マイクロバルブ
【課題】低コストで高精度な流量制御を可能とするマイクロバルブを提供する。
【解決手段】弁体形成基板２０は、フレーム部２１の内側に、フレーム部２１と連続し弁座基板１０との間に流入口１１に連通する流入口２次側空間４１を形成する第１のダイヤフラム部２２およびフレーム部２１と連続するとともに弁体部２４が連続一体に設けられ弁座基板１０との間に流出口１２に連通する流出口１次側空間４２を形成する第２のダイヤフラム部２３が配置され、第１のダイヤフラム部２２が流量検出用可動電極２８を兼ね、弁体部２４に駆動用可動電極２５が形成されている。固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との間に第１のダイヤフラム部２２の変位を可能とする基準圧力空間５２を弁体部変位空間５５とともに形成する形で弁体形成基板２０に固着され、且つ、流量検出用可動電極２８に対向する流量検出用固定電極３２が形成されている。
【解決手段】弁体形成基板２０は、フレーム部２１の内側に、フレーム部２１と連続し弁座基板１０との間に流入口１１に連通する流入口２次側空間４１を形成する第１のダイヤフラム部２２およびフレーム部２１と連続するとともに弁体部２４が連続一体に設けられ弁座基板１０との間に流出口１２に連通する流出口１次側空間４２を形成する第２のダイヤフラム部２３が配置され、第１のダイヤフラム部２２が流量検出用可動電極２８を兼ね、弁体部２４に駆動用可動電極２５が形成されている。固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との間に第１のダイヤフラム部２２の変位を可能とする基準圧力空間５２を弁体部変位空間５５とともに形成する形で弁体形成基板２０に固着され、且つ、流量検出用可動電極２８に対向する流量検出用固定電極３２が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御するマイクロバルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療用のエレクトロニクス分野などにおいて、微量な流体の流れを制御するデバイスとして、シリコン基板のような半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成した構造体を用いたマイクロバルブが各所で研究開発されており、例えば、構造体に形成した弁体部を、静電引力を利用して駆動する静電型アクチュエータが一体化されたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種のマイクロバルブは、例えば、図６に示すように、流体の流入口１１’および流出口１２’が厚み方向に貫設された弁座基板１０’と、弁座基板１０’の一表面側に固着されるフレーム部２１’およびフレーム部２１’の内側に配置され流出口１２’を開閉する弁体部２４’を有し弁体部２４’における弁座基板１０’とは反対側に駆動用可動電極２５’が形成された弁体形成基板２０’と、弁体形成基板２０’との間に弁体部２４’の変位を可能とする弁体部変位空間５５’を形成する形で弁座基板１０’とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極２５’に対向する駆動用固定電極３５’が形成された固定電極形成基板３０’とを備えている。また、弁体形成基板２０’は、フレーム部２１’の内側に、フレーム部２１’と連続し弁座基板１０’との間に流入口１１’に連通する流入口２次側空間４１’を形成する第１のダイヤフラム部２２’およびフレーム部２１’と連続するとともに弁体部２４’が連続一体に設けられ弁座基板１０’との間に流出口１２’に連通する流出口１次側空間４２’を形成する第２のダイヤフラム部２３’が配置されている。
【０００４】
上述の図６に示した構成のマイクロバルブは、駆動用可動電極２５’に電気的に接続されたパッドＰ１’と駆動用固定電極３５’に電気的に接続されたパッド（図示せず）との間に電圧を印加したときに駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に発生する静電力によって流出口１２’を開放する向きに弁体部２４’を変位させるようになっている。すなわち、上述のマイクロバルブは、駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に電圧を印加していない状態では、図６に示すように弁体部２４’により流出口１２’が閉止されている。これに対して、駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に駆動電圧源から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２４’が流出口１２’から離れる向きに変位して流出口１２’が開放され、流入口１１’を通して第１のダイヤフラム部２２’と弁座基板１０’との間の空間へ導入された流体が流出口１２’を通って流出することとなる。
【０００５】
また、上述のマイクロバルブでは、駆動電圧源から駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に電圧パルスを周期的に印加するようにし、デューティ比（１周期の時間に対する電圧パルスのパルス幅の割合）を制御回路で制御することにより、流体の流量を任意の流量に制御することができる。
【特許文献１】特開２００４−１７６８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した構成のマイクロバルブにおいて、上述のデューティ比を制御するためには、流体の流量を検出する流量センサを当該マイクロバルブとは別途に設けて、流量センサの出力を制御回路へフィードバックしなければ、高精度な流量制御ができなかった。要するに、上述のマイクロバルブを用いて高精度な流量制御を行うためには、別途に流量センサを用意する必要があり、コストが高くなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで高精度な流量制御を可能とするマイクロバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設された弁座基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され流出口を開閉する弁体部を有し弁体部における弁座基板とは反対側に駆動用可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする弁体部変位空間を形成する形で弁座基板とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極に対向する駆動用固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、弁体形成基板は、フレーム部の内側に、フレーム部と連続し弁座基板との間に流入口に連通する流入口２次側空間を形成する第１のダイヤフラム部およびフレーム部と連続するとともに前記弁体部が連続一体に設けられ弁座基板との間に流出口に連通する流出口１次側空間を形成する第２のダイヤフラム部が配置され、第１のダイヤフラム部に流量検出用可動電極が形成され、固定電極形成基板は、弁体形成基板との間に第１のダイヤフラム部の変位を可能とする基準圧力空間を前記弁体部変位空間とともに形成する形で弁体形成基板に固着され、且つ、流量検出用可動電極に対向する流量検出用固定電極が形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、流入口の２次側の圧力と基準圧力空間の圧力との圧力差分に応じて第１のダイヤフラム部が変位して流量検出用可動電極と流量検出用固定電極との距離が変化し流量検出用可動電極および流量検出用固定電極を含むコンデンサの静電容量が変化するので、例えば基準圧力空間の圧力を流出口の２次側の圧力と等しくすれば、別途に流量センサを用意することなく流体の流量を高精度に検出することが可能となり、しかも、流量検出用可動電極を駆動用可動電極と同時に形成することが可能であるとともに、流量検出用固定電極を駆動用固定電極と同時に形成することが可能なので、製造が容易で低コスト化を図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記基準圧力空間の圧力が、前記流出口の２次側の圧力に等しい圧力に設定されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力を一定として使用する場合、前記基準圧力空間と前記流出口の２次側とを連通させるための構造を設けることなく、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、当該構造を設ける場合に比べて小型化を図れるとともに製造が容易になる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記固定電極形成基板に前記基準圧力空間と連通する圧力導入口が厚み方向に貫設され、前記流出口の２次側の圧力を前記基準圧力空間へ伝達して前記基準圧力空間の圧力と前記流出口の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記弁座基板は、前記流出口の圧力を前記基準圧力空間へ伝達する経路の一部を構成する圧力導入口が厚み方向に貫設され、流体排出用の配管を接続する接続管が、前記弁体形成基板側とは反対側で前記流出口と圧力導入口とに跨る形で固着され、前記弁体形成基板は、当該圧力導入口と前記基準圧力空間とを連通させる圧力導入用貫通孔が厚み方向に貫設されてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、低コストで高精度な流量制御を可能とすることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施形態１）
以下、本実施形態のマイクロバルブについて図１および図２を参照しながら説明する。なお、本実施形態のマイクロバルブは、例えば、小型の燃料電池や燃料改質器への液体燃料（例えば、メタノール、純水、メタノール水溶液など）の供給路上に設けて使用することができるが、他の用途への使用も可能である。 本実施形態のマイクロバルブは、流体（例えば、液体燃料）の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１（ａ）における上面）側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座基板１０と、弁座基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム部２１およびフレーム部２１の内側に配置され流出口１２を開閉する弁体部２４を有し弁体部２４における弁座基板１０側とは反対側に駆動用可動電極２５が形成された弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０との間に弁体部２４の変位を可能とする弁体部変位空間５５を形成する形で弁座基板１０とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極２５に対向する駆動用固定電極３５が形成された固定電極形成基板３０とを備えている。
【００１８】
ここにおいて、弁体形成基板２０は、フレーム部２１の内側に、フレーム部２１と連続し弁座基板１０との間に流入口１１に連通する流入口２次側空間４１を形成する第１のダイヤフラム部２２およびフレーム部２１と連続するとともに弁体部２４が連続一体に設けられ弁座基板１０との間に流出口１２に連通する流出口１次側空間４２を形成する第２のダイヤフラム部２３が配置されている。
【００１９】
なお、本実施形態のマイクロバルブは、弁体形成基板２０が半導体基板（本実施形態では、低不純物濃度のｐ形のシリコン基板）を用いて形成されるとともに、弁座基板１０がパイレックス（登録商標）からなる第１のガラス基板を用いて形成され、固定電極形成基板３０がパイレックス（登録商標）からなる第２のガラス基板を用いて形成されており、弁体形成基板２０と弁座基板１０とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とが陽極接合により固着されている。
【００２０】
ここにおいて、弁体形成基板２０に形成された駆動用可動電極２５は、高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）により構成され、固定電極形成基板３０に形成された駆動用固定電極３５は、金属膜（例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜）により構成されている。なお、駆動用固定電極３５を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。
【００２１】
ここで、駆動用可動電極２５および駆動用固定電極３５は、固定電極形成基板３０に形成されたパッドＰ１，Ｐ２と金属配線３６，３８を介して電気的に接続されている。したがって、駆動用可動電極２５に電気的に接続されたパッドＰ１と駆動用固定電極３５に電気的に接続されたパッドＰ２との間に電圧を印加したときに駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に発生する静電力によって流出口１２を開放する向きに弁体部２４を変位させるようになっている。すなわち、本実施形態のマイクロバルブの基本的な動作原理は図６に示した従来例と同じであり、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に電圧を印加していない状態では、図１（ａ）のように弁体部２４により流出口１２が閉止されている。これに対して、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に駆動電圧源から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２４が流出口１２から離れる向きに変位して図１（ｂ）のように流出口１２が開放される。要するに、本実施形態のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。なお、弁体形成基板２０における駆動用可動電極２５上には、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との接触を禁止して駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との導通を防止する絶縁膜からなるストッパ２９が設けられている。
【００２２】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２が弁体部２４により閉止された状態において、流入口１１を通して弁座基板１０と第２のダイヤフラム部２３との間の流出口１次側空間４２に流れ込んだ流体の圧力により弁体部２４が浮き上がって流出口１２が開放されるのを防止するために、弁体部変位空間５５には、例えば、不活性ガスや空気などの気体が所定圧力で封入されている。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブは、固定電極形成基板３０が弁体形成基板２０との間に第１のダイヤフラム部２２の変位を可能とする基準圧力空間５２を弁体部変位空間５５とともに形成する形で弁体形成基板２０に固着されており、弁体部変位空間５５と基準圧力空間５２とが連通している。
【００２３】
したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に電圧を印加していない状態（つまり、弁体部２４を変位させていない状態）で流入口１１を通して弁座基板１０と第１のダイヤフラム部２２との間の流入口２次側空間４１へ流入した流体の圧力を受けて、第１のダイヤフラム部２２が撓む（固定電極形成基板３０側へ凸となる形で変形する）ことによって弁体部２４が流出口１２を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
【００２４】
以下、弁座基板１０、弁体形成基板２０、固定電極形成基板３０それぞれについて詳述する。
【００２５】
弁座基板１０の外周形状は矩形状であり、弁座基板１０の上記一表面には、流入口１１と流出口１２との間において流体の流路となる流路用凹部１５が流入口１１および流出口１２を囲むように形成されており、流入口２次側空間４１と流出口１次側空間４２とが連通するようになっている。ここで、流入口１１および流出口１２の開口形状は円形状とし、流路用凹部１５の内周形状は矩形状としてある。また、弁座基板１０における流出口１２の周部には、上述の弁座１３が流路用凹部１５の内底面よりも突出する形で連続一体に形成されており、弁座１３の表面には、弁体形成基板２０のフレーム部２１と弁座基板１０とを陽極接合により固着する際に、弁体部２４と弁座１３とが接合されるのを防止する金属薄膜（例えば、クロム薄膜）からなる接合防止膜１４が形成されている。
【００２６】
弁体形成基板２０の外周形状は、弁座基板１０と同じ外形サイズの矩形状としてある。弁体形成基板２０は、上述の半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工することで形成してあり、具体的には、リソグラフィ技術、エッチング技術などを利用してあり、弁体部２４が第２のダイヤフラム部２３を介してフレーム部２１に支持されている。ここで、弁体部２４は、弁座１３に近づくにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されている。
【００２７】
また、弁体形成基板２０は、弁座基板１０側とは反対の一表面側に高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）２０４が形成されており、当該不純物拡散層２０４のうち弁体部２４に形成された部位が駆動用可動電極２５を構成し、第１のダイヤフラム部２２の全体に亘って形成されている部位が流量検出用可動電極２８を構成している（第１のダイヤフラム部２２が流量検出用可動電極２８を兼ねている）。したがって、駆動用可動電極２５と流量検出用可動電極２８とは同時に形成されており、同電位となる。ここにおいて、駆動用可動電極２５および流量検出用可動電極２８は、固定電極形成基板３０に形成されている上述の金属配線３６を介してパッドＰ１と電気的に接続されている。また、各ダイヤフラム部２２，２３は、コルゲート板状に形成されており、固定電極形成基板３０との対向面側にそれぞれ複数の環状の凹溝２２ａ，２３ａが同心的に形成されている。なお、本実施形態では、各ダイヤフラム部２２，２３をコルゲート板状とすることで各ダイヤフラム部２２，２３それぞれが平板状である場合に比べて、より小さな圧力で各ダイヤフラム部２２，２３が撓みやすくなるようにしてあるが、平板状であっても設計を最適化することによって同様に撓みやすくすることができる。
【００２８】
固定電極形成基板３０の外周形状は、矩形状に形成されているが、弁体形成基板２０に固着した状態において上述の各パッドＰ１，Ｐ２および後述の流量検出用固定電極３２に金属配線３７を介して電気的に接続されたパッドＰ３が露出するように、長辺の寸法（図２（ａ）における左右方向の寸法）が弁体形成基板２０の長辺の寸法（図２（ｂ）における左右方向の寸法）よりも長く設定されている。
【００２９】
ここにおいて、固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との対向面に、上述の基準圧力空間５２を形成するための第１の空間形成用凹部３０ａと、上述の弁体部変位空間５５を形成するための第２の空間形成用凹部３０ｂとが形成されており、第１の空間形成用凹部３０ａの内底面に、流量検出用固定電極３２が形成され、第２の空間形成用凹部３０ｂの内底面よりも突出した部位の表面に駆動用固定電極３５が形成されている。したがって、固定電極形成基板３０を弁体形成基板２０に固着した状態においては、流量検出用固定電極３２が流量検出用可動電極２８に対向するとともに、駆動用固定電極３５が駆動用可動電極２５に対向するようになっている。ここで、流量検出用固定電極３２と駆動用固定電極３５とは同じ金属材料を採用するとともに膜厚を同じ値に設定してあり、同時に形成してある。なお、各空間形成用凹部３０ａ，３０ｂは円形状に開口されており、流量検出用固定電極３２および駆動用固定電極３５は円形状に形成されている。
【００３０】
また、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面には、各空間形成用凹部３０ａ，３０ｂの他に、両空間形成用凹部３０ａ，３０ｂを連通させる連通用凹部３０ｃと、第２の空間形成用凹部３０ｂに連続して形成される溝であって駆動用固定電極３５に接続された金属配線３８および流量検出用固定電極３２に接続された金属配線３７が内底面に設けられる配線形成用溝３０ｄとが形成されており、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とを固着した状態において配線形成用溝３９ｄにより形成される通気路は、樹脂（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）からなる封止部（図示せず）により封止される。したがって、上述の基準圧力空間５２と弁体部変位空間５５とは同じ圧力になる。
【００３１】
本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量をＱ、流出口１２の１次側（入口側）の圧力をＰin、流出口１２の２次側（出口側）の圧力をＰoutとすると、流出口１２の前後の圧力差と流量との関係は、マイクロバルブの流路構造で決まる比例定数をＣＶとすれば、下記数１で表される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
また、第１のダイヤフラム部２２全体により構成される流量検出用可動電極２８の面積をＳ、流量検出用可動電極２８の剛性をｋ、流体の圧力による流量検出用可動電極２８の変位量をｘとし、基準圧力空間５２の圧力がＰｂで一定であるとすると、流量検出用可動電極２８にかかる圧力と剛性との関係は下記数２で表される。
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２との間の初期間隙（流入口１１を通して流入口２次側空間４１へ流体が導入されていない状態での間隙）をｄ、流体の圧力による流量検出用可動電極２８の変位量をｘ、基準圧力空間５２中の媒質の誘電率をε、流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２とで構成されるコンデンサの静電容量をＣとすれば、静電容量Ｃは下記数３で表される。
【００３６】
【数３】
【００３７】
上述の数１〜３から、流量Ｑは下記数４で表すことができる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
上記数４から分かるように、上記コンデンサの静電容量Ｃを用いて流体Ｑの流量を求めることができる。
【００４０】
上述の数２および数４は、基準圧力空間５２の圧力をＰｂと仮定したときの数式であるが、本実施形態のマイクロバルブは流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであり、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力Ｐoutに等しい圧力に設定してあるので、流量検出用可動電極２８にかかる圧力と剛性との関係は下記数５で表される。
【００４１】
【数５】
【００４２】
上述の数１、数３、数５から、流量Ｑは下記数６で表すことができる。
【００４３】
【数６】
【００４４】
しかして、本実施形態のマイクロバルブは、流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであって、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と同じ圧力に設定してあり、流入口１１の２次側の圧力（流入口２次側空間４１の圧力）と基準圧力空間５２の圧力との圧力差分に応じて第１のダイヤフラム部２２が変位して流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２との距離が変化し流量検出用可動電極２８および流量検出用固定電極３２を含むコンデンサの静電容量Ｃが変化するので、別途に流量センサを用意することなく流体の流量Ｑを高精度に検出することが可能となり、しかも、流量検出用可動電極２８を駆動用可動電極２５と同時に形成することが可能であるとともに、流量検出用固定電極３２を駆動用固定電極３５と同時に形成することが可能なので、製造が容易で低コスト化を図れる。なお、本実施形態では、流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであり、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力Ｐoutに等しい圧力に設定してあが、基準圧力空間５２の圧力Ｐｂが一定であれば、上述の数４から流量Ｑを求めることができる。
【００４５】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、基準圧力空間５２の圧力が流出口１２の２次側の圧力に設定されているので、基準圧力空間５２と流出口１２の２次側とを連通させるための構造を設ける必要がなく、当該構造を設ける場合に比べて小型化を図れるとともに製造が容易になる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、固定電極形成基板３０に、基準圧力空間５２と連通する圧力導入口３３が厚み方向に貫設されており、流出口１２の２次側の圧力を基準圧力空間５２へ伝達して基準圧力空間５２の圧力と流出口１２の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。ここで、図３中の矢印は流体の流れる方向を示している。
【００４７】
本実施形態のマイクロバルブでは、弁座基板１０における弁体形成基板２０側とは反対側で流入口１１の周部に、流体供給用の配管９１を接続する接続管８１が固着され、流出口１２の周部に、流体排出用の配管９２を接続する接続管８２が固着されている。また、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０側とは反対側で圧力導入口３３の周部に、配管９２から分岐された圧力分配管９３を接続する接続管８３が固着されている。なお、本実施形態では、圧力分配管９３と接続管８３とで圧力伝達路を構成している。
【００４８】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【００４９】
（実施形態３）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４および図５に示すように、弁座基板１０および弁体形成基板２０に相違点がある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態における弁座基板１０は、流出口１２の圧力を基準圧力空間５２へ伝達する経路の一部となる圧力導入口１６が厚み方向に貫設され、弁体形成基板２０側とは反対側で流入口１１の周部に、流体供給用の配管９１（実施形態２にて説明した図３参照）を接続する接続管８１が固着され、流体排出用の配管９２（実施形態２にて説明した図３参照）を接続する接続管８２が流出口１２と圧力導入口１６とに跨る形で固着されている。
【００５１】
また、本実施形態における弁体形成基板２０は、圧力導入口１６と基準圧力空間５２とを連通させる圧力導入用貫通孔２６が厚み方向に貫設されている。
【００５２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。また、実施形態２のように配管９２から圧力分配管９３を分岐させて引き回す必要がないので、実施形態２に比べて、小型化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は動作説明図である。
【図２】同上を示し、（ａ）は固定電極形成基板の概略下面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座基板の概略平面図である。
【図３】実施形態２を示す概略断面図である。
【図４】実施形態３を示す概略断面図である。
【図５】同上を示し、（ａ）は固定電極形成基板の概略下面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座基板の概略平面図である。
【図６】従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 弁座基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 弁座
１５ 流路用凹部
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム部
２２ 第１のダイヤフラム部
２３ 第２のダイヤフラム部
２４ 弁体部
２５ 駆動用可動電極
２８ 流量検出用可動電極
３０ 固定電極形成基板
３２ 流量検出用固定電極
３５ 駆動用固定電極
４１ 流入口２次側空間
４２ 流出口１次側空間
５２ 基準圧力空間
５５ 弁体部変位空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御するマイクロバルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療用のエレクトロニクス分野などにおいて、微量な流体の流れを制御するデバイスとして、シリコン基板のような半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成した構造体を用いたマイクロバルブが各所で研究開発されており、例えば、構造体に形成した弁体部を、静電引力を利用して駆動する静電型アクチュエータが一体化されたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種のマイクロバルブは、例えば、図６に示すように、流体の流入口１１’および流出口１２’が厚み方向に貫設された弁座基板１０’と、弁座基板１０’の一表面側に固着されるフレーム部２１’およびフレーム部２１’の内側に配置され流出口１２’を開閉する弁体部２４’を有し弁体部２４’における弁座基板１０’とは反対側に駆動用可動電極２５’が形成された弁体形成基板２０’と、弁体形成基板２０’との間に弁体部２４’の変位を可能とする弁体部変位空間５５’を形成する形で弁座基板１０’とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極２５’に対向する駆動用固定電極３５’が形成された固定電極形成基板３０’とを備えている。また、弁体形成基板２０’は、フレーム部２１’の内側に、フレーム部２１’と連続し弁座基板１０’との間に流入口１１’に連通する流入口２次側空間４１’を形成する第１のダイヤフラム部２２’およびフレーム部２１’と連続するとともに弁体部２４’が連続一体に設けられ弁座基板１０’との間に流出口１２’に連通する流出口１次側空間４２’を形成する第２のダイヤフラム部２３’が配置されている。
【０００４】
上述の図６に示した構成のマイクロバルブは、駆動用可動電極２５’に電気的に接続されたパッドＰ１’と駆動用固定電極３５’に電気的に接続されたパッド（図示せず）との間に電圧を印加したときに駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に発生する静電力によって流出口１２’を開放する向きに弁体部２４’を変位させるようになっている。すなわち、上述のマイクロバルブは、駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に電圧を印加していない状態では、図６に示すように弁体部２４’により流出口１２’が閉止されている。これに対して、駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に駆動電圧源から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２４’が流出口１２’から離れる向きに変位して流出口１２’が開放され、流入口１１’を通して第１のダイヤフラム部２２’と弁座基板１０’との間の空間へ導入された流体が流出口１２’を通って流出することとなる。
【０００５】
また、上述のマイクロバルブでは、駆動電圧源から駆動用可動電極２５’と駆動用固定電極３５’との間に電圧パルスを周期的に印加するようにし、デューティ比（１周期の時間に対する電圧パルスのパルス幅の割合）を制御回路で制御することにより、流体の流量を任意の流量に制御することができる。
【特許文献１】特開２００４−１７６８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した構成のマイクロバルブにおいて、上述のデューティ比を制御するためには、流体の流量を検出する流量センサを当該マイクロバルブとは別途に設けて、流量センサの出力を制御回路へフィードバックしなければ、高精度な流量制御ができなかった。要するに、上述のマイクロバルブを用いて高精度な流量制御を行うためには、別途に流量センサを用意する必要があり、コストが高くなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで高精度な流量制御を可能とするマイクロバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設された弁座基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され流出口を開閉する弁体部を有し弁体部における弁座基板とは反対側に駆動用可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする弁体部変位空間を形成する形で弁座基板とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極に対向する駆動用固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、弁体形成基板は、フレーム部の内側に、フレーム部と連続し弁座基板との間に流入口に連通する流入口２次側空間を形成する第１のダイヤフラム部およびフレーム部と連続するとともに前記弁体部が連続一体に設けられ弁座基板との間に流出口に連通する流出口１次側空間を形成する第２のダイヤフラム部が配置され、第１のダイヤフラム部に流量検出用可動電極が形成され、固定電極形成基板は、弁体形成基板との間に第１のダイヤフラム部の変位を可能とする基準圧力空間を前記弁体部変位空間とともに形成する形で弁体形成基板に固着され、且つ、流量検出用可動電極に対向する流量検出用固定電極が形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、流入口の２次側の圧力と基準圧力空間の圧力との圧力差分に応じて第１のダイヤフラム部が変位して流量検出用可動電極と流量検出用固定電極との距離が変化し流量検出用可動電極および流量検出用固定電極を含むコンデンサの静電容量が変化するので、例えば基準圧力空間の圧力を流出口の２次側の圧力と等しくすれば、別途に流量センサを用意することなく流体の流量を高精度に検出することが可能となり、しかも、流量検出用可動電極を駆動用可動電極と同時に形成することが可能であるとともに、流量検出用固定電極を駆動用固定電極と同時に形成することが可能なので、製造が容易で低コスト化を図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記基準圧力空間の圧力が、前記流出口の２次側の圧力に等しい圧力に設定されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力を一定として使用する場合、前記基準圧力空間と前記流出口の２次側とを連通させるための構造を設けることなく、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、当該構造を設ける場合に比べて小型化を図れるとともに製造が容易になる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記固定電極形成基板に前記基準圧力空間と連通する圧力導入口が厚み方向に貫設され、前記流出口の２次側の圧力を前記基準圧力空間へ伝達して前記基準圧力空間の圧力と前記流出口の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記弁座基板は、前記流出口の圧力を前記基準圧力空間へ伝達する経路の一部を構成する圧力導入口が厚み方向に貫設され、流体排出用の配管を接続する接続管が、前記弁体形成基板側とは反対側で前記流出口と圧力導入口とに跨る形で固着され、前記弁体形成基板は、当該圧力導入口と前記基準圧力空間とを連通させる圧力導入用貫通孔が厚み方向に貫設されてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記流出口の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、前記基準圧力空間の圧力を前記流出口の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、低コストで高精度な流量制御を可能とすることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施形態１）
以下、本実施形態のマイクロバルブについて図１および図２を参照しながら説明する。なお、本実施形態のマイクロバルブは、例えば、小型の燃料電池や燃料改質器への液体燃料（例えば、メタノール、純水、メタノール水溶液など）の供給路上に設けて使用することができるが、他の用途への使用も可能である。 本実施形態のマイクロバルブは、流体（例えば、液体燃料）の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１（ａ）における上面）側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座基板１０と、弁座基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム部２１およびフレーム部２１の内側に配置され流出口１２を開閉する弁体部２４を有し弁体部２４における弁座基板１０側とは反対側に駆動用可動電極２５が形成された弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０との間に弁体部２４の変位を可能とする弁体部変位空間５５を形成する形で弁座基板１０とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極２５に対向する駆動用固定電極３５が形成された固定電極形成基板３０とを備えている。
【００１８】
ここにおいて、弁体形成基板２０は、フレーム部２１の内側に、フレーム部２１と連続し弁座基板１０との間に流入口１１に連通する流入口２次側空間４１を形成する第１のダイヤフラム部２２およびフレーム部２１と連続するとともに弁体部２４が連続一体に設けられ弁座基板１０との間に流出口１２に連通する流出口１次側空間４２を形成する第２のダイヤフラム部２３が配置されている。
【００１９】
なお、本実施形態のマイクロバルブは、弁体形成基板２０が半導体基板（本実施形態では、低不純物濃度のｐ形のシリコン基板）を用いて形成されるとともに、弁座基板１０がパイレックス（登録商標）からなる第１のガラス基板を用いて形成され、固定電極形成基板３０がパイレックス（登録商標）からなる第２のガラス基板を用いて形成されており、弁体形成基板２０と弁座基板１０とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とが陽極接合により固着されている。
【００２０】
ここにおいて、弁体形成基板２０に形成された駆動用可動電極２５は、高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）により構成され、固定電極形成基板３０に形成された駆動用固定電極３５は、金属膜（例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜）により構成されている。なお、駆動用固定電極３５を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。
【００２１】
ここで、駆動用可動電極２５および駆動用固定電極３５は、固定電極形成基板３０に形成されたパッドＰ１，Ｐ２と金属配線３６，３８を介して電気的に接続されている。したがって、駆動用可動電極２５に電気的に接続されたパッドＰ１と駆動用固定電極３５に電気的に接続されたパッドＰ２との間に電圧を印加したときに駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に発生する静電力によって流出口１２を開放する向きに弁体部２４を変位させるようになっている。すなわち、本実施形態のマイクロバルブの基本的な動作原理は図６に示した従来例と同じであり、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に電圧を印加していない状態では、図１（ａ）のように弁体部２４により流出口１２が閉止されている。これに対して、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に駆動電圧源から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２４が流出口１２から離れる向きに変位して図１（ｂ）のように流出口１２が開放される。要するに、本実施形態のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。なお、弁体形成基板２０における駆動用可動電極２５上には、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との接触を禁止して駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との導通を防止する絶縁膜からなるストッパ２９が設けられている。
【００２２】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２が弁体部２４により閉止された状態において、流入口１１を通して弁座基板１０と第２のダイヤフラム部２３との間の流出口１次側空間４２に流れ込んだ流体の圧力により弁体部２４が浮き上がって流出口１２が開放されるのを防止するために、弁体部変位空間５５には、例えば、不活性ガスや空気などの気体が所定圧力で封入されている。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブは、固定電極形成基板３０が弁体形成基板２０との間に第１のダイヤフラム部２２の変位を可能とする基準圧力空間５２を弁体部変位空間５５とともに形成する形で弁体形成基板２０に固着されており、弁体部変位空間５５と基準圧力空間５２とが連通している。
【００２３】
したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動用可動電極２５と駆動用固定電極３５との間に電圧を印加していない状態（つまり、弁体部２４を変位させていない状態）で流入口１１を通して弁座基板１０と第１のダイヤフラム部２２との間の流入口２次側空間４１へ流入した流体の圧力を受けて、第１のダイヤフラム部２２が撓む（固定電極形成基板３０側へ凸となる形で変形する）ことによって弁体部２４が流出口１２を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
【００２４】
以下、弁座基板１０、弁体形成基板２０、固定電極形成基板３０それぞれについて詳述する。
【００２５】
弁座基板１０の外周形状は矩形状であり、弁座基板１０の上記一表面には、流入口１１と流出口１２との間において流体の流路となる流路用凹部１５が流入口１１および流出口１２を囲むように形成されており、流入口２次側空間４１と流出口１次側空間４２とが連通するようになっている。ここで、流入口１１および流出口１２の開口形状は円形状とし、流路用凹部１５の内周形状は矩形状としてある。また、弁座基板１０における流出口１２の周部には、上述の弁座１３が流路用凹部１５の内底面よりも突出する形で連続一体に形成されており、弁座１３の表面には、弁体形成基板２０のフレーム部２１と弁座基板１０とを陽極接合により固着する際に、弁体部２４と弁座１３とが接合されるのを防止する金属薄膜（例えば、クロム薄膜）からなる接合防止膜１４が形成されている。
【００２６】
弁体形成基板２０の外周形状は、弁座基板１０と同じ外形サイズの矩形状としてある。弁体形成基板２０は、上述の半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工することで形成してあり、具体的には、リソグラフィ技術、エッチング技術などを利用してあり、弁体部２４が第２のダイヤフラム部２３を介してフレーム部２１に支持されている。ここで、弁体部２４は、弁座１３に近づくにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されている。
【００２７】
また、弁体形成基板２０は、弁座基板１０側とは反対の一表面側に高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）２０４が形成されており、当該不純物拡散層２０４のうち弁体部２４に形成された部位が駆動用可動電極２５を構成し、第１のダイヤフラム部２２の全体に亘って形成されている部位が流量検出用可動電極２８を構成している（第１のダイヤフラム部２２が流量検出用可動電極２８を兼ねている）。したがって、駆動用可動電極２５と流量検出用可動電極２８とは同時に形成されており、同電位となる。ここにおいて、駆動用可動電極２５および流量検出用可動電極２８は、固定電極形成基板３０に形成されている上述の金属配線３６を介してパッドＰ１と電気的に接続されている。また、各ダイヤフラム部２２，２３は、コルゲート板状に形成されており、固定電極形成基板３０との対向面側にそれぞれ複数の環状の凹溝２２ａ，２３ａが同心的に形成されている。なお、本実施形態では、各ダイヤフラム部２２，２３をコルゲート板状とすることで各ダイヤフラム部２２，２３それぞれが平板状である場合に比べて、より小さな圧力で各ダイヤフラム部２２，２３が撓みやすくなるようにしてあるが、平板状であっても設計を最適化することによって同様に撓みやすくすることができる。
【００２８】
固定電極形成基板３０の外周形状は、矩形状に形成されているが、弁体形成基板２０に固着した状態において上述の各パッドＰ１，Ｐ２および後述の流量検出用固定電極３２に金属配線３７を介して電気的に接続されたパッドＰ３が露出するように、長辺の寸法（図２（ａ）における左右方向の寸法）が弁体形成基板２０の長辺の寸法（図２（ｂ）における左右方向の寸法）よりも長く設定されている。
【００２９】
ここにおいて、固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との対向面に、上述の基準圧力空間５２を形成するための第１の空間形成用凹部３０ａと、上述の弁体部変位空間５５を形成するための第２の空間形成用凹部３０ｂとが形成されており、第１の空間形成用凹部３０ａの内底面に、流量検出用固定電極３２が形成され、第２の空間形成用凹部３０ｂの内底面よりも突出した部位の表面に駆動用固定電極３５が形成されている。したがって、固定電極形成基板３０を弁体形成基板２０に固着した状態においては、流量検出用固定電極３２が流量検出用可動電極２８に対向するとともに、駆動用固定電極３５が駆動用可動電極２５に対向するようになっている。ここで、流量検出用固定電極３２と駆動用固定電極３５とは同じ金属材料を採用するとともに膜厚を同じ値に設定してあり、同時に形成してある。なお、各空間形成用凹部３０ａ，３０ｂは円形状に開口されており、流量検出用固定電極３２および駆動用固定電極３５は円形状に形成されている。
【００３０】
また、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面には、各空間形成用凹部３０ａ，３０ｂの他に、両空間形成用凹部３０ａ，３０ｂを連通させる連通用凹部３０ｃと、第２の空間形成用凹部３０ｂに連続して形成される溝であって駆動用固定電極３５に接続された金属配線３８および流量検出用固定電極３２に接続された金属配線３７が内底面に設けられる配線形成用溝３０ｄとが形成されており、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とを固着した状態において配線形成用溝３９ｄにより形成される通気路は、樹脂（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）からなる封止部（図示せず）により封止される。したがって、上述の基準圧力空間５２と弁体部変位空間５５とは同じ圧力になる。
【００３１】
本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量をＱ、流出口１２の１次側（入口側）の圧力をＰin、流出口１２の２次側（出口側）の圧力をＰoutとすると、流出口１２の前後の圧力差と流量との関係は、マイクロバルブの流路構造で決まる比例定数をＣＶとすれば、下記数１で表される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
また、第１のダイヤフラム部２２全体により構成される流量検出用可動電極２８の面積をＳ、流量検出用可動電極２８の剛性をｋ、流体の圧力による流量検出用可動電極２８の変位量をｘとし、基準圧力空間５２の圧力がＰｂで一定であるとすると、流量検出用可動電極２８にかかる圧力と剛性との関係は下記数２で表される。
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２との間の初期間隙（流入口１１を通して流入口２次側空間４１へ流体が導入されていない状態での間隙）をｄ、流体の圧力による流量検出用可動電極２８の変位量をｘ、基準圧力空間５２中の媒質の誘電率をε、流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２とで構成されるコンデンサの静電容量をＣとすれば、静電容量Ｃは下記数３で表される。
【００３６】
【数３】
【００３７】
上述の数１〜３から、流量Ｑは下記数４で表すことができる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
上記数４から分かるように、上記コンデンサの静電容量Ｃを用いて流体Ｑの流量を求めることができる。
【００４０】
上述の数２および数４は、基準圧力空間５２の圧力をＰｂと仮定したときの数式であるが、本実施形態のマイクロバルブは流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであり、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力Ｐoutに等しい圧力に設定してあるので、流量検出用可動電極２８にかかる圧力と剛性との関係は下記数５で表される。
【００４１】
【数５】
【００４２】
上述の数１、数３、数５から、流量Ｑは下記数６で表すことができる。
【００４３】
【数６】
【００４４】
しかして、本実施形態のマイクロバルブは、流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであって、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と同じ圧力に設定してあり、流入口１１の２次側の圧力（流入口２次側空間４１の圧力）と基準圧力空間５２の圧力との圧力差分に応じて第１のダイヤフラム部２２が変位して流量検出用可動電極２８と流量検出用固定電極３２との距離が変化し流量検出用可動電極２８および流量検出用固定電極３２を含むコンデンサの静電容量Ｃが変化するので、別途に流量センサを用意することなく流体の流量Ｑを高精度に検出することが可能となり、しかも、流量検出用可動電極２８を駆動用可動電極２５と同時に形成することが可能であるとともに、流量検出用固定電極３２を駆動用固定電極３５と同時に形成することが可能なので、製造が容易で低コスト化を図れる。なお、本実施形態では、流出口１２の２次側の圧力を一定として使用するものであり、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力Ｐoutに等しい圧力に設定してあが、基準圧力空間５２の圧力Ｐｂが一定であれば、上述の数４から流量Ｑを求めることができる。
【００４５】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、基準圧力空間５２の圧力が流出口１２の２次側の圧力に設定されているので、基準圧力空間５２と流出口１２の２次側とを連通させるための構造を設ける必要がなく、当該構造を設ける場合に比べて小型化を図れるとともに製造が容易になる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、固定電極形成基板３０に、基準圧力空間５２と連通する圧力導入口３３が厚み方向に貫設されており、流出口１２の２次側の圧力を基準圧力空間５２へ伝達して基準圧力空間５２の圧力と流出口１２の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。ここで、図３中の矢印は流体の流れる方向を示している。
【００４７】
本実施形態のマイクロバルブでは、弁座基板１０における弁体形成基板２０側とは反対側で流入口１１の周部に、流体供給用の配管９１を接続する接続管８１が固着され、流出口１２の周部に、流体排出用の配管９２を接続する接続管８２が固着されている。また、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０側とは反対側で圧力導入口３３の周部に、配管９２から分岐された圧力分配管９３を接続する接続管８３が固着されている。なお、本実施形態では、圧力分配管９３と接続管８３とで圧力伝達路を構成している。
【００４８】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。
【００４９】
（実施形態３）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４および図５に示すように、弁座基板１０および弁体形成基板２０に相違点がある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態における弁座基板１０は、流出口１２の圧力を基準圧力空間５２へ伝達する経路の一部となる圧力導入口１６が厚み方向に貫設され、弁体形成基板２０側とは反対側で流入口１１の周部に、流体供給用の配管９１（実施形態２にて説明した図３参照）を接続する接続管８１が固着され、流体排出用の配管９２（実施形態２にて説明した図３参照）を接続する接続管８２が流出口１２と圧力導入口１６とに跨る形で固着されている。
【００５１】
また、本実施形態における弁体形成基板２０は、圧力導入口１６と基準圧力空間５２とを連通させる圧力導入用貫通孔２６が厚み方向に貫設されている。
【００５２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２の２次側の圧力が一定でなく変動するような場合でも、基準圧力空間５２の圧力を流出口１２の２次側の圧力と略等しくすることができ、流体の流量を高精度に検出することが可能となる。また、実施形態２のように配管９２から圧力分配管９３を分岐させて引き回す必要がないので、実施形態２に比べて、小型化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は動作説明図である。
【図２】同上を示し、（ａ）は固定電極形成基板の概略下面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座基板の概略平面図である。
【図３】実施形態２を示す概略断面図である。
【図４】実施形態３を示す概略断面図である。
【図５】同上を示し、（ａ）は固定電極形成基板の概略下面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座基板の概略平面図である。
【図６】従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 弁座基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 弁座
１５ 流路用凹部
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム部
２２ 第１のダイヤフラム部
２３ 第２のダイヤフラム部
２４ 弁体部
２５ 駆動用可動電極
２８ 流量検出用可動電極
３０ 固定電極形成基板
３２ 流量検出用固定電極
３５ 駆動用固定電極
４１ 流入口２次側空間
４２ 流出口１次側空間
５２ 基準圧力空間
５５ 弁体部変位空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設された弁座基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され流出口を開閉する弁体部を有し弁体部における弁座基板とは反対側に駆動用可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする弁体部変位空間を形成する形で弁座基板とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極に対向する駆動用固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、弁体形成基板は、フレーム部の内側に、フレーム部と連続し弁座基板との間に流入口に連通する流入口２次側空間を形成する第１のダイヤフラム部およびフレーム部と連続するとともに前記弁体部が連続一体に設けられ弁座基板との間に流出口に連通する流出口１次側空間を形成する第２のダイヤフラム部が配置され、第１のダイヤフラム部に流量検出用可動電極が形成され、固定電極形成基板は、弁体形成基板との間に第１のダイヤフラム部の変位を可能とする基準圧力空間を前記弁体部変位空間とともに形成する形で弁体形成基板に固着され、且つ、流量検出用可動電極に対向する流量検出用固定電極が形成されてなることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記基準圧力空間の圧力が、前記流出口の２次側の圧力に等しい圧力に設定されてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
前記固定電極形成基板に前記基準圧力空間と連通する圧力導入口が厚み方向に貫設され、前記流出口の２次側の圧力を前記基準圧力空間へ伝達して前記基準圧力空間の圧力と前記流出口の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記弁座基板は、前記流出口の圧力を前記基準圧力空間へ伝達する経路の一部を構成する圧力導入口が厚み方向に貫設され、流体排出用の配管を接続する接続管が、前記弁体形成基板側とは反対側で前記流出口と圧力導入口とに跨る形で固着され、前記弁体形成基板は、当該圧力導入口と前記基準圧力空間とを連通させる圧力導入用貫通孔が厚み方向に貫設されてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項１】
流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設された弁座基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され流出口を開閉する弁体部を有し弁体部における弁座基板とは反対側に駆動用可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする弁体部変位空間を形成する形で弁座基板とは反対側に固着されるとともに駆動用可動電極に対向する駆動用固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、弁体形成基板は、フレーム部の内側に、フレーム部と連続し弁座基板との間に流入口に連通する流入口２次側空間を形成する第１のダイヤフラム部およびフレーム部と連続するとともに前記弁体部が連続一体に設けられ弁座基板との間に流出口に連通する流出口１次側空間を形成する第２のダイヤフラム部が配置され、第１のダイヤフラム部に流量検出用可動電極が形成され、固定電極形成基板は、弁体形成基板との間に第１のダイヤフラム部の変位を可能とする基準圧力空間を前記弁体部変位空間とともに形成する形で弁体形成基板に固着され、且つ、流量検出用可動電極に対向する流量検出用固定電極が形成されてなることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記基準圧力空間の圧力が、前記流出口の２次側の圧力に等しい圧力に設定されてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
前記固定電極形成基板に前記基準圧力空間と連通する圧力導入口が厚み方向に貫設され、前記流出口の２次側の圧力を前記基準圧力空間へ伝達して前記基準圧力空間の圧力と前記流出口の２次側の圧力とを等しくする圧力伝達路を備えてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記弁座基板は、前記流出口の圧力を前記基準圧力空間へ伝達する経路の一部を構成する圧力導入口が厚み方向に貫設され、流体排出用の配管を接続する接続管が、前記弁体形成基板側とは反対側で前記流出口と圧力導入口とに跨る形で固着され、前記弁体形成基板は、当該圧力導入口と前記基準圧力空間とを連通させる圧力導入用貫通孔が厚み方向に貫設されてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１６２７６０（Ｐ２００７−１６２７６０Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５６９９５（Ｐ２００５−３５６９９５）
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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