JP2024517134A - 形状記憶合金作動流体サブアセンブリ及びそれを組み込んだ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＳＭＡ作動流体サブアセンブリ（１０）、及びそれを分配装置として組み込んだ機器に固有のものであり、ＳＭＡワイヤ（１６、１６’）の作動により、流体密封リザーバ（１７”）が蓋（１８）によって圧縮されて、その容積が最大容積Ｖｏから最小容積Ｖ１に減少し、この減少の結果、圧力が上昇して、出口フラップ（１３”）が開き、出口チャネル（１３）を通じて流体が分配される。

Description

本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ：shape memory alloy）作動流体サブアセンブリ（actuated fluidic subassembly）に固有のものである。

一般的に言えば、作動要素としてのＳＭＡワイヤの使用は、重量、電力消費、コストの点で他の作動システムに対して様々な利点を提供し、作動要素は、最も典型的には適切な電流供給を介したジュール効果によって加熱されたときに、短縮されるように適切に調整された（trained）ＳＭＡワイヤの能力を利用している。

ＳＭＡワイヤの使用によって与えられる利点が長い間認識されている分野は、引用文献１及び引用文献２に記載されているように、流体バルブ制御（fluidic valve control）であり、これらの利点が特に関連する特定の用途は、マイクロ流体バルブ、及び２００８年に刊行された非特許文献１に記載されているようないわゆる「ラボオンチップ（lab-on-a-chip）」用途である。非特許文献１では、ＳＭＡワイヤを可撓性のチャネルの周りにループ状にして、その直径をその閉鎖まで制御している。非特許文献１に記載された解決策は、チャネルを完全に閉じる必要があるときにチャネルに加わる応力については理想的とは程遠い。

流体モジュールにおけるＳＭＡワイヤの使用は特許文献３にも記載されており、プランジャを駆動して流体分配容積をゼロにまで減少させているが、プランジャの接触及び衝撃が繰り返されると、分配された流体を汚染する微粒子の放出につながる可能性があるため、このような解決策は最適ではない。同じ分野において、同様の解決策が特許文献４に開示されているが、これは、信頼性のある動作が可能な、すなわち、適切な負荷を受けることができるＳＭＡベースのシステムを効果的に実現する方法を記載しておらず、また、分配された流体と接触する可撓性の膜を介して入口弁及び出口弁を閉じるために、スプリング負荷ポペット（spring-loaded poppet）に依存している。より詳細には、非特許文献２に概説されているように、適切に設計されていないＳＭＡベースのアクチュエータは、ＳＭＡワイヤの過度の疲労とその破損／故障につながる。

米国特許第３８３５６５９号明細書 米国特許第４９７３０２４号明細書 欧州特許出願公開第１５５２１４６号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２０９１８９号明細書 米国特許第９０６８５６１号明細書 米国特許第６８３５０８３号明細書 米国特許第８７３９５２５号明細書

"Electronic control of elastomeric microfluidic circuits with shape memory actuators" by Vyawahare et al, published in 2008 on labchip, number 8, pages 1530-1535 "Thermomechanical fatigue of shape memory alloys" by Lagoudas et al, published in 2009 in Smart Materials and Structures, Volume 18, Number 8 "A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature" by Dennis W. Norwich presented at the SMST 2010 conference "Fabrication Process and Characterization of NiTi Wires for Actuators" Tuissi at al.

本発明の目的は、従来技術によるＳＭＡベースの流体アクチュエータの欠点を克服することである。

その第１の態様は、本願の特許請求の範囲に詳述されているようなＳＭＡ作動流体サブアセンブリにある。

休止位置の作動状態における、本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの断面図の概略図である。 第１の作動状態における、本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの断面図の概略図である。 第２の作動状態における、本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの断面図の概略図である。 本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの第２の実施形態の概略図であり、上から見た図である。 本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの第２の実施形態の概略図であり、休止位置の作動状態における、図２ＡのＡ－Ａ’断面である。 本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの第２の実施形態の概略図であり、第１の作動状態における、図２ＡのＡ－Ａ’断面である。 本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの第２の実施形態の概略図であり、第２の作動状態における、図２ＡのＡ－Ａ’断面である。 第２の実施形態で使用される入口フラップ及び出口フラップを作製するための好ましい方法の上方からの概略図である。 第２の実施形態の変形例の上方からの概略図である。

以下の図面を用いて本発明を更に説明する。

図面では、いくつかの場合に示される様々な要素のサイズ及び寸法比は、図面の理解を助けるために変更されており、特に、ＳＭＡワイヤの直径、リターンスプリング等の付勢要素のサイズ、及び流体密封シール要素（fluid-tight sealing element）の長さ／厚さ／幅に言及しているが、これらに限定されない。更に、ＳＭＡワイヤのための圧着手段並びにそれらを動作させるための電流伝導要素は、当業者に広く知られており、本発明の理解に必要ではないので、示されていない。

本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの第１の実施形態の断面図の概略図を図１Ａに示す。サブアセンブリ１０は、壁１４によって分離された入口チャネル１２及び出口チャネル１３を備えたベース１１を有している。入口チャネル１２及び出口チャネル１３は、それぞれ入口ポート１２’及び出口ポート１３’を介して、好ましくはゴム材料で作られた、蓋１８によって最大体積Ｖｏから最小体積Ｖ１まで圧縮可能なシェル１７”によって画定される流体密封リザーバと連通している。

蓋１８の移動は、ベース１１を蓋１８に接続する一対のＳＭＡワイヤ１６、１６’によってＶｏからＶ１に向かって圧縮駆動され、一方、リターンスプリング１７、１７’によってＶ１からＶｏに向かって拡張駆動されている。

入口ポート１２’及び出口ポート１３’は、通常、それぞれフラップ１２”及び１３”によって閉じられ、これは、それらの開放に一定の力が必要であることを意味している。閉鎖力は、種々の手段によって提供することができ、例えば、図１Ａに示す実施形態では、フラップ１２”及び１３”がベース１１に当接してベース１１上で枢動され、このような力は、ベース１１上のフラップ１２”、１３”の固定要素（anchoring element）としても作用するねじり荷重スプリングによって提供することができる。換言すれば、入口／出口チャネル１２、１３と流体密封圧縮性リザーバ１７との間の開口の幅として定義されるポート幅より長いフラップ１２”、１３”によってそれぞれ閉じられるポート１２’，１３’を有することが好ましい。

図１Ａは、構造の観点からのサブアセンブリ１０の断面概略図であるが、図１Ｂ及び図１Ｃは、流体分配（図１Ｂ）等のサブアセンブリ１０の第１の作動状態、及び流体ローディング（図１Ｃ）等のサブアセンブリ１０の第２の作動状態の断面概略図である。

特に、分配段階では、ＳＭＡワイヤ１６、１６’の作動及びその結果としての短縮により、蓋１８がベース１１に向かって下降し、シェル１７”及びスプリング１７、１７’を圧縮し、従って体積ＶｏがＶ１に向かって減少する。圧力増加は、出口ポート１３’の下で枢動されるフラップ１３”のねじりスプリングの抵抗を克服するようなものであり、従って、フラップ１３”を下方に回転させ、ポート１３’を通じて正確な量の流体（本質的にＶｏ－Ｖ１）を非常に再現性のある方法で分配することを可能にしている。反対に、フラップ１２”がポート１２’の上で枢動するので、シェル１７”の圧力増加は、ポート１２’をしっかりと閉じたままにして、入口チャネル１２内への流体の逆流を防止している。

分配段階の後、ＳＭＡワイヤ１６、１６’は、非活性化され（deactivated）、それによって、リターンスプリング１７、１７’は、蓋１８をその開始位置に向かって移動させて、容積Ｖｏを回復している。この動きにより、リザーバ１７”内の圧力低下を引き起こし、そのねじりスプリングの抵抗に抗してフラップ１２”の上向きの回転を通じて入口ポート１２’の開放を導き、流体吸引を通じてリザーバ１７”の充填を導いている。反対に、フラップ１３”がポート１３’の下で枢動するので、シェル１７”の圧力減少は、ポート１３’をしっかりと閉じたままにして、出口チャネル１３からの流体の逆流を防止している。

言うまでもなく、システムが周期的な分配及び充填を行うためには、出口ポート１３’から出る空気のみを伴う第１のサイクルが必要であり、一方、ＳＭＡワイヤの非活性化及びリターンスプリング１７、１７’の作用に起因する圧力低下は、分配されるべき流体でリザーバ１７”を充填する。

次に、図２Ａ～図２Ｄに示す第２の実施形態を参照すると、サブアセンブリ２０は、壁２４によって分離され、上述の第１の実施形態と同様に、それぞれのフラップ２２”及び２３”によって通常は閉じられる入口ポート２２’及び出口ポート２３’を介して流体密封リザーバとそれぞれ連通する入口チャネル２２及び出口チャネル２３を有するベース２１を有している。閉鎖力は、種々の手段によって提供することができ、例えば、図２Ａ～図３の実施形態では、フラップ２２”、２３”を、逆Ｃ字形状の２つの切り欠き（cut-out）を有する連続弾性膜（continuous elastic membrane）２５とする好ましい方法が図３に示されており、この膜２５は、チャネル２２、２３の天井に配置され、壁２４を貫通しており、閉鎖力は、膜２５の材料の変形に対する抵抗によって提供されている。

第１の実施形態と同様に、入口／出口ポートは、ポート幅よりも長いフラップによって閉じられ、基部に当接するが、この場合、両方のフラップは、それぞれのポートの下に位置し、それによって、壁２４は、フラップ２２”のための当接部を提供するために、ポート２２’の下で入口チャネル２２に向かって延在している。

この第２の実施形態では、流体密封リザーバは、ドーム形状の（dome-shaped）弾性変形可能な要素２８によって画定され、その周囲は、ベース２１に固定された環状シート２８０内に保持されたガスケット２８１によってブロックされている。ＳＭＡワイヤ２６は、ベース２１に固定された固定ピラー（fixing pillar）２６’、２６”に接続するために、ドーム２８の頂部を通り、シート２８０に設けられた適切な溝を通過している。

図２Ｂは、構造上の観点からサブアセンブリ２０の断面概略図を示しているが、図２Ｃ及び図２Ｄは、流体分配（図２Ｃ）及び流体ローディング（図２Ｄ）の段階中のサブアセンブリを示している。

特に、分配段階の間、ＳＭＡワイヤ２６の作動は、好ましくはドーム頂部に配置された適切なカプラ２９を介して、変形可能な弾性要素２８を下方に押すことになり、従って、シート２８０に収容された圧縮性ガスケット２８１によって許容される要素２８の変形により、体積ＶｏをＶ１に向かって減少させる。すなわち、変形可能な要素２８の周囲は、弾性ガスケット２８１により深く入り込んでいる。

第１の実施形態と同様に、リザーバ内の圧力上昇の結果、フラップ２３”が膜２５の抵抗に打ち勝って押し下げられるので、出口ポート２３’が開き、リザーバと出口チャネル２３との間の流体連通が可能になる（図２Ｃ）。反対に、フラップ２２”は上から壁２４に当接するので、圧力の増加は、ポート２２’をしっかりと閉じたままにして、入口チャネル２２内への流体の逆流を防止している。

ＳＭＡワイヤ２６が非活性化されると、要素２８は、その弾性と、ガスケット２８１をその周囲に沿って押すことにより、その元の形状に復帰し、従って、最大体積Ｖｏを回復する。これは、その変形されていない位置に戻るフラップ２３”の弾性、及びフラップ２２”の上方への変形による入口ポート２２’の開口によるものであり、出口ポート２３’の閉鎖を導くリザーバ内の圧力低下をもたらす。

第１の実施形態に関しては、この場合も、サブアセンブリは、その後の一連の分配動作の準備をするために、第１のローディングサイクルを経る必要がある。

第２の実施形態の変形例が図４に示されており、図２Ａ～図２Ｄに示されているサブアセンブリ２０と実質的に同じ構造及び動作を有するが、ＳＭＡワイヤの数が異なるサブアセンブリ４０を示している。実際、サブアセンブリ４０において、作動は、４つのＳＭＡワイヤ４６１、４６２、４６３、４６４によって提供され、各ワイヤは、第１の端部がドーム２８の頂部に位置する共通のカプラ４９に接続され、第２の端部がそれぞれの固定ピラーに接続されている。

図面に示されていない他の可能な変形では、２つの整列したＳＭＡワイヤのみ、すなわち、対４６１／４６３または対４６２／４６４のうちの１つ、または２つの直交交差するＳＭＡワイヤ、すなわち、ＳＭＡワイヤ２６及びそれに直交する別のワイヤを使用することができる。更に、第１の実施形態の枢動されるフラップ１２”、１３”は、第２の実施形態において、膜フラップ２２”、２３”の代わりに使用することができ、その逆も可能である。また、第１の実施形態のＳＭＡワイヤ１６、１６’は、第２の実施形態のＳＭＡワイヤ２６と同様に、蓋１８を通過する１つ又は複数のＳＭＡワイヤと交換及び／又は一体化することができる。

「フラップ」という用語は、特定の幾何学的形状又は構成に限定されるものではなく、上述したメカニズムに従って、ＶｏからＶ１へのリザーバ容積の減少及びＶ１からＶｏへのリザーバ容積の増加によって生じる圧力変化の作用の下で、入口ポート及び出口ポートを開閉することができる任意の等価な要素を包含することを強調しておく。

作動の全体的な力は、流体密封リザーバの圧縮を引き起こす唯一の能動要素であるＳＭＡワイヤに作用する全ての寄与を考慮して評価されるべきであることも強調されるべきである。単一のＳＭＡワイヤの場合には、それはＳＭＡワイヤに作用する全ての復帰力の合計であり、複数のＳＭＡワイヤの場合には、それは異なるＳＭＡワイヤに別々に又は共通に作用する全ての復帰力の合計である。

従って、図４の実施形態では、力は、共通の復帰要素、すなわち、弾性変形可能要素２８及び周辺ガスケット２８１からワイヤ４６１、４６２、４６３、４６４に作用する全ての復帰力の合計と考えられるべきであり、一方、第１の実施形態では、復帰力は、リターンスプリング１７、１７’及びシェル１７”によって別々に提供される。追加の弾性復帰手段を有することも可能であり、例えば、第２の実施形態は、壁２４とドーム２８との間に配置された復帰スプリングを含むことができる。

本発明は、ニュートンで表される前記弾性手段の全体の復帰力Ｆが次式で与えられるように、弾性手段によって与えられる復帰力に対して正しい制限を設定している。

ここで、Ｖｏ／Ｖ１は２～５である。例えば、圧縮比３．５（すなわち、Ｖｏ／Ｖ１＝３．５）で作動するシステムの場合、ＳＭＡワイヤに作用する総復帰力Ｆは、２．６２５Ｎを上回らない上限及び０．３５Ｎを下回らない下限を有するべきものとする。

低すぎる復帰力、例えば０．１Ｎで操作すると、制限された圧力レベルとなり、チャネルを通じて流体をポンピングするには不十分であり、また、特に膜フラップの場合、入口フラップ及び出口フラップを確実に操作するには低すぎる圧力差となる。過剰な力、例えば６Ｎで操作すると、作動速度に限界があると共に、固定のための要件が増加し、５Ｖを超える電圧要件を有する高力ＳＭＡワイヤが必要となり、標準的なＵＳＢ電源の使用が妨げられる。

本発明によるＳＭＡ作動流体サブアセンブリの好ましい最大体積Ｖｏは、１００～５００μｌである。

入口フラップ及び出口フラップに関して、好ましいものは、図２Ｂ～図２Ｄに示された、５０μｍ～２５０μｍの厚さを有する屈曲可能なフラップであり、より好ましくは、フラップは、０．００１ＧＰａ～０．０５ＧＰａのヤング率を有する材料から作製された膜のカットアウトから得られる。

本発明は特定のＳＭＡに限定されるものではないが、加工に応じて超弾性挙動（superelastic behavior）またはＳＭＡ挙動を交互に示すことができるニチノール等のＮｉ－Ｔｉベースの合金の使用が好ましい。ニチノールの特性及びそれらを達成することを可能にする方法は、当業者に広く知られており、例えば非特許文献３を参照されたい。

ニチノールをそのまま使用することも、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｕ等の元素を添加することで転移温度（transition temperature）の特性を調整することもできる。材料合金の適切な選択及びその特性は、当業者によって一般に知られており、例えば非特許文献４を参照されたい。

また、ＳＭＡワイヤは、「それ自体」で、またはコーティング／シースと共に使用して、それらの熱管理（thermal management）、すなわち、非活性化された後のそれらの冷却を改善することができる。コーティングシースは、熱伝導体である電気絶縁コーティングに頼ることによって残留熱を管理する方法を教示する特許文献５に記載されているように、均一であり得るが、特許文献６は、ＳＭＡワイヤが、全ての作動サイクル後に冷却を改善することができる囲繞シース（enclosing sheath）を備えていることを開示している。また、特許文献７に記載されているように、相変化材料（phase changing material）で作られた、または相変化材料を含むコーティングを有利に使用することができる。

ＳＭＡワイヤの直径に関しては、５０～１５０μｍであることが好ましい。

その第２の態様では、本発明は、前述したようなＳＭＡ作動流体サブアセンブリを含む分配装置を組み込んだ装置からなる。好ましくは、このようなデバイスは、薬剤（消耗品）カートリッジまたは分析機器であり、より好ましくは、ラボオンチップ用途のためのものである。

Claims (15)

1. 形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０；２０；４０）であって、
   ＊入口チャネル（１２；２２）、出口チャネル（１３；２３）及びチャネル分離壁（１４；２４）を有するベース（１１；２１）と、
   ＊入口フラップ（１２”；２２”）によって閉じられた入口ポート（１２’；２２’）を介して前記入口チャネル（１２；２２）と連通し、出口フラップ（１３”；２３”）によって閉じられた出口ポート（１３’；２３’）を介して前記出口チャネル（１３；２３）と連通する圧縮性の流体密封リザーバと、
   ＊作動時に、流体密封リザーバ蓋（１８；２８）に作用することによって、前記流体密封リザーバを最大体積Ｖｏから最小体積Ｖ１まで圧縮するように構成された、少なくとも１つの形状記憶合金ワイヤ（１６、１６’、２６、４６１、４６２、４６３、４６４）と、
   ＊前記少なくとも１つの形状記憶合金ワイヤ（１６、１６’、２６、４６１、４６２、４６３、４６４）の非活性化時に、圧縮性の流体密封リザーバの体積をＶ１からＶｏに復元するための弾性復帰手段（１７、１７’、１７”；２８、２８１）と、
   を備え、
   ニュートンで表される前記弾性復帰手段（１７，１７’，１７”；２８，２８１）の全体の復帰力Ｆは、次式：
   で与えられ、Ｖｏ／Ｖ１は２～５である、
   ことを特徴とする形状記憶合金作動流体サブアセンブリ。
2. Ｖｏが１００μｌから５００μｌの間に含まれる、請求項１に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０；２０；４０）。
3. 入口フラップ及び出口フラップ（１２”、１３”；２２”、２３”）が５０μｍ～２５０μｍの間に含まれる厚さを有する、請求項１または２に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０；２０；４０）。
4. 前記入口フラップ（１２”；２２”）が前記入口ポート（１２’；２２’）の幅より長く、前記出口フラップ（１３”；２３”）が前記出口ポート（１３’；２３’）の幅より長い、請求項１～３のいずれか一項に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０；２０；４０）。
5. 前記入口フラップ（１２”）が前記入口ポート（１２’）の上方に固定され、前記リザーバの底部に当接し、前記出口フラップ（１３”）が前記出口ポート（１３’）の下方に固定され、前記出口チャネル（１３）の天井に当接している、請求項４に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０）。
6. 前記フラップ（１２”、１３”）が剛性を有し、前記ベース（１１）に対して枢動するようにピボット点に固定されている、請求項５に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０）。
7. 前記フラップ（１２”、１３”）は可撓性を有し、前記ベース（１１）に対して堅固に固定されており、前記フラップの材料は、好ましくは、０．００１ＧＰａ～０．０５ＧＰａのヤング率を有している、請求項５に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０）。
8. 前記入口フラップ（２２”）は、前記入口ポート（２２’）の下方に固定され、前記入口チャネル（２２）に向かって延在している前記チャネル分離壁（２４）の一部に当接し、前記出口フラップ（２３”）は、前記出口ポート（２３’）の下方に固定され、前記出口チャネル（２３）の天井に当接している、請求項４に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（２０）。
9. 前記入口フラップ（２２”）及び前記出口フラップ（２３”）が、逆Ｃ字形状の２つの切り欠きを有する連続弾性膜（２５）から得られ、前記膜（２５）が、前記チャネル（２２、２３）の天井に配置され、前記チャネル分離壁（２４）を通過しており、前記膜の材料が、好ましくは、０．００１ＧＰａ～０．０５ＧＰａのヤング率を有している、請求項８に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（２０）。
10. 前記蓋（１８）は、１つまたは複数の形状記憶合金ワイヤ（１６、１６’）に対して反対に作用する１つまたは複数の弾性復帰要素（１７、１７’、１７”）と接触する剛性の蓋（１８）である、請求項１～９のいずれか一項に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０）。
11. 前記弾性復帰要素は、圧縮されていない状態で最大体積Ｖｏを規定する１つ以上のスプリング（１７，１７’）及び／またはゴムシェル（１７”）を含む、請求項１０に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０）。
12. 前記蓋（２８）は、ドーム形状の変形可能な弾性要素であり、その周囲は、前記ベース（２１）に固定された環状のシート（２８０）に保持されたガスケット（２８１）によってブロックされ、少なくとも１本の形状記憶合金ワイヤ（２６）は、前記蓋（２８）の頂部を通過し、好ましくは、その頂部に位置するカプラ（２９）を介してその上に作用する、請求項１～９のいずれか一項に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（２０；４０）。
13. 前記作用が、それぞれ、第１の端部がドーム形状の前記蓋（２８）の頂部に位置する共通のカプラ（４９）に接続され、第２の端部がそれぞれの固定ピラーに接続された、４本の形状記憶合金ワイヤ（４６１、４６２、４６３、４６４）によって提供されている、請求項１２に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の形状記憶合金作動流体サブアセンブリ（１０；２０；４０）を含む分配装置を組み込んだ機器であって、前記機器は、好ましくは流体ディスペンサであり、より好ましくは、薬剤または試薬を分配するのに適した流体ディスペンサである、機器。
15. 請求項１４に記載の機器を組み込んだ分析システムであって、好ましくはラボオンチップである、分析システム。

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