JPH1038110A - 非対称熱作動式マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低流量／高供給圧状態における消費電力が最
小限となる熱作動式マイクロアクチュエータを提供する
こと。 【解決手段】 熱膨脹係数の大きく異なる第１及び第２
の材料層13,20を有する径方向に間隔をおいて配置され
た脚部26,27上に懸架された中央本体13を含むアクチュ
エータ部材22を有する超小型弁10。脚部26,27は加熱要
素32,33を有し、一端で固定されて脚部26,27の選択的加
熱によってたわみが生じたとき径方向に順応しうるよう
になっている。アクチュエータ部材はアクチュエータ面
11を有する突起部を含む。弁座16によって画成されるフ
ローバイア14を有する弁座基板12がアクチュエータ面11
に位置合わせされている。アクチュエータ面11の非対称
な熱作動によってアクチュエータ面11が弁座16から回転
変位してフローオリフィス14に対して移動し、それによ
ってオリフィス14を通過する流体の流れの制御が改善さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に超小型装置に
関し、特に熱作動式超小型弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】超小型機械装置の開発は、一般に、マイ
クロ機械加工あるいはマイクロ製造として知られる技術
の使用によって推進されてきた。例えば、Scientific A
merican（1983年４月）44-55ページの“Silicon Microm
echanical Devices”におけるAngell等による機械装置
のマイクロ製造技術に関する説明を参照されたい。

【０００３】マイクロ機械式アクチュエータ（以下マイ
クロアクチュエータと称す）の基本的要件は、なんらか
の機械的作動手段を設けなければならないということで
ある。別の要件として、かかる作動手段は、確実な作動
を行なうための十分な力を供給するものでなければなら
ない。例えば、超小型装置は、ガスクロマトグラフの毛
細管カラム中のキャリヤガスの流れを制御するのに用い
る弁を構成することができる。マイクロアクチュエータ
は、可動部材（通常は可動隔膜、ダイアフラムあるいは
突起部）を最大で1379KPa(200pound/inch²）の圧力に抗
して100μmほどの距離だけ変位させることによって弁の
流体通路を開閉しなければならない場合がある。

【０００４】一般には、外部電源からの電力がマイクロ
アクチュエータに供給され、そのマイクロアクチュエー
タは、各種の技術のうちの１つを用いて、印加された電
力を作動力に変換する。多くの場合、印加された電力の
一部あるいはすべてが熱力に変換され、かかるマイクロ
アクチュエータは、熱によって作動するものとみなすこ
とができるものである。

【０００５】米国特許5,058,856号に開示されているよ
うに、従来はマイクロ機械加工されたバイメタルの脚部
アレイを用いて超小型弁に熱作動力が供給されてきた。
超小型弁は半径方向に間隔をおいて配置された多層の蜘
蛛状の脚部を有し、それぞれの脚部は熱膨張係数が大き
く異なる第１及び第２の材料からなる層を有する。これ
らの脚部は、加熱要素を有すると共に一端で固定され
て、脚部の選択的な加熱により撓みが生じた際に半径方
向の適応性が得られるようになっている。脚部の下に
は、フローオリフィスを画定する弁座を有する半導体基
板が設けられている。アクチュエータ面はこの弁座に位
置合わせされている。脚部の撓みによってこのアクチュ
エータ面が弁座に対して変位し、これによりフローオリ
フィスを通る流体の流れが制御される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる弁の設
計及び動作は、熱的、機械的及び空気圧的な様々な複雑
な制約を受けるものである。広範囲の供給ガス圧（0〜1
379KPa(0〜200psi)）及び広範囲の流量（0.1〜1000標準
cm³/min（sccm））のガスの流れを比例制御するには、
かなりの作動力と機械的構造の適度の剛性とが必要であ
る。さらに、アクチュエータ面がオリフィスに対して移
動するときに生じる流量の増減を良好に制御しなければ
ならない。

【０００７】例えば、この超小型弁は、通常は電力が印
加されていないとき閉鎖しており、アクチュエータから
その周囲への熱抵抗が低い場合には、弁を開くには比較
的大きな電力量が必要になるが、電力が除去されたとき
の冷却は急速であり、したがって急速に閉じる。また、
この超小型弁からその周囲への熱抵抗が高い場合には、
この超小型弁はより小さな電力で開くが、冷却は遅く、
したがって閉じるのも遅くなる。

【０００８】具体的には、図１に345KPa及び690KPa(50
psi及び100 psi)の供給圧で動作する従来の弁に印加さ
れる電圧に対するヘリウムの流量の応答の測定値を示
す。応答曲線A,A'と曲線B,B'との比較から、その応答の
測定値がヒステリシス状態を示すことがわかる。これ
は、弁を開くには弁を開いた状態に保持するより大きな
電力を必要とするためである。アクチュエータ面の動き
は、最初に高い供給圧による抑制を受け、次いで、実質
的印加電力のしきい値を越えた際に弁座から上昇するの
で、熱ヒステリシスループが現われることは明らかであ
る。この急激な変化によって流量が急激かつ非常に大幅
に増大する。

【０００９】かかる急激な動作の発生は、アクチュエー
タ面が弁座から離れることによってアクチュエータ面と
弁座との間の熱伝導が急激に低下し、この熱伝導の低下
によってアクチュエータが基本的に一定な入力電力で急
激に温まることに起因するものである、ということを本
発明者は発見した。その結果として、曲線A及びA'の低
流量部分のほぼ垂直な傾きで示されるように、弁は制御
が困難な態様で開く。換言すれば、このアクチュエータ
は、開放位置まで徐々に移動するのではなく「急速に移
動する(snap：スナップ動作する)」。同様に、アクチュ
エータが開放位置から弁座に接近するとき、弁は「急速
に」閉じる。この作用は、アクチュエータ面の運動が
「非回転的」な態様に制限されているとき、すなわち、
米国特許5,069,419号に開示されているように、アクチ
ュエータ面が、弁座と直交する軸に沿って移動すると共
にその弁座と平行な関係が維持されているときに特に顕
著となる。

【００１０】したがって、上述の条件下で動作する際
に、その全変位範囲にわたって、制御された漸進的な動
きを効率的に生成する熱作動式マイクロアクチュエー
タ、特に熱作動式超小型弁が必要とされている。

【００１１】図２は、印加される電圧に応じて非回転的
な作動運動を行なうよう設計された典型的な熱作動弁に
おけるアクチュエータの変位を示すものである。同図に
示すように、アクチュエータを弁座に近接した位置ある
いはそこから離れた位置に保つのに要する電力を比較す
ると、アクチュエータを弁座に近接した位置に保つ方が
はるかに大きな電力を要することがわかる。しかし、従
来の方法ではマイクロ作動弁を低流量において動作させ
る際のかかる電力損失の問題への対処は不十分であっ
た。

【００１２】したがって、上述の低流量／高供給圧状態
におけるマイクロアクチュエータによる消費電力を最小
限にすること、特に、高速作動が必須でない超小型弁の
消費電力を低減することが望ましい。したがって、熱作
動効率の改善された熱作動式マイクロアクチュエータが
必要とされている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、本書において
「非対称熱作動」と称するモードで動作するよう構成さ
れた非対称サーマルアクチュエータを有するマイクロア
クチュエータに関する。アクチュエータ面は、この非対
称サーマルアクチュエータによって静止位置から作動位
置へと変位し、その変位は、回転運動を有することを特
徴とし、すなわち、アクチュエータ面が静止位置におけ
る向きに対する傾斜角を増大させながら運動することを
特徴とする。本発明の意図するこの回転運動は、静止位
置にあるアクチュエータ面から延びる中心垂直軸に沿っ
た運動とみなすことのできる非回転運動とは異なるもの
である。説明のため、かかる非回転運動は、マイクロア
クチュエータが対称的に加熱される従来技術に従って動
作する熱作動式マイクロアクチュエータに見られる非回
転運動と実質的に等価なものであるとみなす。

【００１４】本発明によれば、マイクロアクチュエー
タ、特に、流体の流れを制御する熱作動式超小型弁であ
って、互いに対向する第１及び第２の主面とその第１の
主面から前記第２の主面へと延びるフローバイアとを有
する弁座基板に形成されたオリフィス部材と、前記第１
の主面から延びる一体的な環状壁構造とを備えたものを
構成することができ、その環状壁構造は、前記フローバ
イアを取り囲み、また弁座を含むものである。上側基板
に形成されたアクチュエータ部材は、弁座基板に隣接し
て配置され、前記フローバイア中の流体の流れを遮断す
るよう前記弁座に対して静止（すなわち閉鎖）位置に位
置決め可能なアクチュエータ面を有する。

【００１５】本発明の１つの特徴は、その意図する弁の
アクチュエータ部材が非対称熱作動に従って動作するよ
う構成されていることにある。従って、アクチュエータ
面は弁座に対して前記フローバイア中の流体の流量を制
御しうるように変位される。この非対称熱作動によっ
て、アクチュエータ面の変位は、その回転運動を特徴と
するものとなり、すなわち、弁座に対する傾斜角を次第
に増大させるアクチュエータ面の運動を特徴とするもの
となる。この回転運動は、弁が閉じているときに弁座と
アクチュエータ面との面接触によって画成される平面か
ら垂直に延びる中心軸に沿った運動とみなすことのでき
る非回転運動とは異なるものである。

【００１６】一好適実施例において、このアクチュエー
タの変位は完全な回転運動となり、アクチュエータ面と
弁座との接触が、それらの間の支点で、その全変位を通
して維持されるようになる。

【００１７】他の好適実施例では、かかる変位は、初期
段階では専ら回転運動となるが、それ以降の段階では直
交運動との組み合わせとなる。説明のため、「直交」運
動とは、弁の閉鎖時に弁座とアクチュエータ面との面接
触によって画成される平面から垂直に延びる中心軸に沿
ったマイクロアクチュエータの運動を指すものとする。
この直交運動は、上記従来技術に関して説明した急速な
「スナップ」動作が低減あるいは除去される点を除いて
非回転運動と実質的に同じである。

【００１８】更に別の実施例では、アクチュエータを所
定の時点で選択的に動作させてアクチュエータ面が非回
転運動するように対称熱作動を提供し、及びそれ以外の
時点でアクチュエータを選択的に動作させて対称熱作動
を提供することにより、アクチュエータ面の回転運動と
直交運動との組み合わせを提供することができる。

【００１９】したがって、本発明によれば、非対称熱作
動を提供する手段を備えた、流体の流れを制御するため
の熱作動式超小型弁を構成することができる。一実施例
では、かかる非対称熱作動は、中央本体の周囲に蜘蛛の
脚状に配列された複数の脚部の上の複数のバイメタル部
材のうちの選択されたものを熱作動させることによって
行なわれる。かかる脚部は、その一端が固定され、その
他端は可撓状態で懸架される。中央本体と脚部との組み
合わせによって第１の可撓性部材（アクチュエータ部材
と称する）が形成される。この超小型弁は、隆起した弁
座によって取り囲まれた中央フローオリフィスを有する
剛性の弁座基板を含む第２の部材（オリフィス部材と称
する）を備えている。前記アクチュエータ部材は前記オ
リフィス部材上に配置される。中央本体の底部のアクチ
ュエータ面の中心は、オリフィス部材の上部の中央フロ
ーオリフィスの中心とほぼ位置合わせされている。この
超小型弁は、脚部の固定された端部及び可撓的に支持さ
れた端部の配向に応じて、通常時に閉鎖状態または開放
状態とすることができる。

【００２０】脚部の一端の可撓的な支持は可撓性懸架部
によって行なわれる。この懸架部によって各脚部の一端
のヒンジ状の支持が行われる。この可撓性懸架部の一実
施例は、周方向に複数のスロットを有するリングによっ
て実施される。この可撓性懸架部は、中央本体に近い内
側の端部と中央本体から遠い端部とのいずれに設けるこ
とも可能である。この懸架部を脚部の内側の端部に設け
た場合には作動時に弁が閉鎖し、外側の端部に設けた場
合には作動時に弁が開放することになる。

【００２１】通常時に閉鎖状態となる実施例では、脚部
の中央本体から遠い方の端部は可撓性懸架部によって接
続され、中央本体に近い方の端部はその中央本体に固定
的に接続される。懸架部は、外側の端部に配置される場
合には、断面積の縮小と熱の流れが発生し得る経路長の
増大との両方により、温度の上昇した脚部から周囲環境
への損失を最小限にするという別の目的を達成するもの
となる。一実施例では、蜘蛛状の脚部は、「Ｘ」字状に
配列された４つの均等に配分された半径方向に延びる部
材からなる。

【００２２】アクチュエータ部材は、１つあるいは２つ
以上のバイメタル部材を備えた構成とすることができ、
これは「バイモル」構造と呼ばれる。このため、それぞ
れのバイメタル部材は少なくとも２つの層からなる。こ
のバイメタル部材の第１及び第２の層は熱膨脹係数の大
きく異なる材料で製作される。アクチュエータ部材上に
分配された加熱手段を用いてバイメタル部材を加熱し
て、対応する脚部を撓ませる。特定のバイメタル部材を
加熱する一方、他の部材をほぼ非加熱状態のままとした
とき、その非対称な熱作動により、加熱された部材が第
１及び第２の層の膨脹の差によってアーチ状になり、こ
れにより、オリフィス部材の中央フローオリフィスに対
するアクチュエータ面の回転運動が生じる。代替的に
は、特定の脚部にバイメタル部材を設け、他の脚部には
バイメタル部材を設けず（すなわち動作不能にする）こ
ともできる。動作可能なバイメタル部材を駆動すること
により、アクチュエータ部材の非対称な熱作動が生じる
ことになる。

【００２３】更に別の実施例では、各脚部にバイメタル
部材が設けられるが、加熱手段は不均一に動作するよう
構成される。金属被膜抵抗等の抵抗ヒータが、脚部ある
いは中央本体上に均等に分配されるが、中央本体に非対
称に熱を加えるように選択的に通電される。代替的に
は、加熱手段が抵抗要素を有し、その抵抗値をアクチュ
エータ部材上の抵抗フィラメントの位置に応じて変化さ
せる構成とすることができる。すべての抵抗要素に電力
を供給する結果として非対称の加熱が行なわれ、その結
果、非対称熱作動が生じることになる。

【００２４】一代替実施例では、アクチュエータ面が、
中央本体の底部に設けられ、中央フローオリフィスの中
心から横方向にずれた位置に配置されるように、マイク
ロアクチュエータを構成することによって、熱の非対称
性が実現される。その結果、弁が閉鎖する際に、アクチ
ュエータ部材からオリフィス部材への熱経路における熱
抵抗の分布が非対称となる。したがって、アクチュエー
タ部材に印加される熱の放散が、オリフィス部材の一部
において、そのオリフィス部材の他の部分に比べて大き
くなり、実質的に非対称な熱分布がアクチュエータ部材
に生じることになる。これにより、印加された熱の分布
が非対称であったかのような非対称作動がアクチュエー
タ部材に生じる。

【００２５】このアクチュエータ部材を製作する材料の
選定にあたって考慮すべき因子としては、熱膨脹係数、
融点、強度、及び集積回路製造プロセスにおける使い易
さ等がある。実施例では、弁座基板に近い方の第１の層
はシリコンである。第２の層としては、一般に強度と熱
膨脹係数が高く、また融点が適度に高い材料が選択され
る。ニッケルはこれらのパラメータを有するものであ
り、めっき及び堆積のいずれを用いた製作にも適してい
る。

【００２６】本発明の弁は、690KPaの数倍(数百psi)と
いった高圧で供給される流体の流れを精確に制御するよ
う最適化されるものである。かかる弁は、従来技術によ
って製作された弁に比べて、流量及び圧力の制御の点で
一層高い信頼性及び遥かに高い性能で動作するものとな
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下の説明は超小型弁という形の
マイクロアクチュエータに関するものであるが、本発明
の教示は、高温で動作する他の種類の熱作動装置にも適
用可能なものである。この「熱作動」型である装置に
は、印加された電力を可動部材を移動させるための作動
力に変換することによって動作する装置が含まれ、かか
る変換は、変換中に生じる可能性のある熱エネルギーを
保存あるいは隔離することにより利益を得るものであ
る。その例としては、気体あるいは液体の膨脹／収縮の
過程または気相あるいは液相変化の過程で、または、バ
イモル材料、バイメタル材料あるいは形状記憶材料の変
化に応じて生じる力によって駆動されるマイクロアクチ
ュエータがある。

【００２８】したがって、本発明は、機械的装置あるい
はシステムによって、または、流体（気体及び液体等）
の流れのような物理現象、（静電容量、電流、電位等
の）電気的及び電子的パラメータ、（反射、吸収あるい
は回折等の）音響的及び光学的パラメータ、及び（加速
度、圧力、長さ、深さ等の）単純な寸法上のパラメータ
に基づいて動作するように用いられる各種のマイクロア
クチュエータに適用することができる。

【００２９】図３及び図４に示すように、熱作動式マイ
クロアクチュエータの一好適実施例を超小型弁10という
形で実施することができる。この弁10は好適には、通常
時に閉鎖状態となるよう構成される。この弁10の基本的
な構造は、本出願人に譲渡されたGordon等の米国特許5,
058,856号及びBarth等の米国特許5,333,831号を参照す
ることにより理解されよう。なお、本引用をもってそれ
らの発明の内容を本書に包含させたものとする。次に、
本発明の教示による弁10の特殊な構造について説明す
る。

【００３０】図３(a)において、弁10は、基部として機
能する弁座基板12と上側基板18とを備えたものとして示
されている。弁座基板12には、中央フローバイア14が形
成されている。上側基板18において弁座基板12上で支持
されているのは、固定された外周部17及びアクチュエー
タ部材22である。アクチュエータ部材22は、アクチュエ
ータ面11、金属層20、互いに対向する脚部26,27上の加
熱要素32,33、及び可撓性懸架部38を有する中央突起部1
3を備えている。

【００３１】アクチュエータ部材22は好適には、複数の
バイメタル領域、要素または部材のアレイを有する一体
的な熱駆動式のアクチュエータとして構成される。「バ
イメタル」という用語は従来の意味には限定されないも
のであり、例えば、バイメタル要素内の一方の部分ある
いは両方の部分を実際には非金属とすることができる。
好適には、図示する実施例では、バイメタル部材内の一
方の部分を好適にはニッケルで形成される金属層20と
し、バイメタル部材内の他方の部分をシリコンで形成さ
れた中央突起部13としている。

【００３２】シリコン層及びニッケル層は、いずれも蜘
蛛状の脚部26,27のアレイを画定するおおよそ三角形状
の開口部24を有している。動作時には、弁の開放時に、
気体が開口部24及び上述のフローオリフィス14を通って
流れる。

【００３３】例えば、脚部26,27は、アクチュエータ部
材22の中央本体に対して半径方向内方の端部で固定的に
接続される。各脚部26,27は、加熱要素32,33として機能
するニッケルの曲がりくねったパターンを有している。
これらの加熱要素に電流が流れることによって局所的な
加熱が発生し、その熱が脚部26,27を構成するシリコン
層及びニッケル層に伝わる。各加熱要素との間の電気的
経路は、加熱要素32,33を選択的に駆動できるように配
列されたシリコン層18上の曲がりくねった金属堆積部で
ある。弁10の上面には、適当な導電パッド及び駆動回路
が設けられており(図示せず)、加熱要素32,33の一方あ
るいはその両方に電流を流すようになっている。

【００３４】弁座基板12は好適には、ウエハからバッチ
処理工程を用いて製作されたシリコンオリフィスチップ
である。弁座基板12には、中央フローバイア14が形成さ
れている（ここで、用語「バイア」は、製作された層に
おける微細な貫通孔を説明するために使用したものであ
る）。弁座基板12の弁座16は好適には、中空で切頭角錐
状の隆起した環状壁構造によって画定される。その説明
上、「環状」という用語は、円形または円錐形だけでな
く多角形も意味するものとする。この環状壁構造は、弁
座16に取り囲まれたオリフィスを含む。アクチュエータ
面11は、中央突起部13が閉鎖位置にあるとき弁座16上に
着座する。弁座16の幅は変更可能であるが、弁座16とア
クチュエータ面11とが繰り返し接触しても破損すること
のないよう十分な幅が選択される。

【００３５】図３(a)は、突起部13が弁座16に当接して
流体フローオリフィス14への流れが遮断される閉鎖位置
における動作時の超小型弁10を示す断面図である。電力
が印加されていないとき、中央突起部13は、中央フロー
バイア14を覆い、弁座16と接触して気体の流れを遮断す
る。加熱要素32,33の堆積金属経路を流れる電流によっ
て、対応する脚部26,27の温度が上昇する。中央突起部1
3は弁座16から上昇し、これによりオリフィス14中を気
体が流れ得る状態になる。周方向のスロットによって、
蜘蛛状の脚部がアーチ状になることが可能となり、これ
によりアクチュエータ面11が弁座16及びフローオリフィ
ス14に対して変位する。半径方向外方の端部で可撓的に
懸架されているため、突起部13は、図３(a)の通常時の
閉鎖位置から図４の開放位置へと移動する。

【００３６】図３(b)に示すように、脚部26,27は、シリ
コン層18及びニッケル層20に形成された複数の周方向の
スロット38,40にそれぞれ関係している。これらのスロ
ットには３つの機能がある。第一に、これらのスロット
は、脚部を半径方向に越えて位置するシリコン層からの
高度の熱絶縁を提供するものとなる。したがって、これ
らの脚部に所望のたわみを生じさせるのに要する電力が
低減される。第二に、周方向のスロット38,40は脚部の
境界部分に可撓性を与えるものとなる。この可撓性によ
って、脚部が加熱サイクル中に膨脹してアーチ状になる
際、また弛緩時に収縮する際に、かかる境界部分に生じ
る動きに適応することができる。第三に、これらのスロ
ットは、回転方向の可撓性に加えて横方向の可撓性を提
供し、これにより、脚部26,27がアーチ状になる際に内
側に引っ張られる傾向に適応することが可能となる。

【００３７】図４に詳細に示すように、アクチュエータ
部材22が均一に加熱されるとき、シリコンとニッケルの
熱膨脹係数の違いによって脚部20,22がアーチ状にな
り、これにより突起部13が非回転運動で上昇して弁座16
から離れる。突起部13が弁座基板12から離れると、フロ
ーバイア14がその周囲の容積24と連通する。この容積24
は、当該超小型弁10による流れの制御対象となる装置と
連通している（代替的には、アーチ状になる脚部以外の
手段による作動も可能である）。弁座16は、突起部13が
閉鎖位置にある際に突起部13が着座する支持面を有して
いる。

【００３８】超小型弁10の閉鎖は、懸架部から弁座基板
12への熱の流出を介して脚部26,27が冷える際に生じ
る。この弁の閉鎖速度は、主としてアクチュエータ部材
22の熱質量(thermal mass)及び懸架部の熱抵抗によって
決まる。

【００３９】超小型弁10は、脚部26,27のアレーを有す
るものとして説明したが、本発明は、アーチ状になる脚
部を用いた作動に限定されるものではない。例えば、固
定された外周部17に中央突起部13を接続する構造を、選
択的に撓ませることが可能な固体の円形ダイアフラムと
して代替的に設けて、フローバイア14と周囲の容積24と
の間の流体の流れを制御することが可能である。

【００４０】弁10の別の実施例として、上述の実施例と
同様に動作する通常時に開放するタイプの超小型弁を構
成することができる。脚部26,27の末端ではなく内側の
端部に周方向のスロットを配置することにより、アクチ
ュエータ面11を下方に変位させて熱作動時に弁座16をシ
ールすることが可能となる。

【００４１】図５に示すように、アクチュエータ部材22
の変更態様は、「Ｘ」字状に設けられた４つの直径方向
に対向する脚部を有する特に好適な構成を少なくとも備
えたものとなる。この代替的なアクチュエータ部材122
は、埋設された加熱要素132,133及びスロット138をそれ
ぞれ有する互いに対向する脚部126,127を備えている。
半径方向に延びる脚部に替えてらせん状の脚部とするこ
とも可能である。用途によっては、下方に依存する突起
部13を省略することが望ましい場合がある。

【００４２】図６〜図１０から、弁10は、非対称熱作動
によって「スナップ」効果を最小限にし又は除去する新
規の態様で動作することが理解されよう。好適実施例で
は、弁10はほぼ対称なアクチュエータ構造を用いている
が、非対称な加熱が行われる。図３ないし図５に示すよ
うな４つの脚部及び懸架部を有するアクチュエータの場
合には、アクチュエータの一部（例えば一対の隣接する
脚部26）が選択的に加熱され、それ以外のアクチュエー
タの部分は能動的には加熱されない（この設計の変形例
では脚部26,27上に異なる抵抗が用いられることにな
る）。本好適実施例は、弁座16の縁部がアクチュエータ
面11の回転の支点として機能するようにすることによっ
て回転変位を最大限にするものである。図６ないし図１
０は、弁が開放する際の回転の効果の進行を示す一連の
断面図である。

【００４３】図６において、アクチュエータ部材22の左
側及び右側は加熱されていない。脚部26,27は、アクチ
ュエータ部材を上から見た場合に凹状態となっている。

【００４４】図７において、アクチュエータ部材22の左
側は加熱されておらず、一方、アクチュエータ部材22の
右側は、アクチュエータ部材22の左側の中立温度よりも
高い温度まで加熱される。左側の脚部26は凹んでいる。
弁10は閉鎖状態のままである。

【００４５】図８において、アクチュエータ部材22の左
側は加熱されず、一方、アクチュエータ部材22の右側は
更に加熱される。これにより、弁座の左側の縁部を支点
として突起部が弁座から上昇する。

【００４６】図９において、アクチュエータ部材22の右
側の温度は上昇し続け、一方、アクチュエータ部材22の
左側の温度も上昇し始めるがアクチュエータ部材22の右
側に生じる温度上昇には遅れている。突起部13は上昇し
て弁座16を離れ始めるが、まだ多少の回転角が存在す
る。

【００４７】図１０においては、アクチュエータ部材22
の左側及び右側の両方にかなりの温度上昇が生じてお
り、突起部13は弁座16から完全に離れ、回転角はほとん
どゼロになっている。

【００４８】アクチュエータ部材22からの熱の損失、及
びかかる熱の損失が加熱された脚部及び加熱されていな
い脚部の温度の間の関係に及突起部効果は、次のように
理解することができる。図６に示すように、室温（25
℃）未満では弁10には電力は印加されていない。脚部2
6,27の温度は同じになる。電力が印加されると、回転変
位が生じる前には、アクチュエータ面11は弁座16に接触
したままであり、全ての脚部は、アクチュエータ部材22
と弁座基板12との間の等しい熱抵抗を受ける。加熱され
ている脚部と加熱されていない脚部との間の温度比は通
常は一定である。

【００４９】加熱された脚部が十分な温度に達すると、
突起部13が回転し始める。それぞれの突起部13が弁座か
ら離れると、加熱された脚部と弁座との間の経路の熱抵
抗が増大する。このとき、アクチュエータ部材22及び加
熱されていない脚部を通る経路を介して、加熱された脚
部における熱の流れが増大し始める。その結果、加熱さ
れた脚部と加熱されない脚部との温度差が減少する（し
かし、加熱されたそれぞれの脚部の温度は依然として加
熱されない脚部の温度よりも高く、したがって所望の回
転変位が継続する）。加熱されている脚部上の加熱要素
に対して電力を印加し続けると、加熱されていない脚部
の温度は、加熱されていない脚部がたわみ始めて突起部
が弁座から完全に離れる温度まで、上昇し続ける。アク
チュエータ部材22のフレームに対する加熱された脚部か
ら加熱されない脚部へのそれ以降の温度勾配によって回
転変位は続行される。用途によっては、電力を印加し続
けることにより、加熱されない脚部が完全に撓むまでそ
の温度が増大することがある。しかし、ほとんどの用途
で必要とされるアクチュエータ部材22の移動範囲は、加
熱されない脚部が上昇して離間する必要のない範囲であ
ると考えられる。

【００５０】ほとんどの用途では、加熱される脚部と加
熱されない脚部との間の最大温度差は好適には30℃未満
とされる。このように温度差を小さくすると、脚部のア
ニーリングに差が生じにくくなる。その結果、本発明に
したがって製作されたマイクロアクチュエータには非対
称な形態での経時変化が生じなくなり、したがって、こ
のマイクロアクチュエータは、反復動作の後にも不平衡
にならないものとなる。

【００５１】図５は、本発明による弁の代替実施例200
を示す。この場合、中央本体の底部ではあるが弁座16の
中心から横方向にずれた位置にアクチュエータ面11を有
する突起部13を備えるよう弁200を構成することによ
り、熱の非対称性が実現される。その結果、弁200が閉
鎖している際に、アクチュエータ部材22から弁座基板12
への熱経路における熱抵抗の分布が非対称となる。アク
チュエータ部材22に加わるほぼ対称的な分布の熱が、弁
座基板12の一部において、弁座基板12の他の部分に比べ
てより多く放散され、その結果として、アクチュエータ
部材22にはほぼ非対称な熱の分布が生じる。これによっ
て、アクチュエータ部材22は、印加された熱の分布が非
対称であったかのように非対称に作動する。

【００５２】この超小型弁10の一つの用途として、ガス
クロマトグラフィーがある。弁10は、タンクからガスク
ロマトグラフの注入リザーバへのガス流を制御する用途
に用いることができる。流量センサーを設けて流量を測
定し、フィードバックを行い、弁10を電気的に制御して
ガス流を所望の流量に調整することができる。約200μm
のオリフィス直径を有するプロトタイプの弁10により、
最大５リットル／分の流量で最大1379KPa(200psi)の供
給圧を制御できることがわかった。かかる弁に適当な制
御信号を印加することにより、アクチュエータ面の変位
量を０〜50μmの範囲で制御することが可能となる。

【００５３】結論として、本発明にしたがって製作され
たマイクロアクチュエータは、従来の熱作動式の超小型
装置の作動時に見られる熱的な「スナップ」を最小限
し、または除去するものとなる。本発明は、a）対称的
なバイメタル構造及びこのバイメタル構造を非対称的に
加熱する手段、b）非対称的なバイメタル構造及びこの
バイメタル構造を非対称的に加熱する手段、または、
c）非対称のバイメタル構造あるいは非対称のアクチュ
エータ部材及びそのバイメタル構造を加熱する手段を備
えるようにマイクロアクチュエータを構成することによ
り、アクチュエータ部材の回転運動を提供するものであ
る。一般に、対称的な装置構造は、冷却時に熱作動装置
が開放しないという利点を提供するものであり、本発明
による熱の非対称性は、アクチュエータ部材の通電時に
のみ回転的な開放を促進させるものである。また、この
回転運動は、例えば供給ガスにより極めて高い反対方向
の力が加わった場合であっても良好に制御された連続的
な極めて小さな増分で変化するアクチュエータ部材の動
きを達成可能にすることを意図したものである。

【００５４】上述したように、熱作動弁10の設計目的の
１つは、熱出力の無駄を最小限にすることであった。し
かしながら、ここで説明した実施例では、非対称的な熱
作動を用いることにより、従来技術により構成された熱
作動弁で必要とされる高電力の印加を行なうことなく、
弁座16に近接した位置までアクチュエータ面11を回転変
位させることができるという利点が提供される。その結
果、脚部26,27が所与の温度である際に突起部13に所与
の変位を生じさせるための電力消費が最小限となる。

【００５５】本開示の実施例の構成の変形例として、耐
エッチコーティングに異なるパターンを用いることが可
能である。更に、ここで開示した本発明の実施例は、シ
リコン基板から製作するものとして説明したが、金属、
ガラス、セラミックあるいはポリマーといった他の材
料、及びガリウムひ素等の他の半導体あるいは結晶基板
を用いることもできる。例えば、ここに説明した構造
は、超音波加工を用いたホウケイ酸ガラスの製作、リソ
グラフィを用いた感光性ガラスの形成、セラミック材料
の超音波加工あるいは成形及び焼成、従来の機械加工に
よる金属あるいは機械加工可能セラミックの形成、また
は、ポリマーの機械加工、鋳造あるいは射出成形といっ
た方法のうちの１つあるいは２つ以上を用いて製作する
ことが可能である。

【００５６】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。

【００５７】１．中央本体上にアクチュエータ面を有す
るアクチュエータ部材であって、前記中央本体から周辺
領域へと延びる複数の間隔をおいた層領域を有するアク
チュエータ部材と、熱膨脹係数の大きく異なる前記層領
域の第１及び第２の層と、前記層領域に熱的に結合さ
れ、前記第１及び第２の層の異なる膨脹によって前記層
領域を非対称的に熱作動させる加熱手段とからなり、前
記非対称の熱作動によって前記アクチュエータ面が第１
の静止位置から第２の変位位置へと回転変位することを
特徴とする、マイクロアクチュエータ。

【００５８】２．前記層領域が、前記中央本体に対して
非対称的に配分されていることを特徴とする、請求項１
に記載のマイクロアクチュエータ。

【００５９】３．前記層領域が、互いに対向する対をな
すように配列されたバイモルの半径方向に延びる脚部で
あり、前記加熱手段が、前記脚部のうちの選択された隣
接するものを加熱する手段を更に備えていることを特徴
とする、請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。

【００６０】４．流体の流れを制御する超小型弁であっ
て、フローオリフィスが形成された弁座基板と、前記フ
ローオリフィスを選択的に遮断するように前記弁座基板
に結合された可撓性部材であって、前記フローオリフィ
スに位置合わせされたアクチュエータ面を中央本体上に
有し、前記中央本体から周辺領域へと延びる複数の間隔
をおいた層領域を有する、可撓性部材と、熱膨脹係数の
大きく異なる前記層領域の第１及び第２の層と、前記層
領域に熱的に結合され、前記第１及び第２の層の異なる
膨脹によって前記層領域を非対称的に熱作動させる加熱
手段とからなり、前記撓みによって前記アクチュエータ
面が前記フローオリフィスに対して回転変位することを
特徴とする、超小型弁。

【００６１】５．前記層領域を前記中央本体と前記周辺
領域との一方に支持する懸架手段を備えており、この懸
架手段が、前記層領域の回転運動と熱膨脹に適応するよ
うに配列されたスロットを有し、前記懸架手段の反対側
に位置する前記層領域の第２の端部が固定されているこ
とを特徴とする、請求項４に記載の超小型弁。

【００６２】６．前記層領域が前記中央本体に対して非
対称的に配分されていることを特徴とする、請求項４に
記載の超小型弁。

【００６３】７．前記層領域が、バイモルの半径方向に
延びる脚部であり、前記脚部が、互いに対向する対をな
すように配列されており、前記加熱手段が、前記脚部の
うちの選択された隣接するものを加熱する手段を更に備
えていることを特徴とする、請求項４に記載の超小型
弁。

【００６４】８．前記加熱手段が、前記層領域の選択さ
れた部分に結合された抵抗加熱要素を含むことを特徴と
する、請求項４に記載の超小型弁。

【００６５】９．前記抵抗加熱要素のうちの選択された
ものを駆動し、その駆動時に前記層領域を非対称的に熱
作動させる手段を更に備えていることを特徴とする、請
求項８に記載の超小型弁。

【００６６】10．前記弁座及び前記中央本体が、非対称
的な熱の放散を生じさせるのに十分なだけ横方向にずら
されており、その非対称的な熱の放散によって前記層領
域が非対称的に熱作動することを特徴とする、請求項４
に記載の超小型弁。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の熱作動超小型弁においてバイメタル加熱
部に印加される電圧に応じて測定された流量を示す図で
ある。

【図２】従来の熱作動超小型弁においてバイメタル加熱
部に印加される電力に応じて計算された変位を示す図で
ある。

【図３】(a)は、本発明にしたがって製作されたフロー
オリフィスと弁座とを有する超小型弁を示す断面図、
(b)は、その超小型弁のアクチュエータ部材の脚部の詳
細を示す平面図である。

【図４】アクチュエータ部材の開放運動中あるいは開放
後の図３の超小型弁を示す断面図である。

【図５】図３の超小型弁のアクチュエータ部材の代替実
施例を簡略化して示す平面図である。

【図６】アクチュエータ面の回転運動中の図３の超小型
弁を示す断面図である(1/5)。

【図７】アクチュエータ面の回転運動中の図３の超小型
弁を示す断面図である(2/5)。

【図８】アクチュエータ面の回転運動中の図３の超小型
弁を示す断面図である(3/5)。

【図９】アクチュエータ面の回転運動中の図３の超小型
弁を示す断面図である(4/5)。

【図１０】アクチュエータ面の回転運動中の図３の超小
型弁を示す断面図である(5/5)。

【図１１】図３の超小型弁の代替実施例を簡略化して示
す断面図である。

【符号の説明】

10 弁 11 アクチュエータ面 12 弁座基板 13 中央突起部 14 中央フローバイア 16 弁座 17 外周部 18 上側基板 20 金属層 22 アクチュエータ部材 24 開口部 26,27 脚部 32,33 加熱要素 38 可撓性懸架部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロドニー・エル・アレイ アメリカ合衆国デラウェア州19808，ウィ ルミントン，シィンワイド・クラブ・ドラ イヴ・1308−11

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中央本体上にアクチュエータ面を有するア
   クチュエータ部材であって、前記中央本体から周辺領域
   へと延びる複数の間隔をおいた層領域を有するアクチュ
   エータ部材と、 熱膨脹係数の大きく異なる前記層領域の第１及び第２の
   層と、 前記層領域に熱的に結合され、前記第１及び第２の層の
   異なる膨脹によって前記層領域を非対称的に熱作動させ
   る加熱手段とからなり、 前記非対称の熱作動によって前記アクチュエータ面が第
   １の静止位置から第２の変位位置へと回転変位すること
   を特徴とする、マイクロアクチュエータ。