特開 2024-33786 マイクロポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024033786

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】マイクロポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04B 43/09 20060101AFI20240306BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20240306BHJP

   H10N 30/60 20230101ALI20240306BHJP

   H10N 30/857 20230101ALI20240306BHJP

   H02N 11/00 20060101ALN20240306BHJP

【ＦＩ】

F04B43/09

H01L41/09

H01L41/087

H01L41/193

H02N11/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022137615

(22)【出願日】2022-08-31

(71)【出願人】

【識別番号】000006035

【氏名又は名称】三菱ケミカル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100086911

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100144967

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 隆之

(72)【発明者】

【氏名】赤井 日出子

(72)【発明者】

【氏名】小川 直記

(72)【発明者】

【氏名】新竹 純

(72)【発明者】

【氏名】本橋 朋樹

【テーマコード（参考）】

3H077

【Ｆターム（参考）】

3H077AA07

3H077AA08

3H077AA11

3H077CC04

3H077CC08

3H077EE02

3H077EE36

3H077FF06

3H077FF23

(57)【要約】

【課題】アクチュエータ部分が低い電圧で大きな変位を示し、これにより小型で吐出流量を多くすることができるマイクロポンプを提供する。
【解決手段】拡径変形可能な内管２と、該内管と同軸の外管３と、該内管と外管との間に配置されたアクチュエータとを有するマイクロポンプであって、該アクチュエータは、誘電性高分子材料を含み、かつ、凸部を有する形状のゲル層４と、該凸部の頂部に接して配される第一電極５，６と、該第一電極と反対側から該ゲル層を挟持する第二電極７とを備えることを特徴とするマイクロポンプ。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

拡径変形可能な内管と、該内管と同軸の外管と、該内管と外管との間に配置されたアクチュエータとを有するマイクロポンプであって、
該アクチュエータは、誘電性高分子材料を含み、かつ、凸部を有する形状のゲル層と、該凸部の頂部に接して配される第一電極と、該第一電極と反対側から該ゲル層を挟持する第二電極とを備えることを特徴とするマイクロポンプ。

【請求項2】

凸部を備える誘電性高分子材料を含むゲル層と、前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極とからなる単位構造を備え、電圧印加により前記ゲル層を変形させ、前記第一電極と前記第二電極との間隔を変化させるゲルアクチュエータを、弾性を有する管の少なくとも一部に設けたマイクロポンプ。

【請求項3】

表面に凸部を備えるゲル層を有するゲルアクチュエータのゲル層の変形により、被輸送物を輸送するマイクロポンプ。

【請求項4】

前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極を備え、該電極の該一方の面に重なるベース板と、
前記ゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料よりなり、一方の面に前記凸部を有した前記ゲル層と、
該凸部とそれに対向する第２電極との間が流路となっており、
該第一電極と第二電極との間への電圧印加により前記凸部を変形させ、前記流路の断面積を変化させることを特徴とする請求項３のマイクロポンプ。

【請求項5】

前記ゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料よりなり、一方の面に前記凸部を有した前記ゲル層と、
前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極とを備え、
電極部と対向した外板部を備え、
該外板部と該電極との間が流路になっており、
該第１電極と第２電極との間への電圧印加により前記凸部を変形させ、前記流路の断面積を変化させることを特徴とする請求項３のマイクロポンプ。

【請求項6】

前記誘電性高分子材料がポリ塩化ビニルを含む、請求項１，２又は５に記載のマイクロポンプ。

【請求項7】

前記誘電性高分子材料がエステル系可塑剤を含む、請求項１，２又は５に記載のマイクロポンプ。

【請求項8】

前記誘電性高分子材料がエステル系可塑剤を含む、請求項６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、少量の液体を送液するためのマイクロポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

ごく少量の液体を送液するためのマイクロポンプが求められている。例えば医薬品を少量体内に注入する場合などが挙げられる。このような用途に用いられるマイクロポンプとしてインペラを用いたものがあるが、小型化に限界があること、また、インペラによるせん断により、搬送する液体に何らかの構造物、例えば血液中の赤血球などが破壊されるなどの課題があった。

【0003】

少量の液体を送液するためのマイクロポンプとして圧電アクチュエータを利用したものも知られている（特許文献３～５）。

【0004】

また、本発明に用いられるゲルアクチュエータについては、特許文献１，２にあるように、ゲル部分の構造を工夫することにより、従来より低い電圧で大きな変位を得ることが可能になってきた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１８４８１５号公報

【特許文献2】特開２０２１－１６４３９５号公報

【特許文献3】特開平２－４２１８４号公報

【特許文献4】特開平１０－２９９６５９号公報

【特許文献5】特開２００４－１８３４９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、アクチュエータ部分が低い電圧で大きな変位を示し、これにより小型で吐出流量を多くすることができるマイクロポンプを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

即ち、本発明は、次を要旨とする。

【0008】

［１］ 拡径変形可能な内管と、該内管と同軸の外管と、該内管と外管との間に配置されたアクチュエータとを有するマイクロポンプであって、
該アクチュエータは、誘電性高分子材料を含み、かつ、凸部を有する形状のゲル層と、該凸部の頂部に接して配される第一電極と、該第一電極と反対側から該ゲル層を挟持する第二電極とを備えることを特徴とするマイクロポンプ。

【0009】

［２］ 凸部を備える誘電性高分子材料を含むゲル層と、前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極とからなる単位構造を備え、電圧印加により前記ゲル層を変形させ、前記第一電極と前記第二電極との間隔を変化させるゲルアクチュエータを、弾性を有する管の少なくとも一部に設けたマイクロポンプ。

【0010】

［３］ 表面に凸部を備えるゲル層を有するゲルアクチュエータのゲル層の変形により、被輸送物を輸送するマイクロポンプ。

【0011】

［４］ 前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極を備え、該電極の該一方の面に重なるベース板と、
前記ゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料よりなり、一方の面に前記凸部を有した前記ゲル層と、
該凸部とそれに対向する第２電極との間が流路となっており、
該第１電極と第２電極との間への電圧印加により前記凸部を変形させ、前記流路の断面積を変化させることを特徴とする［３］のマイクロポンプ。

【0012】

［５］ 前記ゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料よりなり、一方の面に前記凸部を有した前記ゲル層と、
前記ゲル層を厚さ方向に挟む第一電極及び第二電極とを備え、
電極部と対向した外板部を備え、
該外板部と該電極との間が流路になっており、
該第一電極と第二電極との間への電圧印加により前記凸部を変形させ、前記流路の断面積を変化させることを特徴とする［３］のマイクロポンプ。

【0013】

［６］ 前記誘電性高分子材料がポリ塩化ビニルを含む、［１］、［２］又は［５］に記載のマイクロポンプ。

【0014】

［７］ 前記誘電性高分子材料がエステル系可塑剤を含む、［１］、［２］又は［５］に記載のマイクロポンプ。

【0015】

［８］ 前記誘電性高分子材料がエステル系可塑剤を含む、［６］に記載のマイクロポンプ。

【発明の効果】

【0016】

本発明のマイクロポンプで用いているゲルアクチュエータは、低い電圧で大きな変位を示すので、マイクロポンプを小型化したり、吐出流量を多くしたりすることができる。また、本発明のマイクロポンプは、インペラを用いていないので、小型化に限界があること、また、インペラによるせん断により、搬送する液体に何らかの構造物、例えば血液中の赤血球などが破壊されるなどの短所もない。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態に係るマイクロポンプの断面図である。

【図2】実施の形態に係るマイクロポンプの断面図である。

【図3】実施の形態に係るマイクロポンプの斜視図である。

【図4】別の実施の形態に係るマイクロポンプの断面図である。

【図5】図４のＶ－Ｖ線断面図である。

【図6】図４，５のマイクロポンプの作動を示す断面図である。

【図7】ゲル層を形成するためのモールドの一例を示す構成図である。

【図8】ゲル層を形成するためのモールドの一例を示す構成図である。

【図9】ポンプ特性の測定結果を示すグラフである。

【図10】別の実施の形態に係るマイクロポンプの断面図である。

【図11】さらに別の実施の形態に係るマイクロポンプの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

【0019】

［チューブ状マイクロポンプ］
図１～３に第１の実施の形態に係るチューブ状マイクロポンプを示す。図１（ａ），（ｂ）はチューブ長手方向と直交方向の断面を示しており、（ａ）は内管が縮径状態にあり、（ｂ）は内管が拡径状態にある。図２（ａ）は図１（ａ）のIIａ－IIａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）のIIｂ－IIｂ線断面図である。図３は内管の縮径及び拡径の変形を説明する斜視図である。

【0020】

このマイクロポンプ１は、縮径及び拡径方向に弾性変形可能な合成樹脂又はゴム等よりなる内管２と、縮径及び拡径方向には変形しない外管３と、内管２と外管３との間に配置されたアクチュエータとしてのゲル層４と、内管２の外周面に設けられた第二電極７と、外管３の内周面に設けられた第一電極５，６等を有する。

【0021】

電極５，６は外管３の長手方向において交互に配置されている。図３（ａ）の第１領域Ｉに電極５が設けられ、第２領域IIに電極６が設けられている。図示の通り、第１領域Ｉと第２領域IIとは、外管３の長手方向において交互に位置する。

【0022】

電極５，６は外管３の内面を周回するように設けられている。電極５，６間には所定の間隙があいている。この間隙は、通常２０ｍｍ以下、好ましくは０．０１ｍｍ以上、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以上、特に好ましくは０．５ｍｍ以上であり、好ましくは２ｍｍ以下程度であることが好ましい。

【0023】

電極５，６の外管３の長手方向の長さは、それぞれ通常１ｍｍ以上、好ましくは5ｍｍ以上、特に好ましくは１０ｍｍ以上であり、通常１００ｍｍ以下、好ましくは５０ｍｍ以下、特に好ましくは４０ｍｍ以下程度であることが好ましい。

【0024】

電極７は内管２との外周面の略全体に設けられている。電極７は、内管２の縮径及び拡径変形に追随して変形可能な導電性材料よりなる。

【0025】

ゲル層４は誘電性高分子材料よりなる。この誘電性高分子材料は、後述の通り、特許文献１，２に記載のものが好適である。

【0026】

この実施の形態では、ゲル層４は切頭四角錐形状であり、切頭四角錐の底面部分が電極５又は６に接着剤等により付着しており、先端側が電極７に接着剤等により付着している。なお、四角錐以外の角錐又は円錐形などの錐形であってもよい。また、錐形以外の形状、例えば洗濯板の凹凸のような山脈状であってもよい。

【0027】

内管２の外径は通常１０ｍｍ以下、好ましくは特に１ｍｍ以上、さらに好ましくは２ｍｍ以上であり、一方上限は５ｍｍ以下が好ましい。内管２の外周面と外管３の内周面との距離は好ましいゲル層の厚さを考慮すると、通常、厚さ０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上であり、上限は好ましくは１ｍｍ以下、特に０．７ｍｍ以下が好ましい。

【0028】

このマイクロポンプ１では、電極５，６と電極７との間に電圧を印加しない状態にあっては、ゲル層４が非収縮状態にある。

【0029】

電極５又は６と電極７との間に電圧を印加することにより電極５又は６と接するゲル層４が外管３に引き付けられるように変形し、領域Ｉ又はIIの内管２が拡径する。

【0030】

電極５と電極７との間に電圧を印加すると、両者間のゲル層４が外管３に引き付けられるように変形し、内管２のうち第１領域Ｉの部分が図３（ｂ）のように拡径する。電極６と電極７との間に電圧を印加すると、両者間のゲル層４が外管３に引き付けられるように変形し、内管２のうち第２領域IIの部分が図３（ｃ）のように拡径する。

【0031】

従って、内管２の入口側（この実施の形態では図３の左端側）と出口側（この実施の形態では図３の右端側）にそれぞれ入口側から出口側に向う方向の流れのみを許容するチャッキ弁（逆止弁）を設けておき、電極５，７間と電極６，７間とに交互に電圧を印加すると、領域Ｉと領域IIとが交互に拡径・縮径を繰り返し、入口側から出口側に向って流体が流れる。

【0032】

なお、図１～３では、ゲル層４が内管２と外管３との間において、周回方向の全体に配置されているが、周回方向の一部に配置されてもよい。ゲル層４を周回方向の一部にのみ配置する場合、周回方向の１／４程度でもよいが、１／４以上特に１／２以上にゲル層４を配置することが好ましい。

【0033】

［板状マイクロポンプ］
図４～６に第２の実施の形態に係る板状マイクロポンプ１１を示す。図４は送液方向と直交方向におけるマイクロポンプ１１の断面図であり、図５は図４のＶ－Ｖ線断面図である。図６はゲル層１２の変形を示す断面図である。なお、以下の説明において、上下は各図における上下を表わすものであり、ポンプの設置状態を表わすものではない。

【0034】

このマイクロポンプ１１は、ベース板１３と、ゲルアクチュエータしてのゲル層１２と、ゲル層１２に設けられた凸部１４と、ベース板１３のゲル層１２側の面に設けられた第一電極１５，１６と、ゲル層１２の上面に設けられた第二電極１７等を有する。

【0035】

ベース板１３は送液方向に延在する略長方形状であり、１対の長手方向の辺部１３ａ，１３ａ同士の間の上面部１３ｂに電極１５，１６が配置されている。ゲル層１２の凸部１４と上面部１３ｂとで囲まれた部分が流路である。なお、この実施の形態では、後述のように、平板状のゲル層１２の下面に流路を凹設することにより凸部１４が形成されている。

【0036】

電極１５，１６はマイクロポンプ１１の送液方向において交互に配置されている。図５の第１領域Ｉに電極１５が設けられ、第２領域IIに電極１６が設けられている。第１領域Ｉと第２領域IIとは、ポンプ送液方向において交番した位置関係となっており、ポンプ送液方向において電極１５，１６，１５，１６（以下、１５，１６の繰り返し）の順に各電極１５，１６が配置されている。

【0037】

電極１５，１６は流路の幅方向の略全体に延在している。電極１５，１６間には所定の間隙があいている。この間隙は、通常２０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下であり、下限は通常０．０１ｍｍ以上、好ましくは０．０５ｍｍ以上、特に好ましくは０．５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。

【0038】

電極１５，１６の送液方向の長さは、長くしても支障はないが、マイクロポンプは少量の流体を供給することを目的とすることが多いため、通常１００ｍｍ以下、好ましくは５０ｍｍ以下、特に好ましくは２０ｍｍ以下であり、下限は通常１ｍｍ以上、特に好ましくは５ｍｍ以上程度が好ましい。

【0039】

図示は省略するが、電極１５，１６に連なる端子部がゲル層１２とベース板１３との合わせ面を通ってマイクロポンプ１１の側方に延出している。

【0040】

この実施の形態では、ゲル層１２はベース板１３と略同一大きさの長方形状である。ゲル層１２の上面の流路方向及び流路幅方向の略全体にわたって電極１７が設けられている。

【0041】

ゲル層１２の下面のうち、両側辺部以外の部分に多数の錐形状の凸部１４が設けられている。隣接する錐形状の凸部１４同士の間は空隙部となっており、この空隙部がポンプ送液方向の一端から他端まで連続することにより、ポンプ流路が構成されている。凸部１４の好ましい寸法は後述の通りである。

【0042】

ゲル層１２は、凸部１４を含めて誘電性高分子材料により一体に形成されている。この誘電性高分子材料は、特許文献１，２に記載のものが好適である。

【0043】

この実施の形態では、凸部１４はベース板１３に向って細くなる切頭四角錐形状であり、四角錐の先端部分が電極１５又は１６に接している。ただし、凸部１４は四角錐以外の錐形状であってもよく、例えば円錐形などであってもよい。また、凸部１４は切頭形ではなく、尖頭形であってもよい。また凸部１４は、断面が三角形状の山脈状であってもよい。

【0044】

ゲル層１２の下面のうち両側辺部はベース板１３の両側辺部１３ａの上面に設置剤などによって水密的に付着されている。

【0045】

このように構成されたマイクロポンプ１１において、電極１５と電極１７との間に電圧を印加すると、電極１５，１７間に位置する凸部１４が電極１５側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第１領域Ｉの部分が図６（ａ）のようにベース板１３に接近する。これにより、第１領域Ｉの流路の体積が減少する。

【0046】

電極１６と電極１７との間に電圧を印加すると、その間の凸部１４が電極１６側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第２領域IIの部分が図６（ｂ）のようにベース板１３に接近する。これにより、第二領域IIの流路の体積が減少する。

【0047】

電極１５，１７間又は電極１６，１７間への電圧印加を停止すると、凸部１４は元形状に復元する。この凸部１４の復元力によってゲル層１２はベース板１３から離反する方向に押し戻され、元形状となる。これにより、領域Ｉ又はIIの体積が元体積にまで増加する。

【0048】

例えば、流路の入口側（この実施の形態では図５の左端側）と出口側（この実施の形態では図５の右端側）にそれぞれ入口側から出口側に向う方向の流れのみを許容するチャッキ弁を設けておき、電極１５，１７間及び電極１６，１７間に交互に電圧を印加すると、領域Ｉと領域IIとが交互にベース板１３側への接近・離反を繰り返し、領域Ｉ、IIの体積の減少、増加が繰り返し行われる。これにより、入口側から出口側に向って流体が流れる。

【0049】

図４～６の態様の場合、流体（被輸送物）は、絶縁液体又は気体（絶縁性の流体）であることが好ましい。

【0050】

図４～６の実施の形態において、四角錐状の凸部１４の底面の一辺の長さは１０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましく、８０μｍ以上であることがさらに好ましく、また、通常１ｍｍ以下であることが好ましく、８００μｍ以下であることがより好ましく、７００μｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることがさらに好ましく、４００μｍ以下であることが特に好ましい。四角錐形以外の錐形の凸部にあっては、底面の面積がこの四角錐形凸部の底面と同程度であることが好ましい。

【0051】

凸部１４の高さは２０μｍ以上であり、２５μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましく、また、通常３ｍｍ以下であり、２ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがより好ましい。

【0052】

凸部１４の頂角は、１５°以上であり、３０°以上であることが好ましく、４５°以上であることがより好ましく、また、通常７５°以下であり、７０°以下であることが好ましく、６０°以下であることがより好ましい。

【0053】

［板状マイクロポンプの別の形態］
図１０に第３の実施の形態に係る板状マイクロポンプ２１を示す。図１０は送液方向におけるマイクロポンプ２１の断面図であり、図６と同様部分を示している。なお、以下の説明においても、上下は図１０における上下を表わすものであり、ポンプの設置状態を表わすものではない。

【0054】

このマイクロポンプ２１も、ベース板１３と、ゲルアクチュエータしてのゲル層１２と、ゲル層１２の下面に設けられた凸部１４と、ベース板１３のゲル層１２側の面に設けられた第一電極１５，１６と、ゲル層１２の上面に設けられた第二電極１７等を有する。

【0055】

ベース板１３は送液方向に延在する略長方形状であり、１対の長手方向の辺部同士の間の上面部に電極１５，１６が配置されている。ゲル層１２の凸部１４と上面部１３ｂとで囲まれた部分は流路ではない。

【0056】

電極１７と対面するように平板よりなる外板部２２が設けられている。外板部２２と電極１７の間は空間部となっている。この空間部がポンプ送液方向の一端から他端まで連続することにより、ポンプ流路２３が構成されている。

【0057】

電極１５，１６はマイクロポンプ２１の送液方向において交互に配置されている。図１０の第１領域Ｉに電極１５が設けられ、第２領域IIに電極１６が設けられている。第１領域Ｉと第２領域IIとは、ポンプ送液方向において交番した位置関係となっており、ポンプ送液方向において電極１５，１６，１５，１６（以下、１５，１６の繰り返し）の順に各電極１５，１６が配置されている。

【0058】

電極１５，１６は流路の幅方向の略全体に延在している。電極１５，１６間には所定の間隙があいている。この間隙は、図４～６の場合と同程度であることが好ましい。電極１５，１６の送液方向の長さは、図４～６の場合と同程度が好ましい。

【0059】

図示は省略するが、電極１５，１６に連なる端子部がゲル層１２とベース板１３との合わせ面を通ってマイクロポンプ１１の側方に延出している。

【0060】

その他の構成は図４～６の場合と同じである。

【0061】

このように構成されたマイクロポンプ２１において、電極１５と電極１７との間に電圧を印加すると、電極１５，１７間に位置する凸部１４が電極１５側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第１領域Ｉの部分がベース板１３に接近し、外板部２２から離反する。これにより、第１領域Ｉの流路２３の体積が増加する。

【0062】

電極１６と電極１７との間に電圧を印加すると、その間の凸部１４が電極１６側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第２領域IIの部分がベース板１３に接近し、外板部２２から離反する。これにより、第二領域IIの流路２３の体積が増加する。

【0063】

電極１５，１７間又は電極１６，１７間への電圧印加を停止すると、凸部１４は元形状に復元する。この凸部１４の復元力によってゲル層１２はベース板１３から離反する（外板部２２に接近する）方向に押し戻され、元形状となる。これにより、領域Ｉ又はIIの流路２３の体積が元体積にまで減少する。

【0064】

例えば、流路の入口側（この実施の形態では図１０の左端側）と出口側（この実施の形態では図１０の右端側）にそれぞれ入口側から出口側に向う方向の流れのみを許容するチャッキ弁を設けておき、電極１５，１７間及び電極１６，１７間に交互に電圧を印加すると、領域Ｉと領域IIとが交互にベース板１３側への接近・離反（外板部２２への離反・接近）を繰り返し、領域Ｉ、IIの流路２３の体積の増加、減少が繰り返し行われる。これにより、入口側から出口側に向って流体が流れる。

【0065】

図１０の態様の場合も、流体（被輸送物）は、絶縁液体又は気体（絶縁性の流体）であることが好ましい。

【0066】

［板状マイクロポンプのさらに別の形態］
図１１に第４の実施の形態に係る板状マイクロポンプ３１を示す。図１１は送液方向におけるマイクロポンプ３１の断面図であり、図１０と同様部分を示している。なお、以下の説明においても、上下は図１１における上下を表わすものであり、ポンプの設置状態を表わすものではない。

【0067】

このマイクロポンプ３１では、外板部２２の代わりに、平板よりなる外板部３２がベース板１３と対面するように設けられている。外板部３２とベース板１３の間は空間部となっている。この空間部がポンプ送液方向の一端から他端まで連続することにより、ポンプ流路３３が構成されている。

【0068】

その他の構成は図１０の場合と同じであり、同一符号は同一部分を示している。

【0069】

このように構成されたマイクロポンプ３１において、電極１５と電極１７との間に電圧を印加すると、電極１５，１７間に位置する凸部１４が電極１７側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第１領域Ｉの部分が外板部３２から離反する。これにより、第１領域Ｉの流路３３の体積が増加する。

【0070】

電極１６と電極１７との間に電圧を印加すると、その間の凸部１４が電極１７側に引き付けられるように変形し、ゲル層１２のうち第２領域IIの部分が外板部３２から離反する。これにより、第二領域IIの流路３３の体積が増加する。

【0071】

電極１５，１７間又は電極１６，１７間への電圧印加を停止すると、凸部１４は元形状に復元する。この凸部１４の復元力によってゲル層１２は外板部３２に接近する方向に押し戻され、元形状となる。これにより、領域Ｉ又はIIの流路３３の体積が元体積にまで減少する。

【0072】

例えば、流路の入口側（この実施の形態では図１１の左端側）と出口側（この実施の形態では図１１の右端側）にそれぞれ入口側から出口側に向う方向の流れのみを許容するチャッキ弁を設けておき、電極１５，１７間及び電極１６，１７間に交互に電圧を印加すると、領域Ｉと領域IIとが交互に外板部３２への離反・接近を繰り返し、領域Ｉ、IIの流路３３の体積の増加、減少が繰り返し行われる。これにより、入口側から出口側に向って流体が流れる。

【0073】

［ゲル層４，１２の材料］
ゲル層を構成する誘電性高分子材料としては、特許文献１，２の通り、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリビニルブチラール、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、及びポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等を用いることができる。これらの中でも、ポリ塩化ビニル及びポリビニルブチラールが好ましく、ポリ塩化ビニルが特に好ましい。これらの誘電性高分子材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を任意の比率及び組合せで用いてもよい。

【0074】

ゲル層中の誘電性高分子材料の含有量は、通常５重量％以上であり、好ましくは８重量％以上であり、より好ましくは１０重量％以上であり、さらに好ましくは１２重量％以上であり、特に好ましくは１５重量％以上であり、また、好ましくは６０重量％以下であり、より好ましくは５０重量％以下であり、さらに好ましくは４５重量％以下であり、特に好ましくは４０重量％以下である。

【0075】

誘電性高分子材料として、ポリ塩化ビニルを用いる場合、その数平均分子量（Ｍｎ）は、特段制限されないが、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）により測定したポリスチレン換算で、７万以上２０万以下であるが、好ましくは７．５万以上であり、より好ましくは８万以上であり、さらに好ましくは８．５万以上であり、特に好ましくは９万以上であり、また、好ましくは１８万以下であり、より好ましくは１６万以下であり、さらに好ましくは１４万以下であり、特に好ましくは１２万以下である。

【0076】

また、誘電性高分子材料として、ポリビニルブチラールを用いる場合、その数平均分子量（Ｍｎ）は、６万以上１５万以下であるが、好ましくは７万以上であり、より好ましくは８万以上であり、また、好ましくは１４万以下であり、より好ましくは１３万以下である。

【0077】

なお、ここでいう数平均分子量は、ＧＰＣ（ゲル浸透クロマトグラフィー）によるポリスチレン換算の値を用いる。

【0078】

ゲル層は、上記の誘電性高分子材料以外の材料を含んでいてもよく、例えば、可塑剤や電荷補足剤等が挙げられる。

【0079】

可塑剤の種類は、特段限定されないが、変形時の発生電位差の大きさや応答速度の観点から、エステル系可塑剤であることが好ましく、例えば、ジオールジエステル、ジカルボン酸ジエステル、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）等が挙げられる。ジカルボン酸エステルとしては、例えばアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）、セバシン酸ジオクチル（ＤＯＳ）、アジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）、フタル酸ジメチル（ＤＭＰ）、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、フタル酸ビス（２－エチルヘキシル）（ＤＥＨＰ）、コハク酸ジエチル（ＤＥＳｕｃ）、アジピン酸ジメチル（ＤＭＡ）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳｅｂ）、セバシン酸ジブチル（ＤＢＳｅｂ）、セバシン酸ジオクチル（ＤＯＳｅｂ）等が挙げられる。これらの中でも、比較的取扱いやすく安定なゲル物質を得るための観点から、ジオールジエステル及びジカルボン酸ジエステルが好ましく、特に、誘電性高分子としてポリ塩化ビニルを用いた場合にはジオールジエステルやジカルボン酸ジエステルを用いることが好ましく、また、誘電性高分子としてポリビニルブチラールを用いた場合にはジカルボン酸ジエステルを用いることが好ましい。これらの誘電性高分子材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を任意の比率及び組合せで用いてもよい。また、これらの誘電性高分子材料の製法は、特段限定されず、一般に市販されているものを用いることができる。

【0080】

ゲル層中の可塑剤の含有量は、通常５５重量％以上であり、好ましくは６０重量％以上であり、より好ましくは６５重量％以上であり、さらに好ましくは７０重量％以上であり、特に好ましくは７５重量％以上であり、また、好ましくは９５重量％以下であり、より好ましくは９３重量％以下であり、さらに好ましくは９０重量％以下であり、特に好ましくは８５重量％以下である。

【0081】

電荷補足剤の種類は、特段限定されないが、例えば、テトラシアノキノジメタン、２，４，７－トリニトロフルオレン－９－オンが挙げられる。

【0082】

ゲル層中の電荷補足剤の含有量は、特段制限されないが、良好な変位長の発現の観点から、通常０．０１重量％以上であり、好ましくは０．０２重量％以上であり、より好ましくは０．０３重量％以上であり、さらに好ましくは０．０５重量％以上であり、特に好ましくは０．１重量％以上であり、また、好ましくは１０重量％以下であり、より好ましくは５重量％以下であり、さらに好ましくは３重量％以下であり、特に好ましくは２重量％以下である。

【0083】

ゲル層の密度は、通常０．７～１．５ｇ／ｃｍ^３であり、０．８～１．４ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、０．８５～１．３５ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましい。

【0084】

ゲル層の製造方法の一例について次に説明する。

【0085】

まず、次の第一工程～第三工程により誘電性高分子ゲルを製造する。

【0086】

第一工程：誘電性高分子材料を含む組成物を加熱によりゲル化させてゲルを得る。

【0087】

第二工程：該ゲルを型に仕込み、加熱及び加圧することによりゲルシートを得る。

【0088】

第三工程：該ゲルシートを加熱した後、凸部を形成するための凹型の型を該ゲルシートに圧着し、冷却する。

【0089】

第一工程（ゲル化工程）では、誘電性高分子材料を含む組成物を混合し、加熱することにより、該組成物をゲル化してゲルを得る。

【0090】

以下、ポリ塩化ビニル及びエステル系可塑剤を用いたゲル層の製造に好適な条件ついて述べる。これらの材料を用いた場合、材料の乾燥収縮が非常に小さいため、所望の形状が得やすくなる。

【0091】

加熱することで、エステル系可塑剤がポリ塩化ビニルに含浸し、一体化する。加熱温度は、エステル系可塑剤の種類によって異なるが、概ね８０℃～２００℃の範囲である。８０℃より低いと、エステル系可塑剤がポリ塩化ビニルに含浸しにくくなる。また、加熱温度は、２００℃より高いとポリ塩化ビニルが熱分解しやすくなり好ましくない。より好ましくは９０℃以上であり、さらに好ましくは１００℃以上である。また、より好ましくは１９０℃以下であり、さらに好ましくは１８０℃以下である。

【0092】

混合時間は１分～５時間程度である。混合時間が１分より短いと、エステル系可塑剤の含浸が不十分となり、後の工程で、エステル系可塑剤がしみ出る可能性がある。混合時間が５時間より長いとポリ塩化ビニルが熱分解しやすくなり好ましくない。

【0093】

第一工程では、バッチ式の容器にポリ塩化ビニルとエステル系可塑剤を仕込み、混合しながら加熱してもよいし、連続式の混練機等に、定量的にポリ塩化ビニルとエステル系可塑剤投入しながら、加熱混練してもよい。

【0094】

第二工程（シート成型工程）では、第一工程で得られた高分子ゲルを型に仕込み、加熱及び加圧することにより高分子ゲルシートを得る。加熱温度は、エステル系可塑剤の種類によって異なるが、概ね１３０℃～２００℃の範囲である。１３０℃より低いと、高分子ゲルが可塑化せず、シート状に成形することが困難になる。また、２００℃より高いとポリ塩化ビニルが熱分解しやすくなり好ましくない。

【0095】

加圧はエステル系可塑剤の種類によって異なるが、一般的な圧力の範囲でよく、例えば０．１ＭＰａ以上であり、２０ＭＰａ以下である。

【0096】

また、成型に際し、スペーサー等を用い、適当な大きさ、厚みに加工することが可能である。加熱、加圧により適当なシートに成形した後は、冷却により再度ゲル化させる。

【0097】

第三工程（凸部成型工程）では、第二工程で得られた高分子ゲルシートを加熱した後、ゲル層に賦形するための凹部を有したモールドを該高分子ゲルシートに押し付け、冷却することで、高分子ゲルシート表面に錐形の凸部を形成（賦形）する。

【0098】

なお、ゲル層と電極とを組み合わせる方法は、特段制限されず、接着剤を用いずにゲル層を電極で単に挟持する方法でもよく、また、接着剤を用いてゲル層と電極とを接着する方法でもよい。

【0099】

接着剤としては、印加電圧によるゲルの変位を抑制しないものが好ましく、例えば、ポリビニルブチラールを用いることができる。

【0100】

［ゲル層１２を賦形するためのモールド］
図７，８に、凸部１４を形成するためのモールドの例であるモールド７０を示す。なお、図７はモールド７０の平面図である。図８は図７のモールド７０の１個の凹部７１の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ断面図である。図８中の寸法は、後述の実施例における値を示している。なお、ここでは錐状の例を示しているが、後述する実施例で用いた山脈状のものは、錐状の例の一方向が変形していない形状になっている。

【0101】

このモールド７０は、切頭四角錐形状の４側面と先端面とに対応する殻形状の凹部７１を図７の左右方向及び上下方向に多数連設したものである。モールドの構成材料は特に限定されないが、樹脂が好ましく、例えばアクリル系ＵＶ硬化樹脂などが好ましい例として挙げられる。

【実施例0102】

＜実施例１＞
図４～６に示す構造のマイクロポンプを製造した。

【0103】

［ゲル層１２の製造］
セパラブルフラスコにポリ塩化ビニル（新第一塩ビ社製１７００Ｚ）２０重量部、ジブチルアジぺート（東京化成社製）８０重量部を測り取った。このセパラブルフラスコに攪拌翼をセットし、９０ｒｐｍで攪拌しながら、１２０℃の油浴中で３０分加熱し、高分子ゲルを得た。該高分子ゲルを冷却後に取り出し、１００ｍｍ角×０．７ｍｍのスペーサー中に約１０ｇの高分子ゲルを仕込み、フェロ板ではさんだ。加熱プレス機を用いて、１５０℃で、圧力５ＭＰａで加圧し、冷却して高分子（ＰＶＣ）ゲルシートを得た。

【0104】

モールドとして、図８ｂに示す設計寸法の凹部７１を山脈状に有するアクリル系ＵＶ硬化樹脂製のモールド７０を準備した。つまり図８ａの左右方向には錐の形になっているが上下方向には凹んだ部分が無く連続した形になっている。

【0105】

先に得られた高分子（ＰＶＣ）ゲルシート上にこのモールド７０を当て、真空加熱プレス機にセットし、真空下、１３５℃、１００ｋＰａでプレスを行い、モールドをゲルシートに押し込むことによりゲルシート表面に凸部を形成した。これにより、山脈状の凸部１４が賦形されたゲル層１２が製造された。

【0106】

［ポンプの製作］
ＵＶ硬化レジン式３Ｄプリンターを用い、２５ｍｍ×３５ｍｍのベース板１３（陽極側筐体）を製作した。そこに、０．２ｍｍ間隔で５×２０ｍｍのアルミプレートよりなる電極１５，１６を合計３枚はめ込み、それを陽極とした。陽極に連なるリード線は、ベース板１３の側面の穴から配線した。

【0107】

上記ゲル層１２（２５ｍｍ×３５ｍｍ）を、凸部１４をベース板１３に向けて乗せ、側辺部１３ａとゲル層１２とを、ＢＯＮＤＩＣ社製の紫外線硬化型接着剤により接着して密閉した。陰極（電極１７）として厚さ２ｍｍで直径１０ｍｍの黄銅円板をゲル層１２の上面に配置しポンプとした。

【0108】

このポンプに、除圧のためのリザーバータンクを間に配した外径２．５ｍｍ、内径１．５ｍｍのシリコンチューブ（ＭｏｎｏｔａＲＯ製ＭＧＪＧ－１．５×２．５）を接続し、電極１５，１７間及び電極１６，１７間に交互に電圧を印加し、ポンプを動作させた。流体には、絶縁性流体（３Ｍ製ＦＣ－４３）を用いた。８００Ｖの電圧印加を周期１０Ｈｚで行ったところ、平均吐出流量は３１２．７７μｌ／ｍｉｎであった。

【0109】

また印加周期を１から２０Ｈｚまで変えて吐出量を測定したところ、図９の通り、吐出量が変化した。１０Ｈｚ以上にすると吐出量が減少したが、これは液の供給量が粘度等によるため、空隙に十分な量がたまる前に次の収縮が始まってしまったためと考えられ、吐出させる液の粘度に合わせ、最適な周波数を選択することができることが示された。

【0110】

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0111】

１ マイクロポンプ
２ 内管
３ 外管
４ ゲル層
５，６ 第二電極
７ 第一電極
１１、２１，３１ マイクロポンプ
１２ ゲル層
１３ ベース板
１４ 凸部
１５，１６ 第一電極
１７ 第二電極
２２，３２ 外板部
２３，３３ 流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】