JP2005220971A - マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】静電引力を用いたマイクロバルブの流量を増加させる。
【解決手段】
所定の圧力で送り込まれる流体の流路と連通する１又は２以上の流体導入孔を有する第１支持層１００と、第１支持層１００と対向してギャップ室を形成するとともに、第１支持層１００よりも下流側で流路と連通し、流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔１２１、１２２を有する第２支持層１２０と、第１支持層１００と第２支持層１２０との間に設けられ、少なくとも一部の領域が第１支持層１００と第２支持層１２０と間に形成されたギャップ室内１３０を流路に沿って往復移動可能であるとともに、当該移動可能な領域に１又は２以上の開口部１１３が設けられた可動層１１０と、可動層１１０と第１支持層１００とに所定の電圧を所定のタイミングで印加する印加手段１５０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電引力を利用したマイクロバルブに関する。

この種のマイクロバルブとしては、支持層、中間層、被覆層の３層からなり、支持層および被覆層の間に介在する中間層が、閉鎖部材、ダイヤフラム、および被覆層に当接する突起を備えたシート部材を有するものがある（特許文献１参照）。ダイヤフラムおよび支持層に電圧が印加されていない状態では、流体の圧力により、突起が被膜層の表面に突き当たりノーマリークローズ状態を保つ。他方、ダイヤフラムと支持層間に電圧が印加されると、静電引力によりダイヤフラムが僅かに支持層側に変位する。この静電引力によるダイヤフラムの変位に伴い、シート部材の突起が被膜層から離れ、隙間が形成され、この隙間を通過した流体が噴出される。この種のマイクロバルブによれば、生じさせた静電引力によりダイヤフラムを変位させ、ダイヤフラムの変位量に応じた幅の流路を形成することにより、流体の噴出量を制御することができる。

しかしながら、従来のマイクロバルブにおいて、開弁時に流体が通過できる流路の幅（断面積）は、静電引力によるダイヤフラムの変位量を越えることができないため、開弁時に流体が通過できる流路の断面積が微小となってしまい、必要な流量を確保することができず、装置全体の圧力損失が大きくなってしまうという不都合があった。

言い換えると、従来のマイクロバルブにおいて、開弁時に流体が通過できる流路の幅を大きくするためには、非常に大きな電圧が必要となる。つまり、一般に平行平板に発生する静電引力は、電極間距離の２乗に反比例して弱くなるが、開弁時に流体が通過できる流路の幅を大きくとろうとすると、静電ギャップを同じ程度に広く取らざるをえず、結果としてダイヤフラムに印加する電圧を大きくしなければならないという問題があった。しかも、印可可能な最大電圧は、対向する電極間に挟まれる物質に依存し、例えば一般的なシリコン酸化膜の場合では10MV/cm程度に制限されている。

このように、従来のマイクロバルブでは、開弁時に流体が通過できる断面積は上述の理由で非常に狭く、確保できる流量はきわめて僅かな量となってしまうことから、必要流量を確保することが困難であった。特に、限られた燃料圧力で必要な流量を確保する要請のある燃料供給用のインジェクタ等に適用することが困難であった。
特開平７−２２９５７９号公報

本発明は、静電引力を利用したマイクロバルブであって、従来よりも大きな流量を確保できるマイクロバルブを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、所定の圧力で送り込まれる流体の流路と連通する１又は２以上の流体導入孔が設けられた第１支持層と、第１支持層と対向してギャップ室を形成するとともに、第１支持層よりも下流側で前記流路と連通し、前記流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔が設けられた第２支持層と、第１支持層と第２支持層の間に設けられ、少なくとも一部の領域が第１支持層と第２支持層と間に形成されたギャップ室内を流路に沿って往復移動可能であるとともに、当該移動可能な領域に１又は２以上の開口部が設けられた可動層と、この可動層および第１支持層に所定の電圧を所定のタイミングで印加する印加手段とを有するマイクロバルブが提供される。

本発明によれば、従来よりも大きな流量を確保しながら、噴出孔の開弁、閉弁を切り替えるマイクロバルブを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のマイクロバルブが適用される範囲は、流体の供給装置であれば特に限定されず、化学分析装置の試薬供給装置、プリンタのインク供給装置、燃料電池の燃料供給装置などに広く適用することができる。本実施形態のマイクロバルブは、車両の燃料供給システムのインジェクタ装置に装備される。

＜第１実施形態＞
第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施形態のマイクロバルブを圧力印加側、すなわち流体の導入口側からみた上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したマイクロバルブのＡ−Ａ断面の模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ１０は、第１支持層１００と、可動層１１０と、第２支持層１２０とを有し、流路下流側から第２支持層１２０、可動層１１０、第１支持層１００の順番で積層されている。

第１支持層１００は、流体が所定の圧力で送り込まれる流路と連通する１つの流体導入孔１０２と、４つの流体導入補助孔１０１とを有している。流体導入孔１０２および流体導入補助孔１０１は、第１支持層１００を貫通し、送り込まれた流体を下流側へ通過させる。

第２支持層１２０は、第１支持層１００と対向してギャップ室１３０を形成するとともに、第１支持層１００よりも下流側で流路と連通する。第２支持層１２０は、この第２支持層１２０を貫通し、流体を外部へ噴出する２つの流体噴出孔１２１、１２２を有している。

図１（ｂ）に示すように、第１支持層１００と第２支持層１２０との間には、流体で満たされるギャップ室１３０が形成されている。本実施形態の第１支持層１００には、可動層１１０との接面から所定の深さ（ギャップ１）の凹部が形成され、第２支持層１２０には、可動層１１０から所定の深さ（ギャップ２）の凹部が形成されている。つまり、第１支持層１１０と可動層１１０との間にはギャップ１（距離）に相当する空間が形成され、可動層１１０と第２支持層１２０との間にはギャップ２（距離）に相当する空間が形成されている。このギャップ１とギャップ２とを合わせたギャップ室１３０は、流体の流路として機能する。

本実施形態では、マイクロバルブ１０に差圧が印加されておらず、電圧が印加されていない初期状態、言い換えると、連通する周囲流路、ギャップ室１３０、流体導入孔１０２、１０１、開口部１１３、流体噴出孔１２１、１２２の圧力が全て等しい状態において、可動層１１０と第１支持層１００との距離であるギャップ１と、可動層１１０と第２支持層１２０との距離であるギャップ２は、ギャップ１＜ギャップ２という関係を有する。

可動層１１０は、第１支持層１００と第２支持層１２０との間に配置され、外縁近傍領域において、絶縁体１４０を介在させて、第１支持層１００および第２支持層１２０とに固定されている。可動層１１０のうち固定された外縁近傍領域以外の領域は、ギャップ室１３０内を流路に沿って（矢印Ｘ方向に沿って）、往復移動が可能である。またこの往復移動が可能な領域には、可動層１１０を貫通する開口部１１３が設けられている。

図２（ａ）は本実施形態のマイクロバルブ１０に係る第１支持層１００を、図２（ｂ）は可動層１１０を、図２（ｃ）は第２支持層１２０を、それぞれ上面から見た、上面図である。

図２（ａ）に示すように、第１支持層１００の中央付近には、第１支持層１００を貫通して開口する流体導入孔１０２が設けられている。また、本実施形態では、流体導入孔１０２の周囲に、他の流体導入孔として機能する流体導入補助孔１０１が４つ設けられている。本実施形態の４つの流体導入補助孔１０１は、流路の中心に対して点対称の位置であって、流路の中心から等間隔に設けられている。これら流体導入補助孔１０１も、第１支持層１００を貫通して流路から流体を受け入れる。本実施形態では、２つ以上の流体導入孔を有する例を説明したが、１つの流体導入孔１０２のみを設けてもよい。本実施形態のように、メインの流体導入孔１０２のほかに、流体導入補助孔１０１を設けたことにより、流体導入時（上流の主弁が開状態となった場合）に、可動層１１０に圧力が印加され第２支持層１２０の方向に可動層１１０を移動させることができる。また、この際流体の入り口となる開口部分が流体導入孔１０２の開口部分と流体導入補助孔１０１の開口部分とをあわせた部分となるため、流体の導入がスムーズとなり、圧力損失を低下させることができる。

図２（ｂ）には、第１支持層１００と第２支持層１２０の間に設けられる可動層１１０を示した。図２（ｂ）に示すように、本実施形態の可動層１１０は、移動領域１１２と、固定領域１１１と、弾性部材１１４とを有している。移動領域１１１は、ギャップ室内を流路に沿って往復移動する。固定領域１１１は第１支持層１００および第２支持層１２０に固定される。弾性部材１１４は往復移動する領域１１２と固定される領域１１１とを弾性をもって接合する。弾性部材１１４は、ギャップ室の側壁面に沿って設けられ、流体の圧力又は静電引力の作用により室内を流路に沿って移動した領域１１２を、元の位置（初期の位置）に戻すように作用する。具体的には、ドーナツ状の移動領域１１２の周囲に沿って設けられたバネ状の弾性部材１１４が、移動領域１１２を固定領域１１１に弾性をもって係止する。弾性部材１１４が連なる固定領域１１１は絶縁部材１４０（図１（ｂ）参照）で電気的絶縁をとりながら、第１支持層１００及び第２支持層１２０に固定された構造となっている。なお、本実施形態では、移動領域１１２と弾性部材１１４とは移動領域１１２の周囲４点（９０度ごと）で係止され、弾性部材１１４と固定領域１１１とは移動領域１１２の周囲４点（９０度ごと）で係止されている。係止箇所の数、位置は特に限定されず、移動領域１１２の移動可能範囲、流体から受ける圧力等に応じて適宜決定することが好ましい。

図２（ｃ）に示すように、本実施形態の第２支持層１２０は、流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔１２１、１２２を有している。

次に、第１支持層１００の流体導入孔１０１、１０２と、可動層１１０の開口部１１３と、第２支持層１２０の流体噴出孔１２１、１２２との位置関係について説明する。

本実施形態では、第１支持層１００の中心部分に１つの流体導入孔１０２を設け、その周囲に４つの流体導入補助孔１０１を設けた。また、流体導入孔１０２は可動層１１０の開口部１１３に対向し、流体補助導入孔１０１は可動層１１０の開口部１１３以外の部分と対向するようにした。また、第２支持層１２０の流体噴出孔１２２は、可動層１１０の開口部１１３と対向する位置に設けられ、他の流体噴出孔１２１は、可動層１１０の開口部以外の部分と対向する位置に設けられている。

第１支持層１００と可動層１１０と第２支持層１２０とを積層させたときに、流体導入孔１０２、開口部１１３、および流体噴出孔１２２の開口領域の少なくとも一部が重複するようにすることが好ましい。本実施形態では、流体導入孔１０２の中心と、開口部１１３の中心と、流体噴出孔１２２の中心とが、流路の略中心軸上に位置するようにした。流体導入孔１０２、開口部１１３、流体噴出孔１２２は重なり、可動層１１０の動きにかかわらず、常に開弁した状態が保たれる。一方、第２支持層１２０の他の流体噴出孔１２１は、可動層１１の開口部以外の領域に対向する。このため、可動層１１０は、その動きに応じて、流体噴出孔１２１の開弁動作、又は閉弁動作を行う。

印加手段１５０は、可動層１１０と第１支持層１００からそれぞれ導出された外部電極に接続され、可動層１１０と第１支持層１００に所定のタイミングで、所定の電圧を印加する。ちなみに、可動層１１０と第１支持層１００の材質は特に限定されないが、絶縁体以外のものであることが好ましい。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を用い、マイクロバルブ１０の動作を説明する。

＜状態Ｉ：初期状態＞
図２（ａ）および（ａ−１）は、初期状態のマイクロバルブ１０を示す図である。つまり、マイクロバルブ１０の全ての空間に差圧が生じておらず、かつ電圧が印加されていない状態である。なお、図３（ａ−１）は図３（ａ）の一部分（点線で囲んだ部分）を拡大した図である。

状態Ｉでは、可動層１１０に外部から加わる力は発生しておらず、可動層１１０は予め設定された所定のギャップをもって、第１支持層１００と第２支持層１２０に対向している。本実施形態では、第１支持層１００と可動層１１０のギャップ１（Ｇ１）と、第２支持層１２０と可動層１１０のギャップ２（Ｇ２）とが形成されている。ここではＧ１＜Ｇ２の関係となるように、ギャップ室１３０が形成されている。このような状態Ｉは、流路上流に位置する別の主弁（図示せず）が閉じられた場合である。たとえば、インジェクタなどの燃料噴射装置に本実施形態のマイクロバルブ１０を適用した場合では、ニードルバルブ等がこの図示しない主弁に相当する。このニードルバルブは、流路を介してマイクロバルブ１０に所定の圧力で流体を送り込む。

＜状態ＩＩ：主弁開状態＞
図３（ｂ）は、主弁が開弁され、流体が導入された状態のマイクロバルブ１０を示す図である。つまり、図３（ｂ）は、マイクロバルブ１０に電圧が印加されていない状態で、マイクロバルブ１０の上流で流体の通過を制御する主弁を開弁した場合の状態を示す。上流の主弁が開かれると、流体の圧力がマイクロバルブ１０にかかり、流体導入孔１０１と可動層１１０との対向面近傍（図３（ａ−１）で示すＰ１）の圧力が高まる。また可動層１１０のドーナツ状の移動領域１１２と第２支持層１２０との対向面近傍（図３（ａ−１）で示すＰ２）の圧力も高まる。圧力が印加されたＰ２部分の流体は、流体噴出孔１２１に流れる。この流体の動きに応じてＰ２部分の圧力は低下し、これに伴い可動層１１０のドーナツ状の移動領域１１２は、第２支持層１２０方向へ移動し、第２支持層１２０に押し付けられる。主弁開弁後の状態ＩＩを図３（ｂ）に示した。図３（ｂ）に示すように、状態ＩＩでは、可動層１１０は流体噴出孔１２１をほぼ完全に塞ぐ。このため、流体は流体噴出孔１２２のみを通って噴出する。

＜状態ＩＩＩ：電圧印加状態＞
図３（ｃ）は、可動層１１０と第１支持層１００との間に電圧を印加させた状態を示す。可動層１１０と第１支持層１００に電圧を印加すると、静電引力が働き、可動層１１０は第１支持層１００側に引きつけられ、第１支持層１００側に移動し、第１支持層１００に密着する。可動層１１０は、第２支持層１２０から離れ、第１支持層１００に接しているので、可動層１１０と第２支持層１２０との間には、充分なギャップが形成される。この広いギャップを通って、十分な量の流体が流体噴出孔１２１及び１２２の両方から外部に向けて噴出される。

印加する電圧の値は、流路の規模、ギャップ室１３０の態様、流体の流量、第１支持層１００、可動層１１０、第２支持層１２０の位置関係に応じて適宜決定することができる。つまり、電圧を印加して可動層１１０を第１支持層１００側へ移動させるため、可動層１１０の上面（第１支持層１００側の面）に生じる圧力と、可動層１１０の下面（第２支持層１２０側の面）に生じる圧力との差圧を考慮して印加する電圧を決定することが好ましい。本実施形態では、可動層１１０が下方向（第２支持層１２０側の方向）へ移動させられる力に抗って、可動層１１０を上方向（第１支持層１１０側の方向）へ移動させる静電引力を可動層１１０に発生させるとの観点から、「可動層１１０の上面（第１支持層１００側の面）の面積×可動層１１０の上面にかかる圧力−可動層１１０の下面（第２支持層５２０側の面）の面積×可動層５１０の下面にかかる圧力 ＜ 静電引力」を満たす静電引力を誘起する電圧を印加する。

また、電圧を印加するタイミングは、特に限定されないが、可動層１１０の移動にかかるエネルギー効率の観点から、流体の圧力が減じられた後（上流の主弁が閉じられた後）であって、弾性部材１１４の働きにより第２支持層１２０に押し付けられた移動領域１１２が初期状態（状態Ｉ）における位置まで復帰した後に電圧を印加することが好ましい。

電圧が印加された状態ＩＩＩでは、可動層１１０と第２支持層１２０との間に比較的広いギャップが形成され、このギャップを通して流体が流れるため、必要十分な量の流体を噴出することができる。つまり、初期状態（状態Ｉ）のマイクロバルブ１０に電圧を印加する場合、初期状態の可動層１１０（図３（ａ）（ｂ））をギャップ１（Ｇ１）分だけ移動させることができる電圧を印加することによりギャップ１＋ギャップ２＝Ｇに相当する流路を確保することができる。また、比較的広いギャップが形成されるとともに、別の流体噴出孔１２１が開かれるため、必要十分な量の流量を確保しつつ、圧力損失を抑制することができる。

このように、静電引力により移動させるダイヤフラム（可動層に相当）の距離と、流路のギャップ長とがほぼ等しくならざるを得なかった従来例と比較すると、本実施形態のマイクロバルブ１０は、静電引力による可動層１１０の移動距離に制限されることなく、必要十分な量の流量を確保するためのギャップ室１３０を形成し、流体噴出孔１２１、１２２から必要十分な量の流体を噴出することができる。つまり、流路のギャップを、電圧印加により可動層１１０を移動させることができる範囲内である狭いギャップ長とする必要がなく、必要な流量を確保できる充分なギャップ長とすることが可能である。すなわち、状態Ｉの可動層１１０と第１支持層１００とのギャップ１の距離だけ、可動層１１０を移動させることにより、第１支持層１００から第２支持層１２０までの距離を有する広い流路を形成することができる。

本実施形態のマイクロバルブ１０を通過する流体の圧力は上流に設けられたインジェクタなどの流体供給装置により制御されるため、マイクロバルブ１０には所定の圧力で流体が送り込まれる。このため、状態ＩＩＩ（図３（ｃ））が永遠に続くことはなく、マイクロバルブ１０は状態ＩＩＩから状態Ｉ又は状態ＩＩへ遷移する。たとえば、上流の主弁が高い圧力で流体を送り込めば、マイクロバルブ１０は状態ＩＩをとり、電圧が印加されない状態で上流の主弁が閉じられれば、マイクロバルブ１０は状態Ｉをとる。上流の主弁が閉じられ、電圧が印加されていない状態では、ギャップ室１３０を含む流路、流体導入孔、および流体噴出孔の圧力は均一となり、これらの圧力差はゼロとなる。状態ＩＩ又は状態ＩＩＩであったマイクロバルブ１０は、移動可能な可動層１１０の弾性部材１１４の作用により、初期状態Ｉに戻る。つまり、本実施形態のマイクロバルブ１０は、所定のタイミングで状態Ｉをとることができるため、可動層１１０が状態Ｉとなったタイミングで、状態Ｉにおける可動層１１０と第１支持層１００とのギャップ１の距離だけ可動層１１０を移動させる電圧を印加すれば、所望の噴出サイクルで状態ＩＩＩを実現することができる。言い換えると、小さい印加電圧によって、状態ＩＩＩに示されるような流路（ギャップ室１３０）を実現することができる。

また、本実施形態では、流体の圧力印加により状態ＩＩを、電圧の印加により状態ＩＩＩを実現することができる。つまり、状態ＩＩでは１の流体噴出孔１２２のみを機能させ、状態ＩＩＩでは２つの流体噴出孔１２１および１２２を機能させることができる。これにより、機能させる（流体を噴出させる）流体噴出孔の数、位置を切替ることができ、所望の噴射形状、噴出量とすることができる。

次に、第２実施形態から第５実施形態について説明する。第１実施形態と共通する部分については、重複した説明を省略する。

＜第２実施形態＞
図４および図５に基づいて、第２実施形態について説明する。図４（ａ）は、本実施形態のマイクロバルブを圧力印加側、すなわち流体の導入口側からみた上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したマイクロバルブのＢ−Ｂ断面の模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ２０は、第１支持層２００と、可動層２１０と、第２支持層２２０とを有している。第２実施形態のマイクロバルブ２０は、第１支持層２１０が流体導入補助孔（図２の１０１に対応）を有さない点、第１支持層２１０に設けられた流体導入孔２０２の開口面積が、可動層２１０に設けられた開口部２３０の開口面積よりも広い点を除き、第１実施形態のマイクロバルブ１０と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層２００は第１実施形態の第１支持層１００に対応し、可動層２１０は第１実施形態の可動層１１０に対応し、第２支持層２２０は第１実施形態の第２支持層１２０に対応する。

図５（ａ）は本実施形態のマイクロバルブ２０に係る第１支持層２００を、図５（ｂ）は可動層２１０を、図５（ｃ）は第２支持層２２０を、それぞれ上面から見た図である。

図５（ａ）に示すように、第２実施形態の第１支持層２１０は、流体の導入開口部として、１つの流体導入孔２０２を有している。可動層２１０に設けられた開口部２１３は、流体導入孔２０２に対向する位置に設けられ、第１支持層２００に設けられた流体導入孔２０２の開口面積が、可動層２１０に設けられた開口部２１３の開口面積よりも大きい。本実施形態では、流体導入孔２０２および開口部２３０を円形とし、その中心が略同軸上に位置するようにした（図４（ａ）（ｂ）参照）。図４（ａ）（ｂ）に示すように、流体の導入方向からマイクロバルブ２０を見ると、流体導入孔２０２の内側に、可動層２１０開口部以外の領域Ｑ及び開口部２１３が位置する。

本実施形態の電圧を印加していないマイクロバルブ２０に所定の圧力で流体を送り込むと（第１実施形態の状態ＩＩに対応）、まず流体導入孔２０２から導入された流体の圧力を可動層２１０の領域Ｑが流体の圧力を受け、可動層２１０の上面（流体導入側）の圧力が、可動層２１０の下面（流体噴出側）の圧力よりも高くなり、可動層２１０は、第２支持層２２０側に押し付けられる。第２支持層２２０に押し付けられた可動層２１０により、第２支持層２２０の流体噴出孔２２１は閉弁する。

第１支持層２００と可動層２１０に電圧を印加すると、可動層２１０は第１支持層２００側に引きつけられるため、可動層２１０と第２支持層２２０との間に比較的広いギャップ室２３０が形成され、２つの流体噴出孔２２１及び２２２が開弁されるため、必要量の流体を噴出することができる。

第２実施形態のマイクロバルブは、第１実施形態と同様に動作し、同様の効果を奏する。加えて、第１実施形態では第１支持層１００に流体導入孔１０２及び流体導入補助孔１０１を設ける必要があったが、このような複雑な加工をせずに、同等の作用及び効果を奏することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態を図６および図７に基づいて説明する。
図６（ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ３０を圧力印加側、すなわち流体の導入口側からみた上面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示したマイクロバルブのＣ−Ｃ断面の模式図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ３０は、第１支持層３００と、可動層３１０と、第２支持層３２０とを有している。第３実施形態のマイクロバルブ３０は、第１支持層３００が流体導入補助孔１０１を有さない点、可動層３１０が中心から略等距離に円弧状の複数の開口部３１５を有する点、および第２支持層３２０が中心から略等距離に複数の流体噴出孔３２１、３２２を有している点を除き、第１実施形態のマイクロバルブ１０と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層３００は第１実施形態の第１支持層１００に対応し、可動層３１０は第１実施形態の可動層１１０に対応し、第２支持層３２０は第１実施形態の第２支持層１２０に対応する。

図７（ａ）は本実施形態のマイクロバルブ３０に係る第１支持層３００を、図７（ｂ）は可動層３１０を、図７（ｃ）は第２支持層３２０を、それぞれ上面から見た図である。

図７（ａ）に示すように、第３実施形態の第１支持層３１０は、流体の導入開口部として、１つの流体導入孔３０２を有している。可動層３１０の中心部分に設けられた開口部３１３は流体導入孔３０２に対向する位置に設けられている。この第１支持層３００に設けられた流体導入孔３０２の開口面積は、可動層３１０に設けられた開口部３１３の開口面積よりも大きい。

図７（ｂ）に示すように、第３実施形態の可動層３１０は、流体導入孔３０２に対向する位置に設けられた第１開口部３１３と、第１開口部３１３の周囲に配置された複数の第２開口部３１５とを有している。本実施形態の第２開口部３１５は、第１開口部３１３の中心を円心とする略同心円上に複数配置されている。第２開口部３１５の数および位置は、特に限定されないが、本実施形態の第２開口部３１５は、第１開口部３１３を中心に９０度づつ回転させた点対象位置に、相互の距離が等しくなるように配置されている。第１支持層３００の流体導入孔との位置関係をみると、第１開口部３１３は第１支持層３００の流体導入孔３０２と対向する位置に設けられ、第２開口部３１５は流体導入孔３０２以外の部分と対向する位置に設けられている。

図７（ｃ）に示すように、第３実施形態の第２支持層３２０は、第２開口部３１５に対向する位置に設けられた１又は２以上の第１流体噴出孔３２１と、第１開口部３１３および第２開口部３１５以外の部分（開口していない部分）に対向する第２流体噴出孔３２２とを有する。第１流体噴出孔３２１と第２流体噴出孔３２２は、流体導入孔３０２の中心に対応する点Ｍを基準とした点対称位置に配置されている。第１流体噴出孔３２１ａ１と３２１ａ２とは点Ｍに対して点対称位置に２対（４つ）配置され、第２流体噴出孔３２２ａ１と３２２ａ２とは点Ｍに対して点対称位置に２対（４つ）配置され、合計８つの流体噴出孔が配置されている。

本実施形態の電圧を印加していないマイクロバルブ３０に所定の圧力で流体を送り込むと（第１実施形態の状態ＩＩに対応）、まず流体導入孔３０２から導入された流体の圧力を可動層３１０の開口部３１３、３１５以外の部分が流体の圧力を受け、可動層３１０の上面（流体導入側）の圧力が、可動層３１０の下面（流体噴出側）の圧力よりも高くなり、可動層３１０は、第２支持層３２０側に押し付けられる。第２支持層３２０に押し付けられた可動層３１０の第２開口部３１５の位置に応じて、第２支持層３２０の第１流体噴出孔３２１は開弁し、第２流体噴出孔３２２は閉弁する。

第１支持層３００と可動層３１０に電圧を印加すると、可動層３１０は第１支持層３００側に引きつけられるため、可動層３１０と第２支持層３２０との間に比較的広いギャップ室３３０が形成され、２つの流体噴出孔３２１及び３２２が開弁される。

第３実施形態のマイクロバルブは、第１実施形態と同様に動作し、同様の効果を奏する。加えて、第１支持層３００と可動層３１０にかける電圧のオンオフにより、流体噴出孔３２１、３２２の一部を閉じることができる。流体噴出孔３２１、３２２が流路中心に対して点対称の位置に配置されているため、噴射角、噴射形状を余り変えずに、噴射量のみを変えることができる。つまり、噴射角や噴射形状を変更させることなく、噴射量をコントロールすることができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態を図８〜図９に基づいて説明する。
図８（ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ４０を圧力印加側、すなわち流体の導入口側からみた上面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示したマイクロバルブのＤ−Ｄ断面の模式図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ４０は、第１支持層４００と、可動層４１０と、第２支持層４２０とを有している。第４実施形態のマイクロバルブ４０は、第１支持層４００が流体導入補助孔を有さない点、可動層４１０が第１可動領域４１５と第２可動領域４１６と開口部４１３とを有する点を除き、第１実施形態のマイクロバルブ１０と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層４００は第１実施形態の第１支持層１００に対応し、可動層４１０は第１実施形態の可動層１１０に対応し、第２支持層４２０は第１実施形態の第２支持層１２０に対応する。

図９（ａ）は本実施形態のマイクロバルブ４０に係る第１支持層４００を、図９（ｂ）は可動層４１０を、図９（ｃ）は第２支持層４２０を、それぞれ上面から見た図である。

図９（ａ）に示すように、第４実施形態の第１支持層４１０は、流体の導入開口部として、１つの流体導入孔４０２を有している。

図９（ｂ）に示すように、第４実施形態の可動層４１０は、第１支持層４００と第２支持層４２０の間に形成されたギャップ室を流路に沿って往復移動可能な、第１可動領域４１５と第２可動領域４１６とを有している。第２可動領域４１６は、流体導入孔４０２と対向する位置に設けられている。第１可動領域４１５は第２可動領域４１６の外周に沿って設けられている。また、第２可動領域４１６の面積は流体導入孔４０２よりも小さい。外周側の第１可動領域４１５と中心側の第２可動領域４１６とは、ブリッジ４１７で連なり、第１可動領域４１５と第２可動領域４１６との間には開口部４１３が形成されている。ブリッジ４１７は、第２可動領域４１６の中心から放射状に配置され、第１可動領域４１５と第２可動領域４１６との間に複数の開口部４１３を形成する。開口部４１３は、第２可動領域４１６の中心に対して点対称の位置に配置されている。ブリッジ４１７、開口部４１３の数および位置は、特に限定されないが、本実施形態の開口部４１３は、第２可動領域４１６を中心に９０度づつ回転させた点対象位置に、等間隔に配置されている。第１支持層４００の流体導入孔との位置関係をみると、開口部４１３の一部の領域（第２可動領域側）は第１支持層４００の流体導入孔４０２と対向し、開口部４１３の他の領域（第１可動領域側）は流体導入孔４０２以外の部分（非開口部分）と対向する。

図９（ｃ）に示すように、第４実施形態の第２支持層４２０は、第２可動領域４１６に対向する位置に設けられた１又は２以上の流体噴出孔４２２と、開口部４１３に対向する第２流体噴出孔４２１とを有する。

図１０に第４実施形態のマイクロバルブ４０の動作を示した。図１０（ａ）は、実施形態１において説明した状態Ｉのマイクロバルブ４０の状態を示す。図１０（ｂ）は実施形態１において説明した状態ＩＩのマイクロバルブ４０の状態を示す。図１０（ｃ）は実施形態１において説明した状態ＩＩＩのマイクロバルブ４０の状態を示す。

図１０（ａ）に示すように、初期状態（状態Ｉ）では、第１可動領域４１５および第２可動領域４１６は、所定の位置にある。本実施形態の電圧を印加していないマイクロバルブ４０に所定の圧力で流体を送り込むと（状態ＩＩに対応）、まず流体導入孔４０２から導入された流体の圧力を可動層４１０の第２可動領域４１６が流体の圧力を受ける。すると、可動層４１０の上面（流体導入側）の圧力が、可動層４１０の下面（流体噴出側）の圧力よりも高くなり、可動層４１０は、第２支持層４２０側に押し付けられる（図１０（ｂ）参照）。図１０（ｂ）に示すように、第２支持層４２０に押し付けられた可動層４１０の第２可動領域４１６により、第２支持層４２０の流体噴出孔４２２は閉弁する。

第１支持層４００と可動層４１０に電圧を印加すると、可動層４１０は第１支持層４００側に引きつけられる。そうすると、図１０（ｃ）に示すように、可動層４１０と第２支持層４２０との間に比較的広いギャップ室４３０が形成され、２つの流体噴出孔４２１及び４２２が開弁される。

第４実施形態のマイクロバルブは、第１、第２実施形態と同様に動作し、同様の効果を奏する。また、本実施形態のマイクロバルブ４０は、状態ＩＩにおいて、中心近傍に設けられた噴出孔４２２が閉弁し、噴出孔４２２よりも円周側に設けられた噴出孔４２１が開弁する。これは、状態ＩＩにおいて、中心近傍に設けられた噴出孔が開弁し、円周側に設けられた噴出孔が閉弁する実施形態１又は２と逆のパターンである。つまり、本実施形態のマイクロバルブ４０によれば、実施形態１および２とは別の噴出パターンを実現することができる。これにより、エンジンのような燃焼器の要求仕様に対して、広く対応することができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態を図１１および図１２に基づいて説明する。
図１１（ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ５０を圧力印加側、すなわち流体の導入口側からみた上面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示したマイクロバルブのＥ−Ｅ断面の模式図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ５０は、第１支持層５００と、可動層５１０と、第２支持層５２０とを有している。第５実施形態のマイクロバルブ５０は、可動層５１０が流体導入補助孔５０１に沿って第１支持層５００に接する凸部５１５を有する点を除き、第１実施形態のマイクロバルブ１０と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層５００は第１実施形態の第１支持層１００に対応し、可動層５１０は第１実施形態の可動層１１０に対応し、第２支持層５２０は第１実施形態の第２支持層１２０に対応する。

図１２（ａ）は本実施形態のマイクロバルブ５０に係る第１支持層５００を、図１２（ｂ）は可動層５１０を、図１２（ｃ）は第２支持層５２０を、それぞれ上面から見た図である。

図１２（ａ）に示すように、第５実施形態の第１支持層５００は、流体の導入開口部として、１つの流体導入孔５０２と、流体導入孔５０２の周囲に設けられた流体導入補助孔５０１とを有している。

図１２（ｂ）に示すように、第５実施形態に係る可動層５１０は、対向する流体導入孔（流体導入補助孔）５０１の外延に沿って第１支持層５００に接するように設けられた凸部５１５を有する。言い換えると、本実施形態の可動層５０２は、対向する第１支持層５００に接して、第１支持層５００と可動層５１０との間に閉空間５１７を形成する凸部５１５を有する。図１２（ｂ）に示すように、この凸部５１５は、流体導入孔（流体導入補助孔）５０１を囲むように設けられている。半径の小さい凸部５１５ａは、流体導入補助孔５０１の内周側に沿って延在し、半径の大きい凸部５１５ｂは流体導入補助孔５０１の外周側に沿って延在する。この２本の凸部５１７が流体導入補助孔５０１の開口部分を囲う（図１１（ｂ）参照）。

本実施形態では、可動層５１０の上面（第１支持層５００側の面）に、略同心円状の２本の凸部５１５（ａ）と５１５（ｂ）とを設けた。２本の凸部５１５（ａ）と凸部５１５（ｂ）は、同じ高さであり、凸部５１５の頂部面が重ねた第１支持層５００と接する。可動層５１０と、第１支持層５００と、２本の凸部５１５（ａ）および５１５（ｂ）とは、閉空間５１７を形成する。第１支持層５００の流体導入孔５０１は凸部５１５に囲まれ、閉空間５１７と連通している。この環状の凹部５１５ａおよび５１５ｂと、第１支持層５００とが接触したときに形成される空間５１７は、流体導入補助孔５０１と連通する。

図１２（ｃ）に示すように、本実施形態の第２支持層５２０は、流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔５２１、５２２を有している。

本実施形態の電圧を印加していないマイクロバルブ５０に所定の圧力で流体を送り込むと（第１実施形態の状態ＩＩに対応）、まず流体導入孔５０２から導入された流体は、流体導入孔５０２に連通する空間５１７を満たす。可動層５１０は流体の圧力を受ける。可動層５１０の上面（流体導入側）の圧力が可動層３１０の下面（流体噴出側）の圧力よりも高くなると、可動層３１０は第２支持層３２０側に押し付けられる。第２支持層５２０に押し付けられた可動層５１０は、第２開口部５１５の位置に応じて、第２支持層５２０の第１流体噴出孔５２１を開弁し、第２流体噴出孔５２２を閉弁する。

第１流体噴出孔５２１と第２流体噴出孔５２２の両方を開弁するために、第１支持層５００と可動層５１０に電圧を印加する。第１支持層５００と可動層５１０に電圧を印加すると、可動層５１０は第１支持層５００側に引きつけられるため、可動層５１０と第２支持層５２０との間に比較的広いギャップ室５３０が形成され、２つの流体噴出孔５２１及び５２２が開弁される。

第１実施形態から第４実施形態において、電圧を印加して可動層１１０を第１支持層１００側へ移動させるためには、可動層１１０の上面（第１支持層１００側の面）に生じる圧力と、可動層１１０の下面（第２支持層１２０側の面）に生じる圧力との差圧を考慮して印加する電圧を決定する必要があった。具体的には、たとえば、可動層１１０の上面（第１支持層１００側の面）の面積×可動層１１０の上面にかかる圧力−可動層１１０の下面（第２支持層１２０側の面）の面積×可動層１１０の下面にかかる圧力 ＜ 静電引力」を満たす静電引力を誘起する電圧を算出し、算出された電圧を印加する必要があった。本実施形態では、流体導入補助孔５０１を囲うように凸部５１５を設けたことから、初期状態（状態Ｉ）、電圧印加状態（状態ＩＩＩ）において、流体の圧力又は静電引力を受ける“可動層の上面の面積”を任意の大きさに設定することが可能であるため、設計の自由度を増加させることができる。つまり、上式で示す関係を満たす電圧を印加するために、各部の形状・大きさを設計する必要があり、設計要件によっては成立させることが困難な場合もあった。本実施形態では、このような場合において設計の自由度を増加させることができる。

なお、本実施形態では、二つの環状の凸部５１５を設ける例を示したが、凸部５１５の形状は特に限定されず、状態Ｉ、状態ＩＩＩにおいて流体導入補助孔５０１と連通した閉空間５１７を形成できる部材であればよい。

第５実施形態のマイクロバルブ５０は、第１、第２実施形態と同様に動作し、同様の効果を奏する。加えて、設計自由度の高いマイクロバルブを提供することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

図１（ａ）は第１実施形態のマイクロバルブの上面図を示す図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したマイクロバルブのＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）は第１実施形態の第１支持層を示す図、図２（ｂ）は第１実施形態の可動層を示す図、図２（ｃ）は第１実施形態の第２支持層を示す図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態の動作を説明するための図である。 図４（ａ）は第２実施形態のマイクロバルブの上面図を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示したマイクロバルブのＢ−Ｂ断面図である。 図５（ａ）は第２実施形態の第１支持層を示す図、図５（ｂ）は第２実施形態の可動層を示す図、図５（ｃ）は第２実施形態の第２支持層を示す図である。 図６（ａ）は第３実施形態のマイクロバルブの上面図を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示したマイクロバルブのＣ−Ｃ断面図である。 図７（ａ）は第３実施形態の第１支持層を示す図、図７（ｂ）は第３実施形態の可動層を示す図、図７（ｃ）は第３実施形態の第２支持層を示す図である。 図８（ａ）は第４実施形態のマイクロバルブの上面図を示す図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したマイクロバルブのＤ−Ｄ断面図である。 図９（ａ）は第４実施形態の第１支持層を示す図、図９（ｂ）は第４実施形態の可動層を示す図、図９（ｃ）は第４実施形態の第２支持層を示す図である。 図１０（ａ）〜（ｃ）は第４実施形態の動作を説明するための図である。 図１１（ａ）は第５実施形態のマイクロバルブの上面図を示す図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示したマイクロバルブのＥ−Ｅ断面図である。 図１２（ａ）は第５実施形態の第１支持層を示す図、図１２（ｂ）は第５実施形態の可動層を示す図、図１２（ｃ）は第５実施形態の第２支持層を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０…マイクロバルブ
１００，２００，３００，４００，５００…第１支持層
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０…可動層
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０…第２支持層
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２…流体導入孔
１０１，５０１…流体導入補助孔
１２１，２２１，３２１，４２１，５２１…流体噴出孔
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２…流体噴出孔

Claims (11)

1. 所定の圧力で送り込まれる流体の流路と連通する１又は２以上の流体導入孔が設けられた第１支持層と、
   前記第１支持層と対向してギャップ室を形成するとともに、前記第１支持層よりも下流側で前記流路と連通し、前記流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔が設けられた第２支持層と、
   前記第１支持層と前記第２支持層の間に設けられ、少なくとも一部の領域が前記第１支持層と前記第２支持層と間に形成されたギャップ室内を前記流路に沿って往復移動可能であるとともに、当該移動可能な領域に１又は２以上の開口部が設けられた可動層と
   前記可動層と前記第１支持層とに所定の電圧を所定のタイミングで印加する印加手段とを有するマイクロバルブ。
2. 前記ギャップ室は、初期状態において、前記第１支持層と可動層との間に形成された第１ギャップ領域と、前記第２支持層と可動層との間に形成された第２ギャップ領域とを有する請求項1記載のマイクロバルブ。
3. 前記第１支持層と前記可動層との距離であるギャップ１と、前記第２支持層と前記可動層との距離であるギャップ２は、ギャップ１＜ギャップ２の関係を有する請求項２に記載のマイクロバルブ。
4. 前記可動層は、前記ギャップ室内を前記流路に沿って往復移動する可動領域と、前記第１支持層および第２支持層に固定される固定領域とを有し、前記可動領域は前記ギャップ室の側壁面に沿って設けられた弾性部材により前記固定領域と接合された請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロバルブ。
5. 前記第１支持層に設けられた流体導入孔のうちいずれか１以上は、前記可動層の開口部と対向する位置に設けられ、他の流体導入孔は前記可動層の開口部以外の部分と対向する位置に設けられた請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロバルブ。
6. 前記第２支持層に設けられた流体噴出孔のうちいずれか１以上は、前記可動層の開口部と対向する位置に設けられ、他の流体噴出孔は前記可動層の開口部以外の部分と対向する位置に設けられた請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロバルブ。
7. 前記第１支持層に設けられた流体導入孔の開口面積は、当該流体導入孔に対応する位置に設けられた前記可動層の開口部の開口面積よりも広い請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロバルブ。
8. 前記可動層は前記流体導入孔に対向する位置に設けられた第１開口部と、前記可動層の可動可能な領域の中心から点対称の位置に設けられた複数の第２開口部とを有し、
   前記第２支持層は、前記第１開口部に対向する位置に設けられた１又は２以上の第１流体噴出孔と、前記第１開口部および前記第２開口部以外の部分に対向する第２流体噴出孔とを有する請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロバルブ。
9. 前記第２開口部は、前記第１開口部の中心を円心とする円周上に設けられた請求項８記載のマイクロバルブ。
10. 前記可動層は、第１支持層と第２支持層の間に形成されたギャップ室を流路に沿って往復移動可能な第１可動領域と、第１可動領域の周囲に設けられ、第１支持層と第２支持層の間に形成されたギャップ室を流路に沿って往復移動可能な第２可動領域とを有し、
    前記第１可動領域は、少なくともその一部分が前記流体導入孔と対向する請求項１〜９のいずれかに記載のマイクロバルブ。
11. 前記可動層は、対向する前記流体導入孔の外延に沿って前記第１支持層に接するように設けられた凸部を有する請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロバルブ。
    
    

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