JP2012017753A

JP2012017753A - 樹脂ダイヤフラムのシール方法

Info

Publication number: JP2012017753A
Application number: JP2010153607A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Koyanagi; 洋小柳; Yasuo Kurosaki; 晏夫黒▲崎▼
Original assignee: University of Electro Communications NUC; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: University of Electro Communications NUC; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: JP5286330B2

Abstract

【課題】レーザー光による加熱により、フッ素樹脂から成るダイアフラムとハウジングとが一体となり、シール機能の信頼性を増大する。
【解決手段】下ハウジング１２、ダイアフラム１３を非溶融性フッ素樹脂のブロック材から切削により形成している。そして、ダイアフラム１３のフランジ部１３ｂと下ハウジング１２のフランジ部１２ａとの間に、熱可塑性フッ素樹脂による円環状の溶融樹脂シート２４を挟着し、ダイアフラム１３の上に吸熱材１９を載置し、治具により固定する。吸熱材１９側から加熱用レーザー光を照射すると、ドット２５で示すように溶融樹脂シート２４が溶融して、フランジ部１２ａとフランジ部１３ｂとを接着する。また、レーザー光Ｌの照射中に吸熱材１９はダイアフラム１３の上面から熱を吸収して、ダイアフラム１３の変質を防止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、バルブ等に用いる樹脂ダイヤフラムのシール方法に関するものである。

半導体製造ラインにおいては、劇薬である強酸類や高温流体を使用することが多く、配管、センサ、バルブには耐薬品性などの性能が要求されるため、流体を隔離するための可動部のダイアフラムに、例えば特許文献１のように殆どがフッ素樹脂を使用している。

しかし、フッ素樹脂は接着が殆ど不可能であり、技能者における手作業による溶接により行っている。また、加熱によるフッ素酸ガス等の有毒ガスの発生も考えられ、作業者の健康を守るための作業環境を配慮する必要がある。

フッ素樹脂の溶着は、例えば特許文献１のように高温下での電子線の照射により行う場合もあるが、高い技能が要求され、溶接後に外観を整えるため二次加工を必要とすることがある。また、ダイアフラムなどのように薄物の溶接は極めて困難で、設計上の工夫が必要である。

また、従来のフッ素樹脂製バルブの本体とダイアフラムのシールは、図７に示すようにダイアフラム１を上下のハウジング２、３間に設置して、複数本のねじ４等で締め付ける密封構造が採用されている。即ち、シール部分にＶ突起５や溝６を設けるなどの工夫により、フッ素樹脂自身が持っている反発力でシール機能を保持している。

しかし、この構造は基本的に構成材料に温度履歴により永久歪が生じて、組成変形し反発力が減衰するクリープ現象が発生してシール機能が低下し、内部流体の漏れが発生する虞れがある。また、ねじ４による締め付けにより密封をしているため、ねじ４を均等に締め付ける必要があり、組立作業者の熟練が要求され、更にシール部を構成する部品同士の接触面にも高度の面精度が要求される。

特開２００６−１０５８５９号公報

本発明の目的は、上述の問題を解消し、フッ素樹脂ダイアフラムをフッ素樹脂製のハウジングに良好に溶着し得る樹脂ダイヤフラムのシール方法を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る樹脂ダイヤフラムのシール方法は、非溶融性フッ素樹脂から成るハウジングのフランジ部と同様に非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラムのフランジ部とを溶着する樹脂ダイヤフラムのシール方法において、前記２つのフランジ部間に熱可塑性フッ素樹脂から成る溶融樹脂シートを介在し、前記ダイアフラムの非溶着面側に熱伝導性が良好でレーザー光により加熱されずレーザー光を透過する吸熱材を配置し、前記吸熱材側から加熱用レーザー光を照射して前記溶融樹脂シートを溶融して前記フランジ部同士を溶着することを特徴とする。

また、本発明に係る樹脂ダイヤフラムのシール方法は、熱可塑性フッ素樹脂から成るハウジングのフランジ部と非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラムのフランジ部とを溶着する樹脂ダイヤフラムのシール方法において、前記ダイアフラムの非溶着面側に熱伝導性が良好でレーザー光により加熱されずレーザー光を透過する吸熱材を配置し、前記吸熱材側から加熱用レーザー光を照射して前記ハウジングのフランジ部を溶融して前記フランジ部同士を溶着することを特徴とする。

本発明に係る樹脂ダイヤフラムのシール方法によれば、レーザー光による加熱により、フッ素樹脂から成るダイアフラムとハウジングとが溶着により確実に一体となり、液漏れが生ずることはなく、有毒ガスの発生もなく、シール機能の信頼性が増大する。

実施例１のバルブの断面図である。実施例１の溶着方法の説明図である。実施例１の溶着方法の説明図である。実施例２の溶着方法の説明図である。変性ＰＴＦＥ同士を溶着した場合のグラフ図である。溶融樹脂シートを介在して変性ＰＴＦＥ同士を溶着した場合のグラフ図である。従来のバルブの断面図である。

本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１はフッ素樹脂製のダイアフラムを使用したバルブの断面図である。例えば、ＰＦＡ（Tetrafluoroethylene Perflouroalkoxy vimyl ether copolymer）などの熱可塑性フッ素樹脂から成り、射出成型により成型された上下のハウジング１１、１２の間に、例えばＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）、変性ＰＴＦＥなどの非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラム１３が介在されている。ダイアフラム１３の上部には駆動棒１４、下部には弁部１５が一体に形成され、弁部１５は下ハウジング１２の孔部１６内に挿入自在とされている。なお、この場合に溶着を必要としない上ハウジング１１は非溶融性フッ素樹脂から成っていても支障はない。

上ハウジング１１の上方には駆動部１７が固定され、駆動棒１４の先端は駆動部１７に連結され、ダイアフラム１３の中央のダイアフラム部１３ａは駆動部１７により駆動棒１４を介して上下に可動とされている。ダイアフラム部１３ａには使用中に繰り返しの屈曲が加わるため、繰り返して使用してもクラック等が発生しないように、ダイアフラム１３は上述の非溶融性フッ素樹脂から成り、そのブロック体から削り出して形成され、更に周囲にはフランジ部１３ｂが設けられている。

図２はダイアフラム１３を弁体である下ハウジング１２に溶着する場合の説明図である。図１のバルブにおいて、弁室１８内を密封するために下ハウジング１２とダイアフラム１３を溶着により密着することが必要であり、例えばダイアフラム１３の厚み０．３ｍｍのフランジ部１３ｂを、下ハウジング１２の例えば厚み１０ｍｍのフランジ部１２ａの上に重ねる。更に、フランジ部１３ｂの非溶着面側に、押さえ部材を兼ねた円環状の例えば厚み５ｍｍの吸熱材１９を載置する。

フランジ部１２ａ、フランジ部１３ｂ、吸熱材１９には、予めボルト孔１２ｂ、１３ｃ、１９ａが穿孔されており、ボルト孔１２ｂ、１３ｃ、１９ａを基準に、図示しない治具を用いて正確に位置決めして積層し固定する。

なお、吸熱材１９は熱伝導性が良好であると共に、レーザー光により加熱されることなく、レーザー光を透過させる材料である必要があり、例えばジンクセレン、ゲルマニウム、シリコンなどが好適である。

そして、吸熱材１９の上方から図３に示すように例えば炭酸ガスレーザー光源から発生した加熱用レーザー光Ｌを円環状に、必要であれば複数回走査して照射し、ダイアフラム１３のフランジ部１３ｂと下ハウジング１２のフランジ部１２ａを加熱する。なお、レーザー光はフランジ部１３ｂ、フランジ部１２ａの境界部まで達するようにその強度を調整しておく。レーザー光Ｌの走査はレーザー光源を回転させても、或いはダイアフラム１３等を固定した治具を回転させてもよく、相対的な走査が可能であればよい。

この加熱用レーザー光Ｌの照射により、熱可塑性フッ素樹脂から成るフランジ部１２ａは３２０℃程度以上になると溶融が始まる。図２のドット部２０で示すように、溶融されたフランジ部１２ａの一部は、ダイアフラム１３のフランジ部１３ｂ内にも入り込み、両者の間は円環状に溶着される。

この溶着に際して、ダイアフラム１３のフランジ部１３ｂの吸熱材１９側の昇温は吸熱材１９により防止され、フランジ部１３ｂは熱により変質することはない。また、吸熱材１９によるフランジ部１３ｂの押さえ込みにより溶着部に変形が生ずることなく両者は良好に溶着され、二次加工を必要とせず、有毒ガスが発生することもない。

例えば、溶着部の直径を約２０ｍｍとすると、加熱用レーザー光Ｌの強度、種類にもよるが、１２０秒程度のレーザー光の円走査で、良好な仕上がりの溶着部が得られる。

このようにして溶着した下ハウジング１２とダイアフラム１３に対し、吸熱材１９を取り除き、ダイアフラム１３の上から図１に示すように上ハウジング１１のフランジ部１１ａを取り付ける。予め穿孔してある４本のボルト孔１２ｂ、１３ｃ、上ハウジング１１のボルト孔１１ｂに、例えばＳＵＳ製のボルト２１を挿通し、ナット２２により固定する。これにより、上ハウジング１１、ダイアフラム１３、下ハウジング１２は一体として組立てられる。更に、上ハウジング１１上に駆動部１７を組付けることによりバルブが完成する。

流体は例えば下ハウジング１２の孔部１６から弁室１８内に流入し、点線で示す出口２３から流出する過程で、駆動棒１４によるダイアフラム１３の動きによって弁部１５の孔部１６に対する位置が調整され、流量が制御される。

実施例１においては、下ハウジング１２に熱可塑性フッ素樹脂を使用したが、熱可塑性フッ素樹脂は金型により成型が可能という利点があるが、屈曲特性が悪く材料価格が高い欠点がある。

そこで実施例２においては、下ハウジング１２はＰＴＦＥ望ましくは変性ＰＴＦＥなどの非溶融性フッ素樹脂のブロック材から切削により形成している。そして、図４に示すように非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラム１３のフランジ部１３ｂと下ハウジング１２のフランジ部１２ａとの間に、例えば厚さ２５μｍの例えばＰＦＡから成る熱可塑性フッ素樹脂による円環状の溶融樹脂シート２４を挟着する。更に、ダイアフラム１３の上に吸熱材１９を配置し、実施例１と同様に治具により固定する。

この状態において、吸熱材１９側から加熱用レーザー光を相対的に円環状に照射し走査すると、ドット部２５で示すように溶融し易い溶融樹脂シート２４が溶融して、フランジ部１２ａとフランジ部１３ｂとを接着する。また、レーザー光Ｌの照射中に吸熱材１９はダイアフラム１３の上面から熱を吸収して、ダイアフラム１３が変質することを防止することは実施例１と同様である。

なお、例えば変性ＰＴＦＥの非溶融性フッ素樹脂同士を加熱レーザー光により溶着できないことはないが、図５に示すような特性を得られるのに対し、変性ＰＴＦＥ間にＰＦＡシートを挟んで溶着すると図６に示すような特性が得られた。つまり、図５においては厚さ０．３ｍｍの変性ＰＴＦＥのシート同士をレーザー光により溶着し、引張強度試験を行った結果であり、１．５ｍｍの歪みにおいて応力５．７ＭＰａで破断した。一方、図６においては、厚さ０．３ｍｍの変性ＰＴＦＥのシート内に厚さ２５μｍのＰＦＡから成る溶融樹脂シートを挟んで溶着した場合の結果であり、２．２ｍｍの歪みにおいて応力１０．６ＭＰａで破断した。

また、同じ破断強度においても伸びが溶融樹脂シート２４を用いた方が格段に大きくなる。このように、変性ＰＴＦＥ同士の溶着は、ＰＦＡを介したＰＴＦＥ同士の溶着強度よりも劣ることが確認される。なお、実験によれば溶融樹脂シート２４の厚さは２５μｍ程度で十分である。

つまり、実施例２のように変性ＰＴＦＥから成るダイアフラム１３と下ハウジング１２の間に薄いＰＦＡから成る溶融樹脂シート２４を挟んで溶着すると、溶融樹脂シート２４がさながら接着剤のような役割を果たし、溶着強度が改善される結果が得られる。

１１、１２ハウジング
１３ダイアフラム
１４駆動棒
１５弁部
１９吸熱材
２４溶融樹脂シート

Claims

非溶融性フッ素樹脂から成るハウジングのフランジ部と同様に非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラムのフランジ部とを溶着する樹脂ダイヤフラムのシール方法において、前記２つのフランジ部間に熱可塑性フッ素樹脂から成る溶融樹脂シートを介在し、前記ダイアフラムの非溶着面側に熱伝導性が良好でレーザー光により加熱されずレーザー光を透過する吸熱材を配置し、前記吸熱材側から加熱用レーザー光を照射して前記溶融樹脂シートを溶融して前記フランジ部同士を溶着することを特徴とする樹脂ダイヤフラムのシール方法。
熱可塑性フッ素樹脂から成るハウジングのフランジ部と非溶融性フッ素樹脂から成るダイアフラムのフランジ部とを溶着する樹脂ダイヤフラムのシール方法において、前記ダイアフラムの非溶着面側に熱伝導性が良好でレーザー光により加熱されずレーザー光を透過する吸熱材を配置し、前記吸熱材側から加熱用レーザー光を照射して前記ハウジングのフランジ部を溶融して前記フランジ部同士を溶着することを特徴とする樹脂ダイヤフラムのシール方法。
前記非溶融性フッ素樹脂はＰＴＦＥ又は変性ＰＴＦＥとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂ダイヤフラムのシール方法。
前記熱可塑性フッ素樹脂はＰＦＡとしたことを特徴とする請求項２に記載の樹脂ダイヤフラムのシール方法。
前記加熱用レーザー光は前記フランジ部に対し相対的に移動して照射することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の樹脂ダイヤフラムのシール方法。