に構成できる。

第９図は基板１と薄膜板２の間にさらに中間層として薄
膜板２と同じＳｉ材料の中間基板２１を設け、この中間
基板２１に入口・出口ポート１１゜１２が横向きになる
よう形成した構成例を示すものである。入口・出口ポー
ト１１．１２は前述のようにガラス基板１に孔を設ける
方法よりも、中間基板２１にエツチング法で形成するほ
うが簡単で安価であり、かつチューブ１３．１４を横向
きに引き出すことができるのでチューブの引き回し上部
台がよいからである。

第１０図はポンプの入口バルブ４側と出口バルブ５側を
上下２段に積層した構成例を示すものである。中間基板
２２としてガラス基板が上下の薄膜板２ａと２ｂの間に
挿入されており、上部の薄膜板２ａに入口バルブ４及び
ポンプ室１２１を形成し、下部の薄膜板２ｂに出口バル
ブ５を形成する。圧電素子７を固着したダイアフラム６
は上部薄膜板２ａ上に接合されている。

この実施例は、以上の各実施例が平面的な構成であるの
に対し立体的な構成を示すものである。

人力流体は基板１の入口ポート１１から出口バルブ５の
隔壁５２上方の流路１２５を通り、中間延板２２の通孔
１２６を経て入口バルブ４の室１１６に入る。ポンプ室
１２１の圧力流体は中間基板２２の通孔１２７を経て出
口バルブ５の室１２３に入り、出口バルブ５を介して出
口ボート１２より吐出する。

この実施例は高さ（厚さ）方向に寸法上の余裕がある場
合に特に有利である。

第１１図は以上の実施例において入口・出口バルブのシ
ール部４３．５３にそれぞれ予圧を与える方法の構成例
を示すものである。この場合、付勢膜１９，２０はＳｉ
、Ａｕ、Ａｇ等のメツキ層を基板１に施して構成したも
のであり、弁体側に同様の付勢膜を設けるよりも簡単で
均一な膜厚の接触面を形成することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、下記のような効果
が得られる。

（１〉出口ポートにおける背圧が出口バルブに対し開く
方向に作用するように構成したので、２バルブ式のマイ
クロポンプであっても所要のポンプ使用範囲においてほ
ぼ一定の流量性能が得られ、かつ安価に製作できる。

（２〉少なくとも出口バルブの隔壁上方を大気に開放す
ることで、シール具合ないしバルブ開度の検出が可能に
なり、それを利用してポンプ動作の制御が可能になる。

さらにその隔壁上に圧電素子を取り付けることにより、
積極的にバルブの開閉動作を制御することができ、シー
ル性がさらに安定する。

（３）本発明のマイクロポンプは薄型でコンパクトな構
成であり、平面的にも、あるいは立体的にも小型にでき
るので携帯に便利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマイクロポンプの実施例を示す断
面図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図Ａ−Ａ線、Ｂ
−Ｂ線における横断平面図、第４図は上記実施例の駆動
用圧電素子の駆動回路の実施例を示すブロック図、第５
図（ａ）、（ｂ）は上記実施例の動作図、第６図は誘電
体駆動による場合の構成図、第７図及び第８図は本発明
の他の実施例を示す断面図、第９図は入口・出口ボート
を横向きに引き出す方法を示す構成図、第１０図は薄膜
板を中間基板を介して２段に積層する方法を示す構成図
、第１１図は入口・出口バルブのシール部に予圧を与え
る方法を示す構成図、第１２図は従来のマイクロポンプ
の断面図、第１３図は従来例及び本発明の場合のポンプ
性能をあられす特性線図である。 １・・・基板 ２・・・薄膜板 ３・表面板 ４　入口バルブ ５・・・出口バルブ ６・・・ダイアフラム ７・・・圧電素子 １０・・・マイクロポンプ １１・・・入口ボート １２・・・出口ポート １７．１８・・・圧電素子 １９．２０・・・付勢膜 ２１．２２・・・中間基板 ２ａ・・・上部薄膜板 ２ｂ・・・下部薄膜板 １２１・・・ポンプ室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板と、該基板上に接合され、前記基板の入口ポ
   ート及び出口ポートの開閉を行う入口バルブ及び出口バ
   ルブ、ポンプ室を形成するダイアフラム、及び流体が流
   れる流路系を設けた薄膜板と、該薄膜版の上に接合され
   た表面板と、前記ダイアフラムを駆動する駆動手段とを
   有するマイクロポンプにおいて、 前記出口バルブが前記出口ポートの入口を覆うキャップ
   状の弁体からなることを特徴とするマイクロポンプ。 （２）前記駆動手段が前記ダイアフラムに固着した圧電
   素子であることを特徴とする請求項１記載のマイクロポ
   ンプ。 （３）前記入口ポートは前記出口バルブの隔壁上方に設
   けた室を経由して前記入口バルブを設けた室に通じてい
   ることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。 （４）前記ダイアフラムを有するポンプ室が前記出口バ
   ルブを設けた室及び前記入口バルブの隔壁上方に設けた
   室に通じていることを特徴とする請求項３記載のマイク
   ロポンプ。（５）少なくとも前記出口バルブ側の隔壁上
   方が大気に開放されていることを特徴とする請求項１記
   載のマイクロポンプ。 （６）少なくとも前記出口バルブ側の隔壁上方が大気に
   開放され、その隔壁上に圧電素子を固着したことを特徴
   とする請求項５記載のマイクロポンプ。 （７）前記入口バルブが前記入口ポートの出口を覆うキ
   ャップ状の弁体からなることを特徴とする請求項１記載
   のマイクロポンプ。 （８）前記基板と前記薄膜板の間に中間基板を設け、該
   中間基板に前記入口ポート及び出口ポートを横向きに引
   き出すことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ
   。 （９）前記入口バルブ及びポンプ室を設けた上部薄膜板
   と、前記出口バルブを設けた下部薄膜板とを中間基板を
   介して上下に接合し、該中間基板に前記入口ボートから
   前記入口バルブの室に通じる流路及び前記ポンプ室から
   前記出口バルブの室に通じる流路を設けたことを特徴と
   する請求項１記載のマイクロポンプ。 （１０）前記入口バルブ及び出口バルブのシール部に予
   圧を与える付勢膜を前記基板に設けたことを特徴とする
   請求項１記載のマイクロポンプ。