JP2013516582A5 - - Google Patents

Description

マイクロバルブ

本発明はマイクロ流体の分野に関する。より具体的には、本発明はマイクロ流体バルブに関する。

膜バルブには多くのバリエーションがある。標準的なマイクロ流体膜バルブは、微細加工された非常に滑らかな表面を備えるハード−ハード・シールを使用するか、又は２つの硬い層の間に軟質材料の完全な追加の層を組み込んでいる。いずれの場合も、実用的な状況にある良好なバルブシールは、軟質材料に接触している硬質材料又は軟質材料に接触している軟質材料に依存する。マイクロ流体デバイスは大量生産の場合にはポリマーから製造され、射出成形可能な材料を使用しており、一体化のレベルが高いという利点を有する。このように製造されたマイクロ流体デバイスに起因する１つの問題は、これらのデバイスが最終的に一体に接着される層から構成されることである。材料の選択は、最終的な意図する用途及び使用可能な製造技術の両方によって制限される。考慮するファクタの例としては、アプリケーションプロセス（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）の化学物質及び温度、並びに成形及び接着などの製造プロセスがある。接合することが困難である異種材料を用いて加工することなく、一体型の最終的なデバイスの一部となることを意図される他のすべての構成要素と同時に膜バルブの材料要件を満たすことにより、硬質基体を押圧する硬質膜を有するバルブを得ることができる。

Jermanの文献（"Electrically-activated, normally-closed diaphragm valves", J. Micromachining and Micrengineering, V4, 1994 pp210-216）には、シリコン・オン・シリコンの微細加工バルブが記載されている。滑らかな表面により、５０００：１の漏出率（オン・オフの流量）が得られている。

Brunsの文献（Silicon Micromachining and High-speed gas chromatography, Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation and Automation, 1992, V3, pp1640-1644）には、ハード−ハード・バルブシールをハード−ソフト・バルブシールに置き換えるため、ガラス膜とシリコンバルブ本体との間にポリマー膜を閉じ込めたものが記載されている。

Chen et alの最近の文献（Floating-Disk Parylene Microvalves for Self-Pressure-Regulating Flow Controls, Journal Of Microelectromechanical Systems, Vol.17, No. 6, December 2008）には、浮動型（ｆｌｏａｔｉｎｇ）のパリレンディスクで構成される、シリコンとパリレンとのバルブ構造体が記載されている。この文献の研究は、浮動型パリレンディスクが移動することで自己調整挙動する受動的なバルブを作ることを目的としている。

独国特許第１９９４９９１２号公報

したがって、製造が容易で十分な性能を有する単純な設計のマイクロバルブが必要とされている。より具体的には、マイクロバルブを製造するために同様の材料を一体に接着しさらにはバルブを封止するための軟質層を挿入することにより形成されるマイクロバルブが必要とされている。

本発明のマイクロバルブを示す図である。 図１のマイクロバルブの矢視２−２断面図である。 本発明のマイクロバルブの分解図である。 外部アクチュエータの作用によってバルブカバーを屈曲させて浮動型ガスケットを押し込んでバルブ出力ポート上で封止係合させた閉位置にある図２のマイクロバルブを示す断面図である。

本発明は、軟質材料ディスクをバルブに組み込んだ点を除いてハード・オン・ハード材料からなる組立体について説明する。ハード−ハード・システムには追加の軟質材料を導入しなければ、バルブの信頼性を損なうほど極めて強い力を加えなくても良好なバルブシールを形成することは困難である。

浮動型ディスクを組み込むことの代替策は、ディスクをバルブ膜に接着することである。膜接着時の複雑さは、接着に用いられる接着剤又は接着剤なしで接合できる材料の選択が、アプリケーションプロセスに適合していなければならないことである。膜バルブに関する初期の研究では、厚さ２０μｍの軟質ポリプロピレン（ＰＰ）層を厚さ１９０μｍのＣＯＣフィルムに接着したところ、ＰＥＥＫバルブ本体との良好なシールが形成されたことが判明した。この構成では、直径約１ｍｍ及び幅４０〜１００μｍのバルブシートに２０ニュートン未満の力を加えた状態で、６バールゲージ圧までの気体又は水をシールすることができた。残念なことに、ＣＯＣフィルムにＰＰ層を接着したものは、接着剤を使用しなければＣＯＣフィルムをＣＯＣバルブ本体に接着することができない。また、バルブシート以外のすべての領域のＣＯＣフィルムから或いはバルブ全体からＰＰを除去すると、ＣＯＣとＰＰとを接着している縁部上の接着剤がバルブ内を流れる流体に露出され、接着剤の潜在的な化学的攻撃を招くおそれがある。接着ＰＰ層を用いずにＣＯＣフィルムから同等のバルブを形成する試みでは、接着剤なしでＣＯＣ膜本体をＣＯＣバルブに接着させることはできたが、得られたバルブはどれも漏れの問題を有していた。

別の選択肢は、２Ｋ（２コンパウンド）成形を用いてバルブ本体を製作することであり、バルブシートは軟質材料から作られる。良好なバルブシールの基準は満たされるが、この手法はコストがかかり、やはり材料の選択に制約がある。

本発明では、一体に接着させることのできる層からなる構造体を設計及び製造するための解決策であって、ハード−ハード材料の組合せで構成することができると同時に、バルブをシールするためのハード−ソフト材料の組合せの条件も依然として満足する解決策について説明する。バルブ設計にこのように自由度があることにより、多くの技術的利点及び商業的利点が得られる。技術的には、温度性能又は化学安定性など、デバイス全体に対して適切な材料の選択する際に新たな自由度が別途得られ、ここでは、良好なバルブシールのためにハード−ソフトの要求条件を満たさなければならないという問題がない。商業的には、この自由度により、類似の又はさらには同じ材料の層からデバイスを作ることが可能となり、製造の複雑さ及びコストが軽減される。また、異なる用途において、同じ設計を異なる種類の材料（ｆａｍｉｌｙ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で作ることが可能となり、バルブを完全に再設計するために時間をかけて対策することが必要なくなる。

本発明は、バルブ膜をバルブ本体に接着する前に、バルブ本体とバルブ膜（バルブカバーともいう。）との間に軟質ガスケット材料の薄いディスクを挿入することによって機能する。この薄いディスクはＴｅｆｌｏｎなどの材料のディスクであってよい。この薄いディスクはバルブ膜に接着されないので、５μｍ〜１ｍｍの範囲の厚さが可能であり、そのため、力を加えると屈曲するバルブ膜の性能に影響しない。

図１〜図４を参照すると、本発明ではマイクロバルブ１０を提供する。マイクロバルブ１０は、膜１６がバルブ本体１４に接着される前にバルブ本体又は基体１４と変形可能な膜又はカバー１６との間に組み入れられる軟質浮動型ガスケット１２を有する。限定しないが、説明のために、バルブ本体１４及びバルブカバー１６はＣＯＣ（環状オレフィンコポリマー）から形成することができる。浮動型ガスケット１２はＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などの軟質材料から作られており、したがって、バルブが「閉」状態にあるときにハード・オン・ハード表面が形成されなくなり、また、製造材料の選択に対する制限も緩和される。バルブ本体１４及びカバー１６はそれらの間にバルブリセス１８を画定し、その中にガスケット１２が配置される。さらに、バルブ本体１４は第１の流体ポート２０及び第２の流体ポート２２を画定し、第１の流体ポート２０及び第２の流体ポート２２は共にバルブリセス１８と流体連通している。バルブ本体１４は、入口アパーチャ２４、並びに第１のポート２０と入口アパーチャ２４との間で開放流体連通して延在する細長い入口通路２６を画定する。バルブ本体１４はさらに、出口アパーチャ２８、並びに第２のポート２２と出口アパーチャ２８との間で開放流体連通して延在する細長い出口通路３０を画定する。したがって、バルブ１０は、そこを通る流れを制御するために、流体的に分離された２つの流体導管（又はチャネル）にアパーチャ２４及び２８のところで接続され得る。

バルブ本体１４は、望ましくは、上にカバー１６が設けられるリセスアパーチャ３４を画定する平坦な主表面３２を有し、それによりバルブ本体１４とカバー１６との間にバルブリセス１８が画定される。バブル本体１４は、望ましくは、主表面３２から窪んでおり、同軸の円筒形表面３８及び４０の間を延在する環状リム３６を有する。ガスケット１２は、望ましくは、環状リム３６と少なくとも部分的に同一の広がりを持つ円形ディスクの形状であり、したがって、ガスケット１２はカバー１６と環状リム３６との間に周縁境界がある。本発明はさらに、ガスケット１２がバルブリセス１８を横断して延在するサイズであり、さらにそれにより、ガスケット１２がリム３６の幅の少なくとも半分又はそれ以上にわたって延在する（すなわち、ガスケット１２の周縁部は、望ましくは、表面３８と表面４０との間の半分又はそれ以上にわたって延在する）ことを企図する。さらに、本発明は、ガスケット１２が、リム３６と実質的に同一の広がりを持つようにリセスアパーチャ３４を実質的に横断して延在するサイズ及び形状であることを企図する。

バルブ本体１４は、カバー１６に対向する実質的に平坦な環状フロア表面４２をさらに有する。フロア表面４２は第１のポート２０を画定する。バルブ本体１４は、第２のポート２２を画定しかつフォイルガスケットを着座させるのを補助するバルブシート４４をさらに有する。バルブシート４４は、フロア表面４２と比較してバルブリセス１８のさらに内側まで延在する（すなわち、カバー１６により接近している）。バルブシート４４は、第２のポート２２の周りに近接する第１の部分４６と、第２のポート２２の長手方向軸に対して非直交方向に配向してフロア表面４２に向かって傾斜する第２の部分４８とを有する。バルブポート２２は、望ましくは、カバー１６の下で中心に配置されるようにバルブリセス１８と同軸となるように位置決めされ、したがって、バルブ１０が「閉」方向にある場合、最も屈曲するカバー１６の部分がガスケット１２をバルブシート４４に押圧し、それにより、流体ポート２２が流体的に隔離される。

図２の矢印Ａ及びＢは、バルブカバー１６及びガスケット１２の両方が、ガスケット１２が第２の流体ポート２２と整列した封止位置に向かって及びその位置から離れるように屈曲されることを示している。ガスケットが屈曲されていない位置にある場合、第１の流体ポート２０は第２の流体ポート２２と流体連通しており、したがって、流体はそれらの間を通ってバルブ１０を通過して流れることができる。ガスケット１２が屈曲された位置にある場合、ガスケットが第１の流体ポート２０から第２の流体ポート２２を封止し、それらの間を介してバルブ１０を通過する流れを妨害する。バルブカバー１６に使用される材料の選択及び寸法はバルブ１０の寸法によって決定されてよい。使用される材料は、本発明に従ってガスケット１２が屈曲されるのを可能にする。

示されるように、ガスケット１２はリセス１８内に置かれる。ガスケット１２は浮動型であってよいが、１）ガスケット１２がバルブリセスに跨って架けられ、また、２）ガスケット１２がその周囲部にあるＣＯＣ膜１６によりバルブ本体の環状シェフルに対して押圧されることから、本発明は、望ましくは、リム３６とカバー１６との間の定位置で緩やかに押し込まれるガスケット１２を提供する。これらの理由により、ガスケット１２は、リセス１８内に追加のデッドスペースを実質的に組み入れることなくかつバルブ膜１６の弾性変形挙動を影響することなく、バルブシート４４上で正確に位置決めされてバルブ膜１６に取り付けられるという利点を有する。

また、環状バルブシート４４は、望ましくは、第２の流体ポート２２まで延在する傾斜表面として形成される。この傾斜表面は、第２の流体ポート２２に隣接して開いている第１の流体ポート２０から隆起している。望ましくは、流体ポート２０及び２２の両方はガスケット１２に対向して開いているが、本発明は、第１の流体ポート２０が、ガスケット１２が屈曲されていない（すなわち、バルブシート４４から離間されている）ときに第２の流体ポートと流体連通するようないかなる位置に配置されてもよいことを企図する。

図４に示されるように、バルブ１０は、膜１６をバルブシート４４に向かって押圧しかつガスケット１２をバルブシート４４に接触させるように押圧する機械式プランジャ５０によって操作され得る。別法として、バルブカバー１６は、バルブリセス１８の反対側で膜１６に直接に圧力を加えることによりガスケット１２をバルブシート４４上まで押圧するように、屈曲され得る。本発明は、この直接の圧力がバルブカバー１６の頂部に対して押圧されるマニホルドを介して加えられ得ることを企図し、ここでは、個別のマニホルドチャンバが、個別に制御される必要がある付随するマイクロバルブ１０に圧力を加える。バルブ膜１６を外部から操作することにより単純で低コストのバルブを得ることが可能となり、さらにはバルブを使い捨てにすることが可能となる。

本発明の特定の実施形態を示して説明してきたが、本発明の教示から逸脱することなく変更及び修正がなされ得ることは当業者には明白であろう。上の記述及び添付図面に記載される事柄は単に説明のために提供されるものであり、限定するために提供されるものではない。本発明の実際の範囲は、従来技術を基にした見地から見た下記の特許請求での定義を意図する。

１０ マイクロバルブ
１２ ガスケット
１４ バルブ本体
１６ バルブカバー
１８ バルブリセス
２０ 第１の流体ポート
２２ 第２の流体ポート
２４ 入口アパーチャ
２６ 入口通路
２８ 出口アパーチャ
３０ 出口通路
３２ 主表面
３４ リセスアパーチャ
３６ 環状リム
３８、４０ 円筒形表面
４２ フロア表面
４４ バルブシート
４６ 第１の部分
４８ 第２の部分
５０ 機械式プランジャ

Claims (16)

1. マイクロバルブ組立体であって、
   対向する第１及び第２の主表面を有する細長いバルブ本体を有するバルブ本体であって、第１の主表面がバルブリセスを画定し、第２の主表面が第１の流体ポート及び第２の流体ポートを画定していて、第１及び第２の流体ポートが共に前記バルブリセスと流体連通している、バルブ本体と、
   第１及び第２の流体ポートのうちの少なくとも１つの上に整列して延在するように前記バルブリセス内に自由に配置される浮動型ガスケットと、
   前記バルブ本体に接着されたバルブカバーであって、前記バルブカバーが、第１の平坦な表面であって、前記バルブリセスの上に整列して配置され、その内側に前記ガスケットを閉じ込める第１の平坦な表面を含んでおり、前記バルブカバーが、前記ガスケットで第１及び第２の流体ポートのうちの少なくとも１つが封止されるように前記バルブリセス内に屈曲させることができる、バルブカバーと
   を備えるマイクロバルブ組立体。
2. 前記バルブ本体及び前記バルブカバーが同じ材料から形成される、請求項１記載のマイクロバルブ組立体。
3. 前記バルブ本体が接着剤で前記バルブカバーに接着される、請求項１又は請求項２記載のマイクロバルブ組立体。
4. 前記浮動型ガスケットがテフロンから作られる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
5. 前記バルブ本体がＣＯＣから形成される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
6. 前記バルブカバーがＣＯＣから形成される、請求項５記載のマイクロバルブ組立体。
7. 前記浮動型ガスケットが前記バルブリセスを実質的に完全に横断して延在する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
8. 第２の流体ポートが前記バルブリセスと同軸に整列している、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
9. 第１及び第２の流体ポートが前記浮動型ガスケットの下に整列して開いている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
10. 前記浮動型ガスケットが５μｍ〜１ｍｍの厚さを有する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のマイクロバルブ。
11. 前記バルブ本体が、前記バルブカバーの第１の平坦な表面から離間した環状リムであって、前記バルブカバーの第１の平坦な表面に対向する環状リムを有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
12. 前記ガスケットが前記環状リムと前記カバーとの間に挟持される、請求項１１記載のマイクロバルブ組立体。
13. 前記ガスケットが前記環状リムのほぼ中央まで横断して延在する、請求項１２記載のマイクロバルブ。
14. 前記ガスケットが前記環状リム全体に延在する、請求項１２記載のマイクロバルブ組立体。
15. 前記バルブ本体が、第２の流体ポートの周囲の環状表面によって形成されるバルブシートをさらに有する、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項記載のマイクロバルブ組立体。
16. 前記バルブシートが、第１の流体ポートから第２の流体ポートまで延在する傾斜表面をさらに有していて、前記傾斜表面が第２の流体ポートの長手方向軸に対して非直交方向に配向している、請求項１５記載のマイクロバルブ組立体。