JP2008500494A - 電磁動作型インラインアクチュエータ - Google Patents

Abstract

流路（例：管）の壁に対して周期的な圧縮及び解放を行うタイプのマイクロ流体ポンプの電磁アクチュエータ。少なくとも１つの永久磁石が、流路の壁に接しており、流路に対して放射対称であるコイルによって発生する磁界が存在する領域に配置されている。永久磁石によって流路の壁に対する圧縮及び解放が生じ、それによって流体が流路を流れる。
【選択図】 図１

Description

関連出願

[0001]本願は、仮出願第６０／５７４，４３２号（出願日：２００４年５月２５日）明細書の優先権を主張するものであり、仮出願の内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

発明の背景

[0002]米国特許第６，２５４，３５５号及び米国特許第６，６７９，６８７号明細書には、流路の一部分における領域の圧縮を利用して流路に沿った流体の流れを発生させるマイクロ流体ポンプが説明されている。このポンプはマイクロレベルに小型化することができ、マイクロ加工手法を使用して作製することができる。基本的には、流路に沿った流体の流れが生じるように、流路の領域が特定の方法で圧縮される。

[0003]上述した特許明細書には、流路を圧縮する様々な方法が説明されている。

発明の概要

[0004]本願は、インラインコイルを使用して、流路の一部を圧縮することが要求されるタイプのマイクロ流体ポンプを駆動させる電磁アクチュエータについて説明するものである。本明細書に開示する手法によると、磁界が流路の軸線に沿った向きに発生し、その磁界を使用して圧縮を行うことでポンプが駆動する。

[0005]以下では、上記及びその他の態様について添付の図面を参照しながら説明する。

詳細な説明

[0006]本明細書に開示する実施形態においては、マイクロ流体ポンプの磁気駆動を使用する。この手法では、アクチュエータを駆動して流路の壁を圧縮する移動磁場勾配が形成される。一実施形態においては、流路は可撓性の管によって形成されている。管の壁には、永久磁石などの強磁性材料が結合されている。この動作構造は、小型化及び均整化を容易にする目的で、円筒対称にすることができる。

[0007] 一態様によれば、磁場勾配における磁気モーメントの相互作用が利用される。この相互作用の力は、次のようにテンソル関係によって記述される。

[0008]この式において、ベクトルｍは磁気モーメントを表し、ベクトルＢは磁気モーメントの位置における磁界を表す。

[0009]式１は、以下のように３つの直交する力方向に展開することができる。

[0010]これらは、この実施形態において磁石に係る力を示している。

[0011]図１は、一実施形態を示している。管１００は、ポンピング力を受け取る要素を形成している。この第１の管１００には、流体特性の異なる別の管１４０が取り付けられている。しかしながら、より一般的には、管１００，１４０は任意の流路とすることができる。

[0012]管１００の周りには、第１のコイルセット１０２及び第２のコイルセット１０４が巻かれている。コイル１０２，１０４は、電気的に動作するための電気接続部を有する。

[0013]コイルは、ｘ軸に沿って方位対称に巻くことができ、図１においては管１００に沿うものとして示されている。一態様においては、これらのコイルは、互いに電気的に接続することもでき、これにより、それらコイルの磁界が互いに同期して励起することができる。これらのコイルによって対称的な磁界が形成され、この磁界は、図１に示した磁力線１１０によっておよそ表される。磁界の影響を受ける部分１２２は、その磁界の向きがコイルの対称軸に平行であるように配置されている。一実施形態においては、磁界の影響を受ける部分は、その磁界１２２が図１におけるｘ方向である永久磁石とすることができる。永久磁石要素１２２は、例えば、実質的に円筒形状であるようにすることができるが、別の形状とすることもできる。一実施形態においては、永久磁石は放射対称である。

[0014]放射軸、角軸、及びｚ軸に沿っての或る半径の範囲のうちコイル一巻きにより生成される磁界を表すための、円筒座標を使用した分析式は、次のように周知である。

これらの式において、Ｋ及びＥは、それぞれ、第１種及び第２種の完全楕円積分である。

このとき、

[0015]これらの式を使用して、図１のコイル構造における磁界及び磁場勾配の正確な値を数値的に評価することができる。

[0016]この実施形態においては、磁石１２０は流路の外面に接触している。磁気モーメントの向きはｘ軸に沿っており、従って、磁石に係る力はｚ方向であり、次のようになる。

[0017]図２は、２つのコイル１０２，１０４の間の中心に位置するｚ軸における、磁界のｘ成分の値のグラフを示している。式１１からの、ｚ軸における力曲線は、図３のグラフとして示される。なお、この力曲線は、約「１」において明確な最小値を持つ。

[0018]コイルに交流電流を流すと、ｚ軸方向に沿う交互の力（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）が磁石１２０に印加される。この交流電流は、ポンピング作用を最大にする、或いは調整する目的で、システムの調波（ｈａｒｍｏｎｉｃ）に調整することができる。磁石１２０は、任意の望ましい方法において、例えば接着或いはその他の何らかの結合によって、外面に取り付けることができる。

[0019]図４は、流路の壁の中に永久磁石要素４００が埋め込まれている実施形態を示している。流路４０２は、壁４０４によって示される。壁４０４は、領域４０６にポケットセクションを含んでいる。永久磁石要素４００はこのポケットセクションに埋め込まれている。永久磁石要素は、完全な放射環、或いは環の任意のセクションによって形成される任意のパターンの形態をとることができる。このセクションは、環を偶数又は奇数のセクションに変更することができ、個々のセクションは任意の形状をとることができる。

[0020]図４は、１つの磁石要素４００を示している。

[0021]図５は、管の内壁５０２と外壁５０６との間に強磁性材料５００の完全な環（５００）が形成されている実施形態を示している。この環は、管の壁に埋め込まれている任意の数の個々の磁石とすることができる。図５の実施形態においては、磁石要素は円筒対称である。

[0022]図６に示した別の実施形態は、第１の磁石要素６００と、管の反対側における追加の磁石要素６０２とを有する。

[0023]磁石要素は、任意の強磁性材料の形態とすることができ、例えば、以下に限定されないが、パーマロイ、ＮｄＦｅＢ、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏが挙げられる。

[0024]図７に示した実施形態においては、弾性管の壁の中に誘導コイル７００，７０２が埋め込まれている。コイル７００，７０２の間にワイヤ７０４を延ばすことができる。１つの磁石７１０を示してあるが、磁石は、本明細書に図示及び説明した他の任意の構造を使用することができる。また、磁石は、部品のすべてが管に埋め込まれている、よりコンパクトな構造とすることができる。

[0025]この実施形態においては、ポンプは、約２．８ｍｍ^２の断面積を有する、管の弾性部で構成することができる。この弾性部は、約０．５ｍｍ^２の面積を有する硬質ガラスの部分に結合されている。ポンプの弾性部は、約２２０ｋＰａのヤング率を有するシリコンゴムによって形成されている。接合部分のより硬い材料を非対称に圧することによって生じるインピーダンス不整合によって、接合面において波の反射が生じる。

[0026]コイルは、振幅４８ｍａ、オフセット−２４ｍａの５０Ｈｚ方形波である入力波形を受け取る。図１では１３０として示されている可変電源によってコイルに通電することができる。望ましい流量及び流れ方向のための周波数は、使用する材料の特性と、壁の厚さと、セグメントの長さとに依存する。これらの特性は、数学的に計算することができ、或いは、最適な特性を実験的に決定できるように、図示したように電源及び周波数発生器を可変型とすることができる。

[0027]ここまで、いくつかの実施形態のみについて詳しく開示したが、別の変更形態も可能であり、本開示は、そのような変更形態、最も具体的には、この技術分野における通常の技術を有する者に予測できるあらゆる変更形態をカバーするものとする。例えば、上記では流路を管として説明したが、何らかの方法にて変形可能であるならば、任意のタイプの任意の流路を使用できることを理解されたい。更には、本実施形態では、開示したシステムを、流体弾性型のポンプの壁を圧縮する目的に使用する場合について説明したが、このシステムは、流路に圧縮が要求されるあらゆる用途に使用することができ、例えば、このシステムを使用して、バルブとして流路を完全に締め付ける、或いは、例えば可変流量制限器として流量を制限することができる。更に、このシステムを使用して、例えば蠕動ポンプ内の部分を圧縮することもできる。

[0028]また、「〜する手段」という語句を使用している請求項についてのみ、３５ＵＳＣ１１２条第６パラグラフの下に解釈されるものとする。更には、明細書における制限は、それらの制限が請求項に明示的に含まれていない限りは、いずれの請求項にも読み込まれないものとする。

これらの態様及び他の態様は、以下の添付図面を参照して示される。
管をベースとするポンプと、このポンピングシステムを作動させる磁気コイル及びアクチュエータを示す図である。 ポンプ内の力の特性曲線を示す図である。 ポンプ内の力の特性曲線を示す図である。 管の弾性壁に埋め込まれているアクチュエータを示す図である。 管の周囲を完全に囲むように埋め込まれているポンピングアクチュエータを示す図である。 管の両側に存在しているアクチュエータを示す図である。 アクチュエータとコイルとの両方が管の壁に埋め込まれている実施形態を示す図である。

Claims (24)

1. 流路を画成している壁と、
   前記流路に対して円筒対称である少なくとも１つのコイルと、
   前記コイルの磁界内の領域に、前記壁に接するように配置されており、前記流路の領域内の前記磁界によって動かされる被影響部と、
   を備えている電磁アクチュエータ。
2. 前記コイルが、前記被影響部の第１の側における第１のコイル部分と、前記被影響部の第２の側における第２のコイル部分とを含んでおり、前記第１のコイル部分と前記第２のコイル部分との両方が前記流路に対して円筒対称である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１のコイル部分と前記第２のコイル部分との間の電気接続部を更に備えている請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記少なくとも１つのコイルを駆動する電源との接続部を更に備えている請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 前記電源が、前記少なくとも１つのコイルを交流電流によって駆動し、前記交流電流の少なくとも１つのパラメータを調整する装置を更に備えている、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記少なくとも１つのパラメータが前記交流電流の周波数である、請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記被影響部が前記壁に埋め込まれて配置されている永久磁石である、請求項１に記載のアクチュエータ。
8. 前記コイルの少なくとも一部が前記壁に埋め込まれて配置されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
9. 前記コイルの少なくとも一部が前記壁に埋め込まれて配置されている、請求項２に記載のアクチュエータ。
10. 前記流路が第１の流体特性を有する流路である、請求項１に記載のアクチュエータであって、
    第２の流体特性を有し、前記第１の流路に結合されており、ポンピング機構を形成している、第２の流路、
    を更に備えているアクチュエータ。
11. 前記被影響部が前記流路に対して円筒対称である永久磁石である、請求項１に記載のアクチュエータ。
12. 流路によって画成される軸線に沿って延びる力線を有し、且つ前記軸線に沿う磁界を形成する磁界形成ステップと、
    前記流路に接触し、磁界の影響を受ける被影響部を動かすために、前記磁界を使用する磁界使用ステップと、
    を含んでいる方法。
13. 前記磁界形成ステップが、
    前記軸線に沿って延びている第１及び第２のコイル部分を使用するステップであって、前記被影響部が前記第１及び第２のコイル部分の間にある、ステップ、
    を含んでいる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記磁界形成ステップが、磁界コイルを前記流路の壁に埋め込むステップを含んでいる、請求項１２に記載の方法。
15. 前記磁界使用ステップが、前記流路を画成している壁に少なくとも１つの永久磁石を埋め込むステップを含んでいる、請求項１２に記載の方法。
16. 前記磁界使用ステップが、前記流路を画成している壁に少なくとも１つの永久磁石を埋め込むステップを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
17. 前記磁界形成ステップが、前記流路に対して円筒対称であるコイル部分を使用するステップを含んでいる、請求項１３に記載の方法。
18. 前記第１のコイル部分と前記第２のコイル部分とを電気的に接続するステップを更に含んでいる請求項１３に記載の方法。
19. 前記第１のコイル部分と前記第２のコイル部分とを互いに同期的に駆動するステップ、を更に含んでいる請求項１３に記載の方法。
20. 永久磁石の前記動きを使用して流体を送り込むステップを更に含んでいる請求項１２に記載の方法。
21. 第１の特性を有する第１の流路と、
    前記第１の流路に結合されており、前記第１の特性とは異なる第２の特性を有する第２の流路と、
    前記第１の流路におけるアクチュエータであって、前記第１の流路に対して放射対称であるコイル部分と、前記コイル部分の磁界の領域内に形成され磁気的な影響を受ける磁気的被影響部とを有し、前記磁気的被影響部が前記第１の流路を圧縮するように動作することで前記第１の流路における流体が前記第２の流路に送り込まれる、アクチュエータと、
    を備えているポンピングシステム。
22. 前記コイル部分が前記第１の流路の壁に埋め込まれている、請求項２１に記載のポンピングシステム。
23. 前記磁気的被影響部が前記第１の流路の壁に埋め込まれている、請求項２１に記載のポンピングシステム。
24. 前記磁気的被影響部が永久磁石である、請求項２３に記載のポンピングシステム。

Images