(57)【要約】【課題】簡単な構成で小型化および低コスト化を図ることのできるマイクロポンプの駆動回路を提供すること。【解決手段】コンデンサＣ１と、コンデンサを定電流で充電するための定電流充電部５１と、コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部５２と、コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するためのバッファ部５３と、定電流充電部５１と定電流放電部５２とを周期的に切り換えて作動させるための切り換え部５４とを有する。【選択図】      図５
2005315225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサと、
前記コンデンサを定電流で充電するための定電流充電部と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するためのバッファ部と、
前記定電流充電部と前記定電流放電部とを周期的に切り換えて作動させるための切り換え部と、
を有することを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項２】
コンデンサと、
直流電源から定電流を流して前記コンデンサを充電するための定電流充電部と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するためのバッファ部と、
制御信号に基づいて前記定電流充電部と前記定電流放電部とを切り換えて作動させるための切り換え部と、を有し、
前記定電流充電部が動作するように切り換えられている第１の時間より短い時間において、前記定電流充電部は前記コンデンサを前記直流電源の電圧まで充電するよう、且つ前記定電流放電部が動作するように切り換えられている第２の時間より短い時間において、前記定電流放電部は前記コンデンサを電圧零まで放電するよう、前記定電流充電部および前記定電流放電部のそれぞれの電流が設定されてなる、
ことを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項３】
前記定電流放電部は、定電流ダイオードを有して構成されている、
請求項２記載のマイクロポンプの駆動回路。
【請求項４】
前記定電流放電部は、接合型ＦＥＴを有して構成されている、
請求項２記載のマイクロポンプの駆動回路。
【請求項５】
前記バッファ部は、トランジスタのエミッタフォロワ回路によって構成されている、
請求項２ないし４のいずれかに記載のマイクロポンプの駆動回路。
【請求項６】
コンデンサと、
直流電源から定電流を流して前記コンデンサを充電するための、トランジスタを含んで構成された定電流充電回路と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための、定電流素子を含んで構成された定電流放電回路と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するための、トランジスタを含んで構成されたバッファ回路と、
前記定電流回路のトランジスタを動作させて前記コンデンサを充電する動作と前記定電流放電回路によって前記コンデンサを放電させる動作とを切り換えるための、所定のデューティ比でオンオフが周期的に切り換わるパルス状の制御信号を出力する回路と、を有し、
前記コンデンサを充電する動作に切り換えられている第１の時間より短い時間において、前記定電流充電回路は前記コンデンサを前記直流電源の電圧まで充電するよう、且つ前記コンデンサを放電させる動作に切り換えられている第２の時間より短い時間において、前記定電流放電回路は前記コンデンサを電圧零まで放電するよう、前記定電流充電回路および前記定電流放電回路のそれぞれの電流が設定されてなる、
ことを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項７】
コンデンサと、
前記コンデンサを定電流で充電するための定電流充電部と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するための複数のバッファ部と、
前記定電流充電部と前記定電流放電部とを周期的に切り換えて作動させるための切り換え部と、を有し、
前記複数のバッファ部は、それぞれ、前記電圧波形とそれを所定の比率で減衰させた減衰電圧波形とを切り換えて取り出す回路を有し、
前記複数のバッファ部が前記電圧波形を順次出力するように所定の周期で切り換えられ、各周期において、前記電圧波形を出力していないバッファ部は前記減衰電圧波形を出力するように制御されている、
ことを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項８】
コンデンサと、
直流電源から定電流を流して前記コンデンサを充電するための定電流充電部と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するための複数のバッファ部と、
制御信号に基づいて前記定電流充電部と前記定電流放電部とを切り換えて作動させるための切り換え部と、を有し、
前記複数のバッファ部は、それぞれ、前記電圧波形を分圧するために直列に接続された３つの抵抗およびトランジスタを含んで構成された第１のバッファ回路と、前記３つの抵抗のうちの２つの抵抗の接続部分の電圧波形を出力するためのトランジスタを含んで構成された第２のバッファ回路と、前記２つの抵抗の残りの１つの抵抗を短絡させるためのスイッチ回路と、を有してなる、
ことを特徴とするマイクロポンプの駆動回路。
【請求項９】
前記定電流充電部の充電速度が、前記定電流放電部の放電速度とは異なる、
請求項１ないし５、７、または８のいずれかに記載のマイクロポンプの駆動回路。
【請求項１０】
コンデンサと、
直流電源から定電流を流して前記コンデンサを充電するための定電流充電部と、
前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、
前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するためのバッファ部と、
制御信号に基づいて前記定電流充電部と前記定電流放電部とを切り換えて作動させるための切り換え部と、を有し、
前記定電流充電部が動作するように切り換えられている第１の時間より短い時間において、前記定電流充電部は前記コンデンサを前記直流電源の電圧まで充電するよう、且つ前記定電流放電部が動作するように切り換えられている第２の時間より短い時間において、前記定電流放電部は前記コンデンサを電圧零まで放電するよう、前記定電流充電部および前記定電流放電部のそれぞれの電流が設定されてなる、
ことを特徴とする台形波発生回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、台形波を印加することによって動作するマイクロポンプの駆動回路に関する。本発明は、例えばチャンバーに接続された２つの絞り流路およびチャンバーの容積を増減するアクチュエータを有し、チャンバーの容積を増やすときと減らすときとで２つの絞り流路の流路抵抗の比を変化させて送液を行うように構成されたマイクロポンプの駆動に利用される。
【背景技術】
【０００２】
従来において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System)が注目されている。μ−ＴＡＳに必要な要素として、微小量の液体を搬送するマイクロポンプがある。本出願人は、そのようなマイクロポンプを特許文献１において提案した。そのようなマイクロポンプは、立ち上がり時間と立ち下がり時間とが異なる台形状の電圧を、圧電素子などのアクチュエータに印加することによって駆動が行われる。
【０００３】
そのような台形波（台形波形）を発生する駆動回路は、のこぎり波を発生させて上限をクランプさせたり、デジタルデータによって台形波を生成することによって構成することができる。
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の駆動回路は、演算増幅器やコイル部品などの大型部品を必要とし、回路が複雑で部品点数が多いので、小型化に限界があった。特に、デジタル的に台形波を生成する場合には、メモリ、演算回路、ＤＡ変換器、波形成形回路などが必要であるので規模が大きくなる。
【０００５】
また、図１３に示すような回路構成とすることも考えられる。
【０００６】
すなわち、図１３に示す駆動回路８０においては、演算増幅器（オペアンプ）ＡＭＰ１を用いた積分回路によって立ち上がりおよび立ち下がりの直線部を得て、台形波を生成する。その結果、図１４に示すように、制御信号Ｓ１が「Ｈ」である時間Ｔ１の途中までに立ち上がり、制御信号Ｓ１が「Ｌ」である時間Ｔ２の途中までに立ち下がる。立ち上がり時間Ｔｒおよび立ち下がり時間Ｔｆは抵抗Ｒ１０，Ｒ１１などによって調整することができる。
【０００７】
しかし図１３に示す駆動回路８０では、図１４に示すように台形波の立ち上がり時に負の方向にスパイク状のオーバーシュートが発生するという問題がある。このオーバーシュートを無くすには、特性のよい高価な演算増幅器ＡＭＰ１を用いたり、吸収回路を付加する必要があり、コスト的に問題が残る。また、駆動回路の出力電圧として５０ボルト程度が必要であるため、それに見合った電圧で動作する演算増幅器ＡＭＰ１を用いる必要があり、小型化およびコスト的な面で不利である。
【０００８】
このように、従来においては、駆動回路を小型化し且つ低コストで製作することが困難であり、マイクロポンプの開発や解析などに実験的に用いるには支障はないものの、μ−ＴＡＳの１つの要素として超小型の駆動回路をマイクロポンプとともに組み込むことはできなかった。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で小型化および低コスト化を図ることのできるマイクロポンプの駆動回路および台形波発生回路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】
【００１０】
本発明に係る駆動回路は、コンデンサと、前記コンデンサを定電流で充電するための定電流充電部と、前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するためのバッファ部と、前記定電流充電部と前記定電流放電部とを周期的に切り換えて作動させるための切り換え部と、を有する。
【００１１】
そして、前記定電流充電部が動作するように切り換えられている第１の時間より短い時間において、前記定電流充電部は前記コンデンサを前記直流電源の電圧まで充電するよう、且つ前記定電流放電部が動作するように切り換えられている第２の時間より短い時間において、前記定電流放電部は前記コンデンサを電圧零まで放電するよう、前記定電流充電部および前記定電流放電部のそれぞれの電流が設定される。
【００１２】
好ましくは、前記定電流放電部は、定電流ダイオードまたは接合型ＦＥＴを有して構成される。
【００１３】
また、前記バッファ部は、トランジスタのエミッタフォロワ回路によって構成される。      
【００１４】
また、前記定電流回路のトランジスタを動作させて前記コンデンサを充電する動作と前記定電流放電回路によって前記コンデンサを放電させる動作とを切り換えるための、所定のデューティ比でオンオフが周期的に切り換わるパルス状の制御信号を出力する回路が設けられる。
【００１５】
また、本発明の他の形態の駆動回路によると、コンデンサと、前記コンデンサを定電流で充電するための定電流充電部と、前記コンデンサを定電流で放電させるための定電流放電部と、前記コンデンサの両端の電圧波形を取り出して出力するための複数のバッファ部と、前記定電流充電部と前記定電流放電部とを周期的に切り換えて作動させるための切り換え部と、を有し、前記複数のバッファ部は、それぞれ、前記電圧波形とそれを所定の比率で減衰させた減衰電圧波形とを切り換えて取り出す回路を有し、前記複数のバッファ部が前記電圧波形を順次出力するように所定の周期で切り換えられ、各周期において、前記電圧波形を出力していないバッファ部は前記減衰電圧波形を出力するように制御される。      
【００１６】
また、前記複数のバッファ部は、それぞれ、前記電圧波形を分圧するために直列に接続された３つの抵抗およびトランジスタを含んで構成された第１のバッファ回路と、前記３つの抵抗のうちの２つの抵抗の接続部分の電圧波形を出力するためのトランジスタを含んで構成された第２のバッファ回路と、前記２つの抵抗の残りの１つの抵抗を短絡させるためのスイッチ回路と、を有して構成される。
【００１７】
また、本発明の一態様の駆動回路においては、前記各形態の駆動回路において、前記定電流充電部の充電速度が、前記定電流放電部の放電速度とは異なっている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、マイクロポンプの駆動回路および台形波発生回路を、簡単な構成とし、小型化および低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
〔第１の実施形態〕
まず、第１の実施形態において用いるマイクロポンプＭＰについて説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体システム１の構成を模式的に示す平面図、図２は図１に示すマイクロポンプＭＰの正面断面図、図３および図４は圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００２１】
図１において、マイクロ流体システム１は、シリコン基板３１上にマイクロチップとして構成されており、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって圧送される２種類の液体ＬＡ，ＬＢを流路２５の入口で合流させ、ポート（液体出口）２７から送り出すように構成されている。
【００２２】
すなわち、マイクロ流体システム１は、ポート（液体入口）１１，１２、流路１３，１４、開口部１５，１６、チャンバー１７，１８、開口部１９，２０、流路２１，２２、狭幅流路２３，２４，２５、流路２６、ポート２７を有する。
【００２３】
ポート１１，１２には、適当な他の流路またはリザーバからそれぞれ異なる液体が供給される。それぞれの液体は、流路１３，１４を通り、マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって流路２１，２２に、さらにそれよりも幅の狭い狭幅流路２３，２４に、それぞれ圧送される。３つの狭幅流路２３，２４，２５は、Ｙ字状の合流路を形成しており、狭幅流路２３，２４に圧送された２つの液体は、狭幅流路２５の入口の合流点ＧＴで合流し、流路２６を通ってポート２７から適当な他の流路またはリザーバに送り出される。
【００２４】
さて、ポンプ室であるチャンバー１７およびそれぞれチャンバー１７と流路１３、チャンバー１７と流路２１とを接続する開口部１５、１９によって第１のマイクロポンプＭＰ１が、また、チャンバー１８およびそれぞれチャンバー１８と流路１４、チャンバー１８と流路２２とを接続する開口部１６、２０によって第２のマイクロポンプＭＰ２が、それぞれ構成されている。
【００２５】
これら２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２は、その動作原理および構造が同一であるので、一方のみについて説明する。
【００２６】
図２を参照して、マイクロポンプＭＰ１は、シリコン基板３１を用い、フォトリソグラフィー工程によって、チャンバー１７、開口部１５，１９、および流路１３，２１などを構成するための溝または窪みを形成し、その下または上に底板または天板となるガラス基板３２が接合される。チャンバー１７の振動板（ダイヤフラム）の部分に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスなどの圧電素子３４が接着して貼り付けられる。
【００２７】
駆動回路３６によって、圧電素子３４に図３（Ａ）または図４（Ａ）に示す波形の電圧を印加することにより、シリコン薄膜であるダイヤフラム３１ｆと圧電素子３４とがユニモルフモードの屈曲変形を行うことを利用して、チャンバー１７の容積を増減させる。
【００２８】
マイクロポンプＭＰ１では、開口部１５，１９の有効断面積は、流路１３，２１の有効断面積よりも小さい。そして、開口部１９は、チャンバー１７内の圧力を上昇または下降させたときの流路抵抗の変化割合が、開口部１５のそれよりも小さく設定されている。開口部１５、１９のこのような流路抵抗特性を利用して、チャンバー１７に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、吐出工程および吸入工程のそれぞれにおいて開口部１５，１９のうち流路抵抗の低い方により多くの流体を吐出または吸入するようなポンプ作用を実現することができる。
【００２９】
このようなチャンバー１７の圧力制御は、圧電素子３４に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラムの変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。すなわち、定速で立ち上がって所定期間一定に保持された後に定速で立ち下がるような台形波となるように駆動電圧を制御する。特に、マイクロポンプＭＰの２つの開口部は上述のとおり圧力変化に対する流路抵抗の変化割合が異なるものであるため、台形波の立ち上がり速度と立ち下がり速度とを異ならせることによって、所定方向への流体搬送が実現される。例えば、圧電素子３４に図３（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路２１の側に吐出し、図４（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路１３の側に吐出する。
【００３０】
図３および図４において、圧電素子３４に印加する最大電圧ｅ1 は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。また、時間Ｔ１，Ｔ７は２０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は６０μｓ程度である。時間Ｔ４，Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。図３（Ａ）および図４（Ａ）に示す駆動電圧によって、流路２１には、例えば図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）における流量曲線は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。
【００３１】
なお、マイクロポンプＭＰの動作原理および製造方法などについての詳細は、上に述べた特許文献１を参照することができる。
【００３２】
図５は第１の実施形態の駆動回路３６の構成の例を示す図、図６は駆動回路３６から出力される駆動電圧Ｖｏｕｔの波形を示す図である。
【００３３】
図５において、駆動回路３６は、コンデンサＣ１、定電流充電部５１、定電流放電部５２、バッファ部５３、切り換え部５４、パルス発生部５５、および直流電源５６などから構成される。
【００３４】
図６も参照して、定電流充電部５１は、直流電源５６から一定の電流ＩＣを流してコンデンサＣ１を充電するための定電流回路である。コンデンサＣ１として、例えば、１００分の１μＦ〜１μＦ程度、好ましくは１００分の数μＦ〜１０分の数μＦ程度、例えば０．１μＦ程度のものが用いられる。電流ＩＣの大きさは、例えば数ｍＡ〜数十ｍＡ程度である。電流ＩＣの大きさに応じて、駆動電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり特性が変化する。
【００３５】
定電流放電部５２は、コンデンサＣ１を一定の電流ＩＤで放電させるためのものである。電流ＩＤの大きさは、例えば数ｍＡ〜数十ｍＡ程度である。電流ＩＣの大きさに応じて、駆動電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり特性が変化する。定電流放電部５２には、定電流特性を得るために、例えば定電流ダイオードまたは接合型ＦＥＴなどが用いられる。
【００３６】
バッファ部５３は、コンデンサＣ１の両端の電圧波形を取り出し、駆動電圧Ｖｏｕｔとして出力する。駆動電圧Ｖｏｕｔは圧電素子３４に直接に印加される。バッファ部５３は、例えばトランジスタのエミッタフォロワ回路によって構成される。
【００３７】
切り換え部５４は、制御信号Ｓ１に基づいて、定電流充電部５１と定電流放電部５２とを切り換えて作動させるためのものである。図５においては、２つの接点スイッチとそれを切り換える論理素子のシンボルによって機能的に示したが、それらシンボルにこだわることなく、種々の回路素子または部品を用いることができる。
【００３８】
パルス発生部５５は、所定のデューティ比でオンオフ（「Ｈ」と「Ｌ」）が周期的に切り換わるパルス状の制御信号Ｓ１を出力する。直流電源５６は、定電流充電部５１に電圧ＶＤを供給する他、駆動回路３６に必要な種々の電圧を供給する。なお、説明を簡潔にする都合上、制御信号Ｓ２，Ｓ３を出力する端子を図５に示しているが、これらは後述する第３の実施形態で用いられるものであり、第１および第２の実施形態においては必要ないものである。
【００３９】
そして、定電流充電部５１が動作するように切り換えられている第１の時間ＴＣ、これは制御信号Ｓ１が「Ｌ」である時間と等しいが、それより短い時間Ｔｒにおいて、定電流充電部５１がコンデンサＣ１を直流電源５６の電圧ＶＤまで充電するよう、その電流ＩＣの値が設定されている。また、定電流放電部５２が動作するように切り換えられている第２の時間ＴＤ、これは制御信号Ｓ１が「Ｈ」である時間と等しいが、それより短い時間Ｔｆにおいて、定電流放電部５２がコンデンサＣ１を電圧零まで放電するよう、その電流ＩＤの値が設定されている。
【００４０】
図２に示すタイプのマイクロポンプは、上述したとおり駆動波形次第で開口部１５，１９のどちらの側へも流体を搬送できるが、キャビテーションが生じにくい、開口部１９の近傍で乱流が発生しにくいなどの理由から、開口部１９の側に搬送するのがよく、開口部１９の側への搬送を正方向（Ｍ１）としている。駆動回路は、搬送により適した正方向への流体搬送が実現できる波形（本例では図３）を発生できるように、定電流充電部５１の充電速度と定電流放電部５２の放電速度とが異なるように設計されることが好ましい。そこで、本例では、充電速度を放電速度より大きく設定し、圧電素子がチャンバー内の流体を速く押圧し、ゆっくり元に戻るという動作を行うようにしている。
このように、駆動回路３６によると、定電流充電部５１によるコンデンサＣ１の充電と、定電流放電部５２によるコンデンサＣ１の放電とによって、コンデンサＣ１の両端に簡単に台形波を発生することができる。そして、バッファ部５３によって、コンデンサＣ１の波形に影響を与えることなく、その波形を容易に取り出し、駆動電圧Ｖｏｕｔとして出力することができる。駆動回路３６は、回路構成が簡単であり、小さな基板上に実装することによって小型化および低コスト化を図ることが可能である。したがって、例えば図１に破線で示した位置に駆動回路３６を配置してマイクロ流体システム１と一体化することが可能である。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、駆動回路３６Ｂに関する部分が第１の実施形態と異なるのみであるので、それ以外の部分については説明を省略する。以降の実施形態においても同様である。
【００４１】
図７は第２の実施形態の駆動回路３６Ｂの構成の例を示す図である。第２の実施形態においては、第１の実施形態よりも駆動回路３６Ｂが具体的に示されている。なお、図７において、パルス発生部および直流電源については図示を省略した。
【００４２】
図７に示されるように、駆動回路３６Ｂは、コンデンサＣ１、定電流充電部５１Ｂ、定電流放電部５２Ｂ、バッファ部５３Ｂ、および切り換え部５４Ｂなどから構成される。
【００４３】
定電流充電部５１Ｂは、トランジスタＱ４および抵抗Ｒ１〜３などからなる。定電流放電部５２Ｂは、定電流ダイオードなどの定電流素子Ｇ１からなる。バッファ部５３Ｂは、トランジスタＱ５および抵抗Ｒ４〜５などからなる。切り換え部５４Ｂは、トランジスタＱ１〜３および抵抗Ｒ６〜８などからなる。
【００４４】
制御信号Ｓ１が「Ｌ」のときには、トランジスタＱ１がオフし、トランジスタＱ３がオンする。これによって、トランジスタＱ４のベースに、電圧ＶＤを抵抗Ｒ１とＲ２とで分圧したバイアス電圧が印加される。トランジスタＱ３がオンのときのコレクタ−エミッタ間の飽和電圧をほぼ零とすると、トランジスタＱ４のベースに印加されるバイアス電圧ＶＢは、ほぼ、
ＶＢ＝ＶＤ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
となる。
【００４５】
このとき、トランジスタＱ４に流れるコレクタ電流Ｉｃ１は、トランジスタＱ４のベース−エミッタ間の電圧Ｖｂｅを考慮に入れると、
Ｉｃ１＝〔ＶＤ−ＶＤ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｖｂｅ〕／Ｒ３
となる。
【００４６】
このコレクタ電流Ｉｃ１が一定の電流ＩＣとなってコンデンサＣ１を充電する。コンデンサＣ１の電圧ＶＣは、直線的な傾斜で上昇し、その電圧ＶＣがほぼ電圧ＶＤに達すると飽和し、ほぼ電圧ＶＤの値で変化しなくなる。
【００４７】
そして、制御信号Ｓ１が「Ｈ」に切り換わると、トランジスタＱ４がオフすると同時に、トランジスタＱ２がオン状態となる。これにより、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は、定電流素子Ｇ１の持つ固有の電流値で放電を開始する。コンデンサＣ１の電圧ＶＣが零（グランドレベル）になるまで一定の傾きで降下していき、零になるとその値を保持する。
【００４８】
トランジスタＱ５は、エミッタフォロワ回路を構成し、コンデンサＣ１の電圧バッファとして動作する。なお、所望の台形波を得るために、図６において説明したように、制御信号Ｓ１が「Ｌ」である時間ＴＣ内の時間Ｔｒで立ち上がりを完了させ、フラットな時間Ｔｈｆが設けられるようにする。そして、制御信号Ｓ１が「Ｈ」である時間ＴＤ内の時間Ｔｆで放電を完了させ、グランドレベルのフラットな時間Ｔｌｆが設けられるようにする。
【００４９】
駆動回路３６Ｂは、市販されている一般的な小型の部品によって構成することができ、回路構成が簡単であり、小さな基板上に実装することができる。したがって、小型化および低コスト化に有利である。例えば、演算増幅器を用いる場合と比較すると、トランジスタは小型であるので、実装基板の小面積化と低コスト化を図ることができる。また、演算増幅器で積分波を生成する場合に発生するオーバーシュートなどの問題がなく、ほぼ理想に近い波形の台形波を生成することができる。
〔変形例〕
図８は第２の実施形態のさらに変形例の駆動回路３６ＢＢの構成の例を示す図である。
【００５０】
図８に示すように、変形例の駆動回路３６ＢＢでは、定電流放電部５２ＢＢとして、デプレッションタイプの接合型ＦＥＴＱ６および抵抗Ｒ９で規定される定電流動作機能が利用されている。これ以外の部分は駆動回路３６Ｂと同じである。
【００５１】
抵抗Ｒ９の値を調整することにより、放電時の電流ＩＤの大きさを調整することができる。したがって、抵抗Ｒ９としてポテンショメータまたはトリマを用いてもよい。
〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態について説明する。上の第１および第２の実施形態では、マイクロポンプＭＰの基本的な駆動方法に用いる駆動回路３６，３６Ｂ，３６ＢＢについて説明したが、第３の実施形態では、２つのマイクロポンプＭＰ１，２を駆動する場合の応用例について説明する。
【００５２】
すなわち、図１に示すマイクロ流体システム１では、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって、それぞれ狭幅流路２３，２４に送り込み、合流点ＧＴで合流させる。第３の実施形態では、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを連続的に合流点ＧＴに送り込むのではなく、交互に間欠的に送り込む。
【００５３】
すなわち、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動せず、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動しない。その結果、２種類の液体ＬＡ，ＬＢは、合流点ＧＴに交互に間欠的に送り込まれる。
【００５４】
このとき、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送しているときに他方のマイクロポンプＭＰ２を全く駆動せずに停止させた場合には、合流点ＧＴからその下流の狭幅流路２５に送液される一方、駆動していない側の狭幅流路２４にも液体ＬＡが入り込み、液体ＬＢは逆流する。
【００５５】
したがって、このような方法で混合した場合には、逆流した液体ＬＡと次に送液される液体ＬＢの混合液が合流点ＧＴに送液され、しかも、混合液の２〜３割がまた他方の液体ＬＡの側に逆流し、正確な混合比を得るのが困難となる。
【００５６】
そこで、第３の実施形態では、図９に示すように、送液しない側のマイクロポンプＭＰにも微小な駆動電圧（駆動パルス）を印加して微作動させる。
【００５７】
つまり、図９に示すように、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２に微小な駆動電圧をバイアスとして印加し、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１に微小な駆動電圧をバイアスとして印加する。
【００５８】
このように制御を行うと、マイクロポンプＭＰの駆動によって圧送された液体が逆流しようとする圧力と、送液しない側の液体の圧力とが釣り合い、その結果、液体は逆流することなく、圧送された液体の全部が下流側の狭幅流路２５に送られることとなる。
【００５９】
したがって、所期の目標通りの液体の混合比を正確に得ることができる。しかも、液体の逆流がなく、全部の液体が下流側の狭幅流路２５に送られるので、全体としての流量の増加が図られ、流量効率が向上する。
【００６０】
具体的には、例えば、２つの液体ＬＡ，ＬＢがいずれも粘度１ｃｐｓの場合、圧送のために駆動電圧を５０Ｖ印加するのに対して、微作動させる側には微小な駆動電圧として２０Ｖ印加する。
【００６１】
また、通常の駆動電圧と微小な駆動電圧との比であるデューティ比を変えることにより、種々の混合比が得られる。例えば、デューティ比が１対１の場合は混合比がｌ対１であるが、図１０に示すようにデューティ比が１対２の場合は、混合比がｌ対２となる。また、図示はしないが、デューティ比が１対１０の場合は混合比がｌ対１０となる。
【００６２】
第３の実施形態においては、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２をそのように駆動するための駆動回路３６Ｃが用いられる。
【００６３】
図１１は第３の実施形態の駆動回路３６Ｃの構成の例を示す図、図１２は駆動回路３６Ｃから出力される駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の波形を示す図である。
【００６４】
図１１において、駆動回路３６Ｃは、コンデンサＣ１、定電流充電部５１Ｃ、定電流放電部５２Ｃ、第１のバッファ回路５３Ｃ１，５３Ｃ２、第２のバッファ回路５７Ｃ１，５７Ｃ２、スイッチ回路５８Ｃ１，５８Ｃ２、切り換え部５４Ｃなどから構成される。
【００６５】
これらのうち、コンデンサＣ１、定電流充電部５１Ｃ、定電流放電部５２Ｃ、および切り換え部５４Ｃの基本的な構成および動作は、上に述べた駆動回路３６Ｂの場合と同じである。
【００６６】
駆動回路３６Ｃでは、複数のバッファ部である、第１のバッファ回路５３Ｃ１，５３Ｃ２、第２のバッファ回路５７Ｃ１，５７Ｃ２、および複数のスイッチ回路５８Ｃ１，５８Ｃ２が設けられている。
【００６７】
第１のバッファ回路５３Ｃ１，５３Ｃ２は、それぞれ、コンデンサＣ１の電圧ＶＣを分圧するために直列に接続された３つの抵抗Ｒ４１〜４３、Ｒ４４〜４６、およびトランジスタＱ５１，５４を含んで構成される。第２のバッファ回路５７Ｃ１，５７Ｃ２は、それぞれの３つの抵抗Ｒ４１〜４３、Ｒ４４〜４６のうちの２つの抵抗Ｒ４１〜４２、Ｒ４４〜４５の接続部分の電圧波形を出力するためのトランジスタＱ５２，５５を含んで構成される。スイッチ回路５８Ｃ１，５８Ｃ２は、残りの１つの抵抗Ｒ４３，Ｒ４６を短絡させるためのものである。
【００６８】
なお、パルス発生部５５（図５参照）は、所定の周期（ＴＥ＋ＴＦ）でオンオフ（「Ｈ」と「Ｌ」）が切り換わる制御信号Ｓ２，Ｓ３を出力する。制御信号Ｓ２，Ｓ３は、「Ｈ」と「Ｌ」が互いに反転した信号である。
【００６９】
第２のバッファ回路５７Ｃ１，５７Ｃ２からは、制御信号Ｓ２，Ｓ３のオンオフに応じて、波高値が電圧ＶＤである通常の電圧波形とそれを所定の比率で減衰させた減衰電圧波形とが切り換えられた駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２が出力される。
【００７０】
すなわち、図１１および図１２を参照して、制御信号Ｓ２が「Ｈ」で制御信号Ｓ３が「Ｌ」のときには、トランジスタＱ５３はオン、トランジスタＱ５６はオフとなる。エミッタフォロワを構成するトランジスタＱ５２、Ｑ５５がそれぞれ出力する駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２は、それぞれの波高値ＶＤＬ１、ＶＤＨ２が、
ＶＤＬ１＝ＶＤ×（Ｒ４２）／（Ｒ４１＋Ｒ４２）
ＶＤＨ２＝ＶＤ×（Ｒ４５＋Ｒ４６）／（Ｒ４４＋Ｒ４５＋Ｒ４６）
となる。
【００７１】
また、制御信号Ｓ２が「Ｌ」で制御信号Ｓ３が「Ｈ」のときには、駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２は、それぞれの波高値ＶＤＨ１、ＶＤＬ２が、
ＶＤＨ１＝ＶＤ×（Ｒ４２＋Ｒ４３）／（Ｒ４１＋Ｒ４２＋Ｒ４３）
ＶＤＬ２＝ＶＤ×（Ｒ４５）／（Ｒ４４＋Ｒ４５）
となる。
【００７２】
ここで、Ｒ４１＝Ｒ４４、Ｒ４２＝Ｒ４５、Ｒ４３＝Ｒ４６に設定しておくことによって、駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の台形波の波高値は、制御信号Ｓ２，Ｓ３のオンオフに応じて交互に等しい電圧値（ＶＤＨ１＝ＶＤＨ２、ＶＤＬ１＝ＶＤＬ２）を出力することとなる。抵抗Ｒ４１〜Ｒ４６の値の設定の仕方によって、種々の波高値の駆動電圧を得ることができる。
【００７３】
制御信号Ｓ２，Ｓ３の切り換えの周波数は、数Ｈｚ〜数ＫＨｚ程度であり、電圧値ＶＤＨが５０ボルト程度のときには電圧値ＶＤＬは２０ボルト程度である。電圧値ＶＤＨ，ＶＤＬは、これと異なる値に設定してもよく、また、２つの駆動電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２を互いに異ならせてもよい。
【００７４】
なお、駆動回路３６Ｃにおいて、トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いたが、それに代えて、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、その他の種々のトランジスタまたは半導体素子を用いてもよい。
【００７５】
また、スイッチ回路５８Ｃ１，５８Ｃ２によって、グランドに接続された抵抗Ｒ４３，Ｒ４６を短絡させるようにしたので回路が簡単となるが、他の抵抗Ｒを短絡させることによって駆動電圧Ｖｏｕｔの波高値のレベルを変えてもよい。また、第１のバッファ回路５３Ｃ１，５３Ｃ２、第２のバッファ回路５７Ｃ１，５７Ｃ２、スイッチ回路５８Ｃ１，５８Ｃ２に代えて、他の種々の回路構成を採用することが可能である。３つの以上のマイクロポンプＭＰに対応して、３つ以上の第１のバッファ回路、第２のバッファ回路、およびスイッチ回路を設けることが可能である。
【００７６】
第３の実施形態の駆動回路３６Ｃによると、２つのマイクロポンプＭＰ１，２を駆動して、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを交互に間欠的に送り込み、液体の逆流がなく、所期の目標通りの液体の混合比を正確に得ることができる。また、制御信号Ｓ２，Ｓ３のデューティ比を変えることにより、種々の混合比が得られる。
【００７７】
そして、駆動回路３６Ｃは、上に述べた駆動回路３６，３６Ｂなどと同様に、回路構成が簡単であり、小型化および低コスト化に有利である。
【００７８】
上の各実施形態において、駆動回路３６，３６Ｂ，３６ＢＢ，３６Ｃ、マイクロポンプＭＰ、マイクロ流体デバイス１の全体または各部の構成、構造、形状、寸法、個数、材質回路構成、回路定数、特性などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。また、駆動回路の全体またはその一部を、集積化回路とすることも可能である。
【００７９】
上に述べた実施形態のマイクロ流体システム１は、μ−ＴＡＳの分野以外の種々の分野に適用することができる。例えば、燃料電池などに使用される液体燃料の搬送手段として用いることもできる。本発明に係る駆動回路または台形波発生回路は、マイクロポンプの駆動以外の用途に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る駆動回路は、マイクロポンプを駆動することにより、環境、食品、生化学、免疫学、血液学、遺伝子分析、合成、創薬、燃料など、さまざまな分野における試液または液体の搬送または処理などのために利用することができる。
【００８１】
また、本発明に係る台形波発生回路は、上に述べたマイクロポンプの駆動回路を含め、台形波が必要とされる、通信デバイスや、記録媒体などの回転体を駆動するためのモータドライブなどの様々な用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係るマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すマイクロポンプの正面断面図である。
【図３】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図４】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図５】第１の実施形態の駆動回路の構成の例を示す図である。
【図６】駆動回路から出力される駆動電圧の波形を示す図である。
【図７】第２の実施形態の駆動回路の構成の例を示す図である。
【図８】駆動回路の変形例の構成の例を示す図である。
【図９】駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図１０】駆動電圧の波形の他の例を示す図である。
【図１１】第３の実施形態の駆動回路の構成の例を示す図である。
【図１２】駆動回路から出力される駆動電圧の波形を示す図である。
【図１３】駆動回路の構成の例を示す図である。
【図１４】図１３の駆動回路によって得られる駆動波形を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  マイクロ流体デバイス
３４  圧電素子
３６，３６Ｂ，３６ＢＢ，３６Ｃ  駆動回路
５１  定電流充電部（定電流充電回路）
５２  定電流放電部（定電流放電回路）
５３  バッファ部（バッファ回路）
５３Ｃ１，５３Ｃ２  第１のバッファ回路（バッファ部）
５４  切り換え部
５５  パルス発生部（制御信号を出力する回路）
５６  直流電源
５７Ｃ１，５７Ｃ２  第２のバッファ回路（バッファ部）
５８Ｃ１，５８Ｃ２  スイッチ回路
ＭＰ１，ＭＰ２  マイクロポンプ
Ｃ１  コンデンサ
Ｇ１  定電流素子（定電流ダイオード）
Ｑ６  接合型ＦＥＴ
Ｒ  抵抗
Ｑ  トランジスタ
【図１】
2005315225.tif 000003
【図２】
2005315225.tif 000004
【図３】
2005315225.tif 000005
【図４】
2005315225.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005315225.tif 000008
【図７】
2005315225.tif 000009
【図８】
2005315225.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005315225.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2005315225.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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