JP2000320696A

JP2000320696A - 流量調節弁

Info

Publication number: JP2000320696A
Application number: JP11125542A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hayashimoto; 茂林本; Atsuyuki Sakai; 厚之坂井; Akio Yamada; 昭夫山田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2000-11-24
Anticipated expiration: 2019-05-06
Also published as: JP4365477B2

Abstract

(57)【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。

Description

【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１１
１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２０
ｃｃ／ｍｉｎの微少流量調節を行う場合には、弁体部１
２２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１０
０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１５
ａ，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３
５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、Ｐ
ＴＦＥ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４
２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４
３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Ａ
１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Ａ
１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１２
１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Ａ
１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１
３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３３
ａ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３
１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Ａ
３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３
５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２
２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４
１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／ｍｉ
ｎまでの間で流量調節を行う場合、従来の流量調節弁１
００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５
２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６
１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９１
ａ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４
１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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流量調節弁の一実施の形態のを示
した閉弁時の断面図である。

【図２】本発明に係る流量調節弁の一実施の形態のを示
した開弁時の断面図である。

【図３】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。

【図４】従来の流量調節弁の弁開度を概念的に示した図
である。

【図５】ニードル弁の弁開度を概念的に示した図であ
る。

【図６】本実施の形態の流量調節弁の弁開度を概念的に
示した図である。

【図７】円柱形空間Ａ１を弁開度とした場合の当該弁開
度に対する弁体リフト量との関係のグラフを示した図で
ある。

【図８】隙間Ａ，Ｃに対する弁体のリフト量（エアアク
チュエータの出力量）との関係のグラフを示した図であ
る。

【図９】単位時間当たりの流量に対する弁体変位との関
係のグラフを示した図である。

【図１０】第１変形例を示す弁部の拡大断面図である。

【図１１】第２変形例を示す弁部の拡大断面図である。

【図１２】第３変形例を示す弁部の拡大断面図である。

【図１３】第４変形例を示す弁部の拡大断面図である。

【図１４】第５変形例を示す弁部の拡大断面図である。

【図１５】従来の流量調節弁を示した部分断面図であ
る。

【図１６】従来の流量調節弁を示した弁部の拡大断面図
である。

【符号の説明】

１流量調節弁２バルブ本体３アクチュエータ本体４キャップ１３ロッド１４ダイアフラム３３弁孔４１ダイアフラム弁体４２ステム部４３流量調節膜４４可撓膜４５固定部４６ボール４７スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田昭夫愛知県春日井市堀ノ内町850番地シーケーディ株式会社春日井事業所内Ｆターム(参考） 3H052 AA01 BA35 CA18 CA22 DA02 EA16

Claims

【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。