液体流量制御装置
【課題】液体の流量制御を効率良く行うことができる液体流量制御装置を提供する。
【解決手段】液体流量制御装置は、上部素子基板３と下部素子基板４の間の液流路２０を有している。液流路２０内には、下部素子基板４に片持梁状に固定され、弾性変形可能な可動部材１０が配置されている。下部素子基板４には、可動部材１０の下方の位置に下部発熱体２が配置され、上部素子基板３には、可動部材１０の上方の位置に上部発熱体１が配置されている。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡によって自由端１１が持ち上がった第１の位置に移動可能であり、上部発熱体１によって発生した気泡によって、下部素子基板４の表面に平行な第２の位置に移動可能である。可動部材１０は、液流路２０内の液体の流れによる可動部材１０に対する流抵抗の作用によって、第１の位置に保持可能である。
【解決手段】液体流量制御装置は、上部素子基板３と下部素子基板４の間の液流路２０を有している。液流路２０内には、下部素子基板４に片持梁状に固定され、弾性変形可能な可動部材１０が配置されている。下部素子基板４には、可動部材１０の下方の位置に下部発熱体２が配置され、上部素子基板３には、可動部材１０の上方の位置に上部発熱体１が配置されている。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡によって自由端１１が持ち上がった第１の位置に移動可能であり、上部発熱体１によって発生した気泡によって、下部素子基板４の表面に平行な第２の位置に移動可能である。可動部材１０は、液流路２０内の液体の流れによる可動部材１０に対する流抵抗の作用によって、第１の位置に保持可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の膜沸騰により生じる発泡の圧力によって変位する可動部材を用いて液体の流量を制御する液体流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液体の流量を制御する機構としては、様々なものが用いられている。その１つとして、液体が流れる液流路の底面に発熱体を複数個設け、その発熱体を駆動することにより熱を発生させ、発生する熱により泡を核生成し拡大させ、この泡を弁（泡弁）として機能させ、それによって流量を制御する機構が特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、液流路内に回転自在の回転子を有し、その回転軸に結合された流抵抗可変レバーを液流路の外側に設けた機構が特許文献２に開示されている。この機構では、流抵抗可変レバーを手動で、または適当な機械装置によって操作し、回転子の角度位置を調整することによって、液体の流量が制御される。
【特許文献１】特開２０００−３７８８１号公報
【特許文献２】特開平６−１３４９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された機構では、泡弁を所定の大きさに維持したり、泡を移動させたりするために、しばしば、発熱体に熱を発生させ続ける必要がある。そのため、必ずしもエネルギー効率の良い機構とはいえない。また、流量を制御される液体が発熱体上を通過するため、熱に弱い液体の流量を制御するのは困難である。また、扱う液体によっては、加熱によって発熱体上にこげが発生したり、堆積物が堆積してしまったりする恐れがある。
【０００５】
特許文献２に開示された機構では、回転子や流抵抗可変レバーなどを、液流路とは別に作製し、組み立てる必要がある。そのため、用途によっては、製造工程の効率化や、機構の小型化、軽量化に関して、より有利な機構が望まれる。
【０００６】
本発明は、上述したような従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、本発明の主たる目的は、液体の流量制御を効率良く行うことができる液体流量制御装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、熱に弱い液体の流量を問題なく制御することができ、すなわち、そのような液体の流量制御時にも、発熱体上にこげや堆積物の堆積が発生するのを抑制することができる液体流量制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の液体流量制御装置は、液体が流れる液流路と、液流路の壁面上の、互いに対向する２つの位置でそれぞれ液体に熱を作用させて膜沸騰させ、気泡を発生することができる第１および第２の発熱体と、液流路の壁面に片持梁状に固定され、液流路内の、第１および第２の発熱体の間の位置に配置された弾性変形可能な板状の可動部を含む可動部材と、を有し、可動部は、第１の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置に移動させることができ、第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第２の位置に移動させることができ、第１の位置と第２の位置の少なくとも一方で、液流路を流れる液体の、可動部に対する流抵抗の作用によって保持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、可動部材の可動部の位置を、第１および第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置と第２の位置に変化させ、それによって液流路内の液体の流量を切り替える制御をすることができる。この際、可動部は、気泡を作用させつづけなくても、液流路を流れる液体の、可動部に対する流抵抗の作用によって、所定の位置に保持することができる。したがって、可動部の位置の切り替え時にのみ、第１および第２の発熱体を駆動して、流量の切り替え制御を行うことができ、流量制御のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１０】
また、可動部材は、第１および第２の発熱体と同様の薄膜形成技術を用いて形成することができる。したがって、本発明の液体流量制御装置は、効率的に製造することができ、小型化、軽量化も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の液体流量制御装置を模式的に示す、液流路の、液体流量制御装置が設けられた部分の、液流路方向に沿った断面図である。図２は、図１の液流路部分の内部を透視して示す斜視図である。なお、図２では、分かりやすくするために、下部素子基板４の凹凸や可動部材１０の支持固定部１７などの図示は省略している。
【００１３】
[１．液流路および液体流量制御装置の構造]
図１に示すように、本実施形態における液流路２０の、少なくとも液体流量制御装置が設けられた部分は、図１の上下に、互いに間隔を置いて配置された上部素子基板３と下部素子基板４の間に形成されている。なお、ここでは、便宜上、図にしたがって、上下の用語を用いるが、この上下方向は実際の重力方向でなくてもよい。
【００１４】
下部素子基板４には下部発熱体２が設けられており、液流路２０は、この下部発熱体２の上方の位置を通るように、上部素子基板３と下部素子基板４の間に形成された適切な部材によって側方を区画されている。したがって、下部発熱体２は、液流路２０内の液体に熱を作用させることができ、その作用によって液体を膜沸騰させて、図に模式的に示す気泡発生領域６に気泡を生成することができる。また、上部素子基板３には、下部発熱体２の対岸の位置に上部発熱体１が設けられており、この上部発熱体１も、同様に、液流路２０内の液体に熱を作用させ、気泡を生成することができる。
【００１５】
下部素子基板４上には、金属等の弾性を有する材料で構成され、板状の可動部１０ａを有する可動部材１０が、下部発熱体２に対向するように片持梁状に支持されている。すなわち、この可動部材１０は、下部素子基板４上に固定された支持固定部１７と、一端が支持固定部１７に接続された支点１２となっており、他端が自由端１１となっている可動部１０aを有している。そして、可動部材１０は、力が加わっていない状態では、図１に示すように、可動部１０aが下部素子基板４の表面にほぼ平行に位置して下部発熱体２の上方を覆っており、弾性変形して自由端１１側が持ち上がるように変位可能である。
【００１６】
液流路２０には、図１の矢印Ｆによって示すように、図１の左側を上流側Ｕ、右側を下流側Ｄとして液体が流される。可動部１０aは、その自由端１１側が上流側、支点１２側が下流側に位置している。
【００１７】
本実施形態では、互いに対応する上部発熱体１、下部発熱体２、および可動部材１０を有する流量規制部が、液体の流れ方向Ｆに間隔を置いて２つ配置されている。この流量規制部の数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。
【００１８】
複数の流量規制部を設ける場合、各流量規制部における可動部材１０は互いに同一の構成であってもよいが、可動部１０ａの面積が互いに異なっていてもよい。また、１つの流量規制部に複数の可動部材１０を配置してもよい。図２に示す例では、上流側に配置された流量規制部には、比較的面積の大きい矩形の可動部１０ａを有する可動部材１０が１つ配置されている。一方、下流側に配置された流量規制部には、幅の狭い２つの可動部材１０が横方向に並んで配置されている。
【００１９】
なお、上部発熱体１および下部発熱体２は、例えば、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気抵抗体から構成することができるが、これに限られることはない。また、配置や形状も図示のものに限られることはなく、後述するように、可動部材１０を変位させる気泡を形成できるものであればよい。また、可動部材１０の形状や配置も、図示のものに限られることはない。すなわち、可動部材１０は、後述するように、上部発熱体１および下部発熱体２による発生気泡によって所定の変位が可能であり、変位することによって、液流路２０内の液体の流量の、所望の制御が可能なものであればよい。
【００２０】
[２．液体の流量制御方法]
次に、本実施形態の液体流量制御装置による液体の流量制御について説明する。図３は、本実施形態における、下部発熱体２、上部発熱体１、および可動部材１０を有する流量規制部の動作を時系列に示す、液流路の、液流路方向に沿った断面図である。
【００２１】
図３（ａ）は、可動部材１０が変位させられていない初期状態を示している。ここで重要なことは、液流路２０内の液体が上流側から下流側へ流れる際、その流れの妨げにならないような位置に可動部１０ａが位置していることである。すなわち、可動部１０ａは、液体の流れ方向に平行に位置し、液流路２０内を流れる液体との間に流抵抗を生じない状態となっている。
【００２２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す状態から、下部発熱体２が、電気エネルギの供給等によって駆動されて発熱し、発生した熱によって液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡３０が発生した状態を示している。同図に示すように、可動部材１０は気泡３０の成長に応じて、自由端１１側が持ち上がるように撓み、変位する。この際、気泡３０は、圧力伝搬あるいは液体の体積移動が生じやすい、自由端１１側の方向に大きく成長し、それによって、可動部材１０を、自由端１１側が持ち上がるように効率的に変位させることができる。
【００２３】
図３（ｃ）は、下部発熱体２の駆動による気泡３０の生成、成長後、気泡３０が、熱の分散に伴う減圧によって収縮し、消滅した状態を示している。このように気泡３０が消滅して気泡３０による可動部材１０への作用がなくなっても、一旦変位した可動部材１０は、上流側から下流側へ流れる液体によって及ぼされる流抵抗の作用によって、変位した位置に保持される。
【００２４】
このように、可動部材１０を変位した位置とすることによって、液流路２０内の液体の流量を、図３（ａ）に示す状態の時よりも少なくする制御をすることができる。この際、流量の減少量は、図４に例示するように、流れる液体を受ける可動部１０ａの面積を、様々に調節しておくことによって、所望の値に調整することができる。すなわち、図４（ａ）に示す比較的大面積の可動部１０ａを使用すれば、流量をかなり大きく変化させることができる。一方、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の場合に比べて、長さを短くしたり、図４（ｃ）に示すように幅を狭くしたりした可動部１０ａを使用することによって、流量を少しだけ変化させる制御を行うことができる。
【００２５】
一旦変位させられた可動部材１０は、このように、下部発熱体２を駆動し続けなくても、変位した位置に保たれるが、この状態から、変位していない初期位置に戻すには、図３（ｄ）に示すように、上部発熱体１を駆動する。すなわち、上部発熱体１を、電気エネルギの供給等によって駆動すると、上部発熱体１が発熱し、発生した熱によって液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡３０が発生する。この気泡３０の、可動部材１０への作用によって、可動部材１０を初期位置に戻すことができる。可動部材１０は、一旦初期位置に戻すと、液体の流れの作用を受けなくなるので、初期位置に保たれる。
【００２６】
以上のように、可動部材１０の位置を図３（ａ）に示す位置と、図３（ｃ）に示す位置との間で切り替えることによって、液流路２０を流れる液体の流量を切り替える制御を行うことができる。
【００２７】
なお、上記の動作の説明は、１つの流量規制部についてのみ行ったが、複数の流量規制部を有する構成の場合、可動部材１０の位置の切り替えを、流量規制部毎にそれぞれ行うことができる。複数の流量規制部を有する構成の場合、可動部材１０の可動部１０ａの面積を、流量規制部毎に異なるものとし、どの流量規制部の可動部材１０を変位した位置にするかを切り替えることによって、流量を多段階に切り替える制御を行うことができる。また、各流量規制部の可動部材１０を同一の構成として、変位した位置にする可動部材１０の数を変化さることによって、流量を多段階に切り替える構成としてもよい。
【００２８】
[３．可動部材の製造方法]
次に、可動部材１０の製造方法の一例について説明する。図５は、可動部材１０の製造工程を時系列に示す、下部素子基板４の側面図である。
【００２９】
下部素子基板４は、詳細には図示していないが、下部発熱体２を構成する電気抵抗層やそれに接続される配線、およびそれらを保護する保護膜などが形成されたものであってよい。例えば、下部素子基板４はシリコンを基体としている。この基体上には、絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ化シリコン膜が成膜されている。その上に、０．０１〜０．２μｍ厚の発熱体を構成するハフニュウムボライド（ＨｆＢ2）、チッ化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）等の電気抵抗層と、０．２〜１．０μｍ厚のアルミニウム等の配線電極とがパターニングされている。またその上に、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護層が０．１〜０．２μｍ厚で形成され、さらにその上に、０．１〜０．６μｍ厚のタンタル等の耐キャビテーション層が成膜されており、インク等の各種の液体から電気抵抗層などを保護している。
【００３０】
このような下部素子基板４上に可動部材１０を形成する工程としては、まず、図５（ａ）に示すように、スパッタリング法を用いて、アルミ膜を下部素子基板４上に成膜する。このアルミ膜は、最終的に形成される可動部材１０の可動部１０ａと下部素子基板４との間を所定の間隔にする間隙形成部材１４として機能するものであり、図示のように所定の領域に、例えば４μｍの厚さに形成する。
【００３１】
次に、図５（ｂ）に示すように、下部素子基板４および間隙形成部材１４上に、最終的に可動部材１０となる可動部材層１６として、ＳｉＮ膜を形成する。このＳｉＮ膜は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、４００℃の高温下で５〜数十μｍ成膜し、フォトリソグラフィプロセスを用いて支持固定部１７側をパターニングする。
【００３２】
次に、図５（ｃ）に示すように、可動部材層１６上に、マスク層１５として、スパッタリング法を用いてアルミ膜を約８０００Å成膜する。その後、フォトリソグラフィプロセスを用いて、パターニングを行う。
【００３３】
次に、図５（ｄ）に示すように、可動部材層１６の、誘電結合型プラズマによるエッチングを行う。この際、マスク層１５がマスクとして機能し、アルミ膜からなる間隙形成部材１４がエッチングストップ層として機能する。
【００３４】
そして、最後に、図５（ｅ）に示すように、燐酸、酢酸、硝酸の混合液により、いずれもアルミ膜からなる間隙形成部材１４とマスク層１５を除去する。
【００３５】
なお、可動部材１０には、変位に伴って応力が加わり、この応力は、特に、可動部１０ａの支点（根元）１２付近に集中しがちである。この際、図３（ｃ）などでは、可動部材１０を、その変位を分かりやすくするために、可動部１０ａの根元部分で集中的に屈曲するように図示している。しかし、可動部材１０は、可動部１０ａの全体を弾性変形可能な薄膜状の構造とすることによって、実際には、図６に破線で示すように、“弓”のように撓んで変位する。このようにすることによって、可動部１０ａの支点（根元）１２付近の応力が軽減される。
【００３６】
また、可動部材１０の側部の縁にバリやクラックなどの欠陥があると、可動部材１０の撓み変形が不均等になり、その結果として、応力が集中しやすい根元付近の負荷が大きくなりがちである。また、フォトリソグラフィプロセスを用いて可動部材１０を形成した直後では、可動部材１０の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部が生じており、また、その縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部が形成される場合がある。このような形状変化部も、根元付近への応力集中を生じさせる要因となる。そこで、可動部材１０の形成後に可動部材１０の両側面の形状を曲面（Ｒ部）にする処理をし、可動部材１０の全ての縁を滑らかな曲面になるようにするのが好ましい。具体的には、可動部材１０を形成した後に可動部材１０をエッチング液に浸すことにより、可動部材１０の両側面を、それらの直角部や鋭角部を除去して曲面にし、可動部材１０の側部の縁における急激な形状変化部を除去することができる。これにより、均一な薄い膜状の可動部材１０が、上記のように、全体として良好に弓状に撓むようにして根元付近での応力集中を緩和し、可動部材１０に亀裂が生じたり、可動部材１０が破断したりするのを抑制することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、流量の切り替えを行う時にのみ上部発熱体１または下部発熱体２を駆動すればよく、これらを連続的に駆動する必要がないので、エネルギ効率の良い流量制御を行うことができる。
【００３８】
また、液体流量制御装置を構成する上部発熱体１と下部発熱体２は、薄膜形成技術を用いて形成することができ、さらに、液体流量制御装置の構造体部分である可動部材１０も、同様の薄膜形成技術を用いて形成することができる。このため、特許文献２に開示された回転子などの構造体を作り込むのに比べて、効率的な製造が可能であり、また、小型化、軽量化も容易である。したがって、本実施形態の構成は、特に、近年、小型化、軽量化が求められている医療機器やバイオテクノロテムの分野へ好適に適用することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施形態では、下部素子基板４の、下部発熱体２の上方の位置に凹部が形成されている。この凹部の開口は、弾性を有する薄膜からなる可動分離膜１３によって塞がれ、凹部内には発泡液３１が充填されて発泡領域３２が形成されている。また、上部素子基板３の、上部発熱体１の下方の位置にも、同様に、可動分離膜１４によって塞がれた凹部に発泡液３３が充填されて発泡領域３４が形成されている。発泡液３１，３３は可動分離膜１３，１４によって、液流路２０を流れる液体から隔離されている。
【００４１】
可動分離膜１３の材質は、ポリイミドが好適であるが、その他、近年のエンジニアリングプラスチックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成型性が良好で、弾性があり薄化が可能な樹脂、およびその化合物も望ましい。このような樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリブタジエン、ポリウン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、シリコンゴム、ポリサルンが挙げられる。また、可動分離膜１３の厚さは、２種の液体間の分離部材としての強度を達成でき、かつ、発泡液３１，３３における気泡の膨張、収縮に伴って良好に変位可能となるように、その材質や形状等を考慮して決定すればよいが、０．５μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。
【００４２】
次に、動作について説明する。
【００４３】
図７（ａ）は初期状態を示している。この状態では、可動分離膜１３，１４は下部素子基板４または上部素子基板３の表面にそれぞれ平行に平坦に延び、可動部材１０から離れている。可動部材１０には外力が加わっておらず、可動部材１０の可動部１０ａは、下部素子基板４の表面に、したがって、液流路２０内の液体の流れ方向に平行に位置し、液体の流れの妨げにならないようになっている。
【００４４】
図７（ａ）に示す初期状態から、下部発熱体２を発熱させることにより、可動分離膜１３と下部発熱体２との間の発泡領域３２内の発泡液３１に熱が作用し、膜沸騰現象に基づく気泡が発生する。気泡の発生に基づく圧力が可動分離膜１３に作用することによって、可動分離膜１３は、図７（ｂ）に示すように、上方に突出するように変位して可動部材１０に当接する。この際、可動分離膜１３は、液体の体積移動の生じやすい自由端１１側で比較的大きく変位し、それによって、可動部材１０を、自由端１１側が押し上げられた状態に効率的に変位させることができる。
【００４５】
その後、熱の分散による気泡の減圧によって、可動分離膜１３は、図７（ｃ）に示すように、平坦な初期位置に戻る。この状態では、可動部材１３への可動分離膜１３の作用はなくなっているが、可動部材１３は、上流側から下流側へ流れる液体によって及ぼされる流路抵抗によって、変位した位置に保持されている。可動部材１３が、このように変位した位置に保持されることによって、液流路２０内の液体の流量を抑制する所望の流量制御が行われる。
【００４６】
図７（ｃ）に示す状態から、上部発熱体１を発熱させることにより、可動分離膜１４と上部発熱体１との間の発泡領域３３内の発泡液３４に熱が作用し、膜沸騰現象に基づく気泡が発生する。気泡の発生に基づく圧力の作用によって可動分離膜１３は、図７（ｄ）に示すように、下方に突出するように変位して可動部材１３に当接する。このようにして、可動部１０ａは押し下げられて、下部素子基板４の表面に平行な初期位置に戻され、すなわち、液体流量制御装置は、図７（ａ）に示す初期状態に戻る。
【００４７】
以上述べたように、本実施形態の構成によると、熱を作用させて発泡させるための発泡液３１を、液流路２０に流れる液体とは別液体とすることができる。したがって、制御対象の液体の種類に関わりなく、発泡液３１として、それに有利な液体を使用することができる。すなわち、例えば、熱を受けても発熱体の表面にコゲや堆積物を生じさせない液体を発泡液３１として選択することができ、それによって安定した発泡を可能とし、制御の信頼性を向上させることができる。さらに、加熱に弱い液体の流量を制御する場合においても、この液体の、熱の作用による害を抑制しながら、その流量制御を行うことができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、他の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４９】
本実施形態では、可動部材１０の支持固定部１７の、幅方向の中央部の下方に溝が形成されている。それによって、液流路２０は、上流側液流路２１から、可動部１０ａのところで、可動部材１０の支持固定部１７によって隔てられた第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３に分岐している。すなわち、本実施形態において可動部１０ａは、液流路２０の分岐部３４に配置されている。
【００５０】
この構成において、図８（ａ）は、可動部１０ａが、下部素子基板４の表面に平行な初期位置にある状態を示している。この状態では、液体は、矢印によって模式的に示すように、第１の液流路２１を通って、その出口Ａに導かれる。この時、可動部１０ａは、その自由端が、下部素子基板４の上面の、可動部材１０の上流側で、初期位置にある可動部１０ａの上面とほぼ同じ高さになるように、下部発熱体２の形成部分より一段高くなった部分に形成された切りかけに押し当てられている。それによって、可動部１０ａは、第２の下流側液流路２３側へと下方に変位しないようになっており、第２の下流側液流路２３側への液体の流れを阻止している。
【００５１】
図８（ａ）の状態から、下部発熱体２に電気等のエネルギを供給することによって下部発熱体２を発熱させると、発生した熱によって第２の下流側液流路２３内の液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡が発生する。この気泡の圧力により、可動部材１０は押し上げられ、図８（ｂ）に示す状態となる。この状態では、可動部材１０は、上部素子基板３の表面の、上部発熱体１近傍に形成された切りかけ部分に押し当てられている。この時、液体は、矢印によって模式的に示すように、第１の下流側液流路２２側には流れず、第２の下流側液流路２３側を通って、その出口Ｂに導かれる。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡の作用が無くなった後も、この液体の流れの作用によって、変位した位置に保持される。この状態から、上部発熱体１を駆動して第１の下流側液流路２２内の液体の一部を加熱・発泡させることによって、図８（ａ）に示す状態に戻すことができる。
【００５２】
このように、本実施形態では、上部発熱体1と下部発熱体２の駆動によって、液体を出口Ａ側に流す状態と出口Ｂ側に流す状態とを切り替えることができる。また、出口Ａと出口Ｂの下流側を再び合流させ、第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３の流抵抗の差を利用して、第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３のどちらを通すかによって全体としての液体の流量を切り替える構成としてもよい。
【００５３】
なお、可動部材１０によって一方の液流路への液体の流れを完全に遮断するのではなく、例えば、図４（ｃ）に示すような幅の狭い可動部材１０を用いて、一方の液流路への液体の流れを抑制する構成としてもよい。それによって、第１の下流側液流路２２を流れる液体の流量と第２の下流側液流路２３を流れる液体の流量の比率を変化させたり、全体として流れる液体の流量を変化させたりする流量制御を行うことができる。
【００５４】
また、本実施形態では、液流路２０内の液体の一部を直接加熱して気泡を発生させる構成について説明した。しかし、第２の実施形態で説明したように、液流路２０内の液体と発泡液とを可動分離膜で分離して、発泡液を加熱して気泡を発生させる構成を用いても構わない。
【００５５】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施形態では、可動部材１０は上部素子基板３に固定されている。上部基板３の表面は、可動部材１０の支持固定部１７が固定された所より、液流路２０の上流側（図の左側）で一段低くなっており、それによって、可動部１０ａが、上方に変位できる領域が確保されている。
【００５７】
可動部材１０の下流側には、上部素子基板２と下部素子基板４の間に、上面が、変位していない状態の可動部１０ａの上面と揃った仕切り部材５が配置されている。それによって、液流路２０は、可動部材１０より上流側で、第１の上流液流路２４と第２の上流液流路２５に隔たれている。すなわち、本実施形態の可動部材１０は、液流路２０の合流部分３３に配置されている。なお、仕切り部材５は、上部素子基板２または下部素子基板４の一部であってもよいし、これらとは別個の部材であってもよい。
【００５８】
この構成において、図９（ａ）は、可動部１０ａが、上部素子基板２の表面に平行な初期位置にある状態を示している。この状態では、第１の上流側液流路２４の液体の流れは可動部材１０によってせき止められ、液体は、第２の上流側液流路２５のみを通って下流側液流路２６へと流れる。
【００５９】
図９（ａ）に示す状態から、下部発熱体２に電気等のエネルギを供給して下部発熱体２を発熱させると、発生した熱によって第２の上流側液流路２５の液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡が発生する。この気泡の圧力によって、可動部材１０は、図９（ｂ）に示すように押し上げられ、その自由端１１が、上部素子基板３に形成された切りかけ部分に押し当てられる。この状態では、矢印によって模式的に示すように、第１の上流側液流路２４を通った液体が第２の上流側液流路２５を通った液体と合流して流れる。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡の作用が無くなった後も、この液体の流れの作用によって、変位した位置に保持される。この状態から、上部発熱体１を駆動して第１の上流側液流路２４内の液体の一部を加熱・発泡させることによって、図９（ａ）に示す状態に戻すことができる。
【００６０】
このように、本実施形態では、上部発熱体1と下部発熱体２の駆動によって、第２の上流側液流路２５のみから液体を流す状態と、第１の上流側液流路２４からの液体と第２の上流側液流路２５からの液体を合流させて流す状態とを切り替えることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、液流路２０の液体の一部を直接加熱して気泡を発生させる構成について説明した。しかし、第２の実施形態で説明したように、液流路２０の液体と発泡液とを可動分離膜で分離して、発泡液を加熱して気泡を発生させる構成を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図２】図１の液体流量制御装置の、液流路内を透視して示す斜視図。
【図３】図１の液体流量制御装置の動作を時系列に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図４】図１の液体流量制御装置に用いることができる、様々な面積の可動部材を示す斜視図。
【図５】図１の液体流量制御装置における可動部材の製造工程を時系列に示す側面図。
【図６】図１の液体流量制御装置の可動部材の変位状態を示す側面図。
【図７】本発明の第２の実施形態の液体流量制御装置の動作を時系列に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態の液体流量制御装置を示す、液流路方向に沿った断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態の液体流量制御装置を示す、液流路方向に沿った断面図。
【符号の説明】
【００６３】
１ 上部発熱体
２ 下部発熱体
１０ 可動部材
２０ 液流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の膜沸騰により生じる発泡の圧力によって変位する可動部材を用いて液体の流量を制御する液体流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液体の流量を制御する機構としては、様々なものが用いられている。その１つとして、液体が流れる液流路の底面に発熱体を複数個設け、その発熱体を駆動することにより熱を発生させ、発生する熱により泡を核生成し拡大させ、この泡を弁（泡弁）として機能させ、それによって流量を制御する機構が特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、液流路内に回転自在の回転子を有し、その回転軸に結合された流抵抗可変レバーを液流路の外側に設けた機構が特許文献２に開示されている。この機構では、流抵抗可変レバーを手動で、または適当な機械装置によって操作し、回転子の角度位置を調整することによって、液体の流量が制御される。
【特許文献１】特開２０００−３７８８１号公報
【特許文献２】特開平６−１３４９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された機構では、泡弁を所定の大きさに維持したり、泡を移動させたりするために、しばしば、発熱体に熱を発生させ続ける必要がある。そのため、必ずしもエネルギー効率の良い機構とはいえない。また、流量を制御される液体が発熱体上を通過するため、熱に弱い液体の流量を制御するのは困難である。また、扱う液体によっては、加熱によって発熱体上にこげが発生したり、堆積物が堆積してしまったりする恐れがある。
【０００５】
特許文献２に開示された機構では、回転子や流抵抗可変レバーなどを、液流路とは別に作製し、組み立てる必要がある。そのため、用途によっては、製造工程の効率化や、機構の小型化、軽量化に関して、より有利な機構が望まれる。
【０００６】
本発明は、上述したような従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、本発明の主たる目的は、液体の流量制御を効率良く行うことができる液体流量制御装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、熱に弱い液体の流量を問題なく制御することができ、すなわち、そのような液体の流量制御時にも、発熱体上にこげや堆積物の堆積が発生するのを抑制することができる液体流量制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の液体流量制御装置は、液体が流れる液流路と、液流路の壁面上の、互いに対向する２つの位置でそれぞれ液体に熱を作用させて膜沸騰させ、気泡を発生することができる第１および第２の発熱体と、液流路の壁面に片持梁状に固定され、液流路内の、第１および第２の発熱体の間の位置に配置された弾性変形可能な板状の可動部を含む可動部材と、を有し、可動部は、第１の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置に移動させることができ、第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第２の位置に移動させることができ、第１の位置と第２の位置の少なくとも一方で、液流路を流れる液体の、可動部に対する流抵抗の作用によって保持されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、可動部材の可動部の位置を、第１および第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置と第２の位置に変化させ、それによって液流路内の液体の流量を切り替える制御をすることができる。この際、可動部は、気泡を作用させつづけなくても、液流路を流れる液体の、可動部に対する流抵抗の作用によって、所定の位置に保持することができる。したがって、可動部の位置の切り替え時にのみ、第１および第２の発熱体を駆動して、流量の切り替え制御を行うことができ、流量制御のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１０】
また、可動部材は、第１および第２の発熱体と同様の薄膜形成技術を用いて形成することができる。したがって、本発明の液体流量制御装置は、効率的に製造することができ、小型化、軽量化も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の液体流量制御装置を模式的に示す、液流路の、液体流量制御装置が設けられた部分の、液流路方向に沿った断面図である。図２は、図１の液流路部分の内部を透視して示す斜視図である。なお、図２では、分かりやすくするために、下部素子基板４の凹凸や可動部材１０の支持固定部１７などの図示は省略している。
【００１３】
[１．液流路および液体流量制御装置の構造]
図１に示すように、本実施形態における液流路２０の、少なくとも液体流量制御装置が設けられた部分は、図１の上下に、互いに間隔を置いて配置された上部素子基板３と下部素子基板４の間に形成されている。なお、ここでは、便宜上、図にしたがって、上下の用語を用いるが、この上下方向は実際の重力方向でなくてもよい。
【００１４】
下部素子基板４には下部発熱体２が設けられており、液流路２０は、この下部発熱体２の上方の位置を通るように、上部素子基板３と下部素子基板４の間に形成された適切な部材によって側方を区画されている。したがって、下部発熱体２は、液流路２０内の液体に熱を作用させることができ、その作用によって液体を膜沸騰させて、図に模式的に示す気泡発生領域６に気泡を生成することができる。また、上部素子基板３には、下部発熱体２の対岸の位置に上部発熱体１が設けられており、この上部発熱体１も、同様に、液流路２０内の液体に熱を作用させ、気泡を生成することができる。
【００１５】
下部素子基板４上には、金属等の弾性を有する材料で構成され、板状の可動部１０ａを有する可動部材１０が、下部発熱体２に対向するように片持梁状に支持されている。すなわち、この可動部材１０は、下部素子基板４上に固定された支持固定部１７と、一端が支持固定部１７に接続された支点１２となっており、他端が自由端１１となっている可動部１０aを有している。そして、可動部材１０は、力が加わっていない状態では、図１に示すように、可動部１０aが下部素子基板４の表面にほぼ平行に位置して下部発熱体２の上方を覆っており、弾性変形して自由端１１側が持ち上がるように変位可能である。
【００１６】
液流路２０には、図１の矢印Ｆによって示すように、図１の左側を上流側Ｕ、右側を下流側Ｄとして液体が流される。可動部１０aは、その自由端１１側が上流側、支点１２側が下流側に位置している。
【００１７】
本実施形態では、互いに対応する上部発熱体１、下部発熱体２、および可動部材１０を有する流量規制部が、液体の流れ方向Ｆに間隔を置いて２つ配置されている。この流量規制部の数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。
【００１８】
複数の流量規制部を設ける場合、各流量規制部における可動部材１０は互いに同一の構成であってもよいが、可動部１０ａの面積が互いに異なっていてもよい。また、１つの流量規制部に複数の可動部材１０を配置してもよい。図２に示す例では、上流側に配置された流量規制部には、比較的面積の大きい矩形の可動部１０ａを有する可動部材１０が１つ配置されている。一方、下流側に配置された流量規制部には、幅の狭い２つの可動部材１０が横方向に並んで配置されている。
【００１９】
なお、上部発熱体１および下部発熱体２は、例えば、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気抵抗体から構成することができるが、これに限られることはない。また、配置や形状も図示のものに限られることはなく、後述するように、可動部材１０を変位させる気泡を形成できるものであればよい。また、可動部材１０の形状や配置も、図示のものに限られることはない。すなわち、可動部材１０は、後述するように、上部発熱体１および下部発熱体２による発生気泡によって所定の変位が可能であり、変位することによって、液流路２０内の液体の流量の、所望の制御が可能なものであればよい。
【００２０】
[２．液体の流量制御方法]
次に、本実施形態の液体流量制御装置による液体の流量制御について説明する。図３は、本実施形態における、下部発熱体２、上部発熱体１、および可動部材１０を有する流量規制部の動作を時系列に示す、液流路の、液流路方向に沿った断面図である。
【００２１】
図３（ａ）は、可動部材１０が変位させられていない初期状態を示している。ここで重要なことは、液流路２０内の液体が上流側から下流側へ流れる際、その流れの妨げにならないような位置に可動部１０ａが位置していることである。すなわち、可動部１０ａは、液体の流れ方向に平行に位置し、液流路２０内を流れる液体との間に流抵抗を生じない状態となっている。
【００２２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す状態から、下部発熱体２が、電気エネルギの供給等によって駆動されて発熱し、発生した熱によって液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡３０が発生した状態を示している。同図に示すように、可動部材１０は気泡３０の成長に応じて、自由端１１側が持ち上がるように撓み、変位する。この際、気泡３０は、圧力伝搬あるいは液体の体積移動が生じやすい、自由端１１側の方向に大きく成長し、それによって、可動部材１０を、自由端１１側が持ち上がるように効率的に変位させることができる。
【００２３】
図３（ｃ）は、下部発熱体２の駆動による気泡３０の生成、成長後、気泡３０が、熱の分散に伴う減圧によって収縮し、消滅した状態を示している。このように気泡３０が消滅して気泡３０による可動部材１０への作用がなくなっても、一旦変位した可動部材１０は、上流側から下流側へ流れる液体によって及ぼされる流抵抗の作用によって、変位した位置に保持される。
【００２４】
このように、可動部材１０を変位した位置とすることによって、液流路２０内の液体の流量を、図３（ａ）に示す状態の時よりも少なくする制御をすることができる。この際、流量の減少量は、図４に例示するように、流れる液体を受ける可動部１０ａの面積を、様々に調節しておくことによって、所望の値に調整することができる。すなわち、図４（ａ）に示す比較的大面積の可動部１０ａを使用すれば、流量をかなり大きく変化させることができる。一方、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の場合に比べて、長さを短くしたり、図４（ｃ）に示すように幅を狭くしたりした可動部１０ａを使用することによって、流量を少しだけ変化させる制御を行うことができる。
【００２５】
一旦変位させられた可動部材１０は、このように、下部発熱体２を駆動し続けなくても、変位した位置に保たれるが、この状態から、変位していない初期位置に戻すには、図３（ｄ）に示すように、上部発熱体１を駆動する。すなわち、上部発熱体１を、電気エネルギの供給等によって駆動すると、上部発熱体１が発熱し、発生した熱によって液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡３０が発生する。この気泡３０の、可動部材１０への作用によって、可動部材１０を初期位置に戻すことができる。可動部材１０は、一旦初期位置に戻すと、液体の流れの作用を受けなくなるので、初期位置に保たれる。
【００２６】
以上のように、可動部材１０の位置を図３（ａ）に示す位置と、図３（ｃ）に示す位置との間で切り替えることによって、液流路２０を流れる液体の流量を切り替える制御を行うことができる。
【００２７】
なお、上記の動作の説明は、１つの流量規制部についてのみ行ったが、複数の流量規制部を有する構成の場合、可動部材１０の位置の切り替えを、流量規制部毎にそれぞれ行うことができる。複数の流量規制部を有する構成の場合、可動部材１０の可動部１０ａの面積を、流量規制部毎に異なるものとし、どの流量規制部の可動部材１０を変位した位置にするかを切り替えることによって、流量を多段階に切り替える制御を行うことができる。また、各流量規制部の可動部材１０を同一の構成として、変位した位置にする可動部材１０の数を変化さることによって、流量を多段階に切り替える構成としてもよい。
【００２８】
[３．可動部材の製造方法]
次に、可動部材１０の製造方法の一例について説明する。図５は、可動部材１０の製造工程を時系列に示す、下部素子基板４の側面図である。
【００２９】
下部素子基板４は、詳細には図示していないが、下部発熱体２を構成する電気抵抗層やそれに接続される配線、およびそれらを保護する保護膜などが形成されたものであってよい。例えば、下部素子基板４はシリコンを基体としている。この基体上には、絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ化シリコン膜が成膜されている。その上に、０．０１〜０．２μｍ厚の発熱体を構成するハフニュウムボライド（ＨｆＢ2）、チッ化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）等の電気抵抗層と、０．２〜１．０μｍ厚のアルミニウム等の配線電極とがパターニングされている。またその上に、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護層が０．１〜０．２μｍ厚で形成され、さらにその上に、０．１〜０．６μｍ厚のタンタル等の耐キャビテーション層が成膜されており、インク等の各種の液体から電気抵抗層などを保護している。
【００３０】
このような下部素子基板４上に可動部材１０を形成する工程としては、まず、図５（ａ）に示すように、スパッタリング法を用いて、アルミ膜を下部素子基板４上に成膜する。このアルミ膜は、最終的に形成される可動部材１０の可動部１０ａと下部素子基板４との間を所定の間隔にする間隙形成部材１４として機能するものであり、図示のように所定の領域に、例えば４μｍの厚さに形成する。
【００３１】
次に、図５（ｂ）に示すように、下部素子基板４および間隙形成部材１４上に、最終的に可動部材１０となる可動部材層１６として、ＳｉＮ膜を形成する。このＳｉＮ膜は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、４００℃の高温下で５〜数十μｍ成膜し、フォトリソグラフィプロセスを用いて支持固定部１７側をパターニングする。
【００３２】
次に、図５（ｃ）に示すように、可動部材層１６上に、マスク層１５として、スパッタリング法を用いてアルミ膜を約８０００Å成膜する。その後、フォトリソグラフィプロセスを用いて、パターニングを行う。
【００３３】
次に、図５（ｄ）に示すように、可動部材層１６の、誘電結合型プラズマによるエッチングを行う。この際、マスク層１５がマスクとして機能し、アルミ膜からなる間隙形成部材１４がエッチングストップ層として機能する。
【００３４】
そして、最後に、図５（ｅ）に示すように、燐酸、酢酸、硝酸の混合液により、いずれもアルミ膜からなる間隙形成部材１４とマスク層１５を除去する。
【００３５】
なお、可動部材１０には、変位に伴って応力が加わり、この応力は、特に、可動部１０ａの支点（根元）１２付近に集中しがちである。この際、図３（ｃ）などでは、可動部材１０を、その変位を分かりやすくするために、可動部１０ａの根元部分で集中的に屈曲するように図示している。しかし、可動部材１０は、可動部１０ａの全体を弾性変形可能な薄膜状の構造とすることによって、実際には、図６に破線で示すように、“弓”のように撓んで変位する。このようにすることによって、可動部１０ａの支点（根元）１２付近の応力が軽減される。
【００３６】
また、可動部材１０の側部の縁にバリやクラックなどの欠陥があると、可動部材１０の撓み変形が不均等になり、その結果として、応力が集中しやすい根元付近の負荷が大きくなりがちである。また、フォトリソグラフィプロセスを用いて可動部材１０を形成した直後では、可動部材１０の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部が生じており、また、その縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部が形成される場合がある。このような形状変化部も、根元付近への応力集中を生じさせる要因となる。そこで、可動部材１０の形成後に可動部材１０の両側面の形状を曲面（Ｒ部）にする処理をし、可動部材１０の全ての縁を滑らかな曲面になるようにするのが好ましい。具体的には、可動部材１０を形成した後に可動部材１０をエッチング液に浸すことにより、可動部材１０の両側面を、それらの直角部や鋭角部を除去して曲面にし、可動部材１０の側部の縁における急激な形状変化部を除去することができる。これにより、均一な薄い膜状の可動部材１０が、上記のように、全体として良好に弓状に撓むようにして根元付近での応力集中を緩和し、可動部材１０に亀裂が生じたり、可動部材１０が破断したりするのを抑制することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、流量の切り替えを行う時にのみ上部発熱体１または下部発熱体２を駆動すればよく、これらを連続的に駆動する必要がないので、エネルギ効率の良い流量制御を行うことができる。
【００３８】
また、液体流量制御装置を構成する上部発熱体１と下部発熱体２は、薄膜形成技術を用いて形成することができ、さらに、液体流量制御装置の構造体部分である可動部材１０も、同様の薄膜形成技術を用いて形成することができる。このため、特許文献２に開示された回転子などの構造体を作り込むのに比べて、効率的な製造が可能であり、また、小型化、軽量化も容易である。したがって、本実施形態の構成は、特に、近年、小型化、軽量化が求められている医療機器やバイオテクノロテムの分野へ好適に適用することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施形態では、下部素子基板４の、下部発熱体２の上方の位置に凹部が形成されている。この凹部の開口は、弾性を有する薄膜からなる可動分離膜１３によって塞がれ、凹部内には発泡液３１が充填されて発泡領域３２が形成されている。また、上部素子基板３の、上部発熱体１の下方の位置にも、同様に、可動分離膜１４によって塞がれた凹部に発泡液３３が充填されて発泡領域３４が形成されている。発泡液３１，３３は可動分離膜１３，１４によって、液流路２０を流れる液体から隔離されている。
【００４１】
可動分離膜１３の材質は、ポリイミドが好適であるが、その他、近年のエンジニアリングプラスチックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成型性が良好で、弾性があり薄化が可能な樹脂、およびその化合物も望ましい。このような樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリブタジエン、ポリウン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、シリコンゴム、ポリサルンが挙げられる。また、可動分離膜１３の厚さは、２種の液体間の分離部材としての強度を達成でき、かつ、発泡液３１，３３における気泡の膨張、収縮に伴って良好に変位可能となるように、その材質や形状等を考慮して決定すればよいが、０．５μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。
【００４２】
次に、動作について説明する。
【００４３】
図７（ａ）は初期状態を示している。この状態では、可動分離膜１３，１４は下部素子基板４または上部素子基板３の表面にそれぞれ平行に平坦に延び、可動部材１０から離れている。可動部材１０には外力が加わっておらず、可動部材１０の可動部１０ａは、下部素子基板４の表面に、したがって、液流路２０内の液体の流れ方向に平行に位置し、液体の流れの妨げにならないようになっている。
【００４４】
図７（ａ）に示す初期状態から、下部発熱体２を発熱させることにより、可動分離膜１３と下部発熱体２との間の発泡領域３２内の発泡液３１に熱が作用し、膜沸騰現象に基づく気泡が発生する。気泡の発生に基づく圧力が可動分離膜１３に作用することによって、可動分離膜１３は、図７（ｂ）に示すように、上方に突出するように変位して可動部材１０に当接する。この際、可動分離膜１３は、液体の体積移動の生じやすい自由端１１側で比較的大きく変位し、それによって、可動部材１０を、自由端１１側が押し上げられた状態に効率的に変位させることができる。
【００４５】
その後、熱の分散による気泡の減圧によって、可動分離膜１３は、図７（ｃ）に示すように、平坦な初期位置に戻る。この状態では、可動部材１３への可動分離膜１３の作用はなくなっているが、可動部材１３は、上流側から下流側へ流れる液体によって及ぼされる流路抵抗によって、変位した位置に保持されている。可動部材１３が、このように変位した位置に保持されることによって、液流路２０内の液体の流量を抑制する所望の流量制御が行われる。
【００４６】
図７（ｃ）に示す状態から、上部発熱体１を発熱させることにより、可動分離膜１４と上部発熱体１との間の発泡領域３３内の発泡液３４に熱が作用し、膜沸騰現象に基づく気泡が発生する。気泡の発生に基づく圧力の作用によって可動分離膜１３は、図７（ｄ）に示すように、下方に突出するように変位して可動部材１３に当接する。このようにして、可動部１０ａは押し下げられて、下部素子基板４の表面に平行な初期位置に戻され、すなわち、液体流量制御装置は、図７（ａ）に示す初期状態に戻る。
【００４７】
以上述べたように、本実施形態の構成によると、熱を作用させて発泡させるための発泡液３１を、液流路２０に流れる液体とは別液体とすることができる。したがって、制御対象の液体の種類に関わりなく、発泡液３１として、それに有利な液体を使用することができる。すなわち、例えば、熱を受けても発熱体の表面にコゲや堆積物を生じさせない液体を発泡液３１として選択することができ、それによって安定した発泡を可能とし、制御の信頼性を向上させることができる。さらに、加熱に弱い液体の流量を制御する場合においても、この液体の、熱の作用による害を抑制しながら、その流量制御を行うことができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、他の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４９】
本実施形態では、可動部材１０の支持固定部１７の、幅方向の中央部の下方に溝が形成されている。それによって、液流路２０は、上流側液流路２１から、可動部１０ａのところで、可動部材１０の支持固定部１７によって隔てられた第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３に分岐している。すなわち、本実施形態において可動部１０ａは、液流路２０の分岐部３４に配置されている。
【００５０】
この構成において、図８（ａ）は、可動部１０ａが、下部素子基板４の表面に平行な初期位置にある状態を示している。この状態では、液体は、矢印によって模式的に示すように、第１の液流路２１を通って、その出口Ａに導かれる。この時、可動部１０ａは、その自由端が、下部素子基板４の上面の、可動部材１０の上流側で、初期位置にある可動部１０ａの上面とほぼ同じ高さになるように、下部発熱体２の形成部分より一段高くなった部分に形成された切りかけに押し当てられている。それによって、可動部１０ａは、第２の下流側液流路２３側へと下方に変位しないようになっており、第２の下流側液流路２３側への液体の流れを阻止している。
【００５１】
図８（ａ）の状態から、下部発熱体２に電気等のエネルギを供給することによって下部発熱体２を発熱させると、発生した熱によって第２の下流側液流路２３内の液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡が発生する。この気泡の圧力により、可動部材１０は押し上げられ、図８（ｂ）に示す状態となる。この状態では、可動部材１０は、上部素子基板３の表面の、上部発熱体１近傍に形成された切りかけ部分に押し当てられている。この時、液体は、矢印によって模式的に示すように、第１の下流側液流路２２側には流れず、第２の下流側液流路２３側を通って、その出口Ｂに導かれる。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡の作用が無くなった後も、この液体の流れの作用によって、変位した位置に保持される。この状態から、上部発熱体１を駆動して第１の下流側液流路２２内の液体の一部を加熱・発泡させることによって、図８（ａ）に示す状態に戻すことができる。
【００５２】
このように、本実施形態では、上部発熱体1と下部発熱体２の駆動によって、液体を出口Ａ側に流す状態と出口Ｂ側に流す状態とを切り替えることができる。また、出口Ａと出口Ｂの下流側を再び合流させ、第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３の流抵抗の差を利用して、第１の下流側液流路２２と第２の下流側液流路２３のどちらを通すかによって全体としての液体の流量を切り替える構成としてもよい。
【００５３】
なお、可動部材１０によって一方の液流路への液体の流れを完全に遮断するのではなく、例えば、図４（ｃ）に示すような幅の狭い可動部材１０を用いて、一方の液流路への液体の流れを抑制する構成としてもよい。それによって、第１の下流側液流路２２を流れる液体の流量と第２の下流側液流路２３を流れる液体の流量の比率を変化させたり、全体として流れる液体の流量を変化させたりする流量制御を行うことができる。
【００５４】
また、本実施形態では、液流路２０内の液体の一部を直接加熱して気泡を発生させる構成について説明した。しかし、第２の実施形態で説明したように、液流路２０内の液体と発泡液とを可動分離膜で分離して、発泡液を加熱して気泡を発生させる構成を用いても構わない。
【００５５】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図である。同図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施形態では、可動部材１０は上部素子基板３に固定されている。上部基板３の表面は、可動部材１０の支持固定部１７が固定された所より、液流路２０の上流側（図の左側）で一段低くなっており、それによって、可動部１０ａが、上方に変位できる領域が確保されている。
【００５７】
可動部材１０の下流側には、上部素子基板２と下部素子基板４の間に、上面が、変位していない状態の可動部１０ａの上面と揃った仕切り部材５が配置されている。それによって、液流路２０は、可動部材１０より上流側で、第１の上流液流路２４と第２の上流液流路２５に隔たれている。すなわち、本実施形態の可動部材１０は、液流路２０の合流部分３３に配置されている。なお、仕切り部材５は、上部素子基板２または下部素子基板４の一部であってもよいし、これらとは別個の部材であってもよい。
【００５８】
この構成において、図９（ａ）は、可動部１０ａが、上部素子基板２の表面に平行な初期位置にある状態を示している。この状態では、第１の上流側液流路２４の液体の流れは可動部材１０によってせき止められ、液体は、第２の上流側液流路２５のみを通って下流側液流路２６へと流れる。
【００５９】
図９（ａ）に示す状態から、下部発熱体２に電気等のエネルギを供給して下部発熱体２を発熱させると、発生した熱によって第２の上流側液流路２５の液体の一部が加熱され、膜沸騰に伴う気泡が発生する。この気泡の圧力によって、可動部材１０は、図９（ｂ）に示すように押し上げられ、その自由端１１が、上部素子基板３に形成された切りかけ部分に押し当てられる。この状態では、矢印によって模式的に示すように、第１の上流側液流路２４を通った液体が第２の上流側液流路２５を通った液体と合流して流れる。可動部材１０は、下部発熱体２によって発生した気泡の作用が無くなった後も、この液体の流れの作用によって、変位した位置に保持される。この状態から、上部発熱体１を駆動して第１の上流側液流路２４内の液体の一部を加熱・発泡させることによって、図９（ａ）に示す状態に戻すことができる。
【００６０】
このように、本実施形態では、上部発熱体1と下部発熱体２の駆動によって、第２の上流側液流路２５のみから液体を流す状態と、第１の上流側液流路２４からの液体と第２の上流側液流路２５からの液体を合流させて流す状態とを切り替えることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、液流路２０の液体の一部を直接加熱して気泡を発生させる構成について説明した。しかし、第２の実施形態で説明したように、液流路２０の液体と発泡液とを可動分離膜で分離して、発泡液を加熱して気泡を発生させる構成を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態の液体流量制御装置の構成を模式的に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図２】図１の液体流量制御装置の、液流路内を透視して示す斜視図。
【図３】図１の液体流量制御装置の動作を時系列に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図４】図１の液体流量制御装置に用いることができる、様々な面積の可動部材を示す斜視図。
【図５】図１の液体流量制御装置における可動部材の製造工程を時系列に示す側面図。
【図６】図１の液体流量制御装置の可動部材の変位状態を示す側面図。
【図７】本発明の第２の実施形態の液体流量制御装置の動作を時系列に示す、液流路方向に沿った断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態の液体流量制御装置を示す、液流路方向に沿った断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態の液体流量制御装置を示す、液流路方向に沿った断面図。
【符号の説明】
【００６３】
１ 上部発熱体
２ 下部発熱体
１０ 可動部材
２０ 液流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が流れる液流路と、
前記液流路の壁面上の、互いに対向する２つの位置でそれぞれ液体に熱を作用させて膜沸騰させ、気泡を発生することができる第１および第２の発熱体と、
前記液流路の壁面に片持梁状に固定され、前記液流路内の、前記第１および第２の発熱体の間の位置に配置された弾性変形可能な板状の可動部を含む可動部材と、
を有し、
前記可動部は、前記第１の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置に移動させることができ、前記第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第２の位置に移動させることができ、前記第１の位置と前記第２の位置の少なくとも一方で、前記液流路を流れる液体の、前記可動部に対する流抵抗の作用によって保持される、
液体流量制御装置。
【請求項２】
前記第１および第２の発熱体の少なくとも一方が膜沸騰させる液体は、前記液流路内を流れる液体である、請求項１に記載の液体流量制御装置。
【請求項３】
前記液流路の壁面上で、前記液流路内の液体とは隔離して発泡液を保持している、弾性変形可能な可動分離壁をさらに有し、
前記第１および第２の発熱体の少なくとも一方が膜沸騰させる液体は前記発泡液であり、前記可動分離壁は、前記発泡液の気泡の作用によって変位して前記可動部に当接し移動させることができる、
請求項１または２に記載の液体流量制御装置。
【請求項４】
前記可動部は、前記液流路内の前記液体の流れ方向に平行に、自由端側が前記液体の流れの上流側に向くように配置されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【請求項５】
前記第１および第２の発熱体と、それらに対応する前記可動部材とを含む流量規制部を複数有し、該流量規制部毎に、前記可動部材の前記可動部の面積が異なっている、
請求項４に記載の液体流量制御装置。
【請求項６】
前記液流路は、１つの上流側液流路から第１の下流側液流路と第２の下流側液流路に分岐する分岐部を有しており、
前記可動部は前記分岐部に配置され、前記可動部の前記第１の位置と前記第２の位置は、前記第１の下流側液流路への液体の流れを遮る位置と、前記第２の下流側液流路への液体の流れを遮る位置である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【請求項７】
前記液流路は、第１の上流側液流路と第２の上流側液流路から１つの下流側液流路に合流する合流部を有しており、
前記可動部材は前記合流部に配置され、前記可動部材の前記第１の位置と前記第２の位置は、前記第１の上流側液流路からの液体の流れを遮る位置と、前記第２の上流側液流路からの液体の流れを遮る位置である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【請求項１】
液体が流れる液流路と、
前記液流路の壁面上の、互いに対向する２つの位置でそれぞれ液体に熱を作用させて膜沸騰させ、気泡を発生することができる第１および第２の発熱体と、
前記液流路の壁面に片持梁状に固定され、前記液流路内の、前記第１および第２の発熱体の間の位置に配置された弾性変形可能な板状の可動部を含む可動部材と、
を有し、
前記可動部は、前記第１の発熱体によって発生した気泡の作用によって第１の位置に移動させることができ、前記第２の発熱体によって発生した気泡の作用によって第２の位置に移動させることができ、前記第１の位置と前記第２の位置の少なくとも一方で、前記液流路を流れる液体の、前記可動部に対する流抵抗の作用によって保持される、
液体流量制御装置。
【請求項２】
前記第１および第２の発熱体の少なくとも一方が膜沸騰させる液体は、前記液流路内を流れる液体である、請求項１に記載の液体流量制御装置。
【請求項３】
前記液流路の壁面上で、前記液流路内の液体とは隔離して発泡液を保持している、弾性変形可能な可動分離壁をさらに有し、
前記第１および第２の発熱体の少なくとも一方が膜沸騰させる液体は前記発泡液であり、前記可動分離壁は、前記発泡液の気泡の作用によって変位して前記可動部に当接し移動させることができる、
請求項１または２に記載の液体流量制御装置。
【請求項４】
前記可動部は、前記液流路内の前記液体の流れ方向に平行に、自由端側が前記液体の流れの上流側に向くように配置されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【請求項５】
前記第１および第２の発熱体と、それらに対応する前記可動部材とを含む流量規制部を複数有し、該流量規制部毎に、前記可動部材の前記可動部の面積が異なっている、
請求項４に記載の液体流量制御装置。
【請求項６】
前記液流路は、１つの上流側液流路から第１の下流側液流路と第２の下流側液流路に分岐する分岐部を有しており、
前記可動部は前記分岐部に配置され、前記可動部の前記第１の位置と前記第２の位置は、前記第１の下流側液流路への液体の流れを遮る位置と、前記第２の下流側液流路への液体の流れを遮る位置である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【請求項７】
前記液流路は、第１の上流側液流路と第２の上流側液流路から１つの下流側液流路に合流する合流部を有しており、
前記可動部材は前記合流部に配置され、前記可動部材の前記第１の位置と前記第２の位置は、前記第１の上流側液流路からの液体の流れを遮る位置と、前記第２の上流側液流路からの液体の流れを遮る位置である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の液体流量制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２９９３１３（Ｐ２００７−２９９３１３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２８３９７（Ｐ２００６−１２８３９７）
【出願日】平成１８年５月２日（２００６．５．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２日（２００６．５．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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