JP3226234B2

JP3226234B2 - 流体制御器

Info

Publication number: JP3226234B2
Application number: JP02159593A
Authority: JP
Inventors: 正彦中沢; 久佳松本; 春彦栗城; 徹哉小島
Original assignee: 清原まさ子
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH06241343A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として半導体製造プ
ラントや化学プラント等に於いて使用するダイヤフラム
型及びベローズシール型の流量制御弁に関するものであ
り、弁体の駆動拡大機構を全く新規な構成とすることに
より、小さな駆動力でもって応答性に優れた高精度な流
体制御を行えるようにした流体制御器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は従前のダイヤフラムシール型流体
制御器の一例を示すものであり、図に於いて１５は弁
箱、１６は弁体、１７は弁座、１８は弁体押え、１９は
ダイヤフラム、２０は圧電アクチエータ、２１はアクチ
エータ位置調整機構、２２はスプリングである。

【０００３】この種の流体制御器では、操作用入力の印
加により圧電アクチエータ２０が下方へ伸長し、これに
よって弁体１６が下方へ押圧され、流体通路が開放され
る。ところが、弁体１６を駆動する圧電アクチエータ２
０には、流体内圧とアクチエータ受圧面積（アクチエー
タ断面積）の積に相当する反力が作用するため、弁体１
６の駆動に大きな駆動力が必要となる。尚、このこと
は、ベローズシール型の流体制御器に於いても全く同様
である。

【０００４】また、図５のダイヤフラムシール型流体制
御器においては、ダイヤフラム１９を垂直方向に変位さ
せた場合に剛性力が発生する。そして、この剛性力はア
クチエータの駆動軸に反力として作用するため、アクチ
エータ２０にはより大きな駆動力の発生が要求されるこ
とになる。尚、ダイヤフラム１９の前記剛性力を弱める
には、板厚を薄くしたり、有効径を大きくしたり、波形
数を増す等の方策があるが、何れも耐圧力の低下や内圧
力の反力の増加、流体制御器の大形化を招くと云う問題
が起生する。

【０００５】更に、圧電アクチエータ２０はストローク
が２０〜３０μｍ程度と極めて小さくなり、弁体１６の
駆動に有効利用できる範囲は約１０μｍ程度である。と
ころが、流体内圧が上昇すると、ダイヤフラム１９その
ものに若干歪みが生ずるため、０．１〜０．２μｍ程度
の微調整は非常に困難となる。

【０００６】加えて、図５の流体制御器では、弁体１６
の変位量が小さく且つ駆動部の変位量も少ないため、所
謂制御器の分解能を高めることが困難となり、高精度な
流体制御が難かしいと云う問題がある。尚、アクチエー
タ駆動部の変位量を大きくして荷重を減らすには、拡大
機構を用いればよい。しかし、回転部や摺動部を備えた
拡大機構は、摩擦や遊びの発生が不可避であり、制御精
度の低下を招くうえ、制御器の機構上あまり複雑な構造
のものは採用が難かしく、流体制御器が大形化すると云
う問題がある。

【０００７】換言すれば、電動式アクチエータを使用し
なければ、コントロール弁等の流体制御器の製作は困難
となる。しかし、電動式アクチエータは駆動力が小さい
ため、拡大機構等を必要とする場合が多いが、拡大機構
を用いると弁体１６の作動速度が遅くなり、応答性等の
面で問題が出る。また、直動式で駆動力を増すには、操
作用電流を大きくする必要があり、発熱その他で様々な
問題が起生する。一方、圧電式アクチエータは、前述の
如く駆動力は大きいが、組立調整が困難なうえ、弁体近
傍における詰まり事故や熱膨張による誤差、価格、径年
変化の発生等の問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ダイヤフラ
ムシール型やベローズシール型の流体制御器における上
述の如き問題、即ち大きな弁体駆動力を必要とし、ア
クチエータが大型化すること、ダイヤフラム等のシー
ル材の変形時の剛性力が弁体駆動軸に反力として作用す
るため、アクチエータがより一層大型化すること、流
体圧によりダイヤフラム等に歪みが生じるため、高精度
な流体制御が難かしいこと、分解能を高めるために拡
大機構を使用すると、応答性の低下や制御精度の低下、
制御器の大形化を招くこと、等の問題を解決せんとする
ものであり、アクチエータにかかる荷重とダイヤフラム
の変位に起因する剛性力の大幅な減少が図れ、しかも摩
擦や遊びを生じない新規な駆動拡大機構を利用すること
により、応答性や安定性、制御精度等の向上と、大幅な
小型化を可能とした流体制御器を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本件発明は、ダイヤフラ
ムシール型又はベローズシール型の流体制御器におい
て、上端部を弁箱１に固定して竪向に配設され、下端部
に弁体８を固着したスラストピン６と；前記スラストピ
ン６を挿通せしめて竪向に配設され、上端部を弁箱１の
外方へ突出させると共に、下端部を弁体８へ固着したス
ラストピンハウジング７と；前記弁室３の上方部に配設
され、その内周面をスラストピンハウジング７へ溶接し
た弁室３の上方開口部をシールするダイヤフラム又はベ
ローズ製のシール材５と；前記弁箱１へ横向き姿勢で支
持固定したアクチエータ９と；前記アクチエータ９の駆
動軸９ａと対向する位置に竪向に配設され、下端部１１
ｂをスラストピンハウジング７の上方部へ連結した駆動
レバー１１とを発明の基本構成とするものである。

【００１０】

【作用】駆動レバー１１とスラストピンハウジング７と
スラストピン６の三者は一体的に連結されており、且つ
スラストピンハウジング７の下端部とスラストピン６の
下端部との連結部に弁体８が固定されている。また、前
記駆動レバー１１の上端部は弁箱１へ左右方向へ移動自
在に支持されており、且つ前記スラストピン６の上端部
は弁箱１へ固定されている。

【００１１】即ち、弁体８はスラストピン６の上端部
（固定端）と駆動レバー１１の上端部（支持端）により
保持された状態にあり、図１の状態に於いては、弁体８
の弁シート８ａが弁座２へ当接して、流体制御器は全閉
状態にある。

【００１２】この状態から、アクチエータ９の駆動軸９
ａが突出すると、駆動レバー１１と弁体８とスラストピ
ン６との連結体は、点０の近傍を中心点とする回転運動
をし、駆動レバー１１の下端部は矢印ａ方向へ、また弁
体８は矢印ｂ方向へ回動する。その結果、弁シート８ａ
は弁座２から離れて開弁状態となる。

【００１３】また、シール材（ダイヤフラム）５にかか
るスラストピン６の軸方向の力は、上端部を固定したス
ラストピン６によって受け止められ、アクチエータ９の
駆動軸９ｂへ直接に荷重としてかかることは無い。即
ち、アクチエータ９の駆動軸９ａの変位は、スラストピ
ン６の彎曲を介して弁体８へ伝えられるため、駆動軸９
ａにかかる荷重は殆どスラストピン６の曲げ剛性により
生ずる反力のみとなる。

【００１４】更に、ダイヤフラム５の変位は、ダイヤフ
ラム中心点Ｏを回転中心として垂直軸が揺動する状態の
変位となり、ダイヤフラム５の中心点そのものが垂直方
向へ変位することはない。その結果、ダイヤフラム５の
垂直方向への変位により生ずる剛性力は、無視し得るほ
ど小さなものとなる。

【００１５】加えて、前記駆動レバー１１とスラストピ
ンハウジング７とスラストピン６の連結体により形成さ
れる駆動拡大機構Ｓの見かけ上の回転中心Ｏは、スラス
トピン６の細径部６ｂのほぼ中央付近となる。その結
果、回転中心Ｏから弁シート８ａ間の距離ｌ₁と回転中
心Ｏからアクチエータ駆動軸と駆動レバーとの接触点Ｐ
までの距離ｌ₂との比ｌ₂／ｌ₁がそのまま拡大倍率と
なり、前記接触点Ｐの位置を適宜に変えることにより、
簡単に３〜５倍の拡大を行うことが可能となる。また、
駆動拡大機構Ｓの摩擦部は前記接触点Ｐのみとなり、且
つ遊びが生ずる軸受機構等が全く無いため、駆動拡大機
構Ｓの使用によって流体の制御精度が悪化したり、安定
性が低下すると云うことは全く無い。

【００１６】

【実施例】以下、図１乃至図４に基づいて本発明の実施
例を説明する。図１は本発明に係る流体制御器の一部省
略断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ視断面図、図３は
図１の左側面図である。図１乃至図３に於いて、１は弁
箱、２は弁座、３は弁室、４はダイヤフラムクランプ、
５はシール材（ダイヤフラム）、６はスラストピン、７
はスラストピンハウジング、８は弁体、９はアクチエー
タ、１０はアクチエータ固定板、１１は駆動レバー、１
２はスライド支持ボルト、１３は連結部材、１４はスプ
リングである。

【００１７】前記弁箱１は、弁本体１ａと上流側本体１
ｂと下流側本体１ｃをボルト１ｄにより気密状に連結一
体化することにより形成されており、弁座２及び弁室３
が形成されている。尚、弁室３の上方開口は、後述する
如く鍔状のシール材（ダイヤフラム）５により密閉され
ている。即ち、前記ダイヤフラム５の外周縁は、弁本体
１ａへボルト１ｅにより固定したダイヤフラムクランプ
４と弁本体１ａとの間で、気密状に挾圧固定されてお
り、更にダイヤフラム５の内周縁は円筒状のスラストピ
ンハウジング７の外周縁へ溶接されている。また、前記
ダイヤフラムクランプ４の上壁面には、スラストハウジ
ング７の上端部を外方へ突出せしめる挿通孔４ａと、ス
ラストピン６の太径部６ａを挿着する係止孔４ｂが設け
られている。

【００１８】前記シール材５を形成するダイヤフラムは
薄板状のコバルト系合金を鍔状に加工して形成されてお
り、本実施例では厚さ０．０５ｍｍのコバルト系合金が
使用されている。尚、当該ダイヤフラム５は複数板の薄
板を積層したものであってもよい。また、当該ダイヤフ
ラム５の外周縁は、前述の如くダイヤフラムクランプ４
により本体１ａとの間で気密状に挾圧固定されており、
更にその内周縁は、後述するスラストピンハウジング７
の外周面へ気密状に溶接されている。

【００１９】前記スラストピン６は短い太径部６ａと、
比較的長い細径部６ｂとから形成されており、本実施例
では細径部６ｂの外径が１．５ｍｍφ、細径部６ｂの長
さが２０ｍｍのステンレス鋼棒が使用されている。ま
た、当該スラストピン６は垂直方向姿勢で配設され、そ
の太径部６ａを前記ダイヤフラムクランプ４の係止孔４
ｂ内へ挿入した状態で、固定ピン４ｃによりクランプ４
へ固定されている。更に、スラストピンの細径部６ｂの
下端部は、後述する弁体８の上面中央部へ固着されてい
る。

【００２０】前記スラストピンハウジング７はステンレ
ス鋼により円筒状に形成されており、その上端部をダイ
ヤフラムクランプの挿通孔４ａを通して外方へ突出せし
めた状態で竪向に配設され、前記スラストピン６を内方
に収容した状態で弁室３内に配設されている。また、当
該スラストピンハウジング７の下端部には弁体８が溶接
されており、この弁体８に弁シート８ａが設けられてい
る。更に、スラストピンハウジング７の外周面には、前
述の如くダイヤフラム５の内周縁が溶接されている。

【００２１】前記アクチエータ９は、ダイヤフラムクラ
ンプ４に固定したアクチエータ固定板１０により水平方
向に取り付けられている。本実施例では、アクチエータ
９として直流ソレノイドが使用されており、駆動軸９ａ
の平均突出力は２００〜５００ｇｒに設定されている。
また、駆動軸９ａと駆動レバー１１との接触点にはボー
ル等を使用し、摩擦を減らす工夫をしている。尚、９ｂ
及び１０ａは固定用ボルトである。

【００２２】前記駆動レバー１１は、アクチエータ固定
板１０と平行状に竪向に配設されており、その上端部１
１ａは、スライド支持ボルト１２を介して前記アクチエ
ータ固定板１０の上端部へスライド自在に支持されてい
る。また、駆動レバーの下端部１１ｂは連結部材１３を
介して前記スラストピンハウジング７の上端部へ固定さ
れている。即ち、前記弁体８は、駆動レバー１１とスラ
ストピンハウジング７とスラストピン６から形成した駆
動拡大機構Ｓにより吊下げ状に支持固定されており、ア
クチエータ駆動軸９ａの突出により駆動レバー１１の接
触点Ｐが押されると、スラストピン細径部６ｂのほぼ中
央位置０を回転中心としてスラストピンハウジング７が
矢印ｂの方向へ回動し、弁シート８ａが弁座２から離れ
て開弁状態となる。尚、１４は駆動レバー上端部１１ａ
の引戻し用スプリング、１３ａは固定用ボルトである。

【００２３】図４は駆動拡大機構Ｓの作動概要を示すも
のである。シール材５であるダイヤフラムは流体圧に比
例した垂直方向の推力を発生するが、この垂直方向の推
力はスラストピンハウジング７を介してスラストピン６
にかかり、固定ピン４ｃ及びダイヤフラムクランプ４に
よって受止められる。その結果、当該垂直方向の推力が
駆動レバー１１等に負荷されることはない。一方、アク
チエータ駆動軸９ａが突出すると、接触点Ｐを介して駆
動レバー１１が押し出される。その結果、駆動レバー１
１の下端部１１ｂは矢印ａ方向へ回動され、それと共に
弁体８が矢印ｂ方向へ回動する。この際、スラストピン
６は曲げ荷重を受け、機構的には弾性体として作用す
る。

【００２４】前記スラストピン６は、その細径部６ｂの
全体が弓状に彎曲するが、弁体８の下端部（変位端部
Ｄ）の接線に垂直な線は、変位端Ｄが何れの位置にあっ
ても、無負荷時に於ける細径部６ｂ上の定点０（細径部
６ｂ全長のおおよそ半分のポイント）を通る。即ち、駆
動レバー１１やスラストピンハウジング７、弁体８等か
ら成る駆動拡大機構Ｓの動きは、前記ポイント０を仮想
中心点とする回転運動となり、前記駆動拡大機構Ｓはポ
イント０を支点とするレバーの如き作用をする。また、
当該拡大機構Ｓの拡大比はｌ₂／ｌ₁（ｌ₁はポイント
０と弁シート８ａ間の距離、ｌ ₂はポイント０と接触点
Ｐ間の距離）となる。

【００２５】前記シール材（ダイヤフラム）５は、ダイ
ヤフラム中心を前記回転中心点Ｏへ合致せしめた状態で
配設するのが最も望ましい。何故なら、弁体８の作動時
に於けるダイヤフラム５の変形が最小となり、ダイヤフ
ラムに生ずる剛性力が少なくなるからである。換言すれ
ば、スラストピン細径部６ｂの径と長さやダイヤフラム
５の溶接位置を適宜に選択することにより、駆動拡大機
構Ｓはダイヤフラム推力に対しては剛体として働き、ま
た駆動レバーの動きに対しては弾性体として働く、柔軟
で任意の拡大倍率を持ち、しかも摩擦のない機構とな
る。

【００２６】ダイヤフラム５の厚さ０．０５ｍｍ、外径
２０ｍｍφ、スラストピン細径部６ｂの外径１．５ｍｍ
φ、細径部長さ２０ｍｍ、スラストピンハウジング７の
外径８．６ｍｍ、内径５．５ｍｍ、高さ３０ｍｍ、駆動
レバー１１の長さ４５ｍｍのソレノイド駆動型コントロ
ール弁（平均駆動力５００〜６００ｇｒ）を作成し、こ
れを用いて各種の作動テストを行った。その結果、
（イ）流体圧によりシール材（ダイヤフラム）５に生ず
る垂直方向の推力は、殆どスラストピン６により受け止
められ、駆動レバー１１に加わる推力は、ダイヤフラム
の有効径から計算した値の０．５％位となること、
（ロ）駆動拡大機構Ｓは、スラストピン６の回転中心Ｏ
を中心にして揺動すること、（ハ）駆動拡大機構Ｓの作
動時に、ダイヤフラム５の変位により生ずる剛性力は、
ダイヤフラム５を垂直方向へ変位させた場合の剛性力の
１％以下となり、且つ変位角度は約０．５°以下になる
こと、（ニ）スラストピン６が彎曲した状態において内
圧負荷がかかると、駆動レバー１１に作用するダイヤフ
ラムの垂直方向の推力が最大となるが、その値は計算値
の約１％以下になること、（ホ）駆動部と駆動レバー１
１との接触点Ｐの位置を変えることにより、拡大倍率を
自由に選定できること、（ヘ）流体内圧による影響が少
ないこと及びダイヤフラムの変位量が少ないこと等によ
り、本発明は高圧流体の取扱に適すること、等の事実が
判明した。

【００２７】尚、前記図１乃至図３に示した実施例はダ
イヤフラムシール型流体制御器であるが、本発明はベロ
ーズシール型流体制御器にも適用可能なことは勿論であ
る。また、本実施例では、アクチエータ９をソレノイド
駆動型のアクチエータとしているが、圧電型やモータ駆
動型のアクチエータであってもよい。更に、本実施例で
は所謂ノーマルクローズ型の流体制御器としているが、
ノーマルオープン型の流体制御器であってもよく、また
流体の流れ方向は何れの向きであってもよい。

【００２８】

【発明の効果】本件発明に於いては、ダイヤフラムやベ
ローズを介して駆動部へかかる流体圧に起因する荷重
が、スラストピン６によってほぼ完全に受け止められ
る。その結果、駆動部に必要とされる駆動力が著しく小
さくなり、駆動用アクチエータの小型化や流体制御器の
小型化が可能となる。また、流体制御器の作動時に於け
るダイヤフラムやベローズの変形量も極く僅かとなり、
これ等の変形に起因する剛性力が大幅に小さくなる。そ
の結果、駆動アクチエータにかかる剛性力も少なくな
り、駆動部の一層の小型化が可能となる。また、ダイヤ
フラムやベローズの耐久性が増す。

【００２９】また、アクチエータの負荷が小さくなるた
め、電磁ソレノイドを駆動部として利用可能になると共
に、アクチエータの作動速度を上げることができるた
め、応答性やヒステリシス特性に優れた流体制御器の製
作が可能となる。

【００３０】更に、本発明に於ける駆動拡大機構Ｓは、
接触点Ｐを除いて摩擦や遊び等の全くない構造であるた
め、摩擦等による制御精度への悪影響が皆無となり、安
定でしかも高精度な流体制御が可能になると共に、前記
接触点Ｐの位置変更により、拡大率を自由に選定するこ
とが可能となる。本発明は上述の通り、優れた実用的効
用を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体制御器の一部を省略した断面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ視断面図である。

【図３】図１の左側面図である。

【図４】駆動拡大機構の作動説明図。

【図５】従前のダイヤフラムシール型流体制御器の縦断
面図である。

【符号の説明】１は弁箱、１ａは本体、１ｂは上流側本体、１ｃは下流
側本体、１ｅ，１ｄは固定用ボルト、２は弁座、３は弁
室、４はダイヤフラムクランプ、４ａは挿通孔、４ｂは
係止孔、４ｃは固定ピン、５はシール材、６はスラスト
ピン、６ａは太径部、６ｂは細径部、７はスラストピン
ハウジング、８は弁体、８ａは弁シート、９はアクチエ
ータ、９ａは駆動軸、９ｂは固定用ボルト、１０はアク
チエータ固定板、１０ａは固定用ボルト、１１は駆動レ
バー、１１ａは駆動レバー上端部、１１ｂは駆動レバー
下端部、１２はスライド支持ボルト、１３は連結部材、
１３ａは固定用ボルト、１４はスプリング、Ｓは駆動拡
大機構、Ｏは回転中心、Ｐは接触点、Ｄは変位端部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−234981（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−180076（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−28973（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−99082（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 31/00 - 31/11

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤフラム若しくはベローズにより弁
箱（１）に形成した弁室（３）の上方開口部をシールす
る形式の流体制御器に於いて、上端部を弁箱（１）に固
定して竪向に配設され、下端部に弁体（８）を固着した
スラストピン（６）と；前記スラストピン（６）を挿通
せしめて竪向に配設され、上端部を弁箱（１）の外方へ
突出させると共に下端部を弁体（８）へ固着したスラス
トピンハウジング（７）と；前記弁室（３）の上方部に
配設され、その内周面をスラストピンハウジング（７）
へ溶接した弁室（３）の上方開口部をシールするダイヤ
フラム製又はベローズ製のシール材（５）と；前記弁箱
（１）へ横向き姿勢で支持固定したアクチエータ（９）
と；前記アクチエータ（９）の駆動軸（９ａ）と対向す
る位置に竪向きに配設され、下端部（１１ｂ）をスラス
トピンハウジング（７）の上方部へ連結した駆動レバー
（１１）とから構成したことを特徴とする流体制御器。
【請求項２】駆動レバー（１１）の上端部を弁箱
（１）に固定した支持部材へ移動自在に支持する構成と
した請求項１に記載の流体制御器。
【請求項３】アクチエータ（９）を電磁ソレノイド式
アクチエータ又は圧電セラミック式アクチエータとした
請求項１に記載の流体制御器。
【請求項４】シール材（５）の内周面を前記スラスト
ピン（６）の長さ方向のほぼ中央に対応する高さ位置に
配設する構成とした請求項１に記載の流体制御器。