JP2019173645A - ダイヤフラム装置の製造方法及びダイヤフラム装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラス製のダイヤフラムを基材に対して接合する場合に、接合部分の気密性を高める。【解決手段】ダイヤフラム装置１の製造方法は、流路４ｂを封止するように基材２とダイヤフラム３とを接合する接合工程を備える。接合工程は、基材２とダイヤフラム３との間に封着材料１４を介在させた状態で、この封着材料１４にレーザ光Ｌを照射する。これにより、基材２とダイヤフラム３とを接合する封止層５が形成される。【選択図】図４
Description
本発明は、流体を制御するダイヤフラム装置及びその製造方法に関する。
周知のように、ダイヤフラム装置は、ダイヤフラムの変形を利用して流体を制御するデバイスであり、その典型例として、ダイヤフラムによって流路の開閉を行うダイヤフラムバルブや、流体を圧送するダイヤフラムポンプなどが挙げられる。
例えば特許文献１には、マイクロチップに適用可能なダイヤフラム装置（アクチュエータ）が開示される。ダイヤフラム装置は、中空部が設けられたガラス基板と、中空部を閉塞する、ダイヤフラムとしてのガラス薄板とを備える流体制御デバイスにより構成される。このダイヤフラム装置では、ガラス薄板の厚さが１〜５０μｍとされており、このガラス薄板の変形によってガラス基板に係る中空部の容積を変化させることで、当該中空部に充填された流体の流れ及び出入等を制御する。
上記のようなダイヤフラム装置において、基材（ガラス基板）にダイヤフラム（ガラス薄板）を重ね合わせて中空部を封止する場合、この中空部から流体が漏洩しないように、ダイヤフラムを基材に対して気密に接合する必要がある。しかしながら、特許文献１では、基材とダイヤフラムとを接合する方法について何ら開示されていない。
本発明は、ガラス製のダイヤフラムを基材に対して接合する場合に、接合部分の気密性を高めることを技術的課題とする。
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、基材と、可撓性を有するガラス製のダイヤフラムと、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に形成される、流体の流路と、を備えるダイヤフラム装置を製造する方法において、前記流路を封止するように前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する接合工程を備え、前記接合工程は、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に封着材料を介在させた状態で、前記封着材料にレーザ光を照射して前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する封止層を形成することを特徴とする。
本発明によれば、基材とダイヤフラムとの間に介在させた封着材料にレーザ光を照射して封止層とすることで、ダイヤフラムと基材の接合強度を高め、かつ当該封止層の気密性を高く確保できる。また、本発明では、接合工程において封着材料をレーザ光により加熱することから、電気炉等によって加熱する場合と比較して、当該接合工程を効率良く短時間で行うことができる。
前記接合工程では、前記ダイヤフラムの縁部よりも内側の位置に前記封着材料を介在させた状態で、前記封着材料に前記レーザ光を照射することが望ましい。
かかる構成によれば、封着材料はダイヤフラムの縁部よりも内側に離れた位置に配置され、この位置に封止層が形成されることになる。したがって、この封着材料にレーザ光を照射して封止層を形成する場合に、当該封着材料がダイヤフラムの縁部よりも外側に流出することを防止でき、ダイヤフラム装置の意匠性を可及的に高めることができる。また、封止層は、ダイヤフラムの縁部よりも内側に形成されるため、異物との接触が防止されることで長期に亘ってその気密性を維持できる。
また、本発明に係る製造方法において、前記基材は、前記流路の一部を構成する凹部を備え、前記接合工程では、前記凹部から外側へ離れた位置で、前記封着材料に前記レーザ光を照射することが望ましい。
かかる構成によれば、封着材料は基材の凹部から外側に離れた位置に配置され、この位置に封止層が形成されることになる。したがって、封着材料にレーザ光を照射して封止層を形成する場合に、当該封着材料が凹部に流入することを防止できる。これにより、ダイヤフラム装置における流体の制御機能を精度良く確保できる。
上記の製造方法において、前記接合工程では、前記ダイヤフラムの厚み方向に視て前記封着材料を環状に設けた状態で、前記封着材料に前記レーザ光を照射することが望ましい。これにより、ダイヤフラムと基材との間に環状の封止層を形成でき、ダイヤフラムと基材との間の気密性を高く確保できる。
上記の場合において、前記接合工程では、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に前記封着材料を円環状に介在させた状態で、前記レーザ光を前記封着材料の円周方向に沿って走査することが望ましい。これにより、レーザ光を封着材料の全周に亘って照射することができ、気密性の高い封止層を形成できる。
本方法では、前記ダイヤフラムに前記封着材料を固定する固定工程と、前記固定工程後に、前記封着材料が前記基材と前記ダイヤフラムとの間に介在するように、前記ダイヤフラムを前記基材に重ね合わせる積層工程と、を備え、前記接合工程では、前記積層工程後に、前記封着材料に前記レーザ光を照射することが望ましい。
かかる構成によれば、固定工程によって封着材料を予めダイヤフラムに固定することにより、ダイヤフラムと基材との間に封着材料を介在させる積層工程の作業性を大幅に向上させることが可能になる。
また、前記固定工程では、前記ダイヤフラムに前記封着材料を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に前記封着材料を加熱して少なくとも表面を固化させる加熱工程とを備えることが望ましい。
かかる構成によれば、塗布工程により、流路に適した態様で封着材料をダイヤフラムに塗布できるとともに、加熱工程によってダイヤフラムに対する当該封着材料の位置決めを行うことができる。
本方法において、前記封着材料は、ガラスフリットにより構成されることが望ましい。これにより、ガラス製のダイヤフラムと封止層との接合に係る親和性を高め、その気密性を高めることができる。
また、本方法において、前記基材は、ガラスにより構成されることが望ましい。このように、基材をダイヤフラムと同様にガラス製のものにすることで、ダイヤフラム装置を耐食性の高いものにできる。
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、各々が異なる複数のダイヤフラム装置の流路の一部となる複数の凹部を備えた基板と、前記複数の凹部を同時に施蓋する可撓性のガラス板と、前記ガラス板と前記基板との間に介在し前記複数の凹部各々の開口に沿って設けられた複数の封着材料と、を備える積層体を形成する準備工程と、前記準備工程後に、前記複数の封着材料にレーザ光を照射して前記ガラス板と前記基板とを接合することにより、各々が前記ダイヤフラム装置の流路の一部を構成する複数の封止層を形成する接合工程と、を備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、ダイヤフラム用のガラス板と流路形成用の基板との間に複数の封着材料を介在させた状態で、各封止材料にレーザ光を照射することで、気密性の高い複数の封止層を形成できる。また、複数の封着材料を有する積層体を事前に準備することで、後の接合工程を効率良く行うことが可能になる。
この方法では、前記接合工程後に、前記ガラス板と前記封着材料との接触部を避けて前記ガラス板を切断する第一切断工程を備えることが望ましい。かかる構成によれば、接合工程によってガラス板を基板に固定した後に、ガラス板と前記封着材料との接触部を避けて第一切断工程を行うことで、封着材料を損傷させることなく、複数のダイヤフラムを効率良くかつ高精度に形成できる。
また、この方法では、前記第一切断工程後に、前記ガラス板と前記封着材料との接触部を避けて前記基板を切断して複数の個片のダイヤフラム装置を形成する第二切断工程を備えることが望ましい。これにより、多数のダイヤフラム装置を効率良く製造できる。
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、基材と、可撓性を有するガラス製のダイヤフラムと、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に形成される、流体の流路と、前記流路の一部を構成しつつ前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する封止層と、を備えるダイヤフラム装置において、前記ダイヤフラムは、前記封止層に接触する第１接触部と、前記ダイヤフラムの縁部と前記接触部との間に設けられ前記封止層に接触しない第１非接触部と、を備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、ダイヤフラムの第１接触部と縁部との間に第１非接触部を形成することで、封止部がダイヤフラムの縁部から露出することを防止できる。したがって、この第１非接触部により封止層への異物の接触が防止される。これにより封止層は、高い気密性を長期に亘って維持できる。
上記のダイヤフラム装置において、前記基材は、前記封止層に接触する第２接触部と、前記流路の一部を構成する凹部と、前記第２接触部と前記凹部との間に設けられ前記封止層に接触しない第２非接触部と、を備えることが望ましい。このように、凹部と第２接触部との間に第２非接触部を設けることで、封止層が凹部内に形成されることを防止できる。これにより、ダイヤフラム装置における流体の制御機能を精度良く確保できる。
上記のダイヤフラム装置において、前記ダイヤフラムの縁部から前記第１接触部までの距離は、前記基材の前記凹部から前記第２接触部までの距離よりも大きく設定されることが望ましい。
かかる構成によれば、ダイヤフラムの縁部と封止層との離間距離を相対的に大きくすることで、封止層がダイヤフラムの縁部から露出することを確実に防止できる。一方、基材の凹部と封止層との離間距離を相対的に小さく設定することで、ダイヤフラムが変形した場合に当該ダイヤフラムの一部が基材の第２非接触部に接触することを防止できる。これにより、ダイヤフラム装置の寿命を可及的に長期化できる。
本発明によれば、ガラス製のダイヤフラムを基材に対して接合する場合に、接合部分の気密性を高めることができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１乃至図５は、本発明に係るダイヤフラム装置及びその製造方法の第一実施形態を示す。
図１（ａ）（ｂ）は、ダイヤフラム装置１の断面図を示す。本実施形態では、ダイヤフラム装置１として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）に好適に使用されるマイクロバルブを例示する。
図１（ａ）に示すように、ダイヤフラム装置１は、基材２と、ダイヤフラム３と、基材２とダイヤフラム３の間に形成される流路４ａ〜４ｃと、流路４ａ〜４ｃを封止するように基材２とダイヤフラム３とを接合する封止層５とを備える。
基材２は、ガラスにより板状又はブロック状に構成されるが、これに限定されず、セラミック、金属その他の材料により構成され得る。基材２は、封止層５に接触する表面２ａと、表面２ａの一部に形成される凹部２ｂとを有する。基材２の表面２ａは、封止層５に接触する第２接触部６と、封止層５の内側（流路４ａ〜４ｃ側）に設けられるとともに当該封止層５に接触しない第２非接触部７とを備える。
第２接触部６の幅寸法は、封止層５の幅寸法Ｗ１と等しい。第２非接触部７は、封止層５の幅寸法Ｗ１よりも小さな幅寸法Ｗ２を有する。第２非接触部７は、この幅寸法Ｗ２により、封止層５と凹部２ｂ（側部９）とを離間する。第２非接触部７の幅寸法Ｗ２は、５０μｍ以上とされることが好ましい。
凹部２ｂは平面視において円形に構成されるが、この形状に限定されるものではない。凹部２ｂは、流路４ａ〜４ｃの一部を構成するものであり、底部８と側部９とを備える。底部８には、一対の貫通孔（第一貫通孔、第二貫通孔）１０，１１が形成されている。各貫通孔１０，１１は、底部８に限らず、凹部２ｂの側部９に形成されてもよい。
ダイヤフラム３は、可撓性を有する超薄板ガラスにより構成される。ダイヤフラム３の厚みは、１〜５００μｍとされることが好ましく、より好ましくは、４〜５０μｍである。可撓性を有する超薄板ガラスとしては、日本電気硝子株式会社製の「Ｇ−Ｌｅａｆ」（登録商標）が好適に使用される。
ダイヤフラム３は円板状に構成されるが、この形状に限定されず、矩形状その他の各種形状に構成され得る。ダイヤフラム３の直径は、２〜５０ｍｍとされることが好ましく、より好ましくは、５〜２０ｍｍである。
ダイヤフラム３に使用されるガラスとしては、例えば、無アルカリガラスが使用されるが、ダイヤフラム３の材料はこれに限定されない。本実施形態において、無アルカリガラスとは、アルカリ成分（アルカリ金属酸化物）が実質的に含まれていないガラスのことであって、具体的には、アルカリ成分の重量比が３０００ｐｐｍ以下のガラスのことである。本発明におけるアルカリ成分の重量比は、好ましくは１０００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは５００ｐｐｍ以下であり、最も好ましくは３００ｐｐｍ以下である。無アルカリガラスとしては、日本電気硝子株式会社製の「ＯＡ−１０Ｇ」や「ＯＡ−１１」が好適に使用される。
ダイヤフラム３は、その一方（内側）の表面３ａに、封止層５に接触する第１接触部１２と、第１接触部１２よりも半径方向の外側に設けられるとともに封止層５に接触しない第１非接触部１３と、を備える。第１接触部１２の幅寸法は、封止層５の幅寸法Ｗ１と等しい。第１非接触部１３は、その幅寸法Ｗ３により、封止層５とダイヤフラム３の縁部３ｂとを離間する。第１非接触部１３の幅寸法Ｗ３は、５０μｍ以上とされることが好ましい。
第１非接触部１３の幅寸法Ｗ３は、基材２に係る第２非接触部７の幅寸法Ｗ２よりも大きく設定されることが望ましい。換言すると、ダイヤフラム３の第１非接触部１３がダイヤフラム３の縁部３ｂと封止層５とを離間する距離（Ｗ３）は、基材２の第２非接触部７が凹部２ｂと封止層５とを離間する距離（Ｗ２）よりも大きく設定されることが望ましい。すなわち、ダイヤフラム３における第１非接触部１３の幅寸法Ｗ３は、意匠性や封止層５の保護の観点から、封止層５がダイヤフラム３の縁部３ｂから露出することを確実に防止すべく、相対的に大きく設定されることが望ましい。一方、基材２の第２非接触部７の幅寸法Ｗ２は、ダイヤフラム３が変形した際に当該ダイヤフラム３との接触を防止する点から、相対的に小さく設定されることが望ましい。
流路４ａ〜４ｃは、第一流路４ａと、第二流路４ｂと、第三流路４ｃとを含む。第一流路４ａは、基材２の凹部２ｂに形成される第一貫通孔１０により構成される。第一流路４ａは、ダイヤフラム装置１内に流体を流入させるためのものである。
なお、流体は、例えば、ガスや空気等の任意の気体であって良く、水や化学薬液や天然由来の液体等の任意の液体であっても良く、これら気体と液体の混合物であっても良い。また、流体には任意の粒子等が含有される態様であっても良い。
第二流路４ｂは、第一流路４ａの下流側であって、基材２の凹部２ｂとダイヤフラム３との間に形成される。第二流路４ｂの一部を構成するダイヤフラム３は、当該第二流路４ｂの開閉を行うバルブ（弁体）として機能する。図１（ｂ）に示すように、ダイヤフラム３は、その変形により凹部２ｂの第一貫通孔１０と第二貫通孔１１とを閉塞することで、流体の流通を遮断する。この構成に限らず、ダイヤフラム３は、第一貫通孔１０、第二貫通孔１１のいずれか一方を閉塞するように構成されてもよい。
第三流路４ｃは、基材２の凹部２ｂに形成される第二貫通孔１１により構成される。第三流路４ｃは、第二流路４ｂからの流体をダイヤフラム装置１の外部に流出させるためのものである。
封止層５は、封着材料１４を基材２とダイヤフラム３との間に介在させ、当該封着材料１４を加熱することによって軟化変形した後、硬化させることにより形成される。このような構成により、封止層５は、第二流路４ｂの一部として、基材２とダイヤフラム３とを気密に接合する。封着材料１４は、例えばガラスフリットにより構成される。ガラスフリットは、ガラス粉末と、耐火性フィラー粉末とを含む。
ガラス粉末は、後述するレーザ光Ｌが照射された場合に軟化流動して、ダイヤフラム３及び基材２と反応することで、封止層５の接合強度を確保するための材料である。耐火性フィラー粉末は、骨材として作用し、熱膨張係数を低下させるための材料である。
ガラス粉末としては、任意の組成を有するガラスを用いて良いが、比較的融点が低いガラスを用いることが好ましい。例えば、ガラス粉末としては、ビスマス系ガラス、銀リン酸系ガラス、および銀テルル系ガラスの何れかを単独で、或いはこれら混合して用いることが望ましい。
ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ２Ｏ３ ２５〜６０％、Ｂ２Ｏ３ ２０〜３５％、ＣｕＯ＋ＭｎＯ ５〜４０％を含有することが好ましいが、この組成に限定されるものではない。
銀リン酸系ガラス粉末は、ガラス組成として、モル％で、Ａｇ2Ｏ＋ＡｇＩ １５〜８５％、ＴｅＯ2 ０〜３５％、Ｐ2Ｏ5 １０〜５５％、Ｇａ2Ｏ3 ０〜２０％、ＴｅＯ2 ０〜６０％、ＺｎＯ ０〜５０％、Ｎｂ2Ｏ5 ０〜３０％、Ｂ2Ｏ3 ０〜１５％、ＷＯ3 ０〜３０％を含有することが好ましいが、この組成に限定されるものではない。
銀テルル系ガラス粉末は、ガラス組成として、モル％で、Ａｇ2Ｏ＋ＡｇＩ １５〜８５％、ＴｅＯ2 １０〜６０％、Ｐ2Ｏ5 ０〜３５％、Ｇａ2Ｏ3 ０〜２０％、ＴｅＯ2 ０〜６０％、ＺｎＯ ０〜５０％、Ｎｂ2Ｏ5 ０〜３０％、Ｂ2Ｏ3 ０〜１５％、ＷＯ3 ０〜３０％を含有することが好ましいが、この組成に限定されるものではない。
耐火性フィラー粉末としては、種々の材料が使用可能であるが、その中でも、コーディライト、ジルコン、酸化錫、酸化ニオブ、リン酸ジルコニウム系セラミック、ウイレマイト、β−ユークリプタイト、β−石英固溶体から選ばれる一種又は二種以上の材料により構成されることが好ましい。
ガラス粉末及び耐火性フィラー粉末の平均粒径Ｄ５０は、２μｍ未満とされることが好ましい。ここで、「平均粒径Ｄ５０」とは、レーザ回折法で測定した値であって、レーザ回折法により測定した際の体積基準の累積粒度分布曲線において、その積算量が粒子の小さい方から累積して５０％である粒径を意味する。
ガラス粉末及び耐火性フィラー粉末の最大粒径Ｄ９９は、１０μｍ未満とされることが好ましい。ここで、「最大粒径Ｄ９９」とは、レーザ回折法で測定した値であって、レーザ回折法により測定した際の体積基準の累積粒度分布曲線において、その積算量が粒子の小さい方から累積して９９％である粒径を意味する。
封止層５は、円環状に構成されるが、これに限らず、四角形状その他の環形状に構成され得る。封止層５の厚さは、１μｍ〜２０μｍとされることが好ましく、より好ましくは、３〜８μｍである。封止層５の外径寸法は、ダイヤフラム３の直径よりも小さく設定される。封止層５の外径寸法は、１〜２５ｍｍとされることが好ましく、より好ましくは、２．５〜１０ｍｍである。封止層５の内径は、凹部２ｂの直径よりも大きく設定される。封止層５の幅寸法Ｗ１は、５０〜２０００μｍ以上とされることが好ましく、より好ましく１００〜１０００μｍである。封止層５の各寸法は、上記の範囲に限定されず、ダイヤフラム装置１の大きさに応じて適宜設定され得る。
以下、上記構成のダイヤフラム装置１を製造する方法について、図２乃至図５を参照しながら説明する。本方法は、基材２とダイヤフラム３とを重ね合わせて積層体ＬＭを形成する工程（準備工程）と、準備工程後に封着材料１４を加熱してダイヤフラム３と基材２とを接合する工程（接合工程）とを備える。
準備工程は、ダイヤフラム３の表面３ａに予め封着材料１４を固定する工程（固定工程）と、固定工程後にダイヤフラム３を基材２に積層する工程（積層工程）とを備える。
固定工程は、封着材料１４（ガラスフリット）をダイヤフラム３の表面３ａに塗布する工程（塗布工程）と、塗布工程後に、封着材料１４を加熱する工程（加熱工程）とを備える。
塗布工程では、例えばスクリーン印刷、ディスペンサ等により、ペースト状のガラスフリット（封着材料１４）をダイヤフラム３の表面３ａに対して（厚み方向から視て）環状に塗布する（図２参照）。塗布される封着材料１４の厚みは、後の加熱工程及び接合工程による封止層５の厚さ方向の収縮を考慮し、設定されている封止層５の厚みよりも１０〜５００％の範囲で厚くされることが望ましい。なお、ガラスフリットは、粉末状のものを用いても良い。
加熱工程では、レーザ光（図示せず）を封着材料１４に照射し、または電気炉等によって封着材料１４を加熱する。この加熱は、ダイヤフラム３の歪点以下の温度で行われることが望ましい。この加熱工程により、封着材料１４のガラス粉末を軟化流動させることで、当該封着材料１４をダイヤフラム３に融着させる。封着材料１４は、その少なくとも表面が固化することによりダイヤフラム３に固定される。
封着材料１４の外径がダイヤフラム３の直径よりも小さいことから、ダイヤフラム３の表面３ａでは、第１接触部１２と、ダイヤフラム３の縁部３ｂと封着材料１４（後の封止層５）とを離間する第１非接触部１３とが仮決めされた状態となる。
積層工程では、ダイヤフラム３において封着材料１４が固定された表面３ａを基材２に対向させた状態で、当該ダイヤフラム３を基材２の表面２ａに重ね合わせる（図３参照）。ダイヤフラム３は、封着材料１４における環の内側に基材２の凹部２ｂが位置するように、当該基材２に積層される。このとき、封着材料１４は、基材２に第２非接触部７が形成されるように、凹部２ｂから外側に離れた位置に配置される。以上により、ダイヤフラム３と基材２との間に封着材料１４が介在してなる、すなわち、ダイヤフラム３と基材２とが封着材料１４を挟み積層してなる積層体ＬＭが構成される。
図４及び図５に示すように、接合工程では、レーザ照射装置１５により、積層体ＬＭの封着材料１４に対してダイヤフラム３側からレーザ光Ｌを照射する（レーザ照射工程）。使用されるレーザとしては、半導体レーザが好適に使用されるが、これに限らず、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザ、赤外レーザ等の各種レーザを使用してもよい。
レーザ光Ｌの波長は、６００〜１６００ｎｍとされることが好ましいが、この範囲に限定されない。レーザ光Ｌのスポット径は、封着材料１４の幅寸法（Ｗ１）よりも大きく設定されることが望ましい。
レーザ光Ｌは、封着材料１４の円周方向に沿って円軌道を描くように走査される（図５参照）。この場合において、レーザ光Ｌは、その円軌道を一周するように走査される。或いは、レーザ光Ｌは、その円軌道を複数回に亘って周回するように連続的に走査され得る。これにより、レーザ光Ｌは、円環状に構成される封着材料１４の全範囲（全幅及び全長）に亘って当該封着材料１４を所定時間、加熱する。レーザ光Ｌの加熱により、封着材料１４は、そのガラス成分（ガラス粉末）が軟化し、基材２の第２接触部６及びダイヤフラム３の第１接触部１２に融着する。封着材料１４が凝固することにより、基材２とダイヤフラム３とを接合するとともに第二流路４ｂを気密に封止する環状の封止層５が形成される。
この場合、ダイヤフラム３の表面３ａにおいて、環状の封止層５の半径方向外側に第１非接触部１３が形成される。第１非接触部１３の存在により、封止層５は、ダイヤフラム３の縁部３ｂよりも半径方向内側に離れた位置で形成される。これにより、ダイヤフラム３の縁部３ｂから封止層５が外側に露出することが確実に防止される。したがって、製造されたダイヤフラム装置１の意匠性を高めることができる。さらに、封止層５を第１非接触部１３によって覆うことで、異物が封止層５に接触することを防止できる。これにより、第１非接触部１３は、長期に亘りその気密性を維持できる。
また、接合工程が行われると、基材２の表面２ａにおいて、環状の封止層５の半径方向内側（凹部２ｂの外側）に第２非接触部７が形成される。第２非接触部７が凹部２ｂと封止層５とを離間することで、接合工程時における封着材料１４の凹部２ｂへの侵入が確実に防止される。
なお、上記の封着材料１４にレーザ光Ｌを照射した際の熱により、ダイヤフラム３も加熱されることになる。このため、ダイヤフラム３には、その歪による残留応力が発生し得る。この場合において、接合工程の直後に、ダイヤフラム３の残留応力を除去するアニール工程が実施されることが望ましい。アニール工程は、ダイヤフラム３の第１接触部１２にアニールレーザを照射することにより行われる。これに限らず、アニール工程は、接合工程の直後に、ダイヤフラム装置１を電気炉で加熱することにより行われてもよい。以上により、気密性及び耐久性に優れたダイヤフラム装置１を製造できる。
以上説明した本実施形態に係るダイヤフラム装置１及びその製造方法によれば、基材２とダイヤフラム３との間に介在させた封着材料１４にレーザ光Ｌを照射して封止層５とすることで、基材２とダイヤフラム３との接合強度を高め、かつ当該封止層５の気密性を高く確保できる。また、接合工程において封着材料１４をレーザ光Ｌによって加熱することから、電気炉等によって加熱する場合と比較して、当該接合工程を効率良く短時間で行うことができる。
図６乃至図１２は、本発明の第二実施形態を示す。本実施形態では、ダイヤフラム装置の量産に適した製造方法を例示する。
本実施形態に係るダイヤフラム装置１の製造方法は、複数のダイヤフラム装置１を形成可能な積層体ＬＭを形成する準備工程と、接合工程と、接合工程後に積層体ＬＭから複数のダイヤフラム装置１を形成する切断工程とを備える。
準備工程により形成される積層体ＬＭは、複数の凹部２ｂを有するガラス基板Ｇ１と、複数のダイヤフラム３を切り出すことが可能な薄板状のガラス板Ｇ２と、ガラス板Ｇ２とガラス基板Ｇ１との間に介在する封着材料１４とを備える。本実施形態において封着材料１４は、薄板状のガラス板Ｇ２とガラス基板Ｇ１の積層方向に視て、複数の凹部２ｂ各々の開口に沿って、当該開口を包囲するよう複数箇所に塗布される。すなわち、本実施形態において、封着材料１４は、薄板状のガラス板Ｇ２とガラス基板Ｇ１の主面方向に、所定のパターンで設けられた封着材料層として形成される。
図６に示すように、準備工程では、ガラス板Ｇ２に対して複数の封着材料１４を所定ピッチで固定する（固定工程）。固定工程では、第一実施形態と同様に、塗布工程と、加熱工程とによって、複数の円環状の封着材料１４をガラス板Ｇ２に固定する。
固定工程が終了すると、積層工程が行われる。積層工程では、図７に示すように、封着材料１４がガラス基板Ｇ１とガラス板Ｇ２との間に介在するように、ガラス板Ｇ２をガラス基板Ｇ１に重ね合わせる。ガラス板Ｇ２は、ガラス基板Ｇ１に重ねられることで、ガラス基板Ｇ１に形成されている複数の凹部２ｂを同時に施蓋する。これにより準備工程が終了し、積層体ＬＭが構成される。
図８及び図９に示すように、接合工程では、積層体ＬＭの各封着材料１４に対してガラス板Ｇ２側からレーザ光Ｌ１が照射される（レーザ照射工程）。レーザ光Ｌ１は、封着材料１４の円周方向に沿って走査される。本実施形態では、複数の封着材料１４に対して、レーザ照射装置１５からレーザ光Ｌ１を順次連続して照射する。全ての封着材料１４にレーザ光Ｌ１が照射されると、レーザ照射工程が終了する。これにより、積層体ＬＭは、複数の封止層５によってガラス板Ｇ２とガラス基板Ｇ１とが接合されたものとなる。なお、このレーザ照射工程では、複数のレーザ光Ｌ１を複数の封着材料１４の各々に同時に照射して封着を行っても良い。このようにすることで、効率良く封着を行うことができる。
切断工程は、ガラス板Ｇ２からダイヤフラム３を切り出す第一切断工程と、第一切断工程後にガラス基板Ｇ１を切断する第二切断工程とを備える。
第一切断工程では、例えばレーザ溶断によってガラス板Ｇ２を切断する。図１０に示すように、第一切断工程では、ガラス板Ｇ２に設定される円形の切断予定線ＣＬ１に沿ってレーザ光Ｌ２を走査し、レーザ光Ｌ２が照射されたガラス板Ｇ２の部分を溶融させることで、当該ガラス板Ｇ２から円形のダイヤフラム３を切り出す。切断予定線ＣＬ１は、複数の封止層５の何れをも横断しないよう、封止層５（第１接触部１２、第２接触部６）を避けて予め設定される。より好ましくは、複数の封止層５各々から所定距離外側へ離間した位置に、封止層５の輪郭形状に沿って設定される。なお、この第一切断工程では、複数のレーザ光Ｌ２を同時に照射して切断を行っても良い。このようにすることで、複数のダイヤフラム３をガラス板Ｇ２から効率良く切り出すことができる。なお、第一切断工程における切断方法としては、切断予定線に沿って局所的に応力を付与すると共に、クラックを形成および進展させる割断方法（例えば、国際公開第２０１１／１５５３１４に記載の方法）を用いても良い。
図１１に示すように、第二切断工程では、ガラス基板Ｇ１に設定される直線状（格子状）の切断予定線ＣＬ２に沿ってガラス基板Ｇ１を切断する。この切断予定線ＣＬ２は、ガラス基板Ｇ１から複数の基材２を切り出すために設定される。切断予定線ＣＬ２は、複数の封止層５及び複数のダイヤフラム３の何れをも横断しないよう、当該封止層５（第１接触部１２、第２接触部６）及びダイヤフラム３を避けて予め設定される。より好ましくは、複数のダイヤフラム３の各々から所定距離外側へ離間した位置に、ダイヤフラム３の輪郭形状に沿って設定される。第二切断工程では、例えばスクライブ割断やレーザ熱割断等の切断方法により、ガラス基板Ｇ１を切断する。これにより、基材２とダイヤフラム３とを封止層５によって接合してなる複数の個片（個別）のダイヤフラム装置１が形成される（図１２参照）。なお、本実施形態では、図１２に示すように、積層体ＬＭからダイヤフラム装置１を個別に切り出しているが、これに限らず、二個以上のダイヤフラム装置１を含むユニットが構成されるように、ガラス基板Ｇ１を切断してもよい。
本実施形態に係るダイヤフラム装置１の製造方法では、準備工程において複数のダイヤフラム装置１を製造可能な積層体ＬＭを形成し、当該積層体ＬＭに対して接合工程及び切断工程を実施することで、多数のダイヤフラム装置１を効率良く製造できる。
図１３は、本発明の第三実施形態を示す。本実施形態では、第一実施形態と同様に、マイクロバルブからなるダイヤフラム装置１を示す。但し、本実施形態に係るダイヤフラム装置１の基材２は、第一実施形態における凹部２ｂ及び第２非接触部７を備えていない。
基材２は、その表面２ａに連通する第一貫通孔１０及び第二貫通孔１１を有する。第一貫通孔１０は、第一流路４ａを構成し、第二貫通孔１１は、第三流路４ｃを構成する。ダイヤフラム装置１の第二流路４ｂは、基材２の表面２ａと、ダイヤフラム３の表面３ａとを環状の封止層５により接合することで、両表面２ａ，３ａの間に形成されている。
本実施形態におけるその他の構成は、第一実施形態と同じである。本実施形態において、第一実施形態と共通する構成要素には、共通符号を付している。このダイヤフラム装置１は、第一実施形態又は第二実施形態で例示した製造方法により製造できる。
図１４は、本発明の第四実施形態を示す。本実施形態では、ダイヤフラム装置１としてダイヤフラムポンプを例示する。
ダイヤフラム装置１は、流体を流入させる第一流路４ａと、ダイヤフラム３が設けられる第二流路４ｂと、第二流路４ｂからの流体を流出させる第三流路４ｃとを含む。
第一流路４ａは、その中途部に第一逆止弁１６を備える。第一逆止弁１６は、第一流路４ａから第二流路４ｂに流入する流体が第一流路４ａに逆流しないように、第一流路４ａを閉塞する。
第二流路４ｂは、ダイヤフラム３の変形により第一流路４ａから第二流路４ｂに流入した流体を第三流路４ｃに圧送するように構成される。本実施形態において、ダイヤフラム３は、その変形により第二流路４ｂの容積を変化させるとともに、第二流路４ｂの流体を第三流路４ｃに圧送する駆動体として機能する。
第三流路４ｃは、その中途部に第二逆止弁１７を備える。第二逆止弁１７は、第三流路４ｃから流出する流体が第二流路４ｂに逆流しないように、当該第三流路４ｃを閉塞する。
基材２Ａ，２Ｂは、ダイヤフラム３に接合される第一基材２Ａと、第一基材２Ａに接合される第二基材２Ｂとを含む。第一基材２Ａと第二基材２Ｂとの接合部分には、第一逆止弁１６及び第二逆止弁１７を収容する弁収容部１８が形成されている。
本実施形態に係るダイヤフラム装置１は、ダイヤフラム３の変形により、流体の吸込工程と、吐出工程とを交互に実行する。
吸込工程において、ダイヤフラム３は、第二流路４ｂの容積を増大させるように変形する（図１４において一点鎖線で示す）。これにより、ダイヤフラム装置１は、第二逆止弁１７が第三流路４ｃを閉塞した状態で、第一逆止弁１６による第一流路４ａの閉塞を解除し、流体を第一流路４ａから第二流路４ｂへと流入させる。
吐出工程において、ダイヤフラム３は、第二流路４ｂの容積を減少させるように変形する（図１４において二点鎖線で示す）。これにより、ダイヤフラム装置１は、第一逆止弁１６が第一流路４ａを閉塞した状態で、第二逆止弁１７による第三流路４ｃの閉塞を解除し、第二流路４ｂ内の流体を、第三流路４ｃを通じてダイヤフラム装置１の外部に流出させる。
本実施形態におけるその他の構成は、第一実施形態と同じである。本実施形態において、第一実施形態と共通する構成要素には、共通符号を付している。本実施形態に係るダイヤフラム装置１は、第一実施形態又は第二実施形態で例示した製造方法により製造できる。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記の実施形態では、ＭＥＭＳに使用され得る小型のダイヤフラム装置１を例示したが、本発明は、これに限定されず、他の各種機械に使用される流体制御システムに適用可能である。
上記の実施形態では、準備工程（固定工程）において、ダイヤフラム３又はガラス板Ｇ２に封着材料１４を固定する例を示したが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち、準備工程において、基材２又はガラス基板Ｇ１に封着材料１４を固定してもよい。
上記の実施形態では、固定工程後に積層工程を行う場合を一例として示したが、固定工程を省略して積層工程および加熱工程を行っても良い。
上記の実施形態では、接合工程において、ダイヤフラム３側又はガラス板Ｇ２側からレーザ光Ｌ，Ｌ１を照射する例を示したが、本発明は、これに限定されず、基材２側又はガラス基板Ｇ１側からレーザ光Ｌ，Ｌ１を照射してもよい。
１ ダイヤフラム装置
２ 基材
３ ダイヤフラム
３ｂ 縁部
４ｂ 第二流路
５ 封止層
６ 第２接触部
７ 第２非接触部
１２ 第１接触部
１３ 第１非接触部
１４ 封着材料
Ｌ レーザ光
Ｌ１ レーザ光
２ 基材
３ ダイヤフラム
３ｂ 縁部
４ｂ 第二流路
５ 封止層
６ 第２接触部
７ 第２非接触部
１２ 第１接触部
１３ 第１非接触部
１４ 封着材料
Ｌ レーザ光
Ｌ１ レーザ光
Claims (15)
- 基材と、可撓性を有するガラス製のダイヤフラムと、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に形成される、流体の流路と、を備えるダイヤフラム装置を製造する方法において、
前記流路を封止するように前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する接合工程を備え、
前記接合工程は、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に封着材料を介在させた状態で、前記封着材料にレーザ光を照射して前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する封止層を形成することを特徴とする、ダイヤフラム装置の製造方法。 - 前記接合工程では、前記ダイヤフラムの縁部よりも内側の位置に前記封着材料を介在させた状態で、前記封着材料に前記レーザ光を照射する、請求項１に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記基材は、前記流路の一部を構成する凹部を備え、
前記接合工程では、前記凹部から外側へ離れた位置で、前記封着材料に前記レーザ光を照射する、請求項１又は２に記載のダイヤフラム装置の製造方法。 - 前記接合工程では、前記ダイヤフラムの厚み方向に視て前記封着材料を環状に設けた状態で、前記封着材料に前記レーザ光を照射する、請求項１から３のいずれか一項に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記接合工程では、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に前記封着材料を円環状に介在させた状態で、前記レーザ光を前記封着材料の円周方向に沿って走査する、請求項４に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記ダイヤフラムに前記封着材料を固定する固定工程と、前記固定工程後に、前記封着材料が前記基材と前記ダイヤフラムとの間に介在するように、前記ダイヤフラムを前記基材に重ね合わせる積層工程と、を備え、
前記接合工程では、前記積層工程後に、前記封着材料に前記レーザ光を照射する、請求項１から５のいずれか一項に記載のダイヤフラム装置の製造方法。 - 前記固定工程では、前記ダイヤフラムに前記封着材料を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に前記封着材料を加熱して少なくとも表面を固化させる加熱工程とを備える、請求項６に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記封着材料は、ガラスフリットにより構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記基材は、ガラスにより構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 各々が異なる複数のダイヤフラム装置の流路の一部となる複数の凹部を備えた基板と、前記複数の凹部を同時に施蓋する可撓性のガラス板と、前記ガラス板と前記基板との間に介在し前記複数の凹部各々の開口に沿って設けられた複数の封着材料と、を備える積層体を形成する準備工程と、
前記準備工程後に、前記複数の封着材料にレーザ光を照射して前記ガラス板と前記基板とを接合することにより、各々が前記ダイヤフラム装置の流路の一部を構成する複数の封止層を形成する接合工程と、を備えることを特徴とする、ダイヤフラム装置の製造方法。 - 前記接合工程後に、前記ガラス板と前記封着材料との接触部を避けて前記ガラス板を切断する第一切断工程を備える、請求項１０に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 前記第一切断工程後に、前記ガラス板と前記封着材料との接触部を避けて前記基板を切断して複数の個片のダイヤフラム装置を形成する第二切断工程を備える、請求項１１に記載のダイヤフラム装置の製造方法。
- 基材と、可撓性を有するガラス製のダイヤフラムと、前記基材と前記ダイヤフラムとの間に形成される、流体の流路と、前記流路の一部を構成しつつ前記基材と前記ダイヤフラムとを接合する封止層と、を備えるダイヤフラム装置において、
前記ダイヤフラムは、前記封止層に接触する第１接触部と、前記ダイヤフラムの縁部と前記接触部との間に設けられ前記封止層に接触しない第１非接触部と、を備えることを特徴とする、ダイヤフラム装置。 - 前記基材は、前記封止層に接触する第２接触部と、前記流路の一部を構成する凹部と、前記第２接触部と前記凹部との間に設けられ前記封止層に接触しない第２非接触部と、を備える、請求項１３に記載のダイヤフラム装置。
- 前記ダイヤフラムの縁部から前記第１接触部までの距離は、前記基材の前記凹部から前記第２接触部までの距離よりも大きく設定される、請求項１４に記載のダイヤフラム装置。
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2018
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Patent Citations (7)
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