JP2877960B2 - 弁装置、特に空気制御用の弁装置 - Google Patents

弁装置、特に空気制御用の弁装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は弁装置、特に空気制御用の弁装置に関す
る。
空気制御法は出力の効率が良く、頑丈で、寿命が長い
ため、広く普及している。最も単純な場合、加圧媒体と
して圧搾空気を用いる電気空気変換器(パイロット弁)
により、気体または液体の流れを調整する空気調整部材
(ピストン、膜)か操作される。どの調整部材にも多少
の洩れ量がある。それ故、エネルギを適当に入れた時に
は、調整部材を放出位置に維持するため、パイロット弁
を開状態に恒久的に留める必要がある。電磁昇降アンカ
ー弁は、操作状態で、例えば1Wの保持出力を必要とす
る。
この発明の課題は、一方の状態から他方の状態へ切り
換えるためにのみエネルギを消費し、選択された状態を
無負荷で維持できる弁装置を提供することにある。
上記の課題は、この発明により、請求の範囲第1項ま
たは第2項の構成により解決されている。この弁装置の
特別な構成は、請求の範囲の従属請求項に提示されてい
る。
この発明による弁装置は、少なくとも二つの弁、導入
弁と排出弁を備えた一つの室で構成されている。導入弁
を用いて、室に連通する調整部材へ加圧媒体(例えば気
体)を導入することを制御している。この調整部材は、
例えば印加された圧力で動くピストンである。排出弁は
加圧媒体が調整部材から排出することを制御するので、
この加圧媒体は初期位置に再び戻る。
この弁装置の特徴は、導入弁が弁座と遮断部材を有す
るマイクロ弁であり、このマイクロ弁が開と閉の切換位
置以外に、これ等の切換位置とは異なる休止位置も占め
る点にある。弁の開と閉の位置は外部手段(例えば圧
力、温度、電圧等)により切り換わるが、遮断部材(例
えば膜)は、外部手段が作用しない場合、つまり開位置
にも閉位置にも保持されない場合に休止位置を占める。
外部手段としては、この意味で一定の最小値を越えた弁
に加わる圧力差とも理解できる。両方の弁は加わった圧
力差により閉じた状態に維持されるように形成されてい
る(例えば第1図の弁を参照)。休止位置では、弁座と
遮断部材の間に隙間が生じる。この隙間は、調整部材や
装置の他の部品での洩れ量が隙間を通して流れる加圧媒
体により相殺されるように設計されている。隙間の間隔
は、請求の範囲第2項により、遮断部材が弁の所定の
(臨界)圧力差にある場合、空気力学的な効果により生
じる加圧媒体の流れにより弁座に対して押圧される、つ
まり自動的に閉じる(閉位置となる)ように小さく選択
される。この隙間は、マイクロ弁を作製する時にシリコ
ン産業の仕上作業と組立技術を利用して非常に簡単に、
しかも再現性良く(例えば乾燥エッチングで)作製でき
る。隙間の間隔は、例えば10〜100μmの間にある。
当然、上記のタイプの多数の導入弁と多数の排出弁を
弁装置内に隣接配置して使用することもできる。同様
に、多数の弁座と遮断部材とを備えた弁も使用できる。
この弁装置は、その作用により二つの切換位置を有する
双安定の3回路・2方路弁の特性を有する(以下、スイ
ッチとも称する)。第一切換位置では、排出弁が閉じて
導入弁が開くか休止位置にある。第二切換位置では、導
入弁が閉じて排出弁が開くか休止位置にある。
請求の範囲第3項の特別な構成では、排出弁も個別の
休止位置を持つマイクロ弁である。
この実施例に基づき、以下では、調整部材としてのピ
ストンを動作させる弁装置の作用を説明する(これには
第2図と第3図を参照)。
導入弁(7)が短時間操作される(開く)と、ピスト
ン(10)の容積は加圧媒体、例えば気体で満たされるの
で、ピストンは初期位置から動き出す。排出弁(8)
(排気弁)の遮断部材は弁座に対して押圧される。つま
り、排出弁は(この排出弁の圧力差により)閉じる。そ
うすると、導入弁を通って入口圧力pinに達するまで気
体が流れる。この場合、導入弁を経由して圧力差が減少
する。次いで、導入弁が閉じる。この弁での圧力降下が
不足すると、遮断部材は弁座の上に載らない。つまり、
休止位置となる。ピストンでの洩れ量は隙間を通過して
流れる気体によって補償される。排出弁は加わった圧力
差により閉じた状態に保持される(pin>pout)。
排出弁(8)を短時間駆動すると、ピストン(10)の
容積は排気される。こうして、導入弁(7)に圧力差が
生じる。遮断部材はその後に流れる気体により弁座に対
して押圧され、自動的に閉じる。ピストンの容積は圧力
poutになるまで空にされる。このピストンは休止位置へ
戻る。排出弁は閉じる。何故なら、この弁には圧力が加
わらないからである(休止位置)。場合によって生じる
この装置の洩れは適当に設計された排出弁の隙間により
相殺される。導入弁は加わわる圧力差により閉じたまま
に維持される。導入弁や排出弁の閉鎖は、当然他の外部
手段によっても目的通りに制御して行われる。使用する
弁の動作原理は、この発明による弁装置の機能に対して
何の役にもならない。例えば磁気、圧電あるいは熱機械
的な駆動原理を有する弁も使用できる。
この発明による弁装置は二つの切換位置の間の切換に
対してのみエネルギを消費し、それぞれ占めている切換
状態を無負荷で維持する。調整部材の加圧媒体の損失は
導入弁の(無負荷の)休止状態で隙間を流れる加圧媒体
により効果的に相殺される。それ故、この弁装置の特別
な利点はエネルギの消費が少ない点にあり、このことは
特に空気制御部に使用する場合、非常に重要である。
請求の範囲第3項により、請求の範囲第4項と結び付
けて導入弁と排出弁を同じように形成すると、二つの切
換位置の間の切換は両方の弁の一方のみを駆動して行え
る。この場合、それ以上のエネルギの消費が必要ない。
以下では、図面と実施例に基づきこの発明による弁装
置の構成をより詳しく説明する。
ここに示すのは、 第1図、導入弁としてこの発明による弁装置に使用さ
れているような、マイクロ弁の模式構造の例、 第2図、この発明による弁措置の例、 第3図、この発明による弁措置の他の例、 第4図、弁装置の時定数を測定する測定構造の模式
図、 第5図、測定の結果、 第6図、導入弁を開く場合の測定曲線、 第7図、排出弁を開く場合の測定曲線、 である。
第1図にはマイクロ弁が模式的に示してある。このマ
イクロ弁はこの発明による弁装置の導入弁に適してい
る。例えばセラミックスのチップ担体(1)上に取り付
けたマイクロ弁は、例えばシリコン基板(2)で構成さ
れている。この基板は第二シリコン体(3)に、例えば
ボンデイングにより接続している。シリコン基板(2)
には遮断部材としての膜(4)がある。この遮断部材に
は第二基板体(3)の貫通穴(弁開口)の周りに形成さ
れた弁座(5)が対向している。膜(4)と弁座(5)
の間には、(例えば乾燥エッチングで)弁を作製する
と、隙間(6)が生じる。弁の僅かな圧力差により膜を
弁座に対して押圧するように隙間を設計する。この押圧
時に弁が閉じる。加わった圧力差(pin>pout)により
閉じた状態に維持される弁を(開くように)駆動する
と、膜は加わった圧力pinに逆らって弁座から持ち上が
る。この場合、弁の開口が開放される。この駆動は種々
の方式で行える。例えば磁気、圧電あるいは熱機械的に
行える。
この発明による弁装置の一例を第2図に示す。導入弁
(1)と排気弁(8)はここでは共通のチップ担体
(1)上に組み込まれている。このチップ担体は導入通
路(圧力pin)と排出通路(圧力pout)を形成するケー
ス(9)内に存在する。このケースにはミニチヤピスト
ン(10)が接続している。このミニチヤピストン(10)
は、導入弁(7)が開く(排気弁が閉じる)と、戻しバ
ネの力に逆らって圧力pinにより上へ動く。ピストンに
より圧力pinに達すると、導入弁は弁を開く駆動を止め
て休止位置を占める。ピストンあるいはケースの洩れ量
は、導入弁の隙間を流れる気体の流れにより相殺され
る。こうして、調整部材の圧力損失が防止される。
導入弁を閉ざして排気弁(8)を開くと、ピストンの
容積が圧力pout(pin>pout)になるまで空になるの
で、ピストンはバネにより初期位置に戻る。
調整部材は、当然ケースの上部に直接組み込むことも
できる。同じように、弁の制御部をチップ担体の上に直
接配置できる。他の実施例(請求の範囲第8項)では、
二つの弁をを共通のチップに組み込んでもよい。
第3図はこの発明による弁装置の他の例を示す。この
装置は第2図で既に説明したように動作する。この実施
例では、導入弁と排出弁は異なったチップ担体(1)の
上に組み込まれ、両方の弁はケース(9)の中に隣り合
わせに配置されている。調整部材(10)はケースの横に
取り付けてある。
この実施例の場合、この発明による弁装置にはマイク
ロ弁があり、これ等の弁は、例えばドイツ特許第441845
0号明細書に開示されているように、熱機械的と熱空気
的に組み合わせた作用原理により動作する。設定された
隙間の間隔は、この実施例の場合、約30μmであった。
全体の弁装置は、約10×10×7mm3である。弁装置のピ
ストンの容積により、切換時間は非常に短い。
第4図は双安定性のスイッチの動特性を調べる測定装
置の構造を示す。ミニチヤピストンの代わりに、温度補
償されたシリコン圧力センサ(11)が接続されている。
シリコン流量センサ(12)により、切換時の気体流量を
測定した(遅延は3ms)。導入導管内の脈流を低減する
ため、0.4リッターの圧力貯蔵部(13)を圧力流量セン
サの前に接続した。
第5図には、種々の入口圧力pinに対する測定値が示
してある。TONは圧力センサ(11)(圧力ps)でpinの値
の90%に達するまでの時間間隔である。これに対してT
offはpsがpinの10%に達するまでの時間間隔である。弁
を開く駆動パルス(パルス)の期間は、この実施例で
は、30〜100msの間にある。
第6図と第7図は2.5バールの入口圧力pinに対する測
定曲線を示す。これ等の曲線は先の部分で説明した切換
過程を示すものである。
第6図は、流量センサを通過する気体流量、あるいは
導入弁を4.5Wの出力と2.5バールの入口圧力で50msの
間、導入弁を駆動した場合の圧力サンサでの圧力上昇
(ps)を示す。
第7図は、流量センサを通過する気体流量、あるいは
導入弁を4.5Wの出力と2.5バールの入口圧力で50msの間
排気弁を駆動した場合の圧力サンサでの圧力降下(ps
を示す。第7図で分かる短い気体流量は排気弁(8)を
駆動した時にスイッチに生じる圧力降下により入口弁
(7)が閉じることを記述している。切換時間に対して
重要なことは、スイッチと調整部材の容積にある。この
スイッチの双方向安定性は第6図と第7図の測定曲線で
明確になる。電気パルスが短すぎるので、圧力は一定時
間の後に初期値に低下する。
切換サイクル(オンとオフ)毎に約1cm3のガスが消費
される。作業気体としては、N2の以外に、ガスカートリ
ッジの中へ入手できるCO2も使用できる。電気エネルギ
の実際の消費が小さい。得られる力と駆動距離は大き
い。
このような弁装置を使用して、例えばマイクロ分析シ
ステムをSiウェハのベース上に組み込むことができる。
センサ素子と共に受動的な構造体のみを分析システムに
組み込む必要がある。能動的な要素(弁とポンプの駆動
部)はハイブリッド構成にして取り付けることができ
る。従って、一方で駆動部は媒体で分離されている。他
方でμmの範囲の構造のために、例えば試料により汚れ
に弱いこの分析システムは比較的簡単に交換できる。そ
れ故、比較的価格的に有利である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クロイツァー・マルティン ドイツ連邦共和国、デー−10715 ベル リン、ベルリナー・ストラーセ、144 (56)参考文献 特開 平5−187574(JP,A) 特開 昭60−208676(JP,A) 特開 平3−84270(JP,A) 米国特許4826131(US,A) 英国公開2155152(GB,A) 国際公開94/4832(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16K 31/00 - 31/11 F16K 7/00 - 7/20

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧力により変化する調整部材への接続部を
    形成する室の導入口にマイクロ弁を、また排出口に他の
    弁を備えた弁装置において、加わった圧力差により閉じ
    た状態に維持されるように両方の弁を形成し、前記マイ
    クロ弁が少なくとも一つの弁座と、開いた切換位置、閉
    じた切換位置およびこれ等の切換位置とは異なる休止位
    置を持つ可動遮断部材とを有し、前記マイクロ弁が開い
    た切換位置にも閉じた切換位置にも保持されていない場
    合に前記休止位置を占め、休止位置では弁座と遮断部材
    の間で隙間が開き、洩れにより室の加圧媒体の損失が隙
    間を流れる加圧媒体によって相殺されるように前記隙間
    が設計されていることを特徴とする弁装置。
  2. 【請求項2】隙間はマイクロ弁で所定の圧力差に達する
    と、遮断部材が自動的に閉じるように設計されているこ
    とを特徴とする請求の範囲第1項に記載の弁装置。
  3. 【請求項3】他の弁は少なくとも一つの弁座と、開いた
    切換位置、閉じた切換位置およびそれ等の切換位置から
    外れた休止位置を持つ可動遮断部材とを有するマイクロ
    弁であり、このマイクロ弁は開いた切換位置にも閉じた
    切換位置にも保持されていない場合に前記休止位置を占
    め、前記休止位置では弁座と遮断部材の間で隙間が開
    き、この隙間は弁の圧力差が所定の値に達すると遮断部
    材が自動的に閉じるように設計されていることを特徴と
    する請求の範囲第1項または第2項に記載の弁装置。
  4. 【請求項4】マイクロ弁は遮断部材を磁気、圧電あるい
    は熱機械的な手段で開いた切換位置に切換可能であるよ
    うに構成されていることを特徴とする請求の範囲第1〜
    3項の何れか1項に記載の弁装置。
  5. 【請求項5】弁は室内の共通のチップ担体上に隣り合わ
    せに配置されていることを特徴とする請求の範囲第1〜
    4項の何れか1項に記載の弁装置。
  6. 【請求項6】弁は室内の別々のチップ担体上に重ねて配
    置されていることを特徴とする請求の範囲第1〜4項の
    何れか1項に記載の弁装置。
  7. 【請求項7】弁の制御部はチップ担体上に組み込まれて
    いることを特徴とする請求の範囲第5項または第6項に
    記載の弁装置。
  8. 【請求項8】弁は一つの共通のチップの中に組み込まれ
    ていることを特徴とする請求の範囲第1〜4項の何れか
    1項に記載の弁装置。
JP8519427A 1994-12-21 1995-12-20 弁装置、特に空気制御用の弁装置 Expired - Fee Related JP2877960B2 (ja)

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