マイクロポンプ

【課題】送液機構に弁や多くのアクチュエータを備えることなく、微量の液体を一方向に向けて精度よく送ることができるようにする。
【解決手段】液体を順方向に送る流路部１６と流体の逆流を阻止する逆流阻止部１８とを内周面に有し、液体の流路１０を構成するケーシング１２と、ケーシング１２を振動させる加振源１４とを備え、ケーシング１２を振動させて流体を順方向に送るようにした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療や化学分析等において、微量の流体を一方向に向けて精度よく送るのに使用されるマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療や化学分析等に用いられて、微量の流体を一方向に向けて精度よく送るのに使用されるマイクロポンプとしては、例えば、流路を構成する弾性体からなるパイプの壁中に、形状記憶合金ばねをパイプと同心状に一体に埋込み、パイプの吸込口と排出口に一方向弁をそれぞれ設けて、形状記憶合金ばねを介してパイプを収縮・伸長させることで液体を一方向に送るようにしたもの（特許文献１参照）等、送液機構（ポンプ部）の出入り口に弁を設けて送液効果を生じさせるようにしたものが一般に知られている。また、流路を構成するパイプ等の壁中または外周面等の長さ方向に沿った所定の位置に、形状記憶合金や圧電素子等からなる複数のアクチュエータを配置し、コントローラを介して複数のアクチュエータの動きを個別に制御して、液体を一方向に送るようにしたもの（特許文献２，３参照）等、送液機構（ポンプ部）に複数のアクチュエータを備え、アクチュエータの動きを個別に制御することで、弁を設けることなく、液体を一方向に送るようにしたものも知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１５９２５０号公報
【特許文献２】特開２００３−１８４７５５号公報
【特許文献３】特開２００３−２８６９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、送液効果を生じさせるため、送液機構の出入り口に弁を設けた従来例にあっては、弁によって流体の流路が狭められて、ここが詰まりやすくなるばかりでなく、弁の作動不良が生じるリスクがある。また、送液機構に多くのアクチュエータを備え、アクチュエータの動きをコントローラで個別にコントロールするようにした従来例にあっては、動きが制御される可動部分が多くあるため、構造が複雑化するばかりでなく、故障が発生する要因が大きくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて為されてもので、送液機構に弁や多くのアクチュエータを備えることなく、微量の液体を一方向に向けて精度よく送ることができるようにしたマイクロポンプ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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、液体を順方向に送る流路部と流体の逆流を阻止する逆流阻止部とを内周面に有し、液体の流路を構成するケーシングと、前記ケーシングを振動させる加振源とを備え、前記ケーシングを振動させて流体を順方向に送るようにしたことを特徴とするマイクロポンプである。
これにより、流路を構成するケーシングの内周面に設けた逆流阻止部に、流体の逆流を阻止する弁としての役割を果たさせることで、故障するリスクの大きい弁を設ける必要をなくし、しかも、アクチュエータとして加振源のみを備えることで、コンパクト化を図りつつ、マイクロポンプとしての信頼性を高めることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記流路部と前記逆流阻止部は、傾斜の異なるテーパ面からなり、該傾斜の異なるテーパ面が前記ケーシングの内周面に交互に連続して形成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である。
流路抵抗が順方向と逆方向で異なるようにした、傾斜の異なるテーパ面で流路部と逆流阻止部を形成することで、ケーシングの内周面に流路部と逆流阻止部を簡易に設けることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記加振源は、超音波発振器、表面進行波素子または加振器からなることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロポンプである。
加振源を、例えば電気的に表面弾性波を発生させる表面進行波素子とすることで、送液駆動力をより高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のマイクロポンプによれば、送液機構に弁を設ける必要をなくして、弁を設けることに伴って生じる弁詰まりや弁の作動不良をなくし、しかも、アクチュエータの数を最小限で済まして、コンパクト化を図りつつ、マイクロポンプとしての信頼性を高め、ケーシングを振動させることで、微量の液体を一方向に向けて精度よく送ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプの斜視図を示し、図２は、マイクロポンプの縦断正面図を示す。図１及び図２に示すように、マイクロポンプは、内部に液体の流路１０を構成するマイクロチューブからなるケーシング１２と、このケーシング１２を上下方向（ケーシング１２の半径方向）に振動させる加振源としての一対の超音波発振器１４を有している。ケーシング１２の一端は、吸込管（図示せず）が接続される吸込口１２ａに、他端は、吐出管が接続される吐出口１２ｂになっており、流路１０は、ケーシング１２の内部を吸込口１２ａから吐出口１２ｂに向けて延びている。
【００１１】
ケーシング１２の流路１０を区画する内周面には、共にケーシングの軸方向に沿って傾斜するテーパ面からなる流路部１６と逆流阻止部１８が交互に連続して設けられている。この流路部１６の軸方向に沿った長さＬは、例えばｍｍオーダである。流路部１６を形成するテーパ面のケーシング１２の軸心となす角度θ_１と、逆流阻止部１８を形成するテーパ面のケーシング１２の軸心となす角度θ_２は、
０゜＜θ_１＜θ_２＜１８０゜−θ_１
の関係が成り立つように設定されている。
【００１２】
これにより、角度θ_１のテーパ面からなる流路部１６と、角度θ_２のテーパ面からなる逆流阻止部１８での流路抵抗が異なり、流体が逆流する方向に対する流路抵抗が逆流阻止部１８で大きくなって、この結果、超音波発振器１４によりケーシング１２を上下に振動させた時、流路部１６は、流体を順方向、つまり吸込口１２ａから吐出口１２ｂに送り、逆流阻止部１８は、流体の逆流を阻止するように作用する。このため、弁を設けることなく、送液効果をもたらすことができる。
【００１３】
しかも、流路抵抗が順方向と逆方向で異なるようにした、傾斜の異なるテーパ面で流路部１６と逆流阻止部１８を形成することで、ケーシング１２の内周面に流路部１６と逆流阻止部１８を簡易に設けることができる。
【００１４】
この例のマイクロポンプによれば、液貯留部から延びる吸込管にケーシング１２の吸込口１２ａを、液供給部に達する吐出管に吐出口１２ｂをそれぞれ接続し、ケーシング１２内の流路１０に液体を満たした状態で、超音波発振器１４を作動させて、ケーシング１２を上下方向に振動させる。これにより、ケーシング１２内の液体は、逆流阻止部１８で逆流が阻止されつつ、流路部１６を通して、吸込口１２ａから吐出口１２ｂに向けて順次送り出される。
【００１５】
このように、流路１０を構成するケーシング１２の内周面に設けた逆流阻止部１８に、流体の逆流を阻止する弁としての役割を果たさせることで、故障するリスクの大きい弁を設ける必要をなくし、しかも、送液に際して、超音波発振器１４でケーシング１２を振動させるだけでよいの、多数のアクチュエータを備える必要をなくして、コンパクト化を図りつつ、マイクロポンプとしての信頼性を高めることができる。
【００１６】
なお、この例では、角度θ_１のテーパ面からなる流路部１６と、角度θ_２のテーパ面からなる逆流阻止部１８を交互に設けているが、角度の異なるテーパ面（平面が含まれていてもよい）からなる２つ以上の流路部及び／または逆流阻止部を設けるようにしてもよい。また、一方の超音波発振器１４を省略してもよい。更に、ケーシング１２を弾性体で構成し、超音波発振器１４でケーシング１２を前後方向（ケーシング１２の軸方向）に振動させるようにしてもよく、この場合、ケーシング１２の前後方向の振動によって、液体の進行効果を得るようにすることができる。超音波発振器１４でケーシング１２を前後方向（ケーシング１２の軸方向）に振動させるようにして、下記の図８に示す例のように、弾性チューブで挟まれた位置に配置して使用するようにしてもよい。超音波発振器の代わりに加振器を使用してもよい。
【００１７】
ケーシング１２は、一体に成形したものでも良いが、図３に示すように、片面に流路部用テーパ面２０と逆流阻止部用テーパ面２２を形成した板状素材２４を用意し、この板状素材２４をロール状に加工した後、突合せ面２６を溶着や溶接等により気密的に接合するようにしてもよい。また、図４に示すように、前述の板状素材２４を半円状に曲げた一対の片側ケーシング２８を用意し、この一対の片側ケーシング２８の両端面を互いに突合せ、この突合せ面３０を溶着や溶接等により気密的に接合するようにしてもよい。これにより、共にテーパ面からなり、流路１０を区画する流路部１６と逆流阻止部１８を内周面に有するマイクロチューブからなるケーシング１２を容易に製造することができる。
【００１８】
図５は、本発明の他の実施の形態のマイクロポンプを示す。この図５に示すマイクロポンプの図１及び図２に示すマイクロポンプと異なる点は、チューブ状のケーシング１２の外周面に、円筒状の超音波発振器（加振源）３２を取付け、この超音波発振器３２によって、ケーシング１２を上下方向（ケーシング１２の半径方向）に振動させるようにした点である。これにより、超音波発振器３２の数を一つで済ますことができる。この例にあっても、超音波発振器３２でケーシング１２を前後方向（ケーシング１２の軸方向）に振動させるようにしてもよい。
【００１９】
図６は、本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す。この図６に示すマイクロポンプの図１及び図２に示すマイクロポンプと異なる点は、マイクロチューブからなるケーシング１２を弾性体で構成し、ケーシング１２の外周面に、一対の表面進行波素子（加振源）３４を取付け、この表面進行波素子３４によって、ケーシング１２に表面進行波を発生させるようにした点にある。
【００２０】
表面進行波素子３４は、制御部（図示せず）から電気信号を受けて、ケーシング１２との当接面に電気的に進行波（弾性波）を発生させるようになっている。このため、表面進行波素子３４のケーシング１２との当接面で発生した進行波は、ケーシング１２を介して流路中の液体に与えられ、これによって、ケーシング１２内の液体は、逆流阻止部で逆流が阻止されつつ、進行波の進行に伴って順方向に送られる。このように、流路中の液体に進行波を与えることで、送液駆動力をより高めることができる。
なお、図示しないが、図５に示す例と同様に、表面進行波素子として、円筒形のものを使用するようにしてもよい。
【００２１】
図７は、本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す。この例は、内部に流路を形成した扁平なケーシング４０の両端部に、共に円筒状の吸込部４２と吐出部４４を設け、更に、ケーシング４０の上下両面に、ケーシング４０を前後方向（ケーシングの長さ方向）に振動させる加振源としての一対の超音波発振器４６を取付けている。なお、図示しないが、ケーシング４０の流路を区画する内周面には、図２に示す、共にテーパ面からなる流路部と逆流阻止部が長さ方向に沿って交互に連続して設けられている。
【００２２】
更に、図８に示すように、液貯留室から延びる吸込管４８とマイクロポンプの吸込部４２との間に、軸方向に伸縮自在な弾性チューブ５０を、液供給部に達する吐出管５２とマイクロポンプの吐出部４４との間に、軸方向に伸縮自在な弾性チューブ５４をそれぞれ介装する。そして、ケーシング４０内の流路に液体を満たした状態で、超音波発振器４６を作動させて、ケーシング４０を前後方向に振動させる。これにより、ケーシング４０内の液体は、ケーシング４０の内部の逆流阻止部で逆流が阻止されつつ、流路部を通して、吸込部４２から吐出部４４に向けて順次送り出される。
この時、超音波発振器４６の作動に伴ってケーシング４０に発生する前後方向の振動は、弾性チューブ５０，５４で吸収され、この振動が吸込管４８及び吐出管５２に伝わることが防止される。また、ケーシングはマイクロチューブからなるケーシング１２に置換してもよい。
【００２３】
なお、吸込管４８及び吐出管５２として、超音波発振器４６の作動に伴ってケーシング４０に発生する前後方向の振動を吸収できる屈曲自在なフレキシブルチューブを使用した場合には、弾性チューブを省略することができる。また、超音波発振器４６の一方を省略してもよい。更に、超音波発振器４６として、ケーシング４０を上下方向（ケーシング４０の厚さ方向）に振動させるようにしたものを使用してもよい。このことは、以下の例においても同様である。
【００２４】
ケーシング４０は、例えば、図９に示すように、内周面に流路部と逆流阻止部を構成するテーパ面を形成した、２つ割り形状の一対の片側ケーシング５６を用意し、この両片側ケーシング５６の端面を互いに突合せつつ、突合せ面を溶接や接着等で気密的に接合して製造される。図１０に示すように、吸込部４２を構成する単管５８及び吐出部４４を構成する単管６０を別途用意し、この単管５８，６０を所定の位置に配置した状態で、両片側ケーシング６２の端面及び単管５８，６０の外周面と片側ケーシング６２との間を気密的に接合することで、片側ケーシング６２の製造の便を図るようにしてもよい。
【００２５】
なお、ケーシング４０の内周面における平面側の一方を平坦にしてもよい。つまり、図９における片側ケーシング５６及び図１０における片側ケーシング６２の一方として、その内周面にテーパ面のない平板状のものを使用しても良い。
【００２６】
図１１は、本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す。この図１１に示すマイクロポンプの図８に示すマイクロポンプと異なる点は、扁平なケーシング４０を弾性体で構成し、このケーシング４０の上下両面（または片面）に、前述の図７に示す例と同様な構成の表面進行波素子（加振源）６４を取付け、この表面進行波素子６４によって、ケーシング４０に進行波を発生させるようにした点にある。この表面進行波素子６４によって発生した表面進行波は、ケーシング４０を介して、ケーシング４０の内部の流体に伝えられる。
【００２７】
図１２は、本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す。このマイクロポンプは、前述の同様な構成のマイクロチューブからなるケーシング１２と、ケーシング１２を前後方向（ケーシング１２の軸方向）に振動させる加振源としての加振器７０を備えている。加振器７０は、ケーシング１２の外周面に固着した平板リング状の磁性材７２と、この磁性材７２を挟んでケーシング１２の吸込口１２ａ側に設けられ、磁性材７２を吸引してケーシング１２を後方（吸込口１２ａ側）に移動させる電磁石７４と、ケーシング１２の吐出口１２ｂ側に位置して磁性材７２と固定側部材との間に設けられ、ケーシング１２を前方（吐出口１２ｂ側）に付勢する引張りばね７６と、この引張りばね７６の付勢力を減衰させるダンパ７８とを有している。
【００２８】
これにより、電磁石７４に通電させることで、ケーシング１２を電磁石７４で吸引して高速で後方に移動させ、電磁石７４への通電と解くことで、ケーシング１２を引張りばね７６の付勢力で前方に移動させ、しかもこの付勢力をダンパ７８で減衰させることで、このケーシング１２の前方への移動速度が後方への移動速度よりも遅くなるようにしている。
【００２９】
この例のマイクロポンプは、例えば、図８に示すように、弾性チューブに挟まれた位置に配置されて使用される。この例のマイクロポンプによれば、ケーシング１２内の液体を慣性によってほぼ静止させたまま、ケーシング１２を後方に高速で移動させ、この時、ケーシング１２内の流体を流路部１６に沿ってスムーズに移動させ、次に、ケーシング１２を前進よりも遅い速度で前方へ移動させることで、ケーシング１２内の液体を逆流阻止部１８で前方に押出して、液体を移送することができる。
【００３０】
なお、加振器７０は、ケーシング１２を後方に高速で移動させ、ケーシング１２の前方への移動に伴って、ケーシング１２内の液体を前方に押出すようにしたものであれば上記構成に限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図２】図１に示すマイクロポンプの縦断正面図である。
【図３】図１に示すマイクロポンプのケーシングの製造例を示す例である。
【図４】図１に示すマイクロポンプのケーシングの他の製造例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図６】本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図８】本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図９】図８に示すマイクロポンプのケーシングの製造例を示す図である。
【図１０】図８に示すマイクロポンプのケーシングの他の製造例を示す図である。
【図１１】本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプを示す斜視図である。
【図１２】本発明の更に他の実施の形態のマイクロポンプの概要を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０流路
１２，４０ケーシング
１４，３２，４６超音波発振器（加振源）
１６流路部
１８逆流阻止部
２０流路部用テーパ面
２２逆流阻止部用テーパ面
２４板状素材
３４，６４表面進行波素子（加振源）
４８吸込管
５０，５４弾性チューブ
５２吐出管
７０加振器（加振源）
７２磁性材
７４電磁石
７６引張りばね
７８ダンパ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を順方向に送る流路部と流体の逆流を阻止する逆流阻止部とを内周面に有し、液体の流路を構成するケーシングと、
前記ケーシングを振動させる加振源とを備え、
前記ケーシングを振動させて流体を順方向に送るようにしたことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記流路部と前記逆流阻止部は、傾斜の異なるテーパ面からなり、該傾斜の異なるテーパ面が前記ケーシングの内周面に交互に連続して形成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。
【請求項３】
前記加振源は、超音波発振器、表面進行波素子または加振器からなることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロポンプ。

【図１】