WO2018167829A1 - マイクロバルブ - Google Patents

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WO2018167829A1
WO2018167829A1 PCT/JP2017/010043 JP2017010043W WO2018167829A1 WO 2018167829 A1 WO2018167829 A1 WO 2018167829A1 JP 2017010043 W JP2017010043 W JP 2017010043W WO 2018167829 A1 WO2018167829 A1 WO 2018167829A1
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microvalve
glass film
base layer
layer
opening
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PCT/JP2017/010043
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English (en)
French (fr)
Inventor
文剣 盧
繁明 芝本
Original Assignee
株式会社島津製作所
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F16K7/14—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat
    • F16K7/17—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat the diaphragm being actuated by fluid pressure

Definitions

  • the present invention relates to a microvalve having a laminated structure in which a plurality of layers are laminated.
  • valve device provided in a flow path in the device has been used.
  • a small microvalve is used for a chromatograph microinjector.
  • the microvalve has a laminated structure in which a plurality of layers are laminated, and a flow path is opened and closed by introducing a fluid such as a gas into the inside (for example, see Patent Document 1 below).
  • the microvalve described in Patent Document 1 includes a first layer, a second layer, and a displacement layer as a laminated structure.
  • the displacement layer is formed in a thin film, and the displacement layer is sandwiched between the first layer and the second layer.
  • an inlet and an outlet that penetrate in the thickness direction are formed in the first layer.
  • a gap is provided between the first layer and the displacement layer, and while the microvalve is in an open state, the gas supplied into the microvalve from the inlet is the first layer and the displacement layer. And flows out from the outlet.
  • the microvalve is to be closed, fluid is introduced from this state toward the displacement layer from the second layer side.
  • a displacement layer is pressed and deform
  • an inflow port and an outflow port are obstruct
  • the microvalve is configured by a laminated structure, it is possible to achieve miniaturization.
  • the displacement layer is made of PEEK (Poly Ether Ether Keton).
  • PEEK has the property of adsorbing specific gas components. Therefore, when gas passes through the microvalve, there is a problem that the content of a specific component in the gas may change.
  • This invention is made
  • the microvalve according to the present invention is a microvalve having a laminated structure in which a plurality of layers are laminated.
  • the microvalve includes a base layer and a glass film.
  • an inflow port through which gas flows into the microvalve and an outflow port through which gas flowing in from the inflow port flows out of the microvalve are formed as through holes, respectively.
  • the glass film faces the base layer and elastically deforms as the pneumatic fluid flows into the microvalve, thereby opening and closing at least one of the inflow port and the outflow port.
  • the microvalve has a thickness of 50 ⁇ m or less.
  • the microvalve in the microvalve, at least one of the inflow port and the outflow port is opened and closed by elastically deforming the glass film as the pneumatic fluid flows in.
  • Glass glass film
  • the gas passing through the microvalve can be kept in a stable state, and changes in the gas components can be suppressed.
  • an attachment surface to which the glass film is attached may be formed of glass.
  • the glass film can be fixed to the mounting surface by welding. Therefore, the glass film can be firmly fixed to the mounting surface.
  • the microvalve may further include a cover layer.
  • the cover layer faces the base layer, and the glass film is disposed between the cover layer and the base layer.
  • the glass film can be protected by the cover layer.
  • a pneumatic fluid may flow between the base layer and the cover layer to press the glass film toward the base layer.
  • the glass film can be pressed to the base layer side by utilizing the region between the base layer and the cover layer and flowing the pneumatic fluid into the region.
  • the said glass film may be attached to the said cover layer.
  • the glass film can be stably held by the cover layer.
  • the said glass film may be attached to the said base layer.
  • the cover layer may function as a stopper for the glass film when the glass film is pressed toward the cover layer by a gas flowing in from the inflow port.
  • the cover layer functions as a stopper that restricts deformation of the glass film beyond a certain level. Therefore, it is possible to prevent the glass film from being damaged by the cover layer.
  • the glass film made of an inert material is elastically deformed, so that at least one of the inlet and the outlet is opened and closed. Therefore, the gas passing through the microvalve can be kept in a stable state, and changes in the gas components can be suppressed.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the microvalve shown in FIG. 3. It is sectional drawing which showed the structure of the microvalve, Comprising: The state where the pneumatic fluid is not introduced is shown. It is sectional drawing which showed the structure of the microvalve, Comprising: The state which a glass film elastically deforms by introducing a pneumatic fluid is shown. It is sectional drawing which showed the structure of the microvalve which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a microvalve 1 according to an embodiment of the present invention, and shows a state where the microvalve 1 is viewed from above.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the microvalve 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the microvalve 1 is viewed from below.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the microvalve 1 shown in FIG. 1 to 4 show a state in which a part of the microvalve 1 is cut away.
  • the state shown in FIGS. That is, the upper side of the page is the upper side, and the lower side of the page is the lower side. Further, the vertical direction coincides with the axial direction of the microvalve 1. That is, the upper side is one in the axial direction, and the lower side is the other in the axial direction.
  • the microvalve 1 is a plate-like member having a predetermined thickness in a square shape in plan view, and has a laminated structure in which a plurality (two layers) of plate-like members are laminated.
  • the microvalve 1 includes a base layer 2 and a cover layer 4 as a layer structure.
  • the microvalve 1 includes a glass film 3 disposed between the base layer 2 and the cover layer 4.
  • the dimension of the microvalve 1 in the width direction (left-right direction) and the dimension in the orthogonal direction (front-rear direction) orthogonal to the width direction are each about 1 cm.
  • Each of the layers 2 and 4 is finely processed by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • the base layer 2 is a layer located at the lowermost position in the microvalve 1.
  • the base layer 2 is formed in a flat plate shape having a square shape in plan view, and is made of silicon or glass.
  • a recess 21, a first opening 23, and a second opening 24 are formed.
  • the recess 21 is located at the center of the base layer 2.
  • the recess 21 has a circular shape in plan view and is recessed downward from the upper surface of the base layer 2.
  • a portion located below the recess 21 is the contact portion 26, and a portion located outside the recess 21 and the contact portion 26 is the contact portion 27.
  • 1st opening 23 is formed as a through-hole located in the center of the center part (contact part 26) of the base layer 2. As shown in FIG.
  • the first opening 23 has a circular shape in plan view and penetrates the contact portion 26 in the thickness direction.
  • the first opening 23 communicates with the recess 21.
  • the first opening 23 is an example of an inflow port.
  • 2nd opening 24 is formed as a through-hole located in the center part (contact part 26) of the base layer 2. As shown in FIG. Specifically, the second opening 24 is located in the vicinity of the first opening 23 with an interval. The second opening 24 has a circular shape in plan view and penetrates the contact portion 26 in the thickness direction. The second opening 24 communicates with the recess 21. The second opening 24 is an example of an outlet.
  • the cover layer 4 is located above the base layer 2 and faces the base layer 2.
  • the cover layer 4 is formed in a flat plate shape having a square shape in plan view, and is made of glass.
  • the outer shape of the cover layer 4 is formed substantially the same as the outer shape of the base layer 2.
  • a central opening 41 is formed in the cover layer 4.
  • the central opening 41 is located at the center of the cover layer 4.
  • the central opening 41 has a circular shape in plan view and penetrates the cover layer 4 in the thickness direction.
  • the lower surface 42 of the cover layer 4 functions as an attachment surface to which the glass film 3 is attached.
  • the glass film 3 is attached to the lower surface 42 of the cover layer 4.
  • the glass film 3 is formed in a thin film shape having a circular shape in plan view and is made of glass.
  • the glass forming the glass film 3 may or may not contain an alkali.
  • the diameter of the glass film 3 is smaller than the diameter of the concave portion 21 of the base layer 2.
  • the thickness of the glass film 3 is 50 ⁇ m or less. Since the glass film 3 is formed in a thin film shape, it has flexibility and is elastically deformable.
  • the openings and recesses in the base layer 2 and the cover layer 4 are formed in advance in each layer by etching or blasting.
  • the base layer 2, the glass film 3, and the cover layer 4 are subjected to inactivation treatment in advance.
  • the base layer 2, the glass film 3, and the cover layer 4 which performed these processes are laminated
  • the inactivation process with respect to each layer may be performed after the base layer 2, the glass film 3, and the cover layer 4 are laminated
  • the outer edge portion 32 of the glass film 3 is attached to the lower surface 42 of the cover layer 4 by welding (laser welding).
  • the axis of the glass film 3 coincides with the axis of the cover layer 4.
  • An annular attachment portion that slightly protrudes downward may be provided on the lower surface 42 of the cover layer 4, and the outer edge portion 32 of the glass film 3 may be attached to the lower surface of the attachment portion by welding.
  • the lower surface of the mounting portion constitutes the mounting surface.
  • the close contact portion 27 of the base layer 2 and the outer edge portion 43 of the cover layer 4 are joined.
  • the base layer 2 and the cover layer 4 are joined by anodic bonding, and when the base layer 2 and the cover layer 4 are made of the same material. Is diffusion bonding.
  • the base layer 2 and the cover layer 4 can be fixed by welding.
  • the base layer 2 and the cover layer 4 face each other, and the glass film 3 is disposed between the base layer 2 and the cover layer 4. Further, the glass film 3 is opposed to the contact portion 26 of the base layer 2 with an interval. Specifically, the central portion 31 of the glass film 3 faces the first opening 23 and the second opening 24 of the base layer 2 with a space therebetween.
  • a dimension (gap) between the glass film 3 and the contact portion 26 of the base layer 2 is, for example, 5 to 20 ⁇ m, and preferably about 10 ⁇ m.
  • FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views showing the configuration of the microvalve 1. Specifically, FIG. 5 shows a state in which no pneumatic fluid is introduced into the microvalve 1. FIG. 6 shows a state in which the glass film is elastically deformed by introducing a pneumatic fluid into the microvalve 1.
  • the microvalve 1 is provided with a member for inflow and outflow of the sample gas on the lower surface side of the base layer 2 and for introducing a pneumatic fluid to the upper surface side of the cover layer 4. It is used in the state where this member is attached.
  • the sample gas is supplied into the microvalve 1.
  • the sample gas is supplied into the microvalve 1 from the first opening 23 of the base layer 2, and then passes through the space between the glass film 3 and the contact portion 26 of the base layer 2. It flows out of the microvalve 1 through the second opening 24.
  • a pneumatic fluid is supplied toward the microvalve 1 as shown in FIG. .
  • the pneumatic fluid is, for example, a gas such as air.
  • the pneumatic fluid is supplied into the microvalve 1 from the central opening 41 of the cover layer 4 at a pressure higher than the pressure of the sample gas.
  • the central part 31 of the glass film 3 is pressed toward the lower side (base layer 2 side) by the pressure of the pneumatic fluid. Thereby, the central part 31 of the glass film 3 is elastically deformed so as to be directed downward (base layer 2 side), and is in close contact with the contact part 26 of the base layer 2. Since the glass film 3 is formed in a thin film and is soft, the glass film 3 and the contact portion 26 of the base layer 2 are in close contact with each other in a highly airtight state.
  • the first opening 23 and the second opening 24 of the base layer 2 are closed (closed) by the central portion 31 of the glass film 3, the flow path of the sample gas is closed, and the microvalve 1 is closed. .
  • the glass film 3 When the supply of the pneumatic fluid into the microvalve 1 is stopped, the glass film 3 returns to its original state as shown in FIG. 5 due to the elastic force of the glass film 3, and the microvalve 1 is opened. It becomes a state.
  • the glass film 3 is elastically deformed, the central portion 31 is brought into close contact with the contact portion 26 of the base layer 2, and the microvalve 1 is in the closed state. Become. Further, when the supply of the pneumatic fluid to the microvalve 1 is stopped, the glass film 3 returns to the original state, and the microvalve 1 is opened.
  • microvalve 1 described above can be used as a valve provided in various devices. Further, by preparing a plurality of microvalves 1 and using each microvalve 1 as a port, the same operation as a multiport valve can be performed.
  • Action Effect (1) As shown in FIG. 6, when a pneumatic fluid is supplied to the microvalve 1, the glass film 3 is elastically deformed, and the central portion 31 of the glass film 3 is It adheres to the contact part 26 of the base layer 2. And the 1st opening 23 and 2nd opening 24 of the base layer 2 are closed by the center part 31 of the glass film 3, the flow path of sample gas is closed, and a microvalve will be in a closed state. Further, when the supply of the pneumatic fluid into the microvalve 1 is stopped, the glass film 3 returns to the original state, and the microvalve 1 is opened.
  • the first opening 23 and the second opening 24 of the base layer 2 are opened and closed by elastically deforming the inert glass film with the inflow and outflow of the pneumatic fluid. Therefore, the gas passing through the microvalve 1 can be maintained in a stable state, and changes in the gas components can be suppressed.
  • the glass film 3 is formed in a thin film shape, and the thickness is 50 micrometers or less. Therefore, even if the pressure of the pneumatic fluid is low, the glass film 3 can be elastically deformed.
  • the cover layer 4 is made of glass, and the glass film 3 is attached to the lower surface 42 of the cover layer 4.
  • the glass film 3 can be fixed to the lower surface 42 of the cover layer 4 by welding. As a result, the glass film 3 can be firmly fixed to the mounting surface.
  • the cover layer 4 faces the base layer 2, and the glass film 3 is disposed between the base layer 2. Is done.
  • the glass film 3 can be protected by the cover layer 4.
  • the pneumatic fluid flows between the base layer 2 and the cover layer 4, and the glass film 3 is pressed toward the base layer 2 side to be elastic. Deform.
  • the glass film 3 can be pressed to the base layer 2 side by utilizing the region between the base layer 2 and the cover layer 4 and flowing the pneumatic fluid into the region.
  • the glass film 3 is attached to the cover layer 4 in the microvalve 1.
  • the glass film 3 can be stably held by the cover layer 4.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the microvalve 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the glass film 3 is attached to the cover layer 4.
  • the glass film 3 is attached to the base layer 2.
  • the base layer 2 is made of glass.
  • An outer edge portion 32 of the glass film 3 is attached to the upper surface of the contact portion 26 of the base layer 2 by welding (laser welding). At this time, the axis of the glass film 3 coincides with the axis of the base layer 2.
  • the glass film 3 faces the lower surface 42 of the cover layer 4 with a gap. Specifically, the central portion 31 of the glass film 3 is opposed to the central opening 41 of the cover layer 4 with an interval.
  • the dimension (gap) between the glass film 3 and the cover layer 4 is, for example, 5 to 20 ⁇ m, and preferably about 10 ⁇ m.
  • each of the sample gas and the pneumatic fluid is supplied into the microvalve 1.
  • the sample gas is supplied from the first opening 23 of the base layer 2 into the microvalve 1.
  • the pneumatic fluid is supplied into the microvalve 1 from the central opening 41 of the cover layer 4 at a pressure higher than the pressure of the sample gas.
  • the glass film 3 is kept in close contact with the contact portion 26 of the base layer 2. And the 1st opening 23 and the 2nd opening 24 of the base layer 2 are closed (closed) by the center part 31 of the glass film 3, and the microvalve is in the closed state.
  • the microvalve 1 When the microvalve 1 is opened, the supply of pneumatic fluid into the microvalve 1 is stopped. Then, the central part 31 of the glass film 3 is pressed toward the upper side (the cover layer 4 side) by the pressure of the sample gas.
  • the center part 31 of the glass film 3 is elastically deformed upward, and the center part 31 of the glass film 3 and the contact part 26 (1st opening of the base layer 2). 23 and the second opening 24). Then, after passing through the first opening 23 of the base layer 2, the sample gas passes through the space between the central portion 31 of the glass film 3 and the contact portion 26 of the base layer 2, and It flows out of the microvalve 1 through the second opening 24.
  • the central portion 31 of the glass film 3 comes into contact with the lower surface 42 of the cover layer 4. Thereby, the further elastic deformation of the glass film 3 is controlled.
  • the lower surface 42 of the cover layer 4 functions as a stopper for the glass film 3.
  • the glass film 3 returns to the original state due to the elastic force of the glass film 3.
  • the glass film 3 is attached to the base layer 2.
  • the cover layer 4 (the lower surface 42) serves as a stopper that restricts elastic deformation of the glass film 3 when the sample gas is supplied into the microvalve 1 and the glass film 3 is pressed to the cover layer 4 side. Function.
  • the cover layer 4 can restrict the glass film from being deformed beyond a certain level. As a result, the cover layer 4 can prevent the glass film 3 from being damaged.
  • the pneumatic fluid is described as a gas such as air.
  • the pneumatic fluid may be a liquid.

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Abstract

マイクロバルブ１は、基台層２、ガラスフィルム３及びカバー層４を備えている。ガラスフィルム３は、基台層２とカバー層４との間に配置されている。基台層２には、サンプルガスが通過する第１開口２３及び第２開口２４が形成されている。マイクロバルブ１にニューマチック流体が供給されると、ガラスフィルム３が弾性変形して、ガラスフィルム３の中央部３１が基台層２の接触部２６に密着する。そして、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖され、サンプルガスの流路が閉じられて、マイクロバルブが閉状態となる。このように、マイクロバルブ１では、不活性なガラスフィルムが弾性変形することにより、第１開口２３及び第２開口２４が開閉される。そのため、マイクロバルブ内を通過するサンプルガスを安定した状態に保つことができ、サンプルガスの成分の変化を抑制できる。

Description

マイクロバルブ
　本発明は、複数層が積層された積層構造を有するマイクロバルブに関するものである。
　従来から、各種装置において、装置内の流路に設けられるバルブ装置が利用されている。例えば、クロマトグラフのマイクロインジェクタには、小型のマイクロバルブが利用されている。
　マイクロバルブは、複数層が積層された積層構造を有しており、内部にガスなどの流体が導入されることにより、流路の開閉が行われる（例えば、下記特許文献１参照）。
　特許文献１に記載のマイクロバルブは、第１層と、第２層と、変位層とを積層構造として備えている。このマイクロバルブでは、変位層が薄膜状に形成されており、変位層を第１層と第２層とで挟み込む構成となっている。また、第１層には、厚み方向に貫通する流入口及び流出口が形成されている。第１層と変位層との間には、隙間が設けられており、マイクロバルブが開状態とされている間は、流入口からマイクロバルブ内に供給されたガスは、第１層と変位層との間を通過し、流出口から外部に流出する。マイクロバルブを閉状態にする場合には、この状態から、第２層側から変位層に向けて流体が導入される。これにより、変位層が、第１層側に押圧されて変形し、第１層に密着する。そして、変位層によって、流入口及び流出口が閉塞されて、マイクロバルブ内の流路が閉じられる。
　このように、マイクロバルブは、積層構造によって構成されるため、小型化を実現することができる。
米国特許出願公開第２０１２／００２１５２９号明細書
　しかしながら、特許文献１に記載のマイクロバルブにおいて、変位層は、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Keton）からなる。ＰＥＥＫは、特定のガス成分を吸着する性質を有している。そのため、マイクロバルブ内をガスが通過した場合に、そのガスにおける特定成分の含有量が変化する可能性があるという不具合があった。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、内部を通過するガスの成分の変化を抑制できるマイクロバルブを提供することを目的とする。
（１）本発明に係るマイクロバルブは、複数層が積層された積層構造を有するマイクロバルブである。前記マイクロバルブは、基台層と、ガラスフィルムとを備える。前記基台層には、前記マイクロバルブ内にガスが流入する流入口、及び、前記流入口から流入したガスが前記マイクロバルブ内から流出する流出口が、それぞれ貫通孔として形成される。前記ガラスフィルムは、前記基台層に対向し、前記マイクロバルブ内へのニューマチック流体の流入に伴って弾性変形することにより、前記流入口及び前記流出口の少なくとも一方を開閉する。前記マイクロバルブは、その厚みが５０μｍ以下である。
　このような構成によれば、マイクロバルブでは、ニューマチック流体の流入に伴ってガラスフィルムが弾性変形することにより、流入口及び流出口の少なくとも一方が開閉される。また、ガラス（ガラスフィルム）は、不活性な材質である。
　そのため、マイクロバルブ内を通過するガスを安定した状態に保つことができ、ガスの成分の変化を抑制できる。
（２）また、前記マイクロバルブにおいて、前記ガラスフィルムが取り付けられる取付面がガラスにより形成されていてもよい。
　このような構成によれば、ガラスフィルムを取付面に対して溶接により固定することができる。
　そのため、ガラスフィルムを取付面に対して強固に固定できる。
（３）また、前記マイクロバルブは、カバー層をさらに備えてもよい。前記カバー層は、前記基台層に対向し、前記基台層との間に前記ガラスフィルムが配置される。
　このような構成によれば、カバー層によりガラスフィルムを保護できる。
（４）また、前記マイクロバルブにおいて、前記基台層と前記カバー層との間にニューマチック流体が流入して、前記ガラスフィルムを前記基台層側に押圧してもよい。
　このような構成によれば、基台層とカバー層との間の領域を活用して、その領域にニューマチック流体を流入することで、ガラスフィルムを基台層側に押圧できる。
（５）また、前記ガラスフィルムは、前記カバー層に取り付けられていてもよい。
　このような構成によれば、ガラスフィルムをカバー層によって安定的に保持できる。
（６）また、前記ガラスフィルムは、前記基台層に取り付けられていてもよい。前記カバー層は、前記流入口から流入するガスにより前記ガラスフィルムが前記カバー層側に押圧されたときに、前記ガラスフィルムに対するストッパとして機能してもよい。
　このような構成によれば、高い圧力のガスが流入口から流入した場合であっても、カバー層が、ガラスフィルムの一定以上の変形を規制するストッパとして機能する。
　そのため、カバー層によって、ガラスフィルムが破損することを防止できる。
　本発明によれば、ニューマチック流体の流入に伴って、不活性な材質からなるガラスフィルムが弾性変形することにより、流入口及び流出口の少なくとも一方が開閉される。そのため、マイクロバルブ内を通過するガスを安定した状態に保つことができ、ガスの成分の変化を抑制できる。
本発明の第１実施形態に係るマイクロバルブの構成を示した斜視図であって、マイクロバルブを上方側から見た状態を示している。 図１に示すマイクロバルブの分解斜視図である。 マイクロバルブを下方側から見た状態を示した斜視図である。 図３に示すマイクロバルブの分解斜視図である。 マイクロバルブの構成を示した断面図であって、ニューマチック流体が導入されていない状態を示している。 マイクロバルブの構成を示した断面図であって、ニューマチック流体が導入されることにより、ガラスフィルムが弾性変形する状態を示している。 本発明の第２実施形態に係るマイクロバルブの構成を示した断面図である。
１．マイクロバルブの構成
　図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロバルブ１の構成を示した斜視図であって、マイクロバルブ１を上方側から見た状態を示している。図２は、図１に示すマイクロバルブ１の分解斜視図である。図３は、マイクロバルブ１を下方側から見た状態を示した斜視図である。図４は、図３に示すマイクロバルブ１の分解斜視図である。なお、図１～図４では、マイクロバルブ１の一部を切り欠いた状態を示している。
　なお、以下の説明において、マイクロバルブ１の方向について言及するときは、図１～図４に示す状態を上下の基準とする。すなわち、紙面上方が上方であり、紙面下方が下方である。また、上下方向は、マイクロバルブ１の軸方向に一致している。すなわち、上方は、軸方向一方であり、下方は、軸方向他方である。
　マイクロバルブ１は、平面視正方形状の所定の厚みを有する板状の部材であって、複数（２層）の平板状の部材が積層された積層構造を有している。具体的には、マイクロバルブ１は、層構造として、基台層２と、カバー層４とを備えている。また、マイクロバルブ１は、基台層２とカバー層４との間に配置されるガラスフィルム３を備えている。マイクロバルブ１の幅方向（左右方向）の寸法、及び、幅方向と直交する直交方向（前後方向）の寸法は、それぞれ約１ｃｍである。各層２，４には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により微細加工が施されている。
　図２に示すように、基台層２は、マイクロバルブ１において、最下方に位置する層である。基台層２は、平面視正方形状の平板状に形成されており、シリコン又はガラスからなる。基台層２には、凹部２１と、第１開口２３と、第２開口２４とが形成されている。
　凹部２１は、基台層２の中央部に位置している。凹部２１は、平面視円形状であって、基台層２の上面から下方に向かって窪んでいる。基台層２において、凹部２１の下方に位置する部分が、接触部２６であり、凹部２１及び接触部２６の外方に位置する部分が密着部２７である。
　第１開口２３は、基台層２の中央部（接触部２６）の中心に位置する貫通孔として形成されている。第１開口２３は、平面視円形状であって、接触部２６を厚み方向に貫通している。第１開口２３は、凹部２１に連通している。第１開口２３が、流入口の一例である。
　第２開口２４は、基台層２の中央部（接触部２６）に位置する貫通孔として形成されている。具体的には、第２開口２４は、第１開口２３の近傍に間隔を隔てて位置している。第２開口２４は、平面視円形状であって、接触部２６を厚み方向に貫通している。第２開口２４は、凹部２１に連通している。第２開口２４が、流出口の一例である。
　図２及び図４に示すように、カバー層４は、基台層２の上方に位置しており、基台層２に対向している。カバー層４は、平面視正方形状の平板状に形成されており、ガラスからなる。カバー層４の外形は、基台層２の外形とほぼ同一に形成されている。カバー層４には、中央開口４１が形成されている。
　中央開口４１は、カバー層４の中心部に位置している。中央開口４１は、平面視円形状であって、カバー層４を厚み方向に貫通している。
　なお、後述するように、カバー層４の下面４２は、ガラスフィルム３を取り付ける取付面として機能する。
　ガラスフィルム３は、カバー層４の下面４２に取り付けられている。ガラスフィルム３は、平面視円形状の薄膜状に形成されており、ガラスからなる。ガラスフィルム３を形成するガラスは、アルカリを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。ガラスフィルム３の径は、基台層２の凹部２１の径よりも小さい。ガラスフィルム３の厚みは、５０μｍ以下である。ガラスフィルム３は、薄膜状に形成されているため、可撓性を有しており、弾性変形可能である。
　基台層２及びカバー層４における開口及び凹部は、エッチング又はブラスト処理により、予め各層に形成される。また、基台層２、ガラスフィルム３及びカバー層４には、予め不活性化処理が施される。そして、これらの処理が施された基台層２、ガラスフィルム３及びカバー層４が積層されて、マイクロバルブ１が構成される。なお、各層（基台層２、ガラスフィルム３及びカバー層４）に対する不活性化処理は、基台層２、ガラスフィルム３及びカバー層４が積層された後に行われてもよい。すなわち、各層に対する不活性化処理は、各層の積層の前又は後のいずれにおいても行うことができる。
　具体的には、図１及び図３に示すように、カバー層４の下面４２には、ガラスフィルム３の外縁部３２が溶接（レーザ溶接）により取り付けられる。このとき、ガラスフィルム３の軸線と、カバー層４の軸線とは一致している。なお、カバー層４の下面４２に下方に向かってわずかに突出する環状の取付部を設け、この取付部の下面に対して、ガラスフィルム３の外縁部３２を溶接により取り付けてもよい。この場合、取付部の下面が取付面を構成する。
　また、基台層２の密着部２７と、カバー層４の外縁部４３とが接合される。基台層２とカバー層４との接合は、基台層２とカバー層４とが異種材料であるときは、陽極接合であり、基台層２とカバー層４とが同種材料であるときは、拡散接合である。なお、基台層２とカバー層４とを溶接により固定することも可能である。
　マイクロバルブ１が構成された状態においては、基台層２とカバー層４とが対向しており、基台層２とカバー層４との間にガラスフィルム３が配置されている。また、ガラスフィルム３は、基台層２の接触部２６と間隔を隔てて対向している。具体的には、ガラスフィルム３の中央部３１は、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４と間隔を隔てて対向している。ガラスフィルム３と基台層２の接触部２６との間の寸法（ギャップ）は、例えば、５～２０μｍであって、好ましくは、約１０μｍである。
２．マイクロバルブの動作
　以下では、図５及び図６を用いて、マイクロバルブ１の動作について説明する。
　図５及び図６は、マイクロバルブ１の構成を示した断面図である。具体的には、図５は、マイクロバルブ１内にニューマチック流体が導入されていない状態を示している。図６は、マイクロバルブ１内にニューマチック流体が導入されることにより、ガラスフィルムが弾性変形する状態を示している。また、図示しないが、マイクロバルブ１は、基台層２の下面側に、サンプルガスの流入及び流出を行うための部材が取り付けられ、カバー層４の上面側に、ニューマチック流体を導入するための部材が取り付けられた状態で使用される。
　図５に示す状態では、マイクロバルブ１内には、ニューマチック流体が流入されていない。この状態において、ガラスフィルム３は、カバー層４の下面４２に密着している。また、ガラスフィルム３と基台層２（接触部２６）との間には、空間（隙間）が形成されており、ガラスフィルム３の中央部３１は、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４と間隔を隔てて対向している。このとき、マイクロバルブ１は、開状態となっている。
　この状態において、マイクロバルブ１内に向けてサンプルガスが供給される。サンプルガスは、基台層２の第１開口２３からマイクロバルブ１内に供給され、その後、ガラスフィルム３と基台層２の接触部２６との間の空間を通過し、基台層２の第２開口２４を通過してマイクロバルブ１の外部に流出する。
　一方、マイクロバルブ１において、サンプルガスの流路を閉じる場合、すなわち、マイクロバルブ１を閉状態とする場合には、図６に示すように、マイクロバルブ１に向けてニューマチック流体が供給される。ニューマチック流体は、例えば、空気などのガスである。ニューマチック流体は、カバー層４の中央開口４１から、サンプルガスの圧力よりも高い圧力でマイクロバルブ１内に供給される。
　すると、ニューマチック流体の圧力によって、ガラスフィルム３の中央部３１が下方側（基台層２側）に向かって押圧される。これにより、ガラスフィルム３の中央部３１が、下方側（基台層２側）に向かうように弾性変形して、基台層２の接触部２６に密着する。ガラスフィルム３は、薄膜状に形成されており、柔らかいため、気密性が高い状態で、ガラスフィルム３と基台層２の接触部２６とが密着する。
　そして、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖（閉塞）され、サンプルガスの流路が閉じられて、マイクロバルブ１が閉状態となる。
　また、マイクロバルブ１内へのニューマチック流体の供給が停止されると、ガラスフィルム３の弾性力により、図５に示すように、ガラスフィルム３がもとの状態に戻り、マイクロバルブ１が開状態となる。
　このように、マイクロバルブ１にニューマチック流体が導入されることで、ガラスフィルム３が弾性変形し、中央部３１が基台層２の接触部２６に密着して、マイクロバルブ１が閉状態となる。また、マイクロバルブ１へのニューマチック流体の供給が停止されることで、ガラスフィルム３がもとの状態に戻り、マイクロバルブ１が開状態となる。
　上記したマイクロバルブ１は、各種装置に設けられるバルブとして用いることができる。また、複数のマイクロバルブ１を準備し、各マイクロバルブ１をポートとして用いることで、マルチポートバルブと同様の動作を行うことができる。
３．作用効果
（１）本実施形態によれば、図６に示すように、マイクロバルブ１にニューマチック流体が供給されると、ガラスフィルム３が弾性変形して、ガラスフィルム３の中央部３１が基台層２の接触部２６に密着する。そして、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖され、サンプルガスの流路が閉じられて、マイクロバルブが閉状態となる。また、マイクロバルブ１内へのニューマチック流体の供給が停止されることで、ガラスフィルム３がもとの状態に戻り、マイクロバルブ１が開状態となる。
　すなわち、マイクロバルブ１では、ニューマチック流体の流入及び流出に伴って、不活性なガラスフィルムが弾性変形することにより、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が開閉される。
　そのため、マイクロバルブ１内を通過するガスを安定した状態に保つことができ、ガスの成分の変化を抑制できる。
　また、ガラスフィルム３は、薄膜状に形成され、その厚みが５０μｍ以下である。
　そのため、ニューマチック流体の圧力が低い場合であっても、ガラスフィルム３を弾性変形させることができる。
（２）また、本実施形態によれば、マイクロバルブ１において、カバー層４は、ガラスからなり、ガラスフィルム３は、カバー層４の下面４２に取り付けられる。
　そのため、ガラスフィルム３をカバー層４の下面４２に対して溶接により固定することができる。
　その結果、ガラスフィルム３を取付面に対して強固に固定できる。
（３）また、本実施形態によれば、図１に示すように、マイクロバルブ１において、カバー層４は、基台層２に対向し、基台層２との間にガラスフィルム３が配置される。
　そのため、カバー層４によりガラスフィルム３を保護できる。
（４）また、本実施形態によれば、マイクロバルブ１では、基台層２とカバー層４との間にニューマチック流体が流入し、ガラスフィルム３が基台層２側に押圧されて弾性変形する。
　そのため、基台層２とカバー層４との間の領域を活用して、その領域にニューマチック流体を流入することで、ガラスフィルム３を基台層２側に押圧できる。
（５）また、本実施形態によれば、図５に示すように、マイクロバルブ１において、ガラスフィルム３は、カバー層４に取り付けられる。
　そのため、ガラスフィルム３をカバー層４によって安定的に保持できる。
４．第２実施形態
　以下では、図７を用いて、本発明の第２実施形態に係るマイクロバルブ１の構成について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、上記と同様の符号を用いることにより説明を省略する。
　図７は、本発明の第２実施形態に係るマイクロバルブ１の構成を示した断面図である。
　上記した第１実施形態では、ガラスフィルム３は、カバー層４に取り付けられる。対して、第２実施形態では、ガラスフィルム３は、基台層２に取り付けられる。
　具体的には、第２実施形態では、基台層２は、ガラスからなる。基台層２の接触部２６の上面には、ガラスフィルム３の外縁部３２が溶接（レーザ溶接）により取り付けられる。このとき、ガラスフィルム３の軸線と、基台層２の軸線とは一致している。
　マイクロバルブ１が構成された状態においては、ガラスフィルム３は、カバー層４の下面４２と間隔を隔てて対向している。具体的には、ガラスフィルム３の中央部３１は、カバー層４の中央開口４１と間隔を隔てて対向している。ガラスフィルム３とカバー層４との間の寸法（ギャップ）は、例えば、５～２０μｍであって、好ましくは、約１０μｍである。
　図７に示す状態（図７の実線）では、マイクロバルブ１内に対して、サンプルガス及びニューマチック流体のそれぞれが供給されている。サンプルガスは、基台層２の第１開口２３からマイクロバルブ１内に向けて供給されている。ニューマチック流体は、カバー層４の中央開口４１から、サンプルガスの圧力よりも高い圧力でマイクロバルブ１内に供給されている。
　これにより、ガラスフィルム３は、基台層２の接触部２６に密着した状態が保たれる。そして、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖（閉塞）され、マイクロバルブが閉状態になっている。
　マイクロバルブ１を開状態とする場合には、マイクロバルブ１内へのニューマチック流体の供給が停止される。すると、サンプルガスの圧力によって、ガラスフィルム３の中央部３１が上方側（カバー層４側）に向かって押圧される。
　これにより、図７の破線で示すように、ガラスフィルム３の中央部３１が上方側に向かって弾性変形し、ガラスフィルム３の中央部３１と、基台層２の接触部２６（第１開口２３及び第２開口２４）との間に隙間が生じる。そして、サンプルガスは、基台層２の第１開口２３を通過した後、ガラスフィルム３の中央部３１と基台層２の接触部２６との間の空間を通過し、基台層２の第２開口２４を通過してマイクロバルブ１の外部に流出する。
　このとき、ガラスフィルム３の中央部３１は、カバー層４の下面４２に当接する。これにより、ガラスフィルム３のさらなる弾性変形が規制される。このように、カバー層４の下面４２は、ガラスフィルム３に対するストッパとして機能する。
　また、マイクロバルブ１内へのサンプルガス及びニューマチック流体の供給が停止されると、ガラスフィルム３の弾性力により、ガラスフィルム３がもとの状態に戻る。
　このように、第２実施形態のマイクロバルブ１によれば、ガラスフィルム３は、基台層２に取り付けられる。そして、カバー層４（下面４２）は、マイクロバルブ１内にサンプルガスが供給されることによりガラスフィルム３がカバー層４側に押圧されたときに、ガラスフィルム３の弾性変形を規制するストッパとして機能する。
　そのため、高い圧力のサンプルガスが基台層２の第１開口２３から流入した場合であっても、カバー層４によって、ガラスフィルムの一定以上の変形を規制できる。
　その結果、カバー層４によって、ガラスフィルム３が破損することを防止できる。
５．変形例
　上記した実施形態では、マイクロバルブ１にニューマチック流体が供給されると、ガラスフィルム３の中央部３１が基台層２の接触部２６に密着し、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖されるとして説明した。しかし、マイクロバルブ１にニューマチック流体が供給された場合に、基台層２の第１開口２３及び第２開口２４の一方が、ガラスフィルム３の中央部３１によって閉鎖される構成であってもよい。
　また、上記した実施形態では、ニューマチック流体は、空気などのガスであるとして説明した。しかし、ニューマチック流体は、液体であってもよい。
　　　１　　　　マイクロバルブ
　　　２　　　　基台層
　　　３　　　　ガラスフィルム
　　　４　　　　カバー層
　　　２３　　　第１開口
　　　２４　　　第２開口
　　　４２　　　下面

Claims (6)

  1. 　複数層が積層された積層構造を有するマイクロバルブであって、
    　前記マイクロバルブ内にガスが流入する流入口、及び、前記流入口から流入したガスが前記マイクロバルブ内から流出する流出口が、それぞれ貫通孔として形成された基台層と、
    　前記基台層に対向し、前記マイクロバルブ内へのニューマチック流体の流入に伴って弾性変形することにより、前記流入口及び前記流出口の少なくとも一方を開閉する厚みが５０μｍ以下のガラスフィルムとを備えることを特徴とするマイクロバルブ。
  2. 　前記ガラスフィルムが取り付けられる取付面がガラスにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
  3. 　前記基台層に対向し、前記基台層との間に前記ガラスフィルムが配置されたカバー層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
  4. 　前記基台層と前記カバー層との間にニューマチック流体が流入して、前記ガラスフィルムを前記基台層側に押圧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。
  5. 　前記ガラスフィルムは、前記カバー層に取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバルブ。
  6. 　前記ガラスフィルムは、前記基台層に取り付けられており、
    　前記カバー層は、前記流入口から流入するガスにより前記ガラスフィルムが前記カバー層側に押圧されたときに、前記ガラスフィルムに対するストッパとして機能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。
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