JP2011515176A - 供給システム - Google Patents

Abstract

供給システムは、電気的に駆動されるＳＭＡアクチュエータを有する本体と、この本体とは別体であるが該本体に接続可能な容器であって、供給されるべき媒体のための容器と、使用時に一部が上記容器内に位置されると共に上記媒体の一部を選択的に供給するために該容器に対して移動可能な供給体であって、使用時に上記本体のアクチュエータに接続されるように構成された供給体とを有し、上記アクチュエータは、上記媒体の所定の部分を供給するために、上記容器と上記供給体との間の相対的移動を生じさせるように構成される。

Description

本発明は、供給（dispensing）システムに係り、特には、使い捨て容器から制御された体積の流体を供給するために使用することが可能な供給システムに関する。

単一方向の直線運動を誘起するために単純な往復運動を使用するような供給機構を有することは良く知られている。このようなアクチュエータが特許文献１に開示されており、該アクチュエータにおいては、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータが、２つの可動部分の間でＳＭＡエレメントを作動させることにより往復運動を発生させるために使用されている。

休止状態において、バネ又は他の付勢手段が上記ＳＭＡエレメントを伸張させるために充分な力を付与し、２つの滑動部分を押し離す。駆動された場合に、上記ＳＭＡエレメントは収縮し、これにより上記バネを圧縮すると共に上記２つの滑動部分を引き合わせるのに充分な力を供給する。これら部分（これらの組み合わせは、後に“押し具”として記載される）は一緒に運動し、例えばチューブに沿って直線的に移動する。このようにして、往復運動が形成される。

ＳＭＡアクチュエータは、ＳＭＡエレメントを臨界加熱温度より高く加熱することにより駆動され、通常は上記エレメントを介して電流を通過させることによる該エレメントの抵抗的加熱を介して達成される。臨界冷却温度（典型的には、上記加熱温度より低い）より低く冷却すると、当該システムは休止状態に戻る。

往復運動を直線運動に変換するために、２つの滑動部分は一方向に優先的にスライドするようにされる。このようにして、当該アクチュエータが伸張すると“先導”端がスライドする一方、該アクチュエータが収縮すると“後”端がスライドし、これにより、芋虫式の直線運動が生じる（図１参照）。

国際特許出願公開第WO03/103758号

しかしながら、このような装置は２つの重大な制限を有している。第１に、前記押し具を行程の始点に戻す手段が設けられない限り、該装置は当該ＳＭＡアクチュエータが沿って移動するチューブ又は構造体の長さに等しい最大行程しか提供することができない。この場合、全アセンブリが破棄されねばならないが、これは、当該供給システムの高価な部分が該ＳＭＡアクチュエータ自体である場合、高い費用となり得る。第２に、自身の開始位置から連続的に移動している上記押し具に対して電気的接触を行わなければならず、これは、困難な配線に、従って電気系の潜在的且つ一層頻繁な故障につながり得る。

これら欠点のうちの上記２番目のものは、例えば米国特許第5919167号に見られる代替構成により対処することができる。この例において、ＳＭＡは静止部分と可動部分との間で作用し、ＳＭＡアクチュエータと直列に復帰バネを備える。上記可動部分は往復運動し、該部分の運動は単方向カプリングを介して連続的進行に変換される。しかしながら、このような装置は、当該流体の全てが供給された後に、当該ＳＭＡ及び関連する部品の使い捨てを依然として必要とする。何故なら、これらは再利用することができないからである（図２参照）。更に、該装置は、上記ＳＭＡを流体を排出するために使用する一方、上記バネを該ＳＭＡを非励起長に戻すために使用するが、このことは、短い（従って効率的な）ＳＭＡ加熱サイクルを保証するために急速な流体の排出（従って、当該装置内での大きな粘性損失）、又は、代わりに、粘性損失を最小にするために長い非効率な加熱サイクルの何れかを必要とする。

従って、本発明は上述した２つの欠点を更なる欠点を惹起することなしに解決しようとするものである。

本発明によれば、
電気的に駆動されるＳＭＡアクチュエータを有する本体と、
上記本体とは別体であるが該本体に接続可能な、供給されるべき媒体のための容器と、
使用時に一部が上記容器内に位置されると共に、上記媒体の一部を選択的に供給するために上記本体に対して移動可能な供給体であって、使用時に上記本体のアクチュエータに接続されるように構成される供給体（dispenser）と、
を有し、上記アクチュエータが、上記媒体の所定の部分を供給するために、上記供給体と上記容器との間の相対的運動を生じさせるように構成された供給システムが提供される。

このように、供給されるべき媒体用の別体で使い捨て型の容器と共に、供給体に接続されるＳＭＡアクチュエータを含む本体を有することにより、本発明は、相対的に高価なＳＭＡ部分を含む当該供給システムの上記本体の残部の価格と比較して、上記使い捨て部分が僅かな又は無視可能な価格であることを保証するような解決策を提供する。

上記アクチュエータは、往復運動を発生させるのを補助する少なくとも１つのバネ又は他の付勢手段を有することもできる。

上記ＳＭＡ及びバネは、当該ＳＭＡが駆動された場合に該バネが圧縮されるように構成することができるか、又は当該ＳＭＡが駆動されなくなった後に媒体が供給されるように構成することもできる。この様にして、本発明は、高速な加熱サイクルの間においてバネにエネルギが蓄積されると共に、該バネの伸張により粘性損失を低減するための低速度で当該流体を排出させるような構成を提供する。

上記バネは、好ましくは、当該ＳＭＡが駆動されなくなった後に、前記供給体を前記容器に対して移動させるように構成される。

当該ＳＭＡアクチュエータは、振動する直線運動を生成するように構成することができるか、又は、代わりに、振動する回転運動を生成することができるかの何れかである。どちらが発生されたとしても、上記の振動する運動は、好ましくは、典型的には一方向ラチェット機構を介して上記供給体のステップ状の増加的運動に変換される。

別の例において、当該アクチュエータはＳＭＡアクチュエータというよりは圧電アクチュエータとすることができ、この圧電アクチュエータは、好ましくは、該圧電アクチュエータが駆動された場合に撓まされるような屈曲竿（bending beam）に接続される。この構成において、上記屈曲竿は、好ましくは、該屈曲竿が駆動されなくなった後に前記供給体を前記容器に対して移動させるように構成される。

図１は、従来技術の芋虫式の直線運動を示す。 図２は、従来技術の静止及び可動構成を示す。 図３は、本発明の一実施例の概略図を示す。 図４は、本発明の一実施例の概略図を示す。 図５は、類似装置の一例の概略図を示す。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。

図１において、入口端１０ａ及び出口端１０ｂを有すると共に、供給するための媒体１１を内部に保持する供給チューブ１０が設けられ、該チューブは、一方向（このケースでは、図の右方向）への移動を優先的に許可する一方、反対方向（即ち、図の左方向）への移動を妨害又は防止する手段を有している。該手段は、ラチェット機構としての一連の勾配を付けられた歯を含むことができるが、この実施例では、同一の機能を果たすエレメント１２が各可動エレメント１３、１４上に設けられている。上記エレメント１２は、好ましくは、側壁に対して傾斜された角度で配置されると共に、該エレメントの先端１２ａとチューブ１０の側壁との間に接触力が存在するように予備負荷（例えば、曲げによる）を伴っている。このような構成は、上記可動エレメントが上記側壁に対して平行に左から右へ移動される場合に上記接触力を減少させ、上記可動エレメントが上記側壁に対して平行に右から左へ移動される場合に上記接触力を増加させるであろう。従って、この結果、上記可動エレメントの左から右への優先的（極限の場合、一方向の）移動が得られる。エレメント１２は、各可動エレメントの周囲の一連の突起を含むことができるか、又は連続したカラー（襟状体）として形成することができる。チューブ１０内の異なる軸方向位置に配置された可動エレメント１３、１４は、形状記憶合金（ＳＭＡ）エレメント１５及びバネ１６により接続されている。電気的接続部１７が上記形状記憶合金１５から電源（図示略）へと延びている。

可動エレメント１３、１４は、流体の媒体１１を当該チューブの出口１０ｂから供給するように該チューブ１０内で移動可能な供給体（dispenser）を形成する。形状記憶合金１５及びバネ１６は、当該チューブに沿う、この場合は図の右方向への上記供給体の直線運動を生じさせるアクチュエータを形成する。

チューブ１０に沿う運動は、図１のｂ及びｃを参照するようにして達成される。図１のｂに示されるように、ＳＭＡ１５は収縮され（太線により示される）、かくして、可動エレメント１４を右方向にスライドさせる。前記エレメント１２の傾斜は右方向への優先的な移動を可能にするので、エレメント１４はエレメント１３に向かって優先的に移動させられる。ＳＭＡ１５が駆動されなくなると、該ＳＭＡ１５が駆動された際に圧縮されたバネ１６は、可動エレメント１３を右方向に移動させる。ここでも、エレメント１３は、エレメント１２の形状的性質により優先的に移動される。

この様にして、上記供給体はチューブ１０に沿って小さな増分で移動させられ、これにより流体を出口１０ｂから供給する。

第２の既知の例が図２のａ〜ｃに示されており、該例においては、供給チューブ２０が、供給体の静止エレメント２１及び可動エレメント２２に対して移動可能である。この例においては、供給チューブ２０が移動させられ、該チューブの運動が、供給されるべき媒体を有する容器内でプランジャを移動させる。

このシステムの動作は下記のように生じる。即ち、バネ２３は固定表面２４と可動エレメント２２の一方の側との間に取り付けられ、形状記憶合金のエレメント２５が可動エレメント２２と静止エレメント２１とを接続している。形状記憶合金エレメント２５を駆動すると、従って該形状記憶合金エレメントを収縮させると、可動エレメント２２は静止エレメント２１に向かって引き寄せられ、傾斜されたエレメント２６の形状及び配置により、当該供給チューブも図２のａにおける右方向に移動させられる。これが、当該ＳＭＡアクチュエータが駆動された状態であり、バネ２３が伸張されている図２のｂに示されている。該ＳＭＡが駆動されなくなり、上記バネが休止位置に戻ると、即ち収縮すると、これにより、図２のｃに示されるように可動エレメント２２を左に引っ張る。このような運動により、供給チューブ２０はステップ状の運動で右に平行移動される。

図３ないし５に示される例は、従来技術の課題に対する解決策の詳細を示している。

図３及び４において、往復運動はするが平行移動はしない形状記憶合金＋バネのアクチュエータが設けられ、この結果、供給されるべき媒体を含み、且つ、往復運動を直線運動に変換する典型的にはラチェット等の形態の手段を含む単純な低コストの使い捨て部品が得られる。これは、エネルギが高速な加熱サイクルの間に低力バネに蓄積され、当該ＳＭＡが駆動されなくなった場合に粘性損失を低減すべく低いレートで流体を排出するようにさせる構成ともなる。

これが、図３のａ〜ｄ及び図４のａ〜ｄに示され、これらの図において、当該供給システムの本体（図示略）に取り付けられるべき静止エレメント３１、及び可動エレメント３２は、移動（translating）エレメント３０に対して、供給されるべき媒体用の使い捨て容器の一部を形成する該移動エレメントを上記静止及び可動エレメント３１、３２から、並びに当該供給システムの残部から容易に取り外すことができるように構成される。

上記移動エレメント３０は、例えば、供給されるべき媒体の静止容器内のプランジャであり、ＳＭＡ３５及びバネ３３の組み合わせによる該エレメント３０の移動が、液体を該容器から排出されるようにする。

この例において、バネ３３は、図２のａの状態であったように、静止エレメント３４と前記可動エレメント３２の一方の側との間に接続される。しかしながら、この例においては、ＳＭＡ３５も静止表面３４と可動エレメント３２との間に接続される。上記移動エレメント３０には、図３では、図１及び２を参照して説明したものと同様の傾斜されたエレメント３７が設けられ、図４では一連の歯３６が設けられる。各機構は、図における左方向への移動を優先的に可能にする一方、右方向への移動を優先的に防止する。

このように、動作時において、上記ＳＭＡは駆動されて収縮し、これにより可動エレメント３２を図面における左方向に引き寄せる。これは、高速な加熱サイクルであって、低力バネ３３にエネルギを蓄積する効率的な方法である。該ＳＭＡが駆動されなくなると、前記バネは自身の休止位置まで伸張して戻るのを開始し、これにより可動エレメント３２を右方向に押し、従って移動エレメント３０も右方向に移動させる。この上記バネの伸張は、該バネの前記圧縮よりも遅いレートでなされ、これにより、この段階は、当該流体が排出される際に既知の構成よりも少ない粘性損失しか生じないことを保証する。ＳＭＡ３５、バネ３３、静止部３１及び可動部３２により形成される供給器を再使用することを可能にするために、ユーザは、図３のｄ及び図４のｄに示されるように、移動チューブを静止エレメント３１及び可動エレメント３２から単に外さねばならないだけである。

このように、この実施例において、上記ＳＭＡ及びバネのアクチュエータは再利用可能である。何故なら、上記ＳＭＡエレメント及びバネの両者は、数千の使用サイクルにも耐えることができるからである。このことは、費用及び消費の観点から極めて有益である。更に、上記ＳＭＡに対する電気的接触は連続的な移動には曝されず、むしろ２つの位置の間を振動するだけであり、これにより一層容易な設計及び一層信頼性のある接続を可能にする。

上記使い捨て部分の低いコストは、本発明が消費者向け製品等の価格に敏感な応用分野で使用されるのを可能にする。また、本発明のコンパクトな性質は、本発明が他のシステム内に、例えば歯ブラシのハンドル内に組み込まれるのを可能にする。

上記使い捨て部分は、例えば、液体、ジェル、クリーム、粉体又は錠剤の供給のための流体貯留容器等を含むことができると共に、液体、粉体又は錠剤の形態の食料品、口紅若しくはクリーム等の化粧品、ハンドクリーナ及び殺菌剤若しくは練り歯磨き若しくは髭剃り製品等のパーソナルケア製品、タイマ上のペットフード等のペットケア、掃除用製品、脱臭剤、医薬錠剤若しくはステイショナリ（stationary）の供給を含むことができる。前記往復運動は、種々の方法を用いて、実質的に連続的な直線運動に変換することができる。これらは、図３に示されるような、歯付ラチェット及び爪を含み、この場合、一方の爪が静止状態に保持されている間に、他方の爪は前後に振動される。代わりに、これは摩擦と爪とを用いて達成することができ、これによれば、図３又は４の例で示された静止爪を単純な摩擦的係合により置換することができる。第３の代替例は、上記往復運動を、例えばネジが切られたロッドの回転を駆動するために使用し、回転することから拘束された上記ロッド上のナットを該ロッドに沿って平行移動させることができる。これは、同様に、上記ナットが回転され、回転することから拘束された上記ロッドが平行移動するように構成することもできる。何れにせよ、往復運動は実質的に連続した直線運動に変換される。

上述した全てのシステムは、射出成形プラスチック等の簡単な低コストの製造方法により作製することができる。前記往復運動は、代替的に、ダイヤフラム型ポンプを使用することにより直接整流することができ、この部分は、依然として、主アクチュエータから分離可能に構成することができる。

図５に示された別の例において、圧電アクチュエータ４０は、本体４６に取り付けられた屈曲竿４１に接続され、この竿は該竿の一方向への運動を生じさせるように駆動され、該竿を自身の休止位置に復帰させるように駆動解除される。これは、振動部分４３を駆動すべく矢印４２により示された必要な往復運動をもたらすように構成することができる。静止部分４４も、供給チューブ４５と併せて設けられ、この機構は図３及び４のものと略同様に動作するので、該動作についての更なる説明は必要ないであろう。

Claims (10)

1. 電気的に駆動されるＳＭＡアクチュエータを有する本体と、
   前記本体とは別体であるが該本体に接続可能な、供給されるべき媒体のための容器と、
   前記媒体の一部を選択的に供給するために、使用時に前記容器内に配置されると共に該容器に対して移動可能な供給体であって、使用時に前記本体の前記アクチュエータに接続されるように構成される供給体と、
   を有し、前記アクチュエータが、前記媒体の所定の部分を供給するために前記供給体と前記容器との間の相対的運動を生じさせるように構成される供給システム。
2. 前記アクチュエータが、少なくとも１つのバネを有する請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＳＭＡ及び前記バネが、該ＳＭＡが駆動された場合に該バネが圧縮されるように構成される請求項２に記載のシステム。
4. 前記ＳＭＡ及び前記バネが、該ＳＭＡが駆動されなくなった後に前記媒体が供給されるように構成される請求項２又は請求項３に記載のシステム。
5. 前記バネが、前記ＳＭＡが駆動されなくなった後に前記供給体を前記容器に対して移動させるように構成される請求項４に記載のシステム。
6. 前記本体の前記アクチュエータが、振動的な直線運動を生成する請求項１ないし５の何れか一項に記載のシステム。
7. 前記本体の前記アクチュエータが、振動的な回転運動を生成する請求項１ないし５の何れか一項に記載のシステム。
8. 前記振動的な回転運動が、振動的な直線運動に変換される請求項７に記載のシステム。
9. 前記振動的な運動が、前記供給体のステップ状の増加的動きに変換される請求項６ないし８の何れか一項に記載のシステム。
10. 前記アクチュエータ及び前記供給体が、一方向ラチェット機構を介して接続される請求項１ないし９の何れか一項に記載のシステム。

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