JP2793982B2

JP2793982B2 - 開閉弁

Info

Publication number: JP2793982B2
Application number: JP25461295A
Authority: JP
Inventors: 孝二内田; 成香吉本
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2015-09-05
Also published as: JPH0972435A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】弁の開閉を制御して流量制御
を行なう開閉弁に関し、特に、薄膜半導体に反応ガスを
用いる場合等の微量な流量制御を行なう開閉弁に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、空気圧シリンダ等への空気の供給
の断続に図１３に示す電磁弁が使用されている。これら
電磁弁においては、ソレノイド４０内に固定された固定
鉄心４１と摺動可能な可動鉄心４２とを設け、さらに弁
体４３と一体となっている可動鉄心４１を弁座４４に当
接させる方向に付勢する復帰バネ４５を備える構成にな
っている。そしてソレノイド４０に通電してこれを励磁
させると、可動鉄心４２は復帰バネ４５の弾拡力に抗し
て固定鉄心４１に吸引されるので、弁体４３が弁座４４
から離間されて開弁する。また、ソレノイド４０の通電
をオフすると、復帰バネ４５の弾拡力により可動鉄心４
２が固定鉄心４１から引き離され、弁体４３が弁座４４
に当接し閉弁する。

【０００３】このようなソレノイドを利用した開閉弁の
他に、駆動手段に更に応答性のよい圧電素子を用いたも
のがある。そこで、圧電素子を利用した一般的な開閉弁
を図１４に示す。これは、圧電素子５１に連結棒５２に
よって連結された弁体５３が、弁座５４に当接する方向
にスプリング５５によって付勢された構成を有する開閉
弁である。そして、圧電素子５１へパルスを印加するこ
とにより歪を起こし連結棒５２を介して弁座５３の上下
動が操作される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ソレノイドや圧電素子を利用した開閉弁は、これらを高
速で駆動させると、弁座と弁体との強い衝撃により接触
表面が損傷してしまうといったことが起きる。これは、
開閉弁自体の耐久性を低下させる原因となっている。ま
た、このような衝撃により弁座にパーティクルが発生す
ると、流体の漏れ等が発生して１回の動作で制御する流
量が不安定になってしまう。このことは、１回の動作で
０．５×１０^-3（ｃｍ³ ）から５．０×１０^-3（ｃｍ
³ ）の微量流を取り扱う開閉弁にとって、その信頼性に
大きく影響するものである。

【０００５】そこで、本発明は、このような問題を回避
した信頼性及び耐久性の高い流体制御を行うべく、閉弁
時の弁体と弁座の衝撃をやわらげて接触表面に生じる損
傷を防止した開閉弁を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の開閉弁は、弁本
体に形成された入力ポートと出力ポートとを連通する微
小流路の弁孔を備えた弁座と、前記弁本体内に配設され
微小流路の連通孔が形成された弁体と、前記弁体を駆動
する駆動手段とを有し、前記駆動手段の高速駆動による
閉弁の際、空気の膜（以下、「スクィーズ膜」という）
を生じさせることを特徴とするものである。また、本発
明の開閉弁は、前記駆動手段が、高い周波数のパルス信
号で駆動する圧電素子、又はソレノイドであることが望
ましい。

【０００７】また、本発明の開閉弁は、前記弁座に形成
された弁孔と前記弁体に形成された連通孔が、互いに重
畳しない位置に形成されていることが望ましい。また、
本発明の開閉弁は、弁座に形成された弁孔と弁体に形成
された連通孔とが、前記駆動手段の駆動によって閉弁す
る際に、弁体へかかるすきま内圧力と周辺圧力との差圧
が、弁体に対して閉弁方向へかかる駆動手段による駆動
力と入力ポートから供給される流体による流体圧力より
大きくなる関係にあるものである。

【０００８】本発明の開閉弁は、駆動手段の駆動に連動
して弁の開閉を行なうものであり、駆動手段によって開
弁すると、入力ポートから弁体に形成された連通孔を通
ってその弁体と弁座のすきまに流れ込んだ流体は、弁体
の閉弁動作によって弁座に形成された弁孔を通って出力
ポートへ流出する。ところが、駆動された弁体が弁座に
急速に接近すると、開弁時に弁体と弁座の間のすきまに
流入した流体は、閉弁時に一気に弁座の弁孔を通って出
力ポートへ流出することはなく、弁体と弁座によって圧
縮され、その流体によってスクィーズ膜が構成され、急
激な衝突を回避するダンパーとして作用する。また、本
発明の開閉弁は、駆動手段として設けられた圧電素子、
又はソレノイドが弁体を高速に駆動するが、弁体と弁座
によって圧縮された流体によってスクィーズ膜がダンパ
ーとして作用する。

【０００９】また、本発明の開閉弁は、入力ポートから
流入した流体は、前記弁座に形成された弁孔と互いに重
畳しない位置に形成された連通孔を通ってその弁体と弁
座のすきまに流れ込み、閉弁時にスクィーズ膜を構成し
急激な衝突を回避するダンパーとして作用する。また、
本発明の開閉弁は、弁座に形成された弁孔及び、弁体に
形成された連通孔が、前記駆動手段の駆動によって閉弁
する際、弁体へかかるすきま内圧力から周辺圧力の差を
とった差圧が、弁体に対して閉弁方向へかかる駆動力と
入力ポートから供給される流体による流体圧力より大き
くなる関係にある場合に、弁体と弁座の間に存在する流
体が圧縮されてスクィーズ膜を発生し、急激な衝突を回
避するダンパーとして作用する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る開閉弁の実施
形態を図面を参照して説明する。図１は本実施例の開閉
弁の断面図である。まず、開閉弁１の全体の構成につい
て説明する。開閉弁１の本体２凸部の内部には、ピエゾ
素子を内蔵する圧電素子３が挿入されている。そして、
本体２凸部の上端中央には、アジャスタ４が設けられ圧
電素子３の上下方向の位置の微調整ができるようになっ
ている。

【００１１】また、圧電素子３のピエゾ素子に伸縮信号
を印加するケーブル５は、本体２凸部先端から延設する
ように取り付けられ、図示しない駆動回路に接続されて
いる。ところで、このピエゾ素子は、電圧信号の印加に
より伸縮するので、かかる伸縮作用にともない圧電素子
３の下端の位置が上下するようになっている。弁体６
は、復帰バネ７の弾拡力により弁座８に押圧される形で
本体２の内部に挿入されている。弁座８を分けて、本体
２の内部は下室９と上室１０とが形成されている。そし
て、下室９には入力ポート１１が、上室１０には出力ポ
ート１２が設けられ、図示しない流体源および負荷に接
続されている。

【００１２】更に、この開閉弁１には本発明の特徴であ
る微小流路が弁体６及び弁座８に形成されている。その
弁体６に形成された連通孔１５は、同一円周上に等間隔
に配設されている。そして、弁座８に形成された弁孔１
６は、弁体６の連通孔１５と同じように同一円周上に複
数の円筒孔が等間隔に配設されている。なお、弁体６の
連通孔１５と弁座８の弁孔１６とがお互いに重畳されな
いように、弁孔１６が配設される円周の半径が小さくな
るように形成されている。一方、弁体６の外径は、下室
９の内径より小さいので、下室９の内壁との間に周辺隙
間１７が設けられている。また、弁座８には、弁孔１６
が形成された箇所が下方に隆起するように１〜２μｍの
高さの突起が設けられている。この様子を図３の部分斜
視図に示す。

【００１３】そこで、図１に示すように弁座８と弁体６
とが当接するときは、弁座８のすべての弁孔１６は弁体
６によって遮断されている。そのため、この状態では下
室９と上室１０との連通は遮断されて弁は閉状態であ
る。そして図２に示すように、弁座８と弁体６とが離間
しているときには、弁座８と弁体６との間にギャップが
生じ、下室９と上室１０との連通が回復する。ここで、
圧電素子３の変位量は４０μｍであるので、開弁時にお
ける弁体６と弁座８との間のギャップも４０μｍであ
る。入力ポート１１から、下室９、弁体６の連通孔１５
または周辺隙間１７、弁座８と弁体６との間のギャッ
プ、弁座８の弁孔１６、そして上室１０を経由して出力
ポート１２まで連通している。すなわち、弁は開状態と
なる。

【００１４】次に、弁の開閉時にその弁に作用する流体
について説明する。本実施の形態では、圧電素子３が伸
びて弁体６が復帰バネ７の弾拡力に抗して下がると、弁
体６と弁座８との間のギャップ、即ちすきま１８が負圧
となる。そこで、入力ポート１１から下室９内に流入し
た空気が、連通孔１５と周辺隙間１７からそのすきま１
８内に入り込み、４０μｍ下降した後圧電素子３の縮作
用により弁体６は上昇して弁座８に当接する。このよう
な圧電素子３を利用した弁の開閉は０．００５ｓｅｃと
いった高速で行なわれる。

【００１５】このような高速で弁体が駆動した場合に
は、特に気密性を重視する点からも弁体と弁座を密に当
接する必要から弁座に弁体が勢いよくたたきつけられ
る。ところが、本実施の形態の開閉弁では、閉弁時に弁
体６が弁座８に急速に近づいたとしても、すきま１８内
の空気の流出経路が微小流路である弁座８の弁孔１６に
制限される。そのため、弁体６と弁座８とが急速に接近
すると、すきま１８内で圧縮された空気によってスクィ
ーズ膜が瞬間的に形成される。従って、すきま１８内で
圧縮された空気がスクィーズ膜となってダンパーとして
作用し、弁体６と弁座８との衝撃をやわらげることとな
る（これを「スクィーズ効果」という）。一方、本実施
の形態では、スクィーズ膜の存在によって弁体６と弁座
８とが密接に当接することなく空気が漏れるのを避ける
ため、弁座８が弁体６との間の突起との当接により弁孔
１６を塞ぐようにしている。

【００１６】以上、このような構成による本実施の形態
の開閉弁は、弁体の駆動に圧電素子を用いたので高速で
応答できるようになった。また、閉弁時には弁体と弁座
との間の空気によってスクィーズ膜がダンパーとして作
用するスクィーズ効果により、弁体６や弁座８の損傷を
低減することができるようになった。そのため、安定し
た流量制御が可能となり、開閉弁自体の耐久時間も伸び
る等コスト削減にも寄与することとなった。また、急激
な衝突を防止することによって、弁体が弁座に当たると
きの衝撃音も防止できた。

【００１７】次に、上記開閉弁の具体的な実験例につい
て説明する。図４は、実験に使用した開閉弁を示す断面
図である。本実験例の開閉弁は、本体２１の中心に配設
された圧電素子２２にシャフト２３を介して弁体２４が
係設されている。そのシャフト２３は、ベアリング２５
を中央に備えた弁座２６を貫くようにして設けられ、圧
電素子２２の伸縮によって、弁体２４が弁座２６に接離
するよう構成されている。また、本体２１には入力ポー
ト２７と出力ポート２８が形成されており、入力ポート
２７は弁体２４の可動可能な空間である第１室２９に連
通され、出力ポート２８は弁座２６と本体２１との間に
形成されたドーナッツ形状の第２室３０に連通されてい
る。そして、第１室２９と第２室３０とは、弁体２４に
形成された連通孔３１、弁体２４と本体２１との間の周
辺隙間３２、更に弁座２６に形成された弁孔３３とによ
ってつながっている。

【００１８】次に、弁体２４及び弁座２６について詳細
に説明する。図５は、弁体２４の一部を示した図であ
り、（ａ）は断面図、（ｂ）は下方平面図である。一
方、図６は、弁座２６の一部を示した図であり、（ａ）
は上部平面図であり、（ｂ）は断面図である。弁体２４
及び弁座２６の両者には、接触表面に円環状の溝２４
ａ，２６ａがぞれぞれ形成されている。弁体２４は、周
辺隙間３２の寸法を取って半径２７ｍｍの盤形状をな
し、その下面に１５ｍｍの内径に１７ｍｍの外径寸法か
らなる溝２４ａが形成されている。そして、弁体２４を
貫くように１８個の連通孔３１が２０゜間隔で等設され
ている。その一方、弁座２６は、その上面に２１ｍｍの
内径に２３ｍｍの外径寸法からなる溝２６ａが形成され
ている。そして、同じように１８個の弁孔３３が２０゜
間隔で等設され、第２室３０に連通するように形成され
ている。

【００１９】このような構成の開閉弁は上記実施の形態
に示したものと同様、圧電素子２２が印加されるパルス
電圧によって伸縮歪を起こし、それに連動して弁体２４
が上下して弁の開閉を行なう。そして、弁体２４が上昇
して開弁状態となったときには、入力ポート２７から第
１室２９へ供給された空気は、連通孔３１及び周辺隙間
３２を通って更に弁孔３３から第２室３０へ流れ込み、
出力ポート２８から弁外へ流出される。一方、閉弁のた
め弁体２４の下降では、弁座２６との間の空気が、弁体
２４の駆動速度に伴って弁孔３３から流出しきらずにス
クィーズ膜となってダンパーとして作用する。

【００２０】このような開閉弁を使用して行なった実験
結果について説明する。実験での弁の開閉は、０．００
５ｓｅｃで行なわれる。先ず、図７は、加振振幅を３．
０，４．０，５．０（μｍ）と変化させた場合の経時変
化を示した図であり、縦軸に排出量をとり横軸に時間を
とってある。この結果より、加振振幅が増加すると弁体
２４が効果してくる際の速度が速くなるため、より大き
なすきまでスクィーズ効果が現れるようになることが分
かる。また、スクィーズ膜の剛性に起因する弁体２４の
微小振動の振動数は加振振幅が大きいほど小さいことが
分かる。これはスクィーズ膜の厚さが加振振幅が大きい
ほど厚くなるため、その分スクィーズ膜の剛性値は低下
するものと考えられる。

【００２１】図８は、加振振幅を５．０μｍとして、加
振周波数を２５０，５００，１０００（Ｈｚ）と変化さ
せたものを示した図である。開閉弁には軸外周部から空
気の漏れを防ぐために、弁座２６の外周部にＯリング３
４を装着している。従って、そのＯリング３４の影響に
よって軸の運動が阻害され、周波数が低い場合には、立
ち上がり時の軸の運動変位が正弦波状から変形するとい
う現象が現れた。よって、弁体２４の運動も正弦波状に
はなっていないが、定性的な傾向はこ実験結果から十分
観察でき、加振周波数が小さくなるにつれてスクィーズ
効果による微小な振動の振幅は小さくなっている。ま
た、スクィーズ効果の現れるすきまは、実験した加振周
波数の範囲内ではさほど変化しないことが分かった。

【００２２】図９は、下の表に示すように弁体２４の寸
法をタイプ１とタイプ２とに区別したものの特性を比較
して示した図である。

【００２３】

【表１】

【００２４】これは、タイプ２がタイプ１に比べて弁体
２４の面積が小さくなっている。従って、図に見られる
ようにスクィーズ効果の現れるすきまが、タイプ１に比
べてかなり小さい値となっている。また、弁座２６に当
接して整定するまでの時間も短く、約２ｍｓｅｃとなっ
ている。よって、弁体２４の応答性を高めるためには、
弁座の面積を小さくする方がよいことが分かる。しか
し、衝撃を減ずるという意味では、弁体２４の面積は大
きくとる方がよく、これらの値についてはどのような制
御弁を設計するかによって変わってくるものと考える。
このように、弁体２４の運動を実験的に示したが、運動
変位を見る限りスクィーズ膜がダンパーとして作用し
て、その弁体２４の衝撃力を低減していることが推測さ
れる。

【００２５】図１０は、開閉弁を用いて行なった耐久試
験の結果を示した図である。具体的には、弁体２４及び
弁座２６の損傷状況を調べるために、弁体２４を所定回
数づつ延べ２００万回の開閉動作を行なった際の動作１
回当りの平均流量を示した図である。ここで、グラフＡ
は上記表のタイプ１の開閉弁を示したものであり、グラ
フＢがタイプ２の開閉弁を示したものである。これよ
り、開閉回数の増加に伴なって多少のばらつきはあるも
のの、ほぼ一定の値を保っているといえる。このこと
は、いずれの開閉弁も弁の接触面が２００万回の開閉で
も損傷せず、スクィーズ膜が衝撃力の低減に有効に作用
していることを示している。実際、２００万回の開閉動
作の後に見た弁体２４及び弁座２６の表面には、判定で
きるような損傷は観察できなかった。

【００２６】以上のような実験結果に基づいて次のよう
なことが明らかになった。１）弁体２４を圧電素子によって駆動させることによ
って、高速かつ安定して応答することが確かめられた。
なお、弁体２４が弁座２６上に整定するまでの時間はタ
イプ１で５ｍｓｅｃ、タイプ２で２ｍｓｅｃ程度の時間
が得られた。２）連通孔を通って流体の流れを制御するので、動作
１回当りの排出流量を最小０．５μｌ〜０．９μｌ程度
に制御することができる。また、弁体２４の開閉の動作
回数を変えることにより、単位時間当りの流量を制御す
ることができる。３）弁体２４が弁座２６に接触する際、スクィーズ膜
が衝突の衝撃力を低減し、弁表面の損傷防止に有効に作
用していることが確認できた。

【００２７】このような構成による本実施の形態の開閉
弁は、弁体の駆動に圧電素子を用いたので高速で応答で
きるようになった。また、閉弁時には弁体と弁座との間
の空気によってスクィーズ膜がダンパーとして作用する
スクィーズ効果により、弁体６や弁座８の損傷を低減す
ることができるようになった。

【００２８】ところで、このように加振振幅や加振周波
数を変化させることによて、あるいは弁体の寸法を区別
したものを用いて測定を行なった結果、弁体と弁座との
間にスクィーズ膜が存在することが確認でき、弁体や弁
座に生じる損傷を防止するスクィーズ効果が有効に機能
していることが実証された。そこで、このようなスクィ
ーズ効果を奏する弁の運動特性を論理的に示してみる。
解析するにあたりすきま１８内の流体の流れの条件を、
圧縮性層流で粘性が支配的であり等温変化と仮定すれ
ば、すきま１８を支配するレイノルズ方程式及び弁体２
４の運動方程式は、無次元化した形で次のように表わせ
れる。但し、弁体２４の下方へかかる力をｆ１、上方へ
かかる力をｆ２とした場合、

【００２９】

【式１】

【００３０】を満足する「すきま内圧力Ｐ」を求める。
このような場合に、弁体２４が単体で運動するためであ
る。即ち、弁体２４を弁座２６に当接させようとする圧
電素子２２の駆動に反し、弁座２６との間にスクィーズ
膜が形成されダンパーとして作用するため、弁体２４が
弁座２６に当接するのに圧電素子２２の駆動に追従する
ことなく単体の運動をする。

【００３１】

【式２】

【００３２】

【式３】ｈ：弁体と弁座とのすきまｈ₀ ：代表すきま（ここではｈ₀ ＝１μｍ）Ｈ：無次元すきま（Ｈ＝ｈ／ｈ₀ ）ｍ：弁体質量Ｐ：すきま内圧力Ｐ_a ：周囲圧力Ｐ_s ：給気圧力ｒ_a ：弁体外側溝径ｒ_s ：弁体内側穴径Ｒ：無次元半径方向座標（Ｒ＝ｒ／ｒ_s ） μ ：差動流体粘性係数 τ ：無次元時間そこで、式２を計算してその結果をグラフに示すと、図
示しないが図６乃至図８に示したとほぼ同様な結果を示
した。従って、開閉弁は上記式に基づいて設計すること
ができる。

【００３３】なお、以上のように本発明にかかる開閉弁
の実施の形態及び実験例について説明したが、本発明は
これら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、上記実施の形
態及び実験例の開閉弁では、駆動手段に圧電素子を使用
したが、図１１に示すようにソレノイド３５を使用して
もよい。また、上記実施の形態及び実験例の開閉弁で
は、弁体及び弁座に形成された連通孔が円周上に等設さ
れた円筒孔であったが、円周上に形成された長孔状の連
通孔であってもよい。また、実施の形態等では円周上に
形成した連通孔を１周にしたが、更に２周、３周に形成
してもよい。また、上記実施の形態では空気を示して説
明したが、更に別のガスや液体であってもかまわない。
更に、弁体にかかる圧力が均等で水平に上下動できるな
らば、連通孔を必ずしも円周上に形成する必要はなく、
例えば放射状に形成してもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明の開閉弁は、弁座及び弁体に形成
した微小流路の弁孔及び連通孔が、駆動手段の駆動によ
って前記弁体が前記弁座へ急速に接近した場合の流体の
流れを制限し、前記弁座と弁体との間にスクィーズ膜を
生じさせるものであるため、閉弁時の弁体と弁座の衝撃
をやわらげ、接触表面に生じる損傷を防止することが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態の開閉弁の閉状態を示
した断面図である。

【図２】本発明に係る実施の形態の開閉弁の閉状態を示
した断面図である。

【図３】実施の形態の開閉弁における主要部分を示した
部分斜視図である。

【図４】本発明に係る実験例の開閉弁の閉状態を示した
断面図である。

【図５】本実験例における開閉弁の弁体を示した断面図
及び平面図である。

【図６】本実験例における開閉弁の弁座を示した断面図
及び平面図である。

【図７】本実験例の開閉弁において加振振幅を変化させ
た場合のの経時変化を示した図である。

【図８】本実験例の開閉弁において加振周波数を変化さ
せた場合のの経時変化を示した図である。

【図９】本実験例の開閉弁を２タイプに区別したものの
特性の比較を示した図である。

【図１０】本実験例の開閉弁を用いて行なった耐久試験
の結果を示した図である。

【図１１】本発明に係る実施の形態の開閉弁を示した断
面図である。

【図１２】従来技術に係る電磁弁の断面図である。

【図１３】従来技術に係る弁機構に圧電素子を組み合わ
せた弁の断面図である。

【符号の説明】１開閉弁２本体３圧電素子６弁体８弁座１１入力ポート１２出力ポート

【数１】

【数２】

【数３】

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弁本体に形成された入力ポートと出力ポ
ートとを連通する微小流路の弁孔を備えた弁座と、前記弁本体内に配設され微小流路の連通孔が形成された
弁体と、前記弁体を駆動する駆動手段とを有し、前記駆動手段の高速駆動による閉弁の際、前記弁体と前
記弁座との隙間に存する流体によってスクィーズ膜を生
じさせることを特徴とする開閉弁。
【請求項２】請求項１に記載の開閉弁において、前記駆動手段が、高い周波数のパルス信号で駆動する圧
電素子、又はソレノイドであることを特徴とする開閉
弁。
【請求項３】請求項１に記載の開閉弁において、前記弁座に形成された弁孔と前記弁体に形成された連通
孔が、互いに重畳しない位置に形成されていることを特
徴とする開閉弁。
【請求項４】請求項１に記載の開閉弁において、弁座に形成された弁孔と弁体に形成された連通孔とが、
前記駆動手段の駆動によって閉弁する際に、弁体へかか
るすきま内圧力と周辺圧力との差圧が、弁体に対して閉
弁方向へかかる駆動手段による駆動力と入力ポートから
供給される流体による流体圧力より大きくなる関係にあ
ることを特徴とする開閉弁。