(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体および電気的接続を受入れるためのミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、
複数の電気層流体通路（８６−１００）が電気層を通って延び、そしてマニホールド層内の内部流体通路から流体を受入れるために接続されており、その上に複数の独立したマイクロ機械加工デバイス回路を備えた電気回路（１６）を有する実質上平坦な電気層（８０）と、そして
それぞれが１つの独立したマイクロ機械加工デバイス回路と電気的連通にあり、そして各電気層流体通路（８６−１００）とそれから流体を受入れるために流体連通にある複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）
を備えている前記モジュール。
【請求項２】
流体および電気的接続を受入れるためのミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦な第１のマニホールド層（６４）と、
回路図形を含む電気回路（１６）をその上に有しており、デバイス層（１３）と第１のマニホールド層（６４）の間に配置され、そして流体が第１のマニホールド層から電気層を通って流れるのを許容するように電気層内に形成された流体通路（８６−１００）を有する実質上平坦な電気層（８０）と、
電気層内の流体通路（８６−１００）を介して第１のマニホールド層（６４）内の流体通路と流体連通にあり、そして電気層上の電気回路（１６）と電気的連通にある複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なマイクロ機械加工デバイス層（１３）と、そして
第１のマニホールド層（６４）へ流体流を返還するために第１のマニホールド層が配置される側と反対側のマイクロ機械加工デバイス層（１３）上に配置されている、流体入力および内部流体通路を有する第２の平坦なマニホールド層（２２）
を備えている前記モジュール。
【請求項３】
第１のマニホールド層（６４）は、取付具（２５０）の面へ面一に装着するためのモジュール（１０）の一面上に流体入力および出力の両方をその中に有する請求項２のモジュール。
【請求項４】
電気層（８０）は電気回路（１６）を形成する電気的図形をその上に有し、そして
コネクターエレメント（２３）がモジュール（１０）上に取付けられ、そして電気的図形へ接続され、そして電気的コントローラーへ導く他のコネクターへ接続するのに適応している請求項１のモジュール。
【請求項５】
あらかじめ定めた形状の機械的インターフェイス手段（５４）が、モジュール（１０）を取付具（２５０）上に適切に位置決めするためにモジュールが取付けられる取付具とインターフェイスするために備えられる請求項１のモジュール。
【請求項６】
流体および電気的接続を受入れるためのミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために入口へ接続された内部流通通路を有する実施上平坦な第１のマニホールド層（６４）と、
電気回路（１６）をその上に有する実質上平坦な電気層（８０）と、
第１のマニホールド層内の流体通路と流体連通にあり、そして電気層上の電気回路（１６）と電気的連通にある複数のマイクロ機械加工電気流体弁（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工電気流体弁の各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）であって、該デバイス層はその第１の側に第１のマニホールド層が配置される中間層であり、
第１のマニホールド層（６４）へ流体流を返還するための流体通路を有し、それ自身が中間層の反対側に配置された第２のマニホールド層（２２）
を備えている前記モジュール。
【請求項７】
流体および電気的接続を受入れるためのミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、
電気回路（１６）をその上に有する実質上平坦な電気層（８０）と、そして
マニホールド層内の流体通路と流体連通にあり、そして電気層上の電気回路（１６）と電気的連通にあるデバイス層上の平面内に並べて配置された複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）を有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）
を備えている前記モジュール。
【請求項８】
流体および電気的接続を受入れるためのミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
標準パターンに配列された標準流体通路を有する第１の基板と、そしてさらなる流体分配のために、そして第１の基板内の標準流体通路と流体連通にある流体通路を有する第２の基板を備えており、少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、
電気回路（１６）をその上に有する実質上平坦な電気層（８０）と、そして
マニホールド層内の流体通路と流体連通にあり、そして電気層上の電気回路（１６）と電気的連通にある複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）
を備えている前記モジュール。
【請求項９】
取付具（２５０）と流体的に整列させるため取付具の接合面に対して面一に装着するためのマニホールド層（６４）上の面一に装着可能な面を有するフラットパック層化したモジュール本体を備えており、
モジュール（１０）が取付具（２５０）に対して面一に装着される時、取付具上のコネクターと係合するように取付具へ向かって指向したフラットパック層化したモジュール本体上の電気コネクター（２３）
を備えている請求項１のモジュール。
【請求項１０】
流体入口（７０）および電気コネクター（２３）を有するミニチュア電気流体モジュール（１０）であって、
一面を有するフラットパック層化したモジュール本体を備えており、
モジュール本体は、一方向の入口流体流のための少なくとも一つの入口および返還方向の返還流体流のための少なくとも一つの出口を有する前記一面上の入口／出口マニホールド層（６４）と、
流体流を調節するための流体通路をその中に有しており、マイクロ機械加工デバイス（１４）の各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている前記本体の中間層中の複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）と、
マイクロ機械加工デバイス（１４）を作動するための電気回路（１６）を有するマイクロ機械加工デバイスに隣接した前記本体中の電気層（８０）を有し、さらに
入口／出口マニホールド層（６４）の一部から流体流を受入れそして入口／出口マニホールド層の他の部分へ流体流を再指向するためデバイス層の他の側のモジュール本体上の返還マニホールド（２２）
を備えている前記電気流体モジュール。
【請求項１１】
一対の電気コネクター（２３）がモジュール本体上に装着され、そしてマイクロ機械加工デバイス（１４）の選択的作動のために電気回路（１６）へ電気的に接続されている請求項１０の電気流体モジュール。
【請求項１２】
入口および出口は取付具（２５０）の流体通路の標準パターンと協力のために標準のあらかじめ定めた位置に配置され、
電気コネクター（２３）は、モジュール（１０）が容易に取付具（２５０）へ接続および取外し得るように、取付具上のコネクターとはめ合いのための標準位置に配置されている請求項１１の電気流体モジュール。
【請求項１３】
電気信号に応答して流体の制御のためのモジュール化電気流体マルチプレキサーであって、
少なくとも一つの流体入口（７０）と、それを通って流体流を受入れるための前記入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、
複数の電気層流体通路（８６−１００）が電気層を通って延び、そして内部流体通路から流体を受入れるために接続されており、電気信号源と通信のため、その上に複数の独立したマイクロ機械加工アクチュエーター電気回路（１６）を有する実質上平坦な電気層（８０）と、
それぞれが１つの独立したマイクロ機械加工アクチュエーター電気回路（１６）と電気的連通にあり、そして各電気層流体通路（８６−１００）とそれらから流体を受入れるために流体連通にあるその上に配置された複数のマイクロ機械加工アクチュエーター（１４）を有しており、マイクロ機械加工アクチュエーターの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なマイクロ機械加工デバイス層（１３）と、そして
電気信号に応答してマイクロ機械加工アクチュエーター（１４）が流体出口の１つまたはそれ以上との流体連通から入口を選択的に接続および脱離できるように、流体出口通路を介してマイクロ機械加工アクチュエーターへ流体連通に連結された複数の流体出口を備えている
前記電気流体マルチプレキシサー。
【請求項１４】
少なくとも二つのマイクロ機械加工アクチュエーター（１４）がマイクロ機械加工弁を含んでいる請求項１３の電気流体マルチプレキサー。
【請求項１５】
マイクロ機械加工弁は、各自シリコンマイクロ機械加工弁よりなる請求項１４の電気流体マルチプレキサー。
【請求項１６】
分離し得る電気的および流体接続を有する流体アセンブリであって、
少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために流体入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、複数の独立したマイクロ機械加工デバイス電気回路（１６）および内部流体通路と連通にある複数の電気層流体通路を有する実質上平坦な電気層（８０）と、各電気層流体通路と流体連通にあり、そして各々１つずつ独立したマイクロ機械加工デバイス電気回路と電気的連通にある複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）を備えた少なくとも１つの電気流体モジュール（１０）を備えており、
電気流体モジュールは、モジュールの一面上にあらかじめ定めた標準位置に配置された流体インターフェースを有し、そしてマイクロ機械加工デバイス（１４）中の通路と流体連通にある流体通路を有する電気流体モジュール上の実質上平坦なマニホールド層（６４）と、
電気回路（１６）へ接続されたモジュール上の第１の電気コネクター（２３）を備えており、
前記モジュールの標準流体インターフェースとの取外し自在はめ合い接続を備えた標準流体インターフェースを有する電気流体回路板（２５２）と、そして
電気流体モジュールが電気流体回路板（２５２）へ取外し自在に接続できるように、第１の電気コネクターへ取外し自在接続のための電気流体回路上の第２の電気コネクター（２５２，２５６）
を備えている前記アセンブリ。
【請求項１７】
めいめいの電気流体モジュール（１０）の流体マニホールド上の流体インターフェイスは、電気流体回路板（２５２）の向き合う面に対して面一に装着されたモジュールの一面上の流体入口および出口の両方を持っている請求項１６のアセンブリ。
【請求項１８】
複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）が電気流体モジュールに装着され、そして別々の電気回路（１６）がマイクロ機械加工デバイス（１４）のめいめいのためにモジュール中に設けられ、第１（２３）および第２の電気コネクター（２５４，２５６）はマイクロ機械加工デバイス（１４）のめいめいのために個別の回路接続を提供する請求項１６のアセンブリ。
【請求項１９】
電気流体回路板（２５２）はその上に電気的図形を有し、接続された第１および第２の電気コネクターへ電流路を提供するために第３の電気コネクターが前記図形へ接続されている請求項１６のアセンブリ。
【請求項２０】
電気流体モジュール（１０）を電気流体回路板（２５２）へ着脱自在に接続するための取外し得る固着手段をさらに含んでいる請求項１６のアセンブリ。
【請求項２１】
取外し得る固着手段は、少なくとも一つのねじボルトと一つのはめ合いねじみぞよりなる請求項１９のアセンブリ。
【請求項２２】
電気流体モジュール（１０）は、電気流体モジュールの容易な着脱自在を許容するため電気流体回路板（２５２）とのスナップ嵌合およびスナップ脱着接続を有している請求項１６のアセンブリ。
【請求項２３】
（ａ）少なくとも１つの流体入口（７０）と、そして流体受入れのために流体入口へ接続された内部流体通路を有する実質上平坦なマニホールド層（６４）と、複数の独立したマイクロ機械加工デバイス電気回路（１６）および内部流体通路と連通にある複数の電気層流体通路を有する実質上平坦な電気層（８０）と、各電気層流体通路と流体連通にあり、そして各々１つずつ独立したマイクロ機械加工デバイス電気回路と電気的連通にある複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）をその上に有しており、マイクロ機械加工デバイスの各自は、それへ印加された電流の変化により流体流を調節するように変位する熱電部材を有する弁部材を備えている実質上平坦なデバイス層（１３）を備えた少なくとも１つの電気流体モジュール（１０）と、
（ｂ）流体の流れのために流体通路をその中に有する取付具（２５０）と、
（ｃ）取付具の取付具通路上に装着され、取付具通路と連通にある自身の部材通路を有する電気流体部材（２５２）と、
（ｄ）流体を電気流体部材へ返還するように指向するため電気流体モジュール（１０）中のマイクロ機械デバイス（１４）と関連する返還流体指向手段（２２）の組合せを備える電気流体システムであって、
前記電気流体モジュール（１０）はそのマイクロ機械加工デバイス（１４）中の通路が電気流体部材（２５２）の入口および出口へ接続されるように電気流体部材上に装着され、そして
前記電気流体部材（２５２）は電気流体部材の部材通路を通る流体流を調節するように１つ１つのマイクロ機械加工デバイスを作動するため、１つ１つがそれぞれマイクロ機械加工デバイスへ接続されたマイクロ機械加工デバイス電気回路を備えている前記流体システム。
【請求項２４】
返還流体流指向手段（２２）は、複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）に共通のマニホールド部材を含んでいる請求項２３の電気流体システム。
【請求項２５】
マイクロ機械加工デバイス（１４）を電気流体モジュール（１０）へ永久的に固着する手段を備えている請求項２３のシステム。
【請求項２６】
電気流体モジュール（１０）は複数のマイクロ機械加工デバイス（１４）を含み、そして
電気流体モジュール（１０）は、電気流体部材（２５２）へ電気的にそして流体的に着脱自在に接続されている請求項２３のシステム。
【請求項２７】
電気流体部材（２５２）は、電気流体モジュール（１０）上の電気コネクター（２３）への着脱自在な接続のため電気コネクターをその上に有するプリント回路板を含んでいる請求項２６のシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明の背景
本発明は、マイクロ機械加工電気流体モジュール、それらの別の部品または取付具への接続、およびマルチプレキシングシステムへのそれらの使用に関する。
これまで、種々のそしてさまざまの電気および流体部品のアセンブリがある。そのようなアセンブリはある程度電気流体特性を提供するため電気部品および／または流体部品間の協力を得ようと試みている。部品はハウジング内にまたはモジュール形に組立てられている。そのようなモジュールアセンブリは通常内部ソレノイド、電気コイル、熱電部材、またはトンスジューサーに使用されているような電気的に応答するセンサーを有し、そして少なくとも一つのその中への流体通路を持っている。電気流体弁は通常流体ホースまたはパイプによって接続された流体入口および流体出口の両方を持ち、そして制御回路へ接続のためそれへ取付けた電気リード線を持っている。ソレノイド制御流体弁は通常大型であるが、後で記載するようにミニチュアソレノイド弁を入手し得る。また後で記載するように寸法がもっと小型でそしてそれを通る流体流を調節するため可動部材を使用する最新のマイクロ機械加工弁に限られた用途しかない。小型のマイクロ機械加工弁が入手し得るけれども、それらは流体マルチプレキシングシステムのような複雑な流体システムにおけるように多数の弁が必要な場合には、それらの寸法の利益を生かして効果的に実装できない。
ソレノイド弁は、２０以上のソレノイド弁が使用される透析システムのように、寸法、熱、重量および運転ノイズが重要であるいくつかの用途に使用される時多数の欠点を蒙る。そのような透析システムは、コレランらに発行され、そしてバクスター、インターナショナル、インコーポレイテッドへ譲渡された「自動腹膜透析システムのためのユーザーインターフェイス」と題する米国特許５，３２４，４２２およびＫａｍｅｎらに発行され、そしてデカ、プロダクツ、リミテッド、パートナーシップへ譲渡された「重力流を真似る液体分配およびポンピングカセットを使用する腹膜透析システム」と題する米国特許５，３５０，３５７に記載されている。コレラン／カメン特許の空気圧分配モジュール（図９を見よ）は２本のライン中に２０をこえるソレノイド弁を有し、流体チューブは弁の入口／出口とピストン体の間に延びている。
コレラン／カメンに開示されている空気圧分配モジュールは液体弁に対し空気作動信号を提供するその意図する目的を果たすが、このモジュールはいくつかの実際上の欠点を持っている。このモジュールは比較的大型で重く、約１２×４×２インチの寸法を有し、そして約５ポンドの重量を有する。このモジュールは２０以上のソレノイド作動電気機械弁を含み、そのうちの多数は３方向弁であり、かなりの電気を必要とし、そして熱と実質的なノイズを発生する。ノイズ問題は特に迷惑であり、音囲い込みと別のハウジング内に弁の遠隔取付けを必要とする。コレランのモジュールの寸法もピストン要素から遠隔取付けをもたらした。遠隔取付けは空気作動信号と液体弁応答時間におくれを発生させ、そして全体のシステムのコスト、寸法および複雑性を増加させる。多数のラインおよび完全な接続がモジュールとピストンに設けられなければならず、これも透析システムの寸法、体積および複雑性を増加させる。このようにこの分配モジュールの欠点はコスト、寸法、重量、ノイズ、熱および電力要求を含んでいる。これら欠点は、コレラン／カメンシステムは一般に患者が眠っている間に腎臓透析患者の家庭療法を意図しているという事実によって強調される。
患者安全性を維持しつつ、腹膜処置装置に使用される空気分配モジュールの寸法およびコストを減らすことが望ましいことが認められた。不幸にも他の用途に使用される部品はこのゴールを特に上で論じたタイプの腹膜および他の腎臓または医学的処置装置に使用する時満たすにはしばしば不適当であることが判明した。
加えて、コレランらに示されているタイプの腹膜処置システムは、患者が腹膜処置システムへ接続されたまま眠ろうとしている夜間を通じて空気弁が作動している事実により比較的騒がしいことがあり得る。ソレノイド弁を使用し続けながら弁の単なるミニチュア化は存在する欠点を完全に克服しないであろう。これはマニホールドのそれへ接続された弁に対する相対的体積が比較的大きくあり続けるからであり、このため所望の寸法およびコスト節約が得られないであろう。
大型のソレノイド弁を例えばＳＭＣから提供されそしてモデルＮｏ．ＮＶＪ１２４Ａとして同定されるタイプのより小さいミニチュアソレノド弁に置換することを試みることによって分配モジュールがつくれるかも知れないことが認識された。これら三方向ミニ弁の各自は長さ約１インチ、幅３／８インチおよび高さ３／４インチである。非常に小型のチューブ状ソレノイド弁がＬｅｅ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手することができ、そしてシリーズＮｏ．ＬＨＤＸ０５００７００ＡＡにより同定される。Ｌｅｅ三方向弁の４ないし１０個は一対の一次入口とそして弁と同じ数の多数の出口を有するプラスチックマニホールドブロック上のマニホールドシステムに形成されている。しかしながら不幸にもソレノイド弁は電流の有意量を作動させた時引出し、発散させなければならない無駄な熱を発生する事実により、非常に有意義な寸法節約をソレノイド弁について達成することができない。先行技術は電気回路、電気機械弁、および流体マニホールドを有する種々さまざまの流体電気回路について豊富である。例えば、「電気的および／または空気的制御装置および方法のためのマニホールド手段およびシステム」と題するＨａｒｄｉｎの米国特許４，０９５，８６３；「電気的および／または空気的制御装置および方法のためのマニホールド手段およびシステム」と題するＡｓｂｉｌｌIIIの米国特許４，１６５，１３９；「流体ロジックパック」と題するＶａｎ  Ｂｅｒｋｕｍの米国特許３，５４７，１３９；「流体圧力媒体作動調節、制御および測定装置のためのダクトシステム」と題するＫｌｅｅの米国特許３，６４６，９６３；および「流体ダクトおよび電気的接続を有する電気流体回路板アセンブリ」と題するＳｔｏｌｌの米国特許４，５４９，２４８を見よ。前記した参照のどれもそれらの大型寸法、重い重量、および用途特異的設計においていくつかの欠点を蒙る。
近年、例えばＪｅｒｍａｎの米国特許５，０６９，４１９に開示されているタイプのマイクロ機械加工弁が商業的に入手し得ることが知られている。そのような弁はどれもそれを通る流体流の少量の制御のため単一の入口および単一の出口を持った個々のパッケージ内に内蔵されている。シリコンマイクロ機械加工弁は全く小型であり、数分の１インチに計測することができそして厚さ僅か千分の数インチの正方形または長四角形ダイ上に具体化されている。しかしながらマイクロ機械加工弁が収容されるハウジングは弁自体より大きいオーダーであり、そしてマイクロ機械加工弁自体に比較して相対的にバルキーである。加えてマイクロ機械加工弁はソレノイド弁に比較して壊れ易い。しかしながらそれらは通常ドープされた領域を通って流れる電流によって生ずる加熱によりボスと弁座の間の運動を実現するマイクロ機械加工弁内の層の応差的膨張を起こさせて作動されるので多量の電流を消費しない。そのような弁は例えばＩＣ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ．ＩＣＳ  ４４２５として入手し得る。数似の弁はＲｅｄｗｏｏｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手することができ、そして商標ＦＬＵＩＳＴＯＲのもとに販売されている。この弁はパーケージあたり１個づつパッケージされており、弁は単一のガス入口および単一のガス出口を有するＴＯ８カン中に特異的に取付けられている。ＴＯ８カンはプリント回路板上に上方へ突出して取付けることができ、回路板の上には弁への電気的接続を提供する電気的図形を形成することができ、そのためその状態を制御しそれにより弁を通る流体流を制御するための電気信号を弁へ供給することができる。
同様に、Ｊｏｈｎｓｏｎの米国特許５，３２５，８８０に開示されている形状記憶合金フィルム作動マイクロ機械加工弁はマイクロ弁のＴＯ８カン中へパッケージを開示する。図２を見よ。「変化する流体流量のためのハイブリッド弁システム」と題するＧｏｒｄｏｎの米国特許５，３２９，９６５はＦｌｕｉｓｏｒマイクロ弁を組込んだ流体流弁システムの概略図を開示し、そして代替品としてＩＣ  Ｓｅｎｓｏｒｓにより販売されている気体マイクロ弁モデルＮｏ．４４２５を開示する。Ｇｏｒｄｏｎの’９６５特許は明らかに別の入口チューブおよび出口チューブと、そして回路板の使用を必要とする。
Ｊｅｒｍａｎ米国特許５，０６９，４１９に加え、他のマイクロ機械加工デバイスが「形状記憶合金フィルム作動マイクロ弁」と題するＪｏｈｎｓｏｎらの米国特許５，３２５，８８０；「電子的マイクロ弁装置および製作」と題するＯｈｎｓｔｅｉｎの米国特許５，１８０，６２３；「集積したマイクロミニチュア電気流体弁および圧力／流れレギュレーター」と題するＺｄｅｂｌｉｃｋの米国特許４，８２１，９９７；および「マイクロメカニカルアクチュエーター」と題するＢｏｓｃｈらの米国特許５，３２２，２５８に開示されている。
ここで使用される術語マイクロ機械加工デバイスはマイクロ機械加工弁ばかりでなく、電気流体圧力トランスジューサーのような他のマイクロ機械加工デバイスにも一般的であることを理解すべきである。商業的に入手し得るマイクロ機械加工圧力トランスジューサーの一例は日本の藤倉から入手し得るモデルＮｏ．ＦＰＭ−１５ＰＧである。この圧力トランスジューサー本体はその中の単一トランスジューサーのための単一の流体入力ラインと、そして適切な電気デバイス中へプラグするための単一トランスジューサーのための電気的接続を有する。前述した藤倉圧力トランスジューサーはコレラン’４２２特許に開示された圧力分配モジュールと共に商業的に使用されている。図１８の参照番号１７８を見よ。
二つの他の特許、Ｂｏｓｃｈ’２５８特許およびＺｄｅｂｌｉｃｋ’９９７特許はマイクロ弁の列を開示する。Ｂｏｓｃｈの図６およびＺｄｅｂｌｉｃｋの図６６を見よ。しかしながらＢｏｓｃｈもＺｄｅｂｌｉｃｋも列中の弁のための流体入力および出力をハンドリングするために必要な電気回路および流体接続を開示していない。
マトリックス様配置においてマルチンサイド変態現象に依存する形状記憶合金フィルムを使用することができる静電作動マイクロ弁の使用は「弁およびそれを使用する半導体製造設備」と題するＳｈｉｋｉｄａの米国特許５，２８４，１７９に開示されている。Ｓｈｉｋｉｄａ’１７９特許は多数の入口と多数の出口と、そして流体マニホールド内に単層で配置し得る、またはもっと複雑な流体マニホールド内に多数のレベルに配置し得る多数の形状記憶マイクロ弁を開示する。図７ｂ，８および１８を見よ。Ｓｈｉｋｉｄａ特許は構築するのが複雑でそして困難なシステムであり、そしてマイクロ弁は修繕または交換のためアクセスするのが困難または不可能であるという欠点を蒙る。さらにＳｈｉｋｉｄａの開示は用途特異の設計のためであり、一般的適用性を有する電気的および流体部品のパッケージまたはモジュールではない。すなわち取付けしそしてもしその一つが欠陥になれば取外し得る個々の弁とは違って、もし一つの弁が欠陥になれば全体のマトリックスを捨てなければならない。さらにそのマイクロ弁はソレノイド弁のように異なる機能のため弁の再配置を許容する標準の流体および電気コネクターを持たない。
上で述べたように、ＩＣＳ  ４４２５のＴＯ８カン内部のマイクロ弁またはＦｌｕｉｓｔｏｒ弁は非常に小型ではあるが、パッケージは全く大型であり、そしてめいめいのパッケージは別々の流体接続および電気的接続を必要とする。コレラン’４２２特許におけるように複数の弁を提供するためには多数の流体ラインおよび多数の電気的接続を必要とし、弁、流体ラインおよびコネクターと、電気的ラインおよびコネクターの非常に複雑なそして混乱する配列になることが理解し得る。
必要なのは、電気流体モジュール、特に多数の流体入口の一つまたはそれ以上を複数の流体出口の一つまたはそれ以上へ選択的に接続することができるマルチプレキシングシステムの機能を逐行することができるが、しかし非常に小さい体積を占め、制御のため非常に少ない電流を使用しそのため無駄な熱を少ししか発生せず、そして信頼性がありかつ安価に製造することができる高度にミニチュア化された電気流体モジュールである。好ましくはそのようなモジュールは容易な装着および交換を許容すべきであり、そして標準的流体インターフェイスおよび標準的電子的インターフェイスを備えるべきである。
本発明の概要
本発明により、非常に小さい体積を占め、そして好ましくは電気流体弁のような非常に小さいマイクロ機械加工された電気流体デバイスを使用する、マルチプレキシング役割のためのような高度にミニチュア化された電気流体システムが開発された。これは一部では、複数のマイクロ機械加工された電気流体デバイスを、同じ数の個々にパッケージされたデバイスを別々に供給するのではなく、単一の小さい平坦なモジュール中に提供することによって達成される。また、これら多数のマイクロ機械加工デバイスの重量は、それらの単一の小さい平坦な層化パッケージ中の組合わせのため相当に軽い。さらにこの電気流体システムのコストは、この多数弁モジュールを慣用の安価な多層回路板製作技術を使用して標準回路板材料（ＦＲ−４）からつくることができるので相当に低減される。共通のミニチュア化した単層パッケージに多数の個々の空気ラインおよび関連する接続なしに多数のマイクロ機械加工デバイスをパッケージすることは、実質的な寸法、重量およびコスト節約を与える。標準多層モジュールは、標準のあらかじめ定めた流体入口および出口と、そして流体通路および番いの電気コネクターを有する電気流体板のような装架用電気流体要素へ接続のための標準の電気コネクターを備えることができるので、組立ておよび保守性に利益が発生する。標準多層モジュール上の電気コネクターは任意の適切な接続手段、例えば最小の挿入力を必要とする標準の番い相互接続ピンおよびソケットアセンブリの使用によって番いの電気コネクターへ固着することができる。このことは、時間を消費し、そしてもし熱溜めを半田付け時使用しなければシリコン材料を損傷し得る個別の半田付けを要するピグテールリード線をしばしば持っている先行技術マイクロ弁の欠点を克服する。
加えて、入って来る流体流を反対の返還方向に再指向させるための手段をモジュール上に設け、流体入口および出口の両方が電気流体回路板のような電気流体部材の面に対して同一平面装着のため標準モジュールの共通面内にあるようにすることによって標準モジュールの占める体積を減らすことができる。すなわち、多数のマイクロ機械加工弁の各自の両側へ接続された大きなそして別々の入口パイプまたはホースを持つのではなく、流体流をモジュールの入口／出口面へ返還するための共通のマニホールドが配置される。このため標準モジュールの高さおよび体積は一連の線状に延びる接続の排除によって減少する。
好ましくは標準モジュールの同一平面装着可能面は表面に流体通路を有する電気流体部材もしくは回路板に対して同一平面に装着される。
同様に、本発明の他の面によれば、電気流体部材または回路板を別体の取付具に対して同一平面に架装すること、および取付具は、流体が回路板中の開口および通路を通って標準モジュールへおよび標準モジュールから回路板および取付具間にパイプまたはホースを使用することなく直接取付具から流れることができるように、その中に流体通路を持つことが好ましい。例えば、透析装置のピストン体はその中に流体通路が備えられ、そして電気流体部材または回路板は、どんな流体パイプもしくはホースも使用することなくピストン流体通路に関し回路板中の開口が流体を受領しそして返還するように、ピストン本体に対抗して装着される。標準モジュールもそのマニホールド層面上の流体入口および出口が回路板上の流体通路へ接続されるように同様に同一平面に装架される。モジュール中のマイクロ機械加工デバイスの層の側のモジュール上の返還マニホールド層のため、マニホールド層への流体の返還、入口および出口流体流の両方は同じマニホールド層および面を通る。
電気流体標準モジュールの質は同様な機能を持つ慣用の流体回路の質を上廻って改良される。これは部品数の減少が直接改良された品質に移されるからである。標準化された電子的および流体相互接続が組立て後モジュールの容易な品質管理試験を許容するから、品質管理面の利益も本発明によって生ずる。本発明のモジュールはさらに均一な接続標準を提供し、それにより標準化された電子および流体相互接続と、種々の用途へのモジュールの直截的適応化を確立する。
電気流体標準モジュールおよびカスタム回路板アセンブリの機能性は全く多岐であり、そして種々の機能を実行する電子および流体部品を受入れることができる。これらの部品は二方向弁、三方向弁、圧力／流れ／温度センサー、圧力／流れレギュレーター、プログラム可能な流体部品、コンビネーション流体回路、トランジスター、マイクロ機械加工ポンプ、増幅器、および他の電子および／または流体部品の任意の望む組合わせを含み得る。前述した部品および機能は例示であり、この分野で入手されるまたは入手可能になる選択を限定することを意図しない。
好ましい電気流体モジュールは少なくとも一つのマイクロ機械加工デバイス、例えば互いに隣接して配置されそして弁部材を作動する隣接する電気層上の回路へ電気的に接続された複数のマイクロ機械加工弁を有する層を含んでいる平坦な多層よりなる。モジュールはまた、モジュールの一面上でその中の流体通路および流体入口および出口を有するマニホールド層を有し、そしてマニホールド層の流体通路はマイクロ機械加工弁中の流体通路と流体連通にある。好ましくは電気層は、マイクロ機械加工弁の各自を作動するための電気回路を形成する電気的図形を有する電気回路を備える。これら電気回路は電気流体板エレメント上の番いの電気コネクターと半田づけ技術の使用なしに機械的および電気的接続のため電気コネクターへ電気的に接続される。
上記から複数のミニチュアもしくはマイクロ機械加工流体および電子部品を非常にミニチュア化された安価な平坦パックモジュールに製造および／またはパッケージする新規なそして改良された方法が提供されることが見られるであろう。本発明において開示された方法はそのような平坦パックモジュールを流体接続のためより大型の流体システム中へ同一平面に装荷すること、および平坦パックモジュール中のマイクロデバイスを作動するための電気的コントローラーへ番いの電気コネクターを介して接続することを許容する。このように複数のマイクロ弁を有する平坦パックモジュールは別体の取付具として追加の流体部品を有するより大型の電気流体システムへ組込むことができる。流体は加圧下にある空気のような気体または真空、または液体でよい。マイクロ弁は比例的でそして流量を調節し、そして流量を閉鎖しそして開くために使用することができる。
上記からモジュールは流体導管および電子回路、流体および電子部品を支持するベース、それにベースとそして別体の取付具間の流体連通のための流体インターフェイス接続と、ベースとそして別体の取付具の間の電気信号および／または電力の連通のための電子インターフェイス接続と、そしてベースを取付具へ固着するための機械的インターフェイス接続を有することが見られるであろう。
また、電気流体モジュールの本発明は、大きい寸法、重量、熱、ノイズ、非効率、そして慣用の部品を使用する先行技術電気流体システムの一般的適用性の欠如を含む、先行技術の欠点を克服することが見られるであろう。
多くの場合、電気流体部材または回路板はその上に装荷されたいくつかの取外し得るモジュールを持つことができ、そして回路板は必要なマルチプレキシングを行うためマイクロ流体弁のシーケンスを作動するためのコントローラーへ導くリボンケーブルへ接続のための追加のコネクターを持つことができる。代わりに、コントローラーはその目的のために設けられた回路を介して伝送のため電気流体部材上に直接装荷してもよい。他の場合は、種々の取付具と共に使用することができるアセンブリを形成するように単一のモジュールを専用電気流体部材へ取付けてもよい。
本発明の他の具体例によれば、取付具は流体通路が備えられ、そして電気流体回路板のような電気流体部材は、回路板の流体入口および出口を取付具中の流体と連通させて、取付具へ取付けられる。少なくとも一つのマイクロ機械加工デバイスが回路板へ加えられ、そしてデバイス中の流体通路は回路板中の流体入口および出口と、そしてそれによりピストンの流体通路と流体連通に置かれる。回路板上の電気コネクターはマイクロ機械加工デバイス上の電気コネクターへ接続される。
本発明の更なる具体例は、標準モジュールをピストンエレメント中に組込むことができ、それにより標準モジュールの出力はカスタム電気流体部材または回路板を介して指向されそして液体弁のためのあらかじめ定めた数および構造の空気アクチュエーターへ分配されることができることにおいて、多数の液体弁の制御のため電気流体モジュールの使用を含んでいる。この発明の一つの特定の用途はコレラン’４２２特許に開示されているような自動腹膜透析システムにあり、そこでは２０以上のソレノイド弁およびピストン体へまたはピストン体からの１４本の流体チューブが、大部分ピストン体上に架装されそして各自多数のマイクロ機械加工電気流体弁をその中に有する数個の標準モジュールを有する小さいプリント回路板によって置き換えられている。空気アクチュエーターへの制御モジュールの接近はチューブの長いセクションを排除し、それによりチューブセクション中に望む圧力および流量を得るのに必要な時間により以前は発生したシステム中のタイムラグを減らす。従って本発明はより速い応答時間と、改良された製作性、組立ておよび保守性を提供し、同時にシステムの寸法、重量、ノイズ、熱、電力所要量およびコストを減らす。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明を具体化する電気流体モジュールの斜視図である。
図２は底の詳細を示している、図１に示した電気流体モジュールの斜視図である。
図３は図１に示した電気流体モジュールの部品の分解斜視図であり、さらに下に横たわる別体の取付具、および電気流体アセンブリを含むモジュール取付具の組合わせを示している。
図４は図１に示した電気流体モジュールのベース層の平面図である。
図５は図１に示した電気流体モジュールの第１の中間層の平面図である。
図６は図１に示した電気流体モジュールにすべて組入れられる、回路層上に配置された複数のマイクロ弁を含んでいる上に置かれたデバイス層を有する回路層の平面図である。
図７はデバイス層および回路層の上に配置するための流体返還キャップの平面図である。
図８は図１に示した電気流体モジュールの平面図である。
図９はモジュールを通る第１の流体流路の詳細を示すため分解した部分を有する、図８の線９−９に沿った断面図である。
図１０はモジュールを通る第２の流体流路の詳細を示すため分解した部分を有する、図８の線１０−１０に沿った断面図である。
図１１はモジュールのそれぞれの部分を通る二つの同時に存在する流路を示すため一部を概略的に示した、図１に示した電気流体モジュールの分解斜視図である。
図１２は一対の電気ヘッダーおよび一対の流体源への接続を図示する、図１に示した電気流体モジュールの概略図である。
図１３は腹膜透析システムのためのピストン体の背面図であり、ピストン体は患者回路の一部を形成するカセットの制御のため空気信号を送るための通路が設けられている。
図１４は図１３のピストン体の他の背面図であり、ベースプレートと、そして鎖線で三つの電気流体モジュールの配置とそしてそれらのベースプレートおよびピストン体への流体、電気的および機械的接続をも示している。
図１５は三つの電気流体モジュールが所定位置にある、図１４のピストン体およびベースプレートの他の背面図である。
図１６は電気流体モジュール装着用取付具に使用のためのプリント回路板の側面図である。
図１７はその上の複数の図形の詳細を示している、図１６に示したプリント回路板の平面図である。
図１８は図１６および１７に示したプリント回路板を支持するためのベース層の側面図である。
図１９はその中の流体通路の詳細を示している、図１８に示したベース層の平面図である。
図２０は取付具上に装着された図１に示した電気流体モジュールの斜視図である。
図２１は図２０に示した取付具の斜視図である。
図２２は図２１に示した取付具の分解斜視図である。
図２３はシリコンマイクロ機械加工弁の平面図である。
図２４はシリコンマイクロ機械加工弁の内部の詳細を示している、図２３の線２４−２４に沿った断面図である。
図２５はその中に四つのマイクロ弁を有する電気流体モジュールの代替具体例の分解斜視図である。
好ましい具体例の詳細な説明
今や図面特に図１ないし３を参照すると、本発明を具体化するミニチュア電気流体モジュールがその中に図示されており、そして数字１０により同定されている。図３および２０に示されているように、電気流体モジュール１０は、モジュールと取付具の間の流体と電気の連通のため、別体の電気流体取付具２５０上に装着することができる。
ミニチュア電気流体モジュール１０は、後で詳しく説明するように、三つの層２４，６４，８０を含むことができるベースユニットもしくは電気流体部材の周囲に製作することができる。電気流体部材１２は複数のマイクロ機械加工デバイス１４を含んでいる好ましくは実質平坦なもしくは平面状デバイス層１３を支持する。複数の電気回路１６は電気流体部材１２上に形成され、そして該回路はマイクロ機械加工デバイス１４へ接続され、そしてマイクロ機械加工デバイス１４を通り、そして各自流体分配マニホールド通路と、それぞれのマイクロアクチュエーター１４の状態と、そして関連する入口もしくは出口１８における圧力に関して各ポート２０における正もしくは負の相対的圧力に応じて入口または出口として作用するように選択し得る複数の二方向ポート２０を通って、複数の入口または出口１８からの流体流を調整するためにデバイス１４を作動させる。返還流体流デイレクターもしくはマニホールドキャップ２２が流体入口または出口１８と流体入口／出口２０の間の流体流路を完成させる。マニホールドキャップ２２はデバイス層１３の上に装着することができ、そしてトップの電気流体部材層８０により、そのため電気流体部材１２によって支持されることができる。各自５本のピンを持つことができる一対の電気コネクター２３が電気回路１６と、このミニチュア電気流体モジュール１０が作動する環境の間の電気的連結を提供する。
モジュール１０および取付具２５０はＴＲ−４のような回路板材料から、またはアルミナまたは他のセラミック材料のようなセラミック基板から、または他の適当な材料からつくることができる。材料は、製作の便利さ（ＦＲ−４の場合）、本来のクリーン性および薬品抵抗性（アルミナおよび他の普通のセラミック材料の場合）、および絶縁特性、軽い重量、機械加工性、強度、コスト有効性、および特定の用途に対して適切であり得る他の因子のような他の性質のようなその性質について正しい配慮をもって選定することができる。
電気流体部材１２は、一対の長四角形側壁２６および２８と、そして四つの面取りしたコーナー３０，３２，３４および３６を有する、実質上長四角形の、実質上平行なパイプを有するベース層２４を含む。入口または出口１８は圧力入口５８およびサブ大気圧排気もしくは真空出口６０を含むことができる。圧力入口通路５８はめくら圧力入口ボア４０を備えることができ、他方真空出口通路６０はめくら真空出口ボア４２を備えることができる。これら通路は大気圧より上または下の圧力において加圧したまたは希薄にした空気を連通する役目をするが、しかし平素は±１．５〜１０ｐｓｉｇ，好ましくは約±５ｐｓｉｇの範囲にある。電気流体モジュール１０は、例えば自動腹膜透析処置システムのような医療装置の液体弁を作動するための空気信号を伝送するために使用することができる。ボア４０および４２内にそれぞれ一対の入口および出口Ｏ−リング４８および５０が敷かれる。入口または出口Ｏ−リング４８および５０は、入口５８および出口６０と流体連通にどのような空気供給デバイスが接続されようともその間のシーリングを提供する。入口チャンネル５８および出口チャンネル６０は、それぞれマイクロ機械加工弁１４へ他の層を介して加圧空気源かまたは大気圧以下の空気源を連結する。
中間マニホールド層６４は通路を入口または出口１８および入口／出口２０と流体連通にしてベース層２４の上に配置される。さらに詳しくは、中間マニホールド層６４はマイクロ弁１４と入口または出口１８と入口／出口の間の一般化されたルートを提供する。中間マニホールド６４は実質上平坦で平面状であり、そしてその中に形成された複数のスロットを有する。スロットの中には細長い圧力入口スロット６６、実質上ｈ字形の真空出口スロット６８、および四つの入口／出口スロット７０，７２，７４および７６が含まれる。図３，５を見よ。
プリント回路板８０は中間マニホールド層６４の上に配置され、そして複数の電気的図形もしくは導体路１６を有し、これらはプリント回路板に電気的図形を形成する任意方法によって形成された二つのセクション８２および８４を含んでいる。図６，１１を見よ。
ベース層２４も参照番号２０ａ−ｄで同定される四つの入口または出口２０を備えている。図２および３に示されているように、入口／出口２０ａ−ｄはそれぞれ、空気作動信号のための流体を伝送するために使用される外部接続またはチャンネルのためのシーリングを提供するＯ−リング５１を収容するためのめくらボア２１ａ−ｄを備えている。
Ｏ−リング５１はベース層２４の全体の厚みを通る通路２０ａ−ｄを効果的に延長する。もし望むならば、Ｏ−リングの内径は通路２０ａ−ｄの内径およびモジュール１０をその上に取付け得る別体の取付具中の番いの通路２５２ａ−ｄの内径と実質上等しくすることができる。図３および図１４を見よ。この態様においてモジュール通路と取付具通路の間のめいめいの流体流路は実質真直ぐで、スムースで妨害なしとなり、そして比較的均一な断面もしくは直径によって特徴づけられる。
電気流体部材１２の層２４，６４，８０は、望ましい流体密な、空気密なそして真空密な特徴を提供するため適当な接着剤コンパウンドまたは接着ガスケット（図示せず）によって相互に接着されることができる。マイクロ機械加工デバイス１４はプリント回路板８０上に表面装着することができる。返還マニホールドキャップ２２はプリント回路板８０上に任意の接着剤または固定具により、再び好ましくはキャップ／回路板インターフェイスのまわりの空気密および真空密に装着することができる。
部材１２およびそのためモジュール１０は、ねじボルト５４、またはスナップ止め接続等の使用により別体の取付具２００，２５０（図３，１４）へ固着することができる。ボルト５４は、プリント回路板８０中のボルト孔８１ａ−ｄ，中間マニホールド層６４中のボルト孔６５ａ−ｄ，およびベース層２４中のボルト孔２５ａ−ｄを通って挿入することができる。図４〜６を見よ。ボルト５４上のねじは図３の取付具２５０中のねじインサート２７７と、または図１４の取付具２００中のねじつきボルト孔ＢＨと係合する。
弁通路８６〜１００は一般に中間マニホールド層６４中に形成されたスロットと複数の弁１４の間を連通する。弁は好ましくは一般に平坦な平面層１３内にある。複数弁１４は弁１１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０および１２４を含んでいる。これら弁は対の組合せ１１６と１１８，１１４と１２０，１１２と１２２、および１１０と１２４を形成し、これら弁対の各自はそれぞれの入口／出口スロット７０，７２，７４および７６を介して入口／出口ポート２０ａ，２０ｂ，２０ｃおよび２０ｄと関連している。キャップもしくは返還マニホールド２２は弁の上に配置され、そしてその中に一つの細長い長四角形圧力マニホールドセクション１３０と、複数の個別化された真空マニホールドセクション１３２，１３４，１３６および１３８を有する。好ましくは、キャップ２２はマイクロ弁およびある場合には流体の目視点検を許容するため透明ポリカーボネートまたは他の適当な透明材料でつくられる。
図１１に最良に見られるように、典型的な加圧空気流路１２８および典型的なサブ大気圧空気流路１２６の例が示されている。図９および１０も見よ。
最初モジュール１０内の真空通路を記載すると、真空を引くため真空源が空気出口もしくは排出口６０へ連結される。真空は真空源の上流から後で記載するように通路および部品まで連通される。排出ポート６０へ導入された真空源において始まり、真空は中間マニホールド層中の真空スロット６８へ、そして次に回路板８０中の上に横たわる真空通路９７〜１００へ連通される。真空通路９７，９８，９９，１００は真空を上に横たわる真空側弁１１６，１１４，１１２，１００へそれぞれ連通させ、これら弁の下面へ減圧を加える（図１１）。
もし典型的な真空側弁１１０が適当な電気信号を図形８４上へ提供することによって開かれれば、真空は弁１１０から真空マニホールド室１３８へ、そこから開口９６へ、通路を含む入口／出口スロット７６へ、そして最終的に入口／出口開口２０ｄへ連通される。
前述の例において空気流は比較的高い圧力入口／出口２０ｄから典型的な真空側通路１２６に沿って真空排気ポート６０へ進み、そこではサブ大気圧にある空気が真空源へ排気されることが認められるであろう。図１１および図９をなお参照すると、典型的な真空側空気流路１２６が空気流の方向を指定する矢印をもって示されている。典型的な真空側弁１１０が開くとき、空気は入口／出口通路２０ｄ中へ、上方へ入口／出口スロット７６を通り、上方へ開口９６を通り、上方へ真空マニホールドセクション１３８を通り、そして次に弁１１０，開口１００，Ｌ字形真空出口スロット６８を通って下方へ、そして最終的に真空排気通路６０を通って外側へ引かれる。
モジュール１０が垂直にされる態様は真空弁１１０〜１１６へ弁のトップではなく下側へ提供された低い圧力を持たせ、それにより弁１１０−１１６を閉鎖に付勢することが認められるであろう。これは弁１１０，１１２，１１４，１１６がそれぞれ真空開口１００，９９，９８，９７の上に横たわり、そしてこれら開口はその上に排気ポート６０を通って真空が引かれる真空スロット６８と連通しているからである。同様にマニホールドセクション１３０に維持される圧力は弁１１８〜１２４を閉鎖に付勢する。
図１０および１１に示すように、典型的な加圧空気流１２８は圧力入口５８を通り、上方へ圧力分配開口８６，８７および８８を通り、圧力ヘッダー１３０へ、そしてそこから下方へ圧力側弁１１８−１２４のトップへ供給することができる。もしリード８２（図６，１１）を通って電気エネルギーが弁１１８へ供給されれば、弁１１８が開き、陽圧流路を下方へ開口８９を通って入口／出口スロット７０へ接続し、出口２０ａを通って出口圧力流１２８を提供する（図１０，１１）。
一般に入口／出口２０から選択された与えられた入口／出口に対しては、その入口／出口に関連した二つのマイクロ弁１４の一方のみを活動化するのか望ましいであろう。このため上の例の一つにおいて、真空側マイクロ弁１１０を開く決定はポート２０ｄ中へのサブ大気圧空気流１２６の流れをもたらす。その場合、圧力側マイクロ弁１２４（マイクロ弁１１０と対になった）はサブ大気圧空気流に逆作用するのを避けるように閉鎖され続けるであろう。
しかしながらもし望むならば、本発明の電気流体モジュール１０は組成の異なる２種類の気体または２種類の液体のような２種類以上の流れを混合するために、または空気圧力のような作動化信号を加えまたは除去するために使用できることが観察されるであろう。もし望むならば混合または加入は二つの対になったマイクロ弁、例えば１１０および１２４の両方を開くことによって達成することができる。図示した具体例においては、両方のマイクロ弁１１０，１２４の開放は、入口５８における正のゲージ圧を排気口６０における負のゲージ圧へ加え、対になった弁に関連する入口／出口２０ｄにおける予期される圧力に大体等しい合計へもたらすであろう。
この点に関し、モジュール１０は流体ロジック能力を提供するために使用することができる。流体ロジック目的に対する本発明の他の用途は当業者には自明であろう。
図１２にはモジュール１０内の電気回路および流体流路が提供されている。モジュール１０の８個の２方向弁１４は４個の３方向選択弁と均等な機能を果たすように構成されていることが観察し得る。入口／出口２０毎に、それに関連する一対の弁は二つの流体流のどちらか（例えば加圧空気または希薄空気）が入口／出口２０を通過するのを許容する。
同様に、本発明に従った電気流体モジュールのために利用し得る任意の数の流れ形状が存在する。ベース層２４は任意の望む数のそして形状の入口または出口を備えることができる。中間マニホールド層６４は任意の望む数および形状のチャンネルまたはスロットを備えることができる。回路板層８０，デバイス層１３，および返還マニホールドキャップ２２もそれらの設計および作動において同様なフレキシビリティーを提供する。
このように、本発明によって提供される電気流体インターフェイスまたは接続は任意の数のあらかじめ定めた標準へ標準化することができる。これら標準インターフェイスの一つはこの好ましい具体例１０について記載されたインターフェイスである。トランジスター、特に標準ＤＩＰ（二重インラインパッケージ）形状にパッケージされたもののような標準電子部品へ類似性を引出すことができる。
図２に示した具体例においては、二つの追加のめくらボアまたはブランク４４が示されている。これらはそれが外部空気デバイスへ固着される時モジュール上の負荷を対称的にバランスさせるために使用される。特定の流れ形状および所望の特定の標準インターフェイスに応じ、これらボア４４は、外部空気デバイスとモジュール１０内のマニホールド６４のような内部部品の間の流体連通を提供するため、ベース層２４の反対側へのそれを通る通路を備えることができよう。同様に本発明は、モジュール１０の種々の層１３，２２，２４，６４，８０の各自の形状により決定されるように、任意の数の入口および出口１８および２０と多種類の内部流路の使用を許容する。
好ましくは、任意の望む追加の通路または流れ形状の変形は、選択した標準モジュールの大量生産のスケール経済の利益を受けるため、あらかじめ定めた設計に従ってモジュール１０の製造、構築または組立て時に提供されるであろう。
ミニチュア電気流体モジュール１０は透析システム、または図１３〜１５に最良に見られるようなピストン体２００を含んでいる電気流体透析液ハンドリングシステムに使用することができる。ピストン体２００は好ましくはＤＥＬＲＩＮ（アセチル化合物）または繰返されるストレスに耐える他の適当な材料でつくられる。この透析液ハンドリングシステムはコレランの米国特許５，３２４，４２２およびカメンらの米国特許５，３５０，３５７にさらに詳しく記載されており、両方の特許はここに参照として取入れられる。
図１３〜１５に示されているように、それぞれ１９０，１９２，１９４の番号を与えられた複数のミニチュア電気流体モジュール１０はベースプレート１９６上に配置され、流体誘導ライン上、またはすべてピストン体２００に形成されたみぞ２１０ｇ，２１２ｇ，２１４ｇ，２１６ｇ，２１８ｇ，２２０ｇ，２２４ｇ，２２６ｇ，２２８ｇ，２３０ｇ，２３２および２３４の上のシーリング接続を形成している。ベースまたは取付具１９６とそして電気流体モジュール１９０，１９２および１９４の組合せが電気流体アセンブリ１９８である。
図１３は前記みぞが機械加工された後のピストン体２００を図示する。図１４はピストン体２００の背面へ取付けられ、前記みぞ（鎖線で示した）をカバーしているベースプレート１９６を図示する。ねじボルト孔ＢＨは、モジュール１９０，１９２，１９４を取付けるためのねじボルト５４を収容するためベースプレートおよびピストン体２００中へ先細となっている。前記モジュールおよびそれらの底面ボア２１ａ〜ｄおよび電気コネクター２３の位置は鎖線で示されている。流体通路、例えばモジュール１９４のための参照数字２３０ａ，２２８ｂ，２２４ｃ，２２６ｄ，ＨＰ，およびＬＰで同定された流体通路は、流体がピストン体２００と各モジュールの間を連通することを許容するため、ベースプレート１９６を通ってドリルされる。最後にモジュールはベースプレート１９６およびピストン体２００上に装着されて示されている。図１５参照。
ピストン体２００は、二つのダイアフラムポンプおよび１０個の液体弁を含んでいる多数部品カセット（図示せず）を空気的に作動化するために使用される。ポンプアクチュエーター２０２，２０４はそれぞれポート２０６，２０８を通って空気作動化信号を受取る。１０個の液体弁（図示せず）は１０個のポート２１０ｐ，２１２ｐ，２１４ｐ，２１６ｐ，２１８ｐ，２２０ｐ，２２４ｐ，２２６ｐ，２３０ｐを通って伝送される空気信号によって作動化される。これらポートはヒストン体２００の後面（図１３）からピストン正面（図示せず）へ延び、それによりカセット中の膜のそれぞれの部分を着座または脱座させ、そのためそれぞれの液体弁を作動化するように空気信号を放出する。
以前は１０個のポートの各自は、正または負の圧力信号が選択的に発生されそして別々のチューブを通ってそれぞれのポートへ送られる遠隔ハウジングから延びる別々の可撓性プラスチックチューブを必要とした。
本発明の一面において、たった１本の正の圧力ラインおよび１本の負の圧力ラインをリボンケーブル等を通る電気信号と共に提供し、そしてピストン体自体において正または負の圧力信号の入力を制御することが望ましい。（ポンプ作動化および流れ測定作業は前と同様に別のチューブの使用によって実施することができる。）
所望の正および負の圧力信号を１０個の弁作動化ポートへ提供するため、正の圧力チャンネルまたはみぞ２３２と、負またはサブ大気圧みぞ２３４はピストン体２００後面中へ機械加工される（図１３）。外部圧力および真空源それぞれへ接続のため接続もしくはあご２３６および２３８が設けられる。
ピストン体２００は選択した標準電気流体モジュール１０と合致するあらかじめ定めた幾何形状の標準インターフェイス接続を備える。このため一致する受口ａ，ｂ，ｃ，ｄが所望のそのような接続と同じ数のモジュール入口／出口２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄへそれぞれの接続を収容するためピストン体後面２０１中に機械加工される。ここではポート２３０ｐ，２２８ｐ，２２４ｐおよび２２６ｐがみぞ２３０ｇ，２２８ｇ，２２４ｇおよび２２６ｇを介して標準配置した受口２３０ａ，２２８ｂ，２２４ｃおよび２２６ｄのそれぞれへ接続される。同様に、比較的高圧力接続ＨＰおよび比較的低圧力接続ＬＰは標準モジュール入口または出口５８，６０へそれぞれ接続するために配置される。同様にポート２２０ｐ，２１８ｐ，２１４ｐおよび２１６ｐはみぞ２２０ｇ，２１８ｇ，２１４ｇおよび２１６ｇを介してそれぞれ標準配置受口２２０ａ，２１８ｂ，２１４ｃ，２１６ｄへ接続される。最後にポート２１０ｐおよび２１２ｐはみぞ２１０ｇおよび２１２ｇを介して受口２１０ｄおよび２１２ｂへ接続される。
ベースプレート１９６はまた、マイクロデバイス１４を作動化するためリボンケーブル（図示せず）を介して電気信号を受領するためのマスター電気ピンコネクター（図示せず）を備える。回路図形（図示せず）は、三つのモジュール１９０，１９２，１９４に使用される合計２０個の弁１４の作動化のため個々のモジュール電気ピンコネクター２３へ接続のためにベースプレート１９６上に設けられる。供給電圧は約３．５〜５．０ＶＤＣでよい。この供給はリボンケーブルおよび回路図形を介して提供される。ベースプレート１９６のための回路は取付具２５０（図３を見よ）のために示した回路と類似でよいが、しかし３個のモジュール１９０，１９２，１９４に適応するための追加の図形を有する。好ましくは弁はトランジスターまたはラッチされたドライバー（図示せず）のバンクにより制御され、それにより外部コントローラーへの接続に必要なラインの数を制限する。例えば、Ａｌｌｅｇｒｏ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手し得る、４４リード中のＢｉＭＯＳ  II  ３２−ビット逐次入力ラッチドドライバーモデルＮｏ．ＵＣＮ−５８３３ＥＰが当業者には理解されるように使用することができる。
１９０，１９２，１９４の番号をつけた各モジュール１０について、モジュールの底はそれぞれ入口／出口２０ａ−ｄ（図１〜３）を介してモジュールの内部と連通する四つの入口／出口めくらボア２１ａ−ｄが設けられる。各モジュールはまた、圧力入口チャンネル５８および真空出口チャンネル６０を介してモジュールの内部と連通するめくら圧力入口ボア４０とめくら真空出口ボア４２を備える。
各モジュール１９０，１９２，１９４はボア２１ａ−ｄ，４０，４２をピストン体中の下に横たわる対応する受口との一致に装着される。このようにモジュール１９０についてはボア２１ｄは受口２１０ｄと一致しそして連通し、そしてボア２１ｂは受口２１２ｂと一致しそして連通する。モジュール１９０においては、めくらボア２１ａおよび２１ｃは使用されない。めくら圧力入口ボア４０はモジュール１９０と圧力供給みぞ２３２の間を連通するように圧力接続ＨＰと接続する。めくら真空出口ボア４２はモジュール１９０と低圧力みぞ２３４の間を連通するように真空接続ＬＰと接続する。
同様にモジュール１９２については、モジュールボア２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，４０および４２はそれぞれピストン体受口２２０ａ，２１８ｂ，２１６ｄ，ＨＰおよびＬＰと接続する。モジュール１９４については、モジュールボア２１ａ，２１ｂ．２１ｃ，２１ｄ，４０および４２はそれぞれピストン体受口２３０ａ，２２８ｂ，２２４ｃ，２２６ｄ，ＨＰおよびＬＰと接続する。
ベースプレート１９６は、モジュールボアとの連通を許容するためピストン体受口と一致して孔もしくは開口（図示せず）を備えられることが理解されるであろう。
このように本発明の電気流体モジュール１０および電気流体アセンブリ１９８の使用により、同数の弁を作動化するピストン体／カセット２００中へ組込まれた１０個の弁アクチュエーターは、以前のように１０本の外部供給ラインの代わりに、あご２３６および２３８へそれぞれ接続された一方は圧力用であり、他方は真空用であるたった２本の外部空気供給ライン（図示せず）によって作動化し得ることが観察されるであろう。さらに、先行技術は各供給ラインのため圧力かまたは真空信号を選択するため遠隔マニホールドおよび弁システムを必要としたのに、モジュール１０およびアセンブリ１９８のコンパクトなサイズは液体弁アクチュエーターへ直近のマニホールドおよび弁の使用により圧力または真空のその場の選択を許容し、前出の本発明の概要で議論した数多くの利益を提供する。
ミニチュア電気流体モジュール１０の使用の他の例は、図２０〜２１に見られるように、複数の図形２６０を介して接合パッド２６２のセットへ接続された一対のコネクター２５４，２５６を有する電気回路板層２５２を含む取付具２５０上への装着を含んでいる。電気コネクター２５４および２５６はモジュール電気コネクター２３と接続する。薄い中間シート２７０は、複数の通路またはみぞ２８０ｇ，２８２ｇ，２８４ｇ，２８６ｇ，２８８ｇ，２９０ｇをその上に形成した図１９のベース層２７８に関して一対の位置決めピン２７４および２７６をもって位置決めされる。流体連通は、通路２８０ｐ，２８２ｐ，２８４ｐ，２８６ｐ，２８８ｐ，２９０ｐを通り、それぞれの通路に関連するみぞ２８０ｇ，２８２ｇ，２８４ｇ，２８６ｇ，２８８ｇ，２９０ｇを通り、そしてガスケット材料２７０に設けた孔を通り、電気回路板２５２へ、そしてそこから対応する通路２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ，２５２ｄ，２５２ＨＰおよび２５２ＬＰを通り、モジュール１０中の対応するボア２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，４０および４２のそれぞれへ実現することができる。
ベース層２７８中のボア（図１８）、すなわち２８０Ｂ，２８４Ｂ，２９０ｐは外部流体チューブ等への接続を形成するために適応化させることができる。図示した具体例においては、ボア２８８ｐおよび２９０ｐはベース層２７８のトップを通って外部接続と連通し、ボア２８０Ｂのような他のボアはベース層２７８の底を通って外部接続と連通する。真ちゅうまたは他の適当な材料でつくったみぞつきインサートまたはあごの使用により、はめ合い接続をもっと耐久性または丈夫にすることができる。
取付具２５０は、ガスケット層２７０中のボルト孔と、回路板２５２中の同様に整列したボルト孔２５２ＢＨと一致する四つのボルト孔２７８ＢＨをベース層２７８中に備えることができる。ねじつきインサート２７７はプレス（締め）ばめにより、モジュール１０を取付具２５０上に一致させて取外し自在に取付けるために使用されるねじボルト５４のためのしっかりした丈夫なしかし取外し自在の接続を提供するために固着することができる。
このように、電気流体アセンブリ１９８は、流体ピストン体２００上の適当な取付具２５０またはベースプレート１９６上へ取付けた一以上の電気流体モジュール１０を含むことができる。自動腹膜透析システムに使用のための好ましい具体例においては、電気流体アセンブリ１９８は流体ピストン体２００へ接続したベースプレート１９６上に取付けた三つの電気流体モジュール１０を含んでいる。
この用途においては、モジュールの容易な装着および交換の利益を有する一またはそれ以上の電気流体モジュールを組込み得る種々の電気流体アセンブリが開示される。一般にめいめいのモジュールは流体マニホールドと電気回路を有する一つの電気流体部材を含んでいる。
モジュール構造の代替として、簡単化した電気流体部材は流体通路をその中に有する電気回路板、例えば回路板８０または回路板２５２を備えることができる。この簡単化電気流体部材は下に横たわる流体取付具、例えば取付具２５０またはピストン体２００へ直接そして多分永久的に装着するように形成し得る。マイクロ弁１４のようなデバイスは電気流体部材上へ直接そして永久的に装着することができ、そして返還マニホールドはそのようなデバイスの上に置かれ、そしてまた電気流体部材上へ直接取付けることができる。非モジュールシステムにおいては、各部品は下に横たわる部品の上に直接そして多分永久的に装着され、欠陥部分またはグループのすばやいそして容易な交換を防止する。特に、マイクロ弁は故障し易く、交換を必要とする。この構造の代替態様においては、アセンブリはより少ない層を含むことができ、より少ない部品による改良された信頼性を有するが、しかし好ましいモジュール化アセンブリにより提供される標準的はめ合い流体、電気的および機械的インターフェイスを欠くため、容易なモジュール取付けおよび交換の利益を欠いている。
図２３および２４に最良に見られるマイクロアクチュエーター１４の各自は、中央ボア３００と、弁を開放および閉鎖するためボス３００の弁座３０９へ向かっておよびそれから遠くへの運動を実現するためのボス３００近くのブリッジ区域３０６へ接続した一対のパワーリード３０２および３０４を有するマイクロ弁よりなる。弁１４が閉じる時、ボスは弁座へ直接接続された通路３１４において存在するよりも上面３１２へ適用された一層高い圧力を持ち、好ましくは平常閉じている弁のための付勢されたデザインへ貢献していることが認められるであろう。
マイクロ弁は非常に小さいサイズ、例えば約０．１６×０．１６×０．０２４インチを有する。この弁は比例応答、低コスト、すばやい応答、ミニチュアサイズ、約２５ないし３０ｐｓｉｇまでの広い範囲の作動圧力を特徴としている。各弁はプリント回路板８０（図３）等の上に取付けることができる。
モジュール１０に使用される平常閉じているマイクロ弁１４は０〜２５０ｃｃ／ｍｉｎの範囲内で気体流の比例的制御を提供する。約１．５Ｌ／ｍｉｎまたはそれ以上の大きな流れは、例えば弁中の隙間を拡大することによる適当な改造によって許容され得る。
シリコンマイクロ機械加工技術を使用するバッチ式に工作したマイクロ弁１４は、エッチングしたシリコン弁体と番いになった中央のボス状シリコンダイアフラムからなる。バイメタルアクチュエーターを形成するようにアルミニウムフィルムがダイアフラム上に沈着される。ダイアフラム中に埋め込んだ抵抗器中に消散される電気的パワーを変化し、そしてアクチュエーターの温度を変化することにより、シリコンとメタルの間の熱膨張差が中央ボスの弁座からの変位を制御する。
モジュールもしくは弁チップへ粒子が入るのを保護するためフィルターが推奨され、そして濾過したクリーンガス供給源が推奨される。
他に特記しない限り２５℃におけるマイクロ弁１４の性能仕様書は以下のようであり得る。めいめいのマイクロ弁の典型的なパワー要求は３００〜５００ｍＷ，応答時間は約１００〜２００ｍｓｅｃ（１０ないし９０％流れにおいて）、弁の内部容積は約０．１２ｃｃ，作動電圧は約３．５〜５．０ＶＤＣ，作動電流は約８５〜１００ｍＡ，アクチュエーター抵抗は約４０オーム、バースト圧力限界は約２５ｐｓｉである。作動温度範囲は−２０℃ないし＋７０℃であり、重量は約０．３ｇ，そして推奨される供給濾過は２５ミクロンである。上の仕様書は概略であり、そしてＩＣセンサーモデル４４２５に使用されるマイクロ弁に特異的である。本発明の範囲を逸脱することなく他のマイクロアクチュエーターをモジュール１０に使用することができる。典型的な流量は開いた各マイクロ弁に対し１００〜３００ｓｃｃｍであるが、しかしもっと大きい流量も可能である。
ピストン体２００へのモジュールの接近、そしてこのためカセット（図示せず）中の各液体弁への接近のため、液体弁の応答時間は、作動化電気信号がモジュール１０内のマイクロアクチュエーター１４へ送られてから測定し、約１００ｍｓｅｃ未満である。
モジュール１０のサイズは約１．０×１．０×７／６インチとし得る。モジュール内のめいめいの通路は約１／１６インチの直径を持つことができ、ボルト孔２５，６５，８１は直径が通路より僅かに大きくてよく、そしてボア４０，４２，４４は直径約３／３２インチでよい。
あるあらかじめ定めた標準のために設計されたモジュール１０の具体例において、ポート２０ａ−ｄは中心から中心まで約６ｍｍ直線上に離れる。入口または出口１８は前記直線に対し（そしてその同じ側に両方が）直角に、ポート２０ａおよび２０ｄから約８ｍｍ離れる。それぞれの電気的ピンコネクター２３内で、ピンは中心から中心まで１ｍｍ間隔で直線上にある。一つのコネクター２３のピンによって形成される線は他のコネクター２３のピンによって形成される線に平行でありそして約２１ｍｍ離れる。各ポート１８，２０ａ−ｄは直径約１／１６インチとすることができる。
ここに記載した回路板の各自上の電気的図形は任意の適当な伝導性材料でつくることができるが、好ましくはそのすぐれた伝導性と非腐食性のため金でつくられる。
モジュール１０は好ましくは、モジュール本体の上へ垂直の長い突起のない実質上平坦で比較的平面状である。その好ましい具体例において、モジュールはフラットパックとして記載することができる。
４個弁電気流体モジュール３１０が図２５に示されている。これはベース層３２４，中間マニホールド層３６４，電気層３８０，マイクロ弁４１０，４１２，４１８および４２０のデバイス層、および返還層３２２を含んでいる。ベース３２４は圧力スロット３６６へ送られる加圧気体流４２６を入口３５８を通って受入れる。圧力スロット３６６はスロット３９２を介して返還層３２２の圧力マニホールドセクション４３０中へ連通される。
マニホールドセクション４３０は圧力を二つの圧力側マイクロ弁４１０，４１２へ連通させる。電気信号は電気的図形を介して弁４１０，４２０の一方または両方を開き、圧力を下方へ伝送しそして最後にそれぞれ入口／出口３２０ｂ，３２０ａを通って排出するように伝送することができる。例えば、もし弁４１０が開かれれば、圧力は入口／出口スロット端３７２ａへ、入口または出口通路３２０ｂへ下方へ、そして別体の取付具への接続のためのＯ−リングシール１５０を介してベース層３２４を通って外へ伝送するであろう。
ベース３２４は低圧力気体流４２８を外部の低圧力システム（図示せず）へ排出するための真空またはサブ大気圧排気通路３６０を備えている。低圧力空気は弁４１８，４２０をそれぞれ開くことにより、入口／出口３２０ａ，３２０ｂの一方または両方へ引くことができる。例えばもし弁４１８が開かれれば、低圧力空気は通路３２０ａ中へ、スロット端３７０ｂへ上方へ、開口３８８を通って真空マニホールドセクション４３２中へ上方へ、そして弁４１８を通ってｈ字形スロット３６８の端３６８ｂ中へ下方へ、側方へ端３６８ａへ、そして真空排気出口３６０を通って下方へそして外部へ引かれるであろう。
システムは電気層３８０上の電気的図形３１６への連結のためのピンコネクター３２３を含んでいる。これらの図形はマイクロ弁４１０，４１２，４１８，４２０へそれを開くかまたは閉じるために接続される。複数のＯ−リング３５０はベース３２４の下側のボア中に装着され、通路３２０ａ，３２０ｂ，３５８，３６０とそして番いの外部接続の間の流体密接続を形成する。４個弁具体例３１０の作動は８個弁電気流体モジュール１０の作動と実質上類似である。
４個弁モジュール３１０は、二つだけの流体入力および二つだけの入力／出力ポートを必要とする用途において、例えば図１４，１５に示した８個弁モジュール１９０（そのうち４個の弁だけが使用される）の代わりに、取付具１９６，２００が４個弁モジュール３１０へ接続するための流体、電気的および機械的インターフェイスを持つように製作されている限り、８個弁モジュール１０を代替できるであろう。
特許請求された発明はここに開示された特定の具体例へ限定されるものではなく、請求の範囲によって規定され、そして本発明の全体の精神内で当業者に明らかな代替具体例および使用をカバーすることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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