JP2023101305A - 弁素子 - Google Patents

Abstract

【課題】弁素子に関して、良好な流体排出特性を有するとともに小型化及び低消費電力化を両立できる技術を提供する。【解決手段】流体の流通を制御するための弁素子であって、前記流体が流通する流体導入口を備える固定電極部と、前記流体導入口を覆うようにして前記固定電極部から間隔を設けて配置され、前記固定電極部に対して可動に形成される可動電極部と、前記可動電極部を支持する支持部と、を有し、前記可動電極部を前記固定電極部に密着させることにより、前記可動電極部で前記流体導入口を封止可能に構成されており、前記可動電極部の駆動手段として、前記固定電極部と前記可動電極部の各電極に電圧を印加することにより生じる静電引力を利用する静電駆動方式と、他の異なる駆動方式とを組み合わせた手段を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、弁素子に関する。

従前より、流体の流通を制御する弁素子として、対向して配置される２つの電極部を有し、該２つの電極部の各電極に電圧を印加することによって静電引力を発生させて、一方の電極部に備えられた流体の導入口を、他方の電極部で封止する構造のものが知られている（例えば特許文献１）。図１に、このような構造の弁素子９の概略図を示す。

図１Ａは弁が「開」状態の弁素子９の概略断面図を、図１Ｂは弁が「閉」状態の弁素子９の概略断面図を、それぞれ示している。図１に示すように、弁素子９は、基板９１（固定電極）に設けられた流体導入口９２から流体が導入され、該流体は基板９１に対して可動に形成されているダイアフラム９３（可動電極）に設けられた排出口（図示せず）から排出される構成となっている。そして、基板９１（固定電極）とダイアフラム９３（可動電極）とに電圧を印可することにより静電引力を発生させると、当該引力によりダイアフラム９３が基板９１に引き寄せられ、ダイアフラム９３によって流体導入口９２を封止することができる。このようにして、流体の流通を遮断、或いは印可電圧を調整してダイアフラム９３と基板９１の距離を調節することにより、流体の流量を制御することができる。

そして、この場合の静電引力は次式（１）によってあらわすことができる。

上記式（１）において、Ｆは静電引力、εは空気の誘電率、Ｓは両電極が対向する面積、Ｖは印加電圧、ｄは両電極間の距離を示している。即ち、静電引力Ｆは、印加電圧Ｖ、電極間距離ｄに大きく依存しており、印加電圧Ｖを下げたり、電極間距離ｄを拡げたりすると著しく静電引力Ｆが弱くなり、弁を駆動する（即ち、ダイアフラム９３を基板９１側に引き寄せる）駆動力が低下することになる。

一方、流体の排出特性の観点から見ると、両電極間の距離が大きいほど、また、流体導入口９２及び排出口の面積が大きい（即ち、両電極間の対向する面積が狭くなる）ほど、流体の排出を効率的に行うことができる。

このように、従来から知られている静電引力により駆動する方式の弁は、弁が「開」状態の際の良好な流体排出特性を得るためには、両電極間の距離をある程度確保する必要がある。そうすると、弁の駆動力として十分な静電引力Ｆを得るためには、電極面積Ｓを大きくすることによって調整する、又は印加電圧Ｖを大きくすることによって調整する、ということになる。即ち、良好な流体排出特性を得たうえで、弁素子の小型化・低消費電力化を両立することは困難であった。

一方、上述のような静電駆動以外の駆動方式により弁の開閉を行う弁素子も知られてい
る（例えば特許文献２）。特許文献２には、バイメタルを用いて熱駆動の方式により可動電極部を駆動するマイクロバルブが開示されており、バイメタルを構成する金属の一方に対しての熱の伝達を遮断する構成により、消費電力を抑制することが記載されている。

特開昭６３－３０７９５９号公報 特開２０００－２６６２３１号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示されているマイクロバルブでは、可動電極部を駆動する間はバイメタルに電流が流れ続けることになるため、消費電力を大きく低減させることは困難である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、弁素子に関し、良好な流体排出特性を有するとともに、小型化及び低消費電力化を両立できる技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、以下の構成を採用する。即ち、
流体の流通を制御するための弁素子であって、
前記流体が流通する流体導入口を備える固定電極部と、
前記固定電極部の一方の面側に、前記流体導入口を覆うようにして前記固定電極部から間隔を設けて配置され、前記固定電極部に対して可動に形成される可動電極部と、
前記可動電極部を支持する支持部と、を有し、
前記可動電極部を前記固定電極部に密着させることにより、前記可動電極部で前記流体導入口を封止可能に構成されており、
前記可動電極部を前記固定電極部に密着させるための駆動手段として、前記固定電極部と前記可動電極部の各電極に電圧を印加することにより生じる静電引力を利用する静電駆動方式と、他の異なる駆動方式とを組み合わせた手段を用いる、ことを特徴とする弁素子である。

弁素子の弁（可動性の薄膜）を駆動する方式としては、上述の静電駆動方式、熱駆動方式の他、圧電駆動方式、磁力駆動方式、などが知られている。そして、静電駆動方式とこれらの他の方式を組み合わせることにより、効率的に弁を駆動することが可能になる。これにより弁が「開」状態における電極間の距離を大きくとることができ、良好な流体排出特性を確保することができるとともに、弁を駆動する際の低消費電力化を併せて実現することができる。

また、前記弁素子は、前記可動電極部の前記固定電極部と対向する面とは反対側の面に、金属からなる熱駆動膜が設けられており、前記他の異なる駆動方式は、前記熱駆動膜を加熱することにより前記熱駆動膜を膨張させて、前記可動電極部を前記固定電極部側に押さえつける力を利用する熱駆動方式であってもよい。

このような構成であれば、弁が「開」から「閉」へ駆動する際の最初の駆動は熱駆動方式を利用することで、可動電極部を撓ませて固定電極部に一定程度近接させ、一定程度近接した位置から（即ち電極間距離が小さくなった状態から）静電駆動方式による駆動に切り換えれば、より小さな印加電圧で可動電極部を固定電極部に密着させることが可能になる。さらに、静電駆動方式に切り換えた後には熱駆動膜への電力の供給を停止するため、
弁を「閉」にしている間ずっと熱駆動膜が変形するために必要な電力を供給し続ける必要がなくなるため、電極間距離を大きく設定しても、消費電力を抑制することが可能になる。

また、前記熱駆動膜はバイメタルで構成されていてもよい。このような構成であれば、より効率的に可動電極部を固定電極部に近接させることができる。

また、前記可動電極部は平面視において部分的に突出する複数の突出部を備えており、前記支持部が前記突出部の先端近傍に設けられ、前記熱駆動膜は前記突出部の基端近傍において、少なくとも前記支持部が設けられていない部位を含む位置に配置されるのであってもよい。このような構成によれば、熱駆動膜及びこれを熱するヒータからの放熱（即ち、熱駆動の効率の低下）を抑制することができる。

また、前記可動電極部は前記突出部を除くと平面視において円形であり、前記突出部は、前記円形の円周において等間隔に３つ形成されているのであってもよい。このような構成であれば、熱駆動膜を設ける部位をできる限り少なくして熱駆動時の放熱をできる限り抑止しつつ（即ち効率の低下を抑止しつつ）、可動電極部を固定電極部と所定の間隔を空けて配置するための強度を備えることできるため、本発明に好適である。

なお、上記構成の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、弁素子に関し、良好な流体排出特性を有するとともに、小型化及び低消費電力化を両立できる技術を提供することが可能となる。

図１Ａは、従来から知られる静電引力により弁を駆動する方式の弁素子の概略を示す第１の図である。図１Ａは、従来から知られる静電引力により弁を駆動する方式の弁素子の概略を示す第２の図である。 図２Ａは、本発明の実施例１に係る弁素子の概略を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施例１に係る弁素子の断面の概略を示す概略断面図である。 図３Ａは、本発明の実施例１に係る弁素子における熱駆動膜部分の構造について説明する第１の図である。図３Ｂは、本発明の実施例１に係る弁素子における熱駆動膜部分の構造について説明する第２の図である。 図４は、実施例１の弁素子において駆動方式を切り換えるタイミングを説明する図である。 図５Ａは、実施例１の弁素子の変形例を示す第１の図である。図５Ｂは、実施例１の弁素子の変形例を示す第２の図である。

＜適用例＞
以下に本発明の適用例の概要について図２を用いて説明する。本発明は、例えば半導体製造工程により製造されるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）弁の弁素子１として適用することができる。図２は、本適用例に係る弁素子１の概略を示す図であり、図２Ａは、適用例に係る弁素子１の概略を示す平面図である。図２Ｂは図２Ａにおける弁素子１の弁が「開」状態におけるＡＡ断面を示す概略断面図であるが、断面の両端が省略された図となっている。なお図２Ｂ中の白矢印は弁素子に導入される流体の動きを示している。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、弁素子１は概略、可動電極部１１及び固定電極部１２を備えており、固定電極部１２の上面側に可動電極部１１が配置される構成となっている。本適用例に係る弁素子１はいわゆる常開型の弁であり、図２Ｂに示すように、弁が「開」の状態においては可動電極部１１と固定電極部１２との間には、中空部が形成されている。このように弁が「開」の状態においては、固定電極部１２に設けられている導入口１２１から流体を導入し、可動電極部１１に設けられている複数の排出口１１１から流体を排出することで、流体を流通させることができる。

本適用例に係る弁素子１は、いわゆる静電駆動方式と熱駆動方式の二つの方式を組み合わせて可動電極部を駆動して弁を開閉し、流体の流通を制御（流通の遮断を含む流量の制御）することができる。具体的には、可動電極部１１を固定電極部１２に近接させ、可動電極部１１と固定電極部１２が完全に密着することで弁を「閉」状態、即ち流体の流通を遮断することができる。

可動電極部１１は、可撓性を有する薄膜状に形成されており、図２Ｂに示すように絶縁素材からなる支持部１３により固定電極部１２から絶縁されるとともに、固定電極部１２から一定の間隔をあけて中空に支持されている。そして、可動電極部１１及び固定電極部１２の各電極に電圧が印可されると両電極間に静電引力が発生し、これによって可動電極部１１が固定電極部１２に引き寄せられる。

また、可動電極部１１上には、複数の熱駆動膜１４１が形成されており、ヒータ１４０によって当該熱駆動膜１４１が加熱されると熱駆動膜１４１は変形し、可動電極部１１との熱膨張率の差によって可動電極部１１が固定電極部１２に向けて押下される。

弁素子１の弁を閉じる動作は、まず熱駆動方式により可動電極部１１をある程度固定電極部１２側に撓ませた後に（即ち、電極間の距離を小さくした後に）、静電駆動方式によって可動電極部１１を固定電極部１２に引き寄せるという流れで行われる。このように、熱駆動方式で電極間距離を小さくした後に静電引力を発生させることにより、可動電極部１１及び固定電極部１２の各電極に印可する電圧を小さくすることができる。このため、消費電力を増大させることなく電極間距離を大きく設定することができ、良好な流体排出特性を得ることができる。

また、熱駆動方式により熱駆動膜１４１を加熱するのは弁を駆動する際の初めの間だけでよく、弁を閉じている間中ヒータに電力を供給する必要がないため、熱駆動方式のみで弁の開閉を行うことに比べて消費電力を大きく低減することが可能になる。

＜実施例１＞
以下に、各図面（上記の適用例で一旦説明した図も含む）を順次参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいてさらに詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている具体的構成は、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（弁素子の構成）
本実施例に係る弁素子１は、例えば、血圧計のカフに気体の供給と排出を行うＭＥＭＳ弁として用いることができ、図２Ａ、図２Ｂに示すように、概略、可動電極部１１及び固定電極部１２を備えており、固定電極部１２の上面側に可動電極部１１が配置される常開型の弁素子である。即ち、適用例において説明した弁素子１と同様の構成を有するため、適用例で説明した内容については、詳細な説明は省略する。また、本明細書では同一の構成要素については同一の符号を用いて説明を行う。

可動電極部１１は、例えばＳｉからなる可動電極１１０を絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）１１４で被覆して構成された可撓性を有する薄膜状の電極部材であり、中央部近傍に複数の排出口１１１を備えている。また、可動電極１１０は配線１１３により電極パッド１１２と接続されており、該電極パッド１１２を介して外部の電源と電気的に接続され、電圧が印加されるようになっている。

固定電極部１２は、例えばＳｉからなる固定電極１２０の中央部に、流体の流路となる導入口１２１を設けた構成となっている。固定電極１２０は電極パッド１２２と接続されており、該電極パッド１２２を介して外部の電源と電気的に接続され、電圧が印加されるようになっている。

そして、可動電極１１０及び固定電極１２０の両電極電圧が印可されると、静電引力が発生、可動電極部１１が固定電極部１２に引き寄せられ、両者が完全に密着した状態では、導入口１２１が可動電極部１１で封止されることで、弁が「閉」の状態となる。なお、静電引力の方式で弁を駆動することについての説明は上述しているため、これ以上の説明は省略する。

また、本実施例における可動電極部１１は、平面視において円形状であり、円周上に３つの突出部１１５が等間隔に設けられた構成となっている。そして当該円周上の突出部１１５において、絶縁体からなる支持部１３によって固定電極部１２の上面側から所定の間隔が設けられるとともに、固定電極部１２と絶縁されて配置される。支持部１３の素材には、例えばＳｉＯ_２などを用いることができ、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｇｌａｓｓ）などを用いてもよい。

可動電極部１１の突出部１１５基端側には熱駆動膜１４１が配置され、当該熱駆動膜１４１が配置された部位の絶縁膜１１４内部にヒータ１４０が配置される。図３に、突出部１１５部分における熱駆動膜１４１、ヒータ１４０の配置関係を示す。図３Ａは突出部を平面視した状態を示し、図３Ｂは突出部の断面の概略を示している。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ヒータ１４０には加熱用配線１４３が接続されており、当該加熱用配線１４３から電流が供給されることで、熱駆動膜１４１を加熱する。なお、加熱用配線１４３は、加熱用電極１４２ａ及び１４２ｂに接続される。

熱駆動膜１４１は熱膨張率の比較的大きい金属によって形成される薄膜であり、ヒータ１４０で加熱されることにより、湾曲変形するようになっている。そして、熱駆動膜１４１が加熱された場合には、可動電極部１１（の絶縁膜）との熱膨張率の差により、可動電極部１１を固定電極１２の方へ押下することができる。

なお、上記のような構成の弁素子１は例えば、半導体基板上に薄膜を積層する半導体製造工程などの所望の公知技術により製造することができる。

（弁の駆動方法）
次に、本実施例に係る弁素子１の弁の駆動方法の一例について説明する。弁素子１の弁を駆動して「閉」の状態にする際には、まず熱駆動膜１４１を加熱して熱駆動方式により可動電極部１１を固定電極部１２に押し下げてから、静電駆動方式により可動電極部１１を固定電極部１２に引き寄せて弁を「閉」の状態にする。弁が「閉」状態になった後は、ヒータ１４０への電力の供給は停止される。即ち、静電駆動方式のみによって弁を「閉」の状態に維持することになる。

図４に基づいて、弁の開閉の状態と、熱駆動方式と静電駆動方式を切り換えるタイミン
グについて説明する。図４に示すように、弁を閉じる際には、先ず熱駆動をＯＮにして、熱駆動方式のみで可動電極部１１を駆動し、所定時間経過後に静電駆動をＯＮにして両駆動方式によって可動電極部１１を固定電極部１２に密着させる。そして、可動電極部１１と固定電極部１２とが密着し、弁が「閉」状態になると、熱駆動をＯＦＦにして静電引力のみで弁の「閉」を維持する。そして、静電駆動をＯＦＦにすることで、弁を「開」状態にすることができる。

このように、本実施例の弁素子１によれば、弁が「開」から「閉」へ駆動する際の最初の駆動は熱駆動方式を利用することで、可動電極部１１を固定電極部１２に一定程度近接させることができ、当該近接した位置から静電駆動方式による駆動に切り換えることで、より小さな印加電圧で可動電極部１１を固定電極部１２に密着させることが可能になる。さらに、静電駆動方式に切り換えた後には熱駆動膜１４１への電力の供給を停止するため、弁を「閉」にしている間ずっと熱駆動膜１４１が変形するために必要な電力を供給し続ける必要がなくなるため、電極間距離を大きく設定しても、消費電力を抑制することが可能になる。

（変形例）
なお、上記実施例では、可動電極部１１の形状は、平面視において円形の形状から突出部１１５が３つ突出しているような形状であったが、必ずしもこのような形状である必要はない。図５に可動電極部１１の形状についての変形例を示す。

図５Ａは、第一の変形例に係る弁素子２の可動電極部２１について説明する図であり、可動電極部は図５Ａに示すように、突出部１１５を３つ以上（例えば６つなど）備える構成であってもよい。このような構成であれば、構造の堅牢性を高めることができる。

また、図５Ｂは、第二の変形例に係る弁素子３の可動電極部３１について説明する図であり、可動電極部は図５Ｂに示すように、大きな突出部１１５を一つのみ備える構成であってもよい。即ち、可動電極部３１はいわゆる片持ち梁状に一つの突出部１１５のみで中空に支持される構成となっている。また、本変形例に係る弁素子３のように、可動電極部３１が排出口を備えない構成であってもよい。このような構成であれば、弁素子の製造を容易化することができる。

＜その他＞
なお、上記各例の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形及び組み合わせが可能である。例えば、上記の熱駆動膜として単一の金属膜ではなくバイメタルを用いてもよい。

また、上記実施例においては、熱駆動方式と静電駆動方式との組み合わせの例を説明したがこのような組み合わせに限定されるわけではない。一例として上記実施例における熱駆動膜の代わりに圧電素子を可動電極部に設けて、圧電駆動方式と静電駆動方式との組み合わせにより弁を駆動する弁素子としてもよい。このような組み合わせ方式であれば、より消費電力を低減させるとともに応答性にも優れた弁素子を提供することができる。

また、上記の各例においては、可動電極部は（突出部を除くと）平面視で円形状であったが、可動電極部の形状はこのような形状に限られない。例えば、略円形といえるような形状であってもよいし、楕円形状でもよい。さらに、３角以上の多角形状であっても構わない。

＜付記１＞
流体の流通を制御するための弁素子（１）であって、
前記流体が流通する流体導入口（１２１）を備える固定電極部（１２）と、
前記固定電極部の一方の面側に、前記流体導入口を覆うようにして前記固定電極部から間隔を設けて配置され、前記固定電極部に対して可動に形成される可動電極部（１１）と、
前記可動電極部を支持する支持部（１３）と、を有し、
前記可動電極部を前記固定電極部に密着させることにより、前記可動電極部で前記流体導入口を封止可能に構成されており、
前記可動電極部を前記固定電極部に密着させるための駆動手段として、前記固定電極部と前記可動電極部の各電極に電圧を印加することにより生じる静電引力を利用する静電駆動方式と、他の異なる駆動方式とを組み合わせた手段（１１０、１２０、１４０、１４１）を用いる、
ことを特徴とする弁素子。

１、２、３・・・弁素子
１１、２１、３１・・・可動電極部
１２・・・固定電極部
１３・・・支持部
１１０・・・可動電極
１１１・・・排出口
１１２、１２２、１４２ａ、１４２ｂ・・・電極パッド
１１３・・・配線
１１４・・・絶縁膜
１１５・・・突出部
１２０・・・固定電極
１２１・・・導入口
１４０・・・ヒータ
１４１・・・熱駆動膜
１４３・・・加熱用配線

Claims (5)

1. 流体の流通を制御するための弁素子であって、
   前記流体が流通する流体導入口を備える固定電極部と、
   前記固定電極部の一方の面側に、前記流体導入口を覆うようにして前記固定電極部から間隔を設けて配置され、前記固定電極部に対して可動に形成される可動電極部と、
   前記可動電極部を支持する支持部と、を有し、
   前記可動電極部を前記固定電極部に密着させることにより、前記可動電極部で前記流体導入口を封止可能に構成されており、
   前記可動電極部を前記固定電極部に密着させるための駆動手段として、前記固定電極部と前記可動電極部の各電極に電圧を印加することにより生じる静電引力を利用する静電駆動方式と、他の異なる駆動方式とを組み合わせた手段を用いる、
   ことを特徴とする弁素子。
2. 前記可動電極部の前記固定電極部と対向する面とは反対側の面に、金属からなる熱駆動膜が設けられており、
   前記他の異なる駆動方式は、前記熱駆動膜を加熱することにより前記熱駆動膜を膨張させて、前記可動電極部を前記固定電極部側に押さえつける力を利用する熱駆動方式である、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の弁素子。
3. 前記熱駆動膜はバイメタルで構成されている、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の弁素子。
4. 前記可動電極部は平面視において部分的に突出する複数の突出部を備えており、
   前記支持部が前記突出部の先端近傍に設けられ、前記熱駆動膜は前記突出部の基端近傍において、少なくとも前記支持部が設けられていない部位を含む位置に配置される、
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の弁素子。
5. 前記可動電極部は前記突出部を除くと平面視において円形であり、
   前記突出部は、前記円形の円周において等間隔に３つ形成されている、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の弁素子。

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