JPH01219369A

JPH01219369A - 微量ポンプ装置

Info

Publication number: JPH01219369A
Application number: JP4202688A
Authority: JP
Inventors: Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内; Shohei Yoshida; 正平吉田; Tsutomu Okuzawa; 奥沢　務; Toru Arai; 新井　亨; Nobuo Hamano; 浜野　亘男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1989-09-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野〕本発明はポンプ等の微量流体移送装置に係り、特に、被
移送流体による装置の汚染が少なく、流量制御が容易な
試料注入用微量ポンプに関する。

〔従来の技術〕

従来、バイオ関連の分析機器や分離精製装置の試料注入
用の微量液送制御装置として、シリンジポンプやチュー
ブポンプ等が使用され、流路の切換装置としてピンチバ
ルブや蝋磁弁などが知られている。これらの液送制御装
置は、微小量の試料を高精度に移送制御することが可能
である。

（発明が解決しようとする課題〕しかし、これらの液送制御装置では、液送ポンプや制御
弁に摺動部をもつため、バルブやポンプの微小隙間に試
料が入り込むことが多い。一般に、バイオ関連機器では
、対象試料としてホルモンや酵素等の生理活性物質や細
胞などを使用する。このような試料が微小隙間に入ると
、長時間経過後に活性が失われ、変質など生物的な汚染
につながる。すなわち、分析、あるいは、分離精製装置
に供給される新鮮な試料や別種の試料が、この変質試料
の微量混入により悪影響を受ける恐れが多く、性能、信
頼性の面で重大な不都合を生じる。さらに、シリンジポ
ンプは、微量液送に好適なポンプではあるが、その送液
原理から連続送液が不可能であり、又、チューブポンプ
は、微量液送の場合に脈動流の影響で安定性が悪くなる
欠点をもっている。

本発明の目的は、移送対象試料の汚染が少なく、微量流
体でも安定して移送できる信頼性の高い小型の試料注入
制御装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕上記目的のため、本発明は、逆流抵抗の大きな渦流型流
体ダイオードの流路壁面に、圧電素子や電歪素子等の加
振素子を設けて高周波信号を与えることによって、摺動
部の少ない微量試料注入ポンプを実現するとともに、こ
の流体ダイオードの流出ノズルを中央部にはさんで、両
側を同じ構造の緩衝液用の流体ダイオードポンプの流出
ノズルを配設する。特に、この流体ダイオードの満室や
上・下壁に設ける加振素子等を薄板を用いて多層に重ね
合せて構成した、いわゆる薄形フローセル構造を採用し
たことを特徴とする。

〔作用〕

すなわち、渦流型流体ダイオードの壁面を圧電素子等の
加振素子で任意の高周波加振することによって、脈動が
少なく、摺動部の少ない微量の液送制御が可能となり、
試料注入用の流体ダイオード流出ノズル部から流出する
試料の流れを、緩衝液用の二つの流体ダイオードの流出
ノズルから流出する緩衝液で包み込むことが可能であり
、いわゆる、シースフローを実現できるので、試料汚染
の少ない、信頼性の高い微量な試料の注入制御を実現す
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第４図により詳細
に説明する。

第１図に示すように、本実施例は薄板状のフローセルを
基本構造とし、フローセルの三個のノズルへの供給室を
渦流型流体ダイオード構造を採用したことを特徴として
いる。すなわち、薄板状のフローセル１に、一部をカッ
トした流路２を設けるとともに、この流路２の流出端に
対向する位置に、中央部の試料注入用の流出ノズル３を
はさんで、緩衝液用の流出ノズル４，５を配設するとと
もに、これら三個の流出ノズル３，４．５は、それぞれ
試料、及び、緩衝液を供給するための円形の空間６，７
．８と連通させる。この空間６，７゜８は、ノズル３，
４．５がこの円形空間の接線方向の外周部から連通させ
て、流れが渦巻形になるような渦室構造とする。この薄
板のフローセル１の上・下壁として、例えば、チタン酸
バリウム等に代表される圧電セラミックスからなる薄板
９゜１０を多層に重ね合せるとともに、三個の渦室部６
．７．８の壁面部に相当する場所に、この圧電セラミッ
クス９，１０をはさんで、上下壁面に渦室形状の薄板状
の電極１１，１２，１３及び１４゜１５．１６を設ける
。これらの電極は、互いに導通しないように絶縁して構
成され、夫々の電極には、高周波加振電源１７，１８と
導通させる。特に、本発明では、これら渦室６，７．８
の片方の電極１４，１５．１６をもつ圧電セラミックス
板１０には、渦室６，７．８の中心部位置にオリフィス
孔１９，２０．２１を設け、薄板フローセル１と対応す
る側に、試料供給室２３、及び、緩衝液供給室２４を有
する板状の支持板２２に配設し、この試料供給室２３と
渦室６．緩衝液供給室２４と渦室７，８とを連通させて
構成する。尚、この試料供給室２３及び緩衝液供給室２
４には、外部から試料及び緩衝液を供給する試料供給管
２５及び緩衝液供給管２６も対抗して連通ずるよう構成
する。従って、渦室６，７．８は、中心部に流入オリフ
ィス孔１９，２０．２１を、外周部に流出ノズル３，４
．５をもついわゆる渦流形ダイオード構造をもつことに
なる。

第２図乃至第４図は、第１図のｎ−ｎ断面及びその一部
破断面を示すが、このような流体ダイオード構造を有す
るフローセル型の流体移送装置では、流体ダイオード型
の渦室６の仕切壁として設けた圧電セラミック９，１０
の両面に設置した電極１１．１１’及び１４．１４’　
に高周波電源１７．１８から高周波信号を供給すると、
ピエゾ効果によって渦室６の厚み方向に振動呼吸を開始
する。この場合、渦室６をはさんで対向する電極１１．
１１’　と電極１４．１４’　に位相差が１８０゜異な
る高周波振動を与えると、第２図及び第３図に示すよう
に、渦室６の仕切壁面となる圧電セラミック９，１０は
、渦室６の容積を拡大収縮させる吸収振動を開始する。

一般に、このような渦流形流体ダイオードでは、第４図
に示すように中央のオリフィス１９から流体が流入する
と、流出ノズル３が渦室６の外周接線方向に開にしてい
るので、図示するように渦室６内で渦巻形の流れ２８を
形成する。従って、流体がオリフィス孔１９から流出ノ
ズル３に向う流れの場合、流体抵抗が少ないのに対して
、流出ノズル３からオリフィス孔１９へ向う流れの場合
に流体抵抗が大きくなる特性をもつ。このような渦室形
流体ダイオードの特性効果によって、渦室６の容積を拡
大収縮させる呼吸振動を開始すると、第２図に示すよう
に、容積拡大時にはオリフィス孔１９から流入する流体
の流れ２７が、一方、第３図に示すように、容積収縮時
には、流出ノズル３へ流出する流体の流れ２８が支配的
になる。このように、渦室６の呼吸振動によって誘起さ
れる流れが、流体ダイオードの特性からオリフィス孔１
９から流出ノズル３への流れが支配的になるので、流体
移送特性をもつことができ、しかも、この呼吸振動の振
動数及び振幅値の選択によって、移送流量及び揚程を任
意に制御することもできる。第２図乃至第４図は、第１
図の■−■矢視断面、すなわち、フローセルの試料注入
用のポンプ作用を受持つ渦室６に着目して作用動作を説
明したが、フローセルの緩衝液注入ポンプ作用を担当す
る渦室７，８も同様の作用によって流体移送特性をもつ
ことになるので、これら渦室６，７，８の流出ノズル３
，４．５が合体し、一つの流路２を構成する部分では、
試料注入用の流出ノズル３を中央に、両側に緩衝液注入
用の流出ノズル４，５が配置されるので、流路２では、
緩衝流の中央部を試料が流れるという安定したシースフ
ローを実現することができ、試料による流体移送装置構
造物への付着、Ｗｒ溜という生物汚染問題を防止するこ
とができる。

第５図及び第６図は１本発明の第二の実施例を示す。本
実施例では、第一の実施例の渦流型流体ダイオードを構
成する薄板状のフローセル１と、そのフローセル１に設
けた渦室６，７．８の中心部に相当するオリフィス孔１
９，２０．２１をもつ圧電セラミック板１０の間に、オ
リフィス孔１９．２０．２１の相当位置に、これらオリ
フィス孔１９，２０．２１よりも大きな円盤状の封止板
３０，３１．３２をもち、その外周側でフローセルの満
室６，７．８の大きさに相当する部分に連通孔３３，３
４，３５をもつ薄板状の逆止弁スペーサ２９を設け、い
わゆる、渦室６．．７．８の中心オリフィス孔１９，２
０，２１に逆止弁構造を採用したものである。さらに、
本実施例では、このフローセル形流体ダイオードのオリ
フィスプレート板となる圧電セラミック板１０と、試料
及び緩衝流を外部から供給するための試料供給室２３及
び緩衝液供給室２４をもつ薄板状の支持板２２の間に、
満室６，７．８の相当位置に円盤状の間隙３７〜３９を
もつ薄板スペーサ３６と、逆止弁スペーサ２９及び中心
にオリフィス孔１９゜２０．２１をもち、渦室６，７．
８に対する位置の両面に電極板１４，１５．１６をもつ
薄板状の圧電セラミックス板１０とを一組とし、これら
を複数組重ね合せて一体にし、フローセル形流体移送装
置を構成する。第６図には、第５図のＶＩ−ＶＩ断面図
を示すが、本実施例では、前述したように渦室６の中心
部に設けたオリフィス孔１９の位置に円盤状の封止板３
０が設けられ、その周囲に連通孔３３が設けられている
ので、図示したように渦室６が呼吸振動によって収縮作
用を受けると、オリフィス１９をもつ圧電セラミック９
の振動でこの封止板３０がオリフィス孔１９を封止する
。

一方、拡大時には、オリフィス孔１９が呼吸振動によっ
てこの封止板３０から離れる作用をし、−種の逆止弁逆
果を発揮させることが可能となり、流体ダイオードの逆
流作用を解消することができる。特に、従来の逆止弁構
造では、流体力の作用で逆止弁が作動するので、渦室の
加振周波数と流体作用による弁の振動振幅が必ずしも一
致せず、位相遅れ現象が生じる欠点があったが本実施例
では、オリフィス孔１９の方が振動して回動止、封止板
３０が静止するので、逆止弁の作用が加振周波数と一致
し、位相遅れ現象が生じなくなる。このため、渦室６の
呼吸振動を高周波信号で加振することができ、脈動効果
も低減する。

本実施例では、さらにこの渦室６と試料供給量２３の間
に、円盤状の呼吸室３７及び封止板３０をもつ逆止弁ス
ペーサ２９及び表裏に電極板１４゜１４′をもち、その
中心部にオリフィス孔１９をもつ薄板状の圧電セラミッ
ク板１０を一組として、複数組挿入しであるので、試料
の流入方向に直列多段化、すなわち、それぞれの圧電セ
ラミック板１０をある特定の位相差をもつ高周波信号で
加振することができ、さらに、流体移送装置の揚程。

流量特性をさらに高めることができる特徴もある。

さらに、本発明の流体移送装置では、試料移送用の流体
ダイオードをはさんで、緩衝液移送用の二つの流体ダイ
オードを設け、これら一体にした薄型フローセル構造を
採用したので、流体ダイオード出口部では、試料が緩衝
液の中心を安定して流れるといったシースフローの特徴
をもっことになり、構造物への試料の汚染問題も最小限
にすることができる。このため、第７図に示すように、
分析、あるいは、分離精製装置４３に、複数の試料４１
．４１’　、４１’を供給する際に、緩衝液４２を利用
し、本発明の複数個の試料注入用微量ポンプを設けると
、試料注入用の渦室の加振周波数を制御することによっ
て、試料注入の制御弁を兼ねた試料注入移送制御システ
ムを構成することができ、生物汚染などの試料汚染問題
の少ないクリーンで、制御性の良いシステム構成を実現
できるなど、大きな効果を発揮する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、摺動部の少ないクリーンな微量流体移
送装置を実現することができ、加振周波数の高周波数比
が可能なために、相対的に脈動率を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の組立構成図、第２図及び第
３図は、第１図の■−■矢視断面図、第４図は第１図の
部分断面図、第５図は本発明の他の実施例を示す組立構
成図、第６図は第５図の■−■矢視断面図、第７図は、
本発明を応用したシステム構成図である。１・・・薄形フローセル、９，１０・・・圧電セラミッ
ク板、１１，１２，１３，１４，１５，１６・・・電極
板、２２・・・試料供給支持板、２５．２６・・・試料
及び緩衝液供給管、２９・・・逆止弁スペーサ、３６・
・・第１図第２図　　　　第３図第４図第６図

Claims

【特許請求の範囲】１、円盤状の流路空間と、その円盤状の一方の側壁の中
心部にオリフィス孔を設け、円盤状の前記流路空間の外
周部に接線方向に開口ノズルを設け、前記オリフィス孔
と連通する液体供給室をもつ渦流型流体ダイオードにお
いて、前記オリフィス孔をもつ前記側壁と、他方の側壁部とを
直接加振する振動子を具備したことを特徴とする微量ポ
ンプ装置。２、特許請求の範囲第１項において、前記振動子として両面に電極板をもつ圧電素子又は電歪
素子の薄板を用い、前記電極板に高周波信号を供給する
よう構成したことを特徴とする微量ポンプ装置。３、特許請求の範囲第１項において、円盤状の薄型流体ダイオードを一平面に複数個設け、前
記複数個の流体ダイオードの両側壁を構成する溝板状の
加振素子板によつて夫々の流体ダイオード室を呼吸振動
させるように構成したことを特徴とする微量ポンプ装置
。４、特許請求の範囲第３項において、少なくとも一個の前記流体ダイオードの流出ノズルを中
心にその両側に他の前記流体ダイオードの流出ノズルを
配し、前記流出ノズルが共通の流路に連通するように構
成したことを特徴とする微量ポンプ装置。５、特許請求の範囲第１項において、薄形円盤状の前記流路空間の前記側壁のうち、中心部に
前記オリフィス孔をもつ前記加振素子板の内側に、前記
オリフィス孔よりも大きな円盤状の封止板を設け、その
外周側が一部連通した薄板状の逆止弁プレートを設けた
ことを特徴とする微量ポンプ装置。６、特許請求の範囲第１項または第５項記載の微量ポン
プ装置において、前記薄型円盤状の前記流体ダイオードの上流側に、オリ
フィス孔を介して連通する円盤上の薄型流路スペースと
、前記逆止弁プレート及び中心部にオリフィス孔が開口
した薄板状の前記加振素子とを一組として、これを直列
多段に構成したことを特徴とする微量ポンプ装置。