(57)【要約】  最適駆動電圧で、ポンピング・デバイスを作動させるための方法であって、ここで、ポンピング・デバイスが、少なくとも、ポンピング膜（１）、入口チャンバ（３）及び出口チャンバ（５）を有するポンピング・チャンバ（４）、ポンピング・ストローク中、機械的止め具（２）によって規定された、少なくとも１つの止め具位置に到達する該ポンピング膜（１）に連結された電圧制御アクチュエータ（６）、ポンピング・チャンバが、上記、少なくとも１つの機械的止め具（２）に到達したかどうかを決定するための、少なくとも、１つのセンサを含み；上記方法が、学習フェーズ及び稼働フェーズを含み、ここで、学習フェーズが、少なくとも、以下の工程、  −）所定の作動電圧Vact をアクチュエータ（６）に印加することによるポンピング膜（１）の作動、ここで該電圧が、過度の作動工程の上記ポンピング膜（１）が該位置に到達するのに十分高いか、又は不十分の作動プロセスの、上記ポンピング膜（１）が、上記機械的止め具（２）に到達しないほどに十分低い、  −）過度の作動工程の後の、ポンピング膜（１）が上記機械的止め具（２）位置を離れたということが決定されるまで、印加作動電圧を減少させ、そしてポンピング膜（１）が、上記機械的止め具（２）位置を離れる前に、最低印加電圧値を最適電圧Vact Optimalとして記憶すること；又は、  −）不十分の作業工程において、ポンピング膜（１）が上記機械的止め具（２）位置に到達したということが決定されるまで、印加電圧を増大させ、そしてポンピング膜（１）が、上記機械的止め具（２）位置に到達したとき、最低印加電圧値を最適電圧Vact Optimalとして記憶すること；  −）稼働フェーズにおいて、決定された最適電圧値Vact Optimalでポンピング・デバイスを作動させること、を含む。
2014500442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
ポンピング膜（１）、入口チャンバ（３）及び出口チャンバ（５）を有する、ポンピング・チャンバ（４）、
ポンピング・ストローク中、機械的止め具（２）によって規定された少なくとも１つの止め具位置に到達する該ポンピング膜（１）に連結された電圧制御アクチュエータ（６）、
ポンピング膜が少なくとも１つの該機械的止め具（２）に到達したかどうかを決定するための、少なくとも１つのセンサ、
を含む、最適駆動電圧で、ポンピング・デバイスを作動させるための方法であって、
該方法が、学習フェーズ及び稼働フェーズを含んでなり、ここで、学習フェーズが、少なくとも、以下の
−）所定の作動電圧Vact をアクチュエータ（６）に印加することによるポンピング膜（１）の作動工程で、該電圧が、過度の作動工程の該ポンピング膜（１）が該位置に到達するのに十分高いか、又は不十分の作動プロセスの該ポンピング膜（１）が該機械的止め具（２）位置に到達しないほどに十分低いかのいずれかである、該工程；
−）過度の作動工程の後の、ポンピング膜（１）が上記機械的止め具（２）位置を離れたということが決定されるまで、印加作動電圧を減少させ、そしてポンピング膜（１）が該機械的止め具（２）位置を離れる前に、最低印加電圧値を最適電圧Vact Optimalとして記憶する工程；又は
−）不十分の作業工程において、ポンピング膜（１）が上記機械的止め具（２）位置に到達したということが決定されるまで、印加電圧を増大させ、そしてポンピング膜（１）が、上記機械的止め具（２）位置に到達したとき、最低印加電圧値を最適電圧Vact Optimalとして記憶する工程；
を含み、
−）稼働フェーズにおいて、決定された最適電圧値Vact Optimalでポンピング・デバイスを作動させる、
上記方法。
【請求項２】
ポンピング・デバイスの入口チャンバ（３）及び出口チャンバ（５）が、受動型バルブを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって、ここで、過度の作動工程の後、
−）センサ（１０４）が、ポンピング・プロセスと同時に又は同時では無く、公称ストロークに対応する公称パターンを形成する、１つ又は複数のデータ点を時間軸に沿って、記録出来るようにされる、
−）次に続くストロークのために、作動電圧VAct を、所定のステップΔＶで徐々に減少させる、
−）作動電圧の減少毎に、測定されたパターンを、公称パターンと比較し、これにより、ポンピング膜（１）が、少なくとも１つの機械的止め具（２）に到達したか否かを検出することが可能になる、
−）測定されたパターンと公称パターンとの間の差が、規定された閾値より大きいとき、ポンピング膜（１）は、機械的止め具（２）位置に、もはや、到達しないことが決定される、
−）最終電圧値が、正しい、精密なポンプ・ストロークをもたらす最低電圧であるとされ、それは、VAct Optimal ＜ VAct Maxとして記憶される；そして
−）すべての続くストロークのために、VAct Optimal 電圧を使用し、かくして最小電力消費量及び最適ポンピング効果が確保される、
上記方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の方法であって、ここで、不十分な作動工程の後、
−）システムの機械的安定化を確実にする一定時間Δｔ後、電圧の増加ΔＶを印加する；
−）電圧増加に同時に又は同時では無く、センサ（１０４）を、１つ又は複数のデータ点を時間軸に沿って、記録可能にする；
−）次に、これらのデータ点を処理して、電圧増加が、アクチュエータ（６）の変位を引き起こしたかどうかを決定する；
−）変位が検知された場合、これは、アクチュエータ（６）が後に続く２つの連続した電圧増加を動いたので、機械的止め具（２）にまだ到達していなかったことを意味し、プロセスは電圧増加をもって再スタートする；
−）変位が一切検知されない場合、アクチュエータ（６）は、機械的止め具（２）に到達し、電圧増加は何らの効果を持たず、それ故に、最後の電圧増加は無用であり、先行の電圧値がVAct Optimalに起因すると決定される；
−）すべての後に続くストロークのために、VAct Optimalの電圧（上で決定されたような）が使用され、かくして、最小電力使用量と最適ポンピングが確保される、
上記の方法。
【請求項５】
センサ（１０４）が、流れに、又は流体経路内の圧力に、又はポンピング膜（１）の位置に、又は機械的止め具（２）上の、若しくはポンピング膜（１）上の、若しくはアクチュエータ（６）上の歪に対応するデータを記録する、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
電圧減少工程、又は電圧増大程が段階的に変動する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
初期工程が、後続の工程より大きい、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法であって、
ここで、変調電圧が、印加作動電圧に重ねられ、
ここで、該変調電圧が、作動電圧よりも、少なくとも、半分未満の振幅を有し、
ここで、該変調電圧が、作動電圧よりも、少なくとも、２倍大きい周波数を有し、そしてここで、センサ（１０４）データをモニタリングして、ポンピング膜（１）が機械的止め具（２）に到達しない場合、感度が高く、ポンピング膜（１）が機械的止め具（２）に到達した場合、感度が低いというように、変調電圧信号に対するその感度を評価する、
上記方法。
【請求項９】
アクチュエータ（６）が圧電アクチュエータである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
ここで、圧電アクチュエータ（６）が、少なくとも、２つの活性層を含み、
ここで、作動電圧が、第１の活性層の電極に印加され、
ここで、変調が、第２の活性層の電極に印加され、
ここで、該変調電圧が、作動電圧振幅よりも、少なくとも、半分未満の振幅、及び作動電圧周波数よりも、少なくとも、２倍より高い周波数を有し、そしてここで、センサ（１０４）データをモニタリングして、ポンピング膜（１）が、機械的止め具（２）に到達しなかった場合、感度が高く、ポンピング膜（１）が機械的止め具（２）に到達した場合、感度が低いというように、変調電圧信号に対するそれの感度を評価する、
上記方法。
【請求項１１】
方法を、ポンプのプライミング中実行するか、又は、繰り返し実行して、システムのおける変更を考慮に入れる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
最適駆動電圧を備えたポンピング・デバイスであって、ここで、ポンピング・デバイスが、少なくとも、
ポンピング膜（１）、入口チャンバ（３）、及び出口チャンバ（５）、を有するポンピング・チャンバ（４）、
ポンピング・ストローク中機械的止め具（２）によって規定された少なくとも１つの止め具位置に到達する、ポンピング膜（１）に連結されたアクチュエータ（６）、
膜が、少なくとも１つの該機械的止め具（２）に到達したかどうかを決定するための、１つ又は複数のセンサ（１０４）、
データを記憶し、処理する、処理手段；
を含み、
ここで、上記デバイスは、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を実行することが可能である、
上記ポンピング・デバイス。
【請求項１３】
電圧制御アクチュエータ（６）が、圧電アクチュエータである、請求項１２に記載のポンピング・デバイス。
【請求項１４】
入口チャンバ（３）、及び／又は出口チャンバ（５）が、１つ又は複数のバルブである、請求項１２又は１３に記載のポンピング・デバイス。
【請求項１５】
バルブが受動型チェック・バルブである、請求項１４に記載のポンピング・デバイス。
【請求項１６】
ポンピング・チャンバ（４）が２つの機械的止め具（２）を有する、請求項１２〜１５の一項に記載のポンピング・デバイス。
【請求項１７】
センサ（１０４）が、圧力センサである、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載のポンピング・デバイス。
【請求項１８】
センサ（１０４）が、ポンピング・チャンバ（４）内部に位置する圧力センサである、請求項１７に記載のポンピング・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ（例えば、圧電マイクロポンプ）の電力消費量を最適化し、通常は、アクチュエータ電圧の機能として、２つの集積検出器の信号を解析することにより、機能しているポンピング・メカニズムの信頼性を検証するための、電子制御システム、及び、スマートプロセスに関わる。
【背景技術】
【０００２】
バッテリの寿命は、インスリン・ポンプの様な、携帯用医療デバイス、及び、他の同様なデバイスにとって、最も微妙な欠点の１つである。それは、バッテリ容量と電力消費量との間の比率として定義される。定義されたバッテリを考慮すると、それの寿命は、上記バッテリによって電力を供給されるデバイスの電力消費量を減少することによってのみ、増やすことが出来る。
【０００３】
大部分の膜ポンプにおいて、ポンピング膜は、行程容積を制御することにより、優れた再現性、及び、ポンピング精度を得るため、精密な機械的止め具に対して過度に作動する（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
圧電アクチュエータの特定の事例において、最大電圧は、アクチュエータのずれを補償するように、及び、吐出量が、環境条件に依存しないことを確かにするように設定される。公差に関わる変動、及び、不確かさにもかかわらず、作動膜は、絶えず同一振幅に到達しなければならない。しかし、明らかに余裕安全率が大きければ大きいほど、印加電圧はより大きく、それゆえ、電力消費量がより大きいことは明白である。
【０００５】
最新技術
特許文献２（出願者：Medtronic Minimed Inc.）は、極めて高い、電力の効率的使用を提供することが出来る、輸液用デバイスのための電子制御システムとプロセス、及び、ポンプ構成を示している。
【０００６】
この先行技術において、システムは、ポンプ・コイルに、電力パルスを完全に放電するのではなく、部分的に放電するように制御されるキャパシタを含んでよい。電力遮断スイッチは、接極子動程（armature stroke）の実際の終わりの前に、キャパシタが放電を停止するように、キャパシタの放電を制御するために備えられてよい。キャパシタ放電が停止される時点は、キャパシタが放電を停止した後、コイル内に残留しているエネルギが、ストロークの実際の最後まで、ポンプ・ストロークを続けるのに十分であるように、選択されてよい。電力切断スイッチは、再充電の間に、又は、使用していない他の期間に、キャパシタとバッテリとの、電気的な切断を可能にするため、キャパシタとバッテリの間に備えられてよい。
【０００７】
特許文献３は、流体送達システムの、例えば、埋め込み型薬物輸液送達システムの、流量精度を改善、又は、最適化するための、システム、及び、方法を開示しており、これにより、バルブの負荷サイクルを変えることにより、要求流量が達成される。開示のバルブ・アセンブリは、圧電アクチュエータによって作動するピストンを含み、そのピストンの動きにより、溝を経由して、ピストンを通って、入口経路に供給された液体（例えば、液体状の薬物）が、ピストンの一方の端にある、回収スペースに入り、そこから、出口経路へと送り込まれ、結局は、患者の必要な治療部位などの、関心部位へ、向かうことが可能である。ピストンの下方への動きは、結果として、僅かな下方への変位と共に変形する、圧電アクチュエータに、特定の電気信号を加えることにより制御される。
【０００８】
送達される流体の、必要な一定の流量は、負荷サイクルを、即ち、バルブ開の時間とバルブ閉の時間との比を変えることにより、規定することが出来る。
【０００９】
同様なポンプに関わる、他の先行技術の公開は、すべて、かかるポンプの構造に関して、参照することにより本出願に組み込まれている、例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６及び特許文献７、及び特許文献８である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】EP 0 737 273
【特許文献２】WO 03/023226 A1
【特許文献３】US2009/0140185
【特許文献４】US 5,759,015
【特許文献５】WO 01/90577
【特許文献６】EP 1 839 695
【特許文献７】EP 2 059 283
【特許文献８】WO 2010/046728
【発明の概要】
【００１１】
本出願と同一の出願者によって、２００９年１２月７日に申請された、EP 出願 N°09178168.2は、圧電素子によって作動することが可能なマイクロポンプのための可撓性素子を開示している。この先行出願は、圧電素子によって作動するマイクロポンプの記述に関して、本出願に全体として組み込まれている。
【００１２】
例えば、本明細書に既に記述されている、EP 09178168.2に開示されているような、センサを含む、圧電作動レシプロ型膜ポンプを考慮すれば、本発明は、
次の目標：
・精度の高いポンピング容積を維持しながら、最小電圧を供給することにより、ポンプ・デバイスの電力消費量を減少する
・この最適作動電圧が、デバイスの寿命の間に変わるかどうかを解析することにより、アクチュエータの信頼性を決定し、デバイス寿命の間のポンピング・システムの機械的安定性を制御する。
とともに、医療用デバイスのポンピング膜を、規定の位置に到達させるため、
少なくとも１つの内蔵されたセンサの測定値に基づいて、アクチュエータの駆動電圧を最小にすることが可能である、改良された方法と制御システムを提供する。
【００１３】
好ましくは、規定された位置は、ポンピング膜のストロークを制約する、１つ、又は、それ以上の、機械的止め具に対応する。
【００１４】
好ましくは、アクチュエータは、圧電アクチュエータである。
【００１５】
好ましくは、最適電圧は、学習プロセスを通じて達成される。
【００１６】
好ましくは、この最適な作動電圧を決定するために必要な、学習プロセスは、最初のポンピング・ストローク中に行われるが、同様に、
・最初の数回のポンピング・ストローク中
・所定の頻度に従った、繰り返しの方法で
・継続的に
実施することも出来る。
【００１７】
好ましくは、使用されるセンサの１つは、
・流体経路上に置かれた、より具体的には、好ましくは、バルブ、又は、流量制限器、又は、双方の組み合わせを含む、入口チャンバと出口チャンバの間に位置する、ポンピング・チャンバ内に置かれた圧力センサ。      
・膜位置を検出するための近接スイッチであり、それは、容量型、抵抗型、磁性、誘導型、又は、光学式のものであってよい。
・機械的止め具の上に、又は、膜の上に、又は、アクチュエータの上に置かれたストレインゲージ
である。
【００１８】
当然のことながら、上述の好ましい実施態様は、実現の可能性のある例に過ぎず、限定的方法と解釈するべきではない。
【００１９】
本発明、及び、それの実施態様が、以下の、本発明の実例となる実施態様の詳細な記述、及び、図面からより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明によるポンプの概略的構造を図示する。
【図１Ｂ】本発明によるポンプの、好ましい実施態様の概略図を図示する。
【図２】ポンプ制御システムの概略的構造を図示する。
【図３】最適なポンプの状態の描写を、動いていない、及び、過度な作動の状態の描写と一緒に図示する。
【図４】２つの機械的止め具、及び、２つの最適電圧と共に、ポンプの作動の例を図示する。
【図５】本発明による第１のアルゴリズムの概略的記述を表わす。
【図６】第１のアルゴリズムによる、Vact optimal に収束する、ランプ（ramp）電圧の漸進的変化を表わす。
【図７】本発明による第２のアルゴリズムの概略的記述を表わす。
【図８】第２のアルゴリズムによる、Vact optimal に収束するランプ電圧の漸進的変化を表わす。
【図９】第２のアルゴリズムの一変形による、Vact optimal に収束する、ランプ電圧の漸進的変化を表わす。
【図１０】最適作動電圧に対する、別の収束方法を図示する。
【図１１】Vact optimal に収束する、作動信号ランプ電圧の重ね合わせを図示する。
【図１２】マルチモーフ圧電ベンダのための、異なった電極への、信号電圧の印加を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の詳細説明
ポンプについての記述
本技術革新を明確に定義するため、図１Ａを参照して、ポンプ・システム（通常は、例えば、本明細書に、全体として組み込まれているEP09178168.2に開示されているような）を構成する種々の要素を述べる。
１．ポンピング膜（１）、これは、１つ、又は、数個の明確に規定された、おそらく、機械的止め具（２）（又は、機械的リミッタ）によって機械的に規定された、位置に到達しなければならない。
２．次項から作られている流体経路
・例えば、バルブ、又は、流量制限器を含む入口チャンバ（３）、
・ポンピング・チャンバ（４）
・第１のセンサ
・例えば、バルブ、又は、流量制限器を含む出口チャンバ（５）、
・第２のセンサ、
及び、
・流体制限
３．サポートとして使用される基板
４．アクチュエータ、例えば、圧電アクチュエータ（６）、これは
ポンピング膜（１）を作動させるが、それに堅く連接されている必要はない。この圧電アクチュエータ（６）は、ある電圧で、例えば、０からVAct Max のランプで、駆動される。ベンダ（カンチレバー）は、以下の記述のために使用されるが、他の形式、又は、種類、又は、構造の圧電アクチュエータも同様な方法（板、リング、プレート・スタック（stack）、リング・スタック、板ベンダ、リング・ベンダ、せん断板、モノモルフ、マルチモルフ等）で、形状記憶合金（ＳＭＡ）、及び、形状記憶ポリマ（ＳＭＰ）のスタック、電歪、又は、磁歪アクチュエータなどの、他の種類のスマート・アクチュエータと同様に、使用出来る。      
【００２２】
かかる、高度に小型化された、レシプロ型膜ポンピング・メカニズムは、本明細書に既に言及された先行技術による、ＭＥＭＳ技術を使って、シリコンで、好ましくは作成される。かかる好ましい実施態様において、図１Ｂに示されているマイクロポンプ（１０１）は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）と呼ばれる技術を使用して、シリコン、又は、ガラス、又は、双方から作成される。それは、入口制御メンバ、本明細書では入口バルブ（１０２）、ポンピング膜（１０３）、システム内の種々の故障を検出することが可能な、機能的センサ（１０４）、及び、出口バルブ（１０５）を含む。かかるマイクロポンプの原理は、先行技術、例えば、ＵＳ  ５，７５９，０１４から、公知である。
【００２３】
図１Ｂは、ベース・プレート（１０８）として、第１のシリコン層、ベース・プレート（１０８）に固定された、第２プレート（１０９）として第２のシリコン層、及び、シリコン・プレート（１０９）に固定された、最上部プレートとしての第３のシリコン層のスタックを有し、これらにより、容積を有するポンピング・チャンバ（１１１）を画成する、ポンプ（１０１）を示す。
【００２４】
メサ(mesa)（１０６）に連接されたアクチュエータ（本明細書には示されていない）は、ポンピング膜（１０３）の制御された変位を可能にする。ポンピング膜（１０３）の変位は、上向き方向には、図１Ａの機械的止め具（２）に対応するプレート（１１０）によって制約され、下向き方向には、図１Ａには示されていない第２の機械的止め具に対応するプレート（１０８）によって、制約される。チャネル（１０７）も、出口制御メンバ、出口バルブ（１０５）を、ポンプの反対側に置かれた出口ポートに連結するために存在する。第２の機能的センサ（本明細書には示されていない）は、出口制御メンバ下流の流体経路に置かれている。
【００２５】
ポンピング・メカニズムの入口（３，１０２）は、フィルタを含むべき液体リザーバに連結され、一方、出口（５，１０５）は、バルブ、又は、流量制限器、圧力センサ、エアーセンサ、流量計、フィルタ、ベント、隔膜、皮膚用パッチ剤、針、及び、その他のアクササリを含むべき流体経路を経て、患者に連結される。
【００２６】
センサ（１０４）は、ポンプ・ストロークの、規定された特性を測定する。これらの特性は、公知のポンプ設計（公報ＷＯ  ２０１０／０４６７２８参照）に統合されたような、システムの１つの、又は、複数のポイントでの圧力であってよいが、例えば、次項であってもよい：
１．流体経路に置かれた圧力センサ
２．膜位置を検出するための近接スイッチ、これは、容量型、抵抗型、磁性、誘導型、又は、光学式であってよい。
３．次の場所に置かれたストレインゲージ
*機械的止め具（２）の上
*ポンピング膜（１）の上
*圧電アクチュエータ（６）の上
【００２７】
一つの実施態様において、センサ（１０４）は、好ましくは、ポンピング・チャンバ・キャビティ（１１１）の内部、入口チャンバ（１０２）と入口チャンバ（１０５）の間に置かれた、圧力センサである。これらの入口（１０２）と出口（１０５）は、好ましくは、受動型バルブ、又は、流量制限器であってよい。ＭＥＭＳマイクロポンプのためには、圧力センサ（１０）は、シリコンの大きな圧電感受効果を利用している、ホイートストン・ブリッジ構成の、一連の歪感受性抵抗器を含んでなる、シリコン可撓性膜で作成されてよい。圧力変化は、膜のねじれを引き起こし、それゆえ、ブリッジは、もはや、平衡状態ではない。センサ（１０４）は、マイクロポンプ（１０１）の通常の圧力範囲内では、圧力とリニアな信号を作るように設計される。センサ裏側を、差圧測定のためベントされてもよく、又は、絶対圧力測定のため、真空に密封されてもよい。センサ（１０４）の膜は、好ましくは、円形、又は、正方形である。マイクロポンプ構造次第であるが、ストレインゲージ、及び、配線用リード線が、ポンプで送られる液体と接触するように意図されているセンサ表面上に埋めこまれてもよい。センサ（１０４）の良好な電気絶縁を確保するため、保護、及び、絶縁層が使用されてよい。代わりに、リード線と圧電抵抗器のそれと反対側の極性の、別のセンサ表面ドーピングを、漏電電流を防止するため、使用することが出来る。
【００２８】
小さなポンピング・キャビティ容積（数百ナノリットル）（１１１）に繋がれた、シリコン・マイクロポンプ（１０１）の大変低い圧縮率、及び、高い圧縮比（２又はそれ以上まで）が、ポンピング・キャビティ（１１１）内部に置かれた、圧力センサを、１ｍｂａｒの小さい、圧力変化をも十分感知可能にする。このセンサ（１０４）は、以降に記述されているような、作動段階の間、ポンピング膜（１０３）位置の極めて小さい変化（ミクロン未満）の検出に適切である。統合されている圧力センサ（１０４）の性能についての、より詳細が、文献WO ２０１００４６７２８に示されている。
【００２９】
より高いレベルでは、ポンプの制御システムは、図２に表されているように、以下のエレメントから成っている：
１．圧電アクチュエータを駆動するための、高電圧ドライバ。
２．１つ又は複数のセンサから送られる信号を処理するための増幅器。      
３．高電圧ドライバを制御し、１つ又は複数のセンサの１つ又は複数の信号を受信するマイクロコントローラ。
４．マイクロコントローラが、データ、及び、設定値（印加電圧、センサ・データ、設定数値など）を記憶することが出来る、記憶装置、例えば、不揮発性ＥＥＰＲＯＭ、又は、内部マイクロコントローラ・フラッシュ、又は、ＲＡＭ記憶装置。
【００３０】
最適電圧VAct Optimal の定義
本発明の目的は、ポンピング膜（１）が、１つ又は複数の機械的止め具（２）に確実に到達するため、圧電アクチュエータに印加される、最適作動電圧を決定することである。接触後、１つ又は複数の機械的止め具（２）は、理想的には、ゼロに等しい力で、又は、膜（１）にかけられた圧力に耐えるだけの大きさの、最小の力で押される。この後、この最小電圧は、最適電圧と呼ばれ、VAct Optimal と表示される。
【００３１】
図３に示された、この動きは、デバイスの種々の状態を、左欄には、本発明によるデバイス、右欄には、圧電アクチュエータ（６）の自由変位を、説明と図示の為だけに示す。
【００３２】
より具体的には、第１列の２つの図（左、及び、右の欄）は、印加電圧がゼロ（Ｖ＝０）に等しい、アイドル状態を示す。圧電アクチュエータ（６）は動かず、膜（１）は変位しない。流体経路は、それゆえ、「開」である。
【００３３】
第２列の、図示の動きは、最適作動電圧が使用された場合、即ち、圧電アクチュエータの変位「ｄ」は、膜（１）が、必要な、機械的止め具（２）に到達するのに必要な距離に、即ち、距離「ｄ」に、正確に対応する場合のものである。これは、本発明において、得ようとする動きである。右の欄に示すように、アクチュエータの自由変位も、同様に、距離「ｄ」に対応する。
【００３４】
第３列で、過度の作動の動き（及び、電圧）が示されている。この設定において、使用された電圧は、アクチュエータ（６）の変位が、距離「ｄ」を超えるように（右欄の図に示されるように）、最適電圧より高い。この場合、システムが、アクチュエータの動きを阻止する、機械的止め具を有し、膜（１）が、より低い電圧、例えば、最適作動電圧を使用して、この機械的止め具に到達するであろうという理由から、エネルギが失われる。
【００３５】
それゆえ、図３の第２列に示されたように、デバイスが適正に機能し、第３列の動き（過度な作動）を回避するに必要な、最適作動電圧を決定できることが目標である。
【００３６】
VAct Optimal を使用する目的
本発明には、主として、３つの目的があり、これらが、以降に詳述される：
１．電力消費量の減少
２．圧電作動信頼性の決定
３．ポンピング膜オフセットの計算
【００３７】
本発明により、必要な最小電圧を印加することにより、圧電アクチュエータを使用するシステムにおいて、電力消費量の減少が可能になる。圧電アクチュエータの作動のために必要なエネルギは、容量等価法を使用して計算することが出来る：
【数１】
2014500442.tif 000003
ここで、Ｃは、圧電アクチュエータ容量であり、Ｖは、印加される電圧である。この式は、５０％の電圧減少により、４倍のエネルギが減り、２９．３％の電圧減少が、２倍の減をもたらす。
【００３８】
本発明は、ポンピングの間の、アクチュエータの信頼性の決定のためにも、効果を発揮する。
【００３９】
例えば、圧電アクチュエータ（６）のアセンブリは、基板、ポンプ、アクチュエータ、及び、ポンピング膜（１）と、このアクチュエータ（６）との間の可撓性リンクから作られている、機械的ループを含む（出願書EP09178168.2参照）。これらの種々のエレメントは、通常一緒に接着される。ポンプを正常に使用している間、これらの接着剤は、この機械的ループの、及び、従って、ポンプ自体の故障を引き起こすことがある、高い応力を受ける。代表的な故障は、圧電アクチュエータ（６）の層間剥離である。この層間剥離は進行性であり、全面的な故障の前に気付くのは、多くの場合、大変困難である：圧電アクチュエータ（６）の過度の駆動は、少なくとも、アクチュエータ（６）の層間剥離の始めに補正される。携帯型薬物輸液システムのため、故障の初めを特定するのに役立ち得る、方法が望ましい。
【００４０】
以下に記述される、一つの実施態様において、学習段階は、最大電圧での圧力センサの公称値の最初の記録を含む。次に、電圧は減らされ、信号は、検出器信号において、機械的止め具（２）に到達していないことを示す、著しい変化に至るまでモニタリングされる。
【００４１】
当初、われわれは、機械的ループは、ポンプの最初のスタート前に機能していると仮定する。ポンプのプライミングの間、学習プロセスを実現させることが出来る。所定温度では、それの信号の積分は、流量に対して比例するので、チャンバ出口の後に位置する第２の圧力センサを、流量計として、使用出来ることを知ることは重要である。それゆえ、最大電圧Vmax での、第２検出器の公称信号は、ポンプの公称行程容積を、即ち、２つの機械的止め具が、作動中に、ポンピング膜によって、到達された時を、代表すると、われわれは仮定する。
【００４２】
少しずつ作動電圧を減らすことにより、及び、圧力センサ（１０４）の信号をモニタリングすることにより、公称行程容積に到達するのに必要な、最小（及び、従って、最適な）電圧VAct Optimalを検出することが可能である。
【００４３】
このVAct Optimalは、機械的ループの信頼性次第であることは明らかであり、いかなる層間剥離も、VAct Optimalの値を増やすであろう。圧電アクチュエータ（６）の過度の駆動は無視されるので、また、安全性と信頼性に関して、より関連性が高い値である、行程容積に直接のアクセスを有するので、この方法は、大変精度が高く、信頼性がある。
【００４４】
実際には、機能的信頼性テストは、VAct Optimalをより、僅かに大きい作動電圧を使用することにより、圧力信号振幅のチェックから成る。
【００４５】
ポンピング・チャンバ（４，１１１）内部に位置する第１の圧力センサ（１０４）は、同様に、このプロセスのためにも用いられるべきである。膜の安静位置（圧電アクチュエータ電極に電圧がかかっていない）は、上の、及び、下の機械的止め具の間のいずれかに、位置されてよいということを知ることも重要である。最も一般的な場合、安静位置から、機械的止め具へのストロークの振幅は、対称的ではない。この非対称性は、設計それ自身、機械加工、及び、組立公差、及び、芯ずれによることがある。もし、非対称のストロークが、設計からは予期されないならば、電力消費量を減らすために、両方向において、機械的止め具（２）に到達するのに必要な最小電圧を推定することは、妥当である。アクチュエータ（６）は、好都合には、大きな、両方向曲がりと大きな力を可能にする、バイモルフ、又は、マルチモルフ圧電アクチュエータから作られてよい。その構成において、アセンブリは機械的ループのため、通常は、接着剤を使用することにより、非対称を引き起こす可能性がある。それゆえ、アクチュエータの消費電力を最適化するため、安静位置での膜（１）の位置において、オフセットを決定することは有用である。２つのストローク、VAct max(up)とVAct max(down)のための最大電圧は、開始時点で、絶対値において、VAct naxに等しい。実際には、テストは、VAct Optimal(up)を決定するため、まずVAct (up)のみを減らすことにより、圧力信号振幅をチェックすることから成り、次に、VAct (up)が、再びVAct maxに設定され、今度は、VAct (down)が、VAct Optimal(down)を決定するために、変えられる。
【００４６】
膜（１）の動いていない位置、及び、機械的止め具（２）に到達するのに必要な最小の力は、機械的アセンブリ、又は、機械加工公差に依存するばかりでなく、環境条件にも依存することを知ることは重要である。ポンピング・アクチュエータの普通の過剰駆動は、通常、これらの効果により、輸液不足を防止するが、エネルギ消費の点からは効率的でない。圧力変動の通常の範囲は、予見される応用次第である。医学的応用に関して、例えば、輸液ラインを有するインスリン・ポンプを考慮すると、輸液ライン内の液体の水頭高さは、ポンピング・チャンバの出口での圧力に大きな影響を有する。ポンピング・メカニズムは、正しい輸液容積を確かにするため、この追加の圧力に打ち勝たねばならない。長い輸液ラインを有するかかるデバイスにおいて、過度な駆動電圧は、通常状態において、機械的止め具（２）に到達するのに必要な最小電圧の２倍の大きさであってよい。
【００４７】
現在の方法の好ましい実施態様（ポンピング・チャンバ（１１１）内部、及び、チャンバ入口（１０２）とチャンバ出口（１０５）の間に、好ましくは、２つのバルブの間に、より具体的には、図１Ｂに示されたように、２つのチェック・バルブの間に位置する、統合されたシリコン・センサ（１０４））を使用することは、ポンピング・サイクルの前、又は、間、又は、後の、圧力測定自体によって、水頭の効果、又は、いかなる外部の圧力変化を予測することが可能であるので、アクチュエータ（６）の電力消費量を制約するのに、効果を発揮する。チャンバ出口（１０５）下流に位置する別の圧力センサも、同様に、そのために使用することが出来る。
【００４８】
全ストローク完了の、非連続モニタリングのために、温度計、又は、圧力センサのような、専用センサを用いてモニタリングされない環境条件の変化による、輸液エラーを防止するために、最適電圧のための安全マージンを与える必要がある。
【００４９】
最後に、本発明によって、圧電アクチュエータ（６）特性、及び、１つ、又は、数個の機械的止め具（２）に到達するのに必要な電圧を知ることにより、ポンピング膜オフセットの計算が可能となる。シリコン・マイクロポンプ内の統合圧力センサ（１０４）を用いて、膜(１０３)オフセットに、サブミクロンの決定をすることは、光学センサ、又は、近接センサのような、他の測定手段に対しての、賢明な、正確な、効率的な、小型の、及び、低コストの代替手段である。
【００５０】
VAct Optimalを決定する方法
さらなる記述において、単独の機械的止め具（２）に対して、原理が説明される。しかし、同一の原理が、２つの機械的止め具（図４参照）又は、多数の機械的止め具を有するシステムにも、拡大適用することが出来る。各機械的止め具ｉに対して、最適電圧VAct Optimal iを、同一のやり方を使用して、決定することが出来る。製造プロセスの間に最適電圧値を測定し、デバイスの記憶装置内に、例えば、ＥＥＰＲＯＭ、又は、図２に記述されているような他の同等のデバイス内に、それらを記憶することが可能である。
【００５１】
システムの最適作動電圧を決定するため、以下のパラグラフにおける例のように、種々の方法が提案されている。
【００５２】
方法１：複数ストロークトップダウンの学習方法
第１の方法は、以下のように実施される（図５及び６参照）：
１．新しいポンプの、最初の、１つ又は複数のストロークのため、ポンプ膜（１）に、機械的止め具（２）がに到達することを、設計により（寸法設計により）保証する、最大作動電圧VAct Maxが、圧電アクチュエータ（６）に印加され、従って、ポンピング・プロセスが、精密さに関して、最適である。
２．検知デバイス（例えば、１０４）によって、同時に、又は、ポンピング・プロセスを除いて、時間軸に沿って、１つ又は複数のデータ・ポイントを、例えば、液体の圧力、又は、容積に対応して、記録できる。これらのデータは、公称ストロークに対応する公称パターンを形成する。
３．続くストロークのため、作動電圧VAct は、所定の工程ΔＶで徐々に減らされる。時間毎に、測定されたパターンは、公称パターンと比較され、これにより、膜が機械的止
め具（２）に到達したかどうかの検出が可能である。
４．測定されたものと公称パターンとの間の差異が、規定された閾値より大きいとき、膜は、機械的止め具（２）位置に、もはや、到達していないことが、明確に実証される。従って、最終電圧値は、正しい、精密なポンプ・ストロークをもたらす、最低電圧であると言われ、それは、VAct Optimal ＜ VAct Maxとして記憶される。
５．すべての、続くストロークのため、VAct Optimal 電圧（既に決定されたように）が使用され、従って、最小電力使用量、及び、最適ポンピングを保証する。
【００５３】
ポイント１〜４は、必要な最適エネルギ（即ち、作動電圧）を正確に決定するために使用される、学習段階を形成する。この学習段階は、ポンプのプライミングの間に、実行することが出来る。また、システムの物理的変化（疲労、機械的変形、環境条件の変更．．．）を考慮に入れること、又は、変化する環境に適応することさえも、定期的に繰り返すことが出来る。
【００５４】
方法２：単独ストロークボトムアップの学習方法
ボトムアップの方法は、以下のように実施される（図７及び８参照）：
１．新しいポンプの最初のストロークのため、膜（１）が、機械的止め具（２）に到達しないことを保証する、最小作動電圧VAct Minが、圧電アクチュエータ（６）に印加される。
２．確実に、システムを機械的に安定させる、ある期間Δｔ後、電圧の増加ΔＶ が印加される。
３．同時に、又は、電圧増加を除いて、検知デバイスが、時間軸に沿って、１つ又は複数のデータ・ポイントを記録できるようにする。
４．これらのデータは、次に、電圧増加が、圧電アクチュエータ（６）の変位を引き起こしたかどうかを決定するために処理される。もしも、イエスであるならば、これは、圧電アクチュエータは、２つの連続した電圧増加に従って動いたので、機械的止め具（２）はまだ到達されてなかったことを意味し、プロセスはポイント２にて、再スタートする。
５．もしも変位が一切検知されなければ、圧電アクチュエータ（６）は、機械的止め具（２）に到達し、電圧増加は何らの効果を持たないと結論される。それ故に、最後の電圧増加は無用であり、先行の電圧値は、VAct Optimalに起因すると考えられる。
６．すべての、その後のストロークのために、VAct Optimal電圧（既に決定されたような）が使用され、従って、最小電力使用量と最適ポンピングが確保される。
【００５５】
方法３：単独ストロークトップダウンの学習方法
図９に示された、この方法は、最初のランプが、すべての場合に、最適電圧より高い電圧に到達するという点を別として、前のものと同様である。電圧は、いくつかの工程の間、減らされ、センサの信号は、例えば、圧力は、同時にモニタリングされる。膜（１）が、機械的止め具（２）と接触している限り、有意なセンサ信号はモニタリングされないであろう。ある閾値より大きなセンサ信号がモニタリングされるとすぐに、膜（１）は、もはや、機械的止め具（２）と接触していないと考えられ、前の電圧値は、VAct Optimalであると言える。
【００５６】
他の収束方法
上に示された、３つの方法は、電圧値を最適にし、VAct Optimalに収束するために、センサ・データを使用する収束方法である。しかし、VAct Optimalに収束するための方法は、数多くあり、これらの３つに限られることはない。また、大きな値で開始し、漸進的に減らす、電圧工程ΔＶを、次の、例えば、等比級数(1/2, 1/4, 1/8, 1/16,…)を使用することにより、短時間の内に、最適電圧を見つけることを可能にするアルゴリズムを使用することが出来る。
【００５７】
方法４：変調学習方法
図１１に示された、この変調学習方法は、標準作動ランプを変調、又は、標準作動ランプに重ね合わせる、高速ＡＣ電圧信号を使用する工程を含む。センサ信号は、次に、高速ＡＣ電圧信号に対する、それの感度を評価するため、モニタリングされる。感度は、もしも、膜（１）が、機械的止め具（２）に到達していないならば、高く、もしも、機械的止め具（２）が、到達していたならば、低いであろう。それ故に、閾値は、機械的止め具（２）に到達したといえる場合から規定することが出来る。この時点でのベース・ランプの電圧は、次に、VAct Optimalとして使用される。この方法の、１つの、明らかに有効な点は、ベース作動信号の電圧変化の方向から無関係であり、ヒステリシスに対する、ロバスト性である。
【００５８】
ＡＣ電圧信号の、この規定は、図１１に表された、方形信号に限られたものではなく、種々の振幅、負荷サイクル、及び、周波数を有する、種々の形状（三角形、正弦波状、，．．．）であってよい。センサ信号の復調は、通常、バンド・パス・フィルタによって、実現することが出来る。
【００５９】
バイモルフ、又は、マルチモルフ圧電ベンダを使用するとき、作動されている、電極にＡＣ電圧信号を印加しないだけでなく、図１２に表されているように、他の、１つ又は複数の電極に印加しないことも可能である。圧電ベンダの分極は、印加電場に平行、又は、逆平行であるために、通常、電極表面に対して、垂直方向に向けられる。負電荷定数d31 の圧電バイモルフ・ベンダのため、分極は、高電場適用では、通常、電場に平行である。後の活性層は、次に、電場に垂直な、それのＸＹ平面内で縮められる。その他の、１つ又は複数の層には、通常、電力が供給されないので、ベンダの他の端が、何らかの手段で、クランプされる、又は、接着される、又は、貼り付けられるとき、ベンダ先端の持ち上げが生じる。ベンダ先端の変位を増進し、ブロッキング力を増やすため、その他の、１つ又は複数の層に、小さな、逆平行電場を印加することが可能である。その他の、１つ又は複数の層への電場は、それゆえ、最初の、１つ又は複数の層への最適電圧の探索を実施するために、ＡＣ電圧信号を使用して、変調されてよい：主な変位は、それの分極（作動電圧）に平行な、大きな電場に提出される、１つ又は複数の、最初の圧電層を使用して、得られ、一方、ポンピング膜位置の小さな変調は、その他の、１つ又は複数の、圧電層上の、ＡＣ信号（変調電圧）を使用することにより、得られる。ここでの利点は、電力使用量の著しい減少と、作動部分とパルス、又は、変調部分への、電子機器の完全な分離である。この方法は、その他の分極方位、圧電材料（ＰＺＴ．．．）、種類（ベンダ．．．）と形状（円形、長方形．．．）に、いかなる電極構造にも、及び、マルチモルフ圧電アクチュエータにもあてはめることが出来る。
【００６０】
本発明は、限定的方法として理解されるべきでない、例として挙げられた、上述の実施態様に限定されるものではない。変異が、等価な手段で、及び、本発明の範囲内で、可能である。例えば、本発明の方法、及び、デバイスは、上述のような、圧電アクチュエータ以外の他のアクチュエータを用いても使用可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014500442.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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