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微型閥及制造微型閥的方法

文檔序號:5574610閱讀:274來源:國知局
專利名稱:微型閥及制造微型閥的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一個(gè)權(quán)利要求1類型的微型閥和一個(gè)按照權(quán)利要求11的類型制造微型閥的方法。
在DE-OS4221089中已公開了一個(gè)由連接的層件組成的微型閥。此處描述的微型閥由三個(gè)層形的依次安裝的構(gòu)件組成。這些構(gòu)件由塑料或鋁制成。該微型閥的閉合元件由包含金屬粉未的塑料成型制成并由多個(gè)層件構(gòu)成。為了制造該閥門應(yīng)用了塑料加工程序,特別是注塑工藝或沖制以做結(jié)構(gòu)成型。所用塑料的強(qiáng)度或化學(xué)抗蝕性總不能理想地適應(yīng)于給定的工作環(huán)境。
本發(fā)明具有權(quán)利要求1特征內(nèi)容的微型閥具有優(yōu)點(diǎn)是,它可以成本特別低廉和簡單的型式及方法用金屬制造。依此,可使微型閥獲得所有積極的金屬特性。對于這些單個(gè)金屬的,電鍍法沉積的微型閥構(gòu)件可以在低的生產(chǎn)成本的同時(shí)保證很小的公差,因此完全優(yōu)于現(xiàn)有可能的微型閥制作技術(shù)。
在本發(fā)明微型閥中特別有利的是,在閥閉合件上沒有如在公知的微型閥中存在的力和力矩的平衡補(bǔ)償問題。以往的壓力平衡的微型閥具有大的高負(fù)載的薄膜件。根據(jù)本發(fā)明對壓力平衡微型閥的結(jié)構(gòu)設(shè)置,獲得的優(yōu)點(diǎn)是,不需要機(jī)械高負(fù)載的膜片作為構(gòu)件了。閥門行程,所開關(guān)的流體壓力和微型閥的側(cè)向尺寸(x-y方向上的尺寸)相互之間的依賴性省去了。因此,可以制成具有小容積流量的和大閥門行程的變型方案。
通過在從屬權(quán)利要求中記載的措施可以實(shí)現(xiàn)對權(quán)利要求1限定的微型閥做出有利的變型和改進(jìn)。
特別有利的是,對用電鍍金屬沉積法在微型閥上形成的不同霧化結(jié)構(gòu)可以很簡單的方式組合起來。這樣可以毫問題地沉積成金屬的層件,它們最終形成一個(gè)所謂的S-型-噴射孔盤或一個(gè)環(huán)縫噴嘴。用這種在微型閥上電鍍沉積成的環(huán)縫噴咀可以實(shí)現(xiàn)流體一個(gè)特別均勻的精細(xì)霧化。為此該環(huán)縫噴咀具有至少一個(gè)不中斷的環(huán)縫,為的是,噴射的流體可直接在環(huán)縫的下游構(gòu)成一個(gè)關(guān)聯(lián)的,環(huán)形的射流薄層。這個(gè)薄層在朝下游的方向上,隨著增大的直徑便破碎成最小的微滴。
在應(yīng)用微型閥之S型噴射孔盤情況下優(yōu)點(diǎn)是,除了得到一個(gè)高的霧化特性結(jié)果以外,還可以產(chǎn)生奇異的射流。這種孔盤為了適應(yīng)一個(gè),兩個(gè)和多個(gè)射流可使射流橫截面實(shí)現(xiàn)無數(shù)個(gè)變型方案如直角,三角,十字或橢圓。這種非傳統(tǒng)的射流形式可達(dá)到一個(gè)精確理想地適應(yīng)于給定的幾何結(jié)構(gòu),例如在將微型閥應(yīng)用為燃料噴射閥時(shí)要適應(yīng)于內(nèi)燃機(jī)不同的進(jìn)氣管橫截面。
相對于普通型的噴射閥,這種微型閥之小的結(jié)構(gòu)體積,較小的驅(qū)動功率要求和較短的開關(guān)時(shí)間是很有利的。
本發(fā)明具有權(quán)利要求11特征內(nèi)容的制造微型閥的方法具有優(yōu)點(diǎn)是,微型閥的構(gòu)件可以再生產(chǎn)的方式特別精確地制造,同時(shí)成本低廉適于大批量生產(chǎn)。因?yàn)樗鼈優(yōu)榻饘俚慕Y(jié)構(gòu)??梢杂煤芎唵魏统杀镜土姆椒ǎ缤ㄟ^粘接,釬焊或焊接,就可裝配到另外的閥門構(gòu)件上如一個(gè)缽形磁體上。本發(fā)明方法步驟可允許一個(gè)極大的方案設(shè)置自由度,因?yàn)槲⑿烷y的結(jié)構(gòu)輪廓是盡可能自由可選擇的。同時(shí),安照有利的方式,這些方法如UV-深度平版印刷術(shù),干腐蝕或燒蝕,可與微型電鍍(由含水的電解液進(jìn)行的金屬沉積)相組合,為的是依次地沉積出總是具有新結(jié)構(gòu)的薄金屬層。這種程序適合于為微型閥構(gòu)成兩個(gè)或三個(gè)或多個(gè)層件。
通過在從屬權(quán)利要求中記載的措施就可對權(quán)利要求11確定的制造微型閥方法作出有利的變型和改進(jìn)。
特別有利的是,微型閥的兩個(gè)層件設(shè)置在一個(gè)電鍍步驟中,同時(shí),可以應(yīng)用電鍍技術(shù)的所謂“側(cè)向過度生長”。其中,不用附加設(shè)置一個(gè)電鍍起始層和一個(gè)新的光阻層,該金屬的增長就可按要求繼續(xù)超出前面層的光阻層結(jié)構(gòu)。借助這種側(cè)向過度增長就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)明顯的成本節(jié)省和時(shí)間節(jié)約。
另外的優(yōu)點(diǎn)和有利的結(jié)構(gòu)方案給出在說明書中。
本發(fā)明的實(shí)施例示意地描繪在附圖中并在下面的說明書中作詳細(xì)闡述。


圖1是通過一個(gè)第一微型閥的截面圖;圖2是通過一個(gè)第二微型閥的截面圖;圖3是通過一個(gè)帶S型噴射孔盤的第三微型閥的截面圖4是通過一個(gè)帶環(huán)縫噴嘴的第四微型閥的截面圖;圖5是通過一個(gè)帶可運(yùn)動的環(huán)縫噴嘴的第五微型閥的截面圖;圖6是通過一個(gè)帶S型噴孔盤的第六微型閥的截面圖;圖7是示意地表明制做一個(gè)閥閉合件的程序圖,其帶有組合的用于微型閥的環(huán)縫噴嘴;和圖8示意地表明一個(gè)微型閥之電鍍沉積成層件的橫向過度增長程序圖;在圖1是用截面圖描述的微型閥1主要由兩個(gè)配合作用的基本構(gòu)件構(gòu)成,它們是一個(gè)用于操作微型閥1的電磁驅(qū)動裝置2和一個(gè)帶有實(shí)施閥功能的操作件3的閥下件17。該驅(qū)動裝置2例如用一個(gè)圓筒形的缽形磁體5構(gòu)成,其中,組合一個(gè)電磁線圈6。同時(shí),該圍繞閥縱軸線8對中構(gòu)成的電磁線圈6是徑向上往里和往外完全被缽形磁體5包圍的。在微型閥1之與操作件3相反對置的端側(cè)上,從微型閥1引出例如兩個(gè)線圈接頭9,通過它們,確保電磁線圈6的電流供給。
因?yàn)?,缽形磁體5在微型閥1的上部分中沒有運(yùn)動的密封的構(gòu)件,因此,為了其制造就可以應(yīng)用例如具有相對較低公差要求的精加工制造工藝,如沖壓,模壓,粉未噴鑄,切削加工的加工步驟,腐蝕或金屬-噴注-模制工藝。這種公知的金屬-噴注-模制工藝特別在制造缽形磁體5時(shí)應(yīng)用并包括用一種金屬粉未和一結(jié)合劑制造成型件、例如和一種塑料結(jié)合劑且例如在傳統(tǒng)的塑料噴注機(jī)上制造成型件;然后將結(jié)合劑去除并將遺留的金屬粉未架燒結(jié)而成。同時(shí)該金屬粉未的組分可以簡單的方式調(diào)制到缽形磁體5之希望最佳的磁特性上。
該電磁線圈6可以制成傳統(tǒng)的繞制線圈具有一個(gè)或多個(gè)繞組或者制成沖壓件或者借助一個(gè)多層的薄層結(jié)構(gòu)或厚層結(jié)構(gòu)制成沖制件。當(dāng)設(shè)置一個(gè)密集的由繞組構(gòu)成的線圈時(shí),它還可以金屬條的形式壓入缽形磁體5中。該磁性線圈6和缽形磁體5在這種情況下設(shè)有抗磨的絕緣層。該設(shè)有磁性線圈6的缽形磁體5與閥門下件17的殼體12例如通過粘接,焊接或釬焊相連接,而閥門下件17在遠(yuǎn)離缽形磁體5的端側(cè)上和徑向上盡可能地包圍住操作件3。該殼體12是缽形或杯形結(jié)構(gòu)并因此具有一個(gè)開口區(qū)域14,其中,嵌置著操作件3。在微型閥1之軸向上下游構(gòu)成末端的殼體12之底板15具有一個(gè)例如和閥縱軸線8對中構(gòu)成的排出孔16,它直接與開口區(qū)域14相連通。殼體12和操作件3一起并包括底板15和可能時(shí)在底板15上組合的孔板或噴嘴板構(gòu)成了該閥門下件17。該缽形磁體5最終以它的外邊界形成該微型閥11之整個(gè)殼體的一部分。
在殼體12之開口區(qū)14中安置的操作件3由兩個(gè)相互固定連接的金屬層件構(gòu)成,其中,對著缽形磁體5的層件是一個(gè)板形的有圓形橫截面的銜鐵18和對著底板15的層件是一個(gè)盤形的閥閉合元件20。該軟磁性銜鐵18例如具有一個(gè)比閥閉合件20要大的直徑以及較大的軸向延伸(厚度)度。這兩個(gè)構(gòu)成操作件3的元件一起填充了該開口區(qū)14例如約3/4。在微型閥1的整個(gè)直徑例如為10至12mm時(shí),該銜鐵18例如具有一個(gè)直徑為7,5mm,而閥閉合件20例如具有一個(gè)直徑為5.5mm。該金屬層件,亦即銜鐵18的,閥閉合件20和底板15的厚度則一般處于0.1至1mm的區(qū)域內(nèi)。這些對微型閥1的尺寸所做的數(shù)值確定以及所有另外的在說明書中給定的數(shù)值僅僅用于更好地理解本發(fā)明,但決不是對本發(fā)明的限定。
該操作件3具有一個(gè)和殼體12的直接連接,因?yàn)樵跉んw12的環(huán)形壁22和銜鐵18之間設(shè)置了搭橋式的類似葉片形的彈簧元件24,該環(huán)形壁22在缽形磁體5和底板15之間延伸。這些例如三個(gè),相互以間隔120°安置的并通過開口區(qū)14徑向延伸的彈簧元件24例如具有一個(gè)為0.1mm的厚度和為0.5mm的寬度。該彈簧元件24的長度是由銜鐵18和壁件22的尺寸限定產(chǎn)生的。在銜鐵18之對著缽形磁體5的上邊端面?zhèn)?5上并在其外邊圓周區(qū)域上構(gòu)成有限位柱銷27。在閥閉合件20上并在朝著底板15的方向上設(shè)有密封環(huán)28,它從該盤形閥閉合件20的下端面29伸出;而形成真正的閥閉合件。該密封環(huán)28被設(shè)置為該閥閉合件20之環(huán)繞的、圓環(huán)形的,并具有較小寬度的突起。該底板15的一個(gè)上邊的端面?zhèn)炔⒅辽僭谄渑c閥閉合件20之密封環(huán)28相對應(yīng)的區(qū)域中形成一個(gè)閥座表面。
這種被開關(guān)的流體例如一種象汽油的燃料,通過一個(gè)或多個(gè)在壁部22中用于流體進(jìn)口的例如徑向配置的通道22按照給定的箭頭方向被帶至高壓部分亦即微型閥1的開口區(qū)14中。如果該閥被激勵,則電磁驅(qū)動裝置2在操作件3上施加一個(gè)吸力。該密封環(huán)28就從閥座表面30上提起,所以該微型閥1釋放一個(gè)流體流到閥1的排出孔16。同時(shí)該銜鐵18以它的限位柱銷28限位在缽形磁體5上。該操作件3的行程是通過開口區(qū)14的高度以及限位柱銷27的高度決定的。此外,該限位柱銷27還防止該銜鐵28粘牢在缽形磁體5上。在缽形磁體5斷電以后,該銜鐵18就與閥閉合件20被開口區(qū)14中的流體和彈簧元件24朝閥座表面30的方向推動;因而該閥1被關(guān)閉。因此,在操作件3之兩個(gè)描述的終端位置之間的運(yùn)動就代表了上述行程。操作件3的開啟運(yùn)動和關(guān)閉運(yùn)動用一個(gè)軸向延伸的雙箭頭表明。在銜鐵18上的關(guān)閉力就是彈簧元件24的彈性力加上液壓力F,而液壓力F等于開口區(qū)14和閥出口之間壓力差ΔP再乘以閥出口表面積A亦即F=ΔP×πr2。該整個(gè)的微型閥1例如具有一個(gè)軸向長度為10至15mm,因此,它很緊湊和僅需要很小的結(jié)構(gòu)空間。在微型閥1的應(yīng)用中例如作為內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射閥時(shí),相對于現(xiàn)今傳統(tǒng)的噴射閥由于該微型閥1微小的尺寸就可使結(jié)構(gòu)空間縮小多倍即為1/3到1/10。
在下面的附圖中描述的實(shí)施例情況下,那些和相對圖1描述的實(shí)施例為相同的或相同作用的構(gòu)件用相同的編號表示。在圖2中描述一個(gè)微型閥1,它與圖1表示的微型閥1僅在底板15的范圍內(nèi)有區(qū)別。現(xiàn)在該底板15例如在閥1的下游端部加有一個(gè)附加的金屬層件,它形成一個(gè)噴射孔板34。在其中央的朝著閥縱軸線8所處的區(qū)域中,該噴射孔板34具有至少一個(gè),典型方式為4個(gè)的噴射孔35,其連接在底板15的排出孔16上。該噴射孔板34可以是單層底板15的構(gòu)件并因此可以組合在殼體12中或者可以是一個(gè)獨(dú)立的層件附加到底板15上或者可以完全代替該底板15并因此帶有該閥座表面30。一個(gè)孔板37的表面積在閥1打開時(shí)形成于閥座表面30和密封環(huán)28之間,這個(gè)表面積是噴射孔板34之噴射孔35橫截面積總和的兩倍至四倍大。在打開的閥1情況下調(diào)節(jié)到如下的壓力分配上。在開口區(qū)域14中處于閥1的系統(tǒng)壓力上。在開口隙縫37處,下降一部分壓力;在至少一個(gè)噴射孔35處,下降了主要部分的壓力。在閥1之高壓部分和位于開口隙縫37及噴射孔35之間的空腔之間的壓力差,對于可靠地關(guān)閉微型閥1來說是足夠大的。
在圖3中描述的微型閥1之特別的特征在于,在底板15的區(qū)域中設(shè)置一個(gè)改進(jìn)的噴射區(qū)。該底板15例如設(shè)置成一個(gè)平坦的,圓形的,多層的盤件結(jié)構(gòu)(多層-噴射孔盤38)。如與前面實(shí)施例相類似,該噴射孔盤38可以是底板15的部分構(gòu)件或者可以在如此意義上代替底板15,即噴射孔盤38本身完全用作微型閥1的底部。在圖3的實(shí)施例中,該噴射孔盤38設(shè)置為一個(gè)所謂的“S-型-盤”,也就是說,在噴射孔盤38中的進(jìn)入和排出孔可以是相互錯(cuò)位地結(jié)構(gòu)設(shè)置,因此,在流過該噴射孔盤38的流體之流動中可以強(qiáng)制地形成“S-沖擊”。通過本發(fā)明用于制做微型閥1和特別是噴射孔盤38的方法步驟可獲得一個(gè)多層組裝而成的結(jié)構(gòu)。關(guān)于該制做方法,以后還要詳細(xì)說明,同時(shí),在此處,已經(jīng)描述了幾個(gè)重要的由本方法獲得的該噴射孔盤38的特征內(nèi)容。
該噴射孔盤38通過電鍍的沉積方式例如以三個(gè)金屬的層件構(gòu)成。由于這種深度平版印刷的(tiefenlithographisch),電鍍技術(shù)的制造方式就可在輪廓成型中得出特別的特征
-具有在整個(gè)盤表面上盡可能恒定厚度的層件;-通過這種深度平版印刷的結(jié)構(gòu)設(shè)置,在層件中形成盡可能垂直的切口,它們構(gòu)成相應(yīng)的流通的中空腔;-通過使單獨(dú)結(jié)構(gòu)化的金屬層件形成多層結(jié)構(gòu),所述切口形成希望的后相交(Hinterschneidungen)和覆蓋度;-切口具有任意的和具有盡可能平行壁部的橫截面形狀,如直角,多角,倒圓的直角,倒圓的多角,橢圓,圓形等。
這些單獨(dú)的層件被依次地以電鍍法沉積而成,因此,由于電鍍的粘附性,這種后續(xù)層就與其下邊的層件固定相連接。
一般說,該噴射孔盤38具有一個(gè)上邊的帶4個(gè)流入口42的層件41,一個(gè)下邊的帶4個(gè)流出口44的層件43和例如一個(gè)位于層件41和43之間的中間層件45。該流入口42例如靠近閥縱軸線8安置,同時(shí),該流出口44相對縱軸線8以較大間距安置并因此相對流入口42徑向上錯(cuò)位地安置。在中間層件45中延伸著4個(gè)徑向配置的通道46,它們使流入口42和流出口44構(gòu)成一個(gè)直接的連接。該通道46具有例如一個(gè)這樣的尺寸即它們在投影中剛好將流入口42和流出口44覆蓋。而且該流入口42和流出口44除了上述的徑向錯(cuò)位外還在圓周方向上為附加地錯(cuò)位設(shè)置。
通過這種所謂的在噴射孔盤38內(nèi)多個(gè)強(qiáng)烈地流動轉(zhuǎn)向的S-沖擊作用,這種流動就被形成一個(gè)強(qiáng)烈霧化的旋渦流。和流動成橫向的速度梯度也因此特別強(qiáng)烈地顯現(xiàn)出。它就是一個(gè)對和流動成橫向的速度變化的表征。同時(shí),在流動中央的速度明顯地大于壁附近的速度。這種由于速度差導(dǎo)致的流體中剪切力提高有利于在流出口44處分解為精細(xì)的霧滴。因?yàn)?,在流出口的流動,通過通道46導(dǎo)致的流體之徑向分速一方面被分離,所以它由于缺少了導(dǎo)引結(jié)構(gòu)流動不能穩(wěn)定。這樣,流體在分離的側(cè)邊具有一個(gè)特別高的速度,同時(shí)該流體的速度在朝流出口44的側(cè)邊由于靠置的流動而下降。因此,這種促進(jìn)霧化的旋渦前和剪應(yīng)力,在流出口不會消失。
以S-型盤形式的噴射孔盤38可以有多種方式的變型。因此可以想到的是,不用那種在中間層件45中將流入口42和流出口44相連接的通道46,而僅僅可以設(shè)置一個(gè)相關(guān)聯(lián)的例如圓環(huán)形的或方形的通道46。然后所有的流入口42通入這個(gè)通道46中;而所有的流出口44又再從該通道46中引出。該流入口42和流出口44可以相互按任意大的錯(cuò)位設(shè)置。通過這種錯(cuò)位的尺寸布置可以使噴射方向和旋渦度被調(diào)制或調(diào)節(jié)。除了該流入口42,流出口44和通道46為典型的方形或矩形的橫截面外,也可以簡單地制造成另外的橫截面幾何形狀,例如倒圓的矩形,或倒圓的方形,或圓形,扇圓形,橢圓形,扇橢圓形,多角形,倒圓的多角形等。還有令人感興趣的是,在噴射孔盤38上的流入口42和流出口44可以是不同的結(jié)構(gòu)。適宜的橫截面變化可以例如是從方形到矩形的過度和相反的變化,或者從矩形到圓形的過度和相反過度,或者從橢圓到圓形的過度和相反過度等。為此,該流入口42和流出口44可以毫無問題地具有不同的開口寬度。
在圖4中表明的微型閥1具有一個(gè)在底板15中組合的環(huán)縫噴嘴48。該環(huán)縫噴嘴48和前述的噴射孔盤38之不同主要在于流體出口區(qū)域內(nèi)。代替在底板15中的多個(gè)流出口44,而該環(huán)縫噴嘴48雖同樣如噴射孔盤38一樣為三層結(jié)構(gòu),但在下邊層件43中具有一個(gè)在圓周上不中斷的狹窄環(huán)縫50。同時(shí),該環(huán)縫50具有一個(gè)比在環(huán)縫噴嘴48之上邊層件41中的環(huán)開口52明顯大的直徑。該環(huán)開口52還可以通過多個(gè)流入口42按照在噴射孔盤38(圖3)中的配置進(jìn)行代替。在中間層件45中再設(shè)置至少一個(gè)通道46。它使環(huán)開口52和環(huán)縫50形成連接。
用環(huán)縫50可以噴射稀薄的液體空心薄層,它在微型閥1之后朝下游的方向上更稀薄。這種薄層的更薄化通過喇叭(Tulpen)口形引起的相應(yīng)的薄層圓周增大會更加有利。該自由的噴射表面被如此繼續(xù)擴(kuò)大,所以該薄層就霧化成相應(yīng)更小的微滴。另外,這些空間的微滴群密度在較大的薄層橫截面時(shí)變小了,因此,在燃料噴射中,微滴再結(jié)合成較大的液滴(微滴凝結(jié))看來是很少的。這種薄層霧化發(fā)生在一個(gè)限定的到環(huán)縫50的軸向距離上。通過與包圍該薄層的氣體之空氣動力交變作用,該薄層表面變得在相對環(huán)縫噴嘴48的更大距離上越來越強(qiáng)的波動(泰勒-振蕩)。這種在薄層中存在的不穩(wěn)定性隨著到環(huán)縫50之增長的距離變得越來越大直至一個(gè)點(diǎn)上,此時(shí),發(fā)生一個(gè)沖擊形式的變成最小微滴的霧化作用。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是,除了產(chǎn)生的薄層波動以外,幾乎不存在其它干擾作用。這樣,例如在下游變薄的薄層中還防止了不希望的局部變厚即所謂的絞流(Strahnen)。
特別重要的是,該薄層在其圓周上保持連續(xù)。否則,就在一個(gè)薄層撕裂位置上產(chǎn)生兩個(gè)自由的薄層端部,它們會按照表面張力的物理特性收縮成一個(gè)稠密的隆起。這樣在這些地方就形成更大的微滴或者絞流。因此在薄層中斷時(shí),該喇叭口形的薄層分布就受到干擾。
先前所述的環(huán)縫噴射的優(yōu)點(diǎn)還完全與圖5描述的實(shí)施例相關(guān)。在這個(gè)微型閥1中,該多層的底板15及環(huán)縫噴嘴48是分開的結(jié)構(gòu)形式。一個(gè)外邊的環(huán)區(qū)域54是作為殼體12的部分與壁部22和缽形磁體5固定連接的。與此相反,一個(gè)里邊的噴嘴區(qū)域55與外部環(huán)區(qū)域54是完全分開的,同時(shí),該噴嘴區(qū)域55當(dāng)然是可運(yùn)動操作件3的部件。因此,該噴嘴區(qū)域55在微型閥1開啟和關(guān)閉時(shí),隨著作閥閉合件20的行程運(yùn)動。不僅噴嘴區(qū)域55的外輪廓而且環(huán)區(qū)域54的內(nèi)輪廓是例如為分級式結(jié)構(gòu)設(shè)置,同時(shí),在噴嘴區(qū)域55和環(huán)區(qū)域54之間的流通橫截面在閥閉合件20附近是最大的。這個(gè)最大的流通橫截面還可以如圖5所示設(shè)置在底板15中。在朝下游的流動方向上,該開口寬度例如與每個(gè)新層件間的步級方式變小并直至在下邊層件43中之狹窄環(huán)縫50的寬度。
該環(huán)縫50設(shè)置成如此大的直徑,即,它大約具有如閥閉合件20之密封環(huán)28相同的尺寸(直徑)。這樣就可實(shí)現(xiàn),為了關(guān)閉該微型閥1所需要的流體靜壓力可由在系統(tǒng)壓力和閥1外部壓力之間的整個(gè)壓力差獲取,而不是只利用這個(gè)壓力差的一部分。該微型閥1因此可快速關(guān)閉。
在圖6中描述一個(gè)微型閥1,它與所有前邊的實(shí)施例有兩個(gè)不同特征,一方面是,在流體輸入時(shí);另一方面是閥閉合件20的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)微型閥1情況下,該至少一個(gè)通道32’是與閥縱軸線8平行的設(shè)置,其用于將流體輸送到殼體12的開口區(qū)域14中,其中,該操作件3可軸向運(yùn)動。該通道32’同時(shí)通過缽形磁體5延伸并例如通過其全部的軸向延伸長度;然后通入開口區(qū)域14中。這樣的通道32’可以例如在圓周方向上看精確地在這個(gè)地方通入開口區(qū)域14中,即在下游的開口區(qū)域14中并在彈簧元件24之前。在這個(gè)微型閥1的實(shí)施例中,該閥閉合件20沒有密封環(huán)。而是,該板形的閥閉合件20在閥1的閉合狀態(tài)時(shí)以它的下邊端面29直接置于底板15之上邊端側(cè)面30(閥座面)上。當(dāng)然,閥閉合件20的外直徑僅僅稍大于在底板15上之中央流出口16的直徑。因此,該閥閉合件20僅以一個(gè)小的外環(huán)密封區(qū)域57密封地靠置在閥座表面30上。但是,這個(gè)環(huán)密封區(qū)域57必須是如此大小,即確保在閉合的微型閥1時(shí)完全的密封性。否則,該微型閥1設(shè)置一個(gè)和第三實(shí)施例(圖3)類似的噴射孔盤38(S-型盤)。同時(shí),該流動的S-沖擊作用通過箭頭表明。
另一個(gè)未描述的微型閥實(shí)施例涉及一個(gè)永久磁體的應(yīng)用。例如一個(gè)在底板15上安置的永久磁體用于在電磁驅(qū)動裝置2的無電流狀態(tài)時(shí)該銜鐵18與閥閉合件20被拉向閥座表面30上因此該閥1被關(guān)閉。如果該閥1被激勵,則缽形磁體S將銜鐵18與閥閉合件20吸起,因此永久磁體的作用被部分消除。此時(shí),該微型閥1被打開口。在這個(gè)實(shí)施例中,可以放棄彈簧元件24。
借助圖7和8詳細(xì)描述了一個(gè)按照發(fā)明要求特別適于制造微型閥1及閥門下件17的并優(yōu)選的制造方法。同時(shí),附圖中沒有精確地表示在圖1至6中描述的具有相應(yīng)希望的輪廓結(jié)構(gòu)的閥門下件17之實(shí)施例,而是僅表明了說明制造原則的配置。但是,本發(fā)明制造方法步驟可以在任何時(shí)候用于所有表明的實(shí)施例的制造。
基于對噴嘴及噴射閥的結(jié)構(gòu)尺寸和精度有高的要求,因此現(xiàn)今為了其大量生產(chǎn)該微型結(jié)構(gòu)制造方法贏得了增長的意義。本發(fā)明提出了一個(gè)制造微型閥及其單個(gè)構(gòu)件的方法,它基于逐漸地應(yīng)用照相平版印刷的步驟(UV-深度平版印刷術(shù))和后接的微型電鍍。這個(gè)方法的特點(diǎn)是,在大表面的條件下可確保一個(gè)高精度的結(jié)構(gòu)尺寸,因此,它可最理想地應(yīng)用于大量構(gòu)件的批量制造中。在一個(gè)基片(應(yīng)用品)上,借助本發(fā)明方法步驟可以同時(shí)制造多個(gè)用于微型閥1的閥門下件17。
對于本方法的起始點(diǎn)是一個(gè)平坦的和穩(wěn)定的支承板(基板60),它例如由金屬(銅),硅,玻璃或陶瓷構(gòu)成。這個(gè)支承板60的一般厚度位于500μm和2mm之間;它們當(dāng)然不會影響下邊的方法步驟。在清潔該支承板60之后,首先通過蒸鍍噴涂,離心涂,涂刷或另外適合的方法覆置一個(gè)金屬的(例如銅,鈦,Cu,Ti)或聚合物的獻(xiàn)身層61。這個(gè)獻(xiàn)身層61在應(yīng)用品(基板)的整個(gè)批量制作程序之后,為了使構(gòu)件,此處亦即閥門下件17從支承板60上簡單地分開和脫離可有選擇地例如通過腐蝕除掉。在該獻(xiàn)身層61上,通過噴射,蒸鍍或者一種濕化學(xué)方法(無電流的金屬沉積)覆置一個(gè)金屬的電鍍起始層62(例如銅Cu)。這個(gè)電鍍起始層62對于以后的微型電鍍?yōu)榱藢?dǎo)電是需要的,其中,金屬層以電鍍方式沉積在結(jié)構(gòu)化的光阻材料層(Photortsist)上。該電鍍起始層62還可以直接用于獻(xiàn)身層61。
在支承板60這樣予處理之后,在該電鍍起始層62的整個(gè)表面上并在下一個(gè)程序步驟中覆置一個(gè)這樣的上面提到的光阻材料(照相漆)63。對此可特別提供三個(gè)不同變型1,在例如約100℃條件下層置一個(gè)(Festresists)固體(光)阻料;
2,離心涂或涂刷一種液體光阻料(Flussigresist);或3,離心涂或涂刷一種液體狀的聚酰亞胺(Polyimid)。
同時(shí),該光阻材料63可覆置成一層或多層。
在干燥之后,該光阻(層)63在所有三個(gè)變型中都以固體形式存在。同時(shí)該光阻層63的厚度應(yīng)該與在以后緊跟的電鍍程序中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的金屬層厚相一致、亦即例如噴射孔盤38(圖3)之下層43的厚度。典型方式,按照希望的閥下件17之不同層的厚度試圖層厚在10和300μm之間。這樣,噴射孔盤38的層件通常具有一個(gè)比例如銜鐵18要小的厚度。這些要實(shí)現(xiàn)的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)該借助平版印刷的掩膜(Maske)逆向地傳遞到光阻(層)63中。同時(shí)一方面存在這樣的可能方案,對光阻層63借助UV-曝光(例如λ=200nm至500nm)通過掩膜直接光照(UV-深度平版印刷術(shù))。另一個(gè)光阻層63之結(jié)構(gòu)設(shè)置方案規(guī)定,在該光阻層63上沉積一種氧化物(如SiO2)或一種氮化物,它們按平版印刷方式作結(jié)構(gòu)設(shè)置以用于光阻層63的干腐蝕過程之掩膜。另外,提供一個(gè)激光燒蝕,其中,在覆置一個(gè)掩膜之后,光阻層63的爆炸性材料借助激光除去。
在UV-曝光的光阻層63顯影(Entwicklung)之后或應(yīng)用另外希望的方法(干腐蝕,燒蝕)之后,就在光阻層63中獲得一個(gè)由掩膜予先確定的希望結(jié)構(gòu)。這個(gè)在光阻層63中的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一個(gè)相對以后的噴射孔盤38的金屬層43(圖3)為負(fù)向的結(jié)構(gòu)。與此類似在另外的實(shí)施例中也涉及相應(yīng)下邊的層件,借助它,開始該層化的閥門下件17的結(jié)構(gòu)制造。在目前下面的電鍍方法步驟中,并在形成的光阻層槽(Resistgraben)中從含水的電解液沉積出一種金屬65成一種金屬合金。該金屬65通過該電鍍工藝就緊密地靠置在光阻層63的負(fù)向結(jié)構(gòu)輪廓上,因此,金屬65之電鍍層的高度和光阻層63的高度相一致。要沉積的材料之選擇取決于相應(yīng)地對層件的要求,其中,特別主要的因素是機(jī)械強(qiáng)度,化學(xué)耐蝕性,焊接性能和其他等。通常還可以想到應(yīng)用鎳,銅鎳合金,鎳鐵,銅,鐵,鈷,鋅或金等(Ni,NiCO,NiFe,Cu,CO,Zn或Au)。當(dāng)然也可以考慮其他金屬和合金。
為了實(shí)現(xiàn)完整的閥門下件17的結(jié)構(gòu),這些步驟必須從覆置電鍍起始層62開始,按照希望的層數(shù)目重復(fù)地進(jìn)行。亦即這些單獨(dú)的金屬層按照光阻層(Resist)結(jié)構(gòu)總是依次地再沉積而成并通過金屬的粘附性相互固定。對于一個(gè)閥門下件17的層件和構(gòu)件還完全可以應(yīng)用不同的金屬65,因此,例如銜鐵18,和噴射孔盤38就不必由相同的材料制成。而且可以在下一個(gè)電鍍金屬沉積層之前,在光阻層63和/或在前面的金屬層上覆置相對電鍍起始層62為附加的,另外的通過例如PVD(物理的蒸汽沉積方式)或濕化學(xué)法產(chǎn)生的粘接中介層,因此,單個(gè)層件相互間連接的質(zhì)量得以改善。
接著,進(jìn)行閥門下件17的分離工序。為此,該獻(xiàn)身層61被腐蝕掉,這樣,閥門下件17從支承板60上去掉。此后,該電鍍起始層62通過腐蝕去除,而留下的光阻層63從金屬結(jié)構(gòu)中取出。這一點(diǎn)例如可以通過KOH-處理或氧等離子法或在聚酰亞胺時(shí)借助溶解劑(例如丙酮Aceton)來完成。這些將光阻層63取出的程序是一般在概念“脫模(Strippen)”中公知的。作為優(yōu)選的解決方案,在適當(dāng)?shù)倪x擇電鍍起始層62情況下可以想到一個(gè)機(jī)械的支承板脫離法例如借助磁鐵。借助超聲波的分離技術(shù)同樣可以想到是很好的。
在圖7中可清楚地看出,它特別符合目的要求地適合于沉積用于在銜鐵18和閥閉合件20之間形成彈簧元件24的金屬層件。按照希望的彈簧元件24的數(shù)目,這些金屬層件在幾個(gè)區(qū)域中徑向地伸出銜鐵18的外邊界。
如果具有傾斜的或完整之側(cè)壁的結(jié)構(gòu)應(yīng)該被加工為成品的話,那么它可以通過所謂的側(cè)向過度增長來實(shí)現(xiàn)。在這一技術(shù)中,所希望的兩個(gè)閥門下件17之層件可以在一個(gè)步驟中通過電鍍的沉積構(gòu)成。在圖8中借助兩個(gè)編號為41和45的層件表明這種側(cè)向的過度增長68。電鍍沉積的金屬65首先以公知的形式圍繞層件45的光阻結(jié)構(gòu)63增長并直至光阻層63的上邊棱,此后超出該光阻層63。這種在光阻結(jié)構(gòu)63上的過度增長發(fā)生在水平和垂直方向上大約以相同的數(shù)量級。這種部分的過度增長68可代替在光阻層63和下一個(gè)電鍍層本身上覆置一個(gè)另外的電鍍起始層62,因?yàn)殚y門下件17的兩個(gè)層件45,41可在一個(gè)電鍍步驟中制造。以此方式,可以完全按目標(biāo)要求地例如在噴射孔盤38(圖3)的上邊層件41中制造流入口42。該側(cè)向的過度增長68必須在確定的時(shí)間點(diǎn)上被中斷,以便獲得希望的開口尺寸。但是另一方面還可以在過度增長68的軸向高度上設(shè)置一個(gè)另外的光阻層63,它最終用于該層件41之側(cè)向過度增長68的限位結(jié)構(gòu);并確保流入口42一個(gè)精確限定的尺寸。
為了分離這些以后應(yīng)該相互間為可運(yùn)動(見圖5)的結(jié)構(gòu)件,可在要分離的位置上應(yīng)用一種適宜的獻(xiàn)身層61’,如圖7看出的那樣。這一點(diǎn)可以特別是一種通過PVD制成的Titan(鈦)層或銅層,這些層覆置在較后的固定環(huán)區(qū)域54的先前層件上,然后沉積以后的金屬的并屬于微型閥1之運(yùn)動構(gòu)件(噴嘴區(qū)域55)的層件。
在除去電鍍起始層62或光阻層63的獻(xiàn)身層61,61’之前或之后可以進(jìn)行例如必需的接合程序(例如粘接,焊接,釬焊)以將閥門下件17和缽形磁體與相連接。
權(quán)利要求
1.由相互疊置的,至少部分相互連接的層件構(gòu)成的微型閥,其中,至少一個(gè)層件至少部分由金屬材料構(gòu)成,該閥具有至少一個(gè)流入口和至少一個(gè)流出口和一個(gè)其間可開關(guān)的閥座表面,其對應(yīng)設(shè)置一個(gè)閥閉合元件,它可通過一個(gè)驅(qū)動裝置進(jìn)行控制,其特征在于該微型閥(1)由兩個(gè)相互分開構(gòu)成的基本構(gòu)件,亦即一個(gè)電磁驅(qū)動裝置(2)和一個(gè)多層的閥門下件(17)所構(gòu)成,同時(shí),該閥門下件(17)包括至少一個(gè)銜鐵(18),閥閉合元件(20),閥座表面(30)和至少一個(gè)流出口(16,35,44,50);該閥門下件(17)的構(gòu)件借助電鍍法的金屬沉積來制造。
2.按權(quán)利要求1所述的微型閥,其特征在于該閥門下件(17)被一個(gè)杯形的殼體(12)在外部限界;該殼體包括至少一個(gè)底板(15)和一個(gè)環(huán)形的壁部(22);還具有一個(gè)被該殼體(12)至少部分包圍的開口區(qū)域(14),其中,通入至少一個(gè)流入口(32,32’)并從該開口區(qū)域引出至少一個(gè)流出口(16,35,44,50)。
3.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于在閥門下件(17)的開口區(qū)域(14)中安置有銜鐵(18)和閥閉合元件(20)。
4.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于該殼體(12)的底板(15)具有閥座表面(30),它與閥閉合元件配合作用。
5.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于銜鐵(18)和閥閉合件(20)構(gòu)成一個(gè)可運(yùn)動的操作件(3),它通過至少一個(gè)彈簧元件(24)與殼體(12)的壁部(22)相連接。
6.按權(quán)利要求1或2所述的微型閥,其特征在于該銜鐵(18)具有一個(gè)比閥閉合元件(20)要大的直徑。
7.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于該殼體(12)的底板(15)包括一個(gè)噴射孔板(34),它具有至少一個(gè)噴射孔(35)。
8.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于該殼體(12)的底板(15)包括一個(gè)多層的噴射孔盤(38),它的至少一個(gè)流入口(42)相對于至少一個(gè)流出口(44)徑向上錯(cuò)位地,亦即偏心地安置。
9.按權(quán)利要求2所述的微型閥,其特征在于該殼體(12)的底板(15)包括一個(gè)環(huán)縫噴嘴(48),它作為流出口具有一個(gè)不中斷的環(huán)縫(50)。
10.按權(quán)利要求2或5所述的微型閥,其特征在于該底板(15)通過一個(gè)屬于殼體(12)固定構(gòu)件的外部環(huán)區(qū)域(54)和通過一個(gè)里邊的與操作件(3)固定連接的并因此屬于閥門下件(17)之運(yùn)動構(gòu)件的噴嘴區(qū)域(55)所構(gòu)成。
11.制造微型閥特別是制造權(quán)利要求1至10之一微型閥的方法,其特征在于通過電鍍方式的金屬沉積(多層電鍍術(shù)),依次地構(gòu)成該微型閥(1)的多個(gè)層件(15,18,20,22,24,34,38,41,43,45,48)。
12.按權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于在第一方法步驟中,在一個(gè)支承板(60)上覆置一個(gè)獻(xiàn)身層(61),然后覆置一個(gè)光阻層(63);接著,在光阻層(63)上實(shí)施一個(gè)按目標(biāo)要求的結(jié)構(gòu)設(shè)置,因此,在光阻層(63)(Photoresist)中產(chǎn)生一個(gè)相對于以后的微型閥(1)的層件為負(fù)向的結(jié)構(gòu),接著,實(shí)施一個(gè)微型電鍍,其中,在光阻層(63)的負(fù)向結(jié)構(gòu)中形成的光阻層槽(Resistgrben)通過電鍍方式充填以金屬(165);此后,按照希望的微型閥(1)的層件(15,18,20,22,24,34,38,41,43,45,48)數(shù)目,對前述的方法步驟進(jìn)行一個(gè)重復(fù);最后,實(shí)行一個(gè)微型閥(1)的分離工序以及該光阻層(63)從金屬結(jié)構(gòu)中取出。
13.按權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于在單個(gè)的,電鍍法沉積的層件之間覆置電鍍起始層(62)。
14.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)是作為層置一個(gè)固體光阻料覆置的。
15.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)是作為離心涂置或刷涂一種液體光阻料覆置的。
16.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)是作為離心涂置或刷涂一種液體狀態(tài)的聚酰亞胺覆置的。
17.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)的結(jié)構(gòu)設(shè)置是通過一個(gè)掩膜借助UV-曝光和接著,顯影實(shí)現(xiàn)的(UV-深度平版印刷術(shù))。
18.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)的結(jié)構(gòu)設(shè)置是通過沉積一種氧化物或氮化物實(shí)現(xiàn)的,這些氧化物或氮化物以照相平版印刷方式作結(jié)構(gòu)設(shè)置以作為用于光阻層(63)干腐蝕程序的掩膜。
19.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于光阻層(63)的結(jié)構(gòu)設(shè)置是借助激光進(jìn)行燒蝕實(shí)現(xiàn)的。
20.按權(quán)利要求12所述的微型閥,其特征在于微型閥(1)的兩個(gè)層件(15,18,20,22,24,34,38,41,43,45,48)在一個(gè)電鍍步驟中制造,其中,金屬(65)在水平和垂直方向上增長并超出該光阻層(63)(側(cè)向過度增長)。
全文摘要
一種微型閥(1)由一個(gè)電磁驅(qū)動裝置(2)和一個(gè)多層的閥門下件(17)構(gòu)成,它們相互固定連接和相互分開制造。該閥門下件(17)包括至少一個(gè)銜鐵(18)和一個(gè)閥閉合元件(20),其可軸向運(yùn)動;還包括一個(gè)殼體(12)它至少部分地包圍上述微型閥(1)之軸向可運(yùn)行的構(gòu)件。該閥門下件(17)的層件通過電鍍法的金屬沉積依次地構(gòu)成(多層電鍍術(shù))。
文檔編號F16K99/00GK1157030SQ96190691
公開日1997年8月13日 申請日期1996年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者迪特馬爾·哈恩, 海因茨·富克斯, 戈特弗里德·弗利克, 托馬斯·施特尼, 亞歷山大·伯林格爾 申請人:羅伯特·博施有限公司
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