JP3740673B2

JP3740673B2 - ダイヤフラムポンプ

Info

Publication number: JP3740673B2
Application number: JP31909799A
Authority: JP
Inventors: 加藤　　宗; 亮三宅; 晃小出; 康彦佐々木; 孝男寺山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP2001132646A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤフラムポンプに係り、特に、送液用のダイヤフラムポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムの変位により圧力室内の圧力を変化させて送液を行うものであり、大型のポンプから小型のポンプまで様々な大きさと構成のダイヤフラムポンプが用いられている。例えば、小型のポンプとしては、特開平５−２４８３５６号公報などに提案されているような、マイクロマシニング技術により形成されたマイクロポンプなどがある。このようなマイクロポンプでは、圧力室を構成する壁の一部が可撓性を有するダイヤフラムになっており、このダイヤフラムとなっている壁の外側には、接着層を介して駆動手段、例えばディスク状の圧電素子などが接着されている。圧電素子を用いた場合、圧電素子に駆動電圧が印加されることにより、圧電素子がディスクの周囲方向に伸縮動し、この圧電素子の伸縮動により、ダイヤフラムがダイヤフラムの面にほぼ垂直な方向に撓んで往復動することにより、圧力室の体積が変化し、圧力室内の圧力が変化することで送液をおこなっている。
【０００３】
また、大型のダイヤフラムポンプでも、圧力室の体積や駆動手段としてモータなどを用いる点を除けば、マイクロポンプとほぼ同様の構成となっており、モータなどの回転を直進往復運動などに変換してダイヤフラムをダイヤフラムの面に垂直な方向に撓ませて往復動させることで送液を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のダイヤフラムポンプでは、駆動手段とダイヤフラムとの接合部の構造や加工精度、個々のダイヤフラムの品質差、個々の駆動手段の性能のばらつきなどにより、個々のポンプ間での送液精度にばらつきが生じ、十分な送液精度が得られない場合がある。特に、マイクロポンプでは、ダイヤフラムと駆動手段との接合部、すなわちダイヤフラムと圧電素子などとを接着する接着層の品質を個々のポンプ間で均一にすることは難しい。したがって、接着層の品質のばらつきによって、駆動手段に同じ電圧を印可したときに圧力室内に発生する圧力がポンプ毎に異なる上、送液量が微量であるため、十分な送液精度が得られ難いという問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、ダイヤフラムポンプの送液精度を向上することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のダイヤフラムポンプは、圧力室が一方の面に開口して形成され、前記圧力室を画成する第１のダイヤフラムが他方の面に形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の前記圧力室の開口面側に積層され、前記圧力室に連通する吐出用の通孔と前記圧力室が負圧のときに開く入口バルブが形成された第２の半導体層と、該第２の半導体層の前記第１の半導体層の反対側に積層され、前記吐出用の通孔に対向する位置に前記圧力室が正圧のときに開く出口バルブと前記入口バルブに対向する位置に吸引用の通孔が形成された第３の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１のダイヤフラムの外面に取り付けられた第１の歪みゲージと該第１のダイヤフラムを往復変位させる駆動手段と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の接合部の第２の半導体層側に空間を形成して、該空間と前記圧力室とを隔離して形成された第２のダイヤフラムと、該第２のダイヤフラムに取り付けられた第２の歪みゲージとがマイクロマシニング技術により製作され、前記第１の歪ゲージの検出値に基づいて前記ダイヤフラムの変位を制御し、かつ、前記第２の歪ゲージにより検出される前記圧力室の圧力が異常圧力のとき前記第１のダイヤフラムの振動数を制御して正常時の振動数よりも大きな振動数で前記第１のダイヤフラムを変位させる制御手段を有してなることを特徴とする。
【０００７】
このような構成とすることにより、第１の歪ゲージにより圧力室を画成する第１のダイヤフラムの変位を計測し、計測された値に基づいて制御手段が所定の送液量になるようにダイヤフラムの変位を適切に制御することができる。したがって、ダイヤフラムと駆動手段との接合部の品質差、個々のダイヤフラムの品質差、個々の駆動手段の性能のばらつきなどによる個々のポンプ間での送液量のばらつきを解消し、送液量を正確に制御できるので、送液精度を向上できる。
【０００８】
ところで、上記のように、個々のポンプ毎の送液量のばらつきを解消し、ダイヤフラムポンプの送液精度を向上した場合、または大型のポンプなどで接合部の品質の差、個々のダイヤフラムの品質差、個々の駆動手段の性能のばらつきなどが送液精度に影響しないような場合でも、送液対象となる液体の種類や性状、温度、純度などの条件によって、液体中に含まれる塵埃などの固体粒子などからなる異物や気泡などが圧力室内などに混入し、混入した気泡や異物によってダイヤフラムの正常な動作が妨げられ、十分な送液精度を得られなくなる場合がある。
【０００９】
また、第２の半導体層と第３の半導体層の接合面の第２の半導体層に空間を形成し、この空間と圧力室とを隔離して形成された第２のダイヤフラムと、該第２のダイヤフラムに取り付けられた第２の歪みゲージとを形成し、第２の歪ゲージにより検出される圧力室の圧力が異常圧力のとき第１のダイヤフラムの振動数を制御して正常時の振動数よりも大きな振動数で前記第１のダイヤフラムを変位させるようにすることができる。これによれば、気泡や異物などの混入によって発生する圧力室内の異常圧力を検出し、気泡や異物などの混入を検出できる。
【００１０】
さらに、第２の歪ゲージで検出した圧力室内の異常圧力に基づいて第１のダイヤフラムの変位を制御し、正常時の変位よりも大きくダイヤフラムを変位させる制御手段を備えれば、気泡や異物などの混入を検出した場合、正常時の変位よりも大きくダイヤフラムを変位させることで気泡や異物などの除去動作をおこなうことで気泡や異物などを除去できる。したがって、気泡や異物などが混入し、送液が正常に行われない状態を低減できるので、送液精度を向上できる。
【００１１】
また、制御手段が、除去動作を行った後に、第２の歪ゲージが圧力室内の異常圧力を検出したときは、異常圧力の検出を警告し、かつ圧電素子を停止させれば、ダイヤフラムポンプの保守必要時期を知らせることもできる。
【００１３】
また、圧力室内などに気泡や異物などが混入することによって圧力室内の圧力が変われば、駆動する側から見たダイヤフラムの機械インピーダンスが変わるので、その駆動手段にも反力としてダイヤフラムの機械インピーダンスの変化が伝えられる。したがって、駆動手段がダイヤフラムに取り付けられた圧電素子である場合、圧電素子に作用するダイヤフラムからの反力の変化は、圧電素子の変形量に影響を与える。このため、圧力検出手段は、圧電素子への印加電圧を計測する電圧計測手段と圧電素子へ流入する電流を計測する電流計測手段とを含み、電圧計測手段で計測された電圧と電流計測手段で計測された電流との比、すなわち圧電素子の電気的なインピーダンスに基づいて前記圧力室内の異常圧力を検出することができる。
【００１４】
さらに、圧力検出手段は、圧電素子に取り付けられたセンシング用圧電素子と、このセンシング用圧電素子の出力電圧を計測する電圧計測手段とを含み、この電圧計測手段で計測したセンシング用圧電素子の出力電圧に基づいて圧力室内の異常圧力を検出することもできる。
【００１５】
また、分析装置に上記のいずれかの構成のダイヤフラムポンプを備えれば、試料や試薬などの送液精度が向上することにより、分析装置の分析精度を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第１の実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの概略構成と動作を示す断面図である。図２は、ダイヤフラムポンプの概略構成を示す分解図である。図３は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えた小型分析装置の一例の概略構成を示す表面の一部を破断した斜視図である。図４は、図３のIV−IV線での部分断面図である。図５は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えた分析装置の他の例の概略構成を示す斜視図である。図６は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えた試薬容器と試薬の供給動作を示す斜視図である。
【００１７】
本実施形態ダイヤフラムポンプ１は、マイクロマシニング技術により形成されたマイクロポンプであり、図１に示すように、入口ポート３、入口バルブ５、圧力室７、出口バルブ９、出口ポート１１、圧力室７内の圧力を変化させるためのダイヤフラムとなる可撓性を有するダイヤフラム部１３、ダイヤフラム部１３の駆動手段であるディスク状の圧電素子１５、圧電素子１５に電圧を印加するパワーアンプ１７、そしてパワーアンプ１７による圧電素子１５への印加電圧などを制御する制御部１９などで構成されている。入口ポート３、入口バルブ５、圧力室７、出口バルブ９、出口ポート１１、ダイヤフラム部１３などのダイヤフラムポンプの構成要素は、図２に示すように、例えばＳｉＯ₂などの半導体材料で形成された４層の半導体層２１、２３、２５、２７の各々に異方性エッチングなどにより形成されており、ダイヤフラムポンプ１は、これら４層の半導体層２１、２３、２５、２７を、例えば金薄膜などを介して接着することにより形成されている。
【００１８】
半導体層２１に形成されたダイヤフラム部１３の外側の面、すなわち圧電素子１５側の面には、歪みゲージ２９がプリントなどの方法により取り付けられており、その上に接着材または他の接着手段などからなる接着層３１を介して圧電素子１５が接着されている。歪みゲージ２９は、配線３３により制御部１９に電気的に接続されている。制御部１９は、このダイヤフラムポンプ１を備えた装置や機器類全体の動作を制御する図示していない制御装置と配線３５により電気的に接続され、さらに、配線３７によりパワーアンプ１７に電気的に接続されている。パワーアンプ１７は、配線３９により、圧電素子１５に電気的に接続されている。
【００１９】
なお、本実施形態の駆動手段である圧電素子１５は、電圧が印加されることによって力学的な力を発生し、振動や伸縮動を生ずる圧電性物質でできている。しかし、ダイヤフラム部１３をダイヤフラム部１３の面に垂直な方向に往復動させることができる他の様々な駆動手段、例えば、磁歪素子や熱変形素子などを用いてもよい。また、歪みゲージ２９は、ダイヤフラム部１３の撓みによってダイヤフラム部１３にプリントされた金属線が変形することで起こる金属線の電気抵抗の変化に基づいてダイヤフラム部１３の変位を計測するものである。しかし、ダイヤフラム部１３の変位を計測できれば、変形により抵抗変化が起こる様々な材料、例えば、合成樹脂や半導体材料などを用いて形成することができる。
【００２０】
このような構成の本実施形態のダイヤフラムポンプ１の動作と本発明の特徴部について説明する。
まず、ダイヤフラムポンプ１を駆動するため、制御部１９が図示していない制御装置からの駆動信号を受けると、制御部１９がパワーアンプ１７を介して圧電素子１５に駆動電圧を印加する。電圧が印加されると、圧電素子１５は、図１に示すように、周縁部方向４１に伸縮し、接着層３１を介してダイヤフラム部１３も伸縮動する。このとき、圧電素子１５とダイヤフラム部１３とのユニモルフ的な効果により、ダイヤフラム部１３は、ダイヤフラムの面に垂直な方向４３に撓み往復動する。このようなダイヤフラム部１３の往復動により、圧力室７の体積が変化し、圧力室７内の圧力が変化する。圧力室７の体積が増大して圧力室７内が負圧になった場合には、出口バルブ９が閉じ、入口バルブ５が開くことで、入口ポート３より圧力室７へ液体が吸引される。圧力室７の体積が縮小して圧力室７内が正圧になった場合には、入口バルブ５が閉じ、出口バルブ９が開くことで、圧力室７内の液体が出口ポート１１より吐出される。このような動作を行うことによって、微量の液体を送液する事が可能となる。
【００２１】
ここで、圧電素子１５への印加電圧がほぼ同じであり、圧電素子１５がほぼ同等の伸縮動作を行っている場合でも、個々のポンプの接着層３１の接着状態や品質の差、さらにダイヤフラム部１３の品質の差、圧電素子１５の性能のばらつきなどによって圧電素子１５の動作のダイヤフラム部１３への伝達がポンプ毎に異なり、ダイヤフラム部１３の撓み具合がポンプ毎に変わってくる。特に、本実施形態のようなダイヤフラムポンプ１では、個々のポンプ間での接着層３１の品質などの差を均一にすることは難しい。このため、従来のダイヤフラムポンプでは、圧電素子へ同じ電圧を印加しても、個々のポンプ毎にダイヤフラムの変位に差が生じて送液量にばらつきが生じ、十分な送液精度が得られない。
【００２２】
これに対し、本実施形態のダイヤフラムポンプ１は、ダイヤフラム部１３の撓み、すなわち変位をダイヤフラム部１３にプリントしてある歪みゲージ２９で計測し、制御部１９でダイヤフラム部１３の目標変位との差を評価する。すなわち、歪みゲージ２９により検出されるダイヤフラム部１３の変位に関する信号は、制御部１９に入力され、制御部１９では、その信号に基づいて圧電素子１５に印加すべき適当な強度の駆動電圧をパワーアンプ１７へ司令する。つまり、ダイヤフラム部１３の変位が、図示していない制御装置により指令された目標値に達していない場合には、制御部１９は、圧電素子１５への印加電圧を増加させ、また、目標値を超えている場合には、圧電素子１５への印加電圧を減少させる。このようにダイヤフラム部１３の変位を、ダイヤフラム部１３を駆動する圧電素子１５へフィードバックすることによって、接着層３１の品質のばらつきによる個々のポンプ毎の送液量のばらつきが解消され、精度の高い送液を行うことができる。
【００２３】
なお、ダイヤフラム部１３の変位を検出する歪みゲージ２９の出力と実際のダイヤフラム部１３の変位の関係は、ポンプ１の出荷時などに較正されており、両者の関係に関する情報は制御部１９に予め入力されている。また、圧電素子１５の駆動周波数を固定すれば、ポンプ１の送液量はダイヤフラム部１３の変位によって決まる。この送液量とダイヤフラム部１３の変位の関係も制御部１９に予め入力されており、制御部１９では、図示していない制御装置から指令された目標送液量に対応するダイヤフラム部１３の変位を算出する機能を有している。さらに、ダイヤフラム部１３の変位と送液量の目標値との偏差に基づくパワーアンプ１７の制御則は圧電素子１５、ダイヤフラム部１３の動作特性に基づいて最適に設計されている。
【００２４】
このような本実施形態のダイヤフラムポンプ１は、マイクロマシーニンング技術によって構成されたマイクロポンプであるため量産性に優れ、さらに、微量の液体を精度高く送液できるため、様々な分析装置、例えば、環境分野で上水、下水、湖沼、河川などの水質管理などに用いる分析装置、医療分野で臨床検査、薬物動体検査などに用いる分析装置、食品分野で品質管理などに用いる分析装置、化学工業分野で生産物などの組成管理や品質検査などに用いる分析装置などにおける試薬や試料などの液体の吸引及び吐出用ポンプとして、また、コンビナトリアルケミストリーなどの分野における微量分析及び試験装置や、プリンターの印字ヘッドなどにも用いることができる。
【００２５】
本実施形態のダイヤフラムポンプ１を備えた分析装置の一例を以下に示す。
まず、分析装置として必要なほとんど全ての要素と機能とを一枚のチップ４５上に集積化し、微量の試料と試薬などにより分析が行える小型分析装置４６について例示する。小型分析装置４６は、図３及び図４に示すように、試薬や洗浄液などを貯蔵する容器４７、４９、容器４７、４９から、各々、吸引チューブ５１、５３を介して試薬や洗浄液などを吸引する２基のダイヤフラムポンプ１ａ、１ｂ、送液チューブ５５を介してダイヤフラムポンプ１ａから送られてきた試薬５７などとサンプリングチューブ５９から送られてきた試料６０との反応を行う反応容器６１などで構成されている。反応容器６１には、反応物を測定するための図示していない測定手段、例えば光源と受光素子、光電子増倍管やシンチレーション計数管などが備えられており、反応容器６１内での試料６０と試薬５７などとの反応などの測定の結果が配線６３を介して反応容器６１に備えられた図示していない測定手段から出力される。
【００２６】
また、分析が終了した時点で、容器４９から、吸引チューブ５３、ダイヤフラムポンプ１ｂ、送液チューブ６４などを介して送液されてきた洗浄液６５と共に、試薬５７と試料６０などは、反応容器６１より廃液６６として排出チューブ６７から排出される。試薬５７および洗浄液６５の送液量や送液のタイミングなどは、分析装置全体の動作を制御している図示していない制御装置からの司令を、配線３５を介して受けた制御部１９が圧電素子１５ａ、１５ｂの印加電圧を調整することにより制御される。なお、この小型分析装置４６では、パワーアンプ１７は、制御部１９と一体的に組み込まれている。また、図３ではダイヤフラムポンプ１ａ、１ｂと制御部１９との間には、各々１つの配線３９ａ、３９ｂしか示していないが、配線３９ａ、３９ｂは、複数本の信号線で構成されており、ダイヤフラムポンプ１ａ、１ｂの制御に必要な情報及び電力のやりとりが行われている。このように、送液精度を向上したダイヤフラムポンプ１ａ、１ｂを搭載している小型分析装置４６では、微量の試薬５７などを精度高く送液することができるため、分析精度を向上することができる。
【００２７】
次に、複数の試料をバッチ的に分析するバッチ処理式分析装置７１に本実施形態のダイヤフラムポンプ１を搭載した場合について例示する。バッチ処理式分析装置７１は、図５に示すように、反応容器７３を格納する反応ディスク７５、反応ディスク７５に格納されている反応容器７３の恒温状態に保つ恒温槽７７、試料カップ７９を収納する試料用ターンテーブル８１、試薬ボトル８３を格納する試薬用ターンテーブル８５、試料を反応容器７３に分注するサンプリング手段８７、分注された試料と試薬を反応容器７３内で攪拌して混合する攪拌手段８９、反応容器７３内の混合物の反応過程や反応後などの吸光度を測定する測光手段９１、測光が終了した後に反応容器７３を洗浄する洗浄手段９３、パーソナルコンピューターなどからなるコンソール９５、そしてマイクロコンピューターなどからなるメインコントローラ９７などで構成されている。なお、コンソール９５とメインコントローラ９７とは、電気的に接続されており、また、メインコントローラ９７と反応ディスク７５、試料用ターンテーブル８１、試薬用ターンテーブル８５、サンプリング手段８７、攪拌手段８９、洗浄手段９３の図示していない駆動手段と、さらにメインコントローラ９７と測光手段９１とは、各々、電気的に接続されている。試薬用ターンテーブル８５に設置される各々の試薬ボトル８３には、図６に示すように、試薬ボトル８３内の試薬９９を反応容器７３へ分注するために、底部に本実施形態のダイヤフラムポンプ１が取り付けられている。なお、分析装置７１の上記の各構成要素は、コンソール９５で設定した分析パラメータに従って、メインコントローラ９７によって制御されている。
【００２８】
このバッチ処理式分析装置７１では、まず、試料カップ７９よりサンプリング手段８７によって反応容器７３内に試料が分注される。次に、その反応容器７３を格納した反応ディスク７５が試薬分注位置まで回転し、試薬ボトル８３の底部に取り付けられたダイヤフラムポンプ１により、試薬ボトル８３から反応容器７３内に試薬９９が分注される。さらに、反応ディスク７５は、攪拌手段８９が設置されている位置まで回転し、反応容器７３内の試料と試薬との攪拌による混合が行なわれる。試料と試薬９９との混合が終了した時点から反応が終了するまで測光手段９１により吸光度測定が行われ、反応が終了した時点で洗浄手段９３で反応容器７３内の試料・試薬混合物が吸引除去され、洗浄処理が施される。このような一連のプロセスが複数のサンプルに対して逐一バッチ処理的に進められていく。
【００２９】
この分析過程において、試薬ボトル８３の底部に取り付けられた本実施形態のダイヤフラムポンプ１により高い分注精度で試薬が反応容器７３に供給されるため、精度の高い分析結果を得ることができる。もし、ダイヤフラムポンプ１に異常が検知された場合には、分析装置７１が停止するようにメインコントローラ９７にプログラムしておけば、さらに精度の高い分析結果を得ることができる。
【００３０】
このように、本実施形態のダイヤフラムポンプ１では、歪みゲージ２９によりダイヤフラム部１３の変位を計測し、計測されたダイヤフラム部１３の変位に応じて制御部１９が圧電素子１５への印加電圧を制御することができる。したがって、ダイヤフラム部１３の変位を適切に制御し、接着層３１、つまりダイヤフラム部１３と駆動手段である圧電素子１５との接合部の品質差による個々のポンプ間での送液量のばらつきを解消し、送液量を正確に制御することができる。すなわち、送液精度を向上することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態のダイヤフラムポンプ１を備えた分析装置、例えば小型分析装置４６やバッチ処理式分析装置７１などでは、試薬などを精度高く供給できるため、装置の分析精度を向上することができる。また、送液精度を向上したダイヤフラムポンプ１を搭載した小型分析装置４６のような装置により、微量の試料や試薬などによる分析が可能となるため、分析のランニングコストの低減や、少量しか得られにくい試料で様々な項目の分析を行うことができる。
【００３２】
また、本実施形態では、ダイヤフラム部１３にディスク状の圧電素子１５を接着してダイヤフラムを駆動しているが、本発明は、これに限らず、様々な駆動手段を用いたダイヤフラムポンプに適用できる。例えば、図７に示すように、積層型の圧電素子１０１で駆動してもよい。このとき、積層型の圧電素子１０１をダイヤフラム部１３に接着層３１を介して接着するが、駆動させる際には圧電素子１０１の接着層３１と反対側の端部１０３を動かない部材１０５に固定する必要がある。このため、接着層３１の厚みや弾性的な特性が異なれば、ダイヤフラム部１３に伝達される力が変わり、ポンプの送液量が変化してしまう。このような場合でも、ダイヤフラム部１３の変位を歪みゲージ２９により計測し、制御部１９で圧電素子１５への印加電圧を制御することによって、送液性能を一定にすることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、歪みゲージ２９がダイヤフラム部１３の圧電素子側の面に取り付けられているが、送液対象である液体の種類などにより、歪みゲージ２９の腐食などが起こらない場合には、歪みゲージ２９は、ダイヤフラム部１３の圧力室７側の面に取り付けてもよい。加えて、歪みゲージ２９を腐食させるような液体の送液を行う場合でも、歪みゲージ２９の表面を耐腐食性の被膜で覆うようにすれば、歪みゲージ２９をダイヤフラム部１３の圧力室７側の面に取り付けることができる。
【００３４】
また、本実施形態では、入口バルブ５、出口バルブ９を備えているが、入口バルブ５、出口バルブ９は、備えていなくてもよい。例えば、送液対象となる液体の表面張力を利用して送液を行う構成としてもよい。すなわち、入口側ポート３の開口に送液対象となる液体の入った容器の開口を密着させて取り付け、出口ポート１１で表面張力により保持された状態にある液体を、圧力室７内に圧力を増大し、送液対象となる液体にかかる力が、その液体の表面張力よりも大きくなることによって送液をおこなうような構成としてもよい。さらに、ダイヤフラム部１３が入口バルブ５と出口バルブ９とを兼ねる構成としてもよい。
【００３５】
また、本実施形態では、圧力室７内の圧力変化に応じて受動的に開閉する入口バルブ５と出口バルブ９とを設けているが、入口ポート３と出口ポート１１の開口部、または各々に連通する流路にダイヤフラムとこのダイヤフラムの駆動手段などからなり、能動的に開閉状態を制御できるバルブを設けてもよい。この場合、ダイヤフラムポンプの送液精度をさらに向上することができる。
【００３６】
また、本実施形態のダイヤフラムポンプ１は、４層の半導体層２１、２３、２５、２７で形成されているが、半導体層２１、２３、２５、２７に代えて、フォトレジスト材料やその他の合成樹脂材料、またガラスなどの透明な材料からなる層によりダイヤフラムポンプを形成するようにしてもよい。ガラスなどの材料でダイヤフラムポンプを形成した場合には、耐薬品性を向上でき、また、透明な材料であることからダイヤフラムポンプ内の液体の状態、例えば気泡や異物の混入を目視により確認することができるので好ましい。ただし、ダイヤフラム部１３を形成する層は、可撓性を有する材料で形成する必要がある。
【００３７】
また、本実施形態では、パワーアンプ１７と制御部１９とを分離して構成しているが、パワーアンプ１７と制御部１９とを一体的に構成してもよい。さらに、制御部１９とダイヤフラムポンプ１を備えた装置全体の動作を制御している図示していない制御装置とが分離して構成されているが、装置全体の動作を制御している制御装置と制御部１９とを一体的に構成してもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態のダイヤフラムポンプ１は、マイクロマシニング技術で形成されたマイクロポンプであるが、本発明は、本実施形態のようなマイクロマシニング技術で形成されたマイクロポンプに限らず、大型のダイヤフラムポンプにも適用できる。この場合、ダイヤフラムの変位の計測に本実施形態のような歪みゲージをダイヤフラムにプリントすることなどにより取り付けてもよいし、機械的な変位計測手段、例えば、ダイアフラムに当接し、ダイアフラムの往復動に応じて往復動するピストンとそのピストンの周囲を取り巻くソレノイドコイルなどからなるソレノイド式の変位計測手段などを設けてもよい。
【００３９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図８を参照して説明する。図８は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第２の実施形態の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００４０】
本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７が、第１の実施形態のダイヤフラムポンプ１と相違する点は、図８に示すように、圧力室７内部の異常圧力を検出するために、上から２層目の半導体層２３、すなわち圧力室７の底面に、圧力室７とは隔離された空間１０９を有し、空間１０９の上側の隔壁が圧力検出用のダイヤフラム部１１１となっている圧力検出手段１１３が形成されていることである。空間１０９内側のダイヤフラム部１１１の面には、ダイヤフラム部１１１の変位を計測するため、歪みゲージ２９と同様の歪みゲージ１１５が取り付けられている。歪みゲージ１１５は、図示していない配線により、図１に示した制御部１９と電気的に接続されている。
【００４１】
ところで、第１の実施形態のように、歪みゲージ２９によってダイヤフラム部１３の変位を計測し、計測されたダイヤフラム部１３の変位に応じて圧電素子１５の動作を制御することでダイヤフラムポンプ１の接着層３１の品質の差による個々のポンプ毎の送液量のばらつきを解消し、ダイヤフラムポンプ１の送液精度を向上することができる。しかし、送液対象となる液体の種類や性状、温度、純度などの条件によって、液体中に含まれる塵埃などの固体粒子などからなる異物や気泡などが圧力室７などに混入した場合には、気泡や異物によってダイヤフラム部１３の正常な動作が妨げられ、十分な送液精度が得られなくなる場合がある。すなわち、ポンプの作動中、圧力室７内に満たされている液体に気泡が混入または発生すると、気泡が緩衝材の役割を果たし、圧力室７内の圧力を十分に昇圧または降圧することができなくなり、送液性能が低下してしまう。また、送液中に圧力室７内などに異物が混入すると、入口バルブ５や出口のバルブ９などの正常な動作を妨げる場合がある。このとき、圧力室７内が正圧の場合には、極端に圧力が上昇し、負圧の場合には極端に圧力が下がることになり、送液性能が低下してしまう。
【００４２】
これに対し、本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７は、圧力室７内の圧力に応じて変形する圧力検出用のダイヤフラム部１１１を有する圧力検出手段１１３が形成されており、ダイヤフラム部１１１の変位を歪みゲージ１１５で検出する事によって、圧力室７内の圧力変動を検出してモニターすることができる。このため、気泡や異物などの混入を圧力室７内の異常な圧力変動から異常圧力を検出することができ、さらに、気泡や異物などの混入の検出情報に基づいて補償を行うことが可能となる。
【００４３】
つまり、気泡や異物がポンプ内に混入することにより、または混入した気泡や異物が残留し、集積や堆積することにより、圧力室７内の圧力変動が所定の範囲を越え、所定の送液量が得られない状態になったことを圧力検出手段１１３からの圧力室７内の圧力情報に基づいて制御部１９が異常圧力を検出した場合は、一時的に通常の送液動作を停止して気泡や異物などの除去動作を行う。気泡や異物などの除去は、瞬時的に送液量を大きくすることで行え、送液量の増大は、ダイヤフラム部１３の変位量や振動数を大きくすることで達成できる。そこで、気泡や異物などを除去するのに十分な送液量を潜在的に実現できるようにダイヤフラム部１３とそれを駆動する圧電素子１５とを設計し、制御部１９、またはダイヤフラムポンプ１０７を備えた装置全体の動作を制御する図示していない制御装置などは、瞬時的に送液量を大きくする除去動作と通常の送液動作との切り替えを制御できるようにしている。
【００４４】
このように、本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７では、ダイヤフラム部１３の変位を計測して正確に送液量を制御することに加えて、制御部１９が、圧力検出手段１１３で検出した圧力室７内の圧力変動に基づいて気泡や異物などの混入を検出することができる。気泡や異物などの混入を検出した場合には、制御部１９は、圧電素子１５に気泡や異物などの除去動作を行わせ、気泡や異物などの混入による異常な送液状態の発生を低減できるので、さらに送液精度を向上することができる。
【００４５】
また、制御部１９、または図示していない制御装置などが、気泡や異物などの除去動作を行った後でも、圧力室７内のの圧力変動の異常が検出される場合には、警告信号を出力し、ダイヤフラムポンプ１０７の動作を停止するようにダイヤフラムポンプ１０７の動作を制御すれば、ポンプの保守必要時期を知らせることもできる。
【００４６】
さらに、本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７は、ダイヤフラム部１３の変位を計測して正確に送液量を制御すること、また、気泡や異物などのダイヤフラムポンプ１０７内への混入を検出した場合には、気泡や異物などの除去動作などを行うことができるため、正確で安定した試薬などの液体の分注や送液ができる。したがって、本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７を備えた分析装置などでは、ダイヤフラムポンプ１０７による正確で安定した液体の分注や送液性能により、さらに分析精度を向上することができる。特に、本実施形態のダイヤフラムポンプ１０７を用いることにより、試料や試薬の微量化と、それに伴う分注量や送液量の誤動作の回避などが望まれている集積化された小型分析装置などの性能を向上することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、圧力検出手段１１３を圧力室７の底面に形成したが、圧力検出手段１１３は、ダイヤフラム部１３が形成されている部分以外の部分であれば、圧力室７のどこに形成してもよい。さらに、本実施形態では、圧力検出手段１１３は、空間１０９を有し、ダイヤフラム部１１３の空間１０９の内部側の面に歪みゲージ１１５を取り付けているが、送液対象である液体の種類などにより、歪みゲージ１１５の腐食などが起こらない場合には、歪みゲージ１１５は、ダイヤフラム部１１３の圧力室７側の面に取り付けてもよい。加えて、歪みゲージ１１５を腐食させるような液体の送液を行う場合でも、歪みゲージ１１５の表面を耐腐食性の被膜で覆うようにすれば、歪みゲージ１１５をダイヤフラム部１１３の圧力室７側の面に取り付けることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、ダイヤフラム部１３の変位を歪みゲージ２９で計測して正確に送液量を制御することに加えて、制御部１９が、圧力検出手段１１３で検出した圧力室７内の圧力変動に基づいて気泡や異物などの混入を検出することができる構成としている。しかし、大型のダイヤフラムポンプなどで、送液量が大きいため、ダイヤフラムと駆動手段との接合部の品質の差、ダイヤフラムの品質の差、駆動手段の性能のばらつきなどによるポンプ毎の送液量のばらつきが問題にならない場合には、ダイヤフラムの変位計測手段である歪みゲージ２９は備えず、圧力検出手段１１３のみを備えた構成にすることもできる。
【００４９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図９を参照して説明する。図９は、本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第３の実施形態の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態及び第２の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００５０】
本実施形態も、第２の実施形態と同様に、ダイヤフラムポンプ内などに混入した気泡や異物などを圧力検出手段で異常圧力として検出し、気泡や異物などの除去動作などにより、ダイヤフラムポンプの送液精度をさらに向上させるものである。しかし、本実施形態が第２の実施形態と相違する点は、第２の実施形態のように圧力室７内に備えたダイヤフラム部１１１と歪みゲージ１１５などを含む圧力検出手段１１３などを用いず、ダイアフラム部１３を駆動する圧電素子１５の電気的インピーダンスにより異常圧力を検出し、気泡や異物などの混入を検出することにある。すなわち、本実施形態のダイヤフラムポンプ１は、図９に示すように、ダイヤフラムポンプ１を駆動している間のパワーアンプ１７による圧電素子１５への印加電圧を計測する電圧計１１９と、圧電素子１５に流入する電流を計測する電流計１２１とを配線３９に設けている。なお、電圧計１１９と電流計１２１とは、各々、図示していない配線により、図１に示すような制御部１９に電気的に接続されており、電気インピーダンスの変化により圧電素子１５の変形量を計測する変形量手段を構成している。
【００５１】
このような本実施形態のダイヤフラムポンプ１では、第２の実施形態において説明したように、圧力室７内などに気泡や異物などが混入することによって圧力室７内の圧力が変われば、駆動する側から見たダイヤフラム部１３の機械インピーダンスが変わるので、その駆動源である圧電素子１５にも反力としてダイヤフラム部１３の機械インピーダンスの変化が伝えられる。圧電素子１５に作用する反力の変化は、圧電素子１５の変形量に影響を与えるため、圧電素子１５の電気的なインピーダンスが変化する。したがって、電圧計１１９と電流計１２１とで計測したダイヤフラムポンプ１を駆動している間の圧電素子１５への印加電圧と流入する電流との比、つまりインピーダンスを制御部１９で算出してモニターしておけば、このインピーダンスにより、異常圧力を検出でき、気泡や異物などのダイヤフラムポンプ１内への混入を検出することができる。このように、本実施形態では、電圧計１１９、電流計１２１、制御部１９などが圧力検出手段を構成している。
【００５２】
このように、本実施形態では、パワーアンプ１７と圧電素子１５間の配線３９に電圧計１１９と電流計１２１とを備えており、圧電素子１５への印加電圧と流入する電流との比の変化、つまりインピーダンスの変化を検出することにより、気泡や異物などの混入を検出することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、電圧計１１９と電流計１２１などからなる圧力検出手段を設けたが、図１０に示すように、ダイヤフラム部１３の駆動手段である圧電素子１５上に取り付けられ、圧電素子１５の変形を検出するためのセンシング用圧電素子１２３と、センシング用圧電素子１２３の出力電圧を計測するため、配線１２４を介してセンシング用圧電素子１２３に電気的に接続された電圧計１２５とを設けてもよい。この場合、電圧計１２５は、図１に示すような制御部１９に電気的に接続されており、この電圧計１２５、センシング用圧電素子１２３、制御部１９などが、圧力検出手段を構成する。
【００５４】
このような圧力検出手段を備えた場合も、ダイヤフラムポンプ１内への気泡や異物などの混入によるダイヤフラム部１３の機械インピーダンスが変わることにより、その駆動源である圧電素子１５にも反力として圧電素子１５の変形量が変化する。したがって、圧電素子１５の変形量に応じて変形するセンシング用圧電素子１２３の変形による出力電圧を電圧計１２５で計測しその変化を制御部１９などで検出しモニターすることで圧力室７内の異常圧力を検出し、ダイヤフラムポンプ１内への気泡や異物の混入を検出することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、ダイヤフラム部１３の変位を歪みゲージ２９で計測して正確に送液量を制御することに加えて、圧力検出手段として電圧計１１９と電流計１２１、またはセンシング用圧電素子１２３と電圧計１２５などを備え、気泡や異物などの混入を検出することができる構成としている。しかし、第２の実施形態と同様に、大型のダイヤフラムポンプなどで、送液量が大きいため、ダイヤフラムと駆動手段との接合部の品質の差、ダイヤフラムの品質の差、駆動手段の性能のばらつきなどによるポンプ毎の送液量のばらつきが問題にならない場合には、ダイヤフラムの変位計測手段である歪みゲージ２９は備えず、圧力検出手段として電圧計１１９と電流計１２１、またはセンシング用圧電素子１２３と電圧計１２５などのみを備えた構成にすることもできる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤフラムポンプの送液精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第１の実施形態の概略構成と動作を示す断面図である。
【図２】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第１の実施形態の概略構成を示す分解図である。
【図３】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えた小型分析装置の一例の概略構成を表面の一部を破断して示た斜視図である。
【図４】図４は、図３のIV−IV線での部分断面図である。
【図５】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えたバッチ処理式分析装置の一例の概略構成を示す斜視図である。
【図６】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプを備えた試薬容器と試薬の供給動作を示す斜視図である。
【図７】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの別の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第２の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの第３の実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図１０】本発明を適用してなるダイヤフラムポンプの別の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ダイヤフラムポンプ
７圧力室
１３ダイヤフラム部１３
１５圧電素子
１７パワーアンプ
１９制御部
２９歪みゲージ

Claims

圧力室が一方の面に開口して形成され、前記圧力室を画成する第１のダイヤフラムが他方の面に形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の前記圧力室の開口面側に積層され、前記圧力室に連通する吐出用の通孔と前記圧力室が負圧のときに開く入口バルブが形成された第２の半導体層と、該第２の半導体層の前記第１の半導体層の反対側に積層され、前記吐出用の通孔に対向する位置に前記圧力室が正圧のときに開く出口バルブと前記入口バルブに対向する位置に吸引用の通孔が形成された第３の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１のダイヤフラムの外面に取り付けられた該第１のダイヤフラムを往復変位させる駆動手段と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の接合部の第２の半導体層側に空間を形成して、該空間と前記圧力室とを隔離して形成された第２のダイヤフラムと、該第２のダイヤフラムに取り付けられた歪みゲージとがマイクロマシニング技術により製作され、
前記歪ゲージにより検出される前記圧力室の圧力が異常圧力のとき前記第１のダイヤフラムの振動数を制御して正常時の振動数よりも大きな振動数で前記第１のダイヤフラムを変位させる制御手段を有してなるダイヤフラムポンプ。
圧力室が一方の面に開口して形成され、前記圧力室を画成する第１のダイヤフラムが他方の面に形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の前記圧力室の開口面側に積層され、前記圧力室に連通する吐出用の通孔と前記圧力室が負圧のときに開く入口バルブが形成された第２の半導体層と、該第２の半導体層の前記第１の半導体層の反対側に積層され、前記吐出用の通孔に対向する位置に前記圧力室が正圧のときに開く出口バルブと前記入口バルブに対向する位置に吸引用の通孔が形成された第３の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１のダイヤフラムの外面に取り付けられた第１の歪みゲージと該第１のダイヤフラムを往復変位させる駆動手段と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の接合部の第２の半導体層側に空間を形成して、該空間と前記圧力室とを隔離して形成された第２のダイヤフラムと、該第２のダイヤフラムに取り付けられた第２の歪みゲージとがマイクロマシニング技術により製作され、
前記第１の歪ゲージの検出値に基づいて前記ダイヤフラムの変位を制御し、かつ、前記第２の歪ゲージにより検出される前記圧力室の圧力が異常圧力のとき前記第１のダイヤフラムの振動数を制御して正常時の振動数よりも大きな振動数で前記第１のダイヤフラムを変位させる制御手段を有してなるダイヤフラムポンプ。
圧力室が一方の面に開口して形成され、前記圧力室を画成する第１のダイヤフラムが他方の面に形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の前記圧力室の開口面側に積層され、前記圧力室に連通する吐出用の通孔と前記圧力室が負圧のときに開く入口バルブが形成された第２の半導体層と、該第２の半導体層の前記第１の半導体層の反対側に積層され、前記吐出用の通孔に対向する位置に前記圧力室が正圧のときに開く出口バルブと前記入口バルブに対向する位置に吸引用の通孔が形成された第３の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１のダイヤフラムの外面に取り付けられた第１の歪みゲージと該第１のダイヤフラムを往復変位させる駆動手段と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の接合部の第２の半導体層側に空間を形成して、該空間と前記圧力室とを隔離して形成された第２のダイヤフラムと、該第２のダイヤフラムに取り付けられた第２の歪みゲージとがマイクロマシニング技術により製作され、
前記第１の歪ゲージの検出値に基づいて前記ダイヤフラムの変位を制御し、かつ、前記第２の歪ゲージにより検出される前記圧力室の圧力が異常圧力のとき前記第１のダイヤフラムの変位を制御して正常時の変位よりも大きく前記第１のダイヤフラムを変位させる制御手段を有してなるダイヤフラムポンプ。
請求項１乃至３のいずれかに記載のダイヤフラムポンプを備えてなる分析装置。