JP2007113654A - Fine hollow structure diaphragm and its application element - Google Patents

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Kazuhiro Yoshida
和弘 吉田
Seiichi Hata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diaphragm capable of generating a large displacement without complicating its structure and to structure an element of a microactuator having a large displacement by using the diaphragm. <P>SOLUTION: A large deflection is generated and a large displacement is obtained by making a flexible part of a minute diaphragm in a fine hollow structured shape. By making the shape of the fine hollow structure annular, or a fine double hollow structured shape comprising the fine hollow structure at the center and an annular fine hollow structure surrounding the fine hollow structure at the center, the displacement of the fine diaphragm can be enhanced. By structuring the flexible part of the fine hollow structure by a metallic glass film, an elastic deformation range can be made large, and the diaphragm can be manufactured without complicating the process too much. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、微細中空構造体を可撓部に有する微小ダイアフラムおよびその応用素子に関する。   The present invention relates to a micro-diaphragm having a micro-hollow structure in a flexible part and its applied element.

平面円板形のダイアフラムは、流体の圧力によって円板に生じるたわみを出力変位とする流体アクチュエータや、圧電素子などによって円板にたわみを発生させて円板より内側の空間を体積変化させて流体を押し出すポンプ、あるいは密閉構造で弾性支持要素を有するバルブなどに多用されている。   A flat disk-shaped diaphragm is a fluid actuator that produces deflection as an output displacement of the deflection generated in the disk by the pressure of the fluid, or a piezoelectric element that causes the disk to bend and change the volume inside the disk to change the volume. The pump is often used for a pump for pushing out or a valve having an elastic support element in a sealed structure.

近年、マイクロマシニングの発達に伴い、微小寸法でより高性能を有する微小ダイアフラムが求められるようになっている。平面円板形の通常のダイアフラムは、円板における面内の引っ張り力のために、たわみによる大きな変位量を得ることはできない。このため、このようなダイアフラムを用いて、アクチュエータの出力変位を大きくすることや、ポンプの吐出量を大きくすること、あるいはバルブの弁体のストロークを大きくすることは困難であった。   In recent years, with the development of micromachining, there has been a demand for a microdiaphragm having higher performance with a microscopic dimension. An ordinary diaphragm having a flat disk shape cannot obtain a large amount of displacement due to deflection due to an in-plane pulling force of the disk. For this reason, it has been difficult to increase the output displacement of the actuator, increase the discharge amount of the pump, or increase the stroke of the valve body of the valve using such a diaphragm.

そこで撓みによる変位量を大きくする方法として、平面円板に軸対称の波形を形成したダイアフラムが提案されている(非特許文献1)。しかし、微小ダイアフラムに波形を形成するには、例えば特許文献1に示されているような微細加工技術を用いるため、工程数が多く複雑になるため、高い歩留りを得ることが難しいことや、これによって製造されるダイアフラムの構造が複雑になってしまうという問題点があった。
特開平5−1669号公報 I. Chakraborty, W. G. Tan, D. P. Bame, and T. K, Tang, MEMS Micro-valve applications, Sensors aaaand Actuators, Vol. 83, pp. 188-193, (2000)
Therefore, as a method for increasing the amount of displacement due to bending, a diaphragm in which an axisymmetric waveform is formed on a flat disk has been proposed (Non-Patent Document 1). However, in order to form a waveform on a micro-diaphragm, for example, a micro-fabrication technique as shown in Patent Document 1 is used, so that the number of steps is complicated and it is difficult to obtain a high yield. There is a problem that the structure of the diaphragm manufactured by the method becomes complicated.
JP-A-5-1669 I. Chakraborty, WG Tan, DP Bame, and T. K, Tang, MEMS Micro-valve applications, Sensors aaaand Actuators, Vol. 83, pp. 188-193, (2000)

本発明は、上述した従来のダイアフラムの問題点を解決し、構造を複雑にすることなく、大きな変位量を発生させることができるダイアフラムを提供し、このダイアフラムを用い、流体の圧力により大きな出力変位を得ることのできる流体アクチュエータや、圧電素子などの駆動により流体を押し出すポンプとして大きな吐出量を得ることや、バルブとしてバルブの弁体の大きなストロークを構成することを可能にすることを目的としている。   The present invention solves the problems of the conventional diaphragm described above, and provides a diaphragm capable of generating a large amount of displacement without complicating the structure. By using this diaphragm, a large output displacement is caused by the pressure of the fluid. It is intended to make it possible to obtain a large discharge amount as a fluid actuator that can obtain a fluid, a pump that pushes out fluid by driving a piezoelectric element, etc., and a large stroke of a valve body of a valve as a valve .

本発明者は、微小ダイアフラムの撓み量を大きくする方法として、可撓部を微細中空構造体形状(いわゆるドーム形状)にすることにより、大きなたわみを発生させることができることを見出した。微細中空構造体の形状としては、平面図が円形の軸対称構造に形成されており、円形の周辺部にふくらみを持つ円環状の構造にすることにより、さらに撓み量を大きくできることを見出した。また、このような微細中空構造体形状は、金属ガラスによって形成することが好ましいことを見出した。また、このような微小ダイアフラムを流体アクチュエータに用いることにより、大きな変位を得ることができることを見出し、本発明をなすに至った。   The present inventor has found that, as a method of increasing the amount of bending of the micro-diaphragm, a large deflection can be generated by making the flexible portion into a micro hollow structure (so-called dome shape). As the shape of the fine hollow structure, the plan view is formed in a circular axisymmetric structure, and it has been found that the amount of deflection can be further increased by forming an annular structure having a bulge in the circular peripheral portion. Moreover, it discovered that it was preferable to form such a fine hollow structure shape with a metallic glass. Further, it has been found that a large displacement can be obtained by using such a micro diaphragm for a fluid actuator, and the present invention has been made.

本発明の微小ダイアフラムは、基板上に微細中空構造体形状の可撓部を形成したことを特徴とする。   The micro-diaphragm of the present invention is characterized in that a flexible portion having a micro hollow structure is formed on a substrate.

可撓部を微細中空構造体形状にすることにより、構造を複雑にすることなく、大きな変位量を発生させることができることがわかった。   It was found that a large amount of displacement can be generated without complicating the structure by making the flexible portion into the shape of a fine hollow structure.

本発明において、上記可撓部を円環状の微細中空構造体形状にすることができる。ここに、円環状の微細中空構造体形状とは、平面が円形状を有するダイアフラムの可撓部が円周に沿って環状に形成されている形状である。また上記の可撓部を、中央の微細中空構造体とこの中央の微細中空構造体を囲む円環状の微細中空構造体からなる微細二重中空構造体形状にすることもできる。さらに上記可撓部を、中央の微細中空構造体と、この中央の微細中空構造体を囲む複数の円環状の微細中空構造体からなる微細多重中空構造体形状にすることもできる。しかしながら、本発明の微小ダイアフラムでは、あまり複雑な多重構造にはしなくてもよい。   In the present invention, the flexible portion can be formed into an annular fine hollow structure. Here, the shape of the annular fine hollow structure is a shape in which the flexible portion of the diaphragm having a circular plane is formed in an annular shape along the circumference. In addition, the flexible part may be formed into a fine double hollow structure formed of a central fine hollow structure and an annular fine hollow structure surrounding the central fine hollow structure. Furthermore, the flexible part may be formed into a fine multiple hollow structure formed of a central fine hollow structure and a plurality of annular fine hollow structures surrounding the central fine hollow structure. However, the micro-diaphragm of the present invention does not require a very complicated multiple structure.

このような比較的単純な微細中空構造体形状によって、ダイアフラムとして大きな変位量を発生させることができることがわかった。   It was found that such a relatively simple fine hollow structure shape can generate a large amount of displacement as a diaphragm.

こうした上記微細中空構造体形状の可撓部は、金属ガラスで形成することが望ましい。可撓部の微細中空構造体を金属ガラスの膜で構成することにより、結晶質の金属合金膜に比べ、弾性変形範囲を大きくすることができ、またダイアフラムとしてより大きな変位量が得られることがわかった。   It is desirable to form such a flexible portion having the shape of the fine hollow structure by using metallic glass. By constructing the micro hollow structure of the flexible part with a film of metallic glass, the elastic deformation range can be increased compared to a crystalline metal alloy film, and a larger displacement can be obtained as a diaphragm. all right.

また、本発明の上記微小ダイアフラムを流体の圧力によって駆動することにより、流体アクチュエータを構成することができる。   In addition, a fluid actuator can be configured by driving the microdiaphragm of the present invention with a fluid pressure.

本発明によれば、微小ダイアフラムの可撓部を微細中空構造体形状にすることにより、大きな変位量を発生させることができる。このような微細中空構造体形状は、金属ガラスを用いれば製造工程を複雑にすることなく形成することができる。また、本発明の微小ダイアフラムを流体アクチュエータに用いることにより、大きな出力変位の得られる流体アクチュエータ、大きな吐出量の得られる流体ポンプ、あるいは弁体の大きなストロークの得られるバルブが構成できる。   According to the present invention, it is possible to generate a large amount of displacement by making the flexible portion of the micro diaphragm a micro hollow structure. Such a fine hollow structure can be formed without making the manufacturing process complicated by using metallic glass. Further, by using the micro-diaphragm of the present invention for a fluid actuator, a fluid actuator capable of obtaining a large output displacement, a fluid pump capable of obtaining a large discharge amount, or a valve capable of obtaining a large stroke of a valve body can be configured.

次に本発明の実施の形態について説明することにより、本発明のさらなる詳細を述べる。   Next, further details of the present invention will be described by describing embodiments of the present invention.

図1〜図3は、本発明のダイアフラムの可撓部に用いる微細中空構造体形状について、その実施形態を模式的に示した図であって、図1は単一な微細中空構造体形状、図2は円環状微細中空構造体形状、そして図3が二重微細中空構造体形状であり、各図において(a)はそれぞれの模式的平面図、(b)はそれぞれの模式的断面図である。   1 to 3 are diagrams schematically showing an embodiment of the shape of a fine hollow structure used for the flexible part of the diaphragm of the present invention, and FIG. 2 shows an annular fine hollow structure shape, and FIG. 3 shows a double fine hollow structure shape. In each figure, (a) is a schematic plan view, and (b) is a schematic cross-sectional view. is there.

図1においては、ダイアフラム10の可撓部の単一な微細中空構造体形状11が、平面基板12上に形成されている。また図2においては、ダイアフラム10の可撓部の円周に沿って環状微細中空構造体形状13が平面基板12上に形成されている。さらに図3においては、ダイアフラム10の可撓部の円周に沿った環状微細中空構造体形状13と中央部の微細中空構造体14とが平面基板12上に形成されている。   In FIG. 1, a single fine hollow structure shape 11 of a flexible portion of a diaphragm 10 is formed on a flat substrate 12. In FIG. 2, an annular fine hollow structure shape 13 is formed on the flat substrate 12 along the circumference of the flexible portion of the diaphragm 10. Further, in FIG. 3, an annular fine hollow structure shape 13 and a fine hollow structure 14 at the center along the circumference of the flexible portion of the diaphragm 10 are formed on the flat substrate 12.

このような微細中空構造体形状は、例えば金属ガラスを用い、特開2004−58261に記載された方法を用いることによって、あまり複雑な工程を経ることなく、製作することができる。   Such a fine hollow structure shape can be manufactured without using a complicated process by using, for example, metallic glass and using the method described in JP-A-2004-58261.

まずシリコンなどの基板上に犠牲層を形成する。次に熱によって軟化する金属ガラスの薄膜層をこの上に形成し、犠牲層を覆う。但し犠牲層を除くことによって形成される中空部に対する開口部となる部分の犠牲層は薄膜で覆わずに残しておく。続いて犠牲層をエッチングによって除去し、基板と薄膜層との間に中空部を形成する。薄膜で覆わずに残した犠牲層の個所を開口部とし、この開口部を通じて犠牲層をエッチングにより除去する。この開口部は例えば開口部を閉じるための膜を形成して閉じ、閉空間の内包部を形成する。この開口部を閉じるための薄膜形成を、所定の圧力の希ガスを用いたスパッタリングによって行えば、閉空間にこの希ガスをそのまま内包させることができる。   First, a sacrificial layer is formed on a substrate such as silicon. Next, a thin film layer of metallic glass that is softened by heat is formed thereon and the sacrificial layer is covered. However, the portion of the sacrificial layer that becomes an opening with respect to the hollow portion formed by removing the sacrificial layer is left uncovered with a thin film. Subsequently, the sacrificial layer is removed by etching, and a hollow portion is formed between the substrate and the thin film layer. A portion of the sacrificial layer left without being covered with the thin film is used as an opening, and the sacrificial layer is removed by etching through the opening. The opening is closed by forming a film for closing the opening, for example, and forms an enclosed portion of the closed space. If the thin film formation for closing the opening is performed by sputtering using a rare gas having a predetermined pressure, the rare gas can be included in the closed space as it is.

このようにして気体を内包した内包部の形成された微細平面構造体を加熱し、金属ガラス薄膜を軟化させ、気体を内包した閉空間の気圧よりも外部の気圧を低くすることによって、薄膜を膨張変形させることにより、内包部が膨張して立体化した微小中空立体構造体が形成される。   By heating the microplanar structure formed with the encapsulating portion containing the gas in this way, softening the metallic glass thin film, and lowering the atmospheric pressure outside the closed space containing the gas, By inflating and deforming, a micro hollow three-dimensional structure in which the inner packet part expands and is three-dimensionalized is formed.

金属ガラス薄膜をガラス転移点と結晶化温度との間の過冷却液体域に加熱し、この領域の粘性流動を利用することにより、薄膜の膨張変形により、微細中空構造体形状を形成することができる。このような薄膜を形成するための金属ガラスとしては、Zr基金属ガラス(Zr−Cu−Alなど)、Pd基金属ガラス(Pd−Cu−Siなど)を用いることができ、このほかの金属ガラスとして、Cu基、Fe基、Au基など、各基の金属ガラスの薄膜が利用可能である。なお、本発明の目的に適合した良質の金属ガラス薄膜を得るための成膜条件については、精密工学会誌67巻1708〜1713(2001)に詳述されている。   By heating the metallic glass thin film to the supercooled liquid region between the glass transition point and the crystallization temperature and utilizing the viscous flow in this region, the shape of the fine hollow structure can be formed by the expansion and deformation of the thin film. it can. As the metallic glass for forming such a thin film, Zr-based metallic glass (such as Zr-Cu-Al) and Pd-based metallic glass (such as Pd-Cu-Si) can be used, and other metallic glasses. For example, a thin film of metallic glass of each group such as Cu group, Fe group, and Au group can be used. The film forming conditions for obtaining a high-quality metallic glass thin film suitable for the object of the present invention are described in detail in the Journal of Precision Engineering, Vol. 67, 1708-1713 (2001).

ここで用いる犠牲層としては、エッチング液によって犠牲層だけを選択的にエッチング除去できるものであればよく、クロムなどの金属や、酸化シリコン、ガラス、レジストなどが利用できる。   As the sacrificial layer used here, any sacrificial layer can be used as long as the sacrificial layer can be selectively removed by etching, and a metal such as chromium, silicon oxide, glass, resist, or the like can be used.

また上記犠牲層の代わりに、加熱処理によって気体を発生することのできる気体発生剤を用いることができる。即ち、基板上に気体発生剤のパターンを形成し、次に熱によって軟化する薄膜層をこの上に形成し、この薄膜層により気体発生剤を覆うことによって気体発生剤を内包した微細平面構造体を形成し、これを微細中空構造体形状の形成に用いることができる。気体発生剤を用いると、犠牲層を設けた場合のように、薄膜を形成した後にエッチングによって除去する必要がないので、製造工程が簡易化され、また比較的高い圧力を得ることも可能である。薄膜を膨張させて微細中空構造体の形成を行わせるための中空部に封入する気体としては、窒素ガスや希ガスなど、腐食性を持たないものが好ましい。すでに述べたように、膜形成の際のスパッタリングに用いるアルゴンなどの希ガスをそのまま封入して用いることができる。薄膜を加熱し膨張させ成形する際に、封入する気体の圧力値は、薄膜を加熱し膨張させ成形する際に、外部に対し膜の膨張に必要な圧力差を有するものであればよい。   Instead of the sacrificial layer, a gas generating agent capable of generating gas by heat treatment can be used. That is, a fine planar structure in which a gas generating agent pattern is formed on a substrate, a thin film layer that is then softened by heat is formed thereon, and the gas generating agent is covered with the thin film layer. Can be used to form a fine hollow structure. When a gas generating agent is used, it is not necessary to remove by etching after forming a thin film as in the case where a sacrificial layer is provided, so that the manufacturing process is simplified and a relatively high pressure can be obtained. . As the gas to be enclosed in the hollow portion for expanding the thin film to form a fine hollow structure, a non-corrosive gas such as nitrogen gas or rare gas is preferable. As already described, a rare gas such as argon used for sputtering during film formation can be enclosed and used as it is. When the thin film is heated and expanded and molded, the pressure value of the gas to be sealed may be any pressure value necessary for the expansion of the film with respect to the outside when the thin film is heated and expanded and molded.

図1に示した単一の微細中空構造体は、上記の技術を用いて製作することができる。図2の円環状微細中空構造体は、中央の可撓部の位置に犠牲層を設け、その上に円板状の金属ガラス薄膜を成膜し、この円板状金属ガラス薄膜の犠牲層の外側に当たる部分を上記の技術により膨張させた後、犠牲層を除去することで製作できる。また、図3の二重微細中空構造体形状は、中央の微細中空構造体とこれを囲む円環状微細中空構造体の間の円環状の平面部分の位置に犠牲層を設け、その上に円板状の金属ガラス薄膜を成膜し、この円板状金属ガラス薄膜の犠牲層の外側および内側部分を上記の技術により膨張させた後、犠牲層を除去することで製作できる。   The single fine hollow structure shown in FIG. 1 can be manufactured using the above technique. The annular fine hollow structure in FIG. 2 is provided with a sacrificial layer at the position of the central flexible portion, and a disk-shaped metal glass thin film is formed thereon, and the sacrificial layer of the disk-shaped metal glass thin film is formed. After the portion that hits the outside is expanded by the above-described technique, it can be manufactured by removing the sacrificial layer. The double fine hollow structure in FIG. 3 is provided with a sacrificial layer at the position of an annular plane portion between the central fine hollow structure and the annular fine hollow structure surrounding the fine hollow structure. A plate-shaped metallic glass thin film is formed, and after the outer and inner portions of the sacrificial layer of the disk-shaped metallic glass thin film are expanded by the above technique, the sacrificial layer is removed.

本発明において、加熱によって軟化する薄膜を成型する成形型(いわゆる金型)として、シリコンなど各種の平面基板に微細加工技術によって所定の形状のエッチングを施したものを用いることができる。この成形型を用いることにより、微細中空構造体の形状としてさまざまな形のものを製作することが可能になる。例えば図2に示した円環状微細中空構造体は、円板状の金属ガラス薄膜を、この円板より小さな円板状の面を有するこうした金型を同心円状に配置して、円板状の金属ガラス薄膜の中心付近の膨張を抑えることにより、円板状の金属ガラス薄膜の中央付近は膨張変形させず、外周に近い部分をドーム状に膨張させることによって形成できる。また、図3の二重微細中空構造体形状は、円板状の金属ガラス薄膜に対し、こうした金型を同心円環状に配置し、この金型の配置された部分の膨張を抑え、その内側と外側をドーム状に膨脹させることによって形成できる。   In the present invention, as a mold (so-called mold) for molding a thin film that is softened by heating, various planar substrates such as silicon that have been etched in a predetermined shape by a microfabrication technique can be used. By using this mold, it is possible to manufacture various shapes of the fine hollow structure. For example, in the annular fine hollow structure shown in FIG. 2, a disk-shaped metallic glass thin film is arranged by concentrically arranging such molds having a disk-shaped surface smaller than the disk. By suppressing the expansion in the vicinity of the center of the metal glass thin film, the vicinity of the center of the disk-shaped metal glass thin film is not expanded and deformed, and the portion near the outer periphery is expanded in a dome shape. In addition, the shape of the double fine hollow structure shown in FIG. 3 is such that these molds are arranged concentrically with respect to a disk-shaped metallic glass thin film, and the expansion of the part where the molds are arranged is suppressed. It can be formed by expanding the outside like a dome.

次に本発明の実施形態のダイアフラムの可撓部に対し、面内の応力が許容応力以下となる一様な圧力を面に垂直に印加した場合の中心部のたわみを、有限要素法を用いて求めた。ダイアフラム直径は2mm、板厚は1μmとした。材料の定数は薄膜金属ガラスの縦弾性係数57.9GPa、ポアソン比0.41、許容応力1.1GPaとした。この条件で図2に示した円環微細中空構造体形状のダイアフラムについて、その寸法を直径2mmとし、円環微細中空構造体を外周から内側に0.45mm、0.50mmおよび0.55mmの幅にし、高さをいずれもその幅の15%にし、許容応力1.1GPaまでの変位量を求め、平面円板形状の可撓部を持つダイアフラムおよび直径方向に9周期で高さ18μmの方形波の断面を有する軸対称波形の可撓部を持つダイアフラムと比較した。この許容応力までの変位量が最大変位量であり、ダイアフラムを評価するためのパラメータとなる。   Next, for the flexible part of the diaphragm according to the embodiment of the present invention, the deflection of the central part when a uniform pressure with in-plane stress equal to or less than the allowable stress is applied perpendicularly to the surface is calculated using the finite element method. Asked. The diaphragm diameter was 2 mm, and the plate thickness was 1 μm. The material constants were set to 57.9 GPa for the longitudinal elastic modulus, 0.41 for the Poisson's ratio, and 1.1 GPa for the allowable stress of the thin metal glass. Under this condition, the circular micro hollow structure-shaped diaphragm shown in FIG. 2 has a diameter of 2 mm, and the circular micro hollow structure has a width of 0.45 mm, 0.50 mm, and 0.55 mm from the outer periphery to the inside. The thickness is 15% of the width, and the amount of displacement up to an allowable stress of 1.1 GPa is obtained. The diaphragm has a flat disk-shaped flexible part and has a square wave cross section with a height of 18 μm in 9 cycles in the diameter direction. It was compared with a diaphragm having a flexible part with an axisymmetric waveform. The amount of displacement up to this allowable stress is the maximum amount of displacement, which is a parameter for evaluating the diaphragm.

その結果、円環微細中空構造体の幅を0.50mmとしたとき、平面円板形の場合の65μmに対し、193μm と3.0倍、軸対称波形の場合の226μm に対しても0.85倍のたわみが得られ、従来に比べて大きなたわみが得られること、そして複雑な形状の軸対称波状形状に比べ、15%たわみが小さいだけであることがわかった。この結果を図4に示す。   As a result, when the width of the annular micro hollow structure is 0.50 mm, the deflection is 193 μm and 3.0 times compared to 65 μm in the case of a flat disk, and 0.85 times the deflection of 226 μm in the case of an axisymmetric waveform As a result, it was found that a large deflection was obtained compared to the conventional case, and that the deflection was only 15% smaller than that of the complex axisymmetric wave shape. The result is shown in FIG.

比較のために、平面円板形状の可撓部を持つダイアフラムについて、許容応力1.1GPaまでの変位量を求めた結果を図5に示す。また、直径方向に9周期で高さ18μmの方形波の断面を有する軸対称波形の可撓部を持つダイアフラムについて、同様にして許容応力1.1GPaまでの変位量を求めた結果を図6に示す。   For comparison, FIG. 5 shows a result of obtaining a displacement amount up to an allowable stress of 1.1 GPa for a diaphragm having a flat disk-shaped flexible portion. In addition, FIG. 6 shows the result of obtaining the displacement amount up to the allowable stress of 1.1 GPa in the same manner for a diaphragm having an axisymmetric wave-shaped flexible part having a square wave cross section with a height of 18 μm in 9 cycles in the diameter direction. .

さらにこの円環微細中空構造体形状を基本として、中心部の初期高さを0.2mmとして屈曲時の干渉を防止し、外周に幅0.3mm、高さ45μmの円環微細中空構造体を設けた二重微細中空構造体形状の可撓部を持つダイアフラムについて、許容応力1.1GPaまでの変位量を求めた結果を図7に示す。この場合には、許容応力までの最大変位として137μmを得た。   Furthermore, based on the shape of this annular micro hollow structure, the initial height of the central part is 0.2 mm to prevent interference during bending, and an annular micro hollow structure having a width of 0.3 mm and a height of 45 μm is provided on the outer periphery. FIG. 7 shows the result of obtaining the displacement amount up to the permissible stress of 1.1 GPa for the diaphragm having the flexible portion of the double fine hollow structure. In this case, 137 μm was obtained as the maximum displacement up to the allowable stress.

この二重微細中空構造体形状のダイアフラム10を3個、図8に示したように、一辺が2.5mmの正三角形の頂点位置にそれぞれ配置し、平面板81および82ではさんでユニットを形成した。このユニットを30個積層することによって、最大変位4.1mm、曲率半径7mm以下で最大屈曲角90°と、大きな変位と大きな屈曲角が得られることを確認した。   As shown in FIG. 8, three double fine hollow structure-shaped diaphragms 10 were arranged at the apex positions of regular triangles each having a side of 2.5 mm, and a unit was formed between flat plates 81 and 82. . By laminating 30 units, it was confirmed that a maximum displacement of 4.1 mm, a radius of curvature of 7 mm or less, a maximum bending angle of 90 °, a large displacement and a large bending angle were obtained.

本発明により、従来比べ、高い変位量の得られる微小ダイアフラムが構成できるようになり、しかもあまり工程数を多くすることなく、本発明の微小ダイアフラムの製作が可能になった。このため、マイクロマシニングをはじめとする産業の各分野において、本発明の微小ダイアフラムの利用可能性は大きい.   According to the present invention, it is possible to construct a micro-diaphragm that can obtain a higher displacement than in the past, and it is possible to manufacture the micro-diaphragm of the present invention without increasing the number of steps. For this reason, the microdiaphragm of the present invention has great applicability in various industrial fields including micromachining.

本発明のダイアフラムの可撓部に用いる単一な微細中空構造体形状について、その一実施形態を模式的に示した図であって、(a)はその模式的平面図、(b)はその模式的断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the figure which showed typically one Embodiment about the single fine hollow structure shape used for the flexible part of the diaphragm of this invention, Comprising: (a) is the schematic top view, (b) is the figure It is typical sectional drawing. 本発明のダイアフラムの可撓部に用いる円環状微細中空構造体形状について、その一実施形態を模式的に示した図であって、(a)はその模式的平面図、(b)はその模式的断面図である。It is the figure which showed typically one Embodiment about the annular | circular shaped fine hollow structure shape used for the flexible part of the diaphragm of this invention, Comprising: (a) is the schematic top view, (b) is the model FIG. 本発明のダイアフラムの可撓部に用いる二重微細中空構造体形状について、その一実施形態を模式的に示した図であって、(a)はその模式的平面図、(b)はその模式的断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the figure which showed typically one Embodiment about the double fine hollow structure shape used for the flexible part of the diaphragm of this invention, Comprising: (a) is the schematic top view, (b) is the model FIG. 本発明の一実施形態における円環状微細中空構造体形状のダイアフラム可撓部に対し、面内の応力が許容応力以下となる一様な圧力を面に垂直に印加した場合の中心部のたわみを示した図である。In the embodiment of the present invention, the deflection of the central portion when a uniform pressure with an in-plane stress equal to or lower than an allowable stress is applied perpendicularly to the surface with respect to the diaphragm flexible portion having the shape of the annular fine hollow structure. FIG. 本発明の実施形態のダイアフラムとの比較のために、平面円板形状の可撓部を持つダイアフラムについて、許容応力までの変位量を求めた結果を示す。For comparison with the diaphragm of the embodiment of the present invention, the result of obtaining the displacement amount up to the allowable stress for the diaphragm having the flat disk-shaped flexible portion is shown. 本発明の実施形態のダイアフラムとの比較のために、径方向に9周期で高さ18μmの方形波の断面を有する軸対称波形の可撓部を持つダイアフラムについて、許容応力までの変位量を求めた結果を示す図である。For comparison with the diaphragm of the embodiment of the present invention, the amount of displacement up to the allowable stress is obtained for a diaphragm having an axially symmetric wave-shaped flexible section having a square wave cross section with a height of 18 μm in nine cycles in the radial direction. It is a figure which shows the result. 本発明の一実施形態における二重微細中空構造体形状のダイアフラム可撓部に対し、面内の応力が許容応力以下となる一様な圧力を面に垂直に印加した場合の中心部のたわみを示した図である。In the embodiment of the present invention, the deflection of the center portion when a uniform pressure with an in-plane stress equal to or less than an allowable stress is applied to the diaphragm flexible portion having a double fine hollow structure shape in a direction perpendicular to the surface. FIG. 二重微細中空構造体形状のダイアフラム3個を、一辺が2.5mmの正三角形の頂点位置に配置したアクチュエータ素子を示す図である。It is a figure which shows the actuator element which has arrange | positioned three diaphragms of a double fine hollow structure shape in the vertex position of the regular triangle whose one side is 2.5 mm.

符号の説明Explanation of symbols

10…ダイアフラム、11…単一な微細中空構造体形状、12…平面基板、13…環状微細中空構造体形状、14…中央部の微細中空構造体、81,82…点平面板。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diaphragm, 11 ... Single fine hollow structure shape, 12 ... Planar board | substrate, 13 ... Annular fine hollow structure shape, 14 ... Fine hollow structure body of center part, 81, 82 ... Point plane board.

Claims (6)

基板上に微細中空構造体形状の可撓部を形成してなることを特徴とする微小ダイアフラム。   A micro-diaphragm characterized in that a flexible portion having a shape of a micro hollow structure is formed on a substrate. 前記可撓部が、円環状の微細中空構造体形状であることを特徴とする請求項1記載の微小ダイアフラム。   2. The micro diaphragm according to claim 1, wherein the flexible portion has an annular micro hollow structure shape. 前記可撓部が、中央の微細中空構造体とこの中央の微細中空構造体を囲む円環状の微細中空構造体からなる微細二重中空構造体形状であることを特徴とする請求項1記載の微小ダイアフラム。   The said flexible part is a fine double hollow structure shape which consists of an annular fine hollow structure surrounding the fine hollow structure in the center and the fine hollow structure in the center. Small diaphragm. 前記可撓部が、中央の微細中空構造体と、この中央の微細中空構造体を囲む複数の円環状の微細中空構造体とからなる微細多重中空構造体形状であることを特徴とする請求項1記載の微小ダイアフラム。   The flexible section has a fine multiple hollow structure shape including a central fine hollow structure and a plurality of annular fine hollow structures surrounding the central fine hollow structure. 1. The micro diaphragm according to 1. 前記微細中空構造体形状の可撓部が、金属ガラスで形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の微小ダイアフラム。   The micro diaphragm according to any one of claims 1 to 4, wherein the flexible portion having the shape of the fine hollow structure is formed of metal glass. 請求項1〜5のいずれか1項記載の微小ダイアフラムを流体の圧力によって駆動する流体マイクロアクチュエータ。   A fluid microactuator for driving the microdiaphragm according to any one of claims 1 to 5 by pressure of fluid.
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