(57)【要約】【課題】 構造が極めて簡単で、駆動液体を選ばない、超小型化を容易に実現できる新規な構成の超音波ポンプを提供する。【解決手段】 KHz帯の超音波放射手段を用いて、液体中にマイクロキャビテーションの発生しきい値を超える強度の超音波定在波を形成させ、この定在波の最大圧力変動点の位置に、内径が液中超音波の波長より十分に小さい吐出管の導入口を設置し、吐出管の導入口から吐出口へ連続的に揚液することを特徴とする超音波ポンプを提供する。容器２と、容器底面に形成されたKHz帯の超音波放射手段３と、容器の壁を貫通して容器内液体の底に近い位置に形成された吸込管の流出口４ｂと、容器の上面から超音波放射手段に対向し最大圧力変動点の位置まで挿入した内径が超音波の波長より十分に小さい吐出管５を有し、容器内の空間の高さが液中超音波の半波長に等しく、容器内を液体で満たされた状態で運転されることを特徴とするポンプがその一実施例である。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
KHz帯の超音波放射手段を用いて、液体中にマイクロキャビテーションの発生しきい値を超える強度の超音波定在波を形成させ、この定在波の最大圧力変動点の位置に、内径が液中超音波の波長の1/20を越えない吐出管の導入口を設置し、吐出管の導入口から吐出口へ連続的に揚液することを特徴とするポンプ。なお、最大圧力変動点は理論上、発振壁面から超音波放射方向に１/４波長および１/４波長の奇数倍長の位置にあるが、本発明では吐出管の先端がもっとも激しく励振される位置として捉える。
【請求項２】
容器と、容器底面に形成されたKHz帯の超音波放射手段と、容器の壁を貫通して容器内液体の底に近い位置に取り付けた吸込口と、容器の上面から超音波放射手段に対向し最大圧力変動点の位置に設置した内径が液中超音波の波長の1/20を越えない吐出管の導入口を有し、容器の内部空間の高さが液中超音波の１/4波長または１/４波長の整数倍長に等しく、容器内部を液体で満たされた状態で運転されることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１から２記載のポンプにおいて、超音波放射手段は、前記定在波の振幅を変える振幅変更手段を有し、または、印加電圧の波形は、正弦波、方形波または三角波の何れかであることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１から３記載のポンプにおいて、吐出管が下記いずれの形状に該当するポンプ。吐出管の導入口を内側から円錐または半球を切り取った形である。吐出管の導入口を管の中心軸に対して斜めまたは垂直な平面に加工した形である。吐出管を、内径が液中超音波の波長の1/20を越えない管を複数集めることによって構成されている。吐出管の流路断面を円形から、楕円や矩形などの形に単純に変更したものである。
【請求項５】
請求項２から４記載のポンプにおいて、底面から上面へ向かう方向を水平または任意の角度に変更したことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波定在波駆動バルブレスマイクロポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械や化学、バイオなどの分野で使用されるマイクロポンプに対する共通的な要求として、駆動液体を選ばない、超小型化、高精度、静粛性、長寿命などが挙げられる。
【０００３】
従来の電磁式や遠心式ポンプは小型化に適さない。ダイヤフラム型の圧電ポンプは逆止弁を必要とするため、可動部の摩耗や振動が問題になる。吸入流路・吐出流路内の流れの非対称性を利用したダイヤフラム型バルブレスマイクロポンプ（特許文献１）や圧電アクチュエータを用いた進行波型バルブレスマイクロポンプ（非特許文献１）が提案されているが、構造や制御が複雑である。EHD型マイクロポンプは利用できる流体の種類が限られ、また、流量あるいは最大吐出圧が極めて小さく、実用性に乏しい。
【０００４】
特許文献２と３では、液体で満たされた容器に吸込口と吐出口を設け、吐出口に対向し、超音波放射手段から超音波を放射することにより、液体を吐出口から流出させる超音波ポンプが提案されている。いずれの場合もMHz帯の超音波を使用し、超音波を吐出口に向かって集束する工夫が施されている。しかし、吐出口の径、超音波放射手段から吐出口までの距離などの諸パラメータの範囲、当該ポンプで得られる最大吐出圧および流量の目安に関する記述がなく、ポンプとしての性能に判断がつかない。実際に、上記のパラメータが異なると、超音波ポンプの揚水メカニズムが完全に異なるものとなるが、それに関する説明も全くない。
【０００５】
一方、液中に浸した管を超音波振動させると液体が吸い揚げられる現象は古くから知られ、これを利用した超音波ポンプ（非特許文献２）の開発が行われている。しかし，検討された管は内径3mm程度のものに限られ、その場合の吐出圧は1 KPa程度である。管の先に平板を配置し、10μm 程度の隙間を設けると吐出圧を数倍上げることができるが、組立に高い精度が要求され、また、不純物による目詰まりが発生した場合、処置が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１１０６８１号公報
【特許文献２】特開昭５５−００５４６４号公報
【特許文献３】特開２００７−１８７０９５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】鈴木孝明、他4名著、圧電アクチュエータを用いた進行波型バルブレスマイクロポンプの開発、日本AEM 学会誌、第13巻第4号、 2005年、第310頁から第315頁。
【非特許文献２】長谷川健著、超音波ポンプの小型高性能化に関する研究、東京工業大学大学院総合理工学研究科平成16 年度修士論文。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
構造が極めて簡単で、駆動液体を選ばない、超小型化、長寿命を容易に実現できる新規な構成の超音波マイクロポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、KHz帯の超音波放射手段を用いて、液体中にマイクロキャビテーションの発生しきい値を超える強度の超音波定在波を形成させ、この定在波の最大圧力変動点に超音波の波長より十分に小さい内径の吐出管の導入口を設置し、吐出管の導入口から吐出管の吐出口へ連続的に揚液することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
構造が極めて簡単で、超音波による微小振動以外の可動部を持たず、超小型化が容易な超音波ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の超音波ポンプの断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の超音波ポンプの吐出管内径と最大吐出圧の関係図である。
【図３】本発明の第２実施形態の超音波ポンプの断面図である。
【図４】本発明の吐出管の断面図である。
【図５】他の変形例としての吐出管の断面図である。
【図６】他の変形例としての吐出管の断面図である。
【図７】他の変形例としての吐出管の断面図である。
【図８】集積型吐出管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１２】
図１に本発明の第１実施形態の超音波ポンプの断面図を示す。この超音波ポンプ１ａは、容器２と、容器底面に形成されたKHz帯の超音波放射手段３と、容器の横壁を貫通して底面に近い位置に取り付けられた吸込管４と、容器の上面から超音波放射手段に対向し最大圧力変動点まで挿入した内径（ｄ）が液中超音波の波長（λ）の1/20を越えない吐出管５を有して構成されている。このポンプは、容器内壁の底面から上面までの高さが液中超音波の半波長（λ/2）に等しくもしくはそれより若干大きくなるように作られ、液体を容器の底面から液中超音波の半波長（λ/2）の高さまで満たされた状態で運転される。
【００１３】
液中超音波定在波の変位の節は理論的に、発振壁面から超音波放射方向に１/４波長（λ/4）の距離の位置にある。液中超音波定在波の変位の節では圧力変動が最大となる。超音波放射手段の出力をある一定のレベル以上に高めると、最大圧力変動点を中心にマイクロキャビテーションが間歇的に発生する。吐出管をその位置に挿入すると、吐出管の先端でマイクロキャビテーションが周期的に発生し、それによるクラスタ状のマイクロバブルが吐出管の導入口に近寄ったり離れたりする。吐出管の先端も超音波およびマイクロキャビテーションによる圧力変動で励振される。圧力が負の半周期では、マイクロキャビテーションの効果により、最大負圧が制限される。一方、圧力が正の半周期では、このような制限がない。その結果、圧力変動の一周期で一定量の流体が吐出管先端の導入口５ａに押し込まれる。吐出管の内径が超音波の波長より十分に小さい場合、前記の圧力変動が吐出管内流路に沿う方向の流れに効率的に変換される。実際に、吐出管を設置すると、管と液中超音波が干渉し合い、最大圧力変動点が変化する。本発明では、吐出管の先端がもっとも激しく励振される点を最大圧力変動点として捉える。以上のことから、液体が吐出管の導入口５ａから吐出口５ｂへ連続的に送られる。なお、形成される液中超音波定在波が１/４波長または１/４波長の整数倍長のときに、最大の吐出圧が得られる。
【００１４】
図1の構成による一実施例として、42KHzの超音波放射手段を使用した場合の吐出管内径と最大吐出圧の関係を図２に示す。吐出管の内径が1mm以下で最大吐出圧が吐出管の内径に反比例して上昇し、数KPaに達することを確認した。得られた流量の目安は約6ml/minであった。なお、印加電圧の波形は、正弦波よりも方形波の方がより高い吐出圧と流量が得られた。
【実施例２】
【００１５】
図３に第２実施形態の超音波ポンプ１ｂの断面図を示す。容器２の内壁の底面から上面までの高さを液中超音波の１／４波長に等しく、容器内壁の上面に超音波放射手段３に対向して吐出管の導入口５ａを設置していることを特徴としている。
【００１６】
吐出管の導入口５ａは、図４から図７のいずれの形状に加工される。図４と図５ではそれぞれ、管の先端を内側から円錐または半球を切り取った形状となっている。図６と図７ではそれぞれ、管の先端を管の中心軸に対して斜めまたは垂直な平面に加工したものである。内径の比較的大きい吐出管を使用した場合、図４と図５の形状ではより正の圧力を保持することができ、他の形状に比べ高い吐出圧が得られる。図７の形状では最大吐出圧が不安定になる欠点を持つ。吐出管の内径が小さくなるにつれ、前記の違いがほぼ解消される。図８には流量を増やすための集積管の構造の一例を示している。
【符号の説明】
【００１７】
１    超音波定在波駆動マイクロポンプ
２    容器
３    KHz帯の超音波放射手段
４    吸込管
４ａ  吸込管の流入口
４ｂ  吸込管の流出口
５    吐出管
５ａ  吐出管の導入口
５ｂ  吐出管の吐出口
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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