マイクロポンプの構造
【課題】小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供する。
【解決手段】マイクロポンプは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部２５と、（ｂ）ダイヤフラム部２５の面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極２６，２８と、（ｃ）ダイヤフラム部２３に隣接して配置され、ダイヤフラム部２３の変形に連動して容積が変化する流路１２ｄとを備える。マイクロポンプは、電極２６，２８間に電圧が印加されるとダイヤフラム部２５の面積が変化して流路１２ｄの容積が変化することにより、流路１２ｄ内の流体を搬送する。
【解決手段】マイクロポンプは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部２５と、（ｂ）ダイヤフラム部２５の面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極２６，２８と、（ｃ）ダイヤフラム部２３に隣接して配置され、ダイヤフラム部２３の変形に連動して容積が変化する流路１２ｄとを備える。マイクロポンプは、電極２６，２８間に電圧が印加されるとダイヤフラム部２５の面積が変化して流路１２ｄの容積が変化することにより、流路１２ｄ内の流体を搬送する。
【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構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小領域で化学反応を起こし、搬送・分離・検出等の機能デバイスをチップ上で実現するマイクロチップの開発が進められている。
【０００３】
マイクロチップは、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境測定などの幅広い用途に使用できる。マイクロチップ内のマイクロチャンネルや反応容器では流体、主に薬液やサンプル等の液体を扱うが、そのためには流体の流れや移送を制御する流体制御素子、すなわちマイクロポンプ等が必要になる。
【０００４】
従来、マイクロポンプは、多くのタイプのものが開発されており、非メカニカルポンプとメカニカルポンプに分けられる。一般的には、後者のメカニカルポンプの方が、流体の電気的性質に作用されず、汎用性に優れているとされている。
【０００５】
メカニカルポンプには、高い発生応力が得られる圧電材料を用いたアクチュエータによって駆動するものがある。この種のものは、低電圧で駆動でき、周波数応答性が高い。
【０００６】
また、特許文献１には、マイクロポンプなどの使用を目的として吐出圧力を高めるためのダイヤフラムポンプが開示されている。このマイクロポンプは、圧電材料を用いてダイヤフラムを駆動している。
【特許文献１】特開２００５ー１８８３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電材料は通常セラミックスのため小型化が難しく、無機材料であるため大変形に不向きであるため、圧電材料を用いたマイクロポンプは、小型化、高性能化が困難である。また、特許文献１のダイヤフラムポンプは構造が複雑である。
【０００８】
本発明は、かかる実情に鑑み、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロポンプを提供する。
【００１０】
マイクロポンプは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、（ｂ）前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、（ｃ）前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路とを備える。マイクロポンプは、前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送する。
【００１１】
上記構成によれば、ゴム弾性を有する絶縁体の膜（例えば、絶縁体のエラストマーの膜）により形成されるダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて電極間に引き合う力が作用すると、電極は電極が接するダイヤフラム部の両面を面方向には拘束しないため、ダイヤフラム部は電極間の圧縮された部分が圧縮方向に垂直な方向に伸び、面積が変化する。例えば、ダイヤフラム部又はダイヤフラムと一体に変形する部分が流路の壁面の一部となるように構成し、ダイヤフラム部の面積の変化に追随して流路の容積が変化する。マイクロポンプは、このような流路の容積変化を利用することで、流路内の流体を搬送することができる。
【００１２】
上記構成によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプが実現できる。
【００１３】
好ましくは、前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第２の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第２のダイヤフラム部を備える。前記ダイヤフラム部と前記第２のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉される。前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されている。
【００１４】
この場合、導電性を有する流動体（例えば、導電性グリース）を密封したり、粘着することで、ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面に接する電極を簡単に構成することができる。
【００１５】
なお、第２のダイヤフラム部を構成する第２の膜は、導電性を有していてもよいが、ダイヤフラム部と同じ膜（絶縁体の膜）を用いると、構成要素を共通化することができるので、第２のダイヤフラム部とダイヤフラム部とが同じ膜であることが好ましい。
【００１６】
好ましくは、前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成される。前記ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下である。前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が５０Ｖ／μｍ以上となる。
【００１７】
エラストマーはゴム弾性を有するが、そのままでは剛性が弱いため、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、ダイヤフラム部の駆動力を大きくすることができる。ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下、電界が５０Ｖ／μｍ以上となるようにすると、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができ、流体を搬送することができる。
【００１８】
好ましくは、前記ダイヤフラム部の大きさは、直径３ｍｍ以下である。前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、１５０％以上５００％未満の引張りひずみが加えられている。
【００１９】
ダイヤフラム部の直径が大きすぎたり、エラストマーの引張りひずみが小さすぎたりすると、ダイヤフラム部の剛性が低下し、発生力低下を招くが、上記の場合、ダイヤフラム部の面積変化と張力とが大きくなり、流体の搬送が可能な駆動力を得ることができる。
【００２０】
好ましくは、前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が４以上である。
【００２１】
この場合、ダイヤフラム部に発生する力は、比誘電率に比例し、比誘電率の値が４以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。
【００２２】
好ましくは、前記流路に２つの弁が設けられる。前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置される。前記弁は、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成される。
【００２３】
この場合、光硬化性樹脂であるＰＤＭＳを鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプや弁を容易に作製することができる。ＰＤＭＳは、流路の壁面形状を保持するとともに、弁となる部分が弾性変形する程度の剛性を有する。ＰＤＭＳは透明であるため、流路を流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。
【００２４】
好ましくは、前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から１μｍ以上、１０μｍ以下の隙間を設けて形成される。
【００２５】
この場合、流路と弁とが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、流路の壁面と弁との間に隙間を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。流路の壁面と弁との間の隙間が１μｍ以上であれば、加工精度にばらつきがあっても、弁が流路の壁面と接触しないように作製することができる。一方、流路の壁面と弁との間の隙間が１０μｍ以下であれば、隙間からの流体の漏れは、実用上問題にならない。
【００２６】
また、本発明は、以下のように構成したアクチュエータを提供する。
【００２７】
アクチュエータは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、（ｂ）前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極とを備える。アクチュエータは、前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用する。
【００２８】
上記構成において、ゴム弾性を有する絶縁体の膜で形成されたダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて変形してたわむ。ダイヤフラム部のたわみによる変位は、マイクロポンプのダイヤフラムの駆動に限らず、例えば、流路の開閉、スイッチの接離などの駆動に利用することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００３１】
＜実施例１＞ マイクロポンプを備えたマイクロチップ１０について、図１〜図９を参照しながら説明する。
【００３２】
図１の断面図に示すように、マイクロチップ１０は、一方の開口１２ｘから供給された液体が、マイクロチャンネル（流路）１２ａ〜１２ｇを流れ、他方の開口１２ｙから排出されるようになっている。
【００３３】
マイクロチャンネルの中間部分１２ｄの底面には、図において上下方向に昇降するダイヤフラム２１が設けられ、その前後には弁１２ｓ，１２ｔが設けられ、液体が一方向（図において左から右）に流れるようになっている。
【００３４】
マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇや開口１２ｘ，１２ｙが形成された流路基板１２の下側には、断面円形の貫通穴１５，１７が形成された一対の２枚の基板１４，１６が、貫通穴１５，１７同士が連通するように対向して配置されている。基板１４，１６の間には、粘着性を有するエラストマーの２枚のシート２２，２４が面方向に引っ張った状態で挟持されている。２枚のシート２２，２４は、それぞれ隣接する基板１４，１６の貫通穴１５，１７内に略半球状に膨出するダイヤフラム部２３，２５が形成され、ダイヤフラム部２３，２５の間に略球状の空間内に、導電性を有する導電性グリース２６が充填され密封されている。導電性グリース２６は、粘着性があり自由に変形するグリースに、例えばカーボンのような導電性を有する材料が混合されたものであり、導電性を有する。
【００３５】
２枚のシート２２，２４の間には、片面に導電膜３２が形成された薄板３０が挟持されている。薄板３０及び導電膜３２は、基板１４，１６よりも外側に突出し、導電膜３２は外部電源４０の一方の端子に接続される。薄板３０及び導電膜３２には、基板１４，１６の貫通穴１５，１７よりも小さい貫通孔３１，３３が形成され、薄板３０及び導電膜３２が基板１４，１６の貫通穴１５，１７より内側に入り込み、シート２２，２４の間に充填されている導電性グリース２６は、導電膜３２に接し、外部電源４０の一方の端子に電気的に接続されるようになっている。
【００３６】
一対の基板１４，１６のうち、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇに対向する基板１４には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇに対向する面に樹脂のカバー層２０が形成されている。カバー層２０は、基板１４の貫通穴１５にも形成され、基板１４の貫通穴１５に形成された部分はダイヤフラム部２３に接合し、ダイヤフラム部２３と一体に移動してダイヤフラム２１を構成する。
【００３７】
一対の基板１４，１６のうち、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇとは反対側の基板１６には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと反対側の面に、片面に導電膜３６が形成された薄板３４が、貼り付けられている。薄板３４及び導電膜３６は、基板１６よりも外側に突出し、導電膜３６には外部電源４０の他方の端子が接続される。
【００３８】
基板１６の貫通穴１７の両端は、シート２４のダイヤフラム部２５と導電膜３６とで塞がれ、貫通穴１７の内部には、隙間２９ができる程度に導電性グリース２８が配置されている。導電性グリース２９は、ダイヤフラム部２５に全体的に接触するとともに、導電膜３６に接触し、外部電源４０の他方の端子に電気的に接続されている。導電性グリース２９は、粘着性があり自由に変形するグリースにカーボン粉末が混合されたものであり、導電性を有する。
【００３９】
図１の線II−IIに沿って切断した断面図である図２に示すように、基板１２には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと一体に、弁１２ｓ，１２ｔが形成されている。弁１２ｓ，１２ｔは、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆと幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅとの境界付近において、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅに連通する開口を覆うように形成されている。弁１２ｓ，１２ｔは、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面に固着しないように、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面との間に隙間を設けて形成されている。
【００４０】
すなわち、図３の要部拡大図に示すように、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの段差面には、弁１２ｓ，１２ｔとの接触面積を減らす、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅに連通する開口に沿って筋状に延在する突起、すなわち突条１２ｋが形成されている。
【００４１】
例えば、図２及び図３において、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの幅（図のいて上下方向の寸法）は１００μ、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅの幅は５０μｍ、弁１２ｓ，１２ｔの厚さ（図において左右方向の寸法）は１０μｍである。
【００４２】
突条１２ｋと弁１２ｓ，１２ｔとの間には隙間Ｓ１が形成され、弁１２ｓ，１２ｔとマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面との間には隙間Ｓ２が設けられている。また、図３の線IV−IVに沿って切断した要部拡大断面図である図４に示すように、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの底面２０ａと弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑとの間には隙間Ｓ３が設けられている。
【００４３】
これらの隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさは、それぞれ、１μｍ以上、１０μｍ以下とすることが好ましい。マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面と弁１２ｓ，１２ｔとが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面と弁１２ｓ，１２ｔとの間に隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさが１μｍであれば、加工精度にばらつきがあっても、弁１２ｓ，１２ｔがマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面に接触しないように作製することができる。隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさが１０μｍ以下であれば、隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からの流体の漏れは、実用上問題にならない。
【００４４】
次に、マイクロポンプの動作について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００４５】
図５（ａ）に示すように、シート５２の両面に電極５４，５６が接するように配置し、図５（ｂ）に示すように、電極５４，５６を電源５０に接続して電圧を印加すると、電極５４，５６の電荷により引き合う力が作用する。この力によって、シート５４は、電極５４，５６間に挟まれた部分が圧縮される。このとき、電極５４，５６が導電性を有する導電性グリースのようにシート５４の面に接触しながら自由に変形するものであれば、シート５４は電極５４，５６によって面方向の変形が拘束されないので、電極５４，５６による圧縮で厚みが小さくなり、矢印５８で示すように面方向に伸びる。
【００４６】
図６（ａ）に示すように、導電性グリース２６，２８間に電圧を印加すると、導電性グリース２６，２８間に挟まれたダイヤフラム部２５が伸びる。このとき、他方のダイヤフラム部２３は張力が作用した状態であり、ダイヤフラム部２３，２５の間に導電性グリース２６が密封されているので、上側のダイヤフラム２３が縮む。これによって、矢印５０で示すように、マイクロチャンネル１２ｄの壁面の一部を構成するダイヤフラム２１が下降し、マイクロチャンネル１２ｄの容積が増え、マイクロチャンネル１２ｄ内に流体が吸引される。この吸引によって、弁１２ｓ，１２ｔはマイクロチャンネル１２ｄ側にたわむので、幅の相対的に広いマイクロチャンネル１２ｃと幅が相対的に狭いマイクロチャンネル１２ｂとの境界付近に設けられた上流側の弁１２ｓは開き、幅が相対的に狭いマイクロチャンネル１２ｅと幅の相対的に広いマイクロチャンネル１２ｆとの境界付近に設けられた下流側の弁１２ｔは閉じ、矢印５２で示すように、上流側からマイクロチャンネル１２ｄ内に流体が流れ込む。
【００４７】
導電性グリース２８は、基板１６の貫通穴１７に隙間２９が形成される程度に充填され、ダイヤフラム部２５が伸びたときでも隙間２９が形成され、ダイヤフラム部２５が自由に変形できるようにする。
【００４８】
次いで、導電性グリース２６，２８に電圧を印加するのを止めると、図６（ｂ）に示すように、下側のダイヤフラム部２５が伸びた状態から縮み、上側のダイヤフラム部２３が縮んだ状態から伸び、矢印５４で示すように、ダイヤフラム１２が上昇し、マイクロチャンネル１２ｄ内から流体が吐出される。このときには、上流側の弁１２ｓが閉じ、下流側の弁１２ｔが開き、矢印５６で示すように、マイクロチャンネル１２ｄ内の流体が下流側に流れ出る。
【００４９】
次に、マイクロチップ１０の作製例について、図７〜図９を参照しながら説明する。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、シート６０の両端を治具で挟み、矢印６４で示すように引っ張る。このとき、一方向（Ｘ方向）に引っ張った後、さらにこれと直角方向（Ｙ方向）に引張り、面方向に張力を加えた状態で保持する。シート６０には、エラストマーのシート、例えば『３Ｍ ＶＨＢ 粘着フィルム（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｉｌｍ）』を用い、元の寸法からＸ，Ｙ方向に５００％ずつ引張り、厚さを２５μｍにする。３Ｍ ＶＨＢ 粘着フィルムは、比誘電率が４．７のエラストマーである。
【００５１】
シート６０には、比誘電率が４以上のエラストマーを用いることが好ましい。シート６０により形成されるダイヤフラム部に発生する力は、シート６０の材料が示す比誘電率に比例し、比誘電率の値が４以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。
【００５２】
次いで、図７（ｂ）に示すように、シート６０の片面に、貫通穴１５，１７が形成された基板１４，１６を貼り付け、基板１４，１６からはみ出たシート６０を切断する。例えば、基板１４には厚さ０．５ｍｍの透明なアクリル板を用い、基板１６には厚さ１．０ｍｍの透明なアクリル板を用いる。各基板１４，１６には、直径１．５ｍｍの貫通穴１５，１７を形成する。
【００５３】
次いで、図７（ｃ）に示すように、基板１４，１６のシート６０を貼り付けていない面に、貫通穴１５，１７を覆うように吸引治具７０を取り付け、矢印７２に示すように吸引し、シート６０が基板１４，１６の貫通穴１５，１７を覆う部分２３，２５に、凹み２３ｘ，２５ｘを形成する。例えば、大気圧との差圧が０．１Ｐａとなるように吸引する。
【００５４】
次いで、図７（ｄ）に示すように、凹み２３ｘ，２５ｘに導電性グリース２６を充填し、シート２２，２４同士が対向するように配置した基板１４，１６の間に、片面に導電膜３２が形成された薄板３０を配置し、薄板３０及び導電膜３２の貫通穴３１，３３の位置と凹み２３ｘ，２５ｘの位置とを揃えて重ね合わせ、接合する。例えば、薄板３０として厚さ１００μｍのＯＨＰシート（ポリエステルシート）を用い、その片面に、導電膜３２としてＡｌを蒸着する。
【００５５】
次いで、図８（ｅ）に示すように、一方の基板１４の上面と貫通穴１５に樹脂を塗布してカバー層２０とダイヤフラム２１とを形成するとともに、他方の基板１６の貫通穴１７に導電性グリース２８を充填する。例えば、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）をスピンコートし、加熱して硬化させることにより、基板１４上に厚さ３０μｍのカバー層２０を形成する。
【００５６】
次いで、図８（ｆ）に示すように、上面に導電膜３６が形成された薄板３４に、他方の基板１６の下面側を重ね、接合し、導電性グリース２８が充填された他方の基板１６の貫通穴１７を塞ぐ。
【００５７】
次いで、図８（ｇ）に示すように、一方の基板１４の上面に形成されたカバー層２０の上に、予めマイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇ、弁１２ｓ，１２ｔ、開口１２ｘ，１２ｙが形成された基板１２を重ね、基板１２をカバー層２０に接合する。これによって、マイクロチップが完成する。例えば、基板１２は、カバー層２０と同じ材料ＰＤＭＳで形成することにより、基板１２とカバー層２０とを接触させるだけで接合することができる。なお、カバー層２０と基板１２とでは、ＰＤＭＳに添加する硬化剤の量を変えて、それぞれの用途に応じた特性を得るようにする。
【００５８】
マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇ、弁１２ｓ，１２ｔ、開口１２ｘ，１２ｙが形成された基板１２は、図９に示すように作製する。
【００５９】
すなわち、図９（ａ）に示すように、ベース８０上に、図４に示す弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑとマイクロチャンネル底面２０ａとの間の隙間Ｓ３に対応して、底上部８２を、弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑ及びその近傍に対応する位置に形成する。底上部８２は、例えば、光硬化性樹脂であるＳＵ−８（ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製）を塗布し、底上部８２となる部分に平行光を露光した後に加熱して、平行光の透過部分を硬化さ、現像液を用いて非透過部分を除去する。これによって、例えば３μｍの高さの底上部８２を形成する。
【００６０】
次いで、図９（ｂ）に示すように、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇの空間に対応する流路部分８４を作製する。流路部分８４は、例えばＳＵ−８を用い、平行光を露光した後に加熱、現像して、５０μｍの高さに形成する。
【００６１】
次いで、図９（ｃ）に示すように、ベース８０上に樹脂８８を流し込み、底上部８２及び流路部分８４の形状を、樹脂８８に転写する。樹脂８８を流し込む前又は流し込んだ後に開口１２ｘ，１２ｙに対応する位置に円柱状の部材８６を挿入し、円柱状の部材８６を挿入したままの状態で、樹脂８８を硬化させる。
【００６２】
例えば、樹脂８８には、ＰＤＭＳを用いる。ＰＤＭＳは、透明な光硬化性樹脂であるので、鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプを容易に作製することができる。ＰＤＭＳは、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇの形状を保持するとともに、弁１２ｓ，１２ｔが弾性変形する程度の剛性を有する。ＰＤＭＳは透明であるため、マイクロチャンネルを流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。
【００６３】
次いで、樹脂８８のみを取り出すことにより、図９（ｄ）に示すように基板１２が完成する。
【００６４】
次に、マイクロチップ１０に作製したマイクロポンプの特性について、図１０〜図１２のグラフを参照しながら説明する。
【００６５】
図１０（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）と、ダイヤフラム部２３の変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）の関係を示す。ダイヤフラム部２３の変位は、導電性グリース２６にＡｇ粒子を混合し、基板１２側からレーザー変位計を用い、導電性グリース２６からの反射光により測定した。なお、Ａｇ粒子を導電性グリース２６に混合しても、ポンプ特性に変化は見られなかった。灰色の△は予めＸ、Ｙ方向に２００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合、灰色の□は予めＸ、Ｙ方向に３００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合、黒色の◆は予めＸ、Ｙ方向に４００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合を示す。予め与える引張りひずみが１５０％以上であれば、電圧に応じて変位が変化し、マイクロポンプを駆動できることが分かる。予め与える引張りひずみが５００％以上では、引張りひずみを大きくしても、電圧と変位との関係が変らなくなり、引張りひずみを予め与えることによる効果が飽和する。
【００６６】
図１０（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とダイヤフラム部２３の変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）の関係を示す。灰色の△は予めＸ、Ｙ方向に２００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、２．４ｋＶの電圧を印加した場合、灰色の□は予めＸ、Ｙ方向に３００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、２．７ｋＶの電圧を印加した場合、黒色の◆は予めＸ、Ｙ方向に４００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、３．３ｋＶの電圧を印加した場合を示す。
【００６７】
図１１（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、流速（Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；黒い◆）及び背圧（Ｂｌｏｃｋｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；灰色の□）の関係を示す。導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の範囲内で、良好に駆動することができることが分かる。
【００６８】
図１１（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の大きさと、流速（Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；黒い◆）及び背圧（Ｂｌｏｃｋｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；灰色の□）の関係を示す。電圧を大きくするほど、駆動力が大きくなることが分かる。
【００６９】
図１２（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、出力（Ｐｏｗｅｒ；黒い◆）及び効率（Ｅｆｆｉｃｅｎｃｙ；灰色の□）の関係を示す。出力は流体を搬送するときのエネルギーである。効率は、電圧印加による入力した電気エネルギーに対し、出力として得られる流体の搬送エネルギーの割合である。周波数が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の範囲内では効率よく駆動することができることが分かる。
【００７０】
図１２（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、ダイヤフラム部２３の変位との関係を示す。黒色は背圧がない場合、灰色は背圧が３．５ｋＰａの場合を示す。いずれの場合も、マイクロポンプで搬送する流体は水である。
【００７１】
図１０（ａ）及び図１１（ｂ）から、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧が１ｋＶ以上であれば、流体を搬送することができる。このとき、ダイヤフラム部２５の厚さは２０μｍ程度であるので、ダイヤフラム部２５に印加される電界が５０Ｖ／μｍ以上であれば、流体を搬送することができる。
【００７２】
＜実施例２＞ 実施例２のマイクロポンプについて、図１３の要部断面図を参照しながら説明する。
【００７３】
実施例２のマイクロポンプは、実施例１と略同様に構成されている。実施例１と同様の構成部分には同じ符号を用い、以下では相違点を中心に説明する。
【００７４】
実施例２のマイクロポンプは、カバー層２０ｘとダイヤフラム部２３との間に、導電性グリース２７を充填している。ダイヤフラム部２３に接する導電性グリース２７は不図示の配線によって電源部に電気的に接続されている。電源部は、導電膜３６を介して、ダイヤフラム部２５に接する導電性グリース２８にも電気的に接続されている。ダイヤフラム部２３，２５の間に充填された導電性グリース２６は、導電膜３２を介して、接地されている。電源部は、±Ｖ０の交流電圧を印加するが、−Ｖ０〜０の負の電圧はダイヤフラム部２３に接する導電性グリース２７のみに印加し、０〜＋Ｖ０の正の電圧はダイヤフラム部２５に接する導電性グリース２８に印加する回路を含んでいる。これによって、±Ｖ０の交流電圧の半周期ごとに、ダイヤフラム部２３，２５が交互に伸縮するので、同じ交流電圧を印加した場合、ダイヤフラム２１ｘの変位量は、ダイヤフラム部２５のみが伸縮する実施例１の場合の２倍となり、ダイヤフラム２１ｘの駆動周波数はダイヤフラム部２５のみが伸縮する実施例１の場合の半分となる。
【００７５】
＜まとめ＞ 以上に説明したように、マイクロポンプは、駆動源としてエラストマー材料の伸縮を用いている。一般に市販されているエラストマーは剛性が弱いが、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、マイクロポンプの駆動力を大きくすることができる。エラストマーは絶縁性が高いので、高い電圧を印加することができ、マイクロポンプの高出力化を図ることができる。
【００７６】
電極に導電性グリースを用いることにより、エラストマーは、面方向の変形が拘束されないため、面方向に大きく変形することができる。また、エラストマーを２層構造とすることで、安定に導電性グリースを封じ込めることができる。
【００７７】
本発明のマイクロポンプは、高電圧を必要とするが、ポンプ自体の構造は小型化が可能である。
【００７８】
ポンプとして機能させるためには、流路のバルブ機能を付与する必要があるが、ＰＤＭＳに型を転写して、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと弁１２ｓ，１２ｔとを一体化して作製することにより、工程の簡略化と信頼性の高いマイクロバルブの作製が可能である。
【００７９】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
【００８０】
電極には導電性グリース以外を用いてもよい。例えば、ダイヤフラム部２３，２５の間には、導電性グリース以外の導電性を有する流動体を密閉してもよい。
【００８１】
また、ダイヤフラム部の周囲を連続的に支持する代わりに、２箇所以上を間欠的に支持してもよい。ダイヤフラム部の平面形状は円形に限らず、三角形、矩形、多角形、非対称形など、任意の形状とすることができる。
【００８２】
ダイヤフラム部の昇降は、マイクロポンプ以外の駆動に利用することができる。例えば、ダイヤフラム部の昇降によって、流路が開閉されるようにしたり、スイッチが接離するようにしたりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】マイクロチップの断面図である。（実施例１）
【図２】図１の線II−IIに沿って切断した断面図である。（実施例１）
【図３】図２の要部拡大断面図である。（実施例１）
【図４】図３の線IV−IVに沿って切断した断面図である。（実施例１）
【図５】シートの伸縮の説明図である。（実施例１）
【図６】マイクロポンプの動作の説明図である。（実施例１）
【図７】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図８】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図９】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図１０】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１１】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１２】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１３】マイクロポンプの要部拡大断面図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００８４】
１２ａ〜１２ｇ マイクロチャンネル（流路）
１２ｓ，１２ｔ 弁
２０ カバー層
２１ ダイヤフラム
２２ シート（膜）
２３ ダイヤフラム部（第２のダイヤフラム部）
２２ シート（膜）
２５ ダイヤフラム部
２６ 導電性グリース（電極）
２８ 導電性グリース（電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロポンプの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小領域で化学反応を起こし、搬送・分離・検出等の機能デバイスをチップ上で実現するマイクロチップの開発が進められている。
【０００３】
マイクロチップは、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境測定などの幅広い用途に使用できる。マイクロチップ内のマイクロチャンネルや反応容器では流体、主に薬液やサンプル等の液体を扱うが、そのためには流体の流れや移送を制御する流体制御素子、すなわちマイクロポンプ等が必要になる。
【０００４】
従来、マイクロポンプは、多くのタイプのものが開発されており、非メカニカルポンプとメカニカルポンプに分けられる。一般的には、後者のメカニカルポンプの方が、流体の電気的性質に作用されず、汎用性に優れているとされている。
【０００５】
メカニカルポンプには、高い発生応力が得られる圧電材料を用いたアクチュエータによって駆動するものがある。この種のものは、低電圧で駆動でき、周波数応答性が高い。
【０００６】
また、特許文献１には、マイクロポンプなどの使用を目的として吐出圧力を高めるためのダイヤフラムポンプが開示されている。このマイクロポンプは、圧電材料を用いてダイヤフラムを駆動している。
【特許文献１】特開２００５ー１８８３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電材料は通常セラミックスのため小型化が難しく、無機材料であるため大変形に不向きであるため、圧電材料を用いたマイクロポンプは、小型化、高性能化が困難である。また、特許文献１のダイヤフラムポンプは構造が複雑である。
【０００８】
本発明は、かかる実情に鑑み、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロポンプを提供する。
【００１０】
マイクロポンプは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、（ｂ）前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、（ｃ）前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路とを備える。マイクロポンプは、前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送する。
【００１１】
上記構成によれば、ゴム弾性を有する絶縁体の膜（例えば、絶縁体のエラストマーの膜）により形成されるダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて電極間に引き合う力が作用すると、電極は電極が接するダイヤフラム部の両面を面方向には拘束しないため、ダイヤフラム部は電極間の圧縮された部分が圧縮方向に垂直な方向に伸び、面積が変化する。例えば、ダイヤフラム部又はダイヤフラムと一体に変形する部分が流路の壁面の一部となるように構成し、ダイヤフラム部の面積の変化に追随して流路の容積が変化する。マイクロポンプは、このような流路の容積変化を利用することで、流路内の流体を搬送することができる。
【００１２】
上記構成によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプが実現できる。
【００１３】
好ましくは、前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第２の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第２のダイヤフラム部を備える。前記ダイヤフラム部と前記第２のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉される。前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されている。
【００１４】
この場合、導電性を有する流動体（例えば、導電性グリース）を密封したり、粘着することで、ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面に接する電極を簡単に構成することができる。
【００１５】
なお、第２のダイヤフラム部を構成する第２の膜は、導電性を有していてもよいが、ダイヤフラム部と同じ膜（絶縁体の膜）を用いると、構成要素を共通化することができるので、第２のダイヤフラム部とダイヤフラム部とが同じ膜であることが好ましい。
【００１６】
好ましくは、前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成される。前記ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下である。前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が５０Ｖ／μｍ以上となる。
【００１７】
エラストマーはゴム弾性を有するが、そのままでは剛性が弱いため、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、ダイヤフラム部の駆動力を大きくすることができる。ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下、電界が５０Ｖ／μｍ以上となるようにすると、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができ、流体を搬送することができる。
【００１８】
好ましくは、前記ダイヤフラム部の大きさは、直径３ｍｍ以下である。前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、１５０％以上５００％未満の引張りひずみが加えられている。
【００１９】
ダイヤフラム部の直径が大きすぎたり、エラストマーの引張りひずみが小さすぎたりすると、ダイヤフラム部の剛性が低下し、発生力低下を招くが、上記の場合、ダイヤフラム部の面積変化と張力とが大きくなり、流体の搬送が可能な駆動力を得ることができる。
【００２０】
好ましくは、前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が４以上である。
【００２１】
この場合、ダイヤフラム部に発生する力は、比誘電率に比例し、比誘電率の値が４以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。
【００２２】
好ましくは、前記流路に２つの弁が設けられる。前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置される。前記弁は、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成される。
【００２３】
この場合、光硬化性樹脂であるＰＤＭＳを鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプや弁を容易に作製することができる。ＰＤＭＳは、流路の壁面形状を保持するとともに、弁となる部分が弾性変形する程度の剛性を有する。ＰＤＭＳは透明であるため、流路を流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。
【００２４】
好ましくは、前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から１μｍ以上、１０μｍ以下の隙間を設けて形成される。
【００２５】
この場合、流路と弁とが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、流路の壁面と弁との間に隙間を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。流路の壁面と弁との間の隙間が１μｍ以上であれば、加工精度にばらつきがあっても、弁が流路の壁面と接触しないように作製することができる。一方、流路の壁面と弁との間の隙間が１０μｍ以下であれば、隙間からの流体の漏れは、実用上問題にならない。
【００２６】
また、本発明は、以下のように構成したアクチュエータを提供する。
【００２７】
アクチュエータは、（ａ）ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、（ｂ）前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極とを備える。アクチュエータは、前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用する。
【００２８】
上記構成において、ゴム弾性を有する絶縁体の膜で形成されたダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて変形してたわむ。ダイヤフラム部のたわみによる変位は、マイクロポンプのダイヤフラムの駆動に限らず、例えば、流路の開閉、スイッチの接離などの駆動に利用することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００３１】
＜実施例１＞ マイクロポンプを備えたマイクロチップ１０について、図１〜図９を参照しながら説明する。
【００３２】
図１の断面図に示すように、マイクロチップ１０は、一方の開口１２ｘから供給された液体が、マイクロチャンネル（流路）１２ａ〜１２ｇを流れ、他方の開口１２ｙから排出されるようになっている。
【００３３】
マイクロチャンネルの中間部分１２ｄの底面には、図において上下方向に昇降するダイヤフラム２１が設けられ、その前後には弁１２ｓ，１２ｔが設けられ、液体が一方向（図において左から右）に流れるようになっている。
【００３４】
マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇや開口１２ｘ，１２ｙが形成された流路基板１２の下側には、断面円形の貫通穴１５，１７が形成された一対の２枚の基板１４，１６が、貫通穴１５，１７同士が連通するように対向して配置されている。基板１４，１６の間には、粘着性を有するエラストマーの２枚のシート２２，２４が面方向に引っ張った状態で挟持されている。２枚のシート２２，２４は、それぞれ隣接する基板１４，１６の貫通穴１５，１７内に略半球状に膨出するダイヤフラム部２３，２５が形成され、ダイヤフラム部２３，２５の間に略球状の空間内に、導電性を有する導電性グリース２６が充填され密封されている。導電性グリース２６は、粘着性があり自由に変形するグリースに、例えばカーボンのような導電性を有する材料が混合されたものであり、導電性を有する。
【００３５】
２枚のシート２２，２４の間には、片面に導電膜３２が形成された薄板３０が挟持されている。薄板３０及び導電膜３２は、基板１４，１６よりも外側に突出し、導電膜３２は外部電源４０の一方の端子に接続される。薄板３０及び導電膜３２には、基板１４，１６の貫通穴１５，１７よりも小さい貫通孔３１，３３が形成され、薄板３０及び導電膜３２が基板１４，１６の貫通穴１５，１７より内側に入り込み、シート２２，２４の間に充填されている導電性グリース２６は、導電膜３２に接し、外部電源４０の一方の端子に電気的に接続されるようになっている。
【００３６】
一対の基板１４，１６のうち、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇに対向する基板１４には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇに対向する面に樹脂のカバー層２０が形成されている。カバー層２０は、基板１４の貫通穴１５にも形成され、基板１４の貫通穴１５に形成された部分はダイヤフラム部２３に接合し、ダイヤフラム部２３と一体に移動してダイヤフラム２１を構成する。
【００３７】
一対の基板１４，１６のうち、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇとは反対側の基板１６には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと反対側の面に、片面に導電膜３６が形成された薄板３４が、貼り付けられている。薄板３４及び導電膜３６は、基板１６よりも外側に突出し、導電膜３６には外部電源４０の他方の端子が接続される。
【００３８】
基板１６の貫通穴１７の両端は、シート２４のダイヤフラム部２５と導電膜３６とで塞がれ、貫通穴１７の内部には、隙間２９ができる程度に導電性グリース２８が配置されている。導電性グリース２９は、ダイヤフラム部２５に全体的に接触するとともに、導電膜３６に接触し、外部電源４０の他方の端子に電気的に接続されている。導電性グリース２９は、粘着性があり自由に変形するグリースにカーボン粉末が混合されたものであり、導電性を有する。
【００３９】
図１の線II−IIに沿って切断した断面図である図２に示すように、基板１２には、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと一体に、弁１２ｓ，１２ｔが形成されている。弁１２ｓ，１２ｔは、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆと幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅとの境界付近において、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅに連通する開口を覆うように形成されている。弁１２ｓ，１２ｔは、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面に固着しないように、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面との間に隙間を設けて形成されている。
【００４０】
すなわち、図３の要部拡大図に示すように、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの段差面には、弁１２ｓ，１２ｔとの接触面積を減らす、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅに連通する開口に沿って筋状に延在する突起、すなわち突条１２ｋが形成されている。
【００４１】
例えば、図２及び図３において、幅が広いマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの幅（図のいて上下方向の寸法）は１００μ、幅が狭いマイクロチャンネル１２ｂ，１２ｅの幅は５０μｍ、弁１２ｓ，１２ｔの厚さ（図において左右方向の寸法）は１０μｍである。
【００４２】
突条１２ｋと弁１２ｓ，１２ｔとの間には隙間Ｓ１が形成され、弁１２ｓ，１２ｔとマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面との間には隙間Ｓ２が設けられている。また、図３の線IV−IVに沿って切断した要部拡大断面図である図４に示すように、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの底面２０ａと弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑとの間には隙間Ｓ３が設けられている。
【００４３】
これらの隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさは、それぞれ、１μｍ以上、１０μｍ以下とすることが好ましい。マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面と弁１２ｓ，１２ｔとが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、マイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面と弁１２ｓ，１２ｔとの間に隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさが１μｍであれば、加工精度にばらつきがあっても、弁１２ｓ，１２ｔがマイクロチャンネル１２ｃ，１２ｆの壁面に接触しないように作製することができる。隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさが１０μｍ以下であれば、隙間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からの流体の漏れは、実用上問題にならない。
【００４４】
次に、マイクロポンプの動作について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００４５】
図５（ａ）に示すように、シート５２の両面に電極５４，５６が接するように配置し、図５（ｂ）に示すように、電極５４，５６を電源５０に接続して電圧を印加すると、電極５４，５６の電荷により引き合う力が作用する。この力によって、シート５４は、電極５４，５６間に挟まれた部分が圧縮される。このとき、電極５４，５６が導電性を有する導電性グリースのようにシート５４の面に接触しながら自由に変形するものであれば、シート５４は電極５４，５６によって面方向の変形が拘束されないので、電極５４，５６による圧縮で厚みが小さくなり、矢印５８で示すように面方向に伸びる。
【００４６】
図６（ａ）に示すように、導電性グリース２６，２８間に電圧を印加すると、導電性グリース２６，２８間に挟まれたダイヤフラム部２５が伸びる。このとき、他方のダイヤフラム部２３は張力が作用した状態であり、ダイヤフラム部２３，２５の間に導電性グリース２６が密封されているので、上側のダイヤフラム２３が縮む。これによって、矢印５０で示すように、マイクロチャンネル１２ｄの壁面の一部を構成するダイヤフラム２１が下降し、マイクロチャンネル１２ｄの容積が増え、マイクロチャンネル１２ｄ内に流体が吸引される。この吸引によって、弁１２ｓ，１２ｔはマイクロチャンネル１２ｄ側にたわむので、幅の相対的に広いマイクロチャンネル１２ｃと幅が相対的に狭いマイクロチャンネル１２ｂとの境界付近に設けられた上流側の弁１２ｓは開き、幅が相対的に狭いマイクロチャンネル１２ｅと幅の相対的に広いマイクロチャンネル１２ｆとの境界付近に設けられた下流側の弁１２ｔは閉じ、矢印５２で示すように、上流側からマイクロチャンネル１２ｄ内に流体が流れ込む。
【００４７】
導電性グリース２８は、基板１６の貫通穴１７に隙間２９が形成される程度に充填され、ダイヤフラム部２５が伸びたときでも隙間２９が形成され、ダイヤフラム部２５が自由に変形できるようにする。
【００４８】
次いで、導電性グリース２６，２８に電圧を印加するのを止めると、図６（ｂ）に示すように、下側のダイヤフラム部２５が伸びた状態から縮み、上側のダイヤフラム部２３が縮んだ状態から伸び、矢印５４で示すように、ダイヤフラム１２が上昇し、マイクロチャンネル１２ｄ内から流体が吐出される。このときには、上流側の弁１２ｓが閉じ、下流側の弁１２ｔが開き、矢印５６で示すように、マイクロチャンネル１２ｄ内の流体が下流側に流れ出る。
【００４９】
次に、マイクロチップ１０の作製例について、図７〜図９を参照しながら説明する。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、シート６０の両端を治具で挟み、矢印６４で示すように引っ張る。このとき、一方向（Ｘ方向）に引っ張った後、さらにこれと直角方向（Ｙ方向）に引張り、面方向に張力を加えた状態で保持する。シート６０には、エラストマーのシート、例えば『３Ｍ ＶＨＢ 粘着フィルム（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｉｌｍ）』を用い、元の寸法からＸ，Ｙ方向に５００％ずつ引張り、厚さを２５μｍにする。３Ｍ ＶＨＢ 粘着フィルムは、比誘電率が４．７のエラストマーである。
【００５１】
シート６０には、比誘電率が４以上のエラストマーを用いることが好ましい。シート６０により形成されるダイヤフラム部に発生する力は、シート６０の材料が示す比誘電率に比例し、比誘電率の値が４以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。
【００５２】
次いで、図７（ｂ）に示すように、シート６０の片面に、貫通穴１５，１７が形成された基板１４，１６を貼り付け、基板１４，１６からはみ出たシート６０を切断する。例えば、基板１４には厚さ０．５ｍｍの透明なアクリル板を用い、基板１６には厚さ１．０ｍｍの透明なアクリル板を用いる。各基板１４，１６には、直径１．５ｍｍの貫通穴１５，１７を形成する。
【００５３】
次いで、図７（ｃ）に示すように、基板１４，１６のシート６０を貼り付けていない面に、貫通穴１５，１７を覆うように吸引治具７０を取り付け、矢印７２に示すように吸引し、シート６０が基板１４，１６の貫通穴１５，１７を覆う部分２３，２５に、凹み２３ｘ，２５ｘを形成する。例えば、大気圧との差圧が０．１Ｐａとなるように吸引する。
【００５４】
次いで、図７（ｄ）に示すように、凹み２３ｘ，２５ｘに導電性グリース２６を充填し、シート２２，２４同士が対向するように配置した基板１４，１６の間に、片面に導電膜３２が形成された薄板３０を配置し、薄板３０及び導電膜３２の貫通穴３１，３３の位置と凹み２３ｘ，２５ｘの位置とを揃えて重ね合わせ、接合する。例えば、薄板３０として厚さ１００μｍのＯＨＰシート（ポリエステルシート）を用い、その片面に、導電膜３２としてＡｌを蒸着する。
【００５５】
次いで、図８（ｅ）に示すように、一方の基板１４の上面と貫通穴１５に樹脂を塗布してカバー層２０とダイヤフラム２１とを形成するとともに、他方の基板１６の貫通穴１７に導電性グリース２８を充填する。例えば、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）をスピンコートし、加熱して硬化させることにより、基板１４上に厚さ３０μｍのカバー層２０を形成する。
【００５６】
次いで、図８（ｆ）に示すように、上面に導電膜３６が形成された薄板３４に、他方の基板１６の下面側を重ね、接合し、導電性グリース２８が充填された他方の基板１６の貫通穴１７を塞ぐ。
【００５７】
次いで、図８（ｇ）に示すように、一方の基板１４の上面に形成されたカバー層２０の上に、予めマイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇ、弁１２ｓ，１２ｔ、開口１２ｘ，１２ｙが形成された基板１２を重ね、基板１２をカバー層２０に接合する。これによって、マイクロチップが完成する。例えば、基板１２は、カバー層２０と同じ材料ＰＤＭＳで形成することにより、基板１２とカバー層２０とを接触させるだけで接合することができる。なお、カバー層２０と基板１２とでは、ＰＤＭＳに添加する硬化剤の量を変えて、それぞれの用途に応じた特性を得るようにする。
【００５８】
マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇ、弁１２ｓ，１２ｔ、開口１２ｘ，１２ｙが形成された基板１２は、図９に示すように作製する。
【００５９】
すなわち、図９（ａ）に示すように、ベース８０上に、図４に示す弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑとマイクロチャンネル底面２０ａとの間の隙間Ｓ３に対応して、底上部８２を、弁１２ｓ，１２ｔの下端１２ｐ，１２ｑ及びその近傍に対応する位置に形成する。底上部８２は、例えば、光硬化性樹脂であるＳＵ−８（ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製）を塗布し、底上部８２となる部分に平行光を露光した後に加熱して、平行光の透過部分を硬化さ、現像液を用いて非透過部分を除去する。これによって、例えば３μｍの高さの底上部８２を形成する。
【００６０】
次いで、図９（ｂ）に示すように、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇの空間に対応する流路部分８４を作製する。流路部分８４は、例えばＳＵ−８を用い、平行光を露光した後に加熱、現像して、５０μｍの高さに形成する。
【００６１】
次いで、図９（ｃ）に示すように、ベース８０上に樹脂８８を流し込み、底上部８２及び流路部分８４の形状を、樹脂８８に転写する。樹脂８８を流し込む前又は流し込んだ後に開口１２ｘ，１２ｙに対応する位置に円柱状の部材８６を挿入し、円柱状の部材８６を挿入したままの状態で、樹脂８８を硬化させる。
【００６２】
例えば、樹脂８８には、ＰＤＭＳを用いる。ＰＤＭＳは、透明な光硬化性樹脂であるので、鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプを容易に作製することができる。ＰＤＭＳは、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇの形状を保持するとともに、弁１２ｓ，１２ｔが弾性変形する程度の剛性を有する。ＰＤＭＳは透明であるため、マイクロチャンネルを流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。
【００６３】
次いで、樹脂８８のみを取り出すことにより、図９（ｄ）に示すように基板１２が完成する。
【００６４】
次に、マイクロチップ１０に作製したマイクロポンプの特性について、図１０〜図１２のグラフを参照しながら説明する。
【００６５】
図１０（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）と、ダイヤフラム部２３の変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）の関係を示す。ダイヤフラム部２３の変位は、導電性グリース２６にＡｇ粒子を混合し、基板１２側からレーザー変位計を用い、導電性グリース２６からの反射光により測定した。なお、Ａｇ粒子を導電性グリース２６に混合しても、ポンプ特性に変化は見られなかった。灰色の△は予めＸ、Ｙ方向に２００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合、灰色の□は予めＸ、Ｙ方向に３００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合、黒色の◆は予めＸ、Ｙ方向に４００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用いた場合を示す。予め与える引張りひずみが１５０％以上であれば、電圧に応じて変位が変化し、マイクロポンプを駆動できることが分かる。予め与える引張りひずみが５００％以上では、引張りひずみを大きくしても、電圧と変位との関係が変らなくなり、引張りひずみを予め与えることによる効果が飽和する。
【００６６】
図１０（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とダイヤフラム部２３の変位（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）の関係を示す。灰色の△は予めＸ、Ｙ方向に２００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、２．４ｋＶの電圧を印加した場合、灰色の□は予めＸ、Ｙ方向に３００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、２．７ｋＶの電圧を印加した場合、黒色の◆は予めＸ、Ｙ方向に４００％ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート６０を用い、３．３ｋＶの電圧を印加した場合を示す。
【００６７】
図１１（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、流速（Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；黒い◆）及び背圧（Ｂｌｏｃｋｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；灰色の□）の関係を示す。導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の範囲内で、良好に駆動することができることが分かる。
【００６８】
図１１（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の大きさと、流速（Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；黒い◆）及び背圧（Ｂｌｏｃｋｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；灰色の□）の関係を示す。電圧を大きくするほど、駆動力が大きくなることが分かる。
【００６９】
図１２（ａ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、出力（Ｐｏｗｅｒ；黒い◆）及び効率（Ｅｆｆｉｃｅｎｃｙ；灰色の□）の関係を示す。出力は流体を搬送するときのエネルギーである。効率は、電圧印加による入力した電気エネルギーに対し、出力として得られる流体の搬送エネルギーの割合である。周波数が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度の範囲内では効率よく駆動することができることが分かる。
【００７０】
図１２（ｂ）は、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧の周波数と、ダイヤフラム部２３の変位との関係を示す。黒色は背圧がない場合、灰色は背圧が３．５ｋＰａの場合を示す。いずれの場合も、マイクロポンプで搬送する流体は水である。
【００７１】
図１０（ａ）及び図１１（ｂ）から、導電性グリース２６，２８間に印加する電圧が１ｋＶ以上であれば、流体を搬送することができる。このとき、ダイヤフラム部２５の厚さは２０μｍ程度であるので、ダイヤフラム部２５に印加される電界が５０Ｖ／μｍ以上であれば、流体を搬送することができる。
【００７２】
＜実施例２＞ 実施例２のマイクロポンプについて、図１３の要部断面図を参照しながら説明する。
【００７３】
実施例２のマイクロポンプは、実施例１と略同様に構成されている。実施例１と同様の構成部分には同じ符号を用い、以下では相違点を中心に説明する。
【００７４】
実施例２のマイクロポンプは、カバー層２０ｘとダイヤフラム部２３との間に、導電性グリース２７を充填している。ダイヤフラム部２３に接する導電性グリース２７は不図示の配線によって電源部に電気的に接続されている。電源部は、導電膜３６を介して、ダイヤフラム部２５に接する導電性グリース２８にも電気的に接続されている。ダイヤフラム部２３，２５の間に充填された導電性グリース２６は、導電膜３２を介して、接地されている。電源部は、±Ｖ０の交流電圧を印加するが、−Ｖ０〜０の負の電圧はダイヤフラム部２３に接する導電性グリース２７のみに印加し、０〜＋Ｖ０の正の電圧はダイヤフラム部２５に接する導電性グリース２８に印加する回路を含んでいる。これによって、±Ｖ０の交流電圧の半周期ごとに、ダイヤフラム部２３，２５が交互に伸縮するので、同じ交流電圧を印加した場合、ダイヤフラム２１ｘの変位量は、ダイヤフラム部２５のみが伸縮する実施例１の場合の２倍となり、ダイヤフラム２１ｘの駆動周波数はダイヤフラム部２５のみが伸縮する実施例１の場合の半分となる。
【００７５】
＜まとめ＞ 以上に説明したように、マイクロポンプは、駆動源としてエラストマー材料の伸縮を用いている。一般に市販されているエラストマーは剛性が弱いが、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、マイクロポンプの駆動力を大きくすることができる。エラストマーは絶縁性が高いので、高い電圧を印加することができ、マイクロポンプの高出力化を図ることができる。
【００７６】
電極に導電性グリースを用いることにより、エラストマーは、面方向の変形が拘束されないため、面方向に大きく変形することができる。また、エラストマーを２層構造とすることで、安定に導電性グリースを封じ込めることができる。
【００７７】
本発明のマイクロポンプは、高電圧を必要とするが、ポンプ自体の構造は小型化が可能である。
【００７８】
ポンプとして機能させるためには、流路のバルブ機能を付与する必要があるが、ＰＤＭＳに型を転写して、マイクロチャンネル１２ａ〜１２ｇと弁１２ｓ，１２ｔとを一体化して作製することにより、工程の簡略化と信頼性の高いマイクロバルブの作製が可能である。
【００７９】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
【００８０】
電極には導電性グリース以外を用いてもよい。例えば、ダイヤフラム部２３，２５の間には、導電性グリース以外の導電性を有する流動体を密閉してもよい。
【００８１】
また、ダイヤフラム部の周囲を連続的に支持する代わりに、２箇所以上を間欠的に支持してもよい。ダイヤフラム部の平面形状は円形に限らず、三角形、矩形、多角形、非対称形など、任意の形状とすることができる。
【００８２】
ダイヤフラム部の昇降は、マイクロポンプ以外の駆動に利用することができる。例えば、ダイヤフラム部の昇降によって、流路が開閉されるようにしたり、スイッチが接離するようにしたりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】マイクロチップの断面図である。（実施例１）
【図２】図１の線II−IIに沿って切断した断面図である。（実施例１）
【図３】図２の要部拡大断面図である。（実施例１）
【図４】図３の線IV−IVに沿って切断した断面図である。（実施例１）
【図５】シートの伸縮の説明図である。（実施例１）
【図６】マイクロポンプの動作の説明図である。（実施例１）
【図７】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図８】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図９】マイクロチップの作製工程の説明図である。（実施例１）
【図１０】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１１】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１２】マイクロポンプの特性を示すグラフである。（実施例１）
【図１３】マイクロポンプの要部拡大断面図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００８４】
１２ａ〜１２ｇ マイクロチャンネル（流路）
１２ｓ，１２ｔ 弁
２０ カバー層
２１ ダイヤフラム
２２ シート（膜）
２３ ダイヤフラム部（第２のダイヤフラム部）
２２ シート（膜）
２５ ダイヤフラム部
２６ 導電性グリース（電極）
２８ 導電性グリース（電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送することを特徴とする、マイクロポンプ。
【請求項２】
前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第２の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第２のダイヤフラム部を備え、
前記ダイヤフラム部と前記第２のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉され、
前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されてい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】
前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成され、
前記ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下であり、
前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が５０Ｖ／μｍ以上となることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ダイヤフラム部の大きさは、直径３ｍｍ以下であり、
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、１５０％以上５００％未満の引張りひずみが加えられていることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が４以上であることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記流路に２つの弁が設けられ、
前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置され、
前記弁は、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成されることを特徴とする、請求項１〜５に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から１μｍ以上、１０μｍ以下の隙間を設けて形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用することを特徴とする、アクチュエータ。
【請求項１】
ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送することを特徴とする、マイクロポンプ。
【請求項２】
前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第２の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第２のダイヤフラム部を備え、
前記ダイヤフラム部と前記第２のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉され、
前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されてい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】
前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成され、
前記ダイヤフラム部の厚みは１００μｍ以下であり、
前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が５０Ｖ／μｍ以上となることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ダイヤフラム部の大きさは、直径３ｍｍ以下であり、
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、１５０％以上５００％未満の引張りひずみが加えられていることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が４以上であることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記流路に２つの弁が設けられ、
前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置され、
前記弁は、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成されることを特徴とする、請求項１〜５に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から１μｍ以上、１０μｍ以下の隙間を設けて形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用することを特徴とする、アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３０３４１０（Ｐ２００７−３０３４１０Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３３７９２（Ｐ２００６−１３３７９２）
【出願日】平成１８年５月１２日（２００６．５．１２）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１２日（２００６．５．１２）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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