專利名稱：泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置。
背景技術：
以往，提出了使構成流路壁面的至少一部分的撓性構件中產生行波并通過在與流路內的液體的界面上產生的蠕動運動來送液的方法(專利文獻1、非專利文獻I)。由于使用此方法的泵裝置不需要單向閥(check valve)等復雜的機構，所以適于小型化。如果能夠實現(xiàn)小型的泵裝置，則能夠實現(xiàn)簡單且可靠性高的冷卻機構，該冷卻機構是如下結構將此泵裝置配置在內窺鏡前端部，并使冷媒在從內窺鏡前端部向后方延伸的閉環(huán)流路中循環(huán)。現(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2003-286958號公報非專利文獻非專利文獻1:《日本AEM學會雜志》Vol. 13，No. 4 (2005)，P. 310 31
發(fā)明內容
發(fā)明所要解決的課題但是，為了將泵裝置裝入到內窺鏡裝置的前端部而希望小型化至截面積是幾mm2左右以下，但在上述的以往泵裝置中難以小型化至該水平。專利文獻I所述的泵裝置的問題點在于，為了產生行波而需要多個促動器。這就阻礙了泵裝置身的小型化和成本降低，并且還需要多條驅動用配線。特別是由于空間的限制難以在內窺鏡的軸部中穿過多條配線。在非專利文獻I所述的泵裝置中，為了得到足夠的流量需要產生振幅大的行波，但單純地安裝大位移的激振機構會導致泵裝置的大型化。本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，其目的在于提供一種能夠小型化并能夠得到足夠的流量的泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置。用于解決課題的手段為了解決上述課題并達到目的，本發(fā)明的第一方式涉及的泵裝置，是一種在構成流路壁面的至少一部分的第一撓性薄膜中產生在流路的長度方向上傳播的行波并輸送流路內的流體的泵裝置，其特征在于，具有激振部件，通過在面外方向上對第一撓性薄膜的指定部位激振來產生行波。本發(fā)明的第二方式涉及的泵裝置，是一種在構成流路壁面的至少一部分的第一撓性薄膜中產生在流路的長度方向上傳播的行波并輸送流路內的流體的泵裝置，其特征在于，第一撓性薄膜構成封入了非壓縮性流體的腔室的一部分，第二撓性薄膜構成腔室的其他部分，通過作用于第二撓性薄膜的激振機構在第二撓性薄膜中產生行波，通過伴隨著在第二撓性薄膜中產生的行波的非壓縮性流體的位移在第一撓性薄膜中產生行波，在第一撓性薄膜中產生的行波的面外位移比在第二撓性薄膜中產生的行波的面外位移實質上大。較為理想的是，在本發(fā)明的第二方式涉及的泵裝置中，作用于第二撓性薄膜的激振機構通過在面外方向上對第二撓性薄膜的指定部位激振來產生行波。較為理想的是，在本發(fā)明的第二方式涉及的泵裝置中，腔室是在具有開口的板狀構件的兩個主面上相互相對置地形成第一撓性薄膜與第二撓性薄膜的結構。并且，較為理想的是，在第一撓性薄膜上層疊具有比板狀構件的開口小的開口的板狀或薄膜狀構件。本發(fā)明涉及的內窺鏡裝置的特征在于，在具有冷卻結構的內窺鏡裝置中，在從配置了電子設備的前端部起在內窺鏡的長度方向上延伸的循環(huán)流路的一部分上配置上述泵
裝直。發(fā)明的效果本發(fā)明涉及的泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置起到了能夠小型化并能夠得到足夠的流量的效果。


圖1是表示裝配了第一實施方式涉及的微型泵后的狀態(tài)的立體圖。圖2是表示第一實施方式涉及的微型泵的結構的分解立體圖。圖3是示意性地表示微型泵工作時的狀態(tài)的、沿著圖1的II1-1II線的剖視圖。圖4是表示微型泵的內部結構的、沿著圖1的IV-1V線的剖視圖。圖5是表示將第一實施方式的微型泵應用于內窺鏡裝置時的概略結構的立體圖。圖6是表示第一實施方式涉及的水冷單元的結構的立體圖。圖7是表示第二實施方式涉及的微型泵的結構的、沿著上下方向的剖視圖。圖8表示第二實施方式涉及的微型泵的結構的、從第二 PDMS (聚二甲基硅氧烷)膜側觀察的立體圖。圖9是表示第三實施方式涉及的微型泵的結構的立體圖。圖10是部分分解第三實施方式涉及的微型泵來表示的立體圖。圖11是進一步分解圖10來表示的立體圖。
具體實施例方式以下基于附圖來詳細說明本發(fā)明涉及的泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置的實施方式。另外，本發(fā)明并不限定于以下的實施方式。首先，本發(fā)明涉及的泵裝置通過向撓性薄膜的端部施加面外位移來產生行波。由此，能夠用單一的促動器來使泵工作。并且，本發(fā)明涉及的泵裝置具有面外位移增大機構，通過在激振機構與流路之間封入非壓縮性流體的腔室來增大面外位移。由此，即使是小位移的激振機構也能夠得到足夠的送液流量。(第一實施方式)(微型泵的構造)說明作為第一實施方式涉及的泵裝置的微型泵的結構。
圖1是表示裝配了第一實施方式涉及的微型泵100后的狀態(tài)的立體圖。圖2是表示微型泵100的結構的分解立體圖。圖3是示意性地表示微型泵100工作時的狀態(tài)的、沿著圖1的II1-1II線的剖視圖。圖4是表示微型泵100的內部構造的、沿著圖1的IV-1V線的剖視圖。在此，圖3是沿著微型泵100的包含流路111的長度方向的剖視圖。如圖2 圖4所示，微型泵100構成為從高度方向上側依次疊置PDMS流體通道110，形成流路111 ;鈦蓋120，在與流路111相對應的位置具有開口部121 ;第一 PDMS膜130，作為第一撓性薄膜；硅基板140，在與鈦蓋120的開口部121相對應的位置形成有腔室141 ;第二 PDMS膜150，作為第二撓性薄膜；以及促動器160。PDMS流體通道110、鈦蓋120、第一 PDMS膜130、硅基板140、第二 PDMS膜150具有以流路111延伸的方向為長度方向(圖2的L方向)的大致相同的矩形的平面形狀，通過例如粘接來固定。在此，PDMS是聚二甲基硅氧烷。如圖4所示，用開口部121的內壁以及第一 PDMS膜130來構成流路111的下部，該開口部121在厚度方向上貫穿鈦蓋120。因此，流路111由PDMS流體通道110的內壁、開口部121的內壁以及第一 PDMS膜130形成。此流路111中收容輸送的流體F1。如圖4所示，腔室141構成為在厚度方向上貫穿硅基板140，并分別用第一 PDMS膜130覆蓋上表面、用第二 PDMS膜150覆蓋下表面。因此，腔室141由第一 PDMS膜130、硅基板140的內壁以及第二 PDMS膜150形成。在此腔室141中填充非壓縮性流體F2。如圖2、圖3所示，在第二 PDMS膜150的下表面接觸配置了接壓構件161，該接壓構件161在彎曲型的壓電式的促動器160的作用下位移。接壓構件161固定在長板狀的促動器160的端部上表面，并且配置在作為腔室141的長度方向的一個端部側的、與流路111相對應的位置。在微型泵100中，促動器160和接壓構件161構成激振機構。另外，鈦蓋120、第一 PDMS膜130、硅基板140、第二 PDMS膜150以及腔室141內的非壓縮性流體F2構成激振部件。接壓構件161通過向促動器160通電并使其振動來在面外方向上對第二 PDMS膜150的端部激振(圖3的振動V)。在第二 PDMS膜150中，通過此激振來產生在流路111延伸方向上的行波。由于在腔室141內充滿了非壓縮性流體F2，所以通過在第二 PDMS膜150中產生的行波在第一 PDMS膜130也產生了對應的行波。因此，分別將腔室141內的非壓縮性流體F2在圖3的W方向上傳送、將流路111內的流體Fl在圖3的T方向上傳送。在此，面外方向是指激振前的平面狀的第二 I3DMS膜150的面內方向(圖3、圖4的左右方向)以外的方向，換句話說就是鈦蓋120的上下表面的面內方向以外的方向。此面外方向至少包含與激振前的第二 PDMS膜150的面垂直的方向，換句話說就是微型泵100的高度方向(圖1 4的上下方向)。另外，在鈦蓋120上形成的開口部121以及在硅基板140上形成的腔室141都是在流路111的方向上長的矩形的貫通開口。鈦蓋120的開口部121的寬度比硅基板140的腔室141的寬度小。由于鈦蓋120的剛性比第一 PDMS膜130的剛性高，所以第一 PDMS膜130的位移通過固定在鈦蓋120上的部分被抑制，并在與鈦蓋120的開口部121相對應的范圍內產生。即，在位移的范圍的觀點中，實質上在上側的第一 PDMS膜130上產生位移的范圍比在下側的第二 PDMS膜150中產生位移的范圍小。這樣，與下側的第二 PDMS膜150相比較，上側的第一 PDMS膜130能夠位移的范圍在鈦蓋120的作用下實質上形成得小。因此，上側的第一 PDMS膜130的面外方向的位移限定在與開口部121相對應的范圍，并且位移量比下側的第二 PDMS膜150大。S卩，通過使開口部121比腔室141小，能夠得到第一 PDMS膜130上的面外方向的位移增大效果。因此，能夠用單一的激振用促動器來送液，并且能夠用小的激振用促動器的位移來得到大的送液流量。在此，在圖2中，作為制法，由于促動器160和PDMS流體通道110以外的構件可以由使用硅晶片的MEMS (微機電系統(tǒng))處理通過批處理來制造，所以能夠低成本化。另外，作為代替如上所述的設置鈦蓋120的結構，在與上側的第一 PDMS膜130相當?shù)腜DMS膜中，通過局部地僅使與鈦蓋120的開口部121相同面積的區(qū)域變薄，也能夠得到相同的效果。即，由于在PDMS膜中變薄的部分比其以外的部分易于位移，所以在第二 PDMS膜150中產生并通過非壓縮性流體F2傳播來的行波的位移增大。(對內窺鏡的冷卻機構的應用例)說明將圖1 4所不的微型泵100應用于內窺鏡裝置的例子。圖5是表不將第一實施方式的微型泵100應用于內窺鏡裝置時的概略結構的立體圖。圖6是表不第一實施方式涉及的水冷單元的結構的立體圖。一般的內窺鏡顯示器(內視鏡7 3 — 7°)是細長的管狀，在前端部配置有攝像單元和光源等功能要素。伴隨著近幾年的內窺鏡的高功能化，這些前端部的功能要素發(fā)熱正成為問題。因此，期望開發(fā)有效地冷卻前端部的液冷單元，但實際上在發(fā)熱的前端部實際配置送液泵在空間上有困難，現(xiàn)狀是只能在遠離前端部的顯示器的操作部或顯示器外部配置栗。在圖5所示的例子中，在內窺鏡裝置的前端部，在安裝了各種功能要素(省略圖示)的金屬構件180的外周部安裝了具有微型泵100的水冷單元。圖6僅表示了圖5所示的水冷單元。此水冷單元具有水冷套113，是金屬制的，在內部設置了流路；管112，連接到水冷套113內的流路，使冷卻液循環(huán)；以及微型泵100，配置在管112的中途。以水冷套113內的流路和管112構成冷卻液的閉環(huán)。管112的冷卻液使用微型泵100在上述閉環(huán)內循環(huán)。在內窺鏡的外皮170 (例如彎曲管、蛇管部)內，管112配置為在外皮170延伸的方向上(顯示器的長度方向)延伸。水冷套113安裝在前端部的金屬構件180上，并在水冷套113與金屬構件180之間進行熱交換。而且，從水冷套113移動到冷卻液的熱在管112內流動的過程中在顯示器后方朝周圍放出。通過重復進行該處理能夠降低金屬構件180的溫度。如上所述，微型泵100是小型的且能夠得到大的流量，并且呈細長的形狀。因此，微型泵100特別適合于徑向(垂直于長度方向的方向)的空間限制嚴格的內窺鏡。另外，如上所述，由于用單一的壓電式的促動器160來發(fā)揮功能，所以從可靠性和削減裝配工時的觀點來看需要的配線少也是有利的。并且，在使用微型泵100的水冷單元中，使冷卻液循環(huán)的管可以很短。即，將以往的泵配置在操作部上時需要將送液用管拉出至前端部，與此相對，在使用微型泵100的水冷單元中，依賴于前端部的發(fā)熱量等，即使不將管112從前端部繞到操作部也能夠得到充分的冷卻效果。因此，通過使用微型泵100，與將冷卻液循環(huán)管繞到顯示器的操作部或顯示器外部的以往方式相比，能夠使結構簡單并提高可靠性。
(第二實施方式)圖7是表示第二實施方式涉及的微型泵200的結構的、沿著上下方向的剖視圖。圖8是表示微型泵200的結構的、從第二 PDMS膜250側觀察的立體圖。在圖7中省略了第一實施方式的PDMS流體通道110、與促動器160相對應的構件的圖示。另外，在圖8中，省略了第二 PDMS膜250的圖示。在第一實施方式的微型泵100中，為了使上側的第一 PDMS膜130的變形區(qū)域比下側的第二 PDMS膜150小，形成了抑制第一 PDMS膜130的變形的鈦蓋120。與此相對，在第二實施方式的微型泵200中，為了使上側的第一 PDMS膜230 (第一撓性薄膜)的變形區(qū)域比下側的第二 PDMS膜250 (第二撓性薄膜)小，改變了硅基板240的腔室241的尺寸。具體而言，以硅基板240的上下方向(圖7的上下方向)的正交剖面中的腔室241的尺寸從第二PDMS膜250向硅基板240越來越小的方式形成腔室241。在腔室241中封入了非壓縮性流體F2。另外，這樣的剖面為梯形形狀的硅基板240的腔室241的加工通過選擇合適的面方位并使用強堿溶液的各向異性刻蝕能夠比較容易地進行。與第一實施方式的PDMS流體通道110同樣地在第一 PDMS膜230上裝載PDMS流體通道，并與第一實施方式的促動器160同樣地在第二 PDMS膜250的下表面接觸配置壓電式的促動器。在這樣的結構中，在第二 PDMS膜250以及第一 PDMS膜230中產生位移的是與腔室241相對應的范圍。因此，在第一 PDMS膜230中產生位移的范圍比在第二 PDMS膜250中產生位移的范圍小。因此，由于不使用鈦蓋而是改變上側的第一 PDMS膜230和下側的第二 PDMS膜250的變形區(qū)域寬度，由此與第一實施方式同樣地能夠得到位移增大效果。另外，其他的結構、作用、效果與第一實施方式相同。(第三實施方式)圖9是表示第三實施方式涉及的微型泵300的結構的立體圖。圖10是部分分解微型泵300來表示的立體圖。圖11是進一步分解圖10來表示的立體圖。在第一實施方式的微型泵100中，在設置了流路111的PDMS流體通道110的一個側面上，設置產生行波的機構(激振部件)并使流體移動。與此相對，在第三實施方式的微型泵300中，為了進一步增大流路311內的流量，在設置了流路311的PDMS流體通道310的相對置的兩個側面上，分別設置產生行波的第一泵300a (激振部件)以及第二泵300b (激振部件)。另外，在第三實施方式中，僅在PDMS流體通道310的兩個表面上設置泵，也可以在其他的面上同樣地配置泵。第一泵300a與第二泵300b是大致相同的結構，以第一 PDMS膜330a、330b分別朝向PDMS流體通道310的相對的兩個面的方式配置。因此，第一泵300a與第二泵300b關于PDMS流體通道310對稱地配置。由此，流路311由PDMS流體通道310的內壁和第一 PDMS膜330a、330b所包圍而構成，并與向外部延伸的連接口 312連通。在流路311內收容輸送的流體Fl。第一泵300a構成為，從PDMS流體通道310側起依次疊置第一 PDMS膜330a，作為第一撓性薄膜；鈦蓋320a，在與流路311相對應的位置具有開口部321a ;硅基板340a，在與鈦蓋320a的開口部321a相對應的位置形成腔室341a ;第二 PDMS膜350a，作為第二撓性薄膜；以及促動器360a。第二泵300b構成為從PDMS流體通道310側起依次疊置第一 PDMS膜330b，作為第一撓性薄膜；鈦蓋320b ;硅基板340b ;第二 PDMS膜350b，作為第二撓性薄膜；以及促動器360b。由于這些第一 PDMS膜330b、鈦蓋320b、硅基板340b、第二 PDMS膜350b以及促動器360b分別對應第一泵300a的第一 PDMS膜330a、鈦蓋320a、硅基板340a、第二 PDMS膜350a以及促動器360a，所以省略了詳細說明。腔室341a構成為，在厚度方向上貫穿硅基板340a，除硅基板340a的內壁之外，PDMS流體通道310側還隔著鈦蓋320a用第一 PDMS膜330a覆蓋，相反側用第二 PDMS膜350a覆蓋。在此腔室341a中填充非壓縮性流體F2。在第二 PDMS膜350a上，接觸配置了接壓構件362a，該接壓構件362a在彎曲型的壓電式的促動器360a的作用下位移。接壓構件362a固定在長板狀的促動器360a的一個 端部，并且配置在作為腔室341a的長度方向的一個端部側的、與流路311相對應的位置。另夕卜，促動器360a的其他端部隔著固定部361a固定在第二 PDMS膜350a上。在第一泵300a中，促動器360a和接壓構件362a構成激振機構。另外，第一 PDMS膜330a、鈦蓋320a、硅基板340a、第二 PDMS膜350a以及腔室341a內的非壓縮性流體F2構成激振部件。接壓構件362a通過向壓電式的促動器360a通電并使其振動來在面外方向上(層疊第一泵300a、第二泵300b的方向)對第二 PDMS膜350a的端部激振。通過此激振，在第二PDMS膜350a中產生在流路311延伸的方向上的行波。由于在腔室341a內充滿了非壓縮性流體F2，所以通過在第二 PDMS膜350a中產生的行波，經(jīng)由鈦蓋320a第一 PDMS膜330a上也產生對應的行波。另外，在鈦蓋320a上形成的開口部321a以及在硅基板340a上形成的腔室341a都是在流路311的方向上長的矩形的貫通開口。開口部321a的寬度比腔室341a的寬度小。由于鈦蓋320a的剛性比第一 PDMS膜330a的剛性高，所以第一 PDMS膜330a的位移通過由鈦蓋320a覆蓋的部分被抑制，在與鈦蓋320a的開口部321a相對應的范圍內產生。S卩，在位移的范圍的觀點中，實質上，在第一 PDMS膜330a上產生位移的范圍比在PDMS350a中產生位移的范圍小。這樣，與第二 PDMS膜350a相比較，PDMS流體通道310側的第一 PDMS膜330a的、位移的范圍通過鈦蓋320a能夠形成得實質上小。因此，PDMS流體通道310側的第一 PDMS膜330a的面外方向的位移限定在與開口部321a相對應的范圍內，并且比第二 PDMS膜350a的位移大。即，通過使開口部321a比腔室341a小，能夠得到第一 PDMS膜330a中的面外方向的位移增大效果。因此，能夠用單一的激振用促動器來送液，并且能夠用小的激振用促動器的位移來得到大的送液流量。并且，與第一實施方式的微型泵100不同，在流路311的兩個表面上配置了兩個第一泵300a、第二泵300b。因此，與第一實施方式的微型泵100相比，能夠得到更大的流量。因此，在整體尺寸的限制比較寬松的用途中此方法是優(yōu)選的。另外，其他的結構、作用、效果與第一實施方式相同。產業(yè)上的可利用性如上所述，本發(fā)明涉及的泵裝置適用于要求小型且大流量的大泵裝置的內窺鏡裝置。符號說明100微型泵(泵裝置)110PDMS 流體通道111 流路112 管113水冷套120 鈦蓋121 開口部130 第一 PDMS 膜140硅基板141 腔室15O 第二 PDMS 膜160促動器161接壓構件170 外皮180金屬構件200微型泵(泵裝置)230 第一 PDMS 膜240硅基板241 腔室250 第二 PDMS 膜300微型泵(泵裝置)300a 第一泵300b 第二泵31OPDMS 流體通道311 流路312 連接口320a 鈦蓋320b 鈦蓋321a 開口部330a 第一 PDMS 膜330b 第一 PDMS 膜340a 硅基板340b 硅基板341a 腔室350a 第二 PDMS 膜350b 第二 PDMS 膜360a 促動器
36Ob 促動器361a 固定部362a接壓構件
權利要求
1.一種泵裝置，其特征在于， 在構成流路壁面的至少一部分的第一撓性薄膜中產生在流路的長度方向上傳播的行波并輸送上述流路內的流體， 上述泵裝置具有 激振部件，通過在面外方向上對上述第一撓性薄膜的指定部位激振來產生上述行波。
2.一種泵裝置，其特征在于， 在構成流路壁面的至少一部分的第一撓性薄膜中產生在流路的長度方向上傳播的行波并輸送上述流路內的流體， 上述第一撓性薄膜構成封入了非壓縮性流體的腔室的一部分， 第二撓性薄膜構成上述腔室的其他部分， 通過作用于上述第二撓性薄膜的激振機構，在上述第二撓性薄膜中產生行波， 通過伴隨著在上述第二撓性薄膜中產生的行波的上述非壓縮性流體的位移，在上述第一撓性薄膜中產生行波， 在上述第一撓性薄膜中產生的行波的面外位移比在上述第二撓性薄膜中產生的行波的面外位移實質上大。
3.如權利要求2所述的泵裝置，其特征在于， 作用于上述第二撓性薄膜的激振機構通過在面外方向上對上述第二撓性薄膜的指定部位激振來產生行波。
4.如權利要求2所述的泵裝置，其特征在于， 上述腔室是在具有開口的板狀構件的兩個主面上相互相對置地形成上述第一撓性薄膜與上述第二撓性薄膜的結構。
5.如權利要求4所述的泵裝置，其特征在于， 在上述第一撓性薄膜上層疊有具有比上述板狀構件的開口小的開口的板狀或者薄膜狀構件。
6.—種內窺鏡裝置,其特征在于， 在具有冷卻機構的內窺鏡裝置中， 在從配置了電子設備的前端部起在內窺鏡的長度方向上延伸的循環(huán)流路的一部分上，配置權利要求1或2所述的泵裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠小型化且能夠得到足夠的流量的泵裝置以及使用該泵裝置的內窺鏡裝置。一種在構成流路壁面的至少一部分的第一撓性薄膜上產生在流路的長度方向上傳播的行波并輸送流路內的流體的泵裝置，具有激振部件，通過在面外方向上對第一撓性薄膜的指定部位激振來產生行波。另外，第一撓性薄膜構成封入了非壓縮性流體的腔室的一部分，第二撓性薄膜構成腔室的其他部分，通過作用于第二撓性薄膜的激振機構在第二撓性薄膜中產生行波，通過伴隨著在第二撓性薄膜中產生的行波的非壓縮性流體的位移在第一撓性薄膜中產生行波，在第一撓性薄膜中產生的行波的面外位移比在第二撓性薄膜中產生的行波的面外位移實質上大。
文檔編號G02B23/24GK103003571SQ20118003557
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2010年10月6日
發(fā)明者三木則尚, 岡山哲之, 中原溪次朗, 吉村香, 安永新二 申請人:學校法人慶應義塾, 奧林巴斯株式會社