特許 5726907 マイクロメカニック受動的フローレギュレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5726907

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年6月3日

(54)【発明の名称】マイクロメカニック受動的フローレギュレータ

(51)【国際特許分類】

   A61M 5/168 20060101AFI20150514BHJP

   A61M 37/00 20060101ALI20150514BHJP

   F16K 7/17 20060101ALI20150514BHJP

【ＦＩ】

   A61M5/168 506

   A61M37/00 550

   F16K7/17 Z

【請求項の数】19

【全頁数】36

(21)【出願番号】特願2012-552504(P2012-552504)

(86)(22)【出願日】2011年2月7日

(65)【公表番号】特表2013-519422(P2013-519422A)

(43)【公表日】2013年5月30日

(86)【国際出願番号】IB2011050514

(87)【国際公開番号】WO2011098946

(87)【国際公開日】20110818

【審査請求日】2014年1月28日

(31)【優先権主張番号】10153449.3

(32)【優先日】2010年2月12日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】511280951

【氏名又は名称】デバイオテック・ソシエテ・アノニム

(74)【代理人】

【識別番号】100127926

【弁理士】

【氏名又は名称】結田 純次

(74)【代理人】

【識別番号】100140132

【弁理士】

【氏名又は名称】竹林 則幸

(72)【発明者】

【氏名】エリック・シャペル

【審査官】 藤田 和英

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５０９２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０５−５０８９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１３９２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９９／０５３２０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／００４５７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５８３９４６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０２５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０２８３１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｍ ５／００ − ５／５２

Ａ６１Ｍ ３７／００

Ｆ１６Ｋ ７／００ − ７／２０

Ｆ１６Ｋ １７／１８ − １７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体リザーバに連結されるように適合された流体入口、及び、送達位置に連結されるように適合された流体出口を含んでなる、フローレギュレータであって、
該レギュレータは、
上面と底面を有する基板と、
上面、底面及び可撓性部分を含む膜
を含んでなり、ここで、該基板の上面は該膜の底面に取り付けられ；
該基板、及び該膜のいずれか、又は双方は、該膜が静止位置にある時、該膜と該基板との間に、キャビティを画成するように、凹部と、
該キャビティに隣接し、上記流体出口と連通するスルー・ホールと、
該キャビティ内の少なくとも２つのピラーであって、該ピラーの各々の高さは、該膜が静止している時、ギャップが、ピラー自由端と反対側のキャビティ・ウォールの間に、形成される様な、高さであるもの
を有し、
前記レギュレータは、さらに該キャビティに隣接し、上記流体入口と連通する２つの別のスルー・ホールを含んでなり、ここで該別のスルー・ホールの少なくとも１つは、該基板に配置されており、
該ピラーの各々は、なおその上、上記別のスルー・ホールの１つと整列されていて、該ギャップ内にバルブを形成し、
該ピラーは、なおその上、該整列したスルー・ホールの幅より大きい幅を有し；
前記レギュレータを流れる流体は、前記膜の上面に圧力をかけるが、
上記膜は、
第１の所定の閾値より高い圧力が、該膜の上面にかかる場合、
該基板の、少なくとも第１の部分と、上記キャビティ内部で、そして第１のバルブを含む部分と接触することができ、
上記ギャップ高さを、最大でゼロにまで下げ、流体が前記第１のバルブを通して流れるのを妨げる結果となり、
上記膜は、
第２の所定の閾値より高い圧力が、該膜の上面にかかる場合、
該基板の、少なくとも第２の部分と、該キャビティ内部で、そして第２のバルブを含む
部分と接触することができ、
流体が前記第２のバルブを通して流れるのを妨げる結果となり；
ここで、上記ピラーと上記別のスルー・ホールの位置と寸法は、少なくとも、上記第１と第２の所定の閾値からなる圧力の範囲内で、流体流量が受動的に調節されるように、配置される、
上記フローレギュレータ。

【請求項2】

前記キャビティ内に請求項１で定義されたもの以外のｎ個の別のピラーを含んでなる請求項１に記載のフローレギュレータであって、
前記基板及び前記膜のいずれか、又は双方は、該キャビティに隣接する、請求項１で定義されたもの以外の少なくともｎ個の別のスルー・ホールを含んでなり、前記流体入口と連通し、及び、請求項１で定義されたもの以外のｎ個のバルブを形成し、
各バルブは、所定の閾値より低い圧力が、膜の上面にかかる場合、流体がそれを通して流れ得るように、配置されていて、
上記ｎ個のバルブが、少なくとも、前記第１の所定の閾値及び上記所定の閾値からなる圧力の範囲内で、流体流量が受動的に調節されるように、さらに設計、及び、配置されている、
上記フローレギュレータ。

【請求項3】

所定のリンキング・エリアにおいて、基板に連接されたボトム・プレートを含んでなる請求項１又は２に記載のフローレギュレータであって、
該ボトム・プレートは、基板の前記別のスルー・ホール、及び、流体入口と連通している、スルー・ホールを含んでなり、
前記流体リザーバに連結された入口、ボトム・プレート内の該スルー・ホール、基板内の該別のスルー・ホール、前記バルブ、前記キャビティ、及び、出口と連通している、前記スルー・ホールから作られた、入口から、出口への流体経路を画成している、
上記フローレギュレータ。

【請求項4】

基板の前記別のスルー・ホールの、少なくとも１つと連通している、少なくとも１つの流量絞り弁を含んでなる、請求項１又は２に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該流量絞り弁が、所定の圧力範囲において、流体経路の他の部分の流体抵抗よりも、大きな流体抵抗を有する、
上記フローレギュレータ。

【請求項5】

前記基板と前記ボトム・プレートとの間のインターフェースが、少なくとも１つのチャネルが中に画成されるチャネル・プレーン、基板の前記別のスルー・ホール、及び、少なくとも該チャネルと連通しているボトム・プレートの前記スルー・ホールを含み、
該チャネルが、所定の入口圧力範囲において、流体経路の他の部分の流体抵抗よりも、大きな流体抵抗を有する、
請求項３に記載のフローレギュレータ。

【請求項6】

基板とボトム・プレートとの間の前記インターフェースが、シリコン・オン・インシュレータの層である、請求項５に記載のフローレギュレータ。

【請求項7】

少なくとも１つの、前記バルブが、閉止弁、及びチェック・バルブのいずれか、又は双方である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項8】

前記膜と前記基板との間のリンキング・エリアが、膜のｍ個の可撓性の部分と、該膜のｍ個の可撓性の部分と該基板との間のｍ個のキャビティを画成し、
該ｍ個のキャビティが、互いの間と、出口に連結された共通のスルー・ホールと連通し
ていて、
該ｍ個のキャビティの各々が、少なくとも１つのピラー、入口に連結された１つのスルー・ホール、及び、それゆえ、少なくとも１つのバルブを含んでなり、
各バルブが、所定の閾値より低い圧力が、膜の上面にかかる場合、流体がそれを通して流れるように、配置されていて、
該ｍ個のバルブが、少なくとも、前記第１の閾値と上記所定の閾値からなる、圧力の範囲内で、流体流量が、受動的に調節されるように、さらに、設計、及び、配置される、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項9】

前記膜の前記ｍ個の可撓性部分の各々の、厚さ及び直径のいずれか、又は双方、
ｍ個のピラーの各々の、高さ及び直径のいずれか、又は双方、
前記ｍ個のキャビティの高さ、及び
ｍ個のスルー・ホールの各々の直径、
からなる群の１つ又はそれ以上の要素が可変である、
請求項８に記載のフローレギュレータ。

【請求項10】

前記キャビティ内に、少なくとも１つのフル・ピラー、即ち、いかなるスルー・ホールも有していないピラー、及び少なくとも１つの段のいずれか、又は双方を含んでなる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該フル・ピラー、及び該段のいずれか、又は双方は、前記バルブの部分を形成していなくて、
ここで、該フル・ピラー、及び該段のいずれか、又は双方は、所定の閾値より高い圧力がかかる場合、膜の撓みと応力を制限する、
上記フローレギュレータ。

【請求項11】

所定のリンキング・エリア内で、膜の上面に連接された別のプレートを含んでなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該別のプレート及び膜のいずれか、又は双方が、該膜と該別のプレートとの間に、別のキャビティを形成するための凹部を有し、
該別のプレートは、加圧されたリザーバを、該別のキャビティに連結する、スルー・ホールを含んでなり、
ここで、該別のプレートは、膜内の該スルー・ホールの前に、少なくとも１つのピラーを含み、
該ピラーは、所定の圧力範囲において、膜内の該スルー・ホールを閉じ、
それゆえ、該スルー・ホールにおける逆流を防止する、
上記フローレギュレータ。

【請求項12】

所定のリンキング・エリアにおいて、膜の上面に連接された、別のプレートを含んでなる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該別のプレート及び膜のいずれか、又は双方が、該膜と該別のプレートとの間に、別のキャビティを形成するための凹部を有し、
ここで、該別のプレートが、少なくとも１つのピラーを含んで、該ピラーの方向への膜の撓みを防止し、
ここで、該別のプレートが、上記別のキャビティに連結したスルー・ホールを含み、
該フローレギュレータが、前記流体リザーバと連通している第１のポート、基板の前記スルー・ホールと連通している第２のポート、別のプレート内の該スルー・ホールと連通している第３のポートを含む、少なくとも、３つのポートを有する流体スイッチを含んでなり、
ここで、スイッチが、ポート１と２の間の連通を可能にし、一方、ポート３は閉じている、第１の位置上にある時、流体が、リザーバから基板のスルー・ホールにだけ流れ、上
記膜と該別のプレートとの間の上記キャビティ内のリザーバ圧力をかけること、及び、それゆえ、前記膜の撓みを防止して、前記バルブを閉じ、
ここで、スイッチの全てのポートは、スイッチが第２の位置にある時、互いの間で連通していて、
上記別のキャビティが、それゆえ、リザーバ圧力を受け、
流体が、リザーバから、基板のスルー・ホールに流れることを可能にし、
リザーバ圧力が変わると、膜の変位と、それゆえ、バルブの閉止を可能にする、
上記フローレギュレータ。

【請求項13】

前記膜の上面に、薄い、弾力性のある、高分子層を含んでなる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項14】

基板の底面下、及び膜の上面のいずれか又は双方に、弾力性があり、除去可能なフィルムを含んでなり、
該フィルムが、フィルム位置決めに応じて、１つ、又は、数個の前記バルブを、選択的に、開く、又は、閉じる、開口部を有する、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項15】

前記ピラーを含む前記キャビティ内の、膜面及び基板面のいずれか、又は双方が、反結合性層を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項16】

流体と接触している表面が、親水性及び防食性のいずれか、又は双方の薬剤でコーティングされている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項17】

前記膜上に圧力をかけるように適合されたアクチュエータをさらに含んでなる、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項18】

前記膜が歪ゲージを含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【請求項19】

フィルタを含んでなる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のフローレギュレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、疼痛管理のため、薬物が液状、又は、ガス状である、薬物送達の分野にて使用される、流体フローレギュレータ（flow regulator）に関わる。かかるフローレギュレータは、水頭症患者のための脳脊髄液（ＣＳＦ）を排出するためにも、使用できる。本発明は、さらになお、かかるフローレギュレータの製造プロセスに関わる。

【背景技術】

【0002】

受動的薬物注入デバイスは、能動的なものとは対照的に、薬物送達のために、ポンプに頼らず、むしろ、加圧薬物リザーバに頼る。これらの受動的デバイスの既知の問題点は、例えば、患者の身体であり得る、送達場所への薬物流量が、リザーバ内の圧力がこの量によって決まる限り、リザーバ内に残存する薬物量の関数として、変わり得ることである。かかる受動的デバイスには、従って、薬物流量が、リザーバ内に残存する薬物量に対して、できる限り一定であることを確保するため、流体フローレギュレータが通常備えられている。

【0003】

かかる薬物フローレギュレータは、登録名「Chronoflow」のもと、出願人により市販されており、特許文献１に開示されている。このデバイスは、流体リザーバに連結されるように適合された流体入口、及び、患者身体に連結されるように適合された流体出口を含む。それは、それらの間にキャビティ（cavity）を画成するように、周辺リンキング・エリアに、一緒にしっかりと連接された剛体の基板と弾力性のある膜を含む。このキャビティは、流体出口に連結され、一方、膜は、流体入口に連結されるキャビティに逆向き第１の面を有する。膜は、流体入口から流体出口への流体のための経路を画成するため、キャビティに隣接する、中央スルー・ホールを有し、第１の所定の閾値より大きい圧力を、第１の面に加える場合に、基板と接触できるように、可撓性である。膜は、それの中央スルー・ホールの領域内基板と接触することになるので、これは、後者を塞ぎ、それを通過する流体の流れを妨げることとなる。

【0004】

このデバイスは、さらになお、膜の中央スルー・ホールに面している入口、及び、デバイスの出口に連結された出口を備えた基板にエッチング処理された、フローレギュレータ・オープン・チャネルを含む。このチャネルは、スパイラル曲線の形状であるので、膜に、より大きな圧力が加えられると、それはさらにチャネルを閉じ、従って、キャビティからの、それの流路を見つけるように、流体を、強引にそれの内部を流す。

【0005】

それ故に、膜に加えられる圧力が増える時、フローレギュレータ・チャネル内に位置する流体経路の長さは増え、デバイスの流体抵抗も増える。従って、流量を、リザーバ圧力に関して、所定の範囲内で、ほぼ一定に保つことができる。

【0006】

しかしながら、かかるデバイスの製造は、複雑であり、高価である。事実、基板は、流れ制御が正しく作動するために配慮する必要がある精度レベルの点で、かなり細心の注意を要する、特定パターンに従ってエッチング処理されねばならない。従って、基板の製造が特定の、余分な工程を必要とするばかりでなく、これらの工程は、さらになお、実行には、細心の注意を要する。デバイスの寸法によっては、ＳＯＩなどの特定材質を、基板の製造に使用しなければならず、これはさらに費用がかかることである。また、注意をしなくてはいけないことは、このデバイスは、粒子によって傷つきやすいことである。高圧での、膜と基板との間の大きな接触面積は、この面積内のいかなる粒子も漏れを生じさせるので、問題点である。

【0007】

さらにその上、このプロセスを経て製造されたデバイスは、次に、薬物の送達に関して、特定の一組のパラメータに、即ち、所定のリザーバ圧力範囲、及び、平均流量に、合わせて設計される。かかるデバイスの複雑な流体シミュレーションは、スパイラル状の形状を評価し、チャネル外側の流れの制約を考慮するために必要であり、このことは、いかなる設計変更をも難しくさせる。

【0008】

Parkは、水頭症治療のための、別の定流量マイクロ・バルブを報告している（非特許文献１）。バルブは、同様に、平らな基板を覆う、ダイアフラムで作られている；チャネル断面は、圧力の増加につれて、縮小し、従って、準定常流量へと導く。報告されている理論データと実験データの双方により、流れ抵抗は、直線的に、加えられる圧力と共に増え、チャネルの断面の変化は、極めて非線形であるので、完全な定常量は実現できないことが示されている。この非線形性は、スパイラル・チャネルを使用することによって、補償されない。特許文献１に記載の設計のため述べられた、全ての限界がここに存在する。

【0009】

Kartalovは、ニュートン流体の受動的流れ調節のためのＰＤＭＳに基づくデバイスを報告している（非特許文献２）。このデバイスは、重要なデッド・ボリューム（dead volume）を示す３次元構造からできている。自動調節デバイスは、供給源と排出との間に主チャネルを含む、プッシュアップ・バルブ（pushup valve）と呼ばれる可撓性膜を同様に含む、このチャネルに沿って流体が流れるにつれて、静圧が減少する。静圧は、バルブへつながる行き止りのあるう回路チャネル（dead-end detour channel）に沿って、一定を維持する。プッシュアップ・バルブは、バルブ上の、チャネル・スプリットと主チャネル・セグメントとの間の静圧降下に等しい有効圧力を受ける。圧力降下が増えるにつれ、バルブ膜は上方に変形し、主チャネルを制約し、加えられた圧力と共に流体抵抗の増加と、従って、ニュートン流体の非線形性を導く。かかるデバイスに対する行き止りの存在は、プライミングを難しくする。バルブの下に閉じ込められた空気は、ダンピング（damping）効果を引き起こす。しかし、かかるデバイスの主な欠点は、流量精度である。プラスチック部品を使用することは、コストに関して、大変魅力的であるが、一定の流量を得るために、バルブ偏向の制御を達成することは大変難しいであろう。高弾性率のプラスチックに対して、膜は非線形を起こし、従って、過度の圧力の間は、プラスチック偏向を起こし、元に戻せない損傷につながる。いかなる場合においても、チャネルの断面の変化は、強い非線形であり、デバイスは、設計によって、一定流量を実現することはできない。さらにその上、ポアズイユの法則により、プラスチック・マイクロ・チャネルと膜の製作公差を、薬物の医療注入に期待される流量精度に合わせることは難しい。

【0010】

濃縮された高分子溶液の非ニュートン性レオロジー特性を使用する、マイクロ流体の自動調節をGroismanが報告した（非特許文献３）。医療への応用に対して、かかるデバイスの主な限界の１つは、生体適合性のある高分子溶液の使用である。

【0011】

弾性重合体の大きなコンプライアンス（compliance）を利用する受動的フローレギュレータが、Yangにより提案された（非特許文献４）。そのデバイスは、薄いフラップ（flap）と堅いストッパ（stopper）を含む。フラップとストッパとの間のギャップは、加えられた圧力と共に変わり、結果として、非線形の抵抗をもたらす。１００と２００ｋＰａの間で、０．２１ｍｌ／ｍｉｎと１．２ｍｌ／ｍｉｎの定流量が、脱イオン水を使用して、２つの異なったデバイスで得られた。ここで再び、プラスチックの製作公差のゆえに、どのデバイスにも（from one device to another）、高い再現性と精度を期待することはできない。この制限は、低流量で、通常は１時間あたり１ｍｌ未満で、特に問題となる。

【0012】

Saaski et al. が、特許文献２において、キャビティと、スルー・ホールを有する中央ピラーを有する基板に、しっかりと取り付けられた膜とを有するデバイスを開示している。入口は、基板の側部上に位置している。流体は、この入口から、基板ピラーのスルー・ホールの後に位置した、出口方向に流れる。ピラーに向かい合っている、膜側面が、リザーバ圧力を受ける。ピラーの上部分と膜との間の小さいギャップは、大きな流体制約を形成する。リザーバ圧力を増やすことにより、膜は、ピラー方向に偏向し、ピラーと膜の間のギャップの高さを減らす。デバイスは、リザーバ圧力が増える時、即ち、ピラーと膜の間のギャップの高さがゼロに等しくなった時、遮断することができるバルブとして、見なすことができる。その場合、膜の両側面の圧力は、ピラー・エリアの上を除いて、等しい。チェック・バルブ機構、遮断機構、スルー・ホールを備えた膜と穴が開けられていないピラーを有するデバイスを含む、様々な構成が開示されている。各提案に対して、流量は、それゆえ、バルブの閉止まで、おおよそコントロールすることができるが、どの場合でも、ギャップ高さが変わるので、そのバルブの流体抵抗の非線形性のゆえに、一定流量が達成できる。さらにその上、リザーバ圧力が、膜の両側面に直接加えられるという事実が、どんな圧力でも、ピラーと膜の間の、小さなギャップの使用を必要にし、さもなければ、デバイスによって、流れは調節されない。僅か２．５ミクロンの開示されたギャップ４８（図６）は、この機構の図である。デバイスは、それゆえ、粒子によって傷つき易い。このギャップのための、相対的加工公差も、実現が難しい。

【0013】

特許文献３が、数個の層でできており、側部ポート、可撓性膜、及び、穴を備えたピラーを有する基板を含んでなる、容量型流体バルブを開示している。流体圧力を変えることにより、膜はピラー方向に偏向し、バルブの流体抵抗を増す。膜の片側面のみが、流体に接触している。流体は、基板プレートに直接、機械加工された、又は、形成されたチャネルを連通して、バルブまで流れる。これらのチャネルは、バルブ自体の流体抵抗と同じ桁の大きさの流体抵抗を示さず、さもなければ、膜偏向によるダンピング効果は、もはや効果的でない。流体圧力による、膜偏向の非線形性によって、所定の範囲の圧力にわたって、一定流量、又は、特定のプロファイルを有する流量に至る可能性が阻まれる。

【0014】

特許文献４が、側部流体ポートと、１つのスルー・ホールを有す１つのピラーを含む、１つの可撓性膜を有するデバイスを開示している。作動原理は、フローレギュレータの前の例に極めて類似しており、それゆえ、デバイスは、精度に関して、同じ限界を示す。

【0015】

特許文献５は、リザーバの部分として、及び、バルブ、又は、リザーバとバルブのための２つの分離した弾力性のある膜の部分として、弾力性のある膜、穴を有する基板、並びに、ポンプ・メカニズムを有するデバイスを開示している。弾力性のある膜には、開口部が示されていない。その文書に開示されたバルブは、抗フリー（anti-free）流れ機能を有し、それゆえ、膜は、密閉性を確かにするために、バルブ・シートに適合（comply with）しなければならない。この適合性（compliance）は、硬い膜が必要であるので、特定のプロファイルに従った、流れ調節の可能性とは両立しない。

【0016】

最新技術を要約すると、全てのデバイスは、製作公差と設計自体が、流量精度を強く制限するので、時間あたり１ｍｌより小さい流量には適応しないと指摘することができ、このことにより、そのデバイスは医療用途には好適でなくなる。特許文献６、及び、特許文献７に開示されている、受動的レギュレータは、好ましくは、シリコンで作られる。設計は、弾性膜の非線形な変形に基づいていて、それゆえ、シリコンが、それの高い降伏強さと低い内部応力のおかげで、膜として使用される。

【0017】

膜として、プラスチックなどの他の材料の使用に適応される新しい設計が望まれる。

【0018】

受動的フローレギュレータが、好都合なことに、水頭症治療に使用することができる。水頭症は、通常、脳を覆う、脳室、又は、くも膜下腔内のＣＳＦの流出の閉塞によるものである。水頭症の治療は外科的である：それは、流れの閉塞／機能不全のくも膜顆粒をバイパスするため、脳室カテーテル（例えば、シリコン剤（silastic）で作られたチューブ）の脳室内部への留置、及び、該液体が再吸収することができる他の体腔内への過剰液体の排出を含む。大部分のＣＳＦシャント（shunt）は、ＣＳＦの流量にかかわらず、頭蓋内圧（ＩＣＰ）を一定に保つという原理に基づいてきた。ＣＳＦシャントは、ＣＳＦシャントの入口と出口との間の差圧が、シャントの開口部圧力と呼ばれる、宿命的レベルまで下った時、ＣＳＦ流を遮断するように作られてきた。

【0019】

ＩＣＰシャントの例が、Hakimによる特許文献８に示されており、これは、患者の体の異なった部分間の流体排出をコントロールするために、とりわけ、脳室から血流内へ脳脊髄液を排出する（いわゆる、開脳室心房フィステル形成術）ため使用される、外科的排出バルブ・デバイスである。

【0020】

臨床経験によれば、シャント術の原理は、理想的解決ではないことが証明された。例えば、位置の変化、運動、又は、病的な圧力波による、ＩＣＰの急上昇は、過剰なＣＳＦ排出をもたらす。文献（非特許文献５）内のいくつかのレポートは、この過剰排出による問題点を指摘しており、とりわけ、脳室の著しい狭窄が、埋め込まれたシャント装置の故障を導く主因であると指摘している。その理由は、脳室壁が脳室ＣＳＦシャント・デバイスの周りで崩壊し、粒子（細胞、残屑）がシャント・デバイスに侵入する可能性があるからである。

【0021】

Drake他による、特許文献９は、ガスで充たされたチャンバ内の圧力をコントロールし、流れが調節されるメイン・チャンバの１つの可撓性のある壁と圧力コミュニケーションをとることにより、流れに対する抵抗を経皮的に選択することができる、かなり複雑なアンチサイフォン・デバイスを提案することにより、上述の問題点を克服しようとする、シャントの例を記述している。

【0022】

プログラム可能なバルブの使用は、近位閉塞とシャントの全修正のリスクの減少に関連していた。観察された２つの集団での違いに対する、１つの考えられる説明によれば、プログラム可能なバルブにより、医者は、臨床的兆候と症状、及び／又は、過剰排出の放射線学的証拠に気付いた後、バルブ圧力の設定を増やすことにより、かかる脳室崩壊を避けることができる。このように、近位閉塞は防止され、シャント修正手術は回避される。１つの、かかる調整可能なバルブが、Hakimによる特許文献１０に記述されている。しかし、ダイアフラム材料の弾性特性により、埋め込まれたバルブの保守が必要となる可能性がある。さらに、埋め込み後の、この調整可能バルブの流量調整には、外科的処置が必要となる可能性がある。

【0023】

Watanabeによる特許文献１１に記述されている、別の調整可能バルブ機構には、各々の通路が流量レギュレータとオン−オフ・バルブを含む、２つの平行な流体流れの通路が含まれる。通路を通過する流体流れは、頭皮を通じて、オン−オフ・バルブを触知的に操作することにより、手動でコントロールされる。Watanabeデバイスは、頭皮を通じて、触知的に、流量コントロールが可能であるが、このように、外科的処置なしで、患者、及び／又は、医者のバルブ設定値への注意が必要である。

【0024】

Nisselsによる特許文献１２に記述されている、１つのシステムは、双方の経路が一致して機能する、二重の経路のアンチサイフォン、及び、流れコントロール・デバイスを記述している。正常な流れの間は、第１と第２の経路の双方が開である。過剰の流れが検知されたとき、第１の経路が閉じ、流れは高抵抗の第２の経路に転換される。第２の経路は、生理学的な範囲内で、排出量を維持しながら、流量を９０％だけ減らし、これにより、過剰排出による、有害な合併症を防ぐ。しかし、このデバイスは、流量をコントロールするためのバルブを含む、シャント・システムと共に使用されるよう意図されており、埋め込まれるべき追加の材料の故に、厄介な処置を誘発するバルブに対して、遠位に置かれなければならない。システムは、低圧の流れコントロール・バルブのためにだけ、スタンドアロンとして使用することができる。

【0025】

受動的フローレギュレータの別の応用は、薬物の注入である。疼痛管理のための、現在の埋め込み可能なポンプは、１日あたり、数ミリリッタを送達する（Ｃｏｄｍａｎ^(R)３０００、ＩｓｏＭｅｄ^(R)）。システムを、ライタのように、ガスにより加圧することができる。ガスが薬物をキャピラリに押し込み、流量は、ガス蒸気圧と大気圧との差に直接的に比例する。大気圧のいかなる変化にもよらないようにするために、ガスの蒸気圧力は、通常は、２ｂａｒより高く、これにより、再充填処置がかなり難しくなる。

【0026】

それゆえ、一日あたり４ｍｌ、又は、これより低い、超低流量専用の、使い安い、効率的な、フローレギュレータが望まれる。

【0027】

現在の埋め込み可能なポンプの流量絞り弁（flow restrictor）を、フローレギュレータで置き換えることにより、ガスの蒸気圧力を１０分の１以下に、十分に下げることが可能になる。この特徴により、ポンプ充填が容易になる。同様に、ガス・プロペラ・システム、フローレギュレータを通じて液体を押す、弾性リザーバ、軟質のリザーバ、及び、ポンプの充填中圧縮されているバネなどを、言うまでも無く含む、大規模な加圧システムを使用することも可能である。最終的に、フローレギュレータの使用によって、衝撃による、摂取過剰の危険性が大幅に低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0028】

【特許文献1】ＵＳ ６，２０３，５２３ Ｂ１

【特許文献2】ＵＳ ５８３９４６７

【特許文献3】特許出願 ＷＯ２００８／０９４６７２Ａ２

【特許文献4】特許出願 ＤＥ４２２３０６７Ａ１

【特許文献5】特許出願 ＦＲ２９０５４２９

【特許文献6】ＵＳ ６，２０３，５２３

【特許文献7】ＷＯ ２，００９，０９８，３１４ Ａ１

【特許文献8】ＵＳ ３，２８８，１４２

【特許文献9】ＵＳ ５，１９２，２６５

【特許文献10】ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ４，５５１，１２８

【特許文献11】ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ４，７８１，６７３

【特許文献12】ＵＳ ６，１２６，６２８

【非特許文献】

【0029】

【非特許文献1】S.Park、W.H.Ko、and J.M.Prahl,“A constant flow-rate microvalve actuator based on silicon and micromachining technology,” in Tech.Dig.1988 Solid-State Sens. Actuator Workshop (Hilton Head‘88), Hilton Head Island, SC, Jun.6-9(1988) 136-139

【非特許文献2】E.P.Kartalov, C.Walker, C.R. Taylor, W.F. Anderson, and A. Scherer, “Microfluidic vias enable nested bioarrayes and autoregulatory devices in Newtonian fluids,” Proc. Nat. Acad. Sci., 103 (2006) 12280-12284

【非特許文献3】Groisman et al., (2003) Science 300, 955-958

【非特許文献4】B. Yang and Q. Lin, A Planar Compliance-Based Self-Adaptive Microfluid Variable Resistor, Journal of microelectromechanical systems 16 (2007) 411-419

【非特許文献5】Aschoff et al., 1995

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0030】

本発明の目的は、上述の欠点を克服する、受動的流体フローレギュレータを提案することである。本発明の別の目的は、代案として、製造が、より容易で、及び、より安価であり、それの使用条件に注意する限り、より高い柔軟性と精度を提供する、受動的流体フローレギュレータを提供することにより、上述の先行技術の欠点を相殺することである。

【0031】

そのために、本発明は、流体リザーバに連結されるように適合された流体入口、及び、送達位置に連結されるように適合された流体出口を含んでなる、フローレギュレータに関わり、ここで、上記レギュレータが、所定の周辺リンキング・エリアで、一緒に、しっかりと連接された剛体の基板と可撓性の膜を含んでなり、上記基板、及び／又は、上記膜が、−該膜が静止位置置にある時−、該膜と該基材との間に、キャビティを画成するように、凹部を有し；上記基板、及び／又は、上記膜が、上記キャビティに隣接する、スルー・ホールを有し、上記流体出口と連通しており、上記基板、及び／又は、上記膜が、なおその上、上記キャビティに隣接する２つの、別のスルー・ホールを含んでなり、上記流体入口と連通しており；上記基板、及び／又は、上記膜が、上記キャビティ内部に、少なくとも、２つのピラーを有し、該ピラーの各々の高さは、該膜が静止位置にある時、ピラーの自由端と反対側のキャビティ・ウォールの間に、ギャップが形成される様な、高さであり；上記ピラーの各々は、なおその上、上記別のスルー・ホールの１つと一直線になっており、上記ギャップ内にバルブを形成し；上記ピラーは、なおその上、上記一直線に並んだスルー・ホールの幅より大きい幅を有し；上記ギャップ高さを、ゼロにまで下げ、上記第１のバルブを通る流体の流れを妨げる結果となる、第１の所定の閾値より高い圧力が、上記基板と反対側の膜の面上にかかる場合、上記可撓性膜は、上記キャビティ内部で、上記基板の、少なくとも、第１の部分と、及び、上記バルブの第１を含む部分と接触することができ、上記第２バルブを通る流体の流れを妨げる結果となる、第２の所定の閾値より高い圧力が、上記基板とは反対側の膜の面上にかかる場合、上記可撓性膜は、上記キャビティ内部で、上記基板の、少なくとも、第２の部分と、及び、上記バルブの第２含む部分と接触することができ、ここで、ピラーと別のスルー・ホールの位置と寸法は、流体流量が、少なくとも、上記第１と第２の所定の閾値からなる入口圧力の範囲内で受動的に調節されるように、配置される。

【0032】

本発明の好ましい実施態様が、従属クレームに定義されている。

【0033】

本発明は、以下の図面によって図示された限定的ではない例を含む、以下の詳細な記述によって、より明らかに理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1a】本発明の第１の好ましい実施態様に記載の、流体フローレギュレータの簡易化された断面図を示し、ここでスルー・ホールがピラー内に機械加工されている。

【図1b】本発明の第２の好ましい実施態様に記載の、流体フローレギュレータの簡易化された断面図を示し、ここでスルー・ホールが膜内に機械加工されている。

【図2a】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの簡易化された断面図であり、ここで、膜は平らであり、チャネルがボトム・プレートに機械加工されている。

【図2b】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの簡易化された断面図であり、ここでチャネルがピラー・プレート内部に機械加工されている。

【図2c】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの、簡易化された断面図を示し、ここでチャネルが底、及び、ピラー・プレートの双方の内部に機械加工されている。

【図3】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの簡易化された断面図を示し、ここで膜が、凹部を形成するためにエッチング加工されている。

【図4a】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの第１の簡易化された断面図を示し、ここでチャネルがピラー・プレートのＳＯＩ層内部に機械加工され、ここで、凹部が膜内に機械加工されている。

【図4b】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの第２の簡易化された断面図を示し、ここでチャネルがピラー・プレートのＳＯＩ層内部に機械加工され、ここで、凹部がピラー・プレート内に機械加工されている。

【図4c】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの第３の簡易化された断面図を示し、ここでチャネルがピラー・プレートのＳＯＩ層内部に機械加工され、ここで、凹部が膜とピラー・プレートの双方の内に機械加工されている。

【図4d】本発明の別の実施態様に記載の、流体フローレギュレータの第４の簡易化された断面図を示し、ここでチャネルがピラー・プレートのＳＯＩ層内部に機械加工され、ここで、凹部が膜プレート内に機械加工されている。

【図5】本発明の別の実施態様に記載の、膜プレートとピラー・プレートを含んでなる流体フローレギュレータの簡易化された断面図を示し、ここで、流量絞り弁が、ピラー・プレートのスルー・ホール、及び／又は、基板のスルー・ホールに連結された管、及び／又は、ピラー・プレートのスルー・ホールに、管を経て連結された専用デバイスのいずれかの内に位置している。

【図6a】本発明の第１の好ましい実施態様に記載の、膜の裏側上に反結合性の層を含んでなるバルブの簡易化された正面図を示す。

【図6b】本発明の第１の好ましい実施態様に記載の、膜の表側上に反結合性の層を含んでなるバルブの簡易化された正面図を示す。

【図7a】底、又は、ピラー・プレートのいずれかの内に機械加工されたチャネルの簡易化された正面図を示す。

【図7b】本発明の前述の実施態様のいずれかに記載の、ピラーと膜の間にギャップを画成する第１のキャビティ、及び、ピラーの高さを画成する第２のキャビティを含んでなるピラー・プレートの簡易化された正面図を示す。

【図8a】本発明の別の実施態様の簡易化された側面図を示し、ここで、レギュレータが、種々の寸法の膜とギャップを有し、第１の低い圧力値を受ける。

【図8b】本発明の別の実施態様の簡易化された側面図を示し、ここで、レギュレータが、種々の寸法の膜とギャップを有し、第２のより高い圧力値を受ける。

【図9a】本発明の別の実施態様に記載の、ピラー・プレートの簡易化された正面図を示し、ここで、ピラー・キャビティが正方形であり、出口穴が、２つのピラーの間に位置している。

【図9b】本発明の別の実施態様に記載の、膜裏側（エッチング側）の簡易化された例を示し、ここで、キャビティは正方形である。

【図10】本発明の別の実施態様に記載の、バルブの簡易化された正面図を示し、応力・リミッタ・ピラー（Stress Limiter Pillars : ＳＬＰ）、及び、応力・リミッタ・ステップ（Stress Limiter Steps : ＳＬＳ）の双方を含んでなる。

【図11】本発明の別の実施態様に記載の、応力・リミッタ・ピラーの、簡易化された図の例を示す。

【図12】本発明の別の実施態様に記載の、簡易化されたバルブ断面の例を示し、ここで、応力・リミッタ・ピラー、及び、バルブ・ピラーは、膜の裏面上にある。

【図13a】本発明の別の実施態様に記載の、簡易化されたバルブ断面を示し、ここで、ピラー・プレートは、応力・リミッタ・ステップ、及び、バルブ・ピラーを含み、ここで、膜は、それの中央に穴を有す。

【図13b】本発明の別の実施態様に記載の、簡易化された二方向性バルブ断面を示し、第１のピラー・プレート、ドリルで穴を開けられた膜プレート、及び、第２のピラー・プレートを含んでなる。

【図13c】本発明の別の実施態様に記載の、チェック・バルブ断面の簡易化された図を示し、膜と接触しているピラーを有する第１のピラー・プレート、穴を有する膜プレート、及び、第２のピラー・プレートを含んでなる。

【図14a】本発明の、さらなる例示的実施態様に記載の、ボトム・プレート、又は、ピラー・プレート裏面の、簡易化された平面図を示す。

【図14b】図１４ａの、ボトム・プレート、又は、ピラー・プレート裏面と協調することを目的としている、薄いフィルムの簡易化された平面図を示す。

【図14c】図１４ｂの薄いフィルムで覆われた時の、図１４ａのボトム・プレート、又は、ピラー・プレート裏面の、簡易化された平面図を示す。

【図15a】付加的な保護上端キャップ、及び、圧力がリザーバから、デバイス入口のみに伝えられる位置１にある、流体スイッチを備えた本発明の第１の実施態様の簡易化された平面図を示す。

【図15b】付加的な保護上端キャップ、及び、圧力がリザーバからデバイス入口と保護キャップ・キャビティの双方に伝えられる位置２にある流体スイッチを備えた、本発明の第１の実施態様の簡易化された平面図を示す

【図16】表１に与えられた寸法に記載の、シリコン膜を有する受動的フローレギュレータの圧力特性に対する、シミュレーションした流量を示す。

【図17】表２に与えられた寸法に記載の、シリコン膜を有する受動的フローレギュレータの圧力特性に対する、シミュレーションした流量を示す。

【図18】表３に与えられた寸法に記載の、ＰＭＭＡ膜を有する受動的フローレギュレータの圧力特性に対する、シミュレーションした流量を示す。

【0035】

本発明の第１の好ましい実施態様において、デバイスは、積み重ねた、２枚のプレートから作られている。
⇒ 可撓性の膜１を備えた上端層（以下、膜と呼ぶ）
⇒ スルー・ホール１１有するピラー４、キャビティ５、入口ポート９、及び、出口ポート１０を備えたミドル・プレート２（以下、ピラー・プレートと呼ぶ）

【0036】

デバイスの簡易化された側面図を図１ａに示す（縮尺は合っていない）。
本発明のすべての側面図に関して、流れ方向が、灰色の矢印で示されている。

【発明を実施するための形態】

【0037】

本発明の第１の実施態様に記載の、デバイスの原理
ピラー・プレート２は、所定のリンキング・エリア１６内で、膜１に、しっかりと連接されている。膜１は、２つの面を有する：膜７０の前面（上面）は、図１ａに表わされていない、流体リザーバの圧力を受け、一方、膜７１の裏面は、ピラー・プレートの正面の凹部２１内に位置している。膜の凹部２１は、ピラー・プレート２内のキャビティ５に結合されている。ピラー・プレート２は、スルー・ホール１１を有するピラー４を含み、該ピラーは、穴６０から大きな出口と出口ポート１０に結合されている、キャビティ５に囲まれている。キャビティ５は、それゆえ、ピラーの正面を除いて、出口圧力を受ける。設計によっては、ピラー・エリア４は、キャビティ５のエリアより、少なくとも、１０分の１より小さくてよい。

【0038】

膜が静止位置にある時、即ち、流体に圧力がない時、ピラー４の正面の膜裏面７１は、初期ギャップ７を有するバルブ６を形成する。膜裏面７１とピラー４の上端の間の、環状流体制約から作られている、バルブ６は、入口（スルー・ホール１１）、及び、出口（キャビティ５）を有す。

【0039】

図１ａは、入口ポート９、ピラー・プレート２内のスルー・ホール１１、バルブ６、キャビティ５、出口スルー・ホール６０、及び、最後に出口ポート１０から作られている、流体経路（灰色の矢印）を示す。

【0040】

入口ポート９は、圧力Ｐ_reservoirでリザーバに結合されていて、出口スルー・ホール６０と出口ポート１０は、圧力Ｐ_outで、送達位置に結合されている。

【0041】

圧力リザーバは、上記流体経路に従う、流れを引き起こす。バルブ６の開口部（圧力なしの初期ギャップに等しい）は、リザーバ圧力によって決まるので、リザーバ圧力を増やすことによって、膜１は、ピラー・プレート２のピラー４の方向に動き、ピラー４のスルー・ホール１１を徐々に塞ぎ、それゆえ、バルブ６を次第に閉じ、バルブの流体抵抗は、圧力によって決まる。

【0042】

同様に圧力によって決まるキャビティの流体抵抗を除いて、それの高さは、膜の偏向によって、及び、それ故リザーバ圧力によって決まるので、流体経路のすべての他の部分は、一定の流体抵抗を示す。

【0043】

デバイスの作動原理は、流体経路の内方向部分（個々に、入口ポート９とバルブ６の間）の流体抵抗は、少なくとも、（キャビティ、出口スルー・ホール６０、及び、出口ポート１０を含む）流体経路の下方向部分の流体抵抗の１０倍大きいことを強いる。当然の結果として、リザーバ圧力によって決まる、キャビティの流体抵抗は、どんなリザーバ圧力でも、内方向流体経路の流体抵抗の、少なくとも、１０分の１より小さくなければならない。

【0044】

第１近似において、膜の可撓性部分は、それゆえ、リザーバ圧力と出口圧力の間の差に等しい、圧力勾配を受ける。

【0045】

リザーバ圧力のいかなる変化も、バルブ開度の変化を引き起こし、それゆえ、それらの流体抵抗の変化を引き起こす。かかる環状バルブに関して、最新技術の議論によると、かかるバルブの流体抵抗は線形ではなく、それらの開口部高さのマイナス３乗によって変わる。１つのみのバルブの使用は、リザーバ圧力が変化する時、一定流量、又は、任意の特定流れプロファイルを実現するのには、十分ではない。

【0046】

所定の圧力範囲にわたって、一定流量を得るため、リザーバ圧力が増える時に、同じ速度ではなく、徐々に閉止する、少なくとも、２つのバルブを与えることが必要である。実際には、膜１の中央近くに位置しているバルブは、最初に閉止し、一方、膜の端部近くに位置しているバルブは、遮断するために、より高い圧力を必要とする。スルー・ホール１１の直径、ピラー４の位置、膜１の直径と厚さ、及び、最後に、キャビティ２１の高さは、特定の圧力範囲にわたって、一定の流量を得るために選択される。

【0047】

一般的傾向として、バルブの数が多ければ多いほど、流れ精度はより高い。

【0048】

本発明の第２の好ましい実施態様において、デバイスは、積み重ねた、２枚のプレートから作られている：
⇒ スルー・ホール２０８を有する可撓性の膜１を備えた上端層
⇒ フル・ピラー（full pillar）４、キャビティ５、入口ポート９、及び、出口ポート１０を備えたミドル・プレート２
⇒

【0049】

デバイスの簡易化された側面図が図１ｂに示されている（縮尺は合っていない）。
リザーバの流体は、膜１の上面７０と接触している。リザーバ内圧力は、スルー・ホール２０８、バルブ６、キャビティ５、並びに、最後に、出口スルー・ホール６０、及び、出口ポート１０を通る流れを引き起こす。作動原理は、本発明の第１の好ましい実施態様に極めて類似している：リザーバ圧力の任意の変化によって、バルブ６の開度が変更され、それゆえ、それらの流体抵抗が変更される。膜内の穴は、膜が静止位置（リザーバに圧力なし）の時、流体経路のどの他の部分よりも、少なくとも、１０倍大きい、流体抵抗を有する。デバイスは、特定の圧力範囲にわたって、流体抵抗が一定のままであることを確保するように、設計されてもよい。

【0050】

バルブ６を形成するため、フル・ピラー４は、膜１のスルー・ホール２０８の正面で機械加工される。望ましい調節プロファイル次第で、通常、高い圧力で自由流れが必要ならば、１個、又は、数個のスルー・ホール２０８が、ピラーが無い、キャビティ５の正面に位置してもよい。ピラーは、通常、高圧で、膜へのサポートが必要である時、又は、デバイスのデッド・ボリュームを最適化する必要がある時、体系的に穴の正面に、体系的に、置かれるのではない、

【0051】

極く低流量の調節を、通常は、１日あたり数ミリリッター以下を、確かにするため、ピラー４内スルー・ホール１１、又は、膜１内スルー・ホール２０８は、数ミクロンの直径を有する必要がある。かかる小さな穴に対する相対機械加工公差は、ＭＥＭＳプロセス、又は、プラスチック・インジェクションを使用する時、大きいので、デバイスの最終精度は悪い。低流量調節のための、別のレギュレータ設計が必要である。今後の設計は、本発明の第１の好ましい実施態様に基づくであろう。

【0052】

本発明の別の実施態様において、低流量専用のデバイスは、積み重ねた３枚のプレートから作られている：
⇒ 可撓性の膜１を備えた上端層
⇒ ピラー４、スルー・ホール１１、及び、最終的に、チャネル８を備えたミドル・プレート２
⇒ 流体ポート９、及び、１０、並びに、最終的に、チャネル８を備えたボトム基板３（以下、ボトム基板と呼ばれている）。

【0053】

デバイスの簡易化された側面図が図２ａに示されている（縮尺は合っていない）。

【0054】

低流量専用の、本発明のこの別の実施態様に記載のデバイスの原理
ピラー・プレート２は、膜１、及び、ボトム・プレート３に、それぞれ、所定のリンキング・エリア１６と１７において、しっかりと連接されている。膜とピラー・プレートの間のキャビティ５は、キャビティ内部の圧力が、確実に、出口圧力に大変近いようにするため、他のスルー・ホールと比較して、大きな出口スルー・ホール６０を有する。

【0055】

膜１は２つの面を有する：膜８０の前面（上面）は、図２ａに表わされていない、流体リザーバの圧力を受け、一方、膜８１の裏面（キャビティ５とピラー４の正面のより低い面）は、ピラーの正面を除いて、出口圧力を受ける。設計によっては、ピラー・エリア４は、キャビティ５のエリアより、少なくとも、１０分の１より小さい必要がある。

【0056】

膜が静止位置にある時、即ち、流体に圧力がない時、ピラー正面の膜裏面８１は初期ギャップ７を有するバルブ６を形成する。８１と４との間の環状流体制約で作られているバルブ６は、入口（スルー・ホール１１）と、出口（キャビティ５）を有する。

【0057】

図２ａは、入口ポート９、ボトム・プレート内スルー・ホール１１、ボトム・プレートとピラー・プレートの間のチャネル８、ピラー・プレート内スルー・ホール１１、バルブ６、キャビティ５、出口スルー・ホール６０、及び、最後に、出口ポート１０から作られている、流体経路（灰色矢印）を示している。

【0058】

入口ポート９は、圧力Ｐ_reservoirでリザーバに結合されていて、出口スルー・ホール６０と出口ポート１０は、圧力Ｐ_outで、送達位置に結合されている。

【0059】

圧力リザーバは、上記流体経路に記載の流れを引き起こす。リザーバ圧力を高めることにより、膜１は、ミドル・プレート２のピラー方向に動き、ピラー４のスルー・ホール１１を徐々に塞ぎ、それ故、バルブ６を徐々に閉じるので、バルブ６の開度は、リザーバ圧力によって決まるので、バルブの流体抵抗は、圧力によって決まる。それの高さは、膜の偏向によって、それゆえ、リザーバ圧力によって決まるので、同様に圧力によって決まる、キャビティの流体抵抗を除いて、流体経路の、他のすべての部分は、一定流体抵抗を示す。

【0060】

デバイスの作動原理は、流体経路の内側向き部分（入口ポート９とバルブ６の間の各々）の流体抵抗は、流体経路の下側向き部分（キャビティ、出口スルー・ホール６０、及び、出口ポート１０を含む）の流体抵抗の、少なくとも、１０倍大きいことを課している。当然の結果として、リザーバ圧力によって決まる、キャビティの流体抵抗は、どんなリザーバ圧力でも、内方向流体経路の流体抵抗の、少なくとも、１０分の１より小さくなければならない。

【0061】

第１の近似において、膜の可撓性部分は、それゆえ、リザーバ圧力と出口圧力の間の差に等しい圧力勾配を受ける。

【0062】

リザーバ圧力のいかなる変化も、バルブ開口部の変化を引き起こし、それゆえ、それらの流体抵抗に変化を引き起こす。かかる環状バルブに対して、最新技術の議論によると、かかるバルブの流体抵抗は線形ではなく、それらの開口部高さのマイナス３乗によって変わる。１つのバルブのみを使用することは、リザーバ圧力が変化する時、一定流量、又は、任意の特定流れプロファイルの可能性を提供するには、十分ではない。

【0063】

所定の圧力範囲にわたって、一定流量を得るため、リザーバ圧力が増える時に、同じ速度ではなく、徐々に閉止する、少なくとも２つのバルブを与えることが必要である。実際には、膜の中央近くに位置しているバルブは、最初に閉止し、一方、膜の端部近くに位置しているバルブは、遮断するために、より高い圧力を必要とする。

【0064】

リザーバ圧力が変わるにつれて、可変の流体抵抗を有する、少なくとも２つの受動的バルブの存在は、本発明の主要な特徴である。本発明の第１と第２の、好ましい実施態様は、かかる受動的バルブを得るための、２つの異なった方法を示している。

【0065】

デバイスの圧力調節範囲は、バルブの動き具合とそれらの圧力に対する感度で、画成される。
流量範囲は、リザーバとバルブ６の間の内方向流体経路の流体抵抗によって決まる。大きな流体抵抗が、低流量を得るために必要である。

【0066】

チャネル８は、図２ａに示されているように、本発明の第２の主要な特徴である：これらのチャネルは、バルブ本体とは切り離されているので、それらは、大きな流体抵抗に達するために必要なだけ長く、又は、狭くてよい。

【0067】

応力・リミッタ１３０、及び／又は、１３１は、図１０、及び、１２に示されているように、本発明の第３の主要な特徴である：膜内の応力は、高圧で限定されるので、シリコンのような、十分に高い降伏強度を有する材料のみを使用する必要はない：金属、又は、硬質プラスチックの使用は、これらの応力・リミッタによって、可能となり、デバイスのコストを大きく削減することとなる。

【0068】

本発明の２つの好ましい実施態様において、入口ポート９と出口ポート１０内の流れの方向は、図１ｂに示されるように、膜平面に垂直である。

【0069】

図２ｂに示されるように、チャネル１８は、ピラー・プレート１４内に作ることができ、その場合、ボトム基板３は、スルー・ホール１２を備えた平板から容易に作られている。

【0070】

図２ｃに示されるように、チャネル１９は、ピラー・プレート２、及び、ボトム・プレート３の双方の内に作ることができる。

【0071】

凹部キャビティ２１は、図１ａと１ｂに示されるように、膜１内にエッチング加工されており、一方、凹部キャビティ２０は、図２ａと２ｂに示されるように、ピラー・プレート２内にエッチング加工によって作られる。
凹部キャビティ２０、又は、２１の高さが、ギャップ７を画成する。

【0072】

出口を除いて、デバイス全体は、加圧流体に連結できる。薄い保護膜３４（図４ａ参照）、通常は、高分子フィルムを、膜の破れの後、自由流れを防ぐため、膜１の上端面上に付着させることができる。

【0073】

ピラー・プレート２、及び、ボトム・プレート３は、パイレックス（登録商標）（Pyrex^(R)）、又は、シリコン、又は、セラミック、プラスチック、又は、金属などの他の材料で作ることができる。

【0074】

チャネル８、及び／又は、１８、及び／又は、１９は、通常は、シリコン基板のＫＯＨエッチングによって得られる、Ｖ溝から作られる。

【0075】

チャネル８、及び／又は、１８、及び／又は、１９は、機械加工でき、又は、エンボス加工、若しくは、インジェクション中に得ることができる。

【0076】

チャネル８、及び／又は、１８、及び／又は、１９は、１つの通りに限定されるものではない。

【0077】

スルー・ホール２０８、１１、１２、及び、６０は、乾式エッチング、サンドブラスティング、超音波ドリル法、又は、いかなる、他の適切な技術によって、得ることができる。

【0078】

デバイスには、通常は、ホイートストン・ブリッジ構成で、シリコン膜内に歪ゲージを埋め込むことによる、膜１の偏向を測定する手段が含まれる。

【0079】

機械加工公差に関して、特別の配慮を払う必要がある、重要な部分は、膜１の厚さと平面度、スルー・ホール２０８の直径、ギャップ７、並びに、チャネル深さ８、１８、及び、１９である。

【0080】

ピラー・キャビティ４内圧力は、出口圧力に極めて近くなくてはならないので、最終のチュービング、又は、カテーテルを含む出口の流体抵抗は、理想的には、少なくとも、デバイスの他の部分よりも、一桁低くなくてはならない。

【0081】

チャネル８、１８、及び、１９の断面は、使用されるプロセスによるが、通常、三角形、長方形、又は、台形である、しかし、断面形状には、実際、なんら制約はない。

【0082】

少なくとも１つのチャネルがある。

【0083】

各ピラー４・スルー・ホールを、同一のチャネル８，１８、及び、１９に連結することができる。

【0084】

代表的なデバイスは、各ピラー４に対して、少なくとも、１つのチャネル８，１８、及び、１９を有する。

【0085】

チャネル８，１８、及び、１９は、膜１が偏向していない時、デバイスの主な流体制約を示さなければならない。膜１上の圧力を増すことにより、各バルブ６の抵抗は、各バルブ６に対する所定の圧力値で、チャネル８，１８、及び、１９の抵抗よりも大きくなるまで増える。

【0086】

ピラー基板３１は、通常は、図４ａに示すように、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）を使用することにより、１つ、又は、複数のチャネル３４を含んでもよい。酸化物３２が、ＳＯＩ層３３内チャネルを機械加工する間、エッチング停止材として、使用される。
ピラー基板に対して、ＳＯＩを使用することは、酸化物は極めて効率的なエッチング停止材であるので、チャネル深さの機械加工精度を改善するために、望ましいこととなり得る。

【0087】

図４ａは、ＳＯＩピラー・プレート３１に基づいた、フローレギュレータの第３の実施態様の、第１の簡易化された図を示す。

【0088】

プロセス収率次第にもよるが、すべての、非常に重要な部分は、図４ｂに示すように、ピラー・プレート３６内に含まれる（例えば、ピラー・プレート３６内にエッチング加工された凹部２０付きで、今後示されるＳＯＩ設計）。膜１は、なんら機械加工されていない単純な平板であり、一方、ボトム・プレート３は、入口スルー・ホール１２を作るため、穴が開けられただけの別の単純な平板である。出口ポート１０は、ボトム・プレート３に接着することなどの、任意の手段によって、取り付けられたコネクタであってよい。

【0089】

図４ｃは、本発明の第３の実施態様の、第３の、簡易化された図を示し、ここで膜３８とピラー・プレート３６の双方は、ギャップ７をつくるため、機械加工される。

【0090】

ピラー・プレート３７は、図４ｄに示す様に、非常に重要な部分を含まなくてもよい。 チャネルは、ボトム・プレート３９のため、ＳＯＩウエハーを、再び、使用することにより、得られてもよい。

【0091】

別の実施態様においては、デバイスは、２つのプレート、膜１とピラー・プレート２からのみ作られていて、流量絞り弁４６（例えば、チャネル）が、チュービング４４、コネクタ４７、又は、他の流体経路を使用して、ピラー・プレート２に連結された、専用チップ内に置かれている。この、別の実施態様は、デッド・ボリューム（及び、それゆえ、プライミング時間）と組立体の複雑さを増す可能性がある。主な効果は、組立前に、容易にテストすることができる、市販の、即納のリストリクタを使用することができることである。各リストリクタは、小さな内径４８を有するチュービングから、簡単に作ることができる。各リストリクタは、目標とした抵抗を得るため、単に、それの長さを調整することによって、同一の内径のチュービングを使用して、作ることができる。

【0092】

本発明の第２の好ましい実施態様に関して、ピラー・プレート内スルー・ホール１１の流体抵抗は、予期された圧力範囲内で、流れ調節を確実にするように、調整することもできる。

【0093】

図５は、本発明のこの別の実施態様に記載の、凹部２１、スルー・ホール１１を備えたピラー・プレート２、及び、入口コネクタ４７を有する膜１を含んでなる、デバイスの断面を表わす。３つの異なった種類の流量絞り弁、それぞれ、チュービング４４を使用している、ピラー・プレート２のスルー・ホール１１と連通している流量絞り弁４６、ピラー・プレート内に直接作られた流量絞り弁（スルー・ホール１１自体）、及び、最後に、小さい内径のチュービング４８から作られている流量絞り弁が、同様に、図５に示されている。

【0094】

プレートは、特定のリンキング・エリア１６と１７にて、通常は、陽極ボンディング（パイレックス（登録商標）とシリコン・プレートに対して）、直接ボンディング（シリコン・プレートに対して）、Ａｕ−Ａｕ熱圧着、又は、任意の他の適切なボンディング技術によって、一緒につながれている。

【0095】

反結合性の層５１は、リンキング・エリアの外側に、膜１の裏面上に、付着させ、又は、増やされてもよい。反結合性の層５２は、同様に、ピラー・プレート２の正面に作られてもよい。
図６ａは、本発明の好ましい実施態様に記載の、バルブ６を示し、ここで、反結合性の層は、膜１の裏面上にある。反結合性の層５１の形状は、２つの平らな面が接触して行く時に起こる、スクイーズ・フィルム効果を制約するために、作られる。反結合性の層５１は、好ましくは、（図６ａに示すように）膜１、又は、（図６ｂに示すように）ピラー・プレート２、又は、双方の、全面にわたって、均等に分布された、寸法の小さいパッドから作られている。特定の反結合性の形状５３は、バルブ・シート全体を覆うために、バルブ６に対して作られねばならない。

【0096】

フローレギュレータの、いくつかの前述の実施態様の別の特徴は：
・酸性、又は、アルカリ性溶液による、どんな腐食をも防止するための、液体と接触している面の、通常は、膜面８０と８１、又は、７０と７１、キャビティ５、より一般的には、流体経路全体の、特定のコーティング（例えば、ＴｉＯ₂など）。
・デバイスのプライミングを改善し、面汚染を少なくするため、液体と接触している、すべての面上に親水性物質のコーティング（例えば、ＰＥＧなど）。
・バルブ漏えいの防止のための粒子フィルタ。

【0097】

本発明の好ましい実施態様のチャネル８の代表的正面図が、図７ａに示されている。この正面図は、図２ａに示されたボトム・プレート３の正面、又は、図２ｂに示されたピラー・プレート２の裏面に相当することができる。

【0098】

入口ポート５５と出口ポート５６は、チャネル８、又は、１８を、それぞれ、ピラーとボトム・プレートのスルー・ホール１１と１２に連結するために使用される。ポート５５と５６の寸法は、主として、ボンディング・プロセスの位置合わせ公差によって決定される。しっかりとした連結を確保しなければならず、位置合わせは、チャネル８、又は、１８の流体抵抗に影響を及ぼしてはならない。

【0099】

本発明の好ましい実施態様に記載のピラー・プレート正面図２の例が、図７ｂに示されている。ピラー４に対して、出口６０の位置は、他の抵抗に対して小さくなくてはならない、ピラーと出口の間の流体経路の抵抗によって、主として決定される。この見解に従い、出口６０は、理想的には、最も大きい流れ抵抗を示すチャネル８につながれている、ピラー４の近くに置かれるべきである。

【0100】

（スルー・ホール付きと無しの）各ピラー４間の最大距離は、高圧力での、それらピラー間での、膜１の独立部分の２次的変形効果によって決定される。この付加的変形は、デバイスの流体挙動を変更してはならない。

【0101】

図７ｂに示されている、ピラー・キャビティ５は、２つの前述の見解を考慮することにより、さらに、デバイスのプライミング能力を考慮することにより、設計しなければいけない。ピラー・キャビティ形状によって、理想的には、デッド・ボリュームを最小にし、主な流れがこのデッド・ボリュームの最も大きい部分を確実に進ませる。

【0102】

デバイスの外部形状には、なんらの制限もない。

【0103】

別の実施態様において、本発明は、流体リザーバに連結されるように適合された流体入口９、送達位置に連結されるように適合された流体出口１０を含んでなる受動的な種類であるフローレギュレータに関わり、該レギュレータは、ピラー・プレート１０１、ボトム・プレート３、及び、可撓性膜１１０を画成する凹部１０４を有する膜プレート１００を含んでなり、これらの３つのプレートは、所定のリンキング・エリア１７と１６内で、少なくとも１つのキャビティ５とチャネル８を、それらの間に画成するように、一緒にしっかりと連接され、該キャビティ５は、スルー・ホール６０により上記流体出口１０に連結されている。

【0104】

本発明の、この別の実施態様において、上記硬い基板１０１は、上記流体入口９に連結されている、上記キャビティ５と反対側に第１の面を有し、一方、上記膜１００は、該キャビティ５と反対側に外面を有し、上記ピラー・プレート１０１は、なおその上、少なくともスルー・ホール１１を有し、上記ボトム・プレートは、該流体入口９から上記流体出口１０へ、流体のための経路を画成するため、該スルー・ホール１１に隣接するチャネル８とスルー・ホール１２を有し、上記可撓性膜１１０は、上記キャビティ５内のピラー・プレート１０１の上記ピラー４、及び、上記スルー・ホール１１を含み、第１の所定の閾値より大きい圧力を流体が上記外面に加える場合に、バルブ６を画成する部分と接触することが可能であり、これにより、上記スルー・ホール１１と上記バルブ６を通る流体の流れを妨げることとなり、ここで、上記ピラー・プレートは、上記キャビティ５に隣接する別のキャビティ１１５内に、少なくとも１つの別のスルー・ホール１１４を含み、ここで、流体は、上記別のキャビティ１１５からキャビティ５の方向に開口部１２０を経て流れることができ、ここで、上記膜プレート１００は、少なくとも別の可撓性膜１１１を含み、該別の可撓性膜は、上記別のキャビティ１１５内のピラー１１７上のピラー・プレート１０１、及び、上記別のスルー・ホール１１４を含み、流体が、第１の所定の閾値より大きいが、第２の所定の閾値より小さい圧力を、上記外部面に加える場合に、別のバルブ１１６を画成する部分と、接触することが可能であり、上記別の膜１１１、上記別のキャビティ１１５、及び、上記別のスルー・ホール１１４が、流体流量が、ほぼ、上記第１から、上記第２の所定の閾値に及ぶ範囲にて、上記外部面上に加えられた圧力の関数として、実質的に線形であるように、さらになお、配置されている。

【0105】

本発明のこの別の実施態様の、簡易化された側面図が、図８ａに図示されており、レギュレータは、第１の低い圧力を受ける。第２のより高い圧力を受ける、同じレギュレータが図８ｂに示されている。

【0106】

第５の実施態様の１つの、簡易化された、ピラー・プレート正面図が、図９ａに示されている。

【0107】

この別の実施態様の膜裏面（エッチング加工された面）が、図９ｂに示されている。使用されるプロセスによるが、凹部１０４、又は、１０５は、傾斜を示す凹部壁を有してよい。＜１００＞シリコン・ウエハ上の、異方性ウェットエッチングを使用することにより、代表的凹部壁の角度は５４．７°である。

【0108】

デバイス内の異なったキャビティは、図９ａに示すように、開口部１２０と相互に連結されねばならない。理想的には、これらの相互連結の流体抵抗は、すべてのキャビティ内の圧力が、出口圧力に極めて近いことを保証するように、設計される。

【0109】

膜プレート１００は、正方形、長方形、楕円形、及び、円形の膜などの、任意の形状の膜を含むことができる。異なった形状の膜を、同じ膜プレート内に作ることができる。

【0110】

本発明の２つの、好ましい実施態様において、膜１のピラー・プレート２に対する変形が使用される。この効果は、強い非線形であり、結果として、圧力を増やすことにより、膜１を固くすることとなる。中央にはないバルブ６を閉じるため、大きな圧力、及び／又は、幅の広い、及び／又は、薄い膜１が必要である。バルブは、低圧、及び、高圧バルブとして、即ち、低圧（それぞれ、高圧）で閉じるバルブとして、分類することができる。

【0111】

図８ａに表されている、本発明の実施態様において、ピラー４は、膜１１０の中央の正面に置かれている。その今後の構成において、閾値は、膜の寸法と膜と基板の間の距離によって、同一の膜プレート１００内のバルブ１つずつ調整される。第１の実施態様の高圧バルブは、例えば、より小さな膜面、及び／又は、より厚い膜を有するバルブによって、置き換えられる。低圧膜の寸法を減らすため、ギャップ７（膜プレート１００内の、各凹状キャビティ１０４の深さ）は膜厚さより小さい。

【0112】

好ましい実施態様において、ギャップ７を減らすことにより、ピラー・プレート１０１上の膜１の接触角が、低圧で、極めて速やかに増え、それゆえ、膜１の中央部分は、低圧の狭い範囲を調節するためにのみ使用される。このことが、ピラー４が、設計によっては、大幅に偏心していることの理由を説明している。

【0113】

図８ａに表されている実施態様の設計は、高圧と低圧のバルブが、同じデバイスに埋め込まれているので、作動圧力のより広い範囲と、範囲全体にわたってのより高い精度を可能にする。しかし、高いリザーバ圧力で、低圧の物理的完全性（integrity）に留意することは、重要である：材料の降伏強度に達してはならない、そうでなければ、塑性変形が観察され、デバイスの流体挙動の変化につながる。

【0114】

好ましい実施態様の膜は、まず第１に、大変高い降伏強度の理由で、それだけでなく、ＭＥＭＳ技術によって、スルー・ホールとチャネルに対して、良好な機械加工公差が可能になるので、好ましくは、シリコンで作られる。プラスチックの様な、より安価な膜材料を使用することに強い関心が持たれている：コストの理由だけでなく、プロセスの簡易化と、種々の厚さを有する膜と、種々の高さを有するギャップを、簡易化された方法で作ることを可能にするという理由からである。

【0115】

図８ａに表された、プラスチックで作ることができる実施態様は、下記から作られている：
⇒ 穴が開けられていない膜プレート１００
⇒ 高圧での、膜１００の応力を制限するため、スルー・ホール１１、ピラー１３０、及び、ステップ１３１を有する、ピラー・プレート１０１
⇒ スルー・ホール１２とチャネル８を有するチャネル・プレート３

【0116】

本発明の好ましい実施態様に関して、バルブの数と寸法は、必要な精度と、流れを調節する圧力範囲とに合うように調整される。

【0117】

応力・リミッタ・ピラー１３０とステップ１３１のコンセプトが、本発明の第５の実施態様のバルブ６を示す図１０に示されている。バルブ６は、ここでは、双方の応力・リミッタを含むが、好ましい実施態様において、１種類のみの応力・リミッタが、通常は、ステップが、デバイスのデッド・ボリュームがより小さいので、使用される。明確さのために、１つのバルブ６のみ、図１０に示されている；デバイスは、圧力範囲によるが、数個のバルブを含むことができる。膜１００の中央は、スルー・ホール１１を備えたピラー４に、まず達し、バルブ６を閉じる。リザーバ圧力を増やすことにより、膜１００は、応力・リミッタ・ステップ１３１、及び／又は、ピラー１３０、又は、双方に、接触する様に動く。膜の付加的曲げは、機械的サポートのおかげで制限される。ステップ１３１の代わりに、ピラー１３０を使用することにより、開口部１３５は、空気トラッピングを防ぐため含まれなければならない。ＳＬＰは、それゆえ、図１１に示すように、完全な円筒対称性を有する必要はない。

【0118】

ＳＬＰ１３０、又は、ＳＬＳ１３１、又は、双方は、デバイスの機能中、膜材料が降伏強度に達することがないように位置が決められ、設計される。数個のステップ、又は、ピラーが使用されてもよい。

【0119】

ＳＬＰ１３０、又は、ＳＬＳ１３１は、通常は、スルー・ホール１１を有するピラー４より、大きな高さを有する。

【0120】

チャネル１８は、好ましくは、ピラー・プレート内に含まれる。チャネル１８、ピラー４と３０、ステップ１３１、及び、全てのプラスチック・プレートの部品は、成形、又は、エンボス加工の標準的設計規定を守らねばならない（適合した逃げ角など）。

【0121】

本発明の別の実施態様において、ＳＬＰ１４５、バルブ・ピラー１４５、及び、キャビティ１５０は、図１２に示すように、膜裏面１４０内に機械加工される。ピラー・プレート１４２は、ピラーをもはや有していないが、穴１１（本文中では、スルー・ホールという名前でもある）をまだ有している。

【0122】

接着、はんだ付け、熱融着、又は、任意の、他のボンディング技術を、所定のリンキング・エリア１６と１７を使用して、種々のプレートを組み立てるために使用することができる。プレートは、種々の材料から作ることができる、例えば、膜１、又は、１００、又は、１４０は、シリコンから作ることができ、一方、ピラー・プレート２、又は、１０１、又は、１４２、及び、ボトム・プレート３は、プラスチックから作られる。任意の材料の組み合わせを考慮することができる。これらの材料と注射される流体との間の相性を考慮しなければならない。通常、プラスチック材料を使用するならば、材料の水分吸収が、デバイスの流体挙動に影響を及ぼしてはならない。

【0123】

本発明の別の実施態様が、図１３ａに表されている。この実施態様は、本発明の第２の、好ましい実施態様から、直接、得られており、ここには、別のステップ１３１がある。

【0124】

この別の実施態様は、それゆえ、少なくとも２枚のプレートを含む：
⇒ 少なくとも、２つのスルー・ホール２０８を有する膜プレート１。
⇒ 出口スルー・ホール６０、ピラー４、及び、ステップ１３１を有するピラー・プレート２

【0125】

この別の実施態様のバルブ６の簡易化された図が、図１３ａに示されている。

【0126】

穴が開けられた膜１の上に、別のピラー・プレート２２２を置くことにより、二方向性のフローレギュレータを作ることが可能である。図１３ｂに、２つのバルブ６と２３０から作られた二方向性バルブを示している。本発明の別の実施態様は、少なくとも、２つ二方向性バルブを含む。

【0127】

バルブの数は、デバイスの精度の割当額、圧力の範囲、デバイスの寸法に合うように、設計によって調整される。図１３ｂに示す、二方向性フローレギュレータは対称形である。

【0128】

図１３ｃは、本発明の別の実施態様のエレメントとして、非対称形のバルブ６と２３７の簡易化された図を図示する。バルブ２３７は、プレート２２２内のスルー・ホール２００を経て、加圧されたリザーバに連結されているキャビティ２６１内に置かれたピラー２２９を備えた、チェック・バルブである。反結合性の層２３３を有してもよいピラー２２９は、ここでは、リザーバが加圧されていない時、膜と接触している。

【0129】

ピラー２２３の高さと、反結合性の層の厚さによるが、チェック・バルブ２３７の閾値を調整することが可能である。

【0130】

前述の実施態様のいずれも、好都合なことに、流量を変えるために外部からチャンネル８の選択を可能にするスイッチを含むことができる。スイッチは、例えば、入口３１２のための開口部３１１と穴を備えた高分子層３１０から作ることができる。ボトム・プレート３００に対して、フィルム３１０を回転し、押すことにより、いくつかのチャネル８は開となるが、一方、他のものが閉となる。

【0131】

図１４ａは、３連の一列に並んだスルー・ホール、それぞれ、３０２，３０３、及び、３０４を備えたボトム・プレートの対応する裏面を示す。３連のスルー・ホールの各々は、個別のレギュレータとして見ることができる。例えば、３連のスルー・ホール、３０２，３０３、及び、３０４は、それぞれ、時間あたり１，２、及び、４ｍｌの公称流量を有する、３つのレギュレータに対応する。ボトム・プレート３００の出口３０１は、対称性の証拠のために、好ましくは、フィルム３１０の中央に位置するであろう。チャネルは、ここでは、ピラー・プレート２とボトム・プレート３との間の接合部分に位置する。ボトム・プレートを有していない実施態様に対して、図１４ａは、ピラー・プレート２の裏面に対応する。

【0132】

図１４ｂは、半径方向開口部３１１（スリット）と、それの中央にある開口部３１２（穴）を備えた、フィルム３１０を示す。

【0133】

フィルム３１０を、機械的クランプ、ねじ、クリップ、又は、他の標準的組立手段を用いて、ボトム・プレート３００上に組み立てることができる。膜とピラー・プレートからのみ作られている実施態様のために、フィルムは、ピラー・プレート上に、直接貼り付けられる。

【0134】

膜とピラー・プレートのみから作られている本発明の第４の実施態様のために、フィルムは、ピラー・プレート上に、直接貼り付けられる。

【0135】

穴が開けられた膜とピラー・プレートのみから作られている本発明の第７の実施態様のために、フィルムは、膜プレート上に直接、貼り付けられる。

【0136】

図１４ｃは、すべてのスルー・ホール３０２，３０３、及び、３０４を開にするため、ボトム・プレート３００と合わせられている、フィルム３１０を示す。今後の構成において、全流量は、３連のスルー・ホールの公称流量の和である。前記の例によると、流量は、それゆえ、時間あたり７ｍｌである。フィルムを回転することにより、３つの公称流量の組み合わせにより、全流量を時間あたり１〜７ｍｌに設定することができる。フィルムの周りの、矢印３２０は、必要な流量に導く、フィルムの位置を表示している。

【0137】

高圧で閉じるようには意図されていないピラー、又は、膜内の、少なくとも、１つの穴を含んでなる前述の実施態様のいずれかを考慮すると、出口は、まず、流体抵抗を減らすだけでなく、上記穴を遮断することになるどんな残存バブルの存在をも防ぐため、上記穴の極めて近くに位置しなければならない。

【0138】

デバイスの異なった実施態様は、かなり低い流量（通常は、時間あたり数ｍｌ）を調整する意図であるので、デバイスのプライミング能力は、重要な問題である。設計によっては、空気トラッピング・エリアが最小になり、その場合、流量が極めて小さい。デッド・ボリューム（通常は、キャビティ５）は、図７ｂに示すように、同様に最適化され、ここで、キャビティ５は、流体経路の穴周りのエリアに限定される。

【0139】

デバイスは、好都合には、ライミング時間を減らすため、図１５ａ、及び、１５ｂに表すように、保護キャップと流体スイッチを含むことができる。低流量の調節のための、好ましい実施態様の１つである図２ａに表されている実施態様は、これらの新しい特徴を示すため使用されてきた。

【0140】

硬い材料で、例えば、Ｐｙｒｅｘ^TM、又は、シリコンで作られた保護キャップ４４０は、リンキング・エリア１６と同一のレイアウトを有する、所定のリンキング・エリア４３０において、膜１の面８０にしっかりと連接されている。保護キャップ４４０は、ピラー４４３上を除く膜１の可撓性部分の上にキャビティ４４１を有し、ここで、反結合性の層４４２は、ピラーと膜１との間のいかなる結合をも防ぐために作られている。ピラーは、膜と接触をしていて、それゆえ、膜のピラー基板の方向への移動のみが可能である。保護キャップは、ピラー４４３は互いの間で接触していないので、キャビティ４４１に連結されている少なくとも１つの流体ポート４４４を有する。図１５ａと１５ｂには、２つのピラーだけが示されているが、ピラーの数、又は、形状、又は、配置には制限がない。

【0141】

流体ポート４４４は、流体ライン４１２、流体スイッチ４２０、及び、リザーバとスイッチの間の流体ライン４１１から作られている流体経路を経て、デバイスのリザーバに連結されている。

【0142】

デバイスの入口ポート９は、流体ライン４１３、流体スイッチ４２０、及び、リザーバとスイッチの間の流体ライン４１１から作られている別の流体経路を経て、デバイスのリザーバに連結されている。

【0143】

図１５ａにおいて、スイッチは、プライミング・ポジションに対応する、位置１に置かれている：リザーバは、満たされ、圧力はＰ_reserviorまで上昇する。流体は、リザーバから、ライン４１３を経て、デバイスに流れることができ、一方、ライン４１２と保護キャップのキャビティ４４１は、加圧されない。膜は、ピラー方向に偏向せず、すべてのバルブ６は、高圧でも開であり、デバイス内に大きな流量を引き起こし、それゆえ、より早く、プライミングを引き起こす。ピラー４４３は、スイッチが位置１にある時、リザーバ内に大き過ぎる圧力がかかる時の膜の破れを防ぐ。プライミングが終了した時（流体が出口１０を流れる時）、スイッチは、図１５ｂに示すように、注入位置に対応する位置２に切り替えられる。リザーバ圧力は、入口ポート９とキャビティ４４１の双方にはなく、デバイスは、この時、それの意図する使用に従っての、流れ調節をすることはできない。

【0144】

プライミング時間を減らすために、注射器（ここには示されていない）を、高いプライミング圧力を発生するため、使用することができる：注射器は、位置１にある、スイッチの上に、直接、差し込むことができ、使用者は、次に、注射器プランジャを押しつけることにより、デバイスをプライミングすることができる。注射器は、次に、除去され、リザーバによって、置き換えられねばならない。

【0145】

スイッチは、他の位置を、例えば、ライン４１２、及び、１４３をベントする圧力放出位置、又は、リザーバを入口ポート９と保護キャップ４４０（図１５ａと１５ｂに表されていない）の双方から隔離する位置を含んでよい。

【0146】

前述の実施態様のいずれも、好都合なことに、少なくとも能動的バルブを含むことができる。能動的バルブは、恒久的に膜に、又は、作動中だけ膜に連接されたアクチュエータから作ることができる。バルブは、その端に、導電性の、又は、磁性の層を含んでもよい。様々な種類のアクチュエータが使用可能である：
⇒ 圧電型
⇒ 静電気型
⇒ 形状記憶合金
⇒ 形状記憶ポリマ
⇒ 電磁気型
など。

【0147】

能動的バルブは、流れ（デューティ・サイクル・モード（duty cycle mode））を調節するため、又は、単に、所定の条件の下、バルブを閉じる、又は、開く安全弁として使用することができる。その端に、能動的バルブを、好都合なことに、圧力、又は、流量センサーに連結してもよい。

【0148】

調節プロファイルの限定的ではない例が、好ましい実施態様に対して、以下に示されている：
⇒ 所定の圧力範囲で、一定流量
⇒ 低圧で開の閾値、圧力の中間範囲で一定流量、及び、高圧で遮断
⇒ 低圧で開の閾値、圧力の中間範囲で一定流量、及び、高圧で自由流れを有する、水頭症に似たプロファイル、

【0149】

本発明の好ましい実施態様は、可撓性膜の弾性変形に基づいている。ＦＥＭシミュレーションが、種々に機能する圧力での、膜形状を推定するために必要である。

【0150】

ピラー（穴開けされたもの、又は、穴開けなしのもの）は、偏向した膜を支える。ピラーの正しい分配によって、圧力を受けた膜が、確実に軸対称に変形する。

【0151】

本発明の好ましい実施態様のためのモデル
図２ａに描かれたデバイスを検討する。基本的に、デバイスには、２つの主要な流体制約がある：
１．チャネル
２．バルブ

【0152】

すべての、他の流体経路は、設計によって、流体抵抗に関して、ごく僅かでなければならない。ピラー・キャビティは、それゆえ、スルー・ホールと出口直径と同様に、この要求に合うように、設計される。

【0153】

記号：
流体の動的粘度 η
流体体積質量 ρ
ヤング率 Ｅ
膜厚さ ｔ_m
穴半径 Ｒ_h
穴深さ Ｌ_h
ピラー半径 Ｒ_p
ピラー ｉと膜との間の距離（バルブ開口部高さ）： ｈ_i
圧力勾配 ΔＰ＝Ｐ_in−Ｐ_out
流体経路 ｉを通る流量 ： Ｑ_i
チャネル幅 ｗ_c
チャネル高さ ｈ_c
チャネル長さ Ｌ_c
流体抵抗 Ｒ_f
チャネルの流体抵抗 Ｒ_fc
バルブの流体抵抗 Ｒ_fv
出口の流体抵抗 Ｒｆ_out

【0154】

流れを、チャネルとバルブに関して直列の流体抵抗としてモデル化することができ、チャネルとバルブの組の各々は互いの間で平行に置かれている（同一入口、及び、同一出口）。流れは層流であると仮定する。

【0155】

本明細書では、長方形のチャネルが検討される。チャネルｉの流体抵抗Ｒ_fiは：

【数1】

ｗ_c ＞＞ｈ_c (平らなチャネル) に対して：

【数2】

【0156】

バルブｉの流体抵抗Ｒｆｖ_i ：

【数3】

【0157】

流量Ｑは次の式となる：

【数4】

【0158】

もしも、レイノルズ数が、所定の圧力で、１より大きくなるなら、特異な水頭損失（head loss）が検討されるべきである。

【0159】

特異点の水頭損失は、流量の２乗に比例し、それゆえ、高圧でもそれらを検討しなければならない。流れの可逆性はもはや正当ではないことに留意することは重要である。流体経路を、両方向において、検討しなければならない。

【0160】

差圧ΔＰ＝Ｐ_in−Ｐ_out は、以下のように、Ｑ_iの関数として表わされる：
ΔＰ＝α_iＱ_i²＋β_iＱ_i

【0161】

ｉが１つの流体経路を示す場合、

【数5】

は、流体経路Ｉの流体抵抗の和であり、α_iは各特異点の面の関数である。

【0162】

ΔＰの各値に対して、関数α_iＱ_iを数値的に推定する：

【数6】

【0163】

全流量は、それゆえ：

【数7】

【0164】

式を簡易化するため、チャネル８が穴の形状を有すると見なす。一般的な場合、出口スルー・ホール６０、及び、キャビティ５を含む、流体抵抗へのすべての寄与を検討する。圧力の正の勾配に対して、流体は、それゆえ、チャネル８（ここでは、穴）、バルブ６、流体チャネルに組み込まれているキャビティ５、及び、最終的には、出口スルー・ホール６０（同様に、穴の形状を有する）を経て、流れる。パラメータα_iとβ_iは次の式となる：

【数8】

【0165】

負の圧力勾配に対して、即ち、流体が、出口スルー・ホール６０、バルブ６までのキャビティ５（チャネル）、及び、最終的には、チャネル８（穴）を経て流れる時、パラメータαとβは次の式となる：

【数9】

【0166】

出口での流体抵抗Ｒｆ_out (例えば、注入ライン)を、同様に検討する。その場合、所定の圧力勾配ΔＰに対して、流量Ｑを、既に示したように推定する。
Ｒｆ_outによる、別の圧力降下ΔＰ_out ｄは、この時：
ΔＰ_out＝Ｒｆ_outＱ

【0167】

流量Ｑを得るのに必要な、効果的圧力勾配は、それゆえ：
ΔＰ_eff＝ΔＰ＋ΔＰ_out

【0168】

関数ｈｉ(Ｐ) は、圧力の下、膜の偏向に対するＦＥＭモデルを使用して、推定される。

【0169】

図９ａ（複数膜の設計）に表されている、実施態様の詳細な記述がここに提供される。ギャップは、膜の巾の０．４倍より大きくないと仮定する。その構成において、接触までの偏向は、圧力と共に、線形である。
デバイスの圧力特性に対しての流量推定のため、分析モデルが使用される。
圧力の下の膜偏向の式を簡易化するため、発明者は、円形の膜と円形の穴から作られている、ピラー・プレートと膜プレートを有する、デバイスを設計する。

【0170】

流れは、穴と、ピラーと膜の間の開口部部とを含む、一連の流体抵抗を、単純に使用して、モデル化することができる。

【0171】

圧力Ｐでの、膜中心ｉとピラーｉとの間の距離ｈｉ(Ｐ)（バルブｉの開口部高さ）は：

【数10】

ここで

【数11】

【0172】

Ｐ＜Ｐ_contact ｉの場合、ここでＰ_contact ｉは、ピラーｉに対する膜ｉの接触圧力、ｈ(Ｐ₀)は、初期ギャップ高さ（＝凹部高さ）、Ｄはプレート定数、ｒ_mi は膜ｉの半径、ｔ_m は膜厚さ、及び、νは膜材料のポアソン比である。
Ｐ＞Ｐ_{contact i}, の場合に対しては、
ｈ_i(Ｐ)＝０

【0173】

４枚の膜のシリコン・レギュレータのための、４ｍｌ／日での流れ調節
フローレギュレータは、疼痛管理のために、使用することができる。より小さな流量が予期され、通常は、時間当たり１ｍｌ以下が予期される。摂取過剰を避けるため、デバイスは、高圧では閉止弁でなければならない。

【0174】

４枚の膜と４つのチャネルを有するシリコン・デバイスが、以下のシミュレーションのために使用された。機構１３０と１３１が付いていない、かかるバルブが、図１０に示されている。図２ａ、又は、２ｂ、又は、２ｃに表されている実施態様に従って、上記膜の下に、やはり、数個のチャネルと数個のピラーを備えた単一の膜を使用している、デバイスを、同様に得ることができる。すべての場合、膜の枚数、又は、同一の膜の下のピラーの数は、目標とする流量、及び、精度次第で変えられてもよい。

【0175】

デバイス・パラメータ：
⇒ シリコン膜
⇒ ヤング率 １７０ＧＰａ
⇒ ポアソン係数 ０．２６２
⇒ 厚さ ５０ミクロン
⇒ ギャップ ２０ミクロン

【0176】

チャネル・パラメータ：
⇒ 深さ ２．５ミクロン
⇒ 巾 １００ミクロン

【0177】

動的粘度は、３７℃で、０．０００７ Pa.s である。

【0178】

チャネル長さは、２００と４００ｍｂａｒの間で、１日あたり、４ｍｌの流量に合うように、調整された。表１は、デバイスの主要寸法をまとめている。

【0179】

【表1】

【0180】

図１６は、流量と圧力との間の、シミュレーションした関係を示す。

【0181】

平らなチャネルに関する、流量精度に対しての主な誤差は、主として、深さの誤差による。シリコン・オン・インシュレータを使用して、チャネル深さに関して、１σで±０．０５ミクロン（２．５ミクロンの深さに対して、±２％）の誤差を達成することができ、流量精度に対して、１σで±６％につながる。チャネルの横方向エッチングによる誤差は、およそ±０．３３％（１σで１００±０．３３ミクロン）であり、無視することができる。
マイクロ・チャネルは、ここでは、流量精度に関して、１σで、±６％の誤差を示す。

【0182】

例えば、以下の仕様が、鎮痛薬送達のための、埋め込み可能なポンプ内に組み込まれる、本発明に従った、フローレギュレータに適用される：
ａ） １ｍｌ／日の一定流量
ｂ） 粘度に関しては、水に相当する液体
ｃ） 温度＝３７℃
ｄ） 圧力範囲＝２００から４００ｍｂａｒ

【0183】

同一のデバイスを、図１ｂ、又は、１３ａに表されているように、ピラーの正面に穴を有する膜を使用して、作ることができる。２枚の同じ膜と２０ミクロンのギャップを用いて、１日あたり４ｍｌの流量に合うために、穴は、それぞれ、６．８１ｕｍ、３．３ｕｍ、４．３ｕｍ、及び、４．６ｕｍの直径を示す必要がある。穴の極めて小さい寸法は、穴の機械加工公差は、デバイスの流量精度を強く制限するので、この設計は、低流量には十分には適応していないことを示している。

【0184】

この例は、低流量の調節のために、小さな穴の代わりに、流れの制約を発生させるチャネル８、又は、１８、又は、１９を含む、本発明の実施態様の重要性（interest）を示す。

【0185】

以前は露出していたフローレギュレータを、以下を含む埋め込み可能なポンプ内に組み込むことができる：
・チタン・ハウジング
・薬物リザーバ
・薬物のための充填ポート
・カテーテル・ポート
・ボーラス注入のためのカテーテル・アクセス・ポート
・ポンプ駆動
・温度センサー
・フローレギュレータ
・フィルタ（例えば、０．２２ミクロンの細孔径を有する細菌フィルタ）
・コントロール・バルブ
・バルブ、温度センサー、及び、圧力センサーに電力を供給するバッテリ
・圧力センサーと温度センサーに電力を供給する、ワイアレス・システム
・以下を指示するアラーム・システム
* 低バッテリ
* 薬物リザーバが空
* 圧力過剰、又は、圧力不足（調節される圧力の範囲外）
* 膜破れ
* 過熱

【0186】

本発明によるフローレギュレータは、特に、次の効果を提供する：
⇒ 圧力変化（登山、ダイビングなど）による、摂取過剰、及び、摂取不足のリスク低減
⇒ ガス・プロペラが使用されていないならば、爆発のリスクなし
⇒ 充填／再充填の処置中のリスク低減
⇒ ポンプ作動中、身体への衝撃の間、摂取過剰のリスクなし

【0187】

水頭症のためのフローレギュレータ
水頭症に専用のデバイスが、同様に、シリコン（１７０ＧＰａのヤング率と０．２６２のポアソン比）とＰＭＭＡ（３ＧＰａのヤング率と０．３５のポアソン比）にて設計された。
調節プロファイルが、１５〜４０ｍｂａｒの間で、流量２０ｍｌ／ｈを調節するように設定された。高流量によって、穴が開けられたピラーに連結されたチャネルの代わりに、可撓性膜内の穴の使用が可能となる。

【0188】

デバイスは、それゆえ、シリコン、又は、ＰＭＭＡの、２枚のプレートから作られる：
⇒ それらの中央に１つの穴を有する、２枚の膜を有する膜プレート；１枚の膜は、膜の端近くに付加的穴を、同様に、有する。
⇒ 出口、及び、ピラーは、ボトム・プレート内に作られる。

【0189】

流体圧力は、膜の最上部の面に直接かかる。ピラーと膜は、ここで、双方の設計に対して同一の寸法を有する。
プラスチックデバイスに対して、これらの寸法は、同一のレギュレータ内部で可変であってよい。
灰色の矢印が、流れ方向を指示する。本発明の第７の実施態様に記載の後のデバイスのバルブが、図１３ａに示されている。

【0190】

シリコン、及び、ＰＭＭＡデバイスの重要な寸法が、表２と３に示されている。第３の穴は、膜の端部に位置し、一方、２つの他の膜の穴は、中央に位置する。

【0191】

【表2】

【0192】

【表3】

【0193】

ＰＭＭＡデバイスの面は、シリコンの単一膜から作られた同様のデバイスの６分の１より小さい。

【0194】

流れ特性をシミュレーションし、シリコンとＰＭＭＡのデバイスに対して、グラフが、図１７と１８に示されている。

【0195】

機械的、化学的、及び、生体適合性の要求にもよるが、ＳＡＮ、ＣＯＣ、ＰＣなどの、他のプラスチック材料を使用することができる。

【0196】

本発明は、いうまでもなく、上述の例、及び、関連する図面に制限されるものではない。例えば、バルブ、スルー・ホール、ピラー、及び、チャネルの数、及び、配分には、なんら限定はない。ピラー、応力・リミッタ機構、スルー・ホール、膜、及び、反結合性の層、又は、チャネルのためのパッドの形状は、前述の例に制限されるものではない。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13a】

【図13b】

【図13c】

【図14a】

【図14b】

【図14c】

【図15a】

【図15b】

【図16】

【図17】

【図18】