ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置
【課題】小型化が可能であり、十分な流量を得ることのできる、ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置を提供する。
【解決手段】流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより進行波を生起させる加振手段を備える。また、第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、第２可撓性薄膜がチャンバーの他の一部を構成し、第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う非圧縮性流体の変位によって、第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きい。
【解決手段】流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより進行波を生起させる加振手段を備える。また、第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、第２可撓性薄膜がチャンバーの他の一部を構成し、第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う非圧縮性流体の変位によって、第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流路の壁面の少なくとも一部を構成する可撓性部材に進行波を発生させ、流路内の液体との界面に生じるぜん動運動によって送液する方法が提案されている（特許文献１、非特許文献１）。この方法を用いたポンプ装置は、チャックバルブなどの複雑な機構が不要であるため、小型化に適している。小型のポンプ装置が実現できれば、これを内視鏡先端部に配置して、内視鏡先端部から後方に向かって延在する閉ループの流路に冷媒を循環させる、シンプルで信頼性の高い冷却機構が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８６９５８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「日本ＡＥＭ学会誌」Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４（２００５），Ｐ．３１０〜３１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ポンプ装置を内視鏡装置の先端部に組み込むには断面積は数ｍｍ２程度以下まで小型化することが望まれるが、上記の従来のポンプ装置ではそのレベルまでの小型化は困難であった。
【０００６】
特許文献１記載のポンプ装置の問題点は、進行波を発生させるために複数のアクチュエータを必要としていることである。これはポンプ装置自体の小型化とコスト低減の妨げになると共に、多数の駆動用配線を必要とする。特に内視鏡のシャフト部に多数の配線を通すことはスペースの制約から困難である。
【０００７】
非特許文献１記載のポンプ装置では、十分な流量を得るためには振幅の大きな進行波を生起することが必要であるが、単純に大変位の加振機構を組み付けることはポンプ装置の大型化につながってしまう。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、十分な流量を得ることのできる、ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るポンプ装置は、流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより進行波を生起させる加振手段を備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置は、流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、第２可撓性薄膜がチャンバーの他の一部を構成し、第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う非圧縮性流体の変位によって、第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置において、第２可撓性薄膜に作用する加振機構は、第２可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することで進行波を生起させることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置において、チャンバーは、開口を有する板状部材の両主面に、第１可撓性薄膜と第２可撓性薄膜を互いに対向して形成した構成であることが好ましい。
【００１３】
さらに、第１可撓性薄膜に、板状部材の開口よりも小さな開口を有する板状もしくは薄膜状部材が積層されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る内視鏡装置は、冷却機構を備えた内視鏡装置において、電子機器が配置された先端部から、内視鏡の長手方向に延在する循環流路の一部に上述のポンプ装置が配置されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置は、小型化が可能であり、十分な流量を得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るマイクロポンプを組み立てた状態を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す分解斜視図である。
【図３】マイクロポンプが動作しているときの状態を模式的に示す、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】マイクロポンプの内部構造を示す、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】第１実施形態のマイクロポンプを内視鏡装置に適用したときの概略構成を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態に係る水冷ユニットの構成を示す斜視図である。
【図７】第２実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す、上下方向に沿った断面図である。
【図８】第２実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す、第２ＰＤＭＳ膜側から見た斜視図である。
【図９】第３実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す斜視図である。
【図１０】第３実施形態に係るマイクロポンプを一部分解して示す斜視図である。
【図１１】図１０をさらに分解して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
本発明に係るポンプ装置は、まず、可撓性薄膜の端部に面外変位を加えることで進行波を発生させている。これによって、単一のアクチュエータでポンプを動作させることができる。
さらに、本発明に係るポンプ装置は、加振機構と流路の間に非圧縮性流体を封入したチャンバーによる面外変位増大機構を備えている。これによって、小変位の加振機構でも十分な送液流量が得られる。
【００１９】
（第１実施形態）
（マイクロポンプの構造）
第１実施形態に係るポンプ装置としてのマイクロポンプの構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプ１００を組み立てた状態を示す斜視図である。図２は、マイクロポンプ１００の構成を示す分解斜視図である。図３は、マイクロポンプ１００が動作しているときの状態を模式的に示す、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、マイクロポンプ１００の内部構造を示す、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。ここで、図３は、マイクロポンプ１００の流路１１１を含む長手方向に沿った断面図である。
【００２０】
図２〜図４に示すように、マイクロポンプ１００は、高さ方向上側から順に、流路１１１が形成されたＰＤＭＳ流体チャネル１１０、流路１１１に対応した位置に開口部１２１を備えるチタンカバー１２０、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜１３０、チタンカバー１２０の開口部１２１に対応する位置にチャンバー１４１が形成されたシリコン基板１４０、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜１５０、及び、アクチュエータ１６０を積み重ねた構成である。ＰＤＭＳ流体チャネル１１０、チタンカバー１２０、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０、第２ＰＤＭＳ膜１５０は、流路１１１が延びる方向を長手方向（図２のＬ方向）とする略同一の矩形の平面形状を備え、例えば接着により固定する。ここで、ＰＤＭＳは、ポリジメチルシロキサンである。
【００２１】
図４に示すように、流路１１１は、チタンカバー１２０を厚み方向に貫通する開口部１２１の内壁、及び第１ＰＤＭＳ膜１３０で下部を構成している。したがって、流路１１１は、ＰＤＭＳ流体チャネル１１０の内壁、開口部１２１の内壁、及び、第１ＰＤＭＳ膜１３０によって形成される。この流路１１１には、搬送される流体Ｆ１が収容される。
【００２２】
図４に示すように、チャンバー１４１は、シリコン基板１４０を厚み方向に貫通しており、上面を第１ＰＤＭＳ膜１３０で、下面を第２ＰＤＭＳ膜１５０で、それぞれ覆われた構成となっている。したがって、チャンバー１４１は、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０の内壁、及び、第２ＰＤＭＳ膜１５０によって形成される。このチャンバー１４１には、非圧縮性流体Ｆ２が充填される。
【００２３】
図２、図３に示すように、第２ＰＤＭＳ膜１５０の下面には屈曲型の圧電式のアクチュエータ１６０によって変位する接圧部材１６１が接触配置されている。接圧部材１６１は、長板状のアクチュエータ１６０の端部上面に固定されるとともに、チャンバー１４１の長手方向の一方の端部側であって流路１１１に対応する位置に配置されている。マイクロポンプ１００においては、アクチュエータ１６０と接圧部材１６１が加振機構を構成する。また、チタンカバー１２０、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０、第２ＰＤＭＳ膜１５０、及び、チャンバー１４１内の非圧縮性流体Ｆ２が加振手段を構成する。
【００２４】
接圧部材１６１は、アクチュエータ１６０に通電して振動させることで、第２ＰＤＭＳ膜１５０の端部を面外方向に加振する（図３の振動Ｖ）。この加振によって、第２ＰＤＭＳ膜１５０において、流路１１１が延びる方向への進行波が生起される。チャンバー１４１内には非圧縮性流体Ｆ２が満たされているため、第２ＰＤＭＳ膜１５０に生起した進行波によって第１ＰＤＭＳ膜１３０にも対応する進行波が生起される。したがって、チャンバー１４１内の非圧縮性流体Ｆ２は図３のＷ方向に、流路１１１内の流体Ｆ１は図３のＴ方向に、それぞれ送液される。
【００２５】
ここで、面外方向とは、加振される前の平面状の第２ＰＤＭＳ膜１５０の面内方向（図３、図４の左右方向）以外の方向であり、別言するとチタンカバー１２０の上下面の面内方向以外の方向である。この面外方向は、少なくとも、加振される前の第２ＰＤＭＳ膜１５０の面に垂直な方向、言い換えるとマイクロポンプ１００の高さ方向（図１〜４の上下方向）を含む。
【００２６】
また、チタンカバー１２０に形成された開口部１２１、及び、シリコン基板１４０に形成されたチャンバー１４１は、ともに流路１１１の方向に長い矩形の貫通開口である。チタンカバー１２０の開口部１２１は、シリコン基板１４０のチャンバー１４１よりも幅が狭くなっている。チタンカバー１２０の剛性が第１ＰＤＭＳ膜１３０の剛性よりも高いため、第１ＰＤＭＳ膜１３０の変位は、チタンカバー１２０に固定された部分では抑えられ、チタンカバー１２０の開口部１２１に対応する範囲で起きる。すなわち、変位の範囲の観点では、実質的に、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０で変位が起きる範囲は下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０において変位が起きる範囲よりも小さくなる。
【００２７】
このように、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０は、下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０と比較して、チタンカバー１２０によって変位可能な範囲が実質的に小さく形成されている。このため、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０の面外方向の変位は、開口部１２１に対応する範囲に限定され、変位量は下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０よりも大きくなる。すなわち、チャンバー１４１よりも開口部１２１を小さくすることによって、第１ＰＤＭＳ膜１３０における面外方向の変位増大効果が得られる。したがって、単一の加振用アクチュエータで送液が行えると共に、小さな加振用アクチュエータの変位で大きな送液流量が得られる。
【００２８】
ここで、製法としては、図２において、アクチュエータ１６０とＰＤＭＳ流体チャネル１１０以外の部材はシリコンウェハーを用いたＭＥＭＳプロセスでバッチ処理によって製作できるので低コスト化が可能である。
なお、上述のようにチタンカバー１２０を設ける構成に代えて、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０に相当するＰＤＭＳ膜において、チタンカバー１２０の開口部１２１に同様の面積の領域のみを局部的に薄くすることによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、ＰＤＭＳ膜において薄くした部分がそれ以外の部分よりも変位しやすくなるため、第２ＰＤＭＳ膜１５０に生起して非圧縮性流体Ｆ２を介して伝えられた進行波の変位が増大する。
【００２９】
（内視鏡の冷却機構への適用例）
図１〜４に示したマイクロポンプ１００を内視鏡装置に適用した例について説明する。図５は、第１実施形態のマイクロポンプ１００を内視鏡装置に適用したときの概略構成を示す斜視図である。図６は、第１実施形態に係る水冷ユニットの構成を示す斜視図である。
【００３０】
一般的な内視鏡スコープは細長いチューブ形状であり、先端部に撮像ユニットや光源などの機能要素が配置されている。近年の内視鏡の高機能化に伴い、これら先端部の機能要素の発熱が問題となりつつある。このため、先端部を効率的に冷却する液冷ユニットの開発が望まれているが、実際に発熱する先端部に送液ポンプを配置するのはスペースの点で困難であり、先端部から離れたスコープの操作部やスコープ外部にポンプを配置するしかないのが現状であった。
【００３１】
図５に示す例では、内視鏡装置の先端部において、各種の機能要素（図示は省略）を組み付けた金属部材１８０の外周部に、マイクロポンプ１００を含む水冷ユニットを組み付けている。
【００３２】
図６は図５に示した水冷ユニットのみを示している。この水冷ユニットは、内部に流路を設けた金属製の水冷ジャケット１１３と、水冷ジャケット１１３内の流路に接続され、冷却液を循環させるチューブ１１２と、チューブ１１２の途中に配置したマイクロポンプ１００と、を備える。水冷ジャケット１１３内の流路とチューブ１１２で冷却液の閉ループを構成している。チューブ１１２の冷却液は、マイクロポンプ１００を用いて、上記閉ループ内で循環する。チューブ１１２は、内視鏡の外皮１７０（例えば湾曲管、蛇管部）内において、外皮１７０が延びる方向（スコープの長手方向）に延在するように配置されている。
【００３３】
水冷ジャケット１１３は、先端部の金属部材１８０に組み付けられており、水冷ジャケット１１３と金属部材１８０の間で熱交換を行う。そして、水冷ジャケット１１３から冷却液に移動した熱は、チューブ１１２内を流れる過程でスコープ後方で周囲に放出される。これを繰り返すことによって金属部材１８０の温度を下げることができる。
【００３４】
上述のように、マイクロポンプ１００は、小型で大きな流量が得られると共に、細長い形状をしている。このため、マイクロポンプ１００は、径方向（長手方向に鉛直な方向）のスペース制約が厳しい内視鏡に特に好適である。また、前述のように単一の圧電式のアクチュエータ１６０で機能するので必要な配線が少ないことも信頼性やアセンブリ工数削減の観点で有利である。
さらに、マイクロポンプ１００を用いた水冷ユニットでは、冷却液を循環させるチューブが短くてすむ。すなわち、従来のポンプを操作部に配置する場合は送液用チューブを先端部まで引き出す必要があるのに対して、マイクロポンプ１００を用いた水冷ユニットでは、先端部の発熱量などに依存するが、チューブ１１２を先端部から操作部まで引き回さなくても充分な冷却効果を得ることができる。したがって、マイクロポンプ１００を用いることにより、スコープの操作部やスコープ外部まで冷却液循環チューブを引き出す従来の方式よりも、構造が簡単で信頼性を高めることができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るマイクロポンプ２００の構成を示す、上下方向に沿った断面図である。図８は、マイクロポンプ２００の構成を示す、第２ＰＤＭＳ膜２５０側から見た斜視図である。図７においては、第１実施形態のＰＤＭＳ流体チャネル１１０、アクチュエータ１６０に対応する部材の図示を省略している。また、図８においては、第２ＰＤＭＳ膜２５０の図示を省略している。
【００３６】
第１実施形態のマイクロポンプ１００では、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０の変形領域を下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０よりも小さくするために、第１ＰＤＭＳ膜１３０の変形を抑制するチタンカバー１２０を形成していた。これに対して、第２実施形態のマイクロポンプ２００では、上側の第１ＰＤＭＳ膜２３０（第１可撓性薄膜）の変形領域を下側の第２ＰＤＭＳ膜２５０（第２可撓性薄膜）よりも小さくするために、シリコン基板２４０のチャンバー２４１のサイズを変えている。具体的には、シリコン基板２４０の上下方向（図７の上下方向）の直交断面におけるチャンバー２４１のサイズが、第２ＰＤＭＳ膜２５０からシリコン基板２４０へ向かうほど小さくなるように、チャンバー２４１を形成している。チャンバー２４１には、非圧縮性流体Ｆ２が封入される。
なお、このような断面が台形形状となるシリコン基板２４０のチャンバー２４１の加工は、適切な面方位と選択して、強アルカリ溶液による異方性エッチングを用いることで比較的容易に行うことができる。
【００３７】
第１ＰＤＭＳ膜２３０上には第１実施形態のＰＤＭＳ流体チャネル１１０と同様にＰＤＭＳ流体チャネルが積載され、第２ＰＤＭＳ膜２５０の下面には第１実施形態のアクチュエータ１６０と同様に圧電式のアクチュエータが接触配置される。
【００３８】
このような構成において、第２ＰＤＭＳ膜２５０及び第１ＰＤＭＳ膜２３０において変位が起きるのは、チャンバー２４１に対応する範囲となる。したがって、第１ＰＤＭＳ膜２３０において変位が起きる範囲は、第２ＰＤＭＳ膜２５０において変位が起きる範囲よりも小さくなる。よって、チタンカバーを用いることなく上側の第１ＰＤＭＳ膜２３０と下側の第２ＰＤＭＳ膜２５０の変形領域幅を変えることで、第１実施形態と同様に、変位増大効果が得られる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。
【００３９】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係るマイクロポンプ３００の構成を示す斜視図である。図１０は、マイクロポンプ３００を一部分解して示す斜視図である。図１１は、図１０をさらに分解して示す斜視図である。
【００４０】
第１実施形態のマイクロポンプ１００では、流路１１１を設けたＰＤＭＳ流体チャネル１１０の一つの側面に、進行波を発生させる機構（加振手段）を設けて流体を移動させていた。これに対して、第３実施形態のマイクロポンプ３００においては、流路３１１内の流量をより増大させるために、流路３１１を設けたＰＤＭＳ流体チャネル３１０の対向する２つの側面に、進行波を発生させる第１ポンプ３００ａ（加振手段）及び第２ポンプ３００ｂ（加振手段）をそれぞれ設けている。なお、第３実施形態では、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の２面のみにポンプを設けていたが、ほかの面にも同様にポンプを配置してもよい。
【００４１】
第１ポンプ３００ａと第２ポンプ３００ｂは略同一の構成であって、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の対向する２つの面に、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、３３０ｂをそれぞれ向けるように配置されている。したがって、第１ポンプ３００ａと第２ポンプ３００ｂは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０に関して対称に配置される。これにより、流路３１１は、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の内壁と、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、３３０ｂにより囲まれて構成され、外部へ延びる接続口３１２に連通する。流路３１１内には、搬送される流体Ｆ１が収容される。
【００４２】
第１ポンプ３００ａは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側から順に、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、流路３１１に対応した位置に開口部３２１ａを備えるチタンカバー３２０ａ、チタンカバー３２０ａの開口部３２１ａに対応する位置にチャンバー３４１ａが形成されたシリコン基板３４０ａ、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、アクチュエータ３６０ａを積み重ねた構成である。
【００４３】
第２ポンプ３００ｂは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側から順に、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜３３０ｂ、チタンカバー３２０ｂ、シリコン基板３４０ｂ、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜３５０ｂ、及び、アクチュエータ３６０ｂを積み重ねた構成である。これらの第１ＰＤＭＳ膜３３０ｂ、チタンカバー３２０ｂ、シリコン基板３４０ｂ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ｂ、及び、アクチュエータ３６０ｂは、第１ポンプ３００ａの第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、チタンカバー３２０ａ、シリコン基板３４０ａ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、アクチュエータ３６０ａにそれぞれ対応するため詳細な説明は省略する。
【００４４】
チャンバー３４１ａは、シリコン基板３４０ａを厚み方向に貫通しており、シリコン基板３４０ａの内壁のほか、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側はチタンカバー３２０ａを介して第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにより覆われ、反対側は第２ＰＤＭＳ膜３５０ａで覆われた構成となっている。このチャンバー３４１ａには、非圧縮性流体Ｆ２が充填される。
【００４５】
第２ＰＤＭＳ膜３５０ａには、屈曲型の圧電式のアクチュエータ３６０ａによって変位する接圧部材３６２ａが接触配置されている。接圧部材３６２ａは、長板状のアクチュエータ３６０ａの一方の端部に固定されるとともに、チャンバー３４１ａの長手方向の一方の端部側であって流路３１１に対応する位置に配置されている。また、アクチュエータ３６０ａの他方の端部は、固定部３６１ａを介して第２ＰＤＭＳ膜３５０ａに固定されている。
第１ポンプ３００ａにおいては、アクチュエータ３６０ａと接圧部材３６２ａが加振機構を構成する。また、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、チタンカバー３２０ａ、シリコン基板３４０ａ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、チャンバー３４１ａ内の非圧縮性流体Ｆ２が加振手段を構成する。
【００４６】
接圧部材３６２ａは、圧電式のアクチュエータ３６０ａに通電して振動させることで、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａの端部を面外方向（第１ポンプ３００ａ、第２ポンプ３００ｂを積層する方向）に加振する。この加振によって、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａにおいて、流路３１１が延びる方向への進行波が生起される。チャンバー３４１ａ内には非圧縮性流体Ｆ２が満たされているため、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａに生起した進行波によって、チタンカバー３２０ａを介して第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにも対応する進行波が生起される。
【００４７】
また、チタンカバー３２０ａに形成された開口部３２１ａ、及び、シリコン基板３４０ａに形成されたチャンバー３４１ａは、ともに流路３１１の方向に長い矩形の貫通開口である。開口部３２１ａは、チャンバー３４１ａよりも幅が狭くなっている。チタンカバー３２０ａの剛性が第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの剛性よりも高いため、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの変位は、チタンカバー３２０ａで覆われた部分では抑えられ、チタンカバー３２０ａの開口部３２１ａに対応する範囲で起きる。すなわち、変位の範囲の観点では、実質的に、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａで変位が起きる範囲はＰＤＭＳ３５０ａにおいて変位が起きる範囲よりも小さくなる。
【００４８】
このように、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側の第１ＰＤＭＳ膜３３０ａは、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａと比較して、チタンカバー３２０ａによって変位可能な範囲が実質的に小さく形成されている。このため、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側の第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの面外方向の変位は、開口部３２１ａに対応する範囲に限定されて、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａの変位よりも大きくなる。すなわち、チャンバー３４１ａよりも開口部３２１ａを小さくすることによって、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにおける面外方向の変位増大効果が得られる。したがって、単一の加振用アクチュエータで送液が行えると共に、小さな加振用アクチュエータの変位で大きな送液流量が得られる。
【００４９】
さらに、第１実施形態のマイクロポンプ１００と異なり、流路３１１の両面に２つの第１ポンプ３００ａ、第２ポンプ３００ｂを配置している。このため、第１実施形態のマイクロポンプ１００に比して、より大きな流量が得られる。したがって、全体サイズの制約が比較的ゆるい用途ではこちらの方が好適である。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明に係るポンプ装置は、小型かつ大きな流量の大きなポンプ装置が求められる内視鏡装置に適している。
【符号の説明】
【００５１】
１００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
１１０ ＰＤＭＳ流体チャネル
１１１ 流路
１１２ チューブ
１１３ 水冷ジャケット
１２０ チタンカバー
１２１ 開口部
１３０ 第１ＰＤＭＳ膜
１４０ シリコン基板
１４１ チャンバー
１５０ 第２ＰＤＭＳ膜
１６０ アクチュエータ
１６１ 接圧部材
１７０ 外皮
１８０ 金属部材
２００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
２３０ 第１ＰＤＭＳ膜
２４０ シリコン基板
２４１ チャンバー
２５０ 第２ＰＤＭＳ膜
３００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
３００ａ 第１ポンプ
３００ｂ 第２ポンプ
３１０ ＰＤＭＳ流体チャネル
３１１ 流路
３１２ 接続口
３２０ａ チタンカバー
３２０ｂ チタンカバー
３２１ａ 開口部
３３０ａ 第１ＰＤＭＳ膜
３３０ｂ 第１ＰＤＭＳ膜
３４０ａ シリコン基板
３４０ｂ シリコン基板
３４１ａ チャンバー
３５０ａ 第２ＰＤＭＳ膜
３５０ｂ 第２ＰＤＭＳ膜
３６０ａ アクチュエータ
３６０ｂ アクチュエータ
３６１ａ 固定部
３６２ａ 接圧部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流路の壁面の少なくとも一部を構成する可撓性部材に進行波を発生させ、流路内の液体との界面に生じるぜん動運動によって送液する方法が提案されている（特許文献１、非特許文献１）。この方法を用いたポンプ装置は、チャックバルブなどの複雑な機構が不要であるため、小型化に適している。小型のポンプ装置が実現できれば、これを内視鏡先端部に配置して、内視鏡先端部から後方に向かって延在する閉ループの流路に冷媒を循環させる、シンプルで信頼性の高い冷却機構が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８６９５８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「日本ＡＥＭ学会誌」Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４（２００５），Ｐ．３１０〜３１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ポンプ装置を内視鏡装置の先端部に組み込むには断面積は数ｍｍ２程度以下まで小型化することが望まれるが、上記の従来のポンプ装置ではそのレベルまでの小型化は困難であった。
【０００６】
特許文献１記載のポンプ装置の問題点は、進行波を発生させるために複数のアクチュエータを必要としていることである。これはポンプ装置自体の小型化とコスト低減の妨げになると共に、多数の駆動用配線を必要とする。特に内視鏡のシャフト部に多数の配線を通すことはスペースの制約から困難である。
【０００７】
非特許文献１記載のポンプ装置では、十分な流量を得るためには振幅の大きな進行波を生起することが必要であるが、単純に大変位の加振機構を組み付けることはポンプ装置の大型化につながってしまう。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、十分な流量を得ることのできる、ポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るポンプ装置は、流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより進行波を生起させる加振手段を備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置は、流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、第２可撓性薄膜がチャンバーの他の一部を構成し、第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う非圧縮性流体の変位によって、第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置において、第２可撓性薄膜に作用する加振機構は、第２可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することで進行波を生起させることが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様に係るポンプ装置において、チャンバーは、開口を有する板状部材の両主面に、第１可撓性薄膜と第２可撓性薄膜を互いに対向して形成した構成であることが好ましい。
【００１３】
さらに、第１可撓性薄膜に、板状部材の開口よりも小さな開口を有する板状もしくは薄膜状部材が積層されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る内視鏡装置は、冷却機構を備えた内視鏡装置において、電子機器が配置された先端部から、内視鏡の長手方向に延在する循環流路の一部に上述のポンプ装置が配置されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置は、小型化が可能であり、十分な流量を得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係るマイクロポンプを組み立てた状態を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す分解斜視図である。
【図３】マイクロポンプが動作しているときの状態を模式的に示す、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】マイクロポンプの内部構造を示す、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】第１実施形態のマイクロポンプを内視鏡装置に適用したときの概略構成を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態に係る水冷ユニットの構成を示す斜視図である。
【図７】第２実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す、上下方向に沿った断面図である。
【図８】第２実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す、第２ＰＤＭＳ膜側から見た斜視図である。
【図９】第３実施形態に係るマイクロポンプの構成を示す斜視図である。
【図１０】第３実施形態に係るマイクロポンプを一部分解して示す斜視図である。
【図１１】図１０をさらに分解して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るポンプ装置及びそれを用いた内視鏡装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
本発明に係るポンプ装置は、まず、可撓性薄膜の端部に面外変位を加えることで進行波を発生させている。これによって、単一のアクチュエータでポンプを動作させることができる。
さらに、本発明に係るポンプ装置は、加振機構と流路の間に非圧縮性流体を封入したチャンバーによる面外変位増大機構を備えている。これによって、小変位の加振機構でも十分な送液流量が得られる。
【００１９】
（第１実施形態）
（マイクロポンプの構造）
第１実施形態に係るポンプ装置としてのマイクロポンプの構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプ１００を組み立てた状態を示す斜視図である。図２は、マイクロポンプ１００の構成を示す分解斜視図である。図３は、マイクロポンプ１００が動作しているときの状態を模式的に示す、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、マイクロポンプ１００の内部構造を示す、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。ここで、図３は、マイクロポンプ１００の流路１１１を含む長手方向に沿った断面図である。
【００２０】
図２〜図４に示すように、マイクロポンプ１００は、高さ方向上側から順に、流路１１１が形成されたＰＤＭＳ流体チャネル１１０、流路１１１に対応した位置に開口部１２１を備えるチタンカバー１２０、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜１３０、チタンカバー１２０の開口部１２１に対応する位置にチャンバー１４１が形成されたシリコン基板１４０、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜１５０、及び、アクチュエータ１６０を積み重ねた構成である。ＰＤＭＳ流体チャネル１１０、チタンカバー１２０、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０、第２ＰＤＭＳ膜１５０は、流路１１１が延びる方向を長手方向（図２のＬ方向）とする略同一の矩形の平面形状を備え、例えば接着により固定する。ここで、ＰＤＭＳは、ポリジメチルシロキサンである。
【００２１】
図４に示すように、流路１１１は、チタンカバー１２０を厚み方向に貫通する開口部１２１の内壁、及び第１ＰＤＭＳ膜１３０で下部を構成している。したがって、流路１１１は、ＰＤＭＳ流体チャネル１１０の内壁、開口部１２１の内壁、及び、第１ＰＤＭＳ膜１３０によって形成される。この流路１１１には、搬送される流体Ｆ１が収容される。
【００２２】
図４に示すように、チャンバー１４１は、シリコン基板１４０を厚み方向に貫通しており、上面を第１ＰＤＭＳ膜１３０で、下面を第２ＰＤＭＳ膜１５０で、それぞれ覆われた構成となっている。したがって、チャンバー１４１は、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０の内壁、及び、第２ＰＤＭＳ膜１５０によって形成される。このチャンバー１４１には、非圧縮性流体Ｆ２が充填される。
【００２３】
図２、図３に示すように、第２ＰＤＭＳ膜１５０の下面には屈曲型の圧電式のアクチュエータ１６０によって変位する接圧部材１６１が接触配置されている。接圧部材１６１は、長板状のアクチュエータ１６０の端部上面に固定されるとともに、チャンバー１４１の長手方向の一方の端部側であって流路１１１に対応する位置に配置されている。マイクロポンプ１００においては、アクチュエータ１６０と接圧部材１６１が加振機構を構成する。また、チタンカバー１２０、第１ＰＤＭＳ膜１３０、シリコン基板１４０、第２ＰＤＭＳ膜１５０、及び、チャンバー１４１内の非圧縮性流体Ｆ２が加振手段を構成する。
【００２４】
接圧部材１６１は、アクチュエータ１６０に通電して振動させることで、第２ＰＤＭＳ膜１５０の端部を面外方向に加振する（図３の振動Ｖ）。この加振によって、第２ＰＤＭＳ膜１５０において、流路１１１が延びる方向への進行波が生起される。チャンバー１４１内には非圧縮性流体Ｆ２が満たされているため、第２ＰＤＭＳ膜１５０に生起した進行波によって第１ＰＤＭＳ膜１３０にも対応する進行波が生起される。したがって、チャンバー１４１内の非圧縮性流体Ｆ２は図３のＷ方向に、流路１１１内の流体Ｆ１は図３のＴ方向に、それぞれ送液される。
【００２５】
ここで、面外方向とは、加振される前の平面状の第２ＰＤＭＳ膜１５０の面内方向（図３、図４の左右方向）以外の方向であり、別言するとチタンカバー１２０の上下面の面内方向以外の方向である。この面外方向は、少なくとも、加振される前の第２ＰＤＭＳ膜１５０の面に垂直な方向、言い換えるとマイクロポンプ１００の高さ方向（図１〜４の上下方向）を含む。
【００２６】
また、チタンカバー１２０に形成された開口部１２１、及び、シリコン基板１４０に形成されたチャンバー１４１は、ともに流路１１１の方向に長い矩形の貫通開口である。チタンカバー１２０の開口部１２１は、シリコン基板１４０のチャンバー１４１よりも幅が狭くなっている。チタンカバー１２０の剛性が第１ＰＤＭＳ膜１３０の剛性よりも高いため、第１ＰＤＭＳ膜１３０の変位は、チタンカバー１２０に固定された部分では抑えられ、チタンカバー１２０の開口部１２１に対応する範囲で起きる。すなわち、変位の範囲の観点では、実質的に、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０で変位が起きる範囲は下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０において変位が起きる範囲よりも小さくなる。
【００２７】
このように、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０は、下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０と比較して、チタンカバー１２０によって変位可能な範囲が実質的に小さく形成されている。このため、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０の面外方向の変位は、開口部１２１に対応する範囲に限定され、変位量は下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０よりも大きくなる。すなわち、チャンバー１４１よりも開口部１２１を小さくすることによって、第１ＰＤＭＳ膜１３０における面外方向の変位増大効果が得られる。したがって、単一の加振用アクチュエータで送液が行えると共に、小さな加振用アクチュエータの変位で大きな送液流量が得られる。
【００２８】
ここで、製法としては、図２において、アクチュエータ１６０とＰＤＭＳ流体チャネル１１０以外の部材はシリコンウェハーを用いたＭＥＭＳプロセスでバッチ処理によって製作できるので低コスト化が可能である。
なお、上述のようにチタンカバー１２０を設ける構成に代えて、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０に相当するＰＤＭＳ膜において、チタンカバー１２０の開口部１２１に同様の面積の領域のみを局部的に薄くすることによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、ＰＤＭＳ膜において薄くした部分がそれ以外の部分よりも変位しやすくなるため、第２ＰＤＭＳ膜１５０に生起して非圧縮性流体Ｆ２を介して伝えられた進行波の変位が増大する。
【００２９】
（内視鏡の冷却機構への適用例）
図１〜４に示したマイクロポンプ１００を内視鏡装置に適用した例について説明する。図５は、第１実施形態のマイクロポンプ１００を内視鏡装置に適用したときの概略構成を示す斜視図である。図６は、第１実施形態に係る水冷ユニットの構成を示す斜視図である。
【００３０】
一般的な内視鏡スコープは細長いチューブ形状であり、先端部に撮像ユニットや光源などの機能要素が配置されている。近年の内視鏡の高機能化に伴い、これら先端部の機能要素の発熱が問題となりつつある。このため、先端部を効率的に冷却する液冷ユニットの開発が望まれているが、実際に発熱する先端部に送液ポンプを配置するのはスペースの点で困難であり、先端部から離れたスコープの操作部やスコープ外部にポンプを配置するしかないのが現状であった。
【００３１】
図５に示す例では、内視鏡装置の先端部において、各種の機能要素（図示は省略）を組み付けた金属部材１８０の外周部に、マイクロポンプ１００を含む水冷ユニットを組み付けている。
【００３２】
図６は図５に示した水冷ユニットのみを示している。この水冷ユニットは、内部に流路を設けた金属製の水冷ジャケット１１３と、水冷ジャケット１１３内の流路に接続され、冷却液を循環させるチューブ１１２と、チューブ１１２の途中に配置したマイクロポンプ１００と、を備える。水冷ジャケット１１３内の流路とチューブ１１２で冷却液の閉ループを構成している。チューブ１１２の冷却液は、マイクロポンプ１００を用いて、上記閉ループ内で循環する。チューブ１１２は、内視鏡の外皮１７０（例えば湾曲管、蛇管部）内において、外皮１７０が延びる方向（スコープの長手方向）に延在するように配置されている。
【００３３】
水冷ジャケット１１３は、先端部の金属部材１８０に組み付けられており、水冷ジャケット１１３と金属部材１８０の間で熱交換を行う。そして、水冷ジャケット１１３から冷却液に移動した熱は、チューブ１１２内を流れる過程でスコープ後方で周囲に放出される。これを繰り返すことによって金属部材１８０の温度を下げることができる。
【００３４】
上述のように、マイクロポンプ１００は、小型で大きな流量が得られると共に、細長い形状をしている。このため、マイクロポンプ１００は、径方向（長手方向に鉛直な方向）のスペース制約が厳しい内視鏡に特に好適である。また、前述のように単一の圧電式のアクチュエータ１６０で機能するので必要な配線が少ないことも信頼性やアセンブリ工数削減の観点で有利である。
さらに、マイクロポンプ１００を用いた水冷ユニットでは、冷却液を循環させるチューブが短くてすむ。すなわち、従来のポンプを操作部に配置する場合は送液用チューブを先端部まで引き出す必要があるのに対して、マイクロポンプ１００を用いた水冷ユニットでは、先端部の発熱量などに依存するが、チューブ１１２を先端部から操作部まで引き回さなくても充分な冷却効果を得ることができる。したがって、マイクロポンプ１００を用いることにより、スコープの操作部やスコープ外部まで冷却液循環チューブを引き出す従来の方式よりも、構造が簡単で信頼性を高めることができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るマイクロポンプ２００の構成を示す、上下方向に沿った断面図である。図８は、マイクロポンプ２００の構成を示す、第２ＰＤＭＳ膜２５０側から見た斜視図である。図７においては、第１実施形態のＰＤＭＳ流体チャネル１１０、アクチュエータ１６０に対応する部材の図示を省略している。また、図８においては、第２ＰＤＭＳ膜２５０の図示を省略している。
【００３６】
第１実施形態のマイクロポンプ１００では、上側の第１ＰＤＭＳ膜１３０の変形領域を下側の第２ＰＤＭＳ膜１５０よりも小さくするために、第１ＰＤＭＳ膜１３０の変形を抑制するチタンカバー１２０を形成していた。これに対して、第２実施形態のマイクロポンプ２００では、上側の第１ＰＤＭＳ膜２３０（第１可撓性薄膜）の変形領域を下側の第２ＰＤＭＳ膜２５０（第２可撓性薄膜）よりも小さくするために、シリコン基板２４０のチャンバー２４１のサイズを変えている。具体的には、シリコン基板２４０の上下方向（図７の上下方向）の直交断面におけるチャンバー２４１のサイズが、第２ＰＤＭＳ膜２５０からシリコン基板２４０へ向かうほど小さくなるように、チャンバー２４１を形成している。チャンバー２４１には、非圧縮性流体Ｆ２が封入される。
なお、このような断面が台形形状となるシリコン基板２４０のチャンバー２４１の加工は、適切な面方位と選択して、強アルカリ溶液による異方性エッチングを用いることで比較的容易に行うことができる。
【００３７】
第１ＰＤＭＳ膜２３０上には第１実施形態のＰＤＭＳ流体チャネル１１０と同様にＰＤＭＳ流体チャネルが積載され、第２ＰＤＭＳ膜２５０の下面には第１実施形態のアクチュエータ１６０と同様に圧電式のアクチュエータが接触配置される。
【００３８】
このような構成において、第２ＰＤＭＳ膜２５０及び第１ＰＤＭＳ膜２３０において変位が起きるのは、チャンバー２４１に対応する範囲となる。したがって、第１ＰＤＭＳ膜２３０において変位が起きる範囲は、第２ＰＤＭＳ膜２５０において変位が起きる範囲よりも小さくなる。よって、チタンカバーを用いることなく上側の第１ＰＤＭＳ膜２３０と下側の第２ＰＤＭＳ膜２５０の変形領域幅を変えることで、第１実施形態と同様に、変位増大効果が得られる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。
【００３９】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係るマイクロポンプ３００の構成を示す斜視図である。図１０は、マイクロポンプ３００を一部分解して示す斜視図である。図１１は、図１０をさらに分解して示す斜視図である。
【００４０】
第１実施形態のマイクロポンプ１００では、流路１１１を設けたＰＤＭＳ流体チャネル１１０の一つの側面に、進行波を発生させる機構（加振手段）を設けて流体を移動させていた。これに対して、第３実施形態のマイクロポンプ３００においては、流路３１１内の流量をより増大させるために、流路３１１を設けたＰＤＭＳ流体チャネル３１０の対向する２つの側面に、進行波を発生させる第１ポンプ３００ａ（加振手段）及び第２ポンプ３００ｂ（加振手段）をそれぞれ設けている。なお、第３実施形態では、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の２面のみにポンプを設けていたが、ほかの面にも同様にポンプを配置してもよい。
【００４１】
第１ポンプ３００ａと第２ポンプ３００ｂは略同一の構成であって、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の対向する２つの面に、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、３３０ｂをそれぞれ向けるように配置されている。したがって、第１ポンプ３００ａと第２ポンプ３００ｂは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０に関して対称に配置される。これにより、流路３１１は、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０の内壁と、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、３３０ｂにより囲まれて構成され、外部へ延びる接続口３１２に連通する。流路３１１内には、搬送される流体Ｆ１が収容される。
【００４２】
第１ポンプ３００ａは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側から順に、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、流路３１１に対応した位置に開口部３２１ａを備えるチタンカバー３２０ａ、チタンカバー３２０ａの開口部３２１ａに対応する位置にチャンバー３４１ａが形成されたシリコン基板３４０ａ、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、アクチュエータ３６０ａを積み重ねた構成である。
【００４３】
第２ポンプ３００ｂは、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側から順に、第１可撓性薄膜としての第１ＰＤＭＳ膜３３０ｂ、チタンカバー３２０ｂ、シリコン基板３４０ｂ、第２可撓性薄膜としての第２ＰＤＭＳ膜３５０ｂ、及び、アクチュエータ３６０ｂを積み重ねた構成である。これらの第１ＰＤＭＳ膜３３０ｂ、チタンカバー３２０ｂ、シリコン基板３４０ｂ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ｂ、及び、アクチュエータ３６０ｂは、第１ポンプ３００ａの第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、チタンカバー３２０ａ、シリコン基板３４０ａ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、アクチュエータ３６０ａにそれぞれ対応するため詳細な説明は省略する。
【００４４】
チャンバー３４１ａは、シリコン基板３４０ａを厚み方向に貫通しており、シリコン基板３４０ａの内壁のほか、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側はチタンカバー３２０ａを介して第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにより覆われ、反対側は第２ＰＤＭＳ膜３５０ａで覆われた構成となっている。このチャンバー３４１ａには、非圧縮性流体Ｆ２が充填される。
【００４５】
第２ＰＤＭＳ膜３５０ａには、屈曲型の圧電式のアクチュエータ３６０ａによって変位する接圧部材３６２ａが接触配置されている。接圧部材３６２ａは、長板状のアクチュエータ３６０ａの一方の端部に固定されるとともに、チャンバー３４１ａの長手方向の一方の端部側であって流路３１１に対応する位置に配置されている。また、アクチュエータ３６０ａの他方の端部は、固定部３６１ａを介して第２ＰＤＭＳ膜３５０ａに固定されている。
第１ポンプ３００ａにおいては、アクチュエータ３６０ａと接圧部材３６２ａが加振機構を構成する。また、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａ、チタンカバー３２０ａ、シリコン基板３４０ａ、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａ、及び、チャンバー３４１ａ内の非圧縮性流体Ｆ２が加振手段を構成する。
【００４６】
接圧部材３６２ａは、圧電式のアクチュエータ３６０ａに通電して振動させることで、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａの端部を面外方向（第１ポンプ３００ａ、第２ポンプ３００ｂを積層する方向）に加振する。この加振によって、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａにおいて、流路３１１が延びる方向への進行波が生起される。チャンバー３４１ａ内には非圧縮性流体Ｆ２が満たされているため、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａに生起した進行波によって、チタンカバー３２０ａを介して第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにも対応する進行波が生起される。
【００４７】
また、チタンカバー３２０ａに形成された開口部３２１ａ、及び、シリコン基板３４０ａに形成されたチャンバー３４１ａは、ともに流路３１１の方向に長い矩形の貫通開口である。開口部３２１ａは、チャンバー３４１ａよりも幅が狭くなっている。チタンカバー３２０ａの剛性が第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの剛性よりも高いため、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの変位は、チタンカバー３２０ａで覆われた部分では抑えられ、チタンカバー３２０ａの開口部３２１ａに対応する範囲で起きる。すなわち、変位の範囲の観点では、実質的に、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａで変位が起きる範囲はＰＤＭＳ３５０ａにおいて変位が起きる範囲よりも小さくなる。
【００４８】
このように、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側の第１ＰＤＭＳ膜３３０ａは、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａと比較して、チタンカバー３２０ａによって変位可能な範囲が実質的に小さく形成されている。このため、ＰＤＭＳ流体チャネル３１０側の第１ＰＤＭＳ膜３３０ａの面外方向の変位は、開口部３２１ａに対応する範囲に限定されて、第２ＰＤＭＳ膜３５０ａの変位よりも大きくなる。すなわち、チャンバー３４１ａよりも開口部３２１ａを小さくすることによって、第１ＰＤＭＳ膜３３０ａにおける面外方向の変位増大効果が得られる。したがって、単一の加振用アクチュエータで送液が行えると共に、小さな加振用アクチュエータの変位で大きな送液流量が得られる。
【００４９】
さらに、第１実施形態のマイクロポンプ１００と異なり、流路３１１の両面に２つの第１ポンプ３００ａ、第２ポンプ３００ｂを配置している。このため、第１実施形態のマイクロポンプ１００に比して、より大きな流量が得られる。したがって、全体サイズの制約が比較的ゆるい用途ではこちらの方が好適である。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明に係るポンプ装置は、小型かつ大きな流量の大きなポンプ装置が求められる内視鏡装置に適している。
【符号の説明】
【００５１】
１００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
１１０ ＰＤＭＳ流体チャネル
１１１ 流路
１１２ チューブ
１１３ 水冷ジャケット
１２０ チタンカバー
１２１ 開口部
１３０ 第１ＰＤＭＳ膜
１４０ シリコン基板
１４１ チャンバー
１５０ 第２ＰＤＭＳ膜
１６０ アクチュエータ
１６１ 接圧部材
１７０ 外皮
１８０ 金属部材
２００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
２３０ 第１ＰＤＭＳ膜
２４０ シリコン基板
２４１ チャンバー
２５０ 第２ＰＤＭＳ膜
３００ マイクロポンプ（ポンプ装置）
３００ａ 第１ポンプ
３００ｂ 第２ポンプ
３１０ ＰＤＭＳ流体チャネル
３１１ 流路
３１２ 接続口
３２０ａ チタンカバー
３２０ｂ チタンカバー
３２１ａ 開口部
３３０ａ 第１ＰＤＭＳ膜
３３０ｂ 第１ＰＤＭＳ膜
３４０ａ シリコン基板
３４０ｂ シリコン基板
３４１ａ チャンバー
３５０ａ 第２ＰＤＭＳ膜
３５０ｂ 第２ＰＤＭＳ膜
３６０ａ アクチュエータ
３６０ｂ アクチュエータ
３６１ａ 固定部
３６２ａ 接圧部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて前記流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、
前記第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより前記進行波を生起させる加振手段を備えることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて前記流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、
前記第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、
第２可撓性薄膜が前記チャンバーの他の一部を構成し、
前記第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって前記第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、
前記第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う前記非圧縮性流体の変位によって、前記第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、
前記第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、前記第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きいことを特徴とするポンプ装置。
【請求項３】
前記第２可撓性薄膜に作用する加振機構は、前記第２可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することで進行波を生起させることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
前記チャンバーは、開口を有する板状部材の両主面に、前記第１可撓性薄膜と前記第２可撓性薄膜を互いに対向して形成した構成であることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記第１可撓性薄膜に、前記板状部材の開口よりも小さな開口を有する板状もしくは薄膜状部材が積層されていることを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
冷却機構を備えた内視鏡装置において、
電子機器が配置された先端部から、内視鏡の長手方向に延在する循環流路の一部に請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置が配置されることを特徴とする内視鏡装置。
【請求項１】
流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて前記流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、
前記第１可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することにより前記進行波を生起させる加振手段を備えることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
流路壁面の少なくとも一部を構成する第１可撓性薄膜に、流路の長手方向に伝播する進行波を発生させて前記流路内の流体を搬送するポンプ装置であって、
前記第１可撓性薄膜が非圧縮性流体を封入したチャンバーの一部を構成し、
第２可撓性薄膜が前記チャンバーの他の一部を構成し、
前記第２可撓性薄膜に作用する加振機構によって前記第２可撓性薄膜に進行波を生起させ、
前記第２可撓性薄膜に生起された進行波に伴う前記非圧縮性流体の変位によって、前記第１の可撓性薄膜に進行波を生起させ、
前記第２可撓性薄膜に生起された進行波よりも、前記第１可撓性薄膜に生起させた進行波の方が面外変位が実質的に大きいことを特徴とするポンプ装置。
【請求項３】
前記第２可撓性薄膜に作用する加振機構は、前記第２可撓性薄膜の所定部位を面外方向に加振することで進行波を生起させることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
前記チャンバーは、開口を有する板状部材の両主面に、前記第１可撓性薄膜と前記第２可撓性薄膜を互いに対向して形成した構成であることを特徴とする請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記第１可撓性薄膜に、前記板状部材の開口よりも小さな開口を有する板状もしくは薄膜状部材が積層されていることを特徴とする請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
冷却機構を備えた内視鏡装置において、
電子機器が配置された先端部から、内視鏡の長手方向に延在する循環流路の一部に請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置が配置されることを特徴とする内視鏡装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８２６９０（Ｐ２０１２−８２６９０Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２６８６５（Ｐ２０１０−２２６８６５）
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]