(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な構成で比較的大きな圧送圧力により流体を微量で送ることができ、しかも冷却性が高く応答速度に優れた形状記憶合金等の形状記憶性を有するコイルを駆動源とした小型ポンプを提供する。【解決手段】形状記憶性を有するコイル２、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材３、チューブ状の弾性部材４、チューブ状の弾性部材４の両端に設けられた吸入部４ａと排出部４ｂ、吸入部４ａと排出部４ｂにそれぞれ設けられた吸入弁１０ａと排出弁１０ｂ及びコイル２への通電を制御する制御回路８からなるとともに、耐熱部材３は弾性部材４とコイル２との間にあり、弾性部材４を取り囲むように配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶性を有するコイル、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材、チューブ状の弾性部材、前記チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部と排出部、前記吸入部と排出部にそれぞれ設けられた吸入弁と排出弁及び前記コイルへの通電を制御する制御回路からなるとともに、前記耐熱部材は前記弾性部材と前記コイルとの間にあり、前記弾性部材を取り囲むように配置されていることを特徴とする、小型ポンプ。
【請求項２】
前記耐熱部材は少なくとも３個であり、且つ等間隔に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の小型ポンプ。
【請求項３】
前記耐熱部材には、前記コイルを保持するための凹部が間隔をおいて設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の小型ポンプ。
【請求項４】
前記弾性部材は、ゴム或いはプラスチックであることを特徴とする、請求項１〜３に記載の小型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶合金等の形状記憶性を有するコイルをポンプの駆動源として用いた小型ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、ポンプも小型化が進んでおり、ポンプの可動体としては、マグネットやモータなどの可動体または変位量の小さいピエゾ素子が主に用いられるようになっている。特にマイクロポンプではアクチュエータ、形状記憶合金を用いたものが使用されており、マイクロチップ、マイクロマシニング分野への製品化も進められている。これらの分野においては、流量がｎｌ／ｍｉｎ程度と微流量を制御することができ、且つ圧送圧力が０．５ｋｇ／ｃｍ２程度と比較的高い圧送圧力を実現できるポンプも次第に要請されるようになってきている。
【０００３】
特開昭６１−６１９８９号公報には、吸入弁及び吐出弁を有する半密閉容器の開口部に変形可能な密封体を接合して密閉内部空間を構成し、さらに前記密封体の変形を行なう形状記憶合金を材質とする駆動素子を設けるとともに、前記駆動素子への通電を制御する制御回路を設けたポンプ装置に関して開示されている。前記形状記憶合金は、二方向動作を示す形状記憶合金を材質としており、駆動素子は設定温度以上の高温域では収縮し、設定温度以下の低温域では伸長するように予め記憶処理されている。
【０００４】
特開平６−１５９２５０号公報には、弾性体からなるパイプとその壁中にパイプと同心円状に一体に埋め込んだ形状記憶合金コイルばねと、及び弾性体からなるパイプに取り付けられた一組の一方向弁からなる構造を有するマイクロポンプに関して開示されている。前記コイルばねは、通電して昇温させると予め記憶させておいた形状となって収縮し、通電を止めると温度が低下して形状記憶合金コイルばねがオーステナイト相からマルテンサイト相になって、抗張力がほぼオーステナイト相の時の１／３程になるという特徴を有している。前記コイルのバネの特性と前記弾性を有するパイプの蓄積された弾性力を利用することによって、ポンプの機能が発揮されるようになっている。
【０００５】
特開２００４−２５７２７４号公報には、細管状出入路の先端に出入口を設け、少なくとも一部分が外部からの力により容積変化するように作製された加圧容器内を液密に保ち、加熱冷却により伸縮を繰り返す形状記憶合金よりなるワイヤー状の作動体により前記加圧容器の容積を変化させるようにした液体ポンプに関して開示されている。この公報の実施形態１では、前記加圧容器は合成樹脂材料であり、この一部分を成し収縮膨張する液収容部は前記形状記憶合金よりなるワイヤー状の作動体が直接巻きついた状態となっている。
【特許文献１】特開昭６１−６１９８９号公報
【特許文献２】特開平６−１５９２５０号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のようにマグネットやモータを用いるものではこの分の領域も確保する必要があり、コストが高くなるとともにメンテナンスに手間がかかってしまう。また、ピエゾ素子等のアクチュエータを用いるものは小型で制御性に優れているが、変位量が小さいためにポンプの一回あたりの流量が小さくなってしまうという欠点がある。
【０００７】
一方、前記特開昭６１−６１９８９号に開示されたポンプに関しては、形状記憶合金を材質とする駆動素子が変形可能な密封体に直接接触しているので、駆動素子を加熱した後に電源を切った場合に密封体と接している部分がなかなか冷却しにくいという欠点があった。
【０００８】
また、前記特開平６−１５９２５０号に開示されたポンプに関しては、形状記憶合金コイルを弾性体からなるパイプに封入する必要があり、この分の工数とコストがかかってしまう。前記コイルはパイプによって覆われているため、通電して発熱した後は電源を切ってもなかなかコイルの冷却が進まず、ポンプの動作速度が低下してしまう。さらに、頻繁に使っていると弾性体が劣化してきて亀裂が生じてしまう虞がある。
【０００９】
さらにまた、前記特開２００４−２５７２７４号に開示されたポンプに関しては、構造は簡単であるが、合成樹脂製の加圧容器に形状記憶合金よりなるワイヤー状の作動体が直接巻きついた形となっているため、作動体が前記加圧容器と接触している部分では、作動体を加熱した後に電源を切った場合になかなか冷却しにくいという欠点があった。さらに、形状記憶合金自体が発熱するため、加圧容器としては耐熱性の高い合成樹脂を用いる必要があるとともに、電気的絶縁性を高める必要があった。
【００１０】
本発明はこのような従来の事情に鑑み、簡単な構成で比較的大きな圧送圧力により流体を微量で送ることができ、しかも冷却性が高く応答速度に優れた形状記憶合金等の形状記憶性を有するコイルを駆動源とした小型ポンプを提供することを目的としている。また、ポンプの圧送圧力及び流量を自由に調整できる小型ポンプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため本発明の小型ポンプは、形状記憶性を有するコイル、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材、チューブ状の弾性部材、前記チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部と排出部、前記吸入部と排出部にそれぞれ設けられた吸入弁と排出弁及び前記コイルへの通電を制御する制御回路からなるとともに、前記耐熱部材は前記弾性部材と前記コイルとの間にあり、前記弾性部材を取り囲むように配置されていることを特徴としている。
【００１２】
上記本発明の小型ポンプにおいて、前記耐熱部材は少なくとも３個であり、且つ等間隔に配置されていることを特徴としている。また、前記耐熱部材には、前記コイルを保持するための凹部が間隔をおいて設けられていることを特徴としている。また、前記弾性部材はゴム或いはプラスチックであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の小型ポンプは、形状記憶性を有するコイル、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材、チューブ状の弾性部材、前記チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部と排出部、前記吸入部と排出部にそれぞれ設けられた吸入弁と排出弁及び前記コイルへの通電を制御する制御回路から構成された簡単な構造であり、余分な工数を必要とせず低コストで済む。前記耐熱部材は前記弾性部材と前記コイルとの間にあり前記弾性部材を取り囲むように配置されているため、前記コイルは直接前記弾性部材に接することはなく、且つコイル自体が大気中に晒されているので前記制御回路のスイッチをＯＦＦにした場合でもすぐに冷却することができる。そのため、前記コイルはこれに呼応してすぐに伸長することができ、ポンプの応答速度も速くなる。
【００１４】
また、前記耐熱部材には、前記コイルを保持するための凹部が間隔をおいて設けられているため、前記コイルは確実に前記耐熱部材に保持されるとともに、隣り合う線どおしが接触して短絡する虞もない。
【００１５】
また、大きさが小さくコンパクトであり、且つ電源も乾電池を用いて対応できる程度の電力で済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の小型ポンプの一実施形態を図１、２に示す。図１は小型ポンプ１の概略図、図２は小型ポンプ１の要部概略縦断面図である（コイル２を除く）。小型ポンプ１は、形状記憶性を有するコイル２、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材３（以下、耐熱リブと記す）、チューブ状の弾性部材４、チューブ状の弾性部材４の両端に設けられた吸入部５ａ、排出部５ｂ、吸入部５ａに設けられた一方向弁である吸入弁１０ａ、排出部５ｂに設けられた一方向弁である排出弁１０ｂ及び制御回路８で構成されている。なお、コイル２として、本実施形態においては形状記憶合金線を採用した。
【００１７】
コイル２の両端は、接続端子６によって銅線７へと接続され、銅線７は電源８ａとスイッチ８ｂ等からなる制御回路８に接続されており、コイル２への電気的導通を制御するようになっている。なお、この制御回路８にはスイッチ８ｂのＯＮ／ＯＦＦを自動的に制御できるリレー等を設けることができる。弾性部材４と吸入部５ａ、排出部５ｂはそれぞれ固定部９によって強固に固定されており、さらに接続端子６も固定部９によって固定されている。固定部９は絶縁性の耐熱テープあるいは接着材等を用いることができる。
【００１８】
次に、上記構成をした本発明の小型ポンプ１の動作原理について説明する。
まず、制御回路８のスイッチ８ｂをＯＮにすると、コイル２に電気が導通するようになり、これ自体が抵抗体でもあることから加熱される。すると、コイル２は収縮が始まる温度まで上昇すると収縮し始め、形状記憶された状態に戻ることになる。このとき、コイル２により、これが巻かれている耐熱リブ３（図１では図３（ａ）に示すように３個）を内側へ押し付けられるような力を３方向から生じるようになるが、これ自体は高硬度で塑性変形しにくいので、さらにこれによって囲まれている弾性部材４は耐熱リブ３が内側へ食い込むように押し付けられことによって収縮する。
【００１９】
一方、スイッチ８ａをＯＦＦにすると、コイル２への電気的導通は停止され、コイル２は耐熱リブ３に接している部分以外は大気中に晒されている状態なので急速に冷却される。すると、コイル２は徐々にオーステナイト相から低い抗張力からなるマルテンサイト相へと変態して伸長していくようになり、内側の耐熱リブ３及び弾性部材４を内側へ圧縮する力は弱くなっていく。これにより、圧縮されていた弾性部材５は蓄積していた弾性エネルギーを発散させるように外側へ徐々に膨張していき、元の形状へ戻っていく。
【００２０】
ところで、弾性部材４が圧縮したときには、この中の容積は小さくなるとともに圧力は高くなるため排出弁１０ｂが開いた状態となり、弾性部材４内に入っていた流体は排出弁１０ｂを通って排出部５ｂへ排出される。一方、弾性部材４が膨張したときには、この中の容積は大きくなるとともに圧力は低くなるため排出弁１０ｂは閉じた状態となり、吸入弁１０ａが開いた状態となる。すると、吸入部５ａにあった流体は弾性部材４内へ吸入される。
【００２１】
以上のことから、制御回路８のスイッチ８ｂのＯＮ／ＯＦＦ動作を連続的に繰り返すことによりこれに呼応したポンプ駆動源としてのコイル２の連続的な伸縮動作を得ることができ、これに伴って結果的に弾性部材４の弾性による伸縮動作へとつながっていく。これにより、ある一定流量の流体を一定の圧力で移動させるポンプとしての機能を果たすことができるようになる。なお、スイッチ８ａのＯＮ／ＯＦＦに至る時間間隔を制御することにより、小型ポンプ１の流量を調整することができる。
【００２２】
ところで、耐熱リブ３は、本実施形態のようにコイル２として形状記憶合金線によるコイルを用いた場合には、これと電気的に絶縁されていることが必要であり、絶縁性を有していることが必須である。コイル２は導体であるため、コイルの隣り合う巻き線どおしが短絡するという問題が生じるからである。それに加えて、コイル２は７０℃以上に発熱するので、少なくともこの温度を超える耐熱性を示す部材である必要がある。
【００２３】
なお、耐熱リブ３の数は少なくとも３個以上であればよく、各々が等間隔で弾性部材４を取り囲んで等方的に力を加えられるようになっていればよい。例えば、図３（ｂ）に示すように弾性部材４の周りに６個の耐熱リブ３を配置し、より安定的に弾性部材４を圧縮できるような構成にすることもできる。耐熱リブ３の形状としては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように円筒状のものに限る必要はなく三角柱状のものでもよく、目的に応じて適宜選択すればよい。また、耐熱リブ３の大きさを変えリブ間のコイル２の巻き線長さを変えることにより、ポンプの流量を調整することができる。
【００２４】
また、図４に示すように、耐熱リブ３の表面にコイル２を保持するための凹部をある間隔をおいて設けることができる。これにより、隣り合う線どおしが接触して短絡する虞がなくなる。この間隔を変えることにより、圧送圧力の調整をすることができる。
【００２５】
また、本発明の小型ポンプ１の駆動源となるコイル２は、材質が形状記憶合金製のものだけには限定されず、形状記憶性を示すプラスチック、繊維等も採用することができ、目的に応じて適宜材質を選択すればよい。
【００２６】
さらにまた、本発明の弾性部材４は、ゴム、プラスチック等の樹脂が適しているが、弾性を持つものであれば目的に応じて適宜材質を選択することができる。
【００２７】
本実施形態の小型ポンプ１は、（１）コイル２の一巻き当たりの長さ（又は直径）、隣り合う巻き線どおしの間隔、素線の太さ、材質、（２）耐熱リブ３の形状、材質、（３）弾性部材４の形状、材質等、小型ポンプ１を構成する各部材を適宜選択することによって、所望のポンプの性能を実現することができる。
【実施例】
【００２８】
図１、２に示すような構成をした小型ポンプ１を作製し、性能評価を行なった。本実施例の小型ポンプ１を構成する部材の材質はそれぞれ、形状記憶性を有するコイル２はＴｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金線、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱リブ３はポリエーテルエーテルケトン製の樹脂、チューブ状の弾性部材４はシリコンゴム、チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部５ａ／排出部５ｂは塩ビ製パイプ、吸入部５ａ／排出部５ｂにそれぞれ設けられる吸入弁１０ａ、排出弁１０ｂは一方向弁を用いた。
【００２９】
表１に示すように、前記Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金線は素線の直径が０．１ｍｍで長さが２２０ｍｍのものを使用した。この素線は、変形開始の温度が７０℃であり、この温度に達すると徐々に収縮してゆき、収縮が完了すると元の長さよりも５％程度長さが短くなっている。なお、この素線の形状記憶性能は一方向のみである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
そして、図１〜３に示すように弾性部材４の外周に接するように３個の円柱状のリブ３を接着剤等により固定した後に、前記形状記憶合金線を耐熱リブ３へ１０周（１０巻き）巻きつけてコイル２を形成し、さらに両端は接続端子６を介して制御回路８につながる銅線７へ接続した。制御回路８は電源８ａとなる単一乾電池（１．５Ｖ）が４本直列に接続されたホルダ（図示せず）と、コイル２への通電をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチ８ｂから構成されている。
【００３２】
スイッチ８ｂをＯＮにすることにより、コイル２は通電して７０℃にまで加熱され、この温度を開始温度として形状記憶された状態に復元しようとして収縮する。これにより円柱状の耐熱リブ３はコイル２によって内側へ圧縮されるが、これ自体は高硬度であるため殆ど塑性変形することがなく、そのまま弾性部材４を３方向から等方的に圧縮していくことになり弾性部材４は縮む。
【００３３】
一方、制御回路８のスイッチ８ｂをＯＦＦにすると、今度はコイル２への通電は停止されるが、これは大気中に晒されているので急速に冷却される。するとコイル２は伸長するようになり、これに伴って弾性部材４は蓄えていた弾性エネルギーを発散させて膨張するようになる。
【００３４】
このように、制御回路８のスイッチ８ｂをＯＮ／ＯＦＦすることにより、形状記憶合金線であるコイル２の伸縮を介して弾性部材４の圧縮／膨張を繰り返し行なうことにより、ポンプとしての機能を果たすことができる。
【００３５】
上記構成をした本実施例における小型ポンプ１の性能を表２に示す。なお、比較例１としてダイヤフラム式ポンプ、比較例２としてインダクションモータ式ポンプのデータを併せて示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表から明らかなように、本実施例の小型ポンプ１は駆動電圧が６．０Ｖと低く、電力も１．２Ｗと小さい。また、大きさは２５００ｍｍ２と小さいにもかかわらず、圧送圧力は０．５ｋｇ／ｃｍ２と比較的大きな圧力で流量は１０ｎｌ／ｍｉｎまでの微小流量にも対応することができる。
【００３８】
これに対し比較例１のダイヤフラム式ポンプの場合、電力は３Ｗと低いが１００Ｖの電源を用いる必要があるとともに、ポンプ自体の大きさも２８５００ｍｍ２と大型になってしまう。また、流量は７００００ｎｌ／ｍｉｎが最小となっており微小流量には対応できない。
【００３９】
また、比較例２のインダクションモータ式ポンプの場合は、モータがあるためさらにポンプ自体の大きさは大きくなる。それとともに電源は１００Ｖのものを用いており、電力は１００Ｗと大きい。
【００４０】
このように、本実施例の小型ポンプ１は、ポンプ自体の構成が簡単であり余分な工数を必要とせず低コストで済む。また、大きさが小さくコンパクトであり、且つ電源も乾電池を用いて対応できる程度の電力で済むという優れた効果がある。
【００４１】
なお、小型ポンプ１を構成する各部材の形状、材質等を変えることによって、μｌ／ｍｉｎ、ｍｌ／ｍｉｎの流量域にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における小型ポンプの構成を示す概略図である。
【図２】図１の小型ポンプのうちコイルを除いた要部概略縦断面図である。
【図３】図１の小型ポンプの（ａ）要部概略横断面図、（ｂ）他の実施形態における要部概略横断面図である。
【図４】本発明における小型ポンプの耐熱部材の概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１      小型ポンプ
２      コイル
３      耐熱部材（耐熱リブ）
３ａ    凹部
４      弾性部材
５ａ    吸入部
５ｂ    排出部
６      接続端子
７      銅線
８      制御回路
８ａ    電源
８ｂ    スイッチ
９      固定部
１０ａ  吸入弁
１０ｂ  排出弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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