(57)【要約】【課題】大きな流量を確保したマイクロバルブを提供する。【解決手段】上流側の主バルブ１７０により制御されて流体が送り込まれる流路と連通する流体導入孔が設けられた第１支持層１００と、第１支持層１００と対向してギャップ室１３０を形成し、第１支持層１００よりも下流側で流路と連通して流体を噴出する流体噴出孔１２１と、流体噴出孔１２１が流体を噴出する流体噴出系から受ける背圧をギャップ室１３０側へ印加する背圧印加孔１２２とが設けられた第２支持層１２０と、ギャップ室１３０内を流路に沿って往復移動が可能な可動弁１１１とを有し、流体導入孔１０１を第１支持層１００側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設け、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２は、第２支持層１２０側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けて、所定制御に従い、可動弁１１１と第１支持層１００とに所定の電圧を印加する印加手段１９０を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側の主バルブにより制御されて流体が送り込まれる流路と連通する１又は２以上の流体導入孔が設けられた第１支持層と、
前記第１支持層と対向してギャップ室を形成し、前記第１支持層よりも下流側で前記流路と連通して前記流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔と、前記流体噴出孔が流体を噴出する流体噴出系から受ける背圧を前記ギャップ室側へ印加する１又は２以上の背圧印加孔とが設けられた第２支持層と、
前記第１支持層と前記第２支持層との間に形成されたギャップ室内を前記流路に沿って往復移動が可能な１又は２以上の可動弁と、
所定のタイミング及び所定の時間長で、前記可動弁と前記第１支持層とに所定の電圧を印加する印加手段とを有し、
前記第１支持層の流体導入孔は、前記第１支持層側に移動した前記可動弁により閉塞可能な位置に設けられるとともに、前記第２支持層の背圧印加孔は、前記第２支持層側に移動した前記可動弁により閉塞可能な位置に設けられたマイクロバルブ。
【請求項２】
前記第１支持層の流体導入孔は、前記可動弁と対向する位置に設けられるとともに、前記第２支持層の背圧印加孔は、前記可動弁と対向する位置に設けられた請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
前記第１支持層の流体導入孔の略中心の軸上に、前記可動弁の略中心が位置するとともに、前記第２支持層の背圧印加孔の略中心の軸上に、前記可動弁の略中心が位置する請求項２に記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記第２支持層の流体噴出孔のうちいずれか１以上は、前記可動弁により閉塞されない位置に設けられた請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記第１支持層の流体導入孔のうちいずれか１以上は、前記可動弁により閉塞されない位置に設けられた請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
前記可動弁は、前記第１支持層と前記第２支持層との間に設けられた中間層の略中央に設けられ、当該可動弁から延設された連結部により、前記第１支持層及び第２支持層に狭持された中間層の外縁領域と連結された請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項７】
前記可動弁は、他の部材と連結されず、
前記第１支持層の前記可動弁に対向する面に、絶縁層を介在させて、前記可動弁と接触可能な電極を設け、
前記印加手段は、所定のタイミング及び所定の時間長で、前記電極と前記第１支持層とに所定の電圧を印加する請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項８】
前記電極は、当該電極と接触する前記可動弁の外縁に対向する位置に沿って設けられた請求項７に記載のマイクロバルブ。
【請求項９】
前記電極は、前記ギャップ室側に凸状である請求項７又は８に記載のマイクロバルブ。
【請求項１０】
前記流体導入孔は、当該流体導入孔の中心軸が前記可動弁の中心軸と平行とならないように設けられた請求項１〜９のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項１１】
前記背圧印加孔は、当該背圧印加孔の中心軸が前記可動弁の中心軸と平行とならないように設けられた請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項１２】
前記印加手段は、前記背圧印加孔が流体噴出系から受ける背圧を前記可動弁に印加するタイミングに基づいて、所定の時間長で、前記可動弁又は当該可動弁に接触する電極と前記第１支持層とに所定の電圧を印加する請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電引力を利用したマイクロバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電引力は比較的簡単な構成で発生させることができ、駆動エネルギーも小さいため、静電引力を用いてバルブを開閉させるマイクロバルブがある。この種のマイクロバルブとしては、支持層、中間層、被覆層の３層からなり、支持層および被覆層の間に介在する中間層が、閉鎖部材、ダイヤフラム、および被覆層に当接する突起を備えたシート部材を有するものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の従来例は、静電引力による変位とダイヤフラムが移動する変位量とがほぼ等しい構造となっているため、開弁時に流体が通過できる断面積が小さく、圧力損失が高いという問題があった。一般に平行平板に発生する静電引力は、電極間距離の２乗に反比例して弱くなるが、ダイヤフラム変位が直接静電引力による変位量とほぼ等しいような構造である場合、開弁時に流体が通過する断面積を広くとろうとすると、静電ギャップを同じ程度に広く取らざるを得なくなり、結果として非常に大きな電圧が必要になるという問題があった。言い換えると、印加できる最大電圧は、対向する電極間に挟まれる物質に依存し、例えば一般的なシリコン酸化膜の場合では10MV/cm程度に制限されるため、これよりも大きな電圧を印加することができず、流体が通過する断面積を広くすることができないという問題があった。
【０００４】
特に、マイクロバルブを燃料供給系のインジェクタ等に応用しようとした場合、限られた燃料圧力で、必要な流量を確保しなければならないが、従来技術では開弁時に流体が通過できる断面積が狭く、十分な流量を確保することができないという問題があった。
【特許文献１】特開平７−２２９５７９号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、静電引力を利用したマイクロバルブであって、従来よりも大きな流量を確保できるマイクロバルブを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、流体導入孔が設けられた第１支持層と、第１支持層と対向してギャップ室を形成し、流体を噴出する１又は２以上の流体噴出孔と、流体噴出孔が流体を噴出する流体噴出系から受ける背圧をギャップ室側へ印加する背圧印加孔とが設けられた第２支持層と、第１支持層と第２支持層との間に形成されたギャップ室内を流路に沿って往復移動が可能な可動弁とを有し、流体導入孔を第１支持層側に移動した可動弁により閉塞可能な位置に設けるとともに、背圧印加孔を第２支持層側に移動した可動弁により閉塞可能な位置に設けて、所定のタイミング及び所定の時間長で、可動弁と第１支持層とに所定の電圧を印加する印加手段とを有するマイクロバルブが提供される。
【０００６】
本発明によれば、従来よりも大きな流量を確保しながら、流体の供給及び供給停止を切り替えるマイクロバルブを提供することができる。
【発明の実施の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。  
本発明のマイクロバルブは、流体が噴出される系の圧力に変化が生じ、マイクロバルブ側に背圧を付与する流体供給装置に広く用いることができる。本実施形態では、車両の燃料供給システムのインジェクタ装置の下流側に装備されたマイクロバルブを例にして説明するが、用途は限定されず、流体噴出系側に圧力の変化が生じる、化学分析装置の試薬供給装置、プリンタのインク供給装置などに広く適用することができる。
【０００８】
＜第１実施形態＞
第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１（Ａ）は、本実施形態のマイクロバルブを流体導入側からみた上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したマイクロバルブの１Ｂ−１Ｂ断面の模式図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ１０は、第１支持層１００と、可動弁１１１と、第２支持層１２０とを有する。これらは、流路下流側（流体噴出系側）から流路上流側（流体導入側）に向かって、第２支持層１２０、可動弁１１１、第１支持層１００の順番で配置されている。第１支持層１００の流路上流側（流体導入側）には主バルブが設けられている。主バルブは制御装置を備え、制御装置によりその開閉が制御される。流体の流量、圧力、タイミングは主バルブにより制御されて、マイクロバルブ１０に送り込まれる。主バルブ側には、燃料供給装置やインテークマニホールド等が配置されている。
【０００９】
図１（Ｂ）に示すように、第１支持層１００は、流体が所定の圧力で送り込まれる流路と連通する１つの流体導入孔１０１を有している。流体導入孔１０１は、第１支持層１００を貫通し、主バルブにより送り込まれた流体を下流側へ通過させる。
【００１０】
第２支持層１２０は、第１支持層１００と対向してギャップ室１３０を形成するとともに、第１支持層１００よりも下流側で流路と連通して流体を噴出する流体噴出孔１２１と、流体噴出孔１２１が流体を噴出する系と連絡して流体噴出系から上流側へ向かう背圧をギャップ室１３０に印加する背圧印加孔１２２とを有している。
【００１１】
可動弁１１１は、第１支持層１００と第２支持層１２０との間に形成されたギャップ室１３０の室内に設けられる。本実施形態の可動弁１１１は円盤形状であり、ギャップ室１３０の流路に沿って（矢印Ｘ方向に沿って）往復移動が可能である。
【００１２】
第１支持層１００と中間層１１０と第２支持層１２０とは絶縁層１４０を介在させて積層され、その外縁領域で固定されている。これらを積層させた場合における、流体導入孔１０１と、可動弁１１１と、背圧印加孔１２２、流体噴出孔１２１との位置関係を図１（Ｂ）に基づいて説明する。
【００１３】
第１支持層１００の流体導入孔１０１は、第１支持層１００側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けられるとともに、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２は、第２支持層１２０側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けられている。言い換えると、本実施形態の可動弁１１１は、上流側（第１支持層１００側）に移動した場合、第１支持層１００の流体導入孔１１１を閉塞し、下流側（第２支持層１２０側）に移動した場合、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２を閉塞する位置に設けられている。
【００１４】
具体的に、第１支持層１００の流体導入孔１０１は、可動弁１１１と対向する位置に設けられるとともに、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２は、可動弁１１１と対向する位置に設けることが好ましい。言い換えると、上流側（主バルブ側）から流体供給方向に沿ってマイクロバルブ１０をみたとき、流体導入孔１０１は可動層１１１に塞がれ、下流側（流体噴出側）から流体供給方向とは反対方向に沿ってマイクロバルブ１０をみたとき、背圧印加孔１２２は、可動層１１１に塞がれるように、流体導入孔１０１、可動孔１１１、背圧印加孔１２２を設けることが好ましい。
【００１５】
このように構成することにより、流体噴出系の圧力がマイクロバルブ１０のギャップ室１３０の圧力よりも相対的に高くなった場合、背圧印加孔１２２は流体噴出系から受ける背圧を可動弁１１１に印加して、可動弁１１１を第１支持層１００側に移動させ（移動を補助し）、可動弁１１１を流体導入孔１０１に接近乃至接触させ、接近乃至接触状態となった可動弁１１１と第１支持層１００とに電圧を印加することにより、静電引力を発生させ、流体導入孔１０１を可動弁１１１により閉塞することができる。つまり、流体噴出系の背圧を利用して流体導入孔１０１の開閉を行う（補助する）ことができるため、印加電圧を大きくしなくても可動弁１１１の移動距離を大きくすることができる。
【００１６】
また、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、第１支持層１００の流体導入孔１０１の略中心の軸（Ｘ）上に、可動弁１１１の略中心が位置するとともに、この可動弁１１１の略中心軸上に、背圧印加孔１２２の略中心が位置するように、流体導入孔１０１、可動弁１１１、及び背圧印加孔１２２を設けた。つまり、流体導入孔１０１の略中心と、可動弁１１１の略中心と、背圧印加孔１２２の略中心とが、同軸上に位置している。このような構成により、背圧印加孔１２２は、流体噴出系から受ける背圧を可動弁１１１の略中心に印加し、印加された背圧は可動弁１１１全体に均等に伝わり、可動弁１１１は第１支持層１００と面平行の状態を保って第１支持層１００に接近し、流体導入孔１０１を閉塞することができる。
【００１７】
次に、第１支持層１００、中間層１１０、第２支持層１２０を図２に基づいてそれぞれ説明する。図２（Ａ）は本実施形態のマイクロバルブ１０に係る第１支持層１００を、図２（Ｂ）は中間層１１０を、図２（Ｃ）は第２支持層１２０を、それぞれ上面から見た、上面図である。
【００１８】
図２（Ａ）に示すように、第１支持層１００の中央付近には、第１支持層１００を貫通して開口する流体導入孔１０１が設けられている。第１支持層１００の材質は特に限定されないが、絶縁体材料以外であることが好ましい。本例の第１支持層１００にはシリコン基板を用い、シリコン基板である第１支持層１００をエッチング処理して流体導入孔１０１を形成した。
【００１９】
図２（Ｂ）には、第１支持層１００と第２支持層１２０の間に設けられる中間層１１０を示した。図２（Ｂ）に示すように、本実施形態の中間層１１０の略中央には可動弁１１１が設けられ、その周囲には連結部１１２、外縁領域１１４が設けられている。中間層１１０材質は特に限定されず、絶縁体材料以外であることが好ましい。本例の中間層１１０にはシリコン基板を用い、シリコン基板である中間層１１０の一部をエッチング処理により除去して可動弁１１１、連結部１１２および外縁領域を形成した。
【００２０】
中間層１１０の中央に設けられた可動弁１１１は、ギャップ室内を流路に沿って往復移動し、当該可動弁１１１から放射状に延設された４本の連結部１１２により、９０度間隔で、外縁領域１１４と連結されている。連結部１１２の数、位置は特に限定されず、可動弁１１１の移動範囲、流体から受ける圧力等に応じて適宜決定することが好ましい。また、連結部１１２は、可動弁１１１に電圧を印加するための電極配線として機能する。連結部１１２が導電性材料で形成されている場合には、連結部１１２自体が電極配線として機能し、連結部１１２が導電性材料で形成されていない場合には、連結部１１２は別に設けられた電極配線の支持部材として機能する。外縁領域１１４は絶縁部材１４０（図１（Ｂ）参照）で電気的絶縁をとりながら、第１支持層１００及び第２支持層１２０の間に固定される。
【００２１】
図２（Ｃ）に示すように、本実施形態の第２支持層１２０は、流体を噴出する流体噴出孔１２１と、流体噴出系の背圧をギャップ室１３０に印加する背圧印加孔１２２とを有している。第２支持層１２０にはシリコン基板を用い、シリコン基板である第１支持層１００をエッチング処理して背圧印加孔１２２、流体噴出孔１２１を形成した。
【００２２】
本実施形態のマイクロバルブ１０は、可動弁１１１と第１支持層１００とに所定の電圧を印加する印加手段１９０を有する（図１（Ｂ）参照）。印加手段１９０は、可動弁１１１（又は可動弁１１１から延設された連結部１１２）と第１支持層１００からそれぞれ導出された外部電極に接続される。本実施形態の印加手段１９０は、背圧印加孔１２２が流体噴出系から受ける背圧を可動弁１１１に印加したタイミングに基づいて、所定の時間長で、可動弁１１１と第１支持層１００とに所定の電圧を印加する。特に限定されないが、印加手段１９０は、背圧が印加された可動弁１１１が第１支持層１００に接近乃至接触するタイミングで電圧を印加することが好ましい。可動弁１１１が流体導入孔１０１に接近し、可動弁１１１と流体導入孔１０１との距離が所定値以下となったタイミングで電圧を印加すれば、低い電圧で（電圧を拡大することなく）可動弁１１１と流体導入孔１０１とを引き付け（静電引力を作用させ）、流体導入孔１０１を閉塞することができる。具体的に、印加手段１９０は、可動弁１１１に背圧を印加した直後（時間ｔ１後）、可動弁１１１に背圧を印加したと同時、又は可動弁１１１に背圧を印加する直前（時間ｔ２前）に、所定の時間長で、可動弁１１１と第１支持層１００とに所定の電圧を印加することが好ましい。
【００２３】
次に、図３（Ａ）〜（Ｄ）に基づいて、本実施形態のマイクロバルブ１０の動作を説明する。図３では、図１（Ｂ）と同様のマイクロバルブ１０の断面構成を示す。図３に示す１７０はマイクロバルブ２００及び２００´へ流体を供給する主弁である。１５０は主バルブ１７０から送り込まれる流体の流入側を示し、１６０は流体を噴出する流体噴出系を示す。流体噴出系１６０は、内燃機関における燃焼室に相当する。本例は、本実施形態の２つのマイクロバルブ２００及び２００´（１０）を筐体１４０に実装した例であり、それぞれが駆動用電源１９０、１９１に接続されている。
【００２４】
＜状態I：初期状態＞
図３（Ａ）は初期状態のマイクロバルブ１０（２００、２００´）を示す図である。初期状態では、主弁１７０が閉じ、マイクロバルブの全ての空間に差圧が生じておらず、かつ電圧が印加されていない状態である。状態Iでは、可動弁１１１に外部から加わる力は発生しておらず、可動弁１１１は予め設定された所定のギャップをもって、第１支持層１００と第２支持層１２０に対向している。
【００２５】
＜状態II：背圧印加状態＞
図３（Ｂ）は主弁１７０が流路を閉鎖するとともに、流体噴出系１６０の圧力が上昇する場合を示す。流体噴出系１６０が燃焼室１６０である場合を例にすると、燃焼室１６０の圧力が上昇する場合は、たとえば、図４に示すように、燃焼室のピストンが上昇する圧縮工程や、圧縮後爆発し、ピストンが下降する爆発工程の状態に相当する。燃焼室１６０では、所定の周期で圧力が上昇する。燃焼室側（流体噴出系）１６０の圧力が上昇すると、背圧印加孔１２２は背圧をギャップ室１３０へ印加する。この背圧により可動弁１１１は第1支持層１００近傍位置まで接近するか、第１支持層１００に接触する。
【００２６】
＜状態III：流体噴出状態１＞
図３（Ｃ）は主弁１７０が開いた状態で、流体導入側１５０の圧力が燃焼室側１６０より高くなり、燃料（流体）がマイクロバルブ２００（１０）から流体噴出系へ噴出する状態を示す。所定の圧力で燃料（流体）がマイクロバルブ２０１（１０）に送り込まれると、可動弁１１１の流入側の面（第１支持層１００側の面）の圧力が、流出側の面（第２支持層１２０側の面）の圧力より高くなり、可動弁１１１は第２支持層１２０側に押し付けられる。このとき背圧印加孔１２２は可動弁１１１によって塞がれた状態になる。このため、流体は流体噴出孔１２１を通って燃焼室側１６０に噴出する。
【００２７】
一方、マイクロバルブ２００´では、図３（Ｂ）のように可動弁１１１´が背圧により押し上げられ、第１支持層１００´に接近乃至接触したタイミングで、可動弁１１１´と第1支持層１００´の間に電圧を印加したため、流体導入孔１０１の閉塞状態は維持され、流体は導入されない。内燃機関の場合、図４に示すように、燃料噴出後は必ず圧縮工程、または爆発工程が繰り返されるため、圧縮又は爆発の任意のタイミングに応じて流体の供給を制御することができる。図４に示すように、電圧印加のタイミングは、燃焼室内の圧力が所定値以上となった場合（例２）、またはクランクの回転角の値に基づいて（例１）制御することができる。
【００２８】
＜状態IV：流体噴出状態２＞
図３（Ｄ）は前述の状態IIIと同様に流体が噴出される状態であって、左側のマイクロバルブ２００の可動弁１１１と第１支持層１００に電圧を印加し、右側のマイクロバルブ２００´の可動弁１１１´と第１支持層１００´には電圧を印加しない状態を示す。図３（Ｄ）に示すように、主弁１７０が開いた状態で、流体導入側１５０の圧力が燃焼室側（流体噴出系側）１６０の圧力よりも高くなっている。電圧が印加されたマイクロバルブ２００の流体導入孔１０１は閉塞されている。他方、電圧が印加されていないマイクロバルブ２００´では、送り込まれた流体の圧力により、流体噴出孔１２１´から燃料（流体）が噴出される。
【００２９】
本実施形態のマイクロバルブ１０（２００、２００´）は、以上のように構成され、動作するので、以下の効果を奏する。
【００３０】
本実施形態のマイクロバルブ１０（２００、２００´）は、特に、第１支持層１００の流体導入孔１０１を、第１支持層１００側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けるとともに、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２を、第２支持層１２０側に移動した可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けたことにより、静電引力を用いた従来のマイクロバルブに比べて大きな流量を確保することができる。
【００３１】
平行平板間の静電引力は対向するギャップの２乗に反比例するため、従来例のように静電引力を発生させる対向電極のギャップ長がそのまま流路の隙間になるようにマイクロバルブを構成すると、所定の圧力で得られる流量は極めて僅かにならざるを得ない。
【００３２】
これに対し、本実施形態のマイクロバルブ１０は、背圧印加孔１２２を可動弁１１１により閉塞可能な位置に設けたため、背圧印加孔１２２は流体噴出孔から受けた背圧を可動弁１１１に印加して、可動弁１１１を第１支持層１００側へ押し上げることができる。背圧により押し上げられた可動弁１１１と第１支持層１００側とが接近乃至接触した状態で、可動弁１１１と第１支持層１００とに電圧を印加すれば、小さい電圧で可動弁１１１を第１支持層１００に引き付けることができ、流体導入孔１０１を閉塞することができる。つまり、本実施形態では電圧の印加により得られた静電引力のみならず、背圧印加孔１２２から印加された背圧を利用して、可動弁１１１を移動させることができる。このように、可動弁１１１の駆動源を静電引力にのみ依存せず、静電引力と背圧による押圧力を利用する構成としたため、印加電圧を増加させることなく、可動弁１１１の移動距離を拡大し、流量を増加させることができる。
【００３３】
本実施形態のマイクロバルブ１００を内燃機関の燃料供給装置に用いる場合は、インジェクタのニードルバルブに対応する主弁１７０を閉鎖して燃料の供給を停止させた後に、燃焼室内（流体噴出系）の圧力が上昇すると、背圧により可動弁１１１が第1支持層１００側に接近乃至接触する。このタイミングで可動弁１１１と第１支持層１００とに電圧を印加することにより燃料の供給を制御することができる。これにより、印加電圧を増加させることなく、従来よりも大きな流量で燃料を燃焼室へ供給することができる。内燃機関では、燃料噴出後に必ず圧縮工程、爆発工程が繰り返されるため、可動弁１１１を所定のタイミングで第1支持層１００側に接近させ、流体導入孔１０１の開閉を制御することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、第１支持層１００の流体導入孔１０１を可動弁１１１と対向する位置に設けるとともに、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２を可動弁１１１と対向する位置に設けることにより、同様の作用及び効果を奏することができる。
【００３５】
特に、第１支持層１００の流体導入孔１０１の略中心の軸上に、可動弁１１１の略中心が位置するとともに、第２支持層１２０の背圧印加孔１２２の略中心の軸上に、可動弁１１１の略中心が位置するように、流体導入孔１０１、可動弁１１１および背圧印加孔１２２を設けたことにより、背圧印加孔１２２を介して印加された背圧を可動弁１１１の中心から全体に均等に伝えることができ、可動弁１１１を第１支持層１００に向かって平行移動させることができる。これにより、可動弁１１１は第１支持層１００に平行状態で接し、流体導入孔１０１を偏りなく閉塞することができる。
【００３６】
第２支持層１２０の流体噴出孔１２１は、可動弁１１１により閉塞されない位置に設けたことにより、流体（燃料）を流体噴出系（燃焼室）へ噴出することができる。
【００３７】
本実施形態では、可動弁１１１を、第１支持層１００と第２支持層１１０との間に設けられた中間層１１１の略中央に設け、当該可動弁１１１から延設された連結部１１２により、第１支持層１００及び第２支持層１２０に固定された中間層１１０の外縁領域１１４と連結させたため、外縁領域１１４の近傍に設けられた外部電極１９０、１９０´により可動弁１１１に電圧を印加することができる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
次に、図５〜図７に基づいて、第２実施形態を説明する。第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００３９】
図５（Ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ２０を流体導入側、すなわち流体導入孔側からみた上面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示したマイクロバルブの５Ｂ−５Ｂ断面の模式図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロバルブ２０は、第１支持層２００と、可動弁２１１と、第２支持層２２０とを有している。第２実施形態のマイクロバルブ２０は、可動弁２１１が中間層２１０をはじめ他の部材と連結されていない点、および第１支持層２００の可動弁２１１側の面に電極が形成されている点を除き、第１実施形態のマイクロバルブ１０と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層２００は第１実施形態の第１支持層１００に対応し、可動弁２１１は第１実施形態の可動弁１１１に対応し、第２支持層２２０は第１実施形態の第２支持層１２０に対応する。図５（Ｂ）に示すように、電極２０５は第１支持層２００の可動弁２１１側の面に、絶縁層２０６を介在させて、可動弁２１１側に凸状に設けられている。
【００４０】
図６（Ａ）は本実施形態のマイクロバルブ２０に係る第１支持層２００を、図６（Ｂ）は中間層２１０を、図６（Ｃ）は第２支持層２２０を、それぞれ上面から見た、上面図である。
【００４１】
図６（Ａ）は第1支持層２００を可動弁２１１側から見た平面図である。２個の流体導入孔２０１が第1支持層２００を貫通して形成されている。
【００４２】
本実施形態では、可動弁２１１に電圧を印加するために、第１支持層２００のギャップ室側の面、すなわち可動弁２１１と接する面に電極２０５を形成した。電極２０５は外部電極１９０に電気的に接続される。可動弁２１１に背圧が印加されて第１支持層２００側に移動し、可動弁２１１と電極２０５とがと接触したときに、電極２０５を介して可動弁２１１に電圧が印加される。本実施形態の電極２０５はギャップ室側に凸状の形状とし、流体導入孔２０１を囲うように２重の環状の電極２０５を設けた。特に限定されないが、電極２０５は、流体導入孔２０１を閉塞する可動弁２１１の外縁に対向する位置に設けることが好ましい。本例は、ドーナツ型の可動弁２１１の形状に沿って、ドーナツ型の電極２０５を設けた。これにより、可動弁２１１全体に均等な電圧を印加させることができる。電極２０５は可動弁２１１側に凸状となっているため、電極２０５はその頂部で可動弁２１１と接触することができる。本実施形態の電極２０５は、Ａｌ（アルミニウム）で形成した。電極表面の酸化を防止するため、例えばＡｕ（金）等により被覆することが好ましい。また、電極２０５に対向する可動弁２１１の接触面も、酸化を防止するためのＡｕ膜で被覆することが好ましい。
【００４３】
図６（Ｂ）は可動弁２１１、中間層２１０の平面図を示す。この可動弁２１１は第２支持層２１０の外縁領域２１４から完全に分離独立しており、他の部材と連結されていない。
【００４４】
第１実施形態のマイクロバルブ１０のように、連結部１１２によって可動弁１１１と中間層１２０の外縁領域１１２とを連結する構成にすると、連結部１１２を介して外部から可動弁１１１に電位を与えることができる。しかし、可動弁１１１はギャップ室１３０を往復移動するため、連結部１１２には移動する可動弁１１２を支える強度が要求される。この連結部１１２に求められる強度を算出し、必要な強度を満たす連結部１１２を設計する工程は複雑である。特に、本発明のように、可動弁１１１の移動距離が従来よりも大きく、ギャップ室１３０の容量が大きいマイクロバルブにあっては、支持部１１２にかかる応力も大きくなり、高い強度が要求されることが予測される。さらに、可動弁１１１は第１支持層１００及び第２支持層１２０に対して垂直方向の１次元的な往復運動をすることが理想であるが、実際には僅かなバラツキ等によって、３次元的な動き、回転運動、ねじれ等が起こる可能性があり、支持部１１２はあらゆる方向からの応力に耐える強度が求められる。特に、可動弁１１１の移動範囲が大きい本実施形態のマイクロバルブについて、連結部１１２にかかる応力及び求められる強度を算出し、求められる強度を有する連結部１１２を設計する工程は複雑である。
【００４５】
以上のような問題を解決するため、本実施形態では、可動弁２１１を他の部材と連結させないように構成した。つまり、本実施形態のマイクロバルブ２０は、可動弁２１１と他の部材とを連結させる部材を具備しない。本実施形態の可動弁２１１は他の部材から完全に独立しているため、上述した問題は発生しない。
【００４６】
図４（Ｃ）は第２支持層２２０の平面図を示す。流体噴出孔２２１は第２支持層２２０の略中央に設けられ、可動弁２１１の略中央に設けられた開口部に対向する。背圧印加孔２２２は、流体噴出孔２２１の外周に設けられ、可動弁２１１と対向する位置に形成されている。
【００４７】
本実施形態の流体導入孔２０１、可動弁２１１、流体噴出孔２２１、背圧導入孔２２２との位置関係は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、流体導入孔２０１と可動弁２１１とが対向し、背圧導入孔２２２と可動弁２１１とが対向するとともに、流体噴出孔２２１が可動弁２１１に閉塞されないように、可動弁２１１の中央を開口させ、ドーナツ形状とした。流体導入孔２０１の形状、数及び位置、可動弁２１１の形状及び開口部、背圧導入孔２２２の形状、数、及び位置は、図６に示す例に限定されない。
【００４８】
次に、図７（Ａ）〜（Ｄ）に基づいて、第２実施形態に係るマイクロバルブ２０の動作を説明する。本実施形態のマイクロバルブ２０は、第１実施形態と同様に、内燃機関の燃料供給装置に装備される。説明の簡略化のため図示しなかったが、本マイクロバルブ２０は図３に示す第１実施形態のマイクロバルブと同様に、流体の供給を制御する主バルブ１７０の下流であって、流体が噴出される流体噴出系の上流に設けられる。また、図７には１個のマイクロバルブ２０のみを図示したが、図３に示した第１実施形態と同様に１の流体供給系に複数のマイクロバルブを実装してもよい。
【００４９】
＜状態I：初期状態＞
図７（Ａ）は初期状態の本実施形態に係るマイクロバルブ２０を示す図である。つまり、図示しない主弁１７０（図３参照）が閉じ、マイクロバルブ２０の全ての空間に差圧が生じておらず、かつ電圧が印加されていない状態である。状態Iでは、可動弁２１１に外部から加わる力は発生しておらず、可動弁２１１は予め設定された所定のギャップをもって、第１支持層２００と第２支持層２２０に対向している。
【００５０】
＜状態II：流体噴出状態＞
図７（Ｂ）は図示しない主弁１７０が開いた状態である。流体導入側１５０の圧力が燃焼室側１６０より高くなり、燃料がマイクロバルブより噴出する状態を示す。流体の圧力がマイクロバルブにかかると、可動弁２１１の流入側の面の圧力が流出側の面の圧力より高くなり、可動弁２１１は第２支持層２２０側に押し付けられる。このとき背圧印加孔２２２は可動弁２１１によって塞がれた状態になるので、流体は流体噴出孔２２１を通って燃焼室側１６０に噴出される。
【００５１】
＜状態III：背圧印加状態＞
図７（Ｃ）は図示しない主弁１７０が閉鎖し、燃焼室側１６０の圧力が上昇する場合を示す。このような状態では、燃焼室側（流体噴出系）１６０の圧力が上昇するため、燃焼室側（流体噴出系）１６０からの圧力を受け、背圧印加孔２２２は背圧を可動弁２１１に印加する。この背圧により可動弁２１１は第1支持層２００近傍位置まで接近するか、第１支持層１００に接触する。
【００５２】
＜状態IV：流体非噴出状態＞
図７（Ｄ）は、背圧により第１支持層２００の電極２０５と接触した可動弁２１１と第1支持層２００の間に外部電源２９０より電圧を印加した後に、図示しない主弁１７０が開いた状態である。電極２０５を介して電圧が印加された可動弁１１１は、静電引力により第1支持層２００に引き付けられているため、流体導入孔２０１から流体が導入されても流体導入孔２０１の閉塞状態を維持する。つまり、流体は噴出されない。
【００５３】
流体噴出系１６０が燃焼室等である場合には、圧力上昇は規則的に起こるので、マイクロバルブ２０から流体を噴出させない場合には、流体噴出系１６０の圧力上昇のタイミング（圧縮工程タイミング、または爆発工程タイミング）に応じて、外部より電圧を印加して、可動弁２１１を第1支持層２００側に引き付け、流体導入孔２０１を閉塞する。本実施形態のマイクロバルブ２０は独立に制御することができるため、１の流体供給系に複数実装した各マイクロバルブ２０の制御態様の組み合わせにより、多様な噴霧形状を形成することができ、多様な燃焼制御を行うことができる。
【００５４】
本実施形態は、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、可動弁２１１と他の部材を連結する梁その他の連結部がなく、可動弁２１１を独立させた構造としたため、設計コストを抑制するとともに、製品の耐久性を高めることができる。また、可動弁２１１の動きを制限する連結部がないため、可動弁２１１の移動距離を大きくすることができ、大きな流量を確保することができる。
【００５５】
＜第３実施形態＞
次に、図８に基づいて、第３実施形態について説明する。本実施形態は、流体導入孔３０１の中心軸が可動弁３１０の中心軸と平行とならないように設けたことを特徴とし、この点以外は第２実施形態と共通する。つまり、流体噴出機能において、第１支持層３００は第２実施形態の第１支持層２００に対応し、可動弁３１１は第２実施形態の可動弁２１１に対応する。第２支持層は第２実施形態の第２支持層２２０に対応する。ここでは、重複した説明を避けるため、第１実施形態及び第２実施形態と共通する部分の説明を省略する。
【００５６】
図８（Ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ３０の第１支持層３００をギャップ室側から見た図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示した第１支持層３００の８Ｂ−８Ｂ断面の模式図である。位置関係を説明するために、第１支持層３００と可動弁３１１とを模式化して示した。
【００５７】
図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、流体導入孔３０１の中心軸Ｐが可動弁３１１の中心軸Ｑ（円盤形状の可動弁３１１の回転軸Ｑ）と平行とならないように設けられている。つまり、流体導入孔３０１の中心軸Ｐと可動弁３１１の中心軸Ｑとは角度をもって交わっている。言い換えると、流体導入孔３０１が可動弁３１１に対して垂直になっておらず、流体導入孔３０１は第１支持層３００を斜めに貫通し、流体導入孔側とギャップ室側とに開口している。流体導入孔３０１の傾きは特に限定されず、流体導入孔３０１の大きさ、流量、または可動弁３１１の強度を考慮して適宜決定することができる。
【００５８】
流体導入孔３０１を斜めに設けたため、送り込まれた流体が斜めから可動弁３１１に衝突し、可動弁３１１を回転させることができる。つまり、可動弁３１１は流入する流体に第２支持層３２０側に押し付けられる度に回転する。この回転によって、可動弁３１１は、第１支持層３００の表面及び第２支持層３２０の表面と噴射毎に異なる位置で接触する。これにより、可動弁３１１の特定箇所のみが繰り返し衝突することによって衝突箇所が早期に磨耗することを防止し、可動弁３１１の耐久性を向上させることができる。
【００５９】
＜第４実施形態＞
次に、図９に基づいて、第４実施形態について説明する。本実施形態は、背圧印加孔４２２の中心軸が可動弁４１０の中心軸と平行とならないように設けたことを特徴とし、この点以外は第２実施形態と共通する。つまり、流体噴出機能において、第２支持層４２０は第２実施形態の第２支持層２２０に対応し、可動弁４１１は第２実施形態の可動弁２１１に対応する。第１支持層は第２実施形態の第１支持層２００に対応する。ここでは、重複した説明を避けるため、第１実施形態及び第２実施形態と共通する部分の説明を省略する。
【００６０】
図９（Ａ）は、本実施形態のマイクロバルブ４０の第２支持層４２０をギャップ室側から見た図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示した第２支持層４２０の９Ｂ−９Ｂ断面の模式図である。位置関係を説明するために、第２支持層４２０と可動弁４１１とを模式化して示した。
【００６１】
図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、背圧印加孔４２２の中心軸Ｓが可動弁４１１の中心軸Ｒ（円盤形状の可動弁４１１の回転軸Ｒ）と平行とならないように設けられている。つまり、背圧導入孔４２２の中心軸Ｓと可動弁４１１の中心軸Ｒとは角度をもって交わっている。言い換えると、背圧導入孔４２２が可動弁４１１に対して垂直になっておらず、背圧導入孔４２２は第２支持層４２０を斜めに貫通し、流体噴出系側とギャップ室側とに開口している。背圧印加孔４２２の傾きは特に限定されず、背圧印加孔４２２の大きさまたは可動弁４１１の強度を考慮して適宜決定することができる。
【００６２】
背圧印加孔４２２を斜めに設けたことにより、相対的に高圧状態となった流体噴出系から流れこむ気体が斜めに可動弁４１１に衝突するため、可動弁４１１に回転方向の力が加わり、背圧により第１支持層４００側に押し付けられる度に回転する。この回転によって、可動弁４１１は、第１支持層４００の表面及び第２支持層４２０の表面と噴射毎に異なる位置で接触する。これにより、可動弁４１１の特定箇所のみが繰り返し衝突することによって衝突箇所が早期に磨耗することを防止し、可動弁４１１の耐久性を向上させることができる。
【００６３】
また、流体導入孔４０２が可動弁４１１に対向しない位置にさらに設けられた場合、背圧印加孔４２２は、流体噴出孔４２１としても機能する場合がある（図１０（Ｃ）参照）。このような場合、斜めに設けられた背圧印加孔４２２から噴出された流体は、螺旋を描いて霧状となるため、良好な噴霧形状を形成させることができる。
【００６４】
＜第５実施形態＞
次に、図１０に基づいて第５実施形態のマイクロバルブ５０を説明する。本実施形態は、第１支持層５００の流体導入孔５０１のうちいずれか１以上は、可動弁５１１により閉塞されない位置に設けたことを特徴とし、この点以外は第１実施形態乃至第４実施形態のいずれかと共通する。ここでは、重複した説明を避けるため、他の実施形態と共通する部分の説明を省略する。
【００６５】
本実施形態のマイクロバルブ５０は、第１支持層５００の略中央に流体導入孔５０２を設け、その周囲に別の流体導入孔５０１を設けた。流体導入孔５０１は可動弁５１１と対向し、流体導入孔５０２は可動弁５１１と対向しない位置に設けた。また、第２支持層５２０の略中央に２つの背圧印加孔５２１を設け、その周囲に複数の流体噴出孔５２２を設けた。背圧印加孔５２１は可動弁５１１と対向しない位置に設け、流体噴出孔５２２は可動弁５１１と対向する位置に設けた。
【００６６】
＜状態I：背圧印加状態＞
図１０（Ａ）は背圧が印加された状態の本実施形態に係るマイクロバルブ５０を示す図である。主バルブ１７０が閉じられ、燃焼室側の圧力が上昇した場合を示す。このような状態では、燃焼室側（流体噴出系）の圧力が上昇するため、燃焼室側（流体噴出系）からの圧力を受け、背圧印加孔５２２は背圧をギャップ室５３０へ印加する。この背圧により可動弁５１１は第1支持層５００近傍位置まで接近するか、第１支持層５００に接触する。
【００６７】
＜状態II：成層噴射状態＞
図１０（Ｂ）は、第１支持層５００と可動弁５１１との間に電圧が印加されない状態で、主弁１７０が開かれた状態である。流体導入側の圧力が燃焼室側より高くなり、燃料がマイクロバルブ５０より噴出する状態を示す。流体の圧力がマイクロバルブ５０にかかると、可動弁５１１の流入側の面の圧力が流出側の面の圧力より高くなり、可動弁５１１は第２支持層５２０側に押し付けられる。このとき背圧印加孔５２２は可動弁５１１によって塞がれた状態になるので、流体は流体噴出孔５２１を通って燃焼室側に噴出される。このような噴射態様により、成層噴射を実行することができる。つまり、背圧印加孔５２２が流体噴出系から受ける背圧を可動弁５１１に印加した後の所定のタイミングにおいて、電圧を印加せずに主バルブを開くことにより成層噴射を行うことができる。
【００６８】
＜状態III：均質噴射状態＞
図１０（Ｃ）は、状態Iで接近した第１支持層５００と可動弁５１１との間に電圧が印加された状態で、主弁１７０が開かれた状態である。第１支持層５００と可動弁５１１との間には静電引力が発生している。可動弁５１１と対向する位置に設けられた２つの流体導入孔５０１は、静電引力で第１支持層５００に引き付けられた可動弁５１１により閉塞されているが、可動弁５１１と対向しない位置に設けられた１つの流体導入孔５０２は可動弁５１１により閉塞されていないため、流体導入孔５０２を介して流体が送り込まれる。また、可動弁５１１は第１支持層５００側に静電引力で引き付けられているため、背圧印加孔５２２は閉塞されていない。つまり、ギャップ室内の流体は流体噴出孔５２１及び背圧印加孔５２２の両方から流体噴出系（燃焼室）に向けて噴出される。このような噴射態様により、均質噴射を実行することができる。つまり、背圧印加孔５２２が流体噴出系から受ける背圧を可動弁５１１に印加した後の所定のタイミングにおいて、電圧を印加して、主バルブを開くことにより均質噴射を行うことができる。
【００６９】
本実施形態のマイクロバルブ５０によれば、背圧印加後に、静電引力を発生させるための電圧を印加するか否かに応じて、多様な噴霧形態により流体を噴出させることができる。
【００７０】
また、本実施形態の背圧導入孔４２２は、第４実施形態の背圧印加孔４２２と同様に、第２支持層４２０を斜めに貫通し、流体噴出系側とギャップ室側とに開口している。斜めに設けられた背圧印加孔４２２から噴出された流体は、螺旋を描いて霧状となるため、良好な噴霧形状を形成させることができる。
【００７１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】（Ａ）は第１実施形態のマイクロバルブの平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）に示した１Ｂ−１Ｂ断面図である。
【図２】（Ａ）は第１実施形態の第１支持層、（Ｂ）は第１実施形態の中間層、（Ｃ）は第１実施形態の第２支持層を示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態のマイクロバルブの動作を説明するための図である。
【図４】流体噴出系の圧力変化の一例を示す図である。
【図５】（Ａ）は第２実施形態のマイクロバルブの平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）に示した５Ｂ−５Ｂ断面図である。
【図６】（Ａ）は第２実施形態の第１支持層、（Ｂ）は第２実施形態の中間層、（Ｃ）は第２実施形態の第２支持層を示す図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は第２実施形態のマイクロバルブの動作を説明するための図である。
【図８】（Ａ）は第３実施形態のマイクロバルブの第１支持層の平面図、（Ｂ）は流体導入孔と可動弁との位置関係を説明するための図である。
【図９】（Ａ）は第４実施形態のマイクロバルブの第２支持層の平面図、（Ｂ）は背圧印加孔と可動弁との位置関係を説明するための図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、第５実施形態に係るマイクロバルブの噴射態様を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０，２０，３０，４０，５０…マイクロバルブ
１００，２００，３００，４００，５００…第１支持層
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０…中間層
１１１，２１１，３１１，４１１，５１１…可動弁
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０…第２支持層
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，５０２…流体導入孔
１２１，２２１，３２１，４２１，５２１…流体噴出孔
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２…背圧印加孔
１９０，２９０，３９０，４９０，５９０…印加手段
【図１】
2006070954.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006070954.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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