WO2009157474A1

WO2009157474A1 - マイクロバルブ及びバルブシート部材

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Publication number: WO2009157474A1
Application number: PCT/JP2009/061475
Authority: WO
Inventors: 高橋　勇樹; 謙一小谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2010-12-27
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Abstract

【課題】変位部材がバルブ筐体の開口部を安定したシール性をもって開閉できるマイクロバルブを提供する。【解決手段】バルブシート１７は、貫通孔１７ｂを有する円筒部１７ａと、円筒部１７ａの軸方向一端部の外周に形成されたフランジ部１７ｃとを有し、フランジ部１７ｃの外周に厚肉なシール部１７ｄを有する。円筒部１７ａをバルブ筐体１５の開口部１５ａの中に隙間δをもって嵌合し、シール部１７ｄが開口部の周囲に形成されたシール面１５ｃ及び変位部材２０に対して接離自在である。開弁状態において、貫通孔１７ｂを介した流路と、円筒部１７ａと開口部１５ａとの隙間を介した流路との少なくとも一方が開いており、閉弁状態において、シール部１７ｄが変位部材２０とシール面１５ｃとで挟持されてシールされる。

Description

マイクロバルブ及びバルブシート部材

　本発明はマイクロバルブ、詳しくは変位部材により開口部を開閉するバルブ、及びそのバルブに使用されるバルブシート部材に関するものである。

　従来、携帯型パソコンなどの電源として、燃料電池を用いたものが開発されつつある。燃料としては、例えばメタノールやエタノール等の液体燃料が用いられ、この燃料をマイクロポンプによって反応炉へ供給することにより、反応炉が燃料と空気とを反応させて発電する。このような燃料電池システムでは、ポンプ停止時においても、重力等の要因により意図しない燃料の順方向の流れが生じ、反応炉へ不必要な燃料供給が行われ、過剰な発電を招く可能性がある。マイクロポンプには逆止弁が装備されているが、逆止弁は逆流を防止するための弁であり、順方向の流れを抑制することはできない。

　特許文献１には、流体の流入口及び流出口を有するバルブ筐体と、板状の圧電素子を持つ弁体とを備えた圧電型のアクティブバルブが開示されている。すなわち、弁体の外周部がバルブ筐体で固定的に保持され、弁体の中央部と対向するバルブ筐体の部位に開口部が設けられている。圧電素子に電圧を印加することにより、弁体を板厚方向に屈曲変位させ、この屈曲変位により開口部を開閉することができる。

　前記のように弁体をバルブ筐体の開口部に直接接触させただけでは十分なシール性が得られないので、一般に、開口部にはゴム等の軟質材料よりなるバルブシートが固定される。バルブシートの固定方法として、バルブ筐体の開口部に接着剤で固定する方法があるが、対象流体が例えば燃料電池の燃料として使われるようなメタノール等の有機溶剤の場合、接着剤が侵食されてしまい、固定が不安定になったり、接着が剥がれてしまうおそれがある。また、バルブシートが傾きやずれがある状態でバルブ筐体に固定されると、弁体とバルブシートとが正確に接触しない場合があり、安定したシール性が得られない可能性がある。

特開昭６２－２８５８５号公報

　本発明の目的は、変位部材がバルブ筐体の開口部を常に安定したシール性をもって開閉できるマイクロバルブ、及びバルブシート部材とを提供することにある。

　本発明に係るマイクロバルブは、開口部を有するバルブ筐体と、前記開口部との対向方向に変位可能な変位部材と、前記開口部に配置され、前記バルブ筐体と変位部材との間をシールするバルブシート部材と、を備えたマイクロバルブにおいて、前記バルブシート部材は、前記開口部に所定の隙間をもって嵌合され、中心に貫通孔を有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一端部に形成された円筒部より大径なフランジ部と、前記フランジ部の外周部に当該フランジ部より厚肉に形成されたシール部とを有し、開弁状態において、前記貫通孔を通る流路と、前記円筒部と開口部との隙間を通る流路との少なくとも一方が開かれ、閉弁状態において、前記シール部が前記開口部の周囲に形成されたバルブ筐体のシール面と前記変位部材との間で挟持されることを特徴とする。

　本発明に係るバルブシート部材は、開口部を有するバルブ筐体と、前記開口部との対向方向に変位可能な変位部材とを備えたマイクロバルブに使用され、前記変位部材が前記開口部を閉じる際にシール効果を発揮するバルブシート部材において、前記開口部に所定の隙間をもって嵌合され、中心に貫通孔を有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一端部に形成された円筒部より大径なフランジ部と、前記フランジ部の外周部に当該フランジ部より厚肉に形成され、前記開口部の周囲に形成されたバルブ筐体のシール面と前記変位部材との間で挟持可能なシール部とを有することを特徴とする。

　本発明では、バルブシート部材をバルブ筐体に固定するのではなく、バルブ筐体の開口部に移動自在に嵌合させている。すなわち、バルブシート部材は円筒部とフランジ部とシール部とを備えており、円筒部を開口部の中に流体が通過できる隙間を有して嵌合させる。シール部はフランジ部より厚肉に形成されており、開口部の周囲に形成されたバルブ筐体のシール面と変位部材とによって挟持可能である。開弁状態では、円筒部に形成された貫通孔を通る流路と、円筒部と開口部との隙間を通る流路との２系統の流路の少なくとも一方が開かれる。つまり、バルブシート部材がバルブ筐体に密着した場合には、貫通孔の中を通って流体を流すことができ、逆に、バルブシート部材が変位部材に密着した場合には、円筒部の外周面と開口部の内周面との隙間を介して流体を流すことができ、バルブシート部材がいかなる姿勢になっても流路を開くことができる。閉弁状態では、バルブシート部材のシール部を変位部材とシール面とで挟持することで、前記２系統の流路を同時に閉じることができる。このように開弁状態において２系統の流路が形成されるので、取付姿勢に関係なく信頼性の高いバルブを実現できる。また、開口部の上流側及び下流側のいずれの圧力が高くても、開口部を確実に開閉できるので、用途の広いバルブを実現できる。

　円筒部は、バルブシート部材が開口部に対して半径方向に最大限移動しても、シール部がシール面から外れない直径と、変位部材が開口部と逆方向に最大限変位した時でも円筒部が開口部から外れない長さとを有するものがよい。このように構成すれば、円筒部を開口部に挿入し、バルブ筐体に変位部材を組み付ければ、バルブシート部材が開口部から脱落せず、高さの低いバルブを実現できる。しかも、マイクロバルブの姿勢に関係なく安定したシール性が得られる。

　シール部の外周部には、フランジ部より厚肉なシール部が全周に形成されている。シール部が平板状である場合、シール面及び変位部材と接触する部分の面圧が低くなり、シール性が低下する。そこで、フランジ部の外周部に環状の厚肉なシール部を設け、このシール部をシール面と変位部材とで挟み込むことで、シール部の面圧が高くなり、シール性が良好となる。シール部とは、フランジ部より厚肉な部分のことであり、リム状またはリブ状であってもよい。シール部の断面は円形や三角形状など種々の形状とすることができる。断面円形や三角形状とした場合、変位部材及びシール面との接触部分が線接触となるので、シール性が一層良好となる。断面円形の場合には、先端が摩耗、変形しにくいので、さらに好ましい。

　本発明における変位部材としては、電気信号を印加することにより自発的に変位できるアクチュエータを使用してもよいし、圧力差などの外部からの力によって変位する部材（例えばダイヤフラム）であってもよい。但し、バルブシート部材との接触面に凹凸のない平板状部材が好ましい。変位部材は、通常時にバルブシート部材から離れて開弁状態を保持し、変位時にバルブシート部材に接触して閉弁状態を構成してもよいし（常開弁の場合）、逆に、通常時にバルブシート部材に接触して閉弁状態を保持し、変位時にバルブシート部材から離れて開弁状態を構成してもよい（常閉弁の場合）。

　アクチュエータとしては、電圧信号を印加することにより板厚方向に屈曲変位する圧電素子を有するものでもよい。特に、長方形板状の圧電素子を使用した場合、圧電素子の長さ方向両端部をバルブ筐体に保持し、圧電素子の長さ方向中央部でバルブシート部材のシール部を押圧することができる。長方形板状の圧電素子の長さ方向両端部をバルブ筐体に保持すると、円板状の圧電素子の外周部をバルブ筐体に保持した場合に比べて、長さ方向中央部に大きな変位が得られる。

　変位部材として、バルブ筐体内を２つのバルブ室に分割するダイヤフラムを使用した場合、バルブシート部材を一方のバルブ室に形成された開口部に配置し、２つのバルブ室の圧力差によってダイヤフラムを変位させ、ダイヤフラムによってバルブシート部材のシール部を押圧するようにしてもよい。この場合には、外部から電気信号などを入力しなくても圧力差によって自動的に動作する受動バルブを構成できる。

　本発明のマイクロバルブによれば、バルブシート部材をバルブ筐体の開口部に移動可能に嵌合したので、接着剤等による固定が不要となり、メタノール等の有機溶剤を対象流体とする場合においても適用できる。また、開弁時にバルブシート部材の貫通孔を通る流路と、バルブシート部材の円筒部と開口部との隙間を通る流路との２系統の流路のうち、少なくとも一方が必ず開かれるため、バルブシート部材の姿勢に関係なく確実に開弁状態を確保でき、バルブの取付方向の影響を受けず、安定した性能のマイクロバルブを実現できる。また、閉弁時にはバルブシート部材の厚肉なシール部を変位部材とバルブ筐体のシール面とで挟持するので、変位部材の動きにともなってバルブシート部材が自ら安定した位置に移動でき、良好なシール性能を発揮できる。

　本発明のバルブシート部材によれば、円筒部をバルブ筐体の開口部に嵌合させるだけで組み付けることができるので、組付が簡単であり、変位部材の変位量が小さい場合でも、安定した開閉性能を得ることができる。

（ａ）は本発明に係るバルブシート部材の一例の外観斜視図、（ｂ）は半断面斜視図である。図１のバルブシート部材を用いたマイクロバルブの開弁状態の一部拡大断面図である。図１のバルブシート部材を用いたマイクロバルブの閉弁状態の一部拡大断面図である。本発明に係るマイクロバルブの第１実施例の全体斜視図である。図４に示すマイクロバルブの分解斜視図である。図４のVI－VI線断面図である。図４のVII －VII 線断面図である。閉弁時における図４のVII －VII 線断面図である。開弁時における他の形態の図４のVII －VII 線断面図である。本発明に係るマイクロバルブの第２実施例を燃料供給装置に適用した構成図である。本発明に係るマイクロバルブの第３実施例の要部断面図である。本発明に係るマイクロバルブの第４実施例の要部断面図である。

　以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

（バルブシート部材の第１実施例）
　図１～図３は、本発明に係るバルブシート部材１７の一例を示す。バルブシート部材１７は、図１に示すように、中心に貫通孔１７ｂを有する円筒部１７ａと、この円筒部１７ａの軸方向一端部の外周に形成された円筒部より大径な円盤状のフランジ部１７ｃとを一体に備えている。フランジ部１７ｃの外周部には、フランジ部１７ｃより厚肉な環状のシール部１７ｄが全周に形成されている。バルブシート部材１７としては、フッ素、シリコン、ＥＰＤＭ等のゴム材料により一体成形したものが望ましい。円筒部１７ａはバルブ筐体１０の一部を構成する天板１５の開口部１５ａに嵌合され、シール部１７ａは天板１５の上面（シール面１５ｃ）に当接している。この実施例のシール部１７ｄは円環状でかつ断面が円形である。シール部１７ｄの断面形状は円形に限らないが、天板１５のシール面１５ｃと変位部材２０とに線接触できるように、フランジ部１７ｃの表裏方向に突出した環状リブとするのが望ましい。

　図２は開弁状態（変位部材２０がバルブシート部材１７に対して離れている状態）を示す。天板１５の上部には開口部１５ａとの対向方向へ変位自在な変位部材２０が配置され、天板１５と変位部材２０との間にバルブ室１６が形成されている。バルブシート部材１７の円筒部１７ａは天板１５の開口部１５ａの中に、半径方向及び軸方向に移動自在に嵌合されている。円筒部１７ａの直径は開口部１５ａの直径より小さく、円筒部１７ａと開口部１５ａとの間に流体が通過できる隙間δが形成されている。シール部１７ｄはシール面１５ｃ及び変位部材２０に対して接離自在であり、円筒部１７ａが開口部１５ａの一方側に偏っても、シール部１７ｄが常にシール面１５ｃ上にあるように、隙間δが設定されている。例えば円筒部１７ａの直径をＤ１、シール部１７ｄの中点の直径をＤ２、開口部１５ａの直径をＤ３とすると、
　　　　　　　　　　　　　　Ｄ１＋Ｄ２＞２×Ｄ３
に設定されている。

　また、円筒部１７ａの長さＬ１は、変位部材２０が天板１５に対して逆方向に最大限変位したときでも、円筒部１７ａが開口部１５ａから外れない長さとされている。つまり、変位部材２０とシール面１５ｃとの最大距離をＬ２、シール部１７ｄの厚さをＬ３とすると、
　　　　　　　　　　　　　　Ｌ１＞Ｌ２－Ｌ３
に設定されている。換言すれば、円筒部長さＬ１は変位部材２０の変位量（Ｌ２－Ｌ３）より長い。バルブの取り付け性を阻害しないために、円筒部１７ａの長さＬ１を天板１５の厚み以下とするのがよい。なお、この実施例では、円筒部長さＬ１をシール部１７ｄの下面から円筒部１７ａの先端までの距離としている。

　開弁状態では、円筒部１７ａと開口部１５ａとの隙間δを通る流路と、円筒部１７ａの中央の貫通孔１７ｂを通る流路との２系統の流路を確保することによって、バルブシート部材１７の姿勢によらず流体を流通させることが可能となる。すなわち、図２の（ａ）のようにバルブシート部材１７がシール面１５ｃに接触している場合には、貫通孔１７ｂを介した流路が形成され、図２の（ｂ）のようにバルブシート部材１７が変位部材２０に接触している場合には、円筒部１７ａと開口部１５ａとの隙間δを介した流路が形成される。なお、図２の（ｂ）はバルブを上下反転した姿勢とした場合である。このようにバルブシート部材１７が如何なる姿勢であっても、流路を確保することができるので、バルブの取付姿勢によって特性が変化することがない。図２では開口部１５ａが流出口の例を示したが、流入口であってもよい。つまり、流体の流れの方向は、バルブ室１６から開口部１５ａを介して外部へ流れる場合に限らず、開口部１５ａからバルブ室１６へ流体が流れ込む場合でも、本バルブシート部材１７を用いることができる。

　図３は閉弁状態（変位部材が開口部に対して近づく方向に変位した状態）を示す。変位部材２０の変位によって、シール部１７ｄがシール面１５ｃと変位部材２０とで挟持され、２系統の流路を同時に閉じる。そのとき、図３の（ａ）のように円筒部１７ａが開口部１５ａの中央に位置するとは限らず、図３の（ｂ）に示すように円筒部１７ａが開口部１５ａの一方側に偏ることもあるが、その場合でもシール部１７ｄが常にシール面１５ｃ上にあるので、シール性を損なわない。特に、シール部１７ｄが断面円形の場合、変位部材２０及びシール面１５ｃとに対して線接触できるので、面圧が高くなり、シール性がさらに良好となる。

　前述のようにバルブシート部材１７がバルブ筐体１０に対して固定されていないので、変位部材２０の動きにともなってバルブシート部材１７が自ら安定した位置に移動でき、良好なシール性能を発揮できる。また、シール部１７ｄ、シール面１５ｃ、変位部材２０、開口部１５ａ等の表面にゴミ等が付着した場合でも、バルブシート部材１７が一定範囲内で移動自在であるから、開口部１５ａを流れる流体によってゴミを除去するセルフクリーニング効果を発揮することが可能である。

（マイクロバルブの第１実施例）
　図４～図９は、前述のバルブシート部材１７を適用したマイクロバルブの第１実施例を示す。本実施例のマイクロバルブＡは、メタノールなどの液体の流れを制御するアクティブバルブとして用いられる。マイクロバルブＡは、金属材料または樹脂材料のような硬質材料よりなる箱型のバルブ筐体１０と、長方形板状のアクチュエータ（変位部材）２０とを備えている。バルブ筐体１０は、図５に示すように、アクチュエータ２０より幅広な長方形平板状の底板１１と、底板１１の上面に配置された、内幅寸法がアクチュエータ２０より幅広な長方形枠状の第１枠体１２と、第１枠体１２の長辺に沿った両側部の上面に配置された、アクチュエータ２０の厚みとほぼ同等な厚みを有する一対のコ字形押え板１３と、アクチュエータ２０と押え板１３との上面に配置された、第１枠体１２と同一形状の第２枠体１４と、第２枠体１４の上面に配置された天板１５とを積層接着したものである。アクチュエータ２０の長さ方向両端部がバルブ筐体１０で固定的に保持され、アクチュエータ２０の長さ方向中央部が変位自在となっている。

　この実施例では、天板１５の中央位置に流出口（開口部）１５ａを形成し、片側に寄った位置に流入口１５ｂを形成してあり、中央の開口部１５ａがアクチュエータ２０によって開閉される。天板１５の内側面であって開口部１５ａの周囲には、平坦なシール面１５ｃが形成されている。なお、中央位置に流入口（開口部）１５ｂを形成し、片側に寄った位置に流出口１５ａを形成してもよい。つまり、バルブシート部材１７が嵌合される開口部は流出口１５ａでも流入口１５ｂでもよい。また、開口部を底板１１に形成してもよい。前記各部品１１～１５はアクチュエータ２０を間にして積層接着され、バルブ筐体１０を構成している。底板１１と天板１５との間にアクチュエータ２０が変位できるバルブ室１６が形成されている。バルブ室１６に面する開口部１５ａには、ゴム製のバルブシート部材１７が非固定状態で配置されている。図６～図９では、天板１５が下側で、底板１１が上側になる向きにマイクロバルブＡを配置した場合を示している。したがって、バルブシート部材１７はアクチュエータ２０の下側に位置している。

　図８は圧電素子２１にその中央部が下に凸となる向きに直流電圧を印加し、バルブを閉じた状態を示す。アクチュエータ２０の中央部は変位してバルブシート部材１７のシール部１７ｄをシール面１５ｃとの間で挟持するため、開口部１５ａを確実に閉鎖できる。閉弁状態で流入口１５ｂから高い圧力が作用しても、その圧力は圧電素子２１の下面側だけでなく上面側にも同等に作用するので、高い電圧を印加しなくても閉弁状態を維持できる。

　図９はバルブ開状態の他の例を示し、圧電素子２１にその中央部が上に凸となる向き（開口部１５ａと逆向き）に直流電圧を印加した状態を示す。アクチュエータ２０を上方に変位させることで、バルブシート部材１７とアクチュエータ２０との距離を拡大でき、流路空間を拡大して開弁時における流体抵抗を低減できる。なお、開弁時に図９のようにアクチュエータ２０を上向きに変位させることは必ずしも必要でなく、電圧を印加しない状態（図７）を開弁時としてもよい。つまり、図７に示す開弁状態と図８に示す閉弁状態との２位置に変化させるだけでもよい。

　図７～図９では、アクチュエータ２０の変位を強調するため、アクチュエータ２０の中央部の変位量を大きく記載し、アクチュエータ２０とバルブシート部材１７との距離も長く記載したが、実際にはアクチュエータ２０の中央部の変位量は小さく（例えば±１００μｍ以下程度）、アクチュエータ２０とバルブシート部材１７との距離も非常に狭い。そのため、図９のように開弁時にアクチュエータ２０を開口部１５ａと逆向きに変位させることが流路抵抗を低減するのに効果的である。なお、アクチュエータ２０が図９のように逆向きに変位しても、バルブシート部材１７が開口部１５ａから脱落しないように、円筒部１７ａの長さＬ１が設定されていることは図２で説明した通りである。

　本実施例のアクチュエータ２０は、長方形板状に形成されたバイモルフ型圧電素子２１よりなる。圧電素子２１は長さ方向中央側の第１領域Ｓ１と長さ方向両端側の第２領域Ｓ２とを有し（図７参照）、圧電素子２１に印加される電圧により第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とが逆方向に屈曲変位するものである。つまり、中央側の第１領域Ｓ１が上に凸に変位するとき、両側の第２領域Ｓ２は下に凸に変位し、逆に中央側の第１領域Ｓ１が下に凸に変位するとき、両側の第２領域Ｓ２は上に凸に変位する。そのため、長さ方向両端部をバルブ筐体１０に固定しても、長さ方向中央部に大きな変位量を得ることができる。

　圧電素子２１のバルブ室１６と面する部位の周囲は、液体と接触しないように絶縁フィルム３０，３１で覆われている。絶縁フィルム３０，３１は圧電素子２１の変位を実質的に拘束しない柔らかい薄い膜であり、ガスバリア性が高く、流体によって浸食されない材質が好ましい。絶縁フィルム３０，３１を含む圧電素子２１の長さ方向両端部は、第１枠体１２の長さ方向両端部の上面に橋渡し状に配置され、その上から押え板１３、第２枠体１４を介して天板１５を接着することにより、圧電素子２１の両端部を除く部位が密閉されたバルブ室１６の中に変位自在に配置される。このとき、絶縁フィルム３０，３１で覆われていない圧電素子２１の一端部がバルブ筐体１０から露出し、その露出部に給電用配線３２が接続されている（図４参照）。

　絶縁フィルム３０，３１の幅方向両側部（圧電素子２１の長辺に沿った両側部）には、スリット状の連通穴３０ａ，３１ａが形成されており、これら連通穴３０ａ，３１ａはバルブ室１６内に位置している。連通穴３０ａ，３１ａの長さは、バルブ室１６の長手方向の寸法とほぼ等しい。そのため、圧電素子２１はその長さ方向両端部がバルブ筐体１０によって固定的に保持されているのに対し、幅方向両側部はバルブ筐体１０に対して自由に変位できる。さらに、絶縁フィルム３０，３１の連通穴３０ａ，３１ａを通って、流入口１５ｂから入った流体の圧力は、圧電素子２１の表面側（流出口１５ａと対面する側）だけでなく裏面側にも作用するので、圧電素子２１の両面の圧力が同圧となり、比較的小さい駆動力で流出口１５ａを閉じることができる。特に、流出口１５ａを圧電素子２１で開閉する構造の場合、閉弁状態で圧力の高い流入口１５ｂからの背圧によって圧電素子２１が流出口１５ａに押しつけられるので、液体の流出をより確実に防止できる。なお、アクチュエータ２０としては上述のような圧電素子で構成したものに限らず、金属板に圧電素子を貼り付けたユニモルフ構造や、金属板の両面に圧電素子を貼り付けたバイモルフ構造でもよい。さらに、形状も長方形に限らず、円板形状でもよい。また、アクチュエータに電気信号を印加しない状態で開口部が開かれた常開型のバルブに限らず、常閉型のバルブとすることもできる。

（マイクロバルブの第２実施例）
　図１０は第２実施例のマイクロバルブを、燃料電池の供給装置に適用した例を示す。この供給装置は、概略、燃料カートリッジ４０、耐圧用バルブ４１、マイクロポンプ４２、及びマイクロバルブ５０で構成されている。燃料カートリッジ４０に収容されている燃料（例えばメタノール）は、耐圧用バルブ４１及びマイクロポンプ４２を介してマイクロバルブ５０から発電セル４３に供給される。

　本マイクロバルブ５０は、マイクロポンプ４２の動きに伴って開弁する受動バルブの例であり、上下２つのケース５１ａ，５１ｂで構成されたバルブ筺体５１と、ケース５１ａ，５１ｂの間に挟まれ、バルブ筺体５１内を第１バルブ室５２と第２バルブ室５３に分割するダイヤフラム（変位部材）５４とで構成されている。バルブ筐体５１は金属又は樹脂等の硬質材料で形成され、ダイヤフラム５４は薄肉な樹脂板又は金属板で形成されている。第１バルブ室５２には、発電セル４３に接続された第１流出穴５５（開口部）と、マイクロポンプ４２の吐出口に接続された第１流入穴５６とが形成されている。第２バルブ室５３には、耐圧用バルブ４１から燃料が供給される第２流入穴５７と、マイクロポンプ４２の吸入口に接続された第２流出穴５８とが形成されている。開口部５５には、図１～図３に示したバルブシート部材と同じバルブシート部材１７の円筒部１７ａが隙間δをもって嵌合されている。

　なお、マイクロポンプ４２は吸入口及び吐出口にそれぞれ逆止弁を備えた周知のものである。また、燃料カートリッジ４０、耐圧用バルブ４２及び発電セル４３も周知のものであり、その詳細な説明は省略する。耐圧用バルブ４２は必ずしも必要なものではない。

　ここで、マイクロバルブ５０の動作原理について説明する。第２バルブ室５３内の流体がダイヤフラム５４の上面に下向きに作用する力をＦ２、第１バルブ室５２内の流体がダイヤフラム５４の下面に上向きに作用する力をＦ１とすると、Ｆ１，Ｆ２は受圧面積×流体圧力で与えられる。第１バルブ室５２内において、バルブシート部材１７のシール部１７ｄより内側の面積はダイヤフラム５４の下側受圧面積からは除かれるので、第２バルブ室５３側の受圧面積は第１バルブ室５２側の受圧面積よりも大きい。Ｆ２＞Ｆ１の場合、ダイヤフラム５４がバルブシート部材１７を押し込むため、開口部５５は第１バルブ室５２に対して閉じられる。一方、Ｆ１＞Ｆ２になると、ダイヤフラム５４が浮き上がり開口部５５が第１バルブ室５２に対して開かれる。

　燃料は燃料カートリッジ４０から第２バルブ室５３に流入し、さらに、ポンプ４２の吸入口へ流入する。ポンプ４２の非駆動時には、第１バルブ室５２の流体圧力Ｐ１が、第２バルブ室５３の流体圧力Ｐ２に比べて、ポンプ４２による圧力損失分だけ小さくなるので、Ｐ２＞Ｐ１となる。従って、ダイヤフラム５４の上下に作用する力はＦ２＞Ｆ１となり、開口部５５は閉じられ、燃料が開口部５５から供給されることはない。ポンプ４２が駆動されて燃料が第１バルブ室５２に供給されると、圧力Ｐ１は徐々に大きくなり、Ｆ２＜Ｆ１となると、ダイヤフラム５４が変位して開口部５５が開かれ、燃料は開口部５５から発電セル４３に供給される。

　図１０に示すように、バルブシート部材１７がダイヤフラム５４の下方になる姿勢でマイクロバルブ５０が配置された場合には、ダイヤフラム５４が上方へ変位した時、ダイヤフラム５４とバルブシート部材１７とが離れ、第１バルブ室５２内の流体をバルブシート部材１７の貫通穴１７ｂを通って排出できる。しかし、本マイクロバルブ５０を上下逆転した姿勢で使用した場合には、ダイヤフラム５４が第２バルブ室５３側へ変位したとき、バルブシート部材１７もダイヤフラム５４と接触したまま変位する可能性がある。その場合でも、バルブシート部材１７の円筒部１７ａと開口部５５との間には隙間δが設けられているので、この隙間δを通って第１バルブ室５２内の流体を排出することができる。

　ポンプ４２の非駆動時には、第１バルブ室５２と第２バルブ室５３の受圧面積差によってＦ２＞Ｆ１となるので、ダイヤフラム５４はバルブシート部材１７に圧接する。そのため、常時は開口部５５を閉じることができ、信頼性の高いマイクロバルブを実現できる。環境温度の上昇などによって燃料カートリッジ４０内の圧力が高まると、燃料が第２バルブ室５３を経由してポンプ４２へ流入する。ポンプ４２には逆止弁が設けられているが、順方向への流れを阻止することはできないため、発電セル４３に燃料を過剰供給する恐れがある。このような場合、本マイクロバルブ５０にあっては、第２バルブ室５３の圧力Ｐ２が高くなっても、ダイヤフラム５４がバルブシート部材５０を押し付ける圧力として作用するだけであり、Ｆ２＞Ｆ１の関係が維持されるので、開口部５５の閉弁状態が保持されて燃料の過剰供給を防ぐことができる。

（マイクロバルブの第３実施例）
　図１１はマイクロバルブの第３実施例を示す。バルブシート部材１７は図１～図３に示したものと同じである。バルブ筐体１５の開口部１５ａの直径は、バルブシート部材１７の円筒部１７ａが容易に摺動できるように、円筒部１７ａより僅かに大きい直径を持つ。開口部１５ａの内面には、軸方向に延びる１つ又は複数の縦溝１５ｄが形成され、この縦溝１５ｄによって隙間δが形成されている。隙間δの幅は、バルブシート部材１７のシール部１７ｄが接触するシール面１５ｃの位置にまで至らない幅とする必要がある。本実施例では、バルブシート部材１７はバルブ筐体１５に対して軸方向及び回転方向には容易に動くが、半径方向には殆ど移動しない。そのため、バルブシート部材１７のシール部１７ｄとシール面１５ｃ及び変位部材２０との接触位置が一定となり、安定したシール性を保持できる。

（マイクロバルブの第４実施例）
　図１２はマイクロバルブの第４実施例を示す。この実施例は、バルブシート部材１７Ａのシール部１７ｅの形状が図１～図３に示したものと異なるだけで、他の構造は同じである。シール部１７ｅは、断面が三角形状で、フランジ部１７ｃの表裏方向に突出している。この場合も、シール部１７ｅとバルブ筐体１５のシール面１５ａ、及び変位部材２０とが線接触するので、シール性が良好となる。

　本発明は前記実施例に限定されるものではなく、種々変更が可能である。本発明のマイクロバルブは小型・低背に構成できるため、パソコン等の携帯機器の燃料電池用燃料供給経路や、冷却水の循環経路等に使用されるアクティブバルブ、又は受動バルブとして有効である。ただし、これらの用途に限るものではない。

Ａ　　　　　　　　　マイクロバルブ
１０　　　　　　　　バルブ筐体
１５　　　　　　　　天板
１５ａ　　　　　　　開口部
１５ｃ　　　　　　　シール面
１６　　　　　　　　バルブ室
１７　　　　　　　　バルブシート部材
１７ａ　　　　　　　円筒部
１７ｂ　　　　　　　貫通孔
１７ｃ　　　　　　　フランジ部
１７ｄ　　　　　　　シール部
２０　　　　　　　　アクチュエータ（変位部材）
２１　　　　　　　　圧電素子
４０　　　　　　　　燃料カートリッジ
４２　　　　　　　　マイクロポンプ
４３　　　　　　　　発電セル
５０　　　　　　　　マイクロバルブ
５１　　　　　　　　バルブ筐体
５４　　　　　　　　ダイヤフラム（変位部材）
５５　　　　　　　　開口部

Claims

　開口部を有するバルブ筐体と、
　前記開口部との対向方向に変位可能な変位部材と、
　前記開口部に配置され、前記バルブ筐体と変位部材との間をシールするバルブシート部材と、を備えたマイクロバルブにおいて、
　前記バルブシート部材は、前記開口部に所定の隙間をもって嵌合され、中心に貫通孔を有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一端部に形成された円筒部より大径なフランジ部と、前記フランジ部の外周部に当該フランジ部より厚肉に形成されたシール部とを有し、
　開弁状態において、前記貫通孔を通る流路と、前記円筒部と開口部との隙間を通る流路との少なくとも一方が開かれ、閉弁状態において、前記シール部が前記開口部の周囲に形成されたバルブ筐体のシール面と前記変位部材との間で挟持されることを特徴とするマイクロバルブ。
　前記円筒部は、前記バルブシート部材が前記開口部に対して半径方向に最大限移動したときに前記シール部がシール面から外れない直径と、前記変位部材が開口部と逆方向に最大限変位したときに前記円筒部が開口部から外れない長さとを有する請求項１に記載のマイクロバルブ。
　前記シール部は断面円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロバルブ。
　前記変位部材は電気信号を印加することにより板厚方向に屈曲変位するアクチュエータで構成されており、
　前記アクチュエータの周辺部又は両端部が前記バルブ筐体に保持されており、
　前記アクチュエータの中央部で前記バルブシート部材のシール部を押圧することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロバルブ。
　前記変位部材は前記バルブ筐体内を２つのバルブ室に分割するダイヤフラムで構成され、
　前記バルブシート部材は一方のバルブ室に形成された開口部に配置されており、
　前記２つのバルブ室の圧力差によってダイヤフラムが変位し、ダイヤフラムによって前記バルブシート部材のシール部を押圧することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロバルブ。
　開口部を有するバルブ筐体と、前記開口部との対向方向に変位可能な変位部材とを備えたマイクロバルブに使用され、前記変位部材が前記開口部を閉じる際にシール効果を発揮するバルブシート部材において、
　前記開口部に所定の隙間をもって嵌合され、中心に貫通孔を有する円筒部と、前記円筒部の軸方向一端部に形成された円筒部より大径なフランジ部と、前記フランジ部の外周部に当該フランジ部より厚肉に形成され、前記開口部の周囲に形成されたバルブ筐体のシール面と前記変位部材との間で挟持可能なシール部とを有することを特徴とするバルブシート部材。