JP2002250441A - ダイアフラム、ダイアフラム弁、及び同弁を用いた流体制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 既存のダイアフラム材質での限界に対し、新
たな材質をダイアフラムに適用することで流体の圧力、
流量を制御し、小型・軽量化に対応するダイアフラム
弁、及び同弁を用いた流体制御方法を提供する。 【解決手段】 Ｎｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイアフラ
ム、前記ダイアフラムを用いたダイアフラム弁、並び
に、前記ダイアフラム弁を用いて流体の圧力又は流量を
制御する流体制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や圧力
を制御するためのダイアフラム弁、及び流体制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の流量や圧力を制御するため
の機器として、バルブ（流体制御弁）が用いられてい
る。この流体制御弁には、ダイアフラム方式の弁が主と
して用いられている。

【０００３】一般のダイアフラム方式の流体制御弁（ダ
イアフラム弁）を図４及び図５に示す。

【０００４】図４は、ステムとダイアフラムを一体型と
した、プランジャー形状による流体制御方式のダイアフ
ラム弁の概略断面図である。流体は、シート部４１上面
のオリフィス４２を介し、流体出口４４に導かれる。ス
テム４６のダイアフラム部４７を一体型としたプランジ
ャー４８を、シート部４１上面に形成したシート突条４
９に押し付けることで制御弁として閉になり、プランジ
ャー４６が本図上部側に動くことで開となる。アクチェ
エータ５０の推力を変えることで開度を調整し、流量制
御弁として使用することもできる。アクチュエータ５０
は、ハンドル操作による機械式駆動以外に空気圧、電磁
（ソレノイド）、圧電素子（ピエゾスタック）等で駆動
させることができる。

【０００５】図４において、５２は流路形成ボディー、
５４は継手、５６は流体入口、５８はＯ−リング、６０
はスプリング、６２はスプリング固定板、６４はスプリ
ング押え、６６はアライメントボール、６８は駆動ロッ
ドである。

【０００６】図５は、空気圧駆動のノーマルクローズタ
イプ制御弁（ダイアフラム弁）の概略断面図である。図
６は、図５に示すダイアフラム弁における部分Ａの拡大
概略断面図である。

【０００７】制御弁７０は、アクチュエータ７２と流路
形成ブロック７４とから構成されている。アクチュエー
タ７２は、外側にシリンダ７６を形成し、内側にピスト
ン７８を有する構造のもので、このピストン７８は、空
気圧導入口８０からの空気圧により駆動させている。空
気圧がピストン受圧面８２に本図において上向きにかか
ることにより、制御弁７０へのピストン用バネ８４によ
る押付け推力が減少し、弁体が開くこととなる。制御弁
７０は、ダイアフラム８６にステム８８を押し付ける構
造でステム８８とダイアフラム８６は、分離されてい
る。ステム８８への推力が減少するとダイアフラム８６
の復元力により、ダイアフラム８６は、上部側に戻り、
制御弁７０として開状態となる。

【０００８】図７は、ダイアフラム８６の概略図であ
り、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

【０００９】図７に示すように、ダイアフラム８６は、
円板凸構造（部分球殻）で厚みは、０．１〜０．２ｍｍ
程度であり、反発力や耐久性を向上するため複数枚使用
することもある。

【００１０】図６において、ダイアフラム８６は、シー
ト押え９０及びダイアフラム押え９２により、周辺支持
で保持されており、ダイアフラム８６の変位量を確保す
るため、円周末端は、自由端になっている（周辺固定を
実施した場合、変位量が減少するが、この方法も広く用
いられている。）。ダイアフラム８６は、アクチュエー
タ７２からの推力をアライメントボール９４を介して伝
播されたステム８８が動くことで変位する。

【００１１】ステム８８は、曲面を持ったＲ形状になっ
ており、凸型ダイアフラム８６のセンター部位を、ステ
ム形状に沿う様変位させている。ダイアフラム押え９２
は、ダイアフラム形状と同じ様なＲ形状になっており、
ダイアフラム８６の変位で生ずるダイアフラムの変曲点
がダイアフラム押え９２下面に沿って同心円状に移動で
きるしくみになっている。

【００１２】この構造により、ダイアフラムの飛び移り
座屈現象を抑え、推力（荷重）に対するダイアフラムの
変位を比例に近い関係にしている（比例制御弁としての
構造）。図８は飛び移り座屈現象を示すダイアフラム荷
重−変位のグラフである。凸型ダイアフラムのセンター
部に荷重を加えると、あるリフト量から荷重が減少方向
になり、座屈終了後、再び荷重が増加に転ずる。この現
象は一般現象であり、この現象を積極的に利用した制御
弁は特許として成立している（日立金属、１９９３年特
許化、１７８００７５号）。図６に見られるように、シ
ート部９６でオリフィス９８を形成しており、このオリ
フィス９８の形成された形状としては、上記のシート部
９６で形成された形状以外に、シート押え９０にかしめ
られている場合もある。

【００１３】図５及び図６において、１００はシリンダ
保持ブロックであり、これはダイアフラム押え９２の固
定も兼ねている。１０２は駆動ロッド、１０４、１０
６、１０８はシールパッキン、１１０は流体入口、１１
２は流体出口、１１４はステム押えである。

【００１４】これらの従来のダイアフラム弁としては、
図４に示すようなステンレスの削りだし加工で形成され
たステム−ダイアフラム一体型の制御弁や、 図５、６
に示すような部分球殻のダイアフラムで形成された制御
弁がある。

【００１５】ステンレス製ダイアフラムは、復元力が弱
く、永久変形を起こすため、バイアスバネによるバック
アップが必要である。また、小型制御弁における変位量
は、一般的に０．１ｍｍ以下であり、これ以上の変位量
を確保する場合は、ダイアフラム形状を大型化しなけれ
ばならない。ステンレスの弾性域は、限られているた
め、繰り返し駆動した場合、金属疲労によるダイアフラ
ムのクラックが生じ、流体の流出につながる問題があ
る。

【００１６】部分球殻のダイアフラムの材質には、ステ
ンレス、ニッケル−コバルト合金（Ｎｉ−Ｃｏ合金）が
用いられているものがある。ステンレスに関しては、前
述の復元力に問題があり、変位量が限定される。Ｎｉ−
Ｃｏ合金は、セイコー電子工業社の公開特許（特開平９
−２８７０４８号公報）に見られるよう、ダイアフラム
として優れた特性を有しており、半導体製造用の制御弁
に最も一般に使用されている。しかし、ステンレス、Ｎ
ｉ−Ｃｏ合金製ダイアフラムが用いられた制御弁は、前
述の制御弁構造を実施しても飛び移り座屈による影響を
生じ、荷重とリフト量（変位量）は、完全な比例関係に
ならず、一部変曲点を有してしまう。そのため、比例制
御弁としては、使用が難しい。また、リフト量は、ステ
ンレスと比較し、Ｎｉ−Ｃｏ合金は数倍得られるが、小
型ダイアフラムを想定した場合、限界があるなどの問題
がある。

【００１７】流体制御弁、とりわけ半導体製造分野で使
用される流体制御弁は、発塵レス、流体滞留部ゼロ、不
純物の放出ゼロ等のクリーン性能を満足する外、開閉・
流量制御に対する耐久性、バルブ開度の経時変化レス等
の信頼性を確保しなければならない。流体制御弁として
は、流量制御弁、流体遮断（開閉）弁、圧力制御弁等が
使用されているが、近年、半導体製造装置のスペース低
減化に伴い、制御弁の小型・軽量化の要求が強くなって
きている。現状、流体制御弁には、ダイアフラム方式の
弁が主として用いられている。しかし、ダイアフラム材
質がステンレスやＮｉ−Ｃｏ材料であるため、弁開度が
限定され、小型・軽量化に対し、流体抵抗（コンダクタ
ンス）の増加が余儀なくされ、流体供給に必要な圧力の
増加や真空パージ実施時の真空到達時間の増加が生じて
しまう。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上のような現状にお
いて、本発明者らは上記問題を解決するために種々検討
した結果、ダイアフラム方式の弁においてダイアフラム
にニッケル−チタン系合金を用いることによって、荷重
に対する変位量を大きくすることができ、弁開度の許容
範囲の拡大につながり、部材としてのダイアフラム形状
を小さくでき、全体としての流体制御弁としても小型化
できることを知得し、本発明を完成するに至った。

【００１９】即ち、本発明の目的とするところは、上記
問題を解決し、既存のダイアフラム材質での限界に対
し、新たな材質をダイアフラムに適用することで流体の
圧力、流量を制御し、小型・軽量化に対応するダイアフ
ラム弁、及び同弁を用いた流体制御方法を提供すること
にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、以下に記載するものである。

【００２１】〔１〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイ
アフラム。

【００２２】〔２〕 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製ダイアフラム
を用いたダイアフラム弁。

【００２３】〔３〕 流量を比例制御する〔２〕に記載
のダイアフラム弁。

【００２４】〔４〕 流体の流路に備え付けた、ダイア
フラムをＮｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイアフラム弁を
用いて流体の圧力又は流量を制御する流体制御方法。

【００２５】以下、本発明を詳細に説明する。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明のダイアフラム弁は、ニッ
ケル−チタン系合金（Ｎｉ−Ｔｉ系合金）をダイアフラ
ムに適用する。

【００２７】本発明のダイアフラムは、従来のダイアフ
ラム弁のいずれにも取付けて使用できる。ダイアフラム
の形状も特に制限がなく、従来のダイアフラムの形状す
なわち、大きさ、厚さ等は、従来のものとほぼ同等であ
る。

【００２８】Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、形状記憶・超弾性合
金として知られており、１９６０年以降に発見された金
属材料である。形状記憶合金は、変態温度の前後で材料
が母相からマルテンサイト相へ変化することを利用し、
マルテンサイトで変形させた材料を変態温度以上にする
と母相で記憶した状態に戻る。この性質のバネを利用
し、炊飯器の調圧弁や制御弁のアクチュエータが実用化
されている。

【００２９】本発明では、Ｎｉ−Ｔｉ系合金の超弾性特
性、形状記憶特性を利用する。超弾性は、母相が応力誘
起でマルテンサイト相に変態することで生ずる。前述の
変態温度以上では、材料に荷重をかけるとマルテンサイ
ト相に変化し、除荷するともとの母相に戻る。このこと
から、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、超弾性特性と共に荷重−除
荷における形状記憶特性を有するものということができ
る。

【００３０】図１は応力‐ひずみ曲線を示すグラフであ
り、（ａ）は通常の金属材料の応力‐ひずみ曲線を示す
グラフであり、（ｂ）はＮｉ−Ｔｉ系合金の応力‐ひず
み曲線を示すグラフである。

【００３１】ステンレス等、通常の金属材料は、図１
（ａ）に示されるように、外部応力と伸び（変位量）と
が比例関係にある直線域（弾性領域）が狭く、降伏点以
降更に荷重を掛けると、除荷後、永久変形を生ずる。そ
のため、ダイアフラムとしては狭い伸びの弾性領域しか
利用できない。

【００３２】これに対して、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、図１
（ｂ）に示されるように、弾性領域、及び可逆的変形領
域が広く、全体のサイズに対し８％以内の変形であれば
除荷後、元の形状に回復する。そのため、ダイアフラム
として好ましい材料である。

【００３３】また、Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、応力‐ひずみ
曲線において弾性領域、及び可逆的変形領域が広いの
で、ＯＮ−ＯＦＦ弁ばかりでなく、二次側流体の圧力や
流量を制御する比例制御弁としても好ましいものであ
る。

【００３４】用いるＮｉ−Ｔｉ系合金は、加熱−冷却に
おける形状記憶特性が起こらないよう変態温度がダイア
フラム弁の使用温度より低いことが条件となる。具体的
には変態温度がマイナス１０℃以下、好ましくはマイナ
ス２０℃以下のＮｉ−Ｔｉ系合金が好ましく、この条件
を満す場合は、ＮｉとＴｉとの比率の如何を問わない。
このような合金は、Ｎｉ−ＴｉのＮｉ比率が多い合金、
特に好ましくはＮｉが５０〜５５質量％、Ｔｉが４５〜
５０質量％のＮｉ−Ｔｉ系合金（例えばＮｉ：５１質量
％、Ｔｉ：４９質量％）、又は第三元素Ｃｒ、Ｆｅ、
Ｖ、Ｃｏ等を０．０１〜５質量％添加したＮｉ−Ｔｉ系
合金が対象となる。

【００３５】図２は、ダイアフラムについて荷重に対す
る変位量を測定した試験で得られたデータを示すグラフ
である。

【００３６】この試験では、Ｎｉ−Ｃｏ合金とＮｉ−Ｔ
ｉ系合金を同一の部分球殻形状で比較した。試験材料の
厚みはＮｉ−Ｃｏ合金が０．１ｍｍ、Ｎｉ−Ｔｉ系合金
は、０．１８ｍｍであった。

【００３７】Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、Ｎｉ−Ｃｏ合金と比
較し、明らかに直線域に伸びが認められた。更に、板厚
が１．８倍と、変位量が増加しにくい条件にも拘らず、
同一荷重に対し、Ｎｉ−Ｃｏ合金よりも数十％の変位量
増加が認められた。

【００３８】この特性は、Ｎｉ−Ｔｉ系合金の弾性係数
が大きいことによるものである。Ｎｉ−Ｃｏ合金は弾性
係数が小さいため、同一荷重に対し変位量が小さい。そ
のため、ダイアフラムの変位の許容量を大きくするには
ダイアフラムを大きくする、惹いてはダイアフラム弁自
体を大きくする必要がある。或は荷重を多く掛ける、惹
いてはダイアフラム弁自体を強く補強する必要がある。

【００３９】これに対し、Ｎｉ−Ｔｉ系合金の場合は、
必要以上にダイアフラム弁自体を大きくしたり補強する
こともなく、ダイアフラム材料として極めて有効であ
る。

【００４０】なお、ダイアフラムの荷重−変位特性にお
いて変曲点がある場合、この変曲点はダイアフラム押え
の形状に沿って移動する。よって、Ｎｉ−Ｔｉ系合金を
ダイアフラム材料として用いることに併せて、上記変曲
点の移動に応じてダイアフラム押えの形状を決定するな
どのダイアフラムの保持方法を採ることにより、荷重に
対する変位量の比例領域が増大する。上記ダイアフラム
の保持方法を併用することにより、本発明のダイアフラ
ム弁は、比例動作弁として活用でき、ダイアフラムへの
推力（アクチュエータ推力）をコントロールすることが
でき、惹いてはダイアフラム弁において任意の開度を得
ることができる。

【００４１】本発明のダイアフラム弁は、ダイアフラム
の繰り返し動作（上下運動）に対する耐久性が高い。

【００４２】ダイアフラムの弾性係数が高いことによ
り、本発明のダイアフラム弁は、流体制御弁としてのバ
ルブ開度の経時変化が極めて少なく、開閉では数百万回
以上繰り返し動作に耐えうる制御弁である。

【００４３】本発明においてダイアフラム材料として用
いるＮｉ−Ｔｉ系合金は、耐腐食性、非触媒作用に優れ
たものである。即ち、耐腐食性については酸化チタンと
同様な耐食性を有しており、非触媒作用についてはダイ
アフラム弁の構成材料や制御すべき流体に対して触媒作
用、反応することも実用上無いレベルである。

【００４４】以下、図面を参照しながら、本発明を更に
詳細に説明する。

【００４５】図３は、本発明のダイアフラム弁（制御
弁）の一例である空気圧駆動レギュレータ（圧力調整
器）の内部構造を示す概略断面図である。

【００４６】空気圧駆動レギュレータ２は、外側がシリ
ンダ４、カバー６、流路形成ブロック８から形成されて
いる。上記シリンダ４、カバー６の内側には、ピストン
１０、スプリング（バネ）１２、スプリング受け１４、
駆動ロッド１６、ダイアフラム１８、弁体２０、ダイア
フラム押え２２、弁座シール２４、シールパッキン２
６、２８、Ｏ−リング３０が設けられている。

【００４７】上記ピストン１０は、空気圧導入口３２か
らの空気圧により駆動させている。空気圧がピストン受
圧面３４に下向きに掛かることにより、ピストン１０に
上向きに掛かっているスプリング１２による押付け推力
が減少し、弁体２０と弁座シール２４との隙間が開く。
流体入口３６から導入された流体は、弁体２０と弁座シ
ール２４との隙間の開度によって圧力、流量が制御され
て流体出口３８から流出される。

【００４８】ダイアフラム１８には、Ｎｉ−Ｔｉ系合金
を用いているので、空気圧駆動レギュレータ２は、ダイ
アフラム構造の流量制御、圧力制御弁にも適用できる。

【００４９】図３に示すように、ダイアフラム１８で流
体の二次側圧力を受圧し、圧力バランスを取っており、
二次側圧力の変動にも対応できる。

【００５０】構成部品の形状は図３の形状に限定される
わけでなく、例えばダイアフラム１８は更に小型化する
ことができ、全体としての空気圧駆動レギュレータ２も
更に小型化が可能である。

【００５１】

【発明の効果】本発明においては、ダイアフラムとして
Ｎｉ−Ｔｉ系合金を用いている。Ｎｉ−Ｔｉ系合金は、
材料の弾性変形域が広く、ダイアフラムとして用いた場
合、他の金属又は合金と比較し、変位量を大きくするこ
とができる。弁開度の許容範囲の拡大につながり、バル
ブの容量係数（Ｃｖ値）を高くすることができる。

【００５２】Ｎｉ−Ｔｉ系合金の弾性変形域が広いこと
は、制御部での圧力損失を低減できる。この圧力損失の
低減により、制御部での圧力降下で生ずるフラッシング
（流体が液材料の場合、材料が気化する）やキャビテー
ション（溶存ガスの放出）を抑制することができる。

【００５３】Ｎｉ−Ｔｉ系合金の変位量の大きいことに
より、部材としてのダイアフラム形状を小さくでき、全
体としての流体制御弁としても小型化できる。

【００５４】Ｎｉ−Ｔｉ系合金の超弾性特性により、変
位に対する必要荷重が低減できる。アクチュエータのダ
イアフラム駆動に用いる推力が削減でき、アクチュエー
タが小型化でき、惹いては制御弁としても小型化でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】応力‐ひずみ曲線を示すグラフであり、（ａ）
は通常の金属材料の応力‐ひずみ曲線を示すグラフであ
り、（ｂ）はＮｉ−Ｔｉ系合金の応力‐ひずみ曲線を示
すグラフである。

【図２】ダイアフラムについて荷重に対する変位量を測
定した試験で得られたデータを示すグラフである。

【図３】本発明のダイアフラム弁（制御弁）の一例であ
る空気圧駆動レギュレータ（圧力調整器）の内部構造を
示す概略断面図である。

【図４】ステムとダイアフラムを一体型とした、プラン
ジャー形状による流体制御方式のダイアフラム弁の概略
断面図である。

【図５】空気圧駆動のノーマルクローズタイプ制御弁
（ダイアフラム弁）の概略断面図である。

【図６】図５に示すダイアフラム弁における部分Ａの拡
大概略断面図である。

【図７】図５に示すダイアフラム弁におけるダイアフラ
ムの概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図で
ある。

【図８】飛び移り座屈現象を示すダイアフラム荷重−変
位のグラフである。

【符号の説明】

２ 空気圧駆動レギュレータ ４ シリンダ ６ カバー ８ 流路形成ブロック １０ ピストン １２ スプリング（バネ） １４ スプリング受け １６ 駆動ロッド １８ ダイアフラム ２０ 弁体 ２２ ダイアフラム押え ２４ 弁座シール ２６、２８ シールパッキン ３０ Ｏ−リング ３２ 空気圧導入口 ３４ ピストン受圧面 ３６ 流体入口 ３８ 流体出口 ４２ オリフィス ４４ 流体出口 ４６ プランジャー（ステム） ４８ ダイアフラム部 ５０ アクチェエータ ５２ 流路形成ボディー ５４ 継手 ５６ 流体入口 ５８ Ｏ−リング ６０ スプリング ６２ スプリング固定板 ６４ スプリング押え ６６ アライメントボール ６８ 駆動ロッド ７０ 制御弁 ７２ アクチュエータ ７４ 流路形成ブロック ７６ シリンダ ７８ ピストン ８０ 空気圧導入口 ８２ ピストン受圧面 ８４ ピストン用バネ ８６ ダイアフラム ８８ ステム ９０ シート押え ９２ ダイアフラム押え ９４ アライメントボール ９６ シート部 ９８ オリフィス １００ シリンダ保持ブロック １０２ 駆動ロッド １０４、１０６、１０８ シールパッキン １１０ 流体入口 １１２ 流体出口 １１４ ステム押え

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイアフラ
   ム。
2. 【請求項２】 Ｎｉ−Ｔｉ系合金製ダイアフラムを用い
   たダイアフラム弁。
3. 【請求項３】 流量を比例制御する請求項２に記載のダ
   イアフラム弁。
4. 【請求項４】 流体の流路に備え付けた、ダイアフラム
   をＮｉ−Ｔｉ系合金で形成したダイアフラム弁を用いて
   流体の圧力又は流量を制御する流体制御方法。