JP6046268B2 - マイクロバルブデバイス及びバルブアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、より具体的に、ＭＥＭＳ技術に基づくマイクロバルブデバイス及びバルブアセンブリに関する。

マイクロバルブデバイスは、微小流体制御において肝心なデバイスに属し、生物、医療、冷凍等の分野に幅広く適用されている。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づくマイクロバルブデバイスは、制御精度が高く、コストが低く、量産可能、安定性及び信頼性が良い等の利点がある。

流体制御において、マイクロバルブデバイスはメインバルブを制御するパイロットバルブとして用いられ、メインバルブの開度に対する精密制御を実現し、流体の流動を制御する目的を達成する。

中国特許Ｎｏ.２００５８００１１０９０.３、Ｎｏ.２００７８００４６４５７.４、米国特許Ｎｏ.６５２３５６０、Ｎｏ.７０１１３７８及びＮｏ.６７６１４２０等には、一つだけの流体ポートがメインバルブに連通することを特徴とする、パイロットバルブとして用いられたマイクロバルブデバイスが開示された。パイロットバルブはメインバルブを制御し、流体制御を実現する過程に、基準参考圧力を提供する必要があり、且つパイロットバルブの制御ポートの排出圧力とこの基準参考圧力との相互関係によって、主流体の流通・遮断或いはその流量を制御した。

基準参考圧力は、絶対圧力値として、一般的にマイクロバルブデバイスの外部から提供され、例えば、実際の製品においてはよくバネ等の手段で基準参考圧力を発生させる。しかし、このような手段を使用すると、老朽化、故障などの状況を発生する可能性があり、基準参考圧力にずれひいては失効が発生する。

本発明の一つの実施例の一つの目的は、少なくとも二種類の、異なる圧力或いは流量を有する流体が同時に排出できる、ＭＥＭＳ技術に基づく能動式のマイクロバルブデバイスを提供することにある。該マイクロバルブデバイスは、メインバルブを制御するパイロットバルブとして用いられ、該パイロットバルブから排出された少なくとも二種類の流体は相対的な差圧を有することで、メインバルブ流路を通過した流体の流通・遮断或いは流通比率が確実的に制御できるようにし、流量を制御する目的を実現する。

本発明の一つの実施例によりマイクロバルブデバイスを提供する。このマイクロバルブデバイスは、チャンバを画定し、前記チャンバと連通するソースポート及び少なくとも二つの制御ポートを備える本体と、第１位置と第２位置との間に切換えることによって、前記少なくとも二つの制御ポートのそれぞれと前記ソースポートとの間の連通或いは遮断を単独で制御する少なくとも二つの可動部材とを備え、可動部材のそれぞれが前記第１位置にあるきと、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記ソースポートに連通でき、可動部材のそれぞれは前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートと前記ソースポートとの間の流体通路が前記可動部材により遮断される。

一つの実施例において、前記少なくとも二つの可動部材の移動をそれぞれ単独で制御することにより、前記少なくとも二つの制御ポートは異なる流量と圧力とを有する流体を排出できる。

一つの実施例において、前記本体は、順次に積み重ねた基板層と、中間層及びカバープレート層を備え、前記中間層はフレーム式構造であり、前記基板層と前記カバープレート層とともに前記チャンバを画定する。

一つの実施例において、前記本体は少なくとも一つの回流ポートをさらに備え、前記二つの可動部材のそれぞれが前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記少なくとも１つの回流ポートに連通する。

一つの実施例において、前記ソースポートと前記制御ポートはみな前記基板層に位置する。

一つの実施例において、前記回流ポートが前記基板層に位置する。

一つの実施例において、前記可動部材は、前記基板層或いは前記カバープレート層の表面に垂直した方向における厚さが前記中間層の厚さと略同じである。

一つの実施例において、前記少なくとも二つの可動部材のそれぞれを、前記第１位置或いは前記第２位置に位置させるように、前記少なくとも二つの可動部材を単独でそれぞれ制御するアクチュエータをさらに備える。

一つの実施例において、前記アクチュエータは、一端が前記中間層に固定され、他端が前記可動部材に接合し、前記可動部材を、前記基板層或いはカバープレート層の表面に平行した方向に前記チャンバ内を摺動させるように駆動する。

一つの実施例において、前記アクチュエータは、複数のフィルム電極を有する圧電アクチュエータであり、前記フィルム電極は前記基板層或いはカバープレート層の表面に平行した方向に積み重ねる。

一つの実施例において、前記可動部材は、前記制御ポートと前記回流ポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記制御ポートと前記回流ポートとの間に設置された第１の部分と、前記制御ポートと前記ソースポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記ソースポートに接近する第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の二つの端部を接続してフレーム状構造を構成する接続部分と、を有し、前記フレーム状構造になった可動部材は前記基板層と前記カバープレート層に合わせて前記チャンバ内にサブチャンバを画定する。

一つの実施例において、前記可動部材は前記第１位置にあるとき、対応した前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバに対応した領域に位置し、前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバを介して連通する。

一つの実施例において、前記回流ポートの両側において、前記カバープレート層の裏面に連通凹部を有し、前記可動部材が前記第２位置にあるとき、前記可動部材の第１部分が前記連通凹部に対応した箇所に位置し、前記制御ポートと前記回流ポートとの間は前記可動部材の第１の部分と前記連通凹部との間の隙間を介して連通する。

一つの実施例において、ソースポート/制御ポートペアを形成するようにそれぞれの制御ポートに１つの前記ソースポートを設置し、可動部材のそれぞれが前記第１位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が連通され、可動部材のそれぞれが前記第２位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートのペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が遮断される。

一つの実施例において、前記ソースポートに対応した領域において、前記カバープレート層の裏面にバッファー凹部を有する。

一つの実施例において、カバープレート層と基板層のうち少なくとも一方が中間層と密着され或いは一体に形成される。

一つの実施例において、中間層はシリコンによって形成され、カバープレート層と基板層はシリコン或いはホウケイ酸ガラスによって形成される。

一つの実施例において、前記本体は二つの制御ポートを有する。

本発明におけるもう一つの実施例は、前記いずれか一つの実施例に記載のマイクロバルブデバイスと、メインバルブとを備えるバルブアセンブリを提供する。前記メインバルブは、メインバルブ本体とバルブコアとを備え、前記メインバルブ本体は、第１の方向に沿ってメインバルブ本体を貫通した主流路と、前記第１の方向と交差した方向に沿ったシュートとを有し、前記バルブコアは、前記第１の方向に平行した方向に沿ってバルブコアを貫通した貫通穴を有し、前記メインバルブ本体のシュートに設置される。前記マイクロバルブデバイスの一方の制御ポートはシュートの第１端部がりに連通し、前記マイクロバルブデバイスの他方の制御ポートはシュートの前記第１端部に反対する第２端部に連通し、前記バルブコアを前記シュート内に運動させるように駆動する。

一つの実施例において、前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路に揃った時、前記主流路が開放され、前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路からずれた時、前記主流路が遮断される。

本発明の実施例の技術案をより明らかに説明するために、以下実施例の図面を簡単に説明する。無論、以下の図面は本発明におけるいくつかの実施例のみに関し、本発明を制限しない。
本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおける可動部材と、ソースポート及び制御ポートとの関係を示す概略図である。 本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおける可動部材と、ソースポートと制御ポート及び回流ポートとの関係を示す概略図である。 本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスの構造概略図である。 本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおける可動部材の平面概略図である。 本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスの動作原理を説明する概略図である。 本発明による実施例におけるバルブアセンブリを示す構造概略図である。

本発明における実施例の目的、技術案及び利点をさらに明らかにするように、以下は本発明における実施例の図面に基づき、本発明の実施例の技術案を明らかで完備に説明する。もちろん、説明する実施例は本発明の一部の実施例であり、すべての実施例ではない。説明する本発明の実施例に基づいて、当業者にとって創造的な労働が必要しない前提で得られるすべてのほかの実施例は本発明が保護する範囲に属する。

本発明における実施例は、本体を備えるマイクロバルブデバイスを提供する。該本体内にチャンバが画定され、本体はソースポート及び少なくとも二つの制御ポートを含む。ソースポート及び制御ポートはチャンバに連通できる。また、該マイクロバルブデバイスは少なくとも二つの可動部材をさらに備え、且つ該少なくとも二つの可動部材は、上記少なくとも二つの制御ポートのそれぞれとソースポートとの連通或いは遮断状態をそれぞれ制御するものである。それぞれの可動部材は二箇所、即ち第１位置と第２位置に移動できる。それぞれの可動部材が第１位置にあるとき、制御ポートとソースポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して連通できる。それぞれの可動部材は前記第２位置にあるとき、制御ポートとソースポートの間の流路は前記可動部材により遮断される。図１はマイクロバルブデバイス１における可動部材と、ソースポートと制御ポートとの関係図を示す。図面から分かるように、それぞれの制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断状態は対応した可動部材によって単独で制御される。

一つの例において、マイクロバルブデバイスの本体は、順次に積み重ねた基板層と、中間層及びカバープレート層によって形成される。中間層はフレーム状構造であるため、マイクロバルブデバイスの本体内部に上記チャンバを画定するように基板層及びカバープレート層に組合せる。中間層は基板層及び/或いはカバープレート層に密着的に組合せ、或いはそれらと一体的に形成できる。制御ポート及びソースポートは基板層に設置できるため、チャンバとの連通を実現できる。

一つの例において、マイクロバルブデバイスはアクチュエータをさらに備え、それぞれの可動部材はアクチュエータによって単独で駆動される。従って、本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおいて、上記少なくとも二つの制御ポートにおけるそれぞれの制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断状態は単独で制御できる。これにより、少なくとも二つの制御ポートの間に、同じの或いは異なる流量または圧力を有する流体が排出できる。

本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおける可動部材を駆動するアクチュエータについて、特に限定しないが、例えば、アクチュエータとして、圧電アクチュエータ、熱アクチュエータ、静電気アクチュエータ、電磁アクチュエータ或いはほかの任意好適なアクチュエータを採用できる。

一つの例において、アクチュエータは所定の周波数でそれぞれの可動部材を駆動し、第１位置と第２位置との間に切換える。それぞれのアクチュエータに異なる周波数を付与すると、それぞれの制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断状態が異なる周波数で切り換えるので、異なる制御ポートが排出した流体の流量及び圧力が精密に制御できる。

また、図１に示した例において、制御ポート毎に一つのソースポートが配置される。つまり、少なくとも二つのソースポート/制御ポートペアを形成するように、ソースポート及び制御ポートが一対一のように対応して設置される。上記可動部材はそれぞれのソースポート/制御ポートペアのうちソースポートと制御ポートとの間の連通又は遮断状態を単独で制御できるため、それぞれの制御ポートから排出した流体の流量及び圧力を制御できる。なお、図１にそれぞれの制御ポートに対して一つのソースポートが設置された様態が開示されるが、本発明の実施例はこれに限らない。それぞれの制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断状態は可動部材によって単独で制御できれば、複数の制御ポートは一つ或いは複数のソースポートをシェア可能である。

例えば、マイクロバルブデバイスを使用する時、マイクロバルブデバイスのソースポートは流体ソースに接続でき、マイクロバルブデバイスの制御ポートは、流体の入力が必要である対象或いは制御対象（例えば、メインバルブ）に接続できる。ソースポートと制御ポートの間に流体が連通するように可動部材を制御するとき、ソースポートから入力された流体が制御ポートから排出できる。

図２は本発明の実施例によるほかの例の概略図を示す。図２から分かるように、本発明の実施例によるマイクロバルブデバイス２は、流体ソースに連通できる回流ポートをさらに備えてもよい。可動部材はソースポートと制御ポートとの間の連通、遮断状態を制御できるだけではなく、制御ポートと回流ポートとの間の連通、遮断状態も制御できる。具体的に、可動部材が第１位置にあるとき、ソースポートと制御ポートとの間が連通されるが、制御ポートと回流ポートとの間に遮断されるため、流体がソースポートからチャンバに流入し、制御ポートから出力される。可動部材が第２位置にあるとき、ソースポートと制御ポートとの間が遮断されるが、制御ポートと回流ポートとの間が連通されるため、流体が制御ポートと回流ポートとを介して流体ソースに回流する。

なお、図１及び図２は該マイクロバルブデバイスの構造図ではなく、ただマイクロバルブデバイス１、２におけるある部品間の関係図を示す。マイクロバルブデバイスにおける異なる制御ポートを単独で制御することが実現できる場合、本発明による実施例には、各種の好適な構造を有する本体と、流体ポートと、可動部材及びアクチュエータを採用できる。本発明の実施例による例示的な構造は以下の実施例に説明する。

可動部材が制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断に対する制御様態、或いは制御ポートと回流ポートとの間の連通又は遮断に対する制御様態について特に限定しない。例えば、可動部材は、流体ポートを覆うと覆わない二つの状態の間に切換えることによって、上記制御を実現してもよいし、或いは、ポートの間のチャンバ部分を遮断する様態でポートの間の流体連通を遮断し、可動部材が上記箇所から変位すると、ポートの間の流体通路を連通してもよい。

一つの例において、可動部材はマイクロバルブデバイス本体の表面（基板層或いはカバープレート層の表面）に垂直した運動様態（縦方向運動様態）が採用できる。縦方向運動様態において、制御ポートが遮断されると、ポートは可動部材（或いはアクチュエータ自体）に覆われる。制御ポートとソースポートとが連通されると、可動部材は、マイクロバルブデバイス本体の表面に垂直した方向に、ポートと所定の距離を離間し、流体が流動するための隙間を残しておく。例えば、アクチュエータは圧電アクチュエータである場合、縦方向運動様態で作動すると、圧電アクチュエータの異なるフィルム電極はマイクロバルブデバイス本体の表面に垂直した方向に積み重ねられる。従って、圧電アクチュエータの電極層に電気信号を付与すると、圧電アクチュエータは縦方向に運動できる。また、本発明はマイクロバルブデバイス本体の表面に平行した運動様態に適用した構造をさらに提出し、該運動様態或いは構造は、上記縦方向運動様態に比べ、よりよい技術効果が取得できる。この構造及びその関わる技術効果について以下の実施例において詳細に説明する。

図３は本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスの構造を示し、そのうち、（ａ）は断面概略図であり、（ｂ）は平面概略図である。なお、本実施例は本発明によるもう一つの具体的な例であり、上記実施例１に説明した特徴は本実施例に適用してもよいし、或いは本実施例と適当に組み合わせてもよい。説明の便宜上、上記実施例１と同じ内容は本実施例において適当に簡略化或いは省略する。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、マイクロバルブデバイスは、カバープレート層１０１と、中間層１０２及び基板層１０３を備える。順次に積み重ねたカバープレート層１０１と、中間層１０２及び基板層１０３はマイクロバルブデバイスの本体を形成する。中間層１０２はフレーム状構造に形成できるため、マイクロバルブデバイス本体の内部にチャンバ３０３を画定する。

図３に示すように、カバープレート層１０１の裏面（チャンバ３０３に向ける表面）に複数の凹部２０１、２０２及び２０３（各々凹部の機能は後で説明する）を含む。また、マイクロバルブデバイス本体のチャンバ内に二つの可動部材３０２をさらに含む。例えば、可動部材３０２はチャンバ内においてカバープレート層１０１或いは基板層１０３に平行した平面を摺動できる。基板層１０３は第１のソースポート４０１と、第２のソースポート４０５と、第１の制御ポート４０２と、第２の制御ポート４０４及び共通した回流ポート４０３を含む。第１のソースポート４０１及び第１の制御ポート４０２は第１のソースポート/制御ポートペアを構成し、第２のソースポート４０５及び第２の制御ポート４０４は第２のソースポート/制御ポートペアを構成する。

それぞれのソースポート/制御ポートペアでは、ソースポートは流体ソースに連通できるが、制御ポートは制御対象（例えばメインバルブ等）に必要な流体圧力等を付与するように制御対象に連通できる。また、圧力をリリース或いは調整するとき、付与された流体は制御ポートを通した後、回流ポートを通して流体ソースに回流する。従って、回流ポートも流体ソースに連通できる。

該実施例における可動部材３０２は（例えば第１位置と第２位置との間に）移動できるので、それぞれのソースポート/制御ポートペアを単独で制御する。例えば、可動部材が第１位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートペアのうちソースポートと制御ポートとはチャンバ３０３の少なくとも一部を介して連通できる。従って、流体ソースで付与された流体は制御ポートを介して排出できる。可動部材が第２位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートペアのうちソースポートと制御ポートとの間の流路は可動部材３０２に遮断される。従って、制御ポートからの流体の排出が停止される。このとき、制御ポートと回流ポートとの間は連通できるため、その前に制御ポートを介して排出された流体は再び制御ポート及び回流ポートを介して流体ソースに回流できる。

それぞれの可動部材３０２では、独自のアクチュエータ（図示しない）によって駆動されるため、それぞれの制御ポートとソースポートとの間の連通又は遮断を単独で制御できる。

一つの例において、アクチュエータの両端はそれぞれ中間層１０２と可動部材３０２に接続できる。例えば、中間層１０２においてアクチュエータの一端を接続するための部分は固定アンカー領域３０１と称する。中間層１０２とカバープレート層１０１及び/或いは基板層１０３は密着され或いは一体に形成されるため、アクチュエータの固定アンカー領域３０１として用いられる。無論、アクチュエータの固定アンカー領域３０１は、フレーム状構造である中間層１０２とは別に存在する他の層で構成してもよく、本発明の実施例はこれに対して特に限定しない。

中間層１０２は、カバープレート層１０１と、基板層１０３と、或いはそのうちの一つとウェハボンディングの方法（溶融ボンディング、陽極ボンディング、金・ケイ素ボンディング、粘着ボンディング等の方法を含むが、これに限らない）で密着される。可動部材３０２とアクチュエータと（例えば、片持ち構造）はみな浮上する状態であり、可動であり、カバープレート層１０１と、基板層１０３とは密に接触しない。アクチュエータは、可動部材３０２を駆動してチャンバ３０３内に例えば予定の周波数で速やかに運動させることができ、ソースポート/制御ポートペアを連通又は遮断状態の間で速やかに切換させることにより、制御ポートが排出した流体の流量或いは流体の圧力を精密に制御できる。

本発明による実施例において、二つの可動部材３０２はそれぞれ第１の及び第２のソースポート/制御ポートペアを制御する（一つの可動部材は第１のソースポート/制御ポートペアに対応するが、もう一つの可動部材は第２のソースポート/制御ポートペアに対応する）ため、二つのソースポート/制御ポートペアの連通又は遮断状態を単独で制御できる。従って、それぞれの制御ポートから排出した流体の流量及び圧力を別々に単独で制御できる。この場合、同じ或いは異なる流量或いは圧力のある流体を排出できる。

異なる制御ポートをそれぞれ単独で制御できれば、本発明の実施例によるソースポートと、制御ポートと、回流ポート及び可動部材の具体的な様態には特に限定されない。

例えば、一つの例において、図３に示すように、第１のソースポート４０１と、第１の制御ポート４０２と、回流ポート４０３と、第２の制御ポート４０４及び第２のソースポート４０５は基板層１０３中に形成され、基板層１０３を貫通する。上記ポート４０１、４０２、４０３、４０４及び４０５は図３において左から右に順次に並列される。回流ポート４０３は二つのソースポート/制御ポートペアに共用される。回流ポート４０３の両側において対応された領域に、カバープレート層１０１の裏面に二つの連通凹部２０２を含む。

図４は一つの可動部材３０２（図３に右半部分の可動部材）の平面図を示す。図４に示すように、それぞれの可動部材３０２は、回流ポート４０３と制御ポート４０４との間の連通又は遮断状態を制御するための第１の部分３０２１と、制御ポート４０４とソースポート４０５との間の連通又は遮断状態を制御するための第２の部分３０２２とを含む。また、それぞれの可動部材３０２は、第１の部分３０２１と第２の部分３０２２とを接続して形成されたフレーム状構造の接続部分３０２３を含むようにしてもよい。フレーム状構造の可動部材は、基板層１０３とカバープレート層１０１に組み合わせ、前記チャンバ内にサブチャンバを画定する。可動部材３０２はマイクロバルブデバイス本体のチャンバ内に設置され、その厚さは中間層１０２と略同じであり、チャンバ３０３内を摺動できる。図４に制御ポート４０３、４０４、４０５の可動部材のみが示される。ポート４０１、４０２と、ポート４０５、４０４とはマイクロバルブデバイスの中心線に関して対称に設置されるため、ポート４０１、４０２、４０３を制御するための可動部材３０２と図４に示した可動部材とはマイクロバルブデバイスの中心線に関して対称に設置できる。ここでさらに説明しない。

一つの例において、図３に示すように、ソースポート４０１、４０５に対応した領域に、カバープレート層１０１の裏面にバッファー凹部２０１、２０３を設置してもよい。これにより、流体ソースからソースポートを通してマイクロバルブデバイスチャンバに入った流体のショックを緩和できる。

以下、図５を参照して上記実施例の構造を有するマイクロバルブデバイスの基本的な動作原理を説明する。図５はマイクロバルブデバイスの二種類の動作モードを示す。図５（ａ）は加圧モードであり、図５（ｂ）は回流モードである。図５における（ａ）、（ｂ）には、みな断面図と平面図が示されている。また、図面を簡略化かつ明確化にするため、各部品の符号を省略するが、Ｓ１、Ｓ２でソースポートを示し、Ｃ１、Ｃ２で制御ポートを示し、Ｂで回流ポートを示す。可動部材３０２が図５（ａ）に示した箇所（第１位置）に運動したとき、制御ポートＣ１とソースポートＳ１はチャンバ３０３の一部を介して連通され、制御ポートＣ２とソースポートＳ２はチャンバ３０３の一部を介して連通される。従って、所定の圧力を有する流体はソースポートＳ１、Ｓ２から流入し、制御ポートＣ１、Ｃ２から排出し、マイクロバルブデバイスが加圧モードで作動する。可動部材３０２が図５（ｂ）に示した箇所（第２位置）に移動したとき、ソースポートＳ１、Ｓ２から流入した流体が遮断され、制御ポートＣ１、Ｃ２の流体が共通の回流ポートＢからトレーンされ、マイクロバルブデバイスが回流モードで作動する。図５（ａ）、（ｂ）には二つの制御ポートはみな加圧モード或いは回流モードで作動している例が示されるが、本発明による実施例における二つの制御ポートは各々の可動部材によって単独で駆動できるため、一つの制御ポートは加圧モードで作動し、もう一つの制御ポートは回流モードで作動する場合もある。

より具体的に、上記実施例の構造を有するマイクロバルブデバイスでは、可動部材３０２は第１位置にあるとき、図５（ａ）に示すように、可動部材３０２の第２の部分３０２２はソースポートＳ１、Ｓ２の外側に位置するが、第１の部分３０２１は制御ポートと回流ポートの両側の連通凹部の間に位置するため、ソースポートと制御ポートを連通させる。つまり、対応した制御ポートはソースポートと共にフレーム状構造の可動部材によって形成されたサブチャンバの領域内に位置するため、対応した制御ポートとソースポートが該サブチャンバによって連通される。可動部材３０２が第２位置にあるとき、図５（ｂ）に示すように、可動部材３０２の第１の部分はソースポートを覆うため、ソースポートから流体の流入が遮断され、第２の部分が回流ポート両側の連通凹部の下に位置する。連通凹部の幅は第２の部分より広いため、制御ポートと回流ポートとの間は可動部材３０２と連通凹部との間の隙間によって連通できる。

図面に示されたマイクロバルブデバイスの左右部分は二つの独自のアクチュエータで別々に駆動され、二つのアクチュエータに異なるデューティー比を有する高周波信号を付与すると、制御ポートＣ１と制御ポートＣ２は異なる流量と圧力を有する二種類の流体を排出し、二つの制御ポートとの間から出力された差圧を調整できる。二つのアクチュエータに完全に同じ信号を付与すると、第１の制御ポートＣ１と第２の制御ポートＣ２は二つの等圧流体信号を出力する。上記動作原理に基づき、本発明の実施例によれば、完全に制御可能な、差圧のあるまたは等圧の流体信号を出力できるマイクロバルブデバイスを実現できる。

実施例１に言及したように、本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスの可動部材は縦方向運動の様態、即、マイクロバルブデバイス本体各層の表面に垂直に運動する様態を採用できるため、各流体ポートの間の連通に対する制御を実現する。図３〜５を参照して説明した実施例に示されるように、本発明の実施例は横方向運動の様態を提出し、つまり、ソースポートと、制御ポート及び回流ポートとの間の連通及び遮断状態の制御について、上記実施例において、可動部材の横方向運動（マイクロバルブデバイスのカバープレート層及び/或いは基板層平面に平行した方向の運動）で実現する。この場合、前記アクチュエータは横方向の駆動を提供する必要がある。可動部材を駆動する過程に、アクチュエータの横方向における伸縮で発生した変位によって可動部材を駆動するため、各流体ポートの開放面積を制御する。このようなアクチュエータの横方向駆動による可動部材を設計するのは、アクチュエータによる変位には限界があるため、アクチュエータは横方向に伸縮すると、流通面積を増加するように流体ポートの長さを増加できるという。従って、流体は制御ロジックにより、各ポートの間を流通するとき、效果的に流通面積と流量を増加すると共に、圧力が快速に低下することを避け、十分に冷凍等の分野における実際の需要に満足できる。また、ポートが開放される状態で、このような設計により流体が圧力によりアクチュエータを直接にショックすることを避ける。例えば、アクチュエータは積層式圧電アクチュエータである場合、該積層式圧電アクチュエータにおける異なるフィルム電極が積層した方向は基板層平面に平行した方向であり、つまり、積層式圧電アクチュエータにおける異なるフィルム電極は基板層平面に平行した方向に交替的に積層される。

なお、可動部材の運動様態は以上のように説明した縦方向運動様態及び横方向運動様態に限らず、各ポートの間の連通状態を制御できれば、ほかの任意の好適な運動様態を採用できる。そして、各種の運動様態で可動部材を駆動するアクチュエータのスタイルは特に限らず、以上のように説明した実施例１におけるものであってもよい。

前記実施例において、二つのソースポート/制御ポートペアは一つの回流ポートを共用するとともに、回流ポートの両側にそれぞれ連通凹部を設置する。しかしながら、回流ポートを一つ以上設置してもよい。例えば、それぞれのソースポート/制御ポートペアに対して一つの回流ポートを設置する。この場合、連通凹部を設置しなくてもよい。例えば、回流モードが必要するとき、回流ポート及び制御ポートは可動部材が構成したサブチャンバ内に位置できるので、回流ポートと制御ポートとの間に連通する。また、ソースポートと、制御ポート及び回流ポートが並列する順列に対して、本発明による実施例は図に示した順列に限らず、同じ或いは異なる流体の流量或いは圧力を排出するように単独で異なる制御ポートを駆動することができれば、各種の順列を採用して設置されてもよい。上記実施例における基板層のポートは並行で並列された。それらのポートと可動部材はほかの様態で設置してもよく、お互いの構造様態とロジック関係が変わらない。

本発明による実施例において、マイクロバルブデバイスとメインバルブを備えるバルブアセンブリを提供する。図６は本発明による実施例におけるバルブアセンブリの概略図である。図６を参照しながら、本発明による実施例におけるバルブアセンブリの構造及びマイクロバルブデバイスによってメインバルブを制御する原理について説明する。

本実施例によるバルブアセンブリにおけるマイクロバルブデバイス１０には、上記いずれの実施例におけるマイクロバルブデバイスが使用できる。マイクロバルブデバイスの構造についてここでさらに説明しない。また、本発明による実施例はバルブアセンブリのメインバルブ２０について特に限定されない。例えば、メインバルブ２０はメインバルブ本体２０１とバルブコア２０３を備えられる。メインバルブ本体２０１において、第１の方向（図６に主流体方向が示した矢印方向）を貫通するメインバルブ本体の主流路と、第１の方向と交差する方向（図６に示した方向は第１の方向に対して略垂直した方向であるが、本発明はここに限らない）に沿ったシュート２０２とを備える。バルブコア２０３に貫通穴２０４が備えられる。貫通穴２０４は第１の方向に対して平行した方向に沿ってバルブコア２０３を貫通できる。バルブコア２０３はメインバルブ本体２０１のシュート２０２を摺動でき、バルブコア２０３の貫通穴２０４がメインバルブ本体２０１における主流路と揃った時、主流路が開放される。バルブコア２０３の貫通穴２０４はメインバルブ本体２０１における主流路とずれた時、主流路が遮断される。

図６に示すように、マイクロバルブデバイスの第１の制御ポートＣ１はメインバルブシュートのＰ１端に連通し、マイクロバルブデバイスの第２の制御ポートＣ２はメインバルブシュートのＰ２端に連通する。マイクロバルブデバイス１０はパイロットバルブとして作動する時、第１の制御ポートＣ１と第２の制御ポートＣ２はそれぞれ二つの流体信号を出力してメインバルブ２０のＰ１、Ｐ２端に付与する。Ｐ１端における流体圧力とバルブコア２０３の重力との和がＰ２端における流体圧力より大きくする時、バルブコア２０３は下に運動する。Ｐ１端における流体圧力とバルブコアの重力との和がＰ２端における流体圧力より小さくする時、バルブコア２０３が上に運動する。Ｐ１端における流体圧力とバルブコアの重力との和がＰ２端における流体圧力と同じである時、バルブコア２０３は静止的な浮上状態を実現できる。バルブコア２０３の中部において左右に連通した貫通穴２０４を有する。図６に示すように、バルブコア２０３は貫通穴２０４と主流路とが揃った箇所に運動した時、主流路が開放されるとともに、主流体が流通する。バルブコア２０３はほかの位置に運動した時、主流路が閉鎖されるとともに、主流体が遮断される。従って、マイクロバルブデバイス１０はパイロットバルブ２０として、メインバルブ２０を制御し、メインバルブの流通又は遮断を制御する機能を実現できる。また、メインバルブ本体２０１の主流路とバルブコア２０３の貫通穴２０４の重合程度により、主流体の流量の大きさを制御してもよい。

図６において、メインバルブは垂直に設置されるが、本発明による実施例はこれに限らない。本発明の実施例によるバルブアセンブリにおけるメインバルブは水平で或いはそれ以外の方向で設置されてもよい。それ以外の様態で設置されるときにも、制御方法は図６に示した実施例と同じであるため、ここでさらに説明しない。

メインバルブのシュートは側壁が滑らかであるため、バルブコアがシュート内を極めて敏感に摺動できる。Ｐ１、Ｐ２端の圧力が調整できるので、Ｐ１、Ｐ２端の圧力を調整する分解能によって、バルブコアがシュートにおける変位が決められる。これにより、高感度のバルブコア変位制御を実現できる。マイクロバルブデバイスはパイロットバルブとしてメインバルブを制御し、バルブコアとメインバルブ流路が連通して揃った面積により、主流体流量に対する比率調整が実現できる。

シリコンマイクロ機械構造の特徴により、本発明に関わるマイクロバルブデバイスは高い動作周波数と速い動作応答を実現する。また、デバイス自体は少ないエネルギーを消耗し、エネルギー消費が低い。

なお、本発明に関わるマイクロバルブデバイスは、開回路と閉回路との二種類の動作様態で作動できる。制御ポートが発生した流体の流量或いは圧力を電気信号に転換し、フイードバック信号として駆動電気信号を発生する機構に提供すれば、閉回路の調整と制御が形成、マイクロバルブデバイスを閉回路の動作様態に動作させる。一方、このフイードバック通路が遮断される状態にあると、マイクロバルブデバイスが開回路の動作様態で作動する。

本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスは、ＭＥＭＳ製造技術によって製造できる。例えば、中間層はシリコンによって形成でき、カバープレート層と基板層はシリコン或いはホウケイ酸ガラスによって形成できる。また、図３〜５の実施例において二つの制御ポートが示されるが、本発明の実施例は二つ以上の制御ポートを有してもよく、且つ少なくとも二つの制御ポートが単独で制御される。

また、本発明の実施例によるマイクロバルブデバイスにおいて、可動部材３０２は一つ或いは複数の貫通穴を備える。例えば、第２の部分３０２２が貫通穴を備える。可動部材３０２が第２位置（ソースポートと制御ポートとの間が遮断される）にある時、該貫通穴がバッファー凹部２０１或いは凹部２０３に揃える。また、可動部材３０２の各部分の寸法について、当業者は必要に応じて適当に設定できる。例えば、可動部材３０２の第２の部分３０２２がソースポートを覆う様態でソースポート及び制御ポートとの間の連通を遮断するために、第２の部分３０２２の寸法はソースポートの寸法より大きい必要がある。しかしながら、ほかの様態で遮断する、例えば、第２の部分３０２２が図５（ｂ）においてソースポートＳ１の右側或いはソースポートＳ２の左側に移動した場合、上記寸法関係を採用しなくてもよい。

なお、各々のポートを制御する可動部材は、アクチュエータにより駆動できる。或いは、可動部材自体はアクチュエータ或いはアクチュエータの一部分であってもよく、本発明の実施例がこれに対して特に限定しない。

以上のように説明したのは本発明の典型的な実施様態であり、本発明の保護範囲を限定するつもりではなく、本発明の技術的範囲は添付する請求の範囲によって決められる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］チャンバを画定し、前記チャンバに連通するソースポート及び少なくとも二つの制御ポートを備える本体と、
第１位置と第２位置との間に切換えることによって、前記少なくとも二つの制御ポートのそれぞれと前記ソースポートとの間の連通或いは遮断を単独で制御する少なくとも二つの可動部材と、を備えるマイクロバルブデバイスにおいて、
それぞれの可動部材が前記第１位置にあるとき、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記ソースポートに連通でき、それぞれの可動部材は前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートと前記ソースポートとの間の流体通路が前記可動部材により遮断されることを特徴とするマイクロバルブデバイス。
［２］前記少なくとも二つの可動部材の移動をそれぞれ単独で制御することにより、前記少なくとも二つの制御ポートは異なる流量と圧力を有する流体を排出できることを特徴とする［１］に記載のマイクロバルブデバイス。
［３］前記本体は、順次に積み重ねた基板層と、中間層及びカバープレート層を備え、前記中間層はフレーム式構造であり、前記基板層と前記カバープレート層とともに前記チャンバを画定することを特徴とする［１］又は［２］に記載のマイクロバルブデバイス。
［４］前記本体は少なくとも一つの回流ポートをさらに備え、前記二つの可動部材のそれぞれが前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記少なくとも１つの回流ポートに連通することを特徴とする［１］ないし［３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［５］前記ソースポートと前記制御ポートはみな前記基板層に位置することを特徴とする［１］ないし［４］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［６］前記回流ポートが前記基板層に位置することを特徴とする［４］に記載のマイクロバルブデバイス。
［７］前記可動部材は、前記基板層或いは前記カバープレート層の表面に垂直した方向における厚さが前記中間層の厚さと略同じであることを特徴とする［１］ないし［６］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［８］前記少なくとも二つの可動部材のそれぞれを前記第１位置或いは前記第２位置に位置させるように、前記少なくとも二つの可動部材を単独でそれぞれ制御するアクチュエータをさらに備えることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［９］前記アクチュエータは、一端が前記中間層に固定され、他端が前記可動部材に接合し、前記可動部材を、前記基板層或いはカバープレート層の表面に平行した方向に前記チャンバ内を摺動するように駆動することを特徴とする［８］に記載のマイクロバルブデバイス。
［１０］前記アクチュエータは、複数のフィルム電極を有する圧電アクチュエータであり、前記フィルム電極は前記基板層或いはカバープレート層の表面に平行した方向に積み重ねることを特徴とする［８］又は［９］に記載のマイクロバルブデバイス。
［１１］前記可動部材は、前記制御ポートと前記回流ポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記制御ポートと前記回流ポートとの間に設置された第１部分と、
前記制御ポートと前記ソースポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記ソースポートに接近する第２部分と、
前記第１部分と前記第２部分の二つの端部を接続してフレーム状構造を構成する接続部分と、を有し、
前記フレーム状構造になった可動部材は前記基板層と前記カバープレート層に合わせて前記チャンバ内にサブチャンバを画定することを特徴とする［３］、［８］〜［１０］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１２］前記可動部材は前記第１位置にあるとき、対応した前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバに対応した領域に位置し、前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバを介して連通することを特徴とする［１１］に記載のマイクロバルブデバイス。
［１３］前記回流ポートの両側において、前記カバープレート層の裏面に連通凹部を有し、前記可動部材は前記第２位置にあるとき、前記可動部材の第１部分が前記連通凹部に対応した箇所に位置し、前記制御ポートと前記回流ポートとの間は、前記可動部材の第１の部分と前記連通凹部との間の隙間を介して連通することを特徴とする［３］、［８］〜［１２］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１４］ソースポート/制御ポートペアを形成するようにそれぞれの制御ポートに１つの前記ソースポートを設置し、それぞれの可動部材が前記第１位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が連通され、それぞれの可動部材が前記第２位置にあるとき、ソースポート/制御ポートペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が遮断されることを特徴とする［１］〜［１３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１５］前記ソースポートに対応した領域において、前記カバープレート層の裏面にバッファー凹部を有することを特徴とする［３］、［８］〜［１３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１６］カバープレート層と基板層のうち少なくとも一方が中間層と密着され或いは一体に形成されることを特徴とする［３］、［８］〜［１３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１７］中間層はシリコンによって形成され、カバープレート層と基板層はシリコン或いはホウケイ酸ガラスによって形成されることを特徴とする［３］、［８］〜［１３］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１８］前記本体は二つの制御ポートを有することを特徴とする［１］〜［１７］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
［１９］［１］〜［１８］のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイスと、
メインバルブ本体とバルブコアとを備えるメインバルブであって、前記メインバルブ本体は、第１の方向に沿ってメインバルブ本体を貫通した主流路と、前記第１の方向と交差した方向に沿ったシュートとを有し、前記バルブコアは、前記第１の方向に平行した方向に沿って前記バルブコアを貫通した貫通穴を有し、前記メインバルブ本体のシュートに設置されるメインバルブと、
を備えるバルブアセンブリにおいて、
前記マイクロバルブデバイスの一方の制御ポートはシュートの第１の端部に連通し、前記マイクロバルブデバイスの他方の制御ポートはシュートの前記第１の端部に反対する第２の端部に連通し、前記バルブコアを前記シュート内に運動させるように駆動することを特徴とするバルブアセンブリ。
［２０］前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路に揃った時、前記主流路が開放され、前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路からずれた時、前記主流路が遮断されることを特徴とする［１９］に記載のバルブアセンブリ。

Claims (20)

1. チャンバを画定し、前記チャンバに連通するソースポート及び少なくとも二つの制御ポートを備える本体と、
   第１位置と第２位置との間に切換えることによって、前記少なくとも二つの制御ポートのそれぞれと前記ソースポートとの間の連通或いは遮断を単独で制御する少なくとも二つの可動部材と、を備えるマイクロバルブデバイスにおいて、
   それぞれの可動部材が前記第１位置にあるとき、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記ソースポートに連通でき、それぞれの可動部材は前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートと前記ソースポートとの間の流体通路が前記可動部材により遮断されることを特徴とするマイクロバルブデバイス。
2. 前記少なくとも二つの可動部材の移動をそれぞれ単独で制御することにより、前記少なくとも二つの制御ポートは異なる流量と圧力を有する流体を排出できることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブデバイス。
3. 前記本体は、順次に積み重ねた基板層と、中間層及びカバープレート層を備え、前記中間層はフレーム式構造であり、前記基板層と前記カバープレート層とともに前記チャンバを画定することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロバルブデバイス。
4. 前記本体は少なくとも一つの回流ポートをさらに備え、前記二つの可動部材のそれぞれが前記第２位置にあるとき、対応した制御ポートは前記チャンバの少なくとも一部を介して前記少なくとも１つの回流ポートに連通することを特徴とする請求項３に記載のマイクロバルブデバイス。
5. 前記ソースポートと前記制御ポートはみな前記基板層に位置することを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロバルブデバイス。
6. 前記回流ポートが前記基板層に位置することを特徴とする請求項４に記載のマイクロバルブデバイス。
7. 前記可動部材は、前記基板層或いは前記カバープレート層の表面に垂直した方向における厚さが前記中間層の厚さと略同じであることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
8. 前記少なくとも二つの可動部材のそれぞれを前記第１位置或いは前記第２位置に位置させるように、前記少なくとも二つの可動部材を単独でそれぞれ制御するアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバルブデバイス。
9. 前記アクチュエータは、一端が前記中間層に固定され、他端が前記可動部材に接合し、前記可動部材を、前記基板層或いは前記カバープレート層の表面に平行した方向に前記チャンバ内を摺動するように駆動することを特徴とする請求項８に記載のマイクロバルブデバイス。
10. 前記アクチュエータは、複数のフィルム電極を有する圧電アクチュエータであり、前記フィルム電極は前記基板層或いは前記カバープレート層の表面に平行した方向に積み重ねることを特徴とする請求項８又は９に記載のマイクロバルブデバイス。
11. 前記可動部材は、前記制御ポートと前記回流ポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記制御ポートと前記回流ポートとの間に設置された第１部分と、
    前記制御ポートと前記ソースポートとの間の流路を連通又は遮断するための、前記ソースポートに接近する第２部分と、
    前記第１部分と前記第２部分の二つの端部を接続してフレーム状構造を構成する接続部分と、を有し、
    前記フレーム状構造になった可動部材は前記基板層と前記カバープレート層に合わせて前記チャンバ内にサブチャンバを画定することを特徴とする請求項４に記載のマイクロバルブデバイス。
12. 前記可動部材は前記第１位置にあるとき、対応した前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバに対応した領域に位置し、前記制御ポートと前記ソースポートは前記サブチャンバを介して連通することを特徴とする請求項１１に記載のマイクロバルブデバイス。
13. 前記回流ポートの両側において、前記カバープレート層の裏面に連通凹部を有し、前記可動部材は前記第２位置にあるとき、前記可動部材の第１部分が前記連通凹部に対応した箇所に位置し、前記制御ポートと前記回流ポートとの間は、前記可動部材の第１の部分と前記連通凹部との間の隙間を介して連通することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のマイクロバルブデバイス。
14. ソースポート/制御ポートペアを形成するようにそれぞれの制御ポートに１つの前記ソースポートを設置し、それぞれの可動部材が前記第１位置にあるとき、対応したソースポート/制御ポートペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が連通され、それぞれの可動部材が前記第２位置にあるとき、ソースポート/制御ポートペアにおいてソースポートと制御ポートとの間が遮断されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
15. 前記ソースポートに対応した領域において、前記カバープレート層の裏面にバッファー凹部を有することを特徴とする請求項３、８〜１３のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
16. 前記カバープレート層と前記基板層のうち少なくとも一方が前記中間層と密着され或いは一体に形成されることを特徴とする請求項３、８〜１３のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
17. 前記中間層はシリコンによって形成され、前記カバープレート層と前記基板層はシリコン或いはホウケイ酸ガラスによって形成されることを特徴とする請求項３、８〜１３のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
18. 前記本体は二つの制御ポートを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイス。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載のマイクロバルブデバイスと、
    メインバルブ本体とバルブコアとを備えるメインバルブであって、前記メインバルブ本体は、第１の方向に沿ってメインバルブ本体を貫通した主流路と、前記第１の方向と交差した方向に沿ったシュートとを有し、前記バルブコアは、前記第１の方向に平行した方向に沿って前記バルブコアを貫通した貫通穴を有し、前記メインバルブ本体のシュートに設置されるメインバルブと、
    を備えるバルブアセンブリにおいて、
    前記マイクロバルブデバイスの一方の制御ポートはシュートの第１の端部に連通し、前記マイクロバルブデバイスの他方の制御ポートはシュートの前記第１の端部に反対する第２の端部に連通し、前記バルブコアを前記シュート内に運動させるように駆動することを特徴とするバルブアセンブリ。
20. 前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路に揃った時、前記主流路が開放され、前記バルブコアが駆動されたことにより前記貫通穴は前記主流路からずれた時、前記主流路が遮断されることを特徴とする請求項１９に記載のバルブアセンブリ。

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