JP2015206331A - 形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】非動作時の形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的解消するコンパクトな形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブを提供する。【解決手段】筐体と、形状記憶合金ワイヤと、ワイヤの一端を保持しつつ変位動作する可動部材と、ワイヤの他端を保持しつつ筐体により伸縮方向に移動自由に保持される静止部材と、筐体と可動部材とを接続し可動部材に伸長方向への弾性力を与える第１弾性部材と、筐体と静止部材とを接続し静止部材に伸長方向へ第１弾性部材の弾性力未満の力を与える第２弾性部材と、可動部材の変位を制限する筐体と連結された基準部材と、静止部材の伸長方向への移動を拘束せず収縮方向への移動を拘束する一方向クラッチ機構と、可動部材に保持されワイヤに接続された可動電極と、静止部材に保持されワイヤに接続された静止電極と、両電極間に電圧を印加する電圧印加部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶合金ワイヤを用いたアクチュエータにおいて、バイアスバネより発生力の小さいテンションバネを設けることで、非動作時の状態において形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的に解消する形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブに関する。

マイクロマシン技術等の微細加工技術を利用して微小流路又は反応容器等を作成し、その上で化学分析又は化学合成、バイオ実験などを行うデバイスとして、マイクロ流体デバイスが知られている。マイクロ流体デバイスは、μ−ＴＡＳ又はＬａｂｏ ｏｎ ａ ｃｈｉｐとも呼ばれ、開発が行われている。通常、マイクロ流体デバイスでは、血液等の供給された液体を、デバイス上に設けられた反応部に送液して、熱的又は化学的な反応処理を行う。その後、反応処理後の液体を、デバイス上に設けられた検出部に送液し、反応の結果を判定することで、供給された液体の評価を行う。そのため、マイクロ流体デバイスでは、液体の流れをコントロールするためのマイクロポンプ又はマイクロバルブが必要とされている。マイクロポンプ又はマイクロバルブの方式の一つとして、マイクロ流体デバイスに設けられたダイアフラムを変形させる方式がある。ダイアフラムを変形させて流路を押しつぶすと、バルブになる。また、逆止弁とダイアフラムの往復変位に伴う容積変化とを利用することで、いわゆるダイアフラム式のポンプを構成することができる。ダイアフラムを変形させる方式は、駆動するアクチュエータを自由に選択することができるので、圧電、静電、又は、電磁等様々なアクチュエータを利用した方式が提案されている。このようなマイクロポンプ又はマイクロバルブの方式の一つとして、形状記憶合金アクチュエータを用いたダイアフラム式のマイクロポンプ又はマイクロバルブが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。形状記憶合金アクチュエータは、ワイヤ状の形状記憶合金が、通電加熱により温度上昇することで収縮し、自然放熱で温度が低下することで、元の長さに伸張する現象を利用したものである。形状記憶合金アクチュエータを用いることで、変位方向以外のサイズがコンパクトなマイクロポンプ又はマイクロバルブを構成できるようになり、マイクロ流体デバイス上に複数のマイクロポンプ又はマイクロバルブを容易に配置できるようになる。

このような用途で用いる形状記憶合金アクチュエータでは、形状記憶合金ワイヤに予圧を加えるバイアスバネの力を形状記憶合金アクチュエータの非動作時、すなわち形状記憶合金ワイヤが伸長している状態において外部に取り出せるようにすることで、例えばダイアフラム式のマイクロバルブをノーマリークローズの状態にすることができるようになるので、形状記憶合金アクチュエータは間欠的な動作を行うダイアフラム式のマイクロポンプやマイクロバルブに対して好適なアクチュエータとなる。

特許第２９１２３７２号公報 特許第３０２０４８８号公報

マイクロ流体デバイスのマイクロポンプ又はマイクロバルブを動作させる形状記憶合金アクチュエータのストロークは、ダイアフラムの変形に必要なわずかな量（例えば０．１ｍｍ）だけであるので、４％程度のひずみを発生できる形状記憶合金ワイヤを用いることでコンパクトなアクチュエータとすることができる。しかし、このようなストロークの小さいアクチュエータを構成した場合、形状記憶合金ワイヤの緩みが及ぼす影響を無視できなくなる。例えば形状記憶合金アクチュエータのストロークと同程度（例えば０．１ｍｍ）の形状記憶合金ワイヤの緩みがあると、形状記憶合金ワイヤはストロークの倍の収縮をしなければならない。また、形状記憶合金アクチュエータは形状記憶合金ワイヤの緩みが収縮により解消してから動作を開始することになるので、形状記憶合金アクチュエータの動作も遅れることになる。複数の形状記憶合金アクチュエータを用いて複数のマイクロポンプを同期動作させる場合などには、このような動作の遅れは大きな問題となる。

従来、形状記憶合金アクチュエータにおける形状記憶合金ワイヤの緩みを無くすためには、バイアスバネによる予圧が常に形状記憶合金ワイヤに作用する構成にしたり、組立時に形状記憶合金ワイヤを引っ張った状態で固定したりすることが行われている。しかし、前者の構成では、形状記憶合金アクチュエータが非動作の状態において外部に力を取り出すことはできず、例えばダイアフラム式のマイクロバルブをノーマリークローズの状態にすることができなくなる。また後者の構成でも、組み付け後に形状記憶合金ワイヤがクリープ現象により伸びることで発生する緩みや、形状記憶合金アクチュエータをダイアフラム等に押し付けることで、形状記憶合金ワイヤを固定した状態と非動作時の状態が変化してしまった場合などに発生する緩みについては対応することができなかった。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、非動作時における形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的に解消できるコンパクトな形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、筐体と、形状記憶合金ワイヤと、前記形状記憶合金ワイヤの一端を保持するとともに、変位動作を行う可動部材と、前記形状記憶合金ワイヤの他端を保持するとともに、前記筐体により前記形状記憶合金ワイヤの伸縮方向に移動自由に保持される静止部材と、前記筐体と前記可動部材とを接続し、前記可動部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への弾性力を作用させる第１弾性部材と、前記筐体と前記静止部材とを接続し、前記静止部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向へ前記第１弾性部材の弾性力より小さい弾性力を作用させる第２弾性部材と、前記第１弾性部材の弾性力による前記可動部材の変位を制限する、前記筐体と連結された基準部材と、前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への前記静止部材の移動を拘束せず、収縮方向への前記静止部材の移動を拘束する、前記筐体部材に設けられた一方向クラッチ機構と、前記可動部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの一端に接続された可動電極と、前記静止部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの他端に接続された静止電極と、前記可動電極と前記静止電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、を備える形状記憶合金アクチュエータを提供する。

これらの概括的かつ特定の態様は、システム、方法、並びに、システム及び方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。

本発明の前記態様によれば、形状記憶合金アクチュエータの非動作時、すなわち形状記憶合金ワイヤが伸長している状態において、第１弾性部材の弾性力は可動部材が基準部材に押し付けられることで反力と釣り合わされる。従って、形状記憶合金ワイヤに作用する張力は第２弾性部材の弾性力によるものになる。第２弾性部材の弾性力は第１弾性部材の弾性力より小さいため、可動部材が基準部材に押し付けられたまま形状記憶合金ワイヤは第２弾性部材の弾性力により引っ張られ、緩みが解消されることになる。形状記憶合金ワイヤが収縮し、形状記憶合金アクチュエータが動作する際には、静止部材の形状記憶合金ワイヤの収縮方向への移動は一方向クラッチ機構により拘束されるので、形状記憶合金ワイヤの収縮は全て可動部材が変位することに用いられるようになる。よって、非動作時における形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的に解消できるコンパクトな形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータの非動作時における概略を示す図である。 本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータの動作時における概略を示す図である。 本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータを用いたポンプ、バルブの形状記憶合金アクチュエータ非動作時における概略を示す図である。 本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータを用いたポンプ、バルブの形状記憶合金アクチュエータ動作時における概略を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態について説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、筐体と、形状記憶合金ワイヤと、前記形状記憶合金ワイヤの一端を保持するとともに、変位動作を行う可動部材と、前記形状記憶合金ワイヤの他端を保持するとともに、前記筐体により前記形状記憶合金ワイヤの伸縮方向に移動自由に保持される静止部材と、前記筐体と前記可動部材とを接続し、前記可動部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への弾性力を作用させる第１弾性部材と、前記筐体と前記静止部材とを接続し、前記静止部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向へ前記第１弾性部材の弾性力より小さい弾性力を作用させる第２弾性部材と、前記第１弾性部材の弾性力による前記可動部材の変位を制限する、前記筐体と連結された基準部材と、前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への前記静止部材の移動を拘束せず、収縮方向への前記静止部材の移動を拘束する、前記筐体部材に設けられた一方向クラッチ機構と、前記可動部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの一端に接続された可動電極と、前記静止部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの他端に接続された静止電極と、前記可動電極と前記静止電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、を備える形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、形状記憶合金アクチュエータの非動作時、すなわち形状記憶合金ワイヤが伸長している状態において、第１弾性部材の弾性力は可動部材が基準部材に押し付けられることで反力と釣り合わされる。従って、形状記憶合金ワイヤに作用する張力は第２弾性部材の弾性力によるものになる。第２弾性部材の弾性力は第１弾性部材の弾性力より小さいため、可動部材が基準部材に押し付けられたまま形状記憶合金ワイヤは第２弾性部材の弾性力により引っ張られ、緩みが解消されることになる。形状記憶合金ワイヤが収縮し、形状記憶合金アクチュエータが動作する際には、静止部材の形状記憶合金ワイヤの収縮方向への移動は一方向クラッチ機構により拘束されるので、形状記憶合金ワイヤの収縮は全て可動部材が変位することに用いられるようになる。よって、非動作時における形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的に解消できるコンパクトな形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第２態様によれば、前記第１弾性部材と前記第２弾性部材との一方、若しくは双方が圧縮コイルバネである第１の態様に記載の形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、簡単な構成で弾性力を発生できるようになるので、よりコンパクトな形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第３態様によれば、圧縮コイルバネである前記第１弾性部材と前記第２弾性部材とのいずれか、もしくは双方の中心に前記形状記憶合金ワイヤが配置されている第２の態様に記載の形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、圧縮コイルバネの内部空間を有効に活用できるようになるので、よりコンパクトな形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第４態様によれば、前記一方向性クラッチ機構が、前記静止部材と前記筐体との間に形成された楔隙間と前記楔隙間に配置された転動部材とを備える第１〜３のいずれか１つの態様に記載の形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、簡単な構成で一方向性クラッチ機構を構成できるようになるので、よりコンパクトな形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第５態様によれば、前記一方向性クラッチ機構がロック状態にあるときに前記ロック状態を解除する復帰手段をさらに備える第１〜４のいずれか１つの態様に記載の形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、形状記憶合金アクチュエータをダイアフラム等に押し付けるなどして緩みを解消する非動作時の状態を変化させた後でも、初期の非動作時の状態において緩みを自動的に解消できる形状記憶合金アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第６態様によれば、前記筐体若しくは前記基準部材を共用する複数の第１〜５のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータからなる多連の形状記憶合金アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、前記第１〜５のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータを備えた多連形状記憶合金アクチュエータを構成することができて、前記形状記憶合金アクチュエータの作用効果を奏することができる多連形状記憶合金アクチュエータを得ることができる。

本発明の第７態様によれば、第１〜６のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータによりダイアフラムを変形させてポンピング動作を行うポンプを提供する。

このような構成によれば、前記第１〜６のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータを備えるダイアフラム式ポンプを構成することができて、前記形状記憶合金アクチュエータの作用効果を奏することができるポンプを得ることができる。

本発明の第８態様によれば、第１〜６のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータにより弁を変形させて流路を遮断するバルブを提供する。

このような構成によれば、前記第１〜６のいずれか１つの態様に記載の前記形状記憶合金アクチュエータを備えるバルブを構成することができて、前記形状記憶合金アクチュエータの作用効果を奏することができるバルブを得ることができる。

以下、本発明の実施形態にかかる形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブについて、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
＜構成＞
図１は、本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータ１の非動作時における概略を示す。図２は、本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータ１の動作時における概略を示す。

形状記憶合金アクチュエータ１は、形状記憶合金ワイヤ２の伸縮により動作する。形状記憶合金ワイヤ２は、一端（図１及び図２では上端）が静止部材の一例である円柱部材３に保持され、他端（図１及び図２では下端）が可動部材の一例である押圧部材４に保持されている。円柱部材３には静止電極の一例である配線５ａも保持されており、円柱部材３内で形状記憶合金ワイヤ２と配線５ａとは電気的に接続されている。押圧部材４には可動電極の一例である配線５ｂも保持されており、押圧部材４内で形状記憶合金ワイヤ２と配線５ｂとは電気的に接続されている。配線５ａ、５ｂは、電圧印加部の一例である駆動回路１４に接続されており、駆動回路１４が電圧を発生することで、配線５ａ、５ｂを介して形状記憶合金ワイヤ２の両端に電圧が印加される。円柱部材３は、筐体の一例である固定板６の穴６ａの軸方向沿いに（図１及び図２では上下方向に）摺動可能なように配置されている。固定板６と円柱部材３との間には、中央部に形状記憶合金ワイヤ２を直線的に貫通させた状態で配置した第２弾性部材の一例である圧縮コイルバネ７が圧縮された状態で配置されており、圧縮コイルバネ７の付勢力により、円柱部材３には形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向へ（図１及び図２では上方向へ）の弾性力が加わるように構成されている。円柱部材３と固定板６との間には一方向性クラッチ機構１０が設けられている。一方向性クラッチ機構は、一例として、円錐状内面６ｂとリング状の保持器１１と、保持器１１に保持されるボール１２から構成される。保持器１１には、複数のボール１２が環状に等間隔で配置されている。保持器１１には、復帰手段の一例であるロッド１３が設けられている。ロッド１３を形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向に（図１及び図２では上方向に）移動させることで、保持器１１とともにボール１２も形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向に（図１及び図２では上方向に）移動し、ボール１２は円柱部材３と円錐状内面６ｂとの間に噛み込まれている状態から解放される。固定板６と押圧部材４との間には、中央部に形状記憶合金ワイヤ２を直線的に貫通させた状態で配置した第１弾性部材の一例である圧縮コイルバネ８が圧縮された状態で配置されており、圧縮コイルバネ８の付勢力により、押圧部材４には形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向へ（図１及び図２では下方向へ）の弾性力が加わるように構成されている。押圧部材４の小径の端部４ａは、固定板６に対して例えば平行に配置された基準部材の一例である押さえ板９に設けられた穴９ａの中を自由に往復動作できるように嵌合配置されている。押圧部材４の端部４ａは、押さえ板９の穴９ａから突出する突出位置と、押さえ板９の穴９ａ内に退避する退避位置との間で往復移動可能となっている。押さえ板９と固定板６とは、互いの相対位置が変化しないよう拘束されている。

次に、この形状記憶合金アクチュエータ１の作用を説明する。

図１の形状記憶合金アクチュエータ１が非動作の状態では、駆動回路１４は電圧を発生せず、形状記憶合金ワイヤ２には電流が流れない。形状記憶合金ワイヤ２は常温となり、伸長した状態になっている。圧縮コイルバネ８の弾性力は、押圧部材４を押さえ板９に押し付けた反力と釣り合っており、形状記憶合金ワイヤ２には作用しない。圧縮コイルバネ７の弾性力は円柱部材３に作用し、形状記憶合金ワイヤ２の緩みが解消されるまで円柱部材３を形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向に（図１及び図２では上方向に）移動させた後、形状記憶合金ワイヤ２の張力と釣り合う。圧縮コイルバネ７の弾性力は、圧縮コイルバネ８の弾性力より小さいので、押圧部材４は押さえ板９と接触したままになる。円柱部材３が形状記憶合金ワイヤ２の伸長方向に（図１及び図２では上方向に）移動する場合、一方向性クラッチ機構１０はボール１２がくさびから外れる方向に移動するので、妨げにはならない。

図２の形状記憶合金アクチュエータ１が動作している状態では、駆動回路１４は電圧を発生し、形状記憶合金ワイヤ２に電流を流す。形状記憶合金ワイヤ２は通電加熱により温度上昇し、収縮した状態になる。圧縮コイルバネ８の弾性力は押圧部材４を引っ張る形状記憶合金ワイヤ２の張力と釣り合う。圧縮コイルバネ７の弾性力は円柱部材３に作用し続けるが、円柱部材３には形状記憶合金ワイヤ２の収縮方向に（図１及び図２では下方向に）形状記憶合金ワイヤ２の張力も作用する。圧縮コイルバネ７の弾性力は、圧縮コイルバネ８の弾性力より小さいので、円柱部材３は形状記憶合金ワイヤ２の収縮方向に（図１及び図２では下方向に）移動しようとする。しかし、ボール１２がくさびに噛み込む方向に移動することから、一方向性クラッチ機構１０が円柱部材３の移動を妨げるように働く。これにより、円柱部材３は非動作時において形状記憶合金ワイヤ２の緩みが解消された位置で固定される。

＜効果＞
前記第１実施形態にかかる構成によれば、形状記憶合金アクチュエータ１の非動作時、すなわち形状記憶合金ワイヤ２が伸長している状態において、圧縮コイルバネ８の弾性力は押圧部材４が押さえ板９に押し付けられることで反力と釣り合わされる。従って、形状記憶合金ワイヤ２に作用する張力は圧縮コイルバネ７の弾性力によるものになる。圧縮コイルバネ７の弾性力は圧縮コイルバネ８の弾性力より小さいため、押圧部材４が押さえ板９に押し付けられたまま形状記憶合金ワイヤ２は圧縮コイルバネ７の弾性力により引っ張られ、緩みが解消されることになる。形状記憶合金ワイヤ２が収縮し、形状記憶合金アクチュエータ１が動作する際には、円柱部材３の形状記憶合金ワイヤ２の収縮方向への移動は一方向性クラッチ機構１０により拘束されるので、形状記憶合金ワイヤ２の収縮は全て押圧部材４が変位することに用いられるようになる。よって、非動作時における形状記憶合金ワイヤ２の緩みを自動的に解消できるコンパクトな形状記憶合金アクチュエータ１が得られるようになる。

また、形状記憶合金アクチュエータ１をダイアフラムを備えた流路と組み合わせることで、ポンプやバルブを構成できる。図３は、本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプ、バルブの形状記憶合金アクチュエータ１非動作時における概略を示す。図４は、本発明の第１実施形態における形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプ、バルブの形状記憶合金アクチュエータ１動作時における概略を示す。

押さえ板９は、外面（図３及び図４では下面）が樹脂膜２２を介して流路基板２１に押し付けるように固定され、圧縮コイルバネ８の付勢力により、押さえ板９が樹脂膜２２から浮き上がらないよう構成されている。よって、樹脂膜２２は、押さえ板９に対して密着保持されている。樹脂膜２２の一例としては、シリコンゴム、又は、ヒンジ機能の薄肉部付のアクリル樹脂などで構成することができる。また、流路基板２１の、押さえ板９の穴９ａに対向する部分には、内部空間２３を形成するための凹部２１ａを有して、押圧部材４の端部４ａが、押さえ板９の穴９ａから突出する突出位置では、端部４ａが樹脂膜２２を押圧して凹部２１ａ内に入り込み、流路基板２１の凹部２１ａの底面に樹脂膜２２を密着させる。流路基板２１には、入口側の流路２４ａと、入口側の流路２４ａと内部空間２３を介して接続される出口側の流路２４ｂとを有して、内部空間２３に、入口側の流路２４ａの開口と出口側の流路２４ｂの開口とがそれぞれ露出し、樹脂膜２２で両方の開口が同時的に開閉されるようにしている。すなわち、流路基板２１の凹部２１ａの底面に樹脂膜２２が密着させられるとき、樹脂膜２２で入口側の流路２４ａの開口と出口側の流路２４ｂの開口とが密閉されて、入口側の流路２４ａと出口側の流路２４ｂとは遮断される。一方、流路基板２１の凹部２１ａの底面に対する樹脂膜２２の密着が解除されるとき、入口側の流路２４ａの開口と出口側の流路２４ｂの開口とが開放されて、入口側の流路２４ａから出口側の流路２４ｂへ流体を流すことが可能となる。

形状記憶合金ワイヤ２が通電加熱されていない場合には、形状記憶合金ワイヤ２は図３のように伸長した状態になり、押圧部材４の端部４ａは、圧縮コイルバネ８の付勢力によって樹脂膜２２に押し付けられる。この際、樹脂膜２２は、流路基板２１の凹部２１ａの底面に接触するまで変形し、樹脂膜２２と流路基板２１とで囲まれた内部空間２３の容積が最小になるとともに、流路基板２１に設けられた流路２４ａ、２４ｂと内部空間２３との接続を遮断する。一方、形状記憶合金ワイヤ２が通電加熱されている場合には、形状記憶合金ワイヤ２は圧縮コイルバネ８の付勢力に抗して図４のように収縮した状態になり、押圧部材４は、形状記憶合金ワイヤ２の力によって図４の上方に変位する。押圧部材４の変位量に応じて押圧部材４の端部４ａは押さえ板９の穴９ａ内の退避位置に位置して樹脂膜２２の変形は解消されて樹脂膜２２による流路２４ａ、２４ｂの密閉が解除され、内部空間２３の容積が増加していくとともに、流路２４ａ、２４ｂと内部空間２３とが接続されるようになる。

図３及び図４に示す機構をポンプとして用いる場合には、流路２４ａ、２４ｂの双方に逆止弁２５（図３及び図４の一点鎖線参照）を設ける。例えば、流路２４ａ、２４ｂの双方に図３及び図４の右方向への流れのみを許容する逆止弁２５（図３及び図４の一点鎖線参照）を設けると、図３の状態から図４の状態に変化する際に入口側の流路２４ａから内部空間２３へ液体が流入し、図４の状態から図３の状態に変化する際に内部空間２３から出口側の流路２４ｂへ液体が流出するようになり、ポンプ動作が行われるようになる。

また、図３及び図４に示す機構をバルブとして用いる場合には、図３の状態が流路２４ａと流路２４ｂとを遮断するバルブ閉の状態となり、図４の状態が流路２４ａと流路２４ｂとが接続されたバルブ開の状態となる。

形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプやバルブでは、形状記憶合金アクチュエータ１非動作時にあたる図３の状態において、形状記憶合金ワイヤ２の緩みが解消するまで円柱部材３が図３の上方に移動し、図４の形状記憶合金アクチュエータ１の動作時にはその位置で固定される。従って、形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプやバルブでは、形状記憶合金ワイヤ２が弛むことなく動作できるようになり、形状記憶合金ワイヤ２の変位量をポンプやバブル動作に必要なストローク以上にする必要がなくなる。

また、形状記憶合金アクチュエータ１で動作させるポンプやバルブが１種類だけの場合や、非動作時における押圧部材４の位置が図３及び図４の上方側だけに変化するように対象のポンプやバルブを交換していく場合には、形状記憶合金ワイヤ２は非動作時において緩みのない状態を維持できることになる。非動作時における押圧部材４の位置が図３及び図４の下方側に変化するように対象のポンプやバルブを交換する場合には、非動作時にロッド１３を操作して一方向性クラッチ機構１０のロックを一端解除することで形状記憶合金ワイヤ２を非動作時において緩みのない状態にすることができる。

また、図３及び図４に示す形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプやバルブは、図３及び図４の左右方向に複数集積して並べることが容易である。それぞれのポンプやバルブを形状記憶合金アクチュエータ１で動作させると、それぞれの形状記憶合金ワイヤ２が弛むことなく収縮するので、各ポンプ、バルブを動作させる際の押圧部が変位し始めるまでの時間のばらつきが抑えられ、複数のポンプやバルブの同期動作が容易になる。

なお、第１実施形態では、第１弾性部材として圧縮コイルバネ８、第２弾性部材として圧縮コイルバネ７を用いているが、これはコンパクトな構造にできる点で望ましいが、これに限るものではなく、同様の作用効果を生じるあらゆる公知の弾性機構が利用可能である。

なお、第１実施形態では、円柱部材３を穴６ａに摺動させているが、これはコンパクトな構造にできる点で望ましいが、これに限るものではなく直動軸受を用いても良い。

なお、第１実施形態では、一方向性クラッチ機構１０として、円錐状内面６ｂ、保持器１１、ボール１２からなる機構を用いているが、これはコンパクトな構造にできる点で望ましいが、これに限るものではなく、同様の作用効果を生じるあらゆる公知の一方向性クラッチ機構が利用可能である。

なお、第１実施形態では、復帰手段としてロッド１３を手動操作する構造を用いているが、これはコンパクトな構造にできる点で望ましいが、これに限るものではなく、あらゆる公知のアクチュエータを用いて保持器１１を動作させるようにしても同様に実施可能である。

なお、第１実施形態では、圧縮コイルバネ７、圧縮コイルバネ８の中心に形状記憶合金ワイヤ２を配置しているが、これはコンパクトな構造にできる点で望ましいが、これに限るものではなく、形状記憶合金ワイヤ２が第１弾性部材や第２弾性部材の中心に位置しなくても同様に実施可能である。

なお、第１実施形態では、形状記憶合金ワイヤ２により駆動される押圧部材４で直接に樹脂膜２２を変形させているが、これに限るものではなく、あらゆる公知の機構を介して間接的に樹脂膜２２を変形させてもよい。この場合、動作方向を反転させて第１実施形態のようなノーマリークローズの動作からノーマリーオープンの動作に変更してもよい。

なお、第１実施形態では、基準部材として押さえ板９を用いた形状記憶合金アクチュエータ１としているが、形状記憶合金アクチュエータ１を用いたポンプやバルブでは押さえ板９が押圧部材４と接触しなくなるので、ポンプやバルブと一体化したアクチュエータとして、押さえ板９の代わりに流路基板２１を基準部材とした構造にしても同様に実施可能である。

なお、上記様々な実施形態又は変型例のうちの任意の実施形態又は変型例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブは、非動作時の状態において形状記憶合金ワイヤの緩みを自動的に解消することができ、有用である。よって、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブは、例えば、血液等の供給された液体を、デバイス上に設けられた反応部に送液して、熱的又は化学的な反応処理を行い、その後、反応処理後の液体を、デバイス上に設けられた検出部に送液し、反応の結果を判定することで、供給された液体の評価を行うマイクロ流体デバイスの流体制御に利用可能である。また、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータ及びそれを用いたポンプ、バルブは、マイクロ流体デバイスの流体制御以外にも、味又は香り等の特性を備えた少量の液体の調合を行う調合装置の流体制御にも応用できる。

１ 形状記憶合金アクチュエータ
２ 形状記憶合金ワイヤ
３ 円柱部材
４ 押圧部材
４ａ 端部
５ａ，５ｂ 配線
６ 固定板
６ａ 穴
６ｂ 円錐状内面
７ 圧縮コイルバネ
８ 圧縮コイルバネ
９ 押さえ板
９ａ 穴
１０ 一方向性クラッチ機構
１１ 保持器
１２ ボール
１３ ロッド
１４ 駆動回路
２１ 流路基板
２１ａ 凹部
２２ 樹脂膜
２３ 内部空間
２４ａ，２４ｂ 流路
２５ 逆止弁

Claims (8)

1. 筐体と、
   形状記憶合金ワイヤと、
   前記形状記憶合金ワイヤの一端を保持するとともに、変位動作を行う可動部材と、
   前記形状記憶合金ワイヤの他端を保持するとともに、前記筐体により前記形状記憶合金ワイヤの伸縮方向に移動自由に保持される静止部材と、
   前記筐体と前記可動部材とを接続し、前記可動部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への弾性力を作用させる第１弾性部材と、
   前記筐体と前記静止部材とを接続し、前記静止部材に対して前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向へ前記第１弾性部材の弾性力より小さい弾性力を作用させる第２弾性部材と、
   前記第１弾性部材の弾性力による前記可動部材の変位を制限する、前記筐体と連結された基準部材と、
   前記形状記憶合金ワイヤの伸長方向への前記静止部材の移動を拘束せず、収縮方向への前記静止部材の移動を拘束する、前記筐体部材に設けられた一方向クラッチ機構と、
   前記可動部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの一端に接続された可動電極と、
   前記静止部材に保持される前記形状記憶合金ワイヤの他端に接続された静止電極と、
   前記可動電極と前記静止電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
   を備える形状記憶合金アクチュエータ。
2. 前記第１弾性部材と前記第２弾性部材との一方、若しくは双方が圧縮コイルバネである請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
3. 圧縮コイルバネである前記第１弾性部材と前記第２弾性部材とのいずれか、もしくは双方の中心に前記形状記憶合金ワイヤが配置されている請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
4. 前記一方向性クラッチ機構が、前記静止部材と前記筐体との間に形成された楔隙間と前記楔隙間に配置された転動部材とを備える請求項１〜３に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
5. 前記一方向性クラッチ機構がロック状態にあるときに前記ロック状態を解除する復帰手段をさらに備える請求項１〜４に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
6. 前記筐体若しくは前記基準部材を共用する複数の請求項１〜５に記載の前記形状記憶合金アクチュエータからなる多連の形状記憶合金アクチュエータ。
7. 請求項１〜６に記載の前記形状記憶合金アクチュエータによりダイアフラムを変形させてポンピング動作を行うポンプ。
8. 請求項１〜６に記載の前記形状記憶合金アクチュエータにより弁を変形させて流路を遮断するバルブ。

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