JP2005308159A - 電磁比例弁の流量特性調整機構及びそれを用いた流量特性調整方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コイル17が巻回するコイルボビン16と、コイルボビン16に固設される第3コア15と、入口流路3と出口流路4とを備えるボディ2と、入口流路3と出口流路4とを連通させる弁座6と、弁座6を開閉する弁シート12と、弁シート12と一体化されるプランジャ10と、プランジャ10を弁座6方向に付勢する板バネ8と、コイルボビン16とボディ2との間に介在する第1コア9と、コイルボビン16に着脱可能に被せられるボンネット19と、を有し、第3コア15と第1コア9とボンネット19とがコイル17の周りを囲んで磁気回路を形成する電磁比例弁1Aにおいて、固定ネジ22を回転させてボンネット19を軸方向に移動させ、磁気回路を変化させる。
【選択図】 図1
Description
電磁比例弁100は、ボディ101に入口流路102と出口流路103とが形成されており、その連通部分に弁室104が設けられている。弁室104には、弁座105が設けられ、入口流路102と出口流路103とが弁座105を介して連通している。また、ボディ101には、磁性材体からなる保持部材106が嵌め込まれ、ボディ101と保持部材106との間に板バネ107が狭持されている。板バネ107の中心部には、弁シート109が取り付けられ、板バネ107の取付荷重によって弁シート109を弁座105に押しつけている。板バネ107は、プランジャ110に溶接接合され、一体構造とされている。板バネ107の外縁部は上スペーサ117と下スペーサ118に挟み込まれ、板バネ107をプランジャ110や弁座105などに対して位置調整している。
一方、固定鉄心112は、非磁性体からなる環状の嵌装部材111を介して保持部材106に支持され、プランジャ110と同軸上に配設されている。固定鉄心112は、コイル113が巻回されたコイルボビン114に装填され、コイル113に電流を供給すると、固定鉄心112や保持部材106が励磁されて、板バネ107の復元力に抗してプランジャ110を吸引するようになっている。ボンネット115は、コイルボビン114に被せられて下端開口部が保持部材106に接触し、固定ネジ116を介して固定鉄心112に固定されている。
電磁比例弁100は、板バネ107が所定のバネ定数を有することを前提として、プランジャ110の動作ストロークStを0.15mmに設定すると、図9に示す流量特性Aが得られ、動作ストロークStを0.10mmに設定すると、図9に示す流量特性Bが得られ、動作ストロークStを0.20mmに設定すると、図9に示す流量特性Cが得られるものとする。この条件の下、電磁比例弁100の流量特性の調整について説明する。
すなわち、電磁比例弁100は、ボディ101に対して下スペーサ118、板バネ107、上スペーサ117を積み重ね、さらにボディ101に保持部材106を嵌め込むことにより、プランジャ110と固定鉄心112との間の距離の精度を絶対的に出しており、プランジャ110と固定鉄心112との間の距離が、部品公差や組立公差の影響を受けて製品毎にばらつきやすかった。バラツキ解消策の1つとして、部品の寸法精度を向上させることが考えられるが、プランジャ110と固定鉄心112との間の距離を数十μmのオーダで調整する必要性から限界があった。そのため、電磁比例弁100は、各部品の部品公差を計って上スペーサ117の厚さを決定し、プランジャ110と固定鉄心112との間の距離を調整しており、部品の組立工数が多かった。また、製品を組み立てた後に希望の流量特性が得られないことが判明すると、部品を分解して上スペーサ117の厚さを再調整しなければならず、流量特性の調整に手間がかかっていた。
(1)コイルが巻き付けられる円筒中空形状のコイルボビンと、コイルボビンの中空孔に固設される固定鉄心と、第1流路と第2流路とが形成されたボディと、第1流路と第2流路とを連通させる弁座と、弁座に当接又は離間する弁体と、弁体と一体化されて固定鉄心と同軸上に配設される可動鉄心と、可動鉄心を弁座方向に常時付勢する付勢部材と、コイルボビンとボディとの間に介在する中間連結体と、中間連結体に接触するようにコイルボビンに着脱可能に被せられる被覆部材と、を有し、固定鉄心と中間連結体と被覆部材とがコイルの周りを囲んで磁気回路を形成し、コイルに供給する印加電流に応じて固定鉄心が可動鉄心を付勢部材に抗して吸引することにより、流量調整を行う電磁比例弁に用いられ、被覆部材を軸方向に移動させ、磁気回路を変化させる移動手段を有すること、を特徴とする。
電磁比例弁は、コイルに通電しない状態では、可動鉄心が付勢部材により弁座側に付勢され、弁体を所定のシール荷重で弁座に押し付けている。コイルに所定の印加電流を供給すると、コイルの周りに磁路が形成され、固定鉄心が励磁される。可動鉄心は、固定鉄心に吸引されて、固定鉄心の吸引力と付勢部材の付勢力とがバランスする位置まで移動し、弁体を弁座から離間させる。これにより、流体は、第1流路から弁座を通過するときに弁開度に応じて流量調整された後、第2流路から出力される。
次に、コイルに所定の印加電流を供給し、コイルの周りに磁界を発生させ、固定鉄心を励磁する。可動鉄心は、固定鉄心の吸引力に応じて移動し、弁体を弁座から離間させる。流体は、第1流路から弁座を通過するときに、弁体が弁座から離間する弁開度によって流量調整され、第2流路から出力される。そこで、第2流路から出力される流体の流量を流量測定手段で測定する。
次に、流量測定手段の測定結果を見ながら移動手段を操作し、被覆部材を軸方向に移動させて被覆部材と中間連結体との接触面積を変動させることにより、固定鉄心の吸引力を変化させ、流量測定手段の測定結果を所定値に合わせる。ここで、所定値とは、コイルへの印加電流に対する目標流量をいう。これにより、電磁比例弁を希望の流量特性に調整することが可能である。
よって、本発明によれば、工具を用いずに被覆部材を軸方向に移動させることができ、利便性がよい。
次に、本発明に係る電磁比例弁の流量特性調整機構及びそれを用いた流量特性調整方法について、第1実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1は、電磁比例弁1Aの断面図であって、流量特性調整後の状態を示す。図2は、電磁比例弁1Aの断面図であって、流量特性調整前の状態を示す。
電磁比例弁1Aは、例えば、半導体製造工程のプロセスガスを制御するために用いられ、コイル17の電磁吸引力に比例してプランジャ(「可動鉄心」に相当するもの。)10を吸引移動させ、弁シート(「弁体」に相当するもの。)12を弁座6から分離させることにより、制御流体の流量制御を行うものである。
その後、コイル17に所定の印加電流を与えると、コイル17の周りに磁界が発生し、第1コア9や第3コア15が励磁されてプランジャ10を板バネ8に抗して吸引する。プランジャ10は、第3コア15や第1コア9との間にある磁気漏洩空間25を埋めるように垂直上方向に無摺動で移動すると、第3コア15の吸引力とシール荷重がバランスする全開位置で停止し、弁シート12が弁座6から分離して弁座6を開く。つまり、電磁比例弁は、コイル17に与える印加電流による磁力に比例した開度だけ作動する。弁座6が開くと、制御流体は、第1流路3から弁座6を通過するときに、弁シート12と弁座6の距離に応じた流量に制御された後、出口流路4から出力される。
電磁比例弁1Aの流量特性調整機構及びそれを用いた流量特性調整方法は、磁路が変化すると、第3コア15の吸引力が変化することに着目し、コイル17の周りに形成される磁路を変化させて、印加電流に対する流量を調整する。
また、ボンネット19と第3コア15との間には、座金18を介してギャップ(図1のG1,図2のG2参照)が設けられ、ボンネット19が軸方向に移動したときに、ギャップが変動する。磁気は空間を流れるため、ギャップも磁気回路の一部を構成し、ギャップが変動することにより磁気抵抗が変化する。ギャップが大きくなると、磁気回路上の磁気抵抗が大きくなるため、第3コア15の吸引力が小さくなる。一方、ギャップが小さくなると、磁気回路上の磁気抵抗が小さくなるため、第3コアの吸引力が大きくなる。
このとき、第1コア9と第3コア15との接触面積の変動、及び、第3コア15とボンネット19との間のギャップの変動による磁気抵抗の変化は、相乗的に作用するため、固定ネジ22の回転量に対する吸引力の変化率が大きく、流量特性を微少調整することができる。
本実施の形態の電磁比例弁1Aは、板バネ8が所定のバネ定数を有することを前提として、従来技術と同様、プランジャ10の動作ストロークStを0.15mmに設定すると、図9の流量特性Aが得られ(これを「基本状態」とする。)、プランジャ110の動作ストロークStを0.10mmに設定すると、図9の流量特性Bが得られ(これを「第1の状態」とする。)、プランジャ110の動作ストロークStを0.20mmに設定すると、図9の流量特性Cが得られるものとする(これを「第2の状態」とする。)。この条件の下、電磁比例弁1Aの流量特性の調整について具体的に説明する。
続いて、本発明の電磁比例弁の流量特性調整機構及びそれを用いた流量特性調整方法について第2実施の形態を説明する。図4は、電磁比例弁1Bの断面図である。
本実施の形態の電磁比例弁1Bは、第2固定鉄心45を第1固定鉄心41にねじ込む量によって磁路を変化させる点で、固定ネジ22を第3コア15にねじ込む量を調整して、磁路を変化させる第1実施の形態と相違している。よって、ここでは、第1実施の形態と相違する点について詳細に説明し、共通する点については構成部品に第1実施の形態と同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第1固定鉄心41は、強磁性材料を円柱形状に成形したものであり、コイルボビン16の中空孔にボディ2側から装填されて固設されている。第1固定鉄心41の下端部分は、第2コア14から突出して、第1コア9の内周面と対向しており、第1固定鉄心41と第1コア9との間に磁気漏洩空間25が設けられている。第1固定鉄心41の上端面には、円筒状の突起42が同軸上に突設され、コイルボビン16の中空孔内に存在している。突起42は、外周面に雄ネジが形成されている。第1固定鉄心41は、突起42の端面から同軸上に固定ネジ22を締結するためのネジ孔43が形成されている。
なお、本実施の形態では、「移動手段」は、第1固定鉄心41の凸部42、ネジ孔43、第2固定鉄心45の凹部46、挿通孔47、ボンネット19の貫通孔20、固定ネジ20によって構成されている。また、「ネジ送り機構」は、固定ネジ20と第1固定鉄心41のネジ孔43によって構成されている。
また、第2固定鉄心45は、第1固定鉄心41にねじ込まれるため、そのねじ込み量によって第1固定鉄心41と第2固定鉄心45との間に形成されるギャップG3が変化する。
このように、第1コア9とボンネット19との接触面積M3、及び、第1固定鉄心41と第2固定鉄心45との間に形成されるギャップG3が変化することにより、コイル17の周りに形成される磁気回路の構成が変化し、磁気抵抗が変化する。
希望の流量特性でない場合には、コイル17への通電と流体の供給を停止する。固定ネジ22を取り外してボンネット19をコイルボビン16から取り除くと、第2固定鉄心45が露出するので、第2固定鉄心45を回転させることにより、第2固定鉄心45の雌ネジを第1固定鉄心41の雄ネジにねじ込む量を調整し、ギャップG3を調整する。それから、ボンネット19をコイルボビン16に被せて第2固定鉄心45に当接させ、固定ネジ22をボンネット19の貫通孔20と第2固定鉄心45の挿通孔47に貫き通し、第1固定鉄心41のネジ孔43にねじ込み、ボンネット19を第1固定鉄心41に固定する。ボンネット19は、第2固定鉄心45がコイルボビン16から突出する量に応じて、第1コア9との接触面積M3が調整される。そして、電磁比例弁1Bの入口流路3に流体を供給してから、コイル17に所定の印加電流を再び供給し、出口流路4から出力される流体の流量を流量計で測定する。測定結果が所定値である場合には、流量特性調整を終了し、所定値でない場合には、上述した流量特性調整を繰り返し行う。
続いて、本発明の電磁比例弁の流量特性機構及びそれを用いた流量特性調整方法の第3実施の形態について説明する。図5は、電磁比例弁1Cの断面図である。
本実施の形態の電磁比例弁1Cは、ボンネット51を回転させて軸方向に移動させる点で、固定ネジ22を回転させてボンネット51を軸方向に移動させる第1実施の形態の電磁比例弁1Aと相違している。よって、ここでは、第1実施の形態と相違する点について詳細に説明し、共通する点については、図面に第1実施の形態と同一符号を付し、適宜説明を省略する。
ボンネット51は、強磁性材料を円筒形状に形成したものであり、一端開口内周面に雌ネジが形成されている。ボンネット51は、雌ネジが固定部材52の雄ネジに螺合して保持されている。
なお、本実施の形態では、「移動手段」と「ネジ送り機構」は、ボンネット51の雌ネジと固定部材52の雄ネジによって構成されている。
流量が所定値でない場合には、ボンネット51をつまんで回転方向に力を加える。すると、固定部材52は固定ネジ22で固定されて回転しないものの、ボンネット51が固定部材52に対して回転し、ネジ送りによって軸方向に移動する。そのため、ボンネット51と第1コア9の接触面積M4が変動して、磁路が変化し、流量が変化する。流量計が所定値を測定したら、ボンネット51の回転を止めて、流量特性の調整を終了する。
続いて、本実施の形態の電磁比例弁1Dの流量特性調整機構及びそれを用いた流量特性調整方法の第4実施の形態について説明する。図6は、電磁比例弁1Dの断面図である。
本実施の形態の電磁比例弁1Dは、ボンネット63を回転させて軸方向に移動させる点で、固定ネジ22を回転させてボンネット19を軸方向に移動させる第1実施の形態の電磁比例弁1Aと相違している。よって、ここでは、第1実施の形態と相違する点につい詳細に説明し、共通する点については、第1実施の形態と同一符号を付し、説明を適宜省略する。
なお、本実施の形態では、「移動手段」と「ネジ送り機構」は、ボンネット63の雌ネジと第1コア62の雄ネジによって構成されている。
流量計の測定結果が所定値でない場合には、ボンネット63をつまんで回転させる。ボンネット63を回転させると、ボンネット63の雌ネジと第1コア62の雄ネジとのねじ送りにより、ボンネット63が一定量ずつ軸方向に移動する。そのため、ボンネット63と第1コア62との接触面積M5、及び、ボンネット63と第3コア61との接触面積M6が相対的に変化して、磁気抵抗が変化し、流量が変化する。流量が所定値になったら、ボンネット63の回転を止めて、流量特性の調整を終了する。
(1)例えば、上記第1実施の形態では、弾性部材として座金18を用いたが、図7に示す電磁比例弁1Eのように、第3コア15とボンネット19との間にコイルスプリング71を縮設してもよい。
(2)例えば、上記第1実施の形態では、固定ネジ22が露出しているが、固定ネジ22を隠す栓をボンネット19に取り付けるようにしてもよい。
(3)例えば、上記実施の形態の他、ボンネット19の厚みを変えたり、固定ネジ22の長さや材質を変えて、磁気回路の磁気抵抗を変化させ、流量調整するようにしてもよい。
(4)例えば、上記実施の形態では、フラッパ方式の電磁比例弁1A,1B,1C,1D,1Eについて説明したが、プランジャ方式の電磁比例弁などに流量特性調整機構を設けてもよい。
(5)例えば、上記実施の形態では、電磁比例弁を半導体製造装置に用いたが、使用用途はこれに限定されない。
(6)例えば、上記実施の形態の電磁比例弁1A〜1Eでは、3を入口流路、4を出口流路としたが、3を出口流路、4を入口流路としてもよい。
1B 電磁比例弁
1C 電磁比例弁
1D 電磁比例弁
1E 電磁比例弁
2 ボディ
3 入口流路
4 出口流路
6 弁座
8 板バネ
9 第1コア
10 プランジャ
12 弁シート
14 第2コア
15 第3コア
16 コイルボビン
17 コイル
18 座金
19 ボンネット
22 固定ネジ
40 第3コア
41 第1固定鉄心
45 第2固定鉄心
51 ボンネット
52 固定部材
61 第3コア
62 第1コア
63 ボンネット
71 コイルスプリング
M1〜M6 接触面積
G1〜G3 ギャップ
Claims (6)
- コイルが巻き付けられる円筒中空形状のコイルボビンと、前記コイルボビンの中空孔に固設される固定鉄心と、第1流路と第2流路とが形成されたボディと、前記第1流路と前記第2流路とを連通させる弁座と、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記弁体と一体化されて前記固定鉄心と同軸上に配設される可動鉄心と、前記可動鉄心を前記弁座方向に常時付勢する付勢部材と、前記コイルボビンと前記ボディとの間に介在する中間連結体と、前記中間連結体に接触するように前記コイルボビンに着脱可能に被せられる被覆部材と、を有し、前記固定鉄心と前記中間連結体と前記被覆部材とが前記コイルの周りを囲んで磁気回路を形成し、前記コイルに供給する印加電流に応じて前記固定鉄心が前記可動鉄心を前記付勢部材に抗して吸引することにより、流量調整を行う電磁比例弁に用いられ、
前記被覆部材を軸方向に移動させ、前記磁気回路を変化させる移動手段を有すること、を特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構。 - 請求項1に記載する電磁比例弁の流量特性調整機構において、
前記移動手段は、
前記被覆部材をネジ送り機構により軸方向に移動させるものであること、を特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構。 - 請求項1又は請求項2に記載する電磁比例弁の流量特性調整機構において、
前記移動手段は、
前記被覆部材と前記固定鉄心との間に配設される弾性部材と、
前記被覆部材を貫いて前記固定鉄心に螺合する固定ネジとを有することを特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構。 - 請求項1又は請求項2に記載する電磁比例弁の流量特性調整機構において、
前記移動手段は、
前記固定鉄心を、前記ボディ側から前記コイルボビンの中空孔に固定される第1固定鉄心と、前記ボディと反対側から前記コイルボビンの中空孔に回転可能に装填される第2固定鉄心とに分割し、前記第1固定鉄心に前記第2固定鉄心を螺合することと、
前記被覆部材を前記第2固定鉄心に面接触させて固定する固定部材と、を有することを特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構。 - 請求項1に記載する電磁比例弁の流量特性調整機構において、
前記移動手段は、
前記被覆部材側に設けられた雌ネジ部と、
前記コイルボビン側に設けられた雄ネジ部とからなることを特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構。 - 請求項1乃至請求項5の何れか1つに記載の電磁比例弁の流量特性調整機構を用いて、
前記コイルに印加電流を供給しない状態で前記第1流路に流体を供給し、
前記コイルに所定の印加電流を供給して、前記第2流路から出力される流体の流量を流量測定手段で測定し、
前記流量測定手段が所定値を測定するまで、前記移動手段により前記被覆部材を軸方向に移動させて磁路を変化させ、流量調整を行うことを特徴とする電磁比例弁の流量特性調整機構を用いた流量特性調整方法。
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