(57)【要約】  【課題】  構造が簡単ながら省エネが達成されると同時に、作動流体の微細な流量制御の可能なマイクロポンプを提供する。  【解決手段】  駆動流体の流入通路と流出通路とが備えられたポンプチャンバ１００と、前記流入通路を選択的に開閉させる第１バルブ１２０と、前記流出通路を選択的に開閉させる第２バルブ１４０と、前記ポンプチャンバを加熱あるいは冷却させるためのポンプチャンバ冷温ユニット１６０とを有する。  【選択図】   図２ａ
2007247404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動流体の流入通路と流出通路とが備えられたポンプチャンバと、
前記流入通路を選択的に開閉させる第１バルブと、
前記流出通路を選択的に開閉させる第２バルブと、
前記ポンプチャンバを加熱あるいは冷却させるためのポンプチャンバ冷温ユニットと、
を有することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記ポンプチャンバ冷温ユニットは、
前記ポンプチャンバに固定され、電流の供給方向に応じて選択的に一面が加熱され他面が冷却されるポンプチャンバ用熱電素子と、
前記ポンプチャンバ用熱電素子に電源を印加するためのポンプチャンバ用電源と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記第１バルブ及び前記第２バルブは、流体が一方向にのみ流れることを許容するパッシブバルブであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記第１バルブは、
収縮及び膨張することにより前記流入通路を開閉する第１バルブチャンバと、
前記第１バルブチャンバに固定され、前記第１バルブチャンバを収縮または膨張させる第１バルブチャンバ用熱電素子と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記第２バルブは、
収縮及び膨張することにより前記流出通路を開閉する第２バルブチャンバと、
前記第２バルブチャンバに固定され、前記第２バルブチャンバを収縮または膨張させる第２バルブチャンバ用熱電素子と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記第２バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記第１バルブチャンバ及び前記第２バルブチャンバそれぞれの物理的な情報を検知する第１バルブセンサ及び第２バルブセンサと、
前記第１バルブチャンバ用熱素子及び前記第２バルブチャンバ用熱素子それぞれに電流を供給するための第１バルブ用電源及び第２バルブ用電源と、
前記第１バルブ用電源及び第２バルブ用電源と通信可能に接続され、前記第１バルブセンサ及び前記第２バルブセンサにより検知された物理的な情報に基づいて前記第１バルブ用電源及び前記第２バルブ用電源を制御する制御部と、
を更に有することを特徴とする請求項７に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記ポンプチャンバの物理的な情報を検知するためのポンプチャンバ用センサを更に含み、
前記制御部は、前記ポンプチャンバ用センサにより検知された物理的な情報にさらに基づいて、前記第１バルブ用電源及び前記第２バルブ用電源を制御することを特徴とする、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
ポンプチャンバ用垂直型熱電素子が取り付けられ、駆動流体の流入通路及び流出通路が備えられたポンプチャンバと、
第１バルブ用垂直型熱電素子が取り付けられ、前記熱電素子により収縮及び膨張することにより前記流入通路を選択的に開閉する第１バルブチャンバと、
第２バルブ用垂直型熱電素子が取り付けられ、前記熱電素子により収縮及び膨張することにより前記流出通路を選択的に開閉させる第２バルブチャンバと、
を有することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記各熱電素子に電流を供給する複数の電源と、
前記各チャンバの物理的な情報を検知する複数のセンサと、
前記センサから検知された物理的な情報に基づいて前記電源を制御する制御部と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記物理的な情報は、各チャンバの温度、圧力、及び電源供給時間のうち、少なくとも１つから選択された情報であることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
駆動流体の流入通路及び流出通路が備えられたポンプチャンバと、
垂直型熱電素子が取り付けられ、該垂直型熱電素子により選択的に収縮及び膨張することにより前記流入通路を開閉する第１バルブチャンバと、
収縮及び膨張することにより前記流出通路を開閉させる第２バルブチャンバと、
前記ポンプチャンバと前記第２バルブチャンバとを選択的に加熱または冷却させるための水平型熱電素子と、
を有することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記水平型熱電素子は、
前記ポンプチャンバに取り付けられる第１プレートと、
前記第２バルブチャンバに取り付けられる第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置され、互いに電気的に接続された複数の半導体と、
を有することを特徴とする請求項１３に記載のマイクロンポンプ。
【請求項１５】
前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記第２バルブチャンバの前記流出通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載のマイクロポンプ。
【請求項１７】
流入通路と流出通路とを備えるポンプチャンバと、
前記流入通路を選択的に開閉する第１バルブチャンバと、
前記流出通路を選択的に開閉する第２バルブチャンバと、
前記ポンプチャンバと、前記第１バルブチャンバと、第２バルブチャンバと、を加熱または冷却させるための水平型熱電素子と、
を有することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１８】
前記水平型熱電素子は、
前記ポンプチャンバと前記第１バルブに取り付けられる第１プレートと、
前記第２バルブチャンバに取り付けられる第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置され、互いに電気的に接続された複数の半導体と、
を有することを特徴とする請求項１７に記載のマイクロンポンプ。
【請求項１９】
前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面及び前記第２バルブチャンバの前記流出通路と向かい合う面は、それぞれ伸縮可能な薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型流体システムに関し、詳細には小型流体システムに適用されることのできるマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロンマシニング技術の飛躍的な発展は様々な機能を行うマイクロ電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）の開発を可能にした。係るマイクロ電子機械システムは、遺伝工学、医療診断、新薬開発などの分野で幅広く適用・使用されている。特に、通常化学反応及び分析など、必要とされる全ての工程が１つのチップ上で行われる、いわゆるＬＯＣ（Ｌａｂ  Ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ）概念が導入されてマイクロ電子機械システムに対する研究がより盛んになっている。
【０００３】
係るチップあるいは小型流体システムを駆動させるためには試料または試薬などの流体をマイクロリットル単位に流動させなければならない。したがって、流体を流動するための駆動源が必要になる。その駆動源の一例としてマイクロポンプが挙げられる。
前記マイクロポンプは、チャンバを加熱しチャンバ内に充電された流体にバブルを発生させ、発生されたバブルの圧力により作動流体を流動させるバブルポンプ（Ｂｕｂｂｌｅ  Ｐｕｍｐ）と、静電力を用いてチャンバを収縮及び圧縮することにより作動流体を流動させるメンブレインポンプ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｐｕｍｐ）と、外周に複数のブレードを備えた回転子を回転させ流体を流入及び流出させるロタリーポンプ（Ｒｏｔａｒｙ  Ｐｕｍｐ）などがある。
【０００４】
バブルポンプの場合、その構造が複雑で作動流体を流動させるための駆動流体を加熱するために長時間かかる短所がある。また、前記メンブレインポンプもその構造が複雑で静電力を発生させるためには多くのエネルギーが要される短所を持っている。そして、ロタリーポンプは、その構造が複雑だけでなく組立が困難であり、かつ信頼性が低い短所を持つ。一方、前述したポンプは作動流体の微細流動量を調節し難い短所を持っている。
【特許文献１】特開平１６−０３６４７１号公報
【特許文献２】特開平１５−２１１７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、構造の簡単なマイクロポンプを提供することにある。
本発明の他の目的は、省エネが図れるマイクロポンプを提供することにある。
さらに、本発明の更なる目的は、作動流体の微細流量制御が可能なマイクロポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明１は、下記の構成要素を有するマイクロポンプを提供する。
・駆動流体の流入通路と流出通路とが備えられたポンプチャンバ、
・前記流入通路を選択的に開閉させる第１バルブ、
・前記流出通路を選択的に開閉させる第２バルブ、
・前記ポンプチャンバを加熱あるいは冷却させるためのポンプチャンバ冷温ユニット。
【０００７】
本発明２は、前記発明１において、前記ポンプチャンバ冷温ユニットが、下記の構成要素を有するマイクロポンプを提供する。
・前記ポンプチャンバに固定され、電流の供給方向に応じて選択的に一面が加熱され他面が冷却されるポンプチャンバ用熱電素子、
・前記ポンプチャンバ用熱電素子に電源を印加するためのポンプチャンバ用電源。
【０００８】
本発明３は、前記発明１において、前記第１バルブ及び前記第２バルブは、流体が一方向にのみ流れることを許容するパッシブバルブであるマイクロポンプを提供する。
本発明４は、前記発明１において、前記第１バルブが下記の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・収縮及び膨張することにより前記流入通路を開閉する第１バルブチャンバ、
・前記第１バルブチャンバに固定され、前記第１バルブチャンバを収縮または膨張させる第１バルブチャンバ用熱電素子。
【０００９】
本発明５は、前記発明４において、前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されているマイクロポンプを提供する。
本発明６は、前記発明５において、前記第２バルブが下記の構成要件を含むマイクロポンプを提供する。
・収縮及び膨張することにより前記流出通路を開閉する第２バルブチャンバ、
・前記第２バルブチャンバに固定され、前記第２バルブチャンバを収縮または膨張させる第２バルブチャンバ用熱電素子。
【００１０】
本発明７は、前記発明６において、前記第２バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されているマイクロポンプを提供する。
本発明８は、下記の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・前記第１バルブチャンバ及び前記第２バルブチャンバそれぞれの物理的な情報を検知する第１バルブセンサ及び第２バルブセンサ、
・前記第１バルブチャンバ用熱素子及び前記第２バルブチャンバ用熱素子それぞれに電流を供給するための第１バルブ用電源及び第２バルブ用電源、
・前記第１バルブ用電源及び第２バルブ用電源と通信可能に接続され、前記第１バルブセンサ及び前記第２バルブセンサにより検知された物理的な情報に基づいて前記第１バルブ用電源及び前記第２バルブ用電源を制御する制御部。
【００１１】
本発明９は、前記発明８において、前記ポンプチャンバの物理的な情報を検知するためのポンプチャンバ用センサを更に含むマイクロポンプを提供する。このマイクロポンプにおいて、前記制御部は、前記ポンプチャンバ用センサにより検知された物理的な情報にさらに基づいて、前記第１バルブ用電源及び前記第２バルブ用電源を制御する。
本発明１０は、以下の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・ポンプチャンバ用垂直型熱電素子が取り付けられ、駆動流体の流入通路及び流出通路が備えられたポンプチャンバ、
・第１バルブ用垂直型熱電素子が取り付けられ、前記熱電素子により収縮及び膨張することにより前記流入通路を選択的に開閉する第１バルブチャンバ、
・第２バルブ用垂直型熱電素子が取り付けられ、前記熱電素子により収縮及び膨張することにより前記流出通路を選択的に開閉させる第２バルブチャンバ。
【００１２】
本発明１１は、前記発明１０において、以下の構成要件をさらに有するマイクロポンプを提供する。
・前記各熱電素子に電流を供給する複数の電源、
・前記各チャンバの物理的な情報を検知する複数のセンサ、
・前記センサから検知された物理的な情報に基づいて前記電源を制御する制御部。
【００１３】
本発明１２は、前記発明１１において、前記物理的な情報が、各チャンバの温度、圧力、及び電源供給時間のうち、少なくとも１つから選択された情報であるマイクロポンプを提供する。
本発明１３は、以下の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・駆動流体の流入通路及び流出通路が備えられたポンプチャンバ、
・垂直型熱電素子が取り付けられ、該垂直型熱電素子により選択的に収縮及び膨張することにより前記流入通路を開閉する第１バルブチャンバ、
・収縮及び膨張することにより前記流出通路を開閉させる第２バルブチャンバ、
・前記ポンプチャンバと前記第２バルブチャンバとを選択的に加熱または冷却させるための水平型熱電素子。
【００１４】
本発明１４は、前記発明１３において、前記水平型熱電素子が以下の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・前記ポンプチャンバに取り付けられる第１プレート、
・前記第２バルブチャンバに取り付けられる第２プレート、
・前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置され、互いに電気的に接続された複数の半導体。
【００１５】
本発明１５は、前記発明１３，１４において、前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されているマイクロポンプを提供する。
本発明１６は、前記発明１３，１４において、前記第２バルブチャンバの前記流出通路と向かい合う面は、伸縮可能な薄膜を用いて形成されているマイクロポンプを提供する。
本発明１７は、以下の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・流入通路と流出通路とを備えるポンプチャンバ、
・前記流入通路を選択的に開閉する第１バルブチャンバ、
・前記流出通路を選択的に開閉する第２バルブチャンバ、
・前記ポンプチャンバと、前記第１バルブチャンバと、第２バルブチャンバと、を加熱または冷却させるための水平型熱電素子。
【００１６】
本発明１８は、前記発明１７において、前記水平型熱電素子が以下の構成要件を有するマイクロポンプを提供する。
・前記ポンプチャンバと前記第１バルブに取り付けられる第１プレート、
・前記第２バルブチャンバに取り付けられる第２プレート、
・前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置され、互いに電気的に接続された複数の半導体。
【００１７】
本発明１９は、前記発明１８において、前記第１バルブチャンバの前記流入通路と向かい合う面及び前記第２バルブチャンバの前記流出通路と向かい合う面は、それぞれ伸縮可能な薄膜を用いて形成されているマイクロポンプを提供する。
【発明の効果】
【００１８】
以上、本発明によると、繰り返しポンピング作業を行ってもマイクロポンプの構造を簡単にすることができる。簡単な構造を有することで超小型流体システムの適用が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
＜第１実施形態＞
図１ないし図２ｂに示したように、本発明の第１の実施形態に係るマイクロポンプは、駆動流体が流入される流入通路１０２と流入された駆動流体が流出される流出通路１０４が形成されたポンプチャンバ１００と、流入通路１０２を選択的に開閉させる第１バルブ１２０と、流出通路１０４を選択的に開閉させる第２バルブ１４０と、ポンプチャンバ１００を加熱あるいは冷却させるための冷温ユニット１６０と、制御部１８０を含む。
【００２０】
ポンプチャンバ１００は伸縮されない隔壁から形成された空間であって、作動流体を駆動させるための駆動流体が充電される。係る駆動流体は温度により体積変化の大きい空気のような気体が使用されることが好ましいが、バブルを発生させ作動流体（Ｒ）と溶解されない液体が使用されることもできる。本実施の形態では、駆動流体として空気を使用して説明する。このようなポンプチャンバ１００の図面の左側には、空気が流入される流入通路１０２が形成され、該流入通路１０２は大気中に露出された状態で大気圧が維持される。しかし、流入通路１０２は駆動流体として空気でない別の気体あるいは液体が使用されれば、駆動流体を格納している格納部（図示せず）と連結される。そして、図面の右側にはバイオチップなどに分析される試料または該試料を分析するための試薬のような作動流体（Ｒ）が充電された流出通路１０４が形成されている。
【００２１】
第１バルブ１２０は、本実施形態ではパッシブバルブ（ｐａｓｓｉｖｅ  ｖａｌｖｅ）を使用した。したがって、大気圧がポンプチャンバ１００の圧力より大きい場合のみ流入通路１０２を開放させる。
前記第２バルブ１４０も第１バルブ１２０と同様にパッシブバルブを使用してポンプチャンバ１００の圧力が流出通路１０４の圧力より大きい場合のみ開放される。
【００２２】
冷温ユニット１６０は、熱電素子１６２と該熱電素子１６２に電流を供給するための電源１７７を含む。
熱電素子１６２はポンプチャンバ１００の下面に接着材などの固定手段により固定され、垂直型熱電素として、ポンプハンバー１００の下面と接触する第１プレート１６４と、該第１プレート１６４と向かい合う第２プレート１６８と、第１及び第２プレート１６４、１６８の間に介在される半導体層１６６を含んでなる。半導体層１６６には電源１７７が連結されて電流が供給され、供給された電流の方向により第１及び第２プレート１６４，１６８を選択的に加熱または冷却させる。言わば、熱電素子１６２の ペルティエ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）が発生する。例えば、半導体層１６６に電源が印加されれば、第１プレート１６４を冷却させ、第１プレート１６４から吸収した熱を第２プレート１６８に伝達して第２プレート１６８を加熱させる。そして電源１７７の電流方向を反対にする場合、前述と反対に加熱及び冷却される。係る熱電素子１６２は既に公知された技術であってその説明は除く。
【００２３】
制御部１８０は、電源１７７と信号可能に接続され、熱電素子１６２に供給される電流の方向を制御する。
以下、図３ａ及び図３ｂに基づいて本発明の第１の実施形態に係るマイクロポンプの動作について説明する。
図３ａに基づくと、制御部１８０は電源１７７を制御し熱電素子１６２に電流を供給する。すると、ポンプチャンバ１００は冷却（Ｃ）され、ポンプチャンバ１００に存在する空気は凝縮されてポンプチャンバ１００の圧力が流入通路１０２の大気圧より低くなる。したがって、第１バルブ１２０は開放され大気中の空気はポンプチャンバ１００に流入される。
【００２４】
図３ｂに示したように、制御部１８０は熱電素子１６２に供給される電流の方向を変える。すると、ポンプチャンバ１００は加熱（Ｈ）され、ポンプチャンバ１００の空気が膨張されてポンプチャンバ１００の圧力が上昇される。ポンプチャンバ１００の圧力が上昇し大気圧より大きくなると、第１バルブ１２０は流入通路１０２を遮断する。そして、ポンプチャンバ１００の圧力が流出通路１０４の圧力より高くなると、第２バルブ１４０が開放される。すると、ポンプチャンバ１００に存在する空気は流出通路１０４に移動しつつ作動流体（Ｒ）を流動させる。
【００２５】
前述した過程を繰り返し行うことにより作動流体を必要な量だけ所要される場所に流動させることができる。
＜第２実施形態＞
以下、図４ないし図６ｂに基づいて本発明の第２の実施形態に係るマイクロポンプを詳説する。
【００２６】
図４及び図５に示したように、本発明の第２の実施形態に係るマイクロポンプは、第１の実施形態と相違に、第１バルブ２２０、第２バルブ２４０をそれぞれ制御することのできる構造である。係るマイクロポンプは、流入通路２０２と流出通路２０４が形成されたポンプチャンバ２００と、流入通路２０２を選択的に開閉させる第１バルブ２２０と、流出通路２０４を選択的に開閉させる第２バルブ２４０と、ポンプチャンバ２００を加熱または冷却させるためのポンプチャンバ用冷温ユニット２６０、及び制御部２８０を含む。
【００２７】
ポンプチャンバ２００の上部両側のそれぞれには第１バルブ２２０及び第２バルブ２４０が固定され支持される支持部２１０がそれぞれ２つずつ上向き突設されている。そして、支持部２１０と段付けるよう第１及び第２チャネル２０６、２０８が形成され、該第１及び第２チャネル２０６、２０８のそれぞれに流入通路２０２及び流出通路２０４がポンプチャンバ２００と連通して形成されている。第１チャネル２０６は駆動流体である空気が流動される通路であって、大気中の空気が吸入できるよう外部大気に開放されている。そして、第２チャネル２０８は作動流体が流動されるチャネルであって、作動流体が所要される場所と連結されている。そして、ポンプチャンバ２００にはポンプチャンバ２００の物理的な情報を検知するためのポンプチャンバ用センサ２１４が設けられる。前記物理的な情報は、ポンプチャンバ２００の温度、圧力、電流供給時間などである。
【００２８】
第１バルブ２２０は、第１バルブチャンバ２２２と、該第１バルブチャンバ２２２を加熱または冷却するための第１バルブ冷温ユニット２２６と、第１バルブチャンバ２２２の物理的な情報を検知するための第１バルブセンサ２３２を含んでなる。
第１バルブチャンバ２２２は支持部２１０に接着材などの固定手段により固定される。そして第１バルブチャンバ２２２の下面は伸縮可能な薄膜２２４からなり、第１バルブチャンバ２２２の圧力により収縮及び膨張する。係る薄膜２２４の収縮及び膨張により流入通路２０２が選択的に開放あるいは遮断される。
【００２９】
第１バルブ冷温ユニット２２６は、垂直型熱電素子２２８、該垂直型熱電素子２２８に電流を共供するための電源２３０を含む。熱電素子２２８は第１バルブチャンバ２２２を冷却あるいは加熱することができるよう、その上面に接着材などの固定手段により取り付けられる。
第１バルブセンサ２３２は、第１バルブチャンバ２２２内に設けられ、第１バルブチャンバ２２２の物理的な情報を検知する。
【００３０】
第２バルブ２４０は、第１バルブ２２０とその構成及び動作原理が同一である。即ち、第２バルブ２４０は第１バルブ２２０と同様に、第２バルブチャンバ２４２、第２バルブ冷温ユニット２４６、第２バルブセンサ２５２を含んでなり、第２バルブ冷温ユニット２４６は垂直型熱電素子２４８、電源２５０を含んでなる。
ポンプチャンバ用冷温ユニット２６０は、ポンプチャンバ２００の下面に固定される熱電素子２６２と、該熱電素子２６２に電源を供給するための電源２７０を含む。
【００３１】
制御部２８０は、それぞれの電源２３０、２５０、２７０及び各センサ２１４、２３２、２５２と信号通信が可能に接続されており、該センサ２１４、２３２、２５２により検知された物理的な情報に基づいて電源２３０、２５０、２７０の電源のＯＮ/ＯＦＦ及びそれぞれの熱電素子２２８、２４８、２６２に供給される電流の方向を制御する。電流の制御に用いられる物理的な情報は、各チャンバの温度、圧力、及び電源供給時間のうち、少なくとも１つから選択された情報であることができる。
【００３２】
以下、図６ａ及び図６ｂに基づいて本発明の第２の実施形態に係るマイクロポンプの動作について説明する。
図６ａに示したように、制御部２８０は各電源２３０、２５０、２７０を制御し各熱電素子２２８、２４８、２６２に電流を供給する。各熱電素子２２８、２４８、２６２に電流を供給することによって、ポンプチャンバ２００及び第１バルブチャンバ２２２は冷却（Ｃ）され、第２バルブチャンバ２４２は加熱（Ｈ）される。第１バルブチャンバ２２２は冷却（Ｃ）された状態なのでその下面の薄膜２２４は収縮しており、流出通路２０４が開放される。そして、第２バルブチャンバ２４２が加熱（Ｈ）されると、第２バルブチャンバ２４２に充電された空気は膨張され下面の薄膜２４４も膨張される。これにより流出通路２０４が遮断される。従って、流入通路２０２は遮断された状態になり流出通路２０４は遮断される。そして、ポンプチャンバ２００が冷却（Ｃ）されることによりポンプチャンバ２００の空気は凝縮され、これによりポンプチャンバ２００の圧力は大気圧より低くなる。係る圧力差により大気中の空気は第１チャネル２０６と開放された流入通路２０２を順次通過しポンプチャンバ２００に流入される。
【００３３】
図６ｂに示したように、制御部２８０は各電源２３０、２５０、２７０を制御し各熱電素子２２８、２４８、２６２に供給される電流の方向を切替える。すると、ポンプチャンバ２００及び第１バルブチャンバ２２２は加熱（Ｈ）され、第２バルブチャンバ２４２は冷却（Ｃ）される。したがって、第１バルブチャンバ２２２の薄膜２２４は膨張し流出通路２０２を遮断し、第２バルブチャンバ２４２の薄膜２４４は収縮して流出通路２０４を開放させる。そして、ポンプチャンバ２００の空気は加熱（Ｈ）されてポンプチャンバ２００の圧力は上昇される。上昇された圧力は空気を流出通路２０４から流出させ、流出される空気は第２チャネル２０８を介して所要される場所に移動され作動流体を移動させる。
【００３４】
一方、各センサ２１４，２３２，２５２は各チャンバ２００、２２２、２４２の物理的な情報を検知して制御部２８０に伝達し、伝達された物理的な情報に基づいて各電源２３０、２５０、２７０を制御し電流が供給される時間及び供給される電流の強さなどを調節する。このような調節により、流入通路２０２及び流出通路２０４の開放程度が調節される。これによりポンプチャンバ２００内に流入される空気の量、ポンプチャンバ２００から流出される空気の量、及びポンプチャンバ２００内の加熱量を調節することが可能となり、係る調節により作動流体を移動させる流量及び作動流体圧力の調節が可能になる。作動流体の微細流量の制御が可能になって精密な流体システムが具現される。
【００３５】
＜第３実施形態＞
図７ないし図９ｂは、本発明の第３の実施形態を示す図であって、これに基づいて本発明の第３の実施形態に係るマイクロンポンプについて詳説する。本発明の第３の実施形態に係るマイクロポンプは、第２バルブチャンバ３４２及びポンプチャンバ３００を加熱及び冷却するための手段であって、水平型熱電素子３６２が使用されることが前述の第２の実施形態と相違している。すなわち、第１バルブチャンバ３２２の下面は伸縮可能な薄膜３２４を用いて形成されている。この薄膜３２４は、第１バルブチャンバ３２２の圧力により収縮及び膨張する。係る薄膜３２４の収縮及び膨張により流入通路３０２が選択的に開放あるいは遮断される。熱電素子３２８は、第１バルブチャンバ３２２を冷却あるいは加熱することができるよう、その上面に接着材などの固定手段により取り付けられる。垂直型熱電素子３２８には、電源３３０から電流が供給される。以下、本発明の第３の実施形態の構成について第２の実施形態と相違しているところのみ説明する。
【００３６】
図７及び図８に基づくと、水平型熱電素子３６２は、ポンプチャンバ３００と第２バルブチャンバ３４２の上面に接着剤などの固定手段により取り付けられる。この水平型熱電素子３６２はフレーム３６４と、該フレーム３６４の両側にそれぞれ形成される第１及び第２プレート３６６，３７２と、該第１及び第２プレート３６６，３７２との間に位置すべくフレーム３６４に設けられる複数の半導体３７０と、両端が電源３７４に連結され複数の半導体３７０を連結させる伝導体３６８と、を含んでいる。
【００３７】
第１プレート３６６はポンプチャンバ３００の上面に位置し、第２プレート３７２は第２バルブチャンバ３４２の上面に位置する。したがって、電源３７４が伝導体３６８に電流を供給すると、第１プレート３６６及び第２プレート３７２のうちいずれか１つは加熱され、他の１つは冷却される。よって、水平型熱電素子３６２に電源を印加すると、ポンプチャンバ３００と第２バルブチャンバ３４２のうち１つは加熱され他の１つは冷却される。水平型熱電素子３６２は既に公知された技術であるため詳説は除く。そして、前述した構成以外に他の構成は前述した第２の実施形態と同一であるためその詳説は除く。
【００３８】
図９ａ及び図９ｂに基づいて本発明の第３の実施形態に係るマイクロポンプの動作について説明する。
図９ａに示すように、制御部３８０が各電源３３０、３７４を制御し第１バルブ用熱電素子３２８及び水平型熱電素子３６２に電源を供給すると、第１バルブチャンバ３２２及びポンプチャンバ３００は冷却（Ｃ）され、第２バルブチャンバ３４２は加熱（Ｈ）される。よって、第１バルブチャンバ３２２の薄膜３２４は収縮され流入通路３０２は開放される一方、第２バルブチャンバ３４２の薄膜３４４は膨張して流出通路３０４は遮断される。ポンプチャンバ３００の空気は凝縮されてポンプチャンバ３００の圧力は低くなる。したがって、大気中の空気が第１チャネル３０６及び流入通路３０２を介して外部空気がポンプチャンバ３００に流入される。
【００３９】
図９ｂに示すように、空気の吸入過程が終了されれば、制御部３８０は各熱電素子３２８、３６２に供給される電流の方向を切替える。すると、第１バルブチャンバ３２２及びポンプチャンバ３００は加熱（Ｈ）され、第２バルブチャンバ３４２は冷却（Ｃ）される。すると、第１バルブチャンバ３２２の薄膜３２４は膨張して流入通路３０２を遮断し、第２バルブチャンバ３４２の薄膜３４４は収縮して流出通路３０４を開放させる。そして、ポンプチャンバ３００の空気は膨張しポンプチャンバ３００の圧力は上昇する。前記ポンプチャンバ３００の圧力が上昇すると、ポンプチャンバ３００の空気は開放された流出通路３０４を介して第２チャネル３０８に流出される。流出された空気は作動流体を所要される場所に流出させる。
【００４０】
このように、１つの水平型熱電素子３６２にポンプチャンバ３００及び第２バルブチャンバ３４２を加熱あるいは冷却させることによりマイクロポンプの構造がより簡単になる。また、一面の加熱あるいは冷却されるエネルギーのみが使用される垂直型熱電素子の代わりに両側の加熱及び冷却エネルギーが全て使用されることから省エネを達成することができる。
【００４１】
＜第４実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
同図に示したように、本発明の第４の実施形態に係るマイクロポンプは１つの水平型熱電素子４６２を用いて第１及び第２バルブチャンバ４２２，４４２とポンプチャンバ４００を加熱あるいは冷却させる点が第３の実施形態と相違している。即ち、第１プレート４６６は第１バルブチャンバ４２２の上面とポンプチャンバ４００の上面に取り付けられ、第２プレート４６８は第２バルブチャンバ４４２の上面に取り付けられる。複数の半導体（図示せず）は、第１プレート４６６及び第２プレート４６８の間に位置すべくフレーム（図示せず）に設けられる。その他の構成は前述した第３の実施形態と同一であるため詳説は除く。
【００４２】
以下、図１１ａ及び図１１ｂに基づいて本発明の第４の実施形態に係るマイクロポンプを詳説する。
図１１ａに示したように、制御部４８０は電源４７４を制御し水平型熱電素子４６２に電流を供給する。第１プレート４６６が冷却されながら、第１バルブチャンバ４２２及びポンプチャンバ４００を冷却（Ｃ）させる。すると、第１バルブチャンバ４２２の薄膜４２４は収縮しながら流入通路４０２を開放させ、ポンプチャンバ４００の空気は冷却（Ｃ）され凝縮されることにより、大気圧より低い圧力が形成される。大気圧とポンプチャンバ４００圧力の差異により大気中の空気は第１チャネル４０６を介してポンプチャンバ４００に流入される。そして、第２プレート４６８は第２バルブチャンバ４４２を加熱し薄膜４４４を膨張させ、膨張荒れた薄膜４４４は流出通路４０４を遮断する。
【００４３】
図１１ｂに基づいて説明すると、制御部４８０は水平型熱電素子４６２に供給される電流を切替えると、第１プレート４６６は加熱され、第２プレート４６８は冷却されて第１バルブチャンバ４２２とポンプチャンバ４００は加熱（Ｈ）される一方、第２バルブチャンバ４２２は冷却（Ｃ）される。したがって、第１バルブチャンバ４２２の薄膜４２４は膨張し流入通路４０２を遮断する。そして、第２バルブチャンバ４４２の薄膜４４４が収縮されて流出通路４０４を開放させる。さらに、ポンプチャンバ４００の空気が膨張することによりポンプチャンバ４００の圧力が上昇しポンプチャンバ４００の空気は開放された流出通路４０４を介して第２チャネル４０８に流出される。流出された空気は所要される場所に作動流体を移動させる。このように、１つの水平型熱電素子４６２を用いて第１及び第２バルブチャンバ４２２，４４２のみならず、ポンプチャンバ４００を加熱あるいは冷却することにより省エネを達成すると同時に、その構造をより簡単に構成できる。
【００４４】
＜効果＞
以上、本発明の各実施形態によると、繰り返しポンピング作業を行ってもマイクロポンプの構造を簡単にすることができる。簡単な構造を有することで超小型流体システムの適用が容易になる。
そして、流入通路及び流出通路の開閉量を制御するだけでなく、ポンプチャンバの駆動流体の加熱程度を調節することができるので、作動流体の微細流量の制御が可能になり、より精密な流体システムが具現できる。
【００４５】
また、熱電素子を用いてチャンバの空気の凝縮及び膨張を迅速に制御することによって、マイクロポンプの応答速度を向上させることができる。
また、１つの水平型熱電素子でバルブの開閉及びポンプチャンバのポンピング作業を行うための駆動力を提供することによって、その構造がより簡単になるのみならず、加熱あるいは冷却される熱について再度用いることにより省エネが達成される。
【００４６】
一方、駆動流体として空気圧を用いることによって作動流体を流動させるためのより高い圧力を生成することができる。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示及び説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は小型流体システムを駆動させるために試料あるいは試薬などの流体をマイクロリットル単位で流動させるために使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマイクロポンプを概略的に示す平面図である。
【図２ａ】図１のII−IIに沿って切開した断面図である。
【図２ｂ】図２ａの一部分の拡大図である。
【図３ａ】図１に示したマイクロポンプの動作を説明するための断面図（１）である。
【図３ｂ】図１に示したマイクロポンプの動作を説明するための断面図（２）である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るマイクロポンプを概略的に示す分解斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖに沿って切開した断面図である。
【図６ａ】図４に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（１）である。
【図６ｂ】図４に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（２）である。
【図７】本発明の第３実施形態にかかるマイクロポンプを概略的に示す分解斜視図である。
【図８】図７のＶIII−ＶIIIに沿って切開した断面図である。
【図９ａ】図７に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（１）である。
【図９ｂ】図７に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（２）である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るマイクロポンプを概略的に示す断面図である。
【図１１ａ】図１０に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（１）である。
【図１１ｂ】図１０に示すマイクロポンプの動作を説明するための断面図（２）である。
【符号の説明】
【００４９】
１００、２００、３００、４００    ポンプチャンバ
１２０、２２０、３２０、４２０    第１バルブ
１４０、２４０、３４０、４４０    第２バルブ
１６２、２６２、３６２、４６２    熱電素子
１８０、２８０、３８０、４８０    制御部
【図１】
2007247404.tif 000003
【図２ａ】
2007247404.tif 000004
【図２ｂ】
2007247404.tif 000005
【図３ａ】
2007247404.tif 000006
【図３ｂ】
2007247404.tif 000007
【図４】
2007247404.tif 000008
【図５】
2007247404.tif 000009
【図６ａ】
2007247404.tif 000010
【図６ｂ】
2007247404.tif 000011
【図７】
2007247404.tif 000012
【図８】
2007247404.tif 000013
【図９ａ】
2007247404.tif 000014
【図９ｂ】
2007247404.tif 000015
【図１０】
2007247404.tif 000016
【図１１ａ】
2007247404.tif 000017
【図１１ｂ】
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