JPH10505403A - マイクロ弁とマイクロ弁の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明のマイクロ弁（１）は、互いに固定的に結合されかつ互いに別個に製造される電磁駆動装置（２）と多層型の弁下部部分（１７）とから成っている。前記弁下部部分（１７）は、少なくとも１つの磁極子（１８）及び軸方向に可動の弁閉鎖エレメント（２０）、並びにマイクロ弁（１）の前記軸方向可動の構成部分を少なくとも部分的に包囲するケーシング（１２）を有している。前記弁下部部分（１７）は金属電鍍析出によって順次上下に構成される（多層電鍍法）。本発明のマイクロ弁は例えば内燃機関の燃料噴射装置で使用するために適している。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ弁とマイクロ弁の製造法 技術分野： 本発明は、独立請求項１に上位概念として記載した形式のマイクロ弁並びに独 立請求項１１に記載した形式のマイクロ弁の製造法に関するものである。 背景技術： 接合された複数の層から成るマイクロ弁は殊にドイツ連邦共和国特許出願公開 第４２２１０８９号明細書に基づいてすでに公知である。当該刊行物に記載され たマイクロ弁は、層状に上下に設置された３つの構成部分から成っている。これ らの構成部分はプラスチック材料又はアルミニウムから成っている。マイクロ弁 の閉鎖部材は、金属粉末を含有する注型プラスチックから成っており、かつ複数 層の層から構成されている。弁を製造するためにはプラスチック成形プロセス、 特に射出成形、或いは構造成形のためにエンボッシング加工が使用される。使用 されるプラスチックの強度又は化学的抵抗性は、規定の作業環境に必ずしも最適 に適合しているとは限らない。 発明の開示： 本発明のマイクロ弁は、請求項１に記載した通り、マイクロ弁が、互いに別個 に構成された２つの基本構 成ブロック、つまり電磁駆動装置と多層型の弁下部部分から成り、前記弁下部部 分が、少なくとも１つの磁極子と弁閉鎖エレメントと弁座面と少なくとも１つの 出口とを有し、かつ弁下部部分の前記構成部分が金属電鍍折出によって製作され ていることを特徴とし、かつ特に低廉かつ簡単に金属から製造できるという利点 を有している。従ってマイクロ弁にとって、一切のポジティブな金属特性が得ら れる。しかもマイクロ弁の、電鍍析出された個々の金属構成部分については、従 来公知のマイクロ弁の製造時に可能であったよりも狭い公差並びに、より低廉な 製作費を維持することが可能である。 本発明のマイクロ弁において特に有利な点は、該マイクロ弁が、公知のマイク ロ弁で生じるような、弁閉鎖エレメントに対する力及びモーメントの補償を有し ていないことである。圧力平衡式マイクロ弁は、さもないと、高負荷を受けるダ イヤフラムを有することになる。圧力平衡式マイクロ弁を本発明のように構成し たことに基づいて、機械的に高負荷を受けるダイヤフラムを構成要素として必要 としないという利点が得られる。マイクロ弁の弁ストロークと、切換えるべき流 体圧と、横方向寸法（ｘ軸方向、ｙ軸方向の寸法）の相互関連性はなくなる。こ れによって小さな体積流及び大きな弁ストロークを有する変化実施形態のマイク ロ弁も製作することができる。 請求項２乃至１０に記載の手段によって、請求項１に記載のマイクロ弁の有利 な構成と更なる改良が可能である。 金属電鍍析出によってマイクロ弁に、種々異なった霧化器構造を極めて簡単に 組込むことができることは特に有利である。例えば究極的には所謂「Ｓ字形」噴 射穴付き円板又は環状スリットノズルを形成する複数の金属層を問題なく析出す ることが可能である。マイクロ弁にこのように電鍍析出された環状スリットノズ ルによって、流体を特に均等に極微細霧化することが可能である。このために環 状スリットノズルは少なくとも１つの中断のないリングスリットを有しているの で、噴出すべき流体は、前記リングスリットの直ぐ下流側で連繋した円環状の噴 射層流を形成する。該噴射層流は下流方向に向かって次第に直径を増大させて極 微小液滴に崩壊する。 マイクロ弁でＳ字形噴射穴付き円板を使用する場合、高い霧化度以外に並外れ た奇妙な噴流形状を発生させ得るのが有利である。該Ｓ字形噴射穴付き円板は、 単噴流、二噴流及び多噴流スプレーのために、例えば長方形、三角形、十字形、 楕円形のような、無数の変化態様の噴流横断面を可能にする。このような珍奇な 噴流形状は、例えば内燃機関の種々異なった吸気管横断面にマイクロ弁を燃料噴 射弁として使用する場合に、規定の幾何学形状に対する最適な適合を可能にする 。 肉眼で見えるマクロスコピックな噴射弁に対比して、構造体積が小さく、駆動 装置の需要電力が僅かであり、かつ切換え時間が短いという利点がある。 マイクロ弁の本発明による製造法の要旨は、請求項１１に記載した通り、金属 電鍍析出によってマイクロ弁の複数層の層を順次上下に構成する（多層電鍍法） 点にある。本発明の製造法の利点は、マイクロ弁の構成部分を著しく大量の個数 、再現可能な形式で極めて精確かつ低廉に同時生産することができ、しかも前記 構成部分は、金属から構成されていることに基づいて、破損に対する耐性を有し 、かつ例えばポット形磁石のような別の弁構成部分に例えば接着、鑞接又は溶接 によって極めて簡便かつ低廉に組付け得ることである。本発明の方法上の処理段 階は、輪郭をほぼ選択自在であるので、極めて大きな成形自由度を可能にする。 その場合、常に新たな構造をもった金属薄層を順次上下に析出するために、ＵＶ 凹版リトグラフィ、乾式エッチング又は除去のような方法を、マイクロ電鍍法（ 水性電解液からの金属析出）と組合せるのが有利である。このプロセスは、２層 、３層又は多層の層を１つのマイクロ弁のために構成するのに適している。 請求項１２以降に記載した手段によって、請求項１１に記載したマイクロ弁の 製造法の有利な構成と更なる改良が可能になる。 マイクロ弁の２層の層を同一の電鍍工程において構成するのが特に有利であり 、その場合電鍍の所謂「横方向被覆成長」が利用される。この場合、電鍍スター ト層及び新たなホトレジスト層を付加的に被着することなしに、先行層のホトレ ジスト構造を介して所期のように金属の成長は続行される。この横方向被覆成長 によって格別顕著な経費及び時間節減が得られる。 本発明のその他の利点及び有利な構成は図面の詳細な説明から明らかである。 図面の簡単な説明： 図１は第１のマイクロ弁の断面図である。 図２は第２のマイクロ弁の断面図である。 図３はＳ形噴射穴付き円板を有する第３のマイクロ弁の断面図である。 図４は環状スリットノズルを有する第４のマイクロ弁の断面図である。 図５は可動環状スリットノズルを有する第５のマイクロ弁の断面図である。 図６はＳ形噴射穴付き円板を有する第６のマイクロ弁の断面図である。 図７はマイクロ弁用の環状スリットノズルを組込んだ弁閉鎖部材の製造プロセ スの概略的断面図である。 図８はマイクロ弁用の電鍍析出層の横方向被覆成長プロセスの概略的断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態： 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。 図１に断面図で示したマイクロ弁１は主として、２つの協働する基本構成部分 、つまりマイクロ弁１を作動するための電磁駆動装置２と、弁機能を果たす作動 部材３を有する弁下部部分１７とから成っている。前記電磁駆動装置２は例えば 、円筒形のポット形磁石５によって構成されており、該ポット形磁石内には電磁 コイル６が組込まれている。弁縦軸線８を中心として同心的に構成された電磁コ イル６は、半径方向内寄り及び外寄りで完全にポット形磁石によって包囲されて いる。前記作動部材３から離反した方のマイクロ弁１の側では、例えば２つのコ イル接続端子９がマイクロ弁１の外へ延びており、該コイル接続端子を介して電 磁コイル６の給電が保証される。 マイクロ弁１の上部部分においてポット形磁石５は可動シール部材を有してい ないので、該ポット形磁石の製造のためには、例えば打抜き加工、エンボッシン グ加工、粉末射出注型、切削加工工程、腐食処理又は金属射出成形（ＭＩＭ）法 のような、トレランス要求の比較的低い精密機械的製造法を適用することが可能 である。公知の金属射出成形法は、ポット形磁石５の製造時に特に賞用され、か つ、例えば慣用のプラスチック射出成形機における結合剤、例えばプラスチック 結合剤を含んだ金属粉末からの成形品の製造とそれに続く結合剤の除去及び残留 する金属粉末構造の焼結か ら成っている。この場合、金属粉末の組成は、ポット形磁石５の所望の最適の磁 気特性に簡単に調和することができる。 電磁コイル６は、従来慣用のように単数又は複数のワインディングを有する巻 成コイルとして、或いは打抜き部品として、或いは多層状の薄膜構造又は厚膜構 造を用いて製作することができる。単一ワインディングから成る頑丈なコイルが 設けられる場合には、該コイルを、金属ストリップの形でポット形磁石５内にプ レス嵌めすることも可能である。電磁コイル６及びポット形磁石５は、この場合 、耐摩耗性絶縁層で被覆される。電磁コイル６を装備したポット形磁石５は、該 ポット形磁石５から離反した方の側でかつ半径方向で作動部材３を包囲する弁下 部部分１７のケーシング１２と、例えば接着、溶接又は鑞接によって接合されて いる。該ケーシング１２は要するに、ポット形又は鉢形に構成されており、従っ て開口域１４を有し、該開口域内に作動部材３が内設されている。マイクロ弁１ の下流側軸方向終端部を形成しているケーシング１２のボトムプレート１５は、 例えば弁縦軸線８に対して同心的に形成された出口ポート１６を有し、該出口ポ ートは前記開口域１４に直接連通している。前記作動部材３と相俟ってケーシン グ１２は、ボトムプレート１５及び場合によっては該ボトムプレート１５に組込 まれた穴あき円板又はノズル小板を含めて、弁下部部 分１７を形成している。ポット形磁石５は究極的には、その外側制限部で以て、 マイクロ弁１の総ケーシングの一部を形成している。 ケーシング１２の開口域１４内に配置された作動部材３は、互いに固定的に接 合された２層の金属層によって形成され、しかもポット形磁石５に対面した方の 金属層は、円形横断面を有するプレート状の磁極子１８であり、またボトムプレ ート１５に対面した方の金属層は、円板状の弁閉鎖エレメント２０である。軟磁 性の磁極子１８は例えば、前記弁閉鎖エレメント２０よりも大きな直径並びに大 きな軸方向拡がり（肉厚）を有している。作動部材３を形成している前記の両構 成素子は、両者相俟って開口域１４の例えば約３／４を占めている。マイクロ弁 １の総直径が例えば１０〜１２ｍｍである場合、磁極子１８は例えば７．５ｍｍ の直径を、また弁閉鎖エレメント２０は例えば５．５ｍｍの直径を有している。 金属層の肉厚、つまり磁極子１８の肉厚と弁閉鎖エレメント２０の肉厚及びボト ムプレート１５の肉厚は通常０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲内にある。マイクロ弁１ の寸法に関する数値表示並びに、明細書中で表示したその他全ての尺度は、ただ 理解し易くするためのものでしかなく、本発明を限定するものではない。 作動部材３はケーシング１２との直結部を有している。それというのは、ポッ ト形磁石５とボトムプレー ト１５との間に延びているケーシング１２の環状周壁２２と磁極子１８との間に 、ウェブ状・板ばね状のばねエレメント２４が設けられているからである。例え ば１２０°の角度間隔で相互に配置されていて開口域１４を通って半径方向に延 在する３本のばねエレメント２４は例えば０．１ｍｍの肉厚及び０．５ｍｍの幅 を有している。ばねエレメント２４の長さは必然的に磁極子１８と環状周壁２２ の寸法から生じる。ポット形磁石５に対面した方の、磁極子１８の上部端面２５ では、該磁極子の外周域に沿って、マイクロ弁１の開弁時にポット形磁石５に当 接する複数のストッパ突起２７が形成されている。該ストッパ突起２７は磁極子 １８に例えば３個又は４個設けられているのが有利である。弁閉鎖エレメント２ ０の外周域に沿って、ボトムプレート１５の方に向いたシールリング２８が延び ており、該シールリングは円板状の弁閉鎖エレメント２０の下部端面２９を超え て張出しておりかつ本来の弁閉鎖部材を成している。該シールリング２８は弁閉 鎖エレメント２０に、微々たる幅を有する円環状の隆起として構成されている。 ボトムプレート１５の上部端面３０は、該ボトムプレート１５と協働する弁閉鎖 エレメント２０の少なくともシールリング２８の領域において弁座面を形成して いる。 接続すべき流体、例えばガソリンのような燃料は、流体用の入口ポートとして 環状周壁２２内に形成され た例えば半径方向に延びる単数又は複数の通路３２を介して、図示の矢印方向に 相応して高圧部つまりマイクロ弁１の開口域１４内へ搬入される。該マイクロ弁 が作動されると、電磁駆動装置２は作動部材３に対して吸着力を及ぼす。シール リング２８が弁座面３０から離間し、かつマイクロ弁１は流体流を、マイクロ弁 １の出口ポート１６へ向かって解放する。その際、磁極子１８はそのストッパ突 起２７でもってポット形磁石５に当接している。作動部材３のストロークは、開 口域１４の高さとストッパ突起２７の高さとによって得られ、要するに該ストッ パ突起が前記ストロークを規制する。更にまた該ストッパ突起２７は、ポット形 磁石５における固着による磁極子１８のロックを防止する。ポット形磁石５が遮 断されると、磁極子１８は弁閉鎖エレメント２０と共に、開口域１４内の流体と ばねエレメント２４とによって弁座面２０の方向に動かされて、マイクロ弁１は 閉じられる。従って作動部材３の前記両終端位置間の運動距離がストロークに他 ならない。作動部材３の開閉運動は、軸方向に延びる二重矢印によって明示され ている。磁極子１８に対する閉鎖力は、ばねエレメント２４のばね力＋液力Ｆで あり、該液力は、開口域１４と弁出口ポートとの圧力差Δｐに弁出口ポートの面 積Ａを乗じた値に等しい（Ｆ＝Δｐ×πｒ²）。マイクロ弁１全体は例えば１０ 〜１５ｍｍの軸方向拡がりを有し、従って極めて僅かな組 込みスペースしか必要としない。該マイクロ弁１を例えば内燃機関の燃料噴射弁 として使用すれば、マイクロ弁１の寸法が微小であることに基づいて今日慣用の 燃料噴射弁に対比して、組込みスペースは１／３〜１／１０に縮小される。 図２以降の図面に示した別の実施例では、図１に示した実施例に対比して同等 の構成部分又は同等作用の構成部分には、同一の符号を付して図示した。図２に 示したマイクロ弁１が、図１に示したマイクロ弁と相違している点は、ボトムプ レート１５の領域においてである。図２のボトムプレート１５は、マイクロ弁１ の下流側端部において例えば付加的な金属層によって補充され、該金属層は噴射 穴付きプレート３４を形成している。該噴射穴付きプレート３４は、弁縦軸線８ の近傍に位置している中央領域内に少なくとも１つの、典型的には４つの噴出穴 ３５を有し、該噴出穴は、ボトムプレート１５の出口ポート１６に接続している 。噴射穴付きプレート３４は、単層のボトムプレート１５の部分であって、従っ てケーシング１２内に組込まれていてもよく、或いはボトムプレート１５に対し て付加的に独立した層を成していてもよく、或いは又、ボトムプレート１５に完 全に代替するものとして弁座面３０を一緒に有していてもよい。マイクロ弁１の 開弁時に前記弁座面３０とシールリング２８との間に生じる開放ギャップ３７の 面積は、噴射穴付きプレー ト３４の噴出穴３５の横断面積の和の２倍乃至４倍である。マイクロ弁１の開弁 時には次の圧力分布が生じる。開口域１４内にはマイクロ弁１のシステム圧が付 勢されており、前記開放ギャップ３７では前記システム圧の一部分が低下し、か つ少なくとも１つの噴出穴３５では前記システム圧の大部分が降下する。マイク ロ弁１の高圧部と、開放ギャップ３７−噴出穴３５間の空間との間の圧力差は、 マイクロ弁１を確実に閉弁するのに充分な大きさである。 図３に示したマイクロ弁１の特色は特に、ボトムプレート１５の領域内に異な った変化態様の噴出域を設けた点である。ボトムプレート１５は例えば、扁平な 多層円板（多層噴射穴付き円板３８）として構成されている。前記実施例の場合 とほぼ同様に、該多層噴射穴付き円板３８はボトムプレート１５の一部分であっ てもよく、或いは該ボトムプレート１５に代えて、多層噴射穴付き円板３８自体 にマイクロ弁１のボトムを完全に形成させるようにすることもできる。図３に示 した実施例では、多層噴射穴付き円板３８は所謂「Ｓ形円板」として構成されて おり、つまり多層噴射穴付き円板３８内の入口ポートと出口ポートとが互いにず らして形成されており、これによって、多層噴射穴付き円板３８を通流する流体 の流れが必然的に「Ｓ字捻り」を描くことになる。マイクロ弁１、特に多層噴射 穴付き円板３８を製造する本発明の方法上のステップ によって、多数の層から構成された構造が得られる。本発明の製造法については 追って詳説するが、本製造法から生じる多層噴射穴付き円板３８の若干の重要な 特徴を、この箇所で念のために挙げておく。 多層噴射穴付き円板３８は、電鍍析出によつて例えば３層の金属層に構成され ている。凹版リトグラフィックな電鍍技術的製造に基づいて輪郭賦形の点で特別 の特徴がある。すなわち： ａ）金属層が円板全面にわたってほぼ一定の厚さを有している。 ｂ）凹版リトグラフィックな成形によって金属層内に、ほぼ垂直な切込み部が 生じ、該切込み部が夫々流体の通流する中空室を形成する。 ｃ）個々に成形された金属層の多層構造によって、切込み部の所望のアンダー カットと重なりが生じる。 ｄ）切込み部は、例えば長方形、多角形、丸く面取りされた長方形、丸く面取 りされた多角形、楕円形、円形などのような、ほぼ軸平行の周壁を備えた任意の 横断面形状を有する。 個々の金属層は順次電鍍析出されるので、次層は電着に基づいて、その下位に 位置している金属層と固着接合する。 多層噴射穴付き円板３８は通常、４つの入口ポート４２を備えた上層４１と、 ４つの出口ポート４４を備えた下層４３と、前記の入口ポート４２と出口ポート ４４との間に位置している例えば１層の中間層４５とを有している。入口ポート ４２が例えば弁縦軸線８の近傍に配置されているのに対して、出口ポート４４は 弁縦軸線８に対して比較的大きな間隔をとって、従って入口ポート４２に対し半 径方向にずらして設けられている。中間層４５内には、４つの半径方向通路４６ が延びており、該半径方向通路は、入口ポート４２と出口ポート４４との直接的 な連通部を形成している。該半径方向通路４６は例えば、投影図で見て入口ポー ト４２及び出口ポート４４を丁度カバーするような大きさを有している。入口ポ ート４２と出口ポート４４は、半径方向にずらすと共に、付加的に周方向にずら して配置することも可能である。 複数の強い流れ変向部を有する多層噴射穴付き円板３８内部における所謂Ｓ字 捻りに基づいて、流れには、噴霧化を促進する強い乱流が加えられる。これによ って流れに対する横方向の速度勾配が特に顕著なものとなる。該速度勾配は、流 れに対する横方向速度の変化の１つの現れに他ならず、その場合流れ中央の速度 は、周壁近傍の速度よりも著しく大である。この速度差から結果する流体内の高 い剪断応力が、出口ポート４４において微粒霧滴への崩壊を助成する。出口にお いては流れが、半径方向通路４６によって流体に加えられる半径方向流動成分に 基づいて片側で剥離されているので、流れは、通路輪郭に沿ったガイドを欠如し ているため、流動鎮静化を受けることはない。流体は、剥離した側では特に高い 速度を有しているのに対して、流れの接している方の出口ポート４４の側では流 体速度は低下する。従って、噴霧化を促進する乱流と剪断応力は出口において無 効化されることはない。 Ｓ字形円板の形の多層噴射穴付き円板３８は、多種多様の変化態様で実施する ことができる。例えば、夫々１つの入口ポート４２を１つの出口ポート４４と連 通する半径方向通路４６の代わりに、中間層４５内にただ１つの連繋した例えば 円環形又は正方形の通路４６を設けることも考えられる。この場合すべての入口 ポート４２は該通路４６に通じ、またすべての出口ポート４４は該通路４６から 再び分岐する。入口ポート４２と出口ポート４４とは互いに任意の大きさのずれ 量をもって配置することができる。ずれ量の大きさを介して噴流方向及び乱流度 を調和又は設定することが可能である。入口ポート４２、出口ポート４４及び半 径方向通路４６の典型的な正方形又は長方形横断面以外に、例えば角を丸く面取 りされた長方形又は正方形、円形、円セグメント、楕円形、楕円セグメント、多 角形、角を丸く面取りされた多角形等のような、その他の幾何学的断面形状も簡 単に製作することが可能である。また１つの多層噴射穴付き円板３８に入口ポー ト４２と出口ポート４４を、異なった断面形状にすることも考えられる。例えば 正方形から長方形へか又は その逆に、或いは長方形から円形にか又はその逆に、或いは楕円形から円形にか 又はその逆に移行するように横断面を適当に変化させることも可能である。更に 又、入口ポート４２と出口ポート４４は、問題なく異なった開口幅を有すること ができる。 図４に示したマイクロ弁１は、ボトムプレート１５内に組込まれた環状スリッ トノズル４８を有している。該環状スリットノズル４８が前記の多層噴射穴付き 円板３８と異なっている点は主として、流体出口領域においてである。ボトムプ レート１５における複数の出口ポート４４の代わる該環状スリットノズル４８は 、多層噴射穴付き円板３８と同様に例えば上中下３層に構成されており、かつ下 層４３内には、全周にわたって中断されない狭い環状スリット５０を有している 。該環状スリット５０は、環状スリットノズル４８の上層４１内に設けられた環 状ポート５２よりも著しく大きな直径を有している。勿論また該環状ポート５２ に代えて、多層噴射穴付き円板３８（図３）における構成に相応して複数の入口 ポート４２を採用することも可能である。中間層４５内には、やはり環状ポート ５２と環状スリット５０とを連通させる少なくとも１つの半径方向通路４６が設 けられている。 環状スリット５０によって薄い中空液層流が噴出可能であり、該中空液層流は マイクロ弁１の後方で下流方向に充分に薄く成る。この液層流の薄層化は、チュ ーリップ形状に基づいて惹起される層流円周の相応の増大によつて助成される。 噴流の自由表面はこうして更に拡張され、かつ液層流は適当な微細な霧滴に崩壊 する。更に又、液層流横断面が大きくなるにつれて空間的な霧滴のパッキング密 度は小さくなり、これによって燃料噴霧中における、より大きな液滴への霧滴再 結合傾向（霧滴凝結）の公算も少なくなる。液層流の崩壊は、環状スリット５０ に対する規定の軸方向間隔を経て生じる。液層流を包囲するガスとの空力学的な 相互作用によって、液層流表面は、環状スリットノズル４８に対する距離の増大 に伴って、一層強く波打つことになる（テイラーの振動）。液層流に内在する不 安定性は、環状スリット５０からの距離の増大に伴って益々大きくなり、ひいて は極微小霧滴への突発的な崩壊点に達する。本実施例における構成上の利点は、 発生する液層流の波打ちを除けば別の障害が殆ど発生しないことである。例えば 、下流側で薄層化する液層流内において、不都合な局所的な厚肉部、所謂「房毛 」が避けられる。 特に重要な点は、液層流がその全周にわたって中断されていないことである。 さもないと液層流の裂け目部位に、２つの自由層端部が発生し、該自由層端部は 表面張力の物理学に従って収縮して厚肉のビードを形成することになる。その結 果このような個所では比較的大きな液滴又は房毛が生じる。その上に液層流が中 断すると、チューリップ状の液層経過が乱される。 環状スリット式噴出について述べた前記利点は、図５に示した実施例にも完全 に当て嵌まる。このマイクロ弁１では多層のボトムプレート１５又は環状スリッ トノズル４８は分割された形で設けられている。外側のリング域５４はケーシン グ１２の部分として、周壁２２及びポット形磁石５と固定的に結合されている。 これに対して内側のノズル域５５は外側のリング域５４から完全に分離して設け られており、この場合該ノズル域５５が、可動の作動部材３の一部を構成してい るのは勿論である。従ってノズル域５５はマイクロ弁１の開閉時には、弁閉鎖エ レメント２０のストローク運動に連動する。ノズル域５５の外側輪郭もリング域 ５４の内側輪郭も共に例えば段状に構成されており、しかもノズル域５５とリン グ域５４との間の流動横断面は、弁閉鎖エレメント２０の近傍で最大である。こ の最大の流動横断面は、図５に示したように、ボトムプレート１５内に設けられ ていてもよい。下流の方向で見て開口幅は例えば新たな層毎にステップ・バイ・ ステップ式に減少して、遂には下層４３内の狭い環状スリット５０の内法幅に達 する。 環状スリット５０の直径は、弁閉鎖エレメント２０のシールリング２８にほぼ 等しい大きさ（直径）を有するように設計されている。このように構成すれば、 マイクロ弁１を閉弁するために供用される静水力は、 システム圧とマイクロ弁１の外部圧との圧力差の一部部分から得られるだけでな く、この圧力差全体から得られることになる。 図６に示したマイクロ弁１は、前述の全ての実施例とは２つの点で相違してい る。すなわち：第１には流体供給の点であり、第２には弁閉鎖エレメント２０の 構成の点である。本実施例のマイクロ弁１では、作動部材３が軸方向に運動する ところの、ケーシング１２の開口域１４へ流体を供給するための少なくとも１つ の通路３２′が、弁縦軸線８に対して平行に形成されている。その場合該通路３ ２′はポット形磁石５を貫通して、例えば該ポット形磁石の軸方向拡がり全体に わたって延びており、かつ開口域１４内へ通じている。このような通路３２′は 例えば周方向で見て、ばねエレメント２４の後置されている下流側部位で正確に 開口域１４に開口している。弁閉鎖エレメント２０は本実施例のマイクロ弁では 、シールリングを全く有していない。むしろ小板状の弁閉鎖エレメント２０の下 部端面２９が、マイクロ弁１の閉弁状態では、ボトムプレート１５の上部端面３ ０（弁座面）上に直接載着する。勿論該弁閉鎖エレメント２０の外径は、ボトム プレート１５の中央に設けられた出口ポート１６の直径よりも極く僅かに大であ るので、弁閉鎖エレメント２０は、小さな外側リングシール域５７でもって弁座 面３０に密着するにすぎない。とは云え、該外側リン グシール域５７は、マイクロ弁１の閉弁時における完全封止を保証する程度の大 きさでなければならない。その他の点ではマイクロ弁１は、第３実施例（図３） に類似して噴射穴付き円板３８（Ｓ字形円板）を装備しており、この場合の流れ のＳ字捻りは矢印で明示されている。 ここでは図示は省いたが、マイクロ弁１の別の実施態様は永久磁石の使用に関 するものである。例えばボトムプレート１５に配置された永久磁石は、電磁駆動 装置２の無通電状態において磁極子１８を弁閉鎖エレメント２０と共に弁座面３ ０に吸着してマイクロ弁１を閉弁状態にするためのものである。マイクロ弁１が 作動されると、ポット形磁石５が磁極子１８を弁閉鎖エレメント２０と共に吸引 し、それによって永久磁石の作用を部分的に相殺する。いまやマイクロ弁１は開 弁状態にある。本実施例ではばねエレメント２４を省くことができる。 次に図７及び図８に基づいて、マイクロ弁１もしくは弁下部部分１７を製作す るために特に適した本発明の有利な製作法を詳説する。但し図７及び図８は、図 １乃至図６に示した相応の所望の輪郭を有する弁下部部分１７の実施例を正確に 図示するものではなく、製作原理を明確にする配列を示すにすぎない。とは云え 、製作法の本発明による製作ステップは、図示の全ての実施例の製作を、いかな る場合も可能にする。 構造ジメンション及び噴射ノズル又は噴射弁の精密度に対する高い要求に基づ いてマイクロ構造成形法は今日、大量生産のために益々その重要性を増している 。本発明は、ホトリトグラフィック工程（ＵＶ−凹版リトグラフィ）とマイクロ ガルバニックの順次適用に基づく、マイクロ弁及びマイクロ弁の個々の構成部品 の製造法を提案する。本方法の特徴とするところは、大面積尺度においても高い 構造精密度を保証するので、著しく大量の個数を伴う大量生産のためにも理想的 に採用できることである。本発明の処理工程により１つのウェーファにおいて、 マイクロ弁１用の多数の弁下部部分１７を同時に製作することが可能である。 本方法の出発点は、扁平な安定的な担体プレート（基板）６０であり、該担体 プレートは例えば金属（銅）、珪素、ガラス又はセラミックから成ることができ る。該担体プレート６０の慣用肉厚は５００μｍ乃至２μｍであり、この肉厚が 次の処理工程に不都合な影響を及ぼすことがないのは勿論のことである。担体プ レート６０にクリーニングを施した後、先ず金属性（例えばＣｕ，Ｔｉ）又はポ リマー性の犠牲層６１が、蒸着法、スパッタリング法、遠心撒布法、スプレー法 又はその他適当な方法によって成膜被着される。該犠牲層６１は、ウェーファの 全バッチ処理の後、担体プレート６０から構成部品つまり弁下部部分１７を簡単 に個別化して分離するために、例えばエッチングによ って選択的に除去される。前記犠牲層６１上に金属性の電鍍スタート層６２（例 えばＣｕ）が、スパッタリング法、蒸着法又は湿式化学法（無通電式の金属析出 ）によって成層被着される。電鍍スタート層６２は、後のマイクロ電鍍時の導電 のために必要とされ、該マイクロ電鍍時に金属層が、所定構造のホトレジスト層 内に電鍍析出される。また電鍍スタート層６２は犠牲層６１として直接使用する こともできる。 担体プレート６０の前記前処理後、次のプロセス段階において電鍍スタート層 ６２上には全面にわたって、前記のようなホトレジスト（ホトラッカー）６３が 被着される。このためには特に３種の変化態様が提供される。すなわち： １．例えば約１００℃での固相レジストの成膜化、 ２．液相レジストの遠心撒布又はスプレー、 ３．液相状態でのポリイミドの遠心撒布又はスプレー。 ホトレジスト６３はその場合単層又は複層で被着される。 乾燥後、３種の変化態様全てにおいてホトレジスト６３は固体の形態をとる。 その場合ホトレジスト６３の肉厚は、その後に続く電鍍プロセスにおいて実現し ようとする金属層の肉厚、要するに例えば噴射穴付き円板３８（図３）の下層４ ３の肉厚、に等しくなければならない。典型的な層厚としては、弁下部部分１７ の種々の層の所望の肉厚に応じて１０〜３００μｍの層厚を得るように努力が払 われる。こうして噴射穴付き円板３８の層は通常、例えば磁極子１８よりも薄い 肉厚を有することになる。実現すべき金属構造は、ホトリトグラフィックなマス クを用いてホトレジスト６３内に反転転写されねばならない。その場合１つの実 施態様によれば、マスクを介して紫外線露光（例えばλ＝２００ｎｍ〜５００ｎ ｍ）によってホトレジスト６３を直接露光することが可能である（ＵＶ凹版リト グラフィ）。またホトレジスト６３を成形する別の実施態様によれば、ホトレジ スト６３上に、ホトリトグラフィック式に成形されて前記ホトレジスト６３の乾 式エッチングプロセスのためのマスクとして使用される酸化物（例えばＳｉＯ₂ ）又は窒化物が析出される。更に又、レーザー除去法が適用され、この場合マス クを被着後にホトレジスト６３の材料がレーザーによって爆破的に切除される。 ＵＶ露光されるホトレジスト６３の現像によつてか又は前記の別の方法（乾式 エッチング法、レーザー除去法）の適用によって、マスクにより規定された所望 の構造がホトレジスト６３内に得られる。ホトレジスト６３に成形された該構造 は、噴射穴付き円板３８の金属層４３（図３）を後に成形するためのネガティブ 構造に他ならない。他の実施例では、成層された弁下部部分１７の構成起点を成 す下層についても同等のこ とが云える。ところで次の電鍍処理段階では、発生したレジストピット内に水性 電解液から金属６５又は金属合金が析出される。該金属６５は電鍍によって、ホ トレジスト６３のネガティブ構造の輪郭に緊密に付着するので、所定の輪郭が、 ホトレジスト内で形状忠実に再現される。多層構造を製作するために、金属６５ の電鍍層の高さはホトレジスト６３の高さに等しくなければならない。析出すべ き材料の選択は、層に対するその都度の要求に関連しており、この場合特に機械 的強度、化学的安定性、溶接可能性その他のファクタが重要である。通常はＮｉ ，ＮｉＣｏ，ＮｉＦｅ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｚｎ又はＡｕが使用される。とは云 え、その他の金属及び合金の使用も当然考えられる。 完全な弁下部部分１７の構造を実現するためには、電鍍スタート層６２の被着 以降の処理工程は、所望層の層数に相応して反復されねばならない。要するに個 々の金属層は、レジスト構造化に従って常に順次折出され、かつ金属粘着作用に よって互いに接し合って保持される。弁下部部分１７の諸層及び諸構成部分のた めには異なった金属６５を使用することも可能であり、従って例えば磁極子１８ と噴射穴付き円板３８とは同一材料から成る必要はない。次の金属電鍍析出前に 電鍍スタート層６２に付加的に、例えばＰＶＤ法（physical Vapour Deposition ）又は湿式化学法によって発生される別の粘着性層を、ホトレジスト６３及び／ 又は先行金属層の上に被着することも可能であり、これによって個々の層相互間 の継手品質を改善することが可能である。 最終的に弁下部部分１７の個別化が行われる。このために犠牲層６１がエッチ ングによって除去され、これによって弁下部部分１７が担体プレート６０から離 間される。次いで電鍍スタート層６２がエッチングによって除去され、かつ残留 するホトレジスト６３が金属構造から剥離される。この剥離は例えばＫＯＨ処理 法又は酸素プラズマによって、或いはポリイミドの場合には溶剤（例えばアセト ン）によつて行うことができる。ホトレジスト６３の前記剥離プロセスは一般に 「ストリッピング」という上位概念で公知になっている。可能態様として又、電 鍍スタート層６２を適宜選択した場合には例えば磁石を用いて担体プレート６０ から機械的に分離することも可能である。超音波による個別化も同様に考えられ る。 図７から明らかなように、ばねエレメント２４用の金属層を、磁極子１８と弁 閉鎖エレメント２０との間で分離するのが特に有利である。ばねエレメント２４ の所望数に応じて前記金属層は若干の領域において磁極子１８の外側制限縁を超 えて半径方向に張出している。 傾斜した側壁又は丸く面取りされた側壁を有する構造を製作しようとする場合 には、これは所謂「横方向 被覆成長部」６８によって行うことができる。この技術では、弁下部部分１７の ２層の所望層を１回の工程で電鍍析出によって形成することが可能である。図８ では前記横方向被覆成長部６８は、符号４１及び４５で示した２層に基づいて明 らかである。電鍍析出すべき金属６５は、公知のように先ず層４５のホトレジス ト構造をめぐってホトレジスト６３の上縁まで成長し、次いで該ホトレジスト６ ３を超えて横方向に被覆成長する。該ホトレジスト構造の被覆成長部６８は水平 方向と鉛直方向とにほぼ等しい寸法オーダーで成長する。この部分的な被覆成長 部６８は、ホトレジスト６３面の別の電鍍スタート層６２の被着及び次の電鍍層 自体の被着に代わるものである。それというのは弁下部部分１７の２つの層４５ ，４１が同一の電鍍工程で発生されるからである。このようにすれば例えば噴射 穴付き円板３８の上層４１内の入口ポート４２（図３）を全く所期の通り製作す ることが可能になる。前記横方向被覆成長部６８は、所望の開口サイズを維持す るために、所定の時点に適当に成長を中断されねばならない。他面において該横 方向被覆成長部６８の軸方向高さに別のホトレジスト層６３を設けておくことも 可能であり、該ホトレジスト層は究極的には、上層４１の横方向被覆成長部６８ のためのストッパとして役立ち、かつ入口ポート４２の正確に規定されたサイズ を保証する。 後に相対運動可能（図５参照）でなければならないところの構造を分離するた めに、図７に示したように、分離すべき部位に適当な犠牲層６１′が使用される 。この犠牲層は特に、ＰＶＤによつて生成されたチタン層又は銅層であってもよ く、該金属層は、マイクロ弁１の、後に可動部分（内側のノズル域５５）に所属 することになる次の金属層を析出する前に、後の固定的なリング域５４の先行層 上に被着される。 犠牲層６１，６１′、電鍍スタート層６２もしくはホトレジスト６３の除去前 又は除去後に、弁下部部分１７とポット形磁石５とを結合するために必要とする 接合プロセス（例えば接着、溶接、鑞接）を行うことが可能である。 符号の説明： １ マイクロ弁、 ２ 電磁駆動装置、 ３ 作動部材、 ５ ポッ ト形磁石、 ６ 電磁コイル、 ８ 弁縦軸線、 ９ コイル接続端子、 １２ ケーシング、 １４ 開口域、 １５ ボトムプレート、 １６ 出口ポート、 １７ 弁下部部分、 １８ 磁極子、 ２０ 弁閉鎖 エレメント、 ２２ 環状周壁、 ２４ ばねエレメント、 ２５ 磁極 子の上部端面、 ２７ ストッパ突起、 ２８ シールリング、 ２９ 弁閉鎖エレメントの下部端面、 ３０ 弁座面を形成しているボトムプレート の上部端面、 ３２，３２′ 通路、 ３４ 噴射穴付きプレート、 ３５ 噴出穴、 ３７ 開放ギャップ、 ３８ 多層噴射穴付き円板、 ４１ 上層、 ４２ 入口ポート、 ４３ 下層、 ４４ 出口ポート、 ４５ 中間層、 ４６ 半径方向通路、 ４８ 環状スリットノズル、 ５０ 環状スリット、 ５２ 環状ポート、 ５４ 外側のリング域、 ５５ 内側のノズル域、 ５７ 外側リングシール域、 ６０ 担体プレ ート（基板）、 ６１，６１′ 犠牲層、 ６２ 電鍍スタート層、 ６３ ホトレジスト（ホトラッカー）、 ６５ 金属又は金属合金、 ６８ 横方向被覆成長部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ１５Ｃ 3/00 Ｆ１５Ｃ 3/00 5/00 5/00 Ｆ１６Ｋ 31/06 ３８５ Ｆ１６Ｋ 31/06 ３８５Ａ (72)発明者 ゴットフリート フリク ドイツ連邦共和国 Ｄ−71229 レオンベ ルク ブルクハルデ 52 (72)発明者 トーマス シットニ ドイツ連邦共和国 Ｄ−71711 シュタイ ンハイム ウーラントシュトラーセ 18 (72)発明者 アレクサンドラ ベーリンガー ドイツ連邦共和国 Ｄ−71229 レオンベ ルク シューバルトシュトラーセ 47

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．互いに上下に配置されて部分的に互いに接合された複数の層から構成された マイクロ弁であって、しかも前記層の少なくとも１つの層が少なくとも部分的に 金属材料から形成されており、かつ少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出 口と、前記入口と出口との間に介在しかつ駆動装置によって変位可能の弁閉鎖エ レメントに配設された弁座面とを備えた形式のものにおいて、マイクロ弁（１） が、互いに別個に構成された２つの基本構成ブロック、つまり電磁駆動装置（２ ）と多層型の弁下部部分（１７）から成り、前記弁下部部分（１７）が、少なく とも１つの磁極子（１８）と弁閉鎖エレメント（２０）と弁座面（３０）と少な くとも１つの出口（１６，３５，４４，５０）とを有し、かつ弁下部部分（１７ ）の前記構成部分が金属電鍍析出によって製作されていることを特徴とする、マ イクロ弁。 ２．弁下部部分（１７）が外側をポット形のケーシング（１２）によって制限さ れており、該ケーシングが少なくともボトムプレート（１５）とリング状の周壁 （２２）とから成り、かつ、前記ケーシング（１２）によって少なくとも部分的 に包囲された開口域（１４）を有し、該開口域内へ少なくとも１つの入口（３２ ，３２′）が開口し、また前記開口域を 起点として少なくとも１つの出口（１６，３５，４４，５０）が発している、請 求項１記載のマイクロ弁。 ３．弁下部部分（１７）の開口域（１４）内に、磁極子（１８）と弁閉鎖エレメ ント（２０）が配置されている、請求項２記載のマイクロ弁。 ４．ケーシング（１２）のボトムプレート（１５）が、弁閉鎖エレメント（２０ ）と協働する弁座面（３０）を有している、請求項２記載のマイクロ弁。 ５．磁極子（１８）と弁閉鎖エレメント（２０）が可動の作動部材（３）を形成 しており、該作動部材が少なくとも１つのばねエレメント（２４）を介してケー シング（１２）の周壁（２２）と結合されている、請求項２記載のマイクロ弁。 ６．磁極子（１８）が、弁閉鎖エレメント（２０）よりも大きな直径を有してい る、請求項１又は２記載のマイクロ弁。 ７．ケーシング（１２）のボトムプレート（１５）が、少なくとも１つの噴出穴 （３５）を備えた噴射穴付きプレート（３４）を有している、請求項２記載のマ イクロ弁。 ８．ケーシング（１２）のボトムプレート（１５）が多層の噴射穴付き円板（３ ８）を有し、該噴射穴付き円板の少なくとも１つの入口ポート（４２）が半径方 向でずらされており、つまり少なくとも１つの 出口ポート（４４）に対して偏心して配置されている、請求項２記載のマイクロ 弁。 ９．ケーシング（１２）のボトムプレート（１５）が、中断のない環状スリット （５０）を出口として備えた環状スリットノズル（４８）を有している、請求項 ２記載のマイクロ弁。 10．ボトムプレート（１５）が、ケーシング（１２）の固定部分に所属する外側 のリング域（５４）と、作動部材（３）に固着結合されていて弁下部部分（１７ ）の可動部分に所属する内側のノズル域（５５）とによって構成されている、請 求項２又は５記載のマイクロ弁。 11．マイクロ弁、特に請求項１から１０までのいずれか１項記載のマイクロ弁の 製造法において、金属電鍍析出によってマイクロ弁（１）の複数層の層（１５， １８，２０，２２，２４，３４，３８，４１，４３，４５，４８）を順次上下に 構成すること（多層電鍍法）を特徴とする、マイクロ弁の製造法。 12．第１の処理段階で担体プレート（６０）上に犠牲層（６１）を被着した後に ホトレジスト（６３）を成層し、次いで該ホトレジスト（６３）の構造を所期の 通り成形し、これによって該ホトレジスト（６３）内に、マイクロ弁（１）の後 の層に対するネガティブ構造を発生させ、それに続いてマイクロ電鍍を行い、そ の際に、前記ホトレジスト（６３）の前 記ネガティブ構造内に生じたレジストピットを電鍍によって金属（６５）で充填 し、次いでマイクロ弁（１）の構成層（１５，１８，２０，２２，２４，３４， ３８，４１，４３，４５，４８）の所望層数に相応して、前記の処理段階の反復 を実施し、最後にマイクロ弁（１）の個別化を行うと共に金属構造からホトレジ スト（６３）を剥離する、請求項１１記載の製造法。 13．電鍍析出すべき個々の層間に電鍍スタート層（６２）を被着する、請求項１ ２記載の製造法。 14．ホトレジスト（６３）の被着を、固相レジストの成層化として行う、請求項 １２記載の製造法。 15．ホトレジスト（６３）の被着を、液相レジストの遠心撒布又はスプレーとし て行う、請求項１２記載の製造法。 16．ホトレジスト（６３）の被着を、液相状態のポリイミドの遠心撒布又はスプ レーとして行う、請求項１２記載の製造法。 17．ホトレジスト（６３）の構造成形を、マスクを介してのＵＶ露光とそれに続 く現像とによって行う（ＵＶ凹版リトグラフィ法）、請求項１２記載の製造法。 18．ホトリトグラフィックによって構成されてホトレジスト（６３）の乾式エッ チングプロセス用のマスクとして使用される酸化物又は窒化物の分離によっ て、前記ホトレジスト（６３）の構造成形を行う、請求項１２記載の製造法。 19．ホトレジスト（６３）の構造成形を、レーザーによる除去によって行う、請 求項１２記載の製造法。 20．マイクロ弁（１）の２層の層（１５，１８，２０，２２，２４，３４，３８ ，４１，４３，４５，４８）を同一の電鍍工程中に製造し、その際ホトレジスト （６３）を超えて水平方向及び鉛直方向に金属（６５）を成長させる（横方向被 覆成長）、請求項１２記載の製造法。