(57)【要約】【課題】簡易な構成により、精度良く流量の制御を行う。【解決手段】薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置１であって、第一基板２と、該第一基板２に少なくとも一部が接合された第二基板３とからなり、第一基板２には、第二基板３との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部９により遮断された第一流路５ａと第二流路５ｂとが形成され、第二基板３には、仕切り部９に相当する位置における第一基板２との接合面の反対面に圧電材料４が接合され、仕切り部９周辺においては、第一基板２と第二基板３とは接合されていないものである。【選択図】図１
2011160868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置であって、
第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板とからなり、
前記第一基板には、前記第二基板との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部により遮断された第一流路と第二流路とが形成され、
前記第二基板には、前記仕切り部に相当する位置における前記第一基板との接合面の反対面に圧電材料が接合され、
前記仕切り部周辺においては、前記第一基板と前記第二基板とは接合されていないことを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記第一基板は単結晶シリコンからなり、前記第二基板は硼珪酸ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記第一基板と前記第二基板との接合部分のうち、前記仕切り部周辺を除く部分は陽極接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段を備え、
該電圧印加手段により所定電圧を印加するデューティ制御を行うことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項５】
薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置であって、
第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板と、該第二基板に少なくとも一部が接合された第三基板とからなり、
前記第一基板には、前記第二基板との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部により遮断された第一流路と第二流路とが形成され、
前記第二基板の前記仕切り部に相当する位置における前記第一基板との接合面の反対面であって、前記第三基板に形成された電極と空隙を介して対向する位置に電極が形成され、
前記仕切り部周辺においては、前記第一基板と前記第二基板とは接合されていないことを特徴とする流量制御装置。
【請求項６】
薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整するポンプ装置であって、
第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板とからなり、
前記第一基板には、第一流路、液室および第二流路が形成され、前記第二基板との接合部分と同等の厚みからなる第一の仕切り部により前記第一流路と前記液室は遮断され、第二の仕切り部により、前記液室と前記第二流路は遮断され、
前記第二基板には、前記第一および第二の仕切り部に相当する位置、および前記液室に相当する位置における前記第一基板との接合面の反対面にそれぞれ圧電材料が接合され、
前記第一および第二の仕切り部周辺においては、前記第一基板と前記第二基板とは接合されていないことを特徴とするポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御装置およびポンプ装置に関する。さらに詳述すると、薬液が収容された容器から生体に注入される薬液の注入量の調整に好適な流量制御装置およびポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体に薬液を注入するには、一般に、点滴装置が用いられる。点滴装置では、薬液を収容した容器にチューブの一端を接続し、そのチューブの他端に装着された注射針を介して生体内に薬液を注入するとともに、チューブの途中に注入速度の調整を行うための薬液の流量制御装置が設けられる。なお、本明細書にいう生体とは、人間のみに限らず広く動物の意を含み、また、生体内とは、生体の血管内、臓器内等の意を広く含むものとする。また、薬液（輸液ともいう）は、液体の薬品の他、チューブを介して生体に注入される液体を広く含むものである。
【０００３】
薬液の流量を制御する従来方法としては、点滴筒及びクランプを有し、看護師などの医療従事者が点滴筒内における薬液の滴下状況を見ながらクランプを操作するものが用いられている。しかしながら、このような流量の制御では、看護師等が点滴筒内での液滴の大きさと単位時間当りの滴下数を目視によって確認して行なうため、個人の経験と勘に依存するところが大きく、経験のない者が常に最適な速度に設定することは困難であった。
【０００４】
この他、輸液ポンプと呼ばれる装置も用いられている。この輸液ポンプでは、回転数を制御する機構を持ったモータにより注射筒を駆動、あるいは一定速度でチューブを押圧してゆくしごきポンプを用いることで、適切な流量（単位時間当たりの流量、すなわち注入量）の調整を行うようになっている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、インスリンのような小流量の薬液量を制御する自蔵式の薬液を投与する輸液システムが考案されている。圧電式の弁を周期的に開閉し、熱式流量センサの信号をもとにフィードバック制御を行い流量制御している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、インスリンのような小流量の薬液量の制御を目的としており、その構造上、通常の輸液で行われる、例えば１００ｍｌ／ｈｒ〜３００ｍｌ／ｈｒ等の流量への適用は困難である。また、特許文献１に記載の技術では、弁にはプラスチック膜が用いられ、かつ、システムの構造が複雑であり組み立てが容易でないという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、簡易な構成により、通常の輸液で行われる範囲の流量において所望の流量調整を可能とする流量制御装置およびポンプ装置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】
【０００８】
かかる目的を達成するため、請求項１に記載の流量制御装置は、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置であって、第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板とからなり、第一基板には、第二基板との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部により遮断された第一流路と第二流路とが形成され、第二基板には、仕切り部に相当する位置における第一基板との接合面の反対面に圧電材料が接合され、仕切り部周辺においては、第一基板と第二基板とは接合されていないものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流量制御装置において、第一基板は単結晶シリコンからなり、第二基板は硼珪酸ガラスからなるものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の流量制御装置において、第一基板と第二基板との接合部分のうち、仕切り部周辺を除く部分は陽極接合されているものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３までのいずれかに記載の流量制御装置において、圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段を備え、該電圧印加手段により所定電圧を印加するデューティ制御を行うものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の流量制御装置は、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置であって、第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板と、該第二基板に少なくとも一部が接合された第三基板とからなり、第一基板には、第二基板との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部により遮断された第一流路と第二流路とが形成され、第二基板の仕切り部に相当する位置における第一基板との接合面の反対面であって、第三基板に形成された電極と空隙を介して対向する位置に電極が形成され、仕切り部周辺においては、第一基板と第二基板とは接合されていないものである。
【００１３】
また、請求項６に記載のポンプ装置は、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整するポンプ装置であって、第一基板と、該第一基板に少なくとも一部が接合された第二基板とからなり、第一基板には、第一流路、液室および第二流路が形成され、第二基板との接合部分と同等の厚みからなる第一の仕切り部により第一流路と液室は遮断され、第二の仕切り部により、液室と第二流路は遮断され、第二基板には、第一および第二の仕切り部に相当する位置、および液室に相当する位置における第一基板との接合面の反対面にそれぞれ圧電材料が接合され、第一および第二の仕切り部周辺においては、第一基板と第二基板とは接合されていないものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成により、精度良く流量の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る流量制御装置の概略構成図である。
【図２】制御用流路が開いた状態の流量制御装置の概略構成図である。
【図３】図１に示す点線部分の上面図であり、（ａ）は第一基板の上面図、（ｂ）は流量制御装置の上面図である。
【図４】図３（ｂ）の断面図であって、（ａ）はＡ−Ｂ断面図、（ｂ）は制御用流路が開いた状態のＡ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｄ断面図、（ｄ）はＥ−Ｆ断面図である。
【図５】電圧印加手段の駆動波形の模式図である。
【図６】本発明に係る流量制御装置の概略構成図の他の例である。
【図７】図６の断面図であって、（ａ）はＡ−Ｂ断面図、（ｂ）は制御用流路が開いた状態のＡ−Ｂ断面図である。
【図８】本発明に係るポンプ装置の概略構成図であって、（ａ）は非駆動状態、（ｂ）は液室への液供給時、（ｃ）は液吐出時を示す。
【図９】ポンプ装置の電圧印加手段の駆動波形の模式図である。
【図１０】薬液注入システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る構成を図１から図１０に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
（流量制御装置）
本実施形態に係る流量制御装置は、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置１であって、第一基板２と、該第一基板２に少なくとも一部が接合された第二基板３とからなり、第一基板２には、第二基板３との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部９により遮断された第一流路５ａと第二流路５ｂとが形成され、第二基板３には、仕切り部９に相当する位置における第一基板２との接合面の反対面に圧電材料４が接合され、仕切り部９周辺においては、第一基板２と第二基板３とは接合されていないものである。
【００１８】
図１〜図４を用いて本実施形態に係る流量制御装置１について説明する。なお、図１は、流量制御装置１の概略構成図、図２は制御用流路が開いた状態（後述する）の流量制御装置１の概略構成図、図３は図１に示す点線部分の上面図、図４は図３（ｂ）の各切断線における断面図である。
【００１９】
第一基板２には、輸液の流路となる溝状の流路５ａ，５ｂが形成されている。また、第一基板２の流路５ａ，５ｂにはそれぞれ貫通孔６ａ，６ｂが形成されている。なお、流路５ａ，５ｂの長辺方向の間の部分（後述する仕切り部９）は、基板周辺部と同等の厚みに形成されている。
【００２０】
第一基板２としては、例えば、単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。また、流路５および貫通孔６は、当該シリコン基板に対し、例えば、フォトリソグラフィおよびエッチング等を施すことにより形成される。
【００２１】
この第一基板２に対し、第二基板３が接合されている。第二基板３としては、例えば、シリコンと熱膨張係数の近い硼珪酸ガラスを用いることが好ましく、第一基板２および第二基板３との接合は、例えば、陽極接合により接合することが好ましい。具体的には、硼珪酸ガラスとシリコン基板の研磨面を重ねて加熱しながら電圧をかけることで共有結合による強い接合とすることができる。
【００２２】
この第二基板３上にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料（アクチュエータ）４が接着される。また、図１には示さないが、第二基板３上にアルミニウムなどの電極８が形成される（図４参照）。なお、これらはスパッタ法や蒸着法等を用いて形成すればよい。また、電極８は図示しない外部の電圧印加手段と接続されている。
【００２３】
この第一基板２と第二基板３との接合において、接合部分のうち圧電材料４の下部相当部分である仕切り部９を除く部分については上述のように陽極接合などにより強い接合がなされているが、圧電材料４の下部相当部分である仕切り部９周辺については、陽極接合される他の部分とは異なり接合されていない状態としている。ここで接合されていない状態とは、第一基板２と第二基板３とが単に接触した状態だけでなく、一応の接着状態にあるが、後述するように圧電材料４が変位して第二基板３が撓む際に、その接着状態が解除される状態を含む意味である。また、仕切り部９の周辺とは、必ずしも仕切り部９全体を含む意味ではなく、後述するように第二基板３が撓み、制御用流路７が形成される際に、該制御用流路７が流路５ａ，５ｂ間を繋ぐように形成される範囲であればよい。例えば、予め第一基板２の仕切り部９該当箇所をエッチング等で接合面を荒れた状態とすることや、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成して異なる材料を挟んだ状態とすることにより、第一基板２と第二基板３との陽極接合をする際に、当該部分については接合させないようにしたものである。
【００２４】
以上説明した構成からなる流量制御装置１に対し、電圧印加手段から電極８を介して圧電材料４に電圧を印加すると、図２に示すように第二基板３に接着された圧電材料４をｄ３１方向に変位させることができる。このとき、圧電材料４は長辺方向に伸びる。ここで、仕切り部９相当部分の第一基板２と第二基板３とは接合されていない状態であるため、圧電材料４に接着された第二基板３も長辺方向に延びることとなり、撓みが生じる。
【００２５】
この第二基板３が撓んだ状態の流量制御装置１を図２に示す。第二基板３の撓みにより、第二基板３と第一基板２とは圧電材料４の下部相当部分において離間し、第一基板２と第二基板３との間に隙間、すなわち制御用流路７が形成される。
【００２６】
例えば、図１及び図２において、手前側（流路５ａおよび貫通孔６ａ）が鉛直方向上部（高圧）にあり、奥側（流路５ｂおよび貫通孔６ｂ）が鉛直方向下部（低圧）にある場合、図１に示す電圧を加えない場合（非印加状態ともいう）から図２に示す電圧を加えた状態（電圧印加状態）とすることで、薬液は貫通孔６ａから流路５ａ、制御用流路７、流路５ｂを通過して、貫通孔６ｂから流出するものである。
【００２７】
このように、制御用流路７により薬液の流体抵抗を変化させることができ、薬液の流量を制御することが可能となる。いわば第一基板２と第二基板３の仕切り部９の相当部分はバルブの役割を果たすこととなる。すなわち、非印加状態では、第一基板２と第二基板３とは接しており（バルブ閉）、流体抵抗は高いが、この状態から電圧を印加して第二基板３を変形させることにより、第一基板２と第二基板３との隙間を広げ（バルブ開）、流体抵抗を減少させることができる。ここで、非印加状態において、流量が０であることは必須でないことは勿論であり、少なくとも非印加状態と電圧印加状態において所定の流体抵抗値の差を生じさせるものであればよい。なお、本実施形態では第一基板２の仕切り部９の相当部分はエッチング加工されているので、圧力の高い側から低い側へ少量の流量は生じる。
【００２８】
また、流路の薬液に接する部分が単結晶シリコンと硼珪酸ガラスのみからなるため、有機物の溶出が無いため安全性が高い。さらに、電源が供給されない場合は、バルブが閉じた状態となり流量が最小となるので、停電時などの異常時においても輸液の流出が抑えられ、安全性が高い。
【００２９】
なお、流量制御装置１の一実施例として、例えば、硼珪酸ガラスの厚さを１５０μｍ、圧電材料としてＰＺＴ−５Ａ材厚さ０．２ｍｍを用い、サイズを横２ｍｍ×縦１０ｍｍとした。この場合において、駆動電圧を７０Ｖとした場合の変位は４μｍであった。また、輸液容器との間の高低差を７０ｃｍとした場合、図２に示す「バルブ開」の場合の流量は４００ｍｌ／ｈｒ、図１に示す「バルブ閉」の場合の輸液の流量は４０ｍｌ／ｈｒであった。
【００３０】
（デューティ制御）
以上説明したように、本実施形態に係る流量制御装置は、電圧を印加しない／印加する、の制御により、非印加状態ではバルブを閉じた状態とし、電圧印加状態ではバルブを開いた状態とすることができ、いわば「バルブ開」「バルブ閉」の状態で流体抵抗の２値制御を行うものである。よって、「バルブ開」「バルブ閉」のそれぞれの時間を制御することで、所望の流量を実現することが可能となる。なお、輸液容器との間の高低差も流量に影響するため、これを考慮することも必要となる。
【００３１】
図５は電極８へ電圧をかける電圧印加手段の駆動波形（デューティ比Ｄ）を模式的に示している。所定の周期で駆動パルスを印加して、パルス周期に対するパルス幅の比であるデューティ比を変化させることにより、「バルブ開」の時間ｔが長くなるので、それに応じて流量が増加する。図５では、最小流量（０％）から２５％、５０％、７５％、最大流量（１００％）の各例を示している。例えば、駆動周期を２０００Ｈｚとし、デューティ比を変化させることにより、５０ｍｌ／ｈ（最小流量）から３００ｍｌ／ｈｒ（最大流量）までの流量調整を行う等の制御ができる。
【００３２】
なお、流量制御としては、上述のように、電圧一定としてデューティ比を変化させることにより、流量を制御することには限られず、例えば、パルス幅を一定にしてパルス間隔を変化させるパルス間隔変調（電圧一定）によって流量を変化させて、所望の流量の制御をすることとしても良い。また、印加する電圧（駆動電圧）の大きさを変化させることにより、変位量を変化させて、流量制御を行うようにしても、またはこれらの複数の制御の組み合わせであっても良い。
【００３３】
また、所望の流量とするために、輸液の流路において、流量制御装置１を並列および／または直列に複数接続することにより、所望の流量を得るようにしても良い。
【００３４】
以上説明した本実施形態に係る流量制御装置によれば、バルブとして単結晶シリコンと硼珪酸ガラスを用いることができ、簡易な構造により精度よくバルブの機能を果たすことができる。また、一定周期内のバルブを開く時間を制御することにより、流量の精密な制御が可能となる。また、数ｋＨｚから数１０ｋＨｚの周期で駆動することができ、制御された流れに脈動が生じることがない。
【００３５】
また、マイクロポンプ同様、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）技術を用いて製造が可能となるため、低コストで量産することが可能となる。よって、使い捨ての使用態様にも適用することが可能となる。また、第二基板３を撓ませる原動力として圧電材料４を用いているので、バルブの開閉が高速になされ、高精度の流量制御が可能となる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る流量制御装置の他の実施形態について図６及び図７を用いて説明する。本実施形態に係る流量制御装置は、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整する流量制御装置１であって、第一基板２と、該第一基板２に少なくとも一部が接合された第二基板３と、該第二基板３に少なくとも一部が接合された第三基板１０とからなり、第一基板２には、第二基板３との接合部分と同等の厚みからなる仕切り部９により遮断された第一流路５ａと第二流路５ｂとが形成され、第二基板３の仕切り部９に相当する位置における第一基板２との接合面の反対面であって、第三基板１０に形成された電極と空隙１２を介して対向する位置に電極８が形成され、仕切り部９周辺においては、第一基板２と第二基板３とは接合されていないものである。なお、図６に第２の実施形態に係る流量制御装置の第一基板２の平面図、図７に図６のＡ−Ｂにおける流量制御装置の断面図を示す。また、上記第１の実施形態と同様の点についての説明は省略する。
【００３７】
図６に示すように、第一基板２としての単結晶シリコン基板にフォトリソグラフィとエッチングにより流路５ａ，５ｂおよび貫通孔６ａ，６ｂを形成する。また、図７に示すように、第二基板３としての硼珪酸ガラスと陽極接合で接合する。また、本実施形態では、第二基板３を後述のように撓わせたときに、少なくとも図６に示す流路５ａ，５ｂが制御用流路７に架かるように、第一基板２と第二基板３の接合がされていない領域を設けている。また、第二基板３上にアルミニウムなどの電極８を形成し、図示しない外部の電圧印加手段と接続する。
【００３８】
また、第三基板１０として、例えば、比抵抗の小さい単結晶シリコンに、テーパ状の溝を、階調を変化したレジスト膜を用いたエッチングにより形成して、第二基板３との間に空隙１２を形成し、熱酸化により絶縁膜１１を成膜する。また、第三基板１０の接合面の絶縁膜１１にエッチングを施し、第二基板３の硼珪酸ガラス面に陽極接合している。また、第三基板１０には電極が形成され、図示しない外部の電圧印加手段と接続される。
【００３９】
以上説明した構成からなる流量制御装置１に対し、不図示の電圧印加手段により、第二基板３上の電極８と第三基板１０との間に電圧を印加すると、第二基板３の電極８と第三基板１０の電極間に静電力を発生させ、テーパ状の溝に沿うように空隙１２内で第二基板３を変形させることが可能となる。これにより制御用流路７が形成され、流路５ａおよび流路５ｂ間に薬液を流すことができる（図７（ｂ））。
【００４０】
ここで、図６及び図７に示す例では、変位を容易にするため、硼珪酸ガラスの厚さは例えば５０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。また、例えば、駆動電圧を１００Ｖとした場合の変位は５μｍであり、制御用流路の幅３ｍｍ、長さ１０ｍｍであった。また、輸液容器との間の高低差を７０ｃｍとした場合、図７（ｂ）に示す「バルブ開」の場合の流量は４００ｍｌ／ｈｒ、図７（ａ）に示す「バルブ閉」の場合の輸液の流量は３０ｍｌ／ｈｒであった（駆動周期２０００Ｈｚ）。
【００４１】
なお、本実施形態では、第三基板１０に形成する溝の形状をテーパ（円錐）状の非平行形状としているが、平行な形状（直方体形状）としても良い。なお、溝を平行な形状とした場合は、テーパ状の形状とする場合に比べ、高い駆動電圧とすることが好ましい。
【００４２】
このように、制御用流路７により輸液の流体抵抗を変化させることができ、流量を制御することが可能となる。すなわち、第三基板１０としてのシリコン基板と第二基板３としての硼珪酸ガラスにより、静電アクチュエータを構成し、第二基板３と第三基板１０との間の静電力で第二基板３を撓ませることでバルブを開閉させて、流量制御を行うことができる。また、流路の輸液に接する部分が単結晶シリコンとその化合物であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜と硼珪酸ガラスのみであり、有機物の溶出がなく、安全性が高い。
【００４３】
（ポンプ装置）
次に、図８及び図９を用いて本発明に係るポンプ装置の一実施形態を説明する。本実施形態に係るポンプ装置は、本発明に係る流量制御装置と、圧電素子を駆動源とするマイクロフラムポンプからなるポンプ装置である。すなわち、薬液が収容された容器から生体内に至る薬液注入路の途中に接続され、該薬液の流量を調整するポンプ装置２０であって、第一基板２２と、該第一基板２２に少なくとも一部が接合された第二基板２３とからなり、第一基板２２には、第一流路２５ａ、液室３１および第二流路２５ｂが形成され、第二基板２３との接合部分と同等の厚みからなる第一の仕切り部２９ａにより第一流路２５ａと液室３１は遮断され、第二の仕切り部２９ｂにより、液室３１と第二流路２５ｂは遮断され、第二基板２３には、第一および第二の仕切り部２９ａ，ｂに相当する位置、および液室３１に相当する位置における第一基板２２との接合面の反対面にそれぞれ圧電材料２４ａ，ｂ，ｃが接合され、第一および第二の仕切り部２９ａ，ｂ周辺においては、第一基板２２と第二基板２３とは接合されていないものである。なお、上記流量制御装置１と同様の点については説明を省略する。
【００４４】
図８にポンプ装置の概略構成図を示す。ポンプ装置２０は、第一基板２２としてのシリコン基板に、エッチングにより流路２５ａ，２５ｂおよび液室３１が形成されている。また、第二基板２３としての硼珪酸ガラスが陽極接合で接合されている。また、仕切り部２９ａ，２９ｂの上部相当位置には、電極２８ａ，ｂを形成後に圧電材料２４ａ，ｂを接着して、当該圧電材料２４ａ，ｂに電極２８ａ，ｂを形成している。同様に、液室３１の上部相当位置にも電極２４ｃおよび圧電材料２４ｃを形成する。なお、弁２１とポンプ部３０は同工程により作製可能である。
【００４５】
ここで、第一弁２１ａおよび第二弁２１ｂは、上記流量制御装置１と同様の構成からなる。すなわち、第一基板２２と第二基板２３との接合において、接合部分のうち圧電材料２４ａ，２４ｂの下部相当部分である仕切り部２９ａ，ｂを除く部分については上述のように陽極接合などにより強い接合がなされているが、圧電材料２４ａ，２４ｂの下部相当部分である仕切り部２９ａ，２９ｂの周辺については、陽極接合される他の部分とは異なり接合されていない状態としている。また、ポンプ部３０も同様に、電圧印加手段に接続され、当該電圧印加手段からポンプ部３０の圧電材料に電圧をかけることにより、圧電材料２４ｃを変位させて、接着された第二基板２３を撓ませ、液室３１の容積を変形できる。なお、ポンプ部３０の動作については、公知のマイクロフラムポンプと同様である。
【００４６】
また、流路２５ａの貫通孔２６ａには薬液容器と接続したチューブ３２ａ、流路２５ｂの貫通孔２６ｂには出力部と接続したチューブ３２ｂがそれぞれ接続されている。
【００４７】
図８（ａ）は、ポンプ装置２０が非駆動の状態を示しており、この状態から、液室３１の上部に設けられた圧電材料２４ｃに電圧を印加することで、液室３１を変形させると、液室３１の体積が増加し液を吸引する。併せて、第一弁２１ａの圧電材料２４ａにも電圧を印加して、バルブ（制御用流路２７ａ）を開いて流体抵抗を低下させる。これにより、薬液は入力側の流路２５ａから液室３１に流入する（図８（ｂ））。
【００４８】
そして、第一弁２１ａの圧電材料２４ａへの電圧印加を停止し、バルブを閉じさせ流体抵抗を増加させる。併せて、液室３１の上部に設けられた圧電材料２４ｃへの電圧印加を停止し、液室３１の圧力を増加させる（元の状態に近づける）。さらに、第二弁２１ｂの圧電材料２４ｂに電圧を印加して、バルブ（制御用流路２７ｂ）を開いて流体抵抗を低下させる。これにより、液は液室３１から出力側の流路２５ｂに吐出される（図８（ｃ））。
【００４９】
以上説明したポンプ装置２０の駆動制御について、図９に示すタイミングチャートを用いて詳説する。ここで、第一弁２１ａの駆動電圧をＥ１、ポンプ部３０の駆動電圧をＥ２、第二弁２１ｂの駆動電圧をＥ３とする。
【００５０】
先ず、図８（ａ）に示す状態から、第一弁２１ａに駆動電圧Ｅ１を印加して第一弁２１ａを開く、同時に、ポンプ部３０の圧電素子２４ｃに駆動電圧Ｅ２を加え、液室３１の壁が変形しその体積が増加することで、薬液を液室３１に吸引する（ステップＳ１：液供給期間、図８（ｂ））。
【００５１】
次に、第一弁２１ａの駆動電圧を０Ｖにして弁を閉じ、ポンプ部３０の駆動電圧はＥ２のままにして液室体積を保つ（ステップＳ２：遷移期間）。
【００５２】
次に、第二弁２１ｂに駆動電圧Ｅ３を印加し第二弁２１ｂを開き、ポンプ部３０の駆動電圧を０Ｖに減少する。ポンプ部３０の壁が剛性により、元の状態に戻る、または、反対方向に反った状態となる。よって、液室体積が減少し、液室内圧が増加する。ここで第一弁２１ａは閉じているので、第二弁２１ｂからのみ液が流れ出る（ステップＳ３：液吐出期間、図８（ｃ））。
【００５３】
次に、第一弁２１ａおよび第二弁２１ｂが同時に開かないように、所定の調整期間を設ける。この調整期間の設定により、外圧による液の出流れを防止することができる（ステップＳ４：遷移期間、図８（ａ））。以上のステップＳ１〜Ｓ４を繰り返し処理することで、ポンプ装置２０は、入力側のチューブ３２ａから出力側のチューブ３２ｂへ輸液の送液を行うものである。なお、以上の説明において、第一弁２１ａと第二弁２１ｂの動作を入れ替えることで、入力側と出力側を反対として、送液方向を逆にすることができる。
【００５４】
なお、図９に示す制御方法は、送液効率が最も高くなる動作について示したものである。ここで、液室３１への液供給動作において第一弁２１ａが開いていない状態では薬液が供給されない。また、液供給動作において第二弁２１ｂが開いている状態では出力側から薬液が供給されポンプとしての効率が低下する。このように、液供給の損失は生じるが、全体の液供給期間に対し当該時間の割合が小さければ、ポンプ動作上、薬液を供給することは可能である。同様に、液吐出動作において第二弁２１ｂが閉じている状態では送液されず、液吐出動作において第一弁２１ａが開いている状態では薬液が入力側に戻ることにより液吐出の損失が生じるが、全体の液吐出期間に対し当該時間の割合が小さければ、ポンプ動作上液を吐出することは可能である。このようにバルブ開閉とポンプの液供給と液吐出のタイミングに多少のずれがあってもポンプ装置としての機能を果たすことができる。
【００５５】
以上説明した、ポンプ装置によれば、上述の本発明に係る流量制御装置の備える効果に加えて、ポンプ機能を有するので、薬液容器とポンプ装置との間に高低差がない場合や、薬液容器がポンプ装置よりも低い位置にある場合であっても送液が可能となる。
【００５６】
（薬液注入システム）
以上説明した流量制御装置を備えた薬液注入システムを構成することができる。図１０に薬液注入システムの概略構成図を示す。薬液注入システム１００は、生体に注入される薬液が収容された容器１１０と、容器１１０に一端が接続され、他端に生体１２０の血管内に一端が刺し入れられる注射針１３０が、取り付け具１４０を介して設けられ、容器１１０から生体１２０内に至る薬液注入管路（チューブ）１５０と、該薬液注入管路１５０の途中に接続された薬液注入量調整装置２００とを備えている。また、薬液注入量調整装置２００は、流量制御装置１、流量センサ２１０、制御部２２０、電圧印加手段としての駆動部２３０から構成されている。
【００５７】
容器１１０は、薬液を生体１２０の一部、例えば血管内に注入する際に、薬液注入量調整装置２００の一端にチューブ１５０を介して接続される。チューブ１５０としては、弾力性が高く自己拡張性のある可撓性チューブが使用されるが、薬液を流すことができるのであれば、材質、形態を問わず、いかなる管状部材を使用しても良い。薬液注入量調整装置２００の他端には、チューブ１５０の一端が、接続される。
【００５８】
薬液注入量調整装置２００は、流量センサ２１０で検出した薬液の流量値に対し、制御部（マイクロコンピュータ）２２０によりフィードバック制御を行うものである。なお、流量センサ２１０としては、例えば、熱式質量流量センサを用いることができる。また、流量センサ２１０からの出力はアナログ電圧、またはＩ２Ｃ、ＲＳ−２３２Ｃなどのデジタル出力で供給される。
【００５９】
制御部２２０は、Ａ／ＤコンバータやＰＷＭ（パルス幅変調）出力等を有しており、例えば、ＣＰＵに２２１より、流量センサ２１０からの信号（流量値）と、設定された流量値（基準値）との比較を、偏差、その積分、および微分の３つの要素によって行うＰＩＤアルゴリズム等により計算し、制御量（駆動力データ、ＰＷＭ出力など）を駆動部２３０へ出力する。
【００６０】
駆動部２３０は、制御部２２０で算出した制御量に基づいてパワートランジスタを駆動して、該制御量（出力電圧）に応じたパルスを形成する。図１〜図７に示した構成の流量制御装置１により、流量センサ２１０からの信号を制御部２２０に伝達し、ＰＩＤ制御によるフィードバック制御を行い、流量を５０ｍｌ／ｈｒから３００ｍｌ／ｈｒまで制御することができる。また、薬液の高低差や流路の幅などを設定することで、更なる低流量や高流量も制御できる。
【００６１】
また、流量制御装置１に替えて本発明に係るポンプ装置２０を備えた薬液注入システムを構成することにより、薬液容器と針との高低差がない場合、または薬液装置が針よりも低い位置にある場合でも薬液の注入が可能となる。なお、システムのその他構成および制御については同様とすれば良い。
【００６２】
上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  流量制御装置
２，２２  第一基板（単結晶シリコン）
３，２３  第二基板（硼珪酸ガラス）
４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ  圧電材料
５ａ，５ｂ，２５ａ，２５ｂ  流路
６ａ，６ｂ，２６ａ，２６ｂ  貫通孔
７，２７ａ，２７ｂ  制御用流路
８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ  電極
９，２９ａ，２９ｂ  仕切り部
１０  第三基板（単結晶シリコン）
１１  絶縁膜
１２  空隙
２０  ポンプ装置
２１ａ  第一弁
２１ｂ  第二弁
３０ポンプ部
３１液室
３２ａ，３２ｂ  チューブ
１００  薬液注入システム
１１０  薬液容器
１２０  生体
１３０  注射針
１４０  取り付け具
１５０  薬液注入管路（チューブ）
２００  薬液注入量調整装置
２１０  流量センサ
２２０  制御部
２２１  ＣＰＵ
２３０  駆動部（電圧印加手段）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６４】
【特許文献１】特開２００２−１２６０９２号公報
【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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