(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第１、第２および第３キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第１キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第１ダイアフラムと、
前記第１ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第１ダイアフラムクランプと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第１ダイアフラムに作動連結した、前記第１ダイアフラムを上昇および降下させる第１片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第１片持ち式圧電アクチュエータの前記第２端部を前記ポンプ胴部に固定する第１アクチュエータクランプと、
前記第２キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第２ダイアフラムと、
前記第２ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第２ダイアフラムクランプと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第２ダイアフラムに作動連結した、前記第２ダイアフラムを上昇および降下させる第２片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第２片持ち式圧電アクチュエータの前記第２端部を前記ポンプ胴部に固定する第２アクチュエータクランプと、
前記第３キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖し、前記第１ダイアフラムクランプによって前記ポンプ胴部に固定されている第３ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第３ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記第１ダイアフラムクランプによって前記ポンプ胴部に固定した、前記第３ダイアフラムを上昇および降下させる第３片持ち式圧電アクチュエータと、
前記第１、第２および第３片持ち式圧電アクチュエータに電圧を供給して前記第１、第２および第３ダイアフラムを上昇および降下させ、それによって前記通路を通る前記流体の流れを促進する電子制御回路と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ胴部は、第１側部および第２側部を有し、前記第１および第３キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第１側部に位置し、前記第２キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第２側部に位置している請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第１キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第１ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第１ダイアフラムに作動連結した、前記第１ダイアフラムを上昇および降下させる第１圧電アクチュエータと、
前記第２キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第２ダイアフラムと、
前記第１および第２ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する固定手段と、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第２ダイアフラムに作動連結した、前記第２ダイアフラムを上昇および降下させる第２圧電アクチュエータと、
前記第１圧電アクチュエータの前記第２端部および前記第２圧電アクチュエータの前記第２端部を前記ポンプ胴部に片持ち式に固定する片持ち式固定手段と、
前記第１および第２圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記第１および第２圧電アクチュエータが前記第１および第２ダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電気手段と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第３キャビティを有し、さらに、
前記第３キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖し、前記固定手段によって前記ポンプ胴部に固定されている第３ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第３ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記片持ち式固定手段によって前記ポンプ胴部に固定した、前記第３ダイアフラムを上昇および降下させる第３圧電アクチュエータとを含み、前記電気手段が前記第３圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第３圧電アクチュエータが前記第３ダイアフラムを上昇および降下させることができるようにした請求項３記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記ポンプ胴部は、第１側部および第２側部を有し、前記第１および第３キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第１側部に位置し、前記第２キャビティは、前記ポンプ胴部の前記第２側部に位置している請求項４記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記第１、第２および第３圧電アクチュエータの各々は、
第１圧電材料層と、
第２圧電材料層と、
前記第１および第２層を分離するシムとを含む請求項４記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記圧電材料は、５Ｈ種ジルコン酸チタン酸鉛である請求項６記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記シムは、黄銅である請求項６記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記シムは、炭素繊維複合材料である請求項６記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記固定手段は、さらに、
前記第１および第３ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第１ダイアフラムクランプと、
前記第２ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定する第２ダイアフラムクランプとを含む請求項５記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記固定手段は、前記第１、第２および第３ダイアフラムを前記ポンプ胴部に固定するクランプを含む請求項５記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記片持ち式固定手段は、前記クランプを含む請求項１１記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記片持ち式固定手段は、
前記第１圧電アクチュエータの前記第２端部および前記第３圧電アクチュエータの前記第２端部を前記ポンプ胴部に固定する第１アクチュエータクランプと、
前記第２圧電アクチュエータの前記第２端部を前記ポンプ胴部に固定する第２アクチュエータクランプとを含む請求項５記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記第１および第２アクチュエータクランプは、前記ポンプ胴部と一体化している請求項１３記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
前記電気手段は、
前記第１、第２および第３圧電アクチュエータに電圧を供給して前記第１、第２および第３ダイアフラムを上昇および降下させ、それによって前記通路を通る前記流体の流れを促進する電子制御回路を含む請求項６記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記電子制御回路は、さらに、
前記第１、第２および第３圧電アクチュエータの各々の前記第１および第２層に電圧を徐々に印加する手段を含む請求項１５記載のマイクロポンプ。
【請求項１７】
流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
前記流体容器から前記送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、
前記通路を前記第１キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第１ポンピング手段と、
前記第１ポンピング手段を作動させる第１圧電アクチュエータと、
前記通路を前記第２キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第２ポンピング手段と、
前記第２ポンピング手段を作動させる第２圧電アクチュエータと、
前記第１および第２圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記第１および第２圧電アクチュエータが前記第１および第２ポンピング手段を作動させることができるようにする電気手段と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。
【請求項１８】
前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第３キャビティを有し、さらに、
前記通路を前記第３キャビティの位置で開放および閉鎖し、前記通路を通る前記流体の流れを促進する真空を発生する第３ポンピング手段と、
前記第３ポンピング手段を作動させる第３圧電アクチュエータと、
前記第３圧電アクチュエータに電圧を印加して、前記３圧電アクチュエータが前記第３ポンピング手段を作動させることができるようにする電気手段とを含む請求項１７記載のマイクロポンプ。
【請求項１９】
前記第１ポンピング手段は、前記第１キャビティに係合可能な第１ピストンを含む請求項１８記載のマイクロポンプ。
【請求項２０】
前記第２ポンピング手段は、前記第２キャビティに係合可能な第２ピストンを含む請求項１９記載のマイクロポンプ。
【請求項２１】
前記第３ポンピング手段は、前記第３キャビティに係合可能な第３ピストンを含む請求項２０記載のマイクロポンプ。
【請求項２２】
前記第１ポンピング手段は、前記第１キャビティに係合可能な第１ダイアフラムを含む請求項１８記載のマイクロポンプ。
【請求項２３】
前記第２ポンピング手段は、前記第２キャビティに係合可能な第２ダイアフラムを含む請求項２２記載のマイクロポンプ。
【請求項２４】
前記第３ポンピング手段は、前記第３キャビティに係合可能な第３ダイアフラムを含む請求項２３記載のマイクロポンプ。
【請求項２５】
さらに、前記通路と連通した開放型容器を含む請求項１７記載のマイクロポンプ。
【請求項２６】
さらに、前記通路と連通した密閉型容器を含む請求項１７記載のマイクロポンプ。
【請求項２７】
通路を貫設し、該通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、前記第１および第２キャビティを覆う第１および第２ダイアフラムと、前記第１および第２ダイアフラムに片持ち式に取り付けられて、前記第１および第２ダイアフラムを上昇および降下させる第１および第２圧電アクチュエータとを含むマイクロポンプによって流体を容器から送り出し点へポンプ輸送する方法であって、
前記第１圧電アクチュエータを作動させて前記第１ダイアフラムを上昇させることによって、流体が前記容器から前記第１キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第２圧電アクチュエータを作動させて前記第２ダイアフラムを上昇させ、また、前記第１圧電アクチュエータを作動させて前記第１ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記第１キャビティから前記第２キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第２圧電アクチュエータを作動させて前記第２ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記送り出し点に向かって前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記通路から残留流体を除去する段階とを含む方法。
【請求項２８】
前記ポンプ胴部は、前記通路と交差する第３キャビティを有し、前記マイクロポンプは、さらに、前記第３キャビティを覆う第３ダイアフラムと、前記第３ダイアフラムを上昇および降下させる第３圧電アクチュエータとを含み、さらに、
前記第３圧電アクチュエータを作動させて前記第３ダイアフラムを上昇させる一方、前記第２圧電アクチュエータを作動させて前記第２ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記第２キャビティから前記第３キャビティへ前記通路を通って流れるようにする段階と、
前記第３圧電アクチュエータを作動させて前記第３ダイアフラムを降下させることによって、流体が前記送り出し点に向かって前記通路を通って流れるようにする段階とを含む請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第１キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第１ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第１ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記ポンプ胴部に連結して前記第１ダイアフラムを片持ち式に支持できるようにした第１圧電アクチュエータと、
前記第２キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第２ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第２ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記ポンプ胴部に連結して前記第２ダイアフラムを片持ち式に支持できるようにした第２圧電アクチュエータと、
前記第１および第２圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加して、前記第１および第２圧電アクチュエータが対応のダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電源と、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段とを含むマイクロポンプ。
【請求項３０】
前記圧電アクチュエータは、圧電バイモルである請求項２９記載のマイクロポンプ。
【請求項３１】
前記第１および第２ダイアフラムの作動が、ポンピングおよび弁作動の両方を制御する請求項２９記載のマイクロポンプ。
【請求項３２】
流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプであって、
流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有し、該通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、
前記第１キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第１ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第１ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記ポンプ胴部に連結した第１圧電バイモルアクチュエータと、
前記第２キャビティを覆っており、上昇および降下時に前記通路を開放および閉鎖する第２ダイアフラムと、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部を前記第２ダイアフラムに作動連結し、前記第２端部を前記ポンプ胴部に連結した第２圧電バイモルアクチュエータと、
流体が前記流体容器から前記送り出し点へポンプ輸送された後、残留流体を前記通路から除去する手段と、
前記第１および第２圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加する電源とを含み、前記第１圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第１ダイアフラムが変位して前記第１キャビティ内に第１タンクを生じ、流体を前記容器から前記入口を通って前記第１タンクに引き込むことができ、前記第１圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、前記第１ダイアフラムが逆方向に変位して、前記第１タンク内の流体を前記第１ダイアフラムより下流側の前記通路に流し込んで、前記第１キャビティを密閉することができるマイクロポンプ。
【請求項３３】
前記第２圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記第２ダイアフラムが変位して前記第２キャビティ内に第２タンクを生じ、流体を前記第１タンクより下流側の前記通路から前記第２タンクに引き込むことができ、前記第２圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、前記第２ダイアフラムが逆方向に変位して、前記第２タンク内の流体を前記第２タンクより下流側の前記通路に流し込んで、前記第２キャビティを密閉することができる請求項３２記載のマイクロポンプ。
【請求項３４】
前記電源は、前記第１および第２圧電アクチュエータに漸増または漸減電圧を印加する請求項２９記載のマイクロポンプ。
【請求項３５】
前記電源は、前記第１および第２圧電アクチュエータに漸増または漸減電圧を印加する請求項３３記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、流体を少量かつ制御流量で、容器から送り出し点へポンプ輸送する方法および装置の技術に関し、特に、医薬溶液または懸濁液などの流体の容器から送り出し点への送り出しを制御するために、圧電駆動ポンプを使用する方法および装置に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
医薬、化学および環境試験などの分野には、サンプル寸法、試薬のコスト、または携帯性の理由から、小型にした多くの流体素子工学的用例が存在する。そのような小型システムには、有能かつ信頼できる、ポンプを含めたコスト効率の高い流体素子構成部材が必要とされる。現在のポンプ構造は、一般的に、開閉する弁に基づいている。そのような弁は、大型装置でうまく働く構造を直接的に応用したものになり易いが、小型装置には必ずしも最良の選択ではない。これらの装置は、弁座または他の形式のシール部と焼き付き防止機構とを必要とし、一般的に比較的小さい全開クリアランスに制限される。
【０００３】
少量の流体を送り出し点へ送り出すための多数のマイクロポンプが存在する。一部のポンプは、電圧によって電気的に応力が加えられた時に寸法が変化する圧電素子を含む。スミッツ（Smits）の米国特許第４，９３８，７４２号は、圧電弁を備えたマイクロポンプを記載している。これらの弁は、単一の圧電材料層で被覆されたダイアフラムを含み、これによって弁の制御性および撓み可能性が制限される。
【０００４】
オオウミ（Ooumi）等の米国特許第５，６１１，６７６号は、片持ち式圧電バイモルの使用を示している。圧電バイモルは、２つの圧電材料層をシムで分離したものである。２つのバイモル層間に電界を加えることによって、一方の層が膨張し、他方が収縮する。最終的な結果として、個々の層の長さまたは厚さ変形より、遥かに大きく湾曲する。しかし、オオウミ等特許のマイクロポンプは、圧電バイモルを多重機能的なシールおよびポンプとしてではなく、開口の開閉を行う単一機能的なシールとして、または、単一機能的なポンプとして使用しているだけである。
【０００５】
本発明は、構造が簡単で、効率的に使用でき、小型である新規の改良型圧電マイクロポンプを考えている。新規の改良型圧電マイクロポンプは、低電力消費量で増加した流体流量を与える。それは、上記問題を解決しながら、良好でより有利な全体的結果を与える。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によれば、流体を正確な少量または制御流量で流体容器から送り出し点へポンプ輸送する新規の改良型圧電マイクロポンプが提供されている。
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、ポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。通路は、流体容器から送り出し点までの間でポンプ胴部に貫設されている。ポンプ胴部は、通路と交差する第１、第２および第３キャビティを有する。第１ダイアフラムは、第１キャビティを覆っており、第１ダイアフラムが上昇および降下する時に、通路が開放および閉鎖される。第１ダイアフラムクランプは、第１ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第１片持ち式圧電アクチュエータは、第１ダイアフラムを上昇および降下させる。第１片持ち式圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第１ダイアフラムに作動連結されている。第１アクチュエータクランプは、第１片持ち式圧電アクチュエータの第２端部をポンプ胴部に固定している。第２ダイアフラムは、第２キャビティを覆っており、第２ダイアフラムが上昇および降下する時に通路が開放および閉鎖される。第２ダイアフラムクランプは、第２ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第２片持ち式圧電アクチュエータは、第２ダイアフラムを上昇および降下させる。第２片持ち式圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第２ダイアフラムに作動連結されている。第２アクチュエータクランプは、第２片持ち式圧電アクチュエータの第２端部をポンプ胴部に固定している。第３ダイアフラムは、第３キャビティを覆っている。第３ダイアフラムは、上昇および降下する時に通路を開放および閉鎖する。第３ダイアフラムは、第１ダイアフラムクランプによってポンプ胴部に固定されている。第３片持ち式圧電アクチュエータは、第３ダイアフラムを上昇および降下させる。第３片持ち式圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第３ダイアフラムに作動連結され、第２端部が第１アクチュエータクランプによってポンプ胴部に固定されている。電子制御回路は、第１、第２および第３片持ち式圧電アクチュエータに電圧を供給することによって、第１、第２および第３ダイアフラムを所定間隔で上昇および降下させ、それによって通路を通る流体の流れを促進する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有するポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。ポンプ胴部は、通路と交差する第１および第２キャビティを有する。第１ダイアフラムは、第１キャビティを覆っている。第１圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第１ダイアフラムに作動連結されている。第１ダイアフラムは、第１圧電アクチュエータに応じて上昇および降下する時に通路を開放または閉鎖する。第２ダイアフラムは、第２キャビティを覆っている。第２ダイアフラムは、上昇および降下する時に通路を開放および閉鎖する。固定装置が、第１および第２ダイアフラムをポンプ胴部に固定している。第２圧電アクチュエータは、第２ダイアフラムを上昇および降下させる。第２圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第２ダイアフラムに作動連結されている。第１および第２圧電アクチュエータの第２端部は、ポンプ胴部に固定されており、アクチュエータの第１端部は、ポンプ胴部から片持ち式に支持されている。電気装置が第１および第２圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第１および第２圧電アクチュエータは、第１および第２ダイアフラムを所定間隔で上昇および降下させることができる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、マイクロポンプのポンプ胴部は、通路と交差する第３キャビティを有する。マイクロポンプは、さらに、第３キャビティを覆う第３ダイアフラムを含む。第３ダイアフラムは、上昇および降下時に通路を開放および閉鎖する。第３ダイアフラムは、固定装置によってポンプ胴部に固定されている。第３圧電アクチュエータは、第３ダイアフラムを上昇および降下させる。第３圧電アクチュエータは、第１端部および第２端部を有し、第１端部が第３ダイアフラムに作動連結されている。第３圧電アクチュエータの第２端部は、片持ち式固定手段によってポンプ胴部に固定されている。電気装置が第３圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第３圧電アクチュエータは、第３ダイアフラムを上昇および降下させることができる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部を含み、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。ポンプ胴部は、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路を有する。ポンプ胴部は、通路と交差する第１および第２キャビティを有する。第１ポンピング装置は、通路を第１キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する。第１圧電アクチュエータは、第１ポンピング装置を作動させる。第２ポンピング装置は、通路を第２キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する。第２圧電アクチュエータは、第２ポンピング装置を作動させる。電気装置が、第１および第２圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第１および第２圧電アクチュエータは、第１および第２ポンピング装置を作動させることができる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部は、通路と交差する第３キャビティを有する。マイクロポンプは、さらに、通路を第３キャビティの位置で開放および閉鎖し、通路を通る流体の流れを促進する真空を発生する第３ポンピング装置を含む。第３圧電アクチュエータは、第３ポンピング装置を作動させる。電気装置は、第３圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、前記３圧電アクチュエータは、第３ポンピング装置を作動させることができる。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。マイクロポンプは、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路と、通路と交差する第１および第２キャビティとを有するポンプ胴部を含む。マイクロポンプは、それぞれ第１および第２キャビティを覆う第１および第２ダイアフラムを含む。マイクロポンプは、さらに、それぞれが第１端部および第２端部を有する第１および第２圧電アクチュエータを含む。アクチュエータの第１端部は、対応のダイアフラムに作動連結され、第２端部は、ポンプ胴部に連結されて、ダイアフラムを片持ち式に支持している。また、ポンプが第１および第２圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加することによって、前記第１および第２圧電アクチュエータは、対応のダイアフラムを上昇および降下させることができるようにする電源を含む。第１および第２ダイアフラムの各々は、圧電アクチュエータがそれら上昇および降下させた時に通路を開放および閉鎖する。
【００１３】
上記マイクロポンプの圧電アクチュエータは、圧電バイモルにすることができる。そのようなポンプでは、第１および第２ダイアフラムの作動は、ポンピングおよび弁作動の両方を制御する。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、流体を流体容器から送り出し点へポンプ輸送するマイクロポンプが開示されている。マイクロポンプは、流体容器から送り出し点までの間に貫設された通路と、通路と交差する第１および第２キャビティとを有するポンプ胴部を含む。マイクロポンプは、それぞれ第１および第２キャビティを覆う第１および第２ダイアフラムを含む。マイクロポンプは、さらに、それぞれが第１端部および第２端部を有する第１および第２圧電バイモルを含む。第１端部は、それぞれ第１および第２ダイアフラムに作動連結され、第２端部は、ポンプ胴部に連結されている。また、マイクロポンプが第１および第２圧電アクチュエータの各々に電圧を選択的に印加することによって、対応のダイアフラムを上昇および降下させることができる電源を含む。第１および第２ダイアフラムの各々は、圧電アクチュエータがそれらを上昇および降下させた時に通路を開放および閉鎖する。第１圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第１ダイアフラムが変位して第１キャビティ内に第１タンクを生じ、流体を容器から入口を通って第１タンクに引き込むことができ、第１圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、第１ダイアフラムが逆方向に変位して、第１タンク内の流体を第１タンクより下流側の通路に流し込んで、第１キャビティを密閉することができる。
【００１５】
本発明のさらに別の態様によれば、上記マイクロポンプの第２圧電アクチュエータに電圧を印加することによって、第２ダイアフラムが変位して第２キャビティ内に第２タンクを生じ、流体を第１タンクより下流側の通路から第２タンクに引き込むことができ、第２圧電アクチュエータに逆電圧を印加することによって、第２ダイアフラムが逆方向に変位して、第２タンク内の流体を第２タンクより下流側の通路に流し込んで、第２キャビティを密閉することができる。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、マイクロポンプによって流体を容器から送り出し点へポンプ輸送する方法が開示されている。マイクロポンプは、通路を貫設し、通路と交差する第１および第２キャビティを有するポンプ胴部と、第１および第２キャビティを覆う第１および第２ダイアフラムと、ポンプ胴部と第１および第２ダイアフラムとの間に片持ち式に取り付けられて、第１および第２ダイアフラムを上昇および降下させる第１および第２圧電アクチュエータとを含む。本方法は、第１圧電アクチュエータを作動させて第１ダイアフラムを上昇させることによって、流体が容器から第１キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第２圧電アクチュエータを作動させて第２ダイアフラムを上昇させ、また、第１圧電アクチュエータを作動させて第１ダイアフラムを降下させることによって、流体が第１キャビティから第２キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第２圧電アクチュエータを作動させて第２ダイアフラムを降下させることによって、流体が送り出し点に向かって通路を通って流れるようにする段階とを含む。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、ポンプ胴部は、通路と交差する第３キャビティを有しており、マイクロポンプは、さらに、第３キャビティを覆う第３ダイアフラムと、第３ダイアフラムを上昇および降下させる第３圧電アクチュエータとを含む。本方法は、さらに、第３圧電アクチュエータを作動させて第３ダイアフラムを上昇させる一方、第２圧電アクチュエータを作動させて第２ダイアフラムを降下させることによって、流体が第２キャビティから第３キャビティへ通路を通って流れるようにする段階と、第３圧電アクチュエータを作動させて第３ダイアフラムを降下させることによって、流体が送り出し点に向かって通路を通って流れるようにする段階とを含む。
【００１８】
本発明の１つの利点は、マイクロポンプが正確な量の流体の流れを制御することであり、これは、医薬または他の流体を正確な量または制御流量で分配するのに特に好都合である。
【００１９】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータおよびダイアフラムアセンブリの各々が、マイクロポンプの通路用のゲートと、マイクロポンプを通る流体の流れを促進するポンプの両方の働きをすることである。
【００２０】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータに印加される電圧のレベルを変化させ、それによって撓み量およびダイアフラムが上昇するレベルを制御することによって、流体の流量を制御することができることである。
【００２１】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータのポンピングサイクルの周波数を変化させることによって、流体の流量を制御することができることである。
【００２２】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータに増加または減少する電圧を漸進的に印加することによって、マイクロポンプを通る流体の流れが安定することである。
【００２３】
本発明の別の利点は、圧電アクチュエータをポンプ胴部およびダイアフラム間に片持ち式に支持することによって、圧電円形ディスクと比較してダイアフラムの撓みを増加させることができ、電力消費量を制御しながら流体の流れを最大にすることができることである。
【００２４】
本発明のさらなる利点は、当該技術分野の専門家には以下の詳細な説明を読んで理解すれば明らかになるであろう。
【００２５】
本発明は一定の部品の物理的な形および部品配置をとることができ、それの好適な実施形態が本明細書に詳細に記載され、添付の図面に示されている。
【００２６】
【好適な実施形態の説明】
本発明の好適な実施形態を示すことを目的とし、本発明を制限する目的はない図面を参照すると、図１は、正確な量の流体を容器１４から送り出し点１８へ送り出すマイクロポンプ１０の斜視図である。マイクロポンプ１０は、ポンプ胴部２２を含む。好適な実施形態では、ポンプ胴部２２は、好ましくは、デルリン（Delrin）などの成形または機械加工プラスチックで形成されている。
【００２７】
医薬または他の用途の場合、ポンプ胴部２２を抗菌材料で形成するか、抗菌コーティングを設けることができる。抗菌材料またはコーティングは、非浸出性でなければならない。マイクロポンプ１０を無菌状態で包装できるように、ポンプ胴部２２および他の構成部材が殺菌に適合することが好ましい。
【００２８】
図１を続けて参照しながら説明すると、図２は、マイクロポンプ１０の分解図である。ポンプ胴部２２内に通路２６が設けられている。通路２６は、好ましくは、ポンプ胴部２２内に成形または機械加工されており、ポンプ輸送される溶液および微細懸濁液を含む流体と物理的に適合している。通路２６および流体と接触する他の総てのポンプ表面は、ポンプ輸送される流体と化学的に適合している。通路２６は、容器１４を交換可能に接続する入口３０からポンプ胴部２２を通って、図３に示されている出口３２および送り出し点１８まで延びている。
【００２９】
図１および図２を続けて参照しながら説明すると、図１の線分３−３に沿った断面図である図３に示されているように、通路２６は、入口３０から出口３２までポンプ胴部２２内を好ましくはジグザグ状に進んでいる。通路２６は、３つの通路キャビティ３４、３６、３８と交差してそれに開いている。これらのキャビティ３４、３６、３８は、好ましくは、非浸出性のエラストマーダイアフラム４０、４２、４４で覆われている。ダイアフラム４０、４２、４４は、好ましくは、シリコーンディスク製であり、約１０〜１００マイクロリットル／秒の範囲でポンプ輸送することができるポンプでは、厚さが約０．０１２７センチ（０．００５インチ）で、直径が約１２ミリである。ダイアフラム４０、４２、４４がキャビティ３４、３６、３８内でポンプ胴部２２に密接状に付着する時、通路２６は、キャビティ３４、３６、３８の各々の位置で閉鎖される。ダイアフラム４０、４２、４４がそれのキャビティ３４、３６、３８から引き離された時、通路２６の対応部分は、開放する。
【００３０】
図１、図２および図３を続けて参照すると、圧電アクチュエータ４６、４８、５０は、それぞれ第１端部６４、６６、６８でダイアフラム４０、４２、４４に取り付けられている。好適な実施形態では、ダイアフラム４０、４２、４４を圧電アクチュエータ４６、４８、５０に取り付けるために、シリコーン接着剤または他の適合接着剤が使用される。しかし、いずれの適当な付着方法を使用してもよい。たとえば、ダイアフラム４０、４２、４４にスロットを設け、それに圧電アクチュエータ４６、４８、５０の第１端部を嵌め込むようにしたり、ダイアフラム４０、４２、４４および圧電アクチュエータ４６、４８、５０を一体部材に成形していもよい。
【００３１】
圧電アクチュエータ４６、４８、５０は、アクチュエータクランプ７８、８０によってポンプ胴部２２に取り付けることができる。本発明の１つの実施形態では、アクチュエータクランプ７８、８０は、ポンプ胴部２２と別体に構成された部片である。しかし、アクチュエータクランプ７８、８０をポンプ胴部２２と一体成形することもできる。圧電アクチュエータ４６、４８、５０の第２端部７０、７２、７４をポンプ胴部２２に固定することによって、片持ち式取り付けシステムが形成される。圧電アクチュエータ４６、４８、５０がある印加電圧で得られる圧電撓みを最大にするために、片持ち式取り付けシステムおよび圧電バイモルの使用が好ましい。電圧を圧電アクチュエータ４６、４８、５０に印加すると、第２端部７０、７２、７４は静止したままであるが、第１端部６４、６６、６８がポンプ胴部２２に対して変位し、それによってダイアフラム４０、４２、４４が上昇または降下する。ダイアフラム４０、４２、４４の１つが撓むことによって、ポンプ胴部２２内を通っている通路２６の対応部分が開放する。好適な実施形態では、ダイアフラム４０、４２、４４は、ダイアフラムクランプ８４、８６によってキャビティ３４、３６、３８内でポンプ胴部２２とさらにしっかり接触する状態に保持される。
【００３２】
圧電アクチュエータ４６、４８、５０は、好ましくは圧電バイモルアクチュエータである。図４は、圧電アクチュエータの１つ４６の詳細図である。圧電アクチュエータ４６は、好ましくは、２つの圧電セラミック層５４、５６を好ましくは黄銅または適当な炭素繊維材料製のシム６０で分離して構成されている。２つの圧電セラミック材料層５４、５６間に電界を印加することによって、一方の圧電セラミック層５４が膨張し、他方の圧電セラミック層５６が収縮する。最終的な結果として、個々の圧電セラミック部材５４、５６の長さまたは厚さ変形より、遥かに大きく湾曲する。約１０〜１００マイクロリットル／秒の範囲でポンプ輸送することができるポンプの圧電アクチュエータ４６は、幅が約０．１９０５センチ（０．０７５インチ）で、片持ち長さが約２．５４センチ（１．０インチ）である。好適な圧電セラミックス５４、５６は、ジルコン酸チタン酸鉛５Ｈ種（lead ziroconate titanate, class 5H）である。５Ａ種の圧電セラミックスも使用できるが、５Ｈ種圧電セラミックスと同様な動きを達成するために必要な電圧が高くなる。圧電バイモルを使用することによって、ダイアフラム４０、４２、４４は、シールおよびポンプの両方の機能を果たすことができる。ダイアフラム４０、４２、４４の１つが一方向に変位することによって、対応のキャビティ３４、３６、３８が開放して、流体用のタンクを形成する。ダイアフラム４０、４２、４４が逆方向に変位すると、流体がタンクおよびキャビティ３４、３６、３８から押し出される。
【００３３】
図１、図２および図３を続けて参照しながら説明すると、図５Ａ〜図５Ｅは、マイクロポンプ１０のポンピングサイクルを示している。各ダイアフラム４０、４２、４４は、圧電アクチュエータ４６、４８、５０によって独立的に制御される。ポンピングサイクル中に、圧電アクチュエータ４６、４８、５０が協働して、流体を容器１４から送り出し点１８へ一方向に移動させる。一方向の流れとダイアフラム４０、４２、４４のシール作用とによって、流体の一体性が維持される。
【００３４】
マイクロポンプ１０が図５Ａに示されているような休止位置にある時、ダイアフラム４０、４２、４４の各々は、キャビティ３４、３６、３６に当接した降下位置にあり、そのためにキャビティ３４、３６、３８の各々の位置で通路２６が閉鎖される。図５Ｂに示されているような第１作動段階において、圧電アクチュエータ４６に電圧が印加されることによって第１ダイアフラム４０が撓む、すなわち上昇し、そのために圧電アクチュエータ４６の第１端部６４が変位する。ダイアフラム４０が上昇することによって、通路２６内のキャビティ３４内に真空が発生するため、流体が容器１４から入口３０を通って、上昇ダイアフラム４０によってキャビティ３４内に生じたタンクに引き込まれる。ここで使用するダイアフラムの「上昇」とは、ダイアフラムが開放すなわち離脱位置へ移動することを意味し、この移動が上向きの方向である必要はない。同様に、ダイアフラムの「降下」とは、ダイアフラムが閉鎖すなわち着座位置へ移動することを意味し、この移動が下向き方向である必要はない。
【００３５】
図５Ｃに、ポンピングサイクルの第２段階が示されている。圧電アクチュエータ４８に電圧を印加することによって、ダイアフラム４２を上昇させて、通路２６内のキャビティ３６に真空を発生する。同時に、逆電圧を圧電アクチュエータ４６に印加することによって、第１端部６４がダイアフラム４０を降下させる。ダイアフラム４２によってキャビティ３６内に発生した真空とダイアフラム４０の降下とによって、流体がキャビティ３４内に生じたタンクからキャビティ３６内に生じたタンクへ流れる。
【００３６】
図５Ｄは、ポンピングサイクルの次の段階を示している。圧電アクチュエータ５０に電圧を印加することによって、圧電アクチュエータ５０の第１端部６８がダイアフラム４４を上昇させて、キャビティ３８内に真空を生じる。同時に、逆電圧を圧電アクチュエータ４８に印加することによって、圧電アクチュエータ４８の第１端部６６がダイアフラム４２をタンク内へ降下させる。ダイアフラム４４の上昇によって発生した真空とダイアフラム４２の降下とによって、流体が通路２６を通ってキャビティ３８へ押し進められる。
【００３７】
図５Ｅは、ポンピングサイクルの最終段階を示している。逆電圧を圧電アクチュエータ５０に印加することによって、圧電アクチュエータ５０の第１端部６８を降下させ、ダイアフラム４４を降下させる。ダイアフラム４４の降下によって、流体が、キャビティ３８内に生じたタンクから通路２６および出口３２を通って送り出し点１８へ押し進められる。
【００３８】
図６は、水をポンプ輸送するためのマイクロポンプ１０の理論作動中に圧電アクチュエータ４６、４８、５０に印加される電圧を示すグラフである。符号１で示されたグラフは、第１圧電アクチュエータ４６に印加された電圧を示している。符号２で示されたグラフは、第２圧電アクチュエータ４８に印加された電圧を示している。符号３で示されたグラフは、第３圧電アクチュエータ５０に印加された電圧を示している。３つのグラフ１、２、３は、総て、ｘ軸に沿った時間と共に示されている。マイクロポンプ１０の作動中のアクチュエータの振動および可聴騒音を防止すると共に、通路２６内の均一な流れを助長するために、グラフ１、２、３に示されているように、各電圧は、漸増的に印加される。圧電アクチュエータ４６、４８、５０への電圧印加は、図１に示されている、電子工学の技術分野の専門家には周知の制御回路８８によって制御される。グラフ１のピークは、ポンピングサイクルの図５Ｂに示されている段階にほぼ対応する。グラフ２のピークは、ポンピングサイクルの図５Ｃに示されている段階にほぼ対応する。グラフ３のピークは、ポンピングサイクルの図５Ｄに示されている段階にほぼ対応する。電圧の漸増および様々なアクチュエータの起動のタイミングは、一方向への流れを制御し、逆流を最小限に抑えることができるようにする。波形およびタイミングは、ポンプ輸送される流体および所望の流体出力に応じて変化するであろう。
【００３９】
好適な実施形態では、圧電アクチュエータ４６、４８、５０に印加される最大電圧が１２０ボルトである。バッテリを使用して圧電アクチュエータ４６、４８、５０に電力を供給する場合、一般的なバッテリの電圧を制御回路８８によって段階的に増加させて、圧電アクチュエータ４６、４８、５０の圧電効果を生じることができる十分な電圧を与えるようにしなければならない。好適な実施形態では、図１に示されているように、圧電アクチュエータ４６、４８、５０に取り付けられたリード線９０、９２で電圧が印加される。しかし、圧電アクチュエータ４６、４８、５０に電圧を供給する他の適当な方法を使用してもよく、例えば、制限的ではないが、導電性ストリップまたは他の適当な材料を使用することができる。
【００４０】
マイクロポンプ１０を通る流体の流量は、３つの方法の１つまたはそれらの組み合わせの方法によて制御することができる。マイクロポンプ１０を通る流体の流量を制御する第１の最も好適な方法は、ポンピングサイクルの周波数を増減させることによるものである。ポンピングサイクルの周波数は、圧電アクチュエータ４６、４８、５０への電圧の印加を高速化または低速化するように、制御回路８８をプログラムすることによって制御することができる。
【００４１】
マイクロポンプ１０を通る流体の流量を制御する第２方法は、圧電アクチュエータ４６、４８、５０に印加される電圧レベルを制御することである。圧電アクチュエータ４６、４８、５０に低電圧を印加すると、圧電アクチュエータ４６、４８、５０の撓み量が減少し、そのためにダイアフラム４０、４２、４４が上昇する高さが制限される。ダイアフラム４０、４２、４４の変位によって、ポンピングサイクル中にキャビティ３４、３６、３８内に発生する真空が制限される。真空が小さいほど、タンク１４から引き出されてポンプ１０を通る流体の量が減少する。
【００４２】
マイクロポンプ１０を通る流体の流量を制御する第３方法は、通路２６の直径を制御することによる。通路２６の直径が大きいほど、マイクロポンプ１０内を流れる流体の量が増加する。
【００４３】
本発明の好適な実施形態では、マイクロポンプ１０を流れる流体の流量が、約１０マイクロリットル／秒から１００マイクロリットル／秒の間である。圧電アクチュエータ４６、４８、５０の正確な動作によって、低流量で狭い公差が得られる。１回分に対して多重ダイアフラムサイクルを使用することによって、少量で狭い公差が得られる。
【００４４】
容器１４は、図１に示されているような開放型タンクでもよいが、容器１４は、密閉収縮型容器でもよい。開放型タンクを使用する場合、マイクロポンプ１０をほぼ直立向きに維持し、容器１４をポンプ胴部２２の上部に置く必要がある。密閉収縮型容器を使用する場合、マイクロポンプ１０は、様々な向きで使用することができる。しかし、マイクロポンプ１０の現在形式では、密封収縮型容器を使用する時でも、容器１４をポンプ胴部２２の上部に置いた向きの時に最良に作動し続ける。向きの変化は、向きの変化に伴った重力効果および上部圧力の変化と共に、マイクロポンプ１０内を流れる流体の流量に影響を与えるであろう。
【００４５】
図７は、本発明の変更形実施形態を示しており、ポンプ１０’は、２つのダイアフラム４０’、４２’によって覆われた２つのキャビティ３４’、３６’を有するポンプ胴部２２’を特徴としている。２つのダイアフラム４０’、４２’は、これらのダイアフラム４０’、４２’を上昇および降下させる２つの圧電アクチュエータ４６’、４８’に取り付けられている。図７のマイクロポンプ１０’は、マイクロポンプ１０と同様に機能して働くが、図１、図２および図３に示されているような３つのダイアフラム４０、４２、４４を有するマイクロポンプ１０の方が、制御性が高いために好ましい。マイクロポンプ１０’は、また、流体が第１キャビティ３４’から第２キャビティ３６’へ流れる時に通路２６’が完全に開放しているため、マイクロポンプ１０の場合より容器１４’から上部圧力を受け易い。正圧を受けた流体容器をマイクロポンプ１０’に使用することによって、この問題を克服することができるであろう。
【００４６】
マイクロポンプ１０は、マイクロポンプ１０の作動後に残留流体を通路２６から除去するために、パージ機構を含むことができる。マイクロポンプ１０から流体を除去することは、通路２６内の特に出口３２付近での微生物の生育を防止したり、通路２６内での残留物の蓄積を防止するために望ましい。後述するように、パージ機構は、パージング媒体を導入すると共に、パージング媒体が通路２６を通り抜けるようにする装置を含むことができる。
【００４７】
図８は、マイクロポンプ１０”の作動後に通路２６”から流体を除去するための手段を組み込んだ本発明の実施形態を示している。パージ機構は、パージング媒体を通路２６”に導入するための入口３１”を含む。ポンプ胴部２２”は、入口３０”から出口３２”まで延びた通路２６”を有する。通路２６”は３つの通路キャビティ３４”、３６”、３８”と交差している。これらのキャビティ３４”、３６”、３８”は好ましくは、エラストマーダイアフラム４０”、４２”、４４”によって覆われている。第２および第３ダイアフラム４２”、４４”は、それぞれ、上記のように圧電アクチュエータ４８”、５０”によって制御される。ポンプ胴部２２”には、第１キャビティ３４”に通じる第２入口３１”も設けられている。ダイアフラム４０”は、第１キャビティ３４”を覆っている。第１圧電アクチュエータ４６”が、通路２６”の入口３０”に通じる部分の上方でダイアフラム４０”を上昇および降下させ、第２圧電アクチュエータ４７”が、第２入口３１”および通路２６”の第２キャビティ３６”に向かって続く部分の上方でダイアフラム４０”を上昇および降下させる。先行実施形態で説明したように、マイクロポンプ１０”の作動中、圧電アクチュエータ４６”、４８”、５０”は、ダイアフラム４０”、４２”、４４”を上昇および降下させる。
【００４８】
パージングは、ポンピングサイクルの完了時に、濾過空気、水、洗浄流体または他の適当な物質にすることができるパージング媒体を入口３１”からマイクロポンプ１０”に導入することによって行うことができる。パージング中、圧電アクチュエータ４６”が、入口３０”に続く通路２６”を密閉する。パージング媒体を通路２６”の端から端まで流すために３つの方法を用いることができる。第１方法として、パージング媒体を第２入口３１”から導入し、前述したようマイクロポンプ１０”内をポンプ輸送するが、圧電アクチュエータ４６”の代わりに圧電アクチュエータ４７”がダイアフラム４０”を上昇および降下させる。第２方法として、アクチュエータ４７”、４８”、５０”がダイアフラム４０”、４２”、４４”を開放状態に保持している間に、パージング媒体を加圧状態で第２入口３１”から供給することによって、パージング媒体が通路２６”を吹き抜けることができるようにする。第３方法として、ダイアフラム４０”、４２”、４４”の各々をアクチュエータ４７”、４８”、５０”によって開放状態に保持することによって、出口３２”の機構（図示せず）がパージング媒体を引き出す時、パージング媒体が入口３１”から流入して通路２６”を通り抜けるようにする。この機構は、例えば、電気流体力学的スプレー装置にすることができる。パージング流体をマイクロポンプ１０”に導入するための１つの方法および装置を開示しているが、パージング媒体を入口３０”または第１ダイアフラム４０”の位置またはその付近に導入して、マイクロポンプ１０”内をポンプ輸送して押し進める、または引き出す他の方法および装置を使用することもできる。
【００４９】
本発明のさらに別の実施形態では、ダイアフラム４０、４２、４４の代わりに、流体流を誘発するためにキャビティ３４、３６、３８内で移動するピストンまたは他のポンピング装置を用いてもよい。
【００５０】
以上に、好適な実施形態を説明してきた。本発明の包括的範囲から逸脱することなく上記方法に変更および変化を組み込むことができることは、当該技術分野の専門家には明らかであろう。本発明は、請求項またはその同等物の範囲に入る変更および修正をすべて包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  圧電マイクロポンプの側部斜視図である。
【図２】  図１の圧電マイクロポンプの分解図である。
【図３】  図１の線分３−３に沿った圧電マイクロポンプの断面図である。
【図４】  圧電アクチュエータの側部斜視図である。
【図５Ａ】  圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図５Ｂ】  圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図５Ｃ】  圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図５Ｄ】  圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図５Ｅ】  圧電マイクロポンプのポンピングサイクルを示す概略図である。
【図６】  圧電マイクロポンプの実施形態のための電気制御回路の波形のグラフである。
【図７】  ２つのダイアフラムを有する圧電マイクロポンプの側部斜視図である。
【図８】  通路から流体を除去するための手段を特徴とする圧電マイクロポンプの変更形実施形態の斜視図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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