(57)【要約】【課題】シール特性、耐久性、あるいは温度遮断弁としての機能を併せ有し、小型化を図ることが可能となる圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システムを提供する。【解決手段】圧力制御弁であって、差圧によって動作する可動部１と、弁座部３と弁体部４と該弁体部を支持する支持部５からなる弁部と、前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構２と、を有し、  前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離されている構成とする。【選択図】            図１
2008059093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力制御弁であって、
差圧によって動作する可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離されていることを特徴とする圧力制御弁。
【請求項２】
前記可動部が、ダイヤフラムであることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御弁。
【請求項３】
前記弁部が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部を備え、
前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力制御弁。
【請求項４】
前記弁体部を支持する支持部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられている、前記弁体部を支持する弾性体によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力制御弁。
【請求項５】
前記弁体部を支持する支持部が、一部に、閾値以上の温度により該弁部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力制御弁。
【請求項６】
前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力制御弁。
【請求項７】
前記温度変位部が、バイメタルで形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力制御弁。
【請求項８】
前記弁体部は、前記弁座部との当接部に突起部が形成されていることを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の圧力制御弁。
【請求項９】
前記弁体部と前記弁座部との当接部において、前記弁体部または前記弁座部のいずれか一方にシール材が形成れていることを特徴とする請求項３から８のいずれか１項に記載の圧力制御弁。
【請求項１０】
前記弁部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁部を含む平面上に設けられている貫通孔を有する弾性体を備え、
前記貫通孔が、前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって開閉されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力制御弁。
【請求項１１】
前記伝達機構が、前記可動部上に設けられた複数の突起部によって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧力制御弁。
【請求項１２】
前記伝達機構が、前記可動部と前記弁部の間に設けられた表面に凹凸を有するシートによって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧力制御弁。
【請求項１３】
前記弁部、可動部及び伝達機構のそれぞれが、シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の圧力制御弁。
【請求項１４】
前記圧力制御弁が、減圧弁であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の圧力制御弁。
【請求項１５】
差圧によって動作する可動部と、弁座部と弁体部と該弁体部を支持する支持部からなる弁部と、前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構とを備え、
前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離された構成を有する圧力制御弁の製造方法であって、
前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁座部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁体部及び支持部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
上記各工程で形成された各部を積層して圧力制御弁を組み立てる工程と、
を有することを特徴とする圧力制御弁の製造方法。
【請求項１６】
前記シート状部材または板状部材の少なくとも一部に、半導体基板を用いることを特徴とする請求項１５に記載の圧力制御弁の製造方法。
【請求項１７】
前記可動部、伝達機構、弁座部、弁体部及び支持部を形成する各工程において、エッチング加工、プレス加工、あるいは、射出成形加工の少なくともいずれかを用いることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の圧力制御弁の製造方法。
【請求項１８】
前記弁体部及び支持部を形成する工程、または弁座部を形成する工程の後に、これらの工程によって形成された前記弁体部及び支持部、または前記弁座部の少なくとも一方にシール材料をコーティングする工程と、
前記コーティングする工程の後に、前記弁体部及び支持部、または前記弁座部を組み合わせる組み立て工程を有することを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載の圧力制御弁の製造方法。
【請求項１９】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の圧力制御弁、または請求項１５から１８のいずれか１項に記載の圧力制御弁の製造方法による圧力制御弁を搭載していることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、減圧弁は機械加工技術を用いて様々なタイプのものが作製されてきた。
減圧弁は、アクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。
アクティブ駆動の減圧弁は、圧力センサとバルブ駆動手段、制御機構とを備え、２次圧力が設定圧力に減圧されるようにバルブを駆動する。
一方、パッシブ駆動の減圧弁は、設定圧力になると、圧力差を利用して、バルブが自動的に開閉するように構成されている。
さらに、パッシブ型減圧弁は、パイロット型と直動型に大別される。パイロット型はパイロット弁を有し、安定した動作を特徴としている。
一方、直動型は、高速応答に対して利点がある。
また、気体を作動流体とする場合には、圧縮流体の微小な力でも弁の開閉を確実に行なうため、差圧感知機構として、ダイヤフラムがよく用いられる。
【０００３】
通常、直動ダイヤフラム型減圧弁は、ダイヤフラム、ダイヤフラムの動作を弁体に伝えるピストンなどの伝達機構、弁体は、ネジなどにより一体化されている。
しかし、特許文献１に示すようなリリーフ機構を備える弁においては、リリーフ動作実現のためにダイヤフラム（可動部）と伝達機構が分離した構造となっている。
これは、減圧弁の２次圧力が所定の圧力よりも高くなった場合、ダイヤフラム（可動部）が大気側に撓むことで、ピストン（伝達機構）から離れ、該ダイヤフラム（可動部）に設けられたポートから、過剰な圧力を逃がすものである。
リリーフ機構を実現するためには、弁体および伝達機構は、ダイヤフラム（可動部）とは別の部材によって支持されている必要がある。
通常、支持は弁体、あるいは、弁体周囲のガイドと、伝達機構の可動軸上で、弁体に対して伝達機構とは逆側にコイル状のバネを具備することによって実現される。
例えば、上記特許文献１では、弁を閉じるためのバネが、ピストン（伝達機構）軸延長上で、弁体を介して該ピストン（伝達機構）の反対側に位置して設けられている。
【０００４】
小型の減圧弁に関しては、例えば、特許文献２に示すように、ダイヤフラム、弁体、弁体とダイヤフラムを直結するバルブ軸を備えた構造のものが提案されている。
このような構造の減圧弁の製造方法には、非特許文献１に開示されているような製造方法が知られている。この製造方法は、半導体加工技術を用いて、小型の機械要素を作製している点に特徴を有している。
半導体加工技術では、材料には半導体基板が用いられ、成膜、フォトリソグラフィやエッチングといった技術を組み合わせて構造を形成する。
これにより、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。
特に減圧弁は、複雑な３次元構造を有するため、半導体基板を垂直にエッチングするためのＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）や、複数の半導体基板を接合するための接合技術などが用いられている。
また、弁体と弁座の間は、シリコン酸化物などの犠牲層を介して接合され、プロセスの後半で、犠牲層をエッチングすることにより、弁座からの弁体のリリースを行なっている。
【０００５】
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。
しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
【０００６】
このような水素を貯蔵するための技術として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ３程度となる。
第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。
第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
【０００７】
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。
この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
【０００８】
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜２００μｍ程度の厚さのものが使用される。
これらの固体高分子電解質膜の強度は３〜５ｋｇ／ｃｍ２程度である。
従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には０．５ｋｇ／ｃｍ２、非常時でも１ｋｇ／ｃｍ２以下になるように制御することが好ましい。
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が前記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はない。
しかしながら、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。
また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、前記機構は必要となる。
特許文献２においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。
特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
【特許文献１】特開平１０−２６８９４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１９９号公報
【非特許文献１】Ａ．Ｄｅｂｒａｙ  ｅｔ  ａｌ、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．  Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５、Ｓ２０２−Ｓ２０９、２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のリリーフ機構を備えた減圧弁では、つぎのような問題を有している。
例えば、上記従来例における特許文献１の減圧弁では、ダイヤフラム（可動部）とピストン（伝達機構）が分離しているが、弁を閉じるためのバネが、ピストン（伝達機構）軸延長上で、弁体を介して該ピストン（伝達機構）の反対側に位置して設けられている。
そのため、減圧弁の層構造が多くなり、構造が複雑になっていた。
また、このような構造においては、弁体の位置ずれを防ぐため、前記バネとは別に弁体、あるいは、ピストン（伝達機構）などにガイドを設ける必要がある。
しかしながら、小型の減圧弁においては、小型の軸受けを製作することが非常に困難である。そのため、ガイド部分での摩擦が大きく、弁を駆動することが難しいという問題が生じる。
【００１０】
一方、上記従来例における特許文献２のような半導体加工技術を用いた減圧弁では、接合により、ダイヤフラム（可動部）、ピストン（伝達機構）、弁体が一体化されている。
そのため、減圧弁の２次圧力が過剰に上昇すると、ピストン（伝達機構）や弁体に大きな応力がかかり、破損してしまう恐れがある。
特に、強力な接合強度が要求されるため、接合が不十分なことによる不良品が多くなる恐れがある。
また、複数の半導体基板を接合し、犠牲層をリリースする工程を有する場合には、弁体、あるいは、弁座表面のシール性を高めるために、弾性材料などをコーティングすることは可能であるが、つぎのような問題を有している。
すなわち、作製プロセスが複雑な上、十分な厚さのシール層を設けることが、困難である。
また、従来の小型減圧弁を備えた小型燃料電池においては、弁部分のシールが十分でなく、リークにより、燃料電池を破損する恐れが生じる。
また、小型減圧弁が高価であるため、燃料電池のコストが高くなるという恐れがあった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、シール特性、耐久性、あるいは温度遮断弁としての機能を併せ有し、小型化を図ることが可能となる圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システムを提供するものである。
本発明の圧力制御弁は、
差圧によって動作する可動部と、
弁部と、
前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構と、
を有し、前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記可動部が、ダイヤフラムであることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁部が、弁座部と、弁体部と、前記弁体部を支持する支持部を備え、
前記支持部が、前記伝達機構によって伝達される前記可動部の動作に応じて、前記弁体部と前記弁座部間を開閉可能に、前記弁体部を支持していることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部を支持する支持部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁体部を含む平面上に設けられている、前記弁体部を支持する弾性体によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部を支持する支持部が、一部に、閾値以上の温度により該弁部を閉じる位置に変位する温度変位部を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記温度変位部が、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記温度変位部が、バイメタルで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部には、前記弁座部との当接部に突起部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記弁体部と前記弁座部との当接部において、前記弁体部または前記弁座部のいずれか一方にシール材が形成れていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、
前記弁部が、前記伝達機構の動作方向に垂直で、かつ前記弁部を含む平面上に設けられている貫通孔を有する弾性体を備え、
前記貫通孔が、前記伝達機構により伝達される前記可動部の動作に応じて、前記伝達機構の先端部によって開閉されることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記伝達機構が、前記可動部上に設けられた複数の突起部によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁は、前記伝達機構が、前記可動部と前記弁部の間に設けられた表面に凹凸を有するシートによって形成されていることを特徴とする。また、本発明の圧力制御弁は、前記弁部、可動部及び伝達機構のそれぞれが、シート状部材または板状部材で形成され、それらを積層して構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力制御弁が、減圧弁であることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、
差圧によって動作する可動部と、弁座部と弁体部と該弁体部を支持する支持部からなる弁部と、前記可動部の動作を前記弁部に伝える伝達機構とを備え、
前記可動部または前記弁部のいずれか一方が、伝達機構と分離された構成を有する圧力制御弁の製造方法であって、
前記可動部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記伝達機構を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁座部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
前記弁体部及び支持部を、シート状部材または板状部材で形成する工程と、
上記各工程で形成された各部を積層して圧力制御弁を組み立てる工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、前記シート状部材または板状部材の少なくとも一部に、半導体基板を用いることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、前記可動部、伝達機構、弁座部、弁体部及び支持部を形成する各工程において、エッチング加工、プレス加工、あるいは、射出成形加工の少なくともいずれかを用いることを特徴とする。
また、本発明の圧力制御弁の製造方法は、
前記弁体部及び支持部を形成する工程、または弁座部を形成する工程の後に、これらの工程によって形成された前記弁体部及び支持部、または前記弁座部の少なくとも一方にシール材料をコーティングする工程と、
前記コーティングする工程の後に、前記弁体部及び支持部、または前記弁座部を組み合わせる組み立て工程を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、上記したいずれかに記載の圧力制御弁、または上記したいずれかに記載の圧力制御弁の製造方法による圧力制御弁を搭載していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シール特性、耐久性、あるいは温度遮断弁としての機能を併せ有し、小型化を図ることが可能となる圧力制御弁、圧力制御弁の製造方法、及び圧力制御弁を搭載した燃料電池システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第１の構成例について説明する。
図１に、本実施例の減圧弁の構成を説明するための断面図を示す。
図１において、１はダイヤフラム（可動部）、２はピストン（伝達機構）、３は弁座部、４は弁体部、５は支持部である。
【００１６】
本実施例における減圧弁は、可動部となるダイヤフラム１、伝達機構であるピストン２、および、弁部を形成する弁座部３、弁体部４、および、支持部５からなる。特に、弁体部４は、支持部５によって周囲に支持されている。
支持部５は、弾性を有する梁によって形成されており、例えば、図２（ａ）や図２（ｂ）に示すような形状を採ることができる。
弁座部３、あるいは、弁体４に、図３のような突起部を設けると、バルブが閉じた状態で支持部のバネがたわんだ状態となり、シール性が向上する。
また、弁体部４、あるいは、弁座部３の少なくとも一方の表面に、弁のシール材６をコーティングすることにより、シール性を向上することができる。
【００１７】
ここで、図４に基づいて、本減圧弁の動作を説明する。
ダイヤフラム（可動部）１上部の圧力をＰ０、バルブ上流の１次圧力をＰ１、バルブ下流の圧力をＰ２とし、弁体部４の面積をＳ１、ダイヤフラム（可動部）１の面積をＳ２とする。
このとき、圧力の釣り合いから、図５のようにバルブが開く条件は、
（Ｐ１−  Ｐ２）  Ｓ１＜（  Ｐ０−  Ｐ２）Ｓ２となる。
Ｐ２がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。
これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
【００１８】
弁体部４の面積やダイヤフラム（可動部）１の面積、ピストン（伝達機構）２の長さ、ダイヤフラム（可動部）１の厚さ、支持部５の梁の形状を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
特に、ダイヤフラム（可動部）１のバネ定数が支持部５のバネ定数よりも大きい場合には、弁が開く際の圧力は、ダイヤフラム（可動部）１に依存する。逆に、支持部５のバネ定数が、ダイヤフラム（可動部）１のバネ定数よりも大きい場合には、弁の挙動は、支持部５に依存する。また、図３のように突起部９を設ける場合には、突起部９の高さにより、弁のシール性や弁が動作する圧力が変化する。
【００１９】
一方、バルブ下流の圧力Ｐ２が設定圧力より高くなった場合には、ダイヤフラム（可動部）１は、上方にたわみ、バルブが閉じる。
この際、弁体部４とピストン（伝達機構）２が接合されていないため、弁体部４は弁座部３と接したところで停止し、ピストン（伝達機構）２のみがダイヤフラム（可動部）１とともに動く。
これにより、圧力上昇で弁が破損するのを防ぐことができる。
また、本減圧弁は、図６に示すように、伝達機構２が弁体部４と一体になり、可動部１とは、分離した形とすることもできる。この場合も動作原理は、図１に示す構造と同様である。
【００２０】
本実施例の減圧弁は、機械加工技術を用いて、例えば、以下のように作製することができる。
図７は、本減圧弁を弁体部４側から見た場合の分解斜視図である。斜視図から分かるように、シート状部材を重ねあわせることで、減圧弁を作製する。
各部材のサイズは８ｍｍ×８ｍｍである。
まず、ダイヤフラム（可動部）１には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料やプラスチックなどを使用することができる。
例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などによりピストンを一体型で作製することができる。
本実施例では、ダイヤフラムには、厚さ５０μｍのＰＥＴ基材に厚さ２５μｍのガスシール性のある接着層を有するホットメルトシート（日東シンコー社）を使用した。
また、ピストンには、ダイヤフラム支持部１０、ピストン（伝達機構）２を一体加工したものをステンレスのエッチング加工により作製した。
ダイヤフラム支持部１０の厚さは５０μｍ、ピストン２の高さは２５０μｍである。
これらのホットメルトシートとＳＵＳ部材は、両部材を重ね合わせた状態で、１４０℃程度に加熱し、数秒間保持することで接着した。
【００２１】
また、ダイヤフラム（可動部）１の下部空間やピストン（伝達機構）２が通過する流路は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製することができる。本実施例では、ダイヤフラム（可動部）１の下部空間には、厚さ５０μｍのＰＥＴ基材の両面に厚さ２５μｍのガスシール性のある接着層を有するホットメルトシート（日東シンコー社）を使用した。
ピストン（伝達機構）２が通過する流路は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製できる。厚さ２５０μｍのステンレス板をエッチングし、弁座部３の突起高さは１００μｍとした。
【００２２】
弁座部３、あるいは、弁体部４へのシール材料のコーティングは、パリレンやテフロン（登録商標）などを蒸着してもよいし、シリコーンゴムやポリイミド、テフロン（登録商標）材料などをスピンコーティングやスプレーによって塗布することもできる。
本実施例では、弁座を有する部材にシリコーンゴムをスピンコート（３０００ＲＰＭ×３０秒）により塗布することで、厚さ４０μｍ程度の均一なシール層を得ることができた。
ダイヤフラム（可動部）１の下部空間となるホットメルトシート部材とピストン（伝達機構）２が通過する流路を有するＳＵＳ部材とは、両部材を重ね合わせた状態で、１４０℃程度に加熱し、数秒間保持することで接着した。
支持部５および弁体部４を有する部材は、ステンレスの機械加工やエッチング加工で作製できる。
厚さ２００μｍのＳＵＳ部材をエッチングすることにより、本部材を作製した。支持部５の厚さは５０μｍとした。
これらの部材を積層することで、本実施例の減圧弁を機械加工により実現することができる。
本減圧弁の作製工程では、ステンスの２段階エッチングを多用しているが、表面と裏面で、異なるマスクを作製し、両面からエッチングを行なうことで、精度よく簡便に２段階エッチングを行なうことができる。
【００２３】
以上のようにして作製された減圧弁は、大気圧が１気圧程度の時、２次圧力は０．８気圧（絶対圧）程度になる。
さらに、リーク特性は０．１ｓｃｃｍ以下、２次圧力が５気圧（絶対圧）でも破損しないものが得られる。
本実施例では、接着にホットメルトシートを使用している。この方法は、厚さや位置決めの制御に優れているが、その他の接着剤を塗布したり、金属同士の拡散接合を用いる方法も有効である。
また、各部材はシート状なので、金属部材の加工は、エッチングやプレスが適しており、樹脂部材の加工は、型ヌキ、射出成形が適している。
また、本実施例で述べた各部材のうち、一部、あるいは、全部に以下の実施例で述べる半導体加工技術を利用して作製された部材を用いることも可能である。
【００２４】
［実施例２］
実施例２においては、上記実施例１の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第１の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は、図６に示すようなピストン（伝達機構）が弁体部と一体となっており、可動部（ダイヤフラム）とは、分離しているタイプのものである。
本実施例で作製される小型減圧弁の各部の寸法は、例えば、以下のようにすることができるが、これらの寸法は設計に応じて変更可能である。
ダイヤフラム（可動部）は、直径３．６ｍｍ、厚さ４０μｍとすることができる。
ピストン（伝達機構）は、直径２６０μｍ、長さ２００〜４００μｍとすることができる。
ピストン通過部流路は、直径４００μｍとすることができる。
突起部は、幅２０μｍ、高さ１０μｍ、シーリング層厚さ５μｍ、弁体部は、直径１０００μｍ厚さ２００μｍとすることができる。
支持部は、長さ１０００μｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍとすることができる。
【００２５】
つぎに、本実施例における小型減圧弁の製造方法について説明する。
図８から図１０に、上記製造方法における小型減圧弁の第１の製法の作製手順を説明するための各工程を示す。
まず、図８（ａ）に示す第１のステップは、第１のシリコンウェハ１０１にダイヤフラム（可動部）を作製する工程である。
ウェハには、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには、例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、のデバイス層厚さ４０μｍのものが使用できる。
第１のウェハ１０１にエッチングのためのマスクを作製する。
エッチングは、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）を用いて、深さ２００μｍ程度行なう。
その際、マスクには、厚さ１μｍ以上の厚膜フォトレジスト、あるいは、アルミニウムなどの金属膜、あるいは、ウェハ表面を熱酸化するシリコン酸化物層を使用することができる。
例えば、シリコン酸化物層をマスクに使用する場合には、まず、１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって、ウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
このようにして得られたマスクを使用して、ダイヤフラム（可動部）１１１をＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって形成する。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、ＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
エッチング後、マスクに使用したシリコン酸化物層をフッ酸により取り除く。
【００２６】
図８（ｂ）に示す第２のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。
ここでは、まず新しい第２のシリコンウェハ１０２の表面を熱酸化する。
第２のシリコンウェハには、両面研磨したものを使用するのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、弁座部１１２の突起の深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには、例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ５μｍのものが使用できる。
熱酸化工程は、第１の工程と同様である。
次に、第１のウェハ１０１、および、第２のウェハ１０２をＳＰＭ洗浄（８０℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄）後、薄いフッ酸で洗浄する。
第１のウェハ１０１と第２のウェハ１０２を重ね、１５００Ｎ程度で加圧しながら、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
【００２７】
図８（ｃ）に示す第３のステップは、ピストン（伝達機構）が通過するための流路を形成する工程である。
本工程および次工程で２段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、および、フォトレジストによる２層構造を有するマスクを作製する。
まず、背面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、弁座部１１２作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。
フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、流路形成のためのマスクをパターニングする。すなわち、背面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって流路を形成する。
ＳＯＩウェハを使用した場合には、中間の酸化物層までエッチングを行なった後、フッ酸によって、酸化物層を取り除く。マスクに用いたフォトレジストは、アセトンによって取り除く。
【００２８】
図８（ｄ）に示す第４のステップは、前工程で作製した弁座部１１２形成のためのマスクを使用して、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって弁座部１１２を形成する工程である。
本工程において、ＳＯＩウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。
エッチング後、マスクに使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。本実施例では、２段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
【００２９】
図９（ｅ）に示す第５のステップは、第３のウェハ１０３を使用して、弁体部１１３を形成するためのマスクを作製する工程である。
ウェハには、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ１０μｍのものが使用できる。
まず、第３のシリコンウェハ１０３の熱酸化を行なう。熱酸化は、１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによって行われる。
次に、表面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、裏面の酸化物層のパターニングを行なう。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより弁座部形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図９（ｆ）に示す第６のステップは、支持部１１４を形成するためのマスクを作製する工程である。
まず、裏面の酸化物層をフォトレジストで保護した後、表面の酸化物層のパターニングを行なう。
ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングすることにより支持部形成のためのパターニングを行なう。
パターニング後はアセトンにより、表面および裏面のフォトレジストを除去する。
図９（ｇ）に示す第７のステップは、弁体を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって、ウェハ背面のエッチングを行なう。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、ＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
図９（ｈ）に示す第８のステップは、支持部を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって、ウェハ表面のエッチングを行なう。
ＳＯＩウェハを使用している場合には、この際に支持部の厚さを精度よく制御できるため、バネ定数の誤差が少ない支持部が得られる。
エッチング後、マスクに使用した酸化物層はフッ酸によって取り除く。
図１０（ｉ）に示す第９のステップは、第３のウェハ１０３に第４のウェハ１０４を接合する工程である。
ウェハには、両面研磨のものを使用するのが好ましい。ウェハの厚さはピストン（伝達機構）の高さにあわせて選択するが、例えば、厚さ４００μｍのものを使用することができる。
第４のウェハ１０４は、表面を熱酸化によって酸化しておく。
次に、第３のウェハ１０３、および、第４のウェハ１０４をＳＰＭ洗浄（８０℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄）後、薄いフッ酸で洗浄する。
第３のウェハ１０３と第４のウェハ１０４を重ね、１５００Ｎ程度で加圧しながら、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
図１０（ｊ）に示す第１０のステップは、伝達機構１１５を形成する工程である。
まず、エッチングのためのマスクのパターニングを行なう。マスクには、ウェハ表面のシリコン酸化物層を使用する。
次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングを行ない、伝達機構を形成する。エッチングは、ボンディング面のシリコン酸化物層で停止する。
図１０（ｋ）に示す第１１のステップは、シール面のコーティングを行なう工程である。
コーティングは図のように弁体側に行なっても良いし、弁座側に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミドなどがある。
パリレン、ＰＴＦＥは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。その他、スプレーによるコーティングも可能である。
図１０（ｌ）に示す第１２のステップは、組み立て工程である。
第４のステップまでで作製したダイヤフラム（可動部）１１１および弁座部１１２を有する部材と、第１１の工程までで作製した伝達機構１１５および弁体部１１３を有する部材を重ね合わせることにより、小型減圧弁が完成する。
【００３０】
なお、本実施例において、ボンディングはシリコンの拡散接合技術を用いているが、本実施例で作製される減圧弁ではピストン（伝達機構）での接合に大きな強度を必要としない。
そのため、接合面に金属膜を予め成膜しておき、金属同士で接合を行なう方法や、接着剤などを使用することも可能である。
【００３１】
［実施例３］
実施例３においては、上記実施例１の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第２の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は図１に示すような伝達機構（ピストン（伝達機構））がダイヤフラム（可動部）と一体となっており、弁体部とは、分離しているタイプのものである。
実施例２に比べ、接合工程が２回から１回になるため、歩留まり、および、スループットを向上できる。
さらに、ウェハを４枚から３枚に減らすことができるので、コストも低減できる。
また、後に述べるように、ダイヤフラム（可動部）部の形状を中央部に支持部を有するドーナツ形状にすることにより、ダイヤフラム（可動部）の剛性を最適化できる点でも有利である。
【００３２】
本実施例で作製される小型減圧弁の各部の寸法は、例えば、以下のようにすることができるが、これらの寸法は設計に応じて変更可能である。
ダイヤフラム（可動部）は、直径３．６ｍｍ、厚さ４０μｍとすることができる。
ピストン（伝達機構）は、直径２６０μｍ、長さ２００〜４００μｍとすることができる。ピストン通過部流路は、直径４００μｍとすることができる。
突起部は、幅２０μｍ、高さ１０μｍ、シーリング層厚さ５μｍ、弁体部は、直径１０００μｍ厚さ２００μｍとすることができる。
支持部は、長さ１０００μｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍとすることができる。
【００３３】
つぎに、本実施例における小型減圧弁の製造方法について説明する。
図１１及び図１２に、本実施例における小型減圧弁の第２の製法の作製手順を説明するための各工程図を示す。
まず、図１１（ａ）に示す第１のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。
第１のシリコンウェハ１０１には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ３００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ５μｍのものを裏返して、図では、ハンドル層が上になるようにして使用する。
エッチングのマスクに使用するため、第１のウェハ１０１の表面の熱酸化を行なう。
１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で２段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる２層構造を有するマスクを作製する。
フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム（可動部）下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。さらに、伝達機構１１５形成のためのマスクをパターニングする。
すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
本実施例では、２段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
【００３４】
図１１（ｂ）に示す第２のステップは、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってピストン（伝達機構）を形成する工程である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、１５０μｍ程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
【００３５】
図１１（ｃ）に示す第３のステップでは、ダイヤフラム（可動部）下部の流路を作製する工程である。
ＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。さらにマスクとして使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。
【００３６】
図１１（ｄ）に示す第４のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。
第２のシリコンウェハには、両面研磨したものを使用するのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、弁座部１１２の高さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ４０μｍのものがあり、デバイス層をダイヤフラム（可動部）として使用する。
後のエッチングでシリコン酸化物をエッチングの際のマスクとして使用する場合には、第１の工程と同様に熱酸化を行なう。
次に、第１のウェハ１０１、および、第２のウェハ１０２をＳＰＭ洗浄（８０℃に熱した過酸化水素水と硫酸の混合液中で洗浄）後、薄いフッ酸で洗浄する。
第１のウェハ１０１と第２のウェハ１０２を重ね、１５００Ｎ程度で加圧しながら、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
【００３７】
図１１（ｅ）に示す第５のステップは、ダイヤフラム（可動部）を作製する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
ダイヤフラム（可動部）の形状は、円形でも良いし、図のようにドーナツ状のものや、梁を有するものであっても良い。
図１１（ｆ）に示す第６のステップは、弁座部１１２を形成する工程である。
マスクには、厚膜フォトレジストの他、シリコン酸化物層、アルミニウムなどが使用できる。
ウェハ表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。マスクをフォトレジスト以外のものを使用する場合には、エッチャントでマスク層をパターニングする。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングして弁座部１１２を形成する。
第１のウェハ１０１にＳＯＩウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。
エッチング後、マスクを取り除く。
【００３８】
図１２（ｇ）に示す第７のステップは、第３のシリコンウェハ１０３を用いたエッチングのためのマスクパターニング工程である。
第３のシリコンウェハ１０３には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ２００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ１０μｍのものを使用することができる。
エッチングのマスクに使用するため、第３のウェハ１０３の表面の熱酸化を行なう。
１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、ウェハ表面をフォトレジストによって保護し、裏面に弁体形成のためのパターニングを行なう。フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
表面、および、裏面のフォトレジストをアセトンにより除去する。本工程において、マスクにはシリコン酸化物の他に、フォトレジストやアルミニウムを使用することが可能である。
【００３９】
図１２（ｈ）に示す第８のステップは、支持部１１４を形成するためのマスクをパターニングする工程である。
ウェハ裏面をフォトレジストによって保護し、表面に支持部形成のためのパターニングを行なう。フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。表面、および、裏面のフォトレジストをアセトンにより除去する。
【００４０】
図１２（ｉ）に示す第９のステップは、弁体部１１３を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって、ウェハ背面のエッチングを行なう。エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、ＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
【００４１】
図９（ｊ）に示す第１０のステップは、支持部を形成する工程である。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって、ウェハ表面のエッチングを行なう。
ＳＯＩウェハを使用している場合には、この際に支持部の厚さを精度よく制御できるため、バネ定数の誤差が少ない支持部が得られる。
エッチング後、マスクに使用した酸化物層はフッ酸によって取り除く。
【００４２】
図１２（ｋ）に示す第１１のステップは、シール面のコーティングを行なう工程である。
コーティングは図のように弁体側に行なっても良いし、弁座側に行なっても良い。
コーティング材料としては、パリレン、サイトップ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミドなどがある。
パリレン、ＰＴＦＥは、蒸着によって、サイトップ、ポリイミドはスピンコーティングによってコーティング可能である。その他、スプレーによるコーティングも可能である。
【００４３】
図１２（ｌ）に示す第１２のステップは、組み立て工程である。
第６のステップまでで作製したダイヤフラム（可動部）１１１および弁座部１１２を有する部材と、第１１の工程までで作製した弁体部１１３を有する部材を重ね合わせることにより、小型減圧弁が完成する。
【００４４】
なお、本実施例において、ボンディングはシリコンの拡散接合技術を用いているが、本実施例で作製される減圧弁ではピストン（伝達機構）での接合に大きな強度を必要としない。
そのため、接合面に金属膜を予め成膜しておき、金属同士で接合を行なう方法や、接着剤などを使用することも可能である。
【００４５】
［実施例４］
実施例４においては、上記実施例１の構造を備えた小型減圧弁を、半導体加工技術を用いて作製する第３の製造方法について説明する。
本実施例によって作製される小型減圧弁は図１に示すような伝達機構（ピストン）がダイヤフラム（可動部）と一体となっており、弁体部とは分離しているタイプのものである。
実施例２、実施例３と比較した場合、接合工程を必要とせず、３つのパーツを別々に作製しておき、最後に組み合わせる方式である。
このため、作製プロセスを並行に進めることができると共に、不良品が発生した際に不良パーツのみの交換が可能であるため、歩留まりが向上できるという利点がある。
【００４６】
本実施例で作製される小型減圧弁の各部の寸法は、例えば、以下のようにすることができるが、これらの寸法は設計に応じて変更可能である。
ダイヤフラム（可動部）は、直径３．６ｍｍ、厚さ４０μｍとすることができる。
ピストン（伝達機構）は、直径２６０μｍ、長さ２００〜４００μｍとすることができる。
ピストン通過部流路は、直径４００μｍとすることができる。
突起部は、幅２０μｍ、高さ１０μｍ、シーリング層厚さ５μｍ、弁体部は、直径１０００μｍ厚さ２００μｍとすることができる。
支持部は、長さ１０００μｍ、幅２００μｍ、厚さ１０μｍとすることができる。
【００４７】
つぎに、本実施例における小型減圧弁の製造方法について説明する。
図１３から図１５に本実施例における小型減圧弁の第３の製法の作製手順を説明するための各工程図を示す。
まず、図１３（ａ）に示す第１のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。第１のシリコンウェハ１０１には、片面研磨のシリコンウェハも使用可能であるが、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。
さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ５００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、デバイス層厚さ４０μｍのものを使用することができる。
エッチングのマスクに使用するため、第１のウェハ１０１の表面の熱酸化を行なう。１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で２段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる２層構造を有するマスクを作製する。
まず、フォトレジストによりウェハ表面を保護する。次に、ウェハ裏面にフォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム（可動部）下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、伝達機構１１５と可動部１１１の間の支持部形成のためのマスクをパターニングする。
すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。本実施例では、２段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
【００４８】
図１３（ｂ）に示す第２のステップは、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によって伝達機構の支持部を形成する工程である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、１５０μｍ程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
【００４９】
図１３（ｃ）に示す第３のステップでは、ダイヤフラム（可動部）１１１、および、伝達機構１１５を作製する工程である。
ＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、ウェハをエッチングする。
エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。さらにマスクとして使用したシリコン酸化物層をフッ酸によって取り除く。
以上のように、本実施例では伝達機構とダイヤフラム（可動部）の間に支持部を形成するために、２段マスクを使用した２段階エッチングを行なった。
しかしながら、必要なバネ定数によっては、前記支持部は必要なく、その場合、マスクは１枚マスクで十分であり、第２の工程も不要となる。
【００５０】
図１４（ｄ）に示す第４のステップは、エッチングのためのマスクパターニング工程である。
第２のシリコンウェハ１０２には、両面研磨されたものを用いるのが好ましい。さらに、後のエッチング工程において、エッチングの深さを制御するため、ＳＯＩ（シリコン  オン  インシュレータ）ウェハを使用するのが好ましい。
シリコンウェハには例えば、ハンドル層厚さ５００μｍ、酸化物層（ＢＯＸ層）厚さ１μｍ、のデバイス層厚さ５μｍのものを裏返して、図では、ハンドル層が上になるようにして使用する。
エッチングのマスクに使用するため、第２のウェハ１０２の表面の熱酸化を行なう。１０００℃程度に熱した炉の中に、所定量の水素および酸素を流すことによってウェハ表面に酸化物層を形成する。
次に、本工程および次工程で２段階のエッチングを行うため、シリコン酸化物層、およびフォトレジストによる２層構造を有するマスクを作製する。
まず、フォトレジストによって、ウェハ裏面を保護する。
次に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、ダイヤフラム（可動部）下面流路作製のためのパターニングを行う。
さらに、現像、ポストベイクを行う。フォトレジストをマスクとして、フッ酸により、酸化物層をエッチングする。
さらに、伝達機構１１５周囲の流路のためのマスクをパターニングする。すなわち、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行い、現像、ポストベイクを行う。
本実施例では、２段階のマスクとして、フォトレジストとシリコン酸化物層を使用したが、その他にも、厚さの異なるシリコン酸化物層を用いたり、アルミニウム層を用いたりすることによっても実現可能である。
【００５１】
図１４（ｅ）に示す第５のステップは、ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってピストン（伝達機構）を形成する工程である。
エッチングの深さは、エッチング時間によって制御するが、２００μｍ程度のエッチングを行なう。最後にフォトレジストマスクをアセトンによって取り除く。
【００５２】
図１４（ｆ）に示す第６のステップでは、ダイヤフラム（可動部）下部の流路を作製する工程である。
ＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、ウェハをエッチングする。エッチングの深さは時間によって制御しても良いし、図のようにＳＯＩウェハの酸化物層（ＢＯＸ層）をエッチストップ層として使用してもよい。
【００５３】
図１４（ｇ）に示す第７のステップは、弁座部１１２を形成する工程である。
ウェハ裏面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベイク後、露光を行う。フッ酸により、シリコン酸化物層をエッチングしパターニングする。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によってエッチングして弁座部１１２を形成する。
第１のウェハ１０１にＳＯＩウェハを使用した場合には、中間の酸化物層をエッチストップレイヤーとして使用することができ、弁座部の突起高さを精度よく制御できるとともに、エッチング後の表面を平坦に保つことができる。エッチング後、フッ酸により、マスクを取り除く。
また、図１５（ｈ）に示す第８のステップから図１５（ｍ）に示す第１３のステップまでの工程は、実施例３における第７のステップから、第１２のステップと同様である。
【００５４】
［実施例５］
実施例５においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第２の構成例について説明する。
図１６に本実施例における小型減圧弁の第２の構成例を説明するための断面図を示す。
本実施例の圧力機構は、可動部となるダイヤフラム２０１、伝達機構であるピストン２０２、および、弁部２００からなる。弁部２００は弾性体からなり、貫通孔２０４が設けられている。
貫通孔２０４は通常は閉じており、伝達機構２０２の先端が貫通孔を押し広げることにより、弁が開く。
伝達機構先端の形状は、図１６のような円錐形でも構わないが、図１８のように、さらに、溝部を側面に有するものでも良い。
【００５５】
次に、本実施例における減圧弁の動作を説明する。
ダイヤフラム（可動部）２０１の上部の圧力をＰ０、バルブ上流の１次圧力をＰ１、バルブ下流の圧力をＰ２とする。
Ｐ２がＰ０より高いとダイヤフラム（可動部）２０１が上方にたわみ、貫通孔２０４は弁部２００の弾性により閉じるので、バルブは閉じている。
一方、Ｐ２がＰ０より低いとダイヤフラム（可動部）２０１が下方にたわみ、伝達機構２０２が弁部２００の貫通孔２０４を押し広げるので、図１７に示すように、バルブは開く。
これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。ダイヤフラム（可動部）２０１の面積、厚さ、伝達機構２０２の長さ、弁部２００の厚さや弾性を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
【００５６】
本実施例の減圧弁は、機械加工技術を用いて、以下のように作製することができる。
図１９は本減圧弁を貫通孔側から見た場合の分解斜視図である。
まず、ダイヤフラム（可動部）２０１には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料の他に、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料を使用することができる。
例えば、ステンレスを材料に用いた場合には、エッチングや切削加工などにより伝達機構を一体型で作製することができる。
弁部２００の材料には、バイトンゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料を使用することができる。
【００５７】
［実施例６］
実施例６においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第３の構成例について説明する。
図２０に本実施例における小型減圧弁の第３の構成例を説明するための断面図を示す
本実施例の圧力機構は可動部となるダイヤフラム３０１、伝達機構であるピストン３０２、および、弁部３００からなる。弁部３００は弾性体からなり、貫通孔３０４が設けられている。
貫通孔３０４は通常は閉じており、伝達機構３０２の先端が貫通孔を押し広げることにより、弁が開く。
伝達機構３０２は複数の突起状形状からなる。伝達機構は、ダイヤフラム（可動部）表面を粗く加工することによって作製してもよい。
また、本実施例における別の形態を、図２１に示す。
この構成例においては、伝達機構４０２は、表面に凹凸形状を有するシートからなる。
また、伝達機構は可動部４０１と分離していても良い。
【００５８】
次に、本実施例における減圧弁の動作について説明する。
ダイヤフラム（可動部）３０１、４０１の上部の圧力をＰ０、バルブ上流の１次圧力Ｐ1を、バルブ下流の圧力をＰ2とする。Ｐ2がＰ0より高いとダイヤフラム（可動部）３０１、４０１が上方にたわみ、貫通孔３０４、４０４は弁部３００、４００の弾性により閉じるので、バルブは閉じている。
一方、Ｐ２がＰ０より低いとダイヤフラム（可動部）３０１、４０１が下方にたわみ、伝達機構３０２、４０２が弁部３００、４００の弾性体部材３０３、４０３、あるいは、貫通孔３０４、４０４を押す。
これによりひずみが生じ、貫通孔３０４、４０４を押し広げるので、バルブは開く。これによって、Ｐ２を一定に保つことができる。
ダイヤフラム（可動部）３０１、４０１の面積、厚さ、伝達機構３０２、４０２の長さ、弁部３００、４００の厚さや弾性を調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
【００５９】
［実施例７］
実施例７においては、本発明の圧力制御弁として減圧弁を構成した第５の構成例について説明する。
本実施例に用いる減圧弁は、実施例１と同様に作製することができる。
本実施例の減圧弁の第５の構成について説明する。
図２２に、本実施例の減圧弁の第５の構成例について説明する断面図を示す。
本実施例の減圧弁は、可動部となるダイヤフラム５０１、伝達機構であるピストン５０２、および、弁部を形成する弁座部５０３、弁体部５０４、および、支持部５０５、温度変位部５１０からなる。
特に、弁体部５０４は支持部５０５および温度変位部５１０によって周囲に支持されている。
図２３に示すように、支持部５０５は、弾性を有する梁によって形成されている。
温度変位部５１０はチタン−ニッケル合金などの形状記憶合金により形成されている。
チタン−ニッケル合金の形状記憶合金はスパッタリングを用いて形成させることも可能であり、実施例１の半導体加工プロセスに組み込むことができる。
温度変位部５１０は通常温度では塑性変形を行い前述の支持部５０５のバネ性には影響しないため通常の減圧弁として機能する（図２４（ａ））。
減圧弁の周りの温度が異常上昇して予め設定した温度以上になると、図２４（ｂ）に示すように、温度変位部５１０の形状記憶合金が弁座部５０３方向（図２４（ｂ）では上側）に反り返るように変位して弁体部５０４が弁座部５０３に押し付けられて弁が閉じた状態になる。
【００６０】
このときの減圧弁の流量は、図２５に示すように変動する。
温度が閾値（点線）より小さい領域では温度変位部５１０は機能しないので通常の減圧弁のように二次圧を保ちながら流量が発生する。
さらに、温度が上昇して、閾値を超えると温度変位部５１０の形状記憶合金が機能して弁体部５０４が持ち上げられるため弁が閉じる。また、温度が閾値を下回ると通常の減圧弁として機能するため可逆的に利用可能である。
【００６１】
このように減圧弁に形状記憶合金の温度変位部５１０を設けることにより閾値温度より下では減圧弁、それ以上では遮断弁として機能させることができ、より安全性の高い弁機構を提供することができる。
本実施例では温度変位部５１０として形状記憶合金を利用した例を示したが温度により変位する材料（例えばバイメタル等）を使用すれば同様な効果が得られる。
本実施例では支持部５０５と温度変位部５１０が別に配置した例を示したが、支持部５０５にバネ性を有する金属材料等を利用した温度変位材料を利用してもよい。
【００６２】
［実施例８］
実施例８においては、本発明の圧力制御弁として小型減圧弁を構成して搭載した発電量が数ミリワットから数百ワットまでの小型固体高分子型燃料電池について説明する。
図２６に、本実施例の燃料電池の概観を説明するための斜視図を示す。
また図２７に、本実施例のの燃料電池のシステムの概要図を示す。
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。
このように本実施例の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。
本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１０１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極１０１６、高分子電解質膜１０１７、燃料極１０１８からなる燃料電池セル１０１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１０１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御する小型減圧弁１０１５によって構成されている。
【００６３】
次に、本実施例の燃料タンク１０１４について説明する。
タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ５などを用いる。
燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は５０ｇ程度となり、また、燃料タンク体積は５．２ｃｍ３になる。
【００６４】
本タンク中に、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１０１４と燃料極１０１８との間に減圧のための小型減圧弁１０１５を設ける必要がある。
例えば、ＬａＮｉ５は、重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能である。ＬａＮｉ５の各温度における解離圧は図２８に示すようになっている。
タンクに蓄えられた水素は小型減圧弁１０１５で減圧され、燃料極１０１８に供給される。
また、酸化剤極１０１６には通気孔１０１３から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極１０１２から小型電気機器に供給される。
【００６５】
図２９は本実施例の小型減圧弁を燃料電池に搭載した場合の関係図である。
小型減圧弁の１次側は、燃料タンク１０１４とつながっている。
出口流路は、燃料極へとつながり、ダイヤフラム（可動部）の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。
バルブ全体のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ程度となっている。このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。
【００６６】
次に、燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。
発電停止中は小型減圧弁１０１５は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がって行く。
ダイヤフラム（可動部）は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム（可動部）にバルブ軸で直結されたバルブシートは押し下げられ、バルブは開く。
これにより、燃料タンク１０１４から、燃料極室に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム（可動部）は上に押し上げられ、小型減圧弁１０１５は閉じる。
【００６７】
以上の各実施例における構成および製法によれば、小型化を図ることができ、また、シール特性、耐久性に優れた減圧弁を実現することができる。
また、このような小型減圧弁を小型燃料電池の制御に用いることにより、燃料電池システムを小型化することができる。
また、上記実施例７によれば、通常の減圧弁の機能に加えて、温度状態によって変位する部材の併用により、温度遮断弁としての機能ももたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例１における小型減圧弁の第１の構成例を説明するための断面図。
【図２】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例における支持部の第１及び第２の形態を説明するための平面図。
【図３】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例における応用例を説明するための断面図。
【図４】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例における各部の圧力および断面積を説明するための（クローズ状態）図。
【図５】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例における弁が開いた状態を説明するための断面図。
【図６】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例における派生形を説明するための断面図。
【図７】本発明の実施例１の小型減圧弁の第１の構成例を説明するための分解斜視図。
【図８】本発明の実施例２における実施例１の構造を備えた小型減圧弁の第１の製法の作製手順を説明するための各工程（（ａ）から（ｄ））図。
【図９】本発明の実施例２における図８に続く小型減圧弁の第１の製法の作製手順を説明するための各工程（（ｅ）から（ｈ））図。
【図１０】本発明の実施例２における図９に続く小型減圧弁の第１の製法の作製手順を説明するための各工程（（ｉ）から（ｌ））図。
【図１１】本発明の実施例３における実施例１の構造を備えた小型減圧弁の第２の製法の作製手順を説明するための各工程（（ａ）から（ｆ））図。
【図１２】本発明の実施例３における図１１に続く小型減圧弁の第２の製法の作製手順を説明するための各工程（（ｇ）から（ｌ））図。
【図１３】本発明の実施例４における実施例１の構造を備えた小型減圧弁の第３の製法の作製手順を説明するための各工程（（ａ）から（ｃ））図。
【図１４】本発明の実施例４における図１３に続く小型減圧弁の第３の製法の作製手順を説明するための各工程（（ｄ）から（ｇ））図。
【図１５】本発明の実施例４における図１４に続く小型減圧弁の第３の製法の作製手順を説明するための各工程（（ｈ）から（ｍ））図。
【図１６】本発明の実施例５における小型減圧弁の第２の構成例を説明するための断面図。
【図１７】本発明の実施例５における小型減圧弁の第２の構成例における弁が開いた状態を説明するための断面図。
【図１８】本発明の実施例５における小型減圧弁の第２の構成例における伝達機構の別の形態を説明するための断面図。
【図１９】本発明の実施例５における小型減圧弁の第２の構成例を説明するための分解斜視図。
【図２０】本発明の実施例６における小型減圧弁の第３の構成例を説明するための断面図。
【図２１】本発明の実施例６における小型減圧弁の第４の構成例を説明するための断面図。
【図２２】本発明の実施例７における小型減圧弁の第５の構成例を説明するための断面図。
【図２３】本発明の実施例７における小型減圧弁の第５の構成例を説明するための平面図。
【図２４】本発明の実施例７における小型減圧弁の第５の構成例を説明するための断面図。
【図２５】本発明の実施例７における小型減圧弁の第５の構成例を説明するための流量温度特性図。
【図２６】本発明の実施例８における燃料電池を説明するための斜視図。
【図２７】本発明の実施例８における燃料電池システムを説明するための概要図。
【図２８】本発明の実施例８の燃料電池システムにおける水素吸蔵合金（ＬａＮｉ５）の解離圧力を説明するための図。
【図２９】本発明の実施例８の燃料電池における小型減圧弁の位置関係を説明するための図。
【符号の説明】
【００６９】
１：ダイヤフラム（可動部）
２：ピストン（伝達機構）
３：弁座部
４：弁体部
５：支持部
６：シール材
７：押さえ板
８：出口流路
９：突起部
１０：ダイヤフラム支持部
１０１：第１のウェハ
１０２：第２のウェハ
１０３：第３のウェハ
１０４：第４のウェハ
１１１：ダイヤフラム（可動部）
１１２：弁座部
１１３：弁体部
１１４：支持部
１１５：ピストン（伝達機構）
１１６：シール材
１１７：入口流路
１１８：出口流路
２００、３００、４００：弁部
２０１、３０１、４０１：ダイヤフラム（可動部）
２０２、３０２、４０２：伝達機構
２０３、３０３、４０３：弾性部材
２０４、３０４、４０４：貫通孔
２０５、３０５、４０５：切り込み
２０７：押さえ板
２０８：出口流路
５０１：ダイヤフラム（可動部）
５０２：ピストン（伝達機構）
５０３：弁座部
５０４：弁体部
５０５：支持部
５０６：シール材
５０７：押さえ板
５０８：出口流路
５１０：温度変位部
１０１１：燃料電池セル
１０１２：電極
１０１３：通気孔
１０１４：燃料タンク
１０１５：小型減圧弁
１０１６：酸化剤極
１０１７：高分子電解質膜
１０１８：燃料極
【図１】
2008059093.tif 000003
【図２】
2008059093.tif 000004
【図３】
2008059093.tif 000005
【図４】
2008059093.tif 000006
【図５】
2008059093.tif 000007
【図６】
2008059093.tif 000008
【図７】
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【図８】
2008059093.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2008059093.tif 000012
【図１１】
2008059093.tif 000013
【図１２】
2008059093.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008059093.tif 000017
【図１６】
2008059093.tif 000018
【図１７】
2008059093.tif 000019
【図１８】
2008059093.tif 000020
【図１９】
2008059093.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2008059093.tif 000023
【図２２】
2008059093.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2008059093.tif 000027
【図２６】
2008059093.tif 000028
【図２７】
2008059093.tif 000029
【図２８】
2008059093.tif 000030
【図２９】
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