JP2002514716A - マイクロ弁 - Google Patents

マイクロ弁

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JP2002514716A JP2000548612A JP2000548612A JP2002514716A JP 2002514716 A JP2002514716 A JP 2002514716A JP 2000548612 A JP2000548612 A JP 2000548612A JP 2000548612 A JP2000548612 A JP 2000548612A JP 2002514716 A JP2002514716 A JP 2002514716A
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Abstract

(57)【要約】 入口開口（３）と出口開口（４）との間に、短管（８）を有する弁座があり、この弁座上を、中空室（２）のところに配置されかつ有利にはポリケイ素層の一部によって形成された弾性的なダイヤフラム（５）が押す。媒体がダイヤフラムの短管に向いた側に流れると、ダイヤフラムが短管から持ち上げられて、中空室内に押し込まれ、これにより媒体が弁を通って流れることができる。ダイヤフラムはスタンプ状の載置体によって補強して、これにより弁の一様な開放を保証することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明はマイクロメカニックに製作可能な弁に関する。
【０００２】 内燃機関内で燃料を汚染物放出をわずかにして燃焼させるためには、吸気範囲
又は燃焼室内に燃料をコントロールして、再現可能にかつ確実に噴射することが
必要である。燃料の供給は、微少化した安価に製作可能な、制御可能な、頑丈な
、エネルギ供給なしに緊密に閉じる（通常は閉じていて漏えいのない）かつ迅速
に応動する弁を介して行わなければならず、この弁は噴射ノズル内に内蔵されて
いて、わずかな電気出力で運転できなければならない。今日の噴射弁は、大抵は
特殊鋼から成る多数の機械的な個別コンポーネントから構成されている。弁は半
球形に丸みを付けられた弁ピンから形成され、この弁ピンは中空球状に形成され
た弁座内に滑動する。この弁は電磁的な（コイル）又は圧電的な駆動装置を介し
て駆動される。個別に製作された部分の正確な協働は弁の正確さ及び漏えい率を
決定する。動かされる大きな質量によって、このような弁はゆっくりとしており
、現在の機関における燃料噴射に対する要求を単に不充分にしか満足させていな
い。
【０００３】 DE 44 22 941 A1 においては、マイクロメカニックに製作可能なマイクロ弁が
記載されており、このマイクロ弁は、２つのダイヤフラムと半径方向に配置され
た複数の通路を備えたガス通路システムとを有する多層構造体として構成されて
いる。
【０００４】 本発明の課題は、内燃機関内に取り付けるのに適した、簡単に製作可能なマイ
クロ弁を提示することである。
【０００５】 この課題は、請求項１の特徴を備えたマイクロ弁により解決される。実施の形
態は従属請求項に記載されている。
【０００６】 本発明によるマイクロ弁においては、入口開口と出口開口との間に、閉鎖部分
を有する弁座がある。弁座は大体において、入口開口又は出口開口のための短管
を備えた基板から成っている。短管上には、弁が休止位置にある場合に、閉鎖部
分が押し付けられる。閉鎖部分は大体において、マイクロメカニックな弾性的な
ダイヤフラム、有利にはポリケイ素層の一部から成っており、このダイヤフラム
の一方の側は短管上を押し、他方の側には中空室が存在しており、この中空室内
にダイヤフラムを押し込むことができる。ガス又は液体がダイヤフラムの、短管
に向いた側を流れると、ダイヤフラムは短管から持ち上げられて、中空室内に押
し込まれ、これによりガス又は液体は入口開口から短管の縁に沿って、弁の出口
開口内に流れることができる。ダイヤフラムはスタンプ状の載着体によって補強
しておくことができ、これにより弁の一様な開放が保証される。
【０００７】 以下においては図１〜４によってマイクロ弁の１実施例につき詳説する。
【０００８】 マイクロ弁は有利にはマイクロメカニックの方法で複数の層から製作される。
弁座は一方の基板１（図１参照）にあり、この基板は例えばケイ素体である。基
板の単に表面だけを加工する場合には、製作が簡単になるので、図１に示した実
施例は２つの基板１，１０を合わせて構成されており、これらの基板の構造化さ
れた表面は互いに向き合わされて、例えば結合層１１により（例えばウェーハボ
ンディングによって）互いに永久的に結合されている。しかし原理的には、マイ
クロ弁は単に１つの基板の表面上の層構造体として構成することもできる。
【０００９】 図１に示した実施例では、入口開口３は上方に、つまり第２の基板１０内に存
在している。しかし入口開口は原理的には出口開口４と同じ側に、すなわち第１
の基板１の下面に存在することもできる。入口開口３及び出口開口４は複数の通
路から成ることができる。各通路又は通路群に共通に所属して、それぞれ弁の閉
鎖部を設けておくことができる。
【００１０】 このような閉鎖部は短管８から成り、この短管は図示の実施例では出口開口４
に所属しているが、しかしこのようにする代わりに入口開口３の構成部分である
こともでき、更に閉鎖部は弾性的なダイヤフラム５から成り、このダイヤフラム
に短管が押し付けられて、短管の開口が閉鎖されている。ダイヤフラム５の逆の
側においては、中空室が第２の基板１０又は相応する層内に構成されており、こ
の中空室内にダイヤフラムを押し込むことができる。
【００１１】 図２は図１を上方から見た弁の平面図であって、個別の弁閉鎖部の位置を隠さ
れた輪郭として示している。第２の基板１０は円リング形の入口開口３を有して
おり、これは単に４つの結合ウェブによって中断されている。この入口開口は基
板１，１０の間の中間室内に開口しており、この中間室は中央の短管に通じてい
る。ここで例として丸く示されている中空室２の寸法は、短管及びダイヤフラム
の寸法にもほぼ相応しているが、中空室の寸法は図２において破線によって隠さ
れた輪郭として示されており、これにより例として７つの閉鎖可能な出口開口の
配置が示されている。
【００１２】 図３及び４は横断面図で閉鎖機構を拡大して示す。図３は第１の基板１内の出
口開口４の短管８を示す。ここに示されているのは、マイクロ弁の閉じられた通
常状態である。ダイヤフラム５は層の一部であり、この層はここでは例えばカバ
ー層７（例えば酸化物又は窒化物）と補助層９（例えば酸化物）との間に締め込
まれている。カバー層７はダイヤフラムのための切り欠きを有している。補助層
９内には中空室２が構成されている。ダイヤフラム５を補強するため及び閉鎖特
性を改善するために、ダイヤフラム上には短管８に向いたスタンプ状の載置体６
がある。省略することもできるこのスタンプ状の載置体は特に、その弾性により
あるいは大きな化学的又は物理的な耐性により長期間負荷された後においても弁
の確実な閉鎖のために特に適している材料から成ることができる。このスタンプ
状の載置体６は特に、適当に構造化されたカバー層７の一部によって形成するこ
とができる。
【００１３】 図４は弁の開放状態を示した図３相当の図である。入口開口３から矢印で示す
ように流入するガスは下方からダイヤフラム５及びそのスタンプ状の載置体６を
押し、これにより載置体６は短管の縁から持ち上げられて、ガスのために出口開
口４内への経路が開かれる。図４の図示においては、ダイヤフラム５は中空室２
の上方の壁に押し付けられており、これにより閉鎖部は完全に開かれている。種
々の出口開口の残りの短管において相応して閉鎖部が働く。
【００１４】 図示の実施例における有利な寸法は次のとおりである。全直径はほぼ１５ｍｍ
、複数の個別弁により占められる範囲の直径はほぼ１０ｍｍ、両方の基板の間の
貫流通路の鉛直の寸法はほぼ５０μｍ、出口開口の直径はほぼ５０μｍ、カバー
層７の厚さはほぼ２〜３μｍ、ダイヤフラム層５の厚さはほぼ０．４μｍ、補助
層９の厚さはほぼ０．６μｍ、基板の典型的な厚さはほぼ０．５ｍｍ。
【００１５】 実施例によって本発明によるマイクロ弁の原理は容易に理解することができる
。重要な特徴は、縁が平らな開口を備えた弁座、中空室のところの、有利には突
出している開口縁を押して開口を閉鎖する弾性的なダイヤフラム、及び、この開
口の異なった側でかつダイヤフラムの同一の側で弁座に導かれている入口通路と
出口通路である。ダイヤフラムは有利には、多層の層構造体内に埋め込まれた弾
性的な層の一部であり、この層は特にポリケイ素であることができる。この層は
極めて薄くすることができ、閉鎖特性を改善するために、閉鎖すべき開口の範囲
において厚くするかあるいは別の層（スタンプ状の載置体）で補強することがで
きる。
【００１６】 弁は、適当な制御回路によってダイヤフラム５を短管８から持ち上げることに
よって、能動的に運転することもできる。このことは例えば静電的な引き付けに
よって生ぜしめることができる。この目的のために、ダイヤフラムの材料は導電
性に構成される。ダイヤフラムのためにポリケイ素を使用する場合には、ポリケ
イ素を導電性にドーピングすることができる。中空室２の、ダイヤフラムとは逆
の側の壁には、例えば第２の基板１０の半導体材料内の範囲をドーピングするこ
とによって電極１２が構成される。ダイヤフラム及びこの電極１２は電子回路に
接続され、この電子回路は自体公知の形式で、一方の基板内に内蔵しておくこと
ができ、かつ電圧を印加して、ダイヤフラムが静電力によって中空室の上側の壁
に引き付けられ、弁の開口を開くようにすることができる。
【００１７】 このマイクロ弁は従来のマイクロ弁に対して多数の利点を有している。片面を
加工された基板から構成された実施例においても、正確に合わせなければならな
い構造群の数は２に減少される。第２の基板１０は有利には、可動の及び場合に
より駆動される弁部分（表面マイクロメカニックで製作された、場合によりスタ
ンプ状載置体を備えたダイヤフラム）、弁を能動的に運転するためのセンサ、駆
動回路及び制御回路のようなすべての能動的機能ブロックを有している。この基
板内には有利には、例えば燃料のための入口開口がある。第１の基板１は有利に
は層構造を備えておらず、単に環状な基板体を加工するためのバルクマイクロメ
カニックの方法で加工されされている。
【００１８】 弁の基本的幾何形状は長方形であることもでき、そうすればマイクロメカニッ
クの製作法に良好に適合せしめられる。構造部分全体の弁機能は有利には多数の
（例えば０．６ｍｍ2の流通横断面に対してほぼ８０００の）小さな個別弁によ
って保証される。弁が個別的に制御可能な（換言すれが能動的に切り替えること
のできる）多数の個別弁を有している場合には、流通率は極めて小さな段階で広
範囲に調整することができ、しかも個別弁の開放行程を制御する必要はない。し
たがって制御される個別弁は有利には単に２つの可能な状態、すなわち開放状態
と閉鎖状態、しか有していない。流通率の制御のためにセンサを基板内に内蔵し
ておくことができ、これらのセンサにより例えば流通率、流動圧力あるいは温度
が測定される。
【００１９】 弁は通常状態では閉じられている。ダイヤフラム若しくはスタンプ状の載置体
の弁座の縁上における圧着圧力は合わされた基板上でのこれらの部分の配置によ
って調整される。複数の個別弁によって占められる範囲の直径がほぼ１０ｍｍで
あり、１つの出口開口の直径がほぼ５０〜１００μｍである場合には、厚さがほ
ぼ０．４μｍのポリケイ素ダイヤフラムにおいて、弁座の圧着によって生ぜしめ
られるダイヤフラムの１００ｎｍの平行移動又はたわみで、弁を付加的な力なし
に３ｂａｒのゲージ圧力に対して充分に閉じることができる。
【００２０】 弁を能動的に運転する場合、噴射弁は、ダイヤフラムと中空室の他方の側で基
板内にドーピングによって構成された電極との間に電圧を印加することによって
開かれる。このためには１００Ｖよりも小さな電圧で充分である。弁の静電的な
開放はほとんど所属回路の入力なしに行われる。幾何学的な配置によって、駆動
装置は貫流する媒体（燃料）と接触する弁範囲の外方に位置し、したがって保護
されている。したがって弁は導電性媒体の貫流量の配量のために利用することが
できる。
【００２１】 貫流量を制御する場合には、有利には、前述の実施例の形式の複数の能動的に
運転される個別マイクロ弁を有する装置が使用される。その都度開かれる弁の数
によって、貫流量が調節又は制御される。このために特に、その都度所望の貫流
量に関連して相応する数の弁を開く制御回路が設けられる。
【００２２】 弁の自動的な調節又は制御が要求される場合には、弁に特にマイクロメカニッ
クな単数又は複数のセンサを内蔵し、かつ電子制御回路を設け、この電子制御回
路が弁を制御すると同時にセンサ信号を評価し、弁がセンサ信号に関連して制御
されるようにすることができる。
【００２３】 弁ダイヤフラムの質量がわずかであり、その寸法がわずかであることによって
、機械的なシステムの共振周波数は極めて高い（典型的にはほぼ１ＭＨｚ）。こ
のことは、主として貫流する媒体の特性によって決定される弁の応動時間を短く
する。
【００２４】 弁は充分に微少化されており、簡単かつ安価に大量生産することができる。特
に弁体内に内蔵されているセンサ装置とセンサを運転し弁を制御するための内蔵
された電子回路とによって、本発明による弁は広範囲に使用することができる。
このような内蔵は、本発明による弁が別の半導体構成エレメントとともに、ケイ
素で製作することができることによって、容易にされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 弁の横断面図である。
【図２】 図１の上方から見た図である。
【図３】 閉鎖状態の弁機構を示した図である。
【図４】 開放状態の弁機構を示した図である。
【符号の説明】
１ 基板、 ２ 中空室、 ３ 入口開口、 ４ 出口開口、 ５ ダイヤフラ
ム、 ６ 載置体、 ７ カバー層、 ８ 短管、 ９ 補助層、 １０ 基板
、 １１ 結合層、 １２ 電極
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月１０日（２０００．４．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの入口開口（３）と１つの出口開口（４）と
    縁を平らにされた開口を備えた１つの弁座と弾性的に可動又は変形可能な１つの
    ダイヤフラム（５，６）とを有し、該ダイヤフラムは中空室（２）のところで該
    開口の縁の平面に対して平行に配置されている形式のマイクロ弁であって、ダイ
    ヤフラムが中空室とは逆の側を弁座の開口の縁に押し付けられることにより、該
    開口が閉鎖され、入口開口（３）及び出口開口（４）がダイヤフラムの中空室と
    は逆の側で、弁座の開口の縁の異なった側に開口しており、ダイヤフラムを中空
    室内に押し込むことができ、これにより弁座の開口が開かれて、入口開口と出口
    開口との接続が生ぜしめられるようにした、マイクロ弁。
  2. 【請求項２】 ダイヤフラムが、ポリケイ素から成る弾性的なダイヤフラム
    層（５）の一部である、請求項１記載のマイクロ弁。
  3. 【請求項３】 開口を有する弁座及び出口開口（４）がケイ素から成る第１
    の基板（１）内に構成されており、ダイヤフラム（５）、中空室（２）及び入口
    開口（３）がケイ素から成る第２の基板（１０）内に構成されており、両方の基
    板（１，１０）が永久的に互いに結合されている、請求項１又は２記載のマイク
    ロ弁。
  4. 【請求項４】 ダイヤフラム（５）が導電性に構成されていて、電気接続部
    を備えており、中空室（２）の、ダイヤフラム（５）とは逆の側に電極（１２）
    が構成されていて、電気接続部を備えており、かつ制御回路が存在していて、こ
    の制御回路によりダイヤフラムと電極（１２）との間に電圧が印加可能であり、
    これによりダイヤフラムが弁座の開口から引き離されて、入口開口と出口開口と
    の間の接続が生ぜしめられるようにした、請求項１から３までのいずれか１項記
    載のマイクロ弁。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の複数の個別マイクロ弁を備えており、所望の
    流量に関連して、相応する数の弁を開くために制御回路が設けられている、マイ
    クロ弁。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つのセンサを内蔵しかつ電子調節回路を備えて
    おり、この電子調節回路は、弁のための制御回路としてかつ同時にセンサ信号を
    把握するために設けられており、この電子調節回路により、弁の制御をセンサ信
    号に関連して行うことができる、請求項４又は５記載のマイクロ弁。
JP2000548612A 1998-05-08 1999-05-06 マイクロ弁 Pending JP2002514716A (ja)

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DE19820739.5 1998-05-08
DE19820739 1998-05-08
PCT/DE1999/001069 WO1999058841A1 (de) 1998-05-08 1999-05-06 Mikroventil

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EP (1) EP1076767B1 (ja)
JP (1) JP2002514716A (ja)
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