JPH07229579A - マイクロバルブ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、構成および制御性が単純化できる
ようにした、インジェクタ等として信頼性の高いマイク
ロバルブ装置を提供することを目的とする。 【構成】支持層11、中間層12、被覆層13の３層構造でな
り、中間層12で閉鎖部材16、ダイヤフラム17、およびシ
ート部材18を構成し、被覆層13に形成したスペース室15
内に設定する。ダイヤフラム17は支持層11と被覆層13と
の間で挟持し、スペース室15に入口接続部19から圧力流
体を入力し、被覆層13のシート部材18に対面する面に対
向して流体出口22を形成するもので、この流体出口22の
周囲にシート部材18のシール部181 が接触される。そし
て、支持層11の閉鎖部材16との対向面に凹室20を形成
し、この凹室20と流体出口22との間が連通口23で連通さ
れる。ここで、入力流体圧が設定されるシート部材18の
加圧面Ａが、その対面する加圧面Ｂよりも大きな面積で
構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、微小駆動力を用いて
作動させられて、特に微小流体の制御に用いられる、例
えばエンジンの燃料噴射用のインジェクタとして使用さ
れるマイクロバルブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術によって、微小流体の制御用
に用いられるマイクロバルブを構成することが考えられ
ている。この様な半導体技術を用いて構成されたマイク
ロバルブは、例えばシリコン半導体基板を多層に積層
し、その各積層体によってマイクロバルブの複数の構成
要素がそれぞれ構成されるようにしているもので、例え
ば米国特許第５，１６１．７７４号に示されている。

【０００３】図６はこの従来のマイクロバルブの断面構
造を示すもので、このマイクロバルブ50はシリコン基板
で構成される支持層51、中間層52、および被覆層53の３
つの層の積層体によって構成される。中間層52は、厚み
のある中央層区域54を取り囲む肉薄の環状ダイヤフラム
55を構成しており、このダイヤフラム55部に対応して中
央層区域54を取り囲むように環状スペース56を形成して
いる。そして、この環状スペース56に入口接続部57が連
通され、導入される圧力流体が供給されるようにしてい
る。

【０００４】被覆層53の中央層区域54に対向する部分に
は、出力室58が形成されており、この出力室58には出口
通路59が開口される。そして、この出口通路59は中央層
区域54に一体的に設けた閉鎖部材60によって選択的に閉
鎖されるようになっているもので、中間層52の中央層区
域54がダイヤフラム55部における変形に伴って変位され
るとき、閉鎖部材60が図のように出口通路59を閉じる状
態、あるいは出口通路59を開く状態の２つの態様に切り
替えられ、入口通路57から環状スペース56に供給される
圧力流体が出口通路59に選択的に連通されるようにして
いる。

【０００５】支持層51には、中間層52の中央層区域54お
よびダイヤフラム55部分に対応してスペース61が形成さ
れているもので、このスペース61内には例えば液体や空
気のような圧力媒体が供給されて、このスペース61内の
圧力Ｐ1 と閉鎖部材60の上方の圧力Ｐ2 とが等しく設定
されるようにしている。

【０００６】この様に構成されるマイクロバルブ50にお
いて、中間層52と支持層51との間に例えば静電引力を作
用させることにより、中間層52で構成される閉鎖部材60
を支持層51側に吸引することによって、ダイヤフラム55
の弾性に打ち勝つ程度の作動力でバルブの開放制御が可
能とされる。

【０００７】この場合、前述したようにスペース61内の
圧力Ｐ1 と流体出口部分の圧力Ｐ2とは実質的に等しく
設定される必要があり、このそれぞれの圧力は異なる圧
力媒体の選択さらには周囲圧力の調整等による制御手段
によって対処される。しかし、支持層51内のスペース61
内の圧力Ｐ1 は、バルブストローク量によって作動中に
大きく変化するものであり、実質的に正確な等圧状態を
実現することが非常に困難である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、特定の圧力制御手段を設け
る必要がなくて、高精度の開閉制御が容易且つ確実に実
行できるようにすると共に、特に閉塞状態もしくは開放
状態の定常（ノーマリ）の状態が安定して設定できて、
小さな静電引力等の作動力により信頼性を持って作動さ
せることができるようにしたマイクロバルブ装置を提供
しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係るマイクロ
バルブ装置は、一方の面の外周部がダイヤフラム構造に
よって支えられ、外部から与えられる電気的な作動力に
よって前記一方の面方向もしくはそれと反対の他方の面
方向に変位されるように保持された閉鎖部材を備え、こ
の閉鎖部材の前記ダイヤフラムと異なる他方の面にシー
ト部材を一体的に設けると共に、閉鎖部材の前記ダイヤ
フラムが設定される面に対応してギャップ室を形成する
もので、前記シート部材に対向する面に、閉鎖部材の面
方向の変位に伴ってシート部材で選択的に閉じられる流
体出口通路を形成して、この流体出口通路部分と前記ギ
ャップ室とを連通路で連通する。また、前記閉鎖部材の
周囲でダイヤフラム部およびシート部材によって挟まれ
た領域に、圧力流体の入口接続部連通された環状スペー
スを形成し、この入力流体圧力が作用する環状スペース
で、前記シート部材に対して前記流体出口通路を閉じる
第１の方向に向けて作用する圧力作用面積と、同じく前
記ダイヤフラム部で前記第１の方向と逆の第２の方向に
向けて作用する圧力作用面積とが異なるように設定す
る。

【００１０】

【作用】この様に構成されるマイクロバルブ装置におい
て、流体出口通路部とギャップ室とが連通されているも
ので、例えばノーマリークローズ型に構成する場合、環
状スペースで前記シート部材に閉弁方向に向けて作用す
る入力流体の圧力作用面積を、ダイヤフラムで開弁方向
に向けて作用する入力流体の圧力作用面積より大きく設
定することにより、入力流体圧力によってシート部材に
出口通路方向に作用する圧力が、閉鎖部材にこの圧力と
反対方向に作用する圧力よりも大きく設定され、したが
って閉鎖部材と一体のシート部材が出口通路方向に変位
されて、特に外部から作動力を作用させなくとも、この
バルブの閉塞状態が保持される。このため、このバルブ
の開閉制御性が非常に単純化されてその信頼性が容易に
確保できるものであり、静電引力や電磁力等で与えられ
る外部変位力によって、信頼性を持って作動制御され
る。また、流体出口通路部とギャップ室を連通する連通
路の存在により、開弁方向への作動力に対する抵抗を減
少させることができて、小さな作動力によってその動作
が可能とされる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１はその断面構造を示すもので、（Ａ）は
通常状態における閉塞状態を示し、（Ｂ）は作動状態に
おける開放状態を示すもので、この実施例で示されるマ
イクロバルブ10はノーマリークローズ型で構成される。

【００１２】このマイクロバルブ10は、それぞれ例えば
シリコン半導体基板によって構成される支持層11および
中間層12、さらに被覆層13の３つの層を積層することに
よって構成されるもので、支持層11と中間層12とは特に
絶縁層14を介して接合されている。この場合、被覆層13
の中間層12と接する面に開口するようにして、スペース
室15が形成されているもので、このスペース室15内に設
定されるようにして、中間層12の加工することによって
構成される閉鎖部材16が設定される。

【００１３】閉鎖部材16は肉厚の円板状に構成されるも
ので、この閉鎖部材16の支持層11に対面する一方の面の
外周部に、肉薄にした環状のダイヤフラム17が一体的に
形成され、このダイヤフラム17の外周部が、支持層11と
中間層12との間に絶縁層14を介して挟み込み保持され
る。また、閉鎖部材16の被覆層13の対面する他方の面の
外周部には、環状にシート部材18が一体的に形成され
る。このシート部材18の被覆層13に対面する面には、環
状にシール部181 が突設されるている。

【００１４】スペース室15には、圧力流体の供給される
入口接続部19が形成され、圧力流体がスペース室15の内
部に直接的に導入されるようにしている。また、支持層
11の閉鎖部材16の対向する面には凹室20が形成され、こ
の凹室20の一方の面が閉鎖部材16を含むダイヤフラム17
の面に開口される。この凹室20は、ダイヤフラム17によ
って面の方向に変位されるようになる閉鎖部材16のスト
ローク（バルブストローク）量よりも深いギャップを有
するギャップ室を形成するもので、その底面には閉鎖部
材16がこの底面に面接触されないように、すなわちバル
ブ動作時に中間層12と支持層11とが完全密着されないよ
うに、突起体21が形成されている。

【００１５】被覆層13には、その中央部に位置して流体
出口22が開口されている。この流体出口22の閉鎖部材16
に対向する面は弁座とされるもので、この弁座部に
（Ａ）図で示す閉塞状態でシート部材18のシール部181
が圧接されて、スペース室15と流体出口22との間の流体
通路が遮断されるようにしている。そして、この流体出
口22が連通されるように、シート部材18の被覆層13側に
形成される出口室221 と凹室20とを結ぶように、閉鎖部
材16の中央に連通口23が開口されている。

【００１６】この様に構成されるマイクロバルブ10にあ
って、中間層12はシート部材18のスペース室15内に対応
する支持層11側の第１の加圧面Ａと、この加圧面Ａに対
面するダイヤフラム17のスペース室15内に開放される第
２の加圧面Ｂとを備える。ここで加圧面Ｂの大きさは、
閉鎖部材16と支持層11に形成した凹室20の径によって制
限され、また加圧面Ａの大きさは閉鎖部材16とシート部
材18の径によって制限される。そして、これらの加圧面
ＡおよびＢのそれぞれの面積は、実質的に面Ａの方が大
きくされるように設計される。

【００１７】流体出口22に対応する出力室221 の圧力Ｐ
out が作用する閉鎖部材16の出力室221 側には第３の加
圧面Ｃが設定されるもので、この加圧面Ｃはシート部材
18の径によって囲まれる面である。また、凹室20内の圧
力Ｐgap が負荷する閉鎖部材16およびダイヤフラム17で
第４の加圧面Ｄが設定され、この加圧面Ｄは、支持層11
の凹室20の直径によって囲まれる面である。そして、
“Ａ＞Ｂ”と設定されることによって、加圧面Ｃは加圧
面Ｄよりも大きく設計される。

【００１８】この様に第１ないし第４の加圧面Ａ〜Ｄが
設定されることにより、次のような圧力バランスが中間
層12に対して作用する。すなわち、第１の加圧面Ａおよ
び第２の加圧面Ｂには、入力流体に設定される圧力Ｐin
が作用する。また、第３の加圧面Ｃには出力室221 の圧
力Ｐout が作用にし、凹室20内の圧力Ｐgap が第４の加
圧面Ｄに作用している。そしてこれらの圧力によって生
ずる力の中で、第１および第２の加圧面ＡおよびＢの面
積差に対して入力圧力Ｐinが作用するのに相当する圧力
バランスが、中間層12に対して閉弁方向（クローズ方
向）に生ずる。すなわち、閉鎖部材16とシート部材18の
径は、この様な圧力バランスのみによって閉弁可能とさ
れるように設定されている。

【００１９】閉鎖部材16に形成された連通口23によって
出力室221 と凹室20とが連通されているため、このマイ
クロバルブ10の静的な状態において出力室221 の圧力Ｐ
outと凹室20の圧力Ｐgap とが等圧の状態とされ、動的
な状態においても連通口23が存在しない場合に比較して
圧力Ｐout とＰgap との間に大きな圧力差を生ずること
がない。したがって、（Ａ）図の閉弁状態から（Ｂ）図
の開弁状態への変換に際して、開弁力に対する抵抗を減
少させることができる。下記式から分かるように、閉鎖
部材16ダイヤフラム17に作用する流体抵抗Ｆｒは連通口
23の径は大きい方がよいが、その径は閉鎖部材16および
ダイヤフラム17において要求される径によって制限され
る。

【００２０】

【数１】 ただし、上記式において Ｒｅ：支持層11凹室20の半径 Ｒｔ：連通口23の半径 ｖ ：閉鎖部材16、ダイヤフラム17の動作速度 ρ ：流体密度 μ ：流量計数 この様に構成されるマイクロバルブ10は、例えば静電引
力を利用した駆動方式が採用され、外部からの印加電圧
を制御することによって開閉制御される。そして、電圧
の印加されない通常の状態においては、前述したような
圧力バランスによって（Ａ）図で示すように閉弁される
ノーマリークローズ型に構成されて、流体の流れは遮断
されている。

【００２１】この様な状態で、例えば端子25および26の
間に電源を接続して電圧を印加すると、支持層11と中間
層12との間に静電引力が生じ、（Ｂ）図で示すように閉
鎖部材16が支持層11の凹室20内に変位され、シート部材
18のシール部181 が流体出口22の弁座部から離間され
て、入力流体の供給されるスペース室15と出力室221 と
が連通されて開弁状態となり、入口接続部19と流体出口
22とが連通される。

【００２２】この様な開弁状態において、出力室221 の
圧力Ｐout と凹室20の圧力Ｐgap は共に上昇するが、連
通口23を介してこの両者の間が連通されて等圧に近い状
態を保って動作する。この場合、連通口23が存在しない
と（Ａ）図から（Ｂ）図の開弁状態に移行するに際して
圧力Ｐgap は急激に上昇する。

【００２３】この圧力上昇は開弁動作の大きな抵抗とな
って、非常に大きな駆動力が要求されるようになるが、
駆動源の大きさも微小サイズとされることが要求される
マイクロバルブにおいて、充分な大きさの駆動力を発生
することが困難である。しかし、この実施例で示したマ
イクロバルブ10にあっては、閉鎖部材16の両面でほぼ等
圧に近い状態で開弁動作が行われるものであるため、開
弁のための駆動電圧を充分に低くすることができる。

【００２４】図６で示した従来のマイクロバルブにあっ
ては、圧力Ｐ1 とＰ2 とで別個の圧力媒体が使用され、
周囲圧力の調整等によって等圧状態とされるようにして
いたが、実施例で示したマイクロバルブ10では閉鎖部材
16の両面の圧力Ｐout およびＰgap の等圧状態を簡単に
実現させることができる。そして、電圧を遮断した状態
では、設定された圧力バランスによって閉鎖状態に戻さ
れる。

【００２５】上記実施例ではノーマリークローズ型に構
成したが、通常状態で開弁されるノーマリーオープン型
にも簡単に構成できる。図２はこのノーマリーオープン
型にした第２の実施例を示すもので、中間層12と被覆層
13との間に絶縁層14が介在され、中間層12の流体出口22
に対面する面に対応して、閉鎖部材16のバルブストロー
クを許容する出力室221 が形成される。

【００２６】この場合、シート部材18の上面の面積が、
閉鎖部材16およびダイヤフラム17が対面する凹室20の開
口部面積より小さく設定され、圧力バランスで図の状態
に設定されて開弁設定されるようにする。そして、中間
層12と被覆層13との間に電圧を印加することにより設定
される静電引力によって閉鎖部材16が出力室221 の方向
に変位され、シート部材18のシール部181 が、出力室22
1 の外周の弁座部に圧接されるようにする。この出力室
221 の閉鎖部材16と対面する面には、突起体21が形成さ
れている。図１と同一の構成部分は同一符号で示した。

【００２７】図３はノーマリークローズ型に構成した第
３の実施例を示すもので、この実施例は基本的に図１で
示した第１の実施例と同様で、同一構成部分は同一符号
で示した。この実施例においては閉鎖部材16に出力室22
1 と凹室20との間を連通する開口を形成することなく、
支持層11から中間層12を介して被覆層13の流体出口22に
連通する連通路30を形成している。図２で示した実施例
においても、この実施例と同様の連通路を形成すること
ができる。

【００２８】この様に構成されるマイクロバルブ10の駆
動方式は静電型に限定されるものではない。例えば、圧
電型や電磁型等の種々の方式が採用できるもので、図４
は圧電型に構成されるマイクロバルブ10を示している。
すなわち、閉鎖部材16の支持層11の凹室20に対向する面
に、圧電素子31を取り付け設定する。そして、この圧電
素子31に電圧を印加することによって生ずる変位によっ
て、電圧の印加時に閉鎖部材16が支持層11の方向に変位
されるようにする。

【００２９】また、図５で示す実施例にあっては、閉鎖
部材16の凹室20に対面する面に磁性膜32の層を設けると
共に凹室20の底面に励磁コイル33を設定し、励磁コイル
33に電流を流すことで生ずる電磁的な吸引力を磁性膜32
に作用させる。

【００３０】この図４および図５で示した実施例は、い
ずれも図１で示したノーマリークローズ型を基本として
構成しているもので、これらの図で図１と同一構成部分
は同一符号を付して、その説明は省略する。そして、こ
れらの実施例において図２で示したような構造とするこ
とによって、ノーマリーオープン型が構成される。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係るマイクロバ
ルブ装置によれば、内部の圧力等の調整を行うことなく
ノーマリークローズあるいはノーマリーオープンの状態
が設定されると共に、充分に小さな静電引力等の駆動力
によって開弁もしくは閉弁動作が行われるようになるも
ので、充分に小型化すると共に動作信頼性の高いマイク
ロバルブとすることができて、例えばエンジンのインジ
ェクタ等の流体の開閉制御に効果的に応用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施例に係るマイクロバ
ルブ装置のノーマルクローズ状態を示す断面構成図、
（Ｂ）はこのマイクロバルブ装置の開弁状態を示す断面
構成図。

【図２】この発明の第２の実施例を説明する断面構成
図。

【図３】この発明の第３の実施例を説明する断面構成
図。

【図４】この発明の第４の実施例を説明する断面構成
図。

【図５】この発明の第５の実施例を説明する断面構成
図。

【図６】従来のマイクロバルブを説明する断面構成図。

【符号の説明】

11…支持層、12…中間層、13…被覆層、14…絶縁層、15
…スペース室、16…閉鎖部材、17…ダイヤフラム、18…
シート部材、181 …シール部、19…入り口接続部、20…
凹室、21…突起体、22…流体出口、222 …出力室、23…
連通口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒柳 正利 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面の外周部がダイヤフラム構造に
   よって支えられ、外部から与えられる電気的な作動力に
   よって前記一方の面方向もしくはそれと反対の他方の面
   方向に変位されるように保持された閉鎖部材と、 この閉鎖部材の前記ダイヤフラムと異なる他方の面に一
   体的に設けられ、前記閉鎖部材の外周に延長する板部材
   によって構成されたシート部材と、 前記閉鎖部材の前記ダイヤフラムが設定される面に対応
   して形成されたギャップ室と、 前記シート部材に対向する面に形成され、前記閉鎖部材
   の面方向の変位に伴って前記シート部材で選択的に閉じ
   られる流体出口通路と、 この流体出口通路部分と前記ギャップ室とを連通する連
   通路と、 前記閉鎖部材の周囲で、前記ダイヤフラム部およびシー
   ト部材によって挟まれた領域に形成される環状スペース
   と、 この環状スペースに開口された圧力流体の入口接続部と
   を具備し、 前記入力流体圧力が作用する前記環状スペースで、前記
   シート部材に対して前記流体出口通路を閉じる第１の方
   向に向けて作用する圧力作用面積と、同じく前記ダイヤ
   フラム部で前記第１の方向と逆の第２の方向に向けて作
   用する圧力作用面積とが異なるように設定されることを
   特徴とするマイクロバルブ装置。
2. 【請求項２】 前記環状スペースで前記シート部材に設
   定される圧力作用面積が、同じく環状スペースで前記ダ
   イヤフラムに設定される圧力作用面積より大きく設定さ
   れ、前記シート部材に作用する入力流体圧力によって、
   このシート部材が前記流体出口通路を塞ぎ、前記電気的
   な作動力の作用しないノーマリーの状態でバルブの閉じ
   た状態が設定されるようにした請求項１記載のマイクロ
   バルブ装置。
3. 【請求項３】 前記環状スペースで前記シート部材に設
   定される圧力作用面積が、同じく環状スペースで前記ダ
   イヤフラムに設定される圧力作用面積より小さく設定さ
   れ、前記電気的な作動力の作用しないノーマリーの状態
   で前記シート部材が前記流体出口通路から離間されて、
   バルブの開いた状態が設定されるようにした請求項１記
   載のマイクロバルブ装置。
4. 【請求項４】 前記シート部材は前記ダイヤフラムと共
   に前記閉鎖部材と一体的に中間層によって構成され、こ
   の中間層は前記ギャップ室の形成される支持層と前記流
   体出口通路の形成される被覆層との間に挟まれて設定さ
   れるもので、前記中間層の前記ダイヤフラムが前記支持
   層と被覆層に挟まれて保持され、被覆層と中間層の間に
   前記閉鎖部材の周囲を取り囲む前記環状スペースが形成
   されるようにした請求項１記載のマイクロバルブ装置。
5. 【請求項５】 前記ギャップ室の前記閉鎖部材に対向す
   る面には、閉鎖部材が前記一方の方向であるギャップ室
   方向に変位されたときに、閉鎖部材がギャップ室内の前
   記対向する面に面接触されないように突起部材が形成さ
   れるようにした請求項１記載のマイクロバルブ装置。