JPH04285378A - マイクロ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は請求項１の上位概念に示
されたマイクロ弁に関する。

【０００２】

【従来技術】英国特許第２１５５１５２−Ａ号に、半導
体技術から公知の多層ストラクチャ技術により製造され
ているマイクロ弁が示されている。このマイクロ機械弁
は、実質的に３つの層を有し、それらのうちシリコンか
ら成る担体層の中に、入口および出口ならびに弁座が形
成されている。支持層に中間層が続き、中間層に外側カ
バー層が続く。この場合これらの層は、両方の接続口間
の圧力媒質接続を形成する室を構成する。このマイクロ
弁の場合、カバー層は同時にダイヤフラムとして構成さ
れており、このダイヤフラムの中へ、弁座に所属する閉
成部材が統合化されている。さらにダイヤフラム上に静
電操作装置が設けられており、この装置を用いて弁を開
くことができる。弁を開く場合、この閉成部材はダイヤ
フラムの変形の下に層平面に垂直な方向へ変位される。 弁の閉成はダイヤフラムの復帰力により行なわれる。こ
の場合、操作装置が遮断される時は、この復帰力の影響
の下に閉成部材が再び弁座へ置かれる。そのため静電式
操作装置は、入力側に加わる液圧のほかにさらに弾性ダ
イヤフラムの力に打ち勝つ必要がある。このマイクロ弁
の圧力調整の構成は煩雑な操作装置を必要とする、何故
ならば著しく大きい操作力を必要とするからである。

【０００３】

【発明の効果】請求項１の特徴部分に示された構成を有
する本発明のマイクロ弁は、これが完全な３／４路弁を
構成する利点を有する。本発明のマイクロ弁の対称的な
層構造は著しく簡単で有利である、何故ならば個々の層
を製造する場合、種々異なるストラクチャが多くは必要
とされないからである。これに関連して、複数個の層の
表面ストラクチャ化だけしか必要とされないことも有利
である。このストラクチャ化は、精密機械工学による通
常のリトグラフ式ストラクチャ転写法によりバッチ工程
において、適切な層材料へ例えばシリコンまたはガラス
へ転写できる。この場合この弁は簡単に、層の相互の接
着により形成できる。しかしマイクロ弁ストラクチャを
リガ（Ｌｉｇａ）技術で製造することもできる。この場
合、リトグラフ法において鋳込みの型が層のストラクチ
ャのために製造され、さらに本来の層は成型ステップに
おいて形成される。この方法の場合、マイクロ弁はプラ
スチックまたは他の材料から形成することもできる。前
述の方法はコスト的に有利な大量生産に適している。

【０００４】本発明のマイクロ弁のもう１つの利点は、
固定子平面としての外側の層が同時に、中央の層すなわ
ちすべり平面において構成されたフラットすべり弁に対
する保護体を形成することである。この場合、フラット
すべり弁は層平面において変位可能である。フラットす
べり弁を変位させるための駆動部材として例えば静電駆
動装置が適している。これは層表面に電極を被着するこ
とにより実現されている。駆動部材のために必要とされ
る電極は、弁の構造の幾何学的寸法に実施的に影響を与
えない。

【０００５】請求項２以下のように、請求項１に示され
たマイクロスイッチを構成できる。フラットすべり弁が
曲がり方向バーにおいて第２の層と接続されている構成
は著しく有利である。この曲がり方向バーはばねとして
作用し、このばねの復帰力は、フラットすべり弁が外力
で作動されない時は、フラットすべり弁を常に所定の初
期位置へ移行させる。有利に、帰還接続口、動作接続口
および供給接続口が次のように相並ぶように設けられて
いる。即ち弁が第１の位置、フラットすべり弁の休止位
置において動作接続口を、供給接続口とも帰還接続口と
も接続しないように設けられている。その結果、弁は“
閉じられている”。次にフラットすべり弁を変位させる
際に変位の方向に応じて動作接続口を付加接続口と接続
できる。他方、別の動作接続口は帰還接続口と接続され
る。第２の層におけるフラットすべり弁の変位は、層２
と層１，３との間に細長い中間室が形成される時にだけ
、可能となる。この中間室は有利に次のように形成でき
る。即ち中間層−これを介して層１，２と３が互いに接
続されている−における切欠きがフラットすべり弁のお
よび曲がり方向バーの領域において形成されることによ
り、形成できる。フラットすべり弁と第１および第３の
層の間の中間室の実現のもう１つの有利な構成は次の点
にある。即ちフラットすべり弁を両側でその厚さを低減
するか、または第１のおよび第３の層をフラットすべり
弁のおよび曲がり方向バーの領域においてその厚さを低
減させる。フラットすべり弁の静電駆動は有利に、フラ
ットすべり弁の上側および下側へおよび／または曲がり
方向バーの上側または下側に設けられる電極により、実
現される。これに対向して第１および第３の層の上に対
向電極は変位方向へ位置がずらされて設けられている。 フラットすべり弁の上の電極の配置を、フラットすべり
弁の表側および裏側に関して対称的にし、さらに対向電
極の配置も対称的に実現すると著しく有利である。 この場合、電極と対向電極との間の電圧の印加の際に力
の垂直成分が互いに打ち消し合う。その結果、力の水平
成分が残り、これがフラットすべり弁の変位を作動する
。電極は簡単にかつ有利に金属のシート層としてまたは
ドーピングされたシリコン層により実現される。

【０００６】

【実施例】図１にマイクロ弁が示されている。このマイ
クロ弁は実質的に層１，２および３から構成されており
、これらは中間層４と５を介して互いに結合されている
。層１〜５は材料の選択およびマイクロ弁の構造に応じ
てそれぞれ下層において構成することができる。材料と
して例えばシリコンまたはガラスが適している。これら
は、バッチ工程においてリトグラフによるストラクチャ
転写法により、簡単に加工処理が可能であり、さらに例
えば酸化シリコン層を介して固着工程により互いに結合
できる。しかしマイクロ弁の本発明によるストラクチャ
は、プラスチックまたは金属から成るＬＩＧＡ技術によ
っても製造することができる。図１において層３のセグ
メントが切欠されて示されている。そのため層２の平面
図が得られる。マイクロ弁の構成は完全に対称的である
。そのため第１の層と第３の層３−これらはマイクロ弁
の固定子平面を構成している−は同一にストラクチャ化
されている。第１の層１において、したがって第３の層
３においてもこの実施例では２つの帰還接続口Ｔ１，Ｔ
２（Ｔ１′，Ｔ２′）ならびに２つの動作接続口Ａ，Ｂ
（Ａ′，Ｂ′）および１つの付加接続口Ｐ（Ｐ′）が形
成されている。この実施例においてはこれらの接続口は
パイプ状のチャンネルとして構成されている。これらの
チャンネルは層平面に平行に走行して完全に第１の層１
の中にないし第３の層３の中に存在する。中央の領域は
、第２の層の中に形成された、貫通開口２４と２５を有
するフラットすべり弁に対向する。この中央の領域にお
いてだけ、これらの接続口のチャンネルは第２の層２の
方向への接続開口を有する。層１と３のこのストラクチ
ャ化は例えば、複数個の下層から成る層１と３の形成に
より実現できる。端子の別の実現化は、接続口を貫通開
口として、第１の層１および第３の層３における層平面
に垂直に設けることによる。第３の層３の切欠きがフラ
ットすべり弁の領域において実施されているため、接続
開口を有する接続口チャンネルが側面で示されている。 第２の層において形成されたすべり弁エレメントは、部
分的に被われている。２２で曲がり方向バーが示されて
おり、この曲がり方向バーにフラットすべり弁が第２の
層により取り付けられている。さらにフラットすべり弁
の表面へ被着された、弁の駆動手段の一部であるとして
の電極２７２が示されている。

【０００７】図２にマイクロ弁の多層構成の断面が、フ
ラットすべり弁の領域において示されている。両方の固
定子平面１と３は中間層４と５を介してすべり弁面２と
結合されている。中間層４と５は、これらがフラットす
べり弁および曲がり方向バーの領域において切欠きを有
するようにストラクチャ化されている。その目的はフラ
ットすべり弁が、矢印で示されている運動方向へ変位可
能となるためである。図２に、端子Ｔ１，Ｔ１′，Ａ，
Ａ′，Ｐ，Ｐ′，Ｂ，Ｂ′，Ｔ２，Ｔ２′を構成するチ
ャンネル−これらは層平面に平行に延在する−が、第２
の層２への接続開口１０と共に示されている。両方の貫
通開口２４と２５を有するフラットすべり弁は第１の位
置において示されている。これは例えば休止位置である
、即ちフラットすべり弁の駆動手段が作動されていない
時の位置である。この位置においては、それぞれ対向す
る両方の動作接続口ＡとＡ′ならびにＢとＢ′が、貫通
開口２４と２５により互いに結合されている。この場合
、フラットすべり弁の特別のストラクチャおよび端子の
配置により、動作接続口Ａ，Ａ′およびＢ，Ｂ′の、帰
還接続口Ｔ１，Ｔ１′，Ｔ２，Ｔ２′へのまたは供給接
続口Ｐ，Ｐ′への接続は形成されない。フラットすべり
弁を変位させると、例えば動作接続口Ａ′およびＡと帰
還接続口Ｔ１およびＴ１′との結合が形成可能となり、
他方、動作接続口ＢおよびＢ′が付加接続口ＰおよびＰ
′へ接続される。フラットすべり弁の、休止位置から他
の方向への変位の場合は、それに応じて動作接続口Ｂお
よびＢ′が帰還接続口Ｔ２およびＴ２′と接続され、他
方、動作接続口ＡおよびＡ′が供給接続口ＰおよびＰ′
と接続される。即ちここに示されているマイクロ弁のフ
ラットすべり弁は３つの異なる位置を取ることが可能で
さらに４つの異なる接続口を有することができる。この
ことは３／４変位弁に相応する。

【０００８】図３に第２の層２の平面図が即ちすべり弁
平面が示されている。第２の層２から、２つの貫通開口
２４と２５を有するフラットすべり弁２０が切り出され
てストラクチャ化されている。フラットすべり弁は曲が
り方向バー２２を介して第２の層２と結合されている。 さらにフラットすべり弁の表面に電極２７１と２７２が
設けられている。曲がり方向バー２２の構造に応じて、
即ち曲がり方向バー２２の個数と曲がり方向バーの有利
な変位方向に関する曲がり方向バーの方向づけとに応じ
て、さらにフラットすべり弁２０の上の電極２７１，２
７２の配置と、第２の層２と同じ側の、第１の層および
第３の層３の表面の対向電極の配置に応じて、フラット
すべり弁２０が１つの方向へまたは複数個の方向へ変位
可能となる。図３に示された実施例の場合はフラットす
べり弁２０が矢印５０で示された方向へ変位される。

【０００９】図４の（Ａ）および図４の（Ｂ）に静電駆
動構成の基本図が示されている。矢印５０はすべり弁５
２の所望の運動方向を示す。図４の（Ａ）にすべり弁５
２の両側表面にそれぞれ電極５５１と５５２が被着され
ている。ケーシングの対向する壁５１と５３の上に、電
極５５１と５５２に対して空間的に位置のずらされた対
向電極５８１，５８２および５９１，５９２が、設けら
れている。所望の運動方向に応じて、電極５５１，５５
２と対向電極５８１，５９１との間に電圧が印加される
、または電極５５１，５５２と対向電極５８２，５９２
との間に電圧が印加される。この場合、電極にして対向
電極を対称的に配置すると、力の垂直成分が打ち消され
る；力の水平成分だけが残り、これが層平面におけるす
べり弁５２の変位を作動する。図４の（Ｂ）に示されて
いる変形実施例の場合は、すべり弁５２とケーシング５
１，５３の表面に、複数個の電極５７１と５７２ならび
に複数個の対向電極５８と５９が被着されている。しか
しこの装置の動作法は図４の（Ａ）に示されている装置
の動作に相応する。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロ弁の部分的に切欠きして示す斜視図で
ある。

【図２】マイクロ弁の断面図である。

【図３】マイクロ弁のスライド弁平面の平面図である。

【図４】静電駆動装置の基本図である。

【符号の説明】

１〜５　　層、　　Ｔ１，Ｔ１′，Ａ，Ａ′，Ｐ，Ｐ′
，Ｂ，Ｂ′，Ｔ２，Ｔ２′接続口、　　１０　　接続開
口、　　２０　　フラットすべり弁、　　２４，２５　
　貫通開口、　　２７１，２７２，５５１，５５２，５
８１，５８２，５９１，５９２電極

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１の層を有しており、該第１の層の
   中に少なくとも１つの供給接続口と少なくとも第１の帰
   還接続口がストラクチャ化されており、さらに第２の層
   を有しており、該第２の層は少なくとも第１のストラク
   チャ化された中間層を介して第１の層と結合されており
   、この場合、第２の層の中に静電的に操作可能な手段が
   ストラクチャ化されており、これにより少なくとも１つ
   の供給接続口の開口度が変化可能である形式の、流体流
   の切り換えまたは制御用の、多層ストラクチャ構成のマ
   イクロ弁において、−第１の層（１）の中に少なくとも
   ２つの動作接続口（Ａ，Ｂ）と少なくとも第２の帰還接
   続口（Ｔ２）がストラクチャ化されており、−マイクロ
   弁が第２の層（２）に対して対称的に構成されており、
   この場合、第２の層（２）の上へ少なくとも１つの別の
   ストラクチャされた中間層（５）を介して第３の層（３
   ）が被着されており、さらに前記第３の層が第１の層（
   １）に対して鏡対称的にストラクチャ化されており、さ
   らに前記の第３の層は少なくとも２つの別の動作端子口
   （Ａ′，Ｂ′）、少なくとも１つの別の供給接続口（Ｐ
   ′）および少なくとも２つの別の帰還接続口（Ｔ１′，
   Ｔ２′）を有しており、この場合、第１の層と第３の層
   （３）における対向するそれぞれ２つの接続口が対を形
   成しており、−さらに第２の層（２）における静電的に
   操作可能な手段として、層平面において変位可能な少な
   くとも１つのフラットすべり弁（２０）が少なくとも２
   つの貫通開口（２４，２５）を有するようにストラクチ
   ャ化されていることを特徴とするマイクロ弁。
2. 【請求項２】　　動作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′）、
   供給接続口（Ｐ，Ｐ′）および／または帰還接続口（Ｔ
   ，Ｔ′）が、第１の層（１）の中におよび／または第３
   の層（３）の中に貫通開口として形成されている請求項
   １記載のマイクロ弁。
3. 【請求項３】　　動作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′）、
   供給接続口（Ｐ，Ｐ′）および／または帰還接続口（Ｔ
   ，Ｔ′）が層平面に平行に延在する、管状のチャンネル
   として第１の層（１）および第３の層（３）の中に形成
   されており、さらに動作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′）
   、供給接続口（Ｐ，Ｐ′）および／または帰還接続口（
   Ｔ，Ｔ′）が、フラットすべり弁（２０）の貫通開口（
   ２４，２５）の領域においてだけ、第２の層平面の方向
   へ接続開口（１０）を有している請求項１記載のマイク
   ロ弁。
4. 【請求項４】　　フラットすべり弁（２０）が１つまた
   は複数個の曲がり方向バー（２２）において第２の層（
   ２）と結合されている請求項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】　　第１のストラクチャ化された中間層（
   ４）と第２のストラクチャ化された中間層（５）がフラ
   ットすべり弁（２０）のおよび曲がり方向バー（２２）
   の領域において、切欠を有している請求項４記載のマイ
   クロ弁。
6. 【請求項６】　　第２の層（２）が、フラットすべり弁
   （２０）の領域においておよび曲がり方向バー（２２）
   の領域においてその厚さが低減されており、および／ま
   たは第１の層（１）および第３の層（３）は、第２の層
   （２）と同じ側の表面がフラットすべり弁（２０）のお
   よび曲がり方向バー（２２）の領域において、その厚さ
   が低減されている請求項１から５までのいずれか１項記
   載のマイクロ弁。
7. 【請求項７】　　フラットすべり弁（２０）の第１の位
   置におい少なくとも２つの貫通開口（２４，２５）がそ
   れぞれ、１つの対を形成する動作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ
   ，Ｂ′）の間の接続を形成するようにし、この場合、動
   作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′）の、供給接続口（Ｐ，
   Ｐ′）へのまたは帰還接続口（Ｔ１，Ｔ１′，Ｔ２，Ｔ
   ２′）への接続は形成されないようにし、さらにフラッ
   トすべり弁（２０）の少なくとも２つの別の位置におい
   て、少なくとも２つの貫通開口（２４，２５）が、一対
   の動作接続口（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′）と少なくとも一対
   の供給接続口（Ｐ，Ｐ′）との間の接続が、および他の
   一対の動作接続口（Ｂ，Ｂ′；Ａ，Ａ′）と一対の帰還
   接続口（Ｔ１，Ｔ１′；Ｔ２，Ｔ２′）との間の接続が
   形成されるようにした請求項１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】　　フラットすべり弁（２０）の第１の位
   置がマイクロ弁の休止位置であるようにした請求項１か
   ら７までのいずれか１項記載のマイクロ弁。
9. 【請求項９】　　フラットすべり弁のおよび／または曲
   がり方向バー（２２）の上側および下側にそれぞれ１つ
   のまたは複数個の電極（５７１，５７２）が設けられて
   おり、−第１の層（１）のおよび第３の層（３）の、第
   ２の層（２）と同じ側の表面上へフラットすべり弁（２
   ０）の上に被着された電極（５７１，５７２）に対して
   変位方向へ位置がずらされて対向電極（５８１，５８２
   ，５９１，５９２）が設けられており、−さらにフラッ
   トすべり弁（２０）の上の電極（５７１，５７２）と第
   １の層（１）の上のおよび第２の層（２）の上の対向電
   極（５８１，５８２，５９１，５９２）との間に、電圧
   を加える手段が設けられている請求項１から８までのい
   ずれか１項記載のマイクロ弁。
10. 【請求項１０】　　フラットすべり弁（２０）の表面上
    の電極（５７２）が、フラットすべり弁（２０）の下側
    表面上の電極（５７３）に対して対称的に設けられてお
    り、さらに第１の層（１）の上の対向電極（５８，５８
    １，５８２）が、第３の層（３）の上の対向電極（５９
    ，５９１，５９２）に対して対称的に設けられている請
    求項９記載のマイクロ弁。
11. 【請求項１１】　　電極（５７１，５７２）および対向
    電極（５８１，５８２，５９１，５９２）が、金属薄膜
    としてまたはドーピングされたシリコン層として実現さ
    れている請求項９記載のマイクロ弁。
12. 【請求項１２】　　マイクロ弁構成体の層（１，２，３
    ）のストラクチャが、バッチ工程においてリトグラフに
    よるストラクチャ転写法により、適切な層材料へ例えば
    シリコンまたはガラスへ転写されており、−さらにこれ
    らの層が互いに接着されている請求項１から１１までの
    いずれか１項記載のマイクロ弁。