マイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路
【課題】少ない流量でも精度良く送液制御を行うことができるマイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路を提供する。
【解決手段】加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が第１のピーク電圧から基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が第２のピーク電圧から基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、を所定の順でアクチュエータに印加することにより送出する流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【解決手段】加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が第１のピーク電圧から基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が第２のピーク電圧から基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、を所定の順でアクチュエータに印加することにより送出する流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。μ−ＴＡＳによる化学分析、環境計測などでは、デバイス（チップ）上で送液、混合、検出を行うために、送液手段としてマイクロポンプが用いられる。そのような送液手段に適したマイクロポンプの例として、本出願人が開示した特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
このような用途では、マイクロチップ内の流路に蓄えられた微少量の試薬や検体を精度良く送液する必要があり、マイクロポンプの送液制御を高精度に行う必要がある。しかしながら、マイクロポンプによって流体を流路に送出すると、流路抵抗値が変化するため目標の流量に制御することが難しい。
【０００４】
このような問題を解決するため、本出願人はマイクロポンプの作動による流路中の流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化の予測値に関する情報を取得し、取得した情報に基づいてマイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する方法を提案している（特許文献２参照）。特許文献２では、マイクロポンプを駆動するための電気信号は一定周期で繰り返す台形波電圧であり、台形波電圧のピーク電圧を制御する方法を開示している。
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７０５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、台形波電圧のピーク電圧を制御する方法では、印加電圧が低いと大気圧や温度の影響を受けやすく所望の圧力が得られないため、印加電圧を低くして少ない流量を送液するときは安定した流量が得られないことがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、少ない流量でも精度良く送液制御を行うことができるマイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路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】
【０００７】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【０００８】
１．
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、
基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、
前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、
を所定の順で前記アクチュエータに印加することにより送出する前記流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【０００９】
２．
前記第１の台形波電圧または前記第２の台形波電圧を前記アクチュエータに印加しない休止期間の長さを変えることにより前記流体の流量を制御することを特徴とする１に記載のマイクロポンプの制御方法。
【００１０】
３．
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの駆動回路において、
送出する前記流体の流量に応じてタイミングパルスと台形波切り換え信号を発生するタイミング信号発生手段と、
前記タイミングパルスに基づいて基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波を発生する第１の台形波発生回路と、
前記タイミングパルスに基づいて前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波を発生する第２の台形波発生回路と、
前記台形波切り換え信号に基づいて前記第１の台形波発生回路と前記第２の台形波発生回路を切り換えて前記アクチュエータに供給する台形波切り換え手段と、
を有することを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、立ち上がり時間と立ち下がり時間、ピーク電圧が異なる２種類の台形波電圧を所定の順でアクチュエータに印加することにより正方向の送液の後その一部を逆方向に送液するので、その差分の少ない流量を精度良く送液制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な断面図である。図２は、本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な平面図である。図１のように、マイクロポンプ１００は、基板１０１と、基板１０１上に積層された上側基板１０３と、上側基板１０３上に積層された振動板１０５と、振動板１０５の加圧室１０９と対向する側に積層されたアクチュエータ１０７、からなる。基板１０１には第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７および第２液室１１３が形成されている。アクチュエータ１０７は駆動回路１２０で駆動される。図１の矢印Ｆはマイクロポンプ１００が送液する正方向を示し、矢印Ｂは逆方向を示している。
【００１４】
基板１０１は、例えば厚さ５００［μｍ］の感光性ガラス基板であり、深さ１００［μｍ］に達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７および第２液室１１３が形成される。第１流路１１５と第２流路１１７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路よりも第２流路の方が長くなっている。
【００１５】
上側基板１０３は、ガラス基板であり、基板１０１上に積層されることにより、第１液室１１１、第１流路１１５、第２液室１１３および第２流路１１７の上面が形成される。上側基板１０３の加圧室１０９の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて、貫通している。
【００１６】
振動板１０５は、例えば厚さ５０［μｍ］の薄板ガラスである。アクチュエータ１０７は、例えば圧電性セラミックスであり、例えば厚さ５０［μｍ］のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを用いることができる。アクチュエータ１０７と振動板１０５とは接着剤等で貼り合わせられている。
【００１７】
駆動回路１２０は、アクチュエータ１０７に駆動電圧を印加するために、所定の波形の電圧を発生させる。アクチュエータ１０７に駆動回路１２０から駆動電圧が印加されることにより、振動板１０５とアクチュエータ１０７とがユニモルフモードの屈曲変形（反り変形）をする。これにより、加圧室１０９の容積が増減する。
【００１８】
次にマイクロポンプ１００の動作原理について説明する。
【００１９】
第１流路１１５は、その流入側と流出側との差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。第２流路１１７は、差圧が零に近いときの流路抵抗は第１流路１１５の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合に流路抵抗が第１流路１１５よりも小さくなる。
【００２０】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体（流体）が、差圧の大きさに応じて乱流となるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、第１流路１１５を流路長の短いオリフィスとし、第２流路１１７を第１流路１１５と内径が同じで流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００２１】
第２流路１１７と第１流路１１５のこのような流路抵抗特性を利用して、加圧室１０９に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、流路抵抗の低い方に液体を吐出するようなポンプ作用を実現することができる。
【００２２】
つまり、加圧室１０９の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくしておけば、差圧が大きくなって第１流路１１５の流路抵抗の方が第２流路１１７の流路抵抗よりも大きくなり、加圧室１０９内の液体は第２流路１１７から吐出する（吐出工程）。そして、加圧室１０９の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも大きくなり、第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２３】
これとは逆に、加圧室１０９の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも大きくなり、加圧室１０９内の液体は第１流路１１５から吐出する（吐出工程）。そして、加圧室１０９の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも小さくなり、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２４】
このような加圧室１０９の圧力制御は、アクチュエータ１０７に供給する駆動電圧を制御し、振動板１０５の変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。
【００２５】
図３は本発明の第１の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図３（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図３（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００２６】
アクチュエータ１０７に印加する駆動電圧が上昇すると、アクチュエータ１０７と振動板１０５は、加圧室１０９側に反り変形し、その結果加圧室１０９の容積が減少するものとする。逆に、アクチュエータ１０７に印加する駆動電圧が下降すると、アクチュエータ１０７と振動板１０５が加圧室１０９側に反り変形する変位量が減少するため、加圧室１０９の容積が増加するものとする。
【００２７】
図３（ａ）に示すようにＴ１〜Ｔ３の期間はアクチュエータ１０７に第１の台形波電圧が印加され、Ｔ５〜Ｔ７の期間はアクチュエータ１０７に第２の台形波電圧が印加される。
【００２８】
第１の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１の間に基準電圧ｅ０から第１のピーク電圧ｅ１まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ２を過ぎると立ち下がり時間Ｔ３の間にピーク電圧ｅ１から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００２９】
第２の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ５の間に基準電圧ｅ０から第２のピーク電圧ｅ２まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ６を過ぎると立ち下がり時間Ｔ７の間にピーク電圧ｅ２から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００３０】
Ｔ４、Ｔ８の期間は、基準電圧ｅ０（例えば０Ｖ）がアクチュエータ１０７に印加される。また、立ち上がり時間Ｔ１＞立ち下がり時間Ｔ３、立ち上がり時間Ｔ５＜立ち下がり時間Ｔ７である。
【００３１】
第１の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ１＞立ち下がり時間Ｔ３なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より小さい。したがって、前述の様に加圧室１０９内の液体は第１流路１１５から矢印Ｆ方向に吐出する。
【００３２】
図３（ｂ）は第１液室１１１から吐出された液体の流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ１の期間、加圧室１０９の圧力が緩やかに上昇するので流路１２４を流れる流量Ｑも緩やかに上昇する。Ｔ２の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ３の期間は加圧室１０９の圧力が急に下降すると、おもに第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入し、一部が第２流路１１７から加圧室１０９内に流入する。そのため、流量Ｑは急に減少する。しかし、立ち下がり時間Ｔ３の期間に減少する流量Ｑは立ち上がり時間Ｔ１の期間に流入した流量Ｑより少なく、Ｔ４の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが増加している。このようにＴ１からＴ３のサイクルでは流量Ｑは増加し、休止期間であるＴ４の期間の流量はｑ１である。
【００３３】
次に印加される第２の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ５＜立ち下がり時間Ｔ７なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より大きい。したがって、前述の様に第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入する。
【００３４】
図３（ｂ）に示すように、立ち上がり時間Ｔ５の期間、加圧室１０９の圧力が急に上昇すると、おもに第２流路１１７から液体が吐出し、一部が第１流路１１５から吐出する。そのため、流量Ｑは急に減少する。
【００３５】
一方、Ｔ６の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ７の期間において加圧室１０９の圧力が緩やかに下降すると、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。そのため、流量Ｑは緩やかに増加する。しかし、Ｔ５の期間に減少する流量Ｑは立ち下がり時間Ｔ７の期間に増加した流量Ｑより少なく、Ｔ５〜Ｔ７のサイクルでは流量Ｑが少し増加する。休止期間であるＴ８の期間の流量はｑ２である。Ｔ４の期間の流量ｑ１からＴ８の期間の流量ｑ２へ増加した流量をΔｑとすると、Δｑ＜ｑ１でありＴ１〜Ｔ８の期間ではｑ１＋Δｑだけ流量が増えたことになる。
【００３６】
このように第１の台形波電圧のサイクルで図１の矢印Ｆ方向に送出した流体を第２の台形波電圧のサイクルで一部を図１の矢印Ｂ方向に戻すことにより、目標とする流量が少ない場合でも精度良く送液制御を行うことができる。
【００３７】
図３において、アクチュエータ１０７に印加する第１のピーク電圧ｅ１は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度、第２のピーク電圧ｅ２は、第１のピーク電圧ｅ１より低い電圧である。第１のピーク電圧ｅ１と第２のピーク電圧ｅ２は、マイクロポンプ１００毎に大気圧や温度の影響を受けず、所望の圧力が得られ安定した流量で送液できる所定の電圧以上に設定する。また、第２のピーク電圧ｅ２は目標とする流量に応じて第１のピーク電圧ｅ１より低く設定する。
【００３８】
また、時間Ｔ１、Ｔ７は６０μｓ程度、時間Ｔ２、Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３、Ｔ５は２０μｓ程度である。時間Ｔ４、Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧Ｅの周波数は１１ｋＨｚ程度である。
【００３９】
図３（ａ）に示す駆動電圧Ｅによって、第１液室１１１には、例えば図３（ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図３（ｂ）に実線で示す流量は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。流量の平均値は図３（ｂ）に点線で示す直線Ｑ１のように増加する。
【００４０】
図４は本発明の第２の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図４（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図４（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４１】
第１の実施形態との違いは、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を３回繰り返した後、第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を１回行って、また第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を行うようにした点である。そのほかの条件は第１の実施形態と同様であり説明を省略する。
【００４２】
図４（ａ）のように、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を３回繰り返した間に増加した流量を第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を１回行って減少させると、流量の平均値Ｑ２は図４（ｂ）に示すように図３の例より多く増加する。
【００４３】
このように、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を繰り返す回数と第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を行う回数を設定することにより、図３の例より多い流量でも精度良く流量を制御できる。
【００４４】
図５は本発明の第３の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図５（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図５（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４５】
第１の実施形態との違いは、休止期間Ｔ４、Ｔ８を第１の実施形態より長くした点である。そのほかの条件は第１の実施形態等同様であり説明を省略する。
【００４６】
図５（ａ）のように、休止期間Ｔ４または休止期間Ｔ８を長くすると、流量の平均値Ｑ３は図５（ｂ）に示すように図３の例より緩やかに増加する。
【００４７】
このように、休止期間Ｔ４または休止期間Ｔ８の長さを設定することにより、微小な流量の流量制御が可能になる。
【００４８】
図６は本発明の第４の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図６（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図６（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４９】
第４の実施形態では逆方向である図１の矢印Ｂ方向に送液する場合のマイクロポンプの制御方法の一例である。
【００５０】
図６（ａ）に示すようにＴ１０〜Ｔ１２の期間はアクチュエータ１０７に第１の台形波電圧が印加され、Ｔ１３〜Ｔ１６の期間はアクチュエータ１０７に第２の台形波電圧が印加される。
【００５１】
第１の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１０の間基準電圧ｅ０から第１のピーク電圧ｅ１まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ１１を過ぎると立ち下がり時間Ｔ１２の間にピーク電圧ｅ１から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００５２】
第２の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１４の間基準電圧ｅ０から第２のピーク電圧ｅ２まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ１５を過ぎると立ち下がり時間Ｔ１６の間にピーク電圧ｅ２から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００５３】
Ｔ１３、Ｔ１７の期間は、基準電圧ｅ０（例えば０Ｖ）がアクチュエータ１０７に印加される。また、立ち上がり時間Ｔ１０＜立ち下がり時間Ｔ１２、立ち上がり時間Ｔ１４＞立ち下がり時間Ｔ１６である。
【００５４】
第１の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ１０＜立ち下がり時間Ｔ１２なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より大きい。したがって、加圧室１０９内の液体は第２流路１１７から吐出する。
【００５５】
図６（ｂ）は第１液室１１１から吐出された液体の流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ１０の期間、加圧室１０９の圧力が急に上昇するので流路１２４を流れる流量Ｑも急に上昇する。Ｔ１１の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ１２の期間は加圧室１０９の圧力が緩やかに下降すると、おもに第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入し、一部が第１流路１１５から加圧室１０９内に流入する。そのため、流量Ｑは緩やかに減少する。しかし、立ち下がり時間Ｔ１２の期間に減少する流量Ｑは立ち上がり時間Ｔ１０の期間に流入した流量Ｑより多く、Ｔ１３の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが減少している。このようにＴ１０からＴ１２のサイクルでは流量Ｑは減少する。
【００５６】
次に印加される第２の台形波電圧では立ち下がり時間Ｔ１６＜立ち上がり時間Ｔ１４なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より小さい。したがって、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。
【００５７】
図６（ｂ）に示すように、立ち上がり時間Ｔ１４の期間、加圧室１０９の圧力が緩やかに上昇すると、おもに第２流路１１７から液体が吐出し、一部が第１流路１１５から吐出する。そのため、流量Ｑは緩やかに減少する。
【００５８】
一方、Ｔ１５の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ１６の期間において加圧室１０９の圧力が急に下降すると、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。そのため、流量Ｑは急に増加する。しかし、Ｔ１４の期間に減少する流量Ｑは立ち下がり時間Ｔ１６の期間に吐出した流量Ｑより多く、Ｔ１４〜Ｔ１６のサイクルでは流量Ｑが少し減少する。
【００５９】
このように第１の台形波電圧のサイクルで矢印Ｂ方向に送出した流体を第２の台形波電圧のサイクルで一部を矢印Ｆ方向に戻すことにより、第１の実施形態と逆方向に少ない流量を精度良く送液制御を行うことができる。また、第２の実施形態、第３の実施形態で説明した送液制御も同様に逆方向に送液する場合に適用できる。
【００６０】
次に、マイクロポンプを駆動する駆動回路について図７、図８、図９を用いて説明する。
【００６１】
図７は本発明の実施形態におけるマイクロポンプの駆動回路のブロック図、図８は台形波発生部の回路部ブロック図、図９は駆動回路のタイミングチャートである。
【００６２】
駆動回路１２０はタイミング信号発生部２１、電源部２２、第１台形波発生部２３、第２台形波発生部２４、台形波切り換え手段２５、バッファアンプ２６から構成される。制御部２０はＣＰＵやメモリなどを内蔵し、プログラムにしたがって目標とする流量をタイミング信号発生部２１に指令する。
【００６３】
タイミング信号発生部２１は、制御部２０が指令した目標流量に応じて、タイミングパルスＳ１、Ｓ２と台形波切り換え信号Ｓ３を発生する。
【００６４】
第１台形波発生部２３、第２台形波発生部２４の内部回路を図８の回路ブロック図を参照して説明する。なお、図８に図示する第１台形波発生部２３を例に説明するが、第２台形波発生部２４も同じ回路構成であり説明を省略する。
【００６５】
図８の切り換え部５４は、タイミングパルスＳ１に基づいて、定電流充電部５１と定電流放電部５２とを切り換えて作動させるためのものである。図８の例では、図９（ａ）に示すタイミングパルスＳ１が‘Ｈ’のとき定電流放電部５２がコンデンサＣ１に接続され、タイミングパルスＳ１が‘Ｌ’のとき定電流充電部５１がコンデンサＣ１に接続される。
【００６６】
図８の定電流充電部５１は、電源部２２から一定の電流Ｉｃを流してコンデンサＣ１を充電するための定電流回路である。図９のタイミングチャートを参照しながら動作を説明する。
【００６７】
図９（ａ）はタイミングパルスＳ１のタイミングチャート、図９（ｂ）はコンデンサＣ１の電圧をエミッタフォロア回路などから構成されるバッファ部５３を介して出力した出力電圧Ｖ01の波形を示している。
【００６８】
タイミングパルスＳ１が‘Ｌ’の間、定電流Ｉｃで容量ＣｘのコンデンサＣ１を充電すると時間ｔ経過後のＶ01は、Ｖ01＝（Ｉｃ／Ｃｘ）×ｔであり、時間に比例して上昇する。電圧Ｖｃ１の上限は電源部２２から供給される第１のピーク電圧ｅ１である。なお、期間ＴＣより短い時間ｔｒが経過すると、第１のピーク電圧ｅ１まで出力電圧Ｖ01が上昇し定電流充電部５１が飽和し充電が行われなくなるようにＩｃ、Ｃｘなどのパラメータが設定されている。
【００６９】
定電流放電部５２は、コンデンサＣ１を一定の電流Ｉｄで放電させるために設けられている。タイミングパルスＳ１が‘Ｈ’の間、第１のピーク電圧ｅ１まで充電された容量ＣｘのコンデンサＣ１を定電流Ｉｄで放電する。出力電圧Ｖ01は、Ｖ01＝ｅ１−（Ｉｄ／Ｃｘ）×ｔであり、時間ｔに比例して減少しコンデンサＣ１を放電する。なお、期間ＴＤより短い時間Ｔｆが経過すると、出力電圧Ｖ01が０ＶになるようにＩｄ、Ｃｘなどのパラメータが設定されている。休止している時間Ｔ１ｆはタイミングパルスＳ１の期間ＴＤの長さを変更することにより設定する。
【００７０】
このようにして、第１の台形波電圧を発生する。
【００７１】
図９（ｃ）はタイミングパルスＳ２のタイミングチャート、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02の波形を示している。
【００７２】
第２の台形波発生部２４の回路構成は第１の台形波発生部２３と同様であり、内部回路の動作についての詳細な説明は省略する。
【００７３】
Ｓ２が‘Ｌ’の期間ＴＥでは、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02は電源部２２から供給される第２のピーク電圧ｅ２まで上昇する。ピーク電圧ｅ２まで上昇する時間はｔｓであり、期間ＴＥより短い。
【００７４】
Ｓ２が‘Ｈ’の期間ＴＦでは、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02は０Ｖまで低下する。０Ｖになるまでの時間はｔｇであり、期間ＴＦより短い。
【００７５】
このようにして、第２の台形波電圧を発生する。
【００７６】
図９（ｅ）は台形波切り換え信号Ｓ３であり、台形波切り換え手段２５を切り換えてバッファアンプ２６に接続する。例えば、台形波切り換え信号Ｓ３が‘Ｈ’の期間は第１の台形波発生部２３とバッファアンプ２６が接続され、台形波切り換え信号Ｓ３が‘Ｌ’の期間は第２の台形波発生部２４とバッファアンプ２６が接続される。図９（ｅ）に示す台形波切り換え信号Ｓ３の例では、図３（ａ）に示すような駆動電圧がバッファアンプ２６に入力される。バッファアンプ２６はアクチュエータ１０７に接続されており、アクチュエータ１０７を直接駆動する。
【００７７】
以上このように、本発明によれば、少ない流量でも精度良く送液制御を行うことができるマイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施形態におけるマイクロポンプの駆動回路のブロック図である。
【図８】本発明の実施形態における台形波発生部の回路部ブロック図である。
【図９】本発明の実施形態における駆動回路のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
５１ 定電流充電部
５２ 定電流放電部
５３ バッファ部
１００ マイクロポンプ
１０１ 基板
１０３ 上側基板
１０５ 振動板
１０７ アクチュエータ
１０９ 加圧室
１１１ 第１液室
１１３ 第２液室
１１５ 第１流路
１１７ 第２流路
１２０ 駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。μ−ＴＡＳによる化学分析、環境計測などでは、デバイス（チップ）上で送液、混合、検出を行うために、送液手段としてマイクロポンプが用いられる。そのような送液手段に適したマイクロポンプの例として、本出願人が開示した特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
このような用途では、マイクロチップ内の流路に蓄えられた微少量の試薬や検体を精度良く送液する必要があり、マイクロポンプの送液制御を高精度に行う必要がある。しかしながら、マイクロポンプによって流体を流路に送出すると、流路抵抗値が変化するため目標の流量に制御することが難しい。
【０００４】
このような問題を解決するため、本出願人はマイクロポンプの作動による流路中の流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化の予測値に関する情報を取得し、取得した情報に基づいてマイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する方法を提案している（特許文献２参照）。特許文献２では、マイクロポンプを駆動するための電気信号は一定周期で繰り返す台形波電圧であり、台形波電圧のピーク電圧を制御する方法を開示している。
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７０５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、台形波電圧のピーク電圧を制御する方法では、印加電圧が低いと大気圧や温度の影響を受けやすく所望の圧力が得られないため、印加電圧を低くして少ない流量を送液するときは安定した流量が得られないことがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、少ない流量でも精度良く送液制御を行うことができるマイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路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】
【０００７】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【０００８】
１．
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、
基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、
前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、
を所定の順で前記アクチュエータに印加することにより送出する前記流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【０００９】
２．
前記第１の台形波電圧または前記第２の台形波電圧を前記アクチュエータに印加しない休止期間の長さを変えることにより前記流体の流量を制御することを特徴とする１に記載のマイクロポンプの制御方法。
【００１０】
３．
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの駆動回路において、
送出する前記流体の流量に応じてタイミングパルスと台形波切り換え信号を発生するタイミング信号発生手段と、
前記タイミングパルスに基づいて基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波を発生する第１の台形波発生回路と、
前記タイミングパルスに基づいて前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波を発生する第２の台形波発生回路と、
前記台形波切り換え信号に基づいて前記第１の台形波発生回路と前記第２の台形波発生回路を切り換えて前記アクチュエータに供給する台形波切り換え手段と、
を有することを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、立ち上がり時間と立ち下がり時間、ピーク電圧が異なる２種類の台形波電圧を所定の順でアクチュエータに印加することにより正方向の送液の後その一部を逆方向に送液するので、その差分の少ない流量を精度良く送液制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な断面図である。図２は、本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な平面図である。図１のように、マイクロポンプ１００は、基板１０１と、基板１０１上に積層された上側基板１０３と、上側基板１０３上に積層された振動板１０５と、振動板１０５の加圧室１０９と対向する側に積層されたアクチュエータ１０７、からなる。基板１０１には第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７および第２液室１１３が形成されている。アクチュエータ１０７は駆動回路１２０で駆動される。図１の矢印Ｆはマイクロポンプ１００が送液する正方向を示し、矢印Ｂは逆方向を示している。
【００１４】
基板１０１は、例えば厚さ５００［μｍ］の感光性ガラス基板であり、深さ１００［μｍ］に達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室１１１、第１流路１１５、加圧室１０９、第２流路１１７および第２液室１１３が形成される。第１流路１１５と第２流路１１７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路よりも第２流路の方が長くなっている。
【００１５】
上側基板１０３は、ガラス基板であり、基板１０１上に積層されることにより、第１液室１１１、第１流路１１５、第２液室１１３および第２流路１１７の上面が形成される。上側基板１０３の加圧室１０９の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて、貫通している。
【００１６】
振動板１０５は、例えば厚さ５０［μｍ］の薄板ガラスである。アクチュエータ１０７は、例えば圧電性セラミックスであり、例えば厚さ５０［μｍ］のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを用いることができる。アクチュエータ１０７と振動板１０５とは接着剤等で貼り合わせられている。
【００１７】
駆動回路１２０は、アクチュエータ１０７に駆動電圧を印加するために、所定の波形の電圧を発生させる。アクチュエータ１０７に駆動回路１２０から駆動電圧が印加されることにより、振動板１０５とアクチュエータ１０７とがユニモルフモードの屈曲変形（反り変形）をする。これにより、加圧室１０９の容積が増減する。
【００１８】
次にマイクロポンプ１００の動作原理について説明する。
【００１９】
第１流路１１５は、その流入側と流出側との差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。第２流路１１７は、差圧が零に近いときの流路抵抗は第１流路１１５の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合に流路抵抗が第１流路１１５よりも小さくなる。
【００２０】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体（流体）が、差圧の大きさに応じて乱流となるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、第１流路１１５を流路長の短いオリフィスとし、第２流路１１７を第１流路１１５と内径が同じで流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００２１】
第２流路１１７と第１流路１１５のこのような流路抵抗特性を利用して、加圧室１０９に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、流路抵抗の低い方に液体を吐出するようなポンプ作用を実現することができる。
【００２２】
つまり、加圧室１０９の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくしておけば、差圧が大きくなって第１流路１１５の流路抵抗の方が第２流路１１７の流路抵抗よりも大きくなり、加圧室１０９内の液体は第２流路１１７から吐出する（吐出工程）。そして、加圧室１０９の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも大きくなり、第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２３】
これとは逆に、加圧室１０９の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも大きくなり、加圧室１０９内の液体は第１流路１１５から吐出する（吐出工程）。そして、加圧室１０９の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって第２流路１１７の流路抵抗の方が第１流路１１５の流路抵抗よりも小さくなり、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する（吸入工程）。
【００２４】
このような加圧室１０９の圧力制御は、アクチュエータ１０７に供給する駆動電圧を制御し、振動板１０５の変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。
【００２５】
図３は本発明の第１の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図３（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図３（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００２６】
アクチュエータ１０７に印加する駆動電圧が上昇すると、アクチュエータ１０７と振動板１０５は、加圧室１０９側に反り変形し、その結果加圧室１０９の容積が減少するものとする。逆に、アクチュエータ１０７に印加する駆動電圧が下降すると、アクチュエータ１０７と振動板１０５が加圧室１０９側に反り変形する変位量が減少するため、加圧室１０９の容積が増加するものとする。
【００２７】
図３（ａ）に示すようにＴ１〜Ｔ３の期間はアクチュエータ１０７に第１の台形波電圧が印加され、Ｔ５〜Ｔ７の期間はアクチュエータ１０７に第２の台形波電圧が印加される。
【００２８】
第１の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１の間に基準電圧ｅ０から第１のピーク電圧ｅ１まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ２を過ぎると立ち下がり時間Ｔ３の間にピーク電圧ｅ１から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００２９】
第２の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ５の間に基準電圧ｅ０から第２のピーク電圧ｅ２まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ６を過ぎると立ち下がり時間Ｔ７の間にピーク電圧ｅ２から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００３０】
Ｔ４、Ｔ８の期間は、基準電圧ｅ０（例えば０Ｖ）がアクチュエータ１０７に印加される。また、立ち上がり時間Ｔ１＞立ち下がり時間Ｔ３、立ち上がり時間Ｔ５＜立ち下がり時間Ｔ７である。
【００３１】
第１の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ１＞立ち下がり時間Ｔ３なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より小さい。したがって、前述の様に加圧室１０９内の液体は第１流路１１５から矢印Ｆ方向に吐出する。
【００３２】
図３（ｂ）は第１液室１１１から吐出された液体の流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ１の期間、加圧室１０９の圧力が緩やかに上昇するので流路１２４を流れる流量Ｑも緩やかに上昇する。Ｔ２の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ３の期間は加圧室１０９の圧力が急に下降すると、おもに第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入し、一部が第２流路１１７から加圧室１０９内に流入する。そのため、流量Ｑは急に減少する。しかし、立ち下がり時間Ｔ３の期間に減少する流量Ｑは立ち上がり時間Ｔ１の期間に流入した流量Ｑより少なく、Ｔ４の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが増加している。このようにＴ１からＴ３のサイクルでは流量Ｑは増加し、休止期間であるＴ４の期間の流量はｑ１である。
【００３３】
次に印加される第２の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ５＜立ち下がり時間Ｔ７なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より大きい。したがって、前述の様に第１流路１１５から加圧室１０９内に液体が流入する。
【００３４】
図３（ｂ）に示すように、立ち上がり時間Ｔ５の期間、加圧室１０９の圧力が急に上昇すると、おもに第２流路１１７から液体が吐出し、一部が第１流路１１５から吐出する。そのため、流量Ｑは急に減少する。
【００３５】
一方、Ｔ６の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ７の期間において加圧室１０９の圧力が緩やかに下降すると、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。そのため、流量Ｑは緩やかに増加する。しかし、Ｔ５の期間に減少する流量Ｑは立ち下がり時間Ｔ７の期間に増加した流量Ｑより少なく、Ｔ５〜Ｔ７のサイクルでは流量Ｑが少し増加する。休止期間であるＴ８の期間の流量はｑ２である。Ｔ４の期間の流量ｑ１からＴ８の期間の流量ｑ２へ増加した流量をΔｑとすると、Δｑ＜ｑ１でありＴ１〜Ｔ８の期間ではｑ１＋Δｑだけ流量が増えたことになる。
【００３６】
このように第１の台形波電圧のサイクルで図１の矢印Ｆ方向に送出した流体を第２の台形波電圧のサイクルで一部を図１の矢印Ｂ方向に戻すことにより、目標とする流量が少ない場合でも精度良く送液制御を行うことができる。
【００３７】
図３において、アクチュエータ１０７に印加する第１のピーク電圧ｅ１は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度、第２のピーク電圧ｅ２は、第１のピーク電圧ｅ１より低い電圧である。第１のピーク電圧ｅ１と第２のピーク電圧ｅ２は、マイクロポンプ１００毎に大気圧や温度の影響を受けず、所望の圧力が得られ安定した流量で送液できる所定の電圧以上に設定する。また、第２のピーク電圧ｅ２は目標とする流量に応じて第１のピーク電圧ｅ１より低く設定する。
【００３８】
また、時間Ｔ１、Ｔ７は６０μｓ程度、時間Ｔ２、Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３、Ｔ５は２０μｓ程度である。時間Ｔ４、Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧Ｅの周波数は１１ｋＨｚ程度である。
【００３９】
図３（ａ）に示す駆動電圧Ｅによって、第１液室１１１には、例えば図３（ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図３（ｂ）に実線で示す流量は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。流量の平均値は図３（ｂ）に点線で示す直線Ｑ１のように増加する。
【００４０】
図４は本発明の第２の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図４（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図４（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４１】
第１の実施形態との違いは、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を３回繰り返した後、第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を１回行って、また第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を行うようにした点である。そのほかの条件は第１の実施形態と同様であり説明を省略する。
【００４２】
図４（ａ）のように、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を３回繰り返した間に増加した流量を第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を１回行って減少させると、流量の平均値Ｑ２は図４（ｂ）に示すように図３の例より多く増加する。
【００４３】
このように、第１の台形波電圧のサイクルＴ１〜Ｔ４を繰り返す回数と第２の台形波電圧のサイクルＴ５〜Ｔ８を行う回数を設定することにより、図３の例より多い流量でも精度良く流量を制御できる。
【００４４】
図５は本発明の第３の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図５（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図５（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４５】
第１の実施形態との違いは、休止期間Ｔ４、Ｔ８を第１の実施形態より長くした点である。そのほかの条件は第１の実施形態等同様であり説明を省略する。
【００４６】
図５（ａ）のように、休止期間Ｔ４または休止期間Ｔ８を長くすると、流量の平均値Ｑ３は図５（ｂ）に示すように図３の例より緩やかに増加する。
【００４７】
このように、休止期間Ｔ４または休止期間Ｔ８の長さを設定することにより、微小な流量の流量制御が可能になる。
【００４８】
図６は本発明の第４の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。図６（ａ）はアクチュエータ１０７に供給する駆動電圧Ｅと時間ｔとの関係を、図６（ｂ）は流量Ｑと時間ｔとの関係を示している。
【００４９】
第４の実施形態では逆方向である図１の矢印Ｂ方向に送液する場合のマイクロポンプの制御方法の一例である。
【００５０】
図６（ａ）に示すようにＴ１０〜Ｔ１２の期間はアクチュエータ１０７に第１の台形波電圧が印加され、Ｔ１３〜Ｔ１６の期間はアクチュエータ１０７に第２の台形波電圧が印加される。
【００５１】
第１の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１０の間基準電圧ｅ０から第１のピーク電圧ｅ１まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ１１を過ぎると立ち下がり時間Ｔ１２の間にピーク電圧ｅ１から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００５２】
第２の台形波電圧は立ち上がり時間Ｔ１４の間基準電圧ｅ０から第２のピーク電圧ｅ２まで上昇し、ピーク電圧期間Ｔ１５を過ぎると立ち下がり時間Ｔ１６の間にピーク電圧ｅ２から基準電圧ｅ０まで下降する。
【００５３】
Ｔ１３、Ｔ１７の期間は、基準電圧ｅ０（例えば０Ｖ）がアクチュエータ１０７に印加される。また、立ち上がり時間Ｔ１０＜立ち下がり時間Ｔ１２、立ち上がり時間Ｔ１４＞立ち下がり時間Ｔ１６である。
【００５４】
第１の台形波電圧では立ち上がり時間Ｔ１０＜立ち下がり時間Ｔ１２なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より大きい。したがって、加圧室１０９内の液体は第２流路１１７から吐出する。
【００５５】
図６（ｂ）は第１液室１１１から吐出された液体の流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ１０の期間、加圧室１０９の圧力が急に上昇するので流路１２４を流れる流量Ｑも急に上昇する。Ｔ１１の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ１２の期間は加圧室１０９の圧力が緩やかに下降すると、おもに第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入し、一部が第１流路１１５から加圧室１０９内に流入する。そのため、流量Ｑは緩やかに減少する。しかし、立ち下がり時間Ｔ１２の期間に減少する流量Ｑは立ち上がり時間Ｔ１０の期間に流入した流量Ｑより多く、Ｔ１３の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが減少している。このようにＴ１０からＴ１２のサイクルでは流量Ｑは減少する。
【００５６】
次に印加される第２の台形波電圧では立ち下がり時間Ｔ１６＜立ち上がり時間Ｔ１４なので、加圧室１０９の圧力が上昇するときの変化の割合は、加圧室１０９の圧力が下降するときの変化の割合より小さい。したがって、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。
【００５７】
図６（ｂ）に示すように、立ち上がり時間Ｔ１４の期間、加圧室１０９の圧力が緩やかに上昇すると、おもに第２流路１１７から液体が吐出し、一部が第１流路１１５から吐出する。そのため、流量Ｑは緩やかに減少する。
【００５８】
一方、Ｔ１５の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ１６の期間において加圧室１０９の圧力が急に下降すると、第２流路１１７から加圧室１０９内に液体が流入する。そのため、流量Ｑは急に増加する。しかし、Ｔ１４の期間に減少する流量Ｑは立ち下がり時間Ｔ１６の期間に吐出した流量Ｑより多く、Ｔ１４〜Ｔ１６のサイクルでは流量Ｑが少し減少する。
【００５９】
このように第１の台形波電圧のサイクルで矢印Ｂ方向に送出した流体を第２の台形波電圧のサイクルで一部を矢印Ｆ方向に戻すことにより、第１の実施形態と逆方向に少ない流量を精度良く送液制御を行うことができる。また、第２の実施形態、第３の実施形態で説明した送液制御も同様に逆方向に送液する場合に適用できる。
【００６０】
次に、マイクロポンプを駆動する駆動回路について図７、図８、図９を用いて説明する。
【００６１】
図７は本発明の実施形態におけるマイクロポンプの駆動回路のブロック図、図８は台形波発生部の回路部ブロック図、図９は駆動回路のタイミングチャートである。
【００６２】
駆動回路１２０はタイミング信号発生部２１、電源部２２、第１台形波発生部２３、第２台形波発生部２４、台形波切り換え手段２５、バッファアンプ２６から構成される。制御部２０はＣＰＵやメモリなどを内蔵し、プログラムにしたがって目標とする流量をタイミング信号発生部２１に指令する。
【００６３】
タイミング信号発生部２１は、制御部２０が指令した目標流量に応じて、タイミングパルスＳ１、Ｓ２と台形波切り換え信号Ｓ３を発生する。
【００６４】
第１台形波発生部２３、第２台形波発生部２４の内部回路を図８の回路ブロック図を参照して説明する。なお、図８に図示する第１台形波発生部２３を例に説明するが、第２台形波発生部２４も同じ回路構成であり説明を省略する。
【００６５】
図８の切り換え部５４は、タイミングパルスＳ１に基づいて、定電流充電部５１と定電流放電部５２とを切り換えて作動させるためのものである。図８の例では、図９（ａ）に示すタイミングパルスＳ１が‘Ｈ’のとき定電流放電部５２がコンデンサＣ１に接続され、タイミングパルスＳ１が‘Ｌ’のとき定電流充電部５１がコンデンサＣ１に接続される。
【００６６】
図８の定電流充電部５１は、電源部２２から一定の電流Ｉｃを流してコンデンサＣ１を充電するための定電流回路である。図９のタイミングチャートを参照しながら動作を説明する。
【００６７】
図９（ａ）はタイミングパルスＳ１のタイミングチャート、図９（ｂ）はコンデンサＣ１の電圧をエミッタフォロア回路などから構成されるバッファ部５３を介して出力した出力電圧Ｖ01の波形を示している。
【００６８】
タイミングパルスＳ１が‘Ｌ’の間、定電流Ｉｃで容量ＣｘのコンデンサＣ１を充電すると時間ｔ経過後のＶ01は、Ｖ01＝（Ｉｃ／Ｃｘ）×ｔであり、時間に比例して上昇する。電圧Ｖｃ１の上限は電源部２２から供給される第１のピーク電圧ｅ１である。なお、期間ＴＣより短い時間ｔｒが経過すると、第１のピーク電圧ｅ１まで出力電圧Ｖ01が上昇し定電流充電部５１が飽和し充電が行われなくなるようにＩｃ、Ｃｘなどのパラメータが設定されている。
【００６９】
定電流放電部５２は、コンデンサＣ１を一定の電流Ｉｄで放電させるために設けられている。タイミングパルスＳ１が‘Ｈ’の間、第１のピーク電圧ｅ１まで充電された容量ＣｘのコンデンサＣ１を定電流Ｉｄで放電する。出力電圧Ｖ01は、Ｖ01＝ｅ１−（Ｉｄ／Ｃｘ）×ｔであり、時間ｔに比例して減少しコンデンサＣ１を放電する。なお、期間ＴＤより短い時間Ｔｆが経過すると、出力電圧Ｖ01が０ＶになるようにＩｄ、Ｃｘなどのパラメータが設定されている。休止している時間Ｔ１ｆはタイミングパルスＳ１の期間ＴＤの長さを変更することにより設定する。
【００７０】
このようにして、第１の台形波電圧を発生する。
【００７１】
図９（ｃ）はタイミングパルスＳ２のタイミングチャート、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02の波形を示している。
【００７２】
第２の台形波発生部２４の回路構成は第１の台形波発生部２３と同様であり、内部回路の動作についての詳細な説明は省略する。
【００７３】
Ｓ２が‘Ｌ’の期間ＴＥでは、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02は電源部２２から供給される第２のピーク電圧ｅ２まで上昇する。ピーク電圧ｅ２まで上昇する時間はｔｓであり、期間ＴＥより短い。
【００７４】
Ｓ２が‘Ｈ’の期間ＴＦでは、第２の台形波発生部２４の出力電圧Ｖ02は０Ｖまで低下する。０Ｖになるまでの時間はｔｇであり、期間ＴＦより短い。
【００７５】
このようにして、第２の台形波電圧を発生する。
【００７６】
図９（ｅ）は台形波切り換え信号Ｓ３であり、台形波切り換え手段２５を切り換えてバッファアンプ２６に接続する。例えば、台形波切り換え信号Ｓ３が‘Ｈ’の期間は第１の台形波発生部２３とバッファアンプ２６が接続され、台形波切り換え信号Ｓ３が‘Ｌ’の期間は第２の台形波発生部２４とバッファアンプ２６が接続される。図９（ｅ）に示す台形波切り換え信号Ｓ３の例では、図３（ａ）に示すような駆動電圧がバッファアンプ２６に入力される。バッファアンプ２６はアクチュエータ１０７に接続されており、アクチュエータ１０７を直接駆動する。
【００７７】
以上このように、本発明によれば、少ない流量でも精度良く送液制御を行うことができるマイクロポンプの制御方法、マイクロポンプの駆動回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるマイクロポンプの部分的な平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態のマイクロポンプの制御方法を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施形態におけるマイクロポンプの駆動回路のブロック図である。
【図８】本発明の実施形態における台形波発生部の回路部ブロック図である。
【図９】本発明の実施形態における駆動回路のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
５１ 定電流充電部
５２ 定電流放電部
５３ バッファ部
１００ マイクロポンプ
１０１ 基板
１０３ 上側基板
１０５ 振動板
１０７ アクチュエータ
１０９ 加圧室
１１１ 第１液室
１１３ 第２液室
１１５ 第１流路
１１７ 第２流路
１２０ 駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、
基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、
前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、
を所定の順で前記アクチュエータに印加することにより送出する前記流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【請求項２】
前記第１の台形波電圧または前記第２の台形波電圧を前記アクチュエータに印加しない休止期間の長さを変えることにより前記流体の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプの制御方法。
【請求項３】
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの駆動回路において、
送出する前記流体の流量に応じてタイミングパルスと台形波切り換え信号を発生するタイミング信号発生手段と、
前記タイミングパルスに基づいて基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波を発生する第１の台形波発生回路と、
前記タイミングパルスに基づいて前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波を発生する第２の台形波発生回路と、
前記台形波切り換え信号に基づいて前記第１の台形波発生回路と前記第２の台形波発生回路を切り換えて前記アクチュエータに供給する台形波切り換え手段と、
を有することを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項１】
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの制御方法において、
基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波電圧と、
前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波電圧と、
を所定の順で前記アクチュエータに印加することにより送出する前記流体の流量を制御することを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
【請求項２】
前記第１の台形波電圧または前記第２の台形波電圧を前記アクチュエータに印加しない休止期間の長さを変えることにより前記流体の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプの制御方法。
【請求項３】
加圧室の内部の圧力をアクチュエータで変化させて流体を流路に送出するマイクロポンプの駆動回路において、
送出する前記流体の流量に応じてタイミングパルスと台形波切り換え信号を発生するタイミング信号発生手段と、
前記タイミングパルスに基づいて基準電圧から第１のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第１のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より長い第１の台形波を発生する第１の台形波発生回路と、
前記タイミングパルスに基づいて前記基準電圧から第２のピーク電圧までの立ち上がり時間が前記第２のピーク電圧から前記基準電圧までの立ち下がり時間より短い第２の台形波を発生する第２の台形波発生回路と、
前記台形波切り換え信号に基づいて前記第１の台形波発生回路と前記第２の台形波発生回路を切り換えて前記アクチュエータに供給する台形波切り換え手段と、
を有することを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−７４４６３（Ｐ２００９−７４４６３Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４５１０８（Ｐ２００７−２４５１０８）
【出願日】平成１９年９月２１日（２００７．９．２１）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２１日（２００７．９．２１）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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