JPH0463974A

JPH0463974A - マイクロポンプにおける検出装置

Info

Publication number: JPH0463974A
Application number: JP17590890A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Amano; 和彦天野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1992-02-28

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プラム部
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〕

Ｓｉマイクロマシーニンク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Ｎα４８０
、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・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１１図のよ
うに構成されている。ガラス基板２００（’）ＪＪ−Ｓ
　ｉ　ＲＨ板２０１により２つのバルブ２゜２．２０３
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
２０７で駆動する構成である。ガラス基板２００にはノ
（ルブ２０２．２０３にそれぞれ通しる人口ポート２０
８及び出口ボート２０９か設けられ、空気層２０６の空
気膨張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人口）〈ルブ２０２を閉しる
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、−力学気層２０
６の収縮によりダイアプラム２０４が元に戻ると、上記
ノくルブ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（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
、特にダイアプ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
検出することか肝要になる。

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４００ｍｍ
）以下では常に一定の流量を吐出することか必要である
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
うえて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。

該検出手段は拡散歪ケージブリ・ツジと、温度補償回路
および電圧周波数変換回路から構成され、温度補償回路
と電圧周波数変換回路は薄膜板上に形成させる。

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、
ノ１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、ダイアプラム部駆動
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拡散歪ゲージブリ・ソ
ジと、温度補償回路と電圧周波数変換回路を用いるのが
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、立ち上かりから複
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。

〔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。

ます、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１１程度のガラス基板からなり、
入口ポート１１及び出口ボート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０．３ｍｍ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、１
６ｂ、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、人口ポート１１に連
なる入力流路１１１が設けられ、人力流路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
通し、さらに通孔１１４及び連絡流路１１５を介して人
口バルブ４の室１１６に通じている。人口バルブ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に通している。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の人口１２ａを覆うキ
ャップ状の正方形の弁体５１て形成されている。

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ト線である。

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ｎ形Ｓｉの薄膜
基板３の［１００）面に出口バルブ５を設けた隔壁５２
のＣ１１０）または［１１０）方向に長手方向をもつｐ
形紙抗層による拡散歪ゲージブリッジ１０６を何してい
る。この拡散歪ゲジブリッジ１０６によって、出口バル
ブ５の挙動を隔壁５２の弾性変位を電圧変化として検知
し、その出力信号を薄膜板３上に集積化した温度補償回
路により温度依存性を低減した後、さらに同しく薄膜板
３上に集積化した電圧周波数変換回路で信号対雑音比を
高めている。

次に第４図はバルブ部、特に出口バルブ部５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、誘電体ブリッジ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
５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（検出用拡散歪ゲージ
ブリッジ１０６）の検出回路を付加した回路構成を、第
６図に第１図の実施例の動作状態を示す。

第５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
らポンプ駆動信号か出力される。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
、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か第６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か下側へ押され、人口
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６図（ｂ）のように」二側へ
たわむと、ポンプ室１２コが減圧するので、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１］７を通して入口ポート
１１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。この場合
において、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弁体５１て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
及は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７図のように示され
、差圧Ｐがある圧力、約４００１１ＩＩＩＨ２０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
ＣＰＵ７０Ｂは決められたタイミングで検出用拡散歪ゲ
ージブリッジ１０６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
、ＣＰＵ７０Ｂより駆動停止の信号を出したり、表示装
置７０６に不具合の表示をさせたりする。

検出回路７０８では、検出用拡散歪ゲージブリッジ１０
６の発生電圧を増幅したり、ハイ（Ｈ）、ロー（Ｌ）の
比較を行い（回路中のコンパレータの働き）　、ＣＰＵ
７０３にその信号を送る働きをする。

第８図は検出用歪ゲージブリッジ１０６の出力波形の一
例を示す波形図で、これは第９図（ａ）に示すように、
駆動用圧電素子７に５０Ｖ、］Ｈ２の電圧パルスを印加
したときの出口バルブ上の検出用拡散歪ゲージブリッジ
１０６の出力の立ち上がり部Ｂ（第９図（ｂ））を増幅
して示したものである。

第８図において、Ｐはポンプか正常な場合、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
まりか生じている場合の各波形を示している。■ｏ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１０６の出力パルス立ち上がりから所定時間Ｔ１、Ｔ
２、Ｔ３後における電圧が基準電圧Ｖ。に対しロー（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、Ｔ
２−３０ｍｓｅｃ、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）；（ＴＩ　、Ｔ２　、Ｔ３　）−（Ｈ，Ｈ，Ｌ）＝　（１
、１，０）Ｑ（空気が入っている場合）（ＴＩ　、Ｔ２　、Ｔ３　）−（Ｌ、Ｌ、Ｌ）−（０，
０，０）Ｒ（詰まりの場合）：（ＴＩ　　、Ｔ２　、Ｔ３　）＝　　（Ｈ，Ｈ，Ｈ）−
（１、１、１）となるので、不具合発生時の態様を検知できる。

第１０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で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ど振動せず、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）と同じである。

（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）出口バルブ部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合上記（ｂ）と同しである。

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）検出装置に拡散歪ゲージブリッジを用いることて
、より安定な構成とすることができる。

（３）温度補償回路および、電圧周波数変換回路を拡散
歪ゲージブリッジと温度集積することによって、安定性
が高い検出ができる。

（４）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、ハイかローを示す
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かできる。

【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、Ｂ−Ｂ線における横断
平面図、第４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５図は第１図の実施例の回路構成例を
示すブロック図、第６図（ａ）、（ｂ）は第１図の実施
例の動作図、第７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８図は検出された出力波形の判定方
法を示す説明図、第９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９図（ｂ）
はバルブ部検出用拡散歪ゲージブリッジの出力波形図、
第１０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１１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　・　・　・２　・　・　・３　・　◆　・４　・　・　・５　・　・　・６１　・７１　・１０　・　・　・１１　・　・　・１２　Φ　・　会３２・　・　・５２　争　・　φ ５３　・　・　中１００　・　・　・１０６　・　・　・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入口ポート出口ボ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拡散歪ゲージブリッジ以上１：１＆　　級２；＊Ｉｔｌ板３：表面板４：入ロバルフ５：出ロバルフ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：出口ボート４１５”ｌ：弁体４２．５２・隔≧ １２１：ボソブ！１００：Ｉ！出袋！２００；温度補償口路２０１：電圧同濃数変換回兇第３図を吐出第４図第５図第９図第１０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とを備え、かつ前記出
口バルブの検出手段が前記隔壁上中に拡散された拡散歪
ゲージブリッジと、前記薄膜板上の温度補償回路および
電圧周波変換回路であることを特徴とするマイクロポン
プにおける検出装置。