形状記憶合金アクチュエータで駆動されるバルブレスポンプの研究
吉富秀樹 *A Study on a Valve-less Pump driven by Shape Memory Alloy Actuator
Hideki YOSHITOMI
The investigation described in this paper was undertaken to clarify the feasibility of a valve-less pump driven by shapememory alloy(SMA) actuator. The SMA actuator can move by a buttery without generating the sound. So, a silent
valve-less pump for portable equipment can be made by using the SMA actuator. At first, the characteristics of the SMA
actuator such as generated force and driving cycle time were tested. And then, the valve-less pump driven by the SMA
actuator was fabricated to examine the pump performance. As the result of the examination, the pump flow rate 5～
10ml/min was obtained in the condition of driving voltage 3.8V. Therefore, the feasibility of the SMA driven valve-lesspump was confirmed. However, it has been clarified that it is difficult to increase driving cycle number in order to improve
the performance because the SMA actuator is a heat drive type.
Key Words: Valve-less pump, Fluidic diode, Pumping characteristics, Shape memory alloy actuator

１．はじめに近年，パソコン等情報処理端末の CPU 冷却用のマイクロポンプ，あるいは，超小型化学分析システム用のマイクロポンプなど，小型の送液システムの技術開発が重要な課題となっている 1),2)．ところで，ポンプには，逆流を阻止し整流する機構が組み込まれており，一般的には逆止弁などの機械的可動弁が用いられる．機械的可動弁は，効率良く整流できるものの，ポンプのマイクロ化に伴い弁の作動部の摩擦力が流体力（慣性力）に比べて相対的に増大し，マイクロポンプの安定な作動を妨げる要因になると言われている 2)．また，機械的可動弁は，当然ながらメンテナンスが必要であり，このことも薬液などの移送ポンプとしては問題になる．このような背景から，機械的可動弁を持たないポンプすなわちバルブレスポンプが注目されている 3)．
バルブレスポンプは，機械的可動弁を持たないもののポンプとして機能するためには弁の代わりに整流する機構が必要であり，筆者は，流体素子の一種である渦流型流体ダイオード 4)で整流するバルブレスポンプを考案し研究開発を行ってきた 5)～7)．
原稿受付 平成 27 年 9 月 9 日*機械工学科− 1−

第１報 5)では渦流型流体ダイオードの整流特性を実験的に解析するとともに，渦流型流体ダイオードを用いたバルブレスポンプの性能解析法を示した．
第２報 6)では，発熱量 100[W]の電子機器冷却用ポンプを想定した流量 200[mL/min]程度の送液能力をもつバルブレスポンプを設計製作し，空気圧アクチュエータによって駆動することによって送液試験を行い，ポンプ特性を解析するとともに第１報 5)の性能解析法の妥当性を示した．
第２報 6)の空気圧駆動バルブレスポンプは，ほぼ設計通りの性能を達成したが，CPU 冷却用や化学分析システム用のポンプに適用するには，空気圧アクチュエータの発生する騒音が大きいという問題があった．また，携帯用化学分析器や携帯用医療機器の組み込み用ポンプを想定した場合にも，空気圧アクチュエータはコンプレッサーが必要になるため取り扱いが不便になる．この問題に対応するため，筆者は近年注目されているニューアクチュエータの一種である形状記憶合金アクチュエータ（Shape MemoryAlloy Actuator，以後，SMA actuator と称すことがある）に着目した．形状記憶合金アクチュエータは，全く作動音のしないサイレントなアクチュエータであり，小型のバッテリー（蓄電池）で駆動できることから携帯機器にも適用できる．そこで，本研究では，形状記憶合金アクチュエータで駆動するバルブ

津山高専紀要

第５７号

レスポンプを試作し，試験研究によって移送ポンプとしての可能性を検討した．

（２０１５）
伸長（冷却）

れ

向流
逆方

れ
向流

順方

渦室軸ノズル

Fig.1 Vortex diode

SMA－＋－WW
バイアス錘

Fig.3 Drive of the shape memory alloy actuator

キ・コーポレーション（株）の BMX150 と呼ばれているコイル状の形状記憶合金を用いた．伸長行程は，Fig.3 のように，常温でバイアス錘によって伸長させる．また，収縮行程は，形状記憶合金に電流を流すことによって電気的に加熱する方法で収縮させる．なお，常温に戻す操作は，本研究では印加電流を切って自然放冷で冷やしている．
電気的に加熱するため，形状記憶合金の電気的特性が問題になる．そこで，形状記憶合金の販売元が示している BMX150 の特性を Table 1 に示す．標準駆動電流は 200～300[mA]となっていることから，形状記憶合金の焼損を防ぐためにも印加電流は最大300[mA]に抑える必要がある．また，標準コイル径は 0.62[mm]，線材直径は 0.15[mm]であり，かなり細いものであることがわかる．伸縮割合は 50[%]となっている．

ダイオード

Table 1 Characteristics of BMX150

項 目
標準コイル径
線材直径
伸縮割合
標準駆動電流標準電気抵抗使用可能温度

吐出吸込＋伸縮長

バルブレスポンプの原理については第１報 5)で詳しく説明しているが，ここでも簡単に述べておく．
まず，整流用の渦流型流体ダイオードの構造を Fig.1に示す．この流体ダイオードは，逆方向流れにおいて渦室内に強い渦巻き流れが生じて大きな流動抵抗を示す．一方，順方向流れは，流動抵抗は小さく流れやすい．この双方向の流れの流動抵抗の差によって，逆流を完全に止めることはできないものの，ある程度の逆止弁効果を発揮する．本研究では，この流体ダイオードを吸込弁および吐出弁の代わりに用いて Fig.2 に示すようなバルブレスポンプを構成している．ポンプの形態としては容積型ポンプであり，吸込・吐出行程はベローズ（蛇腹）を駆動用アクチュエータで伸縮して行う．

ダイオード

スイッチON

通電加熱

２．バルブレスポンプの原理

接線ノズル収縮（加熱）スイッチOFF

ポンプ室
ベローズ
アクチュエータ

単位mmmm%mAΩ/m℃

BMX1500.620.15
50
200～300
400
50～60３．２ 形状記憶合金アクチュエータ製作した形状記憶合金アクチュエータを Fig.4 に示す．形状記憶合金 BMX150 の素材を長さ 60[mm]にカットし，両端に圧着端子を取り付けたものである．伸縮長さは 15[mm]に設定しており，全長に対すFig.2 Schematic diagram of the valve-less pump

３．形状記憶合金アクチュエータ
３．１ 形状記憶合金
形状記憶合金は，変形しても，ある温度以上に加熱すると元の形状に回復する性質を持つ．
そこで，常温においてバイアス力で伸長させておき，その後，加熱すれば収縮する．この操作を繰り返せば，往復運動をするアクチュエータとして使えることになる．
本研究の形状記憶合金は市販品を用いており，ト−2−形状記憶合金

Fig.4 Shape memory alloy actuator形状記憶合金アクチュエータで駆動されるバルブレスポンプの研究

る伸縮割合は 25[%]となり，Table 1 の伸縮割合 50[%]以内に収まるようにしている．

Da吉富

Dv Thickness:SB

４．形状記憶合金アクチュエータで駆動するバ
ルブレスポンプ
４．１ バルブレスポンプの構造
本研究で製作した形状記憶合金アクチュエータ
駆動バルブレスポンプの構造を Fig.5 に示す．主要部は透明アクリル樹脂で作っており，上部のヘッド内に整流用の渦流型流体ダイオードが組み込まれている．ポンプの吸込行程と吐出行程は，ゴム製ベローズを形状記憶合金アクチュエータで伸縮することで行われる．形状記憶合金アクチュエータは，Fig.4のものをベローズの周囲に４本取り付け，４本同時に駆動することでパワーの増強を図っている．また，この図には示していないが，形状記憶合金を伸長させるため，下部の摺動栓に質量 30[g]のバイアス錘を取り付けている．
φ64

Table 2 Size of the vortex diode記号項目
渦室直径

Dv14[mm]

渦室厚み

S

1.5[mm]

軸ノズル径

Da3[mm]

接線ノズル幅

B

1.5[mm]

接線ノズル厚みS

1.5[mm]PBS1LS2SMA

000

500001501

PC 502003 KV-16DR002

PBS2004
Cノズル
ヘッド

Valveless-pump

DC24V＋ －CLS1＋ －DC24V

渦流型流体ダイオード

寸法＋ －DC24VDC Power
Supply＋ －DC3V

DC Power
SupplyFig.6 Control system of the SMA actuator
形状記憶合金テムとなっている．LS1 と LS2 の間のストローク長は，前記のように，15[mm]に設定してある．
形状記憶合金に電流を印加する電源として直流電源を設置している．Fig.6 の右側の直流電源が，電流印加用の電源であり，これは電圧および電流をコントロールできる．印加電流は，形状記憶合金の焼損を防止するため，前述のように，１本当り最大300[mA]に抑えることとし，４本合計で 1200[mA]でリミッターが効くように設定した．

120

ゴム製ベローズ
摺動パイプ
摺動栓

Fig.5 SMA actuator driven valve-less pump

ヘッド部に組み込んでいる渦流型流体ダイオー
ドの形状および主要寸法を，Table 2 に示す．Table
2 の記号と挿絵の記号が対応している．主な寸法は，渦室直径 14[mm]，渦室厚み 1.5[mm]，軸ノズル
径 3[mm]，接線ノズルは断面が 1.5[mm]×1.5[mm]の正方形流路となっている．
４．２ 制御装置
形状記憶合金アクチュエータは PC（プログラマブルコントローラ）で制御しており，その制御システ
ムを Fig.6 に示す．形状記憶合金が伸長・収縮するストロークの下端にリミットスイッチ LS1 を設け，上端に LS2 を設けている．摺動栓が LS1 に当ると電流を印加し，LS2 に接触すると電流を切るシス− 3−

５．形状記憶合金アクチュエータの特性
Fig.6 のシステムを用いて形状記憶合金アクチュエータの特性を計測した．このとき，バルブレスポンプ本体には水を流さず，無負荷状態で試験した．
５．１ 印加電流と発生力印加電流と形状記憶合金アクチュエータの発生力（収縮力）の関係を Fig.7 に示す．なお，Fig.7 の特性は，Fig.4 の形状記憶合金アクチュエータを４本同時に用いた時の特性であり，発生力と電流はいずれも４本合計した値である．Fig.7 によると，印加電流が 1.1[A]（１本当り 275[mA]）のとき約 3.9[N]（１本当り 0.98[N]）の力を発生していることがわかる．

津山高専紀要

第５７号（２０１５）

ら，伸長行程に時間がかかり，駆動サイクル数を上げることが難しい．

4.5
4.0

５．３ 印加電流と電圧の関係
形状記憶合金アクチュエータに印加した電流と電圧の関係を Fig.9 に示す．1.1[A]の電流を印加したときの電圧は 3.8[V]となっている．この電圧値は，小型のバッテリーで駆動できるレベルであり，このことからも，形状記憶合金アクチュエータ駆動バルブレスポンプは携帯機器組み込み用ポンプとしての可能性を持っていることが確認できる．

発生力 [N]

3.5
3.02.52.0
1.5
1.00.50.00.20.40.60.81.0
印加電流 [A]1.21.4Fig.7 Generated force of the SMA actuator

６．形状記憶合金アクチュエータで駆動するバ
ルブレスポンプの送液特性

20.0
収縮行程

変位 (mm)

15.0

伸長行程

６．１ 送液試験装置
試験装置を Fig.10 に示す．吸込側タンクは，補助ポンプとオーバーフロー管によって水位を一定に保っている．送液量は，吐出側タンクのオーバーフロー管から出た水をメスシリンダで受けて体積と時間を測る体積法によって求めた．なお，試験液は常温の水道水を用いた．

10.0
5.00.0-5.0051015202530

時間 (sec)

吐出側タンク

吸込側タンク

計量タンク

補助ポンプ

Fig.8 Displacement curve of the SMA actuatorP

５．２ 駆動サイクル
印加電流を 1.0[A]に設定し，形状記憶合金アクチ
ュエータを伸長・収縮させたときの変位曲線を Fig.8に示す．
Fig.8 を見ると，1 サイクルに約 5.5[sec]かかっているのでサイクル数は 10.9[cycle/min]である．収縮行程は，印加電流による加熱で形状記憶合金が縮む時間であるが，これは約 2 秒となっている．一方，伸長行程は約 3.5 秒かかっている．前記のように，伸びる時は自然放冷で冷えて伸びるため，どうしても伸長行程に時間がかかってしまう．このように，形状記憶合金アクチュエータは熱駆動型であることか

SMA駆動バルブレスポンプ

Fig.10 Experimental apparatus

６．２ 送液試験結果
形状記憶合金アクチュエータ駆動バルブレスポ
ンプの送液試験結果として，印加電流をパラメータとした時の流量と揚程の関係を Fig.11 に示す．印加電流を 0.81～1.11[A]の範囲で段階的に変化させた
とき，それぞれの印加電流におけるポンプの最大流
1443210電流=0.81[A]
電流=0.89[A]電流=1.01[A]
電流=1.11[A]

12

流量 [mL/min]

印加電圧 [V]51086420.50.60.70.80.9 1.0 1.1印加電流 [A]

1.2

1.3

1.401.5

Fig.9 Applied voltage and current

0510

揚程 [mm]Fig.11 Flow rate of the SMA driven pump

−4−15容積効率 [%]形状記憶合金アクチュエータで駆動されるバルブレスポンプの研究

20181614121086420

電流=0.81[A]
電流=0.89[A]電流=1.01[A]
電流=1.11[A]051015揚程 [mm]Fig.12 Volumetric efficiency of the SMA driven pump

量は 5～10[mL/min]であり，揚程は 12[mm]まで確認できた．流量，揚程ともに小さいが，超小型化学分
析システム用のマイクロポンプは，文献 2),8)によると 8～16000[µL/min]程度の微量の薬液の移送操作を行うもので，高所に多量の液を送るものではないことから，本研究のバルブレスポンプも適用できる可能性がある．したがって，形状記憶合金アクチュエータで駆動するバルブレスポンプは，送液システムとしての可能性を持っていることが実証できた．
次に，このバルブレスポンプの容積効率を Fig.12に示す．容積効率の最大値は，8～13[%]となっている．本研究のようなバルブレスポンプは，逆流を完全には止められないため，もともと効率は低いのであるが，第２報 6)の空気圧駆動バルブレスポンプでは容積効率は最大 31[%]が確認できていた．本研究のバルブレスポンプと空気圧駆動バルブレスポンプは構造や大きさが異なるため直接の比較はできない
が，容積効率が低い理由は次のように考えられる．
すなわち，形状記憶合金アクチュエータが熱駆動型であるため，前記のように，ポンプの吸込行程に時間がかかってしまう．このため，吐出行程においていったん吐出側へ吐き出した水が，吸込行程でポンプ室へ逆流してしまい，正味の送液量が減少するのである．駆動サイクル数をみると，空気圧駆動バル
ブレスポンプは第２報 6)によると 90～180[cycle/min]
14時間 [sec]1210

揚程12mm、吸込時間揚程12mm、サイクル時間

揚程=7mm、吐出時間揚程=7mm、吸込時間揚程7mm、サイクル時間

本研究では，作動音が静かなバルブレスポンプを実現するため，全く音のしないアクチュエータである形状記憶合金アクチュエータで駆動するバルブレスポンプを試作し，試験研究を通じて送液システムとしての可能性を検討した．その結果，形状記憶合金アクチュエータへの印加電圧 3.8[V]という小型のバッテリーレベルの電圧で，流量 5～10[mL/min]の送液が確認でき，超小型化学分析システムなどの送液システムとしての可能性が実証できた．小型のバッテリーレベルの電圧で駆動できることは，携帯機

6420.80.91.01.1
印加電流 [A]1.2であったが，本研究のバルブレスポンプは 8～10[cycle/min]程度であり１桁小さい．したがって，形状記憶合金アクチュエータ駆動バルブレスポンプの性能を向上させるには，駆動サイクル数を上げることが課題として浮かび上がってくる．
そこで，形状記憶合金アクチュエータのサイクル時間を分析するため，送液試験から得られた吸込時間，吐出時間およびサイクル時間と印加電流の関係を Fig.13 に示す．
さて，形状記憶合金アクチュエータは，印加電流を大きくすると速く動き，その結果，サイクル数が増えるものと期待しがちであるが，実はそうはならないことが Fig.13 からわかる．すなわち，Fig.13 によると，電流を大きくすると，確かに吐出時間（収縮時間）は短くなっているが，反面，吸込時間（伸長時間）が長くなっており，トータルのサイクル時間はほとんど変わらない．これは，電流を大きくすると形状記憶合金の温度が上がってしまい，冷えるのに時間がかかるためと考えられる．つまり，形状記憶合金アクチュエータは熱駆動型であることから，印加電流の大きさに対して，吐出（収縮）と吸込（伸長）に要する時間は逆の関係になるのである．
結局，電流を大きくするだけは駆動サイクル数を上げることが難しいことがわかる．吸込時間（伸長時間）を短くする対策としては，水冷にするなどの方法が考えられるが，これは今後の課題とする．
また，形状記憶合金アクチュエータ駆動に限らず，バルブレスポンプの高流量化・高性能化において，一つの方向性として，複動型の採用という考え方がある．つまり，本研究では，最も基本的な単動型（１サイクルで 1 回の吸込・吐出を行うタイプ）のバルブレスポンプを構成したが，これを複動型（１サイクルで２回の吸込・吐出を行うタイプ）にすれば，サイクル数が上げられないという問題を克服できる可能性がある．このような複動型のバルブレスポンプについては，次報で報告する予定である．

７．まとめ

揚程=12mm、吐出時間80

吉富

1.3

Fig.13 Cycle time of the SMA driven pump− 5−

津山高専紀要

第５７号

器組み込み用ポンプなどへの展開も期待できる．
しかしながら，形状記憶合金アクチュエータは熱駆動型であるため，駆動サイクル数を上げることが困難で，バルブレスポンプの高流量化に難点があることが課題として浮かび上がった．
このように，本研究では，送液システムとしての可能性の実証とともに課題も明らかになったが，形状記憶合金アクチュエータ駆動バルブレスポンプは，全く作動音のしないサイレントなバルブレスポンプを実現できるなど利点も多く，このバルブレスポンプの特長を活かせる用途開発を行うことができれば，実用化の可能性は期待できるものと考えられる．
謝 辞
本研究は，(独)科学技術振興機構の研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）の助成を受けて行った（課題番号 AS231Z00548B）．ここに記して謝（２０１５）

意を表する．
参考文献
1）横田，徐，吉田，枝村：電界共役流体(ECF)を応用した電子チップ液冷用平面薄形ポンプ，日本機械学会論文集(C 編)，71巻 709 号(2005-9)，pp.132～138.
2）木寺，塚本，宮崎：圧電素子をアクチュエータとするバルブレスマイクロポンプ，ターボ機械，Vol.31，No.7(2003)，pp.435～439.
3）Nam-Trung Nguyen, Steven T. Wereley: Fundamentals and Applications of Microfluidics, Artech House, (2002), pp.308～312
4）尾崎省太郎，原美明：純流体素子入門，日刊工業新聞社，(1967)，pp.97～98.
5）吉富，井上：流体ダイオードを用いたバルブレスマイクロポンプの研究 －流体ダイオードの整流特性とポンプ性能の理論解析－，津山工業高等専門学校紀要，No.49(2008), pp.9-15.
6）吉富：空気圧駆動バルブレスポンプの送液特性，津山工業高等専門学校紀要，No.54(2013), pp.1-6.
7）吉富：異なるアクチュエータによって駆動する小型バルブレスポンプの送液特性，平成24年春季フルードパワーシステム
講演会講演論文集，(2012), pp.61-63.
8）Michael Koch, Alan Evans, Arthur Brunnschweiler:Microfluidic
Technology and Applications, Research Studies Press Ltd. (2000),
pp.177～216.

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