マイクロポンプおよびその作動方法
【課題】全体の大きさを縮小しながらも、流体のポンピング性能を向上させることができるマイクロポンプおよびその作動方法を提供する。
【解決手段】マイクロポンプは、接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、第１空間に接続される流体吸入管と、第２空間に接続される流体吐出管と、第１空間を覆うようにケースに設けられる第１変形部材と、第２空間を覆うようにケースに設けられる第２変形部材とを含む。第２変形部材は、第１変形部材より大きく形成され、第２変形部材の最大変位は、第１変形部材の最大変位より大きい。
【解決手段】マイクロポンプは、接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、第１空間に接続される流体吸入管と、第２空間に接続される流体吐出管と、第１空間を覆うようにケースに設けられる第１変形部材と、第２空間を覆うようにケースに設けられる第２変形部材とを含む。第２変形部材は、第１変形部材より大きく形成され、第２変形部材の最大変位は、第１変形部材の最大変位より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体移送用マイクロポンプに関し、より詳細には、流路に強い吸入力を生成して流体を吸入し、吸入された流体を下流に移送するマイクロポンプおよびその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術の発展に伴い、マイクロマシン、微細電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）などのマイクロデバイスに関する研究が盛んに行われている。このうち、マイクロポンプは、流体工学を応用して微小量の流体を操作するための装置であって、化学分析システム、薬物伝達システムなどの医化学システムや医療機器、およびインクジェットヘッドなどに多様に適用されている。
【０００３】
マイクロポンプは、圧電アクチュエータを用いた圧電型マイクロポンプで構成できる。通常の圧電型マイクロポンプは、１つのポンプケースに３つ以上の圧電アクチュエータを並設し、圧電アクチュエータを制御装置に電気的に接続した構成からなる。
【０００４】
前述した圧電型マイクロポンプは、制御装置から複数の圧電アクチュエータに起電力を印加すると、複数の圧電アクチュエータが順次に作動しながら、流体を吸入後、吐出させるポンプ作用を行う。このように、複数の圧電アクチュエータを取り付けたマイクロポンプは、流体の流れを容易に制御することができるが、ポンピング性能が低く、大型であるという欠点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、全体の大きさを縮小しながらも、流体のポンピング性能を向上させることができるマイクロポンプおよびその作動方法を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態にかかるマイクロポンプは、接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、ケースの一側に位置し、第１空間に接続される流体吸入管と、ケースの他側に位置し、第２空間に接続される流体吐出管と、第１空間を覆うようにケースに設けられ、電気信号によって変形する第１変形部材と、第２空間を覆うようにケースに設けられ、電気信号によって変形する第２変形部材とを含む。第２変形部材は、第１変形部材より大きく形成され、第２変形部材の最大変位は、第１変形部材の最大変位より大きい。
【０００７】
第１変形部材と第２変形部材は、圧電アクチュエータからなることができる。第１変形部材は、第１導電性弾性板と第１圧電素子とを含むことができ、第２変形部材は、第２導電性弾性板と第２圧電素子とを含むことができる。
【０００８】
マイクロポンプは、第１導電性弾性板、第１圧電素子、第２導電性弾性板、および第２圧電素子にそれぞれ接続される複数のリード線と、複数のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことができる。
【０００９】
他方で、第１変形部材と第２変形部材は、人工筋肉からなることができる。第１変形部材は、第１模倣筋肉部と第１電極部とを含むことができ、第２変形部材は、第２模倣筋肉部と第２電極部とを含むことができる。
【００１０】
第１模倣筋肉部と第２模倣筋肉部は、電気活性ヒドロゲルで合成されたナノ繊維を含むことができる。マイクロポンプは、第１電極部と第２電極部にそれぞれ接続される一対のリード線と、一対のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことができる。
【００１１】
第２空間の体積は、第１空間の体積より大きく形成できる。
【００１２】
マイクロポンプは、接続流路の内部に設けられた開閉バルブと、流体吸入管および流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材とをさらに含むことができる。他方で、マイクロポンプは、流体吸入管、接続流路、および流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材をさらに含むことができる。
【００１３】
開閉バルブは、接続流路と平行に配置された第１圧電ディスクおよび第２圧電ディスクを含む圧電バルブであり得る。
【００１４】
逆流遮断部材は、流体吸入管に向かう一側から流体吐出管に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状に形成できる。
【００１５】
他方で、逆流遮断部材は、固定端および自由端を備え、薄膜で製造される変形板と、流体吸入管から流体吐出管に向かう順方向に沿って、変形板の自由端の前方に位置する固定突起とを含むことができる。
【００１６】
本発明の一実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位から収縮させる第３区間とを含む。
【００１７】
第１区間において、第２変形部材は、第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることができる。第３区間において、第１変形部材の最小変位地点は、第２変形部材の最大変位地点と時間差を有することができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位まで収縮させる第３区間とを含む。
【００１９】
第１区間において、第２変形部材は、第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることができる。第２区間において、第１変形部材の最小変位地点は、第２変形部材の最大変位地点と一致することができる。
【００２０】
本発明のさらに他の実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて第１空間に流体を吸入する第１区間と、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて第１空間と第２空間に流体を吸入する第２区間と、第２変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させて第１空間と第２空間の流体を排出する第３区間とを含む。
【００２１】
第１変形部材の最大変位地点は、第２変形部材の最小変位地点と一致することができる。
【００２２】
前述したマイクロポンプの作動方法のすべてにおいて、マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置することができ、開閉バルブは、第２変形部材の膨張と同時に作動して接続流路を開放させ、第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して接続流路を閉鎖させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のマイクロポンプは、大きさが異なる２つの変形部材を用いることにより、逆方向の流れを効果的に遮断しながら、流体のポンピング性能を向上させることができる。したがって、粘性流体を順方向に速やかにポンピングすることができ、変形部材の個数を減少させることにより、マイクロポンプ全体の大きさを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図３】図１に示したマイクロポンプにおける開閉バルブを示す概略図である。
【図４】図１に示したマイクロポンプにおける逆流遮断部材の変形例を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図８】マイクロポンプの第１の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【図９】マイクロポンプの第２の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【図１０】マイクロポンプの第３の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
【００２６】
図１と図２は、本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの平面図と断面図である。
【００２７】
図１と図２を参照すれば、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、ケース１０と、流体吸入管１２と、流体吐出管１４と、第１変形部材１６と、第２変形部材１８と、制御部２０とを含む。
【００２８】
ケース１０は、その内部に一方向に沿って、第１空間１０１、接続流路１０３、および第２空間１０２を順次に形成する。第１空間１０１と第２空間１０２は、互いに距離をおいて分離されて位置し、２つの空間１０１、１０２の間に２つの空間１０１、１０２より大きさの小さい接続流路１０３が形成され、２つの空間１０１、１０２を接続する。
【００２９】
流体吸入管１２は、第１空間１０１と接するケース１０の一側に固定され、第１空間１０１に接続される。流体吐出管１４は、第２空間１０２と接するケース１０の他側に固定され、第２空間１０２に接続される。図１と図２では、流体吸入管１２がケース１０の左側に位置し、流体吐出管１４がケース１０の右側に位置する場合を例として示した。
【００３０】
第１変形部材１６は、第１空間１０１を覆うようにケース１０の上側に設けられ、第２変形部材１８は、第２空間１０２を覆うようにケース１０の上側に設けられる。第１変形部材１６と第２変形部材１８は、互いに距離をおいて離れて位置する。本実施形態において、第１変形部材１６と第２変形部材１８は、圧電アクチュエータからなる。
【００３１】
第１変形部材１６は、第１導電性弾性板１６１と第１圧電素子１６２との積層構造からなり、第２変形部材１８は、第２導電性弾性板１８１と第２圧電素子１８２との積層構造からなる。第１導電性弾性板１６１、第１圧電素子１６２、第２導電性弾性板１８１、および第２圧電素子１８２には、それぞれのリード線２２が接続され、これらのリード線２２は、制御部２０に接続される。
【００３２】
第１変形部材１６と第２変形部材１８は、制御部２０から起電力が加えられると、極性によって膨張または縮小する変位を起こす。この時、流体吐出管１４と近い第２変形部材１８の最大変位（第２変位）は、流体吸入管１２と近い第１変形部材１６の最大変位（第１変位）より大きい。その結果、第２変形部材１８は、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成し、後述するマイクロポンプ１００の作動過程で流体の流れを効果的に制御することができる。
【００３３】
第２変形部材１８の最大変位を拡大させるために、第２変形部材１８を第１変形部材１６より大きく形成する。つまり、第２導電性弾性板１８１は、第１導電性弾性板１６１より大きく、第２圧電素子１８２は、第１圧電素子１６２より大きく形成される。また、第２変形部材１８と接する第２空間１０２の体積は、第１変形部材１６と接する第１空間１０１の体積より大きく形成される。
【００３４】
また、マイクロポンプ１００は、接続流路１０３の内部に設けられた開閉バルブ２４と、流体吐出管１４の内部に設けられた逆流遮断部材２６とを含む。逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２の内部にも設置可能である。開閉バルブ２４は、アクティブバルブ（ａｃｔｉｖｅ ｖａｌｖｅ）であって、制御部２０によって動作が制御され、接続流路１０３を開放または閉鎖させる。開閉バルブ２４は、通常の機械的バルブで構成されるか、圧電素子を用いた圧電バルブで構成できる。
【００３５】
図３は、図１に示したマイクロポンプにおける開閉バルブを示す概略図である。
【００３６】
図３を参照すれば、圧電バルブ２４０は、接続流路１０３と平行に配置される第１圧電ディスク２４１および第２圧電ディスク２４２を含む。第１圧電ディスク２４１は、導電性弾性板と圧電素子との積層構造からなり、第２圧電ディスク２４２も、導電性弾性板と圧電素子との積層構造からなることができる。第１圧電ディスク２４１と第２圧電ディスク２４２は、それぞれリード線２４３を介して制御部２０に接続される。
【００３７】
第１圧電ディスク２４１と第２圧電ディスク２４２は、制御部２０から起電力が加えられていない時、互いに密着して接続流路１０３を閉鎖させ、制御部２０から起電力が加えられた時、互いに遠くなるように膨張して接続流路１０３を開放させる。圧電バルブ２４０は、このような作用により接続流路１０３を速やかに開閉させることができる。
【００３８】
図３に示す圧電バルブ２４０は、開閉バルブ２４の一例を説明するために示したものであって、本発明の開閉バルブ２４は、図示の圧電バルブ２４０に限定されず、接続流路１０３を開閉させることができるすべての構成のバルブが適用可能である。
【００３９】
さらに、図１と図２を参照すれば、逆流遮断部材２６は、パッシブバルブ（ｐａｓｓｉｖｅ ｖａｌｖｅ）であって、流体吸入管１２から流体吐出管１４に向かう順方向に流体の流入を円滑にするのに対し、その逆方向には流体の流入を抑制する役割を果たす。
【００４０】
逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２に向かう一側から流体吐出管１４に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状になることができる。この場合、流体は、逆方向の流れ時に上昇する圧力によって逆流遮断部材２６を通過することができないため、逆流遮断部材２６は、流体の逆方向の流れを効果的に遮断することができる。
【００４１】
図４は、図１に示したマイクロポンプにおける逆流遮断部材の変形例を示す概略図である。
【００４２】
図４を参照すれば、逆流遮断部材２６０は、じょうご状の代わりに、変形板２８と固定突起３０との組み合わせ構造からなることができる。変形板２８は、変形しやすい薄膜で製造できる。変形板２８は、流体吸入管１２と流体吐出管１４の内部において、その一部が固定される固定端２８１と、残りの部分が固定されずに離れて位置する自由端２８２とを含む。そして、流体吸入管１２から流体吐出管１４に向かう順方向に沿って、変形板２８の自由端２８２の前方に固定突起３０が位置する。
【００４３】
したがって、逆流遮断部材２６０は、流体の順方向の流れ時、変形板２８の自由端２８２が固定突起３０から遠くなって流路を開放するのに対し、流体の逆方向の流れ時には、変形板２８の自由端２８２が固定突起３０によって閉じられて流路を閉鎖する。その結果、逆流遮断部材２６０は、流体の逆方向の流れを効果的に遮断することができる。
【００４４】
さらに、図１と図２を参照すれば、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、第２変形部材１８の最大変位を第１変形部材１６の最大変位より大きく設定することにより、２つの変形部材１６、１８を備えるだけでも、流体の流れを効果的に制御することができる。したがって、変形部材１６、１８の個数を減少させることにより、マイクロポンプ１００を小型化することができる。
【００４５】
また、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、第１および第２変形部材１６、１８とともに、開閉バルブ２４と逆流遮断部材２６を用いて、粘性流体を順方向に速やかにポンピングすることができるため、ポンピング性能を向上させることができる。
【００４６】
図５は、本発明の第２実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００４７】
図５を参照すれば、第２実施形態のマイクロポンプ２００は、接続流路１０３に逆流遮断部材２６が設けられることを除けば、前述した第１実施形態のマイクロポンプ１００と同様の構成からなる。第１実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。
【００４８】
第２実施形態のマイクロポンプ２００は、開閉バルブを備えるのではなく、接続流路１０３の内部と流体吐出管１４の内部に逆流遮断部材２６を設ける。逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２の内部にも設置可能である。
【００４９】
逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２に向かう一側から流体吐出管１４に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状になることができる。他方で、図４に示しているように、逆流遮断部材２６０は、変形板２８と固定突起３０との組み合わせ構造からなることができる。
【００５０】
図６は、本発明の第３実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００５１】
図６を参照すれば、第３実施形態のマイクロポンプ３００は、第１変形部材１６０と第２変形部材１８０が人工筋肉で形成されることを除けば、前述した第１実施形態のマイクロポンプ１００と同様の構成からなる。第１実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。
【００５２】
第１変形部材１６０は、第１模倣筋肉部１６３と第１電極部１６４とから構成され、第１電極部１６４は、当該リード線２２を介して制御部２０と電気的に接続される。第２変形部材１８０は、第２模倣筋肉部１８３と第２電極部１８４とから構成され、第２電極部１８４は、当該リード線２２を介して制御部２０と電気的に接続される。第２模倣筋肉部１８３は、第１模倣筋肉部１６３より大きく形成され、第２変形部材１８０の最大変位が第１変形部材１６０の最大変位より大きくなるようにする。
【００５３】
第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３は、電気的刺激に反応可能なナノ繊維で製造でき、第１および第２電極部１６４、１８４を介して受信される電気的刺激によって物理的に収縮または膨張する。第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３は、ナノ繊維を電気活性ヒドロゲルで合成する方法によって製造できる。第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３の素材と製造方法は、前述した例に限定されず、多様に変化可能である。
【００５４】
図７は、本発明の第４実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００５５】
図７を参照すれば、第４実施形態のマイクロポンプ４００は、第１変形部材１６０と第２変形部材１８０が人工筋肉で形成されることを除けば、前述した第２実施形態のマイクロポンプ２００と同様の構成からなる。第２実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。第１変形部材１６０と第２変形部材１８０の構成は、第３実施形態と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
図８は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第１の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図８（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。図８（ａ）において、縦軸は、第１変形部材と第２変形部材の変位であって、平坦な状態を０と仮定する時、上方へ突出する最大変形量を意味する。
【００５７】
図８を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させるとともに、第１変形部材と時間差をおいて、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を初期膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を収縮させる区間である。
【００５８】
図２と図８を参照すれば、第１区間において、第１変形部材１６は、最小変位から最大変位まで膨張する。これにより、第１空間１０１に吸入力が発生し、流体吸入管１２から第１空間１０１に流体が吸入される。ここで、最小変位は、ゼロ変位を意味する。
【００５９】
第１区間において、第２変形部材１８は、第１変形部材１６が最大変位に達する前に、図８（ａ）に示す「ａ」だけの時間差をおいて、最小変位から膨張し始める。すると、第１空間１０１の流体が順方向に慣性を維持する時、第２空間１０２を開けて第１空間１０１の流体を第２空間１０２に吸入することができるため、マイクロポンプ１００のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６０】
第２区間において、第１変形部材１６は最大変位から収縮し始め、第２変形部材１８は最大変位まで膨張する。これにより、第２空間１０２に最大の吸入力が発生し、第１空間１０１と接続流路１０３とを経て、第２空間１０２に流体が吸入される。この時、第２変形部材１８の最大変位が第１変形部材１６の最大変位より大きいため、第２変形部材１８は、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成する。
【００６１】
第３区間において、第１変形部材１６は最小変位まで収縮し、第２変形部材１８も収縮する。第２変形部材１８の最小変位は、次のサイクルの第１区間に存在することができる。第１変形部材１６と第２変形部材１８が収縮することにより、第１空間１０１と第２空間１０２の流体は、流体吐出管１４に送出される。第３区間中に第１変形部材１６が最小変位を維持する時、第１変形部材１６は、流体吸入管１２を介した逆方向の排出を抑制する機能を果たす。
【００６２】
接続流路１０３に開閉バルブ２４が位置する場合、開閉バルブ２４は、第１区間中に第２変形部材１８の膨張と同時に作動して接続流路１０３を開放させる。そして、開閉バルブ２４は、第２区間と第３区間との間で第２変形部材１８が最大変位に達すると同時に作動して接続流路１０３を閉鎖させる。
【００６３】
開閉バルブ２４は、第１空間１０１から第２空間１０２へ流体が通過する時点を能動的に調整する役割を果たす。特に、開閉バルブ２４が、図３に示しているように、圧電バルブ２４０からなる場合、圧電バルブ２４０は、自ら膨張可能な構造からなるため、圧電バルブ２４０自体で吸入力を発生させ、マイクロポンプ１００のポンピング性能とエネルギー効率を向上させるのに寄与することができる。
【００６４】
また、流体吸入管１２の内部と流体吐出管１４の内部に位置する逆流遮断部材２６は、マイクロポンプ１００の作動過程で流体の逆方向の流れを防止する役割を果たす。
【００６５】
このように、第１区間、第２区間、および第３区間が１つのポンピングサイクルを構成し、第２変形部材１８が第１変形部材１６より大きい変位を形成することにより、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成する。したがって、本実施形態のマイクロポンプ１００は、ポンピング性能を向上させ、流体吸入管１２から流体吐出管１４につながる順方向に流体を効果的に移送することができ、変形部材１６、１８の個数を減少させることにより、全体の大きさを小型化することができる。
【００６６】
図８に示すマイクロポンプの作動方法において、第２変形部材１８の最大変位地点と第１変形部材１６の最小変位地点とは一致しない。つまり、第２変形部材１８が最大変位に膨張した後、第１変形部材１６が最小変位に収縮する。そして、第１変形部材１６の最大変位地点と第２変形部材１８の最大変位地点は、第２区間だけの時間差を維持する。
【００６７】
図９は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第２の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図９（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。
【００６８】
図９を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させるとともに、第１変形部材と時間差をおいて、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を初期膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位まで収縮させる区間である。
【００６９】
マイクロポンプの第２の作動方法は、第１変形部材の最小変位地点と第２変形部材の最大変位地点とが一致することと、第３区間で第１変形部材が初期膨張することを除けば、前述した第１の作動方法と同様の過程を含む。
【００７０】
このように、第１変形部材の最小変位地点と第２変形部材の最大変位地点とが一致すると、第３区間で第２変形部材が収縮する時、第１変形部材が完全なバルブの役割を果たすため、流体の逆方向の流れを防止することができ、流体のポンピング性能を向上させることができる。また、第２の作動方法によれば、第１変形部材から第２変形部材に伝達される流量が前述した第１の作動方法の場合より多くなるため、マイクロポンプの大きさを拡大させることなく、マイクロポンプの処理流量を増大させることができる。
【００７１】
図１０は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第３の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図１０（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。
【００７２】
図１０を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位に維持しながら、第２変形部材を最小変位まで収縮させる区間である。
【００７３】
マイクロポンプの第３の作動方法は、第１変形部材の最大変位地点と第２変形部材の最小変位地点とが一致することを除けば、前述した第２の作動方法と同様の過程を含む。
【００７４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ ケース
１２ 流体吸入管
１４ 流体吐出管
１６ 第１変形部材
１８ 第２変形部材
２０ 制御部
２２ リード線
２４ 開閉バルブ
２６ 逆流遮断部材
１００、２００、３００、４００ マイクロポンプ
１０１ 第１空間
１０２ 第２空間
１０３ 接続流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体移送用マイクロポンプに関し、より詳細には、流路に強い吸入力を生成して流体を吸入し、吸入された流体を下流に移送するマイクロポンプおよびその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術の発展に伴い、マイクロマシン、微細電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）などのマイクロデバイスに関する研究が盛んに行われている。このうち、マイクロポンプは、流体工学を応用して微小量の流体を操作するための装置であって、化学分析システム、薬物伝達システムなどの医化学システムや医療機器、およびインクジェットヘッドなどに多様に適用されている。
【０００３】
マイクロポンプは、圧電アクチュエータを用いた圧電型マイクロポンプで構成できる。通常の圧電型マイクロポンプは、１つのポンプケースに３つ以上の圧電アクチュエータを並設し、圧電アクチュエータを制御装置に電気的に接続した構成からなる。
【０００４】
前述した圧電型マイクロポンプは、制御装置から複数の圧電アクチュエータに起電力を印加すると、複数の圧電アクチュエータが順次に作動しながら、流体を吸入後、吐出させるポンプ作用を行う。このように、複数の圧電アクチュエータを取り付けたマイクロポンプは、流体の流れを容易に制御することができるが、ポンピング性能が低く、大型であるという欠点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、全体の大きさを縮小しながらも、流体のポンピング性能を向上させることができるマイクロポンプおよびその作動方法を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態にかかるマイクロポンプは、接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、ケースの一側に位置し、第１空間に接続される流体吸入管と、ケースの他側に位置し、第２空間に接続される流体吐出管と、第１空間を覆うようにケースに設けられ、電気信号によって変形する第１変形部材と、第２空間を覆うようにケースに設けられ、電気信号によって変形する第２変形部材とを含む。第２変形部材は、第１変形部材より大きく形成され、第２変形部材の最大変位は、第１変形部材の最大変位より大きい。
【０００７】
第１変形部材と第２変形部材は、圧電アクチュエータからなることができる。第１変形部材は、第１導電性弾性板と第１圧電素子とを含むことができ、第２変形部材は、第２導電性弾性板と第２圧電素子とを含むことができる。
【０００８】
マイクロポンプは、第１導電性弾性板、第１圧電素子、第２導電性弾性板、および第２圧電素子にそれぞれ接続される複数のリード線と、複数のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことができる。
【０００９】
他方で、第１変形部材と第２変形部材は、人工筋肉からなることができる。第１変形部材は、第１模倣筋肉部と第１電極部とを含むことができ、第２変形部材は、第２模倣筋肉部と第２電極部とを含むことができる。
【００１０】
第１模倣筋肉部と第２模倣筋肉部は、電気活性ヒドロゲルで合成されたナノ繊維を含むことができる。マイクロポンプは、第１電極部と第２電極部にそれぞれ接続される一対のリード線と、一対のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことができる。
【００１１】
第２空間の体積は、第１空間の体積より大きく形成できる。
【００１２】
マイクロポンプは、接続流路の内部に設けられた開閉バルブと、流体吸入管および流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材とをさらに含むことができる。他方で、マイクロポンプは、流体吸入管、接続流路、および流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材をさらに含むことができる。
【００１３】
開閉バルブは、接続流路と平行に配置された第１圧電ディスクおよび第２圧電ディスクを含む圧電バルブであり得る。
【００１４】
逆流遮断部材は、流体吸入管に向かう一側から流体吐出管に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状に形成できる。
【００１５】
他方で、逆流遮断部材は、固定端および自由端を備え、薄膜で製造される変形板と、流体吸入管から流体吐出管に向かう順方向に沿って、変形板の自由端の前方に位置する固定突起とを含むことができる。
【００１６】
本発明の一実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位から収縮させる第３区間とを含む。
【００１７】
第１区間において、第２変形部材は、第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることができる。第３区間において、第１変形部材の最小変位地点は、第２変形部材の最大変位地点と時間差を有することができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位まで収縮させる第３区間とを含む。
【００１９】
第１区間において、第２変形部材は、第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることができる。第２区間において、第１変形部材の最小変位地点は、第２変形部材の最大変位地点と一致することができる。
【００２０】
本発明のさらに他の実施形態にかかるマイクロポンプの作動方法は、第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて第１空間に流体を吸入する第１区間と、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて第１空間と第２空間に流体を吸入する第２区間と、第２変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させて第１空間と第２空間の流体を排出する第３区間とを含む。
【００２１】
第１変形部材の最大変位地点は、第２変形部材の最小変位地点と一致することができる。
【００２２】
前述したマイクロポンプの作動方法のすべてにおいて、マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置することができ、開閉バルブは、第２変形部材の膨張と同時に作動して接続流路を開放させ、第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して接続流路を閉鎖させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のマイクロポンプは、大きさが異なる２つの変形部材を用いることにより、逆方向の流れを効果的に遮断しながら、流体のポンピング性能を向上させることができる。したがって、粘性流体を順方向に速やかにポンピングすることができ、変形部材の個数を減少させることにより、マイクロポンプ全体の大きさを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図３】図１に示したマイクロポンプにおける開閉バルブを示す概略図である。
【図４】図１に示したマイクロポンプにおける逆流遮断部材の変形例を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【図８】マイクロポンプの第１の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【図９】マイクロポンプの第２の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【図１０】マイクロポンプの第３の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
【００２６】
図１と図２は、本発明の第１実施形態にかかるマイクロポンプの平面図と断面図である。
【００２７】
図１と図２を参照すれば、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、ケース１０と、流体吸入管１２と、流体吐出管１４と、第１変形部材１６と、第２変形部材１８と、制御部２０とを含む。
【００２８】
ケース１０は、その内部に一方向に沿って、第１空間１０１、接続流路１０３、および第２空間１０２を順次に形成する。第１空間１０１と第２空間１０２は、互いに距離をおいて分離されて位置し、２つの空間１０１、１０２の間に２つの空間１０１、１０２より大きさの小さい接続流路１０３が形成され、２つの空間１０１、１０２を接続する。
【００２９】
流体吸入管１２は、第１空間１０１と接するケース１０の一側に固定され、第１空間１０１に接続される。流体吐出管１４は、第２空間１０２と接するケース１０の他側に固定され、第２空間１０２に接続される。図１と図２では、流体吸入管１２がケース１０の左側に位置し、流体吐出管１４がケース１０の右側に位置する場合を例として示した。
【００３０】
第１変形部材１６は、第１空間１０１を覆うようにケース１０の上側に設けられ、第２変形部材１８は、第２空間１０２を覆うようにケース１０の上側に設けられる。第１変形部材１６と第２変形部材１８は、互いに距離をおいて離れて位置する。本実施形態において、第１変形部材１６と第２変形部材１８は、圧電アクチュエータからなる。
【００３１】
第１変形部材１６は、第１導電性弾性板１６１と第１圧電素子１６２との積層構造からなり、第２変形部材１８は、第２導電性弾性板１８１と第２圧電素子１８２との積層構造からなる。第１導電性弾性板１６１、第１圧電素子１６２、第２導電性弾性板１８１、および第２圧電素子１８２には、それぞれのリード線２２が接続され、これらのリード線２２は、制御部２０に接続される。
【００３２】
第１変形部材１６と第２変形部材１８は、制御部２０から起電力が加えられると、極性によって膨張または縮小する変位を起こす。この時、流体吐出管１４と近い第２変形部材１８の最大変位（第２変位）は、流体吸入管１２と近い第１変形部材１６の最大変位（第１変位）より大きい。その結果、第２変形部材１８は、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成し、後述するマイクロポンプ１００の作動過程で流体の流れを効果的に制御することができる。
【００３３】
第２変形部材１８の最大変位を拡大させるために、第２変形部材１８を第１変形部材１６より大きく形成する。つまり、第２導電性弾性板１８１は、第１導電性弾性板１６１より大きく、第２圧電素子１８２は、第１圧電素子１６２より大きく形成される。また、第２変形部材１８と接する第２空間１０２の体積は、第１変形部材１６と接する第１空間１０１の体積より大きく形成される。
【００３４】
また、マイクロポンプ１００は、接続流路１０３の内部に設けられた開閉バルブ２４と、流体吐出管１４の内部に設けられた逆流遮断部材２６とを含む。逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２の内部にも設置可能である。開閉バルブ２４は、アクティブバルブ（ａｃｔｉｖｅ ｖａｌｖｅ）であって、制御部２０によって動作が制御され、接続流路１０３を開放または閉鎖させる。開閉バルブ２４は、通常の機械的バルブで構成されるか、圧電素子を用いた圧電バルブで構成できる。
【００３５】
図３は、図１に示したマイクロポンプにおける開閉バルブを示す概略図である。
【００３６】
図３を参照すれば、圧電バルブ２４０は、接続流路１０３と平行に配置される第１圧電ディスク２４１および第２圧電ディスク２４２を含む。第１圧電ディスク２４１は、導電性弾性板と圧電素子との積層構造からなり、第２圧電ディスク２４２も、導電性弾性板と圧電素子との積層構造からなることができる。第１圧電ディスク２４１と第２圧電ディスク２４２は、それぞれリード線２４３を介して制御部２０に接続される。
【００３７】
第１圧電ディスク２４１と第２圧電ディスク２４２は、制御部２０から起電力が加えられていない時、互いに密着して接続流路１０３を閉鎖させ、制御部２０から起電力が加えられた時、互いに遠くなるように膨張して接続流路１０３を開放させる。圧電バルブ２４０は、このような作用により接続流路１０３を速やかに開閉させることができる。
【００３８】
図３に示す圧電バルブ２４０は、開閉バルブ２４の一例を説明するために示したものであって、本発明の開閉バルブ２４は、図示の圧電バルブ２４０に限定されず、接続流路１０３を開閉させることができるすべての構成のバルブが適用可能である。
【００３９】
さらに、図１と図２を参照すれば、逆流遮断部材２６は、パッシブバルブ（ｐａｓｓｉｖｅ ｖａｌｖｅ）であって、流体吸入管１２から流体吐出管１４に向かう順方向に流体の流入を円滑にするのに対し、その逆方向には流体の流入を抑制する役割を果たす。
【００４０】
逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２に向かう一側から流体吐出管１４に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状になることができる。この場合、流体は、逆方向の流れ時に上昇する圧力によって逆流遮断部材２６を通過することができないため、逆流遮断部材２６は、流体の逆方向の流れを効果的に遮断することができる。
【００４１】
図４は、図１に示したマイクロポンプにおける逆流遮断部材の変形例を示す概略図である。
【００４２】
図４を参照すれば、逆流遮断部材２６０は、じょうご状の代わりに、変形板２８と固定突起３０との組み合わせ構造からなることができる。変形板２８は、変形しやすい薄膜で製造できる。変形板２８は、流体吸入管１２と流体吐出管１４の内部において、その一部が固定される固定端２８１と、残りの部分が固定されずに離れて位置する自由端２８２とを含む。そして、流体吸入管１２から流体吐出管１４に向かう順方向に沿って、変形板２８の自由端２８２の前方に固定突起３０が位置する。
【００４３】
したがって、逆流遮断部材２６０は、流体の順方向の流れ時、変形板２８の自由端２８２が固定突起３０から遠くなって流路を開放するのに対し、流体の逆方向の流れ時には、変形板２８の自由端２８２が固定突起３０によって閉じられて流路を閉鎖する。その結果、逆流遮断部材２６０は、流体の逆方向の流れを効果的に遮断することができる。
【００４４】
さらに、図１と図２を参照すれば、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、第２変形部材１８の最大変位を第１変形部材１６の最大変位より大きく設定することにより、２つの変形部材１６、１８を備えるだけでも、流体の流れを効果的に制御することができる。したがって、変形部材１６、１８の個数を減少させることにより、マイクロポンプ１００を小型化することができる。
【００４５】
また、第１実施形態のマイクロポンプ１００は、第１および第２変形部材１６、１８とともに、開閉バルブ２４と逆流遮断部材２６を用いて、粘性流体を順方向に速やかにポンピングすることができるため、ポンピング性能を向上させることができる。
【００４６】
図５は、本発明の第２実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００４７】
図５を参照すれば、第２実施形態のマイクロポンプ２００は、接続流路１０３に逆流遮断部材２６が設けられることを除けば、前述した第１実施形態のマイクロポンプ１００と同様の構成からなる。第１実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。
【００４８】
第２実施形態のマイクロポンプ２００は、開閉バルブを備えるのではなく、接続流路１０３の内部と流体吐出管１４の内部に逆流遮断部材２６を設ける。逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２の内部にも設置可能である。
【００４９】
逆流遮断部材２６は、流体吸入管１２に向かう一側から流体吐出管１４に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状になることができる。他方で、図４に示しているように、逆流遮断部材２６０は、変形板２８と固定突起３０との組み合わせ構造からなることができる。
【００５０】
図６は、本発明の第３実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００５１】
図６を参照すれば、第３実施形態のマイクロポンプ３００は、第１変形部材１６０と第２変形部材１８０が人工筋肉で形成されることを除けば、前述した第１実施形態のマイクロポンプ１００と同様の構成からなる。第１実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。
【００５２】
第１変形部材１６０は、第１模倣筋肉部１６３と第１電極部１６４とから構成され、第１電極部１６４は、当該リード線２２を介して制御部２０と電気的に接続される。第２変形部材１８０は、第２模倣筋肉部１８３と第２電極部１８４とから構成され、第２電極部１８４は、当該リード線２２を介して制御部２０と電気的に接続される。第２模倣筋肉部１８３は、第１模倣筋肉部１６３より大きく形成され、第２変形部材１８０の最大変位が第１変形部材１６０の最大変位より大きくなるようにする。
【００５３】
第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３は、電気的刺激に反応可能なナノ繊維で製造でき、第１および第２電極部１６４、１８４を介して受信される電気的刺激によって物理的に収縮または膨張する。第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３は、ナノ繊維を電気活性ヒドロゲルで合成する方法によって製造できる。第１および第２模倣筋肉部１６３、１８３の素材と製造方法は、前述した例に限定されず、多様に変化可能である。
【００５４】
図７は、本発明の第４実施形態にかかるマイクロポンプの断面図である。
【００５５】
図７を参照すれば、第４実施形態のマイクロポンプ４００は、第１変形部材１６０と第２変形部材１８０が人工筋肉で形成されることを除けば、前述した第２実施形態のマイクロポンプ２００と同様の構成からなる。第２実施形態と同一の部材については、同一の図面符号を用いる。第１変形部材１６０と第２変形部材１８０の構成は、第３実施形態と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
図８は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第１の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図８（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。図８（ａ）において、縦軸は、第１変形部材と第２変形部材の変位であって、平坦な状態を０と仮定する時、上方へ突出する最大変形量を意味する。
【００５７】
図８を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させるとともに、第１変形部材と時間差をおいて、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を初期膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を収縮させる区間である。
【００５８】
図２と図８を参照すれば、第１区間において、第１変形部材１６は、最小変位から最大変位まで膨張する。これにより、第１空間１０１に吸入力が発生し、流体吸入管１２から第１空間１０１に流体が吸入される。ここで、最小変位は、ゼロ変位を意味する。
【００５９】
第１区間において、第２変形部材１８は、第１変形部材１６が最大変位に達する前に、図８（ａ）に示す「ａ」だけの時間差をおいて、最小変位から膨張し始める。すると、第１空間１０１の流体が順方向に慣性を維持する時、第２空間１０２を開けて第１空間１０１の流体を第２空間１０２に吸入することができるため、マイクロポンプ１００のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６０】
第２区間において、第１変形部材１６は最大変位から収縮し始め、第２変形部材１８は最大変位まで膨張する。これにより、第２空間１０２に最大の吸入力が発生し、第１空間１０１と接続流路１０３とを経て、第２空間１０２に流体が吸入される。この時、第２変形部材１８の最大変位が第１変形部材１６の最大変位より大きいため、第２変形部材１８は、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成する。
【００６１】
第３区間において、第１変形部材１６は最小変位まで収縮し、第２変形部材１８も収縮する。第２変形部材１８の最小変位は、次のサイクルの第１区間に存在することができる。第１変形部材１６と第２変形部材１８が収縮することにより、第１空間１０１と第２空間１０２の流体は、流体吐出管１４に送出される。第３区間中に第１変形部材１６が最小変位を維持する時、第１変形部材１６は、流体吸入管１２を介した逆方向の排出を抑制する機能を果たす。
【００６２】
接続流路１０３に開閉バルブ２４が位置する場合、開閉バルブ２４は、第１区間中に第２変形部材１８の膨張と同時に作動して接続流路１０３を開放させる。そして、開閉バルブ２４は、第２区間と第３区間との間で第２変形部材１８が最大変位に達すると同時に作動して接続流路１０３を閉鎖させる。
【００６３】
開閉バルブ２４は、第１空間１０１から第２空間１０２へ流体が通過する時点を能動的に調整する役割を果たす。特に、開閉バルブ２４が、図３に示しているように、圧電バルブ２４０からなる場合、圧電バルブ２４０は、自ら膨張可能な構造からなるため、圧電バルブ２４０自体で吸入力を発生させ、マイクロポンプ１００のポンピング性能とエネルギー効率を向上させるのに寄与することができる。
【００６４】
また、流体吸入管１２の内部と流体吐出管１４の内部に位置する逆流遮断部材２６は、マイクロポンプ１００の作動過程で流体の逆方向の流れを防止する役割を果たす。
【００６５】
このように、第１区間、第２区間、および第３区間が１つのポンピングサイクルを構成し、第２変形部材１８が第１変形部材１６より大きい変位を形成することにより、第１変形部材１６より大きい圧力勾配を生成する。したがって、本実施形態のマイクロポンプ１００は、ポンピング性能を向上させ、流体吸入管１２から流体吐出管１４につながる順方向に流体を効果的に移送することができ、変形部材１６、１８の個数を減少させることにより、全体の大きさを小型化することができる。
【００６６】
図８に示すマイクロポンプの作動方法において、第２変形部材１８の最大変位地点と第１変形部材１６の最小変位地点とは一致しない。つまり、第２変形部材１８が最大変位に膨張した後、第１変形部材１６が最小変位に収縮する。そして、第１変形部材１６の最大変位地点と第２変形部材１８の最大変位地点は、第２区間だけの時間差を維持する。
【００６７】
図９は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第２の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図９（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。
【００６８】
図９を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させるとともに、第１変形部材と時間差をおいて、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を初期膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、第２変形部材を最小変位まで収縮させる区間である。
【００６９】
マイクロポンプの第２の作動方法は、第１変形部材の最小変位地点と第２変形部材の最大変位地点とが一致することと、第３区間で第１変形部材が初期膨張することを除けば、前述した第１の作動方法と同様の過程を含む。
【００７０】
このように、第１変形部材の最小変位地点と第２変形部材の最大変位地点とが一致すると、第３区間で第２変形部材が収縮する時、第１変形部材が完全なバルブの役割を果たすため、流体の逆方向の流れを防止することができ、流体のポンピング性能を向上させることができる。また、第２の作動方法によれば、第１変形部材から第２変形部材に伝達される流量が前述した第１の作動方法の場合より多くなるため、マイクロポンプの大きさを拡大させることなく、マイクロポンプの処理流量を増大させることができる。
【００７１】
図１０は、第１実施形態〜第４実施形態にかかるマイクロポンプの第３の作動方法を説明するための、第１変形部材と第２変形部材の印加信号を示す波形図である。図１０（ａ）では、１サイクルの波形図を示しており、（ｂ）では、連続波形図を示した。
【００７２】
図１０を参照すれば、マイクロポンプの作動方法は、第１区間、第２区間、および第３区間を含む。第１区間は、第１変形部材に電気信号を印加して第１変形部材を最大変位（第１変位）まで膨張させる区間である。第２区間は、第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、第２変形部材に電気信号を印加して第２変形部材を最大変位（第２変位）まで膨張させる区間である。第３区間は、第１変形部材を最小変位に維持しながら、第２変形部材を最小変位まで収縮させる区間である。
【００７３】
マイクロポンプの第３の作動方法は、第１変形部材の最大変位地点と第２変形部材の最小変位地点とが一致することを除けば、前述した第２の作動方法と同様の過程を含む。
【００７４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ ケース
１２ 流体吸入管
１４ 流体吐出管
１６ 第１変形部材
１８ 第２変形部材
２０ 制御部
２２ リード線
２４ 開閉バルブ
２６ 逆流遮断部材
１００、２００、３００、４００ マイクロポンプ
１０１ 第１空間
１０２ 第２空間
１０３ 接続流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、
前記ケースの一側に位置し、前記第１空間に接続される流体吸入管と、
前記ケースの他側に位置し、前記第２空間に接続される流体吐出管と、
前記第１空間を覆うように前記ケースに設けられ、電気信号によって変形する第１変形部材と、
前記第２空間を覆うように前記ケースに設けられ、電気信号によって変形する第２変形部材とを含み、
前記第２変形部材は、前記第１変形部材より大きく形成され、
前記第２変形部材の最大変位は、前記第１変形部材の最大変位より大きいことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記第１変形部材と前記第２変形部材は、圧電アクチュエータからなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記第１変形部材は、第１導電性弾性板と第１圧電素子とを含み、
前記第２変形部材は、第２導電性弾性板と第２圧電素子とを含むことを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記第１導電性弾性板、前記第１圧電素子、前記第２導電性弾性板、および前記第２圧電素子にそれぞれ接続される複数のリード線と、
前記複数のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記第１変形部材と前記第２変形部材は、人工筋肉からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記第１変形部材は、第１模倣筋肉部と第１電極部とを含み、
前記第２変形部材は、第２模倣筋肉部と第２電極部とを含むことを特徴とする請求項５に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記第１模倣筋肉部と前記第２模倣筋肉部は、電気活性ヒドロゲルで合成されたナノ繊維を含むことを特徴とする請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記第１電極部と前記第２電極部にそれぞれ接続される一対のリード線と、
前記一対のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記第２空間の体積が前記第１空間の体積より大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記接続流路の内部に設けられた開閉バルブと、
前記流体吸入管および前記流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記流体吸入管、前記接続流路、および前記流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記開閉バルブは、前記接続流路と平行に配置された第１圧電ディスクおよび第２圧電ディスクを含む圧電バルブであることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記逆流遮断部材は、前記流体吸入管に向かう一側から前記流体吐出管に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状に形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記逆流遮断部材は、
固定端および自由端を備え、薄膜で製造される変形板と、
前記流体吸入管から前記流体吐出管に向かう順方向に沿って、前記変形板の自由端の前方に位置する固定突起とを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、
前記第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位から収縮させる第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項１６】
前記第１区間において、前記第２変形部材は、前記第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１７】
前記第３区間において、前記第１変形部材の最小変位地点は、前記第２変形部材の最大変位地点と時間差を有することを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１８】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１９】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、
前記第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位まで収縮させる第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項２０】
前記第１区間において、前記第２変形部材は、前記第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２１】
前記第２区間において、前記第１変形部材の最小変位地点は、前記第２変形部材の最大変位地点と一致することを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２２】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて前記第１空間に流体を吸入する第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて前記第１空間と前記第２空間に流体を吸入する第２区間と、
前記第２変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させて前記第１空間と前記第２空間の流体を排出する第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項２４】
前記第１変形部材の最大変位地点は、前記第２変形部材の最小変位地点と一致することを特徴とする請求項２３に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２５】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１】
接続流路を介して接続される第１空間および第２空間を形成するケースと、
前記ケースの一側に位置し、前記第１空間に接続される流体吸入管と、
前記ケースの他側に位置し、前記第２空間に接続される流体吐出管と、
前記第１空間を覆うように前記ケースに設けられ、電気信号によって変形する第１変形部材と、
前記第２空間を覆うように前記ケースに設けられ、電気信号によって変形する第２変形部材とを含み、
前記第２変形部材は、前記第１変形部材より大きく形成され、
前記第２変形部材の最大変位は、前記第１変形部材の最大変位より大きいことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記第１変形部材と前記第２変形部材は、圧電アクチュエータからなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記第１変形部材は、第１導電性弾性板と第１圧電素子とを含み、
前記第２変形部材は、第２導電性弾性板と第２圧電素子とを含むことを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記第１導電性弾性板、前記第１圧電素子、前記第２導電性弾性板、および前記第２圧電素子にそれぞれ接続される複数のリード線と、
前記複数のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記第１変形部材と前記第２変形部材は、人工筋肉からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記第１変形部材は、第１模倣筋肉部と第１電極部とを含み、
前記第２変形部材は、第２模倣筋肉部と第２電極部とを含むことを特徴とする請求項５に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記第１模倣筋肉部と前記第２模倣筋肉部は、電気活性ヒドロゲルで合成されたナノ繊維を含むことを特徴とする請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記第１電極部と前記第２電極部にそれぞれ接続される一対のリード線と、
前記一対のリード線と電気的に接続される制御部とをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記第２空間の体積が前記第１空間の体積より大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記接続流路の内部に設けられた開閉バルブと、
前記流体吸入管および前記流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記流体吸入管、前記接続流路、および前記流体吐出管の内部に設けられた逆流遮断部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記開閉バルブは、前記接続流路と平行に配置された第１圧電ディスクおよび第２圧電ディスクを含む圧電バルブであることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記逆流遮断部材は、前記流体吸入管に向かう一側から前記流体吐出管に向かう反対側の一側に向かって、内径が次第に拡大するじょうご状に形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記逆流遮断部材は、
固定端および自由端を備え、薄膜で製造される変形板と、
前記流体吸入管から前記流体吐出管に向かう順方向に沿って、前記変形板の自由端の前方に位置する固定突起とを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、
前記第１変形部材を最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位から収縮させる第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項１６】
前記第１区間において、前記第２変形部材は、前記第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１７】
前記第３区間において、前記第１変形部材の最小変位地点は、前記第２変形部材の最大変位地点と時間差を有することを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１８】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項１９】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から初期膨張させる第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最大変位まで膨張させる第２区間と、
前記第１変形部材を最小変位から初期膨張させるとともに、前記第２変形部材を最小変位まで収縮させる第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項２０】
前記第１区間において、前記第２変形部材は、前記第１変形部材の最大変位地点と時間差をおいて、最小変位から膨張し始めることを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２１】
前記第２区間において、前記第１変形部材の最小変位地点は、前記第２変形部材の最大変位地点と一致することを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２２】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項１９に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプを作動する方法において、
前記第１変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて前記第１空間に流体を吸入する第１区間と、
前記第１変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させるとともに、前記第２変形部材を最小変位から最大変位まで膨張させて前記第１空間と前記第２空間に流体を吸入する第２区間と、
前記第２変形部材を最大変位から最小変位まで収縮させて前記第１空間と前記第２空間の流体を排出する第３区間とを含むことを特徴とするマイクロポンプの作動方法。
【請求項２４】
前記第１変形部材の最大変位地点は、前記第２変形部材の最小変位地点と一致することを特徴とする請求項２３に記載のマイクロポンプの作動方法。
【請求項２５】
前記マイクロポンプの接続流路に開閉バルブが位置し、
前記開閉バルブは、前記第２変形部材の膨張と同時に作動して前記接続流路を開放させ、前記第２変形部材が最大変位に達すると同時に作動して前記接続流路を閉鎖させることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロポンプの作動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４７１７２（Ｐ２０１２−４７１７２Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７８０１（Ｐ２０１１−１７７８０１）
【出願日】平成２３年８月１６日（２０１１．８．１６）
【出願人】（５０６３７６４５８）ポステック アカデミー−インダストリー ファンデーション (28)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１６日（２０１１．８．１６）
【出願人】（５０６３７６４５８）ポステック アカデミー−インダストリー ファンデーション (28)
【Ｆターム（参考）】
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