(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレート（２）と、ポンプ室（１４）ならびに該ポンプ室に直接接続される吸入制御部品（１２）および吐出制御部品（１６）を画定するよう前記ベースプレートに結合される第二プレート（６）と、前記ポンプ室（１４）および前記吸入制御部品（１２）の上流側にある吸入管（４）と、前記ポンプ室（１４）および前記吐出制御部品（１６）の下流側にある吐出管（５）とを含み、前記ポンプ室及び前記両制御部品は、シール材のフォトリソグラフィーによるマイクロ加工技術によって加工される前記第二プレート（６）に位置し；内部容積（Ｖｉ）は、前記ポンプ室（１４）の容積と前記ポンプ室（１４）及び前記制御部品の間の接続スペース（２２、２４）の容積とから構成され、前記ポンプ室（１４）は前記第二プレート（６）に加工された可動壁（３６）を含み、また、該可動壁（３６）を移動することにより内部容積の周期的な減少および増加を引き起こす作動手段（５０）が備えられているマイクロポンプにおいて、前記ポンプ室（１４）は、前記第二プレート（６）の中央面（４９）の一側に配置され、前記吸入制御部品（１２）および前記吐出制御部品（１６）はそれぞれ、前記ポンプ室（１４）と同じ前記中央面（４９）の一側に配置され、前記吸入制御部品（１２）および前記吐出制御部品（１６）は反対方向に開いていて、前記吸入制御部品（１２）が前記中央面（４９）から離れる前記第二プレート（６）の外側に向かって開く一方で、前記吐出制御部品（１６）が前記中央面（４９）に向かう方向の前記第二プレート（６）の内側に向かって開き、その結果、内部容積の減少により、該内部容積に含まれる気体が前記吐出制御部品（１６）を開けるのに十分な圧力に圧縮され、それにより自動始動マイクロポンプが得られることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ室（１４）と前記接続スペース（２２、２４）は、前記ポンプ室の容積の増加による前記マイクロポンプの内部容積の増加が、前記吐出制御部品（１６）を閉じた後で前記マイクロポンプ内に残る気体が十分に低い圧力に減圧されて前記吸入制御部品（１２）を開けるように構成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ室の容積の減少（ΔＶｐ）は、前記内部容積（Ｖｉ）の３０〜１００％であり、前記ポンプ室（１４）を前記吸入制御部品（１２）および前記吐出制御部品（１６）へ接続する前記接続スペースの容積（Ｖｅ，Ｖｓ）は、前記内部容積（Ｖｉ）の３０％未満であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ポンプ室の容積の（ΔＶｐ）は、前記内部容積（Ｖｉ）の５０％以上であり、前記ポンプ室（１４）を前記吸入制御部品（１２）および前記吐出制御部品（１６）へ接続する前記接続スペースの容積（Ｖｅ，Ｖｓ）は、前記内部容積（Ｖｉ）の１５％未満であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
一つまたは複数である前記吸入制御部品（１２）は、一つまたは複数である前記吐出制御部品（１６）とは異なる構造を有することを特徴とする請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記可動壁（３６）が含む堅い中央部（３８）は、該堅い中央部（３８）と一体成形されたそれよりも薄い厚さの弾性の縁（４０）に囲まれていて、該堅い中央部は、前記ポンプ室（１４）と反対側にある前記可動壁の前記弾性の縁（４０）の面に関して突出すると共に、前記作動手段（５０）と協働することを特徴とする請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
該堅い中央部（３８）の直径は、前記可動壁（３６）の直径の２０〜９０％であることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
該堅い中央部（３８）の直径は、前記可動壁（３６）の幅の５０〜８０％であることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記第二プレート（６）に結合する第三プレート（８）を有し、前記作動手段（５０）は、前記第三プレートに可動に装着されたモータ部品（５２）を含み、前記堅い中央部（３８）と前記モータ部品（５２）との間に中間部品（６４，１６４）が配置されることを特徴とする請求の範囲第６〜８項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記モータ部品（５２）は、前記第三プレート（８）の外面に可動に装着され、前記中間部品（６４）は開口部（６９）によって該第三プレート（８）を貫通することを特徴とする請求の範囲第９項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記モータ部品は、スペース部品（６２）を介して前記第三プレート（８）の外面に装着される圧電素子（５２）であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記中間部品（６４）は、前記モータ部品（５２）と連結する平らな頭部（６６）と、前記第三プレート（８）を貫通し、その端部によって前記可動壁（３６）に作用する軸（６８）とを含むことを特徴とする請求の範囲第９〜１１項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記中間部品（１６４）の下面は、前記堅い中央部（３８）と同様の面を有し、該堅い中央部（３８）と接することを特徴とする請求の範囲第９項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記作動手段（２５０）によって弾性的に変形可能であるような厚さの第三プレート（２０８）を含み、外面に前記作動手段が装着されるこの第三プレートの内面は、前記堅い中央部（３８）と協働して前記可動壁（３６）を移動できるように適応していることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
前記作動手段（４５０）は、前記可動壁（４３６）に直接装着された圧電素子（４５２）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記可動壁（４３６）は、前記第二プレート（６）に結合された第三プレート（８）と接するように配される堅い部（４３８）を備えており、前記第三プレートが前記可動壁（４３６）の流体吸入動作を制限するストッパ要素を構成することを特徴とする請求の範囲第第１５項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１７】
前記可動壁（４３６）は、休止位置で、前記ポンプ室（１４）の外側に膨らんだ形を有することを特徴とする請求の範囲第１〜１６項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１８】
前記膨らんだ形の高さは、前記可動壁（４３６）によって行われる吸い込み移動にほぼ対応することを特徴とする請求の範囲第１７項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１９】
前記可動壁（４３６）の前記膨らんだ形は、該可動壁（４３６）の背面にある室（４６０）の圧力を下げ、およびまたは該可動壁（４３６）の面に当たる材料の少なくとも一つの層が変形予応力をもたらすことによって生じることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載のマイクロポンプ。
【請求項２０】
前記ポンプ室（１４）の内側に向いた前記可動壁（３６、４３６）の面は、向かい合って位置する前記ベースプレート（２）と当たることにより、流体の排出動作を制限することを特徴とする請求の範囲第１〜１９項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項２１】
前記可動壁（３６）の面は、向かい合って位置する前記ベースプレート（２、８）に該面が貼り付かないような材料からなる域（４２、４４）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項２２】
流体の前記吸入およびまたは吐出制御部品は、少なくとも一つのバルブ（１２）からなり、このバルブは、該バルブの閉位置でＶ字形を構成するように前記第二ブレート（６）に加工された二つのダイアフラム（１８）を含み、これらのダイアフラム（１８）は、前記バルブの開位置で中央開口部（２０）を形成するように隔たることを特徴とする請求の範囲第１〜２１項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項２３】
流体の前記吸入およびまたは吐出制御部品は、面のマイクロ加工によって加工された材料からなる少なくとも一つのバルブ（４１２）から構成されることを特徴とする請求の範囲第１〜２２項のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項２４】
流体の前記吐出制御部品はバルブダイアフラム（２２８）を含み、このダイアフラムは、向かい合って位置する前記ベースプレート（２）に対する作用を受けるとともに前記マイクロポンプの出口（５）を囲む環状のリブ（２２６）を有し、前記マイクロポンプは、前記環状のリブ（２２６）と向かい合ったバルブダイアフラム（２２８）の面と、前記第三プレート（２０８）または前記べースプレートとによって区切られた少なくとも一つの室（２２９）を含み、この室（２２９）は、前記マイクロポンプの作動すなわち制御空洞を形成することを特徴とする請求の範囲第９項または第１４項に記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
この発明は、ポンプ室を決定する少なくとも一つのベースプレートおよび該ベースプレートと結合される第二プレートと、ポンプ室に直接接続される吸入および吐出制御部品とを含み、該制御部品は二枚のプレートの少なくとも一方の上または中に位置し、これらのプレートの少なくとも一方はフォトリソグラフィーによるシール材のマイクロ加工技術によって加工され；内部容積（Ｖｉ）は、ポンプ室の容積と該制御部品の接続スペースの容積とを含み、ポンプ室はプレートの一方に加工された可動壁を含み、また該可動壁を移動することにより内部容積を周期的に減少したり増加したりする作動手段が備えられている。
このようなポンプは、特に原位置での薬品投与に用いることが可能であり、ポンプを小型化することで、患者が自分でポンプを所持し、さらに場合によっては体内に直接ポンプを埋め込むことができる。こうしたポンプはまた、注入する流体の量が少なくても定量が可能である。
「Sensors and Actuators」第１５号（１９８８年）第１５３〜１６７ページのH. Van Lintel等による「A piezoelectric micropump based on micro-machining of silicon」という論文は、三枚のプレートの積層構造すなわち二枚のガラスプレートの間に一枚の加工シリコンプレートを挟んだ構造をそれぞれ有するマイクロポンプの実施例を二つ記載している。
シリコンプレートは、空洞を形成するようにエッチングされ、ガラスプレートの一方により、ポンプ室と、吸入弁と、ポンプ室を吸入通路と吐出通路にそれぞれ連絡する少なくとも一つの吐出弁とを決定する。ポンプ室の壁を形成するプレート部分は、たとえば圧電チップまたは圧電結晶から構成される制御素子によって変形可能である。この部分は二つの電極を備え、この二電極が一つの電源に接続されているとき、チップの変形、従ってプレートの変形を引き起こし、ポンプ室の容積を変えることになる。ポンプ室のこのような可動壁または可変壁は、かくして二つの位置の間を移動することができる。
マイクロポンプの機能は以下の通りである。圧電チップにいかなる電圧も印加されていない場合、吸入弁と吐出弁は閉じた位置にある。電圧が印加される場合は、ポンプ室の圧力が増加し、吐出弁が開く。ポンプ室に含まれる流体はそのとき、第一位置から第二位置へ可変壁が移動することによって、吐出通路に向かって送り出される。この位相の間、ポンプ室を支配する圧力によって吸入弁は閉じたままである。
逆に電圧を下げると、ポンプ室の圧力は減少する。これにより吐出弁は閉じ、吸入弁は開く。そのとき可変壁は第二位置から第一位置へ移動するので、吸入通路からポンプ室に流体が吸入される。
最も近い技術状態を構成する英国特許Ａ２２４８８９１号は、上記引例と同じ型のマイクロポンプを記載している。しかしながらこのマイクロポンプでは、流量制限域を有する流量制限装置に吸入弁が代えられている。
このタイプのマイクロポンプの機能は、内部容積に含まれる流体の圧縮率によって非常に影響され、実際、このようなマイクロポンプは、含まれる空気量が多すぎると機能しない。かくして吸入流量は著しく減少し、０になってしまうことさえある。
同様に、このようなポンプの始動は複雑で、真空ポンプ、始動チャンバまたは注入装置などの多くの装備を必要とする。このことから始動は、製造時に特別な設備または工場で行うことしかできない。
幾つかのマイクロポンプはさらに、超過圧力に対する保護装置を吸入口に備えているので、超過圧力を加えることにより始動することは不可能である。
また文献ＤＥ−Ａ−３３２０４４３により、金属製のベースプレートに二個のバルブを装着したポンプが知られている。内側層がニッケルで、外側層がセラミックで構成された切片型の圧電素子は、溶接によってベースプレートに固定されている。圧電素子に電圧を印加すると収縮して、ポンプに含まれる液体を排出する。このポンプの構造は、シール材をフォトリソグラフィー・マイクロ加工して得られたものとは非常に異なる。
文献ＥＰ−Ａ−００２５００５は、二個の圧電素子を固定した両面に、少なくとも一つの好適には金属製の可撓性ダイアフラムを含むマイクロポンプを記載している。このダイアフラムはセラミック製の壁に装着される。圧電素子に電圧を印加すると変形して、ダイアフラムがポンプ運動を行う。このようなダイアフラム付きのマイクロポンプの型もまた、シール材をフォトリソグラフィー・マイクロ加工して得られるマイクロポンプとは全く異なる。
さらにまた、吸込容積を大きくすることが可能で、特にエラストマー製で伸張性の弾性ポンピング・ダイアフラムを用いた各種小型ポンプが知られている。この型のポンプの例としては、水槽で用いられているものが挙げられる。しかしながら、これらのポンプは前述の加工法を用いるものではない。その上、使用する材料が容易に伸びると空気や蒸気が逃れ、ハーメチックシールでないと受け入れられない用途には適用できない。ポンプ装置がたとえばシール室に電子コンポーネントを含む用途では、ポンプから蒸気が少しも逃げない。
脆くて実際には伸びないシリコンなどのハーメチックシール材では、蒸気の問題に対して他の解決法を見つけなければならない。
本発明の目的は、マイクロポンプの内部容積に圧縮性の空気あるいは他の気体または流体が入る場合でも適切に機能する、マイクロポンプの内部を完全に密封した完全自動始動マイクロポンプを構成することにある。
このためマイクロポンプは、プレート上またはプレート内にある吸入制御部品がプレートの外側に向かって開く一方で、プレート上またはプレート内にある吐出制御部品がプレートの内側に向かって開き、その結果、内部容積の減少により、該内部容積に含まれる気体が吐出制御部品を開けるのに十分な圧力に圧縮され、自動始動マイクロポンプを得ることができる。
かくして、マイクロポンプの内部容積が完全に気密であるという長所を有すると同時に、内部容積に含まれる空気はマイクロポンプのポンピング効果自体によって排出されるため、特定の装置類がなくても迅速かつ自動的にマイクロポンプを始動することが可能である。
ポンプ室の容積の該減少は、該内部容積の３０〜１００％で、好適には５０％以上であり、吸入および吐出制御部品へポンプ室を接続する該スペースの容積は内部容積の３０％未満で、好適には１５％未満である。
かくして始動および空気の排出が特に有効に行われる。
好適な一実施例によれば、可動壁は堅い中央部を含み、この中央部は、堅い中央部と一体成形された厚さがそれよりも薄い弾性の縁取りで囲まれ、またポンプ室と逆側の可動壁の面に関して突出し、該作動手段と協働する。
このような構成により、ポンプ室からの排出が極めて有効に行われ、従って始動は信頼性のあるものになる。可動壁の堅い中央部により、可動壁を正確に移動することができ、これはピストン運動に匹敵する。ポンプ室の圧力差は、堅い中央部を囲む弾性の縁の面積が小さいために、わずかな容積変化を生むだけである。
好適には、マイクロポンプは、第二プレートに結合された少なくとも一つの第三プレートを有し、作動手段は、第三プレートに可動装着されたモータ部品を含み、該堅い中央部とモータ部品との間には中間部品が配置されている。
このような構成は有効作動を確保するという利点がある。モータ部品の形および変形におけるバリエーションは、好適には圧電チップであるが、可変壁の形に影響を及ぼさない。
中間部品の内面は、堅い中央部と同じ面積を有し、該堅い中央部と接触する。
作動運動は、従っていかなる変形も受けない堅い中央部の幅全体にわたって加えられ、これによりポンプ室の排出は非常に正確になる。
好適な変化例によれば、流体の吸入およびまたは吐出制御部品は、弁の閉位置でＶ字形を形成するように第二プレートに加工された二つのダイアフラムを含む少なくとも一つの弁から構成され、これらのダイアフラムは、弁の開位置で中央開口部を形成するように隔てることができる。
この種の弁またはバルブは、非常に小型化することができるので、弁をポンプ室につなぐスペースの容積は非常に小さくなり、これによりマイクロポンプの自動始動効果を著しく強化することが可能である。
本発明はまた、薬品投与用に構成され、患者の体内に埋め込むことができるマイクロポンプに関する。
他の長所は、従属クレームに開示される特徴ならびに、例として概略的に四つの実施例を示す添付図面を用いた以下の説明とから明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、図２のラインＩ−Ｉによる発明の第一実施例の断面図である。
図２は、図１のラインII−IIによる水平断面図である。
図３は、第二実施例の断面図である。
図４は、第三実施例の断面図である。
図５ａ）〜５ｄ）は、開位置と閉位置に対して横断面と下面から示された特定型の使用弁を示す。
図６は、図７のラインVIII−VIIIによる第四実施例の断面図である。
図７は、図６のラインIX−IXによる水平断面図である。
図８ａ、８ｂは、横断面と下面から示された別の型の使用弁を示す。
〔発明を実施するための最適な形態〕
図１〜４、６、７において、同一要素が複数の図に示される場合は、各図で同じ参照番号が用いられている。以下に記載する実施例において、マイクロポンプは一つまたは複数の吸入弁あるいは流量制限装置および吐出弁を備える。しかしながら本発明は、複数の弁をポンプ室と吐出口との間に配置したマイクロポンプにも適用されることに留意されたい。マイクロポンプはまた、複数の吐出口を備えることも可能である。吸入弁と吐出弁は、流量制限装置のような他のあらゆる流体吸入または吐出制御部品と替えることもできよう。
さらに、マイクロポンプを構成する各種のプレートの厚さは、図では非常に誇張されている。
図１と図２を参照すると、第一実施例によるマイクロポンプは、好適にはガラス製のベースプレート２を含む。ベースプレート２には、ポンプの吸入管と吐出管を構成する通路４、５が開けられている。
吸入管４は、たとえば正確に定量して投与する薬品などの吸入液体物質を入れたタンク（図示されていない）に接続することができる。この用途では、マイクロポンプを患者の身体につけ、さらに埋め込むことも可能である。吐出管５はたとえば注射針（図示されていない）に接続できる。
ベースプレート２には、シリコン製またはフォトリソグラフィー技術によりエッチング加工が可能な他の材料の中間プレート６が備えられている。中間プレートは、既知の結合技術によりベースプレート２に結合されるが、このような技術は英語の「anodic bonding」という用語で知られるアノード溶接であり、約３００℃に加熱し、プレート間に約５００Ｖの電位差をかけるものである。
好適にはガラス製の上部プレート８も、同様の技術で中間プレート６に結合される。
たとえば、シリコンの中間プレート６は、エッチングがうまく行われるように結晶構造＜１００＞を有する。好適にはプレート２、６、８を丁寧に磨く。次にプレート２、６、８は、特にマイクロポンプで用いられる物質が水溶液である場合は親水性にする。このためシリコンプレート６を沸騰したＨＮＯ3に浸ける。
目安としては、プレート面積の寸法が約１５×２０ｍｍの場合、プレート２、６、８の厚さは、それぞれ約１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．８ｍｍにすることができる。
吸入管４と吐出管５は、原則として、三つの吸入弁１２と、ポンプ１４と、吐出弁１６とに接続されている。
吸入弁１２は特に図５ａ）〜５ｄ）に示されており、その二個のダイアフラム１８は、弁の閉位置においてＶ字形を構成するようにシリコンプレート６に加工されている（図５ｃ）、５ｄ））。ダイアフラム１８はその接合面で離れることができ、弁の開位置で中央開口部２０を形成する（図５ａ、ｂ））。マイクロ加工によって得られたこの型の弁は特に、IEEE catalog number 91CH2817-5, IEEE, piscataway, NJ（１９９１年）「Transducers 91, Digest of Technical papers」１０４９−１０５１ページの
0003948493.tif 000002
による論文「A silicon self-aligned non reverse valve」に記載されている。
これらのバルブは、非常に小型化することができ、ポンプ室に接続するための接続スペース２２の容積を極めて小さくすることができる。弁がバルブシートと協働する一般型のバルブで生じるマイクロキャビテーション現象は避けられる。実際、このような一般型のバルブでは、弁がバルブシートと離れるときに圧力の著しい減少がバルブシートのレベルで局部的に観察される。こうした圧力低下は、この場合の液圧が液体の蒸気圧よりも下がった場合に微少の気泡を発生する。このような欠点は、Ｖ字形ダイアフラムを有する本発明のバルブ室１２では生ぜず、これは二つのダイアフラムが、この二つのダイアフラムに沿って流体が流れるようにスライド式に離れるからである。
三個のバルブの寸法は非常に小さいので、三個の吸入弁１２の下に位置する接続スペース２２の容積も極めて限られたものになり、すぐさまポンプ室１４に接続される。
ポンプ室１４は、吐出弁１６の環状のリブ２６を囲む第二接続スペース２４によって吐出弁１６に接続される。好適には、この第二接続スペース２４の容積もまたできるだけ制限される。
従来型の吐出弁１６も同様にシリコンプレート６に加工され、酸化膜２７で環状のリブ２６を被覆したダイアフラム２８を含み、酸化膜２７はダイヤフラム２８に対して予応力を与え、バルブシートの役割をする下部プレート２に対してリブ２６の頂上を押しつける。ダイヤフラム２８の反対側に塗布された酸化膜３０は、この予応力を補強する。リブ２６は、吐出管５と連絡するリブ２６の外側の室３２を決定する。
もちろん、Ｖ字ダイアフラム型バルブまたはたとえば流量制限装置などの他の型の流体吐出制御部品を備えることもできよう。
ポンプ室１４の形はほぼ円形である。その容積は、ポンプ室１４の可動または可変壁を構成するポンピングダイアフラム３６によって変えることができる。この可動壁はシリコンプレート６で加工され、ポンピングダイアフラム３６の全体幅に比べると比較的幅広の堅い中央部３８を含む。この中央部３８の直径は、ポンピングダイアフラム３６の直径の２０〜９０％であり、好適には５０〜８０％である。堅い中央部３８の厚さは、ポンピングダイアフラムの環状の縁４０よりもずっと厚い。目安としては、縁４０の厚さが１０〜１００μｍであるのに対し、堅い中央部３８の厚さは、たとえば３００μｍとなるプレート６の全体の厚さよりも１０〜５０μｍだけ薄い。
このようなポンピングダイアフラム３６は、プレート２と向き合った下面にシリコン酸化薄膜域４２を備え、ダイアフラム３６がプレート２に貼り付かないようにする。同じ目的で、同様のシリコン酸化薄膜４４が堅い中央部３８の上面に備えられている。環状の縁４０の両面に施されているシリコン酸化膜４６、４８は、図１の上部に向かって一定の予応力（図示されていない）をダイアフラムに与える。堅い中央部３８と、この中央部が協働する上部プレート８は、ポンピングダイアフラム３６の吸入運動を制限するストッパ要素を構成する。
吸入弁１２と吐出弁１６は全て、プレート６の仮想中央面４９の同じ側に配置されていることに注意しなければならない。ポンプ室１４は、この中央面と同じ側にある。吸入弁１２と異なる構成の吐出弁１６は、この中央面４９の方向に開き、吸入弁１２はこの中央面から遠ざかりながら反対に下方に開く。
ポンピングダイアフラム３６の作動装置５０は、電極５４、５６を備えた圧電素子型のモータ部品５２を含み、電極は交流電圧を供給するジェネレータ５８に接続される。圧電素子は、ＰＸＥ−５２という名称でフィリップス（社）が市販しているものでよい。圧電素子は、接着または溶接などのあらゆる適切な手段によって、金属、シリコンまたはプラスチック製の弾性片６０に固定される。弾性片６０は、スペース部品６２を介して上部プレート８に取り付けられる。このスペース部品６２は、プラスチック、金属またはシリコン製のリングからなる。スペース部品６２はまた、所定の厚さの糊または、プレート８と一体成形されるガラスから構成することもできよう。画鋲型の中間部品６４は、接着または溶接などのあらゆる適切な手段で、その平らな頭部６６により弾性片６０と結合することができる。中間部品６４は、孔６９を通って上部プレートを通過する垂直軸６８により、ポンピングダイアフラム３６の堅い中央部３８に作用する。また、ポンプが休止している場合は、垂直軸６８とポンピングダイアフラム３６の間にわずかな遊びすなわち機械的な応力があってもよい。
圧電素子５２と弾性片６０を含む作動装置５０はまた、二つまたは複数の圧電プレートを結合した装置、あるい圧電磁気ディスクと金属ディスクを組み合わせた装置に代えることもできる。
かくして圧電素子５２は、ポンピングダイアフラム３６から独立している。圧電素子５２のヒステリシス効果（「ピエゾクリープ」）または、圧電素子の変化あるいは劣化はポンピングダイアフラム３６の形に影響を及ぼさないが、これは、ポンピングダイアフラム３６が圧電素子５２から独立しており、中間部品６４によって作動するからである。このような構成から、堅い中央部３８はピストンとして作動するので、ポンピングダイアフラムの所定の直径に対する移動流体の容積を多くすることができる。マイクロポンプの加工パーツは、作動装置を任意のサイズにし、比較的大きくしても、いっそうの小型化が可能である。加工パーツのこのような小型化により、原価を安くできる。
記載されたマイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）は、ポンプ室１４の容積（Ｖｐ）と、片側が吸入弁１２によって区切られ、もう片側がポンプ室１４の反対側に接続された接続スペース２２の容積（Ｖｅ）と、環状のリブ２６を囲む環状部分を含む吐出弁側への接続スペース２４の容積（Ｖｓ）とを含む。作動手段５０は、可動壁２６を移動することにより周期的な変化（△Ｖｐ）を引きおこし、ポンプ室１４の容積（Ｖｐ）を減少し、次に増加する。ポンプ室の容積（Ｖｐ）の減少によるマイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）の減少は空気などの気体によるものであり、すなわちマイクロポンプの内部容積に含まれる圧縮可能な他のあらゆる流体が、少なくとも吐出弁１６をあけるのに十分な圧力に圧縮されることによりマイクロポンプからこの空気を排出し、このようにしてマイクロポンプは自動始動するのである。
こうした効果を得るためには、可動壁３６の動作によって引き起こされたポンプ室１４の容積の変化または減少（△Ｖｐ）が、ポンプ室の容積（Ｖｐ）よりもずっと少なくなければならない。さらに、接続スペース２２、２４の容積（Ｖｅ、Ｖｓ）もまたできるだけ少なくなければならないが、これはマイクロ加工によって得ることができる。
変化または減少（△Ｖｐ）は、内部容積（Ｖｉ）の３０〜１００％であり、好適には５０％以上である。
二つの接続スペース２２、２４の全体の容積（Ｖｅ、Ｖｓ）は、内部容積（Ｖｉ）の３０％未満であり、好適にはこの内部容積の１５％未満である。
目安としては、実施例の可動壁３６の直径は７ｍｍ、堅い中央部の直径は５ｍｍ、垂直移動は１０μｍである。その場合、ポンプ室１４の容積の変化または減少（△Ｖｐ）は約０．２８ｍｍ3である。ポンプ室の容積（Ｖｐ）は０．３８ｍｍ3、接続スペースから吸入弁２２への容積（Ｖｅ）は０．０１５ｍｍ3、接続スペース２４から吐出弁への容積（Ｖｓ）は０．０３ｍｍ3である。内部容積（Ｖｉ）は、およそ０．４３ｍｍ3である。
かくして変化または減少（△Ｖｐ）は、内部容積（Ｖｉ）の約６５％であり、二つの接続スペース２２、２４を合わせた容積（Ｖｅ＋Ｖｓ）は、マイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）の約１０％にすぎない。
始動されていない休止状態にあるマイクロポンプに１バールの圧力で空気を満たし、次にこの空気を初めの容積の３５％の容積に圧縮すると仮定すると、マイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）に２．５バールを上回る圧力が生じる。
吐出弁１６を開けるには１．５バールの内部圧力が必要であるので、マイクロポンプ内部に生じた圧力は、マイクロポンプを完全に自動始動するのに全く十分である。堅い中央部３８は、直径が大きく、ピストン式に機能し、また接続スペース２２、２４が非常に小さいので、自動始動するのに十分な圧力をマイクロポンプの内部に得ることが可能である。
これは、通常かなり大きい容積のスペースを吸入弁の内側に含む既知のマイクロポンプでは不可能である。かくして直径７ｍｍの従来のポンピングダイアフラムではポンプ運動による容積変化は約０．１ｍｍ3であるのに対し、内部容積は一般に約３ｍｍ3である。従来のマイクロポンプは、気体が部分的または全体的にその内部容積を満たすと途端に機能しなくなる。本発明では、こうした機能および始動に関する重大な欠点を完全に解消することができる。同様に、ポンピングダイアフラム３６が完全に上がる場合、ポンプ室１４の容積（Ｖｐ）の増加によるマイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）の増加は気体によるものであり、すなわち吐出弁１６が閉じた後にマイクロポンプの内部容積に留まる空気が、一つまたは複数の吸入弁１２を開けるのに十分に低い圧力に減圧されるのである。
上部プレート８と接触する厚く堅い中央部３８は、ベースプレート２と接触するシリコン酸化域４２からなるストッパ部品と向かい合うストッパ部品を形成する。
ポンピングダイアフラム３６の吸入および吐出動作は、このようにして上側と下側から機械的に制御される。これにより、ダイアフラムの往復ごとに極めて正確な量の物質を吸い込むことができる。堅い中央部３８は、動作がきちんと決まったピストンに匹敵する。ポンピングダイアフラム３６の環状の縁４０の面積は、ポンピングダイアフラム３６の総面積に比べて比較的小さいので、ポンプ室１４に圧力差があっても、ポンピングダイアフラム３６の下の容積はわずかしか変化しない。
さらに、酸化域４２は、アノード溶接中のポンピングダイアフラム３６の接着や、溶接ダイアフラムが最も下の位置から上部へ向かって移動する場合のダイアフラムの吸引を避けることができる。
電気的な接触または電極（図示されていない）は、堅い中央部３８と、上部プレート８の下面に互いに向かい合うように配置する。これらの接触はその場合ポンプの外に延長されて、電気回路に接続され（図示されていない）、ポンピングダイアフラム３６の機能と流体の吸い込みを制御することができる。適切な回路は、たとえば欧州特許出願第０４９８８６３号に記載されている。
このマイクロポンプの一般的な機能モードは、「Sensors and Actuators」第１５号（ｉ９８８年）第１５３〜１６７ページのH. Van Lintel等による「A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon」という論文に記載されたものと同じである。
こうした既知の型のマイクロポンプに対して、本発明によるマイクロポンプは、確実かつ高信頼性の自動始動を得ることができる。本発明によるマイクロポンプは、往復運動ごとに極めて正確に定量することができ、この定量は吸入管および吐出管を支配する圧力とは実際には無関係であり、また圧電素子の性能や、この種の作動装置に知られている劣化ならびにヒステリシス現象とは無関係である。さらにポンピングダイアフラムの動作は、堅い中間部品３８と酸化域４２とによって正確に制御される。従って流量は、ポンピングダイアフラム３６の加工特性と作動装置の周波数とによって決定される。
この型のポンプは、特性変化がかなり大きい圧電素子でも使用することができる。そのうえ、用いられる圧電素子ごとにポンプを区分する必要はない。
圧電素子は外面に固定するので、欠陥がある場合には容易に交換できる。
もちろん上記実施例は限定的なものではなく、特許請求の範囲第一項に記載された枠内であらゆる所望の補正を行うことができる。特に弁の構成と、弁、吐出管、吸入管ならびにポンプ室の配置は極めて多様である。吐出弁はまた、二個のＶ字形のダイアフラムを持つタイプであってもよい。ポンプ室およびこれらの弁すなわち流体制御部品もまた、それが望ましい場合は、一部または全体としてベースプレートに配置することができる。弁または制御部品はその場合、それらが加工されたプレートのポンプ室に最も近い側に配置され、吸入弁１２は、吸入弁が位置するプレートの外側に向かって開くのに対し、吐出弁１６は、吐出弁が位置するプレートの内側に向かって開く。酸化域の配分は、弁とポンピングの所望の予応力に合わせることができる。作動装置は、圧電素子以外のモータ部品を有することも可能である。
中間部品６４は、弾性片６０または圧電素子と一体成形してもよい。また、弾性片とポンピングダイアフラムの間に自由に配置することもできる。
ポンプはさらに、一つまたは複数のネジを含み、このネジはプレート８を通過し、その端部で堅い中央部３８と協働する。これらのネジは、このようにして調整可能なストッパ要素を構成し、吸入動作の振幅を調整する。
調整ネジはまた、弾性片６０に取り付けることも可能である。調整ネジはさらに、中間部品の平らな頭部６６に取り付けることもできる。
図３に示された第二実施例が第一実施例と異なる点は、作動装置の構成だけである。このため二つの実施例の同一要素は同じ数字で示し、詳しい説明は行わない。
この第二実施例もまた、吸入管４と吐出管５をそれぞれ開けたベースプレート２と上部プレート８を含む。これらのプレート２と８の間に、フォトリソグラフィー技術で加工したシリコン中間プレート６が介在し、吸入弁１２、吐出弁１６、ポンプ室１４が得られる。
薄い酸化膜２７、３０、４６、４８により、加工されたシリコン製のダイアフラムに所定の予応力を得ることができる。
ポンプ室１４はほぼ円形で、二つの接続スペース２２、２４により吸入弁と吐出弁に接続される。シリコンプレート６に加工された変形可能な可動壁型のポンピングダイアフラム３６は、厚く堅い中央部３８を含む。
作動装置１５０は金属製の弾性片１６０を有し、スペース部品を形成するその湾曲端１６２はプレート８の上面に接着されている。圧電素子１５２形のモータ部品は、溶接または接着によって弾性片１６０に固定される。モータ部品は、ポンピングダイアフラム３６の堅い中央部３８上の中間部品１６４によって作用する。この中間部品１６４は、堅い中央部３８と同様の断面および下面を有し、アノード溶接または接着などのあらゆる適切な手段によってこの中央部に固定される。中間部品１６４の直径はかなり大きいので、ポンピングダイアフラム３６は、その面積の大部分の変形を引き起こさずに垂直に移動する。従ってポンプ室１４の排出はとりわけ有効であり、このため所定の構造の内部容積（Ｖｉ）に対し、マイクロバルブの自動始動効果はさらに強化される。加えてその構成および組立は単純であるので、マイクロポンプの原価を下げることができる。
図４に示された第三実施例が第一および第二実施例と異なるのは、主に吐出弁２１６と作動装置２５０の構成によってである。従って、三つの実施例で同じ要素は同じ数字で示し、詳しい説明は行わない。
この第三実施例もまた、吸入管４および吐出管５をそれぞれ備えたベースプレート２と上部プレート８を含む。ベースプレート２と上部プレート８の間に、フォトリソグラフィー技術で加工されたシリコン製の中間プレート６が介在し、一つまたは複数の吸入弁１２および吐出弁２１６と、ポンプ室１４が形成される。酸化薄膜２２７、２３０、４６、４８により、シリコンの加工ダイアフラムに所定の予応力が得られる。
ポンプ室は同様に円形で、接続スペース２２、２４によって吸入弁と吐出弁に接続されている。
ガラス製の上部プレート２０８の厚さは、この実施例では約０．２ｍｍと薄く、上面に接着固定された圧電素子２５２によって弾性的に変形可能である。圧電素子２５２は、ガラスプレートが堅い中央部３８上で弾性的に変形することによりポンプ運動を得るように作用する。
このような構成により、ガラスプレートに穴を開ける必要はなく、従って組立はより迅速かつ容易である。
吐出弁２１６は、環状のリブ２２６を有する穴を開けていないダイアフラム２２８を含み、環状のリブ２２６は、吐出通路５の周囲に配置され、シリコン酸化薄膜２２７によって被覆されている。
この実施例ではさらに、室２２９がダイアフラム２２８と上部プレート２０８の間に配置されている。この室２２９は吐出管５に接続することもでき、マイクロバルブの入り側で超過圧力に対する保護を構成し、圧力が超過した場合は吐出管５を閉じる。室２２９はまた、バルブ機能の検出部品に接続することもできる。さらにまた密封したり、あるいは周囲の空気に結合することもできる。こうした構成は、環状のリブ２２６と、直径が小さい吐出管５とが極めて正確に揃えられることを必要とする。
記載されたマイクロポンプは、吸入弁の代わりに、吸入流体制御部品として流量制限装置を有することもでき、この流量制限装置は、吸入管を直接ポンプ室に接続する断面が極めて小さい管から形成される。従ってここでは、これらの二つの部品の間の接続スペースの容積は極めて小さく、これは自動始動には特に好都合である。
圧電素子から構成される作動装置もまた、直接ポンピングダイアフラムに接着し、交流電圧を供給するジェネレータに接続することができる。
圧電素子の作動周波数はこの流量制限装置の変化例の方が高く、１０〜１００ヘルツであるのに対し、吸入弁の実施例では１〜１０ヘルツである。こうした高い周波数と、流量制限装置の小さい流出断面から、自動始動電流を用いてマイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）に含まれる気体を吐出管の方へ排出することができる。もちろんこの変化例でも、ポンプ室１４の容積変化（△Ｖｐ）が、ポンプ室の容積（Ｖｐ）およびマイクロポンプの内部容積（Ｖｉ）よりずっと小さくてはならない。流量制限装置および吐出弁への接続スペースの容積（Ｖｅ、Ｖｓ）もまた、有効な自動始動を得るには、できるだけ小さくなければならない。
図６〜８に示された第四実施例は、第一実施例と同様に、流入および吐出管５を有するガラス製のベースプレート２と、エッチング加工されたシリコン中間プレート６と、好適にはガラス製の上部プレート８とを含む。この実施例は、「Technical Digest of the 7th Sensor Symposium」（１９８８年）２１７〜２２０ページのショージ等の論文に記載された型の吸入弁４１２を二個備える。図８を参照すると、これらの多結晶性シリコンバルブは、面のマイクロ加工技術によって得られる。これらのバルブは、プレート６に結合される環状構造４１８を含み、プレート６に備えられた穴４２１と協働する中央閉塞部品４２０に、４個のアーム４１９によって接続される。
吐出弁１６は、図１に関して記載されたものと同じ型である。ポンピングダイアフラム４３６は、ここではしかしながら休止位置にあって上部に膨らんだ形をし、中央部４３８の直径は小さい。ポンプ室１４に向いた下面は、ダイアフラム４４３６の貼り付きまたは吸い込みに備えるための複数の円形シリコン酸化域４４２を備える。破線４３７は、ダイアフラム４３６とベースプレート２との接触限界を示す。このダイアフラム４３６はさらに、接続スペース４２２を接続スペース４２４に結合するくぼみ４３９を含む。くぼみ４３９もまた、ダイアフラム４３６の吸い込みを避けるためのものである。くぼみは同様にベースプレート２に備えることもできる。
作動装置４５０は、ダイアフラム４３６の中央部４３８の周囲に結合される環状の圧電素子４５２を含む。二個の電極４５４、４５６は、線４５７によって交流電圧ジェネレータに接続される。プレート８の開口部４５９は、たとえばエポキシグルーまたは溶接などの手段によって密封される。
圧電素子４５２を作動すると、ダイアフラム４３６は図６の下方に移動してほぼ平坦な形になるので、ポンプ室１４の圧縮比が良好になり、そのときポンプ室の残留容積は極めて小さくなる。ポンピングダイアフラム４３６が膨らむ高さは、従って、このダイアフラムの吸い込み移動にほぼ対応する。
ダイアフラム４３６の膨らんだ形は、密閉されたダイアフラムの上方に位置する室４６０の圧力を下げることにより得られる。この形はまた、適切な変形予応力をもたらす酸化膜をその上面に塗布することによっても得られる。
このように上方へ膨らむダイアフラムは、上記の他の実施例においても非常に有効であることに留意されたい。同様に、多結晶性シリコンのバルブ４１２も他の実施例の枠内で吐出弁として用いることができる。これらのバルブのマイクロ加工はまた、窒化シリコンあるいは、電鋳で用いられる金属などの他の材料によっても可能である。開口部のストッパとなる中央部４３８はなくてもよいが、この実施例では、ポンプの精度を増すために、また吸入管４の圧力が超過した場合にポンピングダイアフラム４３６が破壊しないようにするための安全部品として有効である。
このようにして上記の実施例は、自動始動効果によりポンプに入る空気を排出することができ、空気全体がマイクロポンプの吐出管に送られるまで吸入流量の一時的な減少を観察するだけでよい。
記載された実施例は、特に薬品投与および、患者の体内に埋め込むのに適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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