(57)【要約】【課題】液送の流量が大きく、特別なセンサを必要とせずに流量・流速の制御性が高い液送装置を得る。【解決手段】本発明の液送モジュール２４は、圧電素子２４２と、圧電素子に固定され、かつ一方端が自由に振れる振動板２４１と、圧電素子への電圧供給線２５とを備えたものである。また、他の液送モジュールは、金属板の両面にバイモルフ型の圧電板を設けた振動板と、振動板の一方端が固定され、かつ金属板および圧電板に電圧を供給する配線を設けた支持部材とからなるものである。本発明の液送装置は、上記の液送モジュールを基体の流路２３に複数設け、液送モジュールの圧電素子に電圧を供給する電源と、電圧を制御する制御装置とにより構成したものである。また、液送モジュールを、互いに作用する方向が逆になるように配置してもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、前記圧電素子に固定され、かつ一方端が自由に振れる振動板と、前記圧電素子への電圧供給線とを備えたことを特徴とする液送モジュール。
【請求項２】
金属板の両面にバイモルフ型の圧電板を設けた振動板と、前記振動板の一方端が固定され、かつ前記金属板および圧電板に電圧を供給する配線を設けた支持部材とからなることを特徴とする液送モジュール。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の液送モジュールを基体の流路に複数設け、前記液送モジュールの圧電素子に電圧を供給する電源と、前記電圧を制御する制御装置とにより構成したことを特徴とする液送装置。
【請求項４】
前記液送モジュールを、互いに作用する方向が逆になるように配置したことを特徴とする請求項３記載の液送装置。
【請求項５】
前記振動板はその共振周波数を液送モジュールにより変えたことを特徴とする請求項３または４記載の液送装置。
【請求項６】
前記複数個の液送モジュールをグループに分け、前記グループ内の電圧供給線を直列配線したことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の液送装置。
【請求項７】
前記圧電素子全ての電圧供給線を直列配線したことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の液送装置。
【請求項８】
前記液送モジュールのうち電圧を印加していない液送モジュールを用い、前記液体の移動によって変位する金属板により発生する圧電素子の電圧信号を流速検出用の液送モジュールとしたことを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の液送装置。
【請求項９】
圧電素子と、前記圧電素子に一方端が自由に振れる振動板と、前記圧電素子への電圧供給線とを備えた液送モジュールを、基体内部の流路に複数設け、前記圧電素子に電圧を供給して振動を発生させ、発生した振動を前記振動板に伝え、前記振動板により拡大した変位を液体に加えて液体を移動させることを特徴とする液送装置の駆動方法。
【請求項１０】
金属板の両面にバイモルフ型の圧電板を設けた振動板と、前記振動板の一方端が固定され、かつ前記金属板および圧電板に電圧を供給する配線を設けた支持部材とからなる液送モジュールを、基体内部の流路に複数設け、前記圧電素子に電圧を供給して振動を発生させ、発生した振動を前記振動板に伝え、前記振動板により拡大した変位を液体に加えて液体を移動させることを特徴とする液送装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記圧電素子に供給する電圧を、前記振動板が共振する周波数としたことを特徴とする請求項９または１０記載の液送装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記液送モジュールのうち電圧を印加していない液送モジュールを用い、前記液体の流速に応じて変化する前記圧電素子の電気信号を流速として検出し、前記液体の流量を制御することを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の液送装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、人工心臓の血管や、マイクロトータルアナリシスシステム中の微小流路の流れ制御に用いられる液送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液送装置として図１０に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
図において、Ｔは進行波発生部、１はチューブ、３は超音波発生層、９は下部電極、１３は上部電極、７、１１は皮膜である。超音波マイクロチューブ１は、複数の進行波発生部Ｔを所定の間隔で連続させ、進行波発生部Ｔは、チューブ１の外周に、圧電材による超音波発生層３を、下部電極９と上部電極１３間に形成する。進行波発生部Ｔを連鎖させた状態において、下部電極９と上部電極１３との間に、或る周波数において振動し、高周波が発生することにより、チューブ１内の液体が一方向に移動する。そして、電圧の極性を逆にすれば、移動方向が逆転する。また、電流や電圧を変えることにより、液体の流速を変えることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２３３９６９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、振動源である圧電変換素子の変位は一般に小さく、チューブの変位もまた小さい。チューブの変位が小さいと作動流体に十分な力が伝達されないため、作動流体の液送量が小さいという問題がある。また、流速を検出するために流速モニター用の検出器が別個に必要になる。
そこで、本発明は液送の流量が大きく、特別なセンサを必要とせずに流速を検出でき、流量・流速の制御性が高い液送装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、圧電素子と、前記圧電素子に一方端が自由に振れる振動板と、前記圧電素子への電圧供給線とを備えた液送モジュールである。
本構成によれば、圧電素子に電圧を印加することにより振動板を変位させることができる。
請求項２に記載の発明は、金属板の両面にバイモルフ型の圧電板を設けた振動板と、前記振動板の一方端が固定され、かつ前記金属板および圧電板に電圧を供給する配線を設けた支持部材とからなる液送モジュールである。
本構成によれば、圧電素子に電圧を印加することにより振動板を変位させることができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２記載の液送モジュールを基体の流路に複数設け、前記液送モジュールの圧電素子に電圧を供給する電源と、前記電圧を制御する制御装置とにより構成した液送装置である。
本構成によれば、圧電素子に電圧を印加することで振動板が変位し、液体に直接作用して液体を移動させることができる。
請求項４に記載の発明は、  前記液送モジュールを、互いに作用する方向が逆になるように配置した液送装置である。
本構成によれば、一方向に配置した液送モジュールと逆方向に配置した液送モジュールを交互に動かすことでの流れの方向や流量等を制御することができる。
請求項５に記載の発明は、前記振動板はその共振周波数を液送モジュールにより変えた液送装置である。
本構成によれば、駆動周波数を変えるだけで、液送モジュールを選択的に動作させることができるので、個別に動作させる際にも個別に配線する必要がなくなる。また、複数個の送液モジュールを選択的に動作させる場合においても、個別の配線が不要で周波数を変化させるだけで、選択的に送液モジュールを動作させることができる。
請求項６に記載の発明は、前記複数個の液送モジュールをグループに分け、前記グループ内の電圧供給線を直列配線した液送装置である。
本構成によれば、複数の液送モジュールを群グループ別に制御することができるので、電圧供給線が少なくて済み、単一電圧で流量および流速を制御することができる。
請求項７に記載の発明は、前記圧電素子全ての電圧供給線を直列配線した液送装置である。
本構成によれば、電圧供給線が２本で済むため、構造を簡素化することができる。
請求項８に記載の発明は、前記液送モジュールのうち電圧を印加していない液送モジュールを用い、前記液体の移動によって変位する金属板により発生する圧電素子の電圧信号を流速検出用の液送モジュールとした液送装置である。
本構成によれば、流速を検出するための検出器を特別に設ける必要がなくなるので、装置の構造が簡単になる。
請求項９に記載の発明は、圧電素子と、前記圧電素子に一方端が自由に振れる振動板と、前記圧電素子への電圧供給線とを備えた液送モジュールを、基体内部の流路に複数設け、前記圧電素子に電圧を供給して振動を発生させ、発生した振動を前記振動板に伝え、前記振動板により拡大した変位を液体に加えて液体を移動させる液送装置の駆動方法である。
本構成によれば、圧電素子に電圧を印加することで振動板が変位し、液体に直接作用して液体を移動させることができる。
請求項１０に記載の発明は、金属板の両面にバイモルフ型の圧電板を設けた振動板と、前記振動板の一方端が固定され、かつ前記金属板および圧電板に電圧を供給する配線を設けた支持部材とからなる液送モジュールを、基体内部の流路に複数設け、前記圧電素子に電圧を供給して振動を発生させ、発生した振動を前記振動板に伝え、前記振動板により拡大した変位を液体に加えて液体を移動させる液送装置の駆動方法である。
本構成によれば、圧電素子に電圧を印加することで振動板が変位し、液体に直接作用して液体を移動させることができる。（請求項９とは異なる効果を書く）
請求項１１に記載の発明は、前記圧電素子に供給する電圧を、前記振動板が共振する周波数とした液送装置の駆動方法である。
本構成によれば、振動板の変位を大きくすることができ、流量を増やすことができ、また、流速を速めることができる。
請求項１２に記載の発明は、前記液送モジュールのうち電圧を印加していない液送モジュールを用い、前記液体の流速に応じて変化する前記圧電素子の電気信号を流速として検出し、前記液体の流量を制御する液送装置の駆動方法である。
本構成によれば、流速を検出するための検出器を特別に設ける必要がなくなるので、装置の構造が簡単になる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例を示す液送装置の図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は液送モジュールの部分拡大断面図である。図において、２１はシリコンやガラス、プラスティック等からなる微小な流路ベース、２２はシリコンやガラス、プラスティック等からなる微小な流路カバー、２３は、流路ベース２１と流路カバー２２により囲まれた微小な流路、２４は液送モジュール、２４１は振動板、２４２は圧電素子、２５は圧電素子用の電圧供給線、２６はスペーサである。
流路ベース２１上に電圧供給線２５を施し、図示しないコンタクトパッド以外を、電気的絶縁性を有する薄膜で覆っている。その上に電圧供給線２５と電気的にコンタクトが取れるように圧電素子２４２を配置している。圧電素子２４２は、積層型の圧電素子であり厚さ５０μｍの圧電セラミックスを何層にも重ねている。各層の体積変化を積算することで低い駆動電圧においても十分な体積変化を得ることができる。圧電素子２４２の表面に紫外線硬化型接着剤を塗布し、その上に振動板２４１を配置する。上面より紫外線を照射することで、振動板２４１と圧電素子２４２を固着させている。
つぎに、動作について説明する。
圧電素子２４２に交流電圧を印加すると、電圧の振幅に応じて厚さ方向に伸縮する。圧電素子２４２には振動板２４１の一端が接続されているので、圧電素子を適当な周波数で駆動させると、振動板２４１は、その他端が加振され、波状に変形する。この動作により微小な流路２３内の液体を一方向に送液する。
【０００７】
（第２実施例）
図２は、本発明の第２実施例を示す液送モジュールの部分拡大断面図である。
本実施例の液送モジュール２４は、振動板２４１と支持部材２４２とからなる。その他の構成は、第１実施例と同じである。
振動板２４１は、金属板２４１ａとバイモルフ型圧電素子の圧電板２４１ｂとからなり、金属板２４１ａを、チタン酸バリウム若しくはチタン酸ジルコン酸鉛により形成される圧電板２４１ｂで挟んだ３層構造となっている。そして、振動板２４１の一端は支持部材２４３に固定されている。支持部材２４３は、絶縁体からなり内部に、金属板２４１ａおよび圧電板２４１ｂに電圧を供給する中継配線２４３ａを備えている。中継配線２４３ａの一方端は電圧供給線２５に接続され、他方端はコンタクトパッドとバイモルフ型圧電素子の圧電板２４１ｂが電気的にコンタクトされている。
つぎに、動作について説明する。
金属板２４１ａと圧電板２４１ｂとの間に電圧と印加すると、圧電板２４１ｂは、図中の点線で示すように一方向に変形する。また、印加する電圧の極性を逆にすると圧電板２４１ｂは、逆方向に変形する。このような構成において、液送モジュール２４に交流の駆動電圧を印加することにより振動板２４１が上下に撓み、その変形によって流路２３内の液体に直接、力が伝わり効率よく液体が移動する。
【０００８】
（第３実施例）
図３は、本発明の第３実施例を示す液送装置の斜視図である。複数個の送液モジュール２４を＋方向、―方向に配置している。＋方向に作用する液送モジュール２４のみを動作させた場合は、＋方向に液体を移動させることができる。このような流れを瞬時に停止させたい場合には、逆方向に働く力が必要となる。したがって、−方向に配置した液送装置を動作させることで、ブレーキ力として作用させることが可能になる。さらに、＋方向に配置した液送装置と―方向に配置した液送装置を同時に動作させることで、液送という機能に加えて、攪拌という機能を液送装置に持たせることもできる。
【０００９】
（第４実施例）
図４は、本発明の第４実施例を示す液送装置の斜視図である。振動板２４１の厚さや長さ、幅等の形状に応じて共振周波数が変化する。また、ヤング率など材料の機械的特性によっても共振周波数は変化する。図４では、一例として、長さが異なる振動板２４１を配置した様子を示している。すべての圧電素子２４２を直列配線し、液体の入り口から出口に向かって徐々に共振周波数が増加するように共振周波数の異なる液送装置を配置している。このような構成において、駆動周波数を徐々に増加させていくと、入り口から出口に向かって順々に液送装置が動作していく。したがって、液体に対して進行波を与えることができ、単位時間あたりの流量が大きな液送が可能となる。
なお、共振周波数は、振動板２４１の長さの他、幅、厚さ等の形状やヤング率を変えてもよい。
【００１０】
（第５実施例）
図５は、本発明の第５実施例を示す液送装置の斜視図である。フォトリソグラフィ技術を用いて、流路ベース２１上にすべての圧電素子２４２に対して個別に電圧を供給する電圧供給線２５が施されている。さらに、各圧電素子の電極とコンタクトするための電極パッドを除いて、電圧供給線２５の表面は電気的絶縁性を有する薄膜により覆われている。任意の電極に電圧を印加することで、各液送装置を個別に駆動させることができる。このように、駆動させる液送装置の個数を調整することで、単位時間あたりの流量を高精度に調整することができる。また、任意の液送装置を動作させることで局所的に流れを発生させることも可能である。さらに、流路の入り口から出口に向かって液送装置が動作するように、印加する電極を切り替えることで、液体に進行波を与えることができ、単位時間あたりの流量が大きい液送が可能となる。
【００１１】
（第６実施例）
図６は、本発明の第６実施例を示す液送装置の斜視図である。フォトリソグラフィ技術を用いて、流路ベース２１上に送液モジュール群に対して、各群内は直列に配線されている。さらに、各圧電素子の電極とコンタクトするための電極パッドを除いて、電圧供給線２５の表面は電気的絶縁性を有する薄膜により覆われている。このような電圧供給線２５にすることで、例えば＋方向に動作するものと―方向に動作するものを２群に分けて、配線することによって、電圧供給線２５の本数を省線化することが可能になる。
【００１２】
（第７実施例）
図７は、本発明の第７実施例を示す液送装置の斜視図である。フォトリソグラフィ技術を用いて、すべての圧電素子２４２が直列に配線されるように流路ベース２１上に電圧供給線２５を施している。第４の実施例と比較して、高精度な制御という点では不利ではあるが、駆動用の電源本数が２本で済むという利点がある。
【００１３】
（第８実施例）
図８は、本発明の第８実施例を示す液送装置の斜視図である。
液送モジュール２４は、第２実施例の図２に示すものと同じである。すなわち、振動板２４１と支持部材２４２とからなり、振動板２４１は、金属板２４１ａと圧電板２４１ｂとからなる。２４Ａおよび２４Ｃは駆動用液送モジュール、２４Ｂは流速モニタ用液送モジュールである。
駆動用の液送モジュール２４Ａ、２４Ｃでは、交流の駆動電圧を印加し、流速モニタ用の液送モジュールでは、金属板２４１ａと圧電板２４１ｂとの間の電圧Ｖを検出している。図の配置によると駆動電圧を印加することで、液送モジュール２４Ａおよび２４Ｃのバイモルフ型が上下に変形し、図中に記した矢印方向に流れが生じる。流れの速度に応じて液送モジュール２４Ｂに加わる力が変化し、液送モジュールには力に応じた変形が生じ、その変形により前記金属板と前記圧電板の間に電圧が発生する。
図９は、本実施例の流速センサの出力特性を示すグラフである。流速の増加に応じて電圧が増加することが分かる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の液送装置によれば、従来の液送装置に比べて、流れの方向や流量、流速に対して制御性が高く、かつ送液量の大きな液送装置を提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す液送装置の図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は液送モジュールの部分拡大断面図
【図２】本発明の第２実施例を示す液送モジュールの部分拡大断面図
【図３】本発明の第３実施例を示す液送装置の斜視図
【図４】本発明の第４実施例を示す液送装置の斜視図
【図５】本発明の第５実施例を示す液送装置の斜視図
【図６】本発明の第６実施例を示す液送装置の斜視図
【図７】本発明の第７実施例を示す液送装置の斜視図
【図８】本発明の第８実施例を示す液送装置の斜視図
【図９】本発明の第８実施例における流速センサの出力特性を示すグラフ
【図１０】従来の液送装置を示す側断面図
【符号の説明】
Ｔ  進行波発生部
１  チューブ
３  超音波発生部
９  下部電極
１３  上部電極
７、１１  皮膜
２１  流路ベース
２２  流路カバー
２３  流路
２４、２４Ａ、２４Ｃ  液送モジュール（駆動用）
２４Ｂ  液送モジュール（流速モニタ用）
２４１  振動板
２４１ａ    金属板
２４１ｂ    圧電板
２４２  圧電素子
２４３    支持部材
２４３ａ  中継配線
２５  電圧供給線
２６  スペーサ
【図１】
2004309163.tif 000003
【図２】
2004309163.tif 000004
【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】
2004309163.tif 000009
【図８】
2004309163.tif 000010
【図９】
2004309163.tif 000011
【図１０】
2004309163.tif 000012