JP2001322099A - マイクロポンプ - Google Patents
マイクロポンプInfo
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B43/04—Pumps having electric drive
- F04B43/043—Micropumps
- F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な構成で微少量の液体を正逆両方向に高
精度に搬送すること。 【解決手段】 マイクロポンプ１００は、流路抵抗が差
圧に応じて変化する第１流路１１５と、差圧の変化に対
する流路抵抗の変化の割合が第１流路１１５よりも小さ
い第２流路１１７と、第１流路１１５および第２流路１
１７に接続された加圧室１０９と、加圧室１０９の内部
の圧力を変化させるための圧電素子１０７とを備える。
加圧室１０９の内部の圧力を圧電素子１０７で変化させ
ることにより、第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１
１７の流路抵抗との比を異ならせることができる。
精度に搬送すること。 【解決手段】 マイクロポンプ１００は、流路抵抗が差
圧に応じて変化する第１流路１１５と、差圧の変化に対
する流路抵抗の変化の割合が第１流路１１５よりも小さ
い第２流路１１７と、第１流路１１５および第２流路１
１７に接続された加圧室１０９と、加圧室１０９の内部
の圧力を変化させるための圧電素子１０７とを備える。
加圧室１０９の内部の圧力を圧電素子１０７で変化させ
ることにより、第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１
１７の流路抵抗との比を異ならせることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はマイクロポンプに
関し、特に、微少量の液体を高精度に送るためのマイク
ロポンプに関する。
関し、特に、微少量の液体を高精度に送るためのマイク
ロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、微少量の液体を搬送するためのマ
イクロポンプの主な方式としては、逆止弁を用いる機械
的な第１の方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向
により流路抵抗が異なるノズルを用いた第２の方式とに
大別することができる。第１の方式として、特開平１１
−２５７２３３号公報には、ダイアフラムを稼動させる
ことでポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆
止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載
されている。また、特開平１０−２９９６５９号公報に
は、圧力室に連通するノズル部に可動バルブを設け、圧
電素子を用いて可動バルブを開閉させて液体の流れの方
向性を持たせるマイクロポンプが記載されている。
イクロポンプの主な方式としては、逆止弁を用いる機械
的な第１の方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向
により流路抵抗が異なるノズルを用いた第２の方式とに
大別することができる。第１の方式として、特開平１１
−２５７２３３号公報には、ダイアフラムを稼動させる
ことでポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆
止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載
されている。また、特開平１０−２９９６５９号公報に
は、圧力室に連通するノズル部に可動バルブを設け、圧
電素子を用いて可動バルブを開閉させて液体の流れの方
向性を持たせるマイクロポンプが記載されている。
【０００３】第２の方式として、特開平１０−１１０６
８１号公報には、加圧室に連通するノズル部に突起物を
設け、流れの方向により流路抵抗が異なるマイクロポン
プが記載されている。このマイクロポンプによれば、所
望の流れの方向とは逆方向への流れを起こりにくくする
ことができ、所望の１方向に液体を搬送することができ
る。
８１号公報には、加圧室に連通するノズル部に突起物を
設け、流れの方向により流路抵抗が異なるマイクロポン
プが記載されている。このマイクロポンプによれば、所
望の流れの方向とは逆方向への流れを起こりにくくする
ことができ、所望の１方向に液体を搬送することができ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
方式におけるマイクロポンプは、逆止弁または可動バル
ブを設けるので、構造が複雑で、機械的に劣化しやすい
という問題がある。また、特開平１０−２９９６５９号
公報に記載のマイクロポンプは、可動バルブを開閉させ
るための圧電素子と、圧力室の圧力を変化させるための
圧電素子との少なくとも３つの圧電素子が必要であ。さ
らに、これらの圧電素子を別個に駆動するための駆動回
路が複雑になってしまうという問題がある。
方式におけるマイクロポンプは、逆止弁または可動バル
ブを設けるので、構造が複雑で、機械的に劣化しやすい
という問題がある。また、特開平１０−２９９６５９号
公報に記載のマイクロポンプは、可動バルブを開閉させ
るための圧電素子と、圧力室の圧力を変化させるための
圧電素子との少なくとも３つの圧電素子が必要であ。さ
らに、これらの圧電素子を別個に駆動するための駆動回
路が複雑になってしまうという問題がある。
【０００５】第２の方式におけるマイクロポンプは、１
方向にしか液体を搬送することができないという問題が
ある。
方向にしか液体を搬送することができないという問題が
ある。
【０００６】この発明は上述の問題点を解決するために
なされたもので、この発明の目的の１つは、簡単な構成
で微少量の液体を正逆両方向に高精度に搬送することが
可能なマイクロポンプを提供することである。
なされたもので、この発明の目的の１つは、簡単な構成
で微少量の液体を正逆両方向に高精度に搬送することが
可能なマイクロポンプを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めにこの発明のある局面によれば、マイクロポンプは、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路と、差圧の変
化に対する流路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さ
い第２流路と、第１流路および第２流路に接続された加
圧室と、加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチ
ュエータとを備える。
めにこの発明のある局面によれば、マイクロポンプは、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路と、差圧の変
化に対する流路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さ
い第２流路と、第１流路および第２流路に接続された加
圧室と、加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチ
ュエータとを備える。
【０００８】この発明に従えば、第１流路は流路抵抗が
差圧に応じて変化し、第２流路は差圧の変化に対する流
路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さいので、差圧
が大きいときと小さいときとで第１流路の流路抵抗と第
２流路の流路抵抗との比が異なる。アクチュエータによ
り第１流路および第２流路に接続された加圧室の内部の
圧力を変化させるので、第１流路の流路抵抗と第２流路
の流路抵抗との比を異ならせることができる。このた
め、簡単な構成で微少量の液体を正逆両方向に高精度に
搬送することが可能なマイクロポンプを提供することが
できる。
差圧に応じて変化し、第２流路は差圧の変化に対する流
路抵抗の変化の割合が第１流路よりも小さいので、差圧
が大きいときと小さいときとで第１流路の流路抵抗と第
２流路の流路抵抗との比が異なる。アクチュエータによ
り第１流路および第２流路に接続された加圧室の内部の
圧力を変化させるので、第１流路の流路抵抗と第２流路
の流路抵抗との比を異ならせることができる。このた
め、簡単な構成で微少量の液体を正逆両方向に高精度に
搬送することが可能なマイクロポンプを提供することが
できる。
【０００９】好ましくは、マイクロポンプの第１流路と
第２流路それぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路
の流路長の断面積に対する割合が、第２流路の流路長の
断面積に対する割合よりも大きいことを特徴とする。
第２流路それぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路
の流路長の断面積に対する割合が、第２流路の流路長の
断面積に対する割合よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】この発明に従えば、第１流路と第２流路そ
れぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路の流路長の
断面積に対する割合が、第２流路の流路長の断面積に対
する割合よりも大きいので、第１流路の差圧の変化に対
する流路抵抗の変化の割合が第２流路よりも大きくな
る。このため、差圧が大きいときと小さいときとで、第
１流路の流路抵抗と第２流路の流路抵抗との比を異なら
せることができる。
れぞれは、一様な断面形状を有し、第１流路の流路長の
断面積に対する割合が、第２流路の流路長の断面積に対
する割合よりも大きいので、第１流路の差圧の変化に対
する流路抵抗の変化の割合が第２流路よりも大きくな
る。このため、差圧が大きいときと小さいときとで、第
１流路の流路抵抗と第２流路の流路抵抗との比を異なら
せることができる。
【００１１】好ましくは、マイクロポンプの第１流路
は、断面積が急激に変化する形状、中心線が直線でない
形状、または、流路に障害物を有する形状のいずれかで
あることを特徴とする。
は、断面積が急激に変化する形状、中心線が直線でない
形状、または、流路に障害物を有する形状のいずれかで
あることを特徴とする。
【００１２】この発明に従えば、第１流路は、断面積が
急激に変化する形状、中心線が直線でない形状、また
は、流路に障害物を有する形状のいずれかなので、第１
流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合を第２
流路よりも大きくすることができる。
急激に変化する形状、中心線が直線でない形状、また
は、流路に障害物を有する形状のいずれかなので、第１
流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合を第２
流路よりも大きくすることができる。
【００１３】好ましくは、マイクロポンプは、加圧室の
体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰
返して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動
手段をさらに備え、繰返しは、加圧室の体積を増加させ
る時間と減少させる時間とが相反することを特徴とす
る。
体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰
返して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動
手段をさらに備え、繰返しは、加圧室の体積を増加させ
る時間と減少させる時間とが相反することを特徴とす
る。
【００１４】この発明に従えば、駆動手段により加圧室
の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で
繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動され
る。その繰返しにおいて加圧室の体積を増加させる時間
と減少させる時間とが相反するので、体積を増加させる
ときと減少させるときとで差圧を異ならせることができ
る。その結果、アクチュエータの構成を簡単にすること
ができる。
の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で
繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動され
る。その繰返しにおいて加圧室の体積を増加させる時間
と減少させる時間とが相反するので、体積を増加させる
ときと減少させるときとで差圧を異ならせることができ
る。その結果、アクチュエータの構成を簡単にすること
ができる。
【００１５】好ましくはマイクロポンプの駆動手段は、
加圧室の体積を増加させる時間が相反する第１の繰返し
と第２の繰返しで駆動可能であることを特徴とする。
加圧室の体積を増加させる時間が相反する第１の繰返し
と第２の繰返しで駆動可能であることを特徴とする。
【００１６】この発明に従えば、第１の繰返しと第２の
繰返しとで、加圧室の体積を増加させる時間が相反する
ので、第１の繰返しと第２の繰返しとで液体を搬送する
方向を異ならせることができる。
繰返しとで、加圧室の体積を増加させる時間が相反する
ので、第１の繰返しと第２の繰返しとで液体を搬送する
方向を異ならせることができる。
【００１７】好ましくはマイクロポンプは、加圧室の体
積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返
して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動手
段をさらに備え、第１流路は、第１の方向の流路抵抗が
第１の方向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大き
く、駆動手段は、体積を増加させる時間と減少させる時
間とが同じ第１の繰り返しと増加させる時間と減少させ
る時間とが異なる第２の繰り返しで駆動可能であること
を特徴とする。
積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で繰返
して変化させるためにアクチュエータを駆動する駆動手
段をさらに備え、第１流路は、第１の方向の流路抵抗が
第１の方向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大き
く、駆動手段は、体積を増加させる時間と減少させる時
間とが同じ第１の繰り返しと増加させる時間と減少させ
る時間とが異なる第２の繰り返しで駆動可能であること
を特徴とする。
【００１８】この発明に従えば、駆動手段により加圧室
の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で
繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動され
る。第１流路は、第１の方向の流路抵抗が第１の方向と
は逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きいので、体積を
増加させる時間と減少させる時間とが同じ第１の繰返し
では、第２の方向で液体が搬送され、体積を増加させる
時間と減少させる時間とが異なる第２の繰返しでは、第
１の方向で液体が搬送される。このため、液体を正逆両
方向により効率的に搬送することができる。
の体積を第１の体積と第２の体積との間で所定の間隔で
繰返して変化させるためにアクチュエータが駆動され
る。第１流路は、第１の方向の流路抵抗が第１の方向と
は逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きいので、体積を
増加させる時間と減少させる時間とが同じ第１の繰返し
では、第２の方向で液体が搬送され、体積を増加させる
時間と減少させる時間とが異なる第２の繰返しでは、第
１の方向で液体が搬送される。このため、液体を正逆両
方向により効率的に搬送することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、図中同一符号は同一または
相当する部材を示し、説明は繰返さない。
を参照して説明する。なお、図中同一符号は同一または
相当する部材を示し、説明は繰返さない。
【００２０】図１は、本発明の実施の形態の１つにおけ
るマイクロポンプの部分的な断面図である。図２は、本
発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分
的な平面図である。図１および図２を参照して、マイク
ロポンプ１００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
とが形成された基板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
側に積層された圧電素子１０７と、圧電素子１０７を駆
動するための駆動部１２０とを含む。
るマイクロポンプの部分的な断面図である。図２は、本
発明の実施の形態の１つにおけるマイクロポンプの部分
的な平面図である。図１および図２を参照して、マイク
ロポンプ１００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
とが形成された基板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
側に積層された圧電素子１０７と、圧電素子１０７を駆
動するための駆動部１２０とを含む。
【００２１】基板１０１は、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。本実施の形態においては、第
１流路１１５はその幅を２５［μｍ］、長さを２０［μ
ｍ］としている。また、第２流路１１７は、その幅を２
５［μｍ］、長さを１５０［μｍ］としている。したが
って、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。
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。本実施の形態においては、第
１流路１１５はその幅を２５［μｍ］、長さを２０［μ
ｍ］としている。また、第２流路１１７は、その幅を２
５［μｍ］、長さを１５０［μｍ］としている。したが
って、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。
【００２２】なお、第１流路１１５および第２流路１１
７は、基板１０１をエッチング溝加工することによりス
リット形状に形成されるものに限られるわけではなく、
板材に対してドリル、プレス、レーザ加工等により穴あ
け加工をして形成するようにしてもよい。
７は、基板１０１をエッチング溝加工することによりス
リット形状に形成されるものに限られるわけではなく、
板材に対してドリル、プレス、レーザ加工等により穴あ
け加工をして形成するようにしてもよい。
【００２３】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。
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。
【００２４】振動板１０５は、厚さ５０［μｍ］の薄板
ガラスである。圧電素子１０７は、圧電性セラミックス
であり、本実施の形態においては厚さ５０［μｍ］のチ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを用いた。
圧電素子１０７と振動板１０５とは接着剤等で貼り合わ
せられている。
ガラスである。圧電素子１０７は、圧電性セラミックス
であり、本実施の形態においては厚さ５０［μｍ］のチ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを用いた。
圧電素子１０７と振動板１０５とは接着剤等で貼り合わ
せられている。
【００２５】駆動部１２０は、圧電素子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。
圧電素子１０７に駆動部１２０から駆動電圧が印加され
ることにより、振動板１０５と圧電素子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。
圧を印加するために、所定の波形の電圧を発生させる。
圧電素子１０７に駆動部１２０から駆動電圧が印加され
ることにより、振動板１０５と圧電素子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。
【００２６】本実施の形態におけるマイクロポンプ１０
０では、圧電素子１０７に３０［Ｖ］の電圧が印加され
ると、圧電素子１０７の変形は、変位量が８０［ｎ
ｍ］、発生圧力が０．４［ＭＰａ］である。
０では、圧電素子１０７に３０［Ｖ］の電圧が印加され
ると、圧電素子１０７の変形は、変位量が８０［ｎ
ｍ］、発生圧力が０．４［ＭＰａ］である。
【００２７】図３は、本実施の形態におけるマイクロポ
ンプの第１流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵
抗との関係を示す図である。図３（Ａ）は第１流路の場
合を示し、図３（Ｂ）は第２流路の場合を示す。ここ
で、流路抵抗とは、液体が流路を流れるときの圧力損失
の係数に相当し、単位時間に流れる流体体積を流量Ｑ、
液体が流路を流れることによる圧力損失をΔＰとしたと
き、流路抵抗Ｒ［Ｎ・ｓ／ｍ5］は、Ｒ＝ΔＰ／Ｑで求
められる。ただし、Ｎは力（Newton）、ｓは時間（seco
nd）である。図３に示した値は、液体に水を用いて、第
１流路および第２流路について所定の圧力で液体を流
し、そのときの流速から流路抵抗の圧力依存を求めるこ
とにより、測定した値である。
ンプの第１流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵
抗との関係を示す図である。図３（Ａ）は第１流路の場
合を示し、図３（Ｂ）は第２流路の場合を示す。ここ
で、流路抵抗とは、液体が流路を流れるときの圧力損失
の係数に相当し、単位時間に流れる流体体積を流量Ｑ、
液体が流路を流れることによる圧力損失をΔＰとしたと
き、流路抵抗Ｒ［Ｎ・ｓ／ｍ5］は、Ｒ＝ΔＰ／Ｑで求
められる。ただし、Ｎは力（Newton）、ｓは時間（seco
nd）である。図３に示した値は、液体に水を用いて、第
１流路および第２流路について所定の圧力で液体を流
し、そのときの流速から流路抵抗の圧力依存を求めるこ
とにより、測定した値である。
【００２８】図３を参照して、第１流路１１５は、流路
抵抗の圧力依存が大きいのに対し、第２流路１１７は流
路抵抗の圧力依存が小さいことがわかる。この流路抵抗
の圧力依存の違いにより次のことが導き出される。すな
わち、差圧が大きいときには、換言すれば加圧室の容積
の変化率の絶対値が大きいときには、第１流路は第２流
路に比べて液体を通しにくくなり、差圧が小さいとき、
換言すれば加圧室１０９の容積変化率の絶対値が小さい
ときには、第１流路は第２流路に比べて液体が流れやす
い。したがって、加圧室１０９の容積変化率の絶対値が
大きなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に
第１流路１１５を通り、また、加圧室の容積変化率が小
さなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に第
２流路１１７を通ることになる。
抵抗の圧力依存が大きいのに対し、第２流路１１７は流
路抵抗の圧力依存が小さいことがわかる。この流路抵抗
の圧力依存の違いにより次のことが導き出される。すな
わち、差圧が大きいときには、換言すれば加圧室の容積
の変化率の絶対値が大きいときには、第１流路は第２流
路に比べて液体を通しにくくなり、差圧が小さいとき、
換言すれば加圧室１０９の容積変化率の絶対値が小さい
ときには、第１流路は第２流路に比べて液体が流れやす
い。したがって、加圧室１０９の容積変化率の絶対値が
大きなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に
第１流路１１５を通り、また、加圧室の容積変化率が小
さなときには加圧室１０９の容積変化分の液体は主に第
２流路１１７を通ることになる。
【００２９】次に、圧電素子１０７に印加される電圧の
波形について説明する。圧電素子１０７に印加される電
圧は、駆動部１２０で発生される。本実施の形態におけ
るマイクロポンプ１００では、加圧室１０９の加圧時と
減圧時とで圧力の絶対値に差が生じることが必要とな
る。図４は、圧電素子１０７に印加する第１の電圧波形
と流体の挙動を示す図である。図４（Ａ）は、圧電素子
１０７に印加する第１の電圧波形を示す。図４（Ａ）を
参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波形は、立
上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２よりも長い。
圧電素子１０７に印加される電圧が上昇すると、圧電素
子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。逆に、
圧電素子１０７に印加される電圧が減少すると、圧電素
子の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。したがって、図４（Ａ）に示す波形
の電圧が圧電素子１０７に印加されると、加圧室１０９
の容積変化率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２より
も小さくなる。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１
の方が期間ｔ２よりも液体を流れやすくし、第２流路１
１７は期間ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほと
んど変わらない。
波形について説明する。圧電素子１０７に印加される電
圧は、駆動部１２０で発生される。本実施の形態におけ
るマイクロポンプ１００では、加圧室１０９の加圧時と
減圧時とで圧力の絶対値に差が生じることが必要とな
る。図４は、圧電素子１０７に印加する第１の電圧波形
と流体の挙動を示す図である。図４（Ａ）は、圧電素子
１０７に印加する第１の電圧波形を示す。図４（Ａ）を
参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波形は、立
上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２よりも長い。
圧電素子１０７に印加される電圧が上昇すると、圧電素
子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。逆に、
圧電素子１０７に印加される電圧が減少すると、圧電素
子の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。したがって、図４（Ａ）に示す波形
の電圧が圧電素子１０７に印加されると、加圧室１０９
の容積変化率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２より
も小さくなる。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１
の方が期間ｔ２よりも液体を流れやすくし、第２流路１
１７は期間ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほと
んど変わらない。
【００３０】図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示す波形の電圧
が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動
を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示
している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示
している。図４（Ｂ）を参照して、液体はマクロには正
方向、換言すれば図１の左側から右側に向かう方向に流
れる。
が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動
を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示
している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示
している。図４（Ｂ）を参照して、液体はマクロには正
方向、換言すれば図１の左側から右側に向かう方向に流
れる。
【００３１】図５は、圧電素子１０７に印加する第２の
電圧波形と流体の挙動を示す図である。図５（Ａ）は、
圧電素子１０７に印加する第２の電圧波形を示す。図５
（Ａ）を参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波
形は、立上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２より
も短い。したがって、図５（Ａ）に示す波形の電圧が圧
電素子１０７に印加されると、加圧室１０９の容積変化
率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも大きくな
る。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１の方が期間
ｔ２よりも液体を流れにくくし、第２流路１１７は期間
ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほとんど変わら
ない。
電圧波形と流体の挙動を示す図である。図５（Ａ）は、
圧電素子１０７に印加する第２の電圧波形を示す。図５
（Ａ）を参照して、圧電素子１０７に印加される電圧波
形は、立上がりの期間ｔ１が、立下がりの期間ｔ２より
も短い。したがって、図５（Ａ）に示す波形の電圧が圧
電素子１０７に印加されると、加圧室１０９の容積変化
率の絶対値は、期間ｔ１の方が期間ｔ２よりも大きくな
る。このため、第１流路１１５は、期間ｔ１の方が期間
ｔ２よりも液体を流れにくくし、第２流路１１７は期間
ｔ１と期間ｔ２とで液体の流れやすさはほとんど変わら
ない。
【００３２】図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示す波形の電圧
が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動
を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示
している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示
している。図５（Ｂ）を参照して、液体はマクロには負
方向、換言すれば図１の右側から左側に向かう方向に流
れる。
が圧電素子１０７に印加された場合における流体の挙動
を示す図である。横軸に時間を、縦軸に流体の位置を示
している。流体の位置は、図１の右側を正方向として示
している。図５（Ｂ）を参照して、液体はマクロには負
方向、換言すれば図１の右側から左側に向かう方向に流
れる。
【００３３】液体のマクロな流れは、液送り量の効率で
表わすことができる。液送り量の効率は、差圧が高圧時
における第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１１７の
流路抵抗との比と、差圧が低圧時における第１流路１１
５の流路抵抗と第２流路１１７の流路抵抗の比とによっ
て定まる。差圧が低圧時における第２流路１１７に対す
る第１流路１１５の流路抵抗比をＫｌとし、高圧時にお
ける第２流路１１７に対する第１流路１１５の流路抵抗
比をＫｈとすると、液送り量の効率αは次式（１）で表
わされる。
表わすことができる。液送り量の効率は、差圧が高圧時
における第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１１７の
流路抵抗との比と、差圧が低圧時における第１流路１１
５の流路抵抗と第２流路１１７の流路抵抗の比とによっ
て定まる。差圧が低圧時における第２流路１１７に対す
る第１流路１１５の流路抵抗比をＫｌとし、高圧時にお
ける第２流路１１７に対する第１流路１１５の流路抵抗
比をＫｈとすると、液送り量の効率αは次式（１）で表
わされる。
【００３４】 α＝（１／（１＋Ｋｌ））−（１／（１＋Ｋｈ）） … （式１） 本実施の形態におけるマイクロポンプ１００では、低圧
時の差圧を１０［ｋＰａ］とし、高圧時の差圧を１００
［ｋＰａ］である。このとき、低圧時の流路抵抗比Ｋｌ
≒０．５６、高圧時の流路抵抗比Ｋｈ≒１．１７とな
る。（１）式を用いて、液送り量効率αは、正方向およ
び負方向ともに約１８％となる。
時の差圧を１０［ｋＰａ］とし、高圧時の差圧を１００
［ｋＰａ］である。このとき、低圧時の流路抵抗比Ｋｌ
≒０．５６、高圧時の流路抵抗比Ｋｈ≒１．１７とな
る。（１）式を用いて、液送り量効率αは、正方向およ
び負方向ともに約１８％となる。
【００３５】（１）式からわかるように、液送り量効率
αを向上させるためには、Ｋｌができる限り小さく、Ｋ
ｈができる限り大きくなることが望ましい。このために
は、一方の流路は差圧による流路抵抗の変化ができる限
り小さい方がよく（層流的挙動）、他方の流路は圧力に
よる流路抵抗の変化ができる限り大きい方がよい（乱流
的挙動）。さらに、低圧時と高圧時とで第１流路および
第２流路の流路抵抗の値が逆転するのが好ましい。
αを向上させるためには、Ｋｌができる限り小さく、Ｋ
ｈができる限り大きくなることが望ましい。このために
は、一方の流路は差圧による流路抵抗の変化ができる限
り小さい方がよく（層流的挙動）、他方の流路は圧力に
よる流路抵抗の変化ができる限り大きい方がよい（乱流
的挙動）。さらに、低圧時と高圧時とで第１流路および
第２流路の流路抵抗の値が逆転するのが好ましい。
【００３６】さらに、変化させる差圧の領域を、全体的
に高圧方向にシフトする方が液送り量効率を高めるため
には好ましい。具体的には、低圧時の圧力を１［ｋＰ
ａ］、高圧時の圧力を１０［ｋＰａ］とするよりも、低
圧時の圧力を１０［ｋＰａ］、高圧時の圧力を１００
［ｋＰａ］とする方がよい。
に高圧方向にシフトする方が液送り量効率を高めるため
には好ましい。具体的には、低圧時の圧力を１［ｋＰ
ａ］、高圧時の圧力を１０［ｋＰａ］とするよりも、低
圧時の圧力を１０［ｋＰａ］、高圧時の圧力を１００
［ｋＰａ］とする方がよい。
【００３７】［駆動電圧の変形例］圧電素子１０７に印
加される電圧の立上がりに要する時間と、電圧の立下が
りに要する時間とを異ならせるために、最も典型的に
は、図４（Ａ）または図５（Ａ）に示した波形を用いる
ことができる。ただし、時間軸に対して立上がりと立下
がりとが対称でない波形であれば、これに限られるもの
ではない。
加される電圧の立上がりに要する時間と、電圧の立下が
りに要する時間とを異ならせるために、最も典型的に
は、図４（Ａ）または図５（Ａ）に示した波形を用いる
ことができる。ただし、時間軸に対して立上がりと立下
がりとが対称でない波形であれば、これに限られるもの
ではない。
【００３８】図６は、本実施の形態におけるマイクロポ
ンプ１００の駆動部１２０が圧電素子１０７に印加する
電圧の波形の変形例を示す図である。図６を参照して、
図６（Ａ）は、液体を正方向に搬送する場合の波形を示
し、図６（Ｂ）は液体を負方向に搬送する場合の波形を
示す。図６を参照して、期間ｔ１と期間ｔ２との間に、
電圧が変化しない期間ｔ３が含まれる。液体を正方向に
搬送する場合には、期間ｔ１が期間ｔ２よりも長くな
り、液体を負方向に搬送する場合には、期間ｔ１が期間
ｔ２よりも短くなる。期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧
が変化しない期間ｔ３が加わった以外については、図４
（Ａ）および図５（Ａ）に示した電圧の波形と同じであ
る。期間ｔ３では、電圧が変化しないから、加圧室１０
９の容積に変化はなく、第１流路１１５と第２流路１１
７の差圧はそれぞれほぼゼロになる。図６に示した波形
の電圧を圧電素子１０７に印加することにより、液体を
正方向と負方向とに搬送することができる。
ンプ１００の駆動部１２０が圧電素子１０７に印加する
電圧の波形の変形例を示す図である。図６を参照して、
図６（Ａ）は、液体を正方向に搬送する場合の波形を示
し、図６（Ｂ）は液体を負方向に搬送する場合の波形を
示す。図６を参照して、期間ｔ１と期間ｔ２との間に、
電圧が変化しない期間ｔ３が含まれる。液体を正方向に
搬送する場合には、期間ｔ１が期間ｔ２よりも長くな
り、液体を負方向に搬送する場合には、期間ｔ１が期間
ｔ２よりも短くなる。期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧
が変化しない期間ｔ３が加わった以外については、図４
（Ａ）および図５（Ａ）に示した電圧の波形と同じであ
る。期間ｔ３では、電圧が変化しないから、加圧室１０
９の容積に変化はなく、第１流路１１５と第２流路１１
７の差圧はそれぞれほぼゼロになる。図６に示した波形
の電圧を圧電素子１０７に印加することにより、液体を
正方向と負方向とに搬送することができる。
【００３９】次に、第１流路１１５と第２流路１１７の
形状について説明する。第２流路１１７は、層流で境界
層の発達した流れを生じさせる形状である必要がある。
このため、レイノルズ数Ｒｅが低く、かつ、流路幅に対
する流路長の比が大きい方が望ましい。ここで、レイノ
ルズ数Ｒｅは、流体力学では一般的な指標となる値であ
る。レイノルズ数が大きいほど乱流域に近づく値を示す
ものである。流体の密度をρ、粘度をη、流速をｖ、流
路の断面を正方形とした場合に一辺の長さをｄとする
と、Ｒｅ＝ρｖｄ／ηで求められる。
形状について説明する。第２流路１１７は、層流で境界
層の発達した流れを生じさせる形状である必要がある。
このため、レイノルズ数Ｒｅが低く、かつ、流路幅に対
する流路長の比が大きい方が望ましい。ここで、レイノ
ルズ数Ｒｅは、流体力学では一般的な指標となる値であ
る。レイノルズ数が大きいほど乱流域に近づく値を示す
ものである。流体の密度をρ、粘度をη、流速をｖ、流
路の断面を正方形とした場合に一辺の長さをｄとする
と、Ｒｅ＝ρｖｄ／ηで求められる。
【００４０】レイノルズ数は、流路の断面形状により異
なるが、流路が円環状の場合の理論は一般的に知られて
おり、たとえば「水力学」（森北出版）ｐｐ．９５−９
６に記されている。それによると、直径をｄ、長さをＬ
とする円環では、流れが層流（Ｒｅ＜２３２０）の場
合、Ｌ＞ｋ×Ｒｅ×ｄが望まれる。ここで、定数ｋは、
ニクラゼ（Nikuradse）の実験によると、ｋ＝０．０６
５、ラングハール（Langharr）の理論によるとｋ＝０．
０５８である。
なるが、流路が円環状の場合の理論は一般的に知られて
おり、たとえば「水力学」（森北出版）ｐｐ．９５−９
６に記されている。それによると、直径をｄ、長さをＬ
とする円環では、流れが層流（Ｒｅ＜２３２０）の場
合、Ｌ＞ｋ×Ｒｅ×ｄが望まれる。ここで、定数ｋは、
ニクラゼ（Nikuradse）の実験によると、ｋ＝０．０６
５、ラングハール（Langharr）の理論によるとｋ＝０．
０５８である。
【００４１】基本的には、流れの方向に垂直な断面形状
が一定で、長さの長い流路が好ましいが、境界層の発達
した流れを起こすものであれば、これに限られるもので
はない。また、多少境界層の発達が不十分であっても、
第１流路１１５と比較してより境界層の発達度合いが高
い層流であればよい。
が一定で、長さの長い流路が好ましいが、境界層の発達
した流れを起こすものであれば、これに限られるもので
はない。また、多少境界層の発達が不十分であっても、
第１流路１１５と比較してより境界層の発達度合いが高
い層流であればよい。
【００４２】一方、第１流路１１５は、乱流あるいは渦
が発生しやすい形状、もしくは境界層の形成が不十分な
領域を含む形状である必要がある。第１流路１１５は、
差圧が大きくなるほど、流路抵抗Ｒの値が増加する形状
であり、以下にこの形状の例を示す。なお、差圧とは、
流路の両端における圧力の差をいう。
が発生しやすい形状、もしくは境界層の形成が不十分な
領域を含む形状である必要がある。第１流路１１５は、
差圧が大きくなるほど、流路抵抗Ｒの値が増加する形状
であり、以下にこの形状の例を示す。なお、差圧とは、
流路の両端における圧力の差をいう。
【００４３】第１流路１１５の形状の条件は、以下のと
おりである。 （１） レイノルズ数Ｒｅが高い 形状により最適な値は異なるが、円環状の場合は、少な
くとも流速のピーク時にＲｅ＞２３２０となる（乱流に
なる）形状。
おりである。 （１） レイノルズ数Ｒｅが高い 形状により最適な値は異なるが、円環状の場合は、少な
くとも流速のピーク時にＲｅ＞２３２０となる（乱流に
なる）形状。
【００４４】（２） 流路の幅ｄに対して流路長さＬの
比が比較的小さい形状 形状によりその適切な値は異なるが、円環状の場合、少
なくとも流速のピーク時にＬ＜０．０６５×Ｒｅ×ｄと
なる形状。
比が比較的小さい形状 形状によりその適切な値は異なるが、円環状の場合、少
なくとも流速のピーク時にＬ＜０．０６５×Ｒｅ×ｄと
なる形状。
【００４５】図７は、第１流路１１５の形状の第１の具
体例を示す図である。図７を参照して、第１流路１１５
の断面形状を正方形とした場合の一辺の長さをｄとし、
第１流路１１５の長さをＬとした場合に、Ｌ／ｄが比較
的小さいことが条件となる。第１流路１１５の断面形状
を円とした場合には、直径ｄと流路長さＬの比が小さく
なることが条件となる。特に、流速のピーク時にＬ／ｄ
＜０．０６５×Ｒｅとなることが条件となる。
体例を示す図である。図７を参照して、第１流路１１５
の断面形状を正方形とした場合の一辺の長さをｄとし、
第１流路１１５の長さをＬとした場合に、Ｌ／ｄが比較
的小さいことが条件となる。第１流路１１５の断面形状
を円とした場合には、直径ｄと流路長さＬの比が小さく
なることが条件となる。特に、流速のピーク時にＬ／ｄ
＜０．０６５×Ｒｅとなることが条件となる。
【００４６】図８は、第１流路の形状の第２の具体例を
示す図である。図８を参照して、第１流路１１５Ａの幅
は、加圧室１０９側から第１液室１１１に向かって徐々
に大きくなる形状となっている。このような場合におい
ても、第１流路１１５Ａの形状は、上記（２）の条件を
満たす形状とすることができる。
示す図である。図８を参照して、第１流路１１５Ａの幅
は、加圧室１０９側から第１液室１１１に向かって徐々
に大きくなる形状となっている。このような場合におい
ても、第１流路１１５Ａの形状は、上記（２）の条件を
満たす形状とすることができる。
【００４７】図９は、第１流路の形状の第３の具体例を
示す図である。図９を参照して、第１流路１１５Ｂは、
断面積が２段階に変化し、面積の変化が急激な形状とな
っている。第１流路１１５Ｂの断面形状は、円であって
も矩形であってもよい。
示す図である。図９を参照して、第１流路１１５Ｂは、
断面積が２段階に変化し、面積の変化が急激な形状とな
っている。第１流路１１５Ｂの断面形状は、円であって
も矩形であってもよい。
【００４８】図１０は、第１流路の形状の第４の具体例
を示す図である。第１流路１１５Ｃは、加圧室１０９と
第１液室１１１との間に設けられ、液体の流れる方向が
直線でなく、折れ曲がっている。
を示す図である。第１流路１１５Ｃは、加圧室１０９と
第１液室１１１との間に設けられ、液体の流れる方向が
直線でなく、折れ曲がっている。
【００４９】図１１は、第１流路の形状の第５の具体例
を示す図である。第１流路１１５Ｄは、そのほぼ中央に
障害物１３１を備えている。障害物１３１の液体が流れ
る方向に垂直な断面形状は、加圧室１０９側から第１液
室１１１に向かって小さくなる形状となっている。
を示す図である。第１流路１１５Ｄは、そのほぼ中央に
障害物１３１を備えている。障害物１３１の液体が流れ
る方向に垂直な断面形状は、加圧室１０９側から第１液
室１１１に向かって小さくなる形状となっている。
【００５０】図１２は、第１流路の形状の第６の具体例
を示す図である。図１２を参照して、加圧室１０９の第
１流路１１５Ｅ近傍に障害物１３１Ａが設けられてい
る。
を示す図である。図１２を参照して、加圧室１０９の第
１流路１１５Ｅ近傍に障害物１３１Ａが設けられてい
る。
【００５１】図１３は、第１流路の形状の第７の具体例
を示す図である。図１３を参照して、第１流路１１５Ｆ
は、加圧室１０９と第１液室１１１と同じ幅で、加圧室
１０９と第１液室１１１とを連結している。加圧室１０
９と第１液室１１１との間の第１流路１１５Ｆには、障
害物１３１Ｂが設けられている。障害物１３１Ｂは、加
圧室１０９から第１液室１１１に向かって断面積が小さ
くなる形状である。このように、第１流路１１５Ｆに障
害物１３１Ｂが設けられているので、第１流路１１５に
おける液体が通過可能な面積は、加圧室１０９の断面積
および第１液室１１１の断面積よりも小さくなってい
る。
を示す図である。図１３を参照して、第１流路１１５Ｆ
は、加圧室１０９と第１液室１１１と同じ幅で、加圧室
１０９と第１液室１１１とを連結している。加圧室１０
９と第１液室１１１との間の第１流路１１５Ｆには、障
害物１３１Ｂが設けられている。障害物１３１Ｂは、加
圧室１０９から第１液室１１１に向かって断面積が小さ
くなる形状である。このように、第１流路１１５Ｆに障
害物１３１Ｂが設けられているので、第１流路１１５に
おける液体が通過可能な面積は、加圧室１０９の断面積
および第１液室１１１の断面積よりも小さくなってい
る。
【００５２】［マイクロポンプの第１の変形例］次に、
上述したマイクロポンプ１００の変形例について説明す
る。変形されたマイクロポンプは、第１流路１１５に方
向性を持たせたものである。方向性とは、差圧の絶対値
が同じ条件で、加圧室１０９から第１液室１１１に液体
が流れる場合の流路抵抗と、第１液室１１１から加圧室
１０９に液体が流れる場合の流路抵抗とが異なることを
いう。このように、第１流路１１５に方向性を持たせる
ことにより、駆動部１２０から圧電素子１０７に正弦波
の電圧を印加した場合においても、液体を１方向に搬送
することができる。一般に、１方向に液体を搬送する場
合、振動板１０５が共振点で振動するように正弦波の電
圧を圧電素子１０７に印加して駆動するのが最も効率的
である。したがって、第１流路１１５に方向性を持たせ
て正弦波の電圧を圧電素子１０７に印加することによ
り、第１流路１１５の方向性に従った方向に液体を搬送
することができる。この場合には、正弦波の電圧が圧電
素子１０７に印加され、振動板１０５が共振点で振動す
るため、液体を効率的に搬送することができる。
上述したマイクロポンプ１００の変形例について説明す
る。変形されたマイクロポンプは、第１流路１１５に方
向性を持たせたものである。方向性とは、差圧の絶対値
が同じ条件で、加圧室１０９から第１液室１１１に液体
が流れる場合の流路抵抗と、第１液室１１１から加圧室
１０９に液体が流れる場合の流路抵抗とが異なることを
いう。このように、第１流路１１５に方向性を持たせる
ことにより、駆動部１２０から圧電素子１０７に正弦波
の電圧を印加した場合においても、液体を１方向に搬送
することができる。一般に、１方向に液体を搬送する場
合、振動板１０５が共振点で振動するように正弦波の電
圧を圧電素子１０７に印加して駆動するのが最も効率的
である。したがって、第１流路１１５に方向性を持たせ
て正弦波の電圧を圧電素子１０７に印加することによ
り、第１流路１１５の方向性に従った方向に液体を搬送
することができる。この場合には、正弦波の電圧が圧電
素子１０７に印加され、振動板１０５が共振点で振動す
るため、液体を効率的に搬送することができる。
【００５３】一方、圧電素子１０７に電圧の立上がりに
要する時間と立下がりに要する時間とが異なる電圧を印
加することにより、第１流路１１５の方向性に従った方
向とは逆の方向に液体を搬送することができる。これに
より、第１流路１１５の方向性に従った方向への液体の
搬送を効率よく行なうことができ、かつ、第１流路１１
５の方向性に従った方向とは逆の方向へも液体を搬送す
ることができるマイクロポンプとすることができる。
要する時間と立下がりに要する時間とが異なる電圧を印
加することにより、第１流路１１５の方向性に従った方
向とは逆の方向に液体を搬送することができる。これに
より、第１流路１１５の方向性に従った方向への液体の
搬送を効率よく行なうことができ、かつ、第１流路１１
５の方向性に従った方向とは逆の方向へも液体を搬送す
ることができるマイクロポンプとすることができる。
【００５４】図１４は、本実施の形態におけるマイクロ
ポンプの第１の変形例の平面図である。図１４を参照し
て、第１の変形例におけるマイクロポンプ１００は、第
１流路１３０の形状が、その幅が加圧室１０９から第１
液室１１１に向かって大きくなっている。このため、加
圧室１０９から第１液室１１１に液体が流れる場合の流
路抵抗が、第１液室１１１から加圧室１０９に液体が流
れる場合の流路抵抗よりも小さくなる。この結果、加圧
室１０９を加圧する時間と、減圧する時間とが同じ場合
には、液体がマクロには第２液室１１３から加圧室１０
９を通って第１液室１１１に向かう方向に流れる。
ポンプの第１の変形例の平面図である。図１４を参照し
て、第１の変形例におけるマイクロポンプ１００は、第
１流路１３０の形状が、その幅が加圧室１０９から第１
液室１１１に向かって大きくなっている。このため、加
圧室１０９から第１液室１１１に液体が流れる場合の流
路抵抗が、第１液室１１１から加圧室１０９に液体が流
れる場合の流路抵抗よりも小さくなる。この結果、加圧
室１０９を加圧する時間と、減圧する時間とが同じ場合
には、液体がマクロには第２液室１１３から加圧室１０
９を通って第１液室１１１に向かう方向に流れる。
【００５５】また、加圧室１０９を加圧する時間を減圧
する時間よりも短くすれば、液体はマクロには、第１液
室１１１から加圧室１０９を通って第２液室１１３へ向
かって流れることになる。
する時間よりも短くすれば、液体はマクロには、第１液
室１１１から加圧室１０９を通って第２液室１１３へ向
かって流れることになる。
【００５６】図１５は、本実施の形態におけるマイクロ
ポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子
１０７に印加する電圧の一例を示す図である。図１５
（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１１に向
かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１５（Ｂ）
は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方
向に搬送する場合の波形を示す。図１５（Ａ）に示す波
形は、正弦波である。この正弦波は、振動板１０５が共
振点で振動するように圧電素子１０７に印加される電圧
の波形である。その結果、この正弦波の電圧が圧電素子
１０７に印加されると、液体がマクロには、第１流路１
３０の方向性に従った方向、すなわち、第１液室１１１
から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。
ポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子
１０７に印加する電圧の一例を示す図である。図１５
（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１１に向
かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１５（Ｂ）
は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向かう方
向に搬送する場合の波形を示す。図１５（Ａ）に示す波
形は、正弦波である。この正弦波は、振動板１０５が共
振点で振動するように圧電素子１０７に印加される電圧
の波形である。その結果、この正弦波の電圧が圧電素子
１０７に印加されると、液体がマクロには、第１流路１
３０の方向性に従った方向、すなわち、第１液室１１１
から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。
【００５７】図１５（Ｂ）に示す波形は、電圧が増加す
る期間ｔ１が、電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。こ
のため、加圧室１０９の容積が減少する期間が増加する
期間よりも短い。その結果、加圧室１０９の容積が減少
するときの第１流路１１５の差圧が、加圧室１０９の容
積が増加するときの第１流路１１５の差圧よりも大きく
なる。その結果、この波形の電圧が圧電素子１０７に印
加されると、液体がマクロには、第１流路１３０の方向
性に従った方向と逆の方向、すなわち、第１液室１１１
から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。
る期間ｔ１が、電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。こ
のため、加圧室１０９の容積が減少する期間が増加する
期間よりも短い。その結果、加圧室１０９の容積が減少
するときの第１流路１１５の差圧が、加圧室１０９の容
積が増加するときの第１流路１１５の差圧よりも大きく
なる。その結果、この波形の電圧が圧電素子１０７に印
加されると、液体がマクロには、第１流路１３０の方向
性に従った方向と逆の方向、すなわち、第１液室１１１
から加圧室１０９に向かう方向に流れることになる。
【００５８】図１６は、本実施の形態におけるマイクロ
ポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子
１０７に印加する電圧の波形の別の例を示す図である。
図１６（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１
１に向かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１６
（Ｂ）は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向
かう方向に搬送する場合の波形を示す。図１６（Ａ）を
参照して、電圧の波形は矩形で表わされている。加圧室
１０９の容積が増加する期間と減少する期間とが同じと
なる。そして、第１流路１１５では、加圧室１０９の容
積が増加する場合と減少する場合とで第１流路１３０の
差圧の絶対値が同じになる。このため、第１流路１３０
の方向性に従った方向、すなわち、加圧室１０９から第
１液室１１１に向かう方向に液体が流れることになる。
ポンプ１００の第１の変形例の駆動部１２０が圧電素子
１０７に印加する電圧の波形の別の例を示す図である。
図１６（Ａ）は、液体を加圧室１０９から第１液室１１
１に向かう方向に搬送する場合の波形を示し、図１６
（Ｂ）は、液体を第１液室１１１から加圧室１０９に向
かう方向に搬送する場合の波形を示す。図１６（Ａ）を
参照して、電圧の波形は矩形で表わされている。加圧室
１０９の容積が増加する期間と減少する期間とが同じと
なる。そして、第１流路１１５では、加圧室１０９の容
積が増加する場合と減少する場合とで第１流路１３０の
差圧の絶対値が同じになる。このため、第１流路１３０
の方向性に従った方向、すなわち、加圧室１０９から第
１液室１１１に向かう方向に液体が流れることになる。
【００５９】図１６（Ｂ）を参照して、電圧が増加する
期間ｔ１が電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。また、
期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧が変化しない期間ｔ３
が含まれる。電圧が増加する期間ｔ１が電圧が減少する
期間ｔ２よりも短いため、加圧室１０９の容積が減少す
る期間ｔ１が増加する期間ｔ２よりも短くなる。その結
果、期間ｔ１における第１流路の差圧の絶対値が期間ｔ
２における第１流路１３０の差圧の絶対値よりも大きく
なる。このため、マクロでは、液体が第１流路１３０の
方向性に従った方向と逆の方向、すなわち、加圧室１０
９から第２液室１１３に向かう方向に搬送される ［マイクロポンプの第２の変形例］図１７は、本実施の
形態におけるマイクロポンプ１００の第２の変形例の平
面図である。第１流路と第２流路とを相対的に比較し
て、差圧に対する流路抵抗の変化率に違いが認められる
ならば、第１流路に加えて第２流路にも方向性を持たせ
ても問題ない。ただし、第１流路の差圧に対する流路抵
抗の変化率が第２流路の差圧に対する流路抵抗の変化率
よりも大きくなることが条件となる。第１流路および第
２流路の双方に同じ方向性を持たせることにより、圧電
素子１０７に正弦波を印加して駆動した場合に液体を搬
送する効率がさらに改善される。
期間ｔ１が電圧が減少する期間ｔ２よりも短い。また、
期間ｔ１と期間ｔ２との間に電圧が変化しない期間ｔ３
が含まれる。電圧が増加する期間ｔ１が電圧が減少する
期間ｔ２よりも短いため、加圧室１０９の容積が減少す
る期間ｔ１が増加する期間ｔ２よりも短くなる。その結
果、期間ｔ１における第１流路の差圧の絶対値が期間ｔ
２における第１流路１３０の差圧の絶対値よりも大きく
なる。このため、マクロでは、液体が第１流路１３０の
方向性に従った方向と逆の方向、すなわち、加圧室１０
９から第２液室１１３に向かう方向に搬送される ［マイクロポンプの第２の変形例］図１７は、本実施の
形態におけるマイクロポンプ１００の第２の変形例の平
面図である。第１流路と第２流路とを相対的に比較し
て、差圧に対する流路抵抗の変化率に違いが認められる
ならば、第１流路に加えて第２流路にも方向性を持たせ
ても問題ない。ただし、第１流路の差圧に対する流路抵
抗の変化率が第２流路の差圧に対する流路抵抗の変化率
よりも大きくなることが条件となる。第１流路および第
２流路の双方に同じ方向性を持たせることにより、圧電
素子１０７に正弦波を印加して駆動した場合に液体を搬
送する効率がさらに改善される。
【００６０】図１７を参照して、第２流路１３１は、そ
の形状が、第２液室１１３から加圧室１０９に向かって
幅が広くなる形状となっている。このため、液体が第２
液室１１３から加圧室１０９に流れるときの流路抵抗
が、加圧室１０９から第２液室１１３に流れるときの流
路抵抗よりも小さい。このため、加圧室１０９の容積を
減少する期間と増加する期間とが同じであれば、マクロ
では液体が第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に
従った方向、すなわち、第２液室１１３から加圧室１０
９に向かう方向に流れる。
の形状が、第２液室１１３から加圧室１０９に向かって
幅が広くなる形状となっている。このため、液体が第２
液室１１３から加圧室１０９に流れるときの流路抵抗
が、加圧室１０９から第２液室１１３に流れるときの流
路抵抗よりも小さい。このため、加圧室１０９の容積を
減少する期間と増加する期間とが同じであれば、マクロ
では液体が第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に
従った方向、すなわち、第２液室１１３から加圧室１０
９に向かう方向に流れる。
【００６１】一方、加圧室１０９の容積が減少する期間
を増加する期間よりも短くすれば、マクロでは液体が、
第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に従った方向
と逆の方向、すなわち、第１液室１１１から加圧室１０
９に向かう方向に流れる。
を増加する期間よりも短くすれば、マクロでは液体が、
第１流路１３０と第２流路１３１の方向性に従った方向
と逆の方向、すなわち、第１液室１１１から加圧室１０
９に向かう方向に流れる。
【００６２】図１８は、本実施の形態におけるマイクロ
ポンプ１００の第２の変形例の第１流路１３０および第
２流路１３１それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す
図である。図１８（Ａ）は第１流路１３０の場合を示
し、図１８（Ｂ）は第２流路１３１の場合を示す。図１
８を参照して、第１流路および第２流路ともに差圧が正
の場合の流路抵抗が、差圧が負の場合の流路抵抗よりも
小さくなっている。したがって、第１流路および第２流
路が方向性を有することが示されている。また、第１流
路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が、第２
流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合よりも
大きくなっている。このため、加圧室の容積を減少させ
る期間を増加させる期間よりも短くすることにより、増
加させる期間と減少させる期間が同じ場合に液体が流れ
る方向とは逆の方向に液体を搬送することができる。
ポンプ１００の第２の変形例の第１流路１３０および第
２流路１３１それぞれの差圧と流路抵抗との関係を示す
図である。図１８（Ａ）は第１流路１３０の場合を示
し、図１８（Ｂ）は第２流路１３１の場合を示す。図１
８を参照して、第１流路および第２流路ともに差圧が正
の場合の流路抵抗が、差圧が負の場合の流路抵抗よりも
小さくなっている。したがって、第１流路および第２流
路が方向性を有することが示されている。また、第１流
路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が、第２
流路の差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合よりも
大きくなっている。このため、加圧室の容積を減少させ
る期間を増加させる期間よりも短くすることにより、増
加させる期間と減少させる期間が同じ場合に液体が流れ
る方向とは逆の方向に液体を搬送することができる。
【００６３】以上説明したように本実施の形態における
マイクロポンプは、液体の流れが急峻となるときに第１
流路１１５，１３０のみに乱流を発生させるようにし
た。このため、２つの波形の電圧を切換えて圧電素子１
０７を駆動することにより、マクロ的な流体の流れの方
向を制御し、正逆両方向に液体を搬送することができ
る。
マイクロポンプは、液体の流れが急峻となるときに第１
流路１１５，１３０のみに乱流を発生させるようにし
た。このため、２つの波形の電圧を切換えて圧電素子１
０７を駆動することにより、マクロ的な流体の流れの方
向を制御し、正逆両方向に液体を搬送することができ
る。
【００６４】また、従来のように逆止弁を開閉させる方
式に比べて、応答性および耐久性が改善されるため、安
定して駆動するマイクロポンプとすることができる。さ
らに、マイクロポンプの構成を簡単にすることができ、
マイクロポンプ自体を小型化することができる。
式に比べて、応答性および耐久性が改善されるため、安
定して駆動するマイクロポンプとすることができる。さ
らに、マイクロポンプの構成を簡単にすることができ、
マイクロポンプ自体を小型化することができる。
【００６５】さらに、圧電素子１０７を駆動する電圧の
１パルス信号当りの液送り量を微小にすることができる
ので、高い精度で脈動のない液送りをすることができ
る。
１パルス信号当りの液送り量を微小にすることができる
ので、高い精度で脈動のない液送りをすることができ
る。
【００６６】なお、本実施の形態におけるマイクロポン
プ１００は、アクチュエータとして圧電素子１０７と振
動板１０５とを貼り合わせたユニモルフ振動を用いた
が、加圧室１０９の容積の増加または減少を繰返し行な
うことができれば、ユニモルフ振動に限定されるもので
はない。たとえば、圧電素子の縦振動、横振動を用いて
ダイアフラムを振動する形態や、圧電素子のずり変形を
用いるもの、または、圧電材料を用いたマイクロチュー
ブを径方向へ縮小させる形態のものを用いてもよい。な
お、圧電素子のずり変形とは、シェアモードとも呼ばれ
る変形で、圧電素子の分極方向と電界の方向とが直交す
るときに素子が斜めにずれる変形をいう。さらに、圧電
素子以外に静電気力によってダイアフラムを変形させる
方式や、振動子の一部に形状記憶合金を用いる形態のも
のを用いてもよい。
プ１００は、アクチュエータとして圧電素子１０７と振
動板１０５とを貼り合わせたユニモルフ振動を用いた
が、加圧室１０９の容積の増加または減少を繰返し行な
うことができれば、ユニモルフ振動に限定されるもので
はない。たとえば、圧電素子の縦振動、横振動を用いて
ダイアフラムを振動する形態や、圧電素子のずり変形を
用いるもの、または、圧電材料を用いたマイクロチュー
ブを径方向へ縮小させる形態のものを用いてもよい。な
お、圧電素子のずり変形とは、シェアモードとも呼ばれ
る変形で、圧電素子の分極方向と電界の方向とが直交す
るときに素子が斜めにずれる変形をいう。さらに、圧電
素子以外に静電気力によってダイアフラムを変形させる
方式や、振動子の一部に形状記憶合金を用いる形態のも
のを用いてもよい。
【００６７】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【図１】 本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロ
ポンプの部分的な断面図である。
ポンプの部分的な断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態の１つにおけるマイクロ
ポンプの部分的な平面図である。
ポンプの部分的な平面図である。
【図３】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１
流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵抗との関係
を示す図である。
流路および第２流路それぞれの差圧と流路抵抗との関係
を示す図である。
【図４】 圧電素子に印加する第１の電圧波形と流体の
挙動を示す図である。
挙動を示す図である。
【図５】 圧電素子に印加する第２の電圧波形と流体の
挙動を示す図である。
挙動を示す図である。
【図６】 本実施の形態におけるマイクロポンプの駆動
部１２０が圧電素子に印加する電圧の波形の変形例を示
す図である。
部１２０が圧電素子に印加する電圧の波形の変形例を示
す図である。
【図７】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１
流路の形状の第１の具体例を示す図である。
流路の形状の第１の具体例を示す図である。
【図８】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１
流路の形状の第２の具体例を示す図である。
流路の形状の第２の具体例を示す図である。
【図９】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第１
流路の形状の第３の具体例を示す図である。
流路の形状の第３の具体例を示す図である。
【図１０】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１流路の形状の第４の具体例を示す図である。
１流路の形状の第４の具体例を示す図である。
【図１１】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１流路の形状の第５の具体例を示す図である。
１流路の形状の第５の具体例を示す図である。
【図１２】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１流路の形状の第６の具体例を示す図である。
１流路の形状の第６の具体例を示す図である。
【図１３】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１流路の形状の第７の具体例を示す図である。
１流路の形状の第７の具体例を示す図である。
【図１４】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１の変形例の平面図である。
１の変形例の平面図である。
【図１５】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の一例を
示す図である。
１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の一例を
示す図である。
【図１６】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の波形の
別の例を示す図である。
１の変形例の駆動部が圧電素子に印加する電圧の波形の
別の例を示す図である。
【図１７】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
２の変形例の平面図である。
２の変形例の平面図である。
【図１８】 本実施の形態におけるマイクロポンプの第
２の変形例の第１流路および第２流路それぞれの差圧と
流路抵抗との関係を示す図である。
２の変形例の第１流路および第２流路それぞれの差圧と
流路抵抗との関係を示す図である。
１００ マイクロポンプ、１０１ 基板、１０３ 上側
基板、１０５ 振動板、１０７ 圧電素子、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 駆動部、１３１
障害物。
基板、１０５ 振動板、１０７ 圧電素子、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 駆動部、１３１
障害物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H071 AA01 BB01 CC26 CC33 CC34 CC47 DD32 DD35 DD84 3H075 AA01 BB01 CC08 CC18 CC34 CC35 DA11 DB02 3H077 AA01 CC01 CC09 DD06 EE40 FF14 FF36
Claims (6)
- 【請求項１】 流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流
路と、 差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が前記第１流
路よりも小さい第２流路と、 前記第１流路および前記第２流路に接続された加圧室
と、 前記加圧室の内部の圧力を変化させるためのアクチュエ
ータとを備えた、マイクロポンプ。 - 【請求項２】 前記第１流路と第２流路それぞれは、一
様な断面形状を有し、前記第１流路の流路長の断面積に
対する割合が、前記第２流路の流路長の断面積に対する
割合よりも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３】 前記第１流路は、断面積が急激に変化す
る形状、中心線が直線でない形状、または、流路に障害
物を有する形状のいずれかであ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４】 前記加圧室の体積を第１の体積と第２の
体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるために前
記アクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、 前記繰返しは、前記加圧室の体積を増加させる時間と減
少させる時間とが相反することを特徴とする、請求項１
〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。 - 【請求項５】 前記駆動手段は、前記加圧室の体積を増
加させる時間が相反する第１の繰返しと第２の繰返しで
駆動可能であることを特徴とする、請求項４に記載のマ
イクロポンプ。 - 【請求項６】 前記加圧室の体積を第１の体積と第２の
体積との間で所定の間隔で繰返して変化させるために前
記アクチュエータを駆動する駆動手段をさらに備え、 前記第１流路は、第１の方向の流路抵抗が前記第１の方
向とは逆の第２の方向の流路抵抗よりも大きく、 前記駆動手段は、体積を増加させる時間と減少させる時
間とが同じ第１の繰り返しと増加させる時間と減少させ
る時間とが異なる第２の繰り返しで駆動可能であること
を特徴とする、請求項１に記載のマイクロポンプ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000143124A JP3629405B2 (ja) | 2000-05-16 | 2000-05-16 | マイクロポンプ |
| US09/855,371 US6716002B2 (en) | 2000-05-16 | 2001-05-15 | Micro pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000143124A JP3629405B2 (ja) | 2000-05-16 | 2000-05-16 | マイクロポンプ |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004319256A Division JP4645159B2 (ja) | 2004-11-02 | 2004-11-02 | マイクロポンプ |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001322099A true JP2001322099A (ja) | 2001-11-20 |
| JP2001322099A5 JP2001322099A5 (ja) | 2004-09-16 |
| JP3629405B2 JP3629405B2 (ja) | 2005-03-16 |
Family
ID=18649987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000143124A Expired - Fee Related JP3629405B2 (ja) | 2000-05-16 | 2000-05-16 | マイクロポンプ |
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|---|---|
| US (1) | US6716002B2 (ja) |
| JP (1) | JP3629405B2 (ja) |
Cited By (35)
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