JP4892490B2 - 媒体から遮断された静電作動式バルブ - Google Patents

Description

本発明はバルブに関し、詳細には、静電作動式バルブ(electrostatically actuated valve)に関する。更に詳細には、本発明は、制御を受ける媒体から遮断された静電作動式バルブに関する。

本発明と関連した特許出願は、２００２年６月１９日に出願された米国特許出願第１０／１７４，８５１号である。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。本発明と関連した特許は、米国特許第６，２８８，４７２号、米国特許第６，１７９，５８６号、米国特許第６，１０６，２４５号、米国特許第５，９０１，９３９号、米国特許第５，８３６，７５０号、米国特許第５，８２２，１７０号、及び米国特許第５，３２３，９９９号である。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。本発明は、「静電作動式ガスバルブ」という標題の、代理人の事件番号第Ｈ０００３３８８−０７６５号（１１６１．１１６７１０１）のボンネ等の特許出願、及び「メソバルブモジュレータ」という標題の、代理人の事件番号第Ｈ０００８５０９−０７６０号（１１００．１３１４１０１）のカバツ等の特許出願に関する。これらの同特許出願に触れたことにより、これらの特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
米国特許出願第１０／１７４，８５１号 米国特許第６，２８８，４７２号 米国特許第６，１７９，５８６号 米国特許第６，１０６，２４５号 米国特許第５，９０１，９３９号 米国特許第５，８３６，７５０号 米国特許第５，８２２，１７０号 米国特許第５，３２３，９９９号 代理人の事件番号第Ｈ０００３３８８−０７６５号 代理人の事件番号第Ｈ０００８５０９−０７６０号

シリコンを基材とした静電アクチュエータは、電力をほとんど使用せず、小型であるが、汎用性及び費用に関して制限がある。メソポンプ(mesopump)技術で開発されたデバイス（センサやアクチュエータ等）は、低い電力及び低い費用を、ポリマー技術が提供する汎用性と組み合わせる。

本発明は、幾何学的形体における費用が低いプラスチック製造技術を、比較的低電力で作動できる流体流れ制御用静電作動式バルブと組み合わせる。

図１のバルブ構造１０では、バルブの２つの電極１１及び１２を離した状態又は閉じた状態にしておく力に対して、静電力が加えられてもよい。電極を離した状態にしておく力は、ダイヤフラム１８の力等の弾性力や空気圧等であってもよい。重力は、一般的には、要因ではない。電極１１及び１２に駆動電圧を加えることによって、これらの電極間に静電力が発生し、これらの電極の位置を互いに対して変化させ、バルブ構造１０に影響を及ぼす。バルブ構造は、マイクロ構造であってもよい。添付図面は、縮尺通りに描かれているのではない。

バルブ構造１０の上部品１３及び下部品１４は、プラスチック製成形部品であってもよい。更に、これらの部品は、様々な種類の製造技術に従ってこの他の材料から形成されてもよい。例えば、構造１０の部品は、様々なポリマー技術で製造されてもよい。上部品１３は、角度（例えば、１°乃至２°）をなしたその下側にアルミニウム（Ａｌ）を付着して電極１１を形成し、誘電体１５を電極１１上に形成してもよい。誘電体１５が上部品１３のチャンバ１６に面する。一つ又はそれ以上の電極の付着は、別の導体を用いて行われてもよい。誘電体は、幾つかの適当な材料のうちの一つであってもよい。例には、シリコン酸化物やシリコンナイトライド等が含まれる。この他の電極製造技術を使用してもよい。拡大図１７は、層１１及び１５を上部品１３に組み込んだ層構成を例示する。電極１２は、ダイヤフラム１８の上面に取り付けたアルミニウム（Ａｌ）層であってもよい。電極即ち層１２上には、誘電体層１９を形成してもよい。拡大図２１は、誘電体１８上に層１２及び１９を組み込んだ層構成を例示する。拡大図１７及び２１は、必ずしも等縮尺ではない。電極１１及び誘電体１５を含む表面を持つ部品１３によって部分的に包囲されたチャンバ１６の頂部にオリフィス２２が設けられており、そのため、ダイヤフラム１８は、例えばチャンバ内の空気等のガスを圧縮することによる抵抗なしにチャンバ１６内に上方に（例えば数十分の一ｍｍ）移動できる。

上部品１３及び下部品１４は、プラスチック、セラミック、シリコン等の任意の適当な半剛性材料又は剛性材料から形成されていてもよい。一つの例示の例では、部品１３及び１４は、ウルテム（ウルテム（ＵＬＴＥＭ）は登録商標である）（マサチューセッツ州ピッツフィールドのゼネラルエレクトリック社から入手できる）、セラゾーレ（セラゾーレ（ＣＥＬＡＺＯＬＥ）は登録商標である）（ニュージャージー州サミットのヘキスト−セラネーゼ社から入手できる）、ケトロン（ケトロン（ＫＥＴＲＯＮ）は登録商標である）（ペンシルバニア州リーディングのポリマー社から入手できる）、又は他の適当な材料等の高温プラスチックを型成形することによって形成されていてもよい。幾つかの例では、ダイヤフラム１８に使用される材料は、弾性や可撓性といったエラストマー性を備えていてもよい。他の例では、ダイヤフラム１８は、弾性変形可能であり、変形力が取り除かれたときにその元の形状又は形態に戻る、全体に柔軟な材料で形成されていてもよい。一例では、ダイヤフラム１８は、カプトン（カプトン（ＫＡＰＴＯＮ）は登録商標である）（デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン社から入手できる）、カラデックス（カラデックス（ＫＡＬＡＤＥＸ）は登録商標である）（デラウェア州ウィルミントンのＩＣＩフィルム社から入手できる）、マイラー（マイラー（ＭＹＬＡＲ）は登録商標である）（デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン社から入手できる）、又は他の適当な材料等のポリマーから形成されていてもよい。ポート及び／又はダイヤフラムにポリマーを使用した基材を使用することの利点は、バルブが安価であり且つ軽量になるということであり、及び／又は小型で手持ち式の用途、又は場合によっては使い捨ての用途又は再使用可能な用途に更に適しているためである。

ダイヤフラム１８の一つ又はそれ以上の電極１２は、導電性コーティングをダイヤフラム１８にパターンをなして付けることによって提供されてもよい。例えば、一つ又はそれ以上の電極は、印刷、めっき、又は金属のＥＢ付着によって形成されてもよい。幾つかの場合では、電極層は、乾燥絶縁塗料皮膜(dry film resist)を使用してパターンをなして付けられていてもよい。同じ又は同様の技術を使用して電極１１を上部品１３の内面に設けてもよい。所望であれば、別体の電極層を設けるのではなく、ダイヤフラム１８及び／又は上部品１３の内面を、電極として作動するように、導電性にしてもよい。低温有機誘電体や無機誘電体等の誘電体を、作動電極１１と１２との間で絶縁体として使用してもよい。誘電体は、ダイヤフラム１８の電極１２上に層１９としてコーティングされていてもよく、上部品１３の内面の電極１１上に層１５としてコーティングされていてもよい。一方の電極しか、絶縁性誘電体でコーティングされ、即ち覆われていなくてもよい。

ダイヤフラム１８の外周は、上部品１３の連結領域２３及び下層２４によって固定されていてもよい。ダイヤフラム１８は、上部品構成要素１３及び下部品構成要素１４の拡がりに亘って延びていてもよい。ダイヤフラム１８の上側には、アルミニウム付着物が設けられていてもよく、これが電極１２として作動する。誘電体１９を電極１２に付着してもよい。

周囲層即ち構成要素２４は、上部品１３と下部品１４との間の正方形やリング形状等の又は他の形状のインターフェースであってもよく、層２４と上部品１３との間に挿入されて固定されたダイヤフラム１８の周囲の外境界とともに、ダイヤフラム１８の上方にチャンバ１６を形成し、下部品１４の上面とダイヤフラム１８との間にキャビティ又はチャンバ２９を形成する。層２４は、下部品１４の一部であってもよい。層２４の一方の側部には、弾性であり且つ可撓性であり挟み付けることができ且つ締め付けることができ、及び／又は圧迫して絞ることができる媒体搬送機構２５、例えばチューブ２５等の一端を挿入できる穴又はポート２７が設けられていてもよい。チューブ２５の他端は、層２４の反対側に設けられた別の穴、即ちポート２８に挿入されていてもよい。下部品１４の中央には中央ポール２６が設けられていてもよく、チューブ２５はこのポール上に配置され、構成要素即ち層２４の一方の側から他方の側までこのポール上を横切る。電極１１及び１２が静電力によって互いに引き付けられていない場合には、ダイヤフラム１８がチューブ２５に載止し、チューブ２５を圧迫して絞り、締め付け、掴み、挟み付け、流体等の媒体が、ポート２７と２８との間で、チューブ２５を通って一方の方向に又は別の方向に流れることができないように、即ち通過できないようにする。その結果、常閉のバルブが提供される。中央ポール２６は、上構造１３と層２４との間で、ダイヤフラムのクランプ縁部よりも僅かに高い。この高さの差により、ダイヤフラム１８に応力が予め加えられ、これによりチューブを下方に圧迫して絞り、ポート２７とポート２８との間のバルブとしてチューブを閉鎖する。構造１０の全高即ち深さは、１ｍｍ又は数ｍｍである。

上部品１３の電極１１及びダイヤフラム１８の電極１２に電圧を加えることによって、ダイヤフラム１８を上方に移動し、チューブ２５の圧迫を解除し、ポート２７とポート２８との間の連結部を図２に示すように開放し、ポート２７とポート２８との間で媒体又は流体が連通できるようにする。ダイヤフラム１８は、その弾性により、その大きな部分を引き上げて構造１３に当てることができる。この移動は、電極に加えられた電圧の極性が逆であることによる静電引力によって生じるものと考えられる。一回の作動に必要なエネルギは、１ｍＪよりも小さい。チューブ２５を通って一方のポートから他方のポートまで通過する流体は、ガス又は液体であってもよい。電圧の量は、ダイヤフラム１８をチューブ２５から完全に引き離すのに必要とされる量よりも小さくてもよく、これによって、チューブ２５は部分的にしか圧迫して絞られず、その結果、チューブは、図３に示すように部分的に閉鎖され又は部分的に開放された状態になり、幾らかの流体を、ダイヤフラム１８をチューブ２５から完全に持ち上げた場合の流量よりも幾分少ない量で流すことができる。かくして、バルブ構造１０を通る流量の流れを、電極１１及び１２に加えられた電位に従って変化させてもよい。流体搬送機構即ちチューブ２５を可変に開放するバルブ構造１０により、ポート２７とポート２８との間で、電圧に比例して閉鎖できる搬送機構、即ち電圧に比例して圧迫して絞ることができるチューブ２５を介して、流体の流れ又は流体の圧力を変化させることができる。

拡大図３１は、ダイヤフラム１８に一部が持ち上げられて上部品１３に当たった場合の層構成を示す。拡大図３１は、必ずしも等縮尺ではない。電極１１及び１２に加えた電圧をなくすと、ダイヤフラム１８の復元力及び／又はダイヤフラム１８に予め加えた応力により、ダイヤフラム１８は、チューブ２５に載ったその元の位置に戻り、これによってチューブを完全に圧迫して絞り、即ち挟み付け、流体がチューブを通って流れないようにし、及びかくして常閉のバルブを閉鎖する。所望であれば、ダイヤフラム１８は、同じ極性の電極１１及び１２の静電斥力によって、更に強い力で下方に、チューブ２５上に、中央ポール２６に対して押し付けられてもよい。

構造１０のダイヤフラム１８は、閉鎖位置で少量の漏れが生じてもよい。これは、重大な使用又は意図的な設計のためである。特定の予期せぬ要求、故障、又は他の要因のために動かなくなることがないように、漏れのあるダイヤフラムを補償するため、チューブ２５に更に大きな力を加えてもよい。ポート２７と２８との間を流れる高圧流体について、ダイヤフラム１８は追加の閉鎖力を必要とする。電極１１と１２との間の斥力が、別の力であってもよい。追加の閉鎖力は、張力提供機構３２、例えばばねによって提供されてもよい。張力提供機構は、構造１３とダイヤフラム１８との間に拡張による張力を提供し、これによってダイヤフラム１８を流体搬送機構２５に押し付け、流体の流れを更に効果的に制御する。

張力機構３２は、その代わりに、ダイヤフラム１８を流体搬送機構２５から遠ざかるように引き上げようとする収縮張力を提供してもよい。電極１１と１２との間の静電斥力を使用してもよい。収縮張力により、ダイヤフラム１８がチューブ２５に作用する張力を所望の通りに軽くしてもよい。

張力提供機構は、一つの種類の又は別の種類の追加の張力を提供するため、構造１３及びダイヤフラム１８に取り付けられていてもよく、又は構造１３とダイヤフラム１８との間に配置されていてもよい。図４は、張力提供機構３２を備えた閉鎖状態のバルブ構造１０を示す。図５及び図６は、ばね等の張力機構３２を組み込んだ、開放状態のバルブ構造１０、及び部分的に開放した状態の又は部分的に閉鎖した状態のバルブ構造１０を夫々示す。

図７ａは、バルブ構造１０の流体搬送機構２５として使用されてもよい円形のチューブの断面を示す。図７ｂは、閉鎖状態のチューブの断面を示す。このチューブを最大に閉鎖したとき、又は最大に圧迫して絞ったとき、それでも、圧迫して絞られたチューブの領域３３で、幾らかの流体流れ又は圧力が伝達される。領域３３は、図７ｂでは、例示を行う目的で、相対的な大きさが誇張してある。残る流れ又は圧力が、領域３３を通して伝達されることは、幾つかの用途で望ましい。

図８ａは、バルブ構造１０の流体搬送機構２５として使用されてもよい別のチューブ形体の断面図である。このチューブ２５は、可撓性材料でできた二つの層３４を備えていてもよく、これらの層は、見掛けのシーム３５のところで互いに取り付けられ、シールされ、又は成形されている。図８ｂは、図８ａのチューブの閉鎖時の断面を示す。このチューブを最大に閉鎖したとき、即ち圧迫して絞ったとき、図７ｂに示すチューブの場合のように流体の残りの流れ又は圧力を伝達するための開放領域が徐々になくなる。この他の種類の様々なチューブ、及び流体又は圧力の搬送機構２５をバルブ構造１で実施してもよい。

バルブ構造１０は、電極１１及び１２に電圧を加えることによって構造内のバルブを制御するための制御装置４０に、その電極が接続されていてもよい。電圧の極性、大きさ、及びタイミングは、制御装置４０によって決定され、表示され、及び／又は提供される。構造１０を制御するため、プログラム及び／又はソフトウェアを制御装置４０が実行してもよい。制御装置４０によって、電極１１及び１２に加えられる電位を介して、バルブ構造１０を通る流体の流量に影響を及ぼしてもよい。バルブ構造の制御装置４０並びに可変流量アプローチを、流れ又は圧力の調整又は制御等の様々な用途に使用してもよい。電極に加えられる信号は、電圧が様々な大きさのアナログ信号であってもよいし、バルブ（即ちチューブ）を比較的完全に開放するのに十分な大きさの一定の電圧のデジタル信号、又はバルブを比較的完全に閉鎖する電圧がないデジタル信号であってもよい。信号のフォーマットは、デジタルからアナログに変換してもよいし、及び／又はアナログからデジタルに変換してもよい。制御装置４０とバルブ構造１０とのインターフェースを図９に示す。構造１０は、例えば小赤血球計(micro-cytometer)又は他のデバイス等の様々な用途に適合するように容易に設計できる。構造１０は、更に、ＭＥＭＳデバイス等に組み込んでもよい。

本願では、材料の幾つかは、仮定的であって、それらしい性質を備えているが、必ずしもそのように表記していない。
本発明を少なくとも一つの例示の実施例に関して説明したが、当業者は、本明細書を読むことにより、多くの変形及び変更が明らかになるであろう。従って、特許請求の範囲を、このような変形及び変更の全てを含むように、従来技術に鑑みてできるだけ広く解釈しようとするものである。

図１は、閉鎖位置にあるバルブ構造の、媒体又は流体を制御するための静電作動式バルブの図である。 図２は、図１のバルブ構造を完全開放位置で示す図である。 図３は、図１のバルブ構造を部分開放位置で示す図である。 図４は、バルブに対して張力機構を備えた、閉鎖位置にあるバルブ構造の図である。 図５は、バルブに対して張力機構を備えた、開放位置にあるバルブ構造の図である。 図６は、バルブに対して張力機構を備えた、部分閉鎖位置又は部分開放位置にあるバルブ構造の図である。 図７ａは、バルブ構造に設けられる、円形の閉鎖可能なチューブの断面図である。 図７ｂは、図７ａのチューブの閉鎖状態又は半閉鎖状態の断面図である。 図７ａは、バルブ構造に設けられる、長円形の閉鎖可能なチューブの断面図である。 図８ｂは、図８ａのチューブの閉鎖状態の断面図である。 図９は、制御装置、及びバルブ構造への接続の図である。

符号の説明

１０ バルブ構造
１１、１２ 電極
１３ 上部品１３
１４ 下部品１４
１５ 誘電体
１６ チャンバ
１８ ダイヤフラム
１９ 誘電体層
２２ オリフィス
２３ 連結領域
２４ 下層

Claims (4)

1. 静電バルブにおいて、
   下構造（１４）と、
   前記下構造に配置された上構造（１３）と、
   前記下構造と前記上構造との間に配置されたダイヤフラム（１８）と、
   前記下構造（１４）と前記ダイヤフラム（１８）との間に配置されたチューブ（２５）と、
   前記上構造（１３）に取り付けられた第１電極（１１）と、
   前記ダイヤフラム（１８）に取り付けられた第２電極（１２）とを備えている、静電バルブ。
2. バルブ構造において、
   下構造（１４）と、
   前記下構造（１４）上に配置された周囲層（２４）と、
   前記周囲層に配置されたダイヤフラム（１８）と、
   前記ダイヤフラムの周囲に配置された上構造（１３）と、
   前記上構造に取り付けられた第１電極（１１）と、
   前記ダイヤフラムに取り付けられた第２電極（１２）と、
   前記下構造と前記ダイヤフラムとの間に配置されたチューブ（２５）と、
   前記下構造に前記チューブと近接して配置された支持構造（２６）とを備えており、
   前記ダイヤフラム（１８）は、第１位置と、部分位置と、第２位置とを有し、
   前記ダイヤフラムは、前記第１位置で前記チューブ（２５）を閉鎖し、
   前記ダイヤフラムは、前記部分位置で前記チューブを少なくとも部分的に開放し、
   前記第１位置の前記ダイヤフラム（１８）は、前記周囲層（２４）と前記上構造（１３）との間にクランプされた前記ダイヤフラムの縁部と下構造との間の距離が、前記下構造（１４）から前記支持構造（２６）の先端までの距離より短いことにより、予め発生した応力による所定の力により、前記チューブを前記支持構造（２６）に押し付けることによって前記チューブを閉鎖し、
   前記第１電極（１１）及び前記第２電極（１２）に電圧を加えることにより、前記ダイヤフラムを前記部分位置又は前記第２位置に移動し、
   前記第１電極及び前記第２電極から電圧をなくすことによって、前記ダイヤフラムを前記第１位置まで移動し、
   制御装置（４０）が前記第１電極及び前記第２電極に接続されている、バルブ構造。
3. 流体制御デバイスにおいて、
   下構造（１４）と、第１ポート（２７）及び第２ポート（２８）を持つ周囲層（２４）と、前記下構造に配置された支持構造（２６）とを備えた第１部品と、
   前記第１ポート（２７）に連結された第１端と、前記第２ポート（２８）に連結された第２端とを有し、少なくとも一部が前記支持構造に接触して配置されたチューブ（２５）と、
   前記各周囲層（２４）間に配置され、前記第１ポート（２７）及び第２ポート（２８）の各周囲層（２４）の間の領域を覆うダイヤフラム（１８）と、
   前記周囲層（２４）と近接して前記ダイヤフラムの上に配置されており、前記第１ポート（２７）及び第２ポート（２８）の各周囲層（２４）の間の領域にキャビティ（１６）を有する上構造（１３）と、
   前記キャビティ（１６）の内面に取り付けられた第１電極（１１）と、
   前記ダイヤフラム（１８）に取り付けられた第２電極（１２）とを備えており、
   前記チューブは、前記下構造と前記ダイヤフラムとの間で前記支持構造に接して配置されており、
   前記ダイヤフラムが第１位置にあるとき、前記ダイヤフラムは前記チューブを締め付け、
   前記ダイヤフラムが第２位置にあるとき、前記ダイヤフラムは前記チューブを少なくとも部分的に締め付けない、流体制御デバイス。
4. 静電作動式バルブにおいて、
   周囲に周囲層（２４）を持つ下構造（１４）と、
   前記下構造に配置された支持構造（２６）と、
   外部にアクセスするための第１端を前記周囲層のところに有し、外部にアクセスするための第２端を前記周囲層のところに有する、前記下構造に配置された、圧迫して絞ることができるチューブ（２５）と、
   前記下構造の上方に設けられた、前記周囲層のところに縁部を持つダイヤフラム（１８）と、
   前記ダイヤフラムの前記縁部をクランプする押縁を持つ上構造（１３）と、
   前記上構造の下側に取り付けられた第１電極（１１）と、
   前記ダイヤフラムに取り付けられた第２電極（１２）とを備えており、
   前記チューブは、前記下構造と前記ダイヤフラムとの間で前記支持構造に接して配置されており、
   前記支持構造（２６）は前記ダイヤフラム（１８）の前記縁部よりも上側に延びており、
   前記ダイヤフラムは、通常は、前記チューブ（２５）を押し、これによって、前記第１端と前記第２端との間の通路を閉鎖する、静電作動式バルブ。

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