JPH0450484A

JPH0450484A - マイクロポンプにおける検出装置

Info

Publication number: JPH0450484A
Application number: JP16173290A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Amano; 和彦天野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1992-02-19

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
ロポンプに関し、さらに詳しくは、２バルブもしくは３
バルブタイプのマイクロポンプにおいてダイアフラム部
及びバルブ部の動作状態を検出する検出装置に関する。

〔従来の技術〕

８１マイクロマシーニング技術を応用したマイクロポン
プについては、例えば日経エレクトロニクスに４８０、
第１３５頁〜第１３９頁（１９８９年８月２１日発行）
に記載されている。マイクロポンプの構成としては、２
バルブ（入口・出口バルブの２つ）のものと、３バルブ
（人口φ出口バルブのほかに中間バルブの計３つ）のも
のがあり、それぞれ一長一短がある。ここではそれぞれ
の長所、短所については特に触れない。

いま、２バルブのものについて説明すれば第１３図のよ
うに構成されている。ガラス基板２００の上にＳｊ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Ｓ
ｔ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２０７で駆
動する構成である。ガラス基板２００にはバルブ２０２
．２０３にそれぞれ通しる入口ポート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、−本字気層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２０２．
２０３がそれぞれ反対に動作し、入口ポート２０８から
流体を吸い込み、出口ポート２０９への吐出はバルブ２
０３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（糖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。

〔発明が解決しようとする課題〕

マイクロポンプによる微量の精密な流量制御の可能性は
、特にダイアフラム部及びバルブ部の制御性により達成
される。したがって、かかる部分の動作状態を高精度に
検出することが肝要になる。

例えば、インシュリン投薬への利用を考慮した場合、出
口ポートにおける背圧が所要の水頭（例えば４００＋ｓ
ｍ）以下では常に一定の流量を吐出することが必要であ
るが、こうした流量制御はダイアプラム部と出口バルブ
部の高精度のコントロールによってはじめて可能になる
。

本発明は、マイクロポンプにより微少の流量制御を行う
うえで欠くことのできないダイアフラム部及び／または
バルブ部の検出装置を提供することを目的とする。

〔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
ンプにおける検出装置は、２バルブもしくは３バルブの
マイクロポンプにおいて、出口バルブを設けた隔壁の挙
動を検出する手段を設ける。

該検出手段は検出用歪ゲージブリッジから構成され、直
接上記隔壁中に拡散された抵抗層を形成させる。

また、バルブ部用検出手段は検出波形の立ち上がりから
複数段階の所定時間経過後において基準電圧と比較し、
ハイまたはローを示す順序により正常か否かを判定する
検出回路を持っている。

〔作　用〕

本発明におけるマイクロポンプは、ダイアフラム部駆動
用の圧電素子によってダイアフラムを周期的に振動させ
一定の微少の流量を吐出するようになっている。したが
って、出口バルブの振動波形を検出することにより動作
が正常か否かを的確に判定することができる。検出装置
としては、検出動作がより安定な歪ゲージブリッジを用
いるのが良い。

また、検出結果の判定方法は、増幅後の検出波形の立ち
上がり状態から判断することができ、立ち上がりか−ら
複数段階の所定時間経過後において基準電圧と比較し、
ハイ（Ｈ）かロー（Ｌ）を示す順序によって、例えばＨ
−Ｈ−Ｌの順序なら正常、それ以外はなんらかの不具合
が発生していると判断する。

ｒ実　施　例〕第１図は本発明におけるマイクロポンプの実施例を示す
断面図で、２バルブの場合を示している。

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。

まず、マイクロポンプの構成について説明する。

全体符号１０て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關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。

これらのポ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１４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０．３ｗ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、１６
ｂ、１６ｃて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
なる入力流路］１１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１］６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１］
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は出口ポート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の挿入口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０．５１である。

次に、検出装置１００の構成について説明する。

この検出装置１００はマイクロポンプ１０の出口バルブ
部５を設けた隔壁５２の挙動を検出するように取り付け
られている。

第１図に示すように、検出装置１００は出口バルブ５を
設けた隔壁５２の中に例えば抵抗拡散により設けた歪ゲ
ージブリッジ１０１を有している。

図中、１０９．１１０．１３０．１３１は検出用歪ゲー
ジブリッジ１０１のリード線である。

この歪ゲージブリッジ１０１によって、出口バルブ５の
挙動は隔壁５２の弾性変位を電圧変化として検知できる
。

次に、第４図〜第６図はバルブ部、特に出口バルブ部１
０３の検出装置１００の実施例を示すものである。

第４図に示すように、検出装置１００はダイアプラム駆
動用圧電素子７と同様の圧電素子１０４からなり、出口
バルブ５を設けた隔壁５２の上に検出用圧電素子１０４
を固着している。

この検出用圧電素子１０４によって直接、出口バルブ部
１０３の隔壁５２の機械的変位を検出することができる
。

同様に、第５図はＳｉ基板からなる表面板３の出口バル
ブ５上方部分に当る振動部３２上に同様の検出用圧電素
子１０５を固着し、その表面板振動部３２と出口バルブ
５を設けた隔壁５２とを振動伝達用突起５３により連結
する。出口バルブ５の挙動は隔壁５２の弾性変位として
現れ、突起５３により表面板振動部３２に伝達されるの
で、その振動波形を圧電素子１０５で検出することによ
り、間接的に出口バルブ５の挙動を検知できる。

第６図は誘電体１０７を隔壁５２上に取り付けた場合で
ある。

マイクロポンプ１０の動作は次のようになっている。第
７図に駆動用圧電素子７の駆動回路及びこの回路に例え
ば出口バルブ部用検出装置１００（検出用歪ゲージブリ
ッジ１０１）の検出回路を付加した回路構成を、第８図
に第１図の実施例の動作状態を示す。

第７図において、７０１はリチウム電池等の電源、７０
２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、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、７０８
は検出回路である。

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３■の電圧を５０Ｖに昇圧し、レベルシフタ７
０４によってＣＰＵ７０３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
、ｌＨｚ〜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８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］−１８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
、出口ポート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８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を通じて入口ポート１
１に連通する室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。この場合
において、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弁体５１で形成されているため、出
口ボート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、背圧は
出口バルブ５に対し常に開く方向に作用している。その
ため、背圧が出口バルブ５の持つ弾性力及び隔壁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。

このマイクロポンプの流量性能は第９図のように示され
、差圧Ｐがある圧力、約４００　＋ｎ　Ｈ２０まではほ
ぼ一定の流量Ｑを吐出する。

また、検出装置１００及び検出回路７０８の動作は次の
とおりである。

圧電素子７に駆動電圧が印加されると、それに同期して
ＣＰＵ７０３は決められたタイミングで検出用歪ゲージ
ブリッジ］０１及び検出回路７０８によりその状態を読
み込む。そして、不具合発生が検出された場合には、Ｃ
ＰＵ７０３より駆動停止の信号を出したり、表示装置７
０６に不具合の表示をさせたりする。

検出回路７０８では、検出用歪ゲージブリッジ１０１の
発生電圧を増幅したり、ノλイ（Ｈ）、ロー（Ｌ）の比
較を行い（回路中のコンパレータの働き）　、ＣＰＵ７
０Ｂにその信号を送る働きをする。

第１０図は検出用歪ゲージブリッジ１０１の出力波形の
一例を示す波形図で、これは第１１図（ａ）に示すよう
に、駆動用圧電素子７に５０ｖ１１Ｈｚの電圧パルスを
印加したときの出口バルブ上の検出用歪ゲージブリッジ
１０１の出力の立ち上がり部Ｂ（第１２図（ｂ））を増
幅して示したものである。

第１０図において、Ｐはポンプが正常な場合、Ｑはポン
プ内に空気が入っている場合、Ｒはポンプや注射針等に
詰まりが生じている場合の各波形を示している。Ｖｏは
検出回路７０８で不具合発生状態を判定するためにあら
かじめ設定された基準電圧であり、検出用歪ゲージブリ
ッジ１０１の出力パルス立ち上がりから所定時間Ｔ、　
、Ｔ２、Ｔ３後における電圧が基準電圧Ｖ。に対し口（
Ｌ）またはハイ（Ｈ）を示す順序により不具合発生状態
を判定する。すなわち、例えば、Ｔ、−１０ｍ５ｅｃ、
Ｔ２−３０ｍｓｅｃ、Ｔ３−５０ｍ５ｅｃとすると（な
お、Ｔの取り方は何段階でもよい）、Ｐ（正常な場合）；（Ｔ＋　、Ｔ２　、Ｔ３）−（ＨｌＨ−Ｌ）−（１，１
，０）Ｑ（空気が入っている場合）；（Ｔ＋　、Ｔ２　、Ｔ３　）−（Ｌ、ＬＳＬ）＝（０，
０，０）Ｒ（詰まりの場合）；（Ｔ＋　、Ｔ２　、Ｔ３　）−（ＨＳＨＳＨ）＝（１，
１，１）となるので、不具合発生時の態様を検知できる。

第１２図は不具合の態様と各検出用圧電素子の出力波形
の関係を概略的に示したものである。

（ａ）ポンプ内に空気が入っている場合空気を圧縮する
ことのみに圧力が使われるので、ダイアフラム部の検出
波形は急峻な立ち上がりて上下に振動するのみである。

出口バルブ部の検出波形はほとんと振動せす、上側にし
か振動しない。

（ｂ）ポンプ、チューブ、針先の詰まりの場合ダイアフ
ラム部の振動に応し、出口バルブ部は急峻な立ち上がり
て逆相に上下動する。

（Ｃ）ポンプ内での洩れがある場合上記（ａ）と同しである。

（ｄ）タンクに強い圧力が加わった場合ダイアフラム部
、出口バルブ部共に圧力が加わった瞬間に急に立ち上が
り、その力が解消するまで続く。

（ｅ）駆動用圧電素子・ダイアフラムの亀裂、リード線
の断線等の場合ダイアフラム部、出口バルブ部共に振幅が小さくなるか
、出力が出なくなる。

（ｆ）出口バルブが背圧により開いたまま、あるいはゴ
ミが出口に詰まりバルブが開いたままの場ム上記（ｂ）と同じである。

なお、以上の検出は波形のプラス側だけをみる。

以上のように不具合が発生すると、程度の差はあれ、な
んらかの違いが波形に現れる。また、ポンプ内が圧縮性
の空気から非圧縮性の液体に切り替わった時やその逆の
状態の切り替え時期をも検出波形から検知できる。

なお、以上の実施例では２バルブのマイクロポンプにつ
いて説明したが、３バルブのものでも同様に適用できる
。

〔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）２バルブもしくは３バルブのマイクロポンプにお
いて、出口バルブ部の振動波形を検出するように構成し
たので、その振動波形からポンプ動作が正常かそうでな
いかを的確に判断できる。

（２）検出装置に歪ゲージブリッジを用いることで、よ
り安定な構成とすることができる。

（３）検出回路を、検出波形の立ち上がりにおいて決め
られた時間ごとに基準電圧と比較し、ｌ＼イかローを示
す順序によって正常か否かを判断するよう構成したので
、判断ミスを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による出口バルブ部用検出装置を備えた
マイクロポンプの一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、ＢＢ線における横断平
面図、第４図〜第６図は出口バルブ部用検出装置の取付
構成例を示す断面図、第７図は第１図の実施例の回路構
成例を示すブロック図、第８図（ａ）、（ｂ）は第１図
の実施例の動作図、第９図は第１図の実施例のポンプ性
能をあられす特性線図、第１０図は検出された出力波形
の判定方法を示す説明図、第１１図（ａ）はダイアフラ
ム駆動用圧電素子に印加すべき電圧パルスの波形図、第
１１図（ｂ）はバルブ部検出用歪ゲージブリッジの出力
波形図、第１２図は不具合の態様と検出場所の出力波形
との関係を示す説明図、第１３図は従来の２バルブタイ
プマイクロポンプの断面図である。１　・　拳２　・　・３　・　・４　・　・５・　・６　・　・７　・　・１０　・　◆ １１　・　・１２　・　・３２　・　・５２・争５３　・　・１００　・　・１０１　・　・・基板・薄膜板・表面板・入口バルブ・出口バルブ・ダイアフラム・圧電素子・マイクロポンプ会入ロポート・出口ポート・表面板振動部・隔壁・振動伝達用突起・バルブ部用検出装置・検出用歪ゲージブリッジ第２図り基徂２」１腹３：表面様４：、）、［１１＼゛１ν了゛９、土［１１＼′ル］” ６　：　Ｔ゛イ了１′７４ワ；　ｒＥｔｉ＋０・マイク０丁ルアゝ］１：入口ホー１− ｚ：　ｔｏ、ｔ’−ト４（２炉（：Ｗ停止２．リン：ｖｎ九と１１；↑・＞７を第３図第５区 ÷ 第了図第図（ｂ）諸１０口第９図鵞口第第１３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板と、該基板上に接合された薄膜板と、該薄膜
板に形成されたダイアフラム部及び少なくとも２個所の
バルブ部と、前記ダイアフラム部の駆動手段とを備え、
前記基板の入口ポートから流体を吸入し、前記基板の出
口ポートから吐出するように微量の流量制御を行うマイ
クロポンプにおいて、前記バルブ部が出口バルブを設け
た隔壁の挙動を検出する検出手段を備えたことを特徴と
するマイクロポンプにおける検出装置。
（２）前記出口バルブ部の検出手段が前記隔壁上中に拡
散された抵抗層であることを特徴とする請求項１記載の
マイクロポンプにおける検出装置。
（３）前記出口バルブ部の検出手段が前記隔壁に振動伝
達用突起を介して連結された表面板振動部上に固着され
た検出用圧電素子であることを特徴とする請求項１記載
のマイクロポンプにおける検出装置。
（４）前記出口バルブ部の検出手段が前記隔壁上に固着
された検出用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における検出装置。
（５）請求項１記載の検出手段が検出波形の立ち上がり
から複数段階の所定時間経過後において基準電圧と比較
し、ハイまたはローを示す順序により正常か否かを判定
する検出回路を持っていることを特徴とするマイクロポ
ンプにおける検出装置。