(57)【要約】  マイクロバルブ組立体（１０）が、対向する第１および第２の主表面を有する細長いバルブ本体（１４）を含み、第１の主表面がバルブリセス（３４）を画定し、第２の主表面が第１の流体ポート（２０）および第２の流体ポート（２２）を画定する。流体入口ポートおよび流体出口ポートの両方がバルブリセスに流体連通されて延在する。ガスケット（１２）が、流体ポートのいずれかまたは両方に位置合わせされて重ねられて延在するようにバルブリセス内に自由に配置される。バルブカバー（１６）がバルブ本体に接着され、また、このバルブカバー（１６）は、中にガスケットを閉じ込めるためにバルブリセスに位置合わせされて重ねられて配置される第１の平坦な表面を有する。バルブカバーは、ガスケットにより流体ポートのうちの少なくとも１つを密閉するためにバルブリセス内へと屈曲され得る。【選択図】図２
2013516582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロバルブ組立体であって：
対向する第１および第２の主表面を有する細長いバルブ本体を有するバルブ本体であって、前記第１の主表面がバルブリセスを画定し、前記第２の主表面が第１の流体ポートおよび第２の流体ポートを画定し、前記第１および第２の流体ポートの両方が前記バルブリセスに流体連通される、バルブ本体と；
前記第１および第２の流体ポートのうちの少なくとも１つに位置合わせされて重ねられて延在するように前記バルブリセス内に自由に配置されるガスケットと；
前記バルブ本体に接着されるバルブカバーであって、前記バルブカバーが、第１の平坦な表面を有し、中に前記ガスケットを閉じ込めるために前記バルブリセスに位置合わせされて重ねられて配置され、前記バルブカバーが、前記ガスケットにより前記第１および第２の流体ポートのうちの少なくとも１つを密閉するために前記バルブリセス内へと屈曲され得る、バルブカバーと
を有するマイクロバルブ組立体。
【請求項２】
前記バルブ本体および前記バルブカバーが同じ材料から形成される、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項３】
前記バルブ本体が接着剤により前記バルブカバーに接着される、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項４】
前記浮動型ガスケットがテフロン（商標）から作られる、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項５】
前記バルブ本体がＣＯＣから形成される、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項６】
前記バルブカバーがＣＯＣから形成される、請求項５記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項７】
前記浮動型ガスケットが前記バルブリセスを実質的に完全に横断して延在する、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項８】
前記第２の流体ポートが前記バルブリセスに同軸に位置合わせされる、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項９】
前記第１および第２の流体ポートが前記浮動型ガスケットに位置合わせされてその下に配置されて開いている、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項１０】
前記浮動型ガスケットが５ミクロンから１ミリメートルの範囲の厚さを有する、請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項１１】
前記バルブ本体が、前記バルブカバーの前記第１の主表面から離間され、前記バルブカバーの前記第１の主表面に対向する環状リムを有する、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項１２】
前記ガスケットが前記環状リムと前記カバーとの間で挟持される、請求項１１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項１３】
前記ガスケットが前記環状リムのほぼ中央まで横断して架けられる、請求項１２記載のマイクロバルブ。
【請求項１４】
前記ガスケットが前記環状リムを実質的に横断して架けられる、請求項１２記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項１５】
前記バルブ本体が、前記第２の流体ポートの周囲にある環状表面によって形成されるバルブシートをさらに有する、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
【請求項１６】
前記バルブシートが、前記第１の流体ポートから前記第２の流体ポートまで延在する傾斜表面をさらに有し、前記傾斜表面が前記第２の流体ポートの長手方向軸に対して横断方向ではない方向に方向付けられる、請求項１５記載のマイクロバルブ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体の分野に関する。より具体的には、本発明はマイクロ流体バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜バルブには多くのバリエーションがある。標準的なマイクロ流体膜バルブは、微細加工された非常に滑らかな表面を備えるハード−ハード・シールを使用するか、または、２つの硬い層の間に軟質材料の完全な追加の層を組み込んでいる。いずれの場合も、実用的な状況にある良好なバルブシールは、軟質材料に接触している硬質材料または軟質材料に接触している軟質材料に依存する。マイクロ流体デバイスは大量生産の場合にはポリマーから製造され、射出成形可能な材料を使用しており、一体化のレベルが高いという利点を有する。このように製造されたマイクロ流体デバイスに起因する１つの問題は、これらのデバイスが最終的に一体に接着される層から構成されることである。材料の選択は、最終的な意図する用途および使用可能な製造技術の両方によって制限される。考慮するファクタの例としては、アプリケーションプロセス（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の化学物質および温度、ならびに、成形および接着などの製造プロセスがある。接合することが困難である異種材料を用いて加工することなく、一体型の最終的なデバイスの一部となることを意図される他のすべての構成要素と同時に膜バルブの材料要件を満たすことにより、硬質の基体を押圧する硬質の膜を有するバルブを得ることができる。
【０００３】
Jermanの文献（"Electrically-activated, normally-closed diaphragm valves", J. Micromachining and Micrengineering, V4, 1994 pp210-216）が、シリコン・オン・シリコンの微細加工されたバルブを説明している。滑らかな表面により、５０００：１の漏出率（オン・オフの流量）が得られている。
【０００４】
Brunsの文献（Silicon Micromachining and High-speed gas chromatography, Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation and Automation, 1992, V3, pp1640-1644）が、ハード−ハード・バルブシールをハード−ソフト・バルブシールに入れ替えるための、ガラス膜とシリコンバルブ本体との間で閉じ込められるポリマー膜を説明している。
【０００５】
Chen et alの最近の文献（Floating-Disk Parylene Microvalves for Self-Pressure-Regulating Flow Controls, Journal Of Microelectromechanical Systems, Vol.17, No. 6, December 2008）が、浮動型（ｆｌｏａｔｉｎｇ）のパレリンディスクで構成される、シリコンとパレリンとのバルブ構造体を説明している。この文献の研究は、浮動型のパレリンディスクが移動することで自己調整挙動する受動的なバルブを作ることを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許第１９９４９９１２号公報
【発明の概要】
【０００７】
したがって、製造を容易にしかつ十分な性能を有する単純なデザインのマイクロバルブが必要とされている。より具体的には、その結果、マイクロバルブを製造するために同様の材料を一体に接着しさらにはバルブを密閉するための軟質の層を挿入することにより形成されるマイクロバルブが必要とされている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のマイクロバルブを示す図である。
【図２】線２−２に沿った、図１のマイクロバルブを示す断面図である。
【図３】本発明のマイクロバルブを示す分解図である。
【図４】浮動型のガスケットをピン留めしてバルブ出力ポート上で密閉係合状態にするためにバルブカバーを屈曲させる外部アクチュエータの動作により閉鎖位置にある図２のマイクロバルブを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、別の手法ではハード・オン・ハードの材料で構成されるようなバルブへの軟質材料ディスクの組み付けを説明する。ハード−ハード・システムに追加の軟質材料を挿入しない場合、バルブの信頼性を低下させるような非常に強い力を加えることなく良好なバルブシールを形成することは困難である。
【００１０】
浮動型のディスクを組み付けることに対する１つの代替手法は、バルブ膜にディスクを接着することである。膜を接着する際の複雑さの要因は、接着するのに使用される接着剤をアプリケーションプロセスに適合させなければならないこと、または、接着剤を使用せずに接合され得る材料の選択がアプリケーションプロセスに適合していければならないことである。膜バルブに対する初期の研究では、２０μｍの厚さの軟質のポリプロピレン（ＰＰ）層が１９０μｍの厚さのＣＯＣフィルムに接着されて、ＰＥＥＫバルブ本体に対して良好なシールが形成されていることが示された。この構成は、約１ｍｍの直径および４０〜１００μｍの幅のバルブシートに２０ニュートン未満の力を加えた状態で最大で６バールのゲージ圧まで気体また水を密封することができる。残念ながら、ＣＯＣフィルムに接着されたこのＰＰ層は、接着剤を使用せずにＣＯＣフィルムをＣＯＣバルブ本体に接着するのを妨げてしまう。また、バルブシートを除くすべての領域においてまたは別法としてバルブ全体においてＣＯＣフィルムからＰＰが除去されると、ＣＯＣとＰＰとを接着している縁部上の接着剤がバルブを通るように誘導されている流体に露出され、可能性として接着剤による化学的侵食が起こる。接着されるＰＰ層を用いずにＣＯＣフィルムから同等のバルブを形成する試みでは、接着剤なしでＣＯＣ膜本体がＣＯＣバルブに良好に接着されるが、得られるバルブが常に漏洩することが分かっている。
【００１１】
別の選択肢は、バルブ本体を作るために２Ｋ（２つの化合物）成形を使用することであり、ここでは、バルブシートは軟質材料から作られる。良好なバルブシールの基準は満たされるが、この手法はコストがかかり、やはり材料の選択が制限されてしまう。
【００１２】
本発明は、一体に接着され得かつハード−ハード材料の組み合わせで構成されてよく同時にバルブを密閉するためのハード−ソフトの材料の組み合わせの条件も依然として満たすことができる層からなる構造体を設計および製造するための解決策を説明する。バルブデザインにこのように自由度があることにより、多くの技術的利点および商業的利点が得られる。技術的には、温度性能または化学安定性など、デバイス全体に対して適切な材料の選択する際に新たな自由度が別途得られ、ここでは、良好なバルブシールのためにハード−ソフトの要求条件を満たさなければならないという問題がない。商業的には、この自由度により、類似のまたはさらには同じ材料の層からデバイスを作ることが可能となり、製造の複雑さおよびコストが軽減される。また、異なる用途において、同じデザインを異なる材料群（ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で作ることが可能となり、ここではバルブを完全に再設計するために時間をかけて対策することが必要なくなる。
【００１３】
本発明は、バルブ膜をバルブ本体に接着する前に、バルブ本体とバルブ膜またはバルブカバーとの間に軟質のガスケット材料の薄いディスクを挿入することにより機能する。この薄いディスクはＴｅｆｌｏｎなどの材料のディスクであってよい。この薄いディスクはバルブ膜に接着されないことから、５μｍから１ｍｍの範囲の厚さが可能であり、また、そのため、力を加えられるときに屈曲するバルブ膜の性能に影響しない。
【００１４】
図１〜４を参照すると、本発明がマイクロバルブ１０を提供している。マイクロバルブ１０は、膜１６がバルブ本体１４に接着される前にバルブ本体または基体１４と変形可能な膜またはカバー１６との間に組み入れられる軟質の浮動型ガスケット１２を有する。限定しないが、説明のために、バルブ本体１４およびバルブカバー１６はＣＯＣ（環状オレフィンコポリマー）から形成されていてよい。浮動型ガスケット１２はＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などの軟質材料から作られており、したがって、バルブが「閉鎖」状態にあるときにハード・オン・ハードの表面が形成されることが排除され、また、製造材料の選択に対する制限も緩和される。バルブ本体１４およびカバー１６はそれらの間にバルブリセス１８を画定し、その中にガスケット１２が配置される。さらに、バルブ本体１４は第１の流体ポート２０および第２の流体ポート２２を画定し、第１の流体ポート２０および第２の流体ポート２２は共にバルブリセス１８に流体連通される。バルブ本体１４は、入口アパーチャ２４、ならびに、第１のポート２０と入口アパーチャ２４との間で開いた状態で流体連通されて延在する細長い入口通路２６を画定する。バルブ本体１４はさらに、出口アパーチャ２８、ならびに、第２のポート２２と出口アパーチャ２８との間で開いた状態で流体連通されて延在する細長い出口通路３０を画定する。したがって、バルブ１０は、そこを通る流れを制御するために、流体的に分離された２つの流体導管（または、チャネル）にアパーチャ２４および２８のところで接続され得る。
【００１５】
バルブ本体１４は、望ましくは、上にカバー１６が架けられるリセスアパーチャ３４を画定する平坦な主表面３２を有し、それによりバルブ本体１４とカバー１６との間にバルブリセス１８が画定される。バブル本体１４は、望ましくは、主表面３２から窪んでおり、同軸の円筒形表面３８および４０の間を延在する環状リム３６を有する。ガスケット１２は、望ましくは、環状リム３６と少なくとも部分的に同一の広がりを持つ円形ディスクの形状であり、したがって、ガスケット１２はカバー１６と環状リム３６との間で周囲部が接着される。本発明はさらに、ガスケット１２がバルブリセス１８を横断して架けられるようなサイズであり、さらにそれにより、ガスケット１２がリム３６の幅の少なくとも半分またはそれ以上にわたって延在する（すなわち、ガスケット１２の周囲縁部は、望ましくは、表面３８と表面４０との間の半分またはそれ以上にわたって延在する）ことを企図する。さらに、本発明は、ガスケット１２が、リム３６と実質的に同一の広がりを持つようにリセスアパーチャ３４を実質的に横断して架けられるようなサイズおよび形状であることを企図する。
【００１６】
バルブ本体１４は、カバー１６に対向する実質的に平坦な環状フロア表面４２をさらに有する。フロア表面４２は第１のポート２０を画定する。バルブ本体１４は、第２のポート２２を画定しかつフォイルガスケットを着座させるのを補助するバルブシート４４をさらに有する。バルブシート４４は、フロア表面４２と比較してバルブリセス１８のさらに内側まで延在する（すなわち、カバー１６により接近している）。バルブシート４４は、第２のポート２２の周りに近接する第１の部分４６と、第２のポート２２の長手方向軸に対して横断方向ではない方向に方向付けられるためにフロア表面４２に向かって傾斜する第２の部分４８とを有する。バルブポート２２は、望ましくは、カバー１６の下で中心に配置されるようにバルブリセス１８と同軸となるように位置決めされ、したがって、バルブ１０が「閉鎖」方向にある場合、最も屈曲するカバー１６の部分がガスケット１２をバルブシート４４に押圧し、それにより、流体ポート２２が流体的に隔離される。
【００１７】
図２の矢印ＡおよびＢは、バルブカバー１６およびガスケット１２の両方が、ガスケット１２が第２の流体ポート２２に密閉状態で位置合わせされるところの位置に向かうようにおよびその位置から離れるように屈曲されることを示している。ガスケットが屈曲されていない位置にある場合、第１の流体ポート２０は第２の流体ポート２２に流体連通されており、したがって、流体はそれらの間を通ってバルブ１０を通過して流れることができる。ガスケット１２が屈曲された位置にある場合、ガスケットが第１の流体ポート２０から第２の流体ポート２２を密閉し、それらの間を介してバルブ１０を通過する流れを妨害する。バルブカバー１６に使用される材料の選択および寸法はバルブ１０の寸法によって決定されてよい。使用される材料は、本発明に従ってガスケット１２が屈曲されるのを可能にする。
【００１８】
示されるように、ガスケット１２はリセス１８内に置かれる。ガスケット１２は浮動型であってよいが、１）ガスケット１２がバルブリセスに跨って架けられ、また、２）ガスケット１２がその周囲部にあるＣＯＣ膜１６によりバルブ本体の環状シェフルに対して押圧されることから、本発明は、望ましくは、リム３６とカバー１６との間の定位置で緩やかにピン留めされるガスケット１２を提供する。これらの理由により、ガスケット１２は、リセス１８内に追加の死空間を実質的に組み入れることなくかつバルブ膜１６の弾性変形挙動を影響することなく、バルブシート４４上で正確に位置決めされてバルブ膜１６に取り付けられるという利点を有する。
【００１９】
また、環状バルブシート４４は、望ましくは、第２の流体ポート２２まで延在する傾斜表面として形成される。この傾斜表面は、第２の流体ポート２２に隣接して開いている第１の流体ポート２０から隆起している。望ましくは、流体ポート２０および２２の両方はガスケット１２に対向して開いているが、本発明は、第１の流体ポート２０が、ガスケット１２が屈曲されていない（すなわち、バルブシート４４から離間されている）ときに第２の流体ポートに流体連通されるようないかなる位置に配置されてもよいことを企図する。
【００２０】
図４に示されるように、バルブ１０は、膜１６をバルブシート４４に向かって押圧しかつガスケット１２をバルブシート４４に接触させるように押圧する機械式プランジャ５０によって操作され得る。別法として、バルブカバー１６は、バルブリセス１８の反対側で膜１６に直接に圧力を加えることによりガスケット１２をバルブシート４４上まで押圧するように、屈曲され得る。本発明は、この直接の圧力がバルブカバー１６の頂部に対して押圧されるマニホルドを介して加えられ得ることを企図し、ここでは、個別のマニホルドチャンバが、個別に制御される必要がある付随するマイクロバルブ１０に圧力を加える。バルブ膜１６を外部から操作することにより単純で低コストのバルブを得ることが可能となり、さらにはバルブを使い捨てにすることが可能となる。
【００２１】
本発明の特定の実施形態を示して説明してきたが、本発明の教示から逸脱することなく変更および修正がなされ得ることは当業者には明白であろう。上の記述および添付図面に記載される事柄は単に説明のために提供されるものであり、限定するために提供されるものではない。本発明の実際の範囲は、従来技術を基にした見地から見た下記の特許請求での定義を意図する。
【符号の説明】
【００２２】
１０  マイクロバルブ
１２  ガスケット
１４  バルブ本体
１６  バルブカバー
１８  バルブリセス
２０  第１の流体ポート
２２  第２の流体ポート
２４  入口アパーチャ
２６  入口通路
２８  出口アパーチャ
３０  出口通路
３２  主表面
３４  リセスアパーチャ
３６  環状リム
３８、４０  円筒形表面
４２  フロア表面
４４  バルブシート
４６  第１の部分
４８  第２の部分
５０  機械式プランジャ
【図１】
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【図２】
2013516582.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2013516582.tif 000008