JP2003510529A - 比例圧力又は流れ制御用の呼び出し可能な弁配列 - Google Patents

比例圧力又は流れ制御用の呼び出し可能な弁配列

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Abstract

(57)【要約】 供給源圧力Ｐｓと出口圧力Ｐｅチャンバとの間に呼び出し可能な配列１１、３７が介在される。配列１１、３７は、複数の弁を備え、該弁の総開放面積が供給源圧力Ｐｓと出口圧力Ｐｅとの間に開口部を画成する。開き状態と閉じ状態との間にて配列の弁の各々を別個に作動させ、これにより開いた弁の総数が供給源圧力と出口圧力との間の流れを決定するアクチュエータも設けられる。好ましい弁は導体により呼び出し可能な上側電極及び下側電極を含み、基板上に単一構造体体として製造された静電気作動弁である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、弁の流れ及び圧力の比例制御を制御することに関する。より具体的
には、本発明は、弁内の有効流路を部分的に閉じ又は開くことを許容すべく弁配
列、特に、極小弁の配列を使用することに関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来技術の装置において、弁の絞り程度、従って、弁を通る流れ及び弁におけ
る圧力降下を制御すべく弁を部分的に閉じ又は開けることにより流れ又は圧力の
比例制御を行ってきた。静電気によって作動される極小弁の場合、電界が弁構造
体に達したとき、静電吸引効果のため、このようにして比例制御を行うことはで
きない。
【０００３】 極小弁及び配列の特定の設計において、弁が開き且つ閉じているときの時間を
制御するため約２０Ｈｚ乃至数１００Ｈｚの範囲の周波数にてパルス幅変調技術
を使用して流れ及び圧力を比例制御することが試みられている。このパルス幅変
調技術は、弁配列を一定に作動させることを必要とし、その結果、２０乃至２０
０億回の範囲もの弁に対する作動回数の作動寿命が必要となる。かかる比例制御
弁の必要条件は、今日の技術にて可能ではあるにしても、実現することは極めて
困難である。
【０００４】 極小ガス弁の一例は、同一人が所有する米国特許第５，０８２，２４２号、分
割米国特許第５，１８０，６２３号及び更なる分割米国特許第５，２４４，５３
７号に記載されている。その内容を参考として引用し、本明細書に含めたこれら
の特許は、作用可能な電圧が最小である、電子極小弁を記載している。該極小弁
は、単一のシリコン片上に形成された一体の構造体であり、シリコンウェハの両
側部に入口及び出口を有するフロースルー弁である。
【０００５】 極小構造のガス弁の制御の一例は、米国特許第５，１７６，３５８号、分割米
国特許第５，３２３，９９９号及び更なる分割米国特許第５，４４１，５９７号
に記載されている。同様に、その内容を参考として引用し、本明細書に含めたこ
れらの特許には、入口ポートと出口ポートとの間に別個の主要流路及び流れ制御
（サーボ）通路が存在する流れ制御装置が記載されている。弁は、単一構造の半
導体上に形成され且つ静電気により制御される。
【０００６】 同様に、その内容を参考として引用し、本明細書に含めた米国特許第５，８２
２，１７０号には、上述した弁にて有用であり、また、弁に対する作動回数の有
効寿命作動条件が２００億回の範囲にあることを必要とするであろうタッチモー
ドの静電アクチュエータが更に詳細に記載されている。
【０００７】 従って、比例流れ又は圧力制御の用途に対する弁配列の有効寿命が大幅に伸び
るならば、当該技術分野にて極めて有益なことであろう。 また、特に、配列中の別個の弁が作動されるときの仕方にて、静電配列をより
正確に制御することができるならば、別の非常な進歩が実現されよう。
【０００８】 その他の有利な点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の概要】
今や、本発明の上記及びその他の目的は、次のようにして実現されることが分
かった。具体的には、本発明は、全ての弁を常に調節することに代えて、流れ又
は圧力制御の状況において、弁配列の全てではなくてその一部を一回、作動させ
ることを可能にするものである。
【００１０】 この作動が配列中の１つの弁から全ての弁までに亙る多数の弁を作動させるよ
うに配列が形成される。装置及びその使用方法を使用して、供給源圧力と出口圧
力チャンバとの間の流れを制御する。別の実施の形態において、装置は、また、
制御圧力を排出すべく連通する比例出口ポートを備えており、この出口ポートは
、呼び出し可能な配列を通して排出されなかった流体の割合分を受け取るように
配置されている。
【００１１】 本発明の装置は、供給源圧力と出口圧力チャンバとの間に介在された呼び出し
可能な配列を備えており、この配列は、複数の弁を備え、該弁の総開放面積が供
給源圧力と出口圧力との間に開口部を画成する。該弁は、また、開き位置と閉じ
位置との間にて配列の各弁を別個に作動させ、これにより、開いた弁の総数が供
給源圧力と出口圧力との間の流れを決定するようにするアクチュエータも備えて
いる。
【００１２】 弁は、単一の基板上に単一構造体として製造された静電作動弁であることが好
ましい。静電作動弁は、導体が呼び出すことのできる上側及び下側電極を有して
いる。その他の作動手段とすることも考えられる。
【００１３】 好ましい実施の形態において、上側及び下側電極の一方は、全ての弁に対して
共通であり、上側及び下側電極の他方は、群にまとめて接続し、これにより、１
つの特定の群又は複数の群を作動させると、配列中の１つの弁から全ての弁に亙
る多数の弁が作動されることになる。
【００１４】
【好ましい実施の形態の詳細な説明】
先ず、図面を参照すると、図１には、呼び出し可能な配列に対する１つの好ま
しい構成が図示されている。弁は既知であるように単一の基板上に単一構造体と
して製造されている。図１において、７Ｘ８つの弁の配列１１が構成されており
、その配列全体に対する１つの共通の底部電極接続部１３がある。弁の頂部電極
への接続部１５は群を形成している。弁は次のように群として、すなわち、１、
２、３、４、５、６、７、７、７、７、７としてまとめられている。その他の群
にまとめた構成を有する配列は、１、２、２、２、７、７、７、７、７、７、７
のように形成されている。配列を呼び出すときのより大きい自由度を許容するで
あろうその他の群としては、１、１、１、１、２、２、２、２、２、７、７、７
、７、７、７のような群を含む。１つ又は２つ以上の群の弁がそれら弁の群に対
し電力を印加することにより作動される。これら弁の群の組合わせ体を呼び出す
ことにより、１乃至５６の任意の数の弁を作動させることができる。
【００１５】 図示しないマイクロプロセッサは、所望の数の弁を開き且つ閉じるべく全ての
パッドに対し出力電圧を提供し得るようにプログラム化することができる。理解
し得るように、本発明の有用性は、開き又は閉じた弁は従来の場合のように繰り
返して作動されるのでなくて、一回作動される点にある。試験の結果、アクチュ
エータ配列は、従来要求されていたように２００億回よりも遥かに少ない１億２
０００万サイクル以上の回数作動させたとき、何ら故障又は破断せずに作動可能
であることが分かった。
【００１６】 弁を流体の流れ中に直接配置することにより呼び出し可能な弁配列にて流れ制
御が行われる。異なる数の弁が閉じ又は開くとき、弁配列の有効オリフィス寸法
が変化し、弁を通る流れは供給圧力及び有効オリフィス寸法に比例したものとな
る。
【００１７】 呼び出し可能な弁配列にて圧力を制御することは追加的な定寸法の絞りオリフ
ィスを使用して行うことができる。圧力制御装置を具体化する１つの方法が図２
に図示されている。Ｐｓは装置に対する供給圧力である一方、Ｐは制御すべき圧
力である。Ｐは空圧位置決め装置のような何らかのアクチュエータを制御する制
御圧力とすることができる。Ｐｅは排気圧力である。
【００１８】 絞りオリフィス３５は定寸法オリフィスであり、弁配列３７は呼び出し可能な
弁の配列である。供給圧力Ｐｓは、２つのオリフィス３７、３５のそれぞれ有効
寸法の比に比例する仕方にてＰｅとＰとの間で分割される。弁配列オリフィス３
７の有効寸法が絞り弁の寸法よりも遥かに小さくなるに伴ない、ＰはＰｓの値に
近付く。配列オリフィス３７の有効寸法が絞り弁よりも遥かに大きくなるに伴な
い、Ｐはより小さくなり、絞りオリフィス３５を丁度亙って圧力降下程度に近付
く。圧力Ｐは、その配列中の適当な弁の数を作動させることにより制御し、これ
により有効オリフィス寸法を変化させることができる。
【００１９】 本発明の効果を実証するため、図３に概略図的に図示した試験装置及び図１の
呼び出し可能な配列を使用して実験を行った。図３において、圧力Ｐｓを供給源
４１から供給し且つ絞り弁４３を通しチャンバ４５内で所望の圧力Ｐを提供する
ようにした。チップ４７における呼び出し可能な配列は、図１の配列と同様に、
１乃至５６の個別の弁を開くように制御した。
【００２０】 １つの実験において、チップ４７のオリフィス寸法は５０×５０μｍとし、総
オリフィス面積は約０．１４ｍｍ2とし、駆動電圧は３０ボルトとした。絞り弁
４３の直径は約０．０３２ｍｍ2とした。図４には、制御圧力対閉じたフラップ
の数のグラフが図示されている。理解し得るように、供給源４１からの圧力は４
４．８２ｋＰａ（６．５ｐｓｉ）とし、制御圧力４５は約４．１４ｋＰａ（約０
．６ｐｓｉ）乃至約４４．８２ｋＰａ（約６．５ｐｓｉ）とし、相当程度に直線
状に増大するようにした。しかし、最も重要なことは、圧力は最大値と最小値と
の間にて５６ステップ以内で制御し閉じるべき必要な弁の数を選ぶことにより配
列中の弁の数を制御することである。
【００２１】 本発明の特別な実施の形態に関して図示し且つ説明したが、特許請求の範囲に
記載されたものを除いて、これら本発明を限定することを意図するものではない
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 １乃至５６の任意の数の弁が作動可能であるように弁が群にまとめて呼び出し
可能である、７×８の呼び出し可能な弁の配列の概略図である。
【図２】 中間圧力の圧力制御のため弁配列及び絞りオリフィスの形態の概略図である。
【図３】 比例制御装置の概略図である。
【図４】 図３の装置を備え且つ図１の配列を使用する１つの実験のグラフ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3H002 BA01 BA02 BB01 3H062 AA15 AA16 CC11 CC27 DD01 5H316 BB01 DD17 EE04 EE06 HH01 HH12

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 供給源圧力の範囲に亙って流体の比例圧力又は流れを制御す
    る装置において、 供給源圧力と出口圧力チャンバとの間に介在され、複数の弁を備え、該弁の総
    開放面積が前記供給源圧力と前記出口圧力との間の開口部を画成する、呼び出し
    可能な弁配列と、 前記配列の弁の各々を開き状態と閉じ状態との間にて別個に作動させ、これに
    より開放弁の総数が前記供給源圧力と前記出口圧力との間の流れを決定するアク
    チュエータとを備える、装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の装置において、前記弁が単一の基板上に単一構造
    体として製造される、装置。
  3. 【請求項３】 請求項１の装置において、前記弁が静電気的に作動される、
    装置。
  4. 【請求項４】 請求項３の装置において、前記静電気的に作動される弁が導
    体により呼び出し可能な上側電極及び下側電極を備える、装置。
  5. 【請求項５】 請求項４の装置において、前記上側電極及び下側電極の一方
    が前記弁の全てに共通し、前記上側電極及び下側電極の他方が群にまとめて接続
    され、これにより特定の群又は複数の群を作動させると、前記配列中の１つの弁
    から全部の弁に亙る範囲の多数の弁が作動される、装置。
  6. 【請求項６】 請求項１の装置において、前記供給源圧力と前記出口圧力チ
    ャンバとの間の流れを制御すべく使用される、装置。
  7. 【請求項７】 請求項１の装置において、制御圧力を排出すべく該装置と連
    通した比例出口ポートを更に備え、該比例出口ポートが、前記呼び出し可能な配
    列を通じて排出されなかった流体の割合分を受け取り得るように配置される、装
    置。
  8. 【請求項８】 供給源圧力の範囲に亙って流体の比例圧力又は流れを制御す
    る装置において、 圧力供給源手段と出口圧力手段との間に介在され、複数の弁手段を備え、該弁
    手段の総開放面積が前記圧力供給源手段と前記出口圧力手段との間の開口部を画
    成する、呼び出し可能な弁配列手段と、 前記弁配列手段の弁手段の各々を開き状態と閉じ状態との間にて別個に作動さ
    せ、これにより開放弁の総数が前記圧力と前記出口圧力との間の流れを決定する
    アクチュエータ手段とを備える、装置。
  9. 【請求項９】 請求項８の装置において、前記弁手段が単一の基板上に単一
    構造体として製造される、装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８の装置において、前記弁手段が静電気的に作動さ
    れる、装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０の装置において、前記静電気的に作動される弁
    手段が導体により呼び出し可能な上側電極及び下側電極を備える、装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１の装置において、前記上側電極及び下側電極の
    一方が前記弁手段の全てに共通し、前記上側電極及び下側電極の他方が群にまと
    めて接続され、これにより特定の群又は複数の群を作動させると前記配列中の１
    つの弁手段から全部の弁手段に亙る範囲の多数の弁が作動される、装置。
  13. 【請求項１３】 請求項８の装置において、前記圧力供給源手段と前記出口
    圧力手段との間の流れを制御すべく使用される、装置。
  14. 【請求項１４】 請求項８の装置において、制御圧力を排出すべく該装置と
    連通した比例出口ポート手段を更に備え、該比例出口ポート手段が、前記呼び出
    し可能な配列を通じて排出されなかった流体の割合分を受け取り得るように配置
    される、装置。
  15. 【請求項１５】 供給源圧力の範囲に亙って流体の比例圧力又は流れを制御
    する方法において、 供給源圧力と出口圧力チャンバとの間に介在された呼び出し可能な弁配列であ
    って、複数の弁を備え、該弁の総開放面積が前記供給源圧力と前記出口圧力との
    間に開口部を画成する、前記呼び出し可能な弁配列を配置するステップと、 開き状態と閉じ状態との間にて前記弁配列の弁の各々を別個に作動させるべく
    アクチュエータを制御し、これにより開いた弁の総数が前記供給源圧力と前記出
    口圧力との間の流れを決定するようにするステップとを備える、方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５の方法において、単一の基板上に前記弁を単一
    構造体として製造するステップを含む、方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１５の方法において、前記弁を静電気的に作動させ
    るステップを含む、方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７の方法において、前記静電気的に作動される弁
    が導体により呼び出し可能な上側電極及び下側電極を備える、方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８の方法において、前記上側電極及び下側電極の
    一方を前記全ての弁に共通に接続し、前記上側電極及び下側電極の他方を群にま
    とめて接続し、これにより１つの特定の群の作動により前記配列中の１つの弁か
    ら全ての弁に亙る多数の弁が作動されるようにするステップを含む、方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１５の方法において、前記供給源圧力と前記出口圧
    力チャンバとの間の流れを制御すべく使用される、方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１５の方法において、制御圧力を排出すべく該装置
    と連通した比例出口ポートを提供するステップを更に備え、該比例出口ポートが
    、前記呼び出し可能な配列を通じて排出されなかった流体の割合分を受け取り得
    るように配置される、方法。
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