JP4206732B2 - バルブ装置と流体制御チップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動で開閉を行うバルブ装置と流体制御チップに関し、特に、加振時に弁体が受ける力を利用するバルブ装置とこれを積層して使用する流体制御チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のナノテクノロジーや超微細加工技術の動きは目覚ましく、今後はこうした技術が融合して様々の応用技術に発展することが期待されている。
【０００３】
このような融合技術の１つとして、半導体チップと微小アクチュエータを一体化した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術、いわゆるマイクロマシンが注目されている。これはＬＳＩと実際の仕事を受け持つアクチュエータを一体化して数ｍｍ角のチップに収めるものであり、とりわけ微小な流体回路とＬＳＩ回路を組み合わせることが新たな融合を生むものとして期待されている。
【０００４】
こうしたチップは、流体回路として基板上に、少なくとも、液を流路に供給するためのマイクロポンプや、その流路、複数のセンサ、流路を開閉するマイクロバルブ、さらにはこれらを駆動するためのＬＳＩ回路が集積されてる。そして、流路は概ね管径数μｍ〜数百μｍのオーダであり、マイクロポンプとマイクロバルブはこの管径の大きさに縛られるものである。
【０００５】
ところでこのマイクロバルブは、一般のバルブとは隔絶した微小構造であるとともに、液漏れや、開閉動作の確実性、耐久性等の課題が解決されないと機能が果たせないものである。また、このマイクロバルブは制御が容易で正確でなければチップの流体回路の要素としては使えない。さらにこのマイクロバルブは、微小なためきわめて高い確実性が要求されるし、一般のバルブでは無視できるような慣性や振動、寸法誤差にも影響を受ける。
【０００６】
そこで、こうしたマイクロバルブとして好適の速動弁が提案された（特許文献１参照）。図１１は従来の速動弁の構成図である。この速動弁は、ハウジング１００内にチャンバ１０１を備え、この内部に、弁体１０３によって閉止されたバルブシート１０４が配置されている。バルブシート１０４は、軸方向に膨張及び収縮が可能なアクチュエータ１０５によって支持されている。アクチュエータ１０５は、作動信号に感応して収縮する。この結果バルブシート１０４が、弁体１０３が追随できないような高速にて弁体１０３から離れ、弁体１０３は慣性で動きが遅れ、バルブシート１０４を通過する流れを作る。この流れは弁体１０３を閉止位置に押し戻す。このような動作の繰返しで流体を流し制御するものである。そしてこの速動弁は、短い切換時間で切り換えることができ、高い反復速度を達成するものである。
【０００７】
【特許文献１】
特表２００１−５１２８１３号公報（第４−７頁、第１図、第５図、第６図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、微小な流体回路とＬＳＩ回路が融合したチップに大きな期待が寄せられているが、こうしたチップに組み込まれるマイクロバルブは一般のバルブとは隔絶した微小構造であるとともに、液漏れや、開閉動作の確実性、耐久性等の課題が解決されないと機能が果たせない。また、制御が容易で正確でなければチップの流体回路の要素としては使えないという課題があった。微小であるが故にきわめて高い正確性が要求され、しかも一般のバルブでは無視できるような慣性や振動、寸法誤差等にも大きな影響を受けるものである。
【０００９】
また、（特許文献１）で提案された速動弁は、短時間で切り換えることができ、高い反復速度が得られるものであるが、金属製ディスク等のバルブシート１０４の出入孔に弁体１０３を押圧して流路を閉鎖させるため、閉動作の確実性や高圧時、圧力変動時の耐圧性（液漏れ）等に問題があるものであった。しかも、流路の開度が圧電素子の動作幅（数μｍ〜数十μｍ程度）内に限定されるため、制御の正確性や応答性はコントロールが難しく、振動や寸法誤差等にも大きな影響を受け、且つ、ダイナミックレンジが狭く速動弁を流れる流体の最大流量は大きくできないものであった。このとき、大流量や連続流を流そうとすると、脈動の大きな流れとなってしまう。
【００１０】
そこで本発明は、制御が容易で且つ正確に行え、ダイナミックレンジが広く、応答が速く、脈動の少ないバルブ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、制御が容易で且つ正確に行え、交換が容易で経済的な流体制御チップを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、流体の入口と出口とを有するチャンバと、チャンバに収納される弁体と、チャンバに振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置を備えたバルブ装置であって、加振手段が、チャンバに加える振動の周波数及びまたは振幅を変更し、変更された振動によって弁体の振幅を変えて開度を変更するように構成したものである。
【００１３】
本発明は、高圧化しても液漏れせず、製作が容易で耐久性に優れ、制御が容易で且つ正確に行え、ダイナミックレンジが広く、応答が速く、脈動を少なくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと、チャンバに収納される弁体と、チャンバに振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置を備え、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉するバルブ装置において、加振手段は、チャンバに加える振動の周波数及び／または振幅を変更し、変更された振動によって弁体の振幅を変えることにより、出口の開閉または開度を変更することを特徴とするバルブ装置であり、振動の周波数及び／または振幅を変更して開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【００１５】
第２の発明は、加振手段が圧電素子であることを特徴とする請求項１記載のバルブ装置であり、制御が容易に行える。
【００１６】
第３の発明は、加振手段が着脱可能であることを特徴とする請求項１または２記載のバルブ装置であり、バルブ装置の部品を交換するときにも加振手段を再利用できる。
【００１７】
第４の発明は、駆動装置が着脱可能であることを特徴とする請求項１〜３記載のバルブ装置であり、バルブ装置の部品を交換するときにも駆動手段を再利用できる。
【００１８】
第５の発明は、加振手段がチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向に振動を加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバルブ装置であり、振動成分を最大限利用することができる。
【００１９】
第６の発明は、加振手段が、出口からの流体の流量を変更するとき弁体を移動させる所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバルブ装置であり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。
【００２０】
第７の発明は、加振手段が、出口からの流体の流量を増すときに周波数を上げることを特徴とする請求項６記載のバルブ装置であり、周波数の増加と流量の増加を一義的に対応させて制御できる。
【００２１】
第８の発明は、加振手段が、出口からの流体の流量を変更するとき弁体を移動させることができる所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには振幅域外の振幅で加振または加振を止めることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバルブ装置であり、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００２２】
第９の発明は、加振手段が、出口からの流体の流量を増すときに振幅を増すことを特徴とする請求項８記載のバルブ装置であり、振幅の増加と流量の増加を一義的に対応させて制御できる。
【００２３】
第１０の発明は、加振手段が、弁体による出口の開放時の前後における所定期間内に、周波数域の範囲内で本振動よりも高い周波数で加振することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のバルブ装置であり、立ち上がりを迅速にでき、その後に円滑に本振動を加えることができる。
【００２４】
第１１の発明は、加振手段が、弁体による出口の開放時の前後における所定期間内に、振幅域の中で本振動よりも大きな振幅で加振することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のバルブ装置であり、立ち上がりを迅速にでき、その後に円滑に本振動を加えることができる。
【００２５】
第１２の発明は、加振手段の振動の変更により、出口からの流体の流れを連続的な流れまたは間欠的な流れを生成することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のバルブ装置であり、波形のコントロールの１態様として脈動と連続流にすることができる。
【００２６】
第１３の発明は、加振手段が、弁体による出口の開放時の前後における所定期間内に、弁体とチャンバの内壁（弁座）との接触摩擦を低減するための周波数と振幅をもつ振動を与えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のバルブ装置であり、開放時に微振動を加えることにより弁体と弁座との摩擦力を低下させ、高圧化してもバルブ装置を円滑に開放することが可能になる。
【００２７】
第１４の発明は、加振手段は、弁体による出口の閉鎖時の前後における所定期間内に、弁体とチャンバの内壁との接触摩擦を低減するための周波数と振幅とを有する振動を与えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のバルブ装置であり、閉止時に微小振動を加えることにより、弁体と弁座との間の馴染みを増し、クサビ効果を向上させることができ、閉鎖を確実なものとすることにより高耐圧性をもたせることができる。
【００２８】
第１５の発明は、加振手段は、弁体による出口を開放する前の時点から出口を閉鎖した後の時点までの所定の期間に、弁体とチャンバの内壁との接触摩擦を低減するための周波数と振幅とを有する振動を与えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のバルブ装置であり、高圧化してもバルブ装置を円滑に開放し、且つ確実に閉鎖することが可能になる。
【００２９】
第１６の発明は、加振手段は、本振動に該本振動と異なる周波数と振幅とを有する振動を重畳させることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか記載のバルブ装置であり、高圧化してもバルブ装置を円滑に開閉することが可能になる。
【００３０】
第１７の発明は、加振手段は、チャンバ内に液体を充填する際に、出口から気体を放出し、且つ、液体をチャンバ内から出さない振動を与えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のバルブ装置であり、微小振動により弁体と弁座の間に生じた微小なギャップから気体だけは流出する。さらに、液体が充満してくると自然に振動が抑えられ、その後バルブ装置は閉止状態となるが、液体は弁体と弁座の間から流出することはない。
【００３１】
第１８の発明は、チャンバ下流側流路にガス抜き部が設けられ、液体は透過せずにガスのみを透過して排出することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のバルブ装置であり、内部の液体を外部に漏らすことなく、チャネル内の気体が圧縮されて流体の移動を阻害することを防ぐことができる。
【００３２】
第１９の発明は、チャンバ内を流体が充たしたとき、該流体の先頭部分を検出する頭出し検出手段が設けられたことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載のバルブ装置であり、流体の先頭部分を検出するため、流体の送り精度が向上し、検出後に外乱が加わっても液体の液漏れが生じない。
【００３３】
第２０の発明は、頭出し検出手段が、チャンバの出口から下流位置に設けられたことを特徴とする請求項１９に記載のバルブ装置であり、流体の先頭部分を検出するため、流体の送り精度が更に向上し、検出後に流体を円滑に送ることができる。
【００３４】
第２１の発明は、頭出し検出手段が振動検出手段または光学的検出手段であることを特徴とする請求項１９または２０に記載のバルブ装置であり、振動検出手段または光学的検出手段であるため、非接触ながら正確に流体の先頭部分を検出できる。
【００３５】
第２２の発明は、頭出し検出手段が着脱自在であることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれかに記載のバルブ装置であり、バルブ装置の部品を交換するときにも頭出し検出手段を再利用できる。
【００３６】
第２３の発明は、チャンバ内を流体が充たしたとき、該チャンバ内の状態変化を検出する状態検出手段が設けられ、該状態検出手段が検出したチャンバ内の状態変化から流体の物性または速度を検出することを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載のバルブ装置であり、振動検出または光学的検出等により、チャンバ内の状態変化を検出し、その検出状態の変化と検出時間とから流体の物性または速度を検出することができる。状態変化を与える手段を設けて、所定の入力の入力に対する応答としての状態変化を検出することでも物性を検出できる。
【００３７】
第２４の発明は、状態検出手段が、振動を検出する振動検出手段方式または光学的検出手段であることを特徴とする請求項２３記載のバルブ装置であり、振動検出手段または光学的検出手段であるため、非接触ながら正確に流体の先頭部分を検出できる。
【００３８】
第２５の発明は、状態検出手段が着脱自在であることを特徴とする請求項２３または２４に記載のバルブ装置であり、バルブ装置の部品を交換するときにも状態検出手段を再利用できる。
【００３９】
第２６の発明は、駆動装置は、加振手段の駆動波形を制御する制御部を有し、制御部は、状態検出手段によって検出された流体の速度または物性に基づいてバルブ制御データを調整することを特徴とする請求項２３〜２５記載のバルブ装置であり、バルブ装置を制御するときに、検出した速度や物性からバルブ制御データを調整でき、バルブ制御の精度を向上させることができる。
【００４０】
第２７の発明は、制御部は、バルブ制御データに関するバルブ制御テーブルが格納された記憶部を有することを特徴とする請求項２６に記載のバルブ装置であり、記憶部内のバルブ制御テーブルを更新することができ、バルブ制御の精度を向上させることができる。
【００４１】
第２８の発明は、状態検出手段によって検出された流体の物性から流体を特定することができる物性テーブルが記憶部に格納されたことを特徴とする請求項２７記載のバルブ装置であり、記憶部内のバルブ制御テーブルを更新することができ、バルブ制御の精度を向上させることができる。
【００４２】
第２９の発明は、請求項１〜２８のいずれかに記載のバルブ装置が、チャンバの横幅が数μｍ〜数百μｍのマイクロバルブであることを特徴とするバルブ装置であり、マイクロバルブの制御は通常のアクチュエータでは非常に困難であるが、簡単に制御できる。
【００４３】
第３０の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体を備えた複数のバルブ装置と、該複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられたバルブ配設基板と、バルブ配設基板に振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置を備え、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、加振手段が、制御するバルブ装置の固有振動数を単独または複数を重畳させた周波数でバルブ配設基板に振動を加えて、出口の開閉または開度を変更することを特徴とする流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００４４】
第３１の発明は、バルブ装置は、請求項１〜２９のいずれかのバルブ装置であることを特徴とする請求項３０記載の流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って上述した形態の複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００４５】
第３２の発明は、加振手段が、制御するバルブ装置ごとに振幅を変えて振動を加えることを特徴とする請求項３０または３１に記載の流体制御チップであり、振幅を変更するため開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【００４６】
第３３の発明は、バルブ配設基板において、少なくとも１つのバルブ装置を含むバルブ配設基板の所定の領域が、他のバルブ装置を含むバルブ配設基板の領域と異なる固有振動数を有していることを特徴とする請求項３０〜３２のいずれかに記載の流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ配設基板の領域の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００４７】
第３４の発明は、バルブ装置において、弁体の質量、形状、比重、表面粗さ、またはチャンバの形状、表面粗さの少なくともいずれかを変更して異なる固有振動数を有していることを特徴とする請求項３０〜３３のいずれかに記載の流体制御チップであり、弁体やチャンバの諸量を変更することで簡単に固有振動を変えることができる。バルブ配設基板に対する分割などがなく、強度を低下させることなく固有振動を変えることができる。
【００４８】
第３５の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体を備えたバルブ装置と、該バルブ装置が設けられたバルブ配設基板と、バルブ配設基板に振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置を備え、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、加振手段には、その振動方向と平行な面を有する固定部材が設けられ、該固定部材の取付面にバルブ配設基板が取り付けられていることを特徴とする流体制御チップであり、誰でも加振手段のバルブ配設基板への組み付けを容易に行うことができる。
【００４９】
第３６の発明は、固定部材とバルブ配設基板とが着脱自在であることを特徴とする請求項３５記載の流体制御チップであり、ユーザが流体制御チップのバルブ配設基板を交換するときに、加振手段を繰返して使用できて経済的となる。
【００５０】
第３７の発明は、バルブ装置に対してチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から所定の振動を加え、該振動の周波数及びまたは振幅を変更して、変更された振動によって弁体の振幅を変えて出口の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項３５または３６のいずれかに記載の流体制御チップであり、振動成分を最大限に利用でき、振動の周波数及びまたは振幅を変更して開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【００５１】
第３８の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めることを特徴とする請求項３５〜３７のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。
【００５２】
第３９の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには振幅域外の振幅で加振または加振を止めることを特徴とする請求項３５〜３８のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００５３】
第４０の発明は、バルブ配設基板に複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられ、制御したいバルブ装置の固有振動数を単独または複数を重畳させた周波数で振動を加えて出口の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項３５〜３９のいずれかに記載の流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００５４】
第４１の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体を備えたバルブ装置と、当該バルブ装置を少なくとも１つ以上配設するバルブ配設基板と、バルブ配設基板に振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置を備え、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、加振手段の振動方向と少なくともバルブ配設基板を含む構造体の重心位置が、一致していることを特徴とする流体制御チップであり、流体制御チップ内の振動分布が一様になる。
【００５５】
第４２の発明は、バルブ装置に対してチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から所定の振動を加え、該振動の周波数及び／または振幅を変更して、変更された振動によって弁体の振幅を変えて出口の開閉または開度を変更変更することを特徴とする請求項４１記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数及び／または振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００５６】
第４３の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めることを特徴とする請求項４１または４２のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。
【００５７】
第４４の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには振幅域外の振幅で加振または加振を止めることを特徴とする請求項４１〜４３のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００５８】
第４５の発明は、バルブ配設基板に複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられ、制御したいバルブ装置の固有振動数を単独または複数を重畳させた周波数で振動を加えて該出口の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項４１〜４４のいずれかに記載の流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００５９】
第４６の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体を備えたバルブ装置と、該バルブ装置を少なくとも１つ以上配設するバルブ配設基板と、バルブ配設基板に振動を加える加振手段と、加振手段を駆動する駆動装置と、バルブ配設基板を保持する保持部材が加振手段に設けられ、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、バルブ配設基板を保持部材へ固定する固定位置が３点以上であり、且つ、固定位置で囲まれる領域にバルブ装置が設けられていることを特徴とする流体制御チップであり、流体制御チップの剛性が小さい場合でも３点支持により固定領域の振動分布が一様になる。
【００６０】
第４７の発明は、保持部材とバルブ配設基板が着脱可能であることを特徴とする請求項４６記載の流体制御チップであり、流体制御チップの部品を交換するときにも保持部材を再利用できる。
【００６１】
第４８の発明は、バルブ装置に対してチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から所定の振動を加え、該振動の周波数及び／または振幅を変更して、変更された振動によって弁体の振幅を変えて出口の開閉または開度を変更変更することを特徴とする請求項４６または４７に記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数及び／または振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００６２】
第４９の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めることを特徴とする請求項４６〜４８のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。
【００６３】
第５０の発明は、出口からの流体の流量を変更するときには弁体を移動させることができる所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには振幅域外の振幅で加振または加振を止めることを特徴とする請求項４６〜４９のいずれかに記載の流体制御チップであり、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００６４】
第５１の発明は、バルブ配設基板に複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられ、制御したいバルブ装置の固有振動数を単独または複数を重畳させた周波数で振動を加えて該バルブ装置の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項４６〜５０のいずれかに記載の流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００６５】
第５２の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと、チャンバに収納される弁体と、を備えたバルブ装置であって、チャンバに加えられる振動の周波数及び／または振幅を変更し、変更された振動によって弁体の振幅が変わり、出口の開閉または開度を変更することを特徴とするバルブ装置であり、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数及び／または振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【００６６】
第５３の発明は、振動がチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から加えられることを特徴とする請求項５２記載のバルブ装置であり、振動成分を最大限利用することができる。
【００６７】
第５４の発明は、加振手段の振動の変更により、出口からの流体の流れを連続的な流れ及び／または間欠的な流れを生成することを特徴とする請求項５２または５３に記載のバルブ装置であり、波形のコントロールの１態様として脈動と連続流にすることができる。
【００６８】
第５５の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体を備えた複数のバルブ装置と、該複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられたバルブ配設基板とを備え、加振手段による振動により弁体がチャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、該チャンバを振動させる振動の固有振動数を単独または複数重畳させた振動をバルブ配設基板に加えることにより、出口の開閉または開度が変更されることを特徴とする流体制御チップであり、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【００６９】
第５６の発明は、振動がチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から加えられることを特徴とする請求項５５記載の流体制御チップであり、振動成分を最大限利用することができる。
【００７０】
第５７の発明は、振動の変更により、出口からの流体の流れを連続的な流れ及び／または間欠的な流れを生成することを特徴とする請求項５５または５６に記載の流体制御チップであり、波形のコントロールの１態様として脈動と連続流にすることができる。
【００７１】
第５８の発明は、流体の入口と出口とを有するチャンバと該チャンバに収納される弁体とを備えたバルブ装置であって、チャンバを含み、かつ入口と出口につながる流路にて、２点間の流体の通過時間を測定する検出手段を設けたことを特徴とするバルブ装置であり、流体の速度、すなわち流量を検出することが可能になる。
【００７２】
第５９の発明は、検出手段が光学的検出手段であることを特徴とする請求項５８記載のバルブ装置であり、非接触で測定できる。
【００７３】
第６０の発明は、検出手段が、チャンバの入口から上流位置に設けらたことを特徴とする請求項５８または５９に記載のバルブ装置であり、下流側のチャンバでのバルブ制御が容易になる。
【００７４】
第６１の発明は、検出手段にて、流体の流速または物性を特定することを特徴とする請求項５８〜６０のいずれかに記載のバルブ装置であり、チャンバ及び流路内の状態変化を検出し、その検出状態の変化と検出時間とから流体の物性または速度を検出することができる。
【００７５】
第６２の発明は、検出手段が着脱自在であることを特徴とする請求項５８〜６１のいずれかに記載のバルブ装置であり、バルブ装置の部品を交換するときにも検出手段を再利用できる。
【００７６】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。
【００７７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置を使用した流体回路チップの全体構成分解斜視図、図１（ｂ）は（ａ）のバルブ装置の一部破断斜視図である。
【００７８】
最初に実施の形態１のバルブ装置を使用した流体回路チップの全体構成について説明する。図１（ａ）において、１は振動を加えたときの弁体の慣性、及びＶ字状の内壁面（弁座）からの反力、さらに供給される流体の圧力とにより開閉される弁機構が設けられたバルブ配設チップ、１ａはバルブ配設チップ１の弁機構を構成するマイクロバルブ、２ａはマイクロバルブ１ａに供給する流体を保持するリザーバＺを備えたリザーバ部、２ｂは測定のための各種センサＢが設けられ所定の回路に構成された流体回路Ｃを備えた流体回路チップ本体である。なお、リザーバ部２ａから流体を送り出すためにはポンプ作用をもつ装置が必要である。実施の形態１においては図１に示すようなシリンジポンプＤを用いている。これらは、リザーバ部２ａに流体を供給してこれを保持させた後、モータＤ２を駆動して、ラックとピニオンＤ３の作用でシリンジＤ１を押し出すものである。これによりシリンジＤ１の内部の空気を押し出し、この空気圧でリザーバ部２ａ内の流体（液体）を供給する。但し、ポンプは他の形式のポンプでもよい。また、実施の形態４で後述するが、流体回路チップの下面に流出側リザーバ部２ｃ（図７参照）を設けることができる。バルブ配設チップ１、リザーバ部２ａ、流体回路チップ本体２ｂはいずれも所定厚さの板状体である。また、本実施の形態においては以下マイクロバルブ１ａを説明するが、これは本発明の好ましいいくつかの実施の形態を示しているにすぎず、加振を利用して制御できるバルブ装置であればこれに限られないのは当然である。
【００７９】
また、３はマイクロバルブ１ａの弁の開閉を行うクサビ状頭部を両端に形成された弁体、３ｖはそのクサビ状頭部、４は流路と交差する方向からバルブ配設チップ１に振動を加えて弁体３を制御する圧電素子（本発明の加振手段）であり、バルブ配設チップ１とは着脱自在に構成されている。なお、クサビ状頭部３ｖは弁体３の一端側（出口側）に形成するだけでよいが、本実施の形態１の場合、これを両端に設けているのは逆止弁の機能を入口側のクサビ状頭部３ｖに与えるためである。バルブ配設チップ１とリザーバ部２ａは組み合わされて流路制御ユニットを構成し、これが流体回路チップ本体２ｂ上で積層されて、全体として流体制御チップを構成する。さらに流出側リザーバ部２ｃと積層されることもある。バルブ配設チップ１とリザーバ部２ａ、流体回路チップ本体２ｂを交換すればシリンジポンプ等のポンプや圧電素子４は繰返し使用できる。
【００８０】
次に、バルブ配設チップ１の詳細について説明する。図１（ｂ）において、５はマイクロバルブ１ａの内部流路が打ち抜き溝状に形成されたバルブ本体基板、５ｂは打ち抜き形状の溝の下面を覆って流路とする下部基板である。バルブ本体基板５の上面はリザーバ部２ａが積層されて覆われ、溝内が流路として構成される。なお、バルブ本体基板５は、マイクロバルブ１ａを構成するため基板と呼称しているが、これに限られない。マイクロバルブ１ａ以外のバルブ装置の場合には、バルブ本体基板５というよりバルブ本体基板ということになる。
【００８１】
６はリザーバ部２ａとの流路接続ポートとなる入口ポート、７は所定幅で所定高さの入口側チャネル、８は弁体３を内部に収容したバルブチャンバである。８ａはバルブチャンバ８に形成されたV字状の弁座、９は所定幅で所定高さので出口側チャネル、１０は流体回路チップ本体２ｂとの流路接続ポートとなる出口ポートである。なお、実施の形態１においてはこの入口ポート６、入口側チャネル７が本発明の入口に相当し、出口側チャネル９、出口ポート１０が本発明の出口に相当するが、入口、出口の形態はこれに限られない。また、入口ポート６、入口側チャネル７、出口側チャネル９、出口ポート１０はバルブチャンバ８と一体に形成されている。
【００８２】
入口側チャネル７とバルブチャンバ８、出口側チャネル９は、弁体３に回転もしくは揺動が生じないように流路の中心線が直線に配置されるのが望ましい。出口チャネル９の幅は数μｍ〜数百μｍであり、チャンバ幅はこれより大きいが概ねこれと同じオーダであり、弁体長はチャネル幅の２〜１０倍程度が好ましい。入口ポート６からの圧力（背圧）によって弁体３は背後から押され、クサビ状頭部３ｖが弁座８ａとクサビ効果によりガタつかず円滑に嵌合することができる。すなわち、傾斜面に対して傾斜面とは異なる方向（本実施の形態では背圧ｐの方向）より力を加えることで、テコの原理により増力されるためである。さらに、本実施の形態１においては弁座８ａはＶ字状で中心線に関して対称に設けられているが、単純な傾斜面であってもよい。このとき弁体３も同様な形状となる。
【００８３】
次に、実施の形態１のマイクロバルブ１ａを制御する駆動装置について説明する。図２は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の駆動装置の構成図である。図２において、４ａは圧電素子４を構成するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電層、４ｂは圧電層４ａに電圧を印加する電極シートである。圧電層４ａを挟んで対向している電極シート４ｂの一方は接地され、他方に制御のための所定駆動周波数の電圧が加えられる。
【００８４】
１１はマイクロバルブ１ａの弁体３の位置を制御する駆動装置、１２は電源部である。１３は電源部１２から供給される電流や電圧の周波数や振幅を変化させたり、波形を整形したりする波形制御部、１４はこの波形制御部１３で行う波形の整形に対して外部から制御動作ごとに指定して制御することができる入力部、１５は波形制御部１３で整形されたアナログ制御信号の振幅を制御するアンプである。アンプ１５からの駆動電流が正負に変化することで、圧電素子４が膨張と伸縮を繰返すことが可能になる。
【００８５】
１６はディスプレー（図示しない）に表示を行う表示部、１７は駆動装置１１のシステム全体を制御する中央制御部（本発明の制御部）、１７ａはＤ／Ａ変換器、１８は中央制御部１７のための制御プログラムやデータを格納した記憶部、１８ａはマイクロバルブ１ａの制御動作ごとに制御データが格納されたバルブ制御テーブルである。なお、中央制御部１７は中央処理装置（ＣＰＵ）に記憶部１８から制御プログラムを読み出して動作する機能実現手段として構成される。従って、中央制御部１７と入力部１４、表示部１６、記憶部１８、バルブ制御テーブル１８ａを駆動装置１１と分けてパソコン等で構成することもできる。この場合駆動装置１１は着脱自在となる。そして、駆動装置１１からの駆動出力はアナログ信号であるのに対して、中央制御部１７からの制御信号は専らデジタル信号であるため、途中でＤ／Ａ変換の必要がある。できるだけ中央制御部１７側でデジタル処理し、アナログ処理を簡単にするのが好ましい。
【００８６】
実施の形態１の駆動装置１１を運転する場合、ディスプレー上にコントロール対象のバルブ一覧とその制御動作一覧を表示させ、どのバルブにどのような動作をさせるかを選び、必要な設定を入力部１４から行う。中央制御部１７は、入力された設定値と共にバルブ制御テーブル１８ａから制御データを取り出し、圧電素子４に加える駆動電流を決定して、波形制御部１３によって波形を整形する。実施の形態１においては、以下説明するようにバルブ制御のための駆動電流の振幅Ａ_dr，周波数ｆ_drが読み出されて制御される。駆動電流によって圧電素子４は振幅Ａ，周波数ｆ_cで振動させられる。基本的にｆ_dr＝ｆ_cが成立し、Ａ_drは増幅されるがＡにほぼ比例する。
【００８７】
そこでまず最初に、実施の形態１のマイクロバルブ１ａが圧電素子４からの加振によって、とくに振幅Ａ，周波数ｆ_cを調整することにより、バルブ制御が可能になる原理について説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の弁体を加振したときの状態図、図３（ｂ）は（ａ）の弁体に加わる力を示す説明図である。
【００８８】
図３（ｂ）に示すように、マイクロバルブ１ａの弁座８ａはθのテーパ角をもち、同じくθのクサビ状頭部３ｖの角度をもつ弁体３と、入口側からの背圧のためある時点で接触していると仮定する。このとき弁体３には入口側チャネル７の方から背圧を含む付勢力Ｐ_vが加わっており、バルブ配設チップ１には流路方向と直交して圧電素子４による振幅Ａ，周波数ｆ_cの振動が加えられる。これにより弁体３はバルブ配設チップ１からみたとき相対加速度α_v、相対速度ｕ_vで運動する。相対加速度α_v、相対速度ｕ_vは、振幅Ａ，周波数ｆ_cの関数となる。
【００８９】
ところで、弁体３に加わる慣性力Ｆ_vはＦ_v＝ｍ_v・α_vで表される。また弁体３が受ける流体抵抗Ｒ_dの抵抗係数をＫ_vとすると、Ｒ_d＝Ｋ_v・ｕ_v ⁿ（ｎは流体によって異なる実測値）となる。そして摩擦力Ｒ_fは摩擦係数をＫ_fとすると、Ｒ_f＝Ｋ_f・（Ｐ_vｃｏｓθ）となる。
【００９０】
従って、まず、弁体３の運動を解析するために、弁座８ａに沿った方向の値からの釣り合いを考える。弁座８ａに沿った方向の力Ｆ_v ^*は、弁座８ａに沿った方向の相対加速度をα_v ^*、相対速度をｕ_v ^*としたとき、（数１）が得られ、α_v ^*＝Ｆ_v ^*／ｍ_vとなる。
【００９１】
【数１】

【００９２】
従って、弁座８ａに沿った方向の弁体３の変位をｄ_v ^*とすると、（数２）となる。
【００９３】
【数２】

【００９４】
これらから、（数３）（数４）が得られる。（数４）によれば、（数４）の第１項はｍ_v・α_v ^*の積分に比例した慣性項であり、第２項はＫ_v・ｕ_v ^*nの積分に比例した流体抵抗項、さらに第３項は摩擦力に比例した摩擦力項であることが分かる。
【００９５】
【数３】

【００９６】
【数４】

【００９７】
弁体３はこの（数４）に従って弁座８ａに沿った方向に（数３）のｄ_v ^*だけ変位するが、このときの弁体３の流れに垂直な方向の相対加速度α_v、相対速度ｕ_vは、（数５）（数６）で表される。弁体３の幅方向の変位ｄ_v（振幅）はｄ_v ^*ｃｏｓθで表される。
【００９８】
【数５】

【００９９】
【数６】

【０１００】
しかし、（数３）（数４）さらに（数５）（数６）は、いずれも差分法などの離散化方式により解かざるを得ない。そこで、ここでは数値解を得る前に（数３）を基に、振幅Ａまたは周波数ｆ_cを固定して定性的に検討する。まず、振幅Ａを固定し、このときの周波数ｆ_cの変化を検討する。図４は本発明の実施の形態１のバルブ装置に加える振動の角周波数とバルブに作用する力の関係説明図である。
【０１０１】
説明のため以下角周波数をω（ω＝２πｆ_c）を用いると、角周波数ωが所定のω₁より小さいω＜ω₁の場合には、（数３）の第１項の慣性力が作用し運動しようとするが、エネルギー不足のため第３項の摩擦力が打ち勝ち、弁体３の変位は起こらない。当然第２項の流体抵抗も発生しない。従って相対加速度α_v、相対速度ｕ_vも０となる。いわば弁体３は弁座８ａに収まり、移動しない状態を続けるバルブ操作不可領域である。
【０１０２】
次いで、ω₁≦ω≦ω₂の場合には、第１項の慣性力が大きくなって、第３項の摩擦力の大きさを越えるため、運動が発生する。これに伴って、第２項の流体抵抗も発生する。この領域はバルブ操作可能領域となる。α_v ^*、ｕ_v ^*は角周波数ωの関数であり、圧電素子４による振幅Ａ，角周波数ωで与える振動はどのような波形となる関数でもよいが、（数２）からも分かるようにｕ_v ^*はこの関数の微分であって、ω自身とωの関数の微分の積に比例する。また第２項はＫ_v・ｕ_v ^*nを要素とするから、第２項はωのｎ乗成分に比例する要素をもっていることが分かる。これはω₁に近いところでは第２項は小さいが、ω₂に近いところになると第２項は急に大きな値をもつ傾向があることが分かる。この流体抵抗が弁体３を開くのを抑える成分となる。
【０１０３】
これに対し、第１項の慣性力は、振動の関数の２階微分であって複雑であるが、ｕ_v ^*がω自身とωの関数の微分の積に比例しながら大きくなることからも分かるように、第１項の慣性力は概ねωに関して徐々に大きくなる。この慣性力が弁体３を開こうとする成分となる。
【０１０４】
従って、図４に示すようにマイクロバルブ１ａはω₁でバルブの開閉が可能になり、これからωが大きくなると弁体３を開こうとする成分が流体抵抗成分より大きく状態が続き、ω₂に近づき流体抵抗が急激に増大すると、弁体３を開こうとする成分が相殺され、その実効成分が減少を始め、ω₂でこれが０となる。
【０１０５】
ω₂＜ωになると、第１項の慣性力の方が第３項の摩擦力より小さくなり、運動が停止する。この状態ではマイクロバルブ１ａの開放力は十分でなく動作しなくなる。従ってこの領域はバルブ操作不可の領域である。
【０１０６】
続いて、周波数ｆ_cを固定したときの振幅Ａによる変化を検討する。このとき振幅Ａは時間ｔの関数でなく、定数とする。この変化は振幅Ａを固定したときの周波数ｆ_cの変化とまったく同様であり、所定のＡ₁に対してＡ＜Ａ₁の場合には、（数３）の第１項の慣性力が作用し運動しようとするが、エネルギー不足のため第３項の摩擦力が打ち勝ち、弁体３の変位は起こらない。当然第２項の流体抵抗も発生しない。この領域はバルブ操作不可領域である。
【０１０７】
また、Ａ₁≦Ａ≦Ａ₂の場合には、慣性力が弁体３を開こうとする成分である第１項の慣性力が大きくなって、第３項の摩擦力の大きさを越えるため運動が発生する。これに伴って、第２項の流体抵抗も発生する。慣性力はＡに比例しながら大きくなるが、流体抵抗はＡのｎ乗成分に比例する要素をもっているため、Ａ₁に近いところでは第２項は小さいが、Ａ₂に近いところになると第２項は急に大きな値をもつことが分かる。従って、マイクロバルブ１ａはＡ₁とＡ₂の間で弁体３の開度が制御可能となり、Ａ₂で弁体３を開こうとする力が０となる。
【０１０８】
Ａ₂＜Ａになると、第１項の慣性力の方が第３項の摩擦力より小さくなり、運動が停止する。この状態ではマイクロバルブ１ａの開放力は十分でなく動作しなくなる。この領域はバルブ操作不可領域である。
【０１０９】
このようにバルブ操作可能な領域はω₁≦ω≦ω₂もしくはＡ₁≦Ａ≦Ａ₂の範囲ということが分かる。しかし、制御のためには角周波数ωもしくは振幅Ａと作用する力Ｆ_v ^*との関係が一義的に（一対一に）対応する方がよい。そこで、実施の形態１のマイクロバルブ１ａは、角周波数ωに関して、作用力Ｆ_v ^*が単純に増加する範囲、すなわちω₁≦ω≦ω_m内、もしくは、同様に振幅Ａに関して、作用力Ｆ_v ^*が単純に増加する範囲、すなわちＡ₁≦Ａ≦Ａ_m内で制御するのが望ましい。但しω_m＜ω≦ω₂、Ａ_m＜Ａ≦Ａ₂を利用することもできる。また、マイクロバルブ１ａを閉止したい場合にはω＝ω₁以下かω₂以上、もしくはＡ＝Ａ₁以下かＡ₂以上にすればよい。
【０１１０】
以上の説明で分かるように、弁体３の変位ｄ_v ^*は駆動装置１１から与える振幅Ａまたは角周波数ωの変化でバルブの開度を制御することが可能となる。例えば図３（ａ）を参照すると、図３（ａ）の上段の状態図は弁体３に背圧がかかりマイクロバルブ１ａを閉止していることを示しており、中段の状態図は、バルブチャンバ８が圧電素子４によってＸ方向へ加振され、この作用で弁体３が弁座８ａから背圧ｐと反対方向の力成分を受けて、背圧ｐと反対方向へ押し上げられ、大きな流路Ｅ^*が形成されている。なお、この押し上げというのは、弁体３が、駆動電流の角周波数ωや振幅Ａの大きさ等に従って、弁座８ａ上を摺動（スライド）したり、場合によって弁座８ａから跳ね上げられて移動するものである。
【０１１１】
また、下段の状態図は、中段の状態図とは逆に、バルブチャンバ８が圧電素子４によってＹ方向へ加振され、この作用で弁体３が弁座８ａ^*から背圧ｐと反対方向の力成分を受けて、背圧ｐと反対方向へ押し上げられ、大きな流路Ｅが形成されたことを示している。なお、バルブ制御に当って、弁体自身の質量、弁座８ａ，８ａ^*のテーパ角θ等を選択することでバルブ特性を変えることにより、弁開度を調節できる。
【０１１２】
そこで、以上説明した圧電素子４の駆動電流の角周波数ωや振幅Ａを制御することによって様々のバルブ制御、例えば流量制御や起動制御、流量波形制御等が可能になる。図５（ａ）は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の流量制御の説明図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の起動制御の説明図、図５（ｃ）は本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の流量波形制御の説明図である。
【０１１３】
図５（ａ）に示すように、マイクロバルブ１ａに対して圧電素子４から高周波の振動を加えると、大きなエネルギを受けて、弁体３は大きな振幅で振動を起こす。これによってマイクロバルブ１ａは大きな開度で流体を流すことができる。これに対して低周波の振動を加えた場合は、弁体３は小さな振動となり、小さな開度で流体を流すことができることがわかる。
【０１１４】
同様に、マイクロバルブ１ａに対して圧電素子４から大振幅の振動を加えることによって、弁体３は大きな振幅で振動を起こし、マイクロバルブ１ａは大きな開度で流体を流すことが可能になる。さらに小振幅の振動を加えた場合は、弁体３は小さな振動を起こし、小さな開度で流体を流すことができる。
【０１１５】
このように実施の形態１のマイクロバルブ１ａは、角周波数ωと振幅Ａの大きさを制御することにより、流量制御を行うことができる。これらの角周波数ωまたは振幅Ａと流量との関係は、制御波形の振幅Ａ_dr，周波数ｆ_drの関係として記憶部１８のバルブ制御テーブル１８ａに格納され、入力部１４からの入力により、中央制御部１７が波形制御部１３に駆動電流を制御させる。
【０１１６】
さて、マイクロバルブ１ａが閉止状態にある場合、弁体３は弁座８ａに付勢力Ｐ_v、表面張力によって密着している。このためマイクロバルブ１ａを起動する時、急に目的の振動や周波数の駆動電流を加えても、起動時の立ち上がり特性はよくない。そこで図５（ｂ）に示すように、起動時に所定の時間Ｔだけ、高周波の振動を加えることにより、立ち上がり特性をよくし、その後で所定の角周波数ωの本振動を加えるものである。これは振幅を制御することでも同じく実現できる。すなわち、起動時の所定時間Ｔだけ大きな振幅Ａの振動を加えることにより、立ち上がりを迅速にでき、その後に所定の流量を流す本振動を加えるものである。
【０１１７】
また、流れを制御する場合、流れの流量波形（流量パターン）として、間欠流（脈動流）が必要な場合もあるし、脈動の少ない連続流が必要な場合もある。そこで、図５（ｃ）のように駆動電流を間欠波形の電流とすると、圧電素子４の振動は間欠振動になり、これに伴って弁体３の開放される期間は間欠的で流量は間欠流となる。これに対して、一般的な交番電流の場合、マイクロバルブ１ａの流路のどこかが常時開放されており、脈動の少ない安定した流量を得ることができるし、さらには漸増する制御波形を与えその後オフセットして安定化させ、これに小さな変動電流が重畳される場合は、弁体３を偏った位置で変動させることができ、図５（ｃ）に示すような微小脈動の連続流を実現できる。
【０１１８】
以上説明したように実施の形態１のマクロバルブ１ａは、駆動装置１１から加える制御波形で圧電素子４の振幅Ａまたは角周波数ωを制御することにより、バルブの開度を制御し、流量制御するものである。大きな振幅または高周波の制御波形を流すことで大流量が得られ、小さな振幅または低周波の駆動電流で小流量を得ることができる。また、起動時に所定時間だけ高周波または大振幅の駆動電流を流し、圧電素子４によって大きな振動を与えて、立ち上がり特性を改善することができる。
【０１１９】
本実施の形態３のバルブ制御によれば、圧電素子４の加振で弁体３の振幅は変化するが、振幅の大きさは圧電素子４自身の振幅だけに依存しない。すなわち、振動により弁体３は背圧ｐと反対方向へ競り上がっていくことで、圧電素子４の振幅以上の流路を形成でき、最大流量すなわちダイナミックレンジを大きくすることができるものである。
【０１２０】
（実施の形態２）
次に、複数の周波数を重畳させることによって複数のマイクロバルブを個別に制御する実施の形態１のマイクロバルブについて説明する。図６（ａ）は本発明の実施の形態２におけるそれぞれ異なる共振点をもつ複数のバルブ装置を複数の周波数の振動で個別制御する説明図、図６（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるそれぞれ異なる寸法をもつ複数のバルブ装置を複数の周波数の振動で個別制御する説明図、図６（ｃ）は重畳波の振動で振動させた場合の複数のバルブ装置の開閉説明図である。
【０１２１】
図６（ａ）において、１ａ₁〜１ａ₄はバルブ配設チップ１に形成されたバルブ本体基板５がそれぞれ異なる固有振動数を有するマイクロバルブである。いずれのマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄も振動学的に分離されたバルブ本体基板５となっている。従って異なる角周波数ω_a1〜ω_a4の振動に対してマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄の１つが対応して、それぞれ別々にあるいは同時に共振する。バルブ配設チップ１の側面には圧電素子４が設けられ、バルブ配設チップ１の下面には、測定のための各種センサＢと流体回路Ｃが設けられた流体回路チップ本体２ｂが積層されている。しかし、圧電素子４の振動がマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄のそれぞれの振動が容易なように、例えば片持ちに構成するのが望ましい。
【０１２２】
実施の形態２では、マイクロバルブ１ａ₂はバルブの出口側チャネル９側でＬ字の切込みが形成されてその実質的な横幅が縮小されており、マイクロバルブ１ａ₃は横幅が全体として小さく形成されている。さらに、マイクロバルブ１ａ₃は流れ方向の長さが短く形成されている。このほか異なる固有振動数を変動させる手段を施すのでもよい。バルブ配設チップ１は全体として一体の基板であり、この基板にマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄をこのような構成で設けることで、マイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄はそれぞれ異なる固有振動数を有することになる。
【０１２３】
このようなバルブ配設チップ１の圧電素子４に対して、図６（ｃ）に示すように、角周波数ω_a1〜ω_a4を単独または複数を重畳した制御波形を流して振動させると、この角周波数ω_a1〜ω_a4と共振する同一の角周波数ω_a1〜ω_a4の固有振動数をもつマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄が開放される。角周波数ω_a1〜ω_a4を単独で加えると、マイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄の１つが開放されるのは当然である。このときさらに振幅Ａの制御を組み合わせ、マイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄ごとに振幅Ａを変えれば、各マイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄の開度を個別に制御することができる。なお、実施の形態２においては片持ちで構成した場合を説明したが、他の手段、例えば形状，重量，材質などにより固有振動数を変えた場合にも同様の作用効果が得られる。
【０１２４】
図６（ｂ）において、３₁〜３₄はマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄を構成する各弁体、８₁〜８₄はマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄の各バルブチャンバ、８ａ₁〜８ａ₄，８ａ₁ ^*〜８ａ₄ ^*はマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄を構成する対向する２つの弁座である。
【０１２５】
この図６（ｂ）の場合のマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄もそれぞれ異なる固有振動数をもつ。しかし、バルブの構成要素である弁体３₁〜３₄や、バルブチャンバ８₁〜８₄等の諸量を変化させることによって固有振動数に変化を与えるものである。例えば、弁体３₁〜３₄の質量、具体的には比重、寸法、角度φ等の形状を選択したり、弁座８ａ₁〜８ａ₄，８ａ₁ ^*〜８ａ₄ ^*の角度θ、これらの表面粗さや表面物性を変えることにより、異なる固有振動数をもたせることができる。
【０１２６】
このようなバルブ配設チップ１の圧電素子４に対して、図６（ｃ）に示すように、角周波数ω_a1〜ω_a4を単独または複数を重畳した駆動電流を流して振動させると、この角周波数ω_a1〜ω_a4と共振し、同一の角周波数ω_a1〜ω_a4の固有振動数をもつマイクロバルブ１ａ₁〜１ａ₄が開放される。同時に振幅Ａの制御を組み合わせることで、開度を含めて個別に制御することができる。
【０１２７】
（実施の形態３）
実施の形態３は、マイクロバルブ１ａに微振動を加える第１の微振動モードのバルブ制御である。実施の形態３のマイクロバルブ１ａのバルブ構成は、図５（ａ）に図示する構成と同様の構成を有しており、図１〜図６、とくに図５（ａ）を参照する。第１の微振動モードのバルブ制御は、バルブの開閉時に、圧電素子４によって微小振幅の振動、とくに本振動と異なる周波数や振幅の微振動を、単独で、もしくは本振動に重畳させて振動させるものである。
【０１２８】
第１の微振動モードで使用する微小振動はマイクロバルブ１ａを開放するだけの大きさの力はないものである。流体の流れているバルブを閉止するとき、本振動を単純に停止するだけでは弁体３と弁座８ａとの間の馴染みが悪い（着座性が悪い）。すなわち、背圧ｐが傾斜面に力を加えることで、テコの原理により増力されるクサビ効果が期待できない。また逆に、バルブを開放するときには、弁体３を押しつける付勢力Ｐ_vや弁体３と弁座８ａとの間の表面張力によって弁体３を動作させることが難しく、バルブの開放を円滑に行えない。
【０１２９】
本実施の形態３においては、閉止時に微小振動を加えることにより、弁体３と弁座８ａとの間の馴染みを増し、クサビ効果を向上させることができるので、より高い耐圧性をもたせることができ、開放時にはみかけの摩擦力を低下させ、マイクロバルブ１ａを円滑に開放することが可能になり、高圧でのバルブ制御が可能になる。
【０１３０】
実施の形態１の起動制御においては、起動時に高周波の振動または大きな振幅Ａの振動を加えて、立ち上がり特性をよくしたが、実施の形態３の第１の微振動モードはこのような立ち上がり特性、迅速性を向上させるというより、スムーズに無理なく開放するものである。
【０１３１】
（実施の形態４）
実施の形態４のバルブ制御は第２の微振動モードのバルブ制御である。実施の形態４のマイクロバルブ１ａのバルブ構成も、図５（ａ）に図示する構成と同様の構成を有しており、図１〜図６、とくに図５（ａ）を参照する。第２の微振動モードは、流路からのガス抜きのために、圧電素子４によって微小振幅の振動を、単独で、もしくは本振動に重畳させて振動させる制御である。また実施の形態４のマイクロバルブ１ａはこのガス抜きをより効果的にするために、流路にガス抜き構成を設けている。図７は本発明の実施の形態４におけるマイクロバルブのガス抜き構成要部断面図である。
【０１３２】
流路内を液体が流れる前には内部にガス、通常は空気が充ちている。この空気を追い出さなければ流体を流すことは難しい。しかし、マイクロバルブ１ａを全面的に開放して流体が流出しては、反応や処理を行う前に流体が各種センサＢや流体回路Ｃに流れ込んでしまい、精密な制御が難しくなる。
【０１３３】
そこで、実施の形態４においては、マイクロバルブ１ａを開放するだけの力はない微小振幅の振動を、流路からのガス抜きのために単独または重畳させて振動させる。この第２の微振動モードの微小振動により、弁体３と弁座８ａの間から空気だけは流出する。液体が充満してくると自然に振動が抑えられ、その後マイクロバルブ１ａは閉止状態となる。このような微小振動を行うことにより空気は排出可能であるが、液体は弁体３と弁座８ａの間から流出することはない。さらに、この第２の微振動モードの振動を長時間加えることによって、液体の先端を弁体３と弁座８ａの間から染み出させることにより、液体の頭出しを行うことができ、制御を開始するとき開始時点を正確にすることができ、高精度の制御が可能になる。
【０１３４】
ところで、図７に示すようにマイクロバルブ１ａの流路にガス抜き構成を設けてもよい。図７において、２ｃはマイクロバルブ１ａから流出する流体を保持するリザーバＤを備えた流出側リザーバ部、１９はガスを通過し液体は通過しないポリエチレン、ポリプロピレンなどのガス透過フィルム、２０は流体回路チップ本体２ｂに設けられた流体回路Ｃの流路である。
【０１３５】
図７では、流路２０と接続された流出ポートから流出流体はリザーバＤに一旦貯められる。このリザーバＤを覆ってガス透過フィルム１９が設けられる。このガス透過フィルム１９でリザーバＤを覆うことにより、第２の微振動モードで空気抜きを行うのを補強することができる。また、リザーバＤを覆うガス透過フィルム１９をマイクロバルブ１ａの流出側に設けてあるため、空気の溜まり易い下流側の空気を外部に排出できる。なお、ガス透過フィルムに代えて微細孔を形成するのでも、同様の効果を得ることができる。ガス透過フィルム１９の上に他の基板等を積層するのもよい。
【０１３６】
さらに、実施の形態４のマイクロバルブ１ａを細菌類の処理を行う流体回路チップで用いる場合に、ガス透過フィルム１９が空気は透過するが、液体と細菌類を透過しないフィルムとすることで、液体や細菌類が外部に漏れないので安全な生物処理用流体回路チップを提供することができる。
【０１３７】
（実施の形態５）
実施の形態５のバルブ制御は、実施の形態４の液体の頭出しを行うバルブ制御を効果的に行うための補助的な制御である。図８（ａ）は本発明の実施の形態５における頭出しを行うバルブ制御を行うときの第１の頭出し検出の説明図、図８（ｂ）は本発明の実施の形態５における頭出しを行うバルブ制御を行うときの第２の頭出し検出の説明図である。
【０１３８】
図８（ａ）において、２１はバルブ振動を検出する振動検出手段である。振動検出手段２１としては、音を検出するマイクや、弁座８ａ、８ａ^*の位置Ｘに設けられたピエゾ素子等が好適である。電界，磁界の変動検出するのでもよい。振動検出手段２１によって、図８（ａ）の示すような空気振動の状態から液体振動に変化する液体が満ちたときの振動変化を検出する。なお、頭出し検出の位置を位置Ｘから少し下流の位置Ｙとし、液漏れが生じた位置を検出するのもよい。位置Ｘで頭出しを検出した場合、液体の送り精度が向上するとともに、頭出し後に外乱が加わっても液体の液漏れが生じないが、位置Ｙで頭出しを検出した場合、頭出し後に移動開始するときに非常に円滑に動くことができ、液体の送り精度がさらに高くなる。振動検出手段２１を着脱自在とすればマイクロバルブ１ａや流体制御チップの部品を交換するときにも再利用できる。
【０１３９】
図８（ｂ）において、２２ａは発光素子、２２ｂは受光素子である。発光素子２２ａから発光した光を受光素子２２ｂで受光し、液体と空気の光透過率を検出して頭出しを検出したり、液体と空気の屈折率の変化や、弁座８ａへ発光して反射光の反射率を受光素子２２ｂ（このときの受光素子２２ｂは図示しない）で検出するのでもよい。上述したのと同様に、位置Ｘ、位置Ｙのいずれで検出するのでもよい。発光素子２２ａと受光素子２２ｂを着脱自在とすればマイクロバルブ１ａや流体制御チップの部品を交換するときにも再利用できる。
【０１４０】
（実施の形態６）
実施の形態６のマイクロバルブ１ａは、バルブ制御を効果的に行うためのもので、液体の送り精度やチップでの処理の分析精度を上げるための流速、物性検出を行うものである。図９（ａ）は本発明の実施の形態６における振動による流速、物性検出の説明図、図９（ｂ）は本発明の実施の形態６における光強度変化による流速、物性検出の説明図、図９（ｃ）は本発明の実施の形態６におけるバルブ振動による物性検出の説明図である。
【０１４１】
図９（ａ）において、２３はマイクロバルブ１ａの弁体３の振動を検出する振動検出手段である。流体がバルブチャンバ８の中を流れていくのを振動検出手段２３で検出し、このバルブ振動特性から流速と物性を決定するものである。図９（ａ）に示すように、時間Ｔ１に移動する液体のバルブ振動を検出し、これをさらに時間Ｔ２，時間Ｔ３で繰返して検出する。この変化曲線とそのときの温度が分かれば液体の粘性と流速を算出することができ、これを手掛かりの１つとして物質を特定できる。
【０１４２】
次に図９（ｂ）において、２４ａは流速、物性を検出するために発光する発光素子、２４ｂは発光素子２４ａからの光を受光する受光素子である。流体がバルブチャンバ８の中を流れていくときに起こる光強度の変化を受光素子２４ｂで検出し、この光強度変化特性から流速と物性を決定するものである。図９（ｂ）に示すように、時間Ｔ１に移動する液体の光強度を検出し、これをさらに時間Ｔ２，時間Ｔ３で繰返して検出する。この変化曲線とそのときの温度が分かれば液体の粘性と流速を算出することができ、これを手掛かりの１つとして物質を特定できる。
【０１４３】
このほか図示はしないが、液体が流れるとき、２個所の検出手段で所定の流体の通過時間から流速と物性を特定することもできる。この場合、検出手段は光学的検出手段等も考えられるがとくに限定されない。望ましくは、検出位置をチャンバ８の入口側より上流側に２個所配置することで下流のチャンバ８でのバルブ制御が容易になる。
【０１４４】
以上は、時間を測定することで物性を特定するものであったが、入力と出力の関係から物性を特定することもできる。図９（ｃ）において、２５ａは圧電素子等の加振手段、２５ｂは加振手段２５ａで入力された振動によって弁体３に起こされた振動を検出する振動検出手段である。なお、振動検出手段２５ｂは振動変化を検出するのでもよい。この入力と出力の関係に温度等を考慮すると、液体の粘度等から物質が特定される。この物質の特定を自動的に行うために、振動入力と振動検出値または振動変化検出値の関係、及び温度から物質を特定できる物性テーブルを、バルブ制御テーブル１８ａとともに記憶部１８内に設けておくのがよい。本発明の実施の形態６の状態検出手段は、振動検出手段２３、発光素子２４ａ，受光素子２４ｂ、振動検出手段２５ｂである。この状態検出手段を着脱自在とすればマイクロバルブ１ａや流体制御チップの部品を交換するときにも再利用できる。
【０１４５】
このように実施の形態６は、物質を特定し、液体の流速を検出するため、液体の送り精度や分析精度を上げることができる。
【０１４６】
（実施の形態７）
実施の形態７のマイクロバルブ１ａは、バルブ制御の精度を上げるために圧電素子４の組み付けに工夫を施したものである。図１０（ａ）は本発明の実施の形態７におけるバルブ装置と圧電素子との第１の組み付けの説明図、図１０（ｂ）は本発明の実施の形態７におけるバルブ装置と圧電素子との第２の組み付けの説明図である。
【０１４７】
圧電素子４はバルブ配設チップ１を交換するときには取り外し、新しいバルブ配設チップ１に取り付ける必要がある。このときマイクロバルブ１ａは圧電素子４と流れの方向が直交する必要がある。従って、本来、圧電素子４はバルブ配設チップ１の側面に正確に直交して取り付けなければならない。その組み付けにはミクロンオーダの精度が要求される。マイクロバルブ１ａのユーザがチップ交換時にこれを行うのはきわめて難しい。
【０１４８】
図１０（ａ）（ｂ）において、２６は圧電素子４を固定するための固定部材である。２６ａは固定部材２６に形成されたガイドである。図１０（ａ）に示すように、固定部材２６の取付面は圧電素子４の伸縮方向と正確に平行に形成されているとともに、伸縮方向と直交する基準線が固定部材２６のどこか、稜線や平面、例えば直方体の平行２側面として形成されている。同時にバルブ配設チップ１の上下の２平面も正確に平行面とされている。また、図１０（ｂ）に示すように、固定部材２６にガイド２６ａを設け、このガイド２６ａによってバルブ配設チップ１を伸縮方向と直交する方向に正確に取り付けることができる。なお、固定部材２６とバルブ配設チップ１を着脱自在にするのがよい。
【０１４９】
実施の形態７のマイクロバルブ１ａは、圧電素子４の組み付けを圧電素子４の伸縮方向と垂直な方向から行うものである。すなわち、固定部材２６の基準線をバルブ配設チップ１の基準線（流れの方向）に合わせて、バルブ配設チップ１の下面もしくは上面に上下方向から固定部材２６の取付面に配置するものである。この場合面接触の上、基準線を合わせるだけであるから組み付けがきわめて容易となり、ミクロンオーダの組み付け誤差を発生させないで組み付けが可能になる。
【０１５０】
このとき、バルブ配設チップ１の重心を圧電素子４の伸縮線が交差するように組み立てれば、バルブ配設チップ１内の振動分布をより一様に近づけることができる。また、同様に、圧電素子４の固定部材２６を高剛性の材料で作成し、バルブ配設チップ１を３点以上の位置で、該固定位置で囲まれる領域にバルブ装置を固定することにより、流体制御チップの剛性が小さい場合でもバルブ配設チップ１内の振動分布を一様にすることができる。
【０１５１】
【発明の効果】
本発明のバルブ装置によれば、振動の周波数及び／または振幅を変更して開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【０１５２】
加振手段が圧電素子のため制御が容易に行える。加振手段または駆動装置が着脱可能であるから、バルブ装置の部品を交換するときにも加振手段や駆動手段を再利用できる。
【０１５３】
流体の流れ方向と直交する方向に振動を加えるため、振動成分を最大限利用することができる。
【０１５４】
そして、流量を変更するとき所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めるから、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。周波数の増加と流量の増加を一義的に対応させて制御できる。
【０１５５】
同様に、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。振幅の増加と流量の増加を一義的に対応させて制御できる。
【０１５６】
開放時の前後における所定期間内に、周波数域の範囲内で本振動よりも高い周波数または振幅で加振するから、立ち上がりを迅速にでき、その後に円滑に本振動を加えることができる。
【０１５７】
そして、加振手段の振動の変更により連続的な流れ及び／または間欠的な流れを生成するから、波形のコントロールの１態様として脈動と連続流にすることができる。また、開放時の前後における所定期間内に、弁体とチャンバの内壁との接触摩擦を低減するための周波数と振幅をもつ振動を与えるため、弁体と弁座間の摩擦力を低下させ、高圧化してもバルブ装置を円滑に開放することが可能になる。
【０１５８】
閉鎖時の前後における所定期間内に、弁体とチャンバの内壁との接触摩擦を低減するための周波数と振幅とを有する振動を与えるから、閉止時に微小振動を加えることにより、弁体と弁座との間の馴染みを増し、クサビ効果を向上させることができ、高耐圧性をもたせることができる。
【０１５９】
開放する前の時点から出口を閉鎖した後の時点までの所定の期間に、弁体とチャンバの内壁との接触摩擦を低減するための周波数と振幅とを有する振動を与えるため、高圧化してもバルブ装置を円滑に開放し、且つ確実に閉鎖することが可能になる。
【０１６０】
本振動にこれと異なる周波数と振幅とを有する振動を重畳させたため、高圧化してもバルブ装置を円滑に開閉することが可能になる。
【０１６１】
チャンバ内に液体を充填する際に、出口から気体を放出し、且つ、液体をチャンバ内から出さない振動を与えた場合、微小振動により弁体と弁座の間に生じた微小なギャップから空気だけは流出する。さらに、液体が充満してくると自然に振動が抑えられ、その後バルブ装置は閉止状態となるが、液体は弁体と弁座の間から流出することはない。
【０１６２】
下流側流路にガス抜き部が設けられ、液体は透過せずにガスのみを透過して排出するから、内部の液体を外部に漏らすことなく、チャネル内の気体が圧縮されて流体の移動を阻害することを防ぐことができる。
【０１６３】
流体の先頭部分を検出する頭出し検出手段が設けたから、流体の先頭部分を検出するため、流体の送り精度が向上し、検出後に外乱が加わっても液体の液漏れが生じない。
【０１６４】
頭出し検出手段がチャンバの出口から下流位置に設けられたため、流体の先頭部分を検出するため、流体の送り精度が更に向上し、検出後に流体を円滑に送ることができる。
【０１６５】
頭出し検出手段が振動検出手段または光学的検出手段であるから、振動検出手段または光学的検出手段であるため、非接触ながら正確に流体の先頭部分を検出できる。
【０１６６】
頭出し検出手段が着脱自在であるから、バルブ装置の部品を交換するときにも頭出し検出手段を再利用できる。状態検出手段が検出したチャンバ内の状態変化から流体の物性または速度を検出するため、振動検出または光学的検出等により、チャンバ内の状態変化を検出し、その検出状態の変化と検出時間とから流体の物性または速度を検出することができる。状態変化を与える手段を設けて、所定の入力の入力に対する応答としての状態変化を検出することでも物性を検出できる。
【０１６７】
状態検出手段が振動を検出する振動検出手段方式または光学的検出手段であるから、振動検出手段または光学的検出手段であるため、非接触ながら正確に流体の先頭部分を検出できる。
【０１６８】
状態検出手段が着脱自在であるから、バルブ装置の部品を交換するときにも状態検出手段を再利用できる。
【０１６９】
バルブ装置を制御するときに、検出した速度や物性からバルブ制御データを調整でき、バルブ制御の精度を向上させることができる。記憶部内のバルブ制御テーブルを更新することができ、バルブ制御の精度を向上させることができる。記憶部内のバルブ制御テーブルを更新することができ、バルブ制御の精度を向上させることができる。
【０１７０】
チャンバの横幅が数μｍ〜数百μｍのマイクロバルブの制御は通常のアクチュエータでは非常に困難であるが、簡単に制御できる。
【０１７１】
また、２点間の流体の通過時間を測定する検出手段を設けたから、流体の速度、すなわち流量を検出することが可能になる。この検出手段が光学的検出手段である場合、非接触で測定できる。チャンバの入口より上流位置に設けたから、下流側のチャンバでのバルブ制御が容易になる。チャンバ及び流路内の状態変化を検出し、その検出状態の変化と検出時間とから流体の物性または速度を検出することができる。検出手段が着脱自在であるから、バルブ装置の部品を交換するときにも検出手段を再利用できる。
【０１７２】
本発明の流体制御チップによれば、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。制御するバルブ装置ごとに振幅を変えた振動を加えるから、振幅を変更するため開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【０１７３】
少なくとも１つのバルブ装置を含むバルブ配設基板の所定の領域が、他のバルブ装置を含むバルブ配設基板の領域と異なる固有振動数を有しているから、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ配設基板の領域の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【０１７４】
弁体の質量、形状、比重、表面粗さ、またはチャンバの形状、表面粗さの少なくともいずれかを変更するから、簡単に固有振動を変えることができる。バルブ配設基板に対する分割などがなく、強度を低下させることなく固有振動を変えることができる。
【０１７５】
振動方向と平行な面を有する固定部材が設けられ、該固定部材の取付面にバルブ配設基板が取り付けられているから、誰でも加振手段のバルブ配設基板への組み付けを容易に行うことができる。固定部材とバルブ配設基板とが着脱自在であるため、ユーザが流体制御チップのバルブ配設基板を交換するときに、加振手段を繰返して使用できて経済的となる。
【０１７６】
振動の周波数及びまたは振幅を変更して、変更された振動によって弁体の振幅を変えて出口の開閉または開度を変更するため、振動の周波数及びまたは振幅を変更して開度を迅速に調節でき、制御が容易で正確になり、ダイナミックレンジが広く、脈動が少なく、応答が速くなる。
【０１７７】
所定の周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには周波数域外の周波数で加振または加振を止めるから、開度の制御とバルブ装置の閉止を周波数の選択だけで簡単に行うことができる。
【０１７８】
所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには振幅域外の振幅で加振または加振を止めるから、開度の制御とバルブ装置の閉止を振幅の選択だけで簡単に行うことができる。
【０１７９】
バルブ配設基板に複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられたため、１つの加振手段だけで、周波数を使って複数のバルブ装置の中からコントロール対象を簡単に特定してそれぞれ自在に制御できる。
【０１８０】
加振手段の振動方向と少なくともバルブ配設基板を含む構造体の重心位置が、一致しているため、流体制御チップ内の振動分布が一様になる。
【０１８１】
バルブ配設基板を保持部材へ固定する固定位置が３点以上あるから、流体制御チップの剛性が小さい場合でも３点支持により振動分布が一様になる。
【０１８２】
バルブ配設基板が着脱可能であるため、流体制御チップの部品を交換するときにも保持部材を再利用できる。振動がチャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から加えられるため、振動成分を最大限利用することができる。また波形のコントロールの１態様として脈動と連続流にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるバルブ装置を使用した流体回路チップの全体構成分解斜視図
（ｂ）（ａ）のバルブ装置の一部破断斜視図
【図２】本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の駆動装置の構成図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の弁体を加振したときの状態図
（ｂ）（ａ）の弁体に加わる力を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態１のバルブ装置に加える振動の角周波数とバルブに作用する力の関係説明図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の流量制御の説明図
（ｂ）本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の起動制御の説明図
（ｃ）本発明の実施の形態１におけるバルブ装置の流量波形制御の説明図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態２におけるそれぞれ異なる共振点をもつ複数のバルブ装置を複数の周波数の振動で個別制御する説明図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるそれぞれ異なる寸法をもつ複数のバルブ装置を複数の周波数の振動で個別制御する説明図
（ｃ）重畳波の振動で振動させた場合の複数のバルブ装置の開閉説明図
【図７】本発明の実施の形態４におけるバルブ装置のガス抜き構成要部断面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態５における頭出しを行うバルブ制御を行うときの第１の頭出し検出の説明図
（ｂ）本発明の実施の形態５における頭出しを行うバルブ制御を行うときの第２の頭出し検出の説明図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態６における振動による流速、物性検出の説明図
（ｂ）本発明の実施の形態６における光強度変化による流速、物性検出の説明図
（ｃ）本発明の実施の形態６におけるバルブ振動による物性検出の説明図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態７におけるバルブ装置と圧電素子との第１の組み付けの説明図
（ｂ）本発明の実施の形態７におけるバルブ装置と圧電素子との第２の組み付けの説明図
【図１１】従来の速動弁の構成図
【符号の説明】
１ バルブ配設チップ
１ａ，１ａ₁〜１ａ₄ マイクロバルブ
２ａ リザーバ部
２ｂ 流体回路チップ本体
２ｂ^* 保持部材
２ｃ 流出側リザーバ部
３，３ａ，３ｂ，３₁〜３₄ 弁体
３ｖ クサビ状頭部
４ 圧電素子
４ａ 圧電層
４ｂ 電極シート
５ バルブ本体基板
５ｂ 下部基板
６ 入口ポート
７ 入口側チャネル
８，８₁〜８₄ バルブチャンバ
８ａ，８ａ^*，８ａ₁〜８ａ₄，８ａ₁ ^*〜８ａ₄ ^* 弁座
８ｂ 入口側弁座
９ 出口側チャネル
１０ 出口ポート
１１ 駆動装置
１２ 電源部
１３ 波形制御部
１４ 入力部
１５ アンプ
１６ 弁体付勢手段
１６ａ 付勢バネ
１６ｂ 弾発突片
１６ 表示部
１７ 中央制御部
１７ａ Ｄ／Ａ変換器
１８ 記憶部
１８ａ バルブ制御テーブル
１９ ガス透過フィルム
２０ 流路
２１，２３，２５ｂ 振動検出手段
２２ａ，２４ａ 発光素子
２２ｂ，２４ｂ 受光素子
２５ａ 加振手段
２６ 固定部材
１００ ハウジング
１０１ チャンバ
１０３ 弁体
１０４ バルブシート
１０５ アクチュエータ
Ｂ センサ
Ｃ 流体回路
Ｄ シリンジポンプ
Ｄ１ シリンジ
Ｄ２ モータ
Ｄ３ ラックとピニオン
Ｅ，Ｅ^* 流路
Ｚ リザーバ

Claims (6)

1. 流体の入口と出口とを有しΘのテーパ角を持つチャンバと、該チャンバに収納され同じくΘのクサビ状頭部を持つ弁体とを備え、前記弁体が入口側からの背圧のためある時点で前記チャンバとの接触により静止しているバルブ装置と、該バルブ装置が設けられたバルブ配設基板と、前記バルブ配設基板に振動を加える加振手段と、前記加振手段を駆動する駆動装置を備え、前記加振手段による振幅または角周波数の変化により前記弁体を変位させることで、前記弁体が前記チャンバの出口を開閉する流体制御チップであって、前記加振手段には、その振動方向と平行な面を有する固定部材が設けられ、該固定部材の取付面に前記バルブ配設基板が取り付けられていることを特徴とする流体制御チップ。
2. 前記固定部材と前記バルブ配設基板とが着脱自在であることを特徴とする請求項１記載の流体制御チップ。
3. 前記バルブ装置に対して前記チャンバ内の流体の流れ方向と直交する方向から所定の振動を加え、該振動の角周波数及びまたは振幅を変更して、変更された振動によって弁体を変位させて前記出口の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の流体制御チップ。
4. 前記出口からの流体の流量を変更するときには前記弁体を移動させることができる所定の角周波数域内にて周波数を変更して加振し、閉止するときには前記周波数域外の角周波数で加振または加振を止めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体制御チップ。
5. 前記出口からの流体の流量を変更するときには前記弁体を移動させることができる所定の振幅域内にて振幅を変更して加振し、閉止するときには前記振幅域外の振幅で加振または加振を止めることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体制御チップ。
6. バルブ配設基板に複数のバルブ装置がそれぞれ異なる固有振動数を有すように振動学的に分離して設けられ、制御したいバルブ装置の固有振動数を単独または複数を重畳させた角周波数で振動を加えて前記出口の開閉または開度を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体制御チップ。

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