(57)【要約】【課題】  流体の圧力と流量のトレードオフ関係が解消され、高圧力かつ大流量の制御が可能となる静電駆動型マイクロバルブの提供。【解決手段】  駆動ダイヤフラム３が形成されたシリコン基板１０と、枠形状のガラス基板１１と、支持ダイヤフラム２およびバルブロッド６が形成されたシリコン基板１２とにより密閉空間９が形成される。シリコン基板１２の駆動ダイヤフラム３と対向する位置には電極４が配設され、密閉空間９には駆動流体が封入される。電極４に電圧を印加すると、静電力により駆動ダイヤフラム３が下方に変位し、駆動流体の圧力によって支持ダイヤフラム２が変形してバルブロッド６が下方に変位する。その結果、バルブロッド６の先端が流出口８の縁部８ａに当節し、マイクロバルブ１が閉状態とされる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量制御すべき被制御流体が流入する流入口と、
前記被制御流体を流出する流出口と、
前記流入口と前記流出口との間を連通する流路と、
駆動流体が封入された密閉空間を形成し、チャンバ壁部の一部が前記流路に面した流路壁部を形成するチャンバと、
前記チャンバ壁部に形成された第１のダイヤフラム部と、
前記第１のダイヤフラム部を静電力により前記密閉空間の内側方向に変位させる駆動手段と、
前記チャンバ壁部の前記流路壁部に形成された第２のダイヤフラム部と、
前記第２のダイヤフラム部により支持されるように前記流路壁部に形成され、前記第１のダイヤフラム部の前記内側方向への変位にともなう前記駆動流体の圧力により前記流路側に変位して、前記流出口から流出する前記被制御流体の流量を制御するバルブロッドとを備えたことを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、
前記駆動流体に、高誘電率を有する流体を用いたことを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、
前記第１のダイヤフラム部を前記チャンバ壁部の前記流路壁部に形成したことを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、
前記第１のダイヤフラム部を複数形成し、各第１のダイヤフラム部毎に前記駆動手段を設けたことを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電駆動型マイクロバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン基板を用いてマイクロバルブを形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。それによれば、シリコン基板をエッチングして、気体流路とバルブロッドとバルブロッドを支えるダイヤフラムとを形成する。さらに、別のシリコン基板に電極を設けて、それらのシリコン基板をバルブロッドと電極とが対向するように接合させて一体構造とする。電極に電圧を印加するとバルブロッドが静電力で電極側に引き付けられて、気体流路が閉じられる。このように、電圧の印加をオンオフすることによりバルブの開閉を行うことができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１５３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したマイクロバルブでは、気体流路を通る気体の圧力に逆らってバルブロッドを電極側に引き付ける必要があるため、流路中の気体の圧力が大きくなると、それに合わせて静電力を大きくする必要がある。そのためには、電極に対向するバルブロッドの面積を大きくするか、印加電圧を大きくするか、バルブロッドと電極との距離を小さくするかしなければならない。
【０００５】
しかし、バルブロッドの面積を大きくすることは、気体からの力も大きくなるので効果的ではない。その上、面積が大きくなるにつれて粘性抵抗の影響も大きくなり、バルブロッドの開閉動作が遅くなるという悪影響がある。また、電極に印加する電圧を大きくすると、マイクロバルブの駆動時の消費電力が増大したり、高電圧時における短絡防止のための構造が必要になったりして、コスト上昇につながるため好ましくない。一方、バルブロッドと電極との距離を小さくすると、バルブ開時における気体流量が小さくなってしまう。
【０００６】
このように、従来の静電駆動型マイクロバルブでは、流路中の気体の圧力と流量がトレードオフの関係にあり、高圧力かつ大流量の気体を制御することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による静電駆動型マイクロバルブは、流量制御すべき被制御流体が流入する流入口と、被制御流体を流出する流出口と、流入口と流出口との間を連通する流路と、駆動流体が封入された密閉空間を形成し、チャンバ壁部の一部が流路に面した流路壁部を形成するチャンバと、チャンバ壁部に形成された第１のダイヤフラム部と、第１のダイヤフラム部を静電力により前記密閉空間の内側方向に変位させる駆動手段と、チャンバ壁部の流路壁部に形成された第２のダイヤフラム部と、第２のダイヤフラム部により支持されるように流路壁部に形成されたバルブロッドとを備える。そして、第１のダイヤフラム部の内側方向への変位にともなう駆動流体の圧力によりバルブロッドが流路側に変位し、それによって流出口から流出する被制御流体の流量が制御されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１のダイヤフラムの変位に伴う駆動流体の圧力により、第２のダイヤフラムに支持されたバルブロッドを流路側に変位させて被制御流体の流量を制御するようにしているので、第１のダイヤフラムの大きさに応じてバルブロッドの変位量や駆動力を変更することができ、被制御流体の圧力と流量のトレードオフ関係が解消され、高圧力かつ大流量の制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実行するための実施の形態を説明する。図１、２は本発明による静電駆動型マイクロバルブ１の一実施の形態を示す図であり、図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。また、図３の（ａ）〜（ｃ）は、図２のＢ−Ｂ’断面、Ｃ−Ｃ’断面、Ｄ−Ｄ’断面をそれぞれ示したものである。
【００１０】
図２のＡ−Ａ’断面図に示すように、マイクロバルブ１は、第１のガラス基板１３と第１のシリコン基板１２と第２のガラス基板１１と第２のシリコン基板１０とを順に積層した４層構造を有している。ガラス基板１３には、気体や液体等の被制御流体が通過する流路５が形成されている（図３（ｃ）参照）。以下では、被制御流体が気体であるとして説明する。ガラス基板１３の図示左側の側面には流路５と連通する流入口７が形成され、ガラス基板１３の底面部分には、ガラス基板１３を貫通して流路５と連通する流出口８が形成されている。流出口８の縁部８ａの厚さはガラス基板１３の全体厚さよりも薄く形成されており、縁部８ａと後述するバルブロッド６との間には隙間５ａが形成されている。
【００１１】
シリコン基板１２の流出口８と対向する部分には、バルブロッド６が形成されている。バルブロッド６の周囲のシリコン基板１２は薄く加工されており、この部分はバルブロッド６を支持する支持ダイヤフラム２として機能する。シリコン基板１２とシリコン基板１０との間に配されたガラス基板１１は枠形状をしており、シリコン基板１０，１２間には密閉空間９が形成される。すなわち、シリコン基板１０，１２およびガラス基板１１は、密閉空間９を形成するチャンバを構成している。密閉空間９のシリコン基板１２上には電極４が形成されている。密閉空間９内には、支持ダイヤフラム２を駆動するための駆動流体（気体または液体）が封入されている。
【００１２】
シリコン基板１０の電極４と対向する領域は基板厚さを薄くしたダイヤフラム３になっており、以下ではこのダイヤフラム３を駆動ダイヤフラム３と称することにする。電極４と駆動ダイヤフラム３とは隙間を介してコンデンサを構成しており、電極４への印加電圧をオンオフすることにより、マイクロバルブ１の開閉動作を行わせることができる。
【００１３】
図４は、マイクロバルブ１の各層の形状が分かりやすいように示した分解斜視図である。シリコン基板１０，１２の駆動ダイヤフラム３および支持ダイヤフラム２（図２参照）は、ＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いた異方性エッチングにより形成される。シリコン基板１２上には、プレート状の電極４が貼り付けられる。そして、流路５，流入口７および流出口８が形成されたガラス基板１３の上にシリコン基板１２，枠形状のガラス基板１１およびシリコン基板１０の順に積層し、陽極接合等によりそれらを接合して一体とする。
【００１４】
なお、シリコン基板１０の下面側を異方性エッチングしてガラス基板１１の厚さと等しい深さの凹部空間を形成し、その後、シリコン基板１０とシリコン基板１２を接合すれば、ガラス基板１１を用いることなく密閉空間９を形成することができる。また、各ガラス基板１１，１３はエッチング等により加工した一体の基板としているが、図５に示すように、複数の部材１１ａ〜１１ｄによりガラス基板１１を構成しても良いし、流出口８が形成された板材１３０に、流路５や流入口７を形成するための部材１３０ａ〜１３０ｅおよび縁部８ａを構成する部材を貼り付けてガラス基板１３としても良い。
【００１５】
《マイクロバルブ１の開閉動作》
次に、図２を参照しながらマイクロバルブ１の開閉動作について説明する。上述したように電極４と駆動ダイヤフラム３とはコンデンサを構成しており、電極４に電圧を印加していない場合には図２に示すような状態となっている。すなわち、流路５と流出口８とは隙間５ａを介して連通し、流入口７から流入した気体は流路５を流れて流出口８から流出する。
【００１６】
一方、電極４に電圧を印加すると、駆動ダイヤフラム３が静電力によって電極４方向に引きつけられ、電極４方向に変形する。上述したように、密閉空間９内には駆動流体が封入されているので、駆動ダイヤフラム３が図示下方に変位すると、駆動流体が密閉空間９の容積を一定に保持しようと作用するため、厚さの薄い支持ダイヤフラム２の部分が駆動流体の圧力によって変形し、バルブロッド６が図示下方に移動する。その結果、バルブロッド６が流出口８の縁部８ａに当接して、流路５と流出口８とが遮断されマイクロバルブ１は閉状態となる。
【００１７】
ここで、密閉空間９内の駆動流体の体積変化が無視できる程度に小さいとすると、駆動ダイヤフラム３の変位に伴う体積変化と支持ダイヤフラム２の変位に伴う体積変化とが等しくなるという条件から、次式（１）が成り立つ。式（１）において、Ｓｅは駆動ダイヤフラム３および電極４の各面積を、Ｓｓは支持ダイヤフラム２およびバルブロッド６を含む部分の面積、ｄ１は駆動ダイヤフラム３の下方への変位、ｄ２は支持ダイヤフラム２およびバルブロッド６の部分（面積Ｓｓの部分）の下方への変位をそれぞれ表す。なお、面積Ｓｅは駆動ダイヤフラム３の駆動方向への投影面積を表しており、面積Ｓｓは支持ダイヤフラム２およびバルブロッド６を含む部分の駆動方向への投影面積を表している。
Ｓｅ・ｄ１＝Ｓｓ・ｄ２      …（１）
【００１８】
ここで、駆動ダイヤフラム３に変位ｄ１が生じたときの、駆動ダイヤフラム３における弾性力と静電力との釣り合いを考える。駆動ダイヤフラム３に作用する静電力Ｆｑは、次式（２）で表される。式（２）おいて、ｄ０は、駆動ダイヤフラム３が変位していないときの電極４と駆動ダイヤフラム３との距離である。一方、駆動ダイヤフラム３には、次式（３）で表される図示上方への弾性力Ｆｅが作用する。ｋは駆動ダイヤフラム３のバネ定数である。
Ｆｑ＝（εＳｅ／２）・Ｖ２／（ｄ０−ｄ１）２      …（２）
Ｆｅ＝ｋ・ｄ１      …（３）
【００１９】
上方への弾性力Ｆｅと下方への静電力Ｆｑとが釣り合っているときは、次式（４）が成り立っている。
（εＳｅ／２）・Ｖ２／（ｄ０−ｄ１）２＝ｋ・ｄ１      …（４）
この式（４）から、力の釣り合いはｄ１が「０≦ｄ１≦ｄ０／３」の範囲だけで存在することが分かる。
【００２０】
そのため、駆動ダイヤフラム３の変位ｄ１がｄ０／３より大きくなると、すなわち、駆動ダイヤフラム３と電極４との距離が２ｄ０／３より小さくなると、駆動ダイヤフラム３は急激に電極４に引きつけられて電極４に吸着されてしまう。この現象はプルインと呼ばれ、式（４）でｄ１＝ｄ０／３としたときの電圧Ｖｐをプルイン電圧と呼ぶ。プルイン電圧Ｖｐは、次式（５）で与えられる。
Ｖｐ＝｛（８／２７）・（ｋ／εＳｅ）・ｄ０３｝１／２      …（５）
【００２１】
式（５）から分かるように、駆動ダイヤフラム３の面積Ｓｅを大きくすればプルイン電圧は下がり、低電圧でマイクロバルブ１を駆動することができる。また、式（１）からＳｅを大きくすればバルブロッド６の変位ｄ２も大きくなり、大流量の流体制御を行うことができる。この場合、バルブロッド６の駆動制御は駆動ダイヤフラム３を変位させることで行われるため、従来のように駆動力を大きくするためにバルブロッド６の面積を大きくする必要がない。そのため、制御すべき流体（本実施形態では気体）からの力や粘性抵抗は変化せず、これらの影響を考慮することなく駆動ダイヤフラム３の面積を設定することができる。
【００２２】
一方、従来の静電駆動型のマイクロバルブの場合には、ダイヤフラムで支持されたバルブロッド自体がコンデンサの一方の電極を構成しているため、前述したようにバルブロッドの駆動力を大きくするためには印加電圧を大きくするか電極間隙間を小さくする必要があった。しかし、印加電圧を大きくすると消費電力が増大し、さらに、高電圧による短絡を防止する手段を設ける必要があるため、コストアップの要因となる。また、電極間隙間を小さくすると、バルブ開時の流量が小さくなってしまうという問題があった。
【００２３】
しかし、本実施の形態では、密閉空間９の壁部に駆動ダイヤフラム３とバルブロッド６を支持する支持ダイヤフラム２とを設けて、駆動ダイヤフラム３を静電力により変位させ、駆動流体を介して支持ダイヤフラム２に支持されたバルブロッド６を駆動するようにしたので、そのような問題が発生することはない。すなわち、マイクロバルブ１が制御できる流体の圧力と流量のトレードオフ関係が解消され、高圧力かつ大流量の制御が可能となる。
【００２４】
なお、駆動流体として液体を用いた場合、温度変化による駆動流体の体積変化をほとんど抑えることができ、温度変化の影響を防止することができる。また、液体は気体と比べて外力による体積変化が小さいことから、電極４に電圧を印加した時の駆動ダイヤフラム３の変形による支持ダイヤフラム２およびバルブロッド６の動作を損失なく行うことができる。また、密閉空間９に封入する駆動流体に誘電率の高い流体を用いることにより、同一印加電圧であっても駆動ダイヤフラムと電極との間に働く静電力をより大きくすることができる。すなわち、プルイン電圧を下げることができ、より低電圧で気体の流量を制御することができる。
【００２５】
［変形例１］
図６は、本実施の形態のマイクロバルブの第１の変形例を示す図であり、マイクロバルブ２０の断面図である。図６に示すマイクロバルブ２０では、シリコン基板２１、２２の構成が上述したマイクロバルブ１のシリコン基板１０，１２と異なる。シリコン基板２２には、支持ダイヤフラム２に支持されたバルブロッド６に加えて、駆動ダイヤフラム３も形成されている。そして、シリコン基板２１の下面の駆動ダイヤフラム３に対向する位置に、電極４が設けられている。
【００２６】
この場合も、電極４と駆動ダイヤフラム３とはコンデンサを構成しており、電極４に電圧を印加すると、駆動ダイヤフラム３が静電力により電極４側に引きつけられて上方に変位する。その結果、密閉空間９に封入された駆動流体が密閉空間９の容積を一定に保持しようとし、駆動流体の圧力により支持ダイヤフラム２が下方に変形してバルブロッド６が下方に変位する。
【００２７】
特に、マイクロバルブ２０の場合には、駆動ダイヤフラム３には流路５を流れる気体（被制御流体）から上方への圧力が作用するので、駆動ダイヤフラム３を上方に変位させるための静電力は、図２のマイクロバルブ１の場合よりも小さくて済む。すなわち、より低い印加電圧でプルインしやすくなるという効果を有しており、低電圧で気体の流量を制御することができる。
【００２８】
［変形例２］
図７は、本実施の形態のマイクロバルブの第２の変形例を示す図であり、マイクロバルブ３０の断面図である。図７に示すマイクロバルブ３０では、マイクロバルブ１の電極４に代えて一対の櫛歯電極３１ａ，３１ｂを設けた。櫛歯電極３１ａは駆動ダイヤフラム３の裏面側に設けられ、櫛歯電極３１ｂは櫛歯電極３１ａと対向する位置に配設される。櫛歯電極３１ａ，３１ｂは歯部３１０と溝部３１１とが対向するように配置され、櫛歯電極３１ａ，３１ｂに電圧を印加すると歯部３１０が溝部３１１に入り込むように近づく。
【００２９】
ところで、上述したマイクロバルブ１，２０のように平板状の電極４の場合、印加電圧の変化に対して駆動ダイヤフラム３の変位が非線形に変化するため、印加電圧がある値を越えるとプルインが急激に起こり、電圧変化による流量の微調整が難しい。一方、櫛歯電極３１ａ，３１ｂの場合には、駆動ダイヤフラム３の変位が印加電圧にほぼ線形に比例するため、印加電圧を調整することで流量の微調整が可能となる。
【００３０】
［変形例３］
図８は本実施の形態のマイクロバルブの第３の変形例を示す図であり、マイクロバルブ４０の断面図である。マイクロバルブ４０では、シリコン基板４１に３つの駆動ダイヤフラム３Ａ〜３Ｃが形成されている。シリコン基板１２の各駆動ダイヤフラム３Ａ〜３Ｃと対向する位置には、電極４Ａ〜４Ｃが設けられている。電極４Ａ〜４Ｃの印加電圧はそれぞれ独立に制御することができ、各駆動ダイヤフラム３Ａ〜３Ｃをそれぞれ独立に変位させることができる。１１ａはスペーサであって、左右の空間は連通している。そのため、各電極４Ａ〜４Ｃが設けられている空間と支持ダイヤフラム２およびバルブブロック６に面する空間とは全て連通しており、電極４Ａ〜４Ｃは一つの密閉空間９内に配置されていることになる。
【００３１】
上述したように、各電極４Ａ〜４Ｃの印加電圧を独立に制御することができるので、プルインさせる駆動ダイヤフラム３Ａ〜３Ｃの数を変えることにより、バルブロッド６の変位を変えて被制御流体である気体の流量を調整することができる。例えば、全ての駆動ダイヤフラム３Ａ〜３Ｃをプルインさせたときのバルブロッド６の変位は、一つの駆動ダイヤフラム３Ａをプルインさせたときの変位のほぼ３倍になる。なお、駆動ダイヤフラムの数は２つでも４つ以上でも良く、また、それらをマイクロバルブ２０（図６参照）のようにバルブロッド６が形成されるシリコン基板２２に形成しても良い。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３２】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、駆動ダイヤフラム３は第１のダイヤフラムを、電極４は駆動手段を、支持ダイヤフラム２は第２のダイヤフラムをそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による静電駆動型マイクロバルブの一実施の形態を示す図であり、マイクロバルブ１の平面図である。
【図２】マイクロバルブ１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図２に示すマイクロバルブ１の横断面を示したものであり、（ａ）はＢ−Ｂ’断面図、（ｂ）はＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ’断面図である。
【図４】マイクロバルブ１の分解斜視図である。
【図５】ガラス基板１１，１３の形成方法の一例を示す図である。
【図６】本実施の形態のマイクロバルブの第１の変形例を示す図である。
【図７】本実施の形態のマイクロバルブの第２の変形例を示す図である。
【図８】本実施の形態のマイクロバルブの第３の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１，２０，３０，４０  マイクロバルブ
２  支持ダイヤフラム
３，３Ａ〜３Ｃ  駆動ダイヤフラム
４，４Ａ〜４Ｃ  電極
５  流路
６  バルブロッド
７  流入口
８  流出口
８ａ  縁部
９  密閉空間
１０，１２，２１，２２，４１  シリコン基板
１１，１３  ガラス基板
【図１】
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【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】
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