(57)【要約】【課題】チューブポンプによる流体輸送の定量性を簡易かつ安価な構成で高めるのは容易でなかった。【解決手段】微量ポンプ１０において、樹脂部材からなる流体管１２は円弧状に湾曲した状態で固定され、円弧中心側の面には円弧形状を有する基部１６が当接している。流体管１２の円弧外側の面には形状記憶合金の線材１４が張設される。線材１４の両端に電圧を印加すると、発生する熱エネルギーにより線材１４に形状回復力が生じ、その力が円弧外側から円弧中心側に向けた押圧力となって流体管１２に加わる。この押圧力により流体管１２が狭圧され、その一端から他端へ流体が輸送される。流体管１２の両端にはそれぞれ第１一方向弁２０および第２一方向弁２２が装着され、流体の流れを逆止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向が円弧状に湾曲固定された可撓性樹脂部材による流体管と、
前記流体管の円弧外側の面に前記流体管の軸線に沿って張設された形状記憶合金による線材と、を備え、
前記線材は、通電で生じる収縮力によって前記流体管を円弧外側から円弧中心側に向けて押圧することを特徴とする微量ポンプ。
【請求項２】
前記流体管の円弧中心側に固設され、前記流体管の円弧中心側の面に当接する基部をさらに備え、
前記線材に通電で収縮力が生じたときに、前記線材と前記基部とが前記流体管を狭圧することを特徴とする請求項２に記載の微量ポンプ。
【請求項３】
前記流体管には、該流体管内における流体の流れを一定方向に規制する規制手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の微量ポンプ。
【請求項４】
電源と、前記線材へ流すべき電荷を一時的に蓄積するコンデンサと、前記電源からコンデンサへの充電と前記コンデンサから前記線材への放電とを切り替えるスイッチと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微量ポンプ。
【請求項５】
電源と、前記線材への電圧印加タイミングを制御する制御回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微量ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量ポンプに関する。本発明は特に、微量ポンプの駆動源に形状記憶合金を用いる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、樹脂で形成されたチューブ部材を湾曲させ、そのチューブ部材に圧力を加えることによりチューブ部材内の流体を放出するチューブポンプが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−０２１７４３号公報  （全文）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
チューブポンプは、比較的微量の流体を送り出すために用いられることが多い。しかしながら、微量ゆえにその定量性を高めるのは容易でなく、しかも用途によっては圧力を加えるタイミングの正確性も要求される。またその制御に電力を利用する場合には省電力性や低コスト性も要求される。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は微量の流体を高い精度で定量ずつ送り出す機構を簡易な構成にて実現する点にある。本発明の別の目的は、定量の流体を一定の時間間隔で送り出す精度を高める点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のある実施の形態は微量ポンプである。この微量ポンプは、軸方向が円弧状に湾曲固定された可撓性樹脂部材による流体管と、流体管の円弧外側の面に流体管の軸線に沿って張設された形状記憶合金による線材と、を備える。線材は、通電で生じる収縮力によって流体管を円弧外側から円弧中心側に向けて押圧する。
【０００７】
この微量ポンプは、一般にマイクロチューブポンプとも呼ばれる装置でもよく、流体管は合成樹脂製チューブであってもよい。線材は、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する形状記憶合金で形成される。特に、その線材を通電したとき、線材はその電気エネルギーによって発熱し、その熱エネルギーをもとに力学的エネルギーとしての形状回復力を発生させてもよい。形状記憶合金は二方向性の形状記憶効果をもつものであってもよい。
【０００８】
形状記憶合金の形状回復力は、応答速度が速く、収縮幅の定量性にも優れている。また、その形状回復力が湾曲した流体管の円弧外側から円弧中心側に向けた押圧力として加わる。これにより、形状回復力による押圧力で流体を送り出すことができる。逆に形状記憶合金が放熱して伸長すると、流体管への押圧力が低下する。このとき流体管は、湾曲による樹脂部材の張力で元の湾曲形状に戻るとともに、その戻る力が形状記憶合金を円弧外側へ押し出すので、伸長する形状記憶合金はその張設状態が維持される。
【０００９】
本微量ポンプは、流体管の円弧中心側に固設され、流体管の円弧中心側の面に当接する基部をさらに備えてもよい。その場合、線材に通電で収縮力が生じたときに、線材と基部とが流体管を狭圧してもよい。この狭圧力により流体管内の流体をより効率よく送り出すことができる。さらに流体管には、その流体管内における流体の流れを一定方向に規制する規制手段が設けられてもよい。規制手段として、例えば一方向弁が流体管に設けられてもよい。これにより、より効率よく流体を送り出すことができる。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本発明の実施の形態１においては、円弧状に湾曲させた流体管の円弧外側の面に、その軸線に沿って形状記憶合金の線材を配置し、その線材を通電する。通電したときの線材の形状回復力が、流体管の円弧外側から円弧中心側に向かう押圧力として加わり、流体管内の流体を圧迫して流体管外へ送り出す。電源からの供給電力として、その電荷を一時的にコンデンサに蓄積し、線材には蓄積した電荷を流すことにより、印加電圧の定量性を高める。またこの微量ポンプは、形状記憶合金によるアクチュエータを利用しているので、小型かつ軽量に構成でき、その動作の静音性が高い。さらに、形状記憶合金は煮沸消毒にも耐えられるので、この微量ポンプを点滴などの医療機器の一部に適用することもできる。
【００１２】
図１は、微量ポンプの外観と電気的構成の等価回路を示す。流体管１２は、可撓性のある管状樹脂部材で形成され、その長手方向の軸が円弧状に湾曲された状態で固定される。流体管１２は、例えばゴムチューブであり、管内には液体などの流体が一端から注入される。流体管１２を湾曲させると、樹脂部材の張力が円弧外側から円弧中心側の方向にかかる。基部１６は、円弧形状を有する固形部材で形成され、その円弧形状が流体管１２の円弧中心側の面に当接した状態で固設される。流体管１２の両端近傍と基部１６の下面は固着部１８に締着され、これにより流体管１２と基部１６の位置関係が固定される。
【００１３】
流体管１２の両端には、流体が一定方向に輸送されるようにそれぞれ第１一方向弁２０と第２一方向弁２２が装着されている。さらに、第１一方向弁２０には吸入口２４を有する部材が装着され、第２一方向弁２２には排出口２６を有する部材が装着されている。こうして、吸入口２４から注入された流体は、第１一方向弁２０、流体管１２、第２一方向弁２２を順次通って排出口２６から排出される。ただし、微量ポンプ１０をオフにした状態においては流体を輸送する推進力が働かないので、流体は吸入口２４から注入されず、排出口２６から排出されない。
【００１４】
線材１４は、収縮した形状を記憶させた形状記憶合金細線であり、流体管１２の湾曲された円弧外側の面に当接するよう張設される。このとき、線材１４は流体管１２の円弧外側の面に形成された僅かな窪み内に当接する。線材１４は、その温度変化で発生する形状回復力が、流体管１２に対してその円弧外側の面から円弧中心側に向けた押圧力として加わる。線材１４と基部１６は流体管１２を挟む形となっており、線材１４の形状回復力が生じたときにその押圧力が狭圧力として流体管１２に加わる。この狭圧力が流体の輸送を推進する。
【００１５】
電源５０は、線材１４へ通電するための電力を供給する。電源５０の両極は線材１４の両端に接続され、線材１４と並列にコンデンサ５４が接続され、電源５０と直列に抵抗５２が接続されている。スイッチ５６は、コンデンサ５４の一方の電極の接続先を電源５０側と線材１４側とで切り替える。スイッチ５６がコンデンサ５４を電源５０側に接続するとき、電源５０から抵抗５２を介してコンデンサ５４に電圧が印加され、コンデンサ５４はその電荷を蓄積する。スイッチ５６がコンデンサ５４を線材１４側に接続するとき、コンデンサ５４にあらかじめ蓄積された電荷によって線材１４の両端に電圧が印加される。このようにスイッチ５６の切替により、電源５０からコンデンサ５４への充電と、コンデンサ５４から線材１４への放電を切り替える。すなわち、スイッチ５６の切替を繰り返すことにより充電と流体の放出を繰り返し行うことができる。
【００１６】
図２は、微量ポンプの構成および内部構造を示す断面図である。左図の通り、流体管１２は、円弧中心側の面である内側面１２ｂが基部１６の円弧形状の上面に当接した状態で全体が円弧状に湾曲し、流体管１２の両端近傍部位が固着部１８によって固定される。右図の通り、流体管１２における内側面１２ｂは基部１６の上面に当接する。流体管１２における外側面１２ａには僅かな窪みが形成されており、その窪みの内側にて線材１４が張設される。吸入口２４から注入された流体は、第１一方向弁２０を通じて流体管１２へ流入するとともに、その流れは第１一方向弁２０によって逆止される。流体管１２を通った流体は第２一方向弁２２を通じて排出口２６から排出されるとともに、その流れは第２一方向弁２２によって逆止される。
【００１７】
第１電極２８および第２電極３０に電圧が印加されると、流体管１２の外側面１２ａにて軸線に沿って張設された線材１４がその形状回復力によって収縮する。第１電極２８および第２電極３０は固着部１８によって固定されているので、線材１４の形状回復力は流体管１２に対して外側面１２ａから内側面１２ｂへの押圧力として加わる。流体管１２内の流体は第１一方向弁２０および第２一方向弁２２によって逆止されているので、その流れが一方向に規制されており、線材１４の形状回復力をもとにした押圧力によって吸入口２４から排出口２６に向かう流れを生む。
【００１８】
線材１４への電圧の印加が遮断されたとき、線材１４には伸長方向の形状回復力が生じ、電圧印加前の状態に戻る。特に、線材１４は両端間の大半の部位が流体管１２に接触しているので、流体管１２内の流体によって迅速に放熱できる。これにより、スイッチ５６をオフにしたとき線材１４には即座に伸長方向の形状回復力が生じ、電圧印加前の状態に速く戻ることができる。また、線材１４による流体管１２への押圧力が低下すると、流体管１２は、湾曲による樹脂部材の張力で元の湾曲形状に戻るとともに、その戻る力が線材１４を円弧外側へ押し出す。これにより、線材１４が伸長してもその張設状態は維持される。
【００１９】
線材１４が通電されたときの収縮は定量であり、その定量性の精度は高い。したがって、流体の放出量を高い精度で一定に保つことができる。また、コンデンサ５４に充電してから線材１４へ電圧を印加するので、印加電圧を高い精度で一定に保つことができる。さらに、スイッチ５６をオンした瞬間にコンデンサ５４からの電圧で一気に線材１４を加熱できるので、線材１４の収縮によって流体が放出される勢いを高めることができる。このように、簡易かつ安価な構成にて微量ポンプ１０の安定動作を実現できる。
【００２０】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２における微量ポンプの外観と電気的構成の等価回路を示す。本実施の形態は、線材１４への電圧の印加タイミングを自動制御する点で本発明の実施の形態１と電気的構成が異なる。微量ポンプ１０の構成は実施の形態１と同様である。
【００２１】
線材１４の第１電極２８は電源５０の陽極に接続され、線材１４の第２電極３０は電源５０の陰極にスイッチ６２を介して接続される。スイッチ６２は、線材１４への電圧の印加をオンオフするｎｐｎ型のバイポーラトランジスタであり、そのコレクタ電極が第２電極３０と接続され、エミッタ電極が電源５０の陰極と接続され、ベース電極が制御回路６０と接続される。制御回路６０は、線材１４と並列に接続され、線材１４への電力の供給タイミングを制御する。例えば、制御回路６０はスイッチ６２のベース電極に一定の時間間隔でハイとなるパルスを印加することにより正確なタイミングで流体管１２から流体を放出させることができる。また流体管１２からの流体の放出量も正確に一定に調整できる。このような電気的構成により、さらに安定した微量ポンプ１０の動作を実現できる。
【００２２】
実施の形態３
本発明の実施の形態３における微量ポンプは、チューブ部材である流体管１２を用いない点で本発明の実施の形態１、２と異なる。チューブ部材の代わりに、扁平状の樹脂部材を用いる。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態３における微量ポンプの断面図である。この断面図は実施の形態１における図２の右図に相当する断面を示す。樹脂部材３４は可撓性扁平部材であり、チューブ部材を軸線と垂直に割ったような断面略半円状に湾曲させた状態でその断面両端が基部１６に接着されている。基部１６との間には中空部が形成される。樹脂部材３４の外側面３４ａには僅かな窪みが形成されており、その窪みの内側にて長手方向に線材１４が張設されている。したがって、線材１４が通電されてその形状回復力が生じたとき、その形状回復力が樹脂部材３４の外側面３４ａから基部１６に向かう押圧力となって加わる。これにより、本発明の実施の形態１、２と同様に線材１４の形状回復力が流体の輸送を推進する。
【００２４】
実施の形態４
本発明の実施の形態４における微量ポンプもまた、チューブ部材である流体管１２を用いない点で本発明の実施の形態１、２と異なる。チューブ部材の代わりに、扁平状の樹脂部材を用いる。
【００２５】
図５は、本発明の実施の形態４における微量ポンプの断面図である。この断面図もまた実施の形態１における図２の右図に相当する断面を示す。本実施の形態の基部１６は、その断面中央の凹部１６ａにより中空が形成されている。その凹部１６ａの開口部分に樹脂部材３４が覆設されており、樹脂部材３４の断面両端は基部１６に接着されている。樹脂部材３４の外側面３４ａには僅かな窪みが形成されており、その窪みに沿って線材１４が配置されている。したがって、線材１４が通電されてその形状回復力が生じたとき、その形状回復力が外側面３４ａから凹部１６ａに向かう圧力となって加わる。これにより、本発明の実施の形態１〜３と同様に線材１４の形状回復力が流体の輸送を推進する。
【００２６】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、変形例を挙げる。
【００２７】
本発明の実施の形態１〜４においては、電気的構成により線材１４を加熱して形状回復力を発生させている。変形例においては、電気的構成を用いずに、外気温によって線材１４の熱が微増したときに微量の流体が流出する構成としてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、微量の流体を定量ずつ送り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】微量ポンプの外観と電気的構成の等価回路を示す図である。
【図２】微量ポンプの構成および内部構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２における微量ポンプの外観と電気的構成の等価回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３における微量ポンプの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４における微量ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１０  微量ポンプ、  １２  流体管、  １２ａ  外側面、  １２ｂ  内側面、１４  線材、  １６  基部、  ２０  第１一方向弁、  ２２  第２一方向弁、５０  電源、  ５４  コンデンサ、  ５６  スイッチ。
【図１】
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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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