JP2000505180A - マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体流量を制御するためのマイクロバルブは、封止端部を有するバルブ開口部（１２；４０）が設けられるバルブ本体（１０）、および流体開口部（１６；６０）が設けられるバルブプレート（１４）を含む。バルブプレート（１４）は、第１の位置において前記バルブプレート（１４）がバルブ開口部（１２；４０）を閉鎖するように、一方、第２の位置において前記バルブ開口部（１２；４０）および前記バルブプレート（１４）によって定められる流量断面が封止端部およびバルブプレート（１４）間の距離によって決定的に定められるようにバルブプレートが前記バルブ開口部（１２；４０）から垂直方向に距離が置かれるような方法で、バルブ本体（１０）に対して垂直に動くように調節される。バルブ開口部（１２；４０）の封止端部（４２）の外形は、封止端部（４２）の長さが面積が等しい正方形のバルブ開口部の封止端部（３９）の長さを超えるように、選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロバルブ 本願発明は、流体の流量を制御するバルブ、特にバルブプレートとバルブ開口 部との距離が非常に狭いバルブに関する。 本願発明が適用できるバルブとは、例えば図１に示される種類の静電駆動式マ イクロバルブである。静電駆動式マイクロバルブは、バルブ開口部１２が設けら れるバルブ本体１０および流体開口部１６が設けられるバルブプレート１４から 構成される。バルブ開口部は典型的に正方形の形状を有し、正方形の一辺は０． ２ｍｍである。バルブ開口部１２は、バルブ開口部１２の外周に沿って延びる封 止端部１８により包囲される。封止端部１８は、例えばバルブ開口部の外周沿い の突起により形成されることが可能である。 バルブプレート１４およびバルブ本体１０は、バルブ本体１０のバルブ開口部 １２がバルブプレート１４の手段で開閉されることが可能であるように互いに関 して可動であるよう配置される。この配置は、バルブ本体を固定的に、バルブプ レートに弾性があるように配置することも可能であり、またバルブ本体に弾性が あるように、バルブプレートを固定的に配置することも可能である。図１に示さ れる公知の静電駆動式マイクロバルブの例において、バルブプレート１４はスペ ーシング層２０の手段でバルブ本体に固着され、そこに減縮された幅２８の部分 を有する（図２参照）。これは、バルブプレート１４の中央部分がバルブ本体１ ０に関して弾性をもって懸垂されるという効果を有する。電圧の無いまたは無圧 の状態では、バルブプレート１４はバルブ本体から数μｍ（典型的には５μｍ） 離れて配置され、バルブ開口部１２は結果的に開く。そのようなバルブは常時開 配置と呼ばれる。 バルブ本体１０およびバルブプレート１４はハウジング２２に収納される。ハ ウジングは、各々入口または出口としての役割を果たす２つの孔部２４ａ、２４ ｂを有する。 バルブは、バルブ本体およびバルブプレート間に電圧Ｕが印加されることによ り駆動される。この電圧が印加されたとき、２部品の対向する面に電荷が流れる 。これらの電荷は互いに引き合い、それによって全体としてのバルブプレートが バルブ本体の方向へと移動させられる。バルブプレート１４とバルブ本体１０の 封止端部１８とが互いに接触する際の電気的短絡を防ぐため、絶縁層２６（バル ブプレート１４についてのみ示される）が一方または両方の部品に適用される。 流体流量を制御するバルブにおいて、バルブ開口部およびバルブ本体は、これら の２部品を絶縁するため、絶縁層によって完全に包囲されなければならない。 静電駆動の原理により、そのようなマイクロバルブではバルブプレートとバル ブ本体との距離が非常に狭い。このバルブプレートとバルブ本体との非常に狭い 距離は、バルブを通過する体積流量を制限する。 前述の従来技術から始まって、本願発明の目的は、前記マイクロバルブの圧力 依存度および駆動電圧に影響することなく、流量が増加されたマイクロバルブを 提供することである。 この目的は、特許クレーム１による流体流量を制御するマイクロバルブによっ て達成される。 本願発明は、封止端部を有するバルブ開口部が設けられるバルブ本体、および 流体開口部が設けられ、前記バルブ本体に関して移動するよう調節されるバルブ プレートを含む、流体流量を制御するためのマイクロバルブを製造し、前記マイ クロバルブは、封止端部の長さが面積が等しい正方形のバルブ開口部の封止端部 の長さを超えるように、バルブ開口部の封止端部の外形が選択されることを特徴 とする。 封止端部の外形は、前記封止端部の長さが、面積が等しい正方形のバルブ開口 部の封止端部の長さの少なくとも２倍に選択されることが好ましい。これは、封 止端部の外形に、例えば波形の起伏を設けることにより達成される。これらの波 形の起伏は、封止端部の長さを決定する寸法である通路の長さおよび通路の幅を 有する入口通路および出口通路を結果的に形成する。 マイクロバルブは、例えば、静電バルブまたは圧電駆動バルブであり得る。達 成可能な体積流量を更に改良するため、バルブプレートの流体開口部は本質的に 前記バルブプレートの中央に配置されることが可能である。バルブの切り換え時 間を改良するため、バルブ本体および／またはバルブプレートには、前記部品の 対向する面に配置される流量通路が設けられることが可能である。 本願発明の更なる発展は、従属請求項で開示される。 下記において、本願発明の好ましい実施例は、同封の図面に基づいて詳細に記 述される。すなわち、 図１は、公知の静電マイクロバルブの断面図を示し、 図２は、前記のマイクロバルブの寸法を図示するためのマイクロバルブの断面詳 細図を示し、 図３は、マイクロバルブのバルブ開口部の領域における力の均衡を図示するため の断面詳細図を示し、 図４ａは、伝統的なバルブ開口部の平面図を示し、 図４ｂは、本願発明によるバルブ開口部の好ましい実施例の平面図を示し、 図５は、バルブ開口部の外周および空気活動面に関する正方形のバルブ開口部と 本願発明によるバルブ開口部との比較を示し、図６は、本願発明によるマイクロ バルブにおけるバルブプレートの実施例を示し、 図７は、本願発明の更なる実施例によるマイクロバルブの分解図を示し、 図８は、本願発明によるマイクロバルブにおいて使用されるよう調節された、バ ルブ本体およびバルブプレートの更なる実施例の断面図を示す。 本願発明の好ましい実施例を詳細に説明する前に、本願発明の好ましい実施例 の基礎を構成する静電駆動式マイクロバルブの作動様式が詳細に説明される。 図２および図３は、前記マイクロバルブの作動様式を図示するための図１のマ イクロバルブの断面詳細図を示す。図２において、絶縁層２６からのバルブ本体 １０の距離１とともに、絶縁層２６の厚みｄ₁が示される。図３は、方向ｚ（図 ２）において効力のある静電駆動力Ｆ_el空気印加力Ｆ_pnおよびバルブプレートの サスペンションのばね力により生成される弾性力を示す。 静電駆動力Ｆ_elは、下記の数式により計算される。 数式（１）から分かるように、静電駆動力Ｆ_elは電極面Ａ_elの大きさが増加す るに従って一次的に増加するので、またそれと同時にバルブを作動させるための 作動電圧Ｕが、可能な限り低くあるべきため、バルブプレートはバルブ開口部よ りも明らかに大きくなるよう設けられる。典型的な側面寸法は数ｍｍの範囲内で ある。 変数ε₁は、絶縁層２６の誘電率を示し、ε_gasは汲み上げられる流体のそれを 示し、一方ｄ₁は前述したように絶縁層の厚みを示す。 この静電駆動力に加えて、図３参照のように、空気圧力もまたバルブプレート に作用する。流体がバルブプレートの上方の位置からバルブ本体の下方の位置へ と流動すると仮定すると、高いほうの空気圧がバルブプレートの側面に行き渡り 、結果的に、空気圧力もまたバルブを閉じる傾向を有することになる。空気圧力 の影響をできるだけ小さく保つために、バルブプレートは確実に高い程度に圧力 が釣り合わせられるよう注意しなければならない。この場合、空気圧は、バルブ 開口部の比較的小さい面にのみ作用し、結果的に、空気印加力Ｆ_pnは呼応して小 さくなる。空気印加力Ｆ_pnは、印加面積Ａ_pnとバルブプレートＰ_e−Ｐ_aの両面の 圧力間の圧力差との積である。 Ｆ_pn＝Ａ_pn×（Ｐ_e−Ｐ_a） （２） バルブプレートとバルブ本体との距離は、バルブプレートに作用し図３におい て示される力の均衡に従って、それ自体を調節する。静電および空気圧力は、閉 鎖の効果を生成し、一方で、弾性力を示し、バルブプレートの偏差が増加するの に従って一次的に増加するバルブプレートのサスペンションのばね力は、開放の 効果を生成する。 そのようなマイクロバルブにおいて、最も小さい流量断面を有する位置は、ガ ス流量を制限する。バルブ開口部は、典型的に０．２ｍｍの辺の長さを有する正 方形であり、前記辺の長さの結果としてバルブ開口部面積は０．０４ｍｍ²とな る。バルブプレートとバルブ本体との距離は典型的に５μｍより小さいか等しい ので、バルブ開口部の外周およびバルブプレートまでの距離の積は、典型的に４ ×０．２ｍｍ×０．００５ｍｍ＝０．００４ｍｍ²である。それはすなわち、こ のバルブプレートおよびバルブ本体間の狭い距離を考慮して、バルブを通過する ガス流量は、バルブ開口部によって包囲される面ではなく、前記開口部の外周に よって決定される。しかしながら、バルブ開口部によって包囲される面は、バル ブプレートに作用する空気圧力、そして結果的にバルブの圧力依存度に影響する 。 そのため、マイクロバルブの流量を増加させるためには、バルブ開口部により 包囲される面を同時に増加させることなく、バルブシートの外周を増加させる必 要があろう。この目的のために、バルブ開口部は、それに基づいて空気圧力によ って作用を受ける面ができるだけ小さく保たれ、一方流量を決定する外周はでき るだけ大きくされる必要がある。 本願発明によるバルブ開口部の好ましい実施例は、図４ｂに示される。前記図 ４ｂとは対照的に、図４ａは封止端部３９を有するバルブ開口部の伝統的な正方 形の形態を示す。図４ｂに示されるバルブ開口部４０の場合、バルブ開口部４０ の封止端部４２には、波形の起伏が設けられる。これは、流体の切り換えのため の入口通路４４および出口通路４６を結果的に形成する。流体の流れは、図４ｂ において概念的に矢印４８で示される。流体の流量を決定するバルブ開口部の外 周は、通路の長さＬ_K、および通路の幅Ｂ_kを調節することにより選択されること が可能である。バルブ開口部の外周は、通路の幅が減少するに従って増加する。 図４ｂにおいて、バルブ本体を貫通する流出開口部４９は破線によって示される 。 バルブ開口部の外周および空気活動面に関する伝統的な正方形の開口部の幾何 図形的外形と本願発明によるバルブ開口部の波形開口部の幾何図形的外形との比 較は、図５に示される。前記図５において、バルブ開口部の外周が、空気活動面 に対してグラフに表示される。波形の場合には、外周は前記面に関して、正方形 の開口部の場合よりもより大きく増加することが分かる。通路の幅が狭くなれば なるほど、増加する活動面に関してバルブ開口部の外周の増加が大きくなること を、曲線が示している。 流量通路は、幅の狭さのために流量通路における圧力の発生が失われるまで幅 を減縮されることが可能である。そのような配置の手段で、マイクロバルブを通 過する流体流量は、１桁ほど大きさが増加され得る。 開口部面積を変更させずに外周を増加させることは、その他の幾何学図形的外 形によっても達成されることは言うまでもない。適する幾何学図形的外形とは、 例えば、台形または菱形起伏である。 マイクロバルブの配置の流体抵抗を更に減少させ、バルブを通過する流量を更 に増加させるため、図１で弾性サスペンションの面に配置されている流体開口部 に加えて、バルブプレートの中央に付加的な供給開口部が配置されることが可能 である。これは、図６においてバルブプレート６２における流体開口部６０によ り示される。図６に示されるバルブはまた、入口および出口開口部６４ａ、６４ ｂを有するハウジング６６に含まれる。マイクロバルブの中央における流体開口 部６０の配置により、流体がバルブプレートおよびバルブ本体間の間隙６８の中 を通過する必要はない。前述のように、この間隙は、静電力の短い範囲のため５ μｍよりも小さい。これは、流体にとって不利に高い流体抵抗となる結果になり かねない。 図７は、本願発明の更なる実施例の分解図を示す。この実施例において、バル ブプレート７０には、流体開口部７４が設けられる弾性サスペンション７２が設 けられる。スペーシング層７６ｂの手段で、バルブベースプレート７８はバルブ プレートと一定距離を置いて配置される。スペーシング層は、例えば５μｍの高 さであることが可能である。更に、バルブベースプレート７８は、その上に突起 ７６ａが設けられ、それがバルブプレートが傾斜して閉鎖の状態になるのを防ぐ 。突起７６ａは、例えば５μｍの高さであることが可能である。バルブベースプ レートの中央に、バルブ開口部８０が配置され、それは図４ｂの幾何学図形的外 形に従って設けられるのが好ましい。 切り換え作動が起きる際に流体はバルブプレートおよびバルブ本体間の面から 排出されなければならないという事実を考慮して、切り換え作動時の一時的な動 きが大いに緩和される。バルブ本体および／またはバルブプレートの対向する面 上に個々の流量通路または複数の流量通路が設けられることにより、流体はより 容易に排出されることが可能である。これは、実質的に、バルブ切り換え時間を 短縮する。 図８において、本願発明の更なる実施例によるバルブ本体１１０およびバルブ プレート１６２の断面図が示される。波形封止縁部１４２は入口通路１４４およ び出口通路１４６を包囲する。もしバルブ本体１１０およびバルブプレート１６ ２間の間隙１６８が、封止縁部１４２およびバルブプレート１６２間の間隙１８ １と同様の大きさであるならば、バルブを通過する流体流量は、間隙１８１とと もに間隙１６８によっても制限されるので、封止縁部の波形の形状は、流量の実 質的な増加をもたらすことはない。 入口通路１４４および出口通路１４６の深さが、封止縁部１４２およびバルブ プレート１６２間の間隙１８１よりも大きい場合に、流量は増加する。流体が、 バルブ通路１６０、入口通路１４６、封止縁部１４２およびバルブプレート１６ ２間の間隙１８１、出口通路１４６、および流出開口部１４９を通過して通路に 沿って流れる場合、流体流量の実質的制限をもたらすのは間隙１８１のみである 。この実施例は、例えば数式（１）によって記述される静電力の効果のために、 バルブ本体１１０およびバルブプレート１６２間の間隙１６８が小さくあるべき である場合に特に有利である。 すなわち、本願発明は、マイクロバルブの圧力依存度または駆動電圧を増加さ せることなく、流量が実質的に増加されたマイクロバルブをもたらす。更に、切 り換え時間がより短いマイクロバルブが本願発明の手段で実現される。また、記 述される実施例に代わって、本願発明によるマイクロバルブはまた、単一のバル ブ開口部の代わりに複数のバルブ開口部を有することが可能であることが明らか である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年８月１３日（１９９７．８．１３） 【補正内容】 バルブ開口部１２は結果的に開く。そのようなバルブは常時開配置と呼ばれる。 バルブ本体１０およびバルブプレート１４はハウジング２２に収納される。ハ ウジングは、各々入口または出口としての役割を果たす２つの孔部２４ａ、２４ ｂを有する。 バルブは、バルブ本体およびバルブプレート間に電圧Ｕが印加されることによ り駆動される。この電圧が印加されたとき、２部品の対向する面に電荷が流れる 。これらの電荷は互いに引き合い、それによって全体としてのバルブプレートが バルブ本体の方向へと移動させられる。バルブプレート１４とバルブ本体１０の 封止端部１８とが互いに接触する際の電気的短絡を防ぐため、絶縁層２６（バル ブプレート１４についてのみ示される）が一方または両方の部品に適用される。 流体流量を制御するバルブにおいて、バルブ開口部およびバルブ本体は、これら の２部品を絶縁するため、絶縁層によって完全に包囲されなければならない。 静電駆動の原理により、そのようなマイクロバルブではバルブプレートとバル ブ本体との距離が非常に狭い。このバルブプレートとバルブ本体との非常に狭い 距離は、バルブを通過する体積流量を制限する。 ＥＰ−Ａ−０４３５２３７は、電子マイクロバルブを開示し、その構造上のデ ザインは、最小限にされた駆動電圧、すなわちバルブのプレートを閉鎖し、良好 な閉鎖特性を得るための最小限にされた駆動エネルギーを達成することを目的と している。この公知のマイクロバルブは、バルブ開口部に対して垂直に移動する ことが可能である閉鎖プレートの手段で閉鎖されるように調節される正方形のバ ルブ開口部を有する。前述の利点を達成するため、公知のマイクロバルブは一体 的構造に形成されている。 前述の従来技術から始まって、本願発明の目的は、前記マイクロバルブの圧力 依存度および駆動電圧に影響することなく、流量が増加されたマイクロバルブを 提供することである。 この目的は、特許クレーム１による流体流量を制御するマイクロバルブによっ て達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．封止端部を有するバルブ開口部（１２；４０）が設けられるバルブ本体（ １０）、および流体開口部（１６；６０）が設けられるバルブプレート（１４） を含み、前記バルブプレート（１４）は、第１の位置において前記バルブプレー ト（１４）がバルブ開口部（１２；４０）を閉鎖し、一方、第２の位置において 前記バルブ開口部（１２；４０）および前記バルブプレート（１４）によって定 められる流量断面は封止端部およびバルブプレート（１４）間の距離によって決 定的に定められるようにバルブプレートが前記バルブ開口部（１２；４０）から 垂直方向に距離が置かれるような方法で、バルブ本体（１０）に対して垂直に移 動するように調節される、流体流量を制御するマイクロバルブであって、 バルブ開口部（１２；４０）の封止端部（４２）の外形は、封止端部（４２） の長さが面積が等しい正方形のバルブ開口部の封止端部（３９）の長さを超える ように選択されることを特徴とする、マイクロバルブ。 ２．封止端部（４２）の長さが面積が等しい正方形のバルブ開口部の封止端部 （３９）の長さの少なくとも２倍であるように、封止端部（４２）の外形が選択 されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロバルブ。 ３．封止端部（４２）の外形に波形の起伏が設けられ、通路の長さ（Ｌ_K）お よび通路の幅（Ｂ_K）を有する入口および出口通路（４４，４６）を定め、封止 端部（４２）の長さは通路の長さ（Ｌ_K）および通路の幅（Ｂ_K）によって決定さ れることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のマイクロバルブ。 ４．封止端部の外形に台形の形状の起伏が設けられることを特徴とする、請求 項１または請求項２に記載のマイクロバルブ。 ５．封止端部の外形に菱形の起伏が設けられることを特徴とする、請求項１ま たは請求項２に記載のマイクロバルブ。 ６．バルブ本体（１０）が固定され、バルブプレート（１４）が弾性的に懸垂 されることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロ バルブ。 ７．封止端部がバルブ開口部（１２；４０）の外周沿いの突起から構成される ことを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマイクロバルブ 。 ８．マイクロバルブは静電バルブであることを特徴とする、請求項１ないし請 求項７のいずれかに記載のマイクロバルブ。 ９．マイクロバルブは圧電駆動バルブであることを特徴とする、請求項１ない し請求項７のいずれかに記載のマイクロバルブ。 １０．付加的な流体開口部（６０）がバルブプレート（６２）の実質的に中央 に配置されることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のマ イクロバルブ。 １１．バルブ本体（７８）に、バルブプレート（７０）の反対側に位置する面 に配置される流量通路（８５）が設けられることを特徴とする、請求項１ないし 請求項１０のいずれかに記載のマイクロバルブ。 １２．バルブプレート（７０）に、バルブ本体（７８）の反対側に位置する面 に配置される流量通路が設けられることを特徴とする、請求項１ないし請求項１ １のいずれかに記載のマイクロバルブ。