JP4790936B2

JP4790936B2 - 流体制御弁

Info

Publication number: JP4790936B2
Application number: JP2001206054A
Authority: JP
Inventors: 一吉古田; 潤篠原; 正之須田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003021249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体や気体などの流体の流れを制御する装置に関し、特に、上流側の圧力が下流側の圧力に対して陽圧である場合において、液流を上流側の圧力を利用して遮断する流体制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、シリコンウエハの一部を薄くした、いわゆるダイアフラム構造として、このダイアフラムに圧電素子などの駆動素子を貼り付け、ユニモルフとしてダイアフラムを変形させることにより、流路の一部に容量変化を起こして、流体を送流する送流装置が提案されている。
【０００３】
このような送液装置では、方向性のない流体の形状変化を一方向に送流するために、図６に示すように、流路の一部に逆止弁を設けるのが普通であった。この逆止弁は、下流側の圧力が上流側の圧力より大きくなり、流体の逆流が起きたとき、その圧力差で閉まるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記送液装置においては、逆止弁は逆流を防ぐための受動弁であるので、上流側の圧力が下流側の圧力に比べて大きいと常時開放された状態となり、バルブとして機能しないという問題点を有している。また、この問題点を解決するために、ノーマリークロズタイプのバルブが考案された（文献 Masayoshi Esashi, Shuichi Shoji and Akira Nakano, “NORMALLY CLOSEVALVE AND MICROPUMP FABRICATED ON A SILOCON WAFER”； Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS’89), pp29-34 (1989)）。このバルブは、バネ要素によって上流側の圧力に抗し、流れを止めようとするものであるが、上流側の圧力とバルブのバネの抗力とポンプの送流力の力関係で、送流がなされるか否かが決まる。すなわち、上流側と下流側の圧力差をＰd、ポンプの送流力をＰp、バルブのバネ力をＰｖとすると、送流がなされる条件は、これら３つの力の関係が、式（１）のようになった場合であり、式（２）の状態では、送流は起こらず、バルブは閉められた状態となる。
【０００５】
Ｐd ＋Ｐｐ＞Ｐv ・・（１）
Ｐd ＋Ｐｐ＜Ｐv ・・（２）
これら３つの力のうち、ポンプの稼働すなわち、Ｐpの値を変化させることにより式（１）、（２）の状態を意図的に作り出し、送流を行うというのが基本的な制御方法である。ただし、Ｐdは、タンクなどに一定の圧力をかけておく機構を設けておかないと、送流に伴い変化するので、意図に反して、送流を止めきれなかったり、逆に、バネ要素が強すぎるとポンピングの力によるバルブの解放ができなくなったりするという問題を有している。なお、確実に送流を止める方法としては、バルブ部分のアクチュエータを常時稼働させる方法があるが、低消費電力化が重要な要素である小型で持ち歩き可能案な送流機構においては、その機構を利用できない。
【０００６】
この発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、上流側の圧力が下流側の圧力に比べて大きい場合、しかもその圧力差が変化する場合にもその圧力差を利用してポンプの停止時には確実に送流を止め、ポンプを駆動させたときには、確実にバルブを解放できる流体制御弁を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に関わる流体制御弁は、バルブとして流路の途中に穴のあいた遮断壁と浮遊子を配置し、上流側の圧力でバルブを閉める機構を備えたものである。さらに、圧力を効率よく受けながらバルブとしての密閉性をよくし、しかも、バルブを開けやすくするという効果を生じさせるために、浮遊子の形状は、上流側の面積が小さい円錐状とし、円錐の底面の外周部分に薄膜を備えたものである。また、浮遊子がバルブ部から離れないように、遮断壁の下流側に流路穴より大きなストッパーを配置し流路穴を通した連結棒で浮遊子と連結されている構造としている。この場合、ストッパーの遮断壁側には、ストッパーが遮断壁に強く密着しても、送流を妨げないように、切り欠きが設けられている。なお、浮遊子が流路穴離脱しないようにする別の手段として、円錐の側面が接触することで動きを制限する浮遊し止めを備えるという方法もある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる流体制御弁の構造、製造方法、および駆動方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の第１の実施例に関わる流体制御弁の浮遊子を示す斜視図である。また、図２は、本発明の流体制御弁の断面図である。さらに、図３は、本発明の浮遊子の動作状態を示す図である。
【００１０】
浮遊子１０１は、主柱部１０２と薄膜傘部１０４と連結棒１０５とストッパー１０６で構成されている。ここで、浮遊子１０１は、遮断壁２にあけられた流路穴３に通した連結棒１０５によって、主柱部１０２とストッパー１０６で遮断壁２をはさみこむ状態で設置されている。
【００１１】
流体制御弁は、浮遊子１０１とダイアフラム４とアクチュエータ５と遮断壁２とポート６で構成される。浮遊子１０１に対して上流側の圧力が高い時には、図３（ａ）に示すように、圧力が浮遊子１０１にかかり、遮断壁２に主柱部底部１０３と薄膜傘部１０４を押しつける形となり、バルブが閉まった状態となる。この場合、上流側の圧力が高くなればなるほど浮遊子１０１を押しつける力は強くなり、耐背圧性はきわめて高くできる。また、アクチュエータ５を作動させ連結棒１０５を押し上げると、図３（ｂ）に示すように、薄膜傘部１０４と主柱部底部１０３が遮断壁２からはなれ、流路が開放となり、すなわち、バルブが開いた状態となる。ここで、アクチュエータ５が連結棒１０５したがって浮遊子１０１を上流側に押し上げるのであるが、浮遊子１０１の主柱部１０２が円錐状になっているため、上流側の圧力の影響が緩和される。また、薄膜傘部１０４は片持ち梁構造をしているため、浮遊子１０１が押し上げられると下方にたわみ、上流側の圧力の影響が緩和される。この二つの効果によって、アクチュエータ５が浮遊子１０１を上流側に押し上げる力は、小さくてすむようになる。
【００１２】
次に、アクチュエータ５の作動を止めると、浮遊子１０１は上流側の圧力と送流により、再び遮断壁２に押しつけられバルブが閉じられた状態となる。
【００１３】
（実施の形態２）
図３（ａ）に示したのは、浮遊子１０１が押し上げられバルブが押しつけられた状態であるが、上流側の圧力が大きく降下して、アクチュエータ５の力が相対的に大きくなると、浮遊子１０１がさらに押し上げられ、ストッパー１０６が遮断壁２に押しつけられるため、バルブが閉じた状態となってしまうこともある。そこで、ストッパー１０６が遮断壁２に押しつけられた場合に、流路を確保する切り欠き溝７をストッパー１０６に設けた。図４に、ストッパー１０６の斜視図を示す。ここで、ストッパー１０６の形状はこれに限られるものではなく、遮断壁２にストッパー１０６が押しつけられたときに、流路を確保できるような形状ならばよい。
【００１４】
（実施の形態３）
図５に示すのは、この発明の第３の実施例に関わる流体制御弁の構造を示す断面図である。組み付けのしやすさを考慮して浮遊子１０１にストッパー１０６をつけない場合、バルブ開閉の際に浮遊子１０１の連結棒１０５が流路穴３より抜け出してしまうことがある。そこで、浮遊子１０１の流路穴３からの脱落を防止するために、浮遊子１０１の上流側のポート６の内壁に浮遊子止め８を設けた。今回の浮遊子止め８の形状は図５に示すようにポート６の内径と同じ径の外径を持つ管を差し込んで形成したが、ポート６の内部の所定の位置にフィルターを詰めることでも浮遊子止めとすることもできる。また、浮遊し止め８に電磁石を用い、浮遊子素材として永久磁石とすることで、電磁石の力により浮遊子１０１を動かして、バルブを解放することも可能で、この場合は、下流側のアクチュエータ５を省略することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、上流側の圧力が下流側の圧力よりも高い送流機構において、遮断壁の流路穴の上流側に浮遊子を設け、上流側の圧力で流体をせき止める形態としたので、上流側の圧力が変化してももれることなく流体を制御することができる。また、浮遊子の主柱部は円錐形としたので、アクチュエータは僅かな力で浮遊子を押し上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体制御弁浮遊子の斜視図
【図２】本発明の流体制御弁の断面図
【図３】本発明の浮遊子の動作状態を示す図
【図４】本発明のストッパーの斜視図
【図５】本発明の管内壁にストッパーを形成した場合の断面図
【図６】従来の逆止弁の構造を示す模式図
【符号の説明】
１０１浮遊子
１０２主柱部
１０３主柱部底部
１０４薄膜傘部
１０５連結棒
１０６ストッパー
２遮断壁
３流路穴
４ダイアフラム
５アクチュエータ
６ポート
７切り欠き溝
８浮遊子止め（ストッパー）

Claims

液体もしくは気体などの流体を送流する機構を有する送流装置において、
流路の一部を遮る遮断壁と、
前記遮断壁に開けられた流路穴と、
一の部位が前記流路穴に対して上流側にあり、前記流路穴を開閉する浮遊子と、
前記上流側の圧力に抗して前記浮遊子を前記上流側に移動させる浮遊子移動機構とを有し、
前記浮遊子は、前記一の部位が前記上流側から前記流路穴を覆うときに前記上流側と前記流路穴に対して下流側とを閉鎖し、前記一の部位が前記流路穴から離れるときに前記上流と前記下流とを連通し、
前記浮遊子移動機構は、前記下流側にダイアフラムを備え、前記ダイアフラムを駆動させた時、前記流路穴を通る前記浮遊子の二の部位が、前記ダイアフラムに接触し、前記浮遊子を前記上流側に移動させ、前記一の部位が前記流路穴から離れて前記上流と前記下流とを連通することを特徴とすることを特徴とする流体制御弁。
前記浮遊子移動機構は、アクチュエータにより、前記ダイアフラムを駆動させることを特徴とする請求項１に記載の流体制御弁。
前記浮遊子は、
円錐状の主柱部と、
前記主柱部の底面より大きな面積を有し、前記主柱部の底面に付加された薄膜傘部と
を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の流体制御弁。
前記浮遊子の前記上流側への移動量を規制する移動量規制機構を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体制御弁。
前記移動量規制機構は、前記下流側の前記遮断壁に接触する面を有する接触部を備え、
前記接触部は、流路穴よりも大きな面積をもち、前記遮断壁に接触する面の一部に切り欠きを有することを特徴とする請求項４に記載の流体制御弁。