JP2807085B2 - マイクロ弁 - Google Patents

マイクロ弁

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JP2807085B2 JP2507312A JP50731290A JP2807085B2 JP 2807085 B2 JP2807085 B2 JP 2807085B2 JP 2507312 A JP2507312 A JP 2507312A JP 50731290 A JP50731290 A JP 50731290A JP 2807085 B2 JP2807085 B2 JP 2807085B2
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Description

【発明の詳細な説明】 従来技術 本発明は請求項１記載の種類のマイクロ弁に関するも
のである。
半導体技術により公知の多層構造によって製造される
この種のマイクロ弁は、GB2155152Aにより既に公知であ
る。この微小機構弁は、実質的に３つの層を有し、その
うちの珪素製担体層に出入口と弁座が設けてあり、この
担体層には中間層が接続され、この中間層に外側の被覆
層が接続されている。その場合、これらの層は、双方の
接続部間に圧力媒体の連絡を生じさせるスペースを形成
している。このマイクロ弁の場合、被覆層は、同時にダ
イアフラムとして構成されており、このダイアフラムに
は、弁座に配属された閉鎖部材が統合されている。この
マイクロ弁の作動時には、ダイアフラムに配置された静
電式操作装置は、ばね作用を有するダイアフラムの力だ
けでなく、流体の入口圧力をも克服せねばならない。な
ぜなら、弁座を閉じるダイアフラムは、この圧力を相殺
しないからである。この結果、マイクロ弁の使用に適す
るのは、比較的抵抗のみとなり、当然、得られる液圧も
比較的低い値となる。このため、微小機構の弁の動的挙
動も悪影響を受ける。加えて、マイクロ弁の、圧力補償
されない構造形式の結果、必要とされる調整力が比較的
大となり、ひいては操作装置が比較的高価なものとな
る。
更に、EP0250948A2及びEP0261972A2には、この種のマ
イクロ弁の製造技術が詳説され、多層構造の３次元形式
がどのように造出されるかが述べられている。この結
果、異なる細部構造の組合せにより、種々の機械的な部
材が可能になる。また、これによって、マイクロ弁は、
２方向もしくは３方向の制御弁として構成することがで
きる。また、ダイアフラムは、中間層に配置しておくこ
とも可能となる。
発明の効果 請求項１記載の特徴を有する、本発明のマイクロ弁
は、静的な圧力補償が比較的簡単かつ高い出費をかけず
に可能になる利点を有している。この圧力補償の可能な
構造形式は、比較的高い圧力を制御可能である。言いか
えると比較的小さい調節力で、作業可能である。これに
より、マイクロ弁の流体工学面の効率が著しく向上す
る。そのさい、高い動力性をも達成可能である。比較的
小さな質量が運動するだけだからである。この圧力補償
の構造形式は、特にマイクロ機械技術による製作に適し
ているので、単個の製作費が僅かであることのほかに、
部品の高度に精密な製作と再現性が、微小な寸法の場合
にも達成可能である。マイクロ弁の構造形式は、種々の
マイクロ機械製造技術の可能な分野に最適適合させるこ
とができる。更に、その種のマイクロ弁は、任意に接続
可能であり、複数のマイクロ弁を組合せていわゆる弁列
を形成することもできる。
請求項２以下に記載の措置により、請求項１に記載の
マイクロ弁を、更に別様に構成し、改良することができ
る。とりわけ、この構成形式により、比較的簡単かつ廉
価な製作が可能になり、閉鎖部材の、異なる方向への運
動が可能になる。閉鎖部材は、その場合、流れ方向へも
流れ方向と逆の方向へも開くことができ、更に、種々の
電気的な操作方式が可能となる。
請求項５の構成は、極めて有利である。この構成によ
って、入口側に加えて出口側でも圧力補償が可能にな
る。更に、請求項12による構成は、２方向に貫流する場
合に特に有利である。この場合は、請求項14に従って、
両方向の駆動が達成され、これによって効率と動力性を
更に高めることができる。
図面 次に本発明の３つの実施例を、図面につき詳説する。
図１はマイクロ弁の略示拡大縦断面図、図２から図５ま
では、それぞれ第２実施例から第５実施例までの図であ
る。
実施例の説明 図１は、多層構造の単一のマイクロ弁を、著しく拡大
し、簡略化して示した縦断面図である。個々の層は異な
る材料で構成されている。この多層構造を製造するに
は、半導体分野の技術により自体公知の製造技術、特に
珪素技術、薄膜技術、厚膜技術のいずれかが用いられ
る。多層構造により一定の３次元形態を製作するこれら
の技術と、構造の細部により規定される機械的な部材を
造り出す可能性は、ここでは、公知のものとして前提と
する。
マイクロ弁10は、実質的には、１つの担体層11、１つ
の中間層12、１つの被覆層13から成っている。その場
合、中間層12には、環状みぞ形状の凹所14により環状ス
ペース15が形成されている。このスペース15は、上方が
被覆層13により制限され、中間層12内を延びる通路16を
介して入口接続部17と連通している。凹所14の比較的薄
壁の底部は、ばね作用を有する環状ダイアフラム18を形
成している。ダイアフラム18は、より厚い中央層区域19
を取囲んでいる。環状ダイアフラム18は、したがって、
中間層12に一体化されており、凹所14により形成される
スペース15を制限している。
被覆層13は出口接続部21を有し、この接続部21は、内
方へ拡大され、扁平な円板状切欠き22が形成されてい
る。この切欠き22は、被覆層13の、中間層12へ向いた側
に環状の弁座23を形成している。図示のマイクロ弁非作
動位置では、この弁座23に皿状閉鎖部材24が接触してい
る。この閉鎖部材24は、弁座23の直径よりも著しく小さ
な面25を介して中央層区域19に固定されている。皿状の
閉鎖部材24は、この場合、中間層12に付加された、中間
層と等しい材料又は別の材料製の層から成っている。中
央層区域19と閉鎖部材24の厚さは、双方の厚さの合計が
中間層12の厚さと等しくなるように選定されている。
マイクロ弁10のこの構造形式の場合、環状ダイアフラ
ム18、中央層区域19、閉鎖部材24から成る可動の構造部
材は、加圧面26を有している。この面26の大きさは、環
状ダイアフラム18の大きさに事実上規定される。同時
に、この可動の構造部材18,19,24は、逆方向に負荷され
る圧力補償27を有している。この圧力補償面27の大きさ
は、一方では弁座23により、他方では面25により制限さ
れる。これら双方の面26,27は、実質的に等しい大きさ
となるように互いに調整されている。
戻し圧力P2が負荷される、皿状閉鎖部材24の上面30
は、弁座23により制限されている。圧力P0が負荷され
る、可動構造部材18,19,24の下面31は、環状ダイアフラ
ム18の有効直径32により規定される。
可動構造部材18,19,24のところで出来るかぎり完全に
圧力補償を行なうためには、上面30と下面31とを実質的
に等しい大きさにしておかねばならない。そのさいに前
提とされるのは、可動構造部材の下方の圧力P0と、上方
の圧力P2とが、実質的に等しいことである。しかし、部
材18,19,24の上方のスペース22と下方のスペース28と
は、必しも等しい媒体を負荷される必要はない。たとえ
ばスペース22には液体が、スペース28には空気が充てん
されていてもよい。その場合、双方のスペース内には、
P0とP2とが実質的に等しくなるように、周囲圧力から支
配するようにすることができる。
担体層11には、中間層12に向いた扁平の凹所28内に電
極29が配置されている。この電極29は、閉鎖部材24用の
電気操作手段として役立ち、静電作用を有する駆動部を
形成している。
マイクロ弁10の作用形式は、次のように説明される：
略示した入口接続部17から通路16を経て流入する圧力媒
体は、マイクロ弁10の非作動時には、スペース15に達
し、ここに入口圧力が相応に形成される。このスペース
15内の圧力は、一方では、下方へ向ってダイアフラム18
の加圧面26に作用すると同時に、他方では、閉鎖部材24
のところの環状圧力補償面27に作用する。これら２つの
面26,27は、実質的に等しい寸法に構成されているの
で、可動構造部材18,19,24は、それに応じて静的に圧力
補償される。ばね作用を有する環状ダイアフラム18の戻
し力の影響のもとに、閉鎖部材24は弁座23に密接し、出
口接続部21への接続が遮断される。ダイアフラム18のこ
の戻し力は、マイクロ弁10の圧力補償構造形式のゆえに
極めて小さい値でよい。
マイクロ弁10を開弁するには、電極29に電圧がかけら
れ、これによって自体公知の形式で可動構造部材19,24
用の静電駆動部が作用し、閉鎖部材24が下方へ動かさ
れ、弁座23から引離される。このため、圧力媒体はスペ
ース15から出口接続部21へ流出する。
マイクロ弁10を閉弁するには、静電駆動部29をカット
オフし、それによって閉鎖部材24は、ばね作用を有する
環状ダイアフラム18の戻し力の影響により再び弁座23に
密接し、圧力媒体の連通が遮断される。そのさい、面30
ないし31へ働く圧力P2ないしP0は実質的に等しいのでこ
れらの面に対しても圧力補償がなされると想定される。
マイクロ弁10の圧力補償構造形式により、いまや、従
来制御可能であったよりも著しく高い圧力が制御可能で
あり、かつまた、電気式操作手段として、比較的弱い、
したがって廉価で場所をとらない駆動装置を使用できる
ようになった。このマイクロ弁10は、したがって、従来
より著しく大きい、液圧出力又は空気出力の制御に適
し、加えて、より高い動力性が可能となる。その場合、
圧力補償面31は、加圧面30の寸法に対して、部分的な圧
力補償が達せられる程度に適合させておいてもよい。ま
た、加圧面30と補償面31とを互いに適合させて、それに
よって、残っている静圧力のほかに、流れによって生じ
る動的力をも考慮に入れるようにし、この動的力がマイ
クロ弁10の切換え挙動に影響を与えるようにすることも
可能である。
図２には第２のマイクロ弁40が示してある。この弁40
が、図１のマイクロ弁と異なる点を以下に示す。図にお
いて、同じ構造部財には同じ符号を付してある。
第２のマイクロ弁40では、弁座41が被覆層13の外側
に、つまり被覆層13の開口42の下流に設けられている。
閉鎖部材43は、面25に相応するボルト状部分44を有し、
この部分44が開口42内に突入し、中間層12の中央層区域
19と不動に結合されている。この場合、中央層区域19の
厚さは、中間層12の厚さと等しくすることができる。中
間層12と被覆層13とは、更に付加的な分離層45によって
互いに間隔をおいて保持されている。閉鎖部材43用の電
気式操作手段としては、環状の圧電コーティング46が凹
所28内に、それも環状ダイアフラム18のところに取付け
られている。この第２マイクロ弁40の場合も、静的な圧
力補償用に、可動構造部材が、一方では環状ダイアフラ
ム18のところに加圧面26を、他方では、閉鎖部材43のと
ころに圧力補償面27を有し、更に面30,31を備えてい
る。この場合、圧力媒体が充てんされたスペース15は、
中間層12から分離層45と被覆層13を通って延びている。
第２のマイクロ弁40の作用形式も、原則的には、第１
の弁10のそれと変りはないが、環状ダイアフラム18が圧
電コーティング46により上方へ操作され、したがって閉
鎖部材43が流れ方向に開かれる点が異なっている。この
弁構成の場合、凹所28内には出口圧、すなわち弁座41の
下流の圧力と等しい圧力が支配すると、環状ダイアフラ
ム18、中央層区域19、閉鎖部材43から成る可動構造部材
が、入口圧力と出口圧力に対し、実質的に圧力平衡を得
ることになる。図３は、第３のマイクロ弁50の縦断面図
である。この弁は、第１の弁10と次の点で異なってい
る。すなわち、電気式の操作手段として熱電コーティン
グ51が備えられている。コーティング51は、凹所28内
に、それも中間層12の環状ダイアフラム18の区域に取付
けられている。これにより、閉鎖部材24は、第１マイク
ロ弁10の場合と等しい方向に操作される。すなわち図示
の出発位置から下方へ操作される。図４は第４のマイク
ロ弁60を示している。この弁60は、図２に示した第２の
マイクロ弁40と次の点で異なっている。すなわち、熱電
式の操作手段の代りに熱流体式操作手段が設けられてい
る点である。このために、担体層11の凹所28内には加熱
抵抗61が配置され、通電されると、これが発熱する。そ
のさい、凹所28内に閉じ込められている流体（液体又は
気体）が加熱され、膨張する。これによって生じる凹所
28内の圧力上昇の結果、環状ダイアフラム18が上方へ持
ち上げられ、閉鎖部材43が流れ方向に開かれる。
図５には第５のマイクロ弁70が示してある。この弁70
が、図１の弁10と異なる点は、環状ダイアフラムと電気
式の操作手段のいずれもが２重に備えられている点であ
る。また、２つの中間層71,72が付加されている。図１
の可動構造部材19,24は、別の中央区域74を介して第２
の環状ダイアフラム73と結合されている。第２のダイア
フラム73は中間層72に設けられている。可動構造部材1
9,24,74の上方には、被覆層13内に別の電気式操作手段7
5が設けられている。これは、第１の環状ダイアフラム1
8の下方の電気式操作手段29と同じ構成のものである。
これによって、マイクロ弁70の構造は、完全に対称的と
なる。特にこの構造の場合、圧力P0とP2が可なり相違し
ていても、可動構造部材19,24,74のところには完全な圧
力補償が保証される。
マイクロ弁10の場合には、これに対して、P0とP2との
差が生じても、僅かであることが前提とされる。しか
し、すべての使用ケースで、それが保証されるとは限ら
ない。
可動構造部材19,24,74の上方及び下方に備えられた電
気式の操作手段75,29は、加えて、弁が電気式の操作に
よって開弁、閉弁いずれもが可能である利点を有してい
る。これに対し、マイクロ弁10の場合には、閉弁は、ば
ね作用を有する環状ダイアフラム18の戻し力により行な
われる。
図示の実施例に対しては、本発明の思想を逸脱するこ
となしに変更を加えうることは言うまでもない。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−208676（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−213523（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−154460（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4826131（ＵＳ，Ａ) 英国公開2155152（ＧＢ，Ａ) 欧州公開250948（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16K 31/00 - 31/126

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入口及び出口用の少なくとも２つの圧力媒
    体接続部（17,21）と、それらの間に設けられ、閉鎖部
    材（24,43）に配属された弁座（23,41）とを有する多層
    構造のマイクロ弁（10,40,50,60,70）であって、前記閉
    鎖部材（24,43）が電気式の操作手段（29,46,51,61）に
    より動かされることができ、少なくとも圧力媒体接続部
    （17,21）、弁座（23,41）、閉鎖部材（24,43）が、材
    料層（11,12,13,24）を扁平に構成することによって造
    られており、更にまた前記閉鎖部材が、電気式操作手段
    （29,46,51,61）に抗して戻し手段（18,75）により可動
    であり、前記閉鎖部材（24,43）がダイアフラム（18,2
    6）と不動に結合されいて、該ダイアフラム（18,26）は
    層（12,72）の１つに一体化され、しかも圧力媒体によ
    って負荷されるスペースを制限しており、閉鎖部材（2
    4,43）には、圧力負荷されるダイアフラム（18,26）に
    抗して作用する圧力補償面（27）が設けられている形式
    のものにおいて、 閉鎖部材（24,43）がほぼ皿状に形成されていて、該閉
    鎖部材（24,43）の、弁座より著しく小さな面（25）が
    ダイアフラム（18,26）に固定されており、皿状の閉鎖
    部材（24,41）の、ダイアフラム（18,26）に向かい合っ
    て位置していて前記小さな面（25）を半径方向外側に向
    かって弁座（23,41）まで取り囲む環状面が圧力補償面
    を形成していて、該圧力補償面が、ダイアフラム（18,2
    6）に設けられた圧力負荷される面（26）に抗して作用
    し、これら逆作用する面（26,27）がほぼ等しい大きさ
    であることを特徴とするマイクロ弁。
  2. 【請求項２】弁座（23,41）の横方向長さが、ダイアフ
    ラム（18）の有効横方向長さ（32）にほぼ相当する、請
    求項１記載のマイクロ弁。
  3. 【請求項３】閉鎖部材（24）の、スペース（15）に接続
    されていない別の接続部（21）内の圧力による負荷を受
    ける、圧力補償面（27）に対置された面（30）が、環状
    ダイアフラム（18）の面（32）、すなわち、凹所（28）
    内の圧力による負荷を受け、ダイアフラムの有効横方向
    長さにより規定される面（32）と、少なくともほぼ等し
    い大きさである、請求項１又は２記載のマイクロ弁。
  4. 【請求項４】ダイアフラム（18）が、担体層（11）上に
    配置された中間層（12）内に形成されており、かつま
    た、中間層（12）が、担体層（11）と反対側に、弁座
    （23,41）の形成されている層（13,71）を、特に被覆層
    （13）を有している、請求項１から３までのいずれか１
    項記載のマイクロ弁。
  5. 【請求項５】ダイアフラムが、ばね弾性的な環状ダイア
    フラム（18）として構成されている、請求項１から４ま
    でのいずれか１項記載のマイクロ弁。
  6. 【請求項６】中間層（12）が、環状ダイアフラム（18）
    を形成するため、環状みぞ形状の、スペース（15）を共
    に形成する凹所（14）を有し、この凹所（14）が、ダイ
    アフラム（18）よりも厚い中央層区域（19）を取囲んで
    おり、この中央層区域（19）には、閉鎖部材（24）本体
    が、ほぼ皿状の小プレート（24）により構成されてお
    り、この小プレート（24）がダイアフラム（18）に面し
    た付加的な層により形成されている、請求項５記載のマ
    イクロ弁。
  7. 【請求項７】ダイアフラム（18）と閉鎖部材（24）の双
    方が共に、中間層（12）の厚さの範囲内で延びている、
    請求項４から６までのいずれか１項記載のマイクロ弁。
  8. 【請求項８】弁座（23）が、被覆層（13）の、中間層
    （12）に向いた内側に設けられている請求項７記載のマ
    イクロ弁。
  9. 【請求項９】弁座（41）が、被覆層（13）の外側に設け
    てあり、閉鎖部材（43,44）が被覆層（13）に被せられ
    ている、請求項４から６までのいずれか１項記載のマイ
    クロ弁。
  10. 【請求項１０】可動の構造部材（18,24,73）が二重の環
    状ダイアフラム（18,73）を有する、請求項１から６ま
    でのいずれか１項記載のマイクロ弁。
  11. 【請求項１１】環状ダイアフラム（18,73）を形成する
    中間層（12,72）の間に、弁座（23）を有する中間層（7
    1）が配置され、中間層（12,72）の中央層区域（19,7
    4）の間に閉鎖部材（24）が配置されている、請求項10
    記載のマイクロ弁。
  12. 【請求項１２】操作手段（29,75）が、二重の環状ダイ
    アフラム（18,73）を有する可動構造部材（18,24,73）
    の上下に対称的に配置されている、請求項10又は11記載
    のマイクロ弁。
  13. 【請求項１３】操作手段としてダイアフラム（18）のと
    ころに圧電式に動作するコーティング（46）又は熱電式
    に動作するコーティング（51）が設けられている、請求
    項１から12までのいずれか１項記載のマイクロ弁。
  14. 【請求項１４】ダイアフラム（18）を静電式に引付ける
    操作手段として、電極（29）が担体層（11）のところに
    配置されている、請求項１から12までのいずれか１項記
    載のマイクロ弁。
  15. 【請求項１５】ダイアフラム（18）を熱流体によりたわ
    ませるための操作手段として、担体層（11）のところに
    加熱抵抗（61）が配置されている、請求項１から12まで
    のいずれか１項記載のマイクロ弁。
  16. 【請求項１６】スペース（15）が入口接続部（17）と接
    続されている、請求項１から15までのいずれか１項記載
    のマイクロ弁。
  17. 【請求項１７】多層構造物が珪素技術により製造され
    る、請求項１から16までのいずれか１項記載のマイクロ
    弁。
  18. 【請求項１８】多層構造物が薄膜技術又は厚膜技術で製
    造されている、請求項１から16までのいずれか１項記載
    のマイクロ弁。
  19. 【請求項１９】燃料噴射弁又はサーボ弁に使用される、
    請求項１から18までのいずれか１項記載のマイクロ弁。
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