(57)【要約】  【課題】マイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムを提供する。  【解決手段】本発明のシステムは、アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出するマイクロ流体制御ポンプチップと、前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方の管路内に位置し、前記マイクロ流体制御ポンプチップから送出された液体の圧力変化を検知することにより電気信号を出力する圧力センサと、前記電気信号を調整し、調整後の電気信号を取得する信号調整回路と、前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する信号収集回路と、前記デジタル信号に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、異常が発生する場合、警報ユニットへ信号を送信する信号処理ユニットと、前記信号に基づいて警報を出す警報ユニットと、前記信号処理ユニットの出力に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力状態を調整する制御駆動ユニットと、を含む。本発明はマイクロ流体制御ポンプチップを正確に制御し、マイクロ流体制御ポンプチップの異常状態を正しく検出し、遅延なく警報を出すことができる。  【選択図】図１
2022501549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出するマイクロ流体制御ポンプチップと、
前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方の管路内に位置し、前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体の圧力変化を検知することにより電気信号を出力する圧力センサと、
調整後の前記電気信号を取得するために、前記電気信号を調整する信号調整回路と、
前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する信号収集回路と、
前記デジタル信号に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、異常が発生した場合、警報ユニットへ信号を送信する信号処理ユニットと、
前記信号に基づいて警報を出す警報ユニットと、
前記信号処理ユニットの出力に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップの送出状態を調整する制御駆動ユニットと、
を含む、
ことを特徴とするマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項２】
前記マイクロ流体制御ポンプチップは、さらに、駆動源であるアクチュエータ、液体を通過させるポンプチャンバー、接続機構、入口弁及び出口弁を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項３】
前記圧力センサは、感圧材料、バリア層、トップカバー、ボトムカバー及びセンシングチャンバーで構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項４】
前記圧力センサは、個別のチャンバー内に取り付けられ、又は管路の一部として輸送管路内に集積される、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項５】
マイクロ流体制御ポンプチップの入力ポートの前方、マイクロ流体制御ポンプチップの内部、マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方に配置された複数の圧力センサを集積することにより、液体経路全体を監視することができる、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項６】
前記信号処理ユニットは、さらに、
前記電気信号により反映された液体圧力値を取得するために前記デジタル信号を分析する分析モジュールと、
前記圧力値に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路がどのような動作状態であるかを判定する判定モジュールと、
管路の詰まり、アキュムレータ内部液体無し、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れを含む異常が発生した場合、前記警報ユニットに信号を出力する出力モジュールと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項７】
前記警報ユニットの警報方式は、画面警報、ライト警報、振動警報及び音声警報を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項８】
前記警報ユニットはさらに、無線伝送モジュールを含む、
ことを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項９】
さらに、移動によるノイズの干渉を除去するノイズ除去モジュールを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項１０】
前記制御駆動ユニットは、前記信号処理モジュールの出力に基づき、前記マイクロ流体制御ポンプチップに出力された前記駆動信号の、駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルを含むパラメータを調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療、生物、化学、農業、美容及びバスルーム関連分野に関し、特にマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体制御ポンプチップは、マイクロ流体制御技術の重要な構成部分として、その構造が簡単であり、体積が軽くて薄く、低周波数で動作し、消費電力が低い等の利点で医療適用、生物、化学、農業、美容、バスルーム関連等の面で幅広い将来性がある。実際の作動中、それにマッチする異常検出及び制御システムは、システム全体における非常に重要な構成部分である。特に、安全性、安定性が高く要求されている適用において、機器の動作プロセスにおける様々な状態を監視することにより、例えば、管路の詰まり、アキュムレータの真空引き、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れ等の異常状態による潜在的なリスクを防止しなければならない。
【０００３】
現在、市販されている電子噴射ポンプの大部分が機械的構造を使用しており、ピストンの推進力により液体を輸送する。プッシュロッドの抵抗を検出することにより、電子噴射ポンプの異なる動作状態を判定する。ところが、ピストンには抵抗があるため、該方法の感度が低く、また液体経路に大きな累積圧力を加え、詰まりが解消された瞬間、短時間で大量の液体が注入される恐れがあり、ある程度の安全上の問題がある。
【０００４】
また、シリコンベースＭＥＭＳプロセスに基づくマイクロ流体制御ポンプチップ内部に圧力センサが集積されたものが提案されている。該解決手段は感度の問題を解決している。ところが、チップ内に集積された圧力センサにより検出されるのはチップ内の管路の圧力変化であり、チップ外の管路にも注入異常が発生する可能性がある。そのため単にチップ内の管路の圧力変化を検出するだけでは不十分である。異なる外部管路の設計、延いては注入ホースの揺れもテストの精度に影響を与える可能性がある。このため、該解決手段はシステム全体の異常注入状態を正確に検出することができない。
【発明の概要】
【０００５】
異常検出及び正確な制御における従来のマイクロ流体制御ポンプシステムの欠点に対して、本発明はマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムを提供する。本発明の解決手段はマイクロ流体制御ポンプチップ及び輸送管路の動作状態をタイムリーに監視することができ、動作異常が発生する場合、マイクロ流体制御ポンプチップの動作を停止又は調整し、遅延なく警報を出す。
本発明にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムは、
アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出するマイクロ流体制御ポンプチップと、
前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方の管路内に位置し、前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体の圧力変化を検知することにより電気信号を出力する圧力センサと、
調整後の前記電気信号を取得するために、前記電気信号を調整する信号調整回路と、
前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する信号収集回路と、
前記デジタル信号に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、異常が発生した場合、警報ユニットへ信号を送信する信号処理ユニットと、
前記信号に基づいて警報を出す警報ユニットと、
前記信号処理ユニットの出力に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力状態を調整する制御駆動ユニットと、を含む。
【０００６】
好ましくは、前記マイクロ流体制御ポンプチップは、さらに、駆動源であるアクチュエータ、液体を通過させるポンプチャンバー、接続機構、入口弁及び出口弁を含む。
好ましくは、前記圧力センサは、感圧材料、バリア層、トップカバー、ボトムカバー及びセンシングチャンバーで構成される。
好ましくは、前記圧力センサは、個別のチャンバー内に取り付けられ、又は管路の一部として輸送管路内に集積される。
【０００７】
好ましくは、マイクロ流体制御ポンプチップの入力ポートの前方、マイクロ流体制御ポンプチップの内部、マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方に配置された複数の圧力センサを集積することにより、液体経路全体を監視することができる。
【０００８】
好ましくは、前記信号処理ユニットは、さらに、前記電気信号により反映された液体圧力値を取得するために前記デジタル信号を分析する分析モジュールと、前記圧力値に基づき前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路がどのような動作状態であるかを判定する判定モジュールと、管路の詰まり、アキュムレータの真空引き、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れを含む異常が発生した場合、前記警報ユニットに信号を出力する出力モジュールと、を含む。
好ましくは、前記警報ユニットの警報方式は、画面警報、ライト警報、振動警報及び音声警報を含む。
好ましくは、前記警報ユニットはさらに、無線伝送モジュールを含む。
好ましくは、さらに、移動によるノイズの干渉を除去するノイズ除去モジュールを含む。
【０００９】
好ましくは、前記制御駆動ユニットは、前記信号処理モジュールの出力に基づき、前記マイクロ流体制御ポンプチップに出力された前記駆動信号の、駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルを含むパラメータを調整する。
【００１０】
本発明は以下の有益な効果を有する。本発明にかかる異常状態検出及び制御システムにより、マイクロ流体制御ポンプチップを正確に制御することができ、その異常状態を正しく検出し、遅延なく警報を出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムの構成図である。
【図２】は本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプの構成図である。
【図３】は本発明の一実施例にかかる圧力センサの構成図である。
【図４】は本発明の一実施例にかかる信号処理ユニットの構成図である。
【図５】は本発明の一実施例にかかる駆動制御ユニットの構成ブロック図である。
【図６】は本発明の一実施例にかかる警報ユニットの構成図である。
【図７（ａ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【図７（ｂ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【図７（ｃ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を通じて本発明をさらに説明する。その目的は、本発明の保護範囲を制限することではなく、より良く本発明の研究内容を理解させることである。
以下、図面に合わせて本発明にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムの構造を詳しく説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムは、マイクロ流体制御ポンプチップ１、圧力センサ２、信号調整回路３、信号収集回路４、信号処理ユニット５、制御駆動ユニット６及び警報ユニット７を含む。以下、各部分を詳しく説明する。
【００１４】
マイクロ流体制御ポンプチップ１は、アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出する。図２に示すように、マイクロ流体制御ポンプチップ１の構造は主にアクチュエータ１１、ポンプチャンバー１４、接続機構１５、入口弁１２及び出口弁１３で構成される。マイクロ流体制御ポンプチップ１は、アクチュエータ１１を駆動源とし、制御駆動ユニット６から出力された駆動信号下でアクチュエータ１１を振動させる。アクチュエータは、圧電セラミックス、磁歪デバイス、熱歪デバイス及び形状記憶合金を含むが、それらに限らない。マイクロ流体制御ポンプチップ１は導線グループ１ａを介して制御駆動ユニット６に接続される。制御駆動ユニット６から発生する駆動信号がマイクロ流体制御ポンプチップ１に加えられた時、アクチュエータ１１は振動し、接続機構１５により、直接又は間接的にポンプチャンバー１４の容積を変更する。同時に入口弁１２と出口弁１３が交互に開閉し、液体を送り出す。図中の矢印は液体が流れる方向を表し、ポンプチャンバー１４は液体を通過させる。
【００１５】
圧力センサ２はマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力ポートの後方に取り付けられ、管路３ａを介して接続される。図３に示すように、圧力センサ２の構造は主に感圧材料２１、バリア層２２、トップカバー２３、ボトムカバー２４及びセンシングチャンバー２５で構成される。液体はマイクロ流体制御ポンプチップ１から送出され、管路３ａを介して圧力センサ２へ流れる。管路３ａは特別に設計された流路であり、液体に対する外部と抵抗の急激な変化による干渉を減少又は排除することができる。該部分の設計は特別なキャピラリー管路、流体抵抗装置及び圧力平滑化装置を含むがそれに限らない。圧力センサ２は管路３ａ内に接続され、液体がセンシングチャンバー２５を流れる時、液体圧力の変化はバリア層２２を介して感圧材料２１に作用する。該バリア層２２はフレキシブル材料であり、液体を分離することができ、同時に液体の圧力に応じて微小な変形を発生して、圧力を感圧材料２１に伝達する。感圧材料２１は特別な材料であり、例えば、押圧、引張、せん断及びねじり等の機械的変形が発生する時、その電気特性が変化する。電気特性は、抵抗、コンデンサ、インダクタンス及び電荷等を含むがそれに限らない。圧力センサ２の感圧材料２１は感圧抵抗、圧電材料等を含むがそれらに限られない。感圧材料２１は圧力を検知した後、その電気特性が変化する。同時に、ボトムカバー２４には剛性材料が用いられるため、センシングチャンバー２５は異なる圧力下でその大きさが明らかに変化することがない。従って、感圧材料２１に作用される圧力は液体内部の圧力を正確に反映することができる。感圧材料２１は、前記マイクロ流体制御ポンプチップ１から送出された液体の体積の変化を検知し、電気信号を出力する。圧力センサ２と信号調整回路３は、導線グループ２ａを介して接続され、出力信号は信号調整回路３に伝送される。
【００１６】
前述のとおり、マイクロ流体制御ポンプチップ１は、圧力差の方式により液体を輸送し、駆動信号の作用下で、ポンプチャンバー１４は膨張及び収縮を繰り返し、同時に入口弁１２と出口弁１３は交互に開閉し、液体は圧力の変化下で輸送される。従って、液体内部の圧力値の変化は、マイクロ流体制御ポンプチップの異なる状態を反映する。
【００１７】
信号調整回路３は、圧力センサ２の変化する電気特性を変換、増幅、フィルタリング及びインピーダンス整合し、調整後の電気信号を取得するのに用いられる。圧力センサ２は、圧力の作用下における感圧材料２１の電気特性の変化を発生し、まず変換回路によって電圧信号の変化に変換する必要がある。感圧抵抗は圧力の作用下で抵抗値が変化し、その変換回路はホイートストンブリッジの方法を用いて抵抗値の変化を電圧信号の変化に変換する。また、オペアンプ回路の抵抗の１つとして直接感圧抵抗を用いることにより、増幅と電圧変換の統合を実現することもできる。その他の実施例において、該感圧材料は圧電材料であってもよく、圧電材料は圧力が変化する場合、出力される信号を直接電圧信号とするため、対応する変換回路を必要としない。
【００１８】
本発明にかかる圧力センサ２は光学圧力センサであってもよく、光学圧力センサの主な原理は、圧力がファイバー又はグレーチングに作用して、光の屈折を偏向又は光の強度を変化させた後、感光性材料により光信号を電気信号に変換し、それにより圧力値を得ることである。この場合でも対応する変換回路を必要としない。
【００１９】
該電圧信号は一般的に微小な信号であり、バックエンド信号収集回路の測定範囲に達するように、信号増幅回路を用いて増幅させる必要がある。信号フィルタリング回路は主にノイズを除去するのに用いられ、一定の動作周波数の信号のみを通過させる。インピーダンス整合回路は、センサの出力インピーダンスとバックエンド信号収集回路の入力インピーダンスを整合し、信号の歪みを防止するのに用いられる。信号調整回路３は、信号調整機能を果たす任意の公知の回路を用いることができる。
【００２０】
信号収集回路４は、前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するのに用いられる。具体的には、信号収集回路は、例えばＡ／Ｄコンバータである。
【００２１】
信号処理ユニット５は、信号収集回路４から出力された上記デジタル信号に基づいてマイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、駆動制御ユニット６により駆動電圧、駆動波形の周波数及び波形デューティサイクル等を調節する方式により、マイクロ流体制御ポンプチップを制御し、その出力特性を調整する。例えば、詰まりやポンプ故障等の故障と異常が発生した後、マイクロ流体制御ポンプチップ全体の動作を調整又は停止し、警報を出す。具体的には、図４に示すように、信号処理ユニット５は、さらに分析モジュール５１、判定モジュール５２及び出力モジュール５３を含む。
【００２２】
ここで、分析モジュール５１は、アルゴリズムを用いて上記デジタル信号を分析することによって、電気信号により反映された液体の圧力値を取得する。当業者であれば既知のアルゴリズム又は方法を用いて上記分析プロセスを行うことができる。
【００２３】
判定モジュール５２は、該圧力値がマイクロ流体制御ポンプのどのような動作状態に対応するかを判定する。マイクロ流体制御ポンプチップ１は、定量的且つ定時的に流体を送り出すチップであり、液体が管路を通過して圧力センサ２に注入されると、その圧力変化は規則的な圧力変化曲線である。そのため、圧力値の経時的変化の特徴値は、マイクロ流体制御ポンプチップ及び管路の動作状態に対応する。具体的には以下のとおりである。
【００２４】
管路の詰まりが発生した場合、ポンプチップが動作するたびに圧力が増加する。圧力の減衰曲線は明らかに穏やかであり、その静圧を分析すると、圧力が継続的に増加する。
【００２５】
アキュムレータを真空引きする時、アキュムレータの一部に負圧が発生するため、該負圧はマイクロ流体制御ポンプチップが送り出す際の圧力と相殺し、圧力信号は、最終的に非常に小さな動圧信号になるまで、徐々に小さくなる傾向を反映する。
【００２６】
ポンプチップに故障が発生した場合、圧力センサはマイクロ流体制御ポンプチップが動作するたびに発生する圧力変化を検知することができず、圧力信号は一定の直線信号を反映する。
【００２７】
気泡が閉じ込められた場合、空気の圧縮率が液体よりはるかに高いため、圧力値の変化範囲は正常に動作する時の範囲より小さく、圧力値の周波数成分特徴も異なる。同時に、システム動作の初期段階に空気が完全に排出される過程を考慮すると、該状態の監視では一定の時間窓を設定する必要がある。気泡が一定の時間窓内で排出された場合、気泡の閉じ込めとしてマークされない。時間窓を超え続ける場合のみ、警報をトリガーする。
【００２８】
液体が漏れた場合、静圧値が徐々に降下する。同時に、ポンプチップから液体を送出することによる動圧変化も速やかに降下する。また、異なる位置の液体の漏れにより、動圧変化の傾向も異なる。
【００２９】
また、圧力センサを異常検出センサとして用いる場合、外部の移動による干渉という問題がある。システムが移動し、又は移動する物体にて動作する場合、外部の振動も圧力変化に反映される。システムは、圧力が変化する時、液体管路とポンプの動作状態が変化するか又は外部干渉であるかを区別できない。該問題は圧力センサを用いる解決手段の難題である。このシステムは、移動ノイズ干渉を除去するノイズ除去モジュールをさらに含む。
【００３０】
一実施例において、ノイズ除去モジュールは、閉ループ制御原理を用いて移動ノイズを除去することができる。具体的には、マイクロ流体制御ポンプ閉ループシステムの信号は、信号処理ユニットにより駆動制御ユニットへ送信される。同時に、該信号はさらに移動ノイズを除去する基準信号とする。圧力センサにより収集された信号と基準信号とを組み合わせ、基準信号が有効である場合のみ、圧力信号に焦点を当てる。このように、ポンプチップが動作する時に発生する圧力信号のみを分析し、図７（ａ）に示すように、残りのノイズ信号は除去される。
【００３１】
別の実施例において、ノイズ除去モジュールは、移動センサを用いて移動ノイズを除去することもできる。システム内に移動センサが集積される。移動センサにより収集された信号を処理し、正規化した後に圧力センサにより収集された信号と減算を行う。このように、圧力信号における外部移動による干渉信号が差し引かれ、図７（ｂ）に示すように、残りの信号はポンプチップが動作する時に発生する圧力信号となる。
【００３２】
また別の実施例において、ノイズ除去モジュールは、デュアル圧力センサを用いることもできる。管路の異なる位置に２つの圧力センサを設置する。２つの圧力センサの相対位置が固定されるため、ポンプチップにより発生される圧力信号の管路内での伝送時間差は固定される。そのため、この信号は、２つの圧力センサにおいて固定の位相差を有する。移動により発生される干渉信号は、同時に２つの圧力センサに影響を与えるため、干渉信号にはこの固定の位相差がなく、そのため、図７（ｃ）に示すように、簡単な信号処理方法によってポンプチップの動作により発生される圧力信号を抽出することができる。
上記３つの実施形態は、同時に採用してもよく、そのうち１つ又は２つを採用してもよい。
【００３３】
出力モジュール５３は、判定結果に基づいて信号を出力する。該出力信号は、主にＤＯ信号、Ｅｎａｂｌｅ（イネーブル）信号及びＳｉｇ（駆動波形）信号を含む。ここで、ＤＯ信号は、駆動信号の電圧値を調整するのに用いられ、Ｅｎａｂｌｅ信号は、駆動回路を開閉するのに用いられ、Ｓｉｇ信号は、駆動信号の形状、周波数値及びデューティサイクルを調整するのに用いられる。
【００３４】
制御駆動ユニット６は、前記マイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御するために、前記出力信号に基づき前記マイクロ流体制御ポンプチップ１に出力される駆動信号を調整する。制御駆動ユニット６は、主に駆動信号の３つのパラメータを制御する。前述のとおり、そのパラメータは、それぞれ駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルである。この３つのパラメータにより、タイムリーにマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御する。
【００３５】
制御駆動ユニット６の構成図は、図５に示す通りであり、制御駆動ユニット６は、高圧駆動回路６１、昇圧電源６２、抵抗分圧ネットワーク６３及びイネーブルスイッチ６４等の部分を含む。以下、図５に合わせて、信号処理ユニットの３グループの出力信号に基づいて、駆動信号の３つのパラメータを制御することを詳しく説明する。
【００３６】
駆動信号の振幅値は以下のとおり調整される。信号処理ユニット５のＤＯ信号５５は、主に以下２つの方法により、抵抗分圧ネットワークを調整する。その１つは、調整可能な抵抗を使用し、ＤＯ信号により調整可能な抵抗の抵抗値を直接制御する。２つ目は、信号の代わりに、抵抗分圧ネットワーク６３の基準電圧とされる調整可能な電圧を出力することによって行う。この２つの方法は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよく、それにより、より細かい制御を実現することができる。分圧抵抗ネットワーク６３を調整することによって、昇圧電源６２内部のフィードバック回路を通し、それにより昇圧電源６２の出力電圧を調整し、最終的に駆動信号の振幅値を制御する。
【００３７】
信号処理ユニット５は、Ｅｎａｂｌｅ信号５８を介してイネーブルスイッチ６４に接続され、昇圧電源６２と高圧駆動回路６１のイネーブルを制御する。具体的には、Ｅｎａｂｌｅ信号は、イネーブルスイッチ６４を制御し、Ｅｎａｂｌｅ信号のフラグがオフである時、昇圧回路と高圧駆動回路の動作が停止し、それにより出力信号を０レベルとする。Ｅｎａｂｌｅ信号のフラグがオンである時、昇圧回路と高圧駆動回路が正常に動作する。
【００３８】
信号処理ユニット５のＳｉｇ信号５６は、駆動信号の周波数とデューティサイクルを制御する。Ｓｉｇ信号は、駆動ユニット６の入力を制御する基準信号であり、該信号は、出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６５の信号周波数とデューティサイクルを決定する。Ｓｉｇ信号は、任意の波形をサポートすることができ、波形は方形波、三角波及び正弦波等を含むが、それらに限られない。
【００３９】
出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７は、信号ペアであり、マイクロ流体制御ポンプチップ１のアクチュエータに接続される。本実例例において、出力信号は、位相差が１８０度の相同信号ペアである。該信号ペアの発生方法は以下のとおりである。まず、シングルエンドＳｉｇ信号が２つに分割され、そのうち１つがインバーター６５に接続され、これにより、シングルエンドＳｉｇ信号は、位相差が１８０度の信号ペアＩｎｐｕｔ＋／−６６となる。マイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータが、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋とＨｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ−に接続された場合、正レベル−負レベル出力をサポートすることができる。マイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータが、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋とグランド信号に接続された場合、正レベル−グランド出力をサポートすることができる。
【００４０】
同時に、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７も任意の位相差の非対称信号をサポートすることができ、この場合、Ｓｉｇ信号は、シングルエンド信号からダブルエンド信号に変わり、それぞれの信号の波形、位相及び振幅はいずれも実際の必要に応じて調整することができ、それにより出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７で任意の駆動波形の出力を実現し、それによりマイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータに対するより柔軟な制御を実現する。
【００４１】
駆動信号の振幅値は、マイクロ流体制御ポンプチップ１のアクチュエータ１１の振動度を制御することができ、それによりマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力圧力と流量を変える。駆動信号の周波数は単位時間内にアクチュエータ１１が動作する回数に対応する。信号デューティサイクルは、マイクロ流体制御ポンプチップ１の動作と非動作の時間比に対応する。信号処理ユニット５から伝達される情報に基づき、制御駆動ユニット６はこの３つのパラメータのうち任意１つ又は２つ以上を調整し、タイムリーにマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御する。
【００４２】
信号処理ユニット５が、異常の発生を判定した時、即ちマイクロ流体制御ポンプチップ又は輸送管路状態が異常である時、警報ユニット７は警報を出す。警報の方法は、振動警報、音声警報、ライト警報及び液晶画面表示異常情報を含むがそれらに限らない。同時に、無線伝送モジュール７１を介して制御端末に送信され、制御端末にて同時に警報を出す。また、無線伝送モジュールを介してインターネットに送信することもでき、リモート警報を実現する。
【００４３】
また、このシステムは、閉ループ制御としていくつかのトラブルシューティング機能を実現することもできる。異常が検出された後、信号処理ユニットは３つのパラメータを調整し、ポンプチップの動作状態を変更することができ、それによりトラブルシューティング機能を実現する。具体的な実施形態は以下のとおりである。
【００４４】
詰まりが検出された後、まず駆動信号の振幅値を増やし、ポンプチップの出力圧力を上げる。圧力センサにより、液体の圧力が先に上昇し、その後低下し続けることを検出した場合には、この時の詰まりが解除され、出力圧力が定格値に戻ったことを示す。低下していない場合には、詰まりが解除されるまで、駆動信号の振幅値を増やし続ける。最大振幅値で依然として詰まりが検出された場合、トラブルシューティングに失敗したことを示す。
【００４５】
気泡の閉じ込めが検出された場合、同時に駆動信号の振幅値と駆動信号の周波数を増やすことができる。この時ポンプチップの出力流量が増加し、気泡が排出されるように、液体の移動を加速して気泡を押し付ける。
【００４６】
明らかに、当業者であれば、上記実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を限定するためのものでなく、本発明の実質的な精神範囲内で行われた前述の実施例に対する変更や変形はいずれも本発明の特許請求の範囲に含まれることを認識すべきである。
【図１】
2022501549.tif 000003
【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（ａ）】
2022501549.tif 000009
【図７（ｂ）】
2022501549.tif 000010
【図７（ｃ）】
2022501549.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和3年5月24日(2021.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出するマイクロ流体制御ポンプチップと、
前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方の管路内に位置し、前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体の圧力変化を検知することにより電気信号を出力し、上から下に向けて、トップカバー、感圧材料、バリア層、センシングチャンバー及びボトムカバーで構成され、前記センシングチャンバーは前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体を通過させるために前記バリア層の下面及びボトムカバーの上面に形成され、前記バリア層はフレキシブル材料で、液体を分離することができ、同時に液体の圧力に応じて微小な変形を生じて圧力を前記感圧材料に伝達する、圧力センサと、
調整後の前記電気信号を取得するために、前記電気信号を調整する信号調整回路と、
前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する信号収集回路と、
前記デジタル信号に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、さらに、前記電気信号を反映した液体圧力値を取得するために前記デジタル信号を分析する分析モジュールと、前記圧力値に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定する判定モジュールと、管路の詰まり、アキュムレータの真空引き、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れを含む動作状態の異常が発生した場合、警報ユニットへ信号を送信する出力モジュールと、を含む信号処理ユニットと、
前記信号に基づいて警報を出す警報ユニットと、
前記信号処理ユニットの出力に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップの送出状態を調整する制御駆動ユニットと、
を含む、
ことを特徴とするマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項２】
前記マイクロ流体制御ポンプチップは、さらに、駆動源であるアクチュエータ、液体を通過させるポンプチャンバー、接続機構、入口弁及び出口弁を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項３】
前記圧力センサは、管路を介して前記マイクロ流体制御ポンプチップに接続され、前記管路は、液体に対する外部と抵抗の急激な変化による干渉を減少又は排除することができるように設計された流路である、
ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項４】
前記圧力センサは、個別のチャンバー内に取り付けられ、又は管路の一部として輸送管路内に集積される、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項５】
マイクロ流体制御ポンプチップの入力ポートの前方、マイクロ流体制御ポンプチップの内部、マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方に配置された複数の圧力センサを集積することにより、液体経路全体を監視することができる、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項６】
前記警報ユニットの警報方式は、画面警報、ライト警報、振動警報及び音声警報を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項７】
前記警報ユニットはさらに、無線伝送モジュールを含む、
ことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項８】
前記信号処理ユニットは、さらに、移動によるノイズの干渉を除去するノイズ除去モジュールを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項９】
前記ノイズ除去モジュールは、閉ループ制御原理、移動センサ、又はデュアル圧力センサを用いて移動ノイズを除去する、
ことを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システム。
【請求項１０】
前記制御駆動ユニットは、前記信号処理モジュールの出力に基づき、前記マイクロ流体制御ポンプチップに出力された前記駆動信号の、駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルを含むパラメータを調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御ポンプの注入異常状態検出及び制御システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療、生物、化学、農業、美容及びバスルーム関連分野に関し、特にマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体制御ポンプチップは、マイクロ流体制御技術の重要な構成部分として、その構造が簡単であり、体積が軽くて薄く、低周波数で動作し、消費電力が低い等の利点で医療適用、生物、化学、農業、美容、バスルーム関連等の面で幅広い将来性がある。実際の作動中、それにマッチする異常検出及び制御システムは、システム全体における非常に重要な構成部分である。特に、安全性、安定性が高く要求されている適用において、機器の動作プロセスにおける様々な状態を監視することにより、例えば、管路の詰まり、アキュムレータの真空引き、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れ等の異常状態による潜在的なリスクを防止しなければならない。
【０００３】
現在、市販されている電子噴射ポンプの大部分が機械的構造を使用しており、ピストンの推進力により液体を輸送する。プッシュロッドの抵抗を検出することにより、電子噴射ポンプの異なる動作状態を判定する。ところが、ピストンには抵抗があるため、該方法の感度が低く、また液体経路に大きな累積圧力を加え、詰まりが解消された瞬間、短時間で大量の液体が注入される恐れがあり、ある程度の安全上の問題がある。
【０００４】
また、シリコンベースＭＥＭＳプロセスに基づくマイクロ流体制御ポンプチップ内部に圧力センサが集積されたものが提案されている。該解決手段は感度の問題を解決している。ところが、チップ内に集積された圧力センサにより検出されるのはチップ内の管路の圧力変化であり、チップ外の管路にも注入異常が発生する可能性がある。そのため単にチップ内の管路の圧力変化を検出するだけでは不十分である。異なる外部管路の設計、延いては注入ホースの揺れもテストの精度に影響を与える可能性がある。このため、該解決手段はシステム全体の異常注入状態を正確に検出することができない。
【発明の概要】
【０００５】
異常検出及び正確な制御における従来のマイクロ流体制御ポンプシステムの欠点に対して、本発明はマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムを提供する。本発明の解決手段はマイクロ流体制御ポンプチップ及び輸送管路の動作状態をタイムリーに監視することができ、動作異常が発生する場合、マイクロ流体制御ポンプチップの動作を停止又は調整し、遅延なく警報を出す。
本発明にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムは、
アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出するマイクロ流体制御ポンプチップと、
前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方の管路内に位置し、前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体の圧力変化を検知することにより電気信号を出力し、上から下へ、トップカバー、感圧材料、バリア層、センシングチャンバー及びボトムカバーで構成され、前記センシングチャンバーは前記マイクロ流体制御ポンプから出力された液体を通過させるために前記バリア層の下面及びボトムカバーの上面で形成され、前記バリア層はフレキシブル材料であり、液体を分離することができ、同時に液体の圧力に応じて微小な変形を発生して圧力を前記感圧材料に伝達する圧力センサと、
調整後の前記電気信号を取得するために、前記電気信号を調整する信号調整回路と、
前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する信号収集回路と、
前記デジタル信号に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、さらに、前記電気信号により反映された液体圧力値を取得するために前記デジタル信号を分析する分析モジュールと、前記圧力値に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路がどのような動作状態であるかを判定する判定モジュールと、管路の詰まり、アキュムレータの真空引き、ポンプチップの故障、気泡の閉じ込め及び液体の漏れを含む動作状態の異常が発生した場合、警報ユニットへ信号を送信する出力モジュールと、を含む信号処理ユニットと、
前記信号に基づいて警報を出す警報ユニットと、
前記信号処理ユニットの出力に基づいて前記マイクロ流体制御ポンプチップの出力状態を調整する制御駆動ユニットと、を含む。
【０００６】
好ましくは、前記マイクロ流体制御ポンプチップは、さらに、駆動源であるアクチュエータ、液体を通過させるポンプチャンバー、接続機構、入口弁及び出口弁を含む。
好ましくは、前記圧力センサは、前記圧力センサは管路を介して前記マイクロ流体制御ポンプチップに接続され、前記管路は特別に設計された流路であり、液体に対する外部と抵抗の急激な変化による干渉を減少又は排除することができる。
好ましくは、前記圧力センサは、個別のチャンバー内に取り付けられ、又は管路の一部として輸送管路内に集積される。
【０００７】
好ましくは、マイクロ流体制御ポンプチップの入力ポートの前方、マイクロ流体制御ポンプチップの内部、マイクロ流体制御ポンプチップの出力ポートの後方に配置された複数の圧力センサを集積することにより、液体経路全体を監視することができる。
【０００８】
好ましくは、前記警報ユニットの警報方式は、画面警報、ライト警報、振動警報及び音声警報を含む。
好ましくは、前記警報ユニットはさらに、無線伝送モジュールを含む。
好ましくは、前記信号処理ユニットは、さらに、移動によるノイズの干渉を除去するノイズ除去モジュールを含む。
好ましくは、前記ノイズ除去モジュールは、閉ループ制御原理を用いて移動ノイズを除去し、又は移動センサを用いて移動ノイズを除去し、又はデュアル圧力センサを用いて移動ノイズを除去する。
【０００９】
好ましくは、前記制御駆動ユニットは、前記信号処理モジュールの出力に基づき、前記マイクロ流体制御ポンプチップに出力された前記駆動信号の、駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルを含むパラメータを調整する。
【００１０】
本発明は以下の有益な効果を有する。本発明にかかる異常状態検出及び制御システムにより、マイクロ流体制御ポンプチップを正確に制御することができ、その異常状態を正しく検出し、遅延なく警報を出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムの構成図である。
【図２】は本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプの構成図である。
【図３】は本発明の一実施例にかかる圧力センサの構成図である。
【図４】は本発明の一実施例にかかる信号処理ユニットの構成図である。
【図５】は本発明の一実施例にかかる駆動制御ユニットの構成ブロック図である。
【図６】は本発明の一実施例にかかる警報ユニットの構成図である。
【図７（ａ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【図７（ｂ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【図７（ｃ）】は本発明にかかる３つのノイズを除去するノイズ除去モジュールの波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を通じて本発明をさらに説明する。その目的は、本発明の保護範囲を制限することではなく、より良く本発明の研究内容を理解させることである。
以下、図面に合わせて本発明にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムの構造を詳しく説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の一実施例にかかるマイクロ流体制御ポンプに基づく注入異常状態検出及び制御システムは、マイクロ流体制御ポンプチップ１、圧力センサ２、信号調整回路３、信号収集回路４、信号処理ユニット５、制御駆動ユニット６及び警報ユニット７を含む。以下、各部分を詳しく説明する。
【００１４】
マイクロ流体制御ポンプチップ１は、アクチュエータの振動を制御することにより液体を送出する。図２に示すように、マイクロ流体制御ポンプチップ１の構造は主にアクチュエータ１１、ポンプチャンバー１４、接続機構１５、入口弁１２及び出口弁１３で構成される。マイクロ流体制御ポンプチップ１は、アクチュエータ１１を駆動源とし、制御駆動ユニット６から出力された駆動信号下でアクチュエータ１１を振動させる。アクチュエータは、圧電セラミックス、磁歪デバイス、熱歪デバイス及び形状記憶合金を含むが、それらに限らない。マイクロ流体制御ポンプチップ１は導線グループ１ａを介して制御駆動ユニット６に接続される。制御駆動ユニット６から発生する駆動信号がマイクロ流体制御ポンプチップ１に加えられた時、アクチュエータ１１は振動し、接続機構１５により、直接又は間接的にポンプチャンバー１４の容積を変更する。同時に入口弁１２と出口弁１３が交互に開閉し、液体を送り出す。図中の矢印は液体が流れる方向を表し、ポンプチャンバー１４は液体を通過させる。
【００１５】
圧力センサ２はマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力ポートの後方に取り付けられ、管路３ａを介して接続される。図３に示すように、圧力センサ２の構造は主、上から下へ、にトップカバー２３、感圧材料２１、バリア層２２、センシングチャンバー２５及びボトムカバー２４で構成される。液体はマイクロ流体制御ポンプチップ１から送出され、管路３ａを介して圧力センサ２へ流れ、前記圧力センサ２のセンシングチャンバー２５を通過する。管路３ａは特別に設計された流路であり、液体に対する外部と抵抗の急激な変化による干渉を減少又は排除することができる。該部分の設計は特別なキャピラリー管路、流体抵抗装置及び圧力平滑化装置を含むがそれに限らない。圧力センサ２は管路３ａ内に接続され、液体がセンシングチャンバー２５を流れる時、液体圧力の変化はバリア層２２を介して感圧材料２１に作用する。該バリア層２２はフレキシブル材料であり、液体を分離することができ、同時に液体の圧力に応じて微小な変形を発生して、圧力を感圧材料２１に伝達する。感圧材料２１は特別な材料であり、例えば、押圧、引張、せん断及びねじり等の機械的変形が発生する時、その電気特性が変化する。電気特性は、抵抗、コンデンサ、インダクタンス及び電荷等を含むがそれに限らない。圧力センサ２の感圧材料２１は好ましくは感圧抵抗であってもよい。感圧材料２１は圧力を検知した後、その電気特性が変化する。同時に、ボトムカバー２４には剛性材料が用いられるため、センシングチャンバー２５は異なる圧力下でその大きさが明らかに変化することがない。従って、感圧材料２１に作用される圧力は液体内部の圧力を正確に反映することができる。圧力センサ２と信号調整回路３は、導線グループ２ａを介して接続され、出力信号は信号調整回路３に伝送される。
【００１６】
前述のとおり、マイクロ流体制御ポンプチップ１は、圧力差の方式により液体を輸送し、駆動信号の作用下で、ポンプチャンバー１４は膨張及び収縮を繰り返し、同時に入口弁１２と出口弁１３は交互に開閉し、液体は圧力の変化下で輸送される。従って、液体内部の圧力値の変化は、マイクロ流体制御ポンプチップの異なる状態を反映する。
【００１７】
信号調整回路３は、圧力センサ２の変化する電気特性を変換、増幅、フィルタリング及びインピーダンス整合し、調整後の電気信号を取得するのに用いられる。圧力センサ２は、圧力の作用下における感圧材料２１の電気特性の変化を発生し、まず変換回路によって電圧信号の変化に変換する必要がある。感圧抵抗は圧力の作用下で抵抗値が変化し、その変換回路はホイートストンブリッジの方法を用いて抵抗値の変化を電圧信号の変化に変換する。また、オペアンプ回路の抵抗の１つとして直接感圧抵抗を用いることにより、増幅と電圧変換の統合を実現することもできる。
【００１８】
本発明にかかる圧力センサ２は光学圧力センサであってもよく、光学圧力センサの主な原理は、圧力がファイバー又はグレーチングに作用して、光の屈折を偏向又は光の強度を変化させた後、感光性材料により光信号を電気信号に変換し、それにより圧力値を得ることである。この場合でも対応する変換回路を必要としない。
【００１９】
該電圧信号は一般的に微小な信号であり、バックエンド信号収集回路の測定範囲に達するように、信号増幅回路を用いて増幅させる必要がある。信号フィルタリング回路は主にノイズを除去するのに用いられ、一定の動作周波数の信号のみを通過させる。インピーダンス整合回路は、センサの出力インピーダンスとバックエンド信号収集回路の入力インピーダンスを整合し、信号の歪みを防止するのに用いられる。信号調整回路３は、信号調整機能を果たす任意の公知の回路を用いることができる。
【００２０】
信号収集回路４は、前記調整後の電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するのに用いられる。具体的には、信号収集回路は、例えばＡ／Ｄコンバータである。
【００２１】
信号処理ユニット５は、信号収集回路４から出力された上記デジタル信号に基づいてマイクロ流体制御ポンプチップ及び注入管路の動作状態を判定し、駆動制御ユニット６により駆動電圧、駆動波形の周波数及び波形デューティサイクル等を調節する方式により、マイクロ流体制御ポンプチップを制御し、その出力特性を調整する。例えば、詰まりやポンプ故障等の故障と異常が発生した後、マイクロ流体制御ポンプチップ全体の動作を調整又は停止し、警報を出す。具体的には、図４に示すように、信号処理ユニット５は、さらに分析モジュール５１、判定モジュール５２及び出力モジュール５３を含む。
【００２２】
ここで、分析モジュール５１は、アルゴリズムを用いて上記デジタル信号を分析することによって、電気信号により反映された液体の圧力値を取得する。当業者であれば既知のアルゴリズム又は方法を用いて上記分析プロセスを行うことができる。
【００２３】
判定モジュール５２は、該圧力値がマイクロ流体制御ポンプのどのような動作状態に対応するかを判定する。マイクロ流体制御ポンプチップ１は、定量的且つ定時的に流体を送り出すチップであり、液体が管路を通過して圧力センサ２に注入されると、その圧力変化は規則的な圧力変化曲線である。そのため、圧力値の経時的変化の特徴値は、マイクロ流体制御ポンプチップ及び管路の動作状態に対応する。具体的には以下のとおりである。
【００２４】
管路の詰まりが発生した場合、ポンプチップが動作するたびに圧力が増加する。圧力の減衰曲線は明らかに穏やかであり、その静圧を分析すると、圧力が継続的に増加する。
【００２５】
アキュムレータを真空引きする時、アキュムレータの一部に負圧が発生するため、該負圧はマイクロ流体制御ポンプチップが送り出す際の圧力と相殺し、圧力信号は、最終的に非常に小さな動圧信号になるまで、徐々に小さくなる傾向を反映する。
【００２６】
ポンプチップに故障が発生した場合、圧力センサはマイクロ流体制御ポンプチップが動作するたびに発生する圧力変化を検知することができず、圧力信号は一定の直線信号を反映する。
【００２７】
気泡が閉じ込められた場合、空気の圧縮率が液体よりはるかに高いため、圧力値の変化範囲は正常に動作する時の範囲より小さく、圧力値の周波数成分特徴も異なる。同時に、システム動作の初期段階に空気が完全に排出される過程を考慮すると、該状態の監視では一定の時間窓を設定する必要がある。気泡が一定の時間窓内で排出された場合、気泡の閉じ込めとしてマークされない。時間窓を超え続ける場合のみ、警報をトリガーする。
【００２８】
液体が漏れた場合、静圧値が徐々に降下する。同時に、ポンプチップから液体を送出することによる動圧変化も速やかに降下する。また、異なる位置の液体の漏れにより、動圧変化の傾向も異なる。
【００２９】
また、圧力センサを異常検出センサとして用いる場合、外部の移動による干渉という問題がある。システムが移動し、又は移動する物体にて動作する場合、外部の振動も圧力変化に反映される。システムは、圧力が変化する時、液体管路とポンプの動作状態が変化するか又は外部干渉であるかを区別できない。該問題は圧力センサを用いる解決手段の難題である。このシステムは、移動ノイズ干渉を除去するノイズ除去モジュールをさらに含む。
【００３０】
一実施例において、ノイズ除去モジュールは、閉ループ制御原理を用いて移動ノイズを除去することができる。具体的には、マイクロ流体制御ポンプ閉ループシステムの信号は、信号処理ユニットにより駆動制御ユニットへ送信される。同時に、該信号はさらに移動ノイズを除去する基準信号とする。圧力センサにより収集された信号と基準信号とを組み合わせ、基準信号が有効である場合のみ、圧力信号に焦点を当てる。このように、ポンプチップが動作する時に発生する圧力信号のみを分析し、図７（ａ）に示すように、残りのノイズ信号は除去される。
【００３１】
別の実施例において、ノイズ除去モジュールは、移動センサを用いて移動ノイズを除去することもできる。システム内に移動センサが集積される。移動センサにより収集された信号を処理し、正規化した後に圧力センサにより収集された信号と減算を行う。このように、圧力信号における外部移動による干渉信号が差し引かれ、図７（ｂ）に示すように、残りの信号はポンプチップが動作する時に発生する圧力信号となる。
【００３２】
また別の実施例において、ノイズ除去モジュールは、デュアル圧力センサを用いることもできる。管路の異なる位置に２つの圧力センサを設置する。２つの圧力センサの相対位置が固定されるため、ポンプチップにより発生される圧力信号の管路内での伝送時間差は固定される。そのため、この信号は、２つの圧力センサにおいて固定の位相差を有する。移動により発生される干渉信号は、同時に２つの圧力センサに影響を与えるため、干渉信号にはこの固定の位相差がなく、そのため、図７（ｃ）に示すように、簡単な信号処理方法によってポンプチップの動作により発生される圧力信号を抽出することができる。
上記３つの実施形態は、同時に採用してもよく、そのうち１つ又は２つを採用してもよい。
【００３３】
出力モジュール５３は、判定結果に基づいて信号を出力する。該出力信号は、主にＤＯ信号、Ｅｎａｂｌｅ（イネーブル）信号及びＳｉｇ（駆動波形）信号を含む。ここで、ＤＯ信号は、駆動信号の電圧値を調整するのに用いられ、Ｅｎａｂｌｅ信号は、駆動回路を開閉するのに用いられ、Ｓｉｇ信号は、駆動信号の形状、周波数値及びデューティサイクルを調整するのに用いられる。
【００３４】
制御駆動ユニット６は、前記マイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御するために、前記出力信号に基づき前記マイクロ流体制御ポンプチップ１に出力される駆動信号を調整する。制御駆動ユニット６は、主に駆動信号の３つのパラメータを制御する。前述のとおり、そのパラメータは、それぞれ駆動信号の電圧値、駆動信号の周波数及び駆動信号のデューティサイクルである。この３つのパラメータにより、タイムリーにマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御する。
【００３５】
制御駆動ユニット６の構成図は、図５に示す通りであり、制御駆動ユニット６は、高圧駆動回路６１、昇圧電源６２、抵抗分圧ネットワーク６３及びイネーブルスイッチ６４等の部分を含む。以下、図５に合わせて、信号処理ユニットの３グループの出力信号に基づいて、駆動信号の３つのパラメータを制御することを詳しく説明する。
【００３６】
駆動信号の振幅値は以下のとおり調整される。信号処理ユニット５のＤＯ信号５５は、主に以下２つの方法により、抵抗分圧ネットワークを調整する。その１つは、調整可能な抵抗を使用し、ＤＯ信号により調整可能な抵抗の抵抗値を直接制御する。２つ目は、信号の代わりに、抵抗分圧ネットワーク６３の基準電圧とされる調整可能な電圧を出力することによって行う。この２つの方法は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよく、それにより、より細かい制御を実現することができる。分圧抵抗ネットワーク６３を調整することによって、昇圧電源６２内部のフィードバック回路を通し、それにより昇圧電源６２の出力電圧を調整し、最終的に駆動信号の振幅値を制御する。
【００３７】
信号処理ユニット５は、Ｅｎａｂｌｅ信号５８を介してイネーブルスイッチ６４に接続され、昇圧電源６２と高圧駆動回路６１のイネーブルを制御する。具体的には、Ｅｎａｂｌｅ信号は、イネーブルスイッチ６４を制御し、Ｅｎａｂｌｅ信号のフラグがオフである時、昇圧回路と高圧駆動回路の動作が停止し、それにより出力信号を０レベルとする。Ｅｎａｂｌｅ信号のフラグがオンである時、昇圧回路と高圧駆動回路が正常に動作する。
【００３８】
信号処理ユニット５のＳｉｇ信号５６は、駆動信号の周波数とデューティサイクルを制御する。Ｓｉｇ信号は、駆動ユニット６の入力を制御する基準信号であり、該信号は、出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６５の信号周波数とデューティサイクルを決定する。Ｓｉｇ信号は、任意の波形をサポートすることができ、波形は方形波、三角波及び正弦波等を含むが、それらに限られない。
【００３９】
出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７は、信号ペアであり、マイクロ流体制御ポンプチップ１のアクチュエータに接続される。本実例例において、出力信号は、位相差が１８０度の相同信号ペアである。該信号ペアの発生方法は以下のとおりである。まず、シングルエンドＳｉｇ信号が２つに分割され、そのうち１つがインバーター６５に接続され、これにより、シングルエンドＳｉｇ信号は、位相差が１８０度の信号ペアＩｎｐｕｔ＋／−６６となる。マイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータが、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋とＨｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ−に接続された場合、正レベル−負レベル出力をサポートすることができる。マイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータが、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋とグランド信号に接続された場合、正レベル−グランド出力をサポートすることができる。
【００４０】
同時に、Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７も任意の位相差の非対称信号をサポートすることができ、この場合、Ｓｉｇ信号は、シングルエンド信号からダブルエンド信号に変わり、それぞれの信号の波形、位相及び振幅はいずれも実際の必要に応じて調整することができ、それにより出力信号Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｕｔ＋／−６７で任意の駆動波形の出力を実現し、それによりマイクロ流体制御ポンプチップのアクチュエータに対するより柔軟な制御を実現する。
【００４１】
駆動信号の振幅値は、マイクロ流体制御ポンプチップ１のアクチュエータ１１の振動度を制御することができ、それによりマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力圧力と流量を変える。駆動信号の周波数は単位時間内にアクチュエータ１１が動作する回数に対応する。信号デューティサイクルは、マイクロ流体制御ポンプチップ１の動作と非動作の時間比に対応する。信号処理ユニット５から伝達される情報に基づき、制御駆動ユニット６はこの３つのパラメータのうち任意１つ又は２つ以上を調整し、タイムリーにマイクロ流体制御ポンプチップ１の出力状態を制御する。
【００４２】
信号処理ユニット５が、異常の発生を判定した時、即ちマイクロ流体制御ポンプチップ又は輸送管路状態が異常である時、警報ユニット７は警報を出す。警報の方法は、振動警報、音声警報、ライト警報及び液晶画面表示異常情報を含むがそれらに限らない。同時に、無線伝送モジュール７１を介して制御端末に送信され、制御端末にて同時に警報を出す。また、無線伝送モジュールを介してインターネットに送信することもでき、リモート警報を実現する。
【００４３】
また、このシステムは、閉ループ制御としていくつかのトラブルシューティング機能を実現することもできる。異常が検出された後、信号処理ユニットは３つのパラメータを調整し、ポンプチップの動作状態を変更することができ、それによりトラブルシューティング機能を実現する。具体的な実施形態は以下のとおりである。
【００４４】
詰まりが検出された後、まず駆動信号の振幅値を増やし、ポンプチップの出力圧力を上げる。圧力センサにより、液体の圧力が先に上昇し、その後低下し続けることを検出した場合には、この時の詰まりが解除され、出力圧力が定格値に戻ったことを示す。低下していない場合には、詰まりが解除されるまで、駆動信号の振幅値を増やし続ける。最大振幅値で依然として詰まりが検出された場合、トラブルシューティングに失敗したことを示す。
【００４５】
気泡の閉じ込めが検出された場合、同時に駆動信号の振幅値と駆動信号の周波数を増やすことができる。この時ポンプチップの出力流量が増加し、気泡が排出されるように、液体の移動を加速して気泡を押し付ける。
【００４６】
明らかに、当業者であれば、上記実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を限定するためのものでなく、本発明の実質的な精神範囲内で行われた前述の実施例に対する変更や変形はいずれも本発明の特許請求の範囲に含まれることを認識すべきである。
【国際調査報告】
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