(57)【要約】【課題】  薬剤伝達装置を含む幅広いさまざまな用途で液体の流れを制御するための正確で信頼性が高く、廉価な保持式の小電力の弁を提供することを目的とする。【解決手段】  基層１０８と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの入口１０２と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの出口１０４と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの入口を少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネル１１０と、泡を形成するための少なくともひとつの装置１１２と、流体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、泡および泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体１０６とを含む。【選択図】        図１
2004225910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基層と、
キャップ層と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの入口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの出口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成されて上記少なくともひとつの入口を上記少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と
を含む、泡で動かされる弁。
【請求項２】
小型の泡で動かされる弁であって、
基層と、
キャップ層と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成されて上記少なくともひとつの流体入口を上記少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と、
上記弁の電力が停止されたときに上記移動可能な固体の物体を保持するための保持機構と
を含む、小型の泡で動かされる弁。
【請求項３】
小型の泡で動かされる弁であって、
基層と、
キャップ層と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成されて上記少なくともひとつの流体入口を上記少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルであって、上記少なくともひとつの流体入口および上記少なくともひとつの流体出口が上記少なくともひとつの流れチャネルと同一平面に配置された、上記少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と
を含む、小型の泡で動かされる弁。
【請求項４】
小型の泡で動かされる弁であって、
基層と、
キャップ層と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成されて上記少なくともひとつの流体入口を上記少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルであって、上記少なくともひとつの流体入口および上記少なくともひとつの流体出口が上記少なくともひとつの流れチャネルと異なる平面上に配置されている、少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と
を含む、小型の泡で動かされる弁。
【請求項５】
基層と、
中間層と、
キャップ層と、
上記基層、上記中間層、および上記キャップ層の少なくともひとつに形成された少なくともひとつの流体入口と、
上記基層、上記中間層、および上記キャップ層の少なくともひとつに形成された少なくともひとつの流体出口と、
上記基層、上記中間層、および上記キャップ層の少なくともひとつに形成されて上記少なくともひとつの流体入口を上記少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの流体入口から上記少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と
を含む、泡で動かされる弁。
【請求項６】
泡によって動かされるひとつまたは複数の弁を含む弁システムであって、
上記弁の各々は、
基層と、
キャップ層と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの入口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの出口と、
上記基層および上記キャップ層の少なくとも一方に形成されて上記少なくともひとつの入口を上記少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体とを含み、
上記弁システムは、上記泡によって動かされるひとつまたは複数の弁を相互に結合する流体導管をさらに含む、弁システム。
【請求項７】
弁を流れる流体を制御する方法であって、
第１の泡を形成して固体の物体を第１の位置から第２の位置へ動かすことによって液体が弁の入口から弁の出口へ流れるのを阻止する過程と、
第２の泡を形成して上記固体の物体を上記第２の位置から上記第１の位置へ動かすことによって上記液体が上記弁の入口から上記弁の出口へ流れるようにする過程と
を含む、弁を流れる流体を制御する方法。
【請求項８】
少なくともひとつの入口と、
少なくともひとつの出口と、
上記少なくともひとつの入口を上記少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、
泡を形成するための少なくともひとつの装置と、
流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と流体が上記少なくともひとつの入口から上記少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で、上記泡および上記泡の生成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と
を含む、泡で動かされる弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は弁に関し、より詳しくは小型で保持式の小電力の弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電気機械構造（Microelectromechanical structure: MEMS）およびその他のマイクロ工学装置（Microengineered devices）は、その寸法、コスト、および信頼性によって、現在ではさまざまな用途のために開発されている。さまざまな異なる種類のＭＥＭＳ装置およびアクチュエーターが生み出されていて、それらには、スイッチ、弁、マイクロ歯車（microgears）、マイクロモーター（micromotors）、およびその他の運動可能なまたは力を加えることができるマイクロマシン装置（micromachined devices）がある。これらのＭＥＭＳ装置はさまざまな用途に用いられ、それらの用途には、ＭＥＭＳポンプまたは弁が用いられる流体圧的な用途、および、ＭＥＭＳ光弁およびシャッターが用いられる光学的な用途がある。
【０００３】
ＭＥＭＳ装置は、さまざまな技術を利用して、その超小型構造内で所望の動きを起こすのに必要な力を供給している。例えば、マイクロマシン構造のばねおよび歯車を回転させるための機械的な力を供給するために、カンチレバーが用いられてきた。さらに、いくつかのマイクロモーターは電磁界によって駆動され、他のマイクロマシン構造は圧電力（piezoelectric force）または静電力（electrostatic force）によって作動させられる。アクチュエーターまたは他のＭＥＭＳのコンポーネントの調節された熱膨張によって動かされるＭＥＭＳ装置も開発されてきた。これらの熱アクチュエーターは、シリコンまたは金属材料、またはそれらの組み合わせから形成されたアーチ形の梁を有し、その梁は加熱されるとさらにアーチ状に曲がってまたはゆがんで駆動力を生み出す。熱的に動かされるタイプの別の例として、サーマルインクジェット印字がＭＥＭＳの伝統的な用途のひとつと考えられてよい。
【０００４】
実質的にＭＥＭＳ装置の全ての用途で、正確に制御されかつ信頼度の高い動きが必要とされる。ＭＥＭＳ構造に関連する寸法がマイクロメートル規模の場合、安定かつ予測可能な運動特性が重要である。ＭＥＭＳ装置の運動特性は、そのＭＥＭＳ装置を製造するのに用いられた材料のタイプ、そのＭＥＭＳ装置の寸法および構造、および半導体製造のプロセス変数の効果といった固有の要因の影響を受ける。さらに、ＭＥＭＳ装置の運動特性は、そのＭＥＭＳ装置が動作する周囲温度の変動といった外因性の要因の影響を受ける。固有の要因および外因性の要因の両方の影響力はＭＥＭＳ装置毎に異なる。例えば、熱的に動かされるＭＥＭＳ装置は上記の要因の全ての影響を受けるが、周囲の動作温度の変動に対して特に敏感である。本質的に、温度補償がＭＥＭＳ装置内に組み込まれていないか、温度制御がＭＥＭＳ装置のパッケージの一部として組み込まれていなければ、あるタイプの熱的に動かされるＭＥＭＳ装置は、実際の加熱または冷却によって引き起こされた熱的な駆動に応答して動くだけでなく周囲の動作温度の変化によっても動くので、予測不可能にまたは誤って動作することもある。したがって、有意な周囲温度の変動にさらされた場合にもより信頼性が高くまたはより正確に動作するその他のタイプの熱的に動かされる構造を開発することが有益である。スイッチ、リレー、可変キャパシタ、可変抵抗、弁、ポンプ、光学ミラーアレイ、および電磁気アッテネーターを含むさまざまな用途が、これらの特性を備えたＭＥＭＳ装置によってより良好に供給される。しかし、必要な場合には熱的なアクチュエーターが用いられる。
【０００５】
流体の流れを制御するための廉価で小型な保持式の小電力の弁は、例えば埋め込み可能な医療装置を含む薬剤伝達装置などの商業的に重要性の高い多くの用途に対して望ましい。従来技術の弁は一般的に複雑な構成を必要とし、オン状態またはオフ状態（開いた状態または閉じた状態）に保持するための電力を必要とする。多くのタイプの熱的に動かされる弁は、液体の熱伝導率が高いために大きな電力を必要とするので、液体の流れを制御するのには適していない。例えば、特許文献１（米国特許第５，０５８，８５６号）は、液体の流れではなく気体の流れを制御するために用いるのにとりわけよく適した熱的に動かされる弁を記載している。
【０００６】
特許文献２（米国特許第６，０６２，６８１号）に記載されているように、泡または液体／気体の境界面が液体の流れを調節するために用いられてよい。泡弁は機械的な弁に代わる魅力的な代替物を提供する。しかし、従来技術の泡弁はオフ状態または閉じた状態に保持するために少なくとも周期的に電力を必要とすることが多い。さらに、これらの弁が有意の圧力差に対抗して流量を制御するために用いられた場合、達成可能な最大の流量が多くの用途で要求される流量よりも小さくなることが多い。その理由は、非常に小さな開口を用いて泡を所定の位置に保持しなければ、有意の圧力差に対抗して泡を所定の位置に保持することが困難であるからである。そのような小さい開口が用いられた場合、その開口を通る流量を十分なものにするために必要な圧力がシステムの規定を超えるかもしれない。しかし、圧力が増加すると、泡を所定の位置に保持するためにより小さい開口が必要となり、開口がより小さくなることによって所定の駆動圧力に対応する流量が減少し、流量の減少によって最初の目的（命題）が見失われることにもなる。
【０００７】
液体と気体の境界面の圧力差の簡略化された方程式が以下に与えられる。
ΔＰ＝２σｃｏｓθ／ｒ      （１）
ここで、ΔＰは境界面での圧力差であり、σは液体の表面張力であり、θは液体と隣接する固体表面との面角であり、ｒは蒸気（気体）と液体の境界面の曲率半径である。層流の条件のもとでの円筒形のチャネル内の体積流量の簡単な方程式が以下に与えられる。
Ｑ＝πΔＰＲ4 ／８μＬ      （２）
ここで、ΔＰは上記の式で与えられた流量を流すための圧力差であり、Ｒは円形のチャネル（チャネルの横断面）の半径であり、μは流体の粘性率であり、Ｌはチャネルの長さである。医療での用途などの必要とされる流量が比較的小さい用途においてさえ、調速物理学（governing physics）を原因とする制限が問題となることがある。例えば、チャネルの長さが３５ｍｍで水溶液および１４０８０ｋｇ／ｍ2 （２０ｐｓｉ）から３５２００ｋｇ／ｍ2 （５０ｐｓｉ）までの駆動圧力を使用する１ｍｌ／週の流量を必要とする医療装置では、泡を所定の位置に保つのに必要な開口は、必要とされるチャネルの全体の寸法より小さいオーダーの大きさとなる。
【０００８】
したがって、薬剤伝達装置を含む幅広いさまざまな用途で液体の流れを制御するための正確で信頼性が高く、廉価な保持式の小電力の弁が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，０５８，８５６号明細書（第４−７欄、第２図）
【特許文献２】米国特許第６，０６２，６８１号明細書（第７−１３欄、第１Ｃ図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、弁を通る流れを調整するために流れチャネルを実際に閉鎖する他の物体を動かすのに泡を用いることによって、従来の泡に基づいたまたは泡で動かされる弁に典型的な流量の制約に関連した課題を解決する。本発明は、弁装置への電力が遮断されているときでも物体を所定の位置に維持することによって弁装置内での保持機能をも維持する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ある側面に基づけば、本発明は泡で動かされる弁を指向している。その泡で動かされる弁は、基層と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの入口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの出口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの入口を少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、移動可能な固体の物体とを含む。その移動可能な固体の物体は、流体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と、液体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能であり、移動可能な固体の物体は、泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる。
【００１１】
他の側面に基づけば、本発明は小型の泡で動かされる弁を指向している。その小型の泡で動かされる弁は、基層と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの流体入口を少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、流体が少なくともひとつの流体入口から流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を動くことができ泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体と、弁の電源が停止されているときに移動可能な固体の物体の位置を保持するための保持機構とを含む。
【００１２】
他の側面に基づけば、本発明は小型の泡で動かされる弁を指向していて、その弁は、基層と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの流体入口を少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルであって、少なくともひとつの流体入口および少なくともひとつの流体出口が少なくともひとつの流れチャネルと同一平面上にある、少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体とを含む。
【００１３】
他の側面に基づけば、本発明は小型の泡で動かされる弁を指向している。その弁は、基層と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体入口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの流体出口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの流体入口を少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルであって、少なくともひとつの流体入口および少なくともひとつの流体出口が少なくともひとつの流れチャネルと異なる平面上にある、少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体とを含む。
【００１４】
他の側面に基づけば、本発明は小型の泡で動かされる弁を指向している。その弁は、基層と、中間層と、キャップ層と、基層、中間層、およびキャップ層のうちの少なくともひとつに形成された少なくともひとつの流体入口と、基層、中間層、およびキャップ層のうちの少なくともひとつに形成された少なくともひとつの流体出口と、基層、中間層、およびキャップ層のうちの少なくともひとつに形成されて少なくともひとつの流体入口を少なくともひとつの流体出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの流体入口から少なくともひとつの流体出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体とを含む。
【００１５】
他の側面に基づけば、本発明は弁システムを指向している。その弁システムは、泡で動かされるひとつまたは複数の弁を含み、各弁は、基層と、キャップ層と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの入口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成された少なくともひとつの出口と、基層およびキャップ層の少なくとも一方に形成されて少なくともひとつの入口を少なくともひとつの出口に結合する少なくともひとつの流れチャネルと、泡を形成するための少なくともひとつの装置と、流体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れる第１の位置と流体が少なくともひとつの入口から少なくともひとつの出口へ流れるのが阻止される第２の位置との間を移動可能で泡および泡の形成によって生じた力の少なくとも一方によって動かされる移動可能な固体の物体とを含み、弁システムは、泡で動かされるひとつまたは複数の弁を相互に結合する流体導管をさらに含む。
【００１６】
他の側面に基づけば、本発明は弁を流れる流体を制御する方法を指向している。その方法は、第１の泡を形成して固体の物体を第１の位置から第２の位置へ動かすことによって液体が弁の入口から弁の出口へ流れるのを阻止する過程と、第２の泡を形成して固体の物体を第２の位置から第１の位置へ動かすことによって液体が弁の入口から弁の出口へ流れるようにする過程とを含む。
【００１７】
本発明の小型の泡によって動かされる弁は、基層と、キャップ層と、ひとつまたは複数の流体入口と、ひとつまたは複数の流体出口と、ひとつまたは複数の流体流れチャネルと、泡を形成するためのひとつまたは複数の要素と、移動可能な固体の物体とを含む。その弁は中間層をさらに含んでよい。ひとつまたは複数の流体入口、ひとつまたは複数の流体出口、およびひとつまたは複数の流体流れチャネルは、基層、キャップ層、中間層、および、それらの組み合わせのいずれかに形成されていてよい。泡を形成するためのひとつまたは複数の要素は、基層、キャップ層、および中間層のいずれかに組み込まれていてよい。さまざまな要素が装置と同じ平面上に形成されていても異なる平面上に形成されていてもよい。
【００１８】
泡は、さまざまな方法で形成されてよい。例えば、泡は核形成（nucleation）、電気分解（electrolysis）、および／または、外部の気体供給源からの制御された気体の流出（controlled bleed of a gas）によって形成されてよい。核形成には熱核形成（thermal nucleation）が含まれ、熱核形成は、熱を導入して弁内の流体の少なくともひとつの成分を相転移（液体から気体への転移）することを含む。熱は、抵抗加熱を含む任意のさまざまな方法によって生み出されてよい。核形成は、流体内に捕獲された気体（または複数の気体）からの泡の形成をも含む。この方法によって形成された泡は相転移によって形成された泡よりも長く続くことがある。電気分解または電気化成（electrolytic formation）による泡の形成には、流体内に電流を流すことによって流体内のさまざまな要素間のある種類の化学結合を破壊することを含む。このプロセスの一般的な例は、水からの酸素と水素の生成である。外部の気体を使用することは、加圧された気体を弁内の流体に当てることを単に含む。このタイプの泡の形成は、気体を移送できるようにするために弁内にさらにポートを必要とすることがある。表面の変形および形状によって、泡の形成がさらに容易にされてよい。さらに、表面の変形および弁の形状によって泡を維持できるようになる。適切な設計によって、同じ泡が移動可能な物体を複数回動かすのに用いられることがある。
【００１９】
本発明の小型の泡で動かされる弁は、さまざまな方法で流体の流れを制御するのに用いられてよい。例えば、弁は直線的なオン／オフモード、流れ制限モード、または、それらの組み合わせで用いられてよい。
【００２０】
本発明の小型の泡によって動かされる弁は、流体の流量を正確に制御するための低コストの小型の手段を提供する。その弁の構成は、ヒーター（加熱器）のような泡を形成するための装置と、電気分解によって泡を生成するための部位または泡を形成する気体の入口のための部位と、流れチャネルと、基層、キャップ層、または中間層の入口ポートおよび出口ポートと、移動可能な固体の物体の製造を含む簡単かつ廉価な製造プロセスを必要とする。その簡単な製造プロセスによって、弁は大量に製造され、それによって装置のコストが低減される。弁は好ましくは１ｍｍ×１ｍｍより小さい面積を占める。このような小さい面積によって、弁は薬剤の伝達を含めた任意のさまざまな用途に用いられてよい。弁は保持機能を用いているので必要な電力が小さい。
【００２１】
本発明の上述された特徴およびその他の特徴は、添付の図面に例示された本発明の好ましい実施の形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、弁を通る流れを調整するために流れチャネルを実際に閉鎖する他の物体を動かすのに泡を用いることによって、従来の泡に基づいたまたは泡で動かされる弁に典型的な流量の制約に関連した課題を解決できる効果がある。本発明によれば、弁装置への電力が遮断されているときでも物体を所定の位置に維持することによって弁装置内での保持機能をも維持することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
泡または気体／液体の境界面が液体の流れを調節するために用いられることが知られている。しかし、そのような泡を用いた液体の流れの調節では、調節される最大の流量に関する制約が泡を所定の位置に保つ必要性に由来して生じる。本発明は、流れチャネルを実際に阻止して弁を通過する液体の流れを調節する固体の物体を泡を用いて動かすことによって、泡に基づくまたは泡で動かされる弁装置に関する制約を解消する。
【００２４】
泡は、例えば流体を加熱することによって液体の水を水蒸気として気化させてまたは空気などの溶けた気体を核形成して、形成または核形成されてよい。泡は電気分解によって形成されてもよく、または、泡は上述されたように気体または蒸気の外部の供給源から弁に導入されてもよい。以下に記載されるように、装置の形状が泡の形成に影響を及ぼしてよい。例えば、泡が外部の気体供給源から形成される場合、気体の供給源の弁へのポートは先細りになっていてよい。これらの方法のうちの任意の方法によって形成されたまたは導入された泡は物体を液体の流れを阻止する位置へ押し出すまたは動かすのに用いられてよい。泡および泡を最初に形成する力が物体を押し出すまたは動かすのに用いられてよい。装置内の圧力差が物体の密閉を強化して漏洩を最小にするために用いられてよい。
【００２５】
泡は、弁の所望される構成に応じて任意の個数の物体を動かすのに用いられてよい。例えば、物体はポリスチレン製の球体であってよい。他の例示的な実施の形態では、泡は別個の流れチャネルを密閉するために柔軟な隔膜を押し出すのに用いられてよい。泡は、カンチレバー、ブリッジ、フラップ、または、球体または方形、円錐形、円盤に類似した形状を含む非球体の形状のその他の物体を押し出して、上述されたように弁を通過する液体の流れを阻止するまたは低減させるために用いられてもよい。別の実施の形態では、固体の物体は一時的なものであってよく、例えば氷が用いられてよい。さらに、液相に転移される任意の物体が用いられてよい。他の実施の形態では、不混和液が移動可能な物体として用いられてよく、例えば水銀が用いられてよい。別の実施の形態では、不溶性の気体が移動可能な物体として用いられてよい。
【００２６】
泡を用いて固体の物体を動かすことに加えて、本発明の泡に基づく弁は、保持機構を含んでいる。固体の物体および隣接した壁の間の毛管作用による吸引力が弁が駆動されていないときに固体の物体を所定の位置に保持するために用いられる。この保持機構のより詳細な説明が装置の形状を含めて以下に記載される。
【００２７】
上述したように、液体と気体の間の境界面の圧力差を表す簡単化された式は以下のように与えられる。
ΔＰ＝２σｃｏｓθ／ｒ      （３）
【００２８】
例えば、水の場合、水および隣接する固体の表面の間の面角θが３２度であり、蒸気／液体間の界面の曲率半径ｒが０．５μｍであり、固体の物体と弁の少なくともひとつの隣接する壁との間の間隙が１μｍであると仮定すると、蒸気／液体間の境界面での圧力差ΔＰはおおよそ２５３４４ｋｇ／ｍ2 （３６ｐｓｉ）となる。このような力の発生によって、装置内に蒸気または気体／液体の境界面が強制的に留められる。本発明の泡に基づいた弁では、固体の物体と装置の少なくともひとつの壁との間の蒸気または気体／液体の境界面が維持される。気体の小さい貯蔵部が装置の作用領域に隣接した壁の形状を適切に設計することによって維持されてよい。このような残留気体が存在することによって気体／液体の境界面が提供され、球体状のまたはその他の固体の物体が存在することによって狭められた気体／液体の境界面から生じた力が供給されて、この力によって球体状の物体が所定の位置に保持される。
【００２９】
他の例示的な実施の形態では、他のモードの保持機構が用いられてよい。そのような他のモードの保持機構のひとつには、球体状または他の形状の移動可能な物体を所定の位置に配置された後にばねまたは他の機構または装置で押すものがある。そのような保持機構は、例えば、移動可能な物体に隣接するチャネルの柔軟な部分に圧力を加えることによって達成される。この圧力は、任意のさまざまな公知の方法によって加えられてよく、それらの方法には、泡の存在、外部の気体の供給源からの圧力を柔軟な部分または隔膜に加えること、または、形状記憶合金、圧電手段、熱的な手段、熱的なバイメタル手段、またはその他の駆動手段がある。
【００３０】
さらに他の例示的な実施の形態では、物理的な保持機構が球体状または他の形状の物体を所定の位置に配置されているときに締まりばめするように設計することによって提供されていて、物体を他の保持位置に押し出すための泡が存在しない場合に移動可能な物体の位置を変えることがエネルギー的に好ましくないようにされている。適切な設計によって、流れ装置自体の圧力差が球体の物体を所望に応じて閉じた位置に保持するのに用いられる。さらに、係留物体が泡によって動かされない場合にある位置に優先的に留まるように設計されていてよく、したがって、係留物体をその係留位置に保持できない位置のみで追加の保持機構が必要となる。
【００３１】
図１を参照すると、本発明の泡に基づく弁１００の例示的な実施の形態の上面図が示されている。上述されたように、そして以下により詳しく記載されるように、弁１００の構造は基層、中間層、およびキャップ層を含んでいてよい。図１から図５に示された例示的な実施の形態では、弁のすべての要素は説明を容易にするために基層内に配置されているが、各要素は任意の層または任意の層の組み合わせ内に配置されていてもよい。図１では、弁１００は開位置に配置されていて、入口１０２から出口１０４へ流体が流れるようになっている。この例示的な実施の形態では、移動可能な固体の物体１０６は球体である。図示されているように球体１０６は中立位置に配置されていて、液体が流れるようになっている。弁１００は任意の適切な基層１０８上に構成されていてよい。例えば、基層１０８は、シリコン、さまざまな高分子材料、セラミック材料、およびガラスから作られていてよい。流れチャネル１１０は任意の数の材料およびプロセスを用いて基層１０８上に形成されてよい。例えば、流れチャネル１１０は、スピンオン形態または積層形態のホトレジストのような高分子材料を用いて、または不純物添加されたまたは不純物添加されていない二酸化シリコンなどを堆積およびエッチングして基層１０８上に形成されてよい。他の例示的な実施の形態では、流れチャネル１１０は基層１０８内にエッチングされてよく、または、任意の数の公知の方法を用いてシリコン、ポリマー、セラミック材料、ガラス、およびそれらの類似物からなるキャップ層または中間層に形成されてよい。泡が蒸気、気体、またはそれらの組み合わせのいずれであるかに応じて、泡を形成するために用いられる核形成装置、外部の気体ポート、または電気分解装置のいずれかが図１に示されていて、核形成装置、外部の気体ポート、または電気分解装置は、薄膜堆積、パターニング、およびエッチングまたはリフトオフを含む任意の数のプロセスを用いて基層１０８に形成されてよい。その例示的な実施の形態では、泡を形成するための装置はヒーター１１２であり、抵抗要素を含んでいるが、その他の装置が用いられてもよい。泡に基づく弁１００の流体入口１０２および流体出口１０４用のポートを形成するために、ウエットエッチング、レーザードリル加工、または、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）を用いて、基層１０８、キャップ層（図示されていない）、中間層（図示されていない）、またはそれらの層の全てに貫通孔がエッチングされまたは穴あけされてよい。代わりに、基層１０８またはその他の層にエッチングされた、堆積された、またはその他の形態で形成された流れチャネルに結合された流体結合部が装置の作用平面に形成されてもよい。
【００３２】
上述されたように、移動可能な固体の物体１０６は、流れを可視化する分析および生物学上の分析に用いられるポリスチレン製の球体のような球体であってよい。そのような球体はさまざまな寸法のものがさまざまな製造業者から入手できる。現在入手可能な球体は約２０ｎｍから約２０００μｍまでの範囲内の直径のものがある。これらの球体はポリマー、シリカ、およびガラスを含めたさまざまな材料からなるものが入手可能である。流量が約１ｍｌ／週で３．５ｃｍのチャネルを通した３５２００ｋｇ／ｍ2 （５０ｐｓｉ）の駆動圧力の医療装置に対しては、固体の物体の適切な寸法は球体の約１０μｍの直径である。さらに上述されたように、移動可能な固体の物体１０６はその他の形状であってもよく、例えば、非球形の物体；カンチレバー、ブリッジ、隔膜、または基層に少なくとも一方の端部が係留されたその他の物体を含む、入口ポートまたは出口ポートを密閉するのに用いられる係留された物体；および、例えば、ひとつまたは複数の泡の生成または存在によって駆動されるスナップ締めアクチエータのような入口または出口を密閉するのに用いられる双安定の物体であってもよい。
【００３３】
装置への電力は小型のバッテリーまたは無線手段によって供給されてよい。小型のバッテリーは、ペースメーカーで用いられているバッテリーと同様に弁１００自体に組み込まれていてよく、または、弁１００の近くに配置されていてよい。バッテリーは、電気的な接触片または無線機構によって、泡発生ヒーターまたは電気分解のための電極１１２に電気的に接続または結合されていてよい。その他の装置を用いて泡発生ヒーター１１２に電力が供給されてもよい。例えば、圧電装置または圧電セラミック装置が用いられてよい。本発明の泡に基づいた弁１００に必要な電力は、所望される流量、選択された液体、選択された抵抗器の抵抗値、および、基層、中間層、およびキャップ層の熱伝導率を含むさまざまな要因に応じて変えられてよい。そのような例示的な実施の形態のひとつでは、熱伝導性の基層および水性液を用いた場合、電源は、約６Ｖの電圧で弁の開閉当たり２ｍＷ秒から２００ｍＷ秒のエネルギーを供給しなければならない。
【００３４】
図１に示された泡に基づく弁１００は基本的な設計である。他の例示的な実施の形態では、以下により詳しく記載されるように、弁１００は、複数の入口ポートおよび／または出口ポート、放射状の形状の入口ポートおよび／または出口ポート、および、平行な形状の複数の流れチャネルを含んでいてよい。さらに、他の装置が泡に基づく弁と一体化されていてよい。例えば、流れ検出装置、圧力感知装置、泡位置決めおよび配置検出装置、例えば、光学センサー、または容量性センサーが、制御の分野の当業者に知られているように泡に基づく弁１００と一体的化されていてよい。これらの他の装置は弁の機能を正確に制御するために閉ループ制御システムの一部をなしていてよい。さらに、簡単に上述されたように、オンチップまたはオフチップの電力回路および通信回路が泡に基づく弁と一体化されていてよい。
【００３５】
他の例示的な実施の形態では、より複雑な計量、混合、および流量調節を行うために複数の弁が編成されてよい。そのような一体化は、以下に例示され説明されるように、単一の装置上で手ごろに達成されよい。
【００３６】
図２は、閉じた位置またはオフ位置へ移動する過程の泡に基づく弁１００を示している。図示されているように、電力供給されたヒーター１１２ａが泡２００を核形成し、その泡２００が移動可能な固体の物体１０６を図１に示された中立位置から液体出口１０４へ向けて動かす。図３に示されているように、弁１００は移動可能な固体の物体１０６が液体出口１０４に配置されて液体出口１０４を閉鎖したとき閉じられた状態またはオフ状態になっている。図４は開いた状態またはオン状態へ移動する過程の泡に基づく弁１００を示している。図示されているように、電力供給されたヒーター１１２ｂが泡２００を核形成し、その泡２００が移動可能な固体の物体１０６を液体出口１０４を閉鎖している位置から図１に示された中立位置へ向けて動かす。
【００３７】
図５を参照すると、泡に基づく弁１００内の移動可能な固体の物体１０６の誇張された側面図が示されている。図示されているように、気体または空気と液体との境界面を提供するための気体または空気の間隙１１４が設けられていて、固体の物体１０６が存在することによって気体と液体の境界面が狭められることにより生ずる力を提供して物体１０６を所定の位置に保持するようになっている。
【００３８】
動作のあるモードでは、駆動が完了したときに、大部分の駆動用の泡が流体出口を通って漏れ出すことが望ましいことがある。出口ポートは泡の漏出を助長するような寸法であってかつじょうご状に開いていてよい。しかし、本発明で提案される毛管作用による密閉を可能にするために、泡からの気体または蒸気の一部を「ヘッドスペース」内に保持して、移動可能な物体および壁の近くに液体と気体の境界面を形成することが好ましい。移動可能な物体の周りの流れチャネルまたは保持チャネルを適切な形状にすることによって気体の一部が捕獲されこの目的が達成されると考えられている。
【００３９】
毛管作用の力は十分小さいスケールにおいても重力より強いので、適切な設計によって、ヘッドスペースの特徴を用いた場合でも弁１００は姿勢から独立している（姿勢に左右されなくなる）。
【００４０】
弁は複数の層から形成されるのではなく単一の構造として形成されてよいことに注意することが重要である。例えば、弁は射出成形プロセスを用いて形成されてよい。
【００４１】
図６から図１０を参照すると、本発明の小型の泡で動かされる弁６００の別の例示的な実施の形態が示されている。この例示的な実施の形態では、入口６０２、出口６０４、移動可能な固体の物体または球体６０６、泡を形成するための装置６１２ａ，６１２ｂ、および流れチャネル６１０が、単一の平面に、例えば基層６０８に形成されている。しかし、上述されたように、これらの要素は以下に記載されるように任意の層または層の組み合わせに形成されまたは配置されてもよい。泡で動かされる弁６００は、流体が弁６００内で移動できるようにするための戻しチャネル６１６をも含んでいてよい。本質的に、泡が形成されるとある量の流体が移動させられる。戻しチャネル６１６によって、流体が弁６００のある部分から他の部分へ移動できるようにされている。図６では、球体６０６が出口６０４を通る流体の流れを遮断しているように示されている。図７では、泡６１８は泡を形成するための装置６１２ａによって形成されているように示されていて、図８に示されているように、表面６２０をさらに形成することによって、泡６１８は球体６０６をできるだけ出口６０４から遠ざけるように移動するためにできるだけ大きく成長できるようになっている。図９では、球体６０６が出口６０４から離れて配置されているので流体の流れが開通している。図１０では、泡６１８が泡を形成するための装置６１２ｂによって形成されて、弁６００を閉じるまたは遮断するために球体６１８を出口６０４を覆う位置に移動する。
【００４２】
弁が開いた／オン状態および閉じた／オフ状態のいずれかで例示されたが、流れが完全に停止されるのではなく制限されるように弁が制御されてもよいことに注意することが重要である。言い換えれば、制御システムは異なる複数の流量を正確に制御または調節するように設計されていてよい。さらに、さまざまな形状の流れチャネルまたは出口が、オンおよびオフの流量以外に流量を制限するために、さまざまな移動可能な物体と共に用いられてよい。
【００４３】
図１１ａおよび図１１ｂは、本発明の小型の泡で動かされる弁７００のさらに別の例示的な実施の形態を示している。この例示的な実施の形態では、弁７００は、移動可能な固体の物体または球体７０６が上述された実施の形態で記載されたように出口７０４を閉鎖するのではなく流れチャネル７１０を閉鎖または部分的に閉鎖するように構成されている。この例示的な実施の形態では、流れチャネル７１０は移動可能な固体の物体または球体７０６とより良好に適合するようにさまざまな形状で構成されていてよい。例えば、追加の湾曲した表面７２０，７２２，７２４が基層７０８に形成されていてよく、または、上述されたようにその他の任意の層に形成されていてよい。これらの湾曲した表面も保持を容易にする。この形状は泡の通路を変形するために用いられてもよい。
【００４４】
図１２および図１３は、本発明の小型の泡で動かされる弁８００のさらに別の例示的な実施の形態を示している。この例示的な実施の形態では、入口８０２および出口８０４は異なる平面に配置されている。言い換えると、出口８０４が基層８０８に形成されていて入口８０２がキャップ層８１２に形成されていてよく、またはその逆であってよい。したがって、流れチャネル８１０は図１３に明瞭に示されているように弁８００の２つの平面の間に配置されている。
【００４５】
図１４は任意の数の用途に用いられてよい小型の泡で動かされる弁９００の放射状に編成された配置の例示的な実施の形態を示している。本質的に、図１４は弁システム９０２を示している。任意の特定の用途で流れを制御するために任意の数の編成された配置が用いられてよい。さらに、弁９００はさまざまな配置が迅速かつ低廉に得られるようにするためにモジュールで設計された形状を有していてよい。
【００４６】
最も実用的で実践的で好ましいと考えられる実施の形態が例示され説明されたが、記載され図示された特定の設計および方法からの発展が当業者の念頭に浮かび本発明の真髄および範囲を逸脱せずに用いられることが明らかである。本発明は記載され図示された特定の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に包含される全ての変形と一致するように構成されるべきである。
【００４７】
この発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（１）  泡を形成するための少なくともひとつの装置が基層およびキャップ層の少なくとも一方に取り付けられた加熱要素からなる、請求項１記載の弁。
（２）  移動可能な固体の物体が球形の要素からなる、請求項１記載の弁。
（３）  基層がシリコンからなる、請求項１記載の弁。
（４）  基層が高分子材料からなる、請求項１記載の弁。
（５）  基層がセラミック材料からなる、請求項１記載の弁。
【００４８】
（６）  基層がガラスからなる、請求項１記載の弁。
（７）  キャップ層がシリコンからなる、請求項１記載の弁。
（８）  キャップ層が高分子材料からなる、請求項１記載の弁。
（９）  キャップ層がセラミック材料からなる、請求項１記載の弁。
（１０）  キャップ層がガラスからなる、請求項１記載の弁。
【００４９】
（１１）  基層がシリコンからなる、請求項２記載の弁。
（１２）  基層が高分子材料からなる、請求項２記載の弁。
（１３）  基層がセラミック材料からなる、請求項２記載の弁。
（１４）  基層がガラスからなる、請求項２記載の弁。
（１５）  キャップ層がシリコンからなる、請求項２記載の弁。
【００５０】
（１６）  キャップ層が高分子材料からなる、請求項２記載の弁。
（１７）  キャップ層がセラミック材料からなる、請求項２記載の弁。
（１８）  キャップ層がガラスからなる、請求項２記載の弁。
（１９）  泡を形成するための少なくともひとつの装置が、基層およびキャップ層の少なくとも一方に配置された加熱要素からなる、請求項２記載の弁。
（２０）  加熱要素が抵抗加熱要素からなる、上記実施態様（１９）記載の弁。
【００５１】
（２１）  泡を形成するための少なくともひとつの装置が、基層およびキャップ層の少なくとも一方に機能的に関連した電気分解装置からなる、請求項２記載の弁。
（２２）  泡を形成するための少なくともひとつの装置が、基層およびキャップ層の少なくとも一方に機能的に関連した気体供給源からなる、請求項２記載の弁。
（２３）  移動可能な固体の物体が球形の要素からなる、請求項２記載の弁。
（２４）  移動可能な固体の物体が係留された機構からなる、請求項２記載の弁。
（２５）  移動可能な固体の物体が双安定な物体からなる、請求項２記載の弁。
（２６）  保持機構が基層およびキャップ層の少なくとも一方内の気体の小さい貯蔵部からなる、請求項２記載の弁。
（２７）  保持機構が保持アクチュエーターからなる、請求項２記載の弁。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に基づく開いた状態の泡で動かされる弁の例示的な実施の形態の模式図である。
【図２】本発明に基づく閉じつつある状態の泡で動かされる弁の例示的な実施の形態の模式図である。
【図３】本発明に基づく閉じた状態の泡で動かされる弁の例示的な実施の形態の模式図である。
【図４】本発明に基づく開きつつある状態の泡で動かされる弁の例示的な実施の形態の模式図である。
【図５】本発明に基づく泡で動かされる弁の例示的な実施の形態の模式的な側面図である。
【図６】本発明に基づく閉じた状態の泡で動かされる弁の他の例示的な実施の形態の模式図である。
【図７】本発明に基づく泡を形成しつつある状態の泡で動かされる弁の他の例示的な実施の形態の模式図である。
【図８】本発明に基づく開きつつある状態の泡で動かされる弁の他の例示的な実施の形態の模式図である。
【図９】本発明に基づく開いた状態の泡で動かされる弁の他の例示的な実施の形態の模式図である。
【図１０】本発明に基づく閉じつつある状態の泡で動かされる弁の他の例示的な実施の形態の模式図である。
【図１１】（ａ）は、本発明に基づく泡で動かされる弁の別の例示的な実施の形態の模式図であり、（ｂ）は、本発明に基づく図１１ａに示された泡で動かされる弁の別の例示的な実施の形態の模式的な側面図である。
【図１２】本発明に基づく泡で動かされる弁のさらに別の例示的な実施の形態の模式図である。
【図１３】本発明に基づく図１２図に示された泡で動かされる弁のさらに別の例示的な実施の形態の模式的な側面である。
【図１４】本発明に基づく泡で動かされる弁を組み込んだ弁システムの例示的な実施の形態の模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００  弁
１０２  入口
１０４  出口
１０６  移動可能な固体の物体
１０８  基層
１１０  流れチャネル
１１２  ヒーター
１１２ａ，１１２ｂ  ヒーター
１１４  間隙
２００  泡
６００  弁
６０２  入口
６０４  出口
６０６  物体
６０８  基層
６１０  流れチャネル
６１２ａ，６１２ｂ  泡を形成するための装置
６１６  戻しチャネル
６１８  泡
６２０  表面
７００  弁
７０２  入口
７０４  出口
７０６  物体
７０８  基層
７１０  流れチャネル
７１２ａ，７１２ｂ  泡を形成するための装置
７１６  戻しチャネル
７２０，７２２，７２４  湾曲した表面
８００  弁
８０２  入口
８０４  出口
８０６  物体
８０８  基層
８１０  流れチャネル
８１２  キャップ層
８１２ａ，８１２ｂ  泡を形成するための装置
９００  弁
９０２  弁システム
【図１】
2004225910.tif 000003
【図２】
2004225910.tif 000004
【図３】
2004225910.tif 000005
【図４】
2004225910.tif 000006
【図５】
2004225910.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004225910.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004225910.tif 000011
【図１０】
2004225910.tif 000012
【図１１】
2004225910.tif 000013
【図１２】
2004225910.tif 000014
【図１３】
2004225910.tif 000015
【図１４】
2004225910.tif 000016
【外国語明細書】
2004225910000001.pdf