JP2004530073A

JP2004530073A - マイクロポンプ

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Publication number: JP2004530073A
Application number: JP2003500417A
Authority: JP
Inventors: デイビッド，マークブレイキー，
Original assignee: Technology Partnership PLC
Current assignee: Technology Partnership PLC
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: JP3929441B2; DE60231396D1; WO2002097270A1; EP1392977B1; US20040146407A1; US7284962B2; EP1392977A1; GB0112784D0

Abstract

本発明は、交互に変位される穿孔エレメントと、閉鎖エレメントとを使用する流体ポンプを提供するもので、専らではないが特には、小型流体ポンプ及び液状薬剤の送出に適したポンプに関するものである。小型流体ポンプの分野では、蠕動及び“ポンプ室”原理に基づくポンプが知られている。（蠕動ポンプは、流体全般に、即ち液体又は気体をポンプ送りするのに使用することができる。）両型式のポンプは液体薬剤の送出のための歩行用ポンプ製品に使用され、斯かる応用にとっては、小型化及び軽量が重要な属性である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、新しい型式の流体ポンプ装置、特には小型歩行用液体薬剤ポンプへの応用に適した（これに限られるものでない）流体ポンプ装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの応用分野においては必須ではないが、流体ポンプ（短くは、“ポンプ”）は“逆流”を許さない、即ちポンプ出口からポンプ入口の方向への流体の流れを許容しないことが、しばしば、望ましい。逆流は、入口に対する出口の相対的に高い静水頭により生じ得る。これは、逆流が流体損失又は薬剤貯留器の無菌問題を結果として生じ得るような薬剤ポンプの場合は特に重要である。また、ポンプが無制御（uncontrolled）“順方向流”を許容しないことも望ましい。薬剤ポンプの場合、無制御順方向流は結果として患者への過剰投与となり得る。
【０００３】
流体は、当然、静圧が高い領域から静圧が低い領域へと流れる。このような流れの方向は常に望ましいとは限らない。例えば、医学においては、治療を施す手段として、液体薬剤を患者の静脈系又は動脈系へ導入することが、しばしば、望ましい。斯かる患者の生活品質を改善するためには、患者がベッドに拘束されるというよりは、自由に歩ける場合に、上記のようにすることが、しばしば、望ましい。斯様な状況において、薬剤貯留部はしばしば実用的な目的のため、望ましくは患者の身体に取り付けられ、結果として、概して患者の静脈又は動脈圧よりも低い静圧となる。従って、ポンプは一定量の流体（この場合は、液体薬剤）を当該ポンプの入口側における低い圧力の領域（当該貯留部）から該ポンプの出口側における高い圧力の領域（当該患者の血流）へ送出しなければならない。このようにするためには、ポンプはポンプ送りされるべき流体の圧力を上昇させることができると共に、一定量の流体を該上昇された圧力で変位させることができなければならない。即ち、該ポンプは流体に対して静圧的仕事を行うことができなければならない。更に、該ポンプは無制御な順方向流も許容してはならない。
【０００４】
これは至極当然のことであるので、本明細書の目的において、流体ポンプ（歩行用薬剤ポンプ又は他の型式のポンプであろうとも）とは、流体に対して一定量の該流体を第１領域（ポンプ入口）から第２領域（ポンプ出口）へ移送することにより仕事を行うことが可能な装置であると定義する。当該機構がこれを実施することができない場合は、該機構は当該流体に対して仕事を実行せず、従って基本的な機能を果たさず、流体ポンプではない。
【０００５】
蠕動薬剤ポンプの分野においては、薬剤は貯留部から出口（典型的には、患者に挿入された針で終端する）へ一定長の配管を介して送られる。使用時においては、固体が上記配管を局部的に押圧し、該局部的押圧を維持しながら、上記固体が当該配管に沿って貯留部から出口の方向へ移動する。この押圧固体の運動は、流体を出口側における前記高流体圧に抗して変位させ、これにより、斯様に変位させる際に該流体に対して仕事をする。この過程は、最も典型的には、上記配管を順に絞り且つ該配管に沿って並進するように回転シャフトの軸からずらされて取り付けられた円柱ローラの形態の一連の斯かる固体を使用することにより、繰り返される。各固体は、直後に続く固体が該釈放しようとしている固体に対して当該配管の入口側で配管の押圧を確立した時にのみ、配管を釈放する。このようにして、著しい“逆流”を許容しないようなポンプ送り動作が達成される。上記管は常に閉じられているので、無制御な順方向流は許されることはない。
【０００６】
上記のようなポンプは良く知られているが、斯かるポンプを歩行用ポンプを使用する多くの患者により望まれるようなレベルまで小型化することは困難であることが分かっている。これらポンプは、時には配管の不完全な封止の問題を有し（従って、幾らかの逆流が生じ得る）、繰り返しの配管押圧により配管の疲労が発生し得る。更に、上記押圧的並進動作はエネルギ的に損失的であると共に大きな電力消費を必要とし、従って最小のポンプ寸法を制限することになる。最後に、斯様なポンプは、上記固体が配管押圧に突入し及び離脱する際に目立った望ましくない低周波の“脈状”の流れを生じる。
【０００７】
SiggによるCH-C-280618は、入口と出口とを有し、これら入口と出口との間に配置されたチェンバと、該チェンバ内で往復運動的に移動可能な板状部材とを備えているようなポンプを記載している。該板状部材には多数のノズルが設けられ、これらノズルは、該板状部材の出口側から入口側への流体の流れに対して該板状部材の入口側から出口側への流体の流れに対してよりも大きな抵抗を付与するように成形されている。このようにして、上記板状部材が上記チェンバ内で往復運動的に移動される際、流体の正味の流れは当該ポンプの入口側から出口側へのものとなる。このポンプは出口への正味の流れは生じるが、出口に入口におけるよりも大きな圧力が存在する場合における不所望な“逆流”を防止するために、又は入口に出口におけるよりも大きな圧力がある場合における無制御な流れを防止するために、更なる装置を必要とする。
【０００８】
“ポンプ室”型ポンプの分野では、アクチュエータにより変化され得るポンプ室又は容積が設けられると共に、入口及び出口の両方に一方向弁を有し、両弁は入口から出口の方向への流れを許容するように配置される。入口弁はポンプ室と貯留部との間に配置され、出口弁はポンプ室と送出側との間に配置される。使用時において、少なくとも上記入口弁と出口弁との間（及び通常は貯留部から送出側）における配管は液体で満たされ、当該ポンプ室の容積は上記アクチュエータの作用により交互に増加され（出口弁が閉じている間に入口弁を介して更なる液体を吸い込むために）及び減少される（入口弁が閉じている間に、上記吸い込まれた容積の液体を出口弁を介して吐き出すために）。従って、上記一方向弁は流れを整流するように作用する。上記アクチュエータは、ソレノイド、圧電アクチュエータ又は他の型式の電気機械的アクチュエータとすることができる。該ポンプは上記弁機構の配置により“逆流”に対して抵抗性があるが、無制御な順方向流を防止するために追加の構成部品が必要とされる。
【０００９】
上記のようなポンプのもっと最近の変形例がStemmeにより記載されているので、例えばWO-A-94/19609を参照されたい。この装置には、使用時に液体で満たされるポンプ室が設けられ、従来の“ポンプ室”型ポンプの入口及び出口一方向弁が、流体流れ絞りに置換されている。これらの流れ絞りは、これら絞りを介する所与の流れに対して、或る流れ方向（発明者は“ノズル方向”と称している）において反対の流れ方向（発明者は“拡散器方向”と称している）におけるよりも大きな圧力降下を有する。従って、Stemmeは、より良い流れ整流作用を有する従来の“一方向”弁を、機械的運動を必要とせず、従って、標準の変位ポンプよりも強固な弁と交換している。
【００１０】
従って、このポンプは、反対の静水頭（即ち、使用中のポンプが静圧的仕事を行うような圧力差）が存在する場合に、不所望な“逆流”及び順方向流を防止するための補助手段を必要とする。当該記載からは、液体の流れの脈流的性質を抑圧するために更なる補助手段が望ましいように思われ、従って、該ポンプは低いサイクル周波数で動作するように思われる。
【００１１】
上記Stemmeのポンプ及び従来の一方向弁を有する（“従来の弁付きの”）“ポンプ室”型ポンプの両者において、有効なポンプ動作は当該液体の非圧縮性と、当該ポンプ室の機械的剛性とに基づいている。両者は、入口及び出口の両方に、部分的な又は完全な流れの整流（弁動作）をもたらす構成部品を必要とする（これらの構成部品が従来の一方向弁又はStemmeの“流れ絞り”であるか否かに拘わらず）。これらポンプは、ポンプ室容積の減少に際して上記のような液体の非圧縮性が結果として出口を介しての液体の吐き出しとなるように、入口において弁動作を提供するような構成部品を必要とする。また、これらポンプは、ポンプ室容積の増加に際して、上記のような液体の非圧縮性が結果として入口弁を介しての液体の吸い込みとなるように、出口において弁作用を提供するような構成部品を必要とする。両形態とも、比較的複雑な三次元形態を有し、製造するのが比較的高価となる。
【００１２】
これらポンプの機械的に剛性なポンプ室及びポンプ送りされる液体の近非圧縮性への依存は、例えば、ポンプ室内に空気又は他の気体が存在すると、“排出”行程における幾らかの又は全ての体積減少が、出口を介して液体を排出する前に“容易に圧縮可能な気体”を圧縮することに使い果たされ、且つ、“吸入”行程における幾らかの又は全ての体積増加が、入口を介して液体を吸入する前に該“容易に希薄化される”気体を希薄化することに使い果たされることを意味する。結果として、サイクル動作当たり減少された又は零の量の液体しか実際にはポンプ送りされず、ポンプ能力が減少され又は喪失される。更に、泡の膨張は、通常は、泡の圧縮とは等しくないので（“整流拡散”としてインクジェット分野から既知の過程により）、これも、サイクル当たりに送出される流体の体積のエラーを増加させる。これらの欠点は、液体薬剤の送出の場合に、特に有効貯蔵寿命を延ばすために使用時まで冷却（時には凍結）状態に維持されるような薬剤の場合は、特に重大である。斯様な薬剤の患者へのポンプ供給に際して、薬剤は高い周囲温度に曝され、薬剤液内に溶解された如何なる気体の溶解度も減少し、斯かる溶解された気体の幾らかが気泡の形で溶液から解放される。この効果は、斯かる“ポンプ室”型ポンプによる斯様な薬剤の正確な供給を非常に困難にさせる。理解されるように、“ポンプ室”型ポンプは、本発明者の知る限り、液体及び気体の混合物を効果的にポンプ送りすることはできない。
【００１３】
液体送出に関して有効性を著しく増加させる流体ポンプ装置の１つの面は、自吸する（self-prime）能力である。入口パイプが、ポンプ送りされるべき液体内に置かれると、一定量の空気が該入口パイプ内の液体のメニスカス（三日月状部）と出口との間に捕捉される。自吸は、この空気が当該ポンプ機構の作用により該ポンプを介して入口から出口へと変位され、これにより上記入口における液体を当該ポンプを介して出口へと汲み出す場合に発生する。
【００１４】
本出願人によれば、“流体”とは、空気等の気体と液体との両方の二重の意味を有すると認識されている。また、流体ポンプは気体及び液体の両方をポンプ送りすることができ、更に、流体ポンプは自吸ができると認識されている。
【００１５】
本分野においては、液体を液滴に霧化する装置及び方法も知られており、斯かる装置及び方法においては液体がオリフィスを有する薄膜の一方の面に送られ、次いで該薄膜は高い周波数で振動される。１つの斯様な装置がヨーロッパ特許出願公開第EP-A-0655256号に記載されており、上記のような霧化が生じる前にバルク液体を斯様な薄膜の一方の側から反対の側へ移送する。しかしながら、この技術においては、上記液体は高い静圧の領域から低い静圧の領域へと移送される。上記振動の役目は、上記オリフィスを介しての自然な液体の流れ（静圧の差により促進される方向での）を、これらオリフィスに最初に存在するメニスカスの抵抗を克服することにより補助することであるように思われる。該出願には、斯様な抵抗する静圧が存在する場合に、さもなければ発生するであろう“逆流”を防止する手段についての教示は存在しない。
【００１６】
単純な振動ポンプが、特開昭５８−１４０４９１号に記載されており、該ポンプにおいて加圧チェンバは、出口として、多数のノズルが穿孔されたノズル板を有している。上記ノズル板は、上記チェンバ内の流体が該ノズル板を介して噴霧として排出されるように圧電振動子により振動される。該文献には“逆流”を防止する如何なる手段の教示もない。
【００１７】
EP-1099853は、往復動ダイヤフラムポンプにおけるダイヤフラム破壊保護システムを開示している。該ポンプにはチェンバが設けられ、該チェンバ内には可動ダイヤフラムが取り付けられている。該チェンバからの出口位置は可動板により覆われ、該可動板には一連の穿孔が形成されている。上記穿孔板は上記チェンバからの出口点を覆い、曲げられた状態で上記ダイヤフラムが出口へと通過するのを防止する。休止位置においては、上記ダイヤフラム及び穿孔エレメントは離隔され、かくして、該穿孔エレメントを介しての順方向又は逆方向の何れかの流れを可能にする。更に、上記ポンプは封止されたチェンバを含むので、該ポンプの動作は上記チェンバ内の空気の存在には耐えられず、該ポンプの性能は、上記チェンバに空気が入ると、急速に低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、既知の蠕動式流体又は液体ポンプ及び“ポンプ室”型液体ポンプ並びに液体“噴霧”装置の上述した欠点の少なくとも幾つかを克服し、今まで提供されてきたポンプよりも一層小型で簡素なポンプを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１態様によれば、流体をポンプ送りする方法であって、
流体を穿孔（穴あき）エレメントの少なくとも一方の側に供給するステップであって、前記穿孔エレメントは１以上の穿孔を有すると共に前記一方の側において少なくとも１つの閉鎖アセンブリに隣接し、該閉鎖アセンブリは当該ポンプが使用されていない場合に前記１以上の穿孔を介する流体の流れを防止するようなステップと、
前記穿孔エレメントを前記一方の側に向かう方向及び該一方の側から離れる方向に交互に変位させることにより、及び前記少なくとも１つの閉鎖アセンブリを前記一方の側に向かう方向及び該一方の側から離れる方向に交互に変位させることにより、前記穿孔エレメントを介する流体の正味の移動を該穿孔エレメントの前記一方の側から他方の側へ向かう方向に実行するステップと、
を有するような方法が提供される。
【００２０】
本発明の第２態様によれば、流体をポンプ送りするポンプであって、
入口と、
出口と、
前記入口と前記出口との間に配置され、１以上の穿孔を有する穿孔エレメントと、
前記穿孔エレメントに一方の側において隣接して配置されると共に、前記穿孔エレメントにおける前記穿孔の少なくとも１つに整列されて、当該ポンプが使用されていない場合に該穿孔を閉じるような少なくとも１つの閉鎖体を有する少なくとも１つの閉鎖アセンブリと、
前記穿孔エレメントを当該ポンプの前記入口の側及び前記出口の側に向かう方向に交互に変位させる駆動手段と、
を有するようなポンプが提供される。
【００２１】
このように、本発明は、使用されていない場合に不所望な順方向流及び逆流を防止し、且つ、密閉されたチェンバが必要とされないので、当該ポンプがポンプ送りされるべき流体内の空気又は気体の泡の存在に対して耐性的となることを保証するようなポンプ送り方法及びポンプを提供する。
【００２２】
前記変位が同相である場合、上記閉鎖アセンブリが当該穿孔エレメントのサイクルにおけるピークにおいて該穿孔エレメントから離れるように移動する際に、流体は上記穿孔（又は複数の穿孔）を介して流れるのを許容される。上記穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの振動振幅の間の差が、上記弁の開放間隙となる。
【００２３】
上記変位が位相外れ状態の場合、上記弁の開放間隙は、上記穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの振動振幅の和となる。この構成においては、上記穿孔（又は複数の穿孔）は当該薄膜が上記閉鎖アセンブリから離れるように移動する場合に開放され、上記薄膜が上記閉鎖アセンブリに向かって曲げられる場合に閉じられる。
【００２４】
好ましくは、上記閉鎖アセンブリは上記穿孔エレメントに対して位相外れで変位される。
【００２５】
この点に関し、位相外れ運動とは、上記閉鎖アセンブリの運動と上記穿孔エレメントの運動との間の位相角が零でない場合として定義される。これも当てはまるような位相外れ相対運動の他の定義は、上記穿孔エレメントが上記閉鎖アセンブリに向かって及び該閉鎖アセンブリから離れるように周期的に運動している場合である。斯様な運動は、例えば上記閉鎖アセンブリの非周期的運動に対して発生し得るような、各サイクルにおける上記閉鎖アセンブリと穿孔エレメントとの間の接触を必ずしも必要としないことに注意することが重要である。上記位相外れモードにおける運動は、位相角が１８０度である場合に最も規則的であり、各サイクルにおいて上記閉鎖アセンブリと上記穿孔エレメントとの間で接触が達成される。
【００２６】
上記穿孔エレメント及び／又は閉鎖アセンブリの変位は共振的であることが好ましい。
【００２７】
好ましくは、前記入口は前記穿孔エレメントの前記流体が低い静圧を有する一方の側であり、前記出口は前記穿孔エレメントの前記流体が高い静圧を有する他方の側であるとする。
【００２８】
好ましくは、前記穿孔エレメントは薄い剛性の薄膜又は板体の形態であって、該薄膜又は板体を介して前記入口から前記出口へ通過する穿孔を備える（例えば、電鋳、レーザ加工又は放電加工処理により製造することができるような）。他の例として、上記穿孔は単純な機械的ドリル加工により形成することもできる。
【００２９】
前記閉鎖アセンブリは、スプリング及び弁質量体の形態をとることができる。上記スプリングは、片持ち桁とすることができるか、又は上記弁質量体に接触する中心板部を有すると共に、該板部と前記穿孔エレメントとの間に延在する複数の脚を有することができる。
【００３０】
前記駆動手段は、電子駆動回路及び使用時に前記穿孔エレメントに機械的に結合される電気機械的アクチュエータの形態をとることができる。好ましくは、上記駆動手段は、以下に例示として更に説明するように、小さな物理的変位によるものであるが、上記穿孔エレメントの高い加速を発生することができるものとする。更に、上記駆動手段は好ましくは上記穿孔エレメントを、１つの完全な運動（略、上記入口に向かい及び該入口から離れる方向の運動である）に続いて該穿孔エレメントが初期位置に回復されるように、変位させるものとする。これらの目的のためには、圧電、ピエゾ磁気又は電歪アクチュエータが非常に望ましい。即ち、これらアクチュエータの高速応答特性は高加速を可能にし、それでいて、これらアクチュエータの物理的変位は非常に小さい。
【００３１】
一緒とされた上記穿孔エレメント、上記駆動手段の電気機械的アクチュエータ及び上記閉鎖アセンブリは、以下では“ポンプヘッド”と呼ぶ。上記電気機械的アクチュエータ（特には、該アクチュエータが圧電型又は電歪型のものである場合）を上記穿孔エレメントと統合することにより、非常に小さな寸法で低電力消費の、且つ、非常に小さな運動変位により流体をポンプ送りするよう動作するような“固体”ポンプヘッドを提供することができる。
【００３２】
好ましくは、流体は、相対的に低い静圧（動圧とは異なり）にある第１領域（ポンプ入口）から、相対的に高い静圧にある第２領域（ポンプ出口）へとポンプ送りされる。流体は、当該ポンプの入口側か、又は該ポンプの両側の何れかにロードすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を添付図面を参照して説明する。
【００３４】
図１には、入口５及び出口６を有するポンプヘッド１と、該ポンプヘッド１が配線１１により電気的に接続された電気駆動回路２１及び電源２２とを有するポンプ２０が示されている。例示のみとして、流体貯留部２４が入口配管１４により当該ポンプに接続されると共に、注射針の形態の出口２３が出口配管１５により当該ポンプに接続されている。使用時において、これらは典型的には入口５における静圧が出口６において供給される静圧よりも低いように構成される（もっとも、これはそうである必要はない）。（最も典型的には、例えば歩行用薬剤ポンプにおける上記貯留部２４の圧力は、出口針２３における圧力よりも低い。）
図２は、上記ポンプヘッド１の詳細を示すが、図３、４、５、７、８及び１０に示す閉鎖アセンブリ１２は全体のポンプシステムの付属構成部品と共に除かれている。全体として円柱対称性を有するポンプヘッド１は、取り付け本体２に装着されている。該ポンプヘッドは、領域７に穿孔を有する穿孔エレメント４に機械的に連結された電気機械式アクチュエータ３を有している。穿孔エレメント４は、対向する入口５及び出口６を有している。穿孔エレメント４の上記領域７は、典型的には、代表的には２０μｍないし２００μｍの範囲の厚さ及び代表的には１ｍｍないし５ｍｍの直径のステンレス鋼の薄膜又は板体として形成される。領域７の厚さを経て、最小寸法が典型的には３μｍないし１００μｍの穿孔がレーザドリル加工により形成される。他の薄膜又は板材料は電鋳されたニッケルを含み、その場合には、上記穿孔は後に形成されるというよりは、当該薄膜の電気化学的成長工程の結果として形成することができる。薬剤供給用途に電鋳されたニッケルを使用する場合は、一般的に、ニッケルがポンプ送りされる薬剤中に抽出されることがないように、斯かるニッケル及び穿孔を金又はパラキシリレン（para-xylylene：“パリレン（parylene）”）等の相対的に不活性な材料の層により被覆するのが望ましい。該層は上記穿孔を塞ぐことがないように充分に薄く被覆する必要がある。他の例として、上記材料はステンレス鋼又は他の好適な金属から形成することができ、該材料を経て上記穿孔（又は複数の穿孔）が機械的にドリル形成されるようにする。この場合、斯かる穿孔は典型的には１００μｍないし５００μｍの範囲である。穿孔エレメント４の残りの部分は、例えばステンレス鋼から形成することができ、斯かる部分の寸法は（指定される場合を除き）厳しいものではないが、好ましくは、本体４の総質量がアクチュエータ３のものと同等又はそれ未満の大きさのものとなるように選定される。
【００３５】
アクチュエータ３は、取り付け本体２に取り付けられた圧電セラミック材料の円筒の形態の電気機械式アクチュエータである。アクチュエータ３は、外側及び内側円柱状表面上に電極９及び１０を有している。電極１０は電気接続を容易にするために当該円筒の一端を“包み込む”が、これとは相違して、電極９は当該アクチュエータの外側円柱状表面にわたって実質的に延びることはない。電極は、配線１１により電気駆動回路（図示略）に接続されている。アクチュエータ３は、好都合にはドイツのラムダ・フィジッックスの材料グレードＰＩＣ１５１（又は、他の供給者からの何らかの同様のグレード）の圧電セラミックとし、外径が４ｍｍ、内径が２.５ｍｍ及び１２ｍｍ長である。
【００３６】
使用時において、ポンプ送りされるべき流体８は入口５に相対的に低い静圧で供給される。図１を参照して説明したように、これは、典型的には（必須ではないが）入口配管２８によるものである。同様に、典型的には（必須ではないが）、相対的に高い圧力の流体が出口配管２９により出口６から送出される。
【００３７】
駆動回路２１はアクチュエータ３を電気的に励起して、該アクチュエータ３の終端面１２の長さ方向の収縮及び膨張変位を生じさせ、結果として、穿孔エレメント４の穿孔領域７が入口５に向かう方向及び該入口から離れる方向の間で交互に変位される。これらの交互の運動は高速で発生する。共振運動においては、上述したアクチュエータ３の寸法に対する典型的な周波数は（上記励起が間欠的というよりは連続的及び共振的である場合）、約１００ｋＨｚであるが、正確な動作周波数はアクチュエータ３の精密な幾何学構造及び該アクチュエータ３の取り付け本体２への取付の細部に依存する。間欠的な動作も可能であり、その場合には、動作周波数よりも変位運動の“立ち上がり時間”を考慮する方が賢明であり、この場合、“立ち上がり時間”は典型的にはμ秒の期間となる。穿孔エレメント４の変位は通常は小さく、典型的には１μｍ未満である。しかしながら、高い周波数（又は短い“立ち上がり時間”）は、これらの変位と組み合わさって、典型的には１０^４ｍ／ｓ^２ないし１０^６ｍ／ｓ^２の範囲の高い加速度を発生する。高い値の加速は、最も好都合には、連続的に振動する系において達成され、その場合、アクチュエータ３及び穿孔エレメント４の機械系は機械的に共振状態となる。
【００３８】
図３は、穿孔エレメント４の中心部の概念図を示し、少なくとも一部、前記穿孔が形成された領域７を含んでいる。穿孔エレメント４には単一のノズル１４が設けられ、このノズルは本例では該ノズル１４の両側の断面積が同一となるような平行な側部を備えている。片持スプリングの形態をとる閉鎖アセンブリ１３は、閉鎖体（この場合は、略球状の質量体１５）がノズル１４の一方の側に隣接するように配置されている。該閉鎖アセンブリは外部の固い固定点１９（図７参照）に取り付けられ、順方向流及び逆流に対して当該ノズルを密封するように充分な予備負荷力を伴って設定されている。
【００３９】
この場合、これらの穿孔領域７の往復運動する変位、閉鎖アセンブリ１３及び流体８の間の相互作用は、以下に図４ａ、４ｂ、５ａ及び５ｂを参照して更に説明するように、上記穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの詳細な励起モードに従って、２つの態様の１つにおいてポンプ作用を発生することができる。動作の説明を、上記穿孔エレメントの入口側が相対的に低い静圧であり、出口側が相対的に高い静圧である場合について行う。
【００４０】
図４ａ及び４ｂは第１モードにおけるポンプ動作を示し、該モードにおいては穿孔エレメント４及び閉鎖部材１３の運動は共振的であると共に同相である。当該運動は共振的であるのが好ましいが、これは必須ではない。この構成においては、各サイクルにおいて、薄膜４は閉鎖アセンブリ１３に取り付けられた弁質量体１５を上下に、該薄膜の運動と共振して且つ同相で駆動する。図には図示されていない代替的構成においては、上記閉鎖アセンブリは上記薄膜ではなく別個の駆動手段により駆動することができる。図４ａにおいては、弁質量体１５がノズル１４から離れるにつれて弁が開かれ、図４ｂにおいては、閉鎖アセンブリ１３がノズル１４に向かって移動するにつれて当該弁は閉じるように示されている。当該弁の開放間隙は弁質量体１５及び薄膜４の振動振幅の間の差となることに注意すべきである。この構成においては、流体は矢印１６により示される方向に当該ノズルの開放側から上記閉鎖アセンブリが配置されている側へとポンプ送りされる。このように、低い静圧の領域は、ノズル１４の開放側（図４ａ及び４ｂに示す下側）に配置されなければならない。
【００４１】
図５ａ及び５ｂに示す構成においては、各サイクルにおいて、薄膜４は弁質量体１５を上下に、該薄膜の運動と共振して且つ位相が外れて駆動する。第１モードによるのと同様に、図には図示されていない他の実施例においては、上記閉鎖アセンブリは上記薄膜ではなく別個の駆動手段により駆動することができる。ここでも、共振運動は好ましいが、必須ではない。このようにして、サイクルにおける弁開成位置及び弁閉成位置は、図４ａ及び４ｂに示す構成と比較すると逆となるので、ノズル１４は薄膜４が弁質量体１５に向かって曲げられた場合に閉じられ、薄膜４が弁質量体１５から離れる方向に移動する場合に開く。この構成においては、弁開放間隙は位相外れ運動時の薄膜４及び弁質量体１５の振動振幅の和となり、流体は矢印１７により示される方向に、即ち当該ノズルの閉鎖アセンブリ１３が配置された側から該ノズルの開放側へと流される。この場合、低静圧の領域は当該ノズルの閉鎖アセンブリ１３と同じ側であるべきである。ノズル４の断面は如何なる好適な形状とすることもできる。しかしながら、断面が円形であり、弁質量体１５が球状であることが好ましい。
【００４２】
これらの例においては、単一の弁質量体を持つ単一の閉鎖アセンブリのみを記載したが、複数の閉鎖アセンブリが使用され、各閉鎖アセンブリが２以上の弁質量体を有することも考えられる。
【００４３】
下記の分散関係が上記弁スプリングを指定するために使用された：
ω＝ｋ^２Ｅｈ^２／（１２ρ（１−σ^２））
ここで、ωは上記ノズル弁の共振周波数であり、ｋ＝２π／λであり、Ｅは当該弁スプリングのヤング率であり、ｈは該弁スプリングの太さであり、ρは該弁スプリングの密度であり、σは該弁スプリングのポアッソン比である。この弁スプリングの幾何学構造は、該弁スプリングの長さが当該弁スプリング振動の波長を規定するように制御されるようなものとする。
【００４４】
上記閉鎖アセンブリの上記薄膜との共振運動に関しては、該閉鎖アセンブリ１３は共振桁（又は梁：beam）モデルに対する解により特徴付けることができ、該モデルにおいて当該振動の四分の一波長（又は、事実、λ（１／４＋ｎ／２）なる形態を持つ何れかの波長で、ｎは零又は何れかの正の整数）は当該桁の長さに整合され、剛性はノズル板４の選択されたモード周波数に整合される。
【００４５】
ヤング率（Ｅ）が２.０
１０^１１Ｎ／Ｍ^２であるステンレス鋼の桁の場合、この関係は図６に示す周波数を発生するために使用することができ、ここで、モード周波数は四分の一波長及び桁の太さの関数として表される。
【００４６】
出願人は１００μｍ厚の桁を使用して約７０ｋＨｚで動作する装置を作製し、この構成において、斯様な振動の四分の一波長は約２.４ｍｍである。このように、この弁スプリングの７０ｋＨｚにおける共振を最適化するためには、図７に示す弁チップ１８の長さは、該弁チップの取り付け位置から２.４ｍｍ（ｎ＝０）、７.２ｍｍ（ｎ＝１）、１２.０ｍｍ（ｎ＝２）等となり得る。閉鎖アセンブリ１３は強固なスプリング取り付け部１９に取り付けられているのがわかる。
【００４７】
弁構造を報告するために、出願人により、動作共振モードがレーザ振動計により単純な研究室装置を用いて調査された。
【００４８】
図８は、穿孔薄膜４の三次元画像を示す図で、閉鎖アセンブリ１３が扇形として強調されていると共に、単一のノズル１４を覆うように該薄膜の中心を横断している。断面Ａ−Ａで規定される点の軌跡を調査することにより、この図から、薄膜４及び閉鎖アセンブリ１３の変位振幅はノズル領域上では６００ｎｍと９００ｎｍとの間であり、かくして、ノズルの開きは３００ｎｍ以下であることを示している。
【００４９】
断面Ａ−Ａからは、ノズル開度も決定することができ、これが図９ａに示されている。これは、中心において閉鎖エレメント１３を横断する薄膜４の直径にわたるピーク振幅及び振動を示している。この図から、ノズルの開放開口は非常に小さく、典型的には１００ｎｍ以下であることが分かる。位相に関して当該薄膜を横切る同一の断面を解析することにより、出願人は図９ｂに示すグラフを得た。これは、上記薄膜及び弁が共に互いに同相で振動し、従って、ＡＣ駆動信号とは９０度位相がずれていることを示している。従って、この弁は第１共振モードで動作している。
【００５０】
図１０は図８の図と同様の図を示しているが、該図においては薄膜４が８６ｋＨｚの周波数で振動された。このモードにおいては、弁チップ１８の長さは７.０ｍｍである。８６ｋＨｚにおいては、１００μｍ厚の弁スプリングは２.３ｍｍなる四分の一波長を有し、従って当該弁チップは０.７６λ（ｎ＝１）に相当する。図１０からは、閉鎖アセンブリ１３が上記薄膜に対して大幅に大きな振動振幅（１μｍを超える）で振動していることが分かる。該薄膜の直径にわたる断面Ｂ−Ｂを解析することにより、出願人は図１１ａ及び１１ｂに示される情報を得た。図１１ａは、当該ノズル弁の開放開口が少なくとも５００ｎｍであることを示している。図１１ｂにおいては、上記閉鎖アセンブリが上記薄膜に対して約１８０度位相がずれて振動していることが明瞭に分かる。この第２振動モードによれば、これは共振的な位相外れ動作である。この第２モードにおいては、ポンプ送りするように動作されると、毎秒約０.７マイクロリットルを５００mbarの背圧（出口と入口との間の圧力差）に対してポンプ送りすることができることが分かった。また、６００mbarまでの背圧において順方向ポンプ流を供給することが示され、これが図１２から分かるが、該図はノズル径が２５０μｍで、ポンプ送りされる流体が塩水（saline）である場合の位相外れ共振弁の性能を示すグラフである。
【００５１】
図１３ａに示す穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの他の構成においては、穿孔エレメント３０はステンレス鋼基板３１の一方の面上に取り付けられ、この穿孔エレメント３０は該エレメントを経る穿孔３２を有している。スプリング３３は穿孔３２上を、該スプリングが閉鎖部材３４（この場合はサファイア球）を保持して、該球が上記穿孔３２内に着座すると共に該穿孔の縁の周囲を封止するように、延在している。穿孔エレメント３０に対して該ステンレス鋼基板３１の他方の面上には、圧電環帯３５が取り付けられている。該圧電素子３５の上面及び下面上の電極の間に交番する電気信号を供給することにより、基板３１は振動させられ、これにより弁質量体３４が交互に穿孔３２に向かって及び該穿孔から離れるように移動される。図１４ａ、１４ｂ及び１４ｃに詳細に示すスプリング３３は、一連の脚４２が取り付けられた中心板部４１を有している。これら脚は環状部４３に接続され、該環状部は前記穿孔エレメント３０に取り付けられる。弁質量体３４は上記中心板部４１と穿孔エレメント３０との間に圧縮して保持される。該質量体は球状であって、回転が自由であり、それでいて、上記円形の穿孔３２が完全に封止されることを常に保証する。ハブ部３１は如何なる固有の横方向拘束も与えないので、質量体３４は上記穿孔の中心に心出しされる。これは、穿孔３２と弁質量体３４とが自己整合することになるので、製造工程の許容誤差を改善することになる。
【００５２】
この構成においては、ポンプ送りは弁質量体３４と穿孔エレメント３０とが移送外れ運動で振動する場合に動作すると考えられる。これは、弁質量体３４が静止しており、穿孔エレメント３０が該質量体に向かって及び該質量体から離れるように運動している場合に特に当てはまる。
【００５３】
図１３ｂにおいては、圧電素子３５及び穿孔エレメント３０が前記ステンレス鋼基板の面を入れ換えているが、図１３ａ及び１３ｂの各々において、ポンプ送りは当該穿孔エレメントの質量体３４が配置されている側から他方の側へと生じる。
【００５４】
休止時に穿孔３２を封止する弁質量体３４を設けたことは、上記穿孔エレメントを介しての不所望な順方向流が防止されることを保証すると共に、不所望な逆流（この例では、穿孔エレメント３０を介して上側に向かって）が、休止時に弁質量体３４の約直径分だけ曲げられる場合に当該スプリング３３により付与されるスプリングの予備負荷力により規定される或る限界まで防止されるのを保証する。
【００５５】
図１４ａ、１４ｂ及び１４ｃは、３つの異なる型式のスプリング３３を示すが、これらスプリングの各々は中心板部４１と、該板部から環状部４３まで延びる複数の脚４２とを有し、上記環状部は使用時には穿孔エレメント３０に取り付けられる。
【００５６】
以上、本発明を流体の流れ感知を参照することなく説明した。流れ感知なしでは、上述したポンプの流量は、当該ポンプが流体を送出している静水頭の大きさにより影響を受けるので（例えば、図１２参照）、流量は正確には分からない。しかしながら、バイアス圧力測定、熱パルス注入（thermal pulse injection）、又は比濁若しくは他の形態の光散乱感知手段のような既知の流れ感知手段を、上述した本発明と組み合わせて使用することができる。斯様なセンサの出力は、実際の流量を測定し、特定の実施例のポンプ自体が流体を送出することができる静圧の範囲内で所望の流量を制御及び／又は維持するために使用することができる。このようにして、正確な流体体積の（又は投与量の）供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明によるポンプを示す。
【図２】図２は、上記ポンプ内の本発明によるポンプヘッドの詳細を示す。
【図３】図３は、本発明の穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの一配置例の概要図を示す。
【図４】図４のａ及びｂは、第１モードにおけるポンプ動作の概要を示す。
【図５】図５のａ及びｂは、第２モードにおけるポンプ動作の概要を示す。
【図６】図６は、モード周波数を図３に示した弁スプリングの１／４波長の関数として示すグラフである。
【図７】図７は、閉鎖アセンブリの一形態の構成を示す。
【図８】図８は、ポリテック走査振動計ＰＳＶ３００（ドイツ、ウァルブロン、ポリテック・ゲーエムベーハー）によりとられた三次元画像を示し、第１モードにおける穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリ（最大変位）を示している。
【図９】図９のａ及びｂは、第１モードにおける振動振幅及び位相関係を示している。
【図１０】図１０は、ポリテック走査振動計ＰＳＶ３００（ドイツ、ウァルブロン、ポリテック・ゲーエムベーハー）によりとられた三次元画像を示し、第２モードの最大変位における穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリを示している。
【図１１】図１１のａ及びｂは、第２モードにおける振動振幅及び位相関係を示している。
【図１２】図１２は、共振弁の性能を示すグラフである。
【図１３ａ】図１３ａは、上記穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの他の概要図を示す。
【図１３ｂ】図１３ｂは、上記穿孔エレメント及び閉鎖アセンブリの他の概要図を示す。
【図１４ａ】図１４ａは、前記スプリングの他の形態の概略平面図である。
【図１４ｂ】図１４ｂは、前記スプリングの他の形態の概略平面図である。
【図１４ｃ】図１４ｃは、前記スプリングの他の形態の概略平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ポンプヘッド
３アクチュエータ
４穿孔エレメント（薄膜）
５入口
６出口
７穿孔領域
１３閉鎖アセンブリ
１４ノズル
１５弁質量体
１８弁チップ
３０穿孔エレメント
３１ハブ部
３２穿孔
３３スプリング
３４弁質量体
３５圧電素子（圧電環帯）
４１中心板部
４２脚
４３環状部

Claims

流体をポンプ送りする方法において、
流体を穿孔エレメントの少なくとも一方の側に供給するステップであって、前記穿孔エレメントは１以上の穿孔を有すると共に前記一方の側において少なくとも１つの閉鎖アセンブリに隣接し、該閉鎖アセンブリは当該ポンプが使用されていない場合に前記１以上の穿孔を介する流体の流れを防止するようなステップと、
前記穿孔エレメントを前記一方の側に向かう方向及び該一方の側から離れる方向に交互に変位させることにより、及び前記少なくとも１つの閉鎖アセンブリを前記一方の側に向かう方向及び該一方の側から離れる方向に交互に変位させることにより、前記穿孔エレメントを介する流体の正味の移動を該穿孔エレメントの前記一方の側から他方の側へ向かう方向に実行するステップと、
を有することを特徴とする流体をポンプ送りする方法。
請求項１に記載の方法において、前記閉鎖アセンブリが前記穿孔エレメントに対して位相が外れて変位されることを特徴とする方法。
請求項１又は請求項２に記載の方法において、前記変位が共振的であることを特徴とする方法。
請求項１ないし３の何れか一項に記載の方法において、前記穿孔エレメントが前記閉鎖アセンブリの変位を行わせることを特徴とする方法。
請求項１ないし４の何れか一項に記載の方法において、前記流体が低い静圧の領域から高い静圧の領域へポンプ送りされることを特徴とする方法。
流体をポンプ送りするポンプにおいて、
入口と、
出口と、
前記入口と前記出口との間に配置され、１以上の穿孔を有する穿孔エレメントと、
前記穿孔エレメントに一方の側において隣接して配置されると共に、前記穿孔エレメントにおける前記穿孔の少なくとも１つに整列されて、当該ポンプが使用されていない場合に該穿孔を閉じるような少なくとも１つの閉鎖体を有する少なくとも１つの閉鎖アセンブリと、
前記穿孔エレメントを当該ポンプの前記入口の側及び前記出口の側に向かう方向に交互に変位させる駆動手段と、
を有することを特徴とする流体をポンプ送りするポンプ。
請求項６に記載のポンプにおいて、前記閉鎖アセンブリが前記穿孔エレメントに対して位相が外れて変位されることを特徴とするポンプ。
請求項６又は請求項７に記載の方法において、前記変位が共振的であることを特徴とするポンプ。
請求項６ないし８の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記入口は前記穿孔エレメントの前記流体が低い静圧を有する一方の側であり、前記出口は前記穿孔エレメントの前記流体が高い静圧を有する他方の側であることを特徴とするポンプ。
請求項６ないし９の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記穿孔エレメントは薄い剛性の薄膜又は板体の形態であって、該薄膜又は板体を介して前記入口から前記出口へ通過する穿孔を備えることを特徴とするポンプ。
請求項６ないし１０の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記駆動手段は、電子駆動回路及び使用時に前記穿孔エレメントに機械的に結合される電気機械的アクチュエータの形態であることを特徴とするポンプ。
請求項６ないし１１の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記駆動手段は、電子駆動回路及び前記穿孔エレメントにおける圧電材料の形態であることを特徴とするポンプ。
請求項６ないし１２の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記閉鎖アセンブリはスプリングと、該スプリングに取り付けられて前記穿孔を閉じる１以上の弁質量体とを有することを特徴とするポンプ。
請求項１３に記載のポンプにおいて、前記スプリングは前記弁質量体に接触する中心板部を含むと共に、該板部と前記穿孔エレメントとの間に延在する複数の脚部を有することを特徴とするポンプ。
請求項６ないし１４の何れか一項に記載のポンプにおいて、前記閉鎖アセンブリに取り付けられた駆動手段を更に有していることを特徴とするポンプ。