(57)【要約】      （修正有）【課題】成形加工が容易で、かつ、小型化が可能なマイクロポンプを得ること。【解決手段】基台２に形成されたチャンバ３と、該チャンバ３に形成されたチャンバノズル４と、前記チャンバ３の体積を増減させるチャンバ駆動部５と、前記チャンバノズル４の中心軸方向に形成された流出チャンネル７と、該流出チャンネル７の流出方向と異なる方向上に形成された流入チャンネル９と、前記流出チャンネル７の流出ノズル６と前記流入チャンネル９の流入ノズル８及びチャンバノズル４のそれぞれの開口が同じ交差空間部１０に面するように配置され、前記チャンバノズル４から排出される流体の一部が前記流入チャンネル９を通過する際に流入する流体との衝突を回避するための回避空間部１６が流入チャンネル９内に設けられ、前記流出チャンネル７よりも流入チャンネル９の流路抵抗が低くなるように流路抵抗に差を持たせたマイクロポンプ１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に形成されたチャンバと、該チャンバに形成されたチャンバノズルと、前記チャンバの体積を増減させるチャンバ駆動部と、前記チャンバノズルの中心軸方向に形成された流出チャンネルと、該流出チャンネルの流出方向と異なる方向上に形成された流入チャンネルと、前記流出チャンネルの流出ノズルと前記流入チャンネルの流入ノズル及びチャンバノズルのそれぞれの開口が同じ交差空間部に面するように配置され、前記チャンバノズルから排出される流体の一部が前記流入チャンネルを通過する際に流入する流体との衝突を回避するための回避空間部が流入チャンネル内に設けられ、前記流出チャンネルよりも流入チャンネルの流路抵抗が低くなるように流路抵抗に差を持たせたことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記流路抵抗が、流出ノズルと流入ノズルの開口面積の差によるもの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３】
前記チャンバ駆動部が、チャンバに設けたダイヤフラムとこのダイヤフラムを駆動する圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はマイクロ化に適したバルブのない新しい動作原理に基づくマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に気体、液体などの流体を搬送するために使用されているマイクロポンプは、流体の流入部、流出部、流体を一時的に溜めるためのチャンバと該チャンバの体積に変化を与えて流体を移動させるためのチャンバ駆動部で構成されている。
このような構成からなるマイクロポンプの従来例として、図９に示すようなデフューザ型ポンプ２０がある。このデフューザ型ポンプ２０は、基台２１の中央内部にチャンバ２２を形成し、このチャンバ２２一方側が流入部２３と繋がり、他方側が流出部２４と繋がっている。チャンバ２２はチャンバ２２の体積に変化を与えるためのチャンバ駆動部２５を有し、このチャンバ駆動部２５はダイヤフラム２６とこのダイヤフラム２６に密着固定されて振動を与えるアクチュエータ２７からなっている。又、前記流入部２３は、チャンバ２２に開口した流入ポート２８から外側に向って縮径されている流入チャンネル２９を通って外部へ開口した流入接続口３０が図外の流体の供給源側と接続されている。従って、流入チャンネル２９は外側へ向って径が縮小した円錐筒形状に形成されている。更に、前記流出部２４は、チャンバ２２に開口した流出ポート３１から外側に向って拡径されている流出チャンネル３２を通って外部へ開口した流出接続口３３が図外の流体の送込み側と接続されている。従って、流出チャンネル３２は外側に向って径が拡大した円錐筒形状に形成される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような従来のデフューザ型ポンプ２０によると、チャンバ駆動部２５の正駆動によってチャンバ２２の体積が増加すると、流入チャンネル２９及び流出チャンネル３２の双方を通じて流体がチャンバ２２内に入るが、前述のように、流入チャンネル２９の流入ポート２８が流入接続口３０に向って縮径されており、流出チャンネル３２の流出ポート３１が流出接続口３３に向って拡径されているので、流入チャンネル２９から流入ポート２８を通じて流入する流体の量の方が流出チャンネル３２から流出ポート３１を通じて流入する流体の量よりも多い。逆に、チャンバ駆動部２５の逆駆動によってチャンバ２２の体積が減じると、流出チャンネル３２から流出ポート３１を通じて流出する流体の量の方が流入チャンネル２９から流入ポート２８を通じて流出する流体の量より多い。このような現象は、流体は大きな開口から小さな開口へと流れる流量の方が、小さな開口から大きな開口に向って流れる流量よりも小さくなるという流体の性質によるものである。上記のようなチャンバ駆動源２５によるチャンバ２２内の流体の移動により、相対的に流入チャンネル２９を通じて入り込む流体の量が流出チャンネル３２を通じて入り込む流体の量よりも多く、逆に、流出チャンネル３２を通じて排出される流体の量が流入チャンネル２９を通じて排出される流体の量よりも多いために、チャンバ駆動部２５の正逆駆動を交互に続けることによって時間の経過と共に流入部２３から流出部２４へと流体が流れ、しいては、流体の供給源から送込み側へと流体を流すことになるのである。
【特許文献１】特開２００５−２９９５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来技術によると、逆止バルブが不要なために、構造が簡潔になり、且つ、耐久性の向上が見込まれるが、チャンバ２２に流入部２３と流出部２４を個別に２つ形成する必要があるために、流入ポート２８と流出ポート３１の２個のポートが必要であり、チャンバ２２の小型化を図る観点からは問題がある。また、流入チャンネル２９と流出チャンネル３２を３次元形状に形成する場合に、底面に傾斜加工が必要となるが、マイク加工では深さ方向の斜面加工は高精度には出来ないと言う問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その手段とするところは、請求項１の発明のマイクロポンプにおいては、基台に形成されたチャンバと、該チャンバに形成されたチャンバノズルと、前記チャンバの体積を増減させるチャンバ駆動部と、前記チャンバノズルの中心軸方向に形成された流出チャンネルと、該流出チャンネルの流出方向と異なる方向上に形成された流入チャンネルと、前記流出チャンネルの流出ノズルと前記流入チャンネルの流入ノズル及びチャンバノズルのそれぞれの開口が同じ交差空間部に面するように配置され、前記チャンバノズルから排出される流体の一部が前記流入チャンネルを通過する際に流入する流体との衝突を回避するための回避空間部が流入チャンネル内に設けられ、前記流出チャンネルよりも流入チャンネルの流路抵抗が低くなるように流路抵抗に差を持たせたことにある。
【０００６】
請求項２の発明のマイクロポンプは、前記流路抵抗が、流出ノズルと流入ノズルの開口面積の差によるものであることにある。
【０００７】
更に、請求項３の発明のマイクロポンプは、前記チャンバ駆動部が、チャンバに設けたダイヤフラムとこのダイヤフラムを駆動する圧電アクチュエータであることにある。
【発明の効果】
【０００８】
上記のこの発明の手段によると、チャンバ駆動部の正駆動によってチャンバの体積が増大すると、チャンバ内へ流体がチャンバノズルを通じて引き込まれるが、この時主として流入ノズルを通って流入チャンネルからチャンバ３内へ引き込まれる。流出ノズルを通って流出チャンネルからも引き込まれるが、流入チャンネルに較べれば流出チャンネルの流路抵抗が大きいために、流入チャンネルからの流体が多くチャンバ内に引き込まれる。
【０００９】
次に、チャンバ駆動部の逆駆動によって、チャンバの体積が減少すると、チャンバ内の流体がチャンバノズルを通じて押し出される。この押し出し出された流体の大部分は、チャンバノズルの中心軸方向に速度を持って押し出されるので、このチャンバノズルの中心軸方向のチャンバノズルに接近して設けられている流出ノズルに入って流出チャンネルを通って流れ出る。
【００１０】
チャンバノズルから押し出された一部分の流体は交差空間部から流入ノズルに入って流入チャンネルへ流れ出るが、この流入チャンネルには回避空間部が形成されているので、ここで押し出される流体と次の動作で流入される流体との大きな衝突が回避されて、流入される流体の量は大きく減じられることが回避される。
【００１１】
以上のように、チャンバ駆動部の正逆駆動の繰り返しによって、相対的に流体供給源と接続されている流入チャンネルからの流体は、このマイクロポンプを通じて流出チャンネルを通じて送り側へと押し出されてゆくことになり、マイクロポンプとしての機能を果たすことになる。
【００１２】
従って、この発明のマイクロポンプは、従来技術と比較して、チャンバに開口したポートであるチャンバノズルは１個でよいので、全体として小型化を図ることが可能となる。
加えて、チャンバノズル、流出ノズル、流出チャンネル、流入ノズル、流入チャンネルなどの各構成要件は、上方から深さ方向に直角に削り取る加工方法でよいので、加工が容易となる利点がある。
【００１３】
また、前記流出チャンネル、流入チャンネルの流路抵抗の差が、それぞれの流出ノズル、流入ノズルの開口面積の差によるものである場合には、加工が簡単である利点がある。  
【００１４】
更に又、チャンバ駆動部が、ダイヤフラムと圧電アクチュエータである場合には、電圧を正逆交互に切り替えることによって、駆動させることが可能となるので、簡単な装置でマイクロポンプを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の最良の実施の形態について以下図１乃至８に基づいて説明する。この発明のマイクロポンプ１は、図１、２に良く現れているように、基台２の一面側において、略中央部分に形成された所定の体積を有するチャンバ３と、該チャンバ３の一部を切欠いて形成したチャンバ３内の流体の出入口となるチャンバノズル４と、前記チャンバ３の体積を増減させるチャンバ駆動部５と、前記チャンバノズル４の中心軸方向の外側に形成された流出ノズル６を有する流出チャンネル７と、該流出チャンネル７の流出方向と異なる方向に形成された流入ノズル８を有する流入チャンネル９と、を具備している。
【００１６】
そして、前記流出ノズル６、流入ノズル８及びチャンバノズル４が、チャンバノズル４の近辺で同じ交差空間部１０内において面するように配置されている。又、前記基台２の深さ方向に加工された前記各構成要件を具備している一面側は、蓋部材１１によって覆われて密封されている。前記チャンバ駆動部５はこの蓋部材１１の反対側のチャンバ３の開口部分を密封するように覆っている。
【００１７】
前記チャンバ駆動部５は、チャンバ３の体積に変化を与えて内部の流体を増減するもので、チャンバ３を覆うダイヤフラム１２とこのダイヤフラム１２に振動を与えて駆動させるアクチュエータ１３からなっている。アクチュエータ１３は、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、熱アクチュエータ、電磁アクチュエータなどが用いられるが、圧電アクチュエータを使用した場合には、電圧を正逆交互に切り替えることによって、駆動させることが可能となるので、簡単な装置でマイクロポンプを構成することができる。
【００１８】
前記流出チャンネル７は、前記チャンバノズル４の中心軸方向のチャンバ３と少しの距離だけ離れた位置にその入口に相当する前記流出ノズル６がチャンバノズル４と向かい合って配置されている。この流出チャンネル７の出口に相当する流出接続口１４は基台２の一端側に設けられており、この流出接続口１４から流体が必要な送込み側へと接続結合される。
【００１９】
前記流入チャンネル９は、チャンバ３の外周囲の２方向からチャンバノズル４に至までの間に形成されており、前記基台２の他端側に形成している流入接続口１５に接続している図外の流体供給源から供給される流体の出口となる前記流入ノズル８は、前記チャンバノズル４の前方の開口を挟んで相対向する位置に形成されている。この実施形態では、前記流出チャンネル７の流出方向とは略直角方向の位置となっているが、これに限定されることなく、流出チャンネル７の流出方向と異なる方向であればよい。
【００２０】
しかし、チャンバノズル４の中心軸方向と流入チャンネル９の流入ノズル８の中心軸方向のなす角度は、チャンバノズル４の中心軸方向と流出チャンネル７の流出ノズル６の中心軸方向のなす角度よりは大きくなるようにして、チャンバノズル４から排出された速度のある流体が、流出ノズル６へより多く流入するようにしておく必要がある。このために、チャンバノズル４の大きさ、即ち、開口面積は、流出ノズル６よりも小さく、又、流入チャンネル９の流路抵抗を流出チャンネル７の流路抵抗よりも小さくするために、流出ノズル６の開口面積は、流入ノズル８の開口面積よりも小さくしておくことが好ましい。なお、流出ノズル６付近の流出チャンネル７と流入ノズル８付近の流入チャンネル９は、直線状に形成して流路抵抗を少なくしておくことが望ましい。
【００２１】
更に又、流入チャンネル９の流路抵抗は、流出チャンネル７の流路抵抗より小さくなるように形成されている。この実施形態においては、流入チャンネル９が２つあって、夫々の流路の断面積の合計及び流入ノズル８の開口断面積の合計が、流出チャンネル７の流路の断面積及び流出ノズル６の開口断面積よりも夫々大きくなるように形成されている。このような実施形態以外の態様としては、流入チャンネル９や流出チャンネル７の内部壁面に異なる凹凸を形成して流路抵抗に差を生じさせる、各チャンネル７、９を異なる曲線状に形成して流路抵抗に差を生じさせる、流出接続口１４や流入接続口１５に接続する流体供給源や送込み側のものに異なる抵抗を持たせる、などの手段によるもの、或いはこれらの組み合わせであっても良い。
【００２２】
更に、流入チャンネル９の数は、２つに限定されることなく、１つ又は３以上であっても良い。複数の場合には、各流入チャンネル９の合計した流路抵抗と流出チャンネル７の流路抵抗と比較し判断する。同様に、流出チャンネル７の数も２つ以上あってもよく、この場合も各流出チャンネル７の合計した流路抵抗と比較して判断する。
【００２３】
このように、流入チャンネル９の流路抵抗を流出チャンネル７の流路抵抗よりも小さくすることによって、チャンバノズル４からの引き込み時においては、流入チャンネル９からの引き込み量が流出チャンネル７の引き込み量より多くなるようにしている。
【００２４】
流入チャンネル９には、流入接続口１５に接続されている図外の流体供給源から引き込まれる流体とチャンバノズル４から排出された流体の一部との大きな衝突を緩和し回避するために、流入ノズル８に近い流入チャンネル９に断面積が他の部分よりも大きい回避空間部１６が形成されている。流入チャンネル９内を交互に反対方向に流体が通過するようにチャンバ駆動部５によって制御されているが、流体の通過には時間を要するので、入りと出の流体の速度が零となる以前に切り替えが行われる。このために、これら入りと出の流体が流入チャンネル９内で衝突を惹起して実質的に流路抵抗を増大させる要因となるために、流入チャンネル９内の一部に断面積が他の箇所の流入チャンネル９の断面積よりも大きい回避空間部１６を形成して、これら衝突による流路抵抗を弱める作用をもたらしめているのである。
【００２５】
前記チャンバノズル４、流出ノズル６及び流入ノズル８は、同じ交差空間部１０に開口して面するように配置されているので、チャンバ３からの流体の出入りはこの１つのチャンバノズル４を通じて行われると共に、逆止バルブを設けない構造となっている。そして、この実施形態においては、チャンバノズル４と流出ノズル６が流入ノズル８の幅方向の長さを空けて相対向して形成されている。前記各ノズルは、基台２を平面的に深さ方向に切削加工して溝状になっているが、その深さ方向の距離は同一である必要はなく、例えば、流入ノズル８の開口面積を大きくするためにより深く削り取った構造にしても良い。いずれにしても、交差空間部１０における各ノズルは、基台２の上方から切削し易い段差状に形成されているので、加工が容易な構造となっている。また、チャンバ３、流出チャンネル７、流入チャンネル９も上方からの深さ方向の削りだけで形成されるので、マイクロポンプ１全体としても加工が容易な構造となっている。
【００２６】
以上の構成からなるこの発明のマイクロポンプ１の動作について、図５乃至図８に基づいて説明する。まず、図５において示す第１次吸入について説明する。チャンバ駆動部５のアクチュエータ１３が圧電アクチュエータである場合には、駆動電圧を印加することによって、ダイヤフラム１２が矢印Ａ方向に変形して、チャンバ３の体積が増大すると、図外の流体供給源と接続されている流入接続口１５から流入チャンネル９、流入ノズル８、交差空間部１０及びチャンバノズル４を通じて流体がチャンバ３内に引き込まれる。この時、流出チャンネル７からも流出ノズル６、交差空間部１０及びチャンバノズル４を通じてチャンバ３内へ一部の流体が引き込まれるが、流入チャンネル９の流路抵抗が流出チャンネル７の流路抵抗よりも小さいことから、流出チャンネル７からの流体よりも流入チャンネル９からの流体の方がより多くチャンバ３内に引き込まれることとなる。この第１次吸入においては、流入チャンネル９及び流出チャンネル７において、逆方向の流体の流れは生じていない。
【００２７】
次に、図６に示す第１次排出について説明する。チャンバ駆動部５のアクチュエータ１３に逆駆動電圧を印加することによって、ダイヤフラム１２が矢印Ｂ方向に変形して、チャンバ３の体積が減少すると、チャンバノズル４、流出ノズル６、流出チャンネル７及び流出接続口１４を通じて流体が排出される。この時、流入チャンネル９からもチャンバノズル４、交差空間部１０、流入ノズル８を通じて流体が排出されるが、流出ノズル６の開口がチャンバノズル４の中心軸方向であるので、チャンバノズル４から排出される流体はその流出速度によってチャンバノズル４の中心軸方向へ排出されて行く。このために、多くの流体は交差空間部１０を直進して流出ノズル６から流出チャンネル７へと排出されて行く。一部の流体は交差空間部１０においてチャンバノズル４と略直交した位置に開口している流入ノズル８を通じて流入チャンネル９へも排出されるが、この流入チャンネル９には断面積の大きい回避空間部１６が形成されているので、ここにおいて、排出される流体の速度が減少されると共に、時差によって逆方向から流入する流体との真正面からの衝突を回避され流入する流体と一体となって次工程でチャンバ３内へと引き込まれて行く。
【００２８】
第２次以降の吸入は、図７に示すように、第１次と同様に行われるが、この時、流入チャンネル９には逆方向の流体の流れが残っているために、流入接続口１５から吸入した流体の速度は回避空間部１６において交ざりあってその速度が一部減じられるものの、多くの吸入された流体は流入ノズル８、交差空間部１０を通じてチャンバノズル４からチャンバ３内へと吸入される。又、流出チャンネル７内にある流体の一部も流出ノズル６、交差空間部１０を経てチャンバノズル４からチャンバ３内へ吸入される。しかし、チャンバノズル４から速度を持って流体が排出されているので、流出チャンネル７内においてもその速度をある程度維持しつつ流出接続口１４方向へと進んでおり、この状態で逆方向の吸入の作用が生じたとしても急には方向転換し難く、加えて、流出チャンネル７の流路抵抗は流入チャンネル９の流路抵抗よりも大きいことから、流出チャンネル７からの吸入量は僅かである。
同様に、第２次以降の排出も、相対的に前述のように流出ノズル６から流出チャンネル７を経由して排出される。
【００２９】
このようなチャンバ駆動部５の作用によって、吸入と排出の動作を繰り返し行なわれて、流体が流入接続口１５から流出接続口１４へと連続して送り込まれるのである。なお、流体としては、気体、液体のいずれであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明のマイクロポンプは、マイクロマシンなどの微小な装置における気体や液体の供給に有効に活用できるので、将来のマイクロ応用技術に対する利用価値は極めて高い有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のマイクロポンプの実施形態の全体斜視説明図
【図２】図１のX−X線断面図
【図３】図１の要部拡大図
【図４】図３の平面図
【図５】第１次吸入の要部における斜視及び断面説明図
【図６】第１次排出の要部における斜視及び断面説明図
【図７】第２次以降の吸入の要部における斜視及び断面説明図
【図８】第２次以降の排出の要部における斜視及び断面説明図
【図９】従来のマイクロポンプの断面説明図
【符号の説明】
【００３２】
１    マイクロポンプ
２    基台２
３    チャンバ
４    チャンバノズル
５    チャンバ駆動部
６    流出ノズル
７    流出チャンネル
８    流入ノズル
９    流入チャンネル
１０  交差空間部
１１  蓋部材
１２  ダイヤフラム
１３  アクチュエータ
１４  流出接続口
１５  流入接続口
１６  回避空間部
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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