JP4568606B2 - マイクロシステムに使用するための、二つの効果を有する火薬式（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ）マイクロアクチュエーター、及び、これを使用したマイクロシステム - Google Patents

Description

本発明は、チップ等のマイクロエレクトロニクス用途、又は、例えばマイクロリアクターといった、マイクロ流体工学（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ）若しくは化学合成を組み込んだ解析用カード等の生物医学用途に用いるマイクロシステムにおける機械的、化学的、電気的、熱的又は流体的機能を満たすことを意図したマイクロアクチュエーターに関する。

マイクロアクチュエーターは、半導体や絶縁体等の固形支持体に形成された小型の物体であって、例えば、流体集積回路のマイクロバルブやマイクロポンプ、又は、電子集積回路のマイクロスイッチ等といったマイクロシステムを形成することを目的としたものである。

以前から、静電効果、圧電効果、電磁効果、及び、バイメタル効果を使用するマイクロアクチュエーターは存在していた。近年では、新型のマイクロアクチュエーター、すなわち火薬効果を使用したマイクロアクチュエーターが公開されている。これについては、特許文献１において、経皮投与装置の貯蔵器を塞ぐための小型バルブが開示されている。該バルブは、空の貯蔵器と貯蔵流体とを隔てている基板を、火薬（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ ｃｈａｒｇｅ）の燃焼ガスによって破砕することを基本原理として作動する。別の実施形態によれば、このマイクロバルブは、膨張可能な覆いと一緒に使用されてもよい。燃焼ガスによってまず基板が破壊され、その後で覆いが膨張し、流体が押し出される。しかし、これらのマイクロバルブには、基板の断片が集積回路内に放出されてしまうこと、及び、燃焼ガスとこの燃焼ガスが放出すべき流体とが混ざってしまうことという二つの欠点があった。

特許文献２には、三本の共点管間における流体の流れを一回だけ遮断する非小型バルブが開示されている。このバルブ機構は、上記三本の管の交差部に配置された袋を膨ませるためのガス発生器を備えており、流体回路を完全に塞ぐことができる。また、上記文献には、様々な実施形態、とりわけ、ピストンを使用し、ガスの作用で袋を変形させるという実施形態も記載されている。

一般的に、集積回路で使用するマイクロアクチュエーターには、産出する力の点で高性能であること、小型であること、及び、作動中に分割されることなく、自律性を維持することで、マイクロアクチュエーターが組み込まれる集積回路内への粒子の進入、及び、燃焼ガスによる集積回路の汚染を防ぐことが要求される。流体集積回路の場合、火薬技術を使用すれば、マイクロアクチュエーターが産生する圧力を、圧電気源又は静電気源で作動するマイクロアクチュエーターが産生する圧力の１００〜１０００倍にできる。また、火薬の燃焼で放出されるガスによれば、流体又はマイクロメカニズムの一部を、このガスと混合させることなく加熱できる。

例えばマイクロバルブの場合には、流体回路を開放又は閉鎖した後で、この流体回路を再び開放又は閉鎖するために、逆方向に再び作動させられるマイクロアクチュエーターを得ることが、用途によっては有益である。
国際公開第９８／２２７１９号パンフレット 米国特許第４，１１１，２２１号明細書

従って本発明の目的は、小型で、作動中に分割されずに自律性を維持し、且つ、逆方向に作動させられる高性能マイクロアクチュエーターを提案することである。

上記目的は、固形支持体内に形成され、且つ、主要火薬を有する主要チャンバーを備え、上記主要チャンバーは、一方が支持体の固形壁で、他方が変形可能な膜で密閉されて、その境界が規定されており、主要火薬の燃焼で放出されたガスによって、変形可能な膜が変形し、主要チャンバーの固形壁は変化しないままで、主要チャンバーの体積が増大するものであって、主要チャンバーからのガス排出手段を更に備えることを特徴とするマイクロアクチュエーターによって達成される。

すなわち、上記火薬の燃焼により放出されたガスは、上記チャンバーが有する固形部の外形には影響を及ぼさず、その壁を変形又は分割させない。

一特徴によれば、上記火薬の燃焼により放出されたガスを排出する手段は、上記膜が変形する際に作動する。多量のガスが排出されることで、変形した上記膜が復元すれば、本発明のマイクロアクチュエーターを使用したマイクロシステムを逆方向に作動させられる。

上記排出手段は、命令によって、又は、一変形態様においては、例えば上記主要チャンバー内の圧力が閾値に到達した場合に、作動させられる。

一実施形態によれば、上記ガス排出手段は、一末端が主要チャンバー内へ達し、別の末端が支持体の外部へ達している排出管を有する。上記排出管は、変形可能な膜の変形当初は閉鎖されている。上記ガス排出手段は、排出管開口手段を更に有し、上記排出管開口手段は、上記主要チャンバーから上記支持体の外側へと上記排出管を経由してガスを排出できるように作動する。これに伴って、上記膜が弾力性を有する場合には、上記膜を最初の位置に戻すことができる。

第二の実施形態によれば、上記ガス排出手段は、一末端が上記主要チャンバー内へ達し、別の末端が密閉された別の第二チャンバー内へ達している排出管を少なくとも一つ有する。上記排出管は、変形可能な膜の変形当初は閉鎖されている。上記ガス排出手段は、排出管開口手段を更に有し、上記排出管開口手段は、上記主要チャンバーから上記第二チャンバーへと上記排出管を経由してガスを排出できるように作動する。これに伴って変形した上記膜が復元し、本発明のマイクロアクチュエーターを使用したマイクロシステムを逆方向に作動させられる。

上記二つの実施形態に係るマイクロアクチュエーターを、例えば流体集積回路において作動させれば、上記流体集積回路を閉鎖又は開放した後、この流体集積回路を開放又は閉鎖することができる。

上記二つの実施形態の一特徴によれば、上記ガス排出管は上記支持体内に形成されている。

第二の実施形態の一特徴によれば、上記第二チャンバーは上記支持体内に形成されている。

上記二つの実施形態の別の特徴によれば、上記排出管は栓で塞がれている。

一特徴によれば、上記栓は火薬からなる。

改善された実施形態によれば、第二火薬と呼ばれる別の火薬が上記二つのチャンバーの一方に収容されている。第二チャンバー内のガスを排出することで、変形した上記膜が復元した後、上記第二火薬を発火させることによって、上記膜を再び変形させられる。従って、上記第二火薬によって、上記アクチュエーターを再び作動させられる。

上記第二の特徴を有する上述のマイクロアクチュエーターを作動させれば、例えば流体集積回路を閉鎖した後に開放し、再び流体集積回路を閉鎖することができる。また、上記装置を適合させれば、逆サイクル（開／閉／開）も実施できる。

第一の実施形態によれば、上記各種火薬、すなわち主要火薬、第二火薬、及び、上記栓を構成する火薬は、それぞれ加熱導線上に堆積していて、その厚さは例えば２００μｍ未満である。

本発明の第二の実施形態によれば、主要火薬又は第二火薬の上記各火薬は、それぞれが位置するチャンバー内を通る伝導加熱ワイヤーを封入している。該ワイヤーの直径は１０μｍ〜１００μｍである。

上記二つの形態で発火させることによって、多くの場合、当該火薬を発火させることができる。しかしながら、ある形態においては、伝導熱損失に関する問題が観察される。この問題は、伝熱素子が上記支持体と接していることに起因する。このような損失が生じると、上記火薬を発火させるのに更なるエネルギーが必要となり、一般的にはこれに伴って、マイクロアクチュエーターが、系統的に望ましくないように深刻に加熱される。従って、本発明の第三の実施形態によれば、例えば導電性のペンキ又はインクをスクリーン印刷又はインクジェットによって堆積させる技術等の、集積回路分野において広く証明されている技術によって、加熱導線を火薬上に配置することで、上記加熱導線と上記基板とが直接接触することを完全に防ぐことができる。

一特徴によれば、主要火薬又は第二火薬の上記各火薬は、上記支持体中に陥没している空洞を覆うようなフィルム状であってもよい。

従って、上記火薬と任意の伝熱性固形支持体とを隔てれば、伝導熱損失を低減、更には、除去することさえできる。後者の形態については、例えばコロジオン等の、フィルムを形成できる高エネルギー材料を使用してもよい。

従って、上述の伝導熱損失に関する問題を最も良好に解決するための形態としては、上記支持体の空洞上に上記火薬をフィルム状に堆積させ、上記火薬上に配置された加熱導線で上記火薬を発火させることが挙げられる。この方法によれば、上記加熱導線と上記支持体とが直接接触せず、また、上記火薬と上記支持体とも事実上接触しない。

上記火薬を小型化することで、その発火機構自体も、高い信頼性を保ったまま、小型化されなければならない。より一般的には、小型化及び信頼性という二つの必要条件を満たすような他の手段、とりわけ、圧電性結晶若しくはストライカーピン（ｓｔｒｉｋｅｒ ｐｉｎ）のいずれかを含む手段、又は、導波路若しくは光ファイバーにより光エネルギーを圧電性火薬に伝達できるレーザー光線によって、火薬を発火させることもできる。

上記各火薬、すなわち主要火薬、第二火薬、及び、上記栓を構成する火薬は、ニトロセルロース系組成物から構成されていることが好ましい。

使用する火薬が非常に小さく、その質量は数μｇ以下であるため、組成を均一にすることが特に好ましい。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、上記火薬はグリシジルポリアジドから構成されている。

主要チャンバーの体積は１ｃｍ ^３ 未満であることが好ましい。火薬密度、すなわちチャンバーの体積に対する火薬の質量の割合は、０．０１μｇ／ｍｍ ^３ 〜０．１ｍｇ／ｍｍ ^３ であることが好ましい。チャンバーの体積が決まっていれば、所定のエネルギーを産生できるように火薬の質量、外形、及び組成を決定することが事実上可能である。

上記膜は、可撓性を有し、且つ、上記火薬から放出されたガスによって膨張することが好ましい。上記膜の伸長特性は、上記アクチュエーターの使用に関して必要とされる条件に応じて変更してよい。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、上記膜は可撓性を有し、上記チャンバー内で折り畳まれており、上記火薬から放出されたガスによって展開される。上記膜は、その形態に応じて、それ自体が折り畳まれていてもよいし、上記チャンバー内に折り畳まれていてもよい。上記ガスにより上記膜が展開されると、上記チャンバーの最終的な体積はその初期の体積より大きくなることが好ましい。

上記膜は、プラスチック及び／又は弾性材料、例えばテフロン（登録商標）又はラテックスで作られたものであるのが好ましい。マイクロエレクトロニクス用途の場合、上記膜は完全に又は部分的に導電材料で覆われていることが好ましい。

集積回路においては、例えば、流体に圧力をかけてその移動又は排出を補助するといった機能を上記マイクロアクチュエーター自身が備えていてもよいが、より一般的には、これらの機能は、マイクロシステムが備えるように意図されている。

マイクロシステムは多機能小型装置であり、その寸法は最大でも数ｍｍ以下である。流体集積回路の場合、マイクロシステムは例えばマイクロバルブ又はマイクロポンプであってもよく、電子集積回路の場合、マイクロスイッチであってもよい。上記マイクロアクチュエーターは、マイクロエレクトロニクス用途向けに、例えばシリコン等からなる半導体の支持体に形成されている。これらは、上記以外の用途、特にバイオ医学の分野用に、ポリカーボネート等の上記以外の物質を使用して設計されてもよい。上記チャンバーは、上記火薬の燃焼で放出されたガスにより、その体積が増大する。上記チャンバーは、いくつかの火薬を含んでいてもよい。これは、上記火薬を同時に発火させて上記チャンバー内の圧力を増大させるためではなく、圧力を経時的にほぼ一定に維持して、特にマイクロポンプの場合に、上記チャンバーへの圧力が早くに緩和されるのを抑えるためである。この場合、上記火薬は、一定間隔で連続して発火する。また、上記チャンバーが膨張したら、密閉された空間を規定することが好ましい。すなわち、燃焼が終了しても、上記チャンバーが最も広がった状態を維持していることが好ましい。

従って、本発明はまた、本発明のマイクロアクチュエーターを備えたマイクロシステムにも関する。このマイクロシステムは固形部を有し、上記膜が変形することで上記固形部が変位することを特徴とする。これは、上記膜の変形の影響で膨張しやすい上記チャンバー内に、上記火薬の燃焼で放出されたガスによって過剰な圧力がかかるからである。その後、上記膜は上記マイクロアクチュエーターに近接する部分と接触し、圧縮力が閾値に達した際に、上記固形部が変位する。

本発明に係るマイクロシステムの第一の好ましい実施形態によれば、上記固形部は、上記燃焼ガスにより動き、その結果として流体管を塞ぐことができる。流体集積回路において上記マイクロアクチュエーターを使用するというこの形態に関しては、上記マイクロシステムを遮断マイクロバルブに例えることができる。

本発明に係るマイクロシステムの第二の好ましい実施形態によれば、上記固形部が最初は流体管を塞いでおり、動いて変位すると上記管が開く。この形態に関しては、上記マイクロシステムを開放マイクロバルブに例えることができる。

本発明によれば、上記マイクロアクチュエーターは、変形した上記膜を復元させるためのガス排出手段を更に備える。上記排出管の開口部により、上記支持体の外部又は第二チャンバーへとガスを排出できることが好ましい。変形した上記膜が復元されると、第一の実施形態においては流体集積回路を再び開放することができ、第二の実施形態においては流体集積回路を再び閉鎖することができる。

本発明によれば、上記チャンバーのうちの一つは別の火薬を含んでいてもよい。この第二火薬は、変形した上記膜が復元された後で、すなわち、第一の実施形態においては流体集積回路が再び開放された後で、第二の実施形態においては流体集積回路が再び閉鎖された後で、発火することを意図したものである。第二火薬が発火して上記二つのチャンバー内に過剰なガス圧がかかると、上記栓が破壊され、上記二つのチャンバーをつなげている排出管が開く。この過剰な圧力によって上記膜が更に変形し、再び上記固形部が変位することで、上記固形部が、第一の実施形態においては、上記流体集積回路を再び閉鎖し、第二の実施形態においては、上記集積回路を再び開放する。

上記流体管を塞いでいる上記固形部上に可撓性の突起が配置されており、上記管の閉鎖箇所を適切かつ確実に封じていることが好ましい。上記突起は、栓に例えられる。

本発明に係るマイクロシステムの第三の好ましい実施形態によれば、ｉ）可撓性の膜（６２）が、溝状の環状空間（６３）内に設置されて、主要チャンバーを構成し；ｉｉ）火薬が、上記可撓性の膜（６２）が設置されている環状空間よりも小さく、且つ、この空間に対して同心円状に配置されている溝状の環状空間内に設置されていて、二つの溝は、少なくとも一つの開口部を経由して互いにつながっており；ｉｉｉ）支持体（６１）上には、上記可撓性の膜（６２）が設置されている環状空間（６３）を覆うようにして平坦固形部（６４）が載置されていて、該部分（６４）自体は、弾性膜（６７）によって覆われており、且つ、流体管（６８）を塞いでおり、火薬の燃焼で放出されたガスによって、環状空間（６３）に設置された可撓性の膜（６２）が展開され、且つ、上記平坦部（６４）が変位し、支持体（６１）から離れる際に弾性膜（６７）が形成した空間内に流体が流れ込む。

この形態については、上記マイクロシステムは真空マイクロポンプに例えることができる。圧力を最低閾値で一定時間維持することで、流体が早くに自然逆流するのを確実に防ぐには、いくつかの火薬を使用し、連続で発火させることがとりわけ適切であると思われる。

本発明によれば、ガスを第二チャンバーへ排出する手段を使用することで、変形した上記膜を復元できる。変形した上記膜を復元した後、上記二つのチャンバーのいずれかに設置された第二火薬を発火させることで、上記排出管を介して連結された上記二つのチャンバー内に過剰な圧力が生じる。この過剰な圧力によって上記膜が更に変形し、上記膜が上記支持体から離れることで形成された空間内に、流体が更に流れ込む。

本発明のマイクロアクチュエーターは、マイクロスイッチ等のマイクロシステムを製造するのに使用することで、電子集積回路内で使用されてもよい。これは、上記チャンバーの一部を囲み、且つ、導電材料で完全に又は部分的に覆われている上記膜が膨張又は展開されて、電気的集積回路を閉鎖又は開放することができるためである。同様に、可撓性の非導電膜を備えた本発明のマイクロアクチュエーターは、導電性の固形部を移動させて電気的集積回路を閉鎖又は開放できる。あるいは、第一に電気的集積回路を開放し、第二に別の電気的集積回路を閉鎖するという二つの機能を提供できる。

本発明の火薬式マイクロアクチュエーターは、汚染されることなく、高機能を有し、且つ、信頼性が高い点で好ましい。本発明の火薬式マイクロアクチュエーターは、以下の二点に示すように、汚染されることがない。第一に、全操作過程にわたって破壊される危険が全くなく、その形状を保持できるので、好ましくない固体粒子が集積回路内に放出されない。第二に、密閉空間である上記チャンバー内に上記火薬から放出されたガスが閉じ込められるため、このガスは上記集積回路内に進入できない。また、本発明の火薬式マイクロアクチュエーターは単純なものである。その構成要素は、膜を有するチャンバー、火薬、及び、発火機構のみであり、これらによって生じる物理化学的効果は基本的なものでしかない。

所定のチャンバー体積について、本発明のマイクロアクチュエーターに組み込まれる火薬組成物は多種多様であるため、非常に広範な圧力が得られる。このため、本発明のマイクロアクチュエーターは様々な構成で使用される。

本発明のマイクロアクチュエーターの好ましい実施形態、及び、本発明のマイクロアクチュエーターを使用したマイクロシステムの好ましい実施形態三つについて、図１〜１０を参照して以下に詳細に記載する。

図１は、本発明に係るマイクロアクチュエーターの長手方向軸に沿った断面図である。

図２は、閉／開／閉サイクルを実施するためのマイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロバルブは、本発明の改良されたマイクロアクチュエーターによって作動する。

図３は、図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターによって作動する遮断マイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図である。

図４は、図３に示すマイクロバルブの閉鎖フラップの平面図である。

図５は、図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターによって作動する開放マイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図である。

図６は、図５に示す開放マイクロバルブのＶＩ−ＶＩ面断面図である。

図７は、図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターを使用したマイクロポンプの長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロアクチュエーターは作動していない状態である。

図８は、図７に示すマイクロポンプが備える除去可能な平坦固形部の平面図である。

図９は、図７に示すマイクロポンプの長手方向軸に沿った断面図であって、マイクロアクチュエーターは作動した状態である。

図１０は、本発明のマイクロアクチュエーターを使用したマイクロポンプの第二の実施形態の長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロアクチュエーターは作動した状態である。

図１について、本発明のマイクロアクチュエーター１は、ポリカーボネート製の支持体３内に形成された円筒状のチャンバー２を備える。上記支持体３は、ポリカーボネートシートを積み重ねて接着したものである。以下に示す全ての実施形態において、この積層技術を採用できる。以下、図２を参照して本技術をより詳細に説明する。上述のようにして支持体３に規定された上記チャンバー２は、可撓性の膜４で閉鎖された円形面を有する。この膜は、ラテックスやテフロン（登録商標）等で形成されており、例えば接着によって支持体３内に固定されている。上記チャンバー２内を通っているのは加熱ワイヤー５であり、該ワイヤーは、ニトロセルロース系火薬組成物６の層に覆われている。上記加熱ワイヤーの直径は、例えば１０〜１００μｍである。

アクチュエーター１は、以下の通り作動する。加熱ワイヤー５に電流が流れ、その温度が上昇して火薬組成物６の発火温度に達する。上記組成物６が燃焼してガスが発生し、チャンバー２内に過剰な圧力がかかる。こうして、圧力のかかった膜４は膨張して反応する。

上述の通り、上記以外の発火形態を構想してもよい。上記火薬を、上記加熱導線上に厚さ２００μｍ未満で直接堆積させてもよい。

本明細書の導入部で記載したように、導電加熱素子が上記支持体と接触することで、いくらかの熱損失が生じる可能性がある。この場合、上記加熱導線を火薬に載せて、火薬が堆積している基板と加熱導線とが直接接触しないようにしてもよい。また、伝導熱損失は、例えば上記支持体内に陥没している穴を上記火薬で覆うことでも低減させられる。この場合、上記火薬は例えばフィルム状であってよく、また、上記導線を上記火薬に直接載せてもよい。この形態において、上記加熱導線と上記支持体とは直接接触していないこと、及び、穴が存在しているため、事実上、上記火薬と上記支持体とは直接接触していないことに着目されたい。

図２は、図１に関連して記載されたように、上記膜を変形させ、且つ、その変形を復元させるための、改良されたマイクロアクチュエーター７を示す。図２中、マイクロアクチュエーター７は、流体集積回路におけるマイクロバルブとして働く。本発明のマイクロアクチュエーター７は、四層（７１、７２、７３及び７４）が重なったものからなり、それぞれ第一層、第二層、第三層及び第四層と呼ぶ。第二、第三及び第四層（７２、７３及び７４）は上記支持体を構成し、例えばポリカーボネート製である。第一層７１は、例えばテフロン（登録商標）又はラテックス等のプラスチック及び／又は弾性材料からなる。マイクロアクチュエーター７の第一層７１上には、上記流体集積回路を構成する第五層７５が配置されている。上記流体集積回路で構成される第五層７５を、二本のダクト７５０及び７５１が横断している。第五層７５の面７５３（下面）に形成され、且つ、マイクロアクチュエーター７の第一層７１と向かい合う凹部７５２内に、二本のダクト７５０及び７５１の各一方の末端が達している。従って、二本のダクト７５０及び７５１は、凹部７５２で連通している。例えば、第一のダクト７５０は流体が凹部７５２に入るための入り口であり、第二のダクト７５１は、流体が凹部７５２から出るための出口である。

上記マイクロアクチュエーターの第一層７１は、図１中に符号４で示すもの等の、変形可能な膜７１０を構成する。膜７１０が、第五層７５の下面７５３に例えば接着によって固定されているため、膜７１０は、第五層７５の凹部７５２内でのみ変形する。この変形は、例えば膨張によるものである。

第二層７２は、二つの穴が横断している、厚さが例えば０．５ｍｍのシートからなる。図１に記載するように、第一の穴の側壁、その上の第一層７１及びその下の第三層７３で、マイクロアクチュエーターの主要燃焼チャンバー７２０が規定されている。主要チャンバー７２０は、主要火薬７２１を含んでおり、膜７１０を変形させる。この主要火薬７２１は、上述したいずれかの方法で、すなわち、加熱ワイヤー又は導線（いずれも図２中に示さず）によって発火させられる。主要チャンバー７２０の直径は、例えば０．８ｍｍである。第二の穴の側壁、その上の第一層７１及びその下の第三層７３で、第二チャンバー又は貯蔵器７２２が規定されている。以下にその役割を説明する。この第二チャンバー７２２の直径は、例えば２ｍｍである。

第三層７３は、内部にＵ字ダクト７３０が通されたシートからなり、上記管の各末端は、第二層７２のチャンバー７２０又は７２２のいずれかにつながっている。該ダクト７３０は溝部７３３を備えている。該溝部は、第三層７３の第四層７４とは逆側の表面に陥没し、且つ、マイクロアクチュエーター７の第四層７４で覆われている。溝部７３３の末端は、それぞれ導管７３１及び７３２として垂直に伸びている。導管７３１及び７３２は、それぞれ上記マイクロアクチュエーターの第二層７２のチャンバー７２０及び７２２内に達している。第四層７４は、ダクト７３０を覆う密閉フィルムから形成されている。

主要チャンバー７２０内に達しているダクト７３０の導管７３１は、例えば栓７２３によって、最初は密閉されている。従って、二つのチャンバー７２０と７２２とは連通できない。

図２に示すマイクロバルブは、以下のように作動する。上記加熱ワイヤー又は上記導線に電流が流れて温度が上昇し、主要チャンバー７２０内の主要火薬７２１が発火する温度に達する。主要火薬７２１が燃焼すると主要チャンバー７２０内にガスが発生し、チャンバー７２０内に過剰な圧力がかかる。この過剰な圧力によって膜７１０が変形する。膜７１０は、ガス圧に応じて、第五層７５の凹部７５２の方向にのみ変形できる。こうして、上記膜が膨張して凹部７５２の底を圧迫し、二本のダクト７５０と７５１との間に挿入される。こうして、上記流体集積回路が閉鎖され、主要チャンバー７２０内のガスが変形可能な膜７１０を圧迫する圧力によって、この閉鎖状態が維持される。主要チャンバー７２０内に含まれるガスの圧力は、膜７１０が凹部７５２の底を圧迫するのに十分なものであり、且つ、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧よりも大きいため、膜７１０が凹部７５２の底を圧迫した状態を維持できる。

栓７２３は、二つのチャンバー７２０と７２２とをつなぐダクト７３０を依然として閉鎖している。栓７２３は例えば火薬からなり、火薬は、排出管７３０の導管７３１の入り口を覆うようにして、第三層７３上に堆積している。この火薬は、上述した様々な方法で発火させられる。火薬が発火すると、二つのチャンバー７２０と７２２とをつなぐダクト７３０の入り口が開放される。栓７２３で構成される火薬が燃焼して生成されるガスは、主要火薬７２１の燃焼によって既に存在していたガスに加えられる。第二チャンバー７２２内の圧力が主要チャンバー７２０内の圧力より低いため、主要チャンバー７２０内に含まれるガス、すなわち、主要火薬７２１の燃焼で生成したガス及び栓７２３で構成される火薬によって生成したガスは、ダクト７３０を介して第二チャンバー内に流入する。第二チャンバー７２２の体積は十分に大きいため、二つのチャンバー７２０と７２２との間のガス圧は、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧よりも小さくなる。このようにガス圧が減少するため、変形した膜７１０が復元し、上記流体集積回路のダクト７５０、７５１が形成する開口部が開放される。膜７１０が凹部７５２の外側へ変形することでバルブが開き、その結果、上記流体集積回路の二本のダクト７５０と７５１とが連通される。

別の実施形態によれば、主要チャンバー７２０を外気と連通させることで、主要チャンバー７２０内のガスを上記装置外に排出することもできる。この実施形態によれば、膜７１０が弾性を有していれば、元の位置に戻る。

本発明によれば、栓７２３を構成する火薬は、使用者の命令によって、及び／又は、主要チャンバー７２０内の圧力が閾値に達した時点で発火してもよい。

本発明によれば、第二火薬と呼ばれる別の火薬７２４は、主要チャンバー７２０又は第二チャンバー７２２のいずれかの中にあればよい。図２中、第二火薬７２４は第二チャンバー７２２内にある。この火薬７２４は、上述したいずれかの形態、すなわち加熱ワイヤー又は導線によって発火させてもよい。

本発明によれば、二つのチャンバー７２０と７２２とを連通させてから、この追加火薬７２４を発火させると、連通させた二つのチャンバー７２０及び７２２内部のガス圧が過剰となる。二つのチャンバー７２０及び７２２内部のガス圧が過剰になると、膜７１０は更に変形する。膜７１０は、第五層７５に形成された凹部７５２内に向かってのみ変形できる。その結果、上記膜は、ガス圧により上記凹部内に膨張して凹部７５２の底に押し付けられ、凹部７５２内に伸びているダクト７５０及び７５１の末端を閉鎖する。ここでも、二つのチャンバー７２０、７２２内部のガス圧は、膜７１０を変形するのに十分なものであり、且つ、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧より大きい。

本発明によれば、上記チャンバー内における主要火薬７２１及び第二火薬７２４の使用量は、上記膜を変形させ、且つ、上記物質の劣化を防ぐのに十分な量である。上記各火薬は、例えば、第三層（７３）上に堆積され、上述した形態のうちの一つで発火させられる。

主要火薬７２１の質量は、この火薬が位置する主要チャンバー７２０の体積、膜７１０を変形させるのに必要なガスの体積、及び、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧に応じて異なる。同様に、第二火薬７２４の質量は、二つのチャンバー７２０及び７２２の体積、主要火薬７２１の質量、並びに、栓７２３を構成する火薬の質量に応じて異なる。上記二つの火薬、及び、栓７２３を構成する火薬は、第三層において、例えばそれぞれ異なる穴の上に堆積しているため、伝導熱損失を回避することができる。

また、本発明によれば、第二チャンバー７２２と同型の別のチャンバーを、火薬で当初閉鎖されているダクトを介して主要チャンバー７２０と連通している状態で、多数提供できる。この数は、実施が望まれる閉／開サイクル数に応じて異なる。これらのチャンバーの体積は、連通した全てのチャンバー内のガス圧が、チャンバーの一つを開いた際に、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧よりも常に小さくなる程度に増加しなければならない。また、上記チャンバー内にあり、且つ、上記集積回路を開放したら膜７１０を更に変形させるような上記各火薬の質量は、必要量のガスを常に生成できる程度に増加しなければならない。そうすれば、連通している上記チャンバー内において、膜７１０を更に変形させる程度に高く、且つ、上記集積回路内の流体が膜７１０に及ぼす背圧より大きい圧力を得られる。

図３は、図１に示すものと類似のマイクロアクチュエーター１を備えた遮断マイクロバルブ１０を示し、該遮断マイクロバルブ１０は、ポリカーボネート製の支持体内に形成されており、該遮断マイクロバルブ１０は、流体集積回路１１近傍に配置されている。この流体集積回路１１は、円筒状チャンバー１４を通っている直線ダクト１２を有する。該円筒状チャンバー１４は、マイクロアクチュエーター１の円筒状チャンバー２の延長部分に位置し、且つ、直径がほぼ等しい。二つのチャンバー２及び１４は、マイクロアクチュエーター１の膜４で隔たれている。ダクト１２が通っているチャンバー１４は、流体で満たされており、且つ、閉鎖フラップ１５を備える。図４に示す通り、フラップ１５は、丸穴が横断する平坦な固形部で形成される。上記固形部には、直交する二本の枝状部１８が取り付けられており、該枝上部１８は、上記穴の直径に沿っている。これら二本の枝状部１８が交差する位置には、球状部１６が配置されている。流体は、球状部１６を支持する固形部である枝状部間を通って、膜４とダクト１２との間を流れる。従って、ゴム等の可撓性材料からなる上記球状部１６は、膜４とは接触していない。チャンバー２の体積は０．３ｍｍ ^３ であり、火薬６の質量は０．５μｇである。

遮断マイクロバルブ１０は、以下の形態で作動する。火薬６が発火すると、チャンバー２内が過圧状態となり、流体で満たされたチャンバー１４内にフラップ１５が平行に変位する。変位し続けて可撓部１６がダクト１２に埋め込まれると、流体の流れが遮断される。上記ダクトにおいて、可撓部１６が入るように意図された部分は漏斗型にわずかに広がっているため、上記ダクトを確実に密閉できる。火薬６の燃焼が終了しても、チャンバー２が密閉空間になっているため、フラップ１５はその初期位置には戻らない。

本発明によれば、本実施形態においては、外部へ、又は、図２に示したような第二チャンバーへ、ガスを排出するように構想してもよい。この場合、図２に示すマイクロバルブと同様に、上記支持体の外部へガスが排出されることにより、又は、主要チャンバー２と第二チャンバーとが連通してガス圧が減少することにより、上記集積回路に含まれる流体の圧力下で、変形した膜４が十分に復元され、ダクト１２が再び開放される。ガスが第二チャンバー内に排出される場合、図２に示す実施形態と同様に、第二火薬は、上記チャンバーのいずれかの内部に配置されてもよい。こうすると、第二火薬の発火後に膜４が更に変形する。第二火薬が発火すると、連通した上記二つのチャンバー内に新たに過剰な圧力がかかり、膜４が再び変形する。球状部１６がダクト１２の漏斗状部分に埋め込まれるまで膜４は変形し続け、ダクトを再び閉鎖する。これらの変更により、マイクロバルブ１０はダクト１２に対して閉／開／閉サイクルを実施できる。

上述したように、マイクロバルブ１０は、第二チャンバー７２２と同型の別のチャンバーを多数備えていてもよく、この数は、実施が望まれる閉／開サイクル数に応じて異なる。

図５に示すように、開放マイクロバルブ２０は、ポリカーボネート支持体内に形成されており、且つ、図１で記載したものと類似のマイクロアクチュエーター１を備える。該マイクロアクチュエーター１は、流体集積回路近傍に配置されている。上記マイクロアクチュエーター１、より具体的にはその膜４のごく近傍には、上記支持体と一体化し、且つ、同じ材料からなる可撓性のポリカーボネート製翼部２１が配置されている。図６より、可撓性の翼部２１が一定厚さの平坦部材であり、且つ、円形部２２を有していて、この円形部２２は、円形端部を有する幅の狭い伸長部２３によって伸ばされていることが分かる。翼部２１は、より薄い舌部２４を介して上記支持体に取り付けられている。より正確には、舌部２４は、上記支持体と、翼部２１の円形部２２の末端、すなわち、幅が狭い部分２３の上記円形端部から最も離れた末端とを連結している。上記幅の狭い部分２３の円形端部には、略半球状の可撓性突起２５が取り付けられており、この突起２５がダクト２６を閉鎖している。ダクト２６内の流体により背圧がかかっている場合でも、翼部２１が最初に屈曲することで、密閉状態を維持するのに必要な力が得られる。

開放マイクロバルブ２０は、以下の形態で作動する。火薬６が発火するとチャンバー２内が過圧状態になり、膜４が膨張して可撓性の翼部２１を押す。図５中、点線は膨張した膜４を示す。上記翼部２１に圧縮力がかかると、上記翼部と上記支持体とを接続する舌部２４を軸として上記翼部が動き（ｐｉｖｏｔ）、上記翼部２１の突起２５で当初閉鎖されていたダクト２６が開放される。翼部２１はこのように変位している間も固いままで変形しないため、可動式フラップとして働く。

本発明によれば、本実施形態においては、外部へ、又は、図２に示したような第二チャンバーへ、ガスを排出するよう構想してもよい。この場合、図２に示すマイクロバルブと同様に、ガスの排出又はガス圧の減少によって、変形した膜４が復元されると、ここでは図３に示したマイクロバルブとは異なり、ダクト１２が再び閉鎖される。図２及び図３に示す実施形態と同様に、上記支持体に形成された第二チャンバー内に位置する第二火薬が発火することで、膜４が更に変形してもよい。このように上記膜が更に変形することで、ダクト２６が再び開く。これらの変更によれば、マイクロバルブ２０はダクト２６に対して開／閉／開サイクルを実施できる。

上述の通り、マイクロバルブ２０は、第二チャンバー７２２と同型の別のチャンバーを多数備えていてもよく、この数は、実施が望まれる開／閉サイクル数に応じて異なる。

図７は、本発明のマイクロアクチュエーター６０を備えた真空マイクロポンプ４０を示す。該マイクロアクチュエーター６０は、ポリカーボネート製の支持体６１中に、例えばシートを積み重ねて接着することで形成され、且つ、溝状の環状空間６３内に可撓性の膜６２を有する。より正確には、膜６２は溝６３の底部を覆っており、その上部において溝６３に取り付けられている。膜６２が設置されている溝６３より寸法が小さく、且つ、溝６３に対して同心円状に設置されている溝状の環状空間には、火薬が配置されている。上記二つの溝は、この二つの溝を隔てる環状の壁に等間隔に開けられた四つの開口部を介して互いに連通している。上記火薬が配置された溝は支持体６１に埋め込まれているが、可撓性の膜６２で覆われた溝６３の上部は開いている。溝６３は、ポリカーボネート製の支持体６１のシート６４で覆われている。支持体６１において、シート６４の反対側には円筒状の開放空間６５が設置されている。上記空間６５の径はシート６４の径より大きく、また、上記空間６５は、二つの穴６６を有している。シート６４は弾性膜６７で覆われている。弾性膜６７は環状であり、且つ、その径はシート６４の向こう側にある開放空間６５の径よりも大きい。弾性膜６７は、開放空間６５において、シート６４に最も近い部分で固定されている。流体管６８は、上記火薬が配置された溝の中央部から支持体６１内に陥没していて、支持体６１内の開放空間６５に達している。

図８中に示すように、外周平坦環状バンド８０と中央平坦ディスク８１との間が変形可能な四つのＳ字ストランド８２によって連結されるように、シート６４が切り取られている。中央ディスク８１は、環状の溝６３を完全に覆っている。上記中央平坦ディスク８１と外周環状バンド８０との間には、空洞状の環状空間８３がある。

この種の真空マイクロポンプは、以下の形態で作動する。図７、８及び９によれば、上記火薬が燃焼してガスが生成し、このガスが、上記四つの開口部を通って可撓性の膜６２で覆われた外側の溝６３の中に入る。膜は直ちに表裏が逆転した状態になり始め、この膜が設置されている溝６３の中から、図９中に示すようにタイヤビード６９として現れる。このようにビード６９が形成されると、シート６４のディスク８１が変位する。このようにディスク８１が変位できるのは、変形可能な四つのＳ字ストランド８２が環状のバンド８０とつながったまま破壊されずに伸びるからである。このように変位すると、弾性膜６７が支持体６１から離れることで形成された空間に流体が取り入れられる。流体が流れ込む空間は、弾性膜６７によって確実に密閉される。弾性膜６７の後ろにある空間内の空気は、開放空間６５が備える二つの穴６６から放出されるため、その体積は減少し続ける。

図１０に示すように、本発明のマイクロアクチュエーターを使用するマイクロポンプ１００の第二の実施形態と上述のマイクロポンプとは、シート１０２及びそれを覆っている膜１０１のみが異なる。正確には、シート１０２の形状は拡張された平坦ディスク１０３であり、その径は、図７中に符号６５で示したものに相当し、且つ、上記シート１０２の反対側に配置されている円筒状の開放空間の径と、実質的に等しい。上記ディスク１０３は、変形可能な四つのＳ字ストランド１０５によって支持体１０４と連結されている。このように、シート１０２を覆う膜１０１は、上記円筒状の開放空間内に固定されていて、この空間の底面及び内部側壁を完全に覆っている。上記膜１０１は、シート１０２から最も離れた部分が、上記空間の内部側壁内に固定されている。このようなマイクロポンプ１００の操作原理は、第一の実施形態で記載した原理と類似している。このような形態によって得られる技術的な利点としては、流体が流入する空間の体積が増加することが挙げられる。これは、マイクロアクチュエーターが作動するまで、該空間が実質的にシート１０２の向こう側にあるためである。

本発明によれば、マイクロポンプ４０及び１００の上記二つの実施形態においては、外部、又は、図２に示した第二チャンバーへガスを排出するように構想してもよい。この場合、環状チャンバー６３と第二チャンバーとはダクトで連結されている。流体が流入するこのダクトは、膜６２が最初に変形する間は閉鎖されている。本発明によれば、外部へガスが排出されることにより、又は、上記環状チャンバーと第二チャンバーとが連通してガス圧が減少することにより、変形した膜６２が収縮し、復元する。図２に示した実施形態と同様に、ガスがいくらか第二チャンバーに排出される場合、上記チャンバーのいずれかの内部に第二火薬を配置し、この火薬を発火させて膜６２を更に変形させてもよい。第二火薬が発火すると、連通された上記二つのチャンバー内に更に過剰な圧力がかかって、膜６２が更に膨張する。膜６２が膨張すると、弾性膜６７が支持体６１から離れることで形成された空間内に流体が更に流入する。これらの変更により、マイクロポンプ４０及び１００は、液体を二回連続して取り入れられる。

上述するように、上記の両実施形態におけるマイクロポンプ４０及び１００は、第二チャンバー７２２と同型の別のチャンバーを多数備えていてもよく、その数は、実施が望まれる取り入れ回数に応じて異なる。

本発明に係るマイクロアクチュエーターの長手方向軸に沿った断面図である。 閉／開／閉サイクルを実施するためのマイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロバルブは、本発明の改良されたマイクロアクチュエーターによって作動する。 図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターによって作動する遮断マイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図である。 図３に示すマイクロバルブの閉鎖フラップの平面図である。 図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターによって作動する開放マイクロバルブの長手方向軸に沿った断面図である。 図５に示す開放マイクロバルブのＶＩ−ＶＩ面断面図である。 図１に示す火薬式マイクロアクチュエーターを使用したマイクロポンプの長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロアクチュエーターは作動していない状態である。 図７に示すマイクロポンプが備える除去可能な平坦固形部の平面図である。 図７に示すマイクロポンプの長手方向軸に沿った断面図であって、マイクロアクチュエーターは作動した状態である。 本発明のマイクロアクチュエーターを使用したマイクロポンプの第二の実施形態の長手方向軸に沿った断面図であって、該マイクロアクチュエーターは作動した状態である。

１、７、６０ マイクロアクチュエーター
２ チャンバー
３、６１、１０４ 支持体
４、６２、６７、１０１、７１０ 膜
５ 加熱ワイヤー
６ 火薬
１０、２０ マイクロバルブ
１１ 流体集積回路
１２、２６、６８ ダクト
１４ 円筒状チャンバー
１５ フラップ
１６ 球状部
１８ 枝状部
２１ 翼部
２２ 円形部
２３ 伸長部
２４ 舌部
２５ 突起
４０、１００ マイクロポンプ
６３、８３ 環状空間
６４ シート
６５ 開放空間
６６ 穴
６９ タイヤビード
７１ 第一層
７２ 第二層
７３ 第三層
７４ 第四層
７５ 第五層
８０ 外周平坦環状バンド
８１ 中央平坦ディスク
８２、１０５ ストランド
１０２ シート
１０３ 平坦ディスク
７２０ 主要チャンバー
７２１ 主要火薬
７２２ 第二チャンバー
７２３ 栓
７２４ 第二火薬
７３０ Ｕ字管
７３１、７３２ 導管
７３３ 溝部
７５０ 第一ダクト
７５１ 第二ダクト
７５２ 凹部
７５３ 面

Claims (21)

1. 固形支持体内に形成され、且つ、主要火薬を有する主要チャンバーを備えたマイクロアクチュエーターであり、
   前記主要チャンバーは、一方が支持体の固形壁で、他方が変形可能な膜で密閉されて、その境界が規定されており、
   主要火薬の燃焼で放出されたガスによって、変形可能な膜が変形し、主要チャンバーの固形壁は変化しないままで、主要チャンバーの体積が増大するものであって、
   主要チャンバーからのガス排出手段を更に備える
   ことを特徴とするマイクロアクチュエーター。
2. 前記ガス排出手段は、命令によって作動させることができる
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエーター。
3. 前記ガス排出手段は、一末端が主要チャンバー内へ達し、別の末端が支持体の外部へ達している排出管を有し、
   前記排出管は、変形可能な膜の変形当初は閉鎖されており、
   前記ガス排出手段は、排出管開口手段を更に有し、
   前記排出管開口手段は、主要チャンバーから支持体の外部へと排出管を経由してガスを排出できるように作動する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエーター。
4. 前記ガス排出手段は、一末端が前記主要チャンバー内へ達し、別の末端が密閉された別の第二チャンバー内へ達している排出管を少なくとも一つ有し、
   前記排出管は、変形可能な膜の変形当初は閉鎖されており、
   前記ガス排出手段は、排出管開口手段を更に有し、
   前記排出管開口手段は、主要チャンバーから第二チャンバーへと排出管を経由してガスを排出できるように作動する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエーター。
5. 前記排出管は栓で塞がれている
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロアクチュエーター。
6. 前記栓は火薬からなる
   ことを特徴とする請求項５に記載のマイクロアクチュエーター。
7. 別の第二火薬が、前記主要チャンバー又は前記第二チャンバーに収容されている
   ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーター。
8. 各火薬は、加熱導線上に厚さ２００μｍ未満で堆積されている
   ことを特徴とする請求項７に記載のマイクロアクチュエーター。
9. 前記主要火薬又は前記第二火薬は、前記支持体内に陥没している穴を覆うフィルム状である
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載のマイクロアクチュエーター。
10. 前記支持体は、いくつかの層を積層して形成される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーター。
11. 前記火薬は、ニトロセルロース系組成物で構成されている
    ことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーター。
12. 前記主要チャンバーの体積は１ｃｍ^３未満である
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーター。
13. 前記主要チャンバーの体積に対する前記主要火薬の質量の割合を示す火薬密度は、０．０１μｇ／ｍｍ^３〜０．１ｍｇ／ｍｍ^３である
    ことを特徴とする請求項１２に記載のマイクロアクチュエーター。
14. 前記変形可能な膜は可撓性を有し、且つ、前記チャンバー内で折り畳まれており、更に、前記火薬から放出されたガスによって展開される
    ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエーター。
15. 前記変形可能な膜は、テフロン（登録商標）製である
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーター。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーターを備えるマイクロシステムであって、
    前記マイクロシステムは、固形部を有し、
    膜が変形することで固形部が変位する
    ことを特徴とするマイクロシステム。
17. 固形部は、燃焼ガスによって動き、流体管を塞ぐ
    ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロシステム。
18. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーターを備えるマイクロシステムであって、
    ｉ）可撓性の膜が、溝状の環状空間内に設置されて、主要チャンバーを構成し；
    ｉｉ）火薬が、前記可撓性の膜が設置されている環状空間よりも小さく、且つ、この空間に対して同心円状に配置されている溝状の環状空間内に設置されていて、
    二つの溝は、少なくとも一つの開口部を経由して互いにつながっており；
    ｉｉｉ）支持体上には、前記可撓性の膜が設置されている環状空間を覆うようにして平坦固形部が載置されていて、
    該部分自体は、弾性膜によって覆われており、且つ、流体管を塞いでおり、
    火薬の燃焼で放出されたガスによって、環状空間に設置された可撓性の膜が展開され、且つ、前記平坦部が変位し、支持体から離れる際に弾性膜が形成した空間内に流体が流れ込む
    ことを特徴とするマイクロシステム。
19. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエーターを備えるマイクロシステムであって、
    前記変形可能な膜は、燃焼ガスによって変形し、流体ダクトを塞ぐ
    ことを特徴とするマイクロシステム。
20. 流体集積回路を閉鎖又は開放した後、再び開放又は閉鎖するための、
    請求項３又は４に記載のマイクロアクチュエーターの使用方法。
21. 流体集積回路を閉鎖又は開放した後、開放又は閉鎖し、その後更に、流体集積回路を閉鎖又は開放するための、
    請求項３又は４に記載のマイクロアクチュエーターの使用方法。

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