マイクロバルブ
【課題】弁体部が複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減でき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の内側でフレーム部２１と連続一体に形成され厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３を有し、ダイヤフラム部２３の中央部に弁体部２２が連続一体に設けられている。ダイヤフラム部２３には、流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる複数の流路孔２６が厚み方向に貫設されている。可動電極２４は、ダイヤフラム部２３の全域に形成され、固定電極３４は固定電極形成基板３０においてダイヤフラム部２３に対向する部位に形成されている。
【解決手段】弁体形成基板２０は、フレーム部２１の内側でフレーム部２１と連続一体に形成され厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３を有し、ダイヤフラム部２３の中央部に弁体部２２が連続一体に設けられている。ダイヤフラム部２３には、流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる複数の流路孔２６が厚み方向に貫設されている。可動電極２４は、ダイヤフラム部２３の全域に形成され、固定電極３４は固定電極形成基板３０においてダイヤフラム部２３に対向する部位に形成されている。
【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、産業機器や医療機器などに用いて微量な流体の流れを制御する流体制御装置として、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、構造体に一体に設けた弁体部を、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】
ここにおいて、上記特許文献１に開示されたマイクロバルブは、例えば、図７（ａ），（ｂ）に示すように、弁孔１２’が厚み方向に貫設された矩形板状の弁座基板１０’と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板１０’の一表面側（図７（ａ）の上面側）に固着される矩形枠状のフレーム部２１’およびフレーム部２１’の内側に配置され弁孔１２’を開閉する弁体部２２’を有し弁体部２２’における弁座基板１０’とは反対側に可動電極２４’が形成された弁体形成基板２０’と、弁体形成基板２０’における弁座基板１０’とは反対側に固着され弁体形成基板２０’との間に弁体部２２’の変位を可能とする空間を形成するとともに可動電極２４’に対向する固定電極３４’が形成された細長の固定電極形成基板３０’とを備えており、可動電極２４’の表面には当該可動電極２４’と固定電極３４’との導通を防止する絶縁層２５’が形成されている。ここにおいて、弁体形成基板２０’は、外周形状が矩形状の弁体部２２’が当該弁体部２２’の４辺それぞれに沿って配置された４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されている。
【０００４】
上述のマイクロバルブでは、弁体形成基板２０’と固定電極形成基板３０’との間に接合層４０’を介在させることにより、可動電極２４’と固定電極３４’との間に電圧が印加されていない状態で絶縁層２５’と固定電極３４’との間に弁体部２２’の変位空間が確保されるようにしてある。
【０００５】
以上説明した図７（ａ），（ｂ）に示す構成のマイクロバルブでは、可動電極２４’に電気的に接続されたパッド（図示せず）と固定電極３４’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可動電極２４’と固定電極３４’との間に発生する静電力によって弁孔１２’を開放する向きに弁体部２２’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、可動電極２４’と固定電極３４’との間に電圧を印加していない状態では、図７（ａ）に示すように弁体部２２’により弁孔１２’が閉止されており、可動電極２４’と固定電極３４’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２２’が弁孔１２’から離れる向きに変位して弁孔１２’が開放される。要するに、上述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。
【特許文献１】特開２００５−１８０５３０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７（ａ），（ｂ）に示した構成のマイクロバルブでは、上述のように弁体部２２’が４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されており、可動電極２４’の面積を大きくすることで駆動電圧の低減を図っているので、弁体部２２’における弁座基板１０’との対向面の面積が弁孔１２’の開口面積に比べて大きくなり過ぎ、弁体部２２’が弁孔１２’を開放した状態において弁体部２２’と弁孔１２’の周辺部との間の流路での圧力損失が大きくなってしまうという不具合があった。また、上記マイクロバルブでは、弁体部２２’の質量が大きくなるので、応答速度が遅くなってしまうという不具合があった。また、上記マイクロバルブでは、上述のように弁体部２２’が４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されているので、各ビーム２７’の反りなどに起因して弁体部２２’が傾いて動作が不安定になってしまうことがあった。
【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、弁体部が複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減でき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、弁孔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弁孔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可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする空間であり流体の流入口に連通する空間を形成するとともに可動電極に対向する固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって弁孔を開放する向きに弁体部を変位させるマイクロバルブであって、可動電極と固定電極との少なくとも一方の表面に両者の導通を防止する絶縁層が形成され、弁体形成基板は、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に前記弁体部が連続一体に設けられ、前記可動電極は、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、前記固定電極は、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、弁体形成基板の弁体部が、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に連続一体に設けられているので、弁体部がフレーム部に複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、可動電極が、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、固定電極が、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に形成されているので、従来構成に比べて駆動電圧を高くすることなく弁体部の小型化を図れ、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減できる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部に応力が付与されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態での前記弁体部による前記弁孔の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部を中央部が周部に比べて前記弁座基板に近くなる形状に形成してなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態での前記弁体部による前記弁孔の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記弁体部は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記流入口を通して前記空間に流入した流体の圧力により前記ダイヤフラム部が撓むことによって前記弁孔を閉止した状態を保持することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態においては流体の圧力を利用して前記弁孔を閉止することができる一方で、前記ダイヤフラム部には当該ダイヤフラム部が流体の圧力がかかっていないときの平衡状態へ戻ろうとする反力（復元力）が働いているので、より低い駆動電圧で前記弁体部を前記弁孔から離れる向きに変位させることができ、低消費電力化を図れる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記ダイヤフラム部の周部に比べて中央部の方が前記可動電極と前記固定電極との間の間隔が大きいことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記弁体部の変位量を大きくすることができ、前記弁孔を開放した状態で前記弁孔を流れる流体の流量を多くすることが可能となる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記流入口は、前記固定電極形成基板において前記流路孔と重なる部位で厚み方向に貫設されてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記流入口と前記流路孔との間での圧力損失を低減できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明では、弁体部が複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減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】
【００２１】
（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〜図４を参照しながら説明する。 本実施形態のマイクロバルブは、弁孔１２が厚み方向に貫設された矩形板状の弁座基板１０と、弁座基板１０の一表面側（図１の上面側）に固着される矩形枠状のフレーム部２１およびフレーム部２１の内側に配置され弁孔１２を開閉する弁体部２２を有し弁体部２２における弁座基板１０とは反対側に可動電極２４が形成された弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０における弁座基板１０とは反対側に固着され弁体形成基板２０との間に弁体部２２の変位を可能とする空間であり流体の流入口５０に連通する空間３６を形成するとともに可動電極２４に対向する固定電極３４が形成された固定電極形成基板３０とを備えている。
【００２２】
本実施形態では、弁体形成基板２０が半導体基板であるシリコン基板を用いて形成されるとともに、弁座基板１０および固定電極形成基板３０が両方ともパイレックス（登録商標）からなる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、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とが例えばアルミニウム膜からなる接合層４０を介して陽極接合により固着されている。なお、弁体形成基板２０に用いるシリコン基板としては、主表面が（１００）面で低不純物濃度のｐ形シリコン基板を採用している。また、弁座基板１０および固定電極形成基板３０は、ガラス基板に限らず、半導体基板を用いて形成してもよい。
【００２３】
弁体形成基板２０は、上述のシリコン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形成してあり、フレーム部２１の内側でフレーム部２１と連続一体に形成され厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３を有し、ダイヤフラム部２３の中央部に弁体部２２が連続一体に設けられている。ここにおいて、ダイヤフラム部２３は、アルカリ系溶液（例えば、ＥＰＷ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチング技術を利用して形成されており、弁体部２２は、ダイヤフラム部２３から離れる（弁座基板１０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。また、ダイヤフラム部２３には、流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる複数（図示例では、２つ）の流路孔２６が厚み方向に貫設されている。
【００２４】
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（例えば、１０20ｃｍ-3程度）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のうちダイヤフラム部２３に形成された部位が可動電極２４を構成している。なお、本実施形態では、例えばＥＰＷの水溶液を用いた異方性エッチング技術を利用してダイヤフラム部２３を形成する際に、不純物拡散層２０４をエッチングストッパ層として利用することができるので、ダイヤフラム部２３の肉厚を精度良く制御することができる。
【００２５】
また、弁体形成基板２０は、上記一表面側において不純物拡散層２０４の表面に絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜など）２０５が形成されており、フレーム部２１において絶縁膜２０５に設けたコンタクトホール２０６に一部が埋め込まれて可動電極２４と電気的に接続された通電用電極２８が形成されている。また、弁体形成基板２０には、フレーム部２１において絶縁膜２０５上に、固定電極３４と電気的に接続される通電用電極２９が形成されている。ここで、絶縁膜２０５のうちダイヤフラム部２３に積層されている部位が、可動電極２４と固定電極３４との導通を防止する絶縁層２５を構成している。なお、本実施形態では、可動電極２４の表面に可動電極２４と固定電極３４との導通を防止する絶縁層２５を設けてあるが、両者の導通を防止する絶縁層は、可動電極２４の表面ではなく固定電極３４の表面に設けるようにしてもよいし、可動電極２４および固定電極３４それぞれの表面に設けるようにしてもよい。
【００２６】
固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との対向面と一側面とが開放されている流路用凹部３３が形成されており、固定電極形成用基板３０の上記一側面側において流路用凹部３３の内面と接合層４０の露出表面とで囲まれた空間が流体の流入口５０を構成している。
【００２７】
また、固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との上記対向面のうちダイヤフラム部２３に対向する部位に上述の固定電極３４が形成されている。固定電極３４は、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）の金属膜（例えば、アルミニウム膜など）により構成されており、例えば、スパッタ法などにより形成すればよい。ここにおいて、固定電極３４は、固定電極形成基板３０において弁体形成基板２０の通電用電極２９の一部に重なる部位まで延長されており、当該通電用電極２９と電気的に接続されている。なお、固定電極３４を構成する金属膜の材料はアルミニウムに限らず、例えば、白金、クロム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。
【００２８】
上述の接合層４０の厚み寸法は、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で固定電極３４と絶縁層２５との間に所定ギャップ長（例えば、２〜３μｍ）の上記空間３６が形成されるように設定してある。
【００２９】
また、固定電極形成基板３０には、弁体形成基板２０の各通電用電極２８，２９それぞれと電気的に接続される貫通配線３８，３９が形成されており、弁体形成基板２０との上記対向面とは反対側の表面に、各貫通配線３８，３９それぞれと電気的に接続された２つのパッド（図示せず）が形成されている。しかして、弁体形成基板２０の可動電極２４は上述の通電用電極２８および貫通配線３８を介して一方のパッドと電気的に接続され、固定電極形成基板３０の固定電極３４は上述の通電用電極２９および貫通配線３９を介して他方のパッドと電気的に接続されている。
【００３０】
ここで、貫通配線３８，３９は、固定電極形成基板３０における貫通配線３８，３９のそれぞれの形成予定部位に貫通孔を形成した後、各貫通孔それぞれの内面に貫通配線３８，３９それぞれの一部となる金属層をスパッタ法により成膜してから、当該金属層をシード層として電解メッキ法により各貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させることにより形成してある。なお、本実施形態における貫通配線３８，３９は、必ずしも各貫通孔を完全に埋め込む形で形成する必要はなく、貫通配線３８，３９を形成する前の固定電極形成基板３０と弁体形成基板２０とを固着した後で、スパッタ法などにより各貫通孔の内面に金属層を成膜し、当該金属層を貫通配線３８，３９として利用するようにしてもよい。
【００３１】
ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、上述の絶縁膜２０５が、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態において、弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力を付与する応力付与膜を構成しており、当該応力付与膜を設けていない場合に引張応力が働いているダイヤフラム部２３に圧縮応力が働くようになっている。なお、本実施形態では、応力付与膜を兼ねる絶縁膜２０５を、ＴＥＯＳ（Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ５)４）とＯ２とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により堆積させたシリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、ＣＶＤ法により堆積させたシリコン窒化膜により構成してもよい。
【００３２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、図４に示すように弁体部２２により弁孔２１が閉止されており、可動電極２４に電気的に接続されたパッドと固定電極３４に電気的に接続されたパッドとの間に電圧を印加したときに可動電極２４と固定電極３４との間に発生する静電引力によって弁孔１２を開放する向きに弁体部２２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７に示した従来構成と略同じであり、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧を印加していない状態では、弁体部２２により弁孔１２が閉止されている。これに対して、可動電極２４と固定電極３４との間に駆動電圧源（図示せず）から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２２が弁孔１２から離れる向きに変位して弁孔１２が開放されるので、流入口５０−上記空間３６−ダイヤフラム部２３の流路孔２６−弁孔１２の経路で流体が流れることとなる。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。
【００３３】
以上説明した本実施形態のマイクロバルブでは、弁体形成基板２０の弁体部２２が、フレーム部２１の内側でフレーム部２１と連続一体に形成されるとともに流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる流路孔２６を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３に連続一体に設けられているので、図７に示したように弁体部２２’がフレーム部２１’に複数本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されて弁体部２２’のみに可動電極２４’が形成されている従来構成に比べて、弁体部２２が傾くのを抑制できて動作安定性を向上できる。しかも、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４がダイヤフラム部２３の全域に形成され（つまり、可動電極２４がダイヤフラム部２３において弁体部２２が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され）、固定電極３４が固定電極形成基板３０においてダイヤフラム部２３に対向する部位に形成されているので、従来構成に比べて駆動電圧を高くすることなく弁体部２２の小型化を図れ、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部２２が弁孔１２を開放した状態における弁体部２２と弁孔１２の周辺部との間の流路での圧力損失を低減できる。
【００３４】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、図４のようにダイヤフラム部２３の周部に比べて中央部の方が可動電極２４と固定電極３４との間の間隔が大きくなる（ここで、絶縁層２５と固定電極３４との間のギャップ長は５μｍ程度）ので、弁体部２２の変位量（ストローク）を大きくすることができ、弁孔１２を開放した状態で弁孔１２を流れる流体の流量を多くすることが可能となる。ここにおいて、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧を印加したときには、可動電極２４と固定電極３４との間隔が狭いほど静電引力が大きくなるので、ダイヤフラム部２３の周部が中央部に比べて先に固定電極３４に近づく向きに引き上げられるので、低電圧で大きなストロークを得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力が付与されているので、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態での弁体部２２による弁孔１２の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００３６】
ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブでは、上述のように絶縁膜２０５が応力付与膜を構成しており、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力が付与されているが、ダイヤフラム部２３に応力を付与する代わりに、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３を図４のように中央部が周部に比べて弁座基板１０に近くなるような形状に加工してもよい。
【００３７】
また、図５（ａ）に示すように弁体部２２が弁孔１２を開放した状態に製造しておき、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、流入口５０を通して上記空間３６に流入した流体の圧力によりダイヤフラム部２３が図５（ｂ）に示すように撓むことによって弁孔１２を閉止した状態を保持するようにしてもよく、このような構成では、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態においては流体の圧力を利用して弁孔１２を閉止することができる一方で、ダイヤフラム部２３には当該ダイヤフラム部２３が流体の圧力がかかっていないときの平衡状態（つまり、図５（ａ）の状態）へ戻ろうとする反力（復元力）が働いているので、より低い駆動電圧で弁体部２２を弁孔１２から離れる向きに変位させることができ、低消費電力化を図れる。ただし、上記復元力が大き過ぎると上記閉止力が弱くなるので、流体の圧力などに応じてダイヤフラム部２３の厚みや大きさを設計する必要がある。
【００３８】
なお、本実施形態では、弁座基板１０に１つの弁孔１２を設けるとともに弁体形成基板２０のダイヤフラム部２３に１つの弁体部２２を設けてあるが、弁座基板１０に複数の弁孔１２を設けるとともにダイヤフラム部２３に複数の弁体部２２を設けるようにすれば、各基板１０，２０，３０のサイズを変更することなく流量を増加させることが可能となる。
【００３９】
（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６に示すように、固定電極形成基板３０の構造が相違するだけである。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。
【００４０】
ところで、実施形態１では、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面に流路用凹部３３を形成してあり、固定電極形成用基板３０の上記一側面側において流路用凹部３３の内面と接合層４０の露出表面とで囲まれた空間が流体の流入口５０を構成している。
【００４１】
これに対して、本実施形態では、固定電極形成基板３０に流路用凹部３３を形成せず、固定電極形成基板３０に厚み方向に貫通する複数（図示例では、２つ）の流入口５０を形成してある。ここで、固定電極形成基板３０における各流入口５０は、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加され図６に示すように弁孔１２が開放されて絶縁層２５と固定電極３４とが接した状態で各流路孔２６と重なる部位に貫設されている。
【００４２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口５０が固定電極形成基板３０において流路孔２６と重なる部位で厚み方向に貫設されているので、流入口５０と流路孔２６との間での圧力損失を低減できる。なお、図６中の矢印は流体の流れる向きを示している。
【００４３】
なお、本実施形態では、流入口５０が固定電極形成基板３０において流路孔２６と重なる部位で厚み方向に貫設されているが、流入口５０が流路孔２６と重ならない部位に形成されている構成でも、弁体部２２が弁孔１２を開放し且つ絶縁層２５が固定電極３４に接しない位置にある場合や、絶縁層２５と固定電極３４との互いの対向面の一方に突起が設けられている場合や、弁座基板１０に流入口５０が設けられている場合には、流体を流すことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１の基本構成を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図２】同上の基本構成を示し、一部破断した概略分解斜視図である。
【図３】同上の基本構成を示す概略断面図である。
【図４】同上の概略断面図である。
【図５】同上の他の構成例の説明図である。
【図６】実施形態２の動作説明図である。
【図７】従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略斜視図、（ｃ）は弁体形成基板の概略平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 弁座基板
１２ 弁孔
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム部
２２ 弁体部
２３ ダイヤフラム部
２４ 可動電極
２５ 絶縁層
２６ 流路孔
３０ 固定電極形成基板
３１ 固定電極
３６ 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、産業機器や医療機器などに用いて微量な流体の流れを制御する流体制御装置として、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、構造体に一体に設けた弁体部を、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】
ここにおいて、上記特許文献１に開示されたマイクロバルブは、例えば、図７（ａ），（ｂ）に示すように、弁孔１２’が厚み方向に貫設された矩形板状の弁座基板１０’と、半導体基板を用いて形成されて弁座基板１０’の一表面側（図７（ａ）の上面側）に固着される矩形枠状のフレーム部２１’およびフレーム部２１’の内側に配置され弁孔１２’を開閉する弁体部２２’を有し弁体部２２’における弁座基板１０’とは反対側に可動電極２４’が形成された弁体形成基板２０’と、弁体形成基板２０’における弁座基板１０’とは反対側に固着され弁体形成基板２０’との間に弁体部２２’の変位を可能とする空間を形成するとともに可動電極２４’に対向する固定電極３４’が形成された細長の固定電極形成基板３０’とを備えており、可動電極２４’の表面には当該可動電極２４’と固定電極３４’との導通を防止する絶縁層２５’が形成されている。ここにおいて、弁体形成基板２０’は、外周形状が矩形状の弁体部２２’が当該弁体部２２’の４辺それぞれに沿って配置された４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されている。
【０００４】
上述のマイクロバルブでは、弁体形成基板２０’と固定電極形成基板３０’との間に接合層４０’を介在させることにより、可動電極２４’と固定電極３４’との間に電圧が印加されていない状態で絶縁層２５’と固定電極３４’との間に弁体部２２’の変位空間が確保されるようにしてある。
【０００５】
以上説明した図７（ａ），（ｂ）に示す構成のマイクロバルブでは、可動電極２４’に電気的に接続されたパッド（図示せず）と固定電極３４’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可動電極２４’と固定電極３４’との間に発生する静電力によって弁孔１２’を開放する向きに弁体部２２’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、可動電極２４’と固定電極３４’との間に電圧を印加していない状態では、図７（ａ）に示すように弁体部２２’により弁孔１２’が閉止されており、可動電極２４’と固定電極３４’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２２’が弁孔１２’から離れる向きに変位して弁孔１２’が開放される。要するに、上述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。
【特許文献１】特開２００５−１８０５３０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７（ａ），（ｂ）に示した構成のマイクロバルブでは、上述のように弁体部２２’が４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されており、可動電極２４’の面積を大きくすることで駆動電圧の低減を図っているので、弁体部２２’における弁座基板１０’との対向面の面積が弁孔１２’の開口面積に比べて大きくなり過ぎ、弁体部２２’が弁孔１２’を開放した状態において弁体部２２’と弁孔１２’の周辺部との間の流路での圧力損失が大きくなってしまうという不具合があった。また、上記マイクロバルブでは、弁体部２２’の質量が大きくなるので、応答速度が遅くなってしまうという不具合があった。また、上記マイクロバルブでは、上述のように弁体部２２’が４本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されているので、各ビーム２７’の反りなどに起因して弁体部２２’が傾いて動作が不安定になってしまうことがあった。
【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、弁体部が複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減でき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、弁孔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弁孔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可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする空間であり流体の流入口に連通する空間を形成するとともに可動電極に対向する固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって弁孔を開放する向きに弁体部を変位させるマイクロバルブであって、可動電極と固定電極との少なくとも一方の表面に両者の導通を防止する絶縁層が形成され、弁体形成基板は、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に前記弁体部が連続一体に設けられ、前記可動電極は、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、前記固定電極は、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、弁体形成基板の弁体部が、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に連続一体に設けられているので、弁体部がフレーム部に複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、可動電極が、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、固定電極が、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に形成されているので、従来構成に比べて駆動電圧を高くすることなく弁体部の小型化を図れ、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減できる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部に応力が付与されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態での前記弁体部による前記弁孔の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部を中央部が周部に比べて前記弁座基板に近くなる形状に形成してなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態での前記弁体部による前記弁孔の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記弁体部は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記流入口を通して前記空間に流入した流体の圧力により前記ダイヤフラム部が撓むことによって前記弁孔を閉止した状態を保持することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態においては流体の圧力を利用して前記弁孔を閉止することができる一方で、前記ダイヤフラム部には当該ダイヤフラム部が流体の圧力がかかっていないときの平衡状態へ戻ろうとする反力（復元力）が働いているので、より低い駆動電圧で前記弁体部を前記弁孔から離れる向きに変位させることができ、低消費電力化を図れる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記ダイヤフラム部の周部に比べて中央部の方が前記可動電極と前記固定電極との間の間隔が大きいことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記弁体部の変位量を大きくすることができ、前記弁孔を開放した状態で前記弁孔を流れる流体の流量を多くすることが可能となる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記流入口は、前記固定電極形成基板において前記流路孔と重なる部位で厚み方向に貫設されてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記流入口と前記流路孔との間での圧力損失を低減できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明では、弁体部が複数本のビームを介してフレーム部に支持されて弁体部のみに可動電極が形成されている従来構成に比べて、弁体部が傾くのを抑制できて動作安定性を向上でき、しかも、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部が弁孔を開放した状態における弁体部と弁孔の周辺部との間の流路での圧力損失を低減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】
【００２１】
（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〜図４を参照しながら説明する。 本実施形態のマイクロバルブは、弁孔１２が厚み方向に貫設された矩形板状の弁座基板１０と、弁座基板１０の一表面側（図１の上面側）に固着される矩形枠状のフレーム部２１およびフレーム部２１の内側に配置され弁孔１２を開閉する弁体部２２を有し弁体部２２における弁座基板１０とは反対側に可動電極２４が形成された弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０における弁座基板１０とは反対側に固着され弁体形成基板２０との間に弁体部２２の変位を可能とする空間であり流体の流入口５０に連通する空間３６を形成するとともに可動電極２４に対向する固定電極３４が形成された固定電極形成基板３０とを備えている。
【００２２】
本実施形態では、弁体形成基板２０が半導体基板であるシリコン基板を用いて形成されるとともに、弁座基板１０および固定電極形成基板３０が両方ともパイレックス（登録商標）からなる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、弁体形成基板２０と固定電極形成基板３０とが例えばアルミニウム膜からなる接合層４０を介して陽極接合により固着されている。なお、弁体形成基板２０に用いるシリコン基板としては、主表面が（１００）面で低不純物濃度のｐ形シリコン基板を採用している。また、弁座基板１０および固定電極形成基板３０は、ガラス基板に限らず、半導体基板を用いて形成してもよい。
【００２３】
弁体形成基板２０は、上述のシリコン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形成してあり、フレーム部２１の内側でフレーム部２１と連続一体に形成され厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３を有し、ダイヤフラム部２３の中央部に弁体部２２が連続一体に設けられている。ここにおいて、ダイヤフラム部２３は、アルカリ系溶液（例えば、ＥＰＷ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチング技術を利用して形成されており、弁体部２２は、ダイヤフラム部２３から離れる（弁座基板１０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。また、ダイヤフラム部２３には、流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる複数（図示例では、２つ）の流路孔２６が厚み方向に貫設されている。
【００２４】
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（例えば、１０20ｃｍ-3程度）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のうちダイヤフラム部２３に形成された部位が可動電極２４を構成している。なお、本実施形態では、例えばＥＰＷの水溶液を用いた異方性エッチング技術を利用してダイヤフラム部２３を形成する際に、不純物拡散層２０４をエッチングストッパ層として利用することができるので、ダイヤフラム部２３の肉厚を精度良く制御することができる。
【００２５】
また、弁体形成基板２０は、上記一表面側において不純物拡散層２０４の表面に絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜など）２０５が形成されており、フレーム部２１において絶縁膜２０５に設けたコンタクトホール２０６に一部が埋め込まれて可動電極２４と電気的に接続された通電用電極２８が形成されている。また、弁体形成基板２０には、フレーム部２１において絶縁膜２０５上に、固定電極３４と電気的に接続される通電用電極２９が形成されている。ここで、絶縁膜２０５のうちダイヤフラム部２３に積層されている部位が、可動電極２４と固定電極３４との導通を防止する絶縁層２５を構成している。なお、本実施形態では、可動電極２４の表面に可動電極２４と固定電極３４との導通を防止する絶縁層２５を設けてあるが、両者の導通を防止する絶縁層は、可動電極２４の表面ではなく固定電極３４の表面に設けるようにしてもよいし、可動電極２４および固定電極３４それぞれの表面に設けるようにしてもよい。
【００２６】
固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との対向面と一側面とが開放されている流路用凹部３３が形成されており、固定電極形成用基板３０の上記一側面側において流路用凹部３３の内面と接合層４０の露出表面とで囲まれた空間が流体の流入口５０を構成している。
【００２７】
また、固定電極形成基板３０は、弁体形成基板２０との上記対向面のうちダイヤフラム部２３に対向する部位に上述の固定電極３４が形成されている。固定電極３４は、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）の金属膜（例えば、アルミニウム膜など）により構成されており、例えば、スパッタ法などにより形成すればよい。ここにおいて、固定電極３４は、固定電極形成基板３０において弁体形成基板２０の通電用電極２９の一部に重なる部位まで延長されており、当該通電用電極２９と電気的に接続されている。なお、固定電極３４を構成する金属膜の材料はアルミニウムに限らず、例えば、白金、クロム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。
【００２８】
上述の接合層４０の厚み寸法は、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で固定電極３４と絶縁層２５との間に所定ギャップ長（例えば、２〜３μｍ）の上記空間３６が形成されるように設定してある。
【００２９】
また、固定電極形成基板３０には、弁体形成基板２０の各通電用電極２８，２９それぞれと電気的に接続される貫通配線３８，３９が形成されており、弁体形成基板２０との上記対向面とは反対側の表面に、各貫通配線３８，３９それぞれと電気的に接続された２つのパッド（図示せず）が形成されている。しかして、弁体形成基板２０の可動電極２４は上述の通電用電極２８および貫通配線３８を介して一方のパッドと電気的に接続され、固定電極形成基板３０の固定電極３４は上述の通電用電極２９および貫通配線３９を介して他方のパッドと電気的に接続されている。
【００３０】
ここで、貫通配線３８，３９は、固定電極形成基板３０における貫通配線３８，３９のそれぞれの形成予定部位に貫通孔を形成した後、各貫通孔それぞれの内面に貫通配線３８，３９それぞれの一部となる金属層をスパッタ法により成膜してから、当該金属層をシード層として電解メッキ法により各貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させることにより形成してある。なお、本実施形態における貫通配線３８，３９は、必ずしも各貫通孔を完全に埋め込む形で形成する必要はなく、貫通配線３８，３９を形成する前の固定電極形成基板３０と弁体形成基板２０とを固着した後で、スパッタ法などにより各貫通孔の内面に金属層を成膜し、当該金属層を貫通配線３８，３９として利用するようにしてもよい。
【００３１】
ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、上述の絶縁膜２０５が、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態において、弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力を付与する応力付与膜を構成しており、当該応力付与膜を設けていない場合に引張応力が働いているダイヤフラム部２３に圧縮応力が働くようになっている。なお、本実施形態では、応力付与膜を兼ねる絶縁膜２０５を、ＴＥＯＳ（Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ５)４）とＯ２とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により堆積させたシリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、ＣＶＤ法により堆積させたシリコン窒化膜により構成してもよい。
【００３２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、図４に示すように弁体部２２により弁孔２１が閉止されており、可動電極２４に電気的に接続されたパッドと固定電極３４に電気的に接続されたパッドとの間に電圧を印加したときに可動電極２４と固定電極３４との間に発生する静電引力によって弁孔１２を開放する向きに弁体部２２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７に示した従来構成と略同じであり、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧を印加していない状態では、弁体部２２により弁孔１２が閉止されている。これに対して、可動電極２４と固定電極３４との間に駆動電圧源（図示せず）から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部２２が弁孔１２から離れる向きに変位して弁孔１２が開放されるので、流入口５０−上記空間３６−ダイヤフラム部２３の流路孔２６−弁孔１２の経路で流体が流れることとなる。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。
【００３３】
以上説明した本実施形態のマイクロバルブでは、弁体形成基板２０の弁体部２２が、フレーム部２１の内側でフレーム部２１と連続一体に形成されるとともに流入口５０と弁孔１２との間の流体の流路となる流路孔２６を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部２３に連続一体に設けられているので、図７に示したように弁体部２２’がフレーム部２１’に複数本のビーム２７’を介してフレーム部２１’に支持されて弁体部２２’のみに可動電極２４’が形成されている従来構成に比べて、弁体部２２が傾くのを抑制できて動作安定性を向上できる。しかも、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４がダイヤフラム部２３の全域に形成され（つまり、可動電極２４がダイヤフラム部２３において弁体部２２が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され）、固定電極３４が固定電極形成基板３０においてダイヤフラム部２３に対向する部位に形成されているので、従来構成に比べて駆動電圧を高くすることなく弁体部２２の小型化を図れ、応答速度の高速化を図れるとともに、弁体部２２が弁孔１２を開放した状態における弁体部２２と弁孔１２の周辺部との間の流路での圧力損失を低減できる。
【００３４】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、図４のようにダイヤフラム部２３の周部に比べて中央部の方が可動電極２４と固定電極３４との間の間隔が大きくなる（ここで、絶縁層２５と固定電極３４との間のギャップ長は５μｍ程度）ので、弁体部２２の変位量（ストローク）を大きくすることができ、弁孔１２を開放した状態で弁孔１２を流れる流体の流量を多くすることが可能となる。ここにおいて、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧を印加したときには、可動電極２４と固定電極３４との間隔が狭いほど静電引力が大きくなるので、ダイヤフラム部２３の周部が中央部に比べて先に固定電極３４に近づく向きに引き上げられるので、低電圧で大きなストロークを得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力が付与されているので、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態での弁体部２２による弁孔１２の閉止力を高めることができ、流体が漏れるのを防止することができる。
【００３６】
ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブでは、上述のように絶縁膜２０５が応力付与膜を構成しており、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３に応力が付与されているが、ダイヤフラム部２３に応力を付与する代わりに、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態で弁体部２２が弁孔１２を閉止する閉止力が作用するようにダイヤフラム部２３を図４のように中央部が周部に比べて弁座基板１０に近くなるような形状に加工してもよい。
【００３７】
また、図５（ａ）に示すように弁体部２２が弁孔１２を開放した状態に製造しておき、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態では、流入口５０を通して上記空間３６に流入した流体の圧力によりダイヤフラム部２３が図５（ｂ）に示すように撓むことによって弁孔１２を閉止した状態を保持するようにしてもよく、このような構成では、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加されていない状態においては流体の圧力を利用して弁孔１２を閉止することができる一方で、ダイヤフラム部２３には当該ダイヤフラム部２３が流体の圧力がかかっていないときの平衡状態（つまり、図５（ａ）の状態）へ戻ろうとする反力（復元力）が働いているので、より低い駆動電圧で弁体部２２を弁孔１２から離れる向きに変位させることができ、低消費電力化を図れる。ただし、上記復元力が大き過ぎると上記閉止力が弱くなるので、流体の圧力などに応じてダイヤフラム部２３の厚みや大きさを設計する必要がある。
【００３８】
なお、本実施形態では、弁座基板１０に１つの弁孔１２を設けるとともに弁体形成基板２０のダイヤフラム部２３に１つの弁体部２２を設けてあるが、弁座基板１０に複数の弁孔１２を設けるとともにダイヤフラム部２３に複数の弁体部２２を設けるようにすれば、各基板１０，２０，３０のサイズを変更することなく流量を増加させることが可能となる。
【００３９】
（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６に示すように、固定電極形成基板３０の構造が相違するだけである。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。
【００４０】
ところで、実施形態１では、固定電極形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面に流路用凹部３３を形成してあり、固定電極形成用基板３０の上記一側面側において流路用凹部３３の内面と接合層４０の露出表面とで囲まれた空間が流体の流入口５０を構成している。
【００４１】
これに対して、本実施形態では、固定電極形成基板３０に流路用凹部３３を形成せず、固定電極形成基板３０に厚み方向に貫通する複数（図示例では、２つ）の流入口５０を形成してある。ここで、固定電極形成基板３０における各流入口５０は、可動電極２４と固定電極３４との間に電圧が印加され図６に示すように弁孔１２が開放されて絶縁層２５と固定電極３４とが接した状態で各流路孔２６と重なる部位に貫設されている。
【００４２】
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口５０が固定電極形成基板３０において流路孔２６と重なる部位で厚み方向に貫設されているので、流入口５０と流路孔２６との間での圧力損失を低減できる。なお、図６中の矢印は流体の流れる向きを示している。
【００４３】
なお、本実施形態では、流入口５０が固定電極形成基板３０において流路孔２６と重なる部位で厚み方向に貫設されているが、流入口５０が流路孔２６と重ならない部位に形成されている構成でも、弁体部２２が弁孔１２を開放し且つ絶縁層２５が固定電極３４に接しない位置にある場合や、絶縁層２５と固定電極３４との互いの対向面の一方に突起が設けられている場合や、弁座基板１０に流入口５０が設けられている場合には、流体を流すことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１の基本構成を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図２】同上の基本構成を示し、一部破断した概略分解斜視図である。
【図３】同上の基本構成を示す概略断面図である。
【図４】同上の概略断面図である。
【図５】同上の他の構成例の説明図である。
【図６】実施形態２の動作説明図である。
【図７】従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略斜視図、（ｃ）は弁体形成基板の概略平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 弁座基板
１２ 弁孔
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム部
２２ 弁体部
２３ ダイヤフラム部
２４ 可動電極
２５ 絶縁層
２６ 流路孔
３０ 固定電極形成基板
３１ 固定電極
３６ 空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁孔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弁孔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可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする空間であり流体の流入口に連通する空間を形成するとともに可動電極に対向する固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって弁孔を開放する向きに弁体部を変位させるマイクロバルブであって、可動電極と固定電極との少なくとも一方の表面に両者の導通を防止する絶縁層が形成され、弁体形成基板は、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に前記弁体部が連続一体に設けられ、前記可動電極は、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、前記固定電極は、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に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】
前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部に応力が付与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】
前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部を中央部が周部に比べて前記弁座基板に近くなる形状に形成し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】
前記弁体部は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記流入口を通して前記空間に流入した流体の圧力により前記ダイヤフラム部が撓むことによって前記弁孔を閉止した状態を保持す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５】
前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記ダイヤフラム部の周部に比べて中央部の方が前記可動電極と前記固定電極との間の間隔が大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
前記流入口は、前記固定電極形成基板において前記流路孔と重なる部位で厚み方向に貫設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項１】
弁孔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弁孔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可動電極が形成された弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に弁体部の変位を可能とする空間であり流体の流入口に連通する空間を形成するとともに可動電極に対向する固定電極が形成された固定電極形成基板とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって弁孔を開放する向きに弁体部を変位させるマイクロバルブであって、可動電極と固定電極との少なくとも一方の表面に両者の導通を防止する絶縁層が形成され、弁体形成基板は、フレーム部の内側でフレーム部と連続一体に形成されるとともに流入口と弁孔との間の流体の流路となる流路孔を有し厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部に前記弁体部が連続一体に設けられ、前記可動電極は、ダイヤフラム部において弁体部が設けられている領域よりも広い範囲に亘って形成され、前記固定電極は、固定電極形成基板においてダイヤフラム部に対向する部位に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】
前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部に応力が付与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】
前記弁体形成基板は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態で前記弁体部が前記弁孔を閉止する閉止力が作用するように前記ダイヤフラム部を中央部が周部に比べて前記弁座基板に近くなる形状に形成し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】
前記弁体部は、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記流入口を通して前記空間に流入した流体の圧力により前記ダイヤフラム部が撓むことによって前記弁孔を閉止した状態を保持す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５】
前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されていない状態では、前記ダイヤフラム部の周部に比べて中央部の方が前記可動電極と前記固定電極との間の間隔が大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
前記流入口は、前記固定電極形成基板において前記流路孔と重なる部位で厚み方向に貫設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロバルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−７１２５７（Ｐ２００７−７１２５７Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５６８３６（Ｐ２００５−２５６８３６）
【出願日】平成１７年９月５日（２００５．９．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人精密工学会発行の「２００５年度 精密工学会秋季大会 学術講演会講演論文集」に発表
【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３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月５日（２００５．９．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人精密工学会発行の「２００５年度 精密工学会秋季大会 学術講演会講演論文集」に発表
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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