JP5055472B2 - 流体消費電池のための流体調整マイクロバルブ・アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、空気減極型又は空気補助型であることが好ましい燃料電池又はバッテリなどの電池の電池ハウジングの内部と外部との間の、特にガスといった、１つ又はそれ以上の流体の流量を制御するようになっている流体調整マイクロバルブ・アセンブリ、並びに、該流体調整マイクロバルブ・アセンブリを収容する燃料電池及びバッテリに関する。流体調整マイクロバルブ・アセンブリ及びマイクロバルブ・アセンブリを収容する電池を準備するための方法を開示する。

空気減極電池、空気補助電池及び燃料電池バッテリ電池などの電気エネルギーを生成するために活性材料として電池の外部から酸素又は他のガスなどの流体を使用する、電気化学バッテリ電池を用いて、様々な電子デバイスを駆動することができる。例えば、酸素を含有する空気が、空気減極電池又は空気補助電池に入り、該電池の中で、それは、正極活性材料として用いられることもできるし、或いは電池を再充電することもできる。酸素還元電極は、酸素と電池の電解質との反応、最終的には、負極活性材料と酸素との酸化を促すものである。酸素と電解質との反応を促す酸素還元電極における材料は、多くの場合、触媒と呼ばれる。しかしながら、酸素還元電極に用いられる幾つかの材料は、特に比較的高率の放電の間に、それらの少なくとも一部が還元する場合があるので、真の触媒ではない。
１つのタイプの空気減極電池は、亜鉛／空気電池である。このタイプの電池は、亜鉛を負極活性材料として用い、水性アルカリ性（例えば、ＫＯＨ）電解質を有する。亜鉛／空気電池の空気電極に用いることができる酸化マンガンは、特に空気電極への酸素の拡散率が不十分である場合は、負極活性材料の酸化と協同して電気化学還元を起こすことができる。これらの酸化マンガンは、低率の放電又は停止の間に、酸素により再酸化されることがある。
空気補助電池は、消費可能な正極及び負極の活性材料、並びに、酸素還元電極を収容するハイブリッド電池である。正極は、十分な時間にわたって高率の放電を維持することができるが、酸素還元電極を通る酸素は、より低率の放電又は無放電の間に正極を或る程度再充電することができるので、酸素は、電池の総放電容量のかなりの部分にわたって使用されることが可能である。これは、電池に入れる正極活性材料の量を減少させることができ、負極活性材料の量を増加させて、電池の総容量を増加させることができることを意味する。空気補助電池の例は、米国特許第６，３８３，６７４号及び米国特許第５，０７９，１０６号において開示されている。

空気減極電池、空気補助電池及び燃料電池の利点は、電極の少なくとも一方の活性材料の少なくとも一部が、電池の外部から取り込まれる、すなわち電池の外部からの流体（例えば、ガス）により再生されることによる、その高いエネルギー密度である。
これらの電池の欠点は、酸素が酸素還元電極に入る割合によって、可能な最大放電率が制限されることである。これまでは、それぞれ、酸素還元電極への酸素の流入率を増加させ、及び／又は浪費的な反応を生じさせる可能性がある二酸化炭素などの望ましくないガスの流入率、並びに、増大した量の放電反応生成物を収容するか又は電池を乾燥させることを意図される電池内の空間を満たす可能性がある（電池の外部及び内部における相対的な水蒸気分圧によって）水の流入率、すなわち損失率を、制御する努力がなされてきた。これらの手法の例は、米国特許第６，５５８，８２８号、米国特許第６，４９２，０４６号、米国特許第５，７９５，６６７号、米国特許第５，７３３，６７６号、米国公開番号第２００２／０１５０８１４号、及び国際特許公開番号第ＷＯ０２／３５６４１号において見出すことができる。しかしながら、これらのガスのうちの１つの拡散率を変化させると、一般に、同様に他のガスも影響を受ける。高い酸素拡散率と、低いＣＯ₂及び水拡散率に対する必要性のバランスを取るように努力がなされたときでさえ、ある程度の成功に過ぎなかった。

より高率の放電においては、十分な酸素を酸素還元電極に取り入れることが重要になってくるが、低率の放電の間及び電池が使用されていない間は、ＣＯ₂及び水の拡散を最小にする重要性が高まる。高率の放電の間だけ電池への空気の流れの増加をもたらすために、ファンを用いて、空気を電池に通してきた（例えば、米国特許第６，５００，５７５号）が、ファン及びそれらに対する制御は、コスト及び複雑さを製造に付加する可能性があり、ファン、さらにマイクロ・ファンは、個々の電池、多数の電池バッテリ・パック及び装置内の貴重な体積を占領する可能性がある。

提案されてきた別の手法は、マイクロバルブを用いて電池に入る空気の量を制御するものである（例えば、米国特許第６，６４１，９４７号及び米国特許公開番号第２００３／０１８６０９９号）が、マイクロバルブを作動させるためには、ファン及び／又は比較的複雑な電子回路などの外付け手段を必要とし得る。
さらに別の手法は、酸素還元電極と、例えばバッテリが放電しているときの酸素の消費に起因する、空気圧の差の結果として開閉させることができるフラップを有する外部環境との間に、水不透過膜を使用することであった（例えば、米国特許公開番号第２００３／００４９５０８号）。しかしながら、圧力の差は、小さいものとなることがあり、バッテリの外部の大気条件によって影響を受ける場合がある。

マイクロバルブを用いて電池に入るガス量を制御するさらなる手法は、マイクロバルブが、シリコン又は半導体基板と、エッチング、付着、並びに微細加工工程を用いて形成される、米国特許第５，３０４，４３１号、米国特許第５，４４９，５６９号、米国特許第５，５４１，０１６号及び米国特許第５，８３７，３９４号に記載されており、これらは、引用により本明細書に組み入れられる。
マイクロアクチュエータはさらに、米国特許第４，９６９，９３８号、米国特許第５，０６９，４１９号、米国特許第５，２７１，５９７号、及び１９９３年１０月の「Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｎｅｗｓ（ＩＡＮ）」に記載された「Ｆｌｕｉｓｔｅｒ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ」のｐ．４７及び１９９３年１１月１日の「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ」のｐ．３などの出版物に記載されている。

上記を考慮すると、本発明の目的は、製造するのに比較的安価で単純な、低コストで信頼性のある流体調整マイクロバルブ・アセンブリを提供することである。
さらなる目的は、サイズが比較的小さく、マイクロバルブ・アセンブリを組み込む電池においてほとんど体積を取らず、これによりエネルギー生成構成要素のための体積を最大にする、流体調整マイクロバルブ・アセンブリを提供することである。
本発明の別の目的は、流体消費正極、好ましくは酸素還元電極と、低率の放電の間又は無放電の間は容量損失が比較的低い又は無い状態で電池の高率の放電を可能にする流体調整マイクロバルブ・アセンブリとを備えた、電池、特に燃料電池又はバッテリを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、複雑な構成を有し、マイクロバルブ・アセンブリを形成するのに用いられる少なくとも１つのステップの間に、好ましくは印刷法を用いて、高速で効率的且つ経済的に製造することができる多層のマイクロバルブ・アセンブリを設けることである。

したがって、本発明の一態様は、ポリマー、エラストマー又はゴムからなり、第１の表面と第２の表面との間に配置された孔を備える、固定マイクロバルブ本体と、該マイクロバルブ本体に接続され、流体が該マイクロバルブ本体の孔を通過することができない第１の位置と、流体が該マイクロバルブ本体の孔を通過することを可能にする第２の位置との間で移動することができ、且つ熱によって作動する、移動可能なマイクロアクチュエータと、を含む、電気化学電池のためのマイクロバルブ・アセンブリである。
本発明の別の態様は、１つ又はそれ以上の流体入口孔と、負極と、流体消費正極と、該１つ又はそれ以上の流体入口孔に作動的に接続されて該流体消費正極への流体の通過を制御するマイクロバルブ・アセンブリとを備えるハウジングを含み、該マイクロバルブ・アセンブリが、（ａ）ポリマー、エラストマー又はゴムからなり、第１の表面と第２の表面との間に配置された孔を備える、固定マイクロバルブ本体と、（ｂ）該マイクロバルブ本体に接続され、流体が該マイクロバルブ本体の孔を通過することができない第１の位置と、流体が該マイクロバルブ本体の孔を通過することを可能にする第２の位置との間で移動することができる移動可能なマイクロアクチュエータとを含む、電気化学電池である。

本発明のさらに別の態様は、１つ又はそれ以上の層を有するマイクロバルブ本体を形成し、１つ又はそれ以上の層を有するマイクロアクチュエータを形成し、マイクロバルブ本体をマイクロアクチュエータに作動的に接合するステップを含み、マイクロバルブ本体が、第１の表面から第２の表面まで該本体を通して延びる孔を含み、１つ又はそれ以上のマイクロバルブ本体若しくはマイクロアクチュエータ層又はその両方を形成するステップが、印刷法を用いることを含み、マイクロアクチュエータが、マイクロバルブ本体に作動的に接続され、流体がマイクロバルブ本体の孔を通過することができない第１の位置と、流体がマイクロバルブ本体の孔を通過することを可能にする第２の位置との間で移動することができる、マイクロバルブ・アセンブリを準備するための方法である。
本発明のこれらの及び他の特徴、利点及び目的は、当業者であれば、以下の明細書、特許請求の範囲及び添付の図面を参照することによりさらに理解され、認識されるであろう。

他に特に指定されない限り、ここで用いられる以下の用語は、以下のように定義される。流体とは、液体又はガスなどの、流れることができる物質のことである。流体消費電極とは、流体を電池ハウジングの外部から活性材料として用いる電極のことである。熱によって作動するマイクロアクチュエータとは、マイクロアクチュエータの一部における温度の変化によりその運動が生じるマイクロアクチュエータのことである。

本発明は、図面と組み合わせて、本発明の詳細な説明を読むことにより、より良く理解されるであろうし、他の特徴及び利点も明らかになるであろう。
本発明の一実施形態において、流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電池の内部にある電極のための活性材料として、周囲の雰囲気などの電池の外部からの酸素又は他のガスなどの流体を用いる電池に、作動的に接続される。流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電池の外部と内部との間の流体の流量、最終的には酸素還元電極などの、流体消費電極への流量を制御する。電池は、当該技術分野において知られているメタノール若しくは水素燃料の酸素電池などの燃料電池、空気減極電池、又は空気補助電池とすることができる。他の可能な電池のタイプとしては、これらに限定されるものではないが、塩素又は臭素減極電池が挙げられる。また、本発明のマイクロバルブ・アセンブリは、マイクロバルブ・アセンブリによって電池の所定の領域に入ることが許される流体が、必要とされるまで別個のリザーバに保管される、「保管」電池に用いることもできる。流体は、塩を含有する電解質、又は電池の作動に必要な電解質を形成する塩と併せて、電池本体の中で塩を溶解することになる溶剤とすることができる。同様に、塩水又は海水を含む、水中で作動するように設計された電池に、電池が水中に配置されるまでは比較的軽量とすることができる本発明のマイクロバルブを組み込むことができ、それにより、マイクロバルブ・アセンブリは、電池の中で用いられることになる水が電池の中に入るのを選択的に許す。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電池の外部から十分な量の流体を選択的に供給して、電池が高率、すなわち高い電力レベルで放電することができるように、そしてまた、電池が放電していないか又は極めて低率で放電しているときには、流体が電池の内部に入ることを最小にするか又はこれを阻止するようにも構成されている。
本発明の流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、好ましくは酸素還元電極を用いる、空気減極電池に関して後述されるが、マイクロバルブ・アセンブリを、酸素以外の１つ又はそれ以上の流体を用いることができる燃料電池などの他のタイプの流体消費電極と共に、或いは電池の電極の１つ又はすべてのための活性材料として電池ハウジングの外部から用いることもできることを理解すべきである。流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、特に水中用途の場合は、海水などの流体と共に用いることができる。海水バッテリの例は、米国特許第３，００７，９９３号及び米国特許第３，９４３，００４号において記載されている。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリを含む空気減極電気化学電池の一実施形態は、図１に示すように、ボタン電池である。電池は、容器１１及びカバー２を有するハウジングを含み、好ましくは電池ハウジングの内部と外部との間の唯一の流体連通ポートである１つ又はそれ以上の流体入口孔９を有する。少なくとも１つの流体調整マイクロバルブ・アセンブリ１０は、マイクロバルブ１０が閉位置にあるときは、周囲の雰囲気から電池内部に配置された酸素還元正極への流体連通が阻止されるように、１つ又はそれ以上の孔９に作動的に接続される。同様に、マイクロバルブ・アセンブリ１０が開位置にあるときには、電池の外部から酸素還元正極への流体連通が許容される。カバー２は、導電性金属から形成される。金属は、鋼又はステンレス鋼の基材を含むものとすることができる。外面は、腐食に強いニッケル又はスズなどの金属を含む層を有することができ、内面は、水素ガスの生成を最小にするために、相対的に高い水素過電圧をもつ、銅、スズ、亜鉛及びこれらの合金などの１つ又はそれ以上の金属を含む層を有することができる。基材金属は、一方又は両方の表面においてめっきされ、及び／又はクラッディングされることができる。例えば、カバー２は、ステンレス鋼の基材と、外面のニッケル層と、内面の銅層とを有する３つのクラッド材料から形成することができ、形成されたカップは、必要に応じて、スズなどの別の金属で形成後にめっきすることもできるし、或いは他の手法でコーティングすることもできる。容器１１は、一方又は両方の表面においてスズでめっきを施すことができる、鋼又はステンレス鋼などの導電性金属から形成することができる。

ハウジングはさらに、間に圧力シールを形成して、カバー２を容器１１から電気的に絶縁するために、カバー２の隣接する側壁と容器１１との間にガスケット３を含む。ガスケット３は、所望のシール特性を提供する任意の適切な熱可塑性材料から形成することができる。材料の選択は、或る程度電解質組成物に基づくものである。アルカリ亜鉛−空気電池に適した材料としては、ナイロン、プロピレン、スルホン化ポリエチレン、及び耐衝撃性ポリスチレンが挙げられる。

電池は、カバー２に隣接し、これと電気接触している、電池の負端子とすることができる、負極１を収容する。負極は、亜鉛などの電気化学的活性材料と、好ましくはＫＯＨなどの溶質を有する水性電解質のような電解質とからなる活性材料の混合物を含む。亜鉛は、特に電池が添加水銀を含有しない場合の、引用により本明細書に組み入れられる、米国特許第６，６０２，６２９号に記載される、低ガス発生の亜鉛合金であることが好ましい。代替的に、亜鉛は、引用により本明細書に組み入れられる、米国特許公開番号第２００５／０１０６４６１−Ａ１号に開示される、ビスマス、インジウム及びアルミニウムと合金にされた亜鉛合金などの、引用により本明細書に組み入れられる、米国特許第５，４６４，７０９号に開示される、低膨張亜鉛とすることができる。負極混合物は、ゲル化剤として１００％酸性形のアクリル酸ポリマー（例えば、米国、オハイオ州、クリーブランド所在のＮｏｖｅｏｎ社から入手可能なＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）９４０又は９３４）を用いる、ゲル化混合物とすることができる。混合物はさらに、電池内での水素ガスの発生を減少させることができる添加剤のような、種々の有機及び無機化合物を、添加剤として含むことができる。こうした添加剤の例としては、酸化亜鉛、水酸化インジウム、及びポリエチレン・グリコール化合物（例えば、米国、ミシガン州、ミッドランド所在のＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から入手可能な、ＣＡＲＢＯＷＡＸ（登録商標）５５０などのメトキシエチレン・グリコール）が挙げられる。

電池はさらに、空気電極と呼ばれることがある酸素還元正極７を収容する。図１に示される一実施形態において、正極７は、電気出力が、該正極７に直列に接続されたマイクロバルブ・アセンブリ１０を通して送られるように、容器１１から隔離される。別の実施形態においては、正極７は、容器１１と電気接触しており、電池の正端子とすることができる。正極７は、電池の外部からの酸素と電解質との反応を促し、その結果、負極１における亜鉛を酸化することができる可逆的に還元可能な材料を含有する多孔質層である。さらに、正極７の多孔質層はまた、炭素又は黒鉛と、ポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤とを含有することができる。正極７はさらに、負極１に隣接した正極７の一部に配置された導電性金属（例えば、ニッケル）スクリーン又はメッシュの集電体を含むことができる。正極はまた、孔９に面する多孔質層の表面に、ガス（例えば、酸素）透過性かつ電解質不透過性の膜５を含むことができる。膜５は、ポリテトラフルオロエチレン・フィルムなどの、高分子フィルムとすることができる。

セパレータ８の少なくとも１つ、好ましくは２つの層は、負極１と正極７との間に配置される。セパレータ８は、イオン透過性で非導電性の薄い微孔性膜である。少なくとも或る程度の電解質をセパレータ８の孔内に保持することができる。セパレータ８を電極１、７の隣接面の間に配置して、それらを互いから電気的に絶縁する。セパレータ層は、同じ又は異なる材料とすることができる。好適な材料としては、ポリプロピレンのセパレータが挙げられる。例えば、２つの層を用いる場合には、正極７に直接隣接する層は、疎水性のポリプロピレン膜とすることができ、もう一方の層は、可湿性の不織ポリプロピレンとすることができる。
多孔性のガス拡散パッドをセパレータ８の反対側の正極７の側面に配置して、正極７の底面全体にわたる、電池に入る空気の分配を可能にすることができる。このパッドは、ポリテトラフルオロエチレン・フィルムのシートなどの、任意の好適な材料から形成することができる。

ガス拡散パッドの下、すなわち、ガス拡散パッドと容器１１の底部の内面との間に、マイクロバルブ・アセンブリ１０を収容するための１つ又はそれ以上のキャビティを有するスペーサ６を配置することができる。スペーサ６は、容器１１及びマイクロバルブ・アセンブリ１０と協働して、電池の外部及び内部間のガス連通のための通路のみが、孔９及びマイクロバルブ・アセンブリ１０を通るようにする。
図１に示すように、正極７を電気的に隔離させて、電気出力がマイクロバルブ・アセンブリ１０を通して送られるようにするために、必要であれば、第２のガスケット４を容器１１の内部に配置することができる。他の実施形態においては、マイクロバルブ・アセンブリ１０は、制御回路を用いて制御され、ガスケット４は、存在しないか、又は、正極７が容器１１と電気接触するように他の形で位置している。ガスケット４に適した材料としては、ガスケット３に適したものとして上記で列挙されたタイプの材料が挙げられる。

図２は、流体調整マイクロバルブ・アセンブリ１５が円筒形の電池ハウジング内に配置された、本発明のさらなる実施形態を示す。円筒形の電池が示されているが、当業者であれば、電池の他の形状及び／又はサイズを用いることができることを理解するであろう。例えば、電池は、ほぼ矩形又は正方形の形状を持つハウジングを有する柱状電池とすることができる。図２の電池は、閉鎖された底面と上端とを有する缶２６、並びに、電池カバー１２と、該缶２６の上端に配置されたガスケット１８とを含むハウジングを有する。缶２６は、図２に示すように、環状のチャンバ内に配置された正極２４と電気接触しており、カバー１２は、マイクロバルブ・アセンブリ１５を通して負極混合物２３と電気接触している。負極２３は、環状の正極チャンバ内のキャビティに配置される。セパレータ２１は、正極２４と負極２３との間に配置される。

缶２６の上端は、電池カバー１２及びガスケット１８、並びに、シール部材２０、構造的なブレース部材１７及び接触部材１３と協働して、電池の外部からの流体が正極チャンバに到達するための１つ又はそれ以上の通路以外は、電池の上部を閉鎖する。流体通路は、電池カバー１２における少なくとも１つの流体入口孔１６と、ブレース部材１７における少なくとも１つの開口部とを含み、シール部材２０は、多孔性であるか又は少なくとも１つの孔１９を含むかのいずれかである。少なくとも１つのマイクロバルブ・アセンブリ１５は、通路と流体連通しており、マイクロバルブ・アセンブリ１５が閉位置にあるときは、流体通路を閉鎖して、正極２４への流体の流れを選択的に制御する。マイクロバルブ・アセンブリ１５が閉鎖されると、電池の活性成分は、周囲の雰囲気から効果的にシールされ、マイクロバルブ・アセンブリ１５が開かれると、周囲の雰囲気から電池の所望の活性部分への流体連通が許される。一実施形態において、マイクロバルブ・アセンブリ１５は、制御回路によって直接又は必要に応じて、電池の負極２３及び正極２４に電気的に接続される。

缶２６は、ガスケット１８及び電池カバー１２を支持するために、上端付近にビード、すなわち減少した直径の段を有する。ガスケット１８を缶２６とカバー１２との間で圧縮してシールを形成し、圧縮シールはまた、シール部材２０と、缶２６と接触部材１３の両方との間にも形成される。ガスケット１８はまた、負の電池カバー１２を正の缶２６から電気的に絶縁する。
負極２３は、接触部材１３と電気接触している集電体２５を含み、接触部材１３は、直接か又はマイクロバルブ・アセンブリ１５を通してかのいずれかで、電池カバー１２と電気接触している。ブレース部材１７は、接触部材１３を中央位置に保持し、接触部材１３と電池カバー１２との間の電気接触がマイクロバルブ・アセンブリ１５を通して存在するときに、絶縁キャップ１４が、接触部材１３と電池カバー１２との間に電気絶縁を形成する。

一実施形態において、負極２３は、電気化学的活性材料としての亜鉛と、電解質とを含む。正極２４は、好ましくは多孔性且つ導電性であり、二酸化マンガンなどの触媒と、必要に応じて、結着剤とを含む。
装飾的なラベル２２は、正端子カバー２７が缶２６の端部を覆う、その端部以外の缶２６の外側を取り囲む。
一般に、図２に示される電池の構成要素は、上述のボタン電池の対応する構成要素と同様の組成物の材料から形成することができる。

本発明の教示から逸脱することなく付加的な電池部分、配置などを採用することもできることを理解すべきである。例えば、正極及び負極の位置は、逆とすることができ、すなわち、これは、空気の入口及びマイクロバルブ・アセンブリの対応する再配置を必要とする。さらに、１つ又はそれ以上のハウジング内の２つ又はそれ以上の電池は、同じマイクロバルブ・アセンブリを用いることもできるし、或いは１つより多いマイクロバルブ・アセンブリを単一の電池に接続することもできる。マイクロバルブ・アセンブリは、電池ハウジングの外部又は内部に配置することができる。流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電気化学電池内に組み込む前に作動するように設計することもできるし、或いは他の手法により電池内に組み込んだ後に機能し始めるように設計することもできる。一実施形態において、電池には、流体入口孔の上にシールが設けられる。別の実施形態においては、シールは、手で除去される。さらなる実施形態においては、マイクロバルブ・アセンブリの上には、電気装置の最初の作動で破断、穿孔又は分割されるシールが設けられる。

上述のように、空気減極電池においては、流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電池の外部、すなわち空気側から流体（空気）にアクセス可能な酸素還元電極の表面に作動的に接続され、これにより酸素還元電極への流体のアクセスを制御することができる。流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、該アセンブリが酸素還元電極の空気側にある限り、電池ハウジングに対して任意の適切な位置に配置することができ、すなわち、これに、この上に又はこの内部に作動的に接続することができる。例えば、流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、１つ又はそれ以上の空気入口ポートが配置されるハウジングのその部分の内面に接続するか又はこれに隣接して位置決めすることもできるし、或いは酸素還元電極に又はこれに隣接して接続することもできるし、酸素還元電極の空気側の内部シール部材、ブレース部材又はガス透過性シートなどの別の電池構成要素に接続することもできるし、或いは電池を含有するバッテリのケースに組み込むこともできる。

一実施形態において、印刷装置を用いて、流体調整マイクロバルブ・アセンブリの１つ又はそれ以上の層若しくは構成要素を形成する。これらの「印刷」及び「付着」という用語が本発明のマイクロバルブ・アセンブリ及びその方法を説明するために本明細書全体にわたって用いられているが、本発明の最も幅広い態様においては、マイクロバルブ・アセンブリの少なくとも１つの層は、１つ又はそれ以上の他の層にも印刷されることを理解すべきである。マイクロバルブ・アセンブリの１つ又はそれ以上の他の層は、１つ又はそれ以上の異なる方法及びこれらの組み合わせを用いて印刷又は形成することができる。印刷装置は、比較的速い速度で多数の構成の１つ又はそれ以上の層を基材に形成することができる。したがって、種々の形状及びサイズの流体調整マイクロバルブ・アセンブリを大量に量産することができる。基材は、マイクロバルブ本体などの、マイクロバルブ・アセンブリの一部を形成することもできるし、一旦印刷動作が実行されると、マイクロバルブ・アセンブリの印刷層から除去することもできる。後者の場合は、印刷層は、マイクロバルブ・アセンブリのみを形成することもできるし、或いはこれらの層を、ハウジングなどの、１つ又はそれ以上の他の構成要素若しくは層と併せて用いて、マイクロバルブ・アセンブリを形成することもできる。任意の適切な印刷法を用いることができる。印刷法の例としては、インクを印刷プレートに塗布して、印刷されることになる画像を形成し、ゴムの「ブランケット」に転写し、次いで基材に転写する間接（オフセット）法、及び画像が画像キャリアから基材に直接転写される直接法が挙げられる。リソグラフィは、オフセット法の一例であり、直接法の例としては、グラビア印刷、フレキソ印刷、スクリーン印刷、活版印刷、及び写真平版印刷が挙げられる。インク・ジェット及びレーザ・ジェット法などの印刷法は、マイクロバルブ・アセンブリを形成するように適合させることができる。好ましい印刷法としては、インク・ジェット印刷及びレーザ・ジェット印刷が挙げられる。市販されている印刷装置及びサービスを用いることができる。契約製造及び設計サービスは、ＷＡ、スポーケン及びＮＪ、ホイッパニー所在のＦｉｒｓｔ Ｉｎｄｅｘ社、並びに、ＰＡ、ヨーク所在のＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社及びＭＩ、デトロイト所在のＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓなどの会社から入手可能である。インク・ジェット・プリンタ又はプリンタ・サービスは、ＯＨ、クリーブランド所在のＲＥＡ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｋ ＧｍｂＨ社、独国のＭｕｅｈｔａｌ社、並びに、ＯＨ、ピクア所在のＡｅｓｔｈｅｔｉｃ Ｆｉｎｉｓｈｅｒｓ社から入手可能である。エッチング・サービスは、ＷＡ、タコマ所在のＮｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｅｔｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社、及びＩＬ、シカゴ所在のＦｏｔｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ社から入手可能である。レーザ切断及び他のサービスは、ＯＨ、ウースター所在のＭａｇｎｉ−ｆａｂ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ社、ＯＨ、アッシュランド所在のＳｃｈｏｏｎｏｖｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社、及びＩＮ、インディアナポリス所在のＭａｒｉａｎ社から入手可能である。小型スプリング又はスプリング状の装置は、ＩＮ、アンゴラ所在のＭｏｙｅｒ Ｓｐｒｉｎｇ社、又はカナダ、オンタリオ州、ブラントフォード所在のＭａｖｅｒｉｃｋ Ｓｐｒｉｎｇ Ｍａｋｅｒｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ社から入手可能である。

印刷装置に加えて、付加的な装置及び方法を組み合わせて用いて、マイクロバルブ・アセンブリを形成することができる。例えば、装置を用いて、マイクロバルブ・アセンブリの１つ又はそれ以上の層において孔又はベントを形成し、すなわち、これらに限定されるものではないが、切断、溶融、洗浄、溶解などといった工程などによってマイクロバルブ・アセンブリの層又はコーティングの一部を除去し、マイクロバルブ・アセンブリの一部を接合することができる。したがって、個々に又は組み合わせて、マイクロバルブ・アセンブリを準備するのに用いることができる付加的な装置としては、これらに限定されるものではないが、打抜き装置、ドリル装置、化学及び光化学エッチング法、並びにレーザなどの装置、ラミネート装置、機械加工若しくは微細加工装置などが挙げられる。１つ又はそれ以上の（ａ）フィラー・プラグなどの一時的な層、又は（ｂ）マイクロバルブ・アセンブリの恒久的な層の一部を洗浄又は溶融する装置及び方法を用いて、これらに限定されるものではないが、キャビティ、すなわち流体移送チャネル、或いは１つ又はそれ以上の部分の移動を可能にする自由空間などの所望の形状を形成することができる。基材又はその次の層の一部に付着しない１つ又はそれ以上の層を印刷することができ、その結果、それらは、隣接部分の移動を可能にする仕切り層として機能する。種々の材料及び技術の例は、引用により本明細書に完全に組み入れられる、米国特許出願番号第２００３／０２０１１７５号、米国特許第５，２４６，７３０号及び米国特許第４，８３０，９２２号に示されている。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、一般に、１つ又はそれ以上の流体孔を有する固定マイクロバルブ本体と、閉位置から開位置へ移動可能であり、これにより流体が該マイクロバルブ本体の１つ又はそれ以上の孔を通過することを可能にするマイクロアクチュエータとを含む。一実施形態において、流体調整マイクロバルブ・アセンブリ構造は、マイクロバルブ・アセンブリの層を基材に構築する印刷法を用いて達成される。これらに限定されるものではないが、金属、金属酸化物、ガラス、ポリマー、ゴム又はエラストマー及びこれらの組み合わせを含む、多くの異なるタイプの基材を用いることができる。
制限する意味ではない金属及び金属酸化物の基材の例は、シリカ、シリコン、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、亜鉛、銅、チタン、及びこれらの組み合わせ、並びに真鍮、青銅、ステンレス鋼及び形状記憶合金などの、これらの合金からなる。

制限する意味ではないポリマーの例は、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン又はポリプロピレンなどのポリオレフィン類、ポリエチレン・テレフタレート、ポリアミド、ポリエチレン・オキシドなどのポリオキシド類、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、ポリアルケン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリビニル・エーテル、ポリビニル・チオエーテル、ポリビニル・アルコール、ポリビニル・ケトン、ポリテトラフルオロエチレン（ＤｕＰｏｎｔ社からのＴＥＦＬＯＮ（登録商標））などのハロゲン化ポリマー、若しくはポリ塩化ビニル、ポリビニル・ナイトライド、ポリビニル・エステル、ポリアリレン、ポリスホネート、ポリシロキサン、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリアセタールなどのハロゲン化ポリビニル、又はこれらのコポリマー若しくは組み合わせからなる。
制限する意味ではない基材のゴム又はエストラマーの例は、ブタジエン、イソプレン、ペンタジエン、ヘキサジエン、オクタジエンなどを含む特定の例を持つ４個から約１２個の炭素原子を有する１つ又はそれ以上の同じ又は異なる共役ジエンからなるか又はこれらから誘導される。基材のゴムは、スチレン、アルファメチル・スチレン、ｔ−ブチル・スチレン又はアクリロニトリル、ビニルピリジンなどのビニル化合物、アクリル酸、メタクリル酸、アルキル・アクリレート、及びアルキル・メタクリレートなどの８個から１２個の炭素原子を含有する１つ又はそれ以上のビニル置換芳香族モノマーとの上述の共役ジエン・モノマーのコポリマーを含む。さらなるゴムは、エチレン・プロピレン・シクロペンタジエン・ターポリマー、エチレン−プロピレン−５−エチリデン−２−ノルボネン・ターポリマー、及びエチレン・プロピレン１，４−ヘキサジエン・ターポリマーなどの非共役ジエン（ＥＰＤＭゴム）とのオレフィンのコポリマーを含む。好適なゴムのさらなる例としては、ポリブタジエン、合成ポリイソプレン、天然ゴム、スチレン−ブタジエン・ゴム、ＥＰＤＭゴム、ニトリル・ゴム、ハロゲン化ゴム、ネオプレン、シリコーン・エラストマー、エチレン・アクリル・エラストマー、エチレン・ビニル・アセテート・コポリマー、エピクロロヒドリン・エラストマーなど、又はこれらの組み合わせが挙げられる。

基材層に用いられるか又は本発明の１つ又はそれ以上の他の層に用いられるかにかかわらず、ポリマー、ゴム、又はエラストマー、及びこれらの組み合わせは、独立して、種々の添加剤、充填剤、潤滑剤、安定剤、加工助剤、減成防止剤、ワックス、合成若しくは天然又はその両方の繊維、鉱物繊維、ガラス、クレイ、シリカ、相溶化剤、難燃剤、分散剤、着色剤などを含むことができ、これらは、当該技術分野及び文献に知られている通常の量で用いられる。天然繊維の例としては、これらに限定されるものではないが、綿及びセルロース繊維が挙げられる。合成繊維の例としては、これらに限定されるものではないが、ガラス繊維、ポリエステル、ナイロンとアラミドの両方のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びカーボン繊維が挙げられる。
基材は、性質が剛直又は柔軟である。好ましい実施形態において、基材は、剛直なシート又はフィルムである。好ましい実施形態において、基材は、概ね約０．０１ミリメートルから０．３７５ミリメートルまで、好ましくは約０．０５ミリメートルから０．２５ミリメートルまでの厚さを有する。一実施形態において、基材は、流体調整マイクロバルブ・アセンブリのマイクロバルブ本体の少なくとも一部を形成し、マイクロバルブ・アセンブリのマイクロアクチュエータが閉位置と開位置との間で作動するときに、固定位置にとどまる。基材は、流体に対して浸透性又は非浸透性とすることができ、該非浸透性基材は、流体調整マイクロバルブ・アセンブリを通過する流体の量をより正確に制御することが好ましい。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、一実施形態において、以下のように製造される。特定のマイクロバルブ・アセンブリの一実施形態が、図３に示される。所望の基材６２は、好ましくは意図される流体圧力を支持するのに十分な厚さを有する状態で設けられる。基材６２を穿孔又は切断して、流体が流れることになる孔７２を形成する。用いられる基材６２がマイクロバルブ・アセンブリに対する所望の面積より大きな面積のものである場合は、該基材を、形成すべき所望のマイクロバルブ・アセンブリのサイズに穿孔又は切断することができる。
マイクロバルブ・アセンブリの長さ、幅及び高さ寸法は、電池、バッテリ、又はケース設計における寸法及び所望の配置によって制限される。別個に、長さ及び幅は、全体的に、約２ミリメートルから約２５ミリメートルまで、好ましくは約５ミリメートルから約１０ミリメートルまでの範囲にわたるものである。１つの孔７２のサイズは、全体的に、約０．１ミリメートルから約１０ミリメートルまで、好ましくは約０．４ミリメートルから約２ミリメートルまでの範囲にわたるものである。一実施形態において、好ましいマイクロバルブ・アセンブリは、長さ５ミリメートル、幅５ミリメートルで、直径１ミリメートルの孔を有する。多数の流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、各々のマイクロバルブ・アセンブリ間に適切な間隔をもって行及び列に形成される単一の基材上に準備することができると考えられる。マイクロバルブ・アセンブリは、量産し、分離して、電池又はハウジング内に組み込むことができる。

次に、１つ又はそれ以上の層をその所望の領域内の基材６２に付着させる。こうした層は、マイクロバルブ本体又はマイクロアクチュエータの一部とすることができ、要求通りに、導電性又は非導電性とすることができる。第１の層を基材６２に付着させる。基材６２に付着された第１の層は、その各々が電気リードを形成する２つの線に付着された導電層６４とすることができ、その結果、各々のリードの一端が、マイクロバルブ・アセンブリの縁部に隣接する。好ましい実施形態において、導電層６４は、基材６２の長さ又は幅と平行な方向に延びる２つの電気リード線から形成される。
次に、絶縁層６６が、導電層６４の少なくとも一部にわたって、アセンブリに印刷される。絶縁層６６は、一般に、電気的に非導電性であり、以下に説明されるように、後で塗布される抵抗層の加熱に曝されたときに、分解したり、導電性になったり、又は意図せず後の層に付着したりしない、誘電体コーティング・シート又はフィルムなどからなる。こうした絶縁コーティングは、当業者には知られており、これらに限定されるものではないが、ウレタン、アクリレート、ポリスルホン、ポリシロキサン、ハロゲン化ポリマー、及びポリエステル、又はこれらの組み合わせを含むものである。一実施形態において、基材６２又は別の層、或いはこれらの組み合わせに付着した１つ又はそれ以上の絶縁層６６は、上記で基材６２について説明したように、非導電性又は誘電性のポリマー、ゴム、又はエラストマーから形成することができる。図３においては、３つの絶縁層が示されるが、任意の適切な数の層を用いて、所望の形態を形成することができる。１つより多い絶縁層を用いる場合には、各々の層は、同じ又は異なる材料とすることができる。幾つかの実施形態においては、絶縁層６６は、効果的な仕切り層特性を提供するように選択される。

図３に示される好ましい実施形態においては、絶縁層６６は、基材６２の１つ又はそれ以上の端部又は縁部付近の１つ又はそれ以上の領域を除く、マイクロバルブ・アセンブリの基材６２及び導電層６４のほぼすべてを覆う。図３に示す、６６、６８及び７０などの、１つ又はそれ以上の絶縁層の印刷を１つ又はそれ以上のパスに行って、例えば、孔が形成されることになる領域又は何らかの他の所望の領域において、絶縁層６６、６８、７０を基材６２に構築することができる。図３に示される好ましい実施形態においては、マイクロバルブ本体の絶縁層６６は、一般に導電層６４のリード線の間に、その一部に印刷されたさらなる絶縁層６８を有する。抵抗層７８が該抵抗層７８の加熱及び膨張中に絶縁層６８から離れる方向に膨張するように、絶縁層６８の上面を湾曲させる。マイクロバルブ本体はさらに、ボス７０として形成された付加的な絶縁層を絶縁層６８上に含む。ボス７０は、一般に、所望のシール特性を有するガスケットを形成するように働く、孔７２を取り囲む隆起したリムである。次に、レーザ又は化学エッチング法を用いて、第１の層の導電性の線の上の絶縁層の一部又は基材６２における孔７２の上のあらゆる絶縁層材料及びこれらの組み合わせを除去する。

その後、第１の層において用いられたものと同じタイプ又は異なるタイプのものとすることができる導電性材料を、レーザによって除去された領域に付着させて、絶縁層を通して突出する剛直な電気コンタクト７４を形成する。突出する電気コンタクト７４の導電性材料の組成は重要ではないが、該材料は、適切な抵抗率のものであり、剛直で、十分な結合強度を有し、以下に説明される抵抗層７８により容易に付着することが好ましい。しかしながら、液体の場合には、導電性材料は、基材又は他の層に印刷又はコーティングされ、導電性コーティングをそこにそのままにしておいた状態で、乾燥させることができることが重要である。導電性材料の例としては、これらに限定されるものではないが、金属、及びアルミニウム、炭素、銀、金、銅、白金又はこれらの組み合わせなどの導電性粒子を含有する溶媒和ポリマー溶液が挙げられる。溶媒和ポリマーの導電性固体の含有量は、一般に、混合物中の溶媒、ポリマー、及び導電性固体の総重量に基づく、約４０重量パーセントから約９０重量パーセントまでの範囲にわたる。所望の電気伝導率を提供するために混合物中に存在する必要がある導電性粒子量は、密度、伝導率などに対する粒子間の変動のために導電性粒子の素性によって変わる可能性がある。同じ又は異なるコーティングを、マイクロバルブ・アセンブリの同じ又は異なる層に用いることができる。導電性材料は、導電性粒子と適合性があり、それらと混合され、乾燥又は溶媒の除去の際に基材又は他の層に付着することになる、様々なフィルム形成ポリマーから構成することができる。導電性材料を形成するのに用いることができるフィルム形成ポリマーの例としては、これらに限定されるものではないが、ポリエステル及びポリアクリレートなどのポリマーが挙げられる。当業者であれば、導電性材料層に用いられる許容可能なポリマーの素性を容易に確認することができる。代替的に、電気化学又は蒸着手段により直接的な金属付着を単独で又は上記のポリマー・マトリックス・フィルムと組み合わせて用いて、導電層６４か又は突出する導電性電気コンタクト７４のいずれか、及びこれらの組み合わせを形成することができる。

１つ又はそれ以上の絶縁層６６、６８及び７０を基材６２の真上に形成し、該基材６２の孔７２を基材と絶縁層の両方を通して延びるように合わせた後に、孔７２は、コーティングのないまま、すなわち形成されたままにされる。次に、次の層が付着された後に洗浄除去又は溶融除去することができる材料プラグを各々の孔７２に配置する。好適な材料の例としては、ワックス、及び少なくとも一部を除去することができる低分子量ポリマーが挙げられる。プラグを用いて、マイクロバルブ・アセンブリに塗布された後続する材料が、孔７２を塞がないように、若しくは部分的に塞がないようにする。次に、仕切り層７６を絶縁層６８、７０の所望の領域に印刷し、その結果、抵抗層７８は、該絶縁層に付着しない。抵抗材料層７８を、マイクロバルブ・アセンブリの上面の所定の部分、一般的には仕切り層７６に付着させる。抵抗材料層７８は導電性であり、好ましくは絶縁層６６、６８、７０のすべてのものより大きい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。抵抗材料層７８は、少なくとも、絶縁層６６を通して上向きに突出する２つの電気コンタクト７４と電気的に接触し、さらに絶縁層６６、６８及び７０における孔７２を覆う領域において付着する。回路セグメントは、第１のリードから抵抗材料層７８を通り第２のリードまで延びる状態で形成される。抵抗材料層７８を、少なくとも１つの位置においてマイクロバルブ・アセンブリに固定する。抵抗材料層７８が形成された後に、材料プラグを孔７２から除去する。導電層の電気リード７４又はコンタクト６４を通して抵抗材料層７８に電位を印加したときに、抵抗材料層７８が加熱され、絶縁層６８、７０から離れる方向に歪み、抵抗材料層７８と、上に仕切り層７６を有する絶縁層６８、７０との間に、絶縁層及び基材の孔７２までの通路が形成され、該通路を流体が通過することができる。マイクロバルブ本体の基材６２、絶縁層６６、６８及び７０並びに仕切り層７６は、固定状態のまま維持され、一方、抵抗材料層７８からなるマイクロアクチュエータは、第１の位置から第２の位置へ移動して、これによりマイクロバルブ・アセンブリのマイクロバルブを開口し、その結果、孔７２を通る流体の流れを許容する。抵抗材料の例としては、これらに限定されるものではないが、上記の導電層６４及び７４について説明された材料が挙げられ、導電性粒子と、アルミニウム、特定の真鍮、青銅及びマグネシウムなどの高熱膨張金属とを含む高熱膨張の導電性ポリマー・マトリックス材料であることが好ましい。

マイクロバルブ・アセンブリは、必要に応じて、非導電性であることが好ましく、歪んでいる抵抗材料層７８を収容するキャビティを有する状態で形成されるカバー層（図３には示されていない）を含む。カバー層は、抵抗マイクロアクチュエータが第２の（開）位置にあるときは、流体が抵抗材料層７２と絶縁層６８、７０との間の通路内に又は該通路から流れることを可能にする少なくとも１つの孔を含むことが好ましい。代替的に、一般に、抵抗材料層７８からなるマイクロバルブのマイクロアクチュエータがマイクロバルブ孔７２から離れる方向に変形して、流体の流れを可能にするのに空間が使用可能である場合は、カバー層は用いられない。
上述の流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、必要に応じて、流体の流れを制御することを要求される場合は、基材６２から取り外され、電池内に組み立てられる。すなわち、基材６２が除去される場合は、一般に、絶縁層６６を、マイクロバルブ・アセンブリのマイクロバルブ本体の基部と考える。

代替的な実施形態においては、抵抗材料層は、図４Ａ及び図４Ｂに示される実施形態について以下に説明されるように、多層材料とすることができる。
流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、必要に応じて、ラッチを含む。図４Ａ及び図４Ｂは、ラッチがそれぞれ閉位置及び開位置にある状態の、マイクロバルブ・アセンブリの一実施形態を示す。図５に示すように、マイクロチップ又は内蔵超小型回路を含むことができる制御装置を付加して、寄生電力の消費なしにマイクロバルブが開口するのを維持することができる。制御装置は、基材の少なくとも一部にわたって延びてラッチ機構への電気的接続を形成する、マイクロバルブ・アセンブリの導電層に組み込まれた２つの付加的な導電性コンタクト線によって電気的に接続することができる。制御装置を用いて、電動器具の電池又はバッテリからの電力が必要とされるときにだけ、電力をラッチ機構に提供することができる。

ラッチ機構は、電流が通されたときに加熱されて湾曲することになる抵抗材料から形成された、多層アクチュエータ又はラッチ・アームを含む。図４Ａにおいては、ラッチ・アーム８２は、マイクロバルブが閉位置にあるときの、第１の位置において示される。ラッチ・アーム８２の反対側に接続された導電性ストリップ８４を通してラッチ・アーム８２全体にわたって電位を印加したときに、ラッチ・アーム８２が加熱されて、上に、そして左に湾曲させられる。同時に、導電性ストリップ６４を通して抵抗層７８全体にわたって印加された電位によって、抵抗層７８が、図４Ｂに示されるレベルを超えて膨張し、仕切り層７６と共に上に移動して、これによりラッチ・アーム８２が仕切り層７６から下向きの突出部９０を超えて移動することが可能にされる。次に、電位を抵抗層７８から除去し、抵抗層７８が冷却して、仕切り層７６及び抵抗層７８がラッチ・アーム８２によりこの位置に保持される、図４Ｂに示される位置に、僅かに下向きに移動する。一旦突出部９０が下向きに移動すると、それが、ラッチ・アーム８２を図４Ｂに示される第２の位置に保持することになり、その結果、ラッチ・アーム８２全体にわたる電位を除去することができ、ラッチ・アーム８２は、マイクロバルブを、図４Ｂに示される開位置に保持し、電流が抵抗層７８又はラッチ・アーム８２を通して流れていなくても、基材６２及び絶縁層６６、６８、７０において、流体が通ることができる、孔７２への通路を提供することになる。マイクロバルブは、制御装置に接続されており、電力が電池からもはや必要とされないことを制御装置が検知すると、制御装置は、抵抗層７８及び仕切り層７６が僅かに上向きに移動するのに十分な時間にわたって、導電性ストリップ６４を通して電位を抵抗層７８全体に印加することを可能にし、その結果、突出部９０は、もはやラッチ・アーム８２を保持しない。ラッチ・アーム８２は、電位が抵抗層７８から除去され、抵抗層７８が冷却された後に、その第１の位置に戻り、仕切り層７６及び抵抗層７８がその第１の位置に戻ることが可能になる。このように、電池からの電力は、マイクロバルブを閉位置（図４Ａ）から開位置（図４Ｂ）へ、逆もまた同様に移動させるためにのみ消費され、電池の有用な耐用寿命が延長される。

図４Ａ及び図４Ｂにおけるマイクロバルブ・アセンブリは、以下を除けば、図３のマイクロバルブ・アセンブリについて上述したものと同様の方法を用いて形成することができる。２つの付加的な導電性ストリップ８４を、基材６２の底面に付着させる。さらに、ラッチ・アーム８２を挿入することができる基材６２に孔を形成する。孔に角度を付けることができ、その結果、ラッチ・アーム８２は、図４Ａに示すように、基材６２の上面に対して鋭角をなすことになる。絶縁サブ層６６及び６８の一部を除去し（代替的には、サブ層６６及び６８が基材６２を完全には覆うわけではないような方法で付着される）、その結果、ラッチ・アーム８２が延びることができる、基材６２におけるラッチ・アーム孔の上にはサブ層６６及び６８におけるキャビティ９２が存在する。キャビティ９２は、ラッチ・アーム８２がその第１の位置と第２の位置との間で移動することを可能にするのに十分大きく、ラッチ・アーム８２が挿入されると、２つの対向する表面層（以下に説明される）の各々が導電性ストリップ８４の１つに近づくように、孔及びキャビティ９２が配置される。ラッチ・アーム８２を、ラッチ・アーム孔を通して挿入し、その結果、その遠位端は、サブ層６６及び６８におけるキャビティ９２内に延びる。ラッチ・アーム８２が基材６２を通して挿入された後に、ラッチ・アーム８２の対向する表面の層の各々と隣接する導電性ストリップ８４との間に、電気的接続が形成される。これは、導電性材料９４を塗布することによって行うことができ、該導電性材料は、さらにラッチ・アーム８２の端部をラッチ・アーム孔内の所定の位置に固定する導電性接着剤とすることができる。孔のラッチ・アーム８２の周りに非導電性材料を充填して、ラッチ・アーム８２を所定の位置に保持することを助け、流体がラッチ・アーム孔を通して流れないようにすることができる。下向きの突出部９０を仕切り層７６に付加することができる。

ラッチ・アーム８２は、図４Ａ及び図４Ｂに示され、以下に説明される多層の抵抗層７８のような、高及び低ＣＴＥサブ層を有する、多層構成要素とすることができる。それは、その遠位端のところ以外は、間に３つのサブ層、すなわち高ＣＴＥ材料のサブ層、低ＣＴＥ材料のサブ層及び非導電性材料のサブ層を有することが好ましい。遠位端において、抵抗材料層は、ラッチ・アーム８２の反対端における導電性ストリップ８４との電気接触点の間でラッチ・アームを通して完全な電気通路を形成するために直接接触している。

ラッチ機構を有するマイクロバルブを形成する代替的な方法において、ラッチ・アームは、例えば印刷法を用いて、例えばラッチ・アーム層及び仕切り層を付着させることにより、絶縁層におけるキャビティ内に付着される。これは、基材にラッチ・アームを挿入するための孔を形成する必要性、別個のラッチ・アーム挿入工程、及び後続する挿入されたラッチ・アームの周りにおける孔の充填を無くすことができる。ラッチ・アームのためのキャビティを基材に形成した後に、基材及び導電性リードの一部に仕切り層を付着させて、ラッチ・アームの端部が基材に固定されて導電性リードとの適切な電気コンタクトを形成することが望まれる、ラッチ・アームの一端のところ以外は、ラッチ・アームが導電性リードに付着しないようにする。ラッチ・アームの高ＣＴＥ層、非導電性層及び低ＣＴＥ層のストリップを逐次的に付着させて、高ＣＴＥ層の一端が導電性ストリップの１つに付着し、非導電性層が反対端のところ以外は高ＣＴＥ層を覆った状態で、ラッチ・アームを形成し、低ＣＴＥ層が高ＣＴＥ層の露出端部に付着される。低ＣＴＥ層はまた、高ＣＴＥ層の端部を越えて延び、他の導電性ストリップに付着して、一方の電気コンタクト・ストリップから高ＣＴＥ層及び低ＣＴＥ層を通して他方の電気コンタクト・ストリップへの電気通路を形成する。次に、ラッチ・アームが接触することができるマイクロバルブ・アセンブリの他の構成要素にラッチ・アームが付着しないようにする必要がある場合には、第２の仕切り層を完成したラッチ・アーム上に付着させることができる。こうした実施形態においては、ラッチ・アームを直接平坦な基材上に付着させるのではなく、ラッチ・アームが付着される角度が付けられた表面を設けて、その第１の位置から最適な（例えば、垂直な）第２の位置へ移動するためのラッチ・アームの配置を最適化することが望ましい場合がある。

図４Ａ及び図４Ｂに示されるマイクロバルブ・アセンブリの実施形態において、抵抗層７８は、２つのサブ層、すなわち、仕切り層７６に隣接して配置された低ＣＴＥのサブ層８６と、低ＣＴＥのサブ層８６の上に配置された高ＣＴＥのサブ層８８とを含む。低ＣＴＥのサブ層８６は、ガラス、シリコン又はＩＮＶＡＲ（登録商標）（約３６重量パーセントのニッケルからなる鉄合金）などの低ＣＴＥを有する材料から形成される。高ＣＴＥのサブ層８８は、単一層の抵抗層について上述されたものなどの、高ＣＴＥを有する材料から形成されてもよい。こうした多層構造体が、より大きな垂直方向の動きを生成して、より大きな流体通路を与えることができる。図４Ａ及び図４Ｂに示される実施形態は、その縁部において薄くなる抵抗層７８をも示す。これは、抵抗層７８を縁部においてより可撓性にすることができ、その結果、薄い周縁領域は、ヒンジとして機能する。
図３、図４Ａ及び図４Ｂにおけるマイクロバルブ・アセンブリに対する代替的な実施形態においては、仕切り層７６は、絶縁層６８に付着し、抵抗層７８には付着しない材料から形成することができる。これらの実施形態においては、孔７２及びラッチ・アーム・キャビティ９２もまた、仕切り層７６を通して延びて、抵抗層７８と仕切り層７６との間から孔７２までの流体通路を提供することになる。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリのさらなる実施形態が、図６の断面図において示される。断面図は、組み立てられたマイクロバルブ・アセンブリを形成するために、接着剤若しくはラミネート又はそれに類するものなどによって、接続されることになる所定の位置にある、２つのセクションのマイクロバルブ・アセンブリを示す。マイクロバルブ・アセンブリは、以下に説明されるように、好ましくは剛直なシート又はフィルムの形式の基材３６を含むマイクロバルブ本体を含む。基材３６は孔３７を含む。端部支持体３８は、好ましくは印刷法を用いて基材３６に付着される。ボス４８は、端部支持体３８と同じ材料を用いて孔３７の周りに付着させることができる。必要であれば、端部支持体３８及びボス４８を連続する層として基材３６に付着させ、続いて端部支持体３８及びボス４８を形成するために、材料の一部を除去することができる。ボス４８は、ボス４６との良好なシールを形成するために選択された、異なる材料であることが好ましい。代替的に、コーティングをボス４８及びボス４６の少なくとも一方の表面に付着させて、ガスケットとして機能させることができる。

図６に示されるマイクロアクチュエータを含むマイクロバルブ・アセンブリの上部は、少なくとも印刷法を用いて、非導電性膜シート４０上に形成される。一実施形態において、膜シート４０は、ポリマー・マトリックス半導体、ガラス、シリコン、ポリマー、ゴム又はエラストマーなどの、上記の基材について説明された材料から形成される。一実施形態においては、膜シート４０の選択された領域は、好ましくは少なくとも端部支持体４３上の領域における膜シート４０の２つの対向する端部に隣接してオーバープリントされ、ボス４６の位置から半径方向外向きに配置される支持体４３内の相対的に薄いセクションを形成するために、膜シート４０と同じ又は異なる材料を有する。抵抗材料を含む膨張層４１が、好ましくは印刷によって、膜シート４０に付着される。この実施形態においては、膨張層４１は、図４Ａ及び図４Ｂに示される実施形態の場合のような平坦な形状を有するのではなく、ボス４８の周りに配置された環状ストリップ状に形成されることが好ましい。導電性リードは、示されるように、コンタクト点４４及び４５の各々と膨張層４１との間に電気コンタクトを形成する。電位をコンタクト点４４及び４５に印加したときに、膨張層４１が、加熱し膨張して膜シート４０の変形を生じる。孔３９を膜シート４０内に配置して、流体をマイクロバルブの中央に入れることが好ましい。ボス４６は、一実施形態において、膜シート４０の下側に付着され、マイクロバルブ・アセンブリの下部においてボス４８を覆うのに大きさが十分であり、そのように配置される。ボス４６は、下方の環状ボス４８上のシーリング・プラグとして機能する。端部支持体４３は、膜シート４０の１つ又はそれ以上の下方縁部に沿って付着される。ボス４６及び端部支持体４３は、印刷法を用いて付着させることができる。必要があれば、端部支持体４３及びボス４６は、膜シート４０の下側の連続する層として付着させ、続いて材料の一部を除去して、端部支持体４３及びボス４６を形成することができる。

上記で説明されたように、上方及び下方端部支持体を接続して、マイクロバルブ・アセンブリを形成する。支持体は、当該技術分野において知られているようなラミネート又は接着剤によって接続することができる。必要に応じて、ガスケット又はシーラント層をボス４８に付着させて、ボス４６と共に孔３７を最適にシールする。ガスケット又はシーラント層は、マイクロバルブ及びマイクロアクチュエータの作動中にそれに接触するボス４６などの、層に付着しないエラストマー化合物から形成されることが好ましい。好適な材料としては、これらに限定されるものではないが、ポリエチレン・テレフタレート、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ）などのポリテトラフルオロエチレン、又はポリメチルシロキサンが挙げられる。開位置においては、流体は、端部支持体３８及び４３によってシールされない場合にはマイクロバルブの両側にあるギャップを通して、或いはマイクロバルブの両端がシールされる場合には、孔３９を通って、最終的には孔３７を通って電池又はバッテリ室内に流れ込むことができる。必要があれば、層の異なる部分（例えば、基材３６上の端部支持体３８及びボス４８、又は膜シート４０上の支持体４３及びボス４６）は、上述のように、同じ材料とすることができるか、又は異なる材料を含有することができるかのいずれかである。

図６に示される実施形態は、制御装置によって制御することができるラッチ機構を組み込むように修正することができる。例えば、図７に示されるように、ラッチ・アーム８２は、図４Ａ及び図４Ｂに示される実施形態について上述されたものと同様の方法で、基材３６における孔を通して挿入される。下向きの突出部９０を膜シート４０の下側に付着させて、マイクロバルブを開位置に保持するためにラッチ・アーム８２をその第２の位置に保持することができる。この実施形態においては、導電性ストリップ８４は、基材３６の上面に付着されるが、それらは、図４Ａ及び図４Ｂの実施形態に示されるように、底面に配置することができる。導電性ストリップ８４が基材３６の上面にある場合には、制御装置への電気的接続は、例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示されるマイクロバルブ・アセンブリにおける導電性層６４のリード線と抵抗層７８との間の電気的接続を形成することについて上述されたものと同様の方法で形成することができる。

図５は、本発明のマイクロバルブ・アセンブリのマイクロアクチュエータ５０のための制御回路の一実施形態を示す概略図である。マイクロアクチュエータ５０は、電気スイッチ５２と直列に接続された、一実施形態においては、印刷することができる制御装置５４に接続される。図５は、スイッチ５２、制御装置５４及びバッテリ５３と直列に接続された、負荷５１をも示す。制御装置５４は、それが接続される回路の電圧及び電流特性に対応する。制御装置５４は、マイクロバルブ・アセンブリによって流体の流れを調整又は最適化するために、マイクロアクチュエータ５０に給電された電位を変化させることができる。
本発明の流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、流体がマイクロバルブ本体の孔を通過することができない第１の位置から、流体がマイクロバルブ本体の孔を通過することを可能にする少なくとも第２の位置まで、様々な方向に及び方向の組み合わせに移動することができるマイクロアクチュエータを含む。移動としては、これらに限定されるものではないが、マイクロバルブ本体、特に孔の一部の方向へ及びこれから離れる方向への動き、直線的又は非直線的な動き、マイクロバルブ本体などの表面に平行な動き、及びラッチに係合又は係合解除するように働く動きが挙げられる。

一実施形態において、流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、それが流体のアクセスを制御している電池に、好ましくは直列回路で、電気的に接続される。さらなる実施形態においては、流体調整マイクロバルブ・アセンブリには、それが作動的に接続される電池以外の別個の動力源が提供される。マイクロバルブ・アセンブリの電気コンタクトと電池の電極との間の電気接続は、信頼性のある接続を提供する任意の適切な方法において達成することができる。例えば、マイクロバルブ・アセンブリの電極の１つは、酸素還元電極などの正極と直接物理及び電気接触するものとすることができる。代替的に、１つの電気コンタクトは、正極と電気接触している電池ハウジングの導電性部分と直接接触するものとすることができる。さらに、必要であれば、電気リードを用いて、正極との電気コンタクトを提供することができる。

電池の負極に電気的に接続されるマイクロバルブ・アセンブリの電気コンタクトは、電気リードと接続することができる。電気リードは、該リードが電気的にそれから絶縁される限り、正極、すなわち酸素還元電極の周りに又はこれを通る移動通路を有することができる。一実施形態において、マイクロバルブ・アセンブリを電池の負極に接続する電気コネクタは、そうでなければ、電池ハウジングの導電性部分、正極、集電体、又は正極の電気コンタクト、リード若しくはスプリングなどの別の電池構成要素を通して直接的か又は間接的のいずれかで正極と電気接触することになる、リードの如何なる部分をも絶縁する、誘電性材料を有するワイヤ又は薄い金属ストリップの形態とすることができる。さらなる例では、負極への電気リードは、ガスケット、絶縁体、缶、カバーなどの表面のような、１つ又はそれ以上の他の電池構成要素の一部に印刷されたか又は他の方法で付着した金属の１つ又はそれ以上の薄層の形態のものとすることができる。誘電性材料層は、正極からの必要な絶縁を提供するために、金属層の上又は下、或いはこれらの組み合わせにコーティングすることができる。

マイクロアクチュエータを作動させるために流体調整マイクロバルブ・アセンブリに印加された電位は、電池から作り出すことができる。例えば、マイクロバルブ・アセンブリに印加された電位は、上述のように、電池の電位とすることができる。電池の電位は、変化させることもできる。所望のマイクロバルブ・アセンブリのマイクロアクチュエータの動きを生成するために高圧が必要な場合には、電池の電位は、上方に調整することができる。電池の電位を調整すると、マイクロアクチュエータの異なるタイプの材料の使用が可能になる。電池の電位の増加は、例えば制御回路を用いて達成され、電池の電圧を調整又は上昇させ、これによりマイクロアクチュエータの動きをより強く誘起して、マイクロバルブ・アセンブリを作動させることができる。
制御回路を用いて、他の電池の構造体又は構成要素を制御することもできる。例えば、制御回路を用いて、酸素に対する必要性を監視し、次いでマイクロバルブ・アセンブリ全体にわたって電位を印加して、マイクロアクチュエータを開閉することができる。例えば、制御回路は、電池内の酸素レベルを監視するために、酸素センサを含むことができる。制御回路を用いて、別個の基準電極に対して電池の電圧を監視するか又は正極の電位を監視することもできる。制御回路は、本発明の印刷法又は別の方法を用いて印刷することができる。制御回路を、電池若しくはバッテリ構成要素に適用するか又は別個の基板若しくはウェーハ又はチップに含めることもできるし、或いはその他のあらゆる適切な配置を用いることもできる。

制御回路は、これらに限定されるものではないが、ヒューズ、誘導体、キャパシタ、抵抗器及びトランジスタを含む構成要素を有することができる。制御回路は、腐食流体との接触の際に機能しなくなるか、又は過剰な電流需要を受けたときに停止するように設計することができる。
本発明の流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、マイクロバルブ・アセンブリ及び電池のタイプ及び設計によって、様々な方法で電池に組み込むことができる。上述の一実施形態においては、流体調整マイクロバルブ・アセンブリは、電池ハウジング内に収容される。しかしながら、マイクロバルブ・アセンブリ、制御回路、又はこれらの組み合わせを電池ハウジングの外面とバッテリ・ジャケット又はケースとの間などの、電池の外部に配置することができる、本発明の他の実施形態が考えられることを理解すべきである。流体調整マイクロバルブ・アセンブリに必要な最小体積により、こうした実施形態は、小さな空間が電池とジャケット又はケースとの間で使用可能になる状態で、バッテリ内で実現可能となる。

上で開示されたように、本発明によるマイクロバルブ・アセンブリを用いる電気化学電池の好ましい実施形態は、空気減極電池である。別の好ましい実施形態は、空気補助電池である。さらに別の好ましい実施形態は、燃料電池である。好ましい電池形状は、ボタン形状である。別の好ましい電池形状は、円筒形形状である。さらに別の好ましい電池の形状は、柱状形状である。
本発明による電気化学電池は、１つ又はそれ以上の電池を含むバッテリの一部とすることができる。１つの好ましい実施形態において、１つより多いバッテリ電池が、単一のマイクロバルブ・アセンブリを共有することができ、別の好ましい実施形態においては、各々の電池が、別個のマイクロバルブ・アセンブリを有することができる。他の好ましい実施形態においては、マイクロバルブ・アセンブリは、バッテリ・ハウジング内又はこの上に配置することもできるし、或いはバッテリが取り付けられている器具の一部に取り付けることもできる。同様に、１つの好ましい実施形態において、１つより多い電池が、同じ制御装置を共有することができ、別の好ましい実施形態においては、各々の電池が、別個の制御装置を有することができる。他の好ましい実施形態においては、制御装置は、バッテリ・ハウジング内又はこの上に配置することもできるし、或いは制御装置の少なくとも一部は、バッテリが取り付けられている器具の一部に取り付けることもできる。

本発明を実施する者及び当業者であれば、開示された概念の精神から逸脱することなく種々の修正及び改良を本発明に加えることができることを理解するであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲によって、及び法律によって許可される解釈の範囲によって定められるべきである。

流体調整マイクロバルブ・アセンブリを含む電池の断面側面図である。 流体調整マイクロバルブ・アセンブリを含む第２の電池の断面側面図である。 流体調整マイクロバルブ・アセンブリの一実施形態の断面側面図である。 マイクロバルブ・アセンブリが閉位置にある、１つの別のラッチ装置を組み込む流体調整マイクロバルブ・アセンブリの一実施形態の断面側面図である。 ラッチ・アームがマイクロアクチュエータと係合した状態の、マイクロバルブ・アセンブリが開位置にある、図４Ａの断面側面図である。 バッテリと、制御装置と、マイクロアクチュエータと、スイッチとを含む回路図面の一実施形態の概略図である。 接続されるべき所定の位置にある２つの部分を含む流体調整マイクロバルブ・アセンブリの一実施形態の断面側面図である。 さらにラッチ装置を組み込んだ状態の、接続すべき所定の位置にある２つの部分を含む流体調整マイクロバルブ・アセンブリの一実施形態の断面側面図である。

Claims (20)

1. 電気化学電池のためのマイクロバルブ・アセンブリであって、
   ポリマー、エラストマー又はゴムからなり、第１の表面と第２の表面との間に配置された孔を備える、固定マイクロバルブ本体と、
   前記マイクロバルブ本体に接続され、流体が前記マイクロバルブ本体の孔を通過することができない第１の位置と、流体が前記マイクロバルブ本体の孔を通過することを可能にする第２の位置との間で移動することができ、且つ、熱によって作動する、移動可能なマイクロアクチュエータと、
   を備えることを特徴とするマイクロバルブ・アセンブリ。
2. 前記マイクロバルブ本体が、基材と、少なくとも１つの印刷された層とを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
3. 絶縁層が、前記基材の少なくとも一部に印刷されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
4. 前記絶縁層が、湾曲した上面を有し、且つ、仕切り層が、前記絶縁層の湾曲した上面にあることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
5. 前記マイクロバルブ本体の前記絶縁層が、前記バルブ本体の孔の周りにリムとして付着したボスを含むことを特徴とする請求項４に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
6. 前記マイクロアクチュエータが、少なくとも１つの印刷された層を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
7. 前記マイクロアクチュエータが、抵抗材料層を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
8. 前記抵抗材料層が、導電性粒子を含有する金属又はポリマーからなることを特徴とする請求項７に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
9. 前記マイクロバルブ・アセンブリが、前記マイクロバルブ本体上に配置された第１のリードから前記移動可能なマイクロアクチュエータの抵抗材料層を通り前記マイクロバルブ本体の第２のリードまで延びる回路セグメントを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
10. 前記第１のリードと前記第２のリードとの間に電位を印加すると、前記抵抗材料層が、加熱され、前記マイクロバルブ本体の孔から離れる方向に前記第２の位置まで歪むことを特徴とする請求項９に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
11. 前記マイクロバルブ・アセンブリが、前記マイクロバルブ本体に作動的に接続されるラッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
12. 前記マイクロバルブ・アセンブリが、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記マイクロアクチュエータの動きを制御することができる統合制御装置を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
13. 前記移動可能なマイクロアクチュエータが、１つ又はそれ以上の印刷された支持体を通して前記マイクロバルブ本体に作動的に接続され、且つ、前記移動可能なマイクロアクチュエータが、膜シートと前記膜シートに印刷された抵抗材料層とを備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
14. 前記マイクロアクチュエータが、前記第１の位置において前記マイクロバルブ本体の孔をシールして、前記マイクロバルブ本体の孔を通る流体の流れを阻止する、前記膜シートの底側に接続されたボスを含むことを特徴とする請求項１３に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
15. 前記移動可能なマイクロアクチュエータが、前記抵抗材料層への第１のリードから第２のリードまで延びる回路セグメントを含み、且つ、前記第１のリードと前記第２のリードとの間に印加される電位が、前記マイクロアクチュエータの歪み及び前記第１の位置から前記第２の位置への動きを生じさせることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロバルブ・アセンブリ。
16. １つ又はそれ以上の流体入口孔と、負極と、流体消費正極と、請求項１に記載のマイクロバルブ・アセンブリとを有するハウジングを備え、該マイクロバルブ・アセンブリが前記１つ又はそれ以上の流体入口孔に作動的に接続されている、ことを特徴とする電気化学電池。
17. 前記流体消費正極が、酸素還元電極であり、且つ、前記マイクロアクチュエータが、熱によって作動することを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
18. 前記マイクロバルブ・アセンブリが、前記ハウジング内の流体レベルを監視するようになっており、電位を前記マイクロバルブ・アセンブリ全体にわたって印加することができる制御装置を含むことを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
19. 前記電池が、前記マイクロバルブ・アセンブリを作動させるための唯一の動力電源であることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
20. 前記電池が、空気減極電池、空気補助電池又は燃料電池であることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。

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