(57)【要約】【課題】製造が容易で様々な流体が使用される場合で汚染の危険の少ない圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】マイクロ流体装置（３０１〜３０３）と、それに外付けに連結された圧電アクチュエータ（３１１〜３１３）とを含む流体ポンプ装置（３００）。圧電アクチュエータは、バイアス電圧の印加に応じた長手方向の軸に沿った軸方向の変位を有する。圧電アクチュエータの軸方向の変位は、マイクロ流体装置の内部の弁（３４６，３４８）または内部のポンプ室（３４２）を作動させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体装置（１３０、２３０）に外付けに連結された圧電アクチュエータ（１１０）を備える流体輸送装置（１００、２００）であって、
前記圧電アクチュエータが、バイアス電圧の印加に応じた長手方向の軸に沿った軸方向の変位を有し、前記圧電アクチュエータの前記軸方向の変位が、前記マイクロ流体装置の内部弁（２４０、２４５）および内部ポンプ室（１４０）の一方を作動させる、流体輸送装置（１００、２００）。
【請求項２】
前記圧電アクチュエータに連結され、前記マイクロ流体装置に対する前記圧電アクチュエータの位置を動的に調整するように構成された高剛性アクチュエータ（１５０）をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記圧電アクチュエータの前記軸方向の変位が、約１０μｍ未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記バイアス電圧が前記圧電アクチュエータに周期的に印加されて、前記内部弁および前記内部ポンプ室の一方が、流体ポンプ機能を可能とするようにする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記バイアス電圧が前記圧電アクチュエータに連続的に印加されて、一定の軸方向の変位を維持し、前記内部弁および前記内部ポンプ室の一方が、流体制限機能を提供するようにする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
弁室（３４１、４４１）を有する第１の弁（３４６、４４６）を備えるマイクロ流体装置（３０１、４０１）であって、前記第１の弁の作動により、流体がポート（３２４、３２５、４２４、４２５）を介して前記弁室に流入または流出するマイクロ流体装置（３０１、４０１）と、
前記マイクロ流体装置に連結され、第１のバイアス電圧の印加に応じて第１の長手方向の軸に沿って伸張して、前記第１の弁を閉じるように構成され、また、前記印加した第１のバイアス電圧の低下に応じて前記第１の長手方向の軸に沿って収縮して、前記第１の弁を開けるように構成された第１の圧電アクチュエータ（３１１、４１１）とを備える、流体輸送装置(３００、４００)であって、
前記第１の圧電アクチュエータは前記マイクロ流体装置に外付けされている、流体輸送装置(３００、４００)。
【請求項７】
前記第１の圧電アクチュエータが、積層型圧電アクチュエータまたは圧電チューブのうちの１つを備える、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータに連結され、前記マイクロ流体装置に対する前記圧電アクチュエータの位置を調整するように構成された高剛性アクチュエータ（３５１、４５１）をさらに備え、前記高剛性アクチュエータは前記マイクロ流体装置に外付けされている、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記高剛性アクチュエータが、前記圧電アクチュエータの位置を前記長手方向の軸に沿って調整するよう構成された調整可能なねじ駆動（３５１、４５１、６５０）を備え、前記調整可能なねじ駆動が、前記圧電アクチュエータと接触する細目ねじに連結された回転モーターを備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の圧電アクチュエータと前記高剛性アクチュエータとの間に配置されたひずみゲージ（６１２）をさらに備え、前記ひずみゲージが、前記第１の圧電アクチュエータの圧縮を検出するよう構成され、また、前記検出した圧縮に基づいて、前記マイクロ流体装置に対する前記第１の圧電アクチュエータの位置を調整するために、前記高剛性アクチュエータにフィードバックを提供するよう構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記マイクロ流体装置が、ポート（３２６、４２６）を介して前記弁室に流体接続されたポンプ室（３４２、４４２）をさらに備え、前記第１の弁の作動により、流体が前記ポートを介して前記ポンプ室に流入または前記ポンプ室から流出できるようにする、請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
前記マイクロ流体装置に連結され、第２のバイアス電圧の選択的な印加に応じて第２の長手方向の軸に沿って伸張および収縮して、前記ポンプ室（３４２、４４２）を圧縮および膨張するよう構成された第２の圧電アクチュエータ（３１２、４１２）をさらに備え、前記第２の圧電アクチュエータが前記マイクロ流体装置に外付けされている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ポンプ室および前記弁室の少なくとも１つが、前記ポンプ室および前記弁室の前記少なくとも１つに流体が流入する時に、滴が大きくなるのを抑制するように構成された隆起したパターンを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ポンプ室および前記弁室の少なくとも１つが、前記ポンプ室および前記弁室の前記少なくとも１つに流体が流入する時に、滴が大きくなるのを抑制するように構成された陥凹したパターンを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ポンプ室および前記弁室の少なくとも１つが、前記ポンプ室および前記弁室の前記少なくとも１つから、流体に閉じ込められた気泡の排出を可能とするように構成された気体透過性膜（１１２５）を備える、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体装置および外部圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
往復型のマイクロポンプは、液体クロマトグラフィー装置への試料注入など様々なアプリケーションにおいて使用されている。一般的なマイクロポンプは、入口弁と、ポンプ室と、出口室とを含み、ポンプ室は、膨張して入口弁から流体を吸込むことと、収縮して出口弁から流体を排出することとを交互に繰り返して流体をポンピングする。
【０００３】
当然のことながら、「流体」とは、液体および気体の両方、またはいずれか一方である。通常、ポンプ室の一部を形成するダイアフラムすなわち膜の往復運動によって、ポンプ室が膨張および収縮される。往復運動を生み出すための様々な技術に組み込まれて使用されるアクチュエータには、例えば、熱空気圧アクチュエータ、静電アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、および、圧電アクチュエータがある。従来のマイクロポンプの性能は、一般に、許容され得る最大の気泡の大きさにより制限される。
【０００４】
一般に、圧電アクチュエータを有する従来のマイクロポンプは、横ひずみ構成を有し、横ひずみ構成は、ポンプ室のダイアフラムに取り付けられた第１の側面と、電気信号に応じて自由に伸張する第２の側面とを有する平坦な圧電円板を含む。圧電円板の長手方向の軸は、ダイアフラムの頂面に対して実質的に平行とされて、圧電円板がダイアフラム上において事実上平坦になるようにされる。バイアス電圧が印加されると、圧電円板は横方向に収縮して、圧電円板とダイアフラムとの間に曲げモーメントを生起させる。曲げモーメントによってダイアフラムがたわみ、ポンプ室内の流体が排出される。この構成は、加工が比較的容易であり、変位量が大きいが、大きな圧力を生じることはできない。例えば、従来の横ひずみマイクロポンプが生じる圧力は、約０．０６バールから約２．０バールである。
【０００５】
入口弁および出口弁は、例えば、圧電アクチュエータを用いるなどのポンプ室と同様の方法でアクティブ方式により作動されてもよく、あるいは、入口弁および出口弁は、パッシブ型の逆止弁であってもよい。
【０００６】
しかしながら、一般に、パッシブ型の逆止弁は、高圧圧電駆動型マイクロポンプ用に適さない。これは、各サイクルでポンピングされる流体の量が制限され、逆止弁を作動させるために有限の流体の体積が求められるためである。圧電駆動型の弁は、例えば、約３バールの差圧に限定されてもよい。圧電駆動型の入口弁および出口弁の多くは、可動域を大きくするために、曲げモードのアクチュエータに頼っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のマイクロポンプの中には、横方向ではなく長手方向に膨張および収縮する圧電アクチュエータを有する例もある。ここでも、一般的に、このようなマイクロポンプは、ダイアフラムの頂面に実質的に平行な長手方向の軸を有する平坦な圧電円板を含んでおり、その結果、圧電円板はダイアフラム上で事実上平坦になるようにされている。しかしながら、バイアス電圧が印加されると、圧電円板は下向きに垂直に伸張し、曲げモーメントを生じさせてダイアフラムをたわませる。しかしながら、このような構成は加工が困難であり、オン／オフ流量比が低い。
【０００８】
また、１つの例では、熱的に平衡である圧電アクチュエータが、弁室の内部に配置される。このマイクロポンプは、高いオン/オフ流量比を生成可能であり、比較的高い圧力に対して封止可能であるが、圧電アクチュエータが張力を受け、弁室内の作動流体が圧電アクチュエータに接触する。したがって、マイクロポンプは、様々な流体が使用される可能性があり、汚染の危険が生じる高圧システム用には適していない。さらに、圧電アクチュエータは弁室の内部にあるため、弁室を圧電アクチュエータに対して除去または交換することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態において、流体輸送装置は、マイクロ流体装置に外付けに連結された圧電アクチュエータを含む。圧電アクチュエータは、バイアス電圧の印加に応じた長手方向の軸に沿った軸方向の変位を有しており、圧電アクチュエータの軸方向の変位が、マイクロ流体装置の内部の弁および内部のポンプ室のいずれかを作動させる。
【００１０】
別の本発明の実施形態において、流体輸送装置は、第１の弁を有するマイクロ流体装置と、マイクロ流体装置に連結された第１の圧電アクチュエータとを含む。第１の弁は弁室を有しており、第１の弁が作動されると、流体は、ポートを介して弁室に流入または弁室から流出できるようになる。第１の圧電アクチュエータは、第１のバイアス電圧の印加に応じて第１の長手方向の軸に沿って伸張して、第１の弁を閉じるように構成され、また、印加した第１のバイアス電圧の低下に応じて第１の長手方向の軸に沿って収縮して、第１の弁を開けるように構成されており、第１の圧電アクチュエータはマイクロ流体装置に外付けされている。
【００１１】
別の本発明の実施形態において、流体輸送装置は、平面型マイクロ流体装置と、第１の圧電アクチュエータと、第２の圧電アクチュエータと、第３の圧電アクチュエータとを含む。平面型マイクロ流体装置は、入口弁と、入口ポートを介して入口弁と流体連通するポンプ室と、出口ポートを介してポンプ室と流体連通する出口弁とを含む。第１の圧電アクチュエータは、マイクロ流体装置に外付けされ、入口弁に機械的に連結されており、第１の圧電アクチュエータは、第１のバイアス電圧の選択的な印加に応じた第１の軸方向の変位を有し、機械的な連結を介して入口弁の閉鎖および開放をそれぞれもたらす。第２の圧電アクチュエータは、マイクロ流体装置に外付けされ、ポンプ室に機械的に連結されており、第２の圧電アクチュエータは、第２のバイアス電圧の選択的な印加に応じた第２の軸方向の変位を有し、機械的な連結を介してポンプ室の圧縮および膨張をそれぞれもたらす。第３の圧電アクチュエータは、マイクロ流体装置に外付けされ、出口弁に機械的に連結されており、第３の圧電アクチュエータは、第３のバイアス電圧の選択的な印加に応じた第３の軸方向の変位を有し、機械的な連結を介して出口弁の閉鎖および開放をそれぞれもたらす。このように、入口弁が開き、ポンプ室が膨張し、出口弁が閉じられた時に、流体は、入口弁に接続された装置の入口ポートからポンプ室内へと入口ポートを介して引き入れられる。同様に、入口弁が閉じ、ポンプ室が圧縮し、出口弁が開いた時に、流体は、ポンプ室から出口弁に接続された装置の出口ポートへと、出口ポートを介して排出される。
【００１２】
別の本発明の実施形態において、マイクロ流体装置は、可撓性膜によって部分的に画定されるポンプ室および弁室の一方と、マイクロ流体装置に連結された圧電アクチュエータとを含む。圧電アクチュエータは、バイアス電圧の印加に応じて長手方向の軸に沿って伸張するように構成され、ポンプ室および弁室の一方を圧縮する位置に可撓性膜を移動させるバイアス電圧の値が、マイクロ流体装置内の流体の流れを所望の流量に制限する。圧電アクチュエータは、マイクロ流体装置に外付けされている。
【００１３】
例示的な実施形態は、以下の詳細な説明を添付図面とともに読めば最もよく理解される。様々な形状は必ずしも原寸に比例してないことを強調しておく。実際、説明を明瞭にするために、寸法は、任意で大きくまたは小さくされることがある。適切かつ実際的であれば、類似の参照番号は類似の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の実施形態における流体輸送装置を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態における流体輸送装置を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態における流体輸送装置を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態における流体輸送装置を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態における流体輸送装置を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態における多弁式流体輸送装置を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態における多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態における多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態における一体型流体輸送装置の多弁式マイクロ流体装置を示す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態における一体型流体輸送装置の多弁式マイクロ流体装置を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態における作動装置を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態における、図６の作動装置を組み込んだ多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態における、隆起したパターンを有する弁室を示す断面図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態における、隆起したパターンを有する弁室を示す断面図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態における、隆起したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態における、隆起したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態における、陥凹したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態における、陥凹したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態における、気体透過性膜を有するポンプ室を示す断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態における、気体透過性膜を有するポンプ室を示す断面図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態における、連続的な流れを有する多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態における、連続的な流れを有する多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明において、限定ではなく説明を目的とし、具体的な詳細を開示する例示的な実施形態が、本教示における実施形態の十全な理解を与えるために説明される。しかしながら、本明細書に開示された具体的な詳細から逸脱した本教示における他の実施形態が、添付の特許請求の範囲内に留まることは、本開示の益を享受してきた者にとって明らかであろう。さらに、周知の装置および方法の説明は、実施形態の例の説明を不明瞭にしないために、省略される場合がある。このような方法および装置は本教示の範囲内にある。
【００１６】
一般的に、図面および図面中に示された様々な要素は、原寸に比例してないと理解される。さらに、添付図面に示すように、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「垂直」および「水平」などの相対的な用語は、様々な要素の互いに対する関係を説明するために使用される。これらの相対的な用語は、図面に示された方位に加えて、装置および要素の両方、またはいずれか一方の異なる方位を包含するよう意図されていると理解される。例えば、図面の視点に対して装置が反転されれば、例えば別の要素の「上方」にあると説明された要素は、その要素の「下方」にくることになる。同様に、図面の視点に対して装置が９０度回転されれば、例えば「垂直」であると説明された要素は、「水平」になることになる。
【００１７】
マイクロポンプなどの流体ポンプ装置または流体輸送装置を製造するために、様々な本発明の実施形態により、１つまたは２つ以上の外付けの圧電アクチュエータに連結された平面型マイクロ流体装置が提供される。例えば、マイクロ流体装置は、入口と、第１の弁室と、ポンピング室と、第２の弁室と、出口とを含んでもよい。第１の圧電アクチュエータが、第１の弁室中の第１の弁を開閉するように構成されており、第２の圧電アクチュエータが、ポンピング室を圧縮および膨張させるように構成されており、第３圧電アクチュエータが、第３の弁室中の第２の弁を開閉するように構成されている。第１、第２および第３の圧電アクチュエータは、それぞれ対応する弁またはポンピング室と相互作用するように、細長の長手方向の軸に沿って軸方向に伸張および収縮するよう構成されている。
【００１８】
第２の弁を閉じ、第１の弁を開き、ポンプ室を膨張させることによって、流体が入口から引き込まれる。第１の弁を閉じ、第２の弁を開き、ポンプ室を圧縮することによって、流体が装置から排出される。したがって、流体輸送装置は、流体をポンピングし、例えば約５０バールから約１０００バールを超える圧力の範囲の実質的な圧力を生み出すことができる。例えば、試料の投与用と、分析ポンプそれ自体との両方、またはいずれか一方として、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）機器用に様々な実施形態を使用してもよい。
【００１９】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施形態における、圧電アクチュエータを含む流体輸送装置を示す断面図である。
【００２０】
図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、流体輸送装置１００は、平面型マイクロ流体ポンプ装置１３０を含み、これは、内部ポンプ室１４０と、入口ポート１３１と、出口ポート１３２とを含む。マイクロ流体ポンプ装置１３０は、可撓性膜１２０をさらに含み、これは、内部ポンプ室１４０の上壁を形成する。
【００２１】
以下に詳述するように、可撓性膜１２０は、その初期位置（図１Ａに示す）からたわんだ位置（図１Ｂに示す）へと下方に曲げられて（または変形されて）、出口ポート１３２を介して流体をポンプ室１４０から排出し、その曲げられた位置からその初期位置へと上方に曲げ解除されて、入口ポート１３１を介して流体をポンプ室１４０へと引き入れ、ポンピング動作を提供する。
【００２２】
流体は、当業者には明らかなように、液体または気体であってもよい。マイクロ流体ポンプ装置１３０は、ステンレス鋼または他の金属材料などの耐久性のある材料で形成されていてもよい。あるいは、マイクロ流体ポンプ装置１３０は、本教示の範囲を逸脱することなく、ガラス、セラミック、ケイ素、または、ポリイミド、ポリカーボネートもしくは他のプラスチックなどのポリマーなどの他の材料で形成されていてもよい。同様に、可撓性膜１２０は、例えば、ステンレス鋼などの可撓性の金属で形成されていてもよい。あるいは、可撓性膜１２０は、本教示の範囲を逸脱することなく、ポリマー、ガラス、セラミックおよび金属などの材料、または、それらの何らかの組み合わせで形成されていてもよい。様々な実施形態において、マイクロ流体ポンプ装置１３０の内面（例えば、ポンプ室１４０の壁）は、非反応性のコーティングで被覆されていてもよく、これは、例えば、ポリマー、セラミック、ガラス、金属またはフッ素重合体コーティングなどを含んでもよい。
【００２３】
流体輸送装置１００は、ボス１１５を介してマイクロ流体ポンプ装置１３０に外付けに連結された圧電アクチュエータ１１０をさらに含む。圧電アクチュエータ１１０は、ポンプ室１４０の完全に外側に配置される点で外付けの連結となるため、ポンプ室１４０の内側に収容された作動流体、または、ポンプ室１４０を通過する作動流体とは接触しない。したがって、圧電アクチュエータ１１０は、高圧システムで使用することができる。マイクロ流体ポンプ装置１３０に外付けにされていなければ、高圧システムには、圧電アクチュエータ１１０の汚染の危険性がある。様々な構成において、外付けの圧電アクチュエータ１１０は、マイクロ流体ポンプ装置１３０から取り外し可能であってもよい。したがって、圧電アクチュエータ１１０を外付けに連結することにより、マイクロ流体ポンプ装置１３０の交換を容易にすることができる。
【００２４】
図示された構成において、圧電アクチュエータ１１０は細長い形状を有し、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように長さは幅よりも大きい。圧電アクチュエータ１１０の長手方向の軸Ｌは、マイクロ流体ポンプ装置１３０の上面（可撓性膜１２０）に対して実質的に垂直に配置される。これは、圧電アクチュエータの長手方向の軸がマイクロ流体装置の上面に対して平行であり、マイクロ流体装置上において実質的に平坦になるようにする従来のシステムとは異なる。圧電アクチュエータ１１０は、実質的に矩形の形状を有するものとして示されているが、本教示の範囲を逸脱することなく、長手方向の軸Ｌを有する任意の様々な細長い形状を組み込んでもよいことが理解される。
【００２５】
圧電アクチュエータ１１０は、バイアス電圧の印加に応じた長手方向の軸Ｌに沿った軸方向の変位を有する。例えば、バイアス電圧（例えば１００Ｖ）の印加に際し、圧電アクチュエータ１１０は、収縮した位置（図１Ａに示す）から伸張した位置（図１Ｂに示す）へと伸張して、可撓性膜１２０を、ボス１１５を介して、軸方向の変位に対応する距離だけポンプ室１４０内へと下方に屈曲させる。
【００２６】
このようにして、可撓性膜１２０の下方への動きはポンプ室１４０を圧縮し、ポンプ室１４０が膨張した位置（図１Ａに示す）から圧縮された位置（図１Ｂに示す）へと移行するようにする。膨張した位置から圧縮された位置への動きにより、ポンプ室１４０は流体を出口ポート１３２から排出する。ボス１１５により、圧電アクチュエータ１１０の断面（例えば矩形）から、可撓性膜１２０に圧力が加えられる円形の領域への移行が提供される。
【００２７】
同様に、バイアス電圧が低下する（例えば、０Ｖが印加される）と、これには、バイアス電圧の除去が含まれているが、圧電アクチュエータ１１０は、伸張した位置（図１Ｂに示す）からその初期の収縮した位置（図１Ａに示す）へと収縮し、マイクロ流体ポンプ装置１３０の可撓性膜１２０が曲げ解除されてポンプ室１４０から上方へと移動することを可能にする。
【００２８】
このようにして、可撓性膜１２０の曲げ解除の動きはポンプ室１４０が膨張され、ポンプ室１４０が圧縮された位置（図１Ｂに示す）からその初期の膨張した位置（図１Ａに示す）へと移行するようにする。圧縮された位置から膨張した位置への動きにより、ポンプ室１４０は入口ポート１３１を介して流体を引き込む。圧電アクチュエータ１１０へのバイアス電圧の印加が周期的に繰り返されて、ポンプ室１４０を交互に膨張および圧縮し、流体が、入口ポート１３１および出口ポート１３２を介して、それぞれ引き込まれ、排出されるようにして、流体ポンプ機能を提供する。
【００２９】
図示された例示的な実施形態では、流体輸送装置１００は、圧電アクチュエータ１１０に連結された高剛性アクチュエータ１５０を含む。高剛性アクチュエータ１５０は、低コンプライアンス低速アクチュエータであってもよく、例えば、圧電アクチュエータ１１０がマイクロ流体ポンプ装置１３０に対して適切に配置されるようにするために、マイクロ流体ポンプ装置１３０に対する圧電アクチュエータ１１０の位置を調整するよう構成されていてもよい。加えて、高剛性アクチュエータ１５０は、バイアス電圧の印加に際し圧電アクチュエータ１１０が上方向に伸張するのを防止する障壁を提供して、軸方向の変位が下方向に生じるようにし、より効率的に可撓性膜１２０を屈曲させる。
【００３０】
圧電アクチュエータ１１０と同様に、高剛性アクチュエータ１５０は、マイクロ流体ポンプ装置１３０に対して外付けされており、マイクロ流体部分の容易な交換を可能にする。例えば、高剛性アクチュエータ１５０は、圧電アクチュエータ１１０とマイクロ流体ポンプ装置１３０との間に生じるなんらかの緩速な熱的整合不良を吸収するよう調整されてもよい。
【００３１】
図示された例では、高剛性アクチュエータ１５０は、調整可能なねじ駆動として実施され、ねじ駆動は、ねじ駆動を時計回りまたは反時計回り方向に適宜移動させることにより、圧電アクチュエータ１１０の位置を長手方向の軸Ｌに沿って調整するよう構成されている。ねじ駆動は、回転モーターを例えばロータリーステッパモータなどの細目の調整ねじに連結することにより実現されてもよい。当然のことながら、他の種類の高剛性アクチュエータ１５０を組み込んでもよく、または、本教示の範囲を逸脱することなく、高剛性アクチュエータ１５０を完全に省略してもよい。高剛性アクチュエータ１５０の他の可能な実施例は、例えば、空気圧アクチュエータ、熱アクチュエータまたはウェッジドライブを含む。
【００３２】
図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、本発明の実施形態における、圧電アクチュエータを含む流体輸送装置を示す断面図である。
【００３３】
図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、流体輸送装置２００は、圧電アクチュエータ１１０と、ボス１１５と、高剛性アクチュエータ１５０とを含み、これらは、図１Ａおよび図１Ｂを参照して上に説明したのと同じ説明を目的とするものである。流体輸送装置２００は、平面型マイクロ流体弁装置２３０をさらに含み、これは、内部弁室２４０と、可撓性膜２２０と、入口ポート２３１と、出口ポート２３２とを含む。マイクロ流体弁装置２３０は、弁２４５も含み、これは、可撓性膜２２０および出口ポート２３２の突起部２４６の作用によって弁室２４０内に形成される。
【００３４】
以下に詳述するように、可撓性膜２２０は、その初期位置（図２Ａに示す）からたわんだ位置（図２Ｂに示す）へと下方に曲げられて（または変形されて）、突起部２４６と機械的に接触し、流体が入口ポート２３１から流入すること、または、出口ポート２３２から流出することを妨げて、弁２４５を事実上閉鎖する。次に、可撓性膜２２０は、たわんだ位置からその初期位置へと上方に曲げ解除されて、流体が入口ポート２３１へ流入すること、または、出口ポート２３２から流出することを可能にして、弁２４５を事実上開放する。
【００３５】
上述したように、圧電アクチュエータ１１０、ボス１１５、および、高剛性アクチュエータ１５０はそれぞれ、マイクロ流体弁装置２３０に外付けされている。例えば、圧電アクチュエータ１１０は、弁室２４０の完全に外側に配置される点で外付けの連結となるため、弁室２４０および弁２４５の両方、またはいずれか一方の内側に収容された作動流体、または、弁室２４０および弁２４５の両方、またはいずれか一方を通過する作動流体とは接触しない。圧電アクチュエータ１１０、ボス１１５、および、高剛性アクチュエータ１５０もまた、マイクロ流体弁装置２３０から取り外し可能であってもよい。
【００３６】
マイクロ流体弁装置２３０は、ステンレス鋼または他の金属材料などの耐久性のある材料で形成されていてもよい。あるいは、マイクロ流体ポンプ装置２３０は、本教示の範囲を逸脱することなく、ガラス、セラミック、ケイ素、または、ポリイミド、ポリカーボネートもしくは他のプラスチックなどのポリマーなどの他の材料で形成されていてもよい。同様に、可撓性膜２２０は、例えば、ステンレス鋼などの可撓性の金属で形成されていてもよい。あるいは、可撓性膜２２０は、本教示の範囲を逸脱することなく、ポリマー、ガラス、セラミックおよび金属などの他の材料、または、それらの何らかの組み合わせで形成されていてもよい。上述したように、様々な実施形態において、マイクロ流体ポンプ装置２３０の内面（例えば、弁室２４０の壁）は、非反応性のコーティングで被覆されていてもよく、これは、例えば、ポリマー、セラミック、ガラス、金属またはフッ素重合体コーティングなどを含んでもよい。
【００３７】
上述したように、圧電アクチュエータ１１０は、バイアス電圧（図示せず）の印加に応じた長手方向の軸Ｌに沿った軸方向の変位を有する。例えば、バイアス電圧（例えば１００Ｖ）の印加に際し、圧電アクチュエータ１１０は、収縮した位置（図２Ａに示す）から伸張した位置（図２Ｂに示す）へと伸張して、マイクロ流体弁装置２３０の可撓性膜２２０を、ボス１１５を介して、軸方向の変位に対応する距離だけ弁室２４０内へと下方に屈曲させる。
【００３８】
上述したように、このようにして、可撓性膜２２０は、出口ポート２３２の突起部２４６を被覆し、弁２４５（図２Ｂに示す）を事実上閉鎖する。同様に、バイアス電圧が低下する（例えば、０Ｖが印加される）と、圧電アクチュエータ１１０は、伸張した位置（図２Ｂに示す）からその初期の収縮した位置（図２Ａに示す）へと収縮し、マイクロ流体弁装置２３０の可撓性膜２２０が弁室２４０から上方へと移動することを可能にする。
【００３９】
このようにして、可撓性膜２２０の上方への動きにより弁室２４０が膨張され、突起部２４６が被覆解除されて、弁２４５を事実上開放する（図２Ａに示す）。弁２４５を開放することにより、弁室２４０は、入口ポート２３１を介して流体を引き込むことができるようになる。圧電アクチュエータ１１０へのバイアス電圧の印加が周期的に繰り返されて、弁２４５を交互に開放および閉鎖し、流体が、入口ポート２３１および出口ポート２３２を介して、それぞれ引き込まれ、排出されるようにして、流体ポンプ機能を提供する。
【００４０】
流体輸送装置２００は、流体の可変流量制限（または可変流量変調）を可能とするようにも構成されてもよい。図２Ｃを参照すると、例えば、中間バイアス電圧（例えば５０Ｖ）を圧電アクチュエータ１１０に印加して、完全に収縮した位置（図２Ａに示す）と、完全に伸張した位置（図２Ｂに示す）との間における長手方向の軸に沿った軸方向の変位を提供してもよい。
【００４１】
中間バイアス電圧は、圧電アクチュエータ１１０を完全に収縮させるバイアス電圧（例えば０Ｖ）と、圧電アクチュエータ１１０を完全に伸張させるバイアス電圧（例えば１００Ｖ）との間にある。圧電アクチュエータ１１０の伸張量は、具体的な実施例次第で、中間バイアス電圧の線形関数または非線形関数であってもよい。
【００４２】
中間バイアス電圧を印加することにより、マイクロ流体弁装置２３０の可撓性膜２２０を、ボス１１５を介して、例えば、図示の例における、突起部２４６までの距離の約半分などの軸方向の変位に対応する距離だけ弁室２４０内へと下方に屈曲させる。
【００４３】
中間バイアス電圧を連続的に印加することによって、可撓性膜２２０は、突起部２４６の上方のこの位置に保持され、入口ポート２３１から出口ポート２３２へと流体輸送装置２００を通る流体の流れを調整する制限部を設ける。換言すると、中間バイアス電圧は、圧電アクチュエータ１１０に連続的に印加されて、一定の軸方向の変位を維持し、流体輸送装置２００が流量制限機能を提供するようにする。
【００４４】
図示された実施形態において、中間バイアス電圧を増加すると制限部は一層閉鎖されて、流体の流れを低下させ、また、中間バイアス電圧を低下させると制限部は一層開放されて、流体の流れを増加させて、所望の流量に制限する。流体の流れは、例えば、図１Ａ〜図２Ｂを参照して上に説明したポンピング動作など、中間バイアス電圧が印加される流体輸送装置２００と流体連通する他の流体輸送装置のポンピング動作によって可能とされてもよい。互いに流体連通する流体輸送装置の例を、図３〜図５Ｂ、図７および図１２Ａ〜図１２Ｂを参照して以下に説明する。
【００４５】
様々な実施形態において、流体輸送装置１００は、同様に、流量変調用に構成されてもよい。例えば、図１Ｂを参照すると、バイアス電圧（例えば１００Ｖ）の印加に際し、圧電アクチュエータ１１０は、伸張した位置へと伸張し、可撓性膜１２０をポンプ室１４０内へと下方に屈曲させる。バイアス電圧を連続的に印加することによって、可撓性膜１２０は、この位置に保持され、入口ポート１３１から出口ポート１３２へと流体輸送装置１００を通る流体の流れを調整する制限部を設ける。
【００４６】
同様に、圧電アクチュエータ１１０を完全に収縮させるバイアス電圧（例えば０Ｖ）と、圧電アクチュエータ１１０を完全に伸張させるバイアス電圧（例えば１００Ｖ）との間にある中間バイアス電圧（例えば５０Ｖ）を印加することによって、流量変調してもよい。中間バイアス電圧を連続的に印加することによって、圧電アクチュエータ１１０は、所望の流量次第で、完全収縮と、完全伸張（図示せず）との間における位置を維持される。
【００４７】
図３は、本発明の実施形態における多弁式流体輸送装置を示す断面図である。
【００４８】
図３を参照すると、流体輸送装置３００は、入口弁装置３０１と、ポンプ装置３０２と、出口弁装置３０３とを含み、これらは、導管３０６および３０７を介してそれぞれ互いに流体連通する別々のマイクロ流体装置として示される。
【００４９】
図示された実施形態において、入口弁装置３０１は、図２Ａ〜図２Ｃに示す流体輸送装置２００と実質的に同じであってもよく、ポンプ装置３０２は、図１Ａおよび図１Ｂに示す流体輸送装置１００と実質的に同じであってもよい。
【００５０】
以下に詳述するように、出口弁装置３０３は、入口ポートおよび出口ポートが逆にされることを除き、図２Ａ〜図２Ｃに示す流体輸送装置２００に類似していてもよい。別の実施形態において、入口弁装置３０１、ポンプ装置３０２および出口弁装置３０３は、単一の一体型ユニットとして製造されてもよく、その例を図４Ａおよび図４Ｂに示す。
【００５１】
入口弁装置３０１は、入口弁室３４１の入口弁３４６の作動用に、ボス３１６を介してマイクロ流体弁装置３３１の可撓性膜３２１に機械的に連結された第１の圧電アクチュエータ３１１を含む。上述したように、第１の圧電アクチュエータ３１１は、第１のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第１の軸方向の変位を有する。
【００５２】
すなわち、第１のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ３１１がそれに応じて伸張および収縮して、マイクロ流体弁装置３３１の可撓性膜３２１を曲げ、および、曲げ解除し、入口弁３４６を交互に閉鎖および開放する。閉鎖された場合、入口弁３４６は、流体輸送装置３００の装置の入口ポート３６１に対応する入口ポート３２４へ流体が引き込まれるのを妨げ、または、可撓性膜３２１を突起部３４７に対して押圧することによって出口ポート３２５から流体が排出されるのを妨げる。開放された場合、入口弁３４６は、流体が入口ポート３２４に引き込まれること、および、出口ポート３２５から排出されることを可能にする。
【００５３】
ポンプ装置３０２は、ポンプ室３４２の作動用に、ボス３１７を介してマイクロ流体ポンプ装置３３２の可撓性膜３２２に機械的に連結された第２の圧電アクチュエータ３１２を含む。上述したように、第２の圧電アクチュエータ３１２は、第２のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第２の軸方向の変位を有する。
【００５４】
すなわち、第２のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ３１２がそれに応じて伸張および収縮して、マイクロ流体弁装置３３２の可撓性膜３２２を曲げ、および、曲げ解除し、ポンプ室３４２を交互に圧縮および膨張させる。
【００５５】
圧縮された場合、例えば一方で、入口弁３４６（前述）は閉鎖されて、流体が入口ポート３２６へ引き込まれるのを妨げ、かつ、出口弁３４８（後述）は開放されて、流体が出口ポート３２７から排出されるのを可能としながら、ポンプ室３４２は、流体を出口ポート３２７から排出する。膨張された場合、例えば一方で、出口弁３４８（後述）は閉鎖されて、流体が出口ポート３２７から排出されるのを妨げ、かつ、入口弁３４６（前述）は開放されて、流体が入口ポート３２６から引き込まれるのを可能としながら、ポンプ室３４２は、流体を入口ポート３２６から引き込む。
【００５６】
出口弁装置３０３は、入口弁室３４３の入口弁３４８の作動用に、ボス３１８を介してマイクロ流体弁装置３３３の可撓性膜３２３に機械的に連結された第３の圧電アクチュエータ３１３を含む。
【００５７】
上述したように、第３の圧電アクチュエータ３１３は、第３のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第３の軸方向の変位を有する。すなわち、第３のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ３１３がそれに応じて伸張および収縮して、マイクロ流体弁装置３３３の可撓性膜３２３を曲げ、および、曲げ解除し、出口弁３４８を交互に閉鎖および開放する。
【００５８】
閉鎖された場合、出口弁３４８は、入口ポート３２８へ流体が引き込まれるのを妨げ、または、可撓性膜３２３を突起部３４９に対して押圧することによって、流体輸送装置３００の装置の出口ポート３６２に対応する出口ポート３２９から流体が排出されるのを妨げる。開放された場合、出口弁３４８は、流体が入口ポート３２８に引き込まれること、および、出口ポート３２９から排出されることを可能にする。
【００５９】
入口弁装置３０１、ポンプ装置３０２および出口弁装置３０３は、高剛性アクチュエータ３５１、３５２および３５３をそれぞれ含み、これらは、対応する第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１、３１２および３１３に連結される。高剛性アクチュエータ３５１、３５２および３５３のそれぞれは、低コンプライアンス低速アクチュエータであってもよく、図１Ａ〜図２Ｃに示す高剛性アクチュエータ１５０を参照して上述したように、それぞれ第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１、３１２および３１３の位置を調整するよう構成されていてもよい。
【００６０】
図示された例では、高剛性アクチュエータ３５１、３５２および３５３は、調整可能なねじ駆動として実施され、ねじ駆動を時計回りまたは反時計回り方向に適宜移動させることにより、第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１、３１２および３１３の位置を対応する長手方向の軸に沿って調整するよう構成されている。
【００６１】
入口弁装置３０１および出口弁装置３０３の作動は、ポンプ装置３０２の作動と連携されて、装置の入口ポート３６１から装置の出口ポート３６２へと流体輸送装置３００を通る流体の移動を可能にする。例えば、上述したように、液体を装置の出口ポート３６２から排出するためには、第１および第２のバイアス電圧が、第１および第２の圧電アクチュエータ３１１および３１２にそれぞれ印加されて、入口弁装置３０１の入口弁３４６を閉鎖させ、ポンプ装置３０２のポンプ室３４２を圧縮させる。同時に、第３の圧電アクチュエータ３１３に対する第３のバイアス電圧は低下させて（例えば０Ｖが印加される）、出口弁装置３０３の出口弁３４８を開放させ、ポンプ室３４２内の流体が出口ポート３２７を介し装置の出口ポート３６２を通って排出可能にする。
【００６２】
液体を装置の入口ポート３６１へ引き込むには、第１および第２の圧電アクチュエータ３１１および３１２に対する第１および第２のバイアス電圧をそれぞれ低下させて（例えば０Ｖが印加される）、入口弁装置３０１の出口弁３４６を開放させ、ポンプ装置３０２のポンプ室３４２を膨張させる。同時に、第３のバイアス電圧を第３の圧電アクチュエータ３１３に印加して、出口弁装置３０３の出口弁３４８を閉鎖させ、入口ポート３２６を介し装置の入口ポート３６１を通って流体をポンプ室３４２内へ引き込むことができるようにする。
【００６３】
別の実施形態において、上述したように、入口弁装置３０１、出口弁装置３０３およびポンプ装置３０２のうちの１つまたは２つ以上は、可変流量変調の機能を果たす。例えば、第１から第３のバイアス電圧のうちの１つまたは２つ以上は、中間バイアス電圧として維持されて、対応する第１から第３の圧電アクチュエータ３１１〜３１３を伸張させ、第１から第３の可撓性膜３２１〜３２３を固定された位置に保持し、流体の流れを所望の流量に制限してもよい。これは、図４Ａ〜図５Ｂ、図７および図１２Ａ〜図１２Ｂを参照して以下に説明する例示的な実施例にも適用される。
【００６４】
様々な実施形態において、第１、第２および第３のバイアス電圧の印加および低下（例えば除去）のタイミングは、ソフトウェア、ファームウェア、配線論理回路、または、それらの組み合わせを使用して、プロセッサすなわち中央処理装置（ＣＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または、それらの組み合わせなどのコントローラ（図示せず）によって制御されてもよい。
【００６５】
例えば、コントローラは、所望のポンプ速度を得るために、第１から第３のバイアス電圧を対応する第１から第３の圧電アクチュエータ３１１〜３１３に対して周期的に印加する速度を決定し、決定された速度に基づいて印加するように構成されてもよい。同様に、コントローラは、所望の流量に対応する第１から第３の圧電アクチュエータ３１１〜３１３のうちの１つまたは２つ以上の伸張量を決定し、所望の流量に流体の流れを制限するために、対応する第１から第３の可撓性膜を適切な位置へ移動させるように第１から第３のバイアス電圧の印加を制御するように構成されてもよい。
【００６６】
プロセッサすなわちＣＰＵを使用する場合、コントローラから第１、第２および第３のアクチュエータ３１１〜３１３への信号を制御する実行可能なソフトウェア/ファームウェア、および、実行可能なコードの両方、またはいずれか一方を格納するために、メモリ（図示せず）が含まれている。
【００６７】
メモリは、不揮発性読出し専用メモリ（ＲＯＭ）および揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の任意の数、種類および組み合わせであってもよく、プロセッサすなわちＣＰＵにより実行可能なコンピュータプログラムおよびソフトウェアアルゴリズムなどのさまざまな種類の情報を格納していてもよい。メモリは、ディスクドライブ、プログラム可能読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能およびプログラム可能読取り専用記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ）、ＣＤ、ＤＶＤ、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ドライブなどの有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の任意の数、種類および組み合わせを含んでもよい。
【００６８】
当業者には明らかなように、第１、第２および第３のバイアス電圧は、対応する第１、第２および第３のアクチュエータ３１１〜３１３のいずれか１つの特性に応じて、同じもしくは異なる電圧源からであってもよく、または、互いに同じもしくは異なってもよく、あるいはこれらの両方であってもよい。
【００６９】
様々な実施形態において、第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１、３１２および３１３のそれぞれの変位は、約１００μｍ未満に制限されており、様々な構成において、約１０μｍ未満であってもよい。したがって、ポンプの各ストロークで装置の出口ポート３６２から排出される流体の体積は比較的少量であり、例えば、一般的に約２０ナノリットルである。しかしながら、第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１、３１２および３１３は、例えば、毎秒約１０サイクルから毎秒約１０，０００サイクルまでと、比較的高周波で作動でき、流体の流れが毎分約１０μＬを超えることができるようにする。
【００７０】
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施形態における、単一ユニットとして形成された多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。特に、図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面を示す。
【００７１】
図４Ａを参照すると、一体型流体輸送装置４００は、入口弁装置４０１と、ポンプ装置４０２と、出口弁装置４０３とを含み、一体型の平面型マイクロ流体装置４１０を共有している。すなわち、図示された実施形態において、入口弁室４４１、ポンプ室４４２および出口弁室４４３は、単一のマイクロ流体装置４１０における別々の領域として加工されている。
【００７２】
マイクロ流体装置４１０は、膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０と呼ばれる３つの別々の層すなわち板部材を含み、これらはそれぞれ、例えば電気化学エッチングを用いて、片側または両側にパターン形成されている。パターン形成された膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０は、位置合わせされて接合され、装置の入口ポート４６１、入口弁室４４１、ポンプ室４４２、出口弁室４４３および装置の出口ポート４６２の他、装置の入口ポート４６１と、入口弁室４４１と、ポンプ室４４２と、出口弁室４４３と、装置の出口ポート４６２との間の連通を可能にする入口ポートおよび出口ポート４２４〜４２９ならびに導管４０５〜４０８を含む、流体輸送装置４００の様々な特徴を設けている。
【００７３】
入口弁室４４１および出口弁室４４３は、対応する入口弁４４６および出口弁４４８を含み、これらは、それぞれ第１および第３の圧電アクチュエータ４１１および４１３の作用によって、膜板４２０の第１および第３の可撓性領域４２１および４２３の曲げ、および、曲げ解除を介して機能する。同様に、ポンプ室４４２は、第２の圧電アクチュエータ４１２の作用によって、膜板４２０の第２の可撓性領域４２２の曲げ、および、曲げ解除を介して機能する。
【００７４】
膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０は、例えば、ステンレス鋼のシートなどの金属またはその他の可撓性材料で形成されていてもよい。金属を使用する場合、膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０は、位置合わせされて、高温金属拡散接合を用いて融合されてもよい。
【００７５】
図４Ｂに示すように、第１、第２および第３の可撓性領域４２１、４２２および４２３は、円形であってもよい。突起部４４７および４４９は、同様に円形であってもよく、それぞれ第１および第３の可撓性領域４２１および４２３内で中央に位置決めされる。第１、第２および第３の可撓性領域４２１、４２２および４２３は、例えば、約１．０ｍｍから１０ｍｍ、より詳細には約４．０ｍｍから約５．０ｍｍの直径を有し、同じ寸法であってもよい。別の構成において、第１、第２および第３の可撓性領域４２１、４２２および４２３は、本教示の範囲を逸脱することなく、円以外の形状であってもよく、または、互いに異なる寸法であってもよく、あるいはこれらの両方であってもよい。
【００７６】
より詳細には、入口弁装置４０１は、入口弁室４４１の入口弁４４６の作動用に、ボス４１６を介して膜板４２０の第１の可撓性領域４２１に機械的に連結された第１の圧電アクチュエータ４１１を含む。上述したように、第１の圧電アクチュエータ４１１は、第１のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第１の軸方向の変位を有し、第１のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ４１１がそれに応じて伸張および収縮して、第１の可撓性領域４２１を曲げ、および、曲げ解除し、入口弁４４６を交互に閉鎖および開放する。
【００７７】
閉鎖された場合、入口弁４４６は、入口ポート４２４（これは、導管４０５を介して装置の入口ポート４６１に接続される）へ流体が引き込まれるのを妨げ、または、第１の可撓性領域４２１を突起部４４７に対して押圧することによって出口ポート４２５から流体が排出されるのを妨げる。開放された場合、入口弁４４６は、流体が入口ポート４２４に引き込まれること、および、出口ポート４２５から排出されることを可能にする。
【００７８】
ポンプ装置４０２は、ポンプ室４４２の作動用に、ボス４１７を介して膜板４２０の第２の可撓性領域４２２に機械的に連結された第２の圧電アクチュエータ４１２を含む。上述したように、第２の圧電アクチュエータ４１２は、第２のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第２の軸方向の変位を有し、第２のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ４１２がそれに応じて伸張および収縮して、第２の可撓性領域４２２を曲げ、および、曲げ解除し、ポンプ室４４２を交互に圧縮および膨張させる。
【００７９】
圧縮された場合、例えば一方で、入口弁４４６（前述）は閉鎖されて、流体が入口ポート４２６へ引き込まれるのを妨げ、かつ、出口弁４４８（後述）は開放されて、流体が出口ポート４２７から排出されるのを可能としながら、ポンプ室４４２は、流体を出口ポート４２７から排出する。膨張された場合、例えば一方で、出口弁４４８（後述）は閉鎖されて、流体が出口ポート４２７から排出されるのを妨げ、かつ、入口弁４４６（前述）は開放されて、流体が入口ポート４２６から引き込まれるのを可能としながら、ポンプ室４４２は、流体を入口ポート４２６から引き込む。
【００８０】
出口弁装置４０３は、入口弁室４４３の入口弁４４８の作動用に、ボス４１８を介して膜板４２０の第３の可撓性領域４２３に機械的に連結された第３の圧電アクチュエータ４１３を含む。上述したように、第３の圧電アクチュエータ４１３は、第３のバイアス電圧（図示せず）の選択的な印加に応じたその長手方向の軸に沿った第３の軸方向の変位を有し、第３のバイアス電圧の連続的な印加および低下（例えば除去）により、圧電アクチュエータ４１３がそれに応じて伸張および収縮して、第３の可撓性領域４２３を曲げ、および、曲げ解除し、出口弁４４８を交互に閉鎖および開放する。
【００８１】
閉鎖された場合、出口弁４４８は、第３の可撓性領域４２３を突起部４４９に対して押圧することによって、入口ポート４２８へ流体が引き込まれるのを妨げ、または、出口ポート４２９（これは、導管４０８を介して装置の出口ポート４６２に接続される）から流体が排出されるのを妨げる。開放された場合、出口弁４４８は、流体が入口ポート４２８に引き込まれること、および、出口ポート４２９から排出されることを可能にする。
【００８２】
入口弁装置４０１、ポンプ装置４０２および出口弁装置４０３は、高剛性アクチュエータ４５１、４５２および４５３をそれぞれ含み、これらは、対応する第１、第２および第３の圧電アクチュエータ４１１、４１２および４１３に連結される。高剛性アクチュエータ４５１、４５２および４５３のそれぞれは、低コンプライアンス低速アクチュエータであってもよく、図１Ａ〜図２Ｂに示す高剛性アクチュエータ１５０を参照して上述したように、それぞれ第１、第２および第３の圧電アクチュエータ４１１、４１２および４１３の位置を調整するよう構成されていてもよい。
【００８３】
図示された例では、高剛性アクチュエータ４５１、４５２および４５３は、調整可能なねじ駆動として実施され、ねじ駆動を時計回りまたは反時計回り方向に適宜移動させることにより、第１、第２および第３の圧電アクチュエータ４１１、４１２および４１３の位置を対応する長手方向の軸に沿って調整するよう構成されている。
【００８４】
図３に示す流体輸送装置３００を参照して上述したのと実質的に同様に、入口弁装置４０１および出口弁装置４０３の作動は、コントローラ（図示せず）によりポンプ装置４０２の作動と連携されて、装置の入口ポート４６１から装置の出口ポート４６２へと流体輸送装置４００を通る流体の移動を可能にする。したがって、コントローラ（および関連するメモリ）の構造および作動の両方、またはいずれか一方に関する具体的な詳細は繰り返さないこととする。流体輸送装置４００として構成されたマイクロポンプは、例えば、約５０バールから約１０００バールを超える圧力を生じることができる。
【００８５】
流体輸送装置４００の全体的なコンプライアンスは、例えば、入口弁４４６の出口ポート４２５、および、出口弁４４８の入口ポート４２８などの弁ポートから輸送される流体の量によりある程度決定される。入口弁４４６および出口弁４４８も、例えば、入口ポート４２４および出口ポート４２９などの流体連通部を有し、入口弁室４４１および出口弁室４４３へそれぞれ接続する。混入流体の量を減少させるために、ポンプ室４４２は、（導管４０６を介して）入口弁４４６の出口ポート４２５と、（導管４０７を介して）出口弁４４８の入口ポート４２８との両方に接続される。このように、入口弁室４４１および出口弁室４４３内に収容された液体は、流体輸送装置４００の全体的なコンプライアンスの決定に関与しない。
【００８６】
例示的な構成において、対応する室の容積を減少させるポンプ室４４２の深さは、例えば、約１０μｍから約１００μｍである。流体輸送装置４００のコンプライアンスがそれほど重要でない用途に関し、ポンプ室４４２の深さは、より大きくてもよく、または、ポンプ室４４２は、出口ポート４２５および入口ポート４２８のそれぞれの外部にある装置の入口ポート４６１または装置の出口ポート４６２に接続されていてもよく、あるいはこれらの両方であってもよい。
【００８７】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施形態における一体型流体輸送装置の多弁式平面型マイクロ流体装置を示す断面図である。より詳細には、図５Ａは、平面型マイクロ流体装置５１０Ａの断面図であり、図５Ｂは、平面型マイクロ流体装置５１０Ｂの断面図であり、これらはそれぞれ、以下に説明するように、封止層を介して取り外し可能な膜板４２０を含む。
【００８８】
図４Ａおよび図４Ｂに示す流体輸送装置４００、および、対応する平面型マイクロ流体装置４１０を参照して上述したように、図５Ａを参照すると、平面型マイクロ流体装置５１０Ａは、膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０を含み、これらは、パターン形成、位置合わせおよび接合されて、一体型流体輸送装置の様々な特徴を設けている。
【００８９】
加えて、膜板４２０の底面は、第１のＯリング５７１、第２のＯリング５７２および第３のＯリング５７３を含む一連のＯリングを含む封止層により、オリフィス板４３０の頂面に取り外し可能に接続される。第１のＯリング５７１は、第１の可撓性領域４２１を包囲して、入口弁室４４１の周辺部を封止し、第２のＯリング５７２は、第２の可撓性領域４２２を包囲して、ポンプ室４４２の周辺部を封止し、第３のＯリング５７３は、第３の可撓性領域４２３を包囲して、出口弁室４４３の周辺部を封止する。第１、第２および第３のＯリング５７１〜５７３はそれぞれ、例えば、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）、ＰＴＦＥ、Ｋａｌｒｅｚ（登録商標）などの柔軟なポリマーで形成されてもよい。
【００９０】
このように、膜板４２０を第１、第２および第３のＯリング５７１〜５７３に対して圧縮することにより、それぞれの封止が形成されて、膜板４２０がオリフィス板４３０に対してしっかりと封止される。それ以外は、平面型マイクロ流体装置５１０Ａの形成および作動は、平面型マイクロ流体装置４１０を参照して上に説明したのと実質的に同じである。
【００９１】
同様に、図４Ａおよび図４Ｂに示す流体輸送装置４００、および、対応する平面型マイクロ流体装置４１０を参照して上述したように、図５Ｂを参照すると、平面型マイクロ流体装置５１０Ｂは、膜板４２０、オリフィス板４３０および連結用板４４０を含み、これらは、パターン形成、位置合わせおよび接合されて、一体型流体輸送装置の様々な特徴を設けている。
【００９２】
加えて、膜板４２０の底面は、封止膜５７０を含む封止層により、オリフィス板４３０の頂面に取り外し可能に接続され、封止膜５７０は、例えば、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＡＥＫまたはＶｅｓｐｅｌ（登録商標）などのポリマーで形成されてもよい。
【００９３】
このように、膜板４２０を封止膜５７０に対して圧縮することにより、入口弁室４４１、ポンプ室４４２および出口弁室４４３を包囲する封止が形成されて、膜板４２０がオリフィス板４３０に対してしっかりと封止される。それ以外は、平面型マイクロ流体装置５１０Ｂの形成および作動は、平面型マイクロ流体装置４１０を参照して上に説明したのと実質的に同じである。
【００９４】
図６は、本発明の実施形態における作動装置を示す断面図である。例えば、作動装置は、圧電アクチュエータと、平面型マイクロ流体装置を駆動するための高剛性アクチュエータとを含んでおり、図６に示す圧電アクチュエータおよび高剛性アクチュエータは、図１および図２を参照して上述した圧電アクチュエータ１１０および高剛性アクチュエータ１５０、または、図３を参照して上述した第１、第２および第３の圧電アクチュエータ３１１〜３１３ならびに第１、第２および第３の高剛性アクチュエータ３５１〜３５３、または、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上述した第１、第２および第３の圧電アクチュエータ４１１〜４１３ならびに第１、第２および第３の高剛性アクチュエータ４５１〜４５３、あるいはこれらの組み合わせの詳細な構成であってもよい。
【００９５】
図６を参照すると、作動装置６００は、例示的な高剛性アクチュエータアセンブリ６５０と、例示的な圧電アクチュエータアセンブリ６１０とを含む。図示された実施形態において、例えば、高剛性アクチュエータアセンブリ６５０は、ねじ駆動であり、これは、フレーム６８０に取り付けられ、ひずみ取り６５６を介して細目（例えば、Ｍ３、０．２ｍｍピッチ）の調整ねじ６５４に連結された回転モーター６５２を含む。ひずみ取り６５６は、例えば、回転モーター６５２と調整ねじ６５４との整合不良を吸収する。調整ねじ６５４は、フレーム６８０を通って螺合され、模式的にばねで示すように、ねじ予圧６５８によりねじ山に対して予圧をかけてもよい。第１のボールベアリング表面６５９は、調整ねじ６５４の遠位端部に機械加工または接着される。調整ねじ６５４が伸張されると、第１のボールベアリング表面６５９は、圧電アクチュエータアセンブリ６１０の第１の係合ソケット６７１に嵌り、このようにして、調整ねじ６５４の変位を圧電アセンブリ６１０に伝達する。
【００９６】
第１の係合ソケット６７１は、フレーム６８０に対して長手(垂直な)方向に自由に移動する第１の支持板６７２に取り付けられる。しかしながら、第１の支持板６７２は、横方向に拘束されるため、後述するように、例えば、圧電アクチュエータ６１１の長手方向の軸の周りで回転できない。したがって、調整ねじ６５４が時計回りまたは反時計回り方向に回転すると、関連するトルクは第１の支持板６７２によって吸収され、圧電アクチュエータ６１１へ連結されない。例えば、圧電アクチュエータ６１１は、焼結材料で形成されることがあるため、調整ねじ６５４の作動によってねじれまたは張力を受けた場合、破断しやすい可能性がある。
【００９７】
第１の支持板６７２は、第１の支持板６７２のそれぞれの側にある２つのばねとして模式的に示すように、第１のばね支持６８２によってフレーム６８０に接続される。第１のばね支持６８２は、第１の支持板６７２および取り付けられた第２の係合ソケット６７３を引っ張って、圧電アクチュエータ６１１の一端に取り付けられた第２のボールベアリング表面６７４へと接触させる。
【００９８】
圧電アクチュエータ６１１は、事実上、作動装置６００の核である。圧電アクチュエータ６１１は、任意の様々な圧電アクチュエータであってもよく、収容されていてもまたは露出していてもよく、任意の様々な圧電材料で形成されてもよい。例えば、圧電アクチュエータ６１１は、Thorlabsが提供する圧電アクチュエータＡＥ０５０５Ｄ１６Ｆなどの積層型圧電アクチュエータであっても、Physik Instrumenteが提供する圧電チューブアクチュエータＰＴ−１２０などの圧電チューブであってもよいが、本教示の範囲を逸脱することなく、他の種類の圧電アクチュエータを組み込んでもよい。
【００９９】
図６において、圧電アクチュエータ６１１は、ひずみゲージ６１２とともに示されている。圧電アクチュエータ６１１が、第１および第２の電圧リード線６１５および６１６の間の電圧の印加に応じて伸張する、または、第１および第２の電圧リード線６１５および６１６からの電圧の低下に応じて収縮すると、ひずみゲージ６１２の抵抗は変化する。ひずみゲージ６１２は模式的に示され、第１のひずみゲージのリード線６１３を介して一定の電流が印加されてもよく、第１のひずみゲージのリード線６１３と第２のひずみゲージのリード線６１４との間に誘導された電圧を測定することによって、ひずみゲージの抵抗を監視してもよい。１つの実施形態において、ひずみゲージ６１２は、例えば２つの能動的センサおよび２つのダミー抵抗を有する抵抗ブリッジに配置されていてもよい。
【０１００】
圧電アクチュエータ６１１にはほとんどトルクを加えられるべきでないため、上述のように圧電アクチュエータ６１１の一方の端部に取り付けられた第２のボールベアリング表面６７４と、圧電アクチュエータ６１１の反対側の端部に取り付けられた第３のボールベアリング表面６７５とを介して、圧電アクチュエータ６１１との機械的な接触が設けられている。
【０１０１】
第３のボールベアリング表面６７５は、第２の支持板６７７に取り付けられた第３の係合ソケット６７６と接触する。第２の支持板６７７は、第２の支持板６７７のそれぞれの側にある２つのばねとして模式的に示すように、第２のばね支持６８４によってフレーム６８０に接続される。このようにして、調整ねじ６５４が後退した時に、第１のばね支持６８２および第２のばね支持６８４により、圧電アクチュエータ６１１が長手（垂直）方向に自由に動くことが可能になり、このことは、対応するマイクロ流体装置（図６に図示せず）が除去または挿入された場合に、特に重要である。
【０１０２】
対応するマイクロ流体装置の例には、上述したように、図１Ａ、図１Ｂおよび図３に示すマイクロ流体ポンプ装置１３０および３３３と、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図３に示すマイクロ流体弁装置２３０、３３１および３３３と、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂに示す一体型のマイクロ流体装置４１０、５１０Ａおよび５１０Ｂとを含む。第１のばね支持６８２および第２のばね支持６８４の両方、またはいずれか一方の位置は、第４の係合ソケット６７９が、圧電アクチュエータアセンブリ６１０に取り付けられた対応するマイクロ流体装置の膜または膜上に搭載された軸受支持部に対して軽く（例えば、数ニュートンの力で）押圧されるように選択されてもよい。
【０１０３】
ひずみゲージ６１２は、例えば２つの目的のために機能してもよい。第１に、ひずみゲージ６１２は、圧電アクチュエータ６１０の伸張量を監視し、圧電アクチュエータ６１０が正確に動くことができるようにする。このことは、圧電アクチュエータ６１０が、特に積層型圧電アクチュエータ６１０として実施された場合、印加された電圧に対して実質的にクリープやヒステリシスを示すことがあるという点で有益である。
【０１０４】
この理由で、対応するマイクロ流体装置によって排出された流体を正確に計量するためには、圧電アクチュエータ６１０の物理的な変位を計測し、圧電アクチュエータ６１０に印加された電圧に基づく制御ループを配置することが必要である。例えば、約１００Ｖのバイアス電圧を第１および第２の電圧リード線６１５および６１６の間に印加する場合、圧電アクチュエータ６１０は数ミクロン伸張する。例えば、圧電アクチュエータ６１０を上述の圧電アクチュエータＡＥ０５０５Ｄ１６Ｆにより実施する場合、約１００Ｖ印加すると、圧電アクチュエータ６１０は約１２μｍ伸張する。この１２μｍの変位の大部分は、印加された電圧により即座に起こることになるが、圧電アクチュエータ６１０が「クリープ」し続ける数分の間にわたって起こる、数ミクロンの追加の変位が存在する。
【０１０５】
第２に、ひずみゲージ６１２は、調整ねじ６５４を位置決めするために、例えば、コントローラ（図示せず）を介して、回転モーター６５２にフィードバックを提供する。例えば、対応するマイクロ流体装置が圧電アクチュエータ６１０の下方に挿入された時に、圧電アクチュエータ６１０に小さな追加の力が加えられ、この力は、圧電アクチュエータ６１０の小さな圧縮として検知できる。調整ねじ６５４に取り付けられた第１のボールベアリング表面６５９は、この段階で第１の係合ソケット６７１と接触していない。
【０１０６】
対応するマイクロ流体装置を作動させることが望まれる場合、回転モーター６５２が前進させられて、ひずみゲージ６１２の抵抗の信号が監視される。第１のボールベアリング表面６５９が第１の係合ソケット６７１と接触するまでは、抵抗に変化はない。しかしながら、接触した場合、調整ねじ６５４は、圧電アクチュエータ６１１を圧縮し、対応するマイクロ流体装置の膜上を押し下げる。圧電アクチュエータ６１１の圧縮は、ひずみゲージ６１２によって抵抗の低下として検出される。このようにして、ひずみゲージ６１２の抵抗のセットポイントは、調整ねじ６５４からの適切な予圧を決定するために使用してもよい。
【０１０７】
印加バイアスがゼロの時の圧電アクチュエータ６１１の圧縮の監視において、ひずみゲージ６１２は、起こり得る熱ドリフトの監視に使用されてもよい。圧電アクチュエータ６１１は数センチメートルの長さであり得るため、数度の温度変化によって圧電アクチュエータ６１１の遠位端部は数ミクロン移動し得る。これは、圧電アクチュエータ６１１の変位に類似する大きさである。モーター６５２は、印加バイアスがゼロの時のひずみゲージ６１２の信号が一定となるようにすることによって、この熱ドリフトを補正してもよい。
【０１０８】
様々な実施形態において、回転モーター６５２、ひずみゲージ６１２、ならびに、第１および第２の電圧リード線６１５および６１６に接続された電圧源（図示せず）の作動および監視の両方、またはいずれか一方は、コントローラ（図示せず）によって行われてもよい。ソフトウェア、ファームウェア、配線論理回路、または、それらの組み合わせを使用して、コントローラは、プロセッサすなわちＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、または、それらの組み合わせを含んでもよく、図３を参照して上に説明したコントローラと類似しているか、または、同じであってもよい。
【０１０９】
図７は、本発明の実施形態における、図６の作動装置を組み込んだ多弁式流体輸送装置を示す断面図である。
【０１１０】
図７を参照すると、多弁式一体型流体輸送装置７００は、対応するマイクロ流体装置４１０に連結された３つのアクチュエータ装置である、第１アクチュエータ装置７０１、第２アクチュエータ装置７０２および第３アクチュエータ装置７０３を含む。第１、第２および第３のアクチュエータ装置７０１、７０２および７０３は、図６を参照して上述した圧電アクチュエータ６００と実質的に同じであると理解されるため、説明は繰り返さないこととする。同様に、マイクロ流体装置４１０は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上述したため、説明は繰り返さないこととする。
【０１１１】
図示された実施形態において、マイクロ流体装置４１０は、外付けの第１、第２および第３のアクチュエータ装置７０１、７０２および７０３に挿入または取り付けされる。装置の入口ポート４６１および装置の出口ポート４６２への流体接続が形成された後、入口弁室４４１、ポンプ室４４２および出口弁室４４３に対応する第１、第２および第３のアクチュエータ装置７０１、７０２および７０３の調整ねじ６５４ａ、６５４ｂおよび６５４ｃは、それぞれのひずみゲージ６１２ａ、６１２ｂおよび６１２ｃがそれぞれのセットポイントに達するまで伸張される。
【０１１２】
入口弁室４４１、ポンプ室４４２および出口弁室４４３を介して低圧で流体を流すことによって、一体型流体輸送装置７００に呼び水が差される。入口弁４４６に対応する圧電アクチュエータ６１１ａは、１００Ｖを印加することによって伸張されて、入口弁４４６を閉鎖する。ポンプ室４４２に対応する圧電アクチュエータ６１１ｂは、１００Ｖ未満の連続的な可変電圧を印加することによって伸張されて、ポンプ室４４２を圧縮する。圧電アクチュエータ６１１ａおよび６１１の伸張を対応するひずみゲージ６１２ａおよび６１２を用いて監視してもよく、印加された電圧を制御して、連続的な流体の流れを供給してもよい。
【０１１３】
ポンプ室４４２に対応する圧電アクチュエータ６１１ｂが最大の伸張に達すると、出口弁４４８に対応する圧電アクチュエータ６１１ｃは、１００Ｖを印加することによって伸張されて、出口弁４４８を閉鎖し、入口弁４４６に対応する圧電アクチュエータ６１１ａは、０Ｖを印加することによって収縮されて、入口弁４４４をあらかじめ開放する。その一方で、ポンプ室４４２に対応する圧電アクチュエータ６１１ｂは、０Ｖを印加することによって収縮されて、それによりポンプ室４４２を膨張することが可能になる。
【０１１４】
そして、圧電アクチュエータ６１１ａ〜６１１ｃへの１００Ｖおよび０Ｖの交互の印加を繰り返すことにより、ポンプ運転が継続する。すなわち、入口弁４２６に対応する圧電アクチュエータ６１１ａが、１００Ｖを印加することにより再び伸張され、入口弁４２６を閉鎖し、一方、出口弁４２８に対応する圧電アクチュエータ６１１ｃが、０Ｖを印加することにより再び収縮され、出口弁４２８を開放する。
【０１１５】
本例では、ポンプ室４４２に対応する圧電アクチュエータ６１１ｂは、各ポンプサイクルで約６μｍ伸張することになり、それにより、装置の出口ポート４６２から約２０ｎＬが排出される。対応するひずみゲージ６１２ａ〜６１２ｃを使用することにより、圧電アクチュエータ６１１ａ〜６１１ｃを、その可動範囲の１／１０００に制御することは比較的容易であり、したがって、本例において、毎分２０ピコリットルの精度で流体の流れを制御することが可能なのである。さらに、圧電アクチュエータ６１１ａ〜６１１ｃは高周波で作動することができ、毎分１２０μＬの流量に対応して、１００Ｈｚまで、信頼できる動作が可能である。
【０１１６】
様々な構成において、圧電アクチュエータ６１１ｂの変位は、ポンプ室４４２の深さに対して比較的小さくてもよい。このような構成では、一体型流体輸送装置７００が適切に呼び水を差されていることが重要であり、さもなければ、閉じ込められた気泡が機能を低下させることがある。
【０１１７】
例えば、ＨＰＬＣ機器で使用される流体は、通常、一体型流体輸送装置７００に入れる前に脱気する。これにより、小さな気泡は流体に拡散して戻りやすくなるため、呼び水を差すのが簡単になる。しかしながら、それでも、流体中の気泡は最小にされるべきである。流体中の気泡の形成を低減するために、マイクロ流体装置４１０のポンプ室４４２、入口弁４４６および出口弁４４８などのポンプ室および弁に呼び水を差すための例示的な方法を以下に説明する。
【０１１８】
まず、装置の出口ポート４６２は、装置の入口ポート４６１の上方に配置されるべきである。例えば、マイクロ流体装置４１０は回転されて（例えば、最大９０度まで）、装置の出口ポート４６２が実質的に装置の入口ポート４６１の上方に配置されるようにしてもよい。メタノールなどの有機流体を呼び水を差すために使用し、次いで、例えば、水、アセトニトリルおよびメタノールなどの所望の作動流体と置き換えてもよい。
【０１１９】
呼び水を差す前にマイクロ流体装置４１０全体をポンピングして排水し、次いで、大半の流体に対してより容易に解ける二酸化炭素（ＣＯ2）を充填してもよい。また、呼び水を差すのを促進するために、入口および出口弁室４４１および４４３、ならびにポンプ室４４２の内面を親水性または疎水性のポリマーで被覆してもよい。親水性または疎水性のポリマーは、入口弁室４４１、またはポンプ室４４２、または出口弁室４４３、あるいはこれらの組み合わせに流体が入る時に気泡が閉じ込められないようにパターン形成されていてもよい。
【０１２０】
加えて、図８Ａ〜図９Ｂに示す（例えば、複数のリブを含んでいてもよい）例示的な隆起されたパターン、および、図１０Ａ〜図１０Ｂに示す（例えば、複数の溝を含んでいてもよい）例示的な陥凹したパターンなどの機械的な形状が、入口および出口弁室４４１および４４３、ならびにポンプ室４４２のうちの１つまたは２つ以上に組み込まれていてもよい。
【０１２１】
隆起されたパターンは、流体が入口および出口弁室４４１および４４３ならびにポンプ室４４２の全て、またはいずれか１つに入った時に、流体の滴が大きくなるのを阻む。隆起されたパターンの隆起部またはリブのそれぞれと、対応する入口（または前の隆起部）との間の区域が流体で完全に満たされるまで、流体は次の区分へと通過することがない。このようにして、入口および出口弁室４４１および４４３ならびにポンプ室４４２の全て、またはいずれか１つは、取り込まれた空気がほとんどない状態で満たされてもよい。
【０１２２】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の実施形態における、隆起したパターンを有する弁室を示す断面図である。特に、図８Ｂは、図８ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面を示す。図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、代表的な入口弁室８４１は入口弁８４６を含み、これは、上述したように、圧電アクチュエータ（図示せず）の作動に応じて、可撓性膜８２１を突起部８４７へと曲げ、および曲げ解除することにより形成される。
【０１２３】
流体は、入口ポート８２４を介して入口弁室８４１に流入し、出口ポート８２５を介して入口弁室８４１から流出する。入口弁室８４１は、第１および第２のリブまたは隆起部８４５および８４６を有する隆起したパターンをさらに含み、これらは、突起部８４７を包囲する隆起した同心円である。当然のことながら、本教示の範囲を逸脱することなく、より多くの、または、より少ない隆起部が含まれていてもよい。
【０１２４】
図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の実施形態における、隆起したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。特に、図９Ｂは、図９ＡのＣ−Ｃ’線に沿った断面を示す。図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、代表的なポンプ室９４２は、上述したように、圧電アクチュエータ（図示せず）の作動に応じて、可撓性膜９２２を曲げ、および曲げ解除することにより形成される。
【０１２５】
流体は、入口ポート９２５を介してポンプ室９４２に流入し、出口ポート９２７を介してポンプ室９４２から流出する。ポンプ室９４２は、第１から第５の隆起部９５１〜９５５を有する隆起したパターンをさらに含む。図示の例において、第３の隆起部９５３は、ポンプ室９４２の内径を横切っており、一方、第１および第２の隆起部９５１および９５２は、第３の隆起部９５３から左に向かって弓状に延びており、第４および第５の隆起部９５４および９５５は、第３の隆起部９５３から右に向かって弓状に延びている。当然のことながら、本教示の範囲を逸脱することなく、より多くの、または、より少ない隆起部が含まれていてもよい。
【０１２６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施形態における、陥凹したパターンを有するポンプ室を示す断面図である。特に、図１０Ｂは、図１０ＡのＤ−Ｄ’線に沿った断面を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、代表的なポンプ室１０４２は、上述したように、圧電アクチュエータ（図示せず）の作動に応じて、可撓性膜１０２２を曲げ、および曲げ解除することにより形成される。流体は、入口ポート１０２６を介してポンプ室１０４２に流入し、出口ポート１０２７を介してポンプ室１０４２から流出する。ポンプ室１０４２は、第１から第５の溝すなわち陥凹部１０５１〜１０５５を有するエッチングされた陥凹したパターンをさらに含む。
【０１２７】
図示の例において、第３の陥凹部１０５３は、ポンプ室１０４２の内径を横切っており、一方、第１および第２の陥凹部１０５１および１０５２は、第３の陥凹部１０５３から左に向かって弓状に延びており、第４および第５の陥凹部１０５４および１０５５は、第３の陥凹部１０５３から右に向かって弓状に延びている。当然のことながら、本教示の範囲を逸脱することなく、より多くの、または、より少ない陥凹部が含まれていてもよい。
【０１２８】
別の実施形態において、ポンプ室および弁室の両方、またはいずれか一方は、気体透過性膜を組み込んでいてもよい。例えば、図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の実施形態における、気体透過性膜を有するポンプ室を示す断面図である。特に、図１１Ｂは、図１１ＡのＥ−Ｅ’線に沿った断面を示す。図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、代表的なポンプ室１１４２は、上述したように、圧電アクチュエータ（図示せず）の作動に応じて、可撓性膜１１２２を曲げ、および曲げ解除することにより形成される。流体は、入口ポート１１２６を介してポンプ室１１４２に流入し、出口ポート１１２７を介してポンプ室１１４２から流出する。図示のように、積層された膜板１１２０、オリフィス板１１３０および連結用板１１４０は、片側または両側にパターン形成されて、ポンプ室１１４２、入口ポート１１２６および出口ポート１１２７を形成する。加えて、気体透過性膜１１２５が、膜板１１２０とオリフィス板１１３０との間に形成されて、流体を留めたままで、閉じ込められた気泡（および他の気体）がポンプ室１１４２から出ることができるようにする。気体透過性膜１１２５は、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、シリコンゴム、アガロースまたは多孔性のＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などの様々な膜材料から形成されてもよいが、本教示の範囲を逸脱することなく、他の材料を組み込んでもよい。使用される材料の少なくとも一部は、ポンピングされている流体およびポンプ室１１４２の内部圧力に依存する。
【０１２９】
ＨＰＬＣ機器などの特定の実施例では、流体輸送装置は連続的な流れを有していなければならない。例えば、図３、図４Ａ、図４Ｂおよび図７を参照して説明した流体輸送装置３００、４００および７００は、対応するポンプ室３４２、４４２が充填されている時に外部の流体の流れが止まるため、連続的な流れを提供しないことがある。それに対し、図１２Ａおよび図１２Ｂは、本発明の実施形態における、連続的な流れを有する多弁式一体型流体輸送装置を示す断面図である。特に、図１２Ｂは、図１２ＡのＦ−Ｆ’線に沿った断面を示す。
【０１３０】
図１２Ａを参照すると、一体型流体輸送装置１２００は、入口弁装置１２０１と、第１のポンプ装置１２０２と、出口弁装置１２０３と、第２のポンプ装置１２０４とを含み、一体型の平面型マイクロ流体装置１２１０を共有している。すなわち、図示された実施形態において、入口弁室１２４１、第１のポンプ室１２４２、出口弁室１２４３および第２のポンプ室１２４４は、単一のマイクロ流体装置１２１０における別々の領域として加工されている。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すような一体型流体輸送装置１２００は、例えば、バイナリポンプと呼ばれることがある。
【０１３１】
図４Ａおよび図４Ｂを参照して上に説明したのと同様に、マイクロ流体装置１２１０は、膜板１２２０、オリフィス板１２３０および連結用板１２４０と呼ばれる３つの別々の層すなわち板部材を含み、これらはそれぞれ、位置合わせされて接合されたときに、一体型流体輸送装置１２００の様々な特徴を設けるため、例えば電気化学エッチングを用いて、片側または両側にパターン形成されている。これらの特徴は、装置の入口ポート１２６１、入口弁室１２４１、第１のポンプ室１２４２、出口弁室１２４３、第２のポンプ室１２４４および装置の出口ポート１２６２の他、装置の入口ポート１２６１と、入口弁室１２４１と、第１のポンプ室１２４２と、出口弁室４４３と、第２のポンプ室１２４４と、装置の出口ポート１２６２との間の連通を可能にする入口および出口ポート１２２４〜１２２９および１２７６〜１２７７ならびに導管１２０５〜１２０９を含む。
【０１３２】
入口弁装置１２０１、第１のポンプ装置１２０２、出口弁装置１２０３および第２のポンプ装置１２０４のそれぞれは、図４Ａを参照して上述した第１の圧電アクチュエータ４１１（ならびに対応する高剛性アクチュエータおよびボスの両方、またはいずれか一方）などの、その長手方向の軸に沿った軸方向の変位を有する対応する外付けの圧電アクチュエータをさらに含むと理解される。しかしながら、明瞭にするため、および、説明を簡潔にするために、図１２Ａには圧電アクチュエータを示していない。圧電アクチュエータの構造および機能性は上述したものと実質的に同じである。
【０１３３】
入口弁室１２４１および出口弁室１２４３は、対応する入口弁１２４６および出口弁１２４８を含み、これらは、対応する圧電アクチュエータ（図示せず）の作用によって、膜板１２２０の第１および第３の可撓性領域１２２１および１２２３の曲げ、および、曲げ解除を介して機能する。同様に、第１のポンプ室１２４２および第２のポンプ室１２４４は、対応する圧電アクチュエータ（図示せず）の作用によって、膜板１２２０の第２および第４の可撓性領域１２２２および１２２４の曲げ、および、曲げ解除を介して機能する。
【０１３４】
図１２Ｂに示すように、第１から第４の可撓性領域１２２１〜１２２４は、例えば円形であってもよい。突起部１２４７および１２４９は、同様に円形であってもよく、それぞれ第１および第３の可撓性領域１２２１および１２２３内で中央に位置決めされる。上述したように、第１から第４の可撓性領域１２２１〜１２２４は、寸法および形状の両方、またはいずれか一方が同一であっても、または異なっていてもよい。それ以外は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上に説明したのと同様に、入口弁１２４６および出口弁１２４８の構造および作動は、入口弁４４６および出口弁４４８のものと実質的に同じであり、第１のポンプ室１２４２および第２のポンプ室１２４４の構造および作動は、ポンプ室４４２のものと実質的に同じである。したがって、ここでは説明は繰り返さないこととする。
【０１３５】
図３に示す流体輸送装置３００を参照して上述したのと実質的に同様に、入口弁装置１２０１および出口弁装置１２０３の作動は、コントローラ（図示せず）により第１のポンプ装置１２０２および第２のポンプ装置１２０４の作動と連携されて、装置の入口ポート１２６１から装置の出口ポート１２６２へと流体輸送装置１２００を通る流体の移動を可能にする。
【０１３６】
流体の連続的な流れを提供する一体型流体輸送装置１２００の例示的な作動について以下に説明する。図示された実施形態において、マイクロ流体装置１２１０は、対応する外付けのアクチュエータ装置（図示せず）に挿入または取り付けされる。装置の入口ポート１２６１および装置の出口ポート１２６２への流体接続が形成された後、入口弁室１２４１、第１のポンプ室１２４２、出口弁室１２４３および第２のポンプ室１２４４に対応する調整ねじまたは他の外付けの高剛性アクチュエータ（図示せず）は、上述したように、それぞれのひずみゲージがそれぞれのセットポイントに達するまで伸張される。入口弁室１２４１、第１のポンプ室１２４２、出口弁室１２４３および第２のポンプ室１２４４を介して低圧で流体を流すことによって、一体型流体輸送装置１２００に呼び水が差される。初めに、出口弁装置１２０３に対応する圧電アクチュエータは、１００Ｖを印加することによって伸張されて、出口弁１２４８を閉鎖する。
【０１３７】
第１動作において、入口弁装置１２０１に対応する圧電アクチュエータは、０Ｖを印加することにより収縮されて、入口弁１２４６を開放し、次に、第１のポンプ装置１２０２に対応する圧電アクチュエータは、同様に収縮されて、第１のポンプ室１２４２に流体で満たす。入口弁装置１２０１に対応する圧電アクチュエータは、次に、１００Ｖを印加することによって膨張されて、入口弁１２４６を閉鎖し、第１のポンプ装置１２０２に対応する室の圧電アクチュエータは、わずかに伸張されて、第１のポンプ室１２４２内の圧力を第２のポンプ室１２４４の圧力とほぼ同じにする。この状態は、次の段落で説明する第２動作が完了するまで維持され、これは、第１動作と実質的に同時に行われる。
【０１３８】
第２動作において、第２のポンプ装置１２０４に対応する圧電アクチュエータは、１００Ｖ未満の連続的な可変電圧を印加することによって伸張されて、第２のポンプ室１２４４を圧縮する。圧電アクチュエータの伸張は、例えばひずみゲージを用いて監視し、印加された電圧を制御して、連続的な流体の流れを供給する。圧電アクチュエータが最大の伸張に達すると、出口弁装置１２０３に対応する圧電アクチュエータは０Ｖを印加することにより収縮され、出口弁１２２８を開放する。
【０１３９】
第３動作において、第１のポンプ装置１２０２に対応する圧電アクチュエータは、１００Ｖ未満の連続的な可変電圧を印加することによって伸張されて、第１のポンプ室１２４１を圧縮する。圧電アクチュエータの伸張は、例えばひずみゲージを用いて監視し、印加された電圧を制御して、所望の流れよりも大きな連続的な流体の流れを供給する。第１のポンプ装置１２０２の圧電アクチュエータが最大の伸張に達すると、例えば、１００Ｖを印加することによって出口弁装置１２０３に対応する圧電アクチュエータを伸張させて出口弁１２４８を閉鎖することから再び始め、次いで、第１から第４動作を行い、第４動作が第３動作と実質的に同時に行われることによって、プロセスは繰り返される。
【０１４０】
第４動作において、第２のポンプ装置１２０４に対応する圧電アクチュエータは、１００Ｖ未満の連続的な可変電圧を印加することによって収縮されて、第２のポンプ室１２４４を膨張させることが可能になる。印加された電圧は、例えば、第１および第２のポンプ装置１２０２および１２０４に対応する圧電アクチュエータのひずみゲージを使用して制御され、所望の規模で流体の連続的な流れをポンピングする。第１のポンプ室１２４２は、所望の流れよりも大きな流れを生み出すため、第２ポンプ室１２４４は、第４動作の間、流体で満たされていることになる。一体型流体輸送装置は、このようにして、連続的な流れを提供する。
【０１４１】
当然のことながら、本教示の範囲を逸脱することなく、１つまたは２つ以上の流体輸送装置の様々な別の構成および構造の両方、またはいずれか一方を組み込んでもよい。例えば、流体輸送装置は、１つの入口弁装置を含み、これに相互接続された複数のポンプ装置が続き、その後に１つの出口弁装置が続くものであってもよい。この構成により、入口および出口弁装置の間にどれだけ多くのポンプ装置を含むかに応じて、単一のポンプ装置中におけるポンプ室の排水量が増加する。単に単一のポンプ室の横方向の寸法を大きくすることは、ポンプ装置中の可撓性膜の剛性を低下させて、高い背圧での望ましくない機械的な変形を受け易くする場合があるが、相互接続された複数のポンプ装置には、これに勝る利点がある。
【０１４２】
さらに、例えば本明細書中で説明された１つまたは２つ以上の実施形態に基づいて構成された複数の流体輸送装置は、並列および直列の両方の組み合わせ、またはいずれか一方の組み合わせで接続されて、追加の利益を提供してもよい。例えば、複数の流体輸送装置は並列に接続されていてもよく、その場合、対応する装置の入口ポートが互いに接続され、対応する装置の出口ポートが互いに接続される。次いで、個々の流体輸送装置は、同期または非同期で作動されてもよい。同期された作動は、どれだけ多くの流体輸送装置を互いに並列に接続するかに応じて単一の流体輸送装置の流量を増加することにより、体積流量を増加させる。非同期の（または、ずらした）作動により、例えば、連続的な流れのために脈動を緩和してもよく、または、任意に経時変化する流量を発生させてもよく、あるいはこれらの両方であってもよい。
【０１４３】
同様に、複数の流体輸送装置は直列に接続されていてもよく、その場合、１つまたは２つ以上のポンプ装置により互いに分離された複数の入口および出口弁装置が、各出口弁装置の出口ポートが次の入口弁装置の入口ポートに接続されるよう構成される。この段階的な構成により、より高い圧力に対してポンピングを行うことができる。相互接続された流体輸送装置の対応するポンプ室はそれぞれ、前の流体輸送装置のポンプ室により発生する圧力に、その個々の最大の達成可能圧力を増分として追加していくことになる。したがって、最大の達成可能圧力は、構成する同等の輸送装置の最大の達成可能圧力の合計に等しくなる。
【０１４４】
本明細書中に具体的な実施形態を開示したが、多くの変形が可能であり、それらは本発明の概念および範囲内に留まる。そのような変形は、本願の明細書、図面および特許請求の範囲を精査すれば、明瞭になるであろう。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲内を除いて制限されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【外国語明細書】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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