JPS58101276A - 圧電効果ダイヤフラム式マイクロポンプ装置 - 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】 本発明はポンプに関するもので、４Ｉに人間の体内へ注
入する為のポンプに関するものである。

人体用として使用される流体注入システム分野にシーて
、現在の装置は完全注入方式でもなければ、直接制御方
式でもなく、ポンプの入口側に加わる圧力によシ起こる
吹き通しくブロースルー）を防止することもできない。

ブロースルーの防止が必要であるといりことは、ブロー
スルーが原因で発生するのかも知ｊＬない貯蔵タンクに
加わる突然の圧力によって、薬やホルモンの潜在的に危
険愈過度な投与が不注意に病人に無理や９行なわｎるこ
とがａｈように安全を確保する為である。米国特許第３
，９６３，３８０号は。

マイクロポンプに動力を供給する圧電効果円盤屈曲体の
長所とその概念にりｉで記載している。

これを端的に説明すると、該タンク及び不発明によるダ
イヤフラム式タンクは少容量の流体をタンク送給するた
めに連鎖的に操作される電磁制御パルプ装置と圧電効果
容積可変！を採用して−る。この連鎖操作け、前記電磁
パルプ装置と前記圧電効果容積可変室の制御機構と０ｒ
ＩＩｉに位相差【発生させることによシ得られる。不発
明を実施することによって、米国特許 ｇ　３，９６３．１８０号に記載さｒｔ　テｘる！イク
ａｙ１７プｔダイヤフラム式Ｉンプに変換してより良好
な結果を得ることが可能である仁とが判明された。又、
米国特許第３．９６３，３８０号に記載されている特定
実施例にお−てひとつの困難点が発見さｎており、そｎ
はタンク送給されてｉる媒体中に多少の気泡が存在して
―ても鋭敏に影響さｎることが判明し要点である。ポン
プ内に気泡が蓄積されることもあシ、その場合には時折
タンクが気体で充満さ牡ることも考えら詐る。又さらに
、従来のマイクロポンプは一般的に４ンプ装置内のポン
プ送給さ牡る媒体を大量ＫＩｊりｌｌ！とする。又この
様な従来のマイクロポンプに呼び水を差す時は相当な注
意が必要である。

本発明は以上の点Ｋｌｉみなさｔ′Ｌ友ものであって、
自動呼び水飴動可能であシ、しかも気体ｔもタンク送給
可能な圧電効果式空気袋タンクを提供することを目的と
する。本発明のポンプ構′　造にお−ては、１（１乃至
複数個の円盤屈曲体が動作を行なう、容積可変室が、実
質的に非圧縮性である液体で充填されシールさｎている
。不発明における如く、一度の液体の充填でかなりの調
整がなさ詐る場合には、非圧縮性液体は気泡を含有せず
、又脱気処理も施されたものとなる。

シールされた室の内部にはポンプ送給されて−る流体が
流通する可撓管が設けられている。この様に可撓管を設
けることによって、結果的に、前記容積可変室ｔダイヤ
フラムタンプ、即ち空気袋−ンプに変換することＫなる
。圧電効果物質体によって発生される圧力変化が、非圧
縮性液体を介して可撓管に伝達され、該可撓管が拡縮し
てその中を流体を通過させる。容積制御及び圧電効果駆
動装置のその他の特性を維持しながら、圧電効果Ｉンプ
の概念及び構造を空気袋構成と共に使用する仁とが可能
である仁とが分かった。

以下本発明の具体的実施態様につ１！、添付の図面に基
づき説明する。菖１ａｉｉｌは、容積可変室１２と電磁
パルプ１４．１５とを有する本発明の４ンプの好適１に
実施態様を示す、該容積可変室１２は、内側肩部２２を
有する円筒部２０を包含する。肩部２２には電気信号に
応じてその形状が変化する円盤屈曲体２３が付設されて
ｉる（尚、円盤屈曲体２３は前記容積可変室の残部を形
成して−る）。円筒部２Ｇはプラスチック製１例えばレ
フずン（Ｌｅｘａｎ　）が良く、又円盤屈曲体２３は市
販されてｉるエニット１例えばフラートｙ　（Ｆｕｌｌ
ｅｒｔｏｎ）社、又はガルトン工業（Ｇｕ−１ｔ＠ｎ　
　Ｉｎｄｕｓｔｒｉ＠ｓ）社から発売されてｉるＧ−ｉ
ｓｏ。

臘円盤屈曲体を使用可能である。円盤屈曲体２３は接触
セメント、例えばイーストマン（Ｅａｓｔｍａｎ）９１
Ｇで円筒部２０に固着されてｉる。この円盤　　。

屈曲体は、圧電効果物質（鉛−リルコン・チタン・ピエ
ゾセラ電ツク）で構成さｔｕｔ薄板２６（直径０．９８
０インチ（２−４５ｃｍｍ　）　ｅ厚み０．００９イン
チ（０，０２３０ｍ）　）　ｔ、真鍮製はさみ材で構成
され薄板２６より少し大き一円盤２４（直径１．３７５
インチ（３，４９ＣＩｌ）　ａ厚み０．１０インチ（０
，２５４ｃ諷））にニー命シ系接着剤で接着して形成さ
れて−る。

薄板２６の外表面には薄め銀付着層が形成されて−る。

そして、該銀付着層と前記真鍮円盤２４との夫々＃ＩＣ
はんだ付を行なうことにより電気的接続を形成する。銀
付着層と真―円ｆｆ１２４間に電圧が印加されると、薄
板２６の結晶内に形成　□される電界によｐ結晶が印加
さｎた電圧の方向に従って直径方向に伸縮する。しかし
ながら。

結晶の円周部は真鍮円盤２４に接着さｎている為増加で
きな−ので中央部がふくらみ、結果的に球表面を形成す
る動作となる。仁の変形の大きさは印加された電圧の大
きさに比例する。

不発明の実施例によれば、容積可変室１２は非圧縮性液
体１７．例えば脱気脱泡さｎ丸木やシリコン油等が充填
され、密閉構造となって−る。容積可変室１２は、充填
用配管１９で充填され、その後充填用配管１９はシール
される。

圧電効果円盤屈曲体２３により非圧縮性液体１７内部に
発生される圧力が容積可変室１２の内部に存在する伸縮
自在な内部スリーブ管３５の直径を拡縮する。

容積可変室１２は一壁２０に穿設され丸孔３０に挿持さ
れる導管２８で亀磁六ルゾ１４に接続されて釣る。同様
に、壁２０に穿設され丸孔３１Ｋ挿持さｎた導管２９で
容積可変室１２と電磁パルプ１５は接続されてｉる。例
えば１７８インチ（０，０３２ｃｍ）の軟質テフロン管
で肉厚が０．００１インチ（０，００２５Ｃｓａ）の伸
縮自在内部スリーブ管３５を使用して導管２８と導管２
９を結合する〇電磁パルプ１５は本発明のシステムを通
じて４ング過給される流体を導入する為の人口３４を有
り、　一方電磁パルタ１４は出口３２會有する。入口３
４から出口３２１での流体の給送は、容積可変室１２の
内部を貫通する伸縮自在の内部スリーブ管３５を介して
行なわれる。仁の流体Ｏ給送は、電磁石３８の電機子３
６が電磁バルブ１５として働き、電磁石３９の電機子３
７が電磁バルブ１４として働−て制御さｎている。

電機子３６，３７のうち−ずれか一方、又は両方が、双
方Ｏ電磁石３８．３９（ＤｊｋｌＫされてすなｉ時にス
プリング４０によって閉位置に保持さｎている。入口３
４は送給しようとする流体を貯える貯蔵器Ｋ１１続さｒ
ｔ、出口３２は流体の送給を受ける体の箇所Ｋ１１ｌ続
さｎる。第１図では。

容積可変室１２が拡張し電磁パルプ１５が開ｉて、当＃
ポンプが吸入状１１にある。スリーブ管３５に液体圧力
が作用しなめ場合ＫＦｉ、スリーブ管８６に流体が流れ
込む。一連の動作が変わろと、（即ち、電磁パルプ１５
が閉じ、電磁パルプ１４が開！％円盤屈曲体２３が反対
側に変形させられる）非圧縮性液体は圧力を増し、この
増加圧力がスリーブ管３５を圧縮して導管２８及びその
際に開いて−るバルブ１４を介して内部流体を排出口３
２へ送る。

本発明による空気袋ポンプにお−て圧電効果ｉイクロ４
ンプの長所が活用されてｉる。有用な働きをする力が結
晶体内部で静電気的に発生さ牡る。軸受や摺動部分をな
くし九ことにより摩耗が必然的に除去されている。唯一
の疲労箇所が伸縮自在なスリーブ管３５であるが、咳ス
リーブ管も相当前から、何百万回もの伸縮くり返し回数
にも耐える弾性に富んだ材料がプラスチック技術により
製造されている。圧電効果円′　盤屈曲体２３で発生さ
れる力に対する支持用円盤２４の応答速度は、好都合に
、圧力変化に対する内部スリーブ管３５のたわみ応答速
度に妥当な根ｊ［に近似しており、双方ともほんの数さ
９秒間の）々シス１例えば約１０ミリ秒間パルスに４十
分応答する。結局、本発明の空気袋ポンプは、米国特許
第３．９６：１，３８０号に記載されている圧電駆動マ
イクロ４ンプと同じ操作特性を有する。

本発明０４ンプ操作回路の主要部分を第２図に示し・で
ある。又、菖７図は１本発明−ンプ０操作回路の好適な
具体例を詳細に示している。

第２図にお−で、Ｉｌ波数が可変抵抗器Ｒ−により約４
０〜７０ぶに制御可能な矩形波発生器１が、トランジス
タＱ＊　、　Ｑｓの対、及びトランジスタＱｓ＝Ｑａの
対の夫々のトランジスタの対を交互に導通させる。従っ
て、トランジスター。

とＱ、は電圧■　とＶ−から接地電圧に変化する際に交
互に導通され、変圧器２Ｃ）１次側を介して反対方向の
付勢電流路を交互に形成させる。同様に％トランジスタ
ー３とＱ４が、交互に夫々ワンショットマルチバイブレ
ータＩＣ，とＩＣ５ｔ作動さ−ｔ、ｍｓバルブ１５と１
４０コイル３８と３９とを交互Ｋｊｋｌｌさせる。コイ
ル３８と３９を流れる電流の時間間隔（例えば２〜１ｏ
ミリ秒）は、夫々、可変抵抗器Ｒ＠　＊　Ｊ。によって
制御可能となっている。変圧器２の２次側から引、　出
さｆ′Ｌ九２本の導線は、夫々１両端を圧電効果用結晶
体２６と真鍮円盤２４とに接続さｒｔ′ｃｖｈる。これ
ら円盤屈曲体２３への接続は、咳屈曲体が２次側に誘起
される正・負電圧に応じて伸縮自在な内部スリーブ管３
５に近離して屈曲する様になさｎている。変圧器２Ｄ２
次儒には電磁パルプ１４，１５の動作に連動して圧電効
果薄板２６を効率よく変形させるに十分な高電圧が供給
さｎる。このようにして、伸縮自在なスリーブ管３５を
経由して容積可変室１２を通過する流動媒体の脈動の適
切な連鎖動作が提供される。信号発生６１６は、連続的
に一ンプを稼動させる為連続して周期的ノルス會発生さ
せるものでも、又間欠的に／ンプを稼動させるために所
定数のノ臂ルスを発生させるものでも良−０本発明の制
御システムの好適なひとつの実施例が第７図に図示さｎ
て−る。ζこで用−られている符号τ、矩影波発生器１
をＩＣ４で示してあシ、又円盤屈曲体２３ｔＰで示した
こと以外は、第２図で使用された符号と同一符号を用い
た。矩形波発生器ＩＣ，は、可変抵抗器Ｒ，Ｋよって４
０〜７０Ｈｊの開波数範８に制御可能な従来の７４１演
算増幅器管使用することが可能である。しかしながら、
十分なノ櫂ワーを有する矩形波電゛圧パルスを与え、か
つ２０〜７０　Ｈ！の周波数範囲に周波数や／臂ルス幅
′ｔｌ１節可能な装置なら任意のものを使用可能である
。ＩＣ，は当該回路Ｏプログラム可能なタイマーであり
、ワンショットマルチバイブレータを内蔵する。該ノ（
イブレータは、動作されると、トランジスタＱｉ数 七−秒間導通させ、　ＤＣ−ＤＯコンノく一タＩＣ，ｔ
０ オンさせる０ タイマーＩＣ８に内蔵さｎたワンショットマルチバイブ
レータは、設定手段Ｓ、によって設定すｎるデジタル（
ＢＣＤ）制御機構によって決定される時間間隔で作動さ
牡る。かくして、ｌ臂ルス列の間隔が決定される。変圧
器２は、アライド。

エレクトｏ＝クス社（Ａｌｌｉ＠ｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ）アーチャー（Ａｒｅｈ＠ｒ）カタ■グＡ　２７
３−１３７６のような小型オーディオ久方装置のｌ対を
第７ＧＥＴ□及びＴ、で示す如く、［列接続して構成し
ても良く、円盤屈曲体Ｐ１を高インピーダンスコイルの
両端ＫＩＩ続して設けると良い。ＩＣ，は調節され九電
圧いとＶ−を供給するための電圧調節器である。本実施
例［ｌ１ｌ）１！な入力用電力は約２．３〜２．５ワツ
トである。

上記回路が決して唯一のものでなく同一目的に対しては
多種多様な電気的構成が適用できることに注意すべきで
ある。

第４図で示さｎるように１本発明のポンプの排出容量は
パルス列におけるパルス数の１次関数である。実際Ｋ　
％　ａ臂ルス列におけるパルス数とパルス列を生じさせ
る周波数の両者は、ポンプの排出量を調節するのに使用
されている。こ０のようなデエアルモード、の制御方式
は、理論的に無限範囲の排出量を提供できる。前記事項
に加えて、さらにバルブの開状態の時間（及び第６図に
示した如（七ｎと背圧との関係）のみならず発振器の周
波数（第５図に示したパルス列の・９ルス間の間隔）を
調節することにより排出量の付加的な「微調整」が可能
となる。第５図で示されるように、当該ポンプの排出量
（パルス列における所定のパルスに対する）は、パルス
間の時間間隔が約４２乃至６１Ｈ！Ｏ１ｉ！ｆｌ波数範
囲に相当する１６乃至２４きり秒の範囲にあるときは本
質的に一定となる。バルブの開状態時間を調節すること
により、パルス列のパルス毎のポンプ出力及び流ｔＬｔ
停止させる背圧を変化させる。８６図に示す如く（黒点
参照）、当該ポンプとバルブシステムは、バルブが比較
的長時間開状態である様に抵抗Ｒ１及びＲ１゜（ｌｌ１
図及び第７図参照）を設定することによって背圧の変動
が小さい状態で、最大容量を送給できるよう最適化させ
ることが可能である。他方、又当該ポンプは、４Ｌバル
ブ開状態時間を短（することによって背圧が著しく変動
する場合Ｋｔよ。

流れＯ安定性及び再現性（白点参照）を高める為に最適
化させることが可能である。この後者の特徴は％４ンプ
出力が背圧に影響されることを最小とする為Ｋ１１節が
可能であるとｉう安全対策上重要な点でおる。第５図に
示した如く、ポンプの周波数に関係なくパルプ動作を制
御できると１９ことＦｉ、単一パルプの場合と比べかな
り改良されて−るとｉ５仁とを意味する。然るに、単一
バルブの場合におけると同様に最も重要な安全性［Ｉｇ
１する特徴は、電力ｔｍ断した場合に流体が通流するこ
とを防止でき、かつ外的な圧力が加わった場合にバルブ
を閉鎖できるようなバルブ構成である。

以上、特定の市販されて−る要素を用い、詳細に好適な
実施態様について記載し九が、これらは圧電効果ｇＩ素
＃電気的操作バルブ、信号発生器及び位相変換回路の単
なる例であるに過ｒない。

圧電効果ポンプを空気袋ポンプシステムとして構成する
ことＫより−（つかの明確な利点をもたらす。即ち、本
発明によるポンプは自動呼び水式であり％しかもエアー
もポンプ送給できる。ここに記載した具体例では６０　
ｓａ）Ｉｇの圧力でエアーを送給でき　ＺＯＯｓｕｓＨ
ｇの圧力で液体も送給できる。４ンプ用圧力に関する改
良点は。

部分的には、４ンプシステム内部のポンプ送給される流
体の容！ｋを著しく減少させたことＫよるものと考えら
れるみ容積可変室１２内で４ンプ送給嘔れる容積は、伸
縮自在なスリーブ管３５０内部に存在する量に減少され
ている。又、８６分的には、／ンプの改良点は、伸縮自
在管の気体を自動除去する４ング送給能力によるとも考
えられる。更に１部分的には１本発明の改良点は気体を
含有しなめ不変の充填材、ガえば脱気された水やシリコ
ン油が容積可変室１２内部に存在することＫよるとも考
えら牡る。

気泡を混入させないように又残存させないよ５に、容積
可変室１２に加圧液体で充填することは困−である。さ
らに、前記容積可変室１２が圧電効果により拡大すると
、隔壁２４と液体との間でキャビテーションが発生する
可能性がある。いずれの場合ｉ’ｃ４．１！＃可変室１
２を−度だけ充填することが必要な密閉域とすること罠
よって、脱気した液体を注意深（、一度だけ、充填する
だけで良−０従って、本発明によるポンプは、米−特許
第３．９６３．３８０号に開示さｎているポンプで得ら
れる４ンプ圧力より約５０−増のポンプ圧力を発生させ
る。なお、本発明は上記の特定の実施例に限定さｎるべ
きものではなく１本発明の技術的範囲におｉて種々の変
形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図社吸入工程にある本発明の４ンプの断面図、第２
図は本発明ポンプの制御回路の部分的概略模式図、總３
図は円盤屈曲体を横断しての電圧及び入口パルプ及び出
口バルブを横断しての１圧の変化を示す波形図でＥｌは
Ｅｌ及びＥ。 と異なつ九スケールを有し、第４図は稼動中のポンプか
ら得られたデータプロット図で本発明のＩンプＯ出力容
量がパルス列毎のパルス数の１次関数である仁とを示し
ており、纂Ｓ図も稼動ポンプのデータプロット図で出力
容量がパルス間の時間間隔（ミリ秒）の関数であること
を示しており、第６図も稼動ポンプのデータプロット図
で出力容量が流出流に対する抵抗に対抗して発達する背
圧（１１均Ｏの関数であることを示しており％第７図は
本発明ポンプの制御回路の好適な実施例の説明図である
。 （符号の説明） ｌ：発振器　　　　　１２：容゛積可変寛２３：円盤屈
曲体　　　２６：薄　板 ３ｓ：内部スリーブ管 ４１許出１ｍ１人　　　サミエエル・ビー・ペスマン同
すニルａｄエイ・トーマス、ジュニアｉ１３ Ｆｉｇ６　　　　背圧（ｍｍｌ（ｇ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入口と出口を有するポンプ装置において。 密閉され九答積可変室と、前記入口と前記出口Ｋｉｌ続
   され前記容積可変屋内部に設けらｎた伸縮自在管と、前
   記各”積可変室の隔壁の一部ｔ−形成し前記容積可変室
   の容積を変えるための圧電効果手段と、前記容積可変室
   の容積変化中に前記容積可変室内に発生する圧力を伝達
   ′すぺ（前記容積可変室内に設けた実質的に非圧縮性で
   ある液体と、前記入口及び前記出口を介してＲ本の流動
   状態を制御する為のｌＩ磁パルプ手段と、前記入口から
   前記伸縮自在管へ流体を通し前記伸縮自在管から前記出
   口へ流体を４ンプ送給する所望の連鎖動作を行うべく前
   記圧電効果手段と前記電磁バルブ手段ｔｗ気的に動作さ
   せる為に前記圧電効果手段と両射電磁パルプ手段に接続
   され未制御手段を有するポンプ装置。 ２、上記第１項において、前記１磁パルプ手段が前記パ
   ルプ手段を閉止位置に付勢させるバイアス手段を有し、
   ／ンプ動作が行なわれな一場合に前記４ングを介しての
   流体の流ｎを停止させる４ンプ装置。 ３、上記第１項において、前記ｌ磁バルブ手段が、夫々
   前記入口及び前記出口に連動し前記制御手段によって動
   作された場合に交互に開状態とさｎる第１電磁バルブと
   第２蹴磁パルプとを有し、前記第２１ｍバルブが閉じ前
   記第１電磁バルブが開−で前記伸縮自在賃に流体が４ン
   プ送給さｎ、前記第１電磁パルプが閉じ前記第２電磁パ
   ルプが開いて前記伸縮自在管から流体が４ンプ送出され
   ることが可能であるポンプ装置。 ４６　　上記第１項において、前記制御手段が１選択的
   に決定さｎる周波数をもつ電気出力信号を提供する発振
   器と、前記Ｉｌ磁パルプ手段の作動時間を制御するパル
   プ開状態時間調節手段と、前記発振器の出力信号に応じ
   て交互に反対方向に電流を導通する１次側と前記圧電効
   果手段の両端ＫｉＩ続された２次側を有する昇圧変圧器
   と、交互に反対方向に電流を前記１次側へ供給するため
   に前記発振器の出方信号によって作動される第１スイッ
   チ手段と。 前記発振器の周波数に応じて前記バルブ開状態時間調節
   手段を作動させる第２スイッチ手段とを有し、４ング送
   給さｎる流体の容量が前記電磁パルプ手段の調節可能な
   作動持続時間と選択的に決定さｎる発振器からの出力周
   波数の関数である４ンプ装置。 ＆　選択的に決定される周波数をもつ電気信号出力を供
   給する為の発振器手段と、少なくとも１個の電磁パ４ル
   プの作動持続時間を制御する為のバルブ開状態時間調節
   手段と、２次側が圧電効果手段の両端に接続され１次側
   が前記発振器出力信号に応じて交互に反対方向に１流を
   導通する昇圧変圧器と、前記発振器出力信号によって動
   作さｎ前記１次側へ交互に反対方向Ｋｌ流を供給する為
   の第１スイッチ手段と、前記発振器周波数に応じて前記
   バルブ開状態時間調節手段を作動する第２スイッチ手段
   を有し、ポンプ送給される流体の容量が前記電磁パルプ
   手段の調節可能な作動持続時間と選択的に決定さｎる発
   振器出力周波数の関数であり、圧電効果によシ駆動され
   電磁パルプ操作される入口と出口を有する容積可変室を
   制御する制御回路。