JPS63297779A

JPS63297779A - 微量流体移送装置

Info

Publication number: JPS63297779A
Application number: JP13140687A
Authority: JP
Inventors: Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内; Shohei Yoshida; 正平吉田; Kiyoshi Namura; 清名村; Tsutomu Okuzawa; 奥沢　務; Toru Arai; 新井　亨
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1988-12-05
Also published as: EP0292994A2; EP0292994B1; DE3867317D1; EP0292994A3

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〕本発明は微量流体移送置に係り、特に被移送用流体の脈
動が少なく、流量制御を容易とするのに好適な振動式の
ポンプ等の微量流体移送置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、微小流量の流体移送用の振動ポンプとしてダイヤ
フラムを加振するいわゆる電磁ポンプや特開昭５６−９
６７９号公報あるいは特開昭５９−６８５７８号公報記
載のような円筒形状の振動子を直接加振するポンプがあ
った。これらは、枠体の一部を拡大、収縮させ、容積の
変化を利用して流体を移送させるもので、羽根車やピス
トン等の回転部や摺動部がないため、信頼性が高く、し
かも、腐蝕性流体や高粘性流体などを移送できる特徴を
有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の流体移送装置では、周期的に容積を変化させ
るので、流体の吸入、排出部に必ず逆止弁が必要であり
、この逆止弁は流体の移動にともなって開閉動作を行う
ので、動作遅れを生ずる。

このため、加振周波数すなわち容積変化の周期を短かく
するには限度があり、流体移送に脈動流を発生すること
になる。特に微量流体の移送を扱う場合には、この脈動
流の発生に起因して連結するシステムの流動特性に悪影
響を及ぼすことが多く、アキュムレータ等の脈動防止装
置の附設が不可欠であるなど、性能、構造及び信頼性の
面で不都合を生ずる。しかも、これら振動ポンプを並列
に配置し、いわゆる多連ポンプ構成で使用する場合には
、個々のポンプの寸法精度や振動特性に応じて必ず流量
特性に不均一さを生ずるため、その流量制御が極めて困
難となるなどの欠点が指摘されていた。

本発明の目的は、流体移送中に発生する脈動流を低減で
き、微量流体を安定して移送でき、しかも並列構成とし
ても各ポンプの流量平衡を容易に実現できる信頼性の高
い微量流体移送置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、流体移送用流路の一部壁面に圧電素子や電
歪素子等の振動子を設け、上記流体移送用流路の前後に
設ける逆止弁に代えて逆流抵抗の大きな流体ダイオード
を配設し、これらを複数個流体の流れ方向に直列に連結
するとともに、パルス発生器、ディジタルスイッチ、カ
ウンタ、メモリ、Ｄ／Ａ変換器及び増幅器からなる多チ
ャンネルのディジタル任意位相差信号発生回路を構成し
て、上記各振動子に位相の異なる高周波信号を供墓給するようにし、上記基列に複数個配列された流体ダイ
オードの少なくとも１個以上の差圧を検出して、上記複
数個の振動子の加振周波数、高周波電圧及び位相差を変
えて流量を制御する構成として達成するようにした。

〔作用〕

流体ダイオードの採用により、逆止弁のような弁の開閉
に起因する動作遅れ時間を短縮できるので、壁面に設け
た圧電素子や電歪素子等の振動子の加振サイクルを高め
ることができ、しかも、位相の異なる信号で複数個の流
路容積を拡大収縮させることが可能になるので、脈動率
が極めて小さな無摺動、無回転の流体移送を実現するこ
とが可能となる。特に流体ダイオードの微差圧を検出し
て任意位相差信号発生回路により、直列に配置した振動
子を特定の位相差を有する高周波電圧で加振できるので
、各流路内で発生する圧力波が流体の流れ方向に進行す
るように制御することが可能となり、揚程、流体制御の
容易な微量流体移送置を提供することができる。このた
め、これら微量流体移送置を複数個並列に配置し、多連
ポンプ構成にしても、各装置の流体ダイオードの差圧を
均一に制御することが可能となり、流量の不均一さがな
い多連の微量流体移送置ふ実現することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図、第２図、第５図〜第７図に示した
実施例及び第３図、第４図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の微量流体移送置の一実施例を示す新面
構造図、第２図は第１図の制御回路の一実施例を示す回
路図である。第１図においては、流体移送用流路として
円筒状の流体移送管を直列に複数個連通させた構造を採
用しである。すなわち、各流体移相管１〜１１′の外周
壁面上に１例えば、圧電素子や電歪素子等に代表される
円筒形状の振動子２〜２″を装着する。この振動子２〜
２′′には、半径方向に呼吸振動作用を発生させるため
、端部の一部分を除く外周壁面の大部分を覆う外周電極
３〜３“′を被覆するとともに、この円筒形状の振動子
２の外周側端部の一部と導通して内周壁面全体を覆う折
返し電極４〜４″を被覆して構成する。ここで、外周電
極３〜３１′と折返し電極４〜４“′は互いに導通しな
いように絶縁するとともに、それぞれの電極３〜３”、
４〜４″には、外部の高周波電源６〜６　ＩＩ／を導通
させる。

一方、流体移送管１〜１１′の流出端部には、逆流抵抗
の大きな流体ダイオード５〜５″を配設する。ここで本
実施例では、流体ダイオード５〜５″の一例として図示
するように流入側の開口部を曲線形状に形成するととも
に、流出端側の開口部を鋭い角部を有するように形成し
たいわゆるフローノズル形状を適用した例を示しである
が、これに限定されるものではない。

このような流体移送管１〜１″を流体ダイオード５〜５
＃を介して流体の流れ方向に直列に複数個接続するとと
もに、これらの外周面に配設した複数個の振動子２〜２
１′の各外周電極３〜３′及び折返し電極４〜４″にそ
れぞれ高周波電源６゜６／　、（３＃　、（３＃／から
高周波信号を供給すると。

該振動子２〜２１′は図示するように半径方向に呼吸振
動７〜７″を開始する。この呼吸振動７〜７“′により
、各流体移送管１〜１″′の内周壁近傍に誘起流れ８〜
８”、９〜９＃′が発生するが、これらの流れのうち、
誘起流れ８〜８″は流体ダイオード５〜５′の流入抵抗
の小さな曲線状に形成されたノズル開口部へ流入する。

一方、誘起流れ９〜９＃は流体ダイオード５〜５１１／
の鋭い角部の開口部の方向に流れるが、この開口部に流
入するには急激な縮流となって流入抵抗が大きく流入し
なくなるので、図示するような反転流９〜９″を形成す
る。この結果、流体移送管１〜１″′の内部に充満され
る流体１０〜１０”は１図示するように流体ダイオード
５〜５″の流入抵抗の小さい方へ流れ始めることになる
。

ここで、これらの呼吸振動７〜７１′を発生させる円筒
状の振動子２〜２″の加振信号として隣接する高周波電
源６．６’　、６’　、６“において任意の位相差を有
する高周波信号Ａｏ　ｓｉｎ　（（１１ｔ）Ａ１　ｓｉｎ　（（ＩＩ　ｔ　＋　（！１）Ａｎ　ｓｉ
ｎ　（（１１ｔ　＋　ａｎ）を供給する。ここに、Ａ　
ｏ　”　Ａ　−；振動振幅、ω；円振動数、ｔ；時間、
α１〜α、；位相である。すなわち、上流側の流体移送
管１がＡｏ　ｓｉｎωｔの呼吸振動７で変形するのに対
して、下流側の流体移送管１′では、Ａｘ　ｓｉｎ　（
（Ｉｔ　ｔ　＋　ａｘ）の呼吸振動７′で変形するので
、この位相差α１〜α□を最適なものに選ぶことによっ
てこれら移送管１〜１″の呼吸振動７〜７′′で誘起さ
れる流れは、さらに加速されるとともに、脈動現象を低
減させることが可能となる。このため１本発明では、複
数個の流体ダイオード５〜５ｍのうち少なくとも１個の
流体ダイオード５″の差圧を検出して、これら高周波電
源６〜６１′の出力、周波数及び位相差を制御できる制
御回路１１を設ける。差圧検出方法としては、流体ダイ
オード５″の上流側と下流側に連通ずる圧力測定孔１２
．１３を設け、微差圧センサ１４に連結するとともに、
この微差圧センサ１４の信号を増幅器１５を介して信号
１６として制御回路１１に入力する。

第２図は第１図の制御回路１１の具体的回路構成図で、
任意位相差加振方法の実施例の１つを示しており、−例
として４個の流体移相管１〜１“を各位相の異なる信号
で加振する場合について示しである。制御回路１１の特
徴とするところは。

微差圧センサ１４及び増幅器１５から得られる被加振流
体信号１６に対応して任意の位相差を有する同期した２
つ以上の高周波信号をディジタル的に発生させ、複数個
の振動子２〜２　ＩＩを加振するように構成したところ
にある０本制御回路１１は、第２図に示すように、パル
ス発生器（クロック）１７、基準カウンタ１８．従属カ
ウンタ１８′〜１８　”　、メモリ１９〜１９”、Ｄ／
Ａ変換器２０〜２０”、増幅器２１〜２１　”　、ディ
ジタルスイッチ２２〜２２′及びこれらを制御する演算
器２３で構成しである。加振の一例として位相差を有す
る正弦波加振を考える。メモリ１９〜１９１′にはそれ
ぞれｎｏ個のアドレスを有し、このアドレスにはディジ
タル化された正弦波のデータが１周期分記憶されている
。パルス発生器１７より発生したディジタルパルス２４
は、基準カウンタ１８及び従属カウンタ１８′〜１８＃
′により計数される。この際、基準カウンタ１８は、演
算器２３で指定される数値ｎｏまで計数すると、再度初
期値１から計数を繰り返すｎｏ進カウンタ構成となって
いる。この基準カウンタ１８では、　ｎ。

まで計数を行った際、同期パルス２５を発生させ、この
パルス２５によって従属カウンタ１８′〜１８１′が演
算器２３の指令によりディジタルスイッチ２２〜２２′
によって設定された数値ｎｌ〜ｎδからのパルス計数を
開始するように構成する。

ここで、ｎＯ””’ｎ８の関係は、１≦ｎ１≦ｎ２≦ｎδ・・−≦ｎｏ　　　　　・・・（
１）とし、従属カウンタ１８′〜１８＃′は基準カウン
タ１８と同様に数値ｎｏまで計数を行うと１に戻って計
数を行うｎｏ進カウンタ構成とする。したがって、上述
のようにして構成される数列（ａｔ）　ｔ　　（ｂｔ）
　−（ａｔ）　−（ｄｔ）　（７）うチ（ｂｔ）〜（ａ
ｔ）は、基準カウンタ１８の数列（ａ、）に比例してｎ
ｌ””ｎ３の位相差を有するディジタル周期数列となる
。ここで、基準カウンタ１８の計数出力は、時刻に対応
させると、時刻ｔＪ　における計数列の成分ａＪ、ｂＪ
、ｃＪ、ｄＪ、・・・は各メモリ１９〜１９＃のアドレ
スに相当することになり、アドレスを指定されたメモリ
１９〜１９“は、指定されたアドレスに対応し、あらか
じめ記憶されたディジタル波形データを出力する。この
ディジタル波形データは、それぞれＤ／Ａ変換器２０〜
２２″によりアナログ信号２６〜２６”へ変換され、増
幅器２１〜２１１′を介して高周波電源６〜６＃′を通
じて圧電素子や電歪素子等で代表される振動子２〜２１
′を加振する。アナログ信号２６〜２６″は、第３図に
示すように、α１〜α３なる位相差を有し、連続した正
弦波となる。位相差α工〜α３は、前述したように、基
準カウンタ１８の同期パルス信号２５と対応して作動す
る従属カウンタ１８′〜１８１′の計数初期値ｎ１〜ｎ
８を演算器２３によって設定することにより任意に変更
できるが、α１〜α３とｎｏ〜ｎａはの関係となり、ｎ１〜ｎδの数値設定をディジタルスイ
ッチ２２〜２２′によって変えることにより容易に設定
できることがわかる。本発明の実施例では、特にこれら
の制御回路１１を複数個の流体移送管１〜１＃に配設さ
れる流体ダイオード５〜５“′の少なくとも１個の流体
ダイオード５＃′の流出入端の差圧を検出し、この差圧
信号１６の波形Ｆの。

Ｆ＝Ｂｏｓｉｎ　　（ωａｔ＋β）　＋８１　　−（３
）のＤＣ成分Ｂ１を最大に、かつ、ＡＣ成分の振幅Ｂｏ
を最小にするよう、演算器２３を用いて、パルス発生器
１７の周波数、ディジタルスイッチ２２〜２２＃の計数
初期値ｎｘ””ｎｓ及び増幅器２１〜２１＃の増幅率を
制御できるように構成する。第３図には、第２図で発生
させた各アナログ信号２６〜２６“と、差圧センサ１４
で検出された流体ダイオード５＃′の差圧信号波形１６
の関係を示しているが、位相差α工〜α３の設定によっ
て振動振幅の小さな差圧信号１６や振動振幅の大きな差
圧信号１６′になる。ここで、差圧信号１６は、位相差
として。

ａｓ＝３ａｌ、ａｚ＝２ａｘｔ　ａｘ”＝ｙｃ／２　　
…（４）また、差圧信号１６′は、 α１＝α２＝α３＝０　　　　　　　　　　…（５）と
した場合に相当する波形であり、脈動率の小さな流体移
送用流路を提供することが可能となる。

特に、これらの位相差として、 αｌ＝α２＝・・・・・・＝２π／Ｎ　　　　　・・・
（６）ここに、Ｎ；流体移送管の個数とすると、流体移送効果が大きくなるという効果を有す
る。この位相差の選び方を第４図を参照して説明する。

第４図は３個の流体移送管で構成された微量流体移送置
を異なる位相差で加振したときの各流体移送管内の圧力
分布を示したもので、圧力分布の変化を明瞭にするため
に、流体移送装置に接続された配管内の圧力分布も合わ
せて破線で示しである。第４図において、（ａ）及び（
ｂ）は位相差αをπとしたときの、（Ｃ）及び（ｄ）は
位相差αをπ／３としたときの、（ｅ）及び（ｆ）は位
相差αを２π／３としたときの時間１＝０及びｔ＝π／
３ω経過後の流体移送装置内の圧力変化を示している。

これらの図より判明するように、位相差αをπとしたと
きには、圧力分布は電磁振動ポンプユニットの連結点に
おいて節が固定された圧力波形となる。すなわち、流れ
は加振周波数に対応した脈動となり、脈動は減少されて
いない。

位相差αをπ／３としたときには、流れ方向Ｘに沿って
圧力波形の節が移動する。しかし、全体の圧力波形がラ
ンダムに変化するので、脈動防止という点で好ましくな
い６位相差αを２π／３としたときには、流れ方向Ｘに
圧力波形が滑らかに変化しており、圧力波形のピーク点
が流れ方向に進むような進行波となっている。また、脈
動も減少していることがわかる。したがって、流体移送
管を３個直列接続した微量流体移送置においては、位相
差αは２π／３にすることが好ましい。

３個以上の電磁振動ポンプユニットで構成された流体移
送装置の場合、位相差αを（６）式で決定すると、第４
図（ｅ）、（ｆ）に示されているように進行波を得るこ
とができる。

したがって、パルス周波数や振幅を変化させることによ
って流体移送量を容易に制御することが可能なことは容
易に判明する。

第５図、第６図に本発明の他の実施例を示す。

本実施例では、上記した実施例の円筒状の流体移送管を
直列に複数個連通させたものをさらに並列に複数個波べ
て構成しである。第５図の主要構成は第１図と同様であ
り、このように複数列の微量流体移送管では、一般に各
流体移送管の流量を均一に制御することが困難である。

このため、本実施例では、第６図に示すような制御回路
で各流体移送管を加振制御するようにしている。すなわ
ち。

パルス発生器１７に第２図で説明した制御回路を複数個
連結し、各並列の流体移送装置２９．２９’を制御する
とともに、各流体移送装置２９．２９’の流出端近傍に
設けた流体ダイオード３０．３０’の微差圧を差圧セン
サ１４，１４’で検出するとともに、増幅器１５．−１
５’で信号を増幅する。

本実施例では、この複数列の差圧信号の平均値を算出す
る平均化処理部２７を設けるとともに、この平均化処理
部２７から出力される平均値を各増幅器１５．１５’か
らの差圧信号の差を出力する偏差回路２８．２８’　を
設け、この出力を演算器２３に入力することによって各
複数列の流体移送量［１１２９，２９’　を個別に制御
できるように構成した。このような制御回路を設けるこ
とによって第１図に示したものを複数列値べて多連化す
ることができるとともに、各流体移送量［２９，２９’
の流量を均一に制御することが容易になる。

第７図は第１図、第５図に示す実施例で設けた流体ダイ
オードの微差圧センサ１４の変形例を示した図である。

すなわち、第１図、第５図では、直列に複数個配置され
た流体ダイオード５〜５′″′の少なくとも１つの流体
ダイオード５′′の差圧を検出するように構成したが、
微量の流体を移送する場合、フローノズル型の流体ダイ
オード５１′では、差圧が小さいために差圧検出精度が
悪くなる。

しかも、第１図に示すように、圧力測定孔１２゜１３を
介して差圧センサ１４に連通するように構成すると、高
周波加振の場合、圧力測定孔１２゜１３のダンピング効
果によって流体差圧波形の周波数特性が悪くなる可能性
がある。第７図はこの欠点を解消するもので、流体移送
管１の流出端近傍に圧電素子等を用いたオリフィスプレ
ード３１を設けるとともに、このオリフィスプレート３
１の両面に絶縁された電極３２．３３を接合し、各電極
３２．３３と増幅器１５とを接続して構成する。特にオ
リフィスプレート３１は流体移送管１内を流れる流体１
ｏの振動波形を検知しやすいように流体移送管１よりも
拡大させた流路３４に設置する。このように構成するこ
とによって、流体１ｏが流れるとオリフィスプレート３
１の前後で差圧が生ずるとともに、オリフィスプレート
３１の上流側流体の圧力変動によってオリフィスプレー
ト３１が変形するので、オリフィスプレート３１を圧電
素子等の振動子で構成すると、振動振幅に応じて電圧が
発生する。この電圧を電極３２゜３３を介して増幅器１
５に導びくと、オリフィスプレート３１の前後の差圧及
びその周期的変動を直接に、しかも、高精度に検出でき
るようになり、第１図、第５図における制御をさらに高
精度化できることになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、逆流抵抗の大き
な流体ダイオードを採用したので、逆止弁のような弁の
開閉動作がなく、流体移送に利用する振動子を高周波数
化でき、相対的に脈動率を低減化することが可能で、し
かも、位相の異なる信号で複数個の流路容積を効果的に
拡大、収縮させることができるため、脈動率が小さく、
流量制御及び揚程制御の容易な信頼性の高い流体移送装
置を提供でき、また、流体移送装置を並列に構成しても
、周波数制御や位相制御が容易なため、各ポンプの流量
が均一になる多連ポンプ方式の流体移送装置にすること
が可能であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微量液体移送装置の一実施例を示す断
面構造図、第２図は第１図の制御回路の一実施例を示す
回路図、第３図は振動子の加振周波数特性を示す説明図
、第４図は３個の流体移送管で構成された微量流体移送
置を異なる位相差で加振したときの各流体移送管内の圧
力分布を示す図、第５図は本発明の他の実施例を示す第
１図に相当する斜視図、第６図は第５図の制御回路の一
実施例を示す回路図、第７図は第１図、第５図の差圧セ
ンサの他の実施例を示す断面図である。１〜１”・・・流体移送管、２〜２＃′・・・振動子、
３〜３″・・・外周電極、４〜４１′・・・折返し電極
、５〜５１′・・・流体ダイオード、６〜６＃・・・高
周波電源、１１・・・制御回路、１４・・・微差圧セン
サ、１５・・−増幅器、１７・・・パルス発生器、１８
〜１８“′・・・カウンタ、１９〜１９”−）（−ＩＪ
、　　２０〜２０”−Ｄ／Ａ変換器、２２〜２２’・・
・ディジタルスイッチ、２３・・・演算看、２７・・・
平均化処理部、２８・・・偏差回路、２９，２９’・・
・流体移相装置。＄３１Ｘｌネ千囚第　６Ｎ２１ｚ８・−傷！回路。２９・−・歳本−ｊ部！

Claims

【特許請求の範囲】１、微量流体を流通させる流体移送用流路と、該流体移
送用流路壁を加振する振動子とを具備する微量流体移送
装置において、前記流体移送用流路端に逆流抵抗の大き
な流体ダイオードを連通配置させるとともに、これら流
体移送装置を直列に複数個連結し、前記複数個の流体ダ
イオードのうち少なくとも１個の流体ダイオードの差圧
を検出して前記複数個の振動子の加振周波数、振幅、位
相等を制御する制御回路を設けたことを特徴とする微量
流体移送装置。２、前記各振動子の加振は、各時刻に対応してａ＿１〜
ｃ＿１を周期数列としたとき１つ以上の数列｛ａ＿１｝
、｛ｂ＿１｝、｛ｃ＿１｝、・・・を発生させ、該数列
によって１つ以上のメモリを指定して記憶させたデータ
を読み出して、該データをアナログ量に変換して得られ
る位相差を有する２つ以上の信号で同時に加振させるよ
うにしてある特許請求の範囲第１項記載の微量流体移送
置。３、前記複数個直列に連結された流体移送装置は、並列
に多連に並べてあるとともに、前記各並列の少なくとも
１個の流体ダイオードの差圧の偏差を検出して前記各並
列のそれぞれの振動子の加振周波数、振幅、位相等を制
御するようにしてある特許請求の範囲第１項または第２
項記載の微量流体移送装置。