(57)【要約】  アクチュエータは、固体から液体へと相変化するにつれて可逆的に膨張する作動媒体（３）を収容するキャビティ（２）と、前記キャビティの近傍に位置し、作動媒体の膨張及び収縮によって変形するダイヤフラム（４）と、前記キャビティ内に設けられ、前記作動媒体を液体へと相変化させるために前記作動媒体を加熱する半導体素子（６）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体から液体へと相変化するにつれて可逆的に膨張する作動媒体を収容するキャビティと、
前記キャビティの近傍に位置し、作動媒体の膨張及び収縮によって変形するダイヤフラムと、
前記キャビティ内に設けられ、前記作動媒体を液体へと相変化させるために前記作動媒体を加熱する半導体素子とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記ダイヤフラムの近傍に位置することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記半導体素子は、前記作動媒体に埋没されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記半導体素子は、前記キャビティの略中央に位置することを特徴とする請求項１から３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記半導体素子は、前記半導体素子周辺における液体の作動媒体が略自由流れとなるように、前記キャビティ内に配置されることを特徴とする請求項１から４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記キャビティ内には、ほぼ気体が含まれないことを特徴とする請求項１から５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記キャビティ内の前記作動媒体の一部は、作動中に相変化が起きることを特徴とする請求項１から６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記作動媒体はワックスを含むことを特徴とする請求項１から７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記ワックスは、一方が他方よりも分子量の大きい二種類のワックスを配合したものであることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記ワックスは純度が高いことを特徴とする請求項９又は１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記作動媒体は、約６０％のヘキサトリアコンタンと約４０％のパラフィンワックスとからなることを特徴とする請求項８から１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記半導体素子は、半導体ダイオードであることを特徴とする請求項１から１１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
少なくとも一部が前記キャビティ内に位置し、前記半導体素子に接続される電気接続部を有することを特徴とする請求項１から１２に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記電気接続部は、前記ダイヤフラムの近傍に位置することを特徴とする請求項１３に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記作動媒体は、前記ダイヤフラムと前記電気接続部との間のスペースに満たされることを特徴とする請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記キャビティは、本体及び前記ダイヤフラムによって規定されることを特徴とする請求項１から１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記本体は、一体的に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
前記本体は、前記キャビティ内に前記作動媒体を流入及び／又は排出させるために、前記ダイヤフラムから離間する可動端部を有することを特徴とする請求項１６に記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
前記ダイヤフラムは、前記本体に取付けられたフレームに接続されることを特徴とする請求項１６から１９に記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記ダイヤフラムは、直接前記本体に取付けられることを特徴とする請求項１６から１９に記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
前記作動媒体が固体の状態の時に、前記ダイヤフラムは略平らであることを特徴とする請求項１から２０に記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
前記ダイヤフラムは、前記作動媒体が融解する前に前記ダイヤフラムが位置していた場所に戻るように、付勢されている及び／又は弾性を有することを特徴とする請求項１から２１に記載のアクチュエータ。
【請求項２３】
前記ダイヤフラムの線形変位又は体積変位を増幅する連動機構を備えることを特徴とする請求項１から２２に記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
前記連動機構は、前記アクチュエータダイヤフラムよりも大きな連動ダイヤフラムと、前記連動ダイヤフラムを変形させる連動ピストンとを有することを特徴とする請求項２３に記載のアクチュエータ。
【請求項２５】
請求項１から２４に記載のアクチュエータを備えるポンプ。
【請求項２６】
液体の医薬品を送出するポンプであって、
入口と出口とを備えるポンプ室とを有し、
前記ポンプ室の体積は、前記アクチュエータの作動によって変化することを特徴とする請求項２５に記載のポンプ。
【請求項２７】
入口弁を有することを特徴とする請求項２６に記載のポンプ。
【請求項２８】
出口弁を有することを特徴とする請求項２６又は２７に記載のポンプ。
【請求項２９】
前記出口弁の作動圧力は、前記入口弁の作動圧力よりも高いことを特徴とする請求項２７又は２８に記載のポンプ。
【請求項３０】
液体の医薬品を送出するポンプであって、
入口弁と出口弁とを備えるポンプ室とを有し、
前記ポンプ室の体積は、熱膨張アクチュエータの作動によって変化し、
前記出口弁の作動圧力は前記入口弁の作動圧力よりも高いことを特徴とするポンプ。
【請求項３１】
前記ポンプ室の容量は、１００μｌより小さいことを特徴とする請求項２５から３０に記載のポンプ。
【請求項３２】
請求項２５から３１に記載のポンプを備える注入システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
人間や動物の体に対する治療薬品の投与をプログラムに従って行う装置においては、一般的にポンプ室やバルブ手段と協動して動作し、治療薬品が加圧された状態で貯留された貯留室を備えている。このような装置は、チューブを介して、患者の肌に刺されたカニューレへ治療薬品を圧送する。また、このような装置は、数日間に亘って変化し得る注入率にて患者に治療薬品を注入することができる。本発明は、ポンプ室に用いられる改良されたワックスタイプのマイクロアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
治療薬品を人間や動物に投与する方法には様々な方法があるが、しばしば、治療薬品に求められる特定の要求や治療薬品の効能に合わせた投与方法が用いられる。一般的に経口投与が好まれるが、インシュリンのようないくつかの治療薬品については、消化管を介さずに投与しなければならない場合や、作用する箇所に直接に投与する方が効果的な場合がある。
【０００３】
消化管を介さない投与方法は、所謂非経口投与として知られており、治療薬品を液体として循環器へ直接投与する。この投与方法では、治療薬品のボーラス投与を行う注射器もしくはそれと等価の装置や、治療薬品を継続的に、また場合によってはプログラムに従って、投与する注入システムが用いられる。このように、制御された治療薬品の投与は治療薬品の臨床要求により適合しているので、しばしば、より良い治療調整ができ、毒性を減少させることができることは明らかである。
【０００４】
糖尿病患者の血糖値を調整するための強化インシュリン療法の需要が増加している。インシュリン療法では、糖尿病ではない人の日々のインシュリン分泌パターンを模倣して定期的にインシュリンを投与することが糖尿病患者に求められる。糖尿病ではない人のインシュリンの分泌パターンは複雑である。通常、空腹時の血糖値を調整するインシュリン基礎レベルがある。インシュリン基礎レベルは、摂取された食物から分泌された血糖値の増加を抑制するべく生じる一時的な増加によって補われる。
【０００５】
上記の需要に対応するために、脈動ポンプ室と協働して動作する正の圧力が作用する貯留室とに基づき、多くの注入システムが登場した。この脈動ポンプ室は、その入口及び／又は出口において作動する単一方向チェックバルブを有している。
【０００６】
従来の注入システムの一例が、米国特許第４７１４４６２号に記載されている。この注入システムでは、治療薬品は、動物や人間に治療薬品を注入する際に必要な注入圧力よりも低い陽圧の下で、貯留室内に収容されている。ソレノイドによってふいごが引かれポンプ室の体積が増加すると、治療薬品は、単一方向チェックバルブを介して、貯留室からポンプ室へと引出される。ソレノイドが解除されると、伸縮ばねの作用によって、ふいごは出口弁を介して注入側へ治療薬品を圧送する。出口弁は、注入率センサの一部として機能する。このような注入システムでは、インシュリン等の治療薬品の基礎投与量やボーラス投与量をユーザが設定することができる。
【０００７】
多くの注入システムは、システムが複雑であることや患者の行動を規制することから、病院や医療施設等の管理医療環境でのみ使用される。このような大規模なシステムには、ポンプ室を駆動するための種々の機構が設けられている。例えば、ポンプ室には、ポンプ室の部材やダイヤフラムを移動させて液体の治療薬品を送り出すアクチュエータが接続されている。
【０００８】
米国特許第４７１４４６２号には、ソレノイドの構成部品である電機子を有するソレノイド式アクチュエータが記載されている。電機子は、ばねによって、ポンプ室の体積が減少する方向に付勢されている。ソレノイドは電気モジュールによって駆動される。ソレノイドの電源を入れると電機子が駆動され、ポンプ室の体積が増大し、ポンプ室が満たされるまで貯留室から流体が吸引される。その後、ソレノイドの電源を切ると、アクチュエータばねがポンプ室の体積を縮小させるように電機子を付勢し、流体が注入側へ圧送される。
【０００９】
また、圧電効果によって駆動されるアクチュエータが知られている。しかしながら、ソレノイド式アクチュエータであっても圧電アクチュエータであっても、微小流体システムで使用するためにアクチュエータを小さくすると、得られる駆動力が小さくなるという問題があった。
【００１０】
例えば、米国特許第４１５２０９８号には、マイクロポンプが開示されている。マイクロポンプは可撓性と弾性とを有するダイヤフラムを備え、ダイヤフラムは、プランジャの電磁動作によって、ポンプ室の可動式の弾性壁として機能する。ポンプは、電機子と、減摩擦スリーブ上を摺動可能な磁性鋼製のプランジャとを備える。電磁コイルは、スリーブを取り囲むように配列されている。プランジャは、電磁コイルに通電することにより、スリーブに対し上下動可能に構成されている。全体で約４ｃｍ３の体積を有するマイクロポンプは高い送出力を得るが、今日ではさらに小型のマイクロポンプが所望されている。
【００１１】
また、マイクロポンプを小型化するために、十分な駆動力を与えることにより、効率的で、液漏れのない、信頼性のある送出動作を行えるアクチュエータが求められている。
【００１２】
また、米国特許公報第２００２／００３７２２１号には、微小流体システムに使用されるワックスマイクロアクチュエータが記載されている。マイクロポンプは加熱部を有する基板を備える。基板と加熱部とは第１部分を形成している。第２部分は第１部分の近傍に設けられている。第２部分は、高作動ポリマー（ＨＡＰＰ）部と、少なくとも１つの樹脂層と、保護部とを有する。第２部分はさらに熱膨張部を有していてもよい。加熱部に電力が供給されるとＨＡＰＰ部が撓んでダイヤフラム部に対して膨張するように、熱膨張部はダイヤフラム部に囲まれている。ＨＡＰＰ部の温度が固液相変化温度に達すると、ポリマーの比体積が増加する。ＨＡＰＰ部は加熱層からの熱によって相変化する。相変化中はポリマーの比体積が飛躍的に増加し、ダイヤフラム部を撓ませる。ダイヤフラム部はポンプ室に接続されていても良いし、ダイヤフラムが撓むに従って体積が増減するポンプ室の一部を形成しても良い。
【００１３】
また、種々のワックスアクチュエータ用加熱システムが知られているが、これらはマイクロアクチュエータではなく主に大型アクチュエータ装置に用いられる。例えば、英国特許第１２０４８３６号には、組込式加熱用フィラメントを有するワックスアクチュエータが記載されている。また、仏国特許第２７３１４７５号には、作業空間の外に位置し、導電性の加熱素子を有するワックスアクチュエータが記載されている。しかしながら、これらのアクチュエータでは、効率的にワックスの加熱ができない。
【００１４】
また、米国特許公報第２００２／００３７２２１号に記載の装置は、略平面であって、薄膜で低出力な加熱素子を有している。この装置には多くの問題がある。例えば、この加熱素子の配置では、効率的にワックスを加熱できず、ワックスの量が多くなると熱が分散してしまうという問題がある。
【００１５】
そのため、膨張可能な作動媒体を有するマイクロアクチュエータであって、高熱効率で、精度よく制御でき、拡張可能な、小型を実現できるマイクロアクチュエータが所望されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、固体から液体へと相変化するにつれて可逆的に膨張する作動媒体を収容するキャビティと、キャビティの近傍に位置し、作動媒体の膨張及び収縮によって変形するダイヤフラムと、キャビティ内に設けられ、作動媒体を液体へと相変化させるために作動媒体を加熱する半導体素子とを備えることを特徴とするアクチュエータを提供している。
【００１７】
本発明によれば、膨張性の作動媒体を収容するキャビティ内に高効率の半導体素子を設けたので、熱効率のよいアクチュエータを提供することができる。これにより、半導体素子が通電された際に、半導体素子から膨張性作動媒体へ直接熱を伝えることができる。本発明の実施例では、半導体素子に通電されるとダイヤフラム近傍の作動媒体が最初に膨張し、半導体素子の電源を切るとダイヤフラム近傍の作動媒体が最後に収縮するように、半導体素子はダイヤフラムの近傍に配置されている。よって、アクチュエータの制御性が向上する。
【００１８】
また、半導体素子は作動媒体に浸かり、かつ、キャビティの側面と接触しないように設けられているので、作動媒体を均一に固体から液体へ相変化させることができる。よって、作動媒体を均一に加熱でき、キャビティ内の半導体素子の周辺において、液体の作動媒体による略自由流れを起こすことができる。
【００１９】
作動媒体が固体の状態から融点まで加熱された時に作動媒体を融解させるために必要な熱量は、液体の作動媒体の温度を１℃上昇させるために必要な熱量の約１００倍以上である。作動媒体の全てが液体になった時に半導体素子の熱伝達率を連用すると、作動媒体は短時間で急激に高温となり熱暴走が起こる。熱暴走を防止するために、アクチュエータの作動中にキャビティ内の作動媒体の一部のみを相変化させることが好ましい。
【００２０】
作動媒体は、膨張性の第１ワックスと、第１ワックスよりも分子量が少なく、第１ワックスの結晶構造間に入り込む第２ワックスとの混合パラフィンワックスであることが好ましい。これらのワックスは、融点がはっきりする程度に純度が高いことが好ましい。このような構成によれば、キャビティ内のより正確な温度制御を行うことができる。
【００２１】
半導体素子は、ダイヤフラム近傍に配置された電気接続部を有する半導体ダイオードであることが好ましい。作動媒体はダイヤフラムと電気接続部との間に入り込み、液体の作動媒体が電気接続部及び半導体ダイオード周辺において自由流れを起こすことが好ましい。
【００２２】
アクチュエータは、直線変位又は体積変位を増幅させる連動機構を備えてもよい。連動機構は、アクチュエータによる体積変位を増幅させるために、アクチュエータによってアクチュエータダイヤフラムよりも大きい連動ダイヤフラムを変形させる連動ピストンを有してもよい。
【００２３】
本発明の実施例では、アクチュエータは液体の治療薬品を圧送するポンプの駆動に使用されている。ポンプは、入口と出口とを有するポンプ室を備え、ポンプ室の容量はアクチュエータの作動によって変化する。このようなポンプは、周囲の圧力よりも高い圧力で治療薬品を収容する貯留室を有する注入システムの一部であることが好ましい。陽圧システムにおける漏れを防止するために、ポンプは、流体が流れる方向におけるポンプ室の互いに逆の位置に、入口弁と、入口弁よりも作動圧力が高い出口弁とを有することが好ましい。
【００２４】
また、本発明は、液体の治療薬品を送出するポンプであって、入口弁と出口弁とを備えるポンプ室とを有し、ポンプ室の体積は熱膨張アクチュエータの作動によって変化し、出口弁の作動圧力は入口弁の作動圧力よりも高いことを特徴とするポンプを提供している。
【００２５】
本発明のアクチュエータ及びポンプは、微小部品及び約１００μｌより小さい体積のポンプを有するポンプ室であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図４（ａ）】本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図４（ｂ）】本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図４（ｃ）】本発明の第６の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図４（ｄ）】本発明の第７の実施形態に係るアクチュエータを示す断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータに連動システムを設けた状態を示す断面図。
【図６】図５に示される連動システムを有するアクチュエータを備えるポンプを示す断面図。
【図７】図６に示されるポンプを備える注入システムを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータを示している。アクチュエータ１００は、キャビティ２が画成された本体１を備えている。キャビティ２には、固体から液体へと相変化する際に可逆的に膨張する作動媒体３が充填されている。作動媒体３は液体から固体へと逆相変化する際に収縮する。このような相変化は、無限に繰返し可能であって、作動媒体の温度変化により生じる場合がある。キャビティ２は、フレーム５に保持されたダイヤフラム４によって規定される。フレーム５は本体１に接続されている。ダイヤフラム４は作動媒体３の膨張及び収縮に応じて変形する。作動媒体３はキャビティ２内に設けられた半導体素子６によって加熱される。電気接続部７は、半導体素子６に接続され、半導体素子６に電力を供給する。
【００２９】
ダイヤフラム４は、ゴム等の可撓性と弾性とを有するエラストマー材からなり、作動媒体３が固体から液体へと相変化する際の膨張に伴って変形する。本体１及びフレーム５は、剛塑性材からなる。塑性材及びエラストマー材は容易かつ安価に所望の形状に成型することができるので、アクチュエータ１００を大容量な使い捨て部品として製造することができる。塑性材及びエラストマー材は軽量である。なお、フレーム及びダイヤフラム、本体の材料として、金属、セラミック、ガラス材、シリコン等を用いてもよい。
【００３０】
アクチュエータは、ダイヤフラム４が略平らな状態において固体の作動媒体３をキャビティ２に充填することにより、自動組立で製造される。よって、ダイヤフラム４を有するフレーム５が本体１に接続される時に、キャビティ２内に気体が侵入することを確実に防止することができる。気体の熱膨張は固体から液体への相変化に伴う作動媒体３の膨張よりも著しく大きいため、キャビティ２内に気体が存在してしまうと重大な問題を引起こすことになる。また、気体は圧縮性であるので、作動媒体３が膨張する際にダイヤフラム４を変形させずに気体を圧縮してしまう場合がある。このように、キャビティ２内に気体が存在すると、ダイヤフラム４の変形を制御することができず、アクチュエータの作動が不安定となる。
【００３１】
半導体素子６は、通電されると発熱する小型の半導体ダイオードである。キャビティ内における半導体素子６の位置は、アクチュエータ１００の制御性と熱効率に大きく影響する。図１に示されるように、半導体素子６は、ダイヤフラム４の近傍であって接触しない位置に設けられるのが好ましい。半導体素子６をダイヤフラム４の近傍に設けたことにより、半導体素子６によって融解される固体の作動媒体３がダイヤフラム４を変形させやすくなる。なお、別の位置に配置した場合には、融解された作動媒体３は密閉空間に閉じ込められて、半導体素子６の温度によるダイヤフラム４の制御性が低下してしまう。これを確保するために、作動媒体３はダイヤフラム４と電気接続部７及び半導体素子６の間に配置されている。
【００３２】
半導体素子６は、半導体素子６周辺で融解された作動媒体３のポテンシャル流れが最大となるように、キャビティに対して適切に配置されている。実際に、図１に示される半導体素子６が流体力学的に最も効率的な配置と形状であることがわかっている。図２に示されるように、半導体素子６は、本体１の側壁１ａ、１ｂから略等距離となるようにキャビティ２の略中央に配置されている。キャビティの断面形状は、長方形が好ましいが、円や八角形、六角形、正方形等であっても良い。アクチュエータ１００の熱効率を向上させるために、半導体素子６を側壁１ａ、１ｂから離間して配置することにより、半導体素子６と作動媒体３との接触面積を最大にできるので、本体１からの保有熱損失が低減する。
【００３３】
キャビティ２内における固体の作動媒体３の体積は、固体から液体へと相変化する作動媒体３の体積よりも大きい。これらの体積比は、融解した作動媒体３が側壁１ａ、１ｂ及び本体１の底部１ｃに接触しない程度に設定されている。このように体積比を設定することにより、２つの効果がある。第１の効果として、作動媒体３のうち温度が最も高い部分、すなわち、半導体素子６の近傍に位置する部分は本体１と接触しないので、アクチュエータ１００の熱損失の増加を防止することができる。より重要な効果として、半導体素子６から得た熱量は概ね作動媒体３の状態変化に用いられるので、キャビティ２内の作動媒体３の温度を迅速に上昇させることができる。作動媒体３が固体の状態から相変化温度まで加熱された時に作動媒体３の融解に必要な熱量は、液体の状態で１℃上昇させるために必要な熱量の約１００倍以上となる。このため、作動媒体３の全てが液体になった時に半導体素子６からの熱伝達率を固体時と同程度とすると、短時間で急激に高温となり熱暴走を引起こしてしまう。この現象は、特にアクチュエータ１００のような１００μｌ以下の作動媒体３を用いる超小型のマイクロアクチュエータでは問題となる。上述のように少量の作動媒体３によって熱暴走が起こると数ミリ秒の間に、半導体素子６の温度は約３００℃以上上昇してしまう。
【００３４】
図１に示す実施例では、側壁１ａ、１ｂと、本体１の底部１ｃとが一体に形成されている。よって、少数の部品によりアクチュエータを製造することができるが、製造中にキャビティ２から気体を抜いて作動媒体３で満たすことが困難となる。製造過程では、作動媒体３が半導体素子６と電気接続部７の上方まで充填された後、換言すると、固体の作動媒体３の上面が側壁１ａ、１ｂの上面と面一となった後、ダイヤフラム４を有するフレーム５が本体１に接続される。具体的には、固体へ相変化して収縮した作動媒体３の上面が側壁１ａ、１ｂの上面と面一となるように、キャビティ２内を液体の作動媒体３で所定の体積分満たすことにより、上述の製造過程は行われる。
【００３５】
しかしながら、固体化する前の液体の作動媒体３には表面張力が発生するので、上述の方法を実際に行うのは難しい。そこで、キャビティ２を作動媒体３で充填した後に作動媒体３を固体化させ、作動媒体３の上面を側壁１ａ、１ｂの上面と面一とする必要がある。上面を面一とする作業は、スクレーバー等を用いて行う。しかしながら、スクレーバーを使用しても作動媒体３の上面を完全に平らにすることはできないので、ダイヤフラム４を有するフレーム５が本体１に接続されると、キャビティ２内に気体が入ってしまうという問題がある。
【００３６】
上記の問題を解決するためには、本体１を多数の構成部品から形成する必要がある。図２は、本発明の第２の実施形態を示す。第２実施形態は、第１実施形態とほぼ同一であるが、本体１が側壁１ａ、１ｂ及び底部１ｃの２つの構成部品を備えている点で異なる。本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ２００の製造時には、ダイヤフラム４を有するフレーム５が側壁１ａ、１ｂに接続される。作動媒体３がキャビティ２内に充填される前に、側壁１ａ、１ｂは一体的に形成しておいてもよい。作動媒体３をキャビティ２に充填するために、底部１ｃを固定する前に作動媒体３の下面を揃える処理を除いて、第１実施形態と同様の処理を行う。しかしながら、底部１ｃ近傍の作動媒体３はアクチュエータ２００の動作中に融解しないので、作動媒体３と底部１ｃとの間に気体が侵入して底部１ｃと固体の作動媒体３との間に気体が残っていても、キャビティ２内の気体はアクチュエータ２００の動作に何ら悪影響を及ぼさない。
【００３７】
図３は本発明の第３実施形態を示す図である。第３実施形態は図２に示される第２実施形態とほぼ同一であるが、アクチュエータ３００ではダイヤフラム４が側壁１ａ、１ｂに保持されており、フレーム５が不要な点が異なる。なお、本発明の第１及び第２、第３実施形態の構成要素を適宜組合せても良い。
【００３８】
上述したように、アクチュエータの性能が良くなるように正確に制御する点において、キャビティ２内における半導体素子６の配置及び向きは重要である。しかしながら、製造の容易さ、アクチュエータのサイズ等の種々の理由から、半導体素子６の配列は他にも多々考えられる。図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第４〜第７の実施形態の例を示している。図４（ａ）に示されるアクチュエータ４００には、水平に延び、底部１ｃの近傍に配置される半導体素子６が設けられている。アクチュエータ５００には、垂直な方向に延び、底部の近傍に配置される半導体素子６が設けられている。アクチュエータ６００には、アクチュエータ４００の構成に加え、キャビティ２内の半導体素子６から熱を除去するための放射部材８が設けられている。図４（ｄ）に示されるアクチュエータ７００には、水平な方向に延び、ダイヤフラム４の近傍に配置される半導体素子６が設けられている。繰り返すが、本発明の第１〜第７実施形態の各要素は適宜組合せてもよい。
【００３９】
作動媒体３は、分子量の異なる二種類のパラフィンワックスを混合したものが好ましい。分子量の多い方のワックスは膨張を引起こし、分子量の少ない方のワックスは分子量の多い方のワックスの結晶構造間に入り込む。両ワックスは、できるだけはっきりとした融点を持つような純度の高いものが好ましい。また、本発明のアクチュエータに使用される作動媒体３として、他のタイプのワックスを用いてもよい。例えば、ヘキサトリアコンタンを約６０％、パラフィンワックスを約４０％の割合で配合したワックスが好ましい。
【００４０】
アクチュエータ駆動中のダイヤフラム４の移動は様々な用途に有効であるが、連動機構を用いてダイヤフラム４の変形を増幅させる必要がある場合がある。図５は、アクチュエータ１００に連動部１５０を組合せた状態を示す図である。連動機構は、ダイヤフラム４の直線変位又はダイヤフラム４の変形によって生じる体積変位を増幅させるものである。図５に示される連動部１５０は体積変位を増幅させる。連動部１５０は、連動ピストン１５１と、連動フレーム１５３に接続された連動ダイヤフラム１５２とを備えている。連動フレーム１５３は、連動部の本体１５４に固定されている。
【００４１】
連動ピストン１５１は、アクチュエータ１００のダイヤフラム４に接続又は当接している。連動ピストン１５１は、本体１５４内において、ダイヤフラム４と共に上下方向に移動可能である。連動ピストン１５１の他端は、連動ダイヤフラム１５２の直下に設けられている。このような構成により、アクチュエータ１００のダイヤフラム４が連動ピストン１５１を移動させると、連動ダイヤフラム１５２が変形する。連動ダイヤフラム１５２は、ダイヤフラム４及び連動ダイヤフラム１５２、連動ピストン１５１の配置に起因して、ダイヤフラム４よりも大きく形成されている。また、ダイヤフラム１５２の体積変位は、ダイヤフラム４の体積変位よりも著しく大きい。連動ダイヤフラム１５２の変位によって発生する単位面積辺りの力は、連動部によるダイヤフラム４の変位によって発生する単位面積辺りの力よりも小さいが、作動媒体３として高エネルギー密度のワックスを用いた場合には、このことは問題にならない。ワックスアクチュエータの高エネルギー密度のワックスは、連動アクチュエータに予想される多くのアプリケーションにおいて、連動ダイヤフラム１５２に十分な単位面積辺りの力を与えることができるためである。
【００４２】
連動部１５０は製造及び組立が容易な少数の部品からなるので、連動クチュエータを安価で精度よく製造することができ、高性能で使い捨て可能な製品を提供できる。連動ピストン１５１及び連動フレーム１５３、本体１５４は、塑性材からなることが好ましい。連動ダイヤフラム１５２は、ゴム等の可撓性及び弾性を有するエラストマー材からなることが好ましい。連動ピストン及び連動フレーム、本体、ダイヤフラムには、当業者が想定し得る金属、セラミック、ガラス、シリコン等の他の材料を用いてもよい。連動フレーム１５３は、連動ダイヤフラム１５２と一体的に形成されていてもよい。
【００４３】
特に連動部１５０を用いる場合、作動流体３が融解する前にアクチュエータが位置していた初期位置へアクチュエータを戻すための力が必要となることがわかった。アクチュエータを初期位置へ戻すための力は、ばね等が連動ピストン１５１をアクチュエータ１００に向けて押圧することにより得ることができる。好ましくは、連動ダイヤフラム１５２又はダイヤフラム４の張力によって、アクチュエータを戻すための力を得ても良い。不十分な場合には、例えば、一端を本体１５４に接続され、他端を連動ピストン１５１のフランジに接続される引張ばねを設けるとよい。アクチュエータ１００に連動部１５０が設けられていない場合には、同じ理由から、ダイヤフラム４をキャビティ２に向けて押圧する押圧手段を設けることが好ましい。ダイヤフラム４に直接的又は間接的に作用する力がない場合には、高温の作動媒体３が不均一に冷却されてしまう。この現象は、以後の加熱処理にも波及的に影響を与え、不安定な動作を引起してしまう。
【００４４】
連動部１５０は、比較的薄型なので、特に連動マイクロアクチュエータへの使用に適している。連動部１５０は体積増幅型としたが、レバー及び歯車、滑車を用いた線形変位増幅型の連動部を用いてもよい。
【００４５】
本発明のアクチュエータ及び連動アクチュエータは、医療用及び工業用、環境用に用いられるバルブやポンプ、小型・中型の装置、微小なシステム等に適用することができる。
【００４６】
図５に示される連動アクチュエータの適用例として、図６にマイクロポンプを示す。マイクロポンプ１７０は、入口弁１７２と連通する入口１７１が形成されている。連動部１５０を有するアクチュエータ１００は、ポンプ室１７３の体積を変化させる。連動アクチュエータ１００及び１５０の作動によってポンプ室１７３の体積が増加すると、入口弁１７２が開放され、入口弁１７２を通って入口１７１から流体が流れ込み、ポンプ室１７３が流体によって満たされる。ポンプ室１７３が満たされると、連動アクチュエータ１００、１５０はポンプ室１７３の体積を縮小する。その結果、流体は流路１７４に沿って出口弁１７５へと圧送される。流路１７４を通過する流体は連動アクチュエータ１００、１５０から圧力を受けているので、出口弁１７５が開き、流体は出口１７６を介してポンプの外へと排出される。
【００４７】
入口弁１７２及び出口弁１７５はいずれも一方向弁である。ポンプ室１７３の体積が小さくなると、流体は、入口弁１７２を介して入口１７１へ流れることなく、流路１７４に沿ってのみ流れる。また、流路１７４を流れる流体の圧力が所定値以下まで下がると、出口弁１７５は閉じられる。連動アクチュエータ１００及び１５０が上記作動を繰返すことにより、流体は入口１７１から出口１７６へと送られる。
【００４８】
図６を参照して説明したマイクロポンプ１７０は、人体や動物の体内に液体治療薬品を注入するマイクロ注入システムといった特定の用途に利用できることが分かる。注入システムは図７に示されており、液体治療薬品１９２の加圧貯留室１９１を有している。貯留室内空間において移動可能に設けられているプランジャ１９４に対し矢印１９３で示される力が作用することにより、液体治療薬品１９２が貯留室内で加圧されている。貯留室の出口１９５がマイクロポンプ１７０の入口１７１に接続されている。液体治療薬品を注入すべき人体又は動物の体内とマイクロポンプ１７０とを連通させるための手段の一端が患者に接続され、他端がマイクロポンプ１７０の出口１７６に接続されている。この手段は、カニューレ又はこれに類似した他の器具により構成してもよい。
【００４９】
アクチュエータは、治療薬品のプログラミングされた注入を高精度で行うことを確実にするべく、少なくとも１つの流量率インジケータと協働する図示せぬ電子モジュールにより制御されることが好ましい。
【００５０】
当業者であれば添付の請求項に記載された本発明の範囲内において、本発明の様々な変形が推測可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ａ、１ｂ 側壁
１ｃ 底部
２ キャビティ
３ 作動媒体
４ ダイヤフラム
５ フレーム
６ 半導体素子
７ 電気接続部
８ 放射部材
１００ アクチュエータ
１５０ 連動部
１５１ 連動ピストン
１５２ 連動ダイヤフラム
１５３ 連動フレーム
１５４ 本体
１７０ マイクロポンプ
１７１ 入口
１７２ 入口弁
１７３ ポンプ室
１７４ 流路
１７５ 出口弁
１７６ 出口
１９１ 加圧貯留室
１９２ 治療薬品
１９３ 矢印
１９４ プランジャ
２００ アクチュエータ
３００ アクチュエータ
４００ アクチュエータ
５００ アクチュエータ
６００ アクチュエータ
７００ アクチュエータ
【図１】
2010507750.tif 000003
【図２】
2010507750.tif 000004
【図３】
2010507750.tif 000005
【図４（ａ）】
2010507750.tif 000006
【図４（ｂ）】
2010507750.tif 000007
【図４（ｃ）】
2010507750.tif 000008
【図４（ｄ）】
2010507750.tif 000009
【図５】
2010507750.tif 000010
【図６】
2010507750.tif 000011
【図７】
2010507750.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月23日(2009.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010507750.tif 000013
【図２】
2010507750.tif 000014
【図３】
2010507750.tif 000015
【図４（ａ）】
2010507750.tif 000016
【図４（ｂ）】
2010507750.tif 000017
【図４（ｃ）】
2010507750.tif 000018
【図４（ｄ）】
2010507750.tif 000019
【図５】
2010507750.tif 000020
【図６】
2010507750.tif 000021
【図７】
2010507750.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体から液体へと相変化するにつれて可逆的に膨張する作動媒体を収容するキャビティと、
前記キャビティの近傍に位置し、作動媒体の膨張及び収縮によって変形するダイヤフラムと、
前記キャビティ内に設けられ、前記ダイヤフラムの近傍に位置し、前記作動媒体を液体へと相変化させるために前記作動媒体を加熱する半導体素子とを備えることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記作動媒体に埋没されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
前記キャビティ内の前記作動媒体の一部は、作動周期中に相変化が起きることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項４】
前記作動媒体はワックスを含み、前記ワックスは、一方が他方よりも分子量の大きい二種類のワックスを配合し得るものであることを特徴とする請求項１から３に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
前記作動媒体は、約６０％のヘキサトリアコンタンと約４０％のパラフィンワックスとからなることを特徴とする請求項４に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項６】
少なくとも一部が前記キャビティ内であって前記ダイヤフラムの近傍に位置し、前記半導体素子に接続される電気接続部を有し、
前記作動媒体は、前記ダイヤフラムと前記電気接続部との間のスペースに満たされることを特徴とすることを特徴とする請求項１から５に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】
前記キャビティは、本体及び前記ダイヤフラムによって規定されることを特徴とする請求項１から６に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項８】
前記ダイヤフラムの線形変位又は体積変位を増幅する連動機構を備えることを特徴とする請求項１から７に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項９】
前記連動機構は、前記アクチュエータダイヤフラムよりも大きな連動ダイヤフラムと、前記連動ダイヤフラムを変形させる連動ピストンとを有することを特徴とする請求項８に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１から９に記載のマイクロアクチュエータを備えるポンプ。
【請求項１１】
液体の医薬品を送出するポンプであって、
入口と出口とを備えるポンプ室とを有し、
前記ポンプ室の体積は、前記マイクロアクチュエータの作動によって変化し、
さらに、入口弁及び出口弁を有することを特徴とする請求項１０に記載のポンプ。
【請求項１２】
前記出口弁の作動圧力は、前記入口弁の作動圧力よりも高いことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
【請求項１３】
液体の医薬品を送出するポンプであって、
入口弁と出口弁とを備えるポンプ室とを有し、
前記ポンプ室の体積は、熱膨張アクチュエータの作動によって変化し、
前記出口弁の作動圧力は前記入口弁の作動圧力よりも高いことを特徴とするポンプ。
【請求項１４】
前記ポンプ室の容量は、１００μｌより小さいことを特徴とする請求項１０から１３に記載のポンプ。
【請求項１５】
請求項１０から１４に記載のポンプを備える注入システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明は、固体から液体へと相変化するにつれて可逆的に膨張する作動媒体を収容するキャビティと、キャビティの近傍に位置し、作動媒体の膨張及び収縮によって変形するダイヤフラムと、キャビティ内に設けられ、ダイヤフラムの近傍に位置し、作動媒体を液体へと相変化させるために作動媒体を加熱する半導体素子とを備えることを特徴とするマイクロアクチュエータを提供している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明によれば、膨張性の作動媒体を収容するキャビティ内に高効率の半導体素子を設けたので、熱効率のよいマイクロアクチュエータを提供することができる。これにより、半導体素子が通電された際に、半導体素子から膨張性作動媒体へ直接熱を伝えることができる。本発明の実施例では、半導体素子に通電されるとダイヤフラム近傍の作動媒体が最初に膨張し、半導体素子の電源を切るとダイヤフラム近傍の作動媒体が最後に収縮するように、半導体素子はダイヤフラムの近傍に配置されている。よって、マイクロアクチュエータの制御性が向上する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
作動媒体が固体の状態から融点まで加熱された時に作動媒体を融解させるために必要な熱量は、液体の作動媒体の温度を１℃上昇させるために必要な熱量の約１００倍以上である。作動媒体の全てが液体になった時に半導体素子の熱伝達率を連用すると、作動媒体は短時間で急激に高温となり熱暴走が起こる。熱暴走を防止するために、マイクロアクチュエータの作動周期中にキャビティ内の作動媒体の一部のみを相変化させることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
マイクロアクチュエータは、直線変位又は体積変位を増幅させる連動機構を備えてもよい。連動機構は、マイクロアクチュエータによる体積変位を増幅させるために、マイクロアクチュエータによってアクチュエータダイヤフラムよりも大きい連動ダイヤフラムを変形させる連動ピストンを有してもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明の実施例では、マイクロアクチュエータは液体の治療薬品を圧送するポンプの駆動に使用されている。ポンプは、入口と出口とを有するポンプ室を備え、ポンプ室の容量はアクチュエータの作動によって変化する。このようなポンプは、周囲の圧力よりも高い圧力で治療薬品を収容する貯留室を有する注入システムの一部であることが好ましい。陽圧システムにおける漏れを防止するために、ポンプは、流体が流れる方向におけるポンプ室の互いに逆の位置に、入口弁と、入口弁よりも作動圧力が高い出口弁とを有することが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明のマイクロアクチュエータ及びポンプは、微小部品及び約１００μｌより小さい体積のポンプを有するポンプ室であることが好ましい。
【国際調査報告】
2010507750.tif 000023
2010507750.tif 000024
2010507750.tif 000025