気体搬送ポンプ、検出センサ
【課題】 気体を微量であっても高い精度で搬送することができ、しかも信頼性に優れる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 気体搬送ポンプ１０は、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、テーパ状の入口側ディフューザ部１５、テーパ状の出口側ディフューザ部１６からなる流路と、ヒータ２０を備えるようにし、ヒータ２０によってチャンバー部１２内の気体を膨張・収縮させて体積変化を生じさせることで、入口側チャンネル１３から出口側チャンネル１４へと気体を確実に搬送するようにした。
【解決手段】 気体搬送ポンプ１０は、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、テーパ状の入口側ディフューザ部１５、テーパ状の出口側ディフューザ部１６からなる流路と、ヒータ２０を備えるようにし、ヒータ２０によってチャンバー部１２内の気体を膨張・収縮させて体積変化を生じさせることで、入口側チャンネル１３から出口側チャンネル１４へと気体を確実に搬送するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体搬送ポンプ、および雰囲気中に存在する分子等を検出する検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の気体を搬送する場合、一般には、ファン等により気体に流れを生じさせる手法、ポンプ等により気体を圧送する手法、真空ポンプ等で圧力差を生じさせることで気体を吸引する手法等が用いられる。
しかし、このような手法では、微量の気体を搬送することや、気体の流量を高精度に制御するのは困難となっている。
【０００３】
一方、液体の搬送においては、ダイヤフラムを圧電素子や静電アクチュエータで駆動する方式のポンプがある。
また、液体の搬送においては、例えばインクジェット方式のプリンタ技術において、熱エネルギーをインク（液体）に与えて気泡を発生させることにより液滴を吐出させる方式等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
これらの技術では、液体の流量を微量に制御して搬送することが可能となっている。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１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、上記したようなダイヤフラムを用いたポンプや、熱エネルギーを用いて気泡を発生させる方式の技術は、液体を対象としたものであり、気体を対象として微量流量で搬送を行う技術は未だ提案されていない。
前記の技術は、いずれも液体に圧力変化を生じさせることで、液体の移動を生じさせるものである。このような技術を単純に気体に適用しても、気体の場合液体よりも密度が低いため、液体と同程度の圧力変化を生じさせたとしても、体積変化が生じるまでに至らず、単に密度が上昇するだけに留まり、その結果気体の移動を生じることが困難となるのである。気体に移動させるに足る圧力変化を生じさせようとすると、ダイヤフラム等の変化量を大きくしなければならず、間欠的動作ならともかく、連続的動作を実現するのは難しい。また、上記したような技術では、微量な流量での気体の搬送は、さらに困難である。
【０００６】
また、上記のような従来の手法では、熱エネルギーを用いて気泡を発生させる方式を除き、いずれも機械的な可動部分を備える構成となっている。このため、可動部分の故障等による信頼性の低下を免れることは困難となっている。この他にも、可動部分を備える場合、その作動音や作動による発熱等が問題になることもある。また、このような機構をセンサ等に適用しようとした場合、可動部分の作動音や振動、熱等が、センサの検出感度に悪影響を与えることも考えられる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、気体を微量であっても高い精度で搬送することができ、しかも信頼性に優れる技術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】
かかる目的のもと、本発明の気体搬送ポンプは、ポンプ内に形成されたチャンバー部と、チャンバー部とポンプの外部とを連通するよう形成された第一のチャンネルと、第一のチャンネルとは異なる位置にてチャンバー部とポンプの外部とを連通するよう形成された第二のチャンネルと、チャンバー部と第一のチャンネルの間に形成され、第一のチャンネル側からチャンバー部に向けて内径が漸次縮小する第一の縮径部と、チャンバー部と第二のチャンネルの間に形成され、チャンバー部側から第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小する第二の縮径部と、チャンバー部内の温度を変化させる温度変化手段と、を備えることを特徴とする。
このような気体搬送ポンプにおいては、温度変化手段でチャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返す。すると、チャンバー部内で気体が膨張・収縮し、体積変化を生じる。膨張時、気体は、チャンバー部に臨むように形成された第一の縮径部と第二の縮径部からチャンバーの外部に出ようとするが、第一の縮径部は第一のチャンネル側からチャンバー部に向けて内径が漸次縮小し、チャンバー部側においてその内径が小さくなっているのに対し、第二の縮径部は、チャンバー部側から第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小し、チャンバー部側においてその内径が大きくなっている。この部分における圧力損失の違いにより、気体は第一の縮径部よりも第二の縮径部からの方が外部に流出しやすい。一方、気体が収縮すると、第一の縮径部と第二の縮径部からチャンバーの外部の気体をチャンバー内に引き込もうとする。このとき、気体は、第二の縮径部よりも第一の縮径部からの方が、外部の気体を引き込みやすい。
つまりこれにより、チャンバー部内の温度を上昇させるとチャンバー内の気体が第二のチャンネル側に流出し、チャンバー部温度を下降させると第一のチャンネルからチャンバー内に気体が流入する。チャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返すことで、第一のチャンネル側から第二のチャンネル側に気体を搬送することができるのである。このとき、ポンプ内で、気体は相変化せず、気体状態のまま搬送される。温度変化を用いることで、ダイヤフラム等を用いる場合に比較し、気体に圧力変化を容易に生じさせることができ、これにより、微量流量であっても、気体を確実に搬送することが可能となる。
【０００８】
温度変化手段としては、ヒータと、ヒータの発熱温度を変化させるコントローラとからなるものを用いることができる。
また、ポンプを通る気体の流量を検出する流量センサをさらに備えることもできる。その場合、流量センサは、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルからなる気体の流路の近傍に設け、流路内の温度変化を検出することで気体の流量を検出するのが良い。さらに言えば、この流量センサは、第一のチャンネルおよび／または第一の縮径部の近傍と、第二のチャンネルおよび／または第二の縮径部の近傍に、それぞれ備えるのが好ましい。そして、それぞれ備えられた流量センサの出力の差分を検出するのが、ノイズ除去等を図ることができるために好ましい。
【０００９】
このような気体搬送ポンプにおいて、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルは、シリコン基板にリソグラフィ法によって形成することができる。これにより、気体搬送ポンプを、非常に微小なものとすることができ、しかも安価に大量生産することも可能である。
シリコンは、熱伝導率が高いこと、加工が容易であること、安価であること等の優れた特徴を有しているが、シリコンに限らず、ガラス系材料や樹脂系材料、セラミックス系材料等を用いて、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルを形成しても良い。ガラス系材料や樹脂系材料の場合、パターン形成には、リソフラフィ法を用いても良いし、モールド法やインプリント法を用いても良い。
また、第一のチャンネルおよび第一の縮径部と、第二の縮径部および第二のチャンネルとは、それぞれ複数組形成しても良い。
さらに、気体搬送ポンプは、非常にシンプルな構造であり、可動部分も有さないため、故障等も生じにくく、高い耐久性・信頼性を得ることができ、また作動音等も生じない。
【００１０】
上記したような気体搬送ポンプは、様々な用途に用いることができる。例えば、特定の種類の物質を検出するための検出センサにおいて、検出対象の物質を含んだ気体を、物質を吸着する吸着材や分子（気体分子）認識材料等に送り込む用途がある。このように、物質を含んだ気体を吸着材に強制的に送り込むことで、特定の物質の検出感度を向上させたり、測定時間を短縮したりすることができる。これ以外にも、気体を搬送して気流を起こすことで、各種の機器を冷却する等、様々な用途への適用が可能であり、本発明の気体搬送ポンプは、その用途を特に限定する意図はない。いずれの場合においても、微量な流量で気体を搬送する場合、気体搬送ポンプの小型化、マイクロ化を図りたい場合に本発明は有効となる。
【００１１】
本発明の検出センサは、気体中に含まれる質量を有した物質を検出する検出部と、検出部に気体を送り込むポンプ部とを備える。そして、ポンプ部は、外部から検出部に気体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、流路内で気体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、体積変化発生部により気体に体積変化が生じたとき、流路内で検出部から離れる方向に気体が移動するのを阻止する逆流防止部と、を備えることを特徴とする。
体積変化発生部により気体に体積変化が生じたとき、逆流防止部により流路内で検出部から離れる方向に気体が移動するのを阻止することで、気体は流路内で検出部に向けて移動する。このようにして、ポンプ本体は、流路を通して、外部から検出部に気体を送り込むことが可能となる。
このとき、ポンプ本体はチャンバー部を有し、体積変化発生部はチャンバー部内で気体に体積変化を生じさせ、逆流防止部として、気体の移動方向に向けて流路の内径が漸次縮小する縮径部を、チャンバー部の前後にそれぞれ形成するのが好ましい。ところで、逆流防止部に微細な縮径部を用いると、気体に対する流路抵抗が大きくなる。このため、逆流防止部をそれぞれ備えた流路を複数、並列に備えることができる。この場合、流路をチャンバー部から放射状に設けても良いし、並行するように設けても良い。
また、体積変化発生部は、流路内で気体の温度を変化させることで体積変化を生じさせるのが良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、気体を微量であっても高い精度で搬送することが可能となり、しかも非常に小さなサイズの気体搬送ポンプを実現できる。さらに、非常にシンプルな構造であり、可動部分も有さないため、故障等も生じにくく、高い耐久性・信頼性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における気体搬送ポンプ（ポンプ部）１０の機能的構成を説明するための図、図２は気体搬送ポンプ１０の実際的な構成を示す図である。
この図１および図２に示すように、気体搬送ポンプ１０は、本体１１内に、所定の容積を有したチャンバー部１２、このチャンバー部１２に外部から気体を導入する入口側チャンネル（第一のチャンネル）１３、チャンバー部１２から気体を送り出す出口側チャンネル（第二のチャンネル）１４、チャンバー部１２と入口側チャンネル１３の間に設けられた入口側ディフューザ部（第一の縮径部、逆流防止部）１５、チャンバー部１２と出口側チャンネル１４の間に設けられた出口側ディフューザ部（第二の縮径部、逆流防止部）１６が形成され、チャンバー部１２に、ヒータ２０が設けられた構成を有している。
【００１４】
図３に示すように、本体１１は、例えば２枚のシリコン基板１１ａ、１１ｂを貼り合せることで形成されている。これらシリコン基板１１ａ、１１ｂのいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６が形成されている。
【００１５】
チャンバー部１２は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部１２の一方の側には、入口側ディフューザ部１５が形成され、他方の側に出口側ディフューザ部１６が形成されている。
【００１６】
入口側チャンネル１３は、一端が本体１１の側面に開口し、他端が入口側ディフューザ部１５に連通するよう形成されている。入口側ディフューザ部１５は、入口側チャンネル１３とチャンバー部１２とを連通するように形成され、入口側チャンネル１３側からチャンバー部１２側に向けて、その断面積（内径）が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００１７】
出口側チャンネル１４は、一端が本体１１の側面に開口し、他端が出口側ディフューザ部１６に連通するよう形成されている。出口側ディフューザ部１６は、チャンバー部１２と出口側チャンネル１４とを連通し、入口側ディフューザ部１５とは異なる位置でチャンバー部１２に開口するように形成され、チャンバー部１２側から出口側チャンネル１４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００１８】
このようにして、本体１１には、入口側チャンネル１３から、入口側ディフューザ部１５、チャンバー部１２、出口側ディフューザ部１６を経て、出口側チャンネル１４までが連通した気体流路が形成されている。
そして、図２および図３に示したように、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４にポート１７、１８が形成され、ここに配管等を接続することができるようになっている。
【００１９】
さて、チャンバー部１２に設けられたヒータ２０は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の貴金属、高融点金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の金属酸化膜や半導体等からなる電熱線であり、本体１１の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ２０への電圧の印加は、コントローラ２１によって制御されるようになっている。
コントローラ２１の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ２０が発熱し、これによってチャンバー部１２内の温度が上昇して気体が膨張し、ヒータ２０への電圧の印加を停止するとヒータ２０の発熱が中止され、チャンバー部１２内の温度が低下して気体が収縮する。気体搬送ポンプ１０では、ヒータ２０、コントローラ２１が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、気体の膨張・収縮を利用することで、気体の送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
【００２０】
気体搬送ポンプ１０においては、外部の気体を入口側ディフューザ部１５からチャンバー部１２に導入し、出口側ディフューザ部１６から吐出する。チャンバー部１２に気体が導入された状態で、ヒータ２０が発熱すると、チャンバー部１２内の温度が上昇して気体が膨張する。すると、膨張した気体は、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２の外部に流出しようとする。
このとき、図１（ｂ）に示すように、入口側ディフューザ部１５は、入口側チャンネル１３側からチャンバー部１２側に向けて、また出口側ディフューザ部１６は、チャンバー部１２側から出口側チャンネル１４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。このため、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６においては、その断面積が漸次小さくなる方向（以下、この方向を順方向と称する）に気体が流れる場合と、逆方向、つまり断面積が漸次大きくなる方向（出口側チャンネル１４側から入口側チャンネル１３側に向かう方向：以下、この方向を逆方向と称する）に気体が流れる場合とでは、圧力損失が異なる。すなわち、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６では、気体が順方向に流れるときの圧力損失よりも、気体が逆方向に流れるときの圧力損失の方が大きくなる。これは、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のエッジ１５ａ、１６ａの部分において、気体の粘性によって乱れ渦が生じ、これによって流体の運動エネルギーが損なわれ、その結果、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６における気体の流れが、順方向の方が逆方向よりもスムーズになるからである。
これにより、チャンバー部１２内の気体が膨張し、外部に流出しようとした場合、気体は、より抵抗（圧力損失）の小さい出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２の外部に流出する。
【００２１】
この後、ヒータ２０への電圧の印加を停止するとヒータ２０の発熱が中止され、チャンバー部１２内の温度が低下して気体が収縮する。すると、気体の収縮に伴い、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２内に気体を導入しようとする。
このとき、テーパノズル状の入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６において、前述したような、気体の流れる方向に応じて圧力損失が異なるため、チャンバー部１２内の気体が収縮した場合、気体は、より抵抗（圧力損失）の小さい入口側ディフューザ部１５からチャンバー部１２の内部に導入される。
【００２２】
このようにして、ヒータ２０の加熱時にはチャンバー部１２内の気体が膨張して出口側ディフューザ部１６から出口側チャンネル１４に流出し、ヒータ２０の停止時にはチャンバー部１２内の気体が収縮して入口側チャンネル１３から入口側ディフューザ部１５を介してチャンバー部１２内に気体が導入されるようになっている。
したがって、気体搬送ポンプ１０では、このヒータ２０の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル１３から気体を吸い込み、出口側チャンネル１４から気体を吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、コントローラ２１では、所定のサイクルで、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えるようになっている。例えば、コントローラ２１では、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦを１００マイクロ秒〜１ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、コントローラ２１では、ヒータ２０をＯＮ／ＯＦＦさせたときに、室温〜１０００℃、好ましくは室温〜５００℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
【００２３】
このとき、ヒータ２０のパワーを高めれば、ＯＮ／ＯＦＦ時の温度差が大きくなり、気体搬送ポンプ１０における流量が増大する。また、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めれば流量が減少する。これらＯＮ／ＯＦＦ時の温度差と切り替え周波数は、気体搬送ポンプ１０の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。
【００２４】
さらに、気体搬送ポンプ１０には、吐出する気体の流量を計測するための流量センサ３０を備えることもできる。流量センサ３０は、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の少なくとも一方の近傍に配置される。この流量センサ３０は、常時一定の電圧を印加し、所定の温度に維持されるようにしておく。
流路内を気体が流れると、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度が低下する。これに伴い、流量センサ３０の温度も低下するので、そのときの電気抵抗の変化をモニタリングすることで、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度の低下を検出できる。これによって、予め、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度の低下量と、流量との関係を把握しておくことで、流量センサ３０では、気体搬送ポンプ１０で吐出する気体の流量を検出することができるのである。
【００２５】
流量センサ３０の配置や、その出力信号の処理に関しては、感度を向上させるために様々な構成が考えられる。例えば、入口側ディフューザ部１５側および出口側ディフューザ部１６側のそれぞれに流量センサ３０を設け、その差分を取ることで、流量の絶対値を検出したり、ノイズ成分を除去することができる。また、応答特性をとることで、ノイズ成分やドラフト成分を除去することも可能である。
【００２６】
このような気体搬送ポンプ１０を形成するには、例えば、酸化層とフォトレジスト層とが積層されることで構成されたシリコン基板１１ａに、リソグラフィ法によりパターンを形成することで、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等を形成する。
これにはまず、シリコン基板１１ａの酸化層に、リソグラフィ法により、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のパターンを形成する。
続いて、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６をマスクした状態で、エッチングにより、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４を、所定の深さに形成する。
さらに、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のマスクを外し、エッチングにより、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６を所定の深さに形成する。
【００２７】
他方のシリコン基板１１ｂには、金等の導電材料からなる導電層を設けておき、この導電層にリソグラフィ法およびエッチングにより、ヒータ２０と、流量センサ３０の配線パターンを形成する。
そして、これらシリコン基板１１ａ、１１ｂを貼り合わせることで、気体搬送ポンプ１０を形成することができる。
【００２８】
なお、ヒータ２０や流量センサ３０を設ける部材であるシリコン基板１１ｂの材質や板厚等に関しては、注意深く設計する必要がある。例えば、熱伝達率の大きな材料を採用し、かつ板厚を薄くすれば、発熱や放熱の効率を高めることができ、これにより、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めて気体搬送ポンプ１０の流量を増大させることが可能となるからである。
【００２９】
このような気体搬送ポンプ１０は、微量な気体を搬送する様々な用途に適用することができる。例えば、ガス等の気体検知用の検出センサにおいて、検出センサ部分に気体を供給するための流量制御、半導体プロセス工程や、ガス燃焼機器におけるガス濃度の微量な調整、例えばモバイル用機器におけるＣＰＵ冷却のため等における冷媒の供給等である。
例えば、ガス等の気体検知用の検出センサは、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するためのものとすることができる。この検出センサでは、ガスに含まれる特定の分子を吸着し、その吸着の有無、あるいは吸着量を検出することで、ガス等の存在の有無、あるいはその濃度を検出する。このような検出センサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられる。
また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視する用途にも、上記検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する検出センサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
【００３０】
このような検出センサとしては、大きく分けて２種類の方式のものがある。
一つは、カンチレバー上に、特定の分子を吸着する分子吸着膜（感応膜）を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときのカンチレバーの状態変化から、分子の吸着を検出するものである。分子吸着膜に分子が吸着されると、分子吸着膜の質量が増加する。これにより、カンチレバーのたわみ量が変化するので、その変化量から、特定の分子の吸着を検出できる。また、分子の吸着により分子吸着膜の質量が増加すると、カンチレバーと分子吸着膜とからなる系の共振周波数が変化するので、その変化から特定の分子の吸着を検出することもできる。
もう一つの方式は、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定の分子の吸着を検出するものである。
これ以外にも、適宜他の方式の検出センサを採用することは、もちろん可能である。
【００３１】
このような検出センサに、上記気体搬送ポンプ１０を組み合わせることで、気体搬送ポンプ１０で検出対象となるガスを採集し、これを検出センサの部分に供給することで、検出センサにおいて検出を高精度で行うことが可能となる。
【００３２】
上述したように、気体搬送ポンプ１０は、気体の熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であっても気体を確実に搬送することができる。しかも、気体を搬送させるためには、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からなる流路と、ヒータ２０を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。
【００３３】
また、気体搬送ポンプ１０は、その構成からして非常に小型のものとすることができる。これにより、この気体搬送ポンプ１０を組み合わせて構成する検出センサ等についても小型化することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
上記のような構成の気体搬送ポンプ１０について、その動作をシミュレーションによって検証した。ここで、チャンバー部１２の内径は１００μｍ、入口側チャンネル１３の幅は１０μｍ、高さは２０μｍ、出口側チャンネル１４の幅は１０μｍ、高さは２０μｍ、入口側ディフューザ部１５の長さは５μｍ、ディフューザ部分の幅は１〜４μｍ、高さは２〜５μｍ、出口側ディフューザ部１６は入口側ディフューザ部１５と同形状とした。
また、ヒータ２０には、１００ｍＡの電流を１００ｍｓ流し、１００ｍｓ停止させるというサイクルを繰り返した。
【００３５】
チャンバー部１２の部分においては、温度が室温〜５００℃に周期的に変動し、出口側チャンネル１４からは、気体がチャンバー部１２の体積に対して１回の温度サイクル当たり３％の割合で吐出された。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、気体搬送ポンプ１０の寸法例、材質例、製法等を示したが、同様の機能を有するものを実現できるのであれば、上記に示した範疇のものに限るものではない。また、気体搬送ポンプ１０の用途についても、上記した以外とすることもできる。
また、気体搬送ポンプ１０において、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４を一直線状に配置した構成としたが、これに限るものではなく、入口側チャンネル１３と出口側チャンネル１４を、互いに所定角度ずれた位置に配置したり、隣接して並ぶように配置する等、様々な配置とすることができる。
【００３７】
また、上記実施の形態において、気体搬送ポンプ１０を形成するのにシリコンを基板材料として用いた。シリコンは、熱伝導率が高いこと、加工が容易であること、安価であること等の優れた特徴を持っている。しかし、気体搬送ポンプ１０を形成するのに、ガラス系材料、プラスチック系材料、セラミックス系材料等を用いても良い。ガラス系材料やプラスチック系材料を用いる場合には、リソグラフィ技術のほか、モールド技術、インプリント技術等を用いて気体搬送ポンプ１０を形成しても良い。
本実施の形態では、シリコン基板１１ａに、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等を形成し、他方のシリコン基板１１ｂに、ヒータ２０と流量センサ３０の配線パターンを形成し、これらシリコン基板１１ａ、１１ｂを互いに接合する構成としたが、これに限るものではない。例えば、ヒータ２０と流量センサ３０を、別体の部材としても良い。
さらに、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等の部材表面には、シリコン酸化層を設けて緻密化したり、ＳｉＮを積層したり、あるいは窒化処理を行ったりしてコーティング層を形成し、部材表面と気体との流路抵抗を小さくしても良い。さらには、扱う気体の種類によって、表面のコーディング層の材料を異ならせることもできる。
【００３８】
ところで、上記実施の形態における気体搬送ポンプ１０においては、微細な入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６を用いているため、気体に対する流路抵抗が比較的大きい。このため、流量を増大させるために、入口側チャンネル１３および入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６および出口側チャンネル１４からなる流路を、入口側、出口側にそれぞれ複数組設け、トータルでの流路面積を拡大することも可能である。この場合、流路をチャンバー部１２から放射状に設けても良いし、並行するように設けても良い。また、このような気体搬送ポンプ１０を複数積層することで、トータルでの流路面積を拡大するようにしても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施の形態における気体搬送ポンプの概略的な構成を示す図であり、(ａ)は全体図、(ｂ)は要部の拡大図である。
【図２】気体搬送ポンプの構成を示す図である。
【図３】気体搬送ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…気体搬送ポンプ（ポンプ部）、１１…本体、１２…チャンバー部、１３…入口側チャンネル（第一のチャンネル）、１４…出口側チャンネル（第二のチャンネル）、１５…入口側ディフューザ部（第一の縮径部、逆流防止部）、１６…出口側ディフューザ部（第二の縮径部、逆流防止部）、２０…ヒータ、２１…コントローラ、３０…流量センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体搬送ポンプ、および雰囲気中に存在する分子等を検出する検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の気体を搬送する場合、一般には、ファン等により気体に流れを生じさせる手法、ポンプ等により気体を圧送する手法、真空ポンプ等で圧力差を生じさせることで気体を吸引する手法等が用いられる。
しかし、このような手法では、微量の気体を搬送することや、気体の流量を高精度に制御するのは困難となっている。
【０００３】
一方、液体の搬送においては、ダイヤフラムを圧電素子や静電アクチュエータで駆動する方式のポンプがある。
また、液体の搬送においては、例えばインクジェット方式のプリンタ技術において、熱エネルギーをインク（液体）に与えて気泡を発生させることにより液滴を吐出させる方式等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
これらの技術では、液体の流量を微量に制御して搬送することが可能となっている。
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１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、上記したようなダイヤフラムを用いたポンプや、熱エネルギーを用いて気泡を発生させる方式の技術は、液体を対象としたものであり、気体を対象として微量流量で搬送を行う技術は未だ提案されていない。
前記の技術は、いずれも液体に圧力変化を生じさせることで、液体の移動を生じさせるものである。このような技術を単純に気体に適用しても、気体の場合液体よりも密度が低いため、液体と同程度の圧力変化を生じさせたとしても、体積変化が生じるまでに至らず、単に密度が上昇するだけに留まり、その結果気体の移動を生じることが困難となるのである。気体に移動させるに足る圧力変化を生じさせようとすると、ダイヤフラム等の変化量を大きくしなければならず、間欠的動作ならともかく、連続的動作を実現するのは難しい。また、上記したような技術では、微量な流量での気体の搬送は、さらに困難である。
【０００６】
また、上記のような従来の手法では、熱エネルギーを用いて気泡を発生させる方式を除き、いずれも機械的な可動部分を備える構成となっている。このため、可動部分の故障等による信頼性の低下を免れることは困難となっている。この他にも、可動部分を備える場合、その作動音や作動による発熱等が問題になることもある。また、このような機構をセンサ等に適用しようとした場合、可動部分の作動音や振動、熱等が、センサの検出感度に悪影響を与えることも考えられる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、気体を微量であっても高い精度で搬送することができ、しかも信頼性に優れる技術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】
かかる目的のもと、本発明の気体搬送ポンプは、ポンプ内に形成されたチャンバー部と、チャンバー部とポンプの外部とを連通するよう形成された第一のチャンネルと、第一のチャンネルとは異なる位置にてチャンバー部とポンプの外部とを連通するよう形成された第二のチャンネルと、チャンバー部と第一のチャンネルの間に形成され、第一のチャンネル側からチャンバー部に向けて内径が漸次縮小する第一の縮径部と、チャンバー部と第二のチャンネルの間に形成され、チャンバー部側から第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小する第二の縮径部と、チャンバー部内の温度を変化させる温度変化手段と、を備えることを特徴とする。
このような気体搬送ポンプにおいては、温度変化手段でチャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返す。すると、チャンバー部内で気体が膨張・収縮し、体積変化を生じる。膨張時、気体は、チャンバー部に臨むように形成された第一の縮径部と第二の縮径部からチャンバーの外部に出ようとするが、第一の縮径部は第一のチャンネル側からチャンバー部に向けて内径が漸次縮小し、チャンバー部側においてその内径が小さくなっているのに対し、第二の縮径部は、チャンバー部側から第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小し、チャンバー部側においてその内径が大きくなっている。この部分における圧力損失の違いにより、気体は第一の縮径部よりも第二の縮径部からの方が外部に流出しやすい。一方、気体が収縮すると、第一の縮径部と第二の縮径部からチャンバーの外部の気体をチャンバー内に引き込もうとする。このとき、気体は、第二の縮径部よりも第一の縮径部からの方が、外部の気体を引き込みやすい。
つまりこれにより、チャンバー部内の温度を上昇させるとチャンバー内の気体が第二のチャンネル側に流出し、チャンバー部温度を下降させると第一のチャンネルからチャンバー内に気体が流入する。チャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返すことで、第一のチャンネル側から第二のチャンネル側に気体を搬送することができるのである。このとき、ポンプ内で、気体は相変化せず、気体状態のまま搬送される。温度変化を用いることで、ダイヤフラム等を用いる場合に比較し、気体に圧力変化を容易に生じさせることができ、これにより、微量流量であっても、気体を確実に搬送することが可能となる。
【０００８】
温度変化手段としては、ヒータと、ヒータの発熱温度を変化させるコントローラとからなるものを用いることができる。
また、ポンプを通る気体の流量を検出する流量センサをさらに備えることもできる。その場合、流量センサは、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルからなる気体の流路の近傍に設け、流路内の温度変化を検出することで気体の流量を検出するのが良い。さらに言えば、この流量センサは、第一のチャンネルおよび／または第一の縮径部の近傍と、第二のチャンネルおよび／または第二の縮径部の近傍に、それぞれ備えるのが好ましい。そして、それぞれ備えられた流量センサの出力の差分を検出するのが、ノイズ除去等を図ることができるために好ましい。
【０００９】
このような気体搬送ポンプにおいて、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルは、シリコン基板にリソグラフィ法によって形成することができる。これにより、気体搬送ポンプを、非常に微小なものとすることができ、しかも安価に大量生産することも可能である。
シリコンは、熱伝導率が高いこと、加工が容易であること、安価であること等の優れた特徴を有しているが、シリコンに限らず、ガラス系材料や樹脂系材料、セラミックス系材料等を用いて、第一のチャンネル、第一の縮径部、チャンバー部、第二の縮径部、第二のチャンネルを形成しても良い。ガラス系材料や樹脂系材料の場合、パターン形成には、リソフラフィ法を用いても良いし、モールド法やインプリント法を用いても良い。
また、第一のチャンネルおよび第一の縮径部と、第二の縮径部および第二のチャンネルとは、それぞれ複数組形成しても良い。
さらに、気体搬送ポンプは、非常にシンプルな構造であり、可動部分も有さないため、故障等も生じにくく、高い耐久性・信頼性を得ることができ、また作動音等も生じない。
【００１０】
上記したような気体搬送ポンプは、様々な用途に用いることができる。例えば、特定の種類の物質を検出するための検出センサにおいて、検出対象の物質を含んだ気体を、物質を吸着する吸着材や分子（気体分子）認識材料等に送り込む用途がある。このように、物質を含んだ気体を吸着材に強制的に送り込むことで、特定の物質の検出感度を向上させたり、測定時間を短縮したりすることができる。これ以外にも、気体を搬送して気流を起こすことで、各種の機器を冷却する等、様々な用途への適用が可能であり、本発明の気体搬送ポンプは、その用途を特に限定する意図はない。いずれの場合においても、微量な流量で気体を搬送する場合、気体搬送ポンプの小型化、マイクロ化を図りたい場合に本発明は有効となる。
【００１１】
本発明の検出センサは、気体中に含まれる質量を有した物質を検出する検出部と、検出部に気体を送り込むポンプ部とを備える。そして、ポンプ部は、外部から検出部に気体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、流路内で気体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、体積変化発生部により気体に体積変化が生じたとき、流路内で検出部から離れる方向に気体が移動するのを阻止する逆流防止部と、を備えることを特徴とする。
体積変化発生部により気体に体積変化が生じたとき、逆流防止部により流路内で検出部から離れる方向に気体が移動するのを阻止することで、気体は流路内で検出部に向けて移動する。このようにして、ポンプ本体は、流路を通して、外部から検出部に気体を送り込むことが可能となる。
このとき、ポンプ本体はチャンバー部を有し、体積変化発生部はチャンバー部内で気体に体積変化を生じさせ、逆流防止部として、気体の移動方向に向けて流路の内径が漸次縮小する縮径部を、チャンバー部の前後にそれぞれ形成するのが好ましい。ところで、逆流防止部に微細な縮径部を用いると、気体に対する流路抵抗が大きくなる。このため、逆流防止部をそれぞれ備えた流路を複数、並列に備えることができる。この場合、流路をチャンバー部から放射状に設けても良いし、並行するように設けても良い。
また、体積変化発生部は、流路内で気体の温度を変化させることで体積変化を生じさせるのが良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、気体を微量であっても高い精度で搬送することが可能となり、しかも非常に小さなサイズの気体搬送ポンプを実現できる。さらに、非常にシンプルな構造であり、可動部分も有さないため、故障等も生じにくく、高い耐久性・信頼性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における気体搬送ポンプ（ポンプ部）１０の機能的構成を説明するための図、図２は気体搬送ポンプ１０の実際的な構成を示す図である。
この図１および図２に示すように、気体搬送ポンプ１０は、本体１１内に、所定の容積を有したチャンバー部１２、このチャンバー部１２に外部から気体を導入する入口側チャンネル（第一のチャンネル）１３、チャンバー部１２から気体を送り出す出口側チャンネル（第二のチャンネル）１４、チャンバー部１２と入口側チャンネル１３の間に設けられた入口側ディフューザ部（第一の縮径部、逆流防止部）１５、チャンバー部１２と出口側チャンネル１４の間に設けられた出口側ディフューザ部（第二の縮径部、逆流防止部）１６が形成され、チャンバー部１２に、ヒータ２０が設けられた構成を有している。
【００１４】
図３に示すように、本体１１は、例えば２枚のシリコン基板１１ａ、１１ｂを貼り合せることで形成されている。これらシリコン基板１１ａ、１１ｂのいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６が形成されている。
【００１５】
チャンバー部１２は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部１２の一方の側には、入口側ディフューザ部１５が形成され、他方の側に出口側ディフューザ部１６が形成されている。
【００１６】
入口側チャンネル１３は、一端が本体１１の側面に開口し、他端が入口側ディフューザ部１５に連通するよう形成されている。入口側ディフューザ部１５は、入口側チャンネル１３とチャンバー部１２とを連通するように形成され、入口側チャンネル１３側からチャンバー部１２側に向けて、その断面積（内径）が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００１７】
出口側チャンネル１４は、一端が本体１１の側面に開口し、他端が出口側ディフューザ部１６に連通するよう形成されている。出口側ディフューザ部１６は、チャンバー部１２と出口側チャンネル１４とを連通し、入口側ディフューザ部１５とは異なる位置でチャンバー部１２に開口するように形成され、チャンバー部１２側から出口側チャンネル１４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。
【００１８】
このようにして、本体１１には、入口側チャンネル１３から、入口側ディフューザ部１５、チャンバー部１２、出口側ディフューザ部１６を経て、出口側チャンネル１４までが連通した気体流路が形成されている。
そして、図２および図３に示したように、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４にポート１７、１８が形成され、ここに配管等を接続することができるようになっている。
【００１９】
さて、チャンバー部１２に設けられたヒータ２０は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の貴金属、高融点金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の金属酸化膜や半導体等からなる電熱線であり、本体１１の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ２０への電圧の印加は、コントローラ２１によって制御されるようになっている。
コントローラ２１の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ２０が発熱し、これによってチャンバー部１２内の温度が上昇して気体が膨張し、ヒータ２０への電圧の印加を停止するとヒータ２０の発熱が中止され、チャンバー部１２内の温度が低下して気体が収縮する。気体搬送ポンプ１０では、ヒータ２０、コントローラ２１が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、気体の膨張・収縮を利用することで、気体の送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
【００２０】
気体搬送ポンプ１０においては、外部の気体を入口側ディフューザ部１５からチャンバー部１２に導入し、出口側ディフューザ部１６から吐出する。チャンバー部１２に気体が導入された状態で、ヒータ２０が発熱すると、チャンバー部１２内の温度が上昇して気体が膨張する。すると、膨張した気体は、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２の外部に流出しようとする。
このとき、図１（ｂ）に示すように、入口側ディフューザ部１５は、入口側チャンネル１３側からチャンバー部１２側に向けて、また出口側ディフューザ部１６は、チャンバー部１２側から出口側チャンネル１４側に向けて、その断面積が漸次小さくなるテーパノズル状とされている。このため、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６においては、その断面積が漸次小さくなる方向（以下、この方向を順方向と称する）に気体が流れる場合と、逆方向、つまり断面積が漸次大きくなる方向（出口側チャンネル１４側から入口側チャンネル１３側に向かう方向：以下、この方向を逆方向と称する）に気体が流れる場合とでは、圧力損失が異なる。すなわち、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６では、気体が順方向に流れるときの圧力損失よりも、気体が逆方向に流れるときの圧力損失の方が大きくなる。これは、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のエッジ１５ａ、１６ａの部分において、気体の粘性によって乱れ渦が生じ、これによって流体の運動エネルギーが損なわれ、その結果、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６における気体の流れが、順方向の方が逆方向よりもスムーズになるからである。
これにより、チャンバー部１２内の気体が膨張し、外部に流出しようとした場合、気体は、より抵抗（圧力損失）の小さい出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２の外部に流出する。
【００２１】
この後、ヒータ２０への電圧の印加を停止するとヒータ２０の発熱が中止され、チャンバー部１２内の温度が低下して気体が収縮する。すると、気体の収縮に伴い、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からチャンバー部１２内に気体を導入しようとする。
このとき、テーパノズル状の入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６において、前述したような、気体の流れる方向に応じて圧力損失が異なるため、チャンバー部１２内の気体が収縮した場合、気体は、より抵抗（圧力損失）の小さい入口側ディフューザ部１５からチャンバー部１２の内部に導入される。
【００２２】
このようにして、ヒータ２０の加熱時にはチャンバー部１２内の気体が膨張して出口側ディフューザ部１６から出口側チャンネル１４に流出し、ヒータ２０の停止時にはチャンバー部１２内の気体が収縮して入口側チャンネル１３から入口側ディフューザ部１５を介してチャンバー部１２内に気体が導入されるようになっている。
したがって、気体搬送ポンプ１０では、このヒータ２０の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル１３から気体を吸い込み、出口側チャンネル１４から気体を吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、コントローラ２１では、所定のサイクルで、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えるようになっている。例えば、コントローラ２１では、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦを１００マイクロ秒〜１ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、コントローラ２１では、ヒータ２０をＯＮ／ＯＦＦさせたときに、室温〜１０００℃、好ましくは室温〜５００℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
【００２３】
このとき、ヒータ２０のパワーを高めれば、ＯＮ／ＯＦＦ時の温度差が大きくなり、気体搬送ポンプ１０における流量が増大する。また、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めれば流量が減少する。これらＯＮ／ＯＦＦ時の温度差と切り替え周波数は、気体搬送ポンプ１０の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。
【００２４】
さらに、気体搬送ポンプ１０には、吐出する気体の流量を計測するための流量センサ３０を備えることもできる。流量センサ３０は、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の少なくとも一方の近傍に配置される。この流量センサ３０は、常時一定の電圧を印加し、所定の温度に維持されるようにしておく。
流路内を気体が流れると、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度が低下する。これに伴い、流量センサ３０の温度も低下するので、そのときの電気抵抗の変化をモニタリングすることで、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度の低下を検出できる。これによって、予め、入口側ディフューザ部１５および出口側ディフューザ部１６の温度の低下量と、流量との関係を把握しておくことで、流量センサ３０では、気体搬送ポンプ１０で吐出する気体の流量を検出することができるのである。
【００２５】
流量センサ３０の配置や、その出力信号の処理に関しては、感度を向上させるために様々な構成が考えられる。例えば、入口側ディフューザ部１５側および出口側ディフューザ部１６側のそれぞれに流量センサ３０を設け、その差分を取ることで、流量の絶対値を検出したり、ノイズ成分を除去することができる。また、応答特性をとることで、ノイズ成分やドラフト成分を除去することも可能である。
【００２６】
このような気体搬送ポンプ１０を形成するには、例えば、酸化層とフォトレジスト層とが積層されることで構成されたシリコン基板１１ａに、リソグラフィ法によりパターンを形成することで、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等を形成する。
これにはまず、シリコン基板１１ａの酸化層に、リソグラフィ法により、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のパターンを形成する。
続いて、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６をマスクした状態で、エッチングにより、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４を、所定の深さに形成する。
さらに、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６のマスクを外し、エッチングにより、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６を所定の深さに形成する。
【００２７】
他方のシリコン基板１１ｂには、金等の導電材料からなる導電層を設けておき、この導電層にリソグラフィ法およびエッチングにより、ヒータ２０と、流量センサ３０の配線パターンを形成する。
そして、これらシリコン基板１１ａ、１１ｂを貼り合わせることで、気体搬送ポンプ１０を形成することができる。
【００２８】
なお、ヒータ２０や流量センサ３０を設ける部材であるシリコン基板１１ｂの材質や板厚等に関しては、注意深く設計する必要がある。例えば、熱伝達率の大きな材料を採用し、かつ板厚を薄くすれば、発熱や放熱の効率を高めることができ、これにより、ヒータ２０のＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めて気体搬送ポンプ１０の流量を増大させることが可能となるからである。
【００２９】
このような気体搬送ポンプ１０は、微量な気体を搬送する様々な用途に適用することができる。例えば、ガス等の気体検知用の検出センサにおいて、検出センサ部分に気体を供給するための流量制御、半導体プロセス工程や、ガス燃焼機器におけるガス濃度の微量な調整、例えばモバイル用機器におけるＣＰＵ冷却のため等における冷媒の供給等である。
例えば、ガス等の気体検知用の検出センサは、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するためのものとすることができる。この検出センサでは、ガスに含まれる特定の分子を吸着し、その吸着の有無、あるいは吸着量を検出することで、ガス等の存在の有無、あるいはその濃度を検出する。このような検出センサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられる。
また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視する用途にも、上記検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する検出センサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
【００３０】
このような検出センサとしては、大きく分けて２種類の方式のものがある。
一つは、カンチレバー上に、特定の分子を吸着する分子吸着膜（感応膜）を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときのカンチレバーの状態変化から、分子の吸着を検出するものである。分子吸着膜に分子が吸着されると、分子吸着膜の質量が増加する。これにより、カンチレバーのたわみ量が変化するので、その変化量から、特定の分子の吸着を検出できる。また、分子の吸着により分子吸着膜の質量が増加すると、カンチレバーと分子吸着膜とからなる系の共振周波数が変化するので、その変化から特定の分子の吸着を検出することもできる。
もう一つの方式は、水晶振動子に分子吸着膜を設け、分子吸着膜に分子が吸着されたときの、水晶振動子の共振周波数変化から、特定の分子の吸着を検出するものである。
これ以外にも、適宜他の方式の検出センサを採用することは、もちろん可能である。
【００３１】
このような検出センサに、上記気体搬送ポンプ１０を組み合わせることで、気体搬送ポンプ１０で検出対象となるガスを採集し、これを検出センサの部分に供給することで、検出センサにおいて検出を高精度で行うことが可能となる。
【００３２】
上述したように、気体搬送ポンプ１０は、気体の熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であっても気体を確実に搬送することができる。しかも、気体を搬送させるためには、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６からなる流路と、ヒータ２０を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。
【００３３】
また、気体搬送ポンプ１０は、その構成からして非常に小型のものとすることができる。これにより、この気体搬送ポンプ１０を組み合わせて構成する検出センサ等についても小型化することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
上記のような構成の気体搬送ポンプ１０について、その動作をシミュレーションによって検証した。ここで、チャンバー部１２の内径は１００μｍ、入口側チャンネル１３の幅は１０μｍ、高さは２０μｍ、出口側チャンネル１４の幅は１０μｍ、高さは２０μｍ、入口側ディフューザ部１５の長さは５μｍ、ディフューザ部分の幅は１〜４μｍ、高さは２〜５μｍ、出口側ディフューザ部１６は入口側ディフューザ部１５と同形状とした。
また、ヒータ２０には、１００ｍＡの電流を１００ｍｓ流し、１００ｍｓ停止させるというサイクルを繰り返した。
【００３５】
チャンバー部１２の部分においては、温度が室温〜５００℃に周期的に変動し、出口側チャンネル１４からは、気体がチャンバー部１２の体積に対して１回の温度サイクル当たり３％の割合で吐出された。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、気体搬送ポンプ１０の寸法例、材質例、製法等を示したが、同様の機能を有するものを実現できるのであれば、上記に示した範疇のものに限るものではない。また、気体搬送ポンプ１０の用途についても、上記した以外とすることもできる。
また、気体搬送ポンプ１０において、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４を一直線状に配置した構成としたが、これに限るものではなく、入口側チャンネル１３と出口側チャンネル１４を、互いに所定角度ずれた位置に配置したり、隣接して並ぶように配置する等、様々な配置とすることができる。
【００３７】
また、上記実施の形態において、気体搬送ポンプ１０を形成するのにシリコンを基板材料として用いた。シリコンは、熱伝導率が高いこと、加工が容易であること、安価であること等の優れた特徴を持っている。しかし、気体搬送ポンプ１０を形成するのに、ガラス系材料、プラスチック系材料、セラミックス系材料等を用いても良い。ガラス系材料やプラスチック系材料を用いる場合には、リソグラフィ技術のほか、モールド技術、インプリント技術等を用いて気体搬送ポンプ１０を形成しても良い。
本実施の形態では、シリコン基板１１ａに、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等を形成し、他方のシリコン基板１１ｂに、ヒータ２０と流量センサ３０の配線パターンを形成し、これらシリコン基板１１ａ、１１ｂを互いに接合する構成としたが、これに限るものではない。例えば、ヒータ２０と流量センサ３０を、別体の部材としても良い。
さらに、チャンバー部１２、入口側チャンネル１３、出口側チャンネル１４、入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６等の部材表面には、シリコン酸化層を設けて緻密化したり、ＳｉＮを積層したり、あるいは窒化処理を行ったりしてコーティング層を形成し、部材表面と気体との流路抵抗を小さくしても良い。さらには、扱う気体の種類によって、表面のコーディング層の材料を異ならせることもできる。
【００３８】
ところで、上記実施の形態における気体搬送ポンプ１０においては、微細な入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６を用いているため、気体に対する流路抵抗が比較的大きい。このため、流量を増大させるために、入口側チャンネル１３および入口側ディフューザ部１５、出口側ディフューザ部１６および出口側チャンネル１４からなる流路を、入口側、出口側にそれぞれ複数組設け、トータルでの流路面積を拡大することも可能である。この場合、流路をチャンバー部１２から放射状に設けても良いし、並行するように設けても良い。また、このような気体搬送ポンプ１０を複数積層することで、トータルでの流路面積を拡大するようにしても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施の形態における気体搬送ポンプの概略的な構成を示す図であり、(ａ)は全体図、(ｂ)は要部の拡大図である。
【図２】気体搬送ポンプの構成を示す図である。
【図３】気体搬送ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…気体搬送ポンプ（ポンプ部）、１１…本体、１２…チャンバー部、１３…入口側チャンネル（第一のチャンネル）、１４…出口側チャンネル（第二のチャンネル）、１５…入口側ディフューザ部（第一の縮径部、逆流防止部）、１６…出口側ディフューザ部（第二の縮径部、逆流防止部）、２０…ヒータ、２１…コントローラ、３０…流量センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を搬送するポンプであって、
前記ポンプ内に形成されたチャンバー部と、
前記チャンバー部と前記ポンプの外部とを連通するよう形成された第一のチャンネルと、
前記第一のチャンネルとは異なる位置にて前記チャンバー部と前記ポンプの外部とを連通するよう形成された第二のチャンネルと、
前記チャンバー部と前記第一のチャンネルの間に形成され、前記第一のチャンネル側から前記チャンバー部に向けて内径が漸次縮小する第一の縮径部と、
前記チャンバー部と前記第二のチャンネルの間に形成され、前記チャンバー部側から前記第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小する第二の縮径部と、
前記チャンバー部内の温度を変化させる温度変化手段と、
を備えることを特徴とする気体搬送ポンプ。
【請求項２】
前記温度変化手段で前記チャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返して前記チャンバー部内の前記気体の体積変化を生じさせることで、前記第一のチャンネル側から前記第二のチャンネル側に前記気体を搬送することを特徴とする請求項１に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ内で、前記気体は相変化せず、気体状態のまま搬送されることを特徴とする請求項１または２に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項４】
前記温度変化手段は、ヒータと、前記ヒータの発熱温度を変化させるコントローラとからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項５】
前記ポンプを通る前記気体の流量を検出する流量センサをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項６】
前記流量センサは、前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルからなる前記気体の流路の近傍に設けられ、前記流路内の温度変化を検出することで、前記気体の流量を検出することを特徴とする請求項５に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項７】
前記流量センサは、前記第一のチャンネルおよび／または前記第一の縮径部の近傍と、前記第二のチャンネルおよび／または前記第二の縮径部の近傍に、それぞれ備えられていることを特徴とする請求項６に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項８】
それぞれ備えられた前記流量センサの出力の差分を検出することを特徴とする請求項７に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項９】
前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルは、シリコン基板にリソグラフィ法によって形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１０】
前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルは、ガラス系材料または樹脂系材料からなる基板に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１１】
前記第一のチャンネルおよび前記第一の縮径部と、前記第二の縮径部および前記第二のチャンネルとが、それぞれ複数組形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１２】
気体中に含まれる質量を有した物質を検出する検出部と、
前記検出部に前記気体を送り込むポンプ部とを備え、
前記ポンプ部は、外部から前記検出部に前記気体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、
前記流路内で前記気体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記体積変化発生部により前記気体に体積変化が生じたとき、前記流路内で前記検出部から離れる方向に前記気体が移動するのを阻止する逆流防止部と、
を備えることを特徴とする検出センサ。
【請求項１３】
前記ポンプ本体はチャンバー部を有し、前記体積変化発生部は前記チャンバー部内で前記気体に体積変化を生じさせ、
前記逆流防止部として、前記気体の移動方向に向けて前記流路の内径が漸次縮小する縮径部が、前記チャンバー部の前後にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の検出センサ。
【請求項１４】
前記体積変化発生部は、前記流路内で前記気体の温度を変化させることで体積変化を生じさせることを特徴とする請求項１２または１３に記載の検出センサ。
【請求項１】
気体を搬送するポンプであって、
前記ポンプ内に形成されたチャンバー部と、
前記チャンバー部と前記ポンプの外部とを連通するよう形成された第一のチャンネルと、
前記第一のチャンネルとは異なる位置にて前記チャンバー部と前記ポンプの外部とを連通するよう形成された第二のチャンネルと、
前記チャンバー部と前記第一のチャンネルの間に形成され、前記第一のチャンネル側から前記チャンバー部に向けて内径が漸次縮小する第一の縮径部と、
前記チャンバー部と前記第二のチャンネルの間に形成され、前記チャンバー部側から前記第二のチャンネル側に向けて内径が漸次縮小する第二の縮径部と、
前記チャンバー部内の温度を変化させる温度変化手段と、
を備えることを特徴とする気体搬送ポンプ。
【請求項２】
前記温度変化手段で前記チャンバー部内の温度の上昇・下降を繰り返して前記チャンバー部内の前記気体の体積変化を生じさせることで、前記第一のチャンネル側から前記第二のチャンネル側に前記気体を搬送することを特徴とする請求項１に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ内で、前記気体は相変化せず、気体状態のまま搬送されることを特徴とする請求項１または２に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項４】
前記温度変化手段は、ヒータと、前記ヒータの発熱温度を変化させるコントローラとからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項５】
前記ポンプを通る前記気体の流量を検出する流量センサをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項６】
前記流量センサは、前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルからなる前記気体の流路の近傍に設けられ、前記流路内の温度変化を検出することで、前記気体の流量を検出することを特徴とする請求項５に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項７】
前記流量センサは、前記第一のチャンネルおよび／または前記第一の縮径部の近傍と、前記第二のチャンネルおよび／または前記第二の縮径部の近傍に、それぞれ備えられていることを特徴とする請求項６に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項８】
それぞれ備えられた前記流量センサの出力の差分を検出することを特徴とする請求項７に記載の気体搬送ポンプ。
【請求項９】
前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルは、シリコン基板にリソグラフィ法によって形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１０】
前記第一のチャンネル、前記第一の縮径部、前記チャンバー部、前記第二の縮径部、前記第二のチャンネルは、ガラス系材料または樹脂系材料からなる基板に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１１】
前記第一のチャンネルおよび前記第一の縮径部と、前記第二の縮径部および前記第二のチャンネルとが、それぞれ複数組形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の気体搬送ポンプ。
【請求項１２】
気体中に含まれる質量を有した物質を検出する検出部と、
前記検出部に前記気体を送り込むポンプ部とを備え、
前記ポンプ部は、外部から前記検出部に前記気体を送り込むための流路が形成されたポンプ本体と、
前記流路内で前記気体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記体積変化発生部により前記気体に体積変化が生じたとき、前記流路内で前記検出部から離れる方向に前記気体が移動するのを阻止する逆流防止部と、
を備えることを特徴とする検出センサ。
【請求項１３】
前記ポンプ本体はチャンバー部を有し、前記体積変化発生部は前記チャンバー部内で前記気体に体積変化を生じさせ、
前記逆流防止部として、前記気体の移動方向に向けて前記流路の内径が漸次縮小する縮径部が、前記チャンバー部の前後にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の検出センサ。
【請求項１４】
前記体積変化発生部は、前記流路内で前記気体の温度を変化させることで体積変化を生じさせることを特徴とする請求項１２または１３に記載の検出センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２３９７０（Ｐ２００７−２３９７０Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１０３５１（Ｐ２００５−２１０３５１）
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【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１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２０日（２００５．７．２０）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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