| 【発明の名称】 |
流量調節弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】林本 茂
【氏名】坂井 厚之
【氏名】山田 昭夫
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| 【要約】 |
【課題】微少流量の正確な調節を可能とした流量調節弁を提供すること。
【解決手段】本発明の流量調節弁は、弁座面３５に開設された弁孔３３の開口部３３ａを開閉すべく、弁座面３５に対して当接・離間する弁体４１の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体４１と開口部３３ａとの隙間の大きさによって弁孔３３を通る流体の流量を調節するものであって、弁孔３３の開口部３３ａを開閉すべく弁座面３５に当接・離間する弁体４１の流量調節面４３は、開口部分３３ａから遠い部分が弁座面３５に対して上下方向へ大きく変位する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節する流量調節弁において、弁孔の開口部を開閉すべく弁座面に当接・離間する前記弁体の流量調節面は、前記開口部分から遠い部分が前記弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする流量調節弁。
【請求項２】 弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節する流量調節弁において、前記弁体は、前記弁孔の開口部を塞ぐ膜部材と、前記開口部を囲むように前記弁座面に当接・離間して膜部材を上下に変位させる、前記駆動手段に直接連結された保持部材とを有し、その保持部材内の略中心位置にて前記膜部材を前記弁座面に押し付ける押圧手段が設けられたものであって、前記保持部材に伴って上昇及び下降する前記膜部材を前記押圧手段が弁座面に相対的に押し付け、前記膜部材が前記保持部材内の略中心位置より遠い部分が弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする流量調節弁。
【請求項３】 請求項２に記載の流量調節弁において、前記弁体は、前記保持部材をなす中空円筒状のステム部に、前記膜部をなす前記ステム部の下端を塞ぐ流量調節膜が張られ、ステム部の下端部外周には半径方向に広がった可撓膜が周縁の固定部でバルブ本体側へ固定されたダイアフラム弁体であることを特徴とする流量調節弁。
【請求項４】 請求項２に記載の流量調節弁において、前記膜部材が、弁孔の開口部上方に張られたダイアフラムであり、前記保持部材が、前記駆動手段に連結された円筒形状のステム部材であることを特徴とする流量調節弁。
【請求項５】 弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節する流量調節弁において、前記弁体は、弾性部材によって形成され、その先端を前記弁座面に押し付けて弾性変形させることにより前記弁孔の開口部を塞ぎ、弁座面に当接する最先端部から順に前記開口部を塞ぐように変形する形状であって、前記駆動手段による駆動によって前記開口部に対して遠い部分が前記弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする流量調節弁。
【請求項６】 請求項５に記載の流量調節弁において、前記弁体の先端形状が、凸面又は斜面であることを特徴とする流量調節弁。
【請求項７】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流量調節弁において、前記弁孔の開口部が、前記弁座面の凸状球面部又は凹状円錐面部に形成されたものであることを特徴とする流量調節弁。
【請求項８】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流量調節弁において、前記弁孔は、環状溝出口をなして前記弁座面に環状開口部が開設されたものであって、流量調節面の押圧点が環状開口部の中心に相当する弁座面上にあることを特徴とする流量調節弁。
【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の流量調節弁において、弁孔の開口部の形状が非円形であることを特徴とする流量調節弁。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造装置のラインで洗浄液の流量制御を行うためなどに使用される流量調節弁に関し、特に微少流量の流体を正確に流量制御することができる流量調節弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造ラインには、例えば流路内を流れる純水に酸やアルカリなどの薬液を、５〜２０ｃｃ／ｍｉｎといった微少量だけ混入する場合がある。そのため、純水が流れる主流路に薬液を供給する供給路が連通し、その供給路へ薬液を供給するための流量を調節する流量調節弁が設けられている。そこで、従来の流量調節弁について一例を挙げて説明する。ここで、図１５は、従来の流量調節弁を示す一部断面図である。流量調節弁１００は、バルブボディ１０１の側面に入力ポート１０２と出力ポート１０３とが開設され、その入力ポート１０２には弁孔１０４が、出力ポート１０３には流出路１０５が連通し、それぞれバルブボディ１０１上面へ開設されている。
【０００３】このバルブボディ１０１は、上方にアクチュエータ本体１１１が固定され、そのアクチュエータ本体１１１とバルブボディ１０１との間にダイアフラム弁体１２１が挟み込まれている。アクチュエータ本体１１１内には、エア圧によって発生する上下運動をダイアフラム弁体１２１に伝達するロッド１１２がバルブボディ１０１側に延設されている。ダイアフラム弁体１２１は、中心の弁体部１２２が上下動するロッド１１２の下端に連結されている。そして、ダイアフラム弁体１２１の弁体部１２２、及びこれに連結されたロッド１１２は、弁孔１０４と中心線が重なるように設けられている。
【０００４】このような流量調節弁１００によれば、アクチュエータ本体１１１内に吸排気されるエアによってロッド１１２が上下し、それに伴ってダイアフラム弁体１２１の弁体部１２２と弁座面１０６との距離が調節され、弁孔１０４との隙間との大きさ、即ち流量が調節される。エアアクチュエータのエア圧は、電空レギュレータによって制御される。そこで、入力ポート１０２から流入した薬液は、弁孔１０４によって流量が制限され、更に弁孔１０４の開口部の隙間の大きさによって通過流量が調節されて、流出路１０５から出力ポート１０３へと排出される薬液の微少流量調節が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このようなエアアクチュエータを利用した流量調節弁は、シール加圧を大きくすることができるために流れの遮断ができることや、エア圧を駆動源とするために防爆に対する安全性の面で、半導体製造ラインなどにおける使用が考えられている。しかしながら、微少な流量調節を行う場合、弁体部１２２のリフト量を非常に小さい値で制御しなければならないめ、これまでの流量調節弁１００では微妙なエア圧コントロールが必要となって制御が難しいという問題があった。
【０００６】従来の流量調節弁１００では、例えば２０ｃｃ／ｍｉｎの微少流量調節を行う場合には、弁体部１２２と弁座面１０６との距離を０．０２ｍｍ以下に設定しなければならないからである。即ち、流量調節弁１００は、図１６に示すダイアフラム弁体１２１のリフト量Ｓを極めて僅かな幅で制御する必要があるため、エアアクチュエータに供給するエア圧の僅かなズレによって流量が大きく変化してしまう問題があった。また、このリフト量Ｓの調節は、エア圧の制御の困難さに加え、エアアクチュエータ自体のヒステリシスの影響を受けるという問題もあった。これにより、従来の流量調節弁１００は、微少流量の正確な制御が非常に困難であった。
【０００７】そこで、本発明は、微少流量の正確な調節を可能とした流量調節弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る流量調節弁は、弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節するものであって、弁孔の開口部を開閉すべく弁座面に当接・離間する前記弁体の流量調節面は、前記開口部分から遠い部分が前記弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする。従って、傾いた流量調節面によって弁体と開口部との隙間を小さくすることができ、また流量調節面は、開口部分の変位量が開口部から遠い部分の変位量に比べて小さくなるため、流量調節面の遠い部分に駆動手段によって調節する弁体のリフト量を対応させれば、駆動手段によって行う開口部の隙間の微妙な調節が緩和され、微少流量調節の制御が容易になって正確な調節が可能となる。
【０００９】請求項２に係る流量調節弁は、弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節するものであって、前記弁体は、前記弁孔の開口部を塞ぐ膜部材と、前記開口部を囲むように前記弁座面に当接・離間して膜部材を上下に変位させる、前記駆動手段に直接連結された保持部材とを有し、その保持部材内の略中心位置にて前記膜部材を前記弁座面に押し付ける押圧手段が設けられたものであり、前記保持部材に伴って上昇及び下降する前記膜部材を前記押圧手段が弁座面に相対的に押し付け、前記膜部材が前記保持部材内の略中心位置より遠い部分が弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする。
【００１０】従って、押圧手段によって弁座面に押し付けられた膜部材は、保持部材が上昇すると開口部上方で傾斜面を形成するため、弁体と開口部との隙間を小さくすることができ、また膜部材を口部に近接した位置で弁座面に押し付ければ、膜部材の開口部分における変位量が開口部から遠い部分の変位量に比べて小さくなるため、弁体のリフト量に対して開口部分における変位量が小さくなり、駆動手段によって行う開口部の隙間の微妙な調節が緩和され、微少流量調節の制御が容易になって正確な調節が可能となる。
【００１１】請求項３に係る流量調節弁は、前記請求項２のものであって、前記弁体が、前記保持部材をなす中空円筒状のステム部に、前記膜部をなす前記ステム部の下端を塞ぐ流量調節膜が張られ、ステム部の下端部外周には半径方向に広がった可撓膜が周縁の固定部でバルブ本体側へ固定されたダイアフラム弁体であることを特徴とする。請求項４に係る流量調節弁は、前記請求項２のものであって、前記膜部材が、弁孔の開口部上方に張られたダイアフラムであり、前記保持部材が、前記駆動手段に連結された円筒形状のステム部材であることを特徴とする。
【００１２】請求項５に係る流量調節弁は、弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節するものであって、前記弁体は、弾性部材によって形成され、その先端を前記弁座面に押し付けて弾性変形させることにより前記弁孔の開口部を塞ぎ、弁座面に当接する最先端部から順に前記開口部を塞ぐように変形する形状であり、前記駆動手段による駆動によって前記開口部に対して遠い部分が前記弁座面に対して上下方向へ大きく変位することを特徴とする。
【００１３】従って、弾性変形して弁座面に押し付けられた弁体は、駆動手段によって持ち上げられると、開口部上方で傾斜面を形成するため、弁体と開口部との隙間を小さくすることができ、また最先端部を開口部に近接した位置で弁座面に押し付ければ、弁体の開口部分における変位量が開口部から遠い部分の変位量に比べて小さくなるため、弁体のリフト量に対して開口部分における変位量が小さくなり、駆動手段によって行う開口部の隙間の微妙な調節が緩和され、微少流量調節の制御が容易になって正確な調節が可能となる。
【００１４】請求項６に係る流量調節弁は、前記請求項５のものであって、前記弁体の先端形状が、凸面又は斜面であることを特徴とする。また、請求項７に係る流量調節弁は、前記請求項１乃至請求項５のいずれかのものであって、前記弁孔の開口部が、前記弁座面の凸状球面部又は凹状円錐面部に形成されたものであることを特徴とする。また、請求項８に係る流量調節弁は、請求項１乃至請求項５のいずれかのものであって、前記弁孔が、環状溝出口をなして前記弁座面に環状開口部が開設されたものであって、流量調節面の押圧点が環状開口部の中心に相当する弁座面上にあることを特徴とする。また、請求項９に係る流量調節弁は、請求項１乃至請求項８のいずれかのものであって、弁孔の開口部の形状が非円形であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る流量調節弁の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は、本実施の形態の流量調節弁を示した断面図であり、図１は閉弁時、図２は開弁時を示している。本実施の形態の流量調節弁１は、従来例で示したと同様にエアアクチュエータによって弁の開閉を行うものであり、そのエアアクチュエータからなる駆動部及び流体の流れを直接制御する弁部が一体に構成されたものである。そこで、流量調節弁１は、流量制御対象となる流体が流れるバルブ本体２に、アクチュエータ本体３及びキャップ４が一体になって構成されている。
【００１６】アクチュエータ本体３は、中心部を上下に貫く貫通孔１１を有する管形状をなすものである。貫通孔１１内には、円筒形状のブシュ１２が嵌装されており、そのブシュ１２を貫いた摺動ロッド１３が摺動可能に支持されている。一方、キャップ４は、下方に開口した凹部２１が形成されたものであり、開口側がアクチュエータ本体３の上端面に嵌合固定されている。そして、そのアクチュエータ本体３とキャップ４との間にはダイアフラム１４が強固に挟み込まれている。また、ダイアフラム１４には、その中心を貫いたロッド１３が一体に保持されている。即ち、ロッド１３上方の小径部分には、ダイアフラム１４を介して環形状のスペーサ１５ａ，１５ｂが上下にはめ込まれ、更にその上方からロッド１３先端に切られた雄ネジにナット１６が螺合されて、ダイアフラム１４を挟んだスペーサ１５ａ，１５ｂがロッド１３に固定されている。
【００１７】アクチュエータ本体３の貫通孔１１は、上端面から所定深さの位置に径を縮小したシール部１１ａが形成され、その内周面の溝にＯリング１７が装填されている。そこで、ダイアフラム１４下方には、Ｏリング１７によって密閉された加圧室１８が構成され、アクチュエータ本体３には、その加圧室１８へ圧縮エアを吸排気させるエアポート１９が穿設されている。一方、ダイアフラム１４上方のキャップ４の凹部２１内には、ダイアフラム１４を下方へ付勢する復帰バネ２２がスペーサ１５ａに当接して配設されている。
【００１８】アクチュエータ本体３の下端にはバルブ本体２が嵌合固定されている。バルブ本体２には、入力ポート３１と出力ポート３２とが左右一対に形成されている。入力ポート３１には弁孔３３が、出力ポート３２には流出路３４がそれぞれ連通し、各開口部がバルブ本体２の上面に開設されている。そして、この弁孔３３及び流出路３４が開設されたバルブ本体２の上面が弁座面３５をなしている。一方、アクチュエータ本体３内に摺動可能に支持されたロッド１３の先端部にはダイアフラム弁体４１が嵌合保持されている。ダイアフラム弁体４１は、円筒形状のステム部４２と、そのステム部４２の底部を塞ぐ流量調節膜４３と、ステム部４２の下端部外周から環状に張り出した可撓膜４４と、その可撓膜４４の周縁部に連続する肉厚の固定部４５とから構成され、ＰＴＦＥ樹脂によって一体に成形又は切削加工されたものである。
【００１９】そのダイアフラム弁体４１は、ステム部４２がロッド１３に嵌合し、ロッド１３の移動に従って弁の開閉動作を行うよう構成されている。ステム部４２は、その環状の下端面が弁座面３５に当接して弁孔３３の開口部の周りを囲む位置にあり、流量調節膜４３が、弁孔３３の開口部を塞ぐようにして構成され、二重のシール構造がとられている。更に、ステム部４２内にはボール４６が挿入され、そのボール４６が、ロッド１３との間に配設されたスプリング４７によって流量調節膜４３に押し当てられている。ところで、本実施の形態の流量調節弁１は、この流量調節膜４３とボール４６、及び弁孔３３とに特徴を有し、これらの関係を主要な構成として微少流量調節の実現が図られている。
【００２０】ここで、図３は、流量調節弁１の弁部を示した拡大断面図であり、（ａ）〜（ｄ）にかけて弁の開閉動作を時系列的に示している。そこで、図３を含めて流量調節弁１の特徴的な構成について説明する。先ず、図１に示すように、ロッド１３とダイアフラム弁体４１のステム部４２とは、その中心線が同一の軸線Ｌ上にあり（図３参照）、更にステム部４２内のボール４７の中心点がその軸線Ｌに一致するよう設けられている。一方、図３に示すように弁孔３３は、軸線Ｌに重ならない近接した位置に穿設され、その軸線Ｎがボール４７の中心点を通る軸線Ｌとずれている。本実施の形態では、軸線Ｌが弁孔３３のほぼ周縁上に近接した弁座面３５上に位置するようになっている。そして、可撓性を有する流量調節膜４３は、ダイアフラム弁体４１のステム部４２が持ち上げられると、ボール４６に押されて下方へ湾曲し軸線Ｌ上に最隆起点Ｐが形成される。従って、流量調節弁１は、弁孔３３の軸線Ｎからずれた位置で、流量調節膜４３の最隆起点Ｐが弁座面３５に当たる、いわゆるオフセット構造が採られている。
【００２１】次に、オフセット構造を採用した本実施の形態の流量調節弁１における流量調節の原理を、従来の流量調節弁との比較において説明する。図１５に図示して説明した従来の流量調節弁１００は、本実施の形態のものと同様のエアアクチュエータによって弁の駆動が行われ、その弁孔１０４を流れる流体の流量が調節されている。このとき単位時間当たりに流れる流体の流量は、弁体と弁孔の開口部との間の有効断面積によって決定されると考えられる。そこで、従来の流量調節弁１００の場合、図４（ａ）に示すように弁体１２１がリフト量Ｓのときに、有効断面積は、図４（ｂ）に示す円筒面Ａ１の面積である。そして、この有効断面積である円筒面Ａ１の面積と弁体１２１のリフト量Ｓとの関係をグラフを図７に示した。図７に示したグラフは、縦軸に円筒面Ａ１の面積、横軸に弁体リフト量Ｓをとっている。
【００２２】このグラフ（実線）から、従来の流量調節弁１００は、弁体１２１のリフト量Ｓに対して有効断面Ａ１の面積の変化量が大きく、僅かな弁体の変位によって制御流体の流量が大きく変化してしまうことが分かる。そのため、従来の流量調節弁１００では、弁体１２１の微妙な制御が要求されるが、その制御は困難なものであった。そこで、このグラフの傾きを緩やかにすること（破線）、即ち、弁体の変位量に対して有効断面積の変化量を小さくする必要があった。そのためには、弁体のリフト量に対して有効断面積を小さくする必要があった。有効断面積が小さくなれば、弁体リフト量の変化に対する有効断面積の絶対的な変化量を小さくすることができるからである。そこで、この考えによれば、弁孔の径をより小さくすればよいが、加工精度や加工コスト、それに必要な最大流量を確保できないなどの問題から実現性を欠いていた。
【００２３】そうした課題の対策として、従来から図５（ａ）に示すようなニードル弁が一案としてあった。ニードル弁は、弁体１３１の先端にテーパ部１３１ａを設け、弁孔１３２に対してテーパ部１３１ａを出し入れして、弁の開閉が行われるものである。このニードル弁の場合、流体の流量に起因する有効断面積は、図５（ｂ）に示す弁孔１３２の開口部１３２ａの環状面Ａ２の面積が相当する。そこで、このニードル弁と前記図４に示す弁との有効断面積を同じ弁体のリフト量Ｓで比較すると、環状面Ａ２の面積が円筒面Ａ１の面積に比して格段に小さくなった。従って、ニードル弁を使用すれば、図７に示すグラフの傾きを緩やかにすることができるようになる。しかし、ニードル弁は、弁体と弁孔の開口部の角とが開閉時に摺れ合い、パーティクルを発生させるため採用には問題があった。また、微少流量用のニードル形状の弁体は、その材料費や加工コスト、或いは加工精度の問題もあった。
【００２４】しかるに、前述した流量調節弁１のオフセット構造は、このような弁体のリフト量に対する有効断面積の変化量を小さくすることが可能な構成をなすものである。オフセット構造によると、ステム部４２が上昇しても、所定リフト間においては、流量調節膜４３は、図６（ａ）に示すように最隆起点Ｐがボール４６によって弁座面３５に押しつけらている。そのため、流量調節弁１での有効断面積は、流量調節膜４３と弁孔３３の開口部３３ａとの間に形成される図６（ｂ）に示す楔形円筒面Ａ３の面積となる。この場合、図６（ａ）に示す流量調節膜４３と開口部３３ａとの隙間Ｓ１と、図４（ａ）に示す弁体リフト量Ｓとが同一であるとすると、両者の弁の有効断面積は、楔形円筒面Ａ３の面積が円筒面Ａ１の面積の１／２以下に抑えることができた。
【００２５】そして、更にこの流量調節弁１は、有効断面積である楔形円筒面Ａ３の面積に起因する隙間Ｓ１の変化量が、弁体のリフト量Ｓの変化に対して小さくなるように構成されている。即ち、流量調節弁１のオフセット構造では、隙間Ｓ１は、弁体４２のリフト量Ｓに対し、最隆起点Ｐからの距離の比で制御される。そのため、流量調節膜４３が最隆起点Ｐから直線的に傾斜すると仮定するならば、図６（ａ）に示すように楔形円筒面Ａ３の隙間Ｓ１の距離は、リフト量ＳのＬ１／Ｌ２となる。従って、流量調節弁１，１００とについて、有効断面積に対する高さと弁体のリフト量Ｓとの関係をグラフに示すと、図８のようになった。図８は、縦軸に有効断面積に対する高さ、横軸に弁体のリフト量を表している。
【００２６】従来の流体調節弁１００は、図４に示すように有効断面積に対する高さがリフト量Ｓと一致するのに対し、本実施の形態の流量調節弁１は、有効断面積の高さＳ１が、リフト量ＳのＬ１／Ｌ２になる。そのため、図８に示すように、流量調節弁１００は、円筒面Ａ１の高さが弁体リフト量Ｓと一対一の割合で増加するのに対して、オフセット構造を採った流量調節弁１の場合には、楔形円筒面Ａ３の高さ（隙間Ｓ１）は、弁体のリフト量Ｓに対してＬ１／Ｌ２の割合で増加することになった。従って、流量調節弁１は、弁体のリフト量Ｓに対する楔形円筒面Ａ３の高さ（隙間Ｓ１）の変化率を小さくしたことと、楔形円筒面Ａ３の面積自体が円筒面Ａ１よりも小さくなったことによって、図７に示した場合の傾斜を倒すことができた。即ち、オフセット構造は、弁体リフト量Ｓの変化に対する有効断面積の変化率を格段に小さくすることを可能とする構造である。
【００２７】そこで、次にこのようなオフセット構造をなす流量調節弁１の流量調節動作について説明する。流量調節弁１は、復帰バネ２２の付勢力によって通常弁が閉じられるノーマルクローズタイプのものである。復帰バネ２２は、スペーサ１５ａ，１５ｂを介してロッド１３を下方に付勢し、ロッド１３に一体的に設けられたダイアフラム弁体４１を弁座面３５へ押圧することとなる。そのため、図３（ａ）に示すように、ダイアフラム弁体４１のステム部４２は、弁孔３３を囲んで弁座面に当接し、流量調節膜４３が弁孔３３の開口部３３ａを塞ぐこととなる。弁孔３３は、流量調節膜４３が被せられただけで、ボール４６からの押圧力によって開口部３３ａが塞がれているわけではない。従って、一次圧によって弁孔３３の開口部３３ａから流体が漏れることがあるが、ステム部４２が弁座面に強く押しつけられてシールしているため、閉弁時に流体が二次側へ漏れ出ることはない。
【００２８】次に、微少流量の流体の供給を制御する場合には、エアポート１９から加圧室１８内へ圧縮エアが送られて、ダイアフラム１４に対する加圧調整が行われる。エア圧は電空レギュレータなどの圧力制御機器によって制御される。そして、加圧室１８のエア圧によって、ダイアフラム１４が復帰バネ２２に抗して上方へ撓められる。ロッド１３は、そのダイアフラム１４の上下方向の変位分だけ、スペーサ１５ａ，１５ｂを介して持ち上げられるように上昇することとなる。ロッド１３は、ブシュ２２によって摺動可能に支持されているため、その軸線に沿って直線的な上昇（或いは下降）を行う。従って、ダイアフラム１４の変位量は、ロッド１３に一体的に設けられたダイアフラム弁体４１の変位、特にステム部４２の変位となる。
【００２９】そこで、流量調節弁１は、図３（ａ）に示す閉弁状態から、図３（ｂ）に示すようにステム部４２が弁座面３５から離間した状態になる。但し、このとき流量調節膜４３は、スプリング４７の付勢力を受けたボール４６によって弁座面３５に押しつけられているため、最隆起点Ｐで弁座面３５に当接した状態になっている。そのため有効断面積は小さく、弁孔３３から微少流量の流体が二次側へ流れ出ることとなる。入力ポート３１から流入した流体は、弁孔３３の開口部３３ａを通る際に微少流量に絞られるからである。そして、この絞られた流量の流体が、流出路３４を通って出力ポート３２から排出される。
【００３０】流量の調節は、ダイアフラム１４を加圧する加圧室１８のエア圧を調節することによって行われる。そこで、更に流量を増やす場合には、加圧室１８内のエア圧を上げれば、復帰バネ２２に抗してダイアフラム１４が変位し、ロッド１３及びダイアフラム弁体４１のステム部４２を上昇させ、図３（ｂ）から図３（ｃ）の状態へと変化する。よって、図６で示す楔形円筒面Ａ３の高さ（隙間Ｓ１）が高くなり、有効断面積が大きくなって弁孔３３の通過流量が増すこととなる。
【００３１】そして、図３（ｄ）に示すように、更にステム部４２を上昇させれば、流量調節膜４３が弁座面３５から離間し、ダイアフラム弁体４１の影響を受けることなく流体が流れ出る最大流量を得ることができる。一方、図３（ｂ）乃至図３（ｄ）のいずれかの開弁状態で、加圧室１８内のエア圧が下げられれば、復帰バネ２２の付勢力によってダイアフラム弁体４１が押し下げられ、図６で示す楔形円筒面Ａ３の高さ（隙間Ｓ１）が低くなってその有効断面積が小さくなり、弁孔３３の通過流量が絞られる。また、更に図３（ａ）の状態に至って閉弁状態に戻される。
【００３２】ここで、実際に従来の流量調節弁１００と本実施の形態の流量調節弁１とで流量制御の比較試験を行った。図９は、単位時間当たりに流れる流体の流量を縦軸に、弁体リフト量を横軸にとって示したグラフである。弁体のリフト量は、従来のものでは弁体１２１の変位であり、本実施の形態のものではダイアフラム弁体４１のステム部４２の変位である。但し、これは両者ともエアアクチュエータをなすダイアフラム１４の上下方向の変位量である。その結果、流量調節弁１は、図９のグラフに示されるようにリフト量の変化に対する流量の増加量が大幅に抑えられた。具体的には、１０ｃｃ／ｍｉｎまでの間で流量調節を行う場合、従来の流量調節弁１００では、Ｓ１〜Ｓ２間の約０．０１ｍｍ幅の弁体変位によってしか流量制御ができなかった。これに対して、本実施の形態の流量調節弁１では、Ｓ３〜Ｓ４間の約０．３７ｍｍ幅の弁体変位で流体制御できるようになった。つまり、従来のものに比べ、本実施の形態のものは３７倍も弁体リフト量Ｓの領域が広がったことになる。
【００３３】よって、本実施の形態の流量調節弁１によれば、前述したように流量調節する際の弁体のリフト幅の拡大に伴い、電空レギュレータへ入力する比例帯の幅が拡大したことで、微少流量調節の制御が容易になった。即ち、エアアクチュエータを構成するダイアフラム１４の変位量に対する流量変化が小さくなり、従来極めて微妙であったエア圧調節が緩和されることによって、微少流量調節の制御を正確に行うことが可能となった。微少流量調節は、流量調節膜４３の径を大きくすることによって、更に有効断面積に対するリフト領域を広げることは容易であり、更に制御し易くなり、流量調節を正確に行うことが可能となる。
【００３４】また、従来の流量調節弁１００の場合、二次側の圧力変動によって圧力が高くなると、ダイアフラム弁体１２１の膜部が加圧されて弁体部１２２が押し上げられてしまい、流量が変動してしまう問題があった。しかし、本実施の形態の流量調節弁１では、ダイアフラム弁体４１にかかる二次圧が変動してリフト位置が変化しても、図９に示すように、ダイアフラム弁体４１のリフト量の変化に対して流量変化が極めて少ない。そのため、二次圧変動に対する流量変動への影響がほとんどなくなった。
【００３５】ところで、本発明の流量調節弁１は、様々な変形が可能である。そこで、他の実施の形態を図面を参照して説明する。以下に説明する流量調節弁の変形例は、エアアクチュエータによって駆動部が構成されたものであり、バルブ本体の構成も図１及び図２に示したものと概略同一であるため全体の構成図は省略する。そのため、以下に本発明の特徴をなす弁部の構成のみを示し、前記実施の形態のものと共通する構成要素については、同一の符号を示して説明する。
【００３６】そこで、先ず前記実施の形態の流量調節弁１の弁体側の変形例について説明する。図１０は、第１変形例を示す弁部の拡大断面図である。このダイアフラム弁体５１は、弁座面３５から所定距離離れた高さに、バルブ本体２とアクチュエータ本体３とで挟み込むようにしてダイアフラム５２を張り、ロッド１３に嵌合した円筒形状のシールステム５３内に、スプリング５４によって下方へ付勢されるボール５５を備えるものである。そして、このダイアフラム弁体５１は、ダイアフラム５２に押さえつけられたときの最隆起点Ｐ１が、弁孔３３の開口部３３ａに近接して弁座面３５に当接するように設けられている。
【００３７】そこで閉弁時には、下降するシールステム５３によってダイアフラム５２が弁座面３５に押し付けられ、弁孔３３の周りが環状にシールされる。シールステム５３内では、ダイアフラム５２が弁座面３５に対してボール５５によって点で押さえ付けられる。次いで、エアアクチュエータによってシールステム５３が持ち上げられると、ダイアフラム５２は、その弾性によってシールステム５３にならって上方へ変位する。但し、スプリング５４とダイアフラム５２との弾性力のバランスにより、アクチュエータが所定以上上昇するまでは、ダイアフラム５２がボール５５によって押さえ付けられ、図示するように最隆起点Ｐ１で弁座面３５に当接した状態になっている。
【００３８】従って、前記実施の形態と同様に有効断面積を楔形円筒面の面積としたことによって、微少流量調節の制御が容易になった。特に、本例の場合には、図示するような流量調節時に、ダイアフラム５２がシールステム５３の外周に引っかけられて変位するため、最隆起点Ｐを中心にして広がるダイアフラム５２の傾斜角が小さくなって有効断面積を小さくでき、流量を微少にすることができる。また、弁部の構造をシールステム５３とダイアフラム５２とに分離させたことにより、弁体の構造を簡単にし、その製作が容易になった。
【００３９】次に、図１１は、第２変形例を示す弁部の拡大断面図である。このダイアフラム弁体６１は、ロッド１３に嵌合する支持部６２が、前記ダイアフラム弁体４１のステム部４２の下端部分を中実にし、その下端に球面突起６３を設けたものである。そして、その支持部６２には、可撓膜６４及び不図示の固定部６５とが前記実施の形態と同様にして連続し、弾性体によって一体成形されたものである。そして、このダイアフラム弁体６１は、球面突起６３の最隆起点Ｐ２が弁孔３３の開口部３３ａに近接して弁座面３５に当接するように設けられている。
【００４０】そのため、図示する位置から支持部６２が下降すれば、下方への押圧力を受けて球面突起６３が潰されるようにして変形し、弁孔３３の開口部３３ａを塞ぐこととなる。そして、その状態から嵌合部６２が上昇すれば、弁座面３５にと押しつけられた最隆起点Ｐ２を中心とする所定領域の接触面は、その最隆起点Ｐ２に対して遠い位置から弁座面３５と離間していく。そこで、このような弁の場合、その有効断面積が図６に示す楔形円筒面Ａ３に示すようになるため、この第２変形例によれば、弁体の構造を簡易なものとし、前記実施の形態の流量調節弁１と同様に微少流量調節の制御性が良くなった。
【００４１】次に、前記実施の形態の流量調節弁１の弁座側を変形例について説明する。図１２は、第３変形例を示す弁部の拡大断面図である。これは、弁座面７１を隆起させた凸状球面７１ａを設け、そこに弁孔７２を穿設させたものである。弁体４１は、ボール４６の中心を通る軸線Ｌが、凸状球面７１ａの中心に位置するように配置され、弁孔７２は、軸線Ｌに重ならない近接した位置にあって、その軸線Ｎが軸線Ｌとずれたオフセット構造がとられている。そこで、エアアクチュエータの駆動によりダイアフラム弁体４１が図示する位置から下降すれば、ステム部４２が弁座面７１の平面７１ｂに当接し、流量調節膜４３が凸状球面７１ａを包み込んで閉弁が行われる。
【００４２】続いて、ダイアフラム弁体４１が上昇すると、ステム部４２が弁座面７１から離間し、流量調節膜４３は、凸状球面７１ａの頂部に当接されたまま周りが上方へ変位してく。その際、流量調節膜４３は、凸状球面７１ａと同方向に湾曲した状態から図示する水平な状態、そして更にボール４６の球面の沿った下方に湾曲した状態へと変化していく。このように流量調節膜４３がステム部４２の上昇に伴って変化してしいく場合、弁孔７２の開口部７２ａにおける有効断面積が徐々に大きくなって流量が増すこととなる。
【００４３】従って、本例の場合、流量調節膜４３が図示する水平状態から上下に変位可能なため、その流量調節膜４３を弁座面７１（凸状球面７１ａ）に当接させて行う流量調節動作の領域が広がり、微少流量調節する際の最大流量を大きくすることができた。また、流量調節膜４３が上下方向の変位量を得たため、弁体リフト量の領域の拡大に伴い電空レギュレータなどの圧力制御機器へ入力する比例帯の幅がより拡大し、制御幅が広がり、微少流量調節の制御が容易になった。また、弁孔７２の開口部７２ａを凸状球面７１ａの斜面に形成したため、流量調節膜４３が下方を向いたときに有効断面積を小さくすることができ、より微少な流量調節が行えるようになった。
【００４４】次に、図１３は、第４変形例を示す弁部の拡大断面図である。これは、弁孔８１の開口部８１ａ部分の弁座面８２に凹曲面８２ａを形成したものである。弁体４１は、ボール４６の中心を通る軸線Ｌが、凹曲面８２ａの中心に位置するように配置され、弁孔８１は、軸線Ｌに重ならない近接した位置にあって、その軸線Ｎが軸線Ｌとずれたオフセット構造がとられている。そこで、エアアクチュエータの駆動によりダイアフラム弁体４１が図示する位置から下降すれば、ステム部４２が弁座面８２の平面８２ｂに当接し、流量調節膜４３が弁孔８１の開口部８１ａを塞いで閉弁が行われる。続いて、ダイアフラム弁体４１が上昇すると、ステム部４２が弁座面８２から離間し、流量調節膜４３はそれに伴って上方へ変位していく。しかし、開口部８１ａが流量調節膜４３と同じ方向に傾斜しているため、開口部８１ａに隙間ができるまでのリフト量が大きくなり、また流量調節膜４３が開口部８１ａの一部を塞いだまま隙間が形成されることとなり、有効断面積がより小さくなる。
【００４５】従って、本例の場合、有効断面積を更に小さくすることができるため、より微少流量の調節をすることができるようになった。また、流体が流れ始める弁体のリフト位置が高くなり、エアアクチュエータの制御が安定した段階で開口部８１ａが開き始めるため、有効断面積を小さくすることとも相まって極めて微少な流量の調整ができるようになった。また、凹曲面８２ａを形成したことにより、加工精度のバラツキを補正して図示するようにボール４６をバランス良く位置決めできる。
【００４６】また、閉弁時には、凹曲面８２ａによって受圧面積が大きくなるため、ボール４６による局所的な加圧が避けられ、そのボール４６から加圧力を受ける流量調節膜４３及び開口部８１ａ周辺のクリープが防止される。よって、クリープによる形状変化によって、流量特性が変化するのを防止することができる。更に、凹曲面８２ａ内にボール４６が正確に位置決めされるため、最隆起点Ｐの位置をより弁孔８１に近づけることができる。そのため、最隆起点Ｐからステム部４２との距離の比に起因する有効断面積を決定する高さを小さくすることができ、より微少流量の調節を制御性良く行うことが可能となった。
【００４７】次に、図１４は、第５変形例を示す弁部の拡大断面図である。これは、弁孔９１に環状溝出口９１ａに連通し、弁座面９２には環状開口部９１ｂが開設されたものである。そして、弁体４１は、ボール４６の中心を通る軸線Ｌが、環状開口部９１ｂの中心に位置するように配置されている。そこで、エアアクチュエータの駆動によりダイアフラム弁体４１が図示する位置から下降すれば、ステム部４２が環状開口部９１ｂの周りで弁座面８２に当接し、流量調節膜４３が環状開口部９１ｂを塞いで閉弁が行われる。続いて、ダイアフラム弁体４１が上昇すると、ステム部４２が弁座面９２から離間し、流量調節膜４３はそれに伴って上方へ変位してく。その際、環状開口部９１ｂと流量調節膜４３との間には環状に隙間ができ、その隙間における有効断面積に従った流量調節により流体が流れることとなる。従って、本例の場合、有効断面積が大きく、流量を増やした微少流量の流量調節を制御性良く行うことが可能となった。また、ダイアフラム弁体４１を弁座面９２から離間させて有効断面積に起因しない状態になった時の最大流量を大きくすることができる。
【００４８】なお、本発明は、前記実施の形態及びその変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、前記実施の形態では、本発明を具体化した一つの手段としてオフセット構造のものを主に説明したが、他の手段によるものであってもよい。また、前記実施の形態では、２０ｃｃ／ｍｉｎ程度の微少流量調節に使用する流量調節弁として説明したが、流量に限定されるものではなく、本発明の流量調節弁によれば流量が大きくても流量調節を制御性良く行うことを可能とする効果を得ることができる。また、前記実施の形態では、駆動手段としてエアアクチュエータを採用したが、その他ソレノイドやピエゾ素子、或いはモータを利用したリニアアクチュエータであってもよく、またエアアクチュエータにしてもダイアフラムではなくシリンダであってもよい。また、例えばダイアフラム弁体４１を上昇させた際に、流量調節膜４３を弁座面に押圧する手段としてボール４６を介したスプリング４７の弾性力を利用したが、ステム部４２内に加圧封入した流体圧力を利用するようにしてもよい。
【００４９】また、弁孔の孔形状は円形だけでなく楕円や菱形などの様々な形状であってもよい。例えば、孔形状が菱形の場合、ボールをオフセットさせることをしなくても、流量調節膜４３が上方に変位する際に微小な有効断面積を形成することができ、その変化量もボールの中心からステム部４２との比で変位することとなり、制御性を良くすることができる。また、図１３に示したボール４６を正確に位置決めする弁座面８２の形状は、凹曲面８２ｂに限らずすり鉢状などであってもよい。また、図１１では、球面突起６３を設けたダイアフラム弁体６１を弾性体で形成した、弾性体によれば、例えば図１５に示すように、球面突起とせずに円柱の下端を斜面にした流量調節面とした弁体を弁座面に対して垂直に当接させるようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】本発明は、弁座面に開設された弁孔の開口部を開閉すべく、弁座面に対して当接・離間する弁体の上下方向の変位を駆動手段によって制御し、弁体と開口部との隙間の大きさによって弁孔を通る流体の流量を調節するものであって、弁孔の開口部を開閉すべく弁座面に当接・離間する前記弁体の流量調節面が、前記開口部分から遠い部分が前記弁座面に対して上下方向へ大きく変位するようにしたので、微少流量の正確な調節を行うことができる流量調節弁を提供することが可能となった。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１０６７６０
【氏名又は名称】シーケーディ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年５月６日（１９９９．５．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７００９
【弁理士】
【氏名又は名称】富澤 孝 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２０６９６（Ｐ２０００−３２０６９６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１２５５４２ |
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