形状記憶合金を用いた血液吸引用ポンプの最良設計

平成24年 神奈川県ものづくり技術交流会 予稿
形状記憶合金を用いた血液吸引用ポンプの最良設計
東海大学 ○朝倉 重孝， 東海大学 槌谷 和義
1．緒言
糖尿病患者は増加傾向であることが報告されている[1]．
治療には日に数回の血糖値測定，インスリン投与が必要
であり，既存の血糖値測定機器では操作が煩雑である．
そこで本研究室では煩雑さの改善と携帯利便性を考慮し
た腕時計型血糖値測定デバイスの開発を行っている[2]．
デバイスへのポンプ搭載数増加を目的として，アクチ
ュエータを既存の PZT より発生力が大きい形状記憶合金
を採用し小型化を図る．原理として形状記憶効果を利用
しポンプ筐体内に負圧を発生させて血液吸引を行う．本
研究では血液吸引用ポンプの小型を目的として形状の検
討を行う．既報[3]より形状記憶合金のアクチュエータ性能
に関わる因子として，形状記憶合金の駆動域を向上させ
ることにより，変形時のポンプ筐体内の容積変化量が増
加し，吸引量が向上することが確認されている．
そこでポンプ形状と吸引量の向上について，汎用有限
要素法解析ソフト ANSYS を用い，最良設計条件を実験
計画法により求める．
Fig.1 Micropump and SMA actuator.
2．方法
従来の円形状ポンプでは，設置時の隙間を有すること
から隙間なくポンプを設置することが可能な正方形状に
着目し最良条件の探索を行う．既報[3]より円形状において
性能に影響を与える因子として，形状記憶合金に付与す
る切れ込み長さ及び幅が高い有意性と寄与率が確認され
ている．これらに加え正方形状特有の切れ込み角度につ
いて実験計画法をを用いて表 1，2 の条件で行う．
解析モデルを図 2(a)に示す．形状記憶合金の直下に導
電性ゴムを配置したフルモデルを採用した．拘束条件を
図 2(b)に示す．形状記憶合金の駆動部を除いた部分をフ
レームと定義し，直下の導電性ゴムの底面を全自由度拘
束する．形状記憶合金の駆動を図 2(c)に示すように Z 軸
方向に 20 [°]変位すると仮定し，アクチュエータ変位を
強制変位として定義する．評価値は変形した後のポンプ
筐体内の容積変化量とする．
Y
X
Z
Z
X
Y
(a) Model image
(b) Restriction condition (c) Deformation image
Fig.2 Analysis model.
Table 1 Physical properties and fixed factor.
Density [kg/m3]
Young's modulus [GPa]
Poisson's ratio
Side length [mm]:L
Thickness [mm]
Shape memory
alloy
6443
63
0.3
6
0.1:d1
Electro conductive
rubber
15
0.4
6
0.5:d2
Table 2 Factor and levels.
Factor
Level1
Level2
A
Length of ditch [mm]
3.5
5
B
Width of ditch [mm]
0.5
1
C
Angle of ditch [°]
45
90
3．結果
最良条件は A: 切れ込み長さ 5 [mm]，
B: 切れ込み幅 0.5
[mm]，C: 切れ込み角度 90 [°]であり，この結果を図 3
に示す．更に有意な因子の検討を行う為，分散分析を行
なった．ここで分散比が 0.1 以下の値となった交互作用の
因子にはプーリングを行う．分散分析の結果を表 4 に示
す．その結果，切れ込み長さ，切れ込み角度に有意性を
確認した．切れ込み長さは駆動領域に作用し，切れ込み
角度はアクチュエータの駆動可能な長さが変化する為，
性能向上に寄与していると示唆される．
Table 3 Analysis results.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
A
1
1
1
1
2
2
2
2
B A×B C A×C B×C e Volume change[mm3]
1
1
1
1
1
1
0.180
1
1
2
2
2
2
0.501
2
2
1
1
2
2
0.233
2
2
2
2
1
1
0.539
1
2
1
2
1
2
0.632
1
2
2
1
2
1
1.457
2
1
1
2
2
1
0.895
2
1
2
1
1
2
1.139
0 [mm]
0.54 [mm]
Fig.3 No.6 model.
Table 4 Analysis of variance table.
Factor Square sum Degree of freedom
A 0.8906848
1
B
0.000182
1
C 0.3596744
1
e
0.1115678
4
Total 1.362109
7
Variance
0.8906848
0.000182
0.3596744
-
Variance ratio Judgement [%] Contribution ratio
31.93339442
99
60.18%
0.006525284
12.89527417
95
23.14%
-
7．参考文献
[1] 健康局総務課生活習慣病対策室, 平成19 年国民健康調査,
pp.4. (2007)
[2] 槌谷和義, 中西直之, 米田泰一, 上辻靖智, 森幸治,
仲町英治,
日本機械学会論文集(C 編), 71 巻, 702 号, pp.249-255.
(2007)
[3] 東海大学工学部精密工学科卒業論文Ⅱ 阪本 篤嗣