特許 7587824 マイクロバルブ及びそれを用いたマイクロポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-13

(45)【発行日】2024-11-21

(54)【発明の名称】マイクロバルブ及びそれを用いたマイクロポンプ

(51)【国際特許分類】

   F16K 7/17 20060101AFI20241114BHJP

   F04B 9/08 20060101ALI20241114BHJP

   F16K 13/10 20060101ALI20241114BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

F16K7/17 Z

F04B9/08 Z

F16K13/10 B

B81B3/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021015852

(22)【出願日】2021-02-03

(65)【公開番号】P2022118970

(43)【公開日】2022-08-16

【審査請求日】2024-01-22

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年７月２０日にオンラインによる遠隔発表会にて公開

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金 俊完

(72)【発明者】

【氏名】松原 竜也

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】実開平０６－０３２８５０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００２５０６２（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０８２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３７３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８３３３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ７／１２－ ７／１７

Ｆ１６Ｋ ３１／１２－３１／１６５；３１／３６－３１／４２

Ｂ８１Ｂ １／００－ ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００－９９／００

Ｆ０４Ｂ ９／００－１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インレット開口と、アウトレット開口と、前記インレット開口及び前記アウトレット開口に連通する弁室と、差圧室とを備えた本体と、
前記弁室と差圧室との間に配設された弾性膜と、
前記差圧室に対して両端が連通するバルブ駆動路と、
前記差圧室及び前記バルブ駆動路内に注入された作動流体と、
前記バルブ駆動路内に配置されたバルブ用電極ユニットと、を有し、
前記バルブ用電極ユニットは、前記バルブ駆動路に沿って配置された２つのバルブ負電極と、前記バルブ負電極の間に配置されたバルブ正電極とを有し、
前記バルブ負電極の一方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の一端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の一端側にて前記作動流体の圧力が増大することにより変形した前記弾性膜が前記アウトレット開口を閉止し、
前記バルブ負電極の他方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の他端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の他端側にて前記作動流体の圧力が増大することにより変形した前記弾性膜が前記インレット開口を閉止する、
ことを特徴とするマイクロバルブ。

【請求項2】

前記バルブ負電極の一方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の一端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の他端側にて前記作動流体の圧力が減少することにより変形した前記弾性膜が前記インレット開口から離間し、
前記バルブ負電極の他方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の他端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の一端側にて前記作動流体の圧力が減少することにより変形した前記弾性膜が前記アウトレット開口から離間する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。

【請求項3】

前記インレット開口が液体の供給元に接続され、前記アウトレット開口が前記液体の供給先に接続されてなる、請求項２に記載のマイクロバルブと、
前記弁室に一端が接続され、他端がリザーバに接続されたポンプ駆動路と、
前記ポンプ駆動路内に配置されたポンプ用電極ユニットと、を有し、
前記ポンプ用電極ユニットは、前記ポンプ駆動路に沿って配置された２つのポンプ負電極と、前記ポンプ負電極の間に配置されたポンプ正電極とを有し、
前記液体は、作動流体と混じり合わない性質を有し、前記弁室と前記ポンプ駆動路の一部に注入され、
前記作動流体は、前記液体と接しつつ前記ポンプ駆動路の残りに注入され、
前記マイクロバルブの動作により前記インレット開口が開放され、前記アウトレット開口が閉止されたときは、前記ポンプ負電極の一方と、前記ポンプ正電極との間に電圧を印加することにより、前記作動流体を前記ポンプ駆動路から前記リザーバ側へと移動させるとともに、前記液体を前記インレット開口から前記弁室内へと吸入し、
前記マイクロバルブの動作により前記アウトレット開口が開放され、前記インレット開口が閉止されたときは、前記ポンプ負電極の他方と、前記ポンプ正電極との間に電圧を印加することにより、前記作動流体を前記リザーバ側から前記ポンプ駆動路へと移動させるとともに、前記液体を前記弁室から前記アウトレット開口を介して吐出する、
ことを特徴とするマイクロポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロバルブ及びそれを用いたマイクロポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、機能性流体を利用したマイクロポンプの研究が進められている。機能性流体とは、外的刺激により特有の機能性を発現する流体の総称である。機能性流体には、磁性流体、磁気粘性流体、電気粘性流体、電界共役流体などがあり、これらを用いたアクチュエータは工業製品などに既に使用されている。

【0003】

機能性流体の一つである電界共役流体（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｆｌｕｉｄ：以下、ＥＣＦという）は、直流電圧の印加によって活発な流動を発生する機能性流体である。ＥＣＦを用いたポンプは、機械的構成を必要とせずに微小な電極への電圧印加だけで流動を発生できることから、小型の流体配給システムに適した液圧源として期待されている。

【0004】

特に、ＥＣＦを用いたポンプは、電極対の寸法が小さくなるほどパワー密度が大きくなるため、高出力パワー密度を有するマイクロポンプに適しているといえる。特許文献１には、パーソナルコンピュータのＣＰＵ等を冷却するために、ＥＣＦを用いたポンプを備えた熱拡散装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１１９３２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１のＥＣＦを用いたポンプにおいては、ＥＣＦを流すのには適しているが、ＥＣＦ以外の流体を流せないという問題がある。また、特許文献１のＥＣＦポンプにおいては，三角柱電極とスリット電極がペアになり，ＥＣＦは三角柱の先端からスリットへの一方向のみに流れ、いわゆるシリンジポンプのように、流体の吸い込みと吐き出しとを交互に行うことはできないという問題もある。

【0007】

これに対し、ＥＣＦと水はマイクロ流路において混ざり合わない性質を利用するとともに、スリット電極を挟んで三角柱電極を対向して配置することで、ＥＣＦを両方向に交互に流すことにより、シリンジポンプの機能を発揮させる研究も行われている。しかしながら、ＥＣＦの吸い込みと吐き出しとを交互に行うのみでは、流体を送出するポンプとしての機能を発揮できないため、シリンジポンプの動作に応じて開閉するバルブが必要となる。

【0008】

これに対し、シリンジポンプの入口ポートと出口ポートに弾性片を取り付けて、シリンジ内の圧力が吸入動作により低下したときに、出口ポート側の弾性片が閉じ、入口ポート側の弾性片が開くようにし、またシリンジ内の圧力が押出動作により増大したときに、入口ポート側の弾性片が閉じ、出口ポート側の弾性片が開くようにしたパッシブなバルブを配設することも一案である。しかしながら、かかるパッシブなバルブでは、弾性片の応答遅れや流体漏れなどが生じやすく、微小量の流体を精度よく送出することができない。

【0009】

本発明は、ＥＣＦ以外の液体を精度よく送出することができるマイクロポンプに適したマイクロバルブ及びそれを用いたマイクロポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のマイクロバルブは、
インレット開口と、アウトレット開口と、前記インレット開口及び前記アウトレット開口に連通する弁室と、差圧室とを備えた本体と、
前記弁室と差圧室との間に配設された弾性膜と、
前記差圧室に対して両端が連通するバルブ駆動路と、
前記差圧室及び前記バルブ駆動路内に注入された作動流体と、
前記バルブ駆動路内に配置されたバルブ用電極ユニットと、を有し、
前記バルブ用電極ユニットは、前記バルブ駆動路に沿って配置された２つのバルブ負電極と、前記バルブ負電極の間に配置されたバルブ正電極とを有し、
前記バルブ負電極の一方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の一端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の一端側にて前記作動流体の圧力が増大することにより変形した前記弾性膜が前記アウトレット開口を閉止し、
前記バルブ負電極の他方と、前記バルブ正電極との間に電圧が印加されたときは、前記バルブ駆動路の他端から前記差圧室内に前記作動流体が流れることで、前記バルブ駆動路の他端側にて前記作動流体の圧力が増大することにより変形した前記弾性膜が前記インレット開口を閉止する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ＥＣＦ以外の液体を精度よく送出することができるマイクロポンプに適したマイクロバルブ及びそれを用いたマイクロポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態にかかるマイクロバルブを備えたマイクロポンプの斜視図である。

【図2】図２は、マイクロポンプを上半部と下半部とに分離して示す斜視図である。

【図3】図３は、プランジャ路内に配置されたポンプ用電極ユニットを模式的に示す図である。

【図4】図４は、図１のＡ－Ａ線で切断して側面視した図である。

【図5】図５（ａ）は、マイクロポンプを模式的に示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）を図５（ａ）のＢ－Ｂ線の位置で切断して示す図である。

【図6】図６（ａ）は、マイクロポンプにおいて、流体の吸い込み状態を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）を図５（ａ）のＢ－Ｂ線の位置で切断して示す図である。

【図7】図７（ａ）は、マイクロポンプにおいて、流体の吐き出し状態を模式的に示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）を図５（ａ）のＢ－Ｂ線の位置で切断して示す図である。

【図8】図８（ａ）は、マイクロポンプのバルブ用電極ユニットの電極間に印加される電圧を横軸にとり、第２開口内の液圧の平均値を縦軸にとって示すグラフである。また、図８（ｂ）は、マイクロポンプのバルブ用電極ユニットの電極間に印加される電圧を横軸にとり、第１開口内の液圧の平均値を縦軸にとって示すグラフである。

【図9】図９（ａ）は、マイクロポンプの吸入開始からの経過時間を横軸にとり、開口を通過する液体の流量を縦軸にとって示すグラフであり、図９（ｂ）は、マイクロポンプの吐出開始からの経過時間を横軸にとり、開口を通過する液体の流量を縦軸にとって示すグラフである。また、図９（ｃ）は、マイクロポンプのポンプ用電極ユニットの電極間に印加される電圧を横軸にとり、吸入時に第１開口を通過する液体の流量の平均値を縦軸にとって示すグラフである。図９（ｄ）は、マイクロポンプのポンプ用電極ユニットの電極間に印加される電圧を横軸にとり、吐出時に第２開口を通過する液体の流量の平均値を縦軸にとって示すグラフである。

【図10】図１０（ａ）は、マイクロポンプのバルブ用電極ユニット及びポンプ用電極ユニットの電極間に印加される電圧を示すタイムチャートであり、図１０（ｂ）は、マイクロポンプにより吸入される液体の量を示すタイムチャートである。また、図１０（ｃ）は、マイクロポンプの吸入開始からの経過時間を横軸にとり、マイクロポンプ内に貯留される液体の量を縦軸にとって示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。

【0014】

（マイクロポンプの構造）
図１は、本発明の実施形態にかかるマイクロバルブを備えたマイクロポンプ１０の斜視図である。図２は、マイクロポンプ１０を上半部２０と下半部３０とに分離して示す斜視図である。これら斜視図においては、内部構造を透視した状態で示している。

【0015】

マイクロポンプ１０は、図に示すように薄形の矩形板形状であって、上半部２０と下半部３０とから構成される。マイクロポンプ１０は、半導体製造工程を使用して形成されると、微細な構成を有するにも関わらず大量生産が可能であるが、その製造方法には制限されない。

【0016】

上半部２０は、矩形板状の上ケース２１と、上ケース２１内においてジグザグ形状に形成されたシリンジ路２２とを有する。下半部３０は、上ケース２１と同外形の矩形板状の下ケース３１と、下ケース３１内においてＵ字状に形成されたプランジャ路３２と、ジグザグ形状に形成されたバルブ駆動路３３とを有する。シリンジ路２２とプランジャ路３２とでポンプ駆動路を構成し、上ケース２１と下ケース３１とで本体を構成する。また、シリンジ路２２、プランジャ路３２、およびバルブ駆動路３３は流体の通路として機能する。

【0017】

シリンジ路２２の一端は、マイクロバルブの弁室２３ａ（図４参照）に接続され、シリンジ路２２の他端は、上半部２０と下半部３０との境界でプランジャ路３２の一端に接続されている。プランジャ路３２の他端は、プランジャ用のリザーバ３７（図５参照）に接続されている。プランジャ路３２内には、複数のポンプ用電極ユニット４０が直列に配置されている。

【0018】

図３は、プランジャ路３２内に配置されたポンプ用電極ユニット４０を模式的に示す図である。ポンプ用電極ユニット４０は、スリット電極（ポンプ正電極ともいう）４１と、スリット電極４１を挟んで配置された一対の三角柱電極（ポンプ負電極ともいう）４２、４３とを有する。他のポンプ用電極ユニット４０も同様の構成を有する。プランジャ路３２のスリット電極４１、三角柱電極４２、４３に接する内壁は絶縁体から形成されている。

【0019】

スリット電極４１は、プランジャ路３２の軸線を挟んで両側に、隙間を開けて配置されている。一方、三角柱電極４２、４３は、プランジャ路３２に沿ってスリット電極４１を挟んで両側に配置され、尖った先端をスリット電極４１の隙間に向けている。ここで、三角柱電極４２はシリンジ路２２側に配置され、三角柱電極４３はリザーバ３７側に配置されているものとする。

【0020】

図示しない電源から、スリット電極４１と、三角柱電極４２、４３に対し、数十Ｖ～数十ｋＶの高電圧である直流電圧が印加可能である。スリット電極４１は正極側に接続され、三角柱電極４２、４３は負極側に接続されるが、図示しないスイッチング装置を介して、三角柱電極４２、４３の一方が負極に対して開成するときは、他方が負極に対して閉成するものとする。

【0021】

図４は、図１のＡ－Ａ線で切断して側面視した図であるが、バルブ駆動路３３については模式的に示す。図４において、上半部２０の上ケース２１は、第１板材２３と、弾性変形可能な弾性膜２４と、第２板材２５とを積層することにより形成される。弾性膜２４の素材としては、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が好適に用いられる。図４には図示されていないが、第１板材２３には、シリンジ路２２に対応するジグザグ状の溝が形成され、この溝を覆うように弾性膜２４及び下半部３０を接着することで、シリンジ路２２（図２）が形成される。

【0022】

第２板材２５の中央側に第１開口２５ａと第２開口２５ｂが形成され、弾性膜２４の下面を露出させている。第１開口２５ａと第２開口２５ｂを含む弾性膜２４の上方において、第１板材２３の内部に弁室２３ａが形成されている。また、第１開口２５ａの上方にて、弁室２３ａに連通するインレット開口２３ｂが形成され、また第２開口２５ｂの上方にて、弁室２３ａに連通するアウトレット開口２３ｃが形成されている。図４にて図示しないが、弁室２３ａはシリンジ路２２にも連通している。本実施形態において、弾性膜２４と、インレット開口２３ｂと、アウトレット開口２３ｃとで、アクティブ型のマイクロバルブを構成する。

【0023】

下半部３０の下ケース３１は、第３板材３４と、平板状の第４板材３５とを積層することにより形成されている。第１開口２５ａと第２開口２５ｂの下方において、第３板材３４に差圧室３４ａが形成されている。差圧室３４ａは、第１開口２５ａ側において、模式的に示すバルブ駆動路３３の一端に接続され、また第２開口２５ｂ側において、バルブ駆動路３３の他端に接続されている。差圧室３４ａとバルブ駆動路３３とは、クローズドループを形成する。バルブ駆動路３３内に注入されるＥＣＦと、シリンジ路２２及びプランジャ路３２内に注入されるＥＣＦとは同じ物でもよいし、異なっていてもよい。なお、第１ポート２１ａと第２ポート２１ｂは、差圧室３４ａ及びバルブ駆動路３３にＥＣＦを注入する際に使用するポートであり、ＥＣＦ注入後、これらは不図示のクランプなどを用いて閉じられる。

【0024】

バルブ駆動路３３は、図４においては下半部３０とは別体で図示されているが、実際には下半部３０の内部に形成される。具体的に第３板材３４には、バルブ駆動路３３に対応するジグザグ状の溝が形成され、第２板材２５と第４板材３５とにより上下方向に挟持されることで、バルブ駆動路３３（図２）が形成される。

【0025】

バルブ駆動路３３内には、複数の（図４では一つのみ図示する）バルブ用電極ユニット５０が直列に配置されている。バルブ用電極ユニット５０は、スリット電極（バルブ正電極ともいう）５１と、スリット電極５１を挟んで配置された一対の三角柱電極（バルブ負電極ともいう）５２、５３とを有する。他のバルブ用電極ユニットも同様の構成を有する。バルブ駆動路３３のスリット電極５１、三角柱電極５２、５３に接する内壁は絶縁体から形成されている。三角柱電極５２は第１開口２５ａ側に配置され、三角柱電極５３は第２開口２５ｂ側に配置されているものとする。バルブ用電極ユニット５０の構成は、基本的には図３に示すポンプ用電極ユニット４０と同様であり、図３のスリット電極４１がスリット電極５１に対応し、またスリット電極４２，４３が三角柱電極５２、５３に対応する。以下、重複する説明を省略する。

【0026】

（マイクロポンプの動作）
次に、マイクロポンプ１０の動作について説明する。図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）は、マイクロポンプ１０を模式的に示す図であり、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）は、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）を図５（ａ）のＢ－Ｂ線で切断して示す図である。なお、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）において、理解しやすいようにバルブ用電極ユニット５０が弾性膜２４の下方に図示されているが、実際は下半部３０の異なる箇所に配設されている。

【0027】

図５～７において、マイクロポンプ１０にて送出したい液体（ここでは水ＷＴとする）をドットで示し、ＥＣＦをハッチングで示す。また、弁室２３ａに連通するインレット開口２３ｂは、水ＷＴの供給元に接続され、弁室２３ａに連通するアウトレット開口２３ｃは、水ＷＴの供給先に接続されているものとする。さらに、弁室２３ａに連通するシリンジ路２２の一部も水ＷＴで満たされ、シリンジ路２２の残り及びプランジャ路３２はＥＣＦで満たされている。

【0028】

また、差圧室３４ａとバルブ駆動路３３のクローズドループ内にも、ＥＣＦが封入されている。

【0029】

本実施形態においては、水ＷＴと、油の一種であるＥＣＦとが互いに混じり合わないという性質を利用して、マイクロポンプ１０にシリンジ動作を行わせる。水以外にも、ＥＣＦと混じり合わない性質を持つ液体であれば、マイクロポンプ１０で送出可能である。シリンジ路２２内において、水ＷＴとＥＣＦとの界面をＢＤとする。ＥＣＦとしては、例えば米国特許第６４９５０７１号に記載された流体が用いられるが、これに限られない。

【0030】

ポンプ用電極ユニット４０とバルブ用電極ユニット５０への給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。制御装置からポンプ用電極ユニット４０とバルブ用電極ユニット５０への給電が行われないときは、図５の静止状態となり、弁室２３ａは、インレット開口２３ｂと、アウトレット開口２３ｃと、シリンジ路２２に連通するが、圧力差がないため水ＷＴの移動は行われない。

【0031】

（吸入動作）
マイクロポンプ１０の動作開始時に、制御装置からの信号により、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と、三角柱電極５２とに対して直流電圧を印加すると、電気流体力学現象により、バルブ駆動路３３内で図６（ａ）の矢印Ｃに示す方向にＥＣＦが流動する。

【0032】

すると、差圧室３４ａ内において、第１開口２５ａ内よりも第２開口２５ｂ内の圧力が増大し、それにより図６（ｂ）に示すように、第２開口２５ｂ内の弾性膜２４は、弁室２３ａ内に突出するように弾性変形するとともに、第１開口２５ａ内の弾性膜２４は、差圧室３４ａ内に突出するように弾性変形する。

【0033】

かかる動作により、第２開口２５ｂ内の弾性膜２４は、弁室２３ａ内においてアウトレット開口２３ｃの下端に当接してこれを閉止するとともに、第１開口２５ａ内の弾性膜２４は、インレット開口２３ｂの下端との間隔を拡大させる。

【0034】

次に、制御装置からの信号により、ポンプ用電極ユニット４０のスリット電極４１と、三角柱電極４２とに対して直流電圧を印加する。これにより生じた電気流体力学現象により、シリンジ路２２内で図６（ａ）の矢印Ｄに示す方向にＥＣＦが流動する。すると、水ＷＴとＥＣＦとの界面ＢＤが、弁室２３ａから離間する方向に移動して、弁室２３ａ内の液圧が低下する。このとき、アウトレット開口２３ｃが弾性膜２４により閉止されているため、インレット開口２３ｂを介して弁室２３ａ及びシリンジ路２２内に水ＷＴを吸入することができる。また、インレット開口２３ｂと弾性膜２４との間隔が拡大しているため、水ＷＴの進入を阻害しない。界面ＢＤの移動に応じてシリンジ路２２から溢れたＥＣＦは、リザーバ３７に貯留される。

【0035】

所定ストロークまで水ＷＴが吸入された後、制御装置は、バルブ用電極ユニット５０及びポンプ用電極ユニット４０への給電を停止させる。

【0036】

（吐出動作）
その後、制御装置からの信号により、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と、三角柱電極５３とに対して直流電圧を印加すると、電気流体力学現象により、バルブ駆動路３３内で図７（ａ）の矢印Ｅに示す方向にＥＣＦが流動する。

【0037】

すると、差圧室３４ａ内において、第２開口２５ｂ内よりも第１開口２５ａ内の圧力が増大し、それにより図７（ｂ）に示すように、第１開口２５ａ内の弾性膜２４は、弁室２３ａ内に突出するように弾性変形するとともに、第２開口２５ｂ内の弾性膜２４は、差圧室３４ａ内に突出するように弾性変形する。

【0038】

かかる動作により、第１開口２５ａ内の弾性膜２４は、弁室２３ａ内においてインレット開口２３ｂの下端に当接してこれを閉止するとともに、第２開口２５ｂ内の弾性膜２４は、アウトレット開口２３ｃの下端との間隔を拡大させる。

【0039】

次に、制御装置からの信号により、ポンプ用電極ユニット４０のスリット電極４１と、三角柱電極４３とに対して直流電圧を印加する。これにより生じた電気流体力学現象により、シリンジ路２２内で図７（ａ）の矢印Ｆに示す方向にＥＣＦが流動する。すると、水ＷＴとＥＣＦとの界面ＢＤが、弁室２３ａに近接する方向に移動し、弁室２３ａ内の液圧が増加する。このとき、インレット開口２３ｂが弾性膜２４により閉止されているため、アウトレット開口２３ｃを介して弁室２３ａ内の水ＷＴを吐出することができる。また、アウトレット開口２３ｃと弾性膜２４との間隔が拡大しているため、水ＷＴの吐出を阻害しない。リザーバ３７に貯留されていたＥＣＦは、界面ＢＤの移動に応じてシリンジ路２２内へと戻入される。

【0040】

所定ストロークまで水ＷＴが吐出された後、制御装置は、バルブ用電極ユニット５０及びポンプ用電極ユニット４０への給電を停止させる。以上で、マイクロポンプ１０の１ストローク分の動作が完了する。

【0041】

マイクロポンプの制御方法の一例として、マイクロバルブの動作に同期させたマイクロポンプの制御態様を以下に示す。
（１）マイクロバルブの動作によりインレット開口２３ｂが開放され、アウトレット開口２３ｃが閉止されたときは、マイクロポンプ１０の三角柱電極４２とスリット電極４１との間に直流電圧を印加することにより、ＥＣＦをシリンジ路２２からリザーバ３７側へと移動させるとともに、水ＷＴをインレット開口２３ｂから弁室２３ａ内へと吸入する。
（２）マイクロバルブの動作によりアウトレット開口２３ｃが開放され、インレット開口２３ｂが閉止されたときは、マイクロポンプ１０の三角柱電極４３とスリット電極４１との間に直流電圧を印加することにより、ＥＣＲをリザーバ３７側からシリンジ路２２へと移動させるとともに、水ＷＴを弁室２３ａからアウトレット開口２３ｃを介して吐出する。

【0042】

シリンジ路２２に界面ＢＤの位置を検出するセンサを配設すれば、界面ＢＤの移動量が分かる。制御装置は、電極ユニット４０，５０への給電開始と停止のタイミングを、前記センサからの信号に基づいて精度よく決定でき、それによりマイクロポンプ１０に１ストロークの精密なシリンジ動作を繰り返し行わせることができる。

【0043】

また、シリンジ路２２の断面積が既知であれば、前記センサからの信号に基づいて、１ストロークで吐出する水ＷＴの量を精度よく求めることができる。このとき、界面ＢＤの検出時の分解能を高めるには、シリンジ路２２の断面積を小さくすると共にその通路長を長く確保することが好ましい。そこで本実施の形態では、シリンジ路２２をジグザグ形状として、マイクロポンプ１０の大型化を図ることなく、高精度な吐出量測定を可能としている。このため、化学薬品などの微量の液体を高精度に分与する用途に、本実施形態のマイクロポンプ１０を好適に使用することができる。

【0044】

なお、本実施形態のマイクロバルブは、マイクロポンプ以外の用途にも適用可能である。

【0045】

（実験結果）
以下、本発明者らが行った実験結果について説明する。
図８（ａ）は、マイクロポンプ１０のバルブ用電極ユニット５０の電極間に印加される電圧を横軸にとり、第２開口２５ｂ内の液圧の平均値を縦軸にとって示すグラフである。また、図８（ｂ）は、マイクロポンプ１０のバルブ用電極ユニット５０の電極間に印加される電圧を横軸にとり、第１開口２５ａ内の液圧の平均値を縦軸にとって示すグラフである。各グラフにおいて、それぞれ測定値の標準誤差の上限と下限を横線で示している。

【0046】

図８に示す実験結果によれば、バルブ用電極ユニット５０の電極間に印加される電圧が増大するに従って、開口内の液圧も増大することがわかる。したがって、印加電圧を増大させることで、弾性膜２４を十分な力でインレット開口２３ｂおよびアウトレット開口２３ｃに向かって押圧することができ、それによりインレット開口２３ｂおよびアウトレット開口２３ｃを確実に閉止できるため、流体漏れを抑制できる。

【0047】

図９（ａ）は、マイクロポンプ１０の吸入開始からの経過時間を横軸にとり、開口を通過する液体の流量を縦軸にとって示すグラフであり、図９（ｂ）は、マイクロポンプ１０の吐出開始からの経過時間を横軸にとり、開口を通過する液体の流量を縦軸にとって示すグラフであり、それぞれポンプ用電極ユニットの印加電圧を０．４ｋＶとした。それぞれ、◆印のグラフがインレット開口２３ｂを通過する液体の量の変化を示し、〇印のグラフがアウトレット開口２３ｃを通過する液体の量の変化を示している。また、インレット開口２３ｂを通過して弁室２３ａに吸入された液体の量を負値で表し、弁室２３ａからアウトレット開口２３ｃを通過して外部に吐出された液体の量を正値で表す。

【0048】

図９（ａ）に示す実験結果によれば、吸入時に、インレット開口２３ｂを通過する液体の量は、経過時間に対してリニアに増加するが、アウトレット開口２３ｃを通過する液体の量はゼロであり、マイクロバルブがインレット開口２３ｂを開放し、アウトレット開口２３ｃを閉止する機能が確保されていることがわかる。

【0049】

また、図９（ｂ）に示す実験結果によれば、吐出時に、アウトレット開口２３ｃを通過する液体の量は経過時間に対してリニアに増加するが、インレット開口２３ｂを通過する液体の量はゼロであり、マイクロバルブがアウトレット開口２３ｃを開放し、インレット開口２３ｂを閉止する機能が確保されていることがわかる。

【0050】

図９（ｃ）は、マイクロポンプ１０のポンプ用電極ユニット４０の電極間に印加される電圧を横軸にとり、吸入時にインレット開口２３ｂを通過する液体の流量の平均値を縦軸にとって示すグラフである。また、図９（ｄ）は、マイクロポンプ１０のポンプ用電極ユニット４０の電極間に印加される電圧を横軸にとり、吐出時にアウトレット開口２３ｃを通過する液体の流量の平均値を縦軸にとって示すグラフである。各グラフにおいて、それぞれ測定値の標準誤差の上限と下限を横線で示している。

【0051】

図９（ｃ）、（ｄ）に示す実験結果によれば、ポンプ用電極ユニット４０の電極間に印加される電圧が増大するに従って、開口内を通過する液体の流量も増大することがわかる。したがって、マイクロポンプ１０の用途に応じて、印加電圧を増大させることで、液体の吸入／吐出速度を高めることができる。

【0052】

図１０（ａ）は、マイクロポンプ１０のポンプ用電極ユニット４０及びバルブ用電極ユニット５０の電極間に印加される電圧を示すタイムチャートであり、図１０（ｂ）は、マイクロポンプ１０により吸入される液体の量を示すタイムチャートである。

【0053】

図１０（ａ）、（ｂ）において、時間ｔｖ１より、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と三角柱電極５２に一定の直流電圧を印加することによりアウトレット開口２３ｃを閉じる。この時、インレット開口２３ｂは開放している。次に、時間ｔ１から時間ｔ２までポンプ用電極ユニット４０のスリット電極４１と三角柱電極４２に一定の直流電圧を印加すると、マイクロポンプ１０により吸入された液体の量は、時間ｔ１から時間ｔ２までリニアに増大する。

【0054】

また、時間ｔ２でスリット電極４１と三角柱電極４２への直流電圧の印加を停止すると、マイクロポンプ１０に液体が吸入されなくなる。さらに、時間ｔｖ２で、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と三角柱電極５２への直流電圧の印加を停止すると、インレット開口２３ｂとアウトレット開口２３ｃが開放された状態になるが、両開口間に差圧がなければ液体の流れは生じない。このとき、時間ｔ２から時間ｔ３まで、ポンプ用電極ユニット４０の電極間に直流電圧が印加されないと、マイクロポンプ１０内に貯留された液体の量は一定となる。なお、図１０(ａ)では、理解しやすいように時間ｔｖ２と時間ｔｖ３との間に時間差があるように示されているが、実際はｔｖ２＝ｔｖ３である。

【0055】

時間ｔｖ３より、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と三角柱電極５３に一定の直流電圧を印加することによりインレット開口２３ｂを閉じる。この時、アウトレット開口２３ｃは開放している。次に、時間ｔ３でポンプ用電極ユニット４０のスリット電極４１と三角柱電極４３への直流電圧の印加を開始すると、マイクロポンプ１０から液体が吐出され始める。さらに、時間ｔ３から時間ｔ４までスリット電極４１と三角柱電極４３に一定の直流電圧を印加することで、マイクロポンプ１０に貯留された液体の量はリニアに減少する。

【0056】

また、時間ｔ４でスリット電極４１と三角柱電極４３への直流電圧の印加を停止すると、マイクロポンプ１０に液体が吐出されなくなる。その後、時間ｔｖ４で、バルブ用電極ユニット５０のスリット電極５１と三角柱電極５３への直流電圧の印加を停止することにより、インレット開口２３ｂとアウトレット開口２３ｃが開放された状態になる。時間ｔｖ１～ｔｖ４で、マイクロポンプ１０の１ストロークの動作が行われる。

【0057】

図１０（ｃ）は、マイクロポンプ１０の吸入開始からの経過時間を横軸にとり、マイクロポンプ１０内に貯留される液体の量を縦軸にとって示すグラフであり、ポンプ用電極ユニット４０の電極間に印加される電圧を、０．３ｋＶ（実線），０．４ｋＶ（点線），０．５ｋＶ（破線）と変化させた場合について示している。

【0058】

図１０（ｃ）の実験結果によれば、ポンプ用電極ユニット４０の電極間に印加される電圧が高くなると、吸引を早く行える（グラフの傾きが急峻となる）ことがわかる。

【符号の説明】

【0059】

１０ マイクロポンプ
２０ 上半部
２４ 弾性膜
３０ 下半部
４０ ポンプ用電極ユニット
５０ バルブ用電極ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】