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JP6920250B2 - Micropump and fluid transfer device - Google Patents

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JP6920250B2
JP6920250B2 JP2018123310A JP2018123310A JP6920250B2 JP 6920250 B2 JP6920250 B2 JP 6920250B2 JP 2018123310 A JP2018123310 A JP 2018123310A JP 2018123310 A JP2018123310 A JP 2018123310A JP 6920250 B2 JP6920250 B2 JP 6920250B2
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Description

本開示は、マイクロポンプおよび流体移送装置に関するものである。 The present disclosure relates to micropumps and fluid transfer devices.

従来、ごく微少量の流体を移送するための種々のマイクロポンプが検討されている。マイクロポンプは、分析装置や医療関連(投薬、臨床試験など)において、気体や液体の微量供給用途や、電子機器の放熱・冷却用途に用いられる。 Conventionally, various micropumps for transferring a very small amount of fluid have been studied. Micropumps are used in analyzers and medical-related (medication, clinical trials, etc.) for the application of minute amounts of gas and liquid, and for the heat dissipation and cooling of electronic devices.

たとえば、特許文献1では、金属製の振動板に圧電体を貼り合わせたダイヤフラムと、ポンプ室と、ポンプ室のダイヤフラムと対向する位置に逆止弁を有する吸入部および排出部を有する流体ポンプが開示されている。 For example, in Patent Document 1, a diaphragm in which a piezoelectric material is bonded to a metal diaphragm, a pump chamber, and a fluid pump having a suction portion and a discharge portion having a check valve at a position facing the diaphragm of the pump chamber are used. It is disclosed.

特開2005−248713号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-248713

本開示のマイクロポンプは、ダイヤフラムと、駆動素子と、流路部材と、を有するマイクロポンプであって、前記流路部材は、前記ダイヤフラムに面したポンプ室と、該ポンプ室と繋がっている第1流路と、前記ポンプ室と前記第1流路との間に配置されており、流体を前記第1流路から前記ポンプ室に流す第1弁と、前記ポンプ室と繋がっている第2流路と、前記ポンプ室と前記第2流路との間に配置されており、流体を前記ポンプ室から前記第2流路に流す第2弁と、を含んでおり、前記ポンプ室の深さは、前記第1流路繋がっている第1開口部の配置されている部分から前記第2流路と繋がっている第2開口部の配置されている部分に向かって浅くなっている。
The micro pump of the present disclosure is a micro pump having a diaphragm, a driving element, and a flow path member, and the flow path member is connected to a pump chamber facing the diaphragm and the pump chamber. A second valve, which is arranged between the first flow path and the pump chamber and the first flow path and allows fluid to flow from the first flow path to the pump chamber, and a second valve connected to the pump chamber. A depth of the pump chamber, which is arranged between the flow path and the pump chamber and the second flow path, includes a second valve for flowing fluid from the pump chamber to the second flow path. The pump becomes shallower from the portion where the first opening connected to the first flow path is arranged toward the portion where the second opening connected to the second flow path is arranged.

本開示の流体移送装置は、上記のマイクロポンプと、前記駆動素子を駆動させる駆動回路と、を備えている。 The fluid transfer device of the present disclosure includes the above-mentioned micropump and a drive circuit for driving the drive element.

マイクロポンプを模式的に示したもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のA−A線断面の断面図であり、(c)は(a)のB−B線断面の断面図である。The micropump is schematically shown, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view taken along the line AA of (a), and (c) is a cross-sectional view taken along the line BB of (a). It is a cross-sectional view of. マイクロポンプを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the micropump. 弁部材の平面図である。It is a top view of a valve member. 圧電素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the piezoelectric element.

<マイクロポンプ>
図1(a)は、マイクロポンプ1の斜視図であり、図1(b)は図1(a)のA−A線断面の一部を示す断面図であり、図1(c)は図1(a)のB−B線断面の一部を示す断面図である。マイクロポンプ1は、ダイヤフラム2と、駆動素子3と、流路部材6を備えている。流路部材6は、ポンプ室4と、第1流路5aと、第2流路5bと、を備えている。
<Micro pump>
1 (a) is a perspective view of the micropump 1, FIG. 1 (b) is a cross-sectional view showing a part of the cross section taken along line AA of FIG. 1 (a), and FIG. 1 (c) is a view. It is sectional drawing which shows a part of the BB line cross section of 1 (a). The micropump 1 includes a diaphragm 2, a driving element 3, and a flow path member 6. The flow path member 6 includes a pump chamber 4, a first flow path 5a, and a second flow path 5b.

流路部材6は、ポンプ室4を含む第1部材6aと、第1流路5aと、第2流路5bとを含む第2部材6cと、第1部材6aと第2部材6との間に配置されている弁部材6bとを含んでいる。弁部材6bについては後述する。
Channel member 6 includes a first member 6a including pump chamber 4, a first flow path 5a, and the second member 6c and a second flow path 5b, the first member 6a and the second member 6 c It includes a valve member 6b arranged between them. The valve member 6b will be described later.

ダイヤフラム2の一方の面上には駆動素子3が配置され、他方の面には流路部材6が配置されている。ポンプ室4は、ダイヤフラム2の他方の面である第1壁部4aと、当該第1壁部4aに対向する流路部材6の第2壁部4b、および第1壁部4aと第2壁部4bとを繋ぐ第3壁部4cにより構成される。なお、本実施形態では、1壁部4aと第2壁部4bとが、第3壁部4cを介さずに繋がっている部分があるが、そのような部分はあってよいし、なくてもよい。
The drive element 3 is arranged on one surface of the diaphragm 2, and the flow path member 6 is arranged on the other surface. The pump chamber 4 includes a first wall portion 4a which is the other surface of the diaphragm 2, a second wall portion 4b of the flow path member 6 facing the first wall portion 4a, and a first wall portion 4a and a second wall. It is composed of a third wall portion 4c connecting the portions 4b. In the present embodiment, there is a portion where the first wall portion 4a and the second wall portion 4b are connected without the third wall portion 4c, but such a portion may or may not be present. May be good.

第1流路5aは、ポンプ室4の第2壁部4b側に配置された第2部材6cに設けられ、ポンプ室4の第2壁部4bに設けられている第1開口部7aに繋がっている。第1流路5aとポンプ室4との間には第1弁8aが設けられている。第1弁8aは、第1流路5aからポンプ室4へと流体を流し、ポンプ室4から第1流路5aへと流体が流れるのを止めるものである。ただし、逆向きの流体の流れを完全に止めるものでなくても、一方の方向の流体の流れが、逆方向の流体の流れよりも流れ難くなるものでもよい。 The first flow path 5a is provided in the second member 6c arranged on the second wall portion 4b side of the pump chamber 4, and is connected to the first opening 7a provided in the second wall portion 4b of the pump chamber 4. ing. A first valve 8a is provided between the first flow path 5a and the pump chamber 4. The first valve 8a allows the fluid to flow from the first flow path 5a to the pump chamber 4 and stops the fluid from flowing from the pump chamber 4 to the first flow path 5a. However, the flow of the fluid in the opposite direction may not be completely stopped, but the flow of the fluid in one direction may be more difficult to flow than the flow of the fluid in the opposite direction.

第1弁8の弁は、弁部材8cの一部で構成されており、円形状の弁板6baと、弁板6baを支えている継ぎ手6bbで構成されている。弁部材8c単体の状態では、弁板6baは、継ぎ手6bbが変形することで、弁部材8cに対して上方および下方に変位可能になっている。
The valve of the first valve 8 a is composed of a part of the valve member 8c, and the circular-shaped valve plate 6ba, is composed of a joint 6bb supporting the valve plate 6ba. In the state of the valve member 8c alone, the valve plate 6ba can be displaced upward and downward with respect to the valve member 8c by deforming the joint 6bb.

弁板6baのポンプ室4側には、開口が設けられており、その開口は、弁板6baよりも大きなっている。これにより、弁板6baはポンプ室4側に変位できるようになっている。弁板6baの第1流路5a側には、開口が設けられており、その開口は、弁板6baよりも小さくなっている。これにより、弁板6baは、第1流路5a側に変位しないようになっている。ポンプ室4から第1流路5aへと流体の流れがあった場合、弁板6baは、第1流路5a側の開口を塞ぐので、ポンプ室4から第1流路5aには、流体はあまり流れなくなる。流体の流れがない場合、あるいは弁板6baの変位がない場合に、弁板6baは、第1流路5a側の開口を塞いでいてもよいし、塞いでいなくてもよいが、第1流路5a側の開口を塞いでいれば、流体の流れが生じて開口が塞がれるまでの流体の通過が少なくできる。
The pump chamber 4 side of the valve plate 6ba, opening is provided, the opening is made much larger than the valve plate 6ba. As a result, the valve plate 6ba can be displaced toward the pump chamber 4. An opening is provided on the first flow path 5a side of the valve plate 6ba, and the opening is smaller than that of the valve plate 6ba. As a result, the valve plate 6ba is prevented from being displaced toward the first flow path 5a. When there is a fluid flow from the pump chamber 4 to the first flow path 5a, the valve plate 6ba closes the opening on the first flow path 5a side, so that the fluid flows from the pump chamber 4 to the first flow path 5a. It doesn't flow much. When there is no fluid flow or there is no displacement of the valve plate 6ba, the valve plate 6ba may or may not block the opening on the first flow path 5a side, but the first If the opening on the flow path 5a side is closed, the passage of fluid until the flow of the fluid is generated and the opening is closed can be reduced.

第2流路5bは、ポンプ室4の第2壁部4b側に配置された第2部材6cに設けられ、ポンプ室4の第2壁部4bに設けられている第2開口部7bに繋がっている。第2流路5bとポンプ室4との間には第2弁8bが設けられている。第2弁8bは、ポンプ室4から第2流路5bへと流体を流し、第2流路5bからポンプ室4へと流体が流れるのを止めるものである。第2弁8bは、前後にある開口の大きさの関係が逆になっており、流体の流れる方向が逆になる以外は、第1弁8aと同様であるので説明を省略する。 The second flow path 5b is provided in the second member 6c arranged on the second wall portion 4b side of the pump chamber 4, and is connected to the second opening 7b provided in the second wall portion 4b of the pump chamber 4. ing. A second valve 8b is provided between the second flow path 5b and the pump chamber 4. The second valve 8b allows the fluid to flow from the pump chamber 4 to the second flow path 5b, and stops the fluid from flowing from the second flow path 5b to the pump chamber 4. The second valve 8b is the same as the first valve 8a except that the relationship between the sizes of the front and rear openings is reversed and the direction in which the fluid flows is reversed, and thus the description thereof will be omitted.

駆動素子3によりダイヤフラム2が変形し、ポンプ室4の体積が大きくなると、流体は第1流路5aを通ってポンプ室4に導入される。一方、第2流路5b側からは、第2弁8bがあるため、流体はほとんど導入されない。駆動素子3によりダイヤフラム2が変形し、ポンプ室4の体積が小さくなると、ポンプ室4の流体の一部は、第2流路5bを通って吐出される。一方、第1流路5a側には、第1弁8aあるため、液体はほとんど吐出されない。
When the diaphragm 2 is deformed by the driving element 3 and the volume of the pump chamber 4 becomes large, the fluid is introduced into the pump chamber 4 through the first flow path 5a. On the other hand, since there is a second valve 8b from the second flow path 5b side, almost no fluid is introduced. When the diaphragm 2 is deformed by the driving element 3 and the volume of the pump chamber 4 becomes smaller, a part of the fluid in the pump chamber 4 is discharged through the second flow path 5b. On the other hand, since the first valve 8a is located on the first flow path 5a side, the liquid is hardly discharged.

ポンプ室4の深さは、第1流路5aに繋がっている第1開口部7aの配置されている部分から第2路5bと繋がっている第2開口部7bの配置されている部分に向かって浅くなっている。これにより、移送する流体以外に、混入した流体がポンプ室4に入ってきた際に、混入した流体を早く吐出し、移送する流体の移送を効率よく続けることができる。具体的は、ポンプ室4の第1面4aが、変位するダイヤフラム2であり、ダイヤフラム2から第1開口部7aまでの距離が近くなるので、移送する流体および混入した液体の両方が吐出され易くなる。
The depth of the pump chamber 4, the arrangement has been that portion of the second opening 7b to the arrangement has been that portion of the first opening 7a which is connected to the first flow path 5a are connected to the second passage 5b It is getting shallower toward you. As a result, when the mixed fluid enters the pump chamber 4 in addition to the transferred fluid, the mixed fluid can be quickly discharged and the transferred fluid can be efficiently transferred. Specifically, the first surface 4a of the pump chamber 4 is a diaphragm 2 to be displaced, the distance from the diaphragm 2 to the first opening 7a is closer, both fluid and entrained liquid to transfer is discharged It will be easier.

移送する流体は、例えば水や有機溶媒、あるいは、それらに何かを溶かしたり、分散させたものである。混入した流体とは、例えば空気なので気体である。つまり、液体を移送中に外部から気泡が入ってきたり、温度変化などより液体から気泡が発生した場合に、気泡を速やかに排出できる。気泡は、少量であれば、球形になる。球の直径がポンプ室4の深さと同程度であれば、第1開口部7aから排出され易い。つまり、第1開口部7aのポンプ室4の深さが浅ければ、気泡が小さくても排出され易い。ダイヤフラム2が上になった状態で使用されると、気泡が排出され難くなるが、そのような状態であっても、第1開口部7aのポンプ室4の深さが浅ければ、排出され易い。一般に、移送する流体よりも、密度の低い流体が混入した場合も、排出され易い。また、最初に空気などの気体が入った状態から動作させた場合に、気体が排出されて、液体のみが移送される定常状態に早く移行できる。
The fluid to be transferred is, for example, water, an organic solvent, or a solution or dispersion of something in them. The mixed fluid is, for example, air, so it is a gas. That, or coming air bubbles from the outside of the liquid during transport, when the bubbles from the more liquid to a temperature change occurs, it can be rapidly discharged bubbles. If the amount of bubbles is small, the bubbles will be spherical. If the diameter in depth and comparable pump chamber 4 of a sphere, or we discharge issued easy first opening 7a. That is, if the depth of the pump chamber 4 of the first opening 7a is shallow, even if the bubbles are small, they are easily discharged. If the diaphragm 2 is used with the diaphragm 2 facing up, it becomes difficult for air bubbles to be discharged. Even in such a state, if the depth of the pump chamber 4 of the first opening 7a is shallow, the bubbles are discharged. easy. In general, even when a fluid having a lower density than the transferred fluid is mixed, it is easily discharged. Further, when the operation is performed from a state in which a gas such as air is first contained, the gas can be discharged and the state can be quickly shifted to a steady state in which only the liquid is transferred.

なお、ポンプ室4の深さとは、第1開口部7aおよび第2開口部7bの配置されている第2壁部4bと対向している第1壁部4aから、第2壁部4bまでの距離であり、第1壁部4aに直交するように測った距離である。第1開口部7aおよび第2開口部7bの中央は開口となっているため、深さは開口の周囲の第2壁部4bで測る。深さが場所によって異なるときは、例えば、開口の面積重心から見た4方向の第2壁部4bの深さを平均すればよい。また、第2壁部4bが平面であれば、開口の面積重心までその平面を延長して、その平面と面積重心との交点までを深さとしてもよい。
The depth of the pump chamber 4 is from the first wall portion 4a facing the second wall portion 4b where the first opening 7a and the second opening 7b are arranged to the second wall portion 4b. It is a distance, which is a distance measured so as to be orthogonal to the first wall portion 4a. Since the center of the first opening 7a and the second opening 7b is an opening, the depth is measured by the second wall 4b around the opening. When different depths depending on the location may be, for example, the average depth of the second wall portion 4b of the four directions as viewed opening area centroid or al. Further, if the second wall portion 4b is a flat surface, the flat surface may be extended to the area center of gravity of the opening, and the depth may be set to the intersection of the flat surface and the area center of gravity.

図2に示した点Gはポンプ室4を平面視したときの面積重心である。第2開口部7bが、ポンプ室4の面積重心Gに対して、第1開口部7aの反対側に配置されていると、ダイヤフラム2の変位により、流体が第1開口部7aから第2開口部7bに流れやすくなり、移送する流体および混入した流体の両方が、第2開口部7bから排出されやすくなる。 The point G shown in FIG. 2 is the center of gravity of the area when the pump chamber 4 is viewed in a plan view. When the second opening 7b is arranged on the opposite side of the first opening 7a with respect to the area center of gravity G of the pump chamber 4, the fluid moves from the first opening 7a to the second opening due to the displacement of the diaphragm 2. It becomes easy to flow to the portion 7b, and both the transferred fluid and the mixed fluid are easily discharged from the second opening 7b.

第2開口部7bに対して、第1開口部7aの反対側の領域、図2で示せば第2領域9bのポンプ室4の深さが、第2開口部7bのポンプ室4の深さよりも浅いと、第2領域9bにおいて気泡や密度の低い液体が第2壁部4bに近づくので、それらが第2開口部7bから排出されやすくなる。
The depth of the pump chamber 4 of the second region 9b shown in FIG. 2, which is the region opposite to the first opening 7a with respect to the second opening 7b, is the depth of the pump chamber 4 of the second opening 7b . If it is too shallow, bubbles and low-density liquids approach the second wall portion 4b in the second region 9b, so that they are easily discharged from the second opening 7b.

第1開口部7aに対して、第2開口部7bの反対側の領域、図2で示せば第1領域9のポンプ室4の深さが、第1開口部7aのポンプ室4の深さよりも深いと、ポンプ室4に浅いところを設けるとともに、ポンプ室4の体積を大きくできる。つまり、第2開口部7bや第2領域9bのポンプ室4の深さを深くしなくても、ポンプ室4の体積を大きくできる。ポンプ室4の体積をある程度大きくすることで、流体の移送量を多くできる。
The first opening 7a, a region opposite the second opening 7b, the pump chamber depth of 4 in the first region 9 a if Shimese in FIG. 2, the depth of the pump chamber 4 of the first opening 7a If it is deeper than that, a shallow portion can be provided in the pump chamber 4 and the volume of the pump chamber 4 can be increased. That is, the volume of the pump chamber 4 can be increased without increasing the depth of the pump chamber 4 of the second opening 7b or the second region 9b. By increasing the volume of the pump chamber 4 to some extent, the amount of fluid transferred can be increased.

少なくとも第1開口部7aおよび第2開口部7bを含む、ポンプ室4の断面において、ポンプ室4全体の深さが、第1開口部7aから第2開口部7bに向かう方向に浅くなっていれば、以上のような効果をより高めることができる。
In the cross section of the pump chamber 4 including at least the first opening 7a and the second opening 7b, the depth of the entire pump chamber 4 should be shallow in the direction from the first opening 7a to the second opening 7b. in the above effects more can and enhance Turkey.

ポンプ室4の平面形状が矩形状であり、第1開口部7aおよび第2開口部7bが、矩形状の対角線Dの一つに沿って配置されていると、第1開口部7aから第2開口部7bに向かう際に、ポンプ室4の幅が狭くなっていくため、気泡や密度の低い液体が第2開口部7bから排出されやすくなる。 When the planar shape of the pump chamber 4 is rectangular and the first opening 7a and the second opening 7b are arranged along one of the rectangular diagonal lines D, the first opening 7a to the second opening 7a to the second Since the width of the pump chamber 4 becomes narrower toward the opening 7b, air bubbles and a liquid having a low density are likely to be discharged from the second opening 7b.

第1流路5aは、1開口部7aから、ポンプ室4の深さが浅くなる方向に伸びていることにより、斜めになっている第1弁8aに向かって流体が流れやすくなり、流体の導入をしやすくなる。また、第1流路5aが、流路部材6内のポンプ室4の占める割合の少ない部分に配置されるので、流路の幅や深さなどの設計の自由度が高くなる。
The first flow path 5a extends from the first opening 7a in the direction in which the depth of the pump chamber 4 becomes shallower, so that the fluid easily flows toward the slanted first valve 8a, and the fluid flows. Will be easier to introduce. Further, since the first flow path 5a is arranged in a portion of the flow path member 6 in which the pump chamber 4 occupies a small proportion, the degree of freedom in designing the width and depth of the flow path is increased.

第2流路5bは、第2開口部7bから、ポンプ室4の深さが浅くなる方向に伸びていることにより、斜めになっている第2弁8bから流体が流れやすくなり、流体の吐出をしやすくなる。また、第2流路5bが、流路部材6内のポンプ室4の占める割合の少ない部分に配置されるので、流路の幅や深さなどの設計の自由度が高くなる。 Since the second flow path 5b extends from the second opening 7b in the direction in which the depth of the pump chamber 4 becomes shallower, the fluid can easily flow from the slanted second valve 8b, and the fluid is discharged. It becomes easier to do. Further, since the second flow path 5b is arranged in a portion of the flow path member 6 in which the pump chamber 4 occupies a small proportion, the degree of freedom in designing the width and depth of the flow path is increased.

また、流路部材6が、ダイヤフラム2が配置されている部分が上面となる柱状をしており、かつ、その上面およびポンプ室4を含んでいる第1部材6aと、第1部材6aの下側に配置されており、第1流路5aおよび第2流路5bを含んでいる第2部材6cと、第1部材と第2部材6cとの間に配置されており、一部が第1弁8aおよび第2弁8bの可動
部を構成している弁部材6bと、を含んでおり、第1部材6aの下面が上面に対して傾斜していると、上述のような深さの状態のポンプ室4を設ける際の、空間効率がよくなり、より小さいマイクロポンプ1とすることができる。
Further, the flow path member 6 has a columnar shape whose upper surface is a portion where the diaphragm 2 is arranged, and the upper surface thereof and the lower surface of the first member 6a including the pump chamber 4 and the lower surface of the first member 6a. The second member 6c, which is arranged on the side and includes the first flow path 5a and the second flow path 5b, is arranged between the first member and the second member 6c, and a part of the first member is first. a valve member 6b which constitutes the movable portion of the valve 8a and the second valve 8b, includes a, the lower surface of the first member 6a is inclined with respect to the upper surface, the depth of the above-described When the pump chamber 4 in the state is provided, the space efficiency is improved, and the micropump 1 can be made smaller.

第1部材6aおよび第2部材6は、ABS(アクリロニトリルブタジエンスチレン)、PC(ポリカーボネート)、PP(ポリプロピレン)、POM(ポリアセタール)、PA(ポリアミド)TPE(エラストマー)などを、射出成型することなどで作製できる。
The first member 6a and the second member 6c are injection-molded from ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PC (polypropylene), PP (polypropylene), POM (polyacetal), PA (polyamide) , TPE (elastomer) and the like. Can be made with.

ダイヤフラム2としては、金属板、ガラスエポキシ板、樹脂シート、ゴムシートなどが用いられる。ダイヤフラム2は、例えば、金属板と、絶縁性フィルムとを積層して構成してもよい。金属をポンプ室4側とし、絶縁性フィルムを駆動素子3側に配置すれば、金属板と駆動素子3の電極との間の絶縁が十分に確保できるとともに、駆動素子3による振動をダイヤフラム2に効率的に伝達し、優れた流体移送効率を実現することができる。金属板と絶縁性フィルムとは、たとえば接着剤で接着すればよい。接着剤としては、エポキシ樹、シリコン樹脂、ポリエステル樹などの公知のものを使用できるが、これに限定されるものではない。また、接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化、光硬化や嫌気性硬化などのいずれの方法を用いてもよい。
As the diaphragm 2, a metal plate, a glass epoxy plate, a resin sheet, a rubber sheet, or the like is used. The diaphragm 2 may be formed by laminating, for example, a metal plate and an insulating film. If the metal plate is on the pump chamber 4 side and the insulating film is arranged on the drive element 3 side, sufficient insulation between the metal plate and the electrodes of the drive element 3 can be sufficiently secured, and the vibration caused by the drive element 3 is suppressed by the diaphragm 2. It is possible to efficiently transmit to and realize excellent fluid transfer efficiency. The metal plate and the insulating film may be adhered to each other with, for example, an adhesive. As the adhesive, Epoxy resins based, silicone chromatography emission resin system, can be used known ones such as polyester Le resins systems, but is not limited thereto. Further, as a curing method of the resin used for the adhesive, any method such as thermosetting, photocuring or anaerobic curing may be used.

金属板の材料としては、たとえばステンレス、アルミニウム、チタンなどを用いればよい。特に、ステンレスは流体に対する耐食性、耐熱性、耐酸化性の点から金属板として好ましい。 As the material of the metal plate, for example, stainless steel, aluminum, titanium or the like may be used. In particular, stainless steel is preferable as a metal plate from the viewpoint of corrosion resistance, heat resistance, and oxidation resistance against fluid.

絶縁性フィルムとしては、たとえばポリエチレン(PE)、ポリイミド(PI)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの樹脂フィルムを用いればよい。絶縁性フィルムは、金属板よりも大きい熱膨張係数を有するものを用いるのがよい。絶縁性フィルムとして金属板よりも大きい熱膨張係数を有するものを用いることで、絶縁性フィルムと金属板と熱圧着したとき、絶縁性フィルムの弛みがないダイヤフラム2とすることができ、駆動素子3による振動をダイヤフラム2に効率的に伝達することができる。
As the insulating film, such as polyethylene (PE), polyimide (PI), polypropylene (PP), may be used a resin film such as polyethylene Chile terephthalate (PET). As the insulating film, it is preferable to use a film having a coefficient of thermal expansion larger than that of the metal plate. By using a insulating film having a coefficient of thermal expansion larger than that of the metal plate, it is possible to obtain a diaphragm 2 having no slack in the insulating film when the insulating film and the metal plate are thermocompression bonded, and the driving element. The vibration caused by 3 can be efficiently transmitted to the diaphragm 2.

また、駆動素子3上に絶縁性樹脂層を配置してもよい。絶縁性樹脂層は、駆動素子3を保護するとともに、駆動素子3(およびダイヤフラム2)の振動に起因する駆動音および雑振動を吸収し低減する。なお、雑振動とはポンプの駆動に寄与しない不要な振動を指す。 Further, the insulating resin layer may be arranged on the drive element 3. The insulating resin layer protects the driving element 3 and absorbs and reduces driving noise and miscellaneous vibration caused by vibration of the driving element 3 (and diaphragm 2). The miscellaneous vibration refers to unnecessary vibration that does not contribute to the driving of the pump.

駆動素子3としては、たとえば図4に示すような、ユニモルフ型の圧電素子3を用いる。圧電素子3は、圧電体層3aと内部電極層3bとが交互に積層された積層体であり、内部電極層3bは、積層体の両端面に形成された外部電極3cにより一層毎に接続されている。内部電極層3bの接続は、外部電極3cに限らず、圧電体層3aに設けられたビアホール内に貫通導体を配して行ってもよい。圧電体層3aは厚さ方向に分極されており、外部電極3cを介して内部電極層3b間に印加される電界により変位する。圧電体層3aが変位し、圧電素子3が面方向に伸縮することで、ダイヤフラム2がたわんで厚さ方向に変位、振動する。圧電素子3は、厚さ方向の表面に表面電極3dを有していてもよい。表面電極3dを有することで、最表面の圧電体層3aを変位させ、活性層として活用できる。
As the driving element 3, for example, a unimorph type piezoelectric element 3 as shown in FIG. 4 is used. The piezoelectric element 3 is a laminate in which a piezoelectric layer 3a and an internal electrode layer 3b are alternately laminated, and the internal electrode layer 3b is connected layer by layer by external electrodes 3c formed on both end faces of the laminate. Is . The connection of the internal electrode layer 3b is not limited to the external electrode 3c, and a through conductor may be arranged in the via hole provided in the piezoelectric layer 3a. The piezoelectric layer 3a is polarized in the thickness direction and is displaced by an electric field applied between the internal electrode layers 3b via the external electrode 3c. The piezoelectric layer 3a is displaced and the piezoelectric element 3 expands and contracts in the plane direction, so that the diaphragm 2 is bent and displaced and vibrated in the thickness direction. The piezoelectric element 3 may have a surface electrode 3d on the surface in the thickness direction. By having the surface electrode 3d, the outermost piezoelectric layer 3a can be displaced and used as an active layer.

絶縁性樹脂層は、駆動素子3上から、駆動素子3の周囲のダイヤフラム2上を覆うように設けられていてもよい。絶縁性樹脂層により駆動素子3およびその周囲のダイヤフラム2を被覆することで、駆動素子3とダイヤフラム2との密着性を高めることができ、駆動素子3の変位をダイヤフラム2に効率的に伝達することができる。絶縁性樹脂層の材料としては、たとえばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂やゴムなどを用いればよいが、これに限定されるものではない。
The insulating resin layer may be provided so as to cover the driving element 3 and the diaphragm 2 around the driving element 3. By covering the drive element 3 and the diaphragm 2 around it with an insulating resin layer, the adhesion between the drive element 3 and the diaphragm 2 can be improved, and the displacement of the drive element 3 is efficiently transmitted to the diaphragm 2. be able to. As a material of the insulating resin layer, for example, epoxy resin, acrylic resin, or the like may be used silicone over emissions based resin or rubber, but is not limited thereto.

ダイヤフラム2の駆動素子3が配置された面には、駆動素子3を囲むように枠体を配置してもよい。枠体の高さは、駆動素子3の厚さよりも大きい。絶縁性樹脂層は、枠体の内側に充填されていてもよい。枠体を配置し、その高さを駆動素子3の厚さよりも大きくすることで、駆動素子3およびダイヤフラム2の可動域を確保でき、たとえばマイクロポンプ1を基板などに実装しても、隣接する部品の接触等でマイクロポンプ1の駆動が妨げられにくい。枠体としては、たとえばステンレスの金属プレートなどを用いればよい。 A frame may be arranged so as to surround the driving element 3 on the surface of the diaphragm 2 on which the driving element 3 is arranged. The height of the frame is larger than the thickness of the drive element 3. The insulating resin layer may be filled inside the frame. By arranging the frame and making the height larger than the thickness of the drive element 3, the range of motion of the drive element 3 and the diaphragm 2 can be secured. For example, even if the micropump 1 is mounted on a substrate or the like, they are adjacent to each other. The drive of the micropump 1 is less likely to be hindered by contact of parts or the like. As the frame, for example, a stainless metal plate or the like may be used.

<流体移送装置>
上述のマイクロポンプ1と、駆動素子3を駆動させる駆動回路と、を備える流体移送装置では、駆動回路で駆動素子3を駆動させてダイヤフラム2を振動させ、ポンプ室4において流体の導入・吐出を行うことができる。マイクロポンプ1が、駆動素子3の変位を検知する検知回路をさらに備えていれば、検知回路で駆動素子3の変位を検知し、駆動素子3の変位に異常が生じたときには、ポンプの駆動を止めるなどの対応を迅速に行うことができる。
<Fluid transfer device>
In the fluid transfer device including the above-mentioned micropump 1 and the drive circuit for driving the drive element 3, the drive element 3 is driven by the drive circuit to vibrate the diaphragm 2, and the fluid is introduced and discharged in the pump chamber 4. It can be carried out. If the micropump 1 further includes a detection circuit that detects the displacement of the drive element 3, the detection circuit detects the displacement of the drive element 3, and when an abnormality occurs in the displacement of the drive element 3, the pump is driven. It is possible to quickly take measures such as stopping.

駆動回路から発信された駆動信号により駆動素子3が駆動すると、駆動素子3が接着されたダイヤフラム2が振動してポンプ室4内の流体(液体)に圧力波が発生する。発生した圧力波は、ポンプ室4の第2壁部4bおよび第3壁部4cに伝搬する。第2壁部4bおよび第3壁部4c伝搬した圧力波は、第2壁部4bおよび第3壁部4cで反射し、反射波はダイヤフラム2に伝搬し、駆動素子3を振動させる。検知回路は、反射波による駆動素子3の振動を検知する。
When the drive element 3 is driven by the drive signal transmitted from the drive circuit, the diaphragm 2 to which the drive element 3 is adhered vibrates and a pressure wave is generated in the fluid (liquid) in the pump chamber 4. The generated pressure wave propagates to the second wall portion 4b and the third wall portion 4c of the pump chamber 4. Pressure wave propagating in the second wall portion 4b and the third wall portion 4c is reflected by the second wall portion 4b and the third wall portion 4c, reflected wave propagates to the diaphragm 2 to vibrate the drive element 3. The detection circuit detects the vibration of the drive element 3 due to the reflected wave.

本実施形態のマイクロポンプおよび流体移送装置は、分析装置や医療関連(投薬、臨床試験など)など、微少量の気体や液体、特に液体を供給する電子機器に用いることで、小型で流量制御および信頼性に優れ、騒音、振動の低減された電子機器を実現することができる。 The micropump and fluid transfer device of the present embodiment can be used for an electronic device that supplies a very small amount of gas or liquid, especially a liquid, such as an analyzer or a medical device (medication, clinical test, etc.), so that the micropump and the fluid transfer device can be used for compact flow control and flow control. It is possible to realize an electronic device having excellent reliability and reduced noise and vibration.

1:マイクロポンプ
2:ダイヤフラム
3:駆動素子
3a:圧電体層
3b:内部電極
3c:外部電極
3d:表面電極
4:ポンプ室
4a:第1壁部
4b:第2壁部
4c:第3壁部
5a:第1流路
5b:第2流路
6:流路部材
6a:第1部材
6b:弁部材
6c:第2部材
7a:第1開口部
7b:第2開口部
8a:第1弁
8b:第2弁
9a:第1領域
9b:第2領域
11:接続管
1: Micropump 2: Diaphragm 3: Drive element 3a: Piezoelectric layer 3b: Internal electrode layer 3c: External electrode 3d: Surface electrode 4: Pump chamber 4a: First wall part 4b: Second wall part 4c: Third wall Part 5a: 1st flow path 5b: 2nd flow path 6: Flow path member 6a: 1st member 6b: Valve member 6c: 2nd member 7a: 1st opening 7b: 2nd opening 8a: 1st valve 8b : 2nd valve 9a: 1st region 9b: 2nd region 11: Connection pipe

Claims (10)

ダイヤフラムと、
駆動素子と、
流路部材と、
を有するマイクロポンプであって、
前記流路部材は、
前記ダイヤフラムに面したポンプ室と、
該ポンプ室と繋がっている第1流路と、
前記ポンプ室と前記第1流路との間に配置されており、流体を前記第1流路から前記ポンプ室に流す第1弁と、
前記ポンプ室と繋がっている第2流路と、
前記ポンプ室と前記第2流路との間に配置されており、流体を前記ポンプ室から前記第2流路に流す第2弁と、を含んでおり、
前記ポンプ室の深さは、前記第1流路繋がっている第1開口部の配置されている部分から前記第2流路と繋がっている第2開口部の配置されている部分に向かって浅くなっている、マイクロポンプ。
Diaphragm and
With the drive element
Flow path member and
Is a micropump with
The flow path member
The pump chamber facing the diaphragm and
The first flow path connected to the pump chamber and
A first valve, which is arranged between the pump chamber and the first flow path and allows a fluid to flow from the first flow path to the pump chamber,
The second flow path connected to the pump chamber and
It is arranged between the pump chamber and the second flow path, and includes a second valve for flowing a fluid from the pump chamber to the second flow path.
The depth of the pump chamber is from the portion where the first opening connected to the first flow path is arranged to the portion where the second opening connected to the second flow path is arranged. A micro pump that is shallow.
前記ダイヤフラム側から平面視したとき、前記第2開口部は、前記ポンプ室の面積重心に対して、前記第1開口部の反対側に配置されている、請求項1に記載のマイクロポンプ。 The micropump according to claim 1, wherein the second opening is arranged on the opposite side of the first opening with respect to the area center of gravity of the pump chamber when viewed in a plan view from the diaphragm side. 前記第2開口部に対して、前記第1開口部の反対側の前記ポンプ室の深さが、前記第2開口部の前記ポンプ室の深さよりも浅い、請求項1または2に記載のマイクロポンプ。 The micro according to claim 1 or 2, wherein the depth of the pump chamber on the opposite side of the first opening is shallower than the depth of the pump chamber of the second opening with respect to the second opening. pump. 前記第1開口部に対して、前記第2開口部の反対側の前記ポンプ室の深さが、前記第1開口部の前記ポンプ室の深さよりも深い、請求項1〜3のいずれかに記載のマイクロポンプ。 According to any one of claims 1 to 3, the depth of the pump chamber on the opposite side of the second opening to the first opening is deeper than the depth of the pump chamber of the first opening. The described micropump. 少なくとも前記第1開口部および前記第2開口部を含む、前記ポンプ室の断面において、前記ポンプ室全体の深さが、前記第1開口部から前記第2開口部に向かう方向に浅くなっている、請求項1〜4のいずれかに記載のマイクロポンプ。 In the cross section of the pump chamber including at least the first opening and the second opening, the depth of the entire pump chamber is shallow in the direction from the first opening toward the second opening. , The micropump according to any one of claims 1 to 4. 前記ポンプ室の平面形状が矩形状であり、前記第1開口部および前記第2開口部が、矩形状の対角線の一つに沿って配置されている、請求項1〜5のいずれかに記載のマイクロ
ポンプ。
The invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the plane shape of the pump chamber is rectangular, and the first opening and the second opening are arranged along one of the diagonal lines of the rectangle. Micropump.
前記第1流路は、前記1開口部から、前記ポンプ室の深さが浅くなる方向に伸びている、請求項1〜6のいずれかに記載のマイクロポンプ。 The micropump according to any one of claims 1 to 6, wherein the first flow path extends from the first opening in a direction in which the depth of the pump chamber becomes shallower. 前記第2流路は、前記2開口部から、前記ポンプ室の深さが浅くなる方向に伸びている、請求項1〜7のいずれかに記載のマイクロポンプ。 The micropump according to any one of claims 1 to 7, wherein the second flow path extends from the second opening in a direction in which the depth of the pump chamber becomes shallower. 前記流路部材は、前記ダイヤフラムが配置されている部分が上面となる柱状をしており、
かつ、前記上面および前記ポンプ室を含んでいる第1部材と、
該第1部材の下側に配置されており、前記第1流路および前記第2流路を含んでいる第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に配置されており、一部が前記第1および前記第2弁の可動部を構成している弁部材と、を含んでおり、
前記第1部材の下面が、前記上面に対して傾斜している、請求項1〜8のいずれかに記載のマイクロポンプ。
The flow path member has a columnar shape in which the portion where the diaphragm is arranged is the upper surface.
And the first member including the upper surface and the pump chamber,
Is disposed on the lower side of the first member, a second member comprising said first flow path and the second flow path,
It is arranged between the first member and the second member, and partially includes a valve member that constitutes the first valve and a movable portion of the second valve.
The micropump according to any one of claims 1 to 8, wherein the lower surface of the first member is inclined with respect to the upper surface.
請求項1〜9のいずれかに記載のマイクロポンプと、前記駆動素子を駆動させる駆動回路と、を備えている、流体移送装置。 A fluid transfer device comprising the micropump according to any one of claims 1 to 9 and a drive circuit for driving the drive element.
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