JP3485359B2 - 自動流体制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体など各種流体の、
圧力又は流量を制御する常時閉型の流体制御バルブ、特
に、流路に発塵の原因となるバネなどの弾性部材がある
ことを嫌う、半導体産業用特殊ガスラインの流体制御を
行う流体制御バルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体の流量等を制御する自動流体
制御弁としては、特開昭６１−１７３３１９号に記載さ
れるようなものがある。これは、ノズルフラッパ機構の
ノズル背圧を受けて変位する駆動用ダイアフラムと、流
体の供給ポートと出力ポートとを結ぶ流路の間に設けら
れた弁座に対し駆動用ダイアフラムの変位に応動して接
離する駆動用ダイアフラムに繋がれた弁頭と、弁頭を弁
座に対して常時付勢するばねと、出力ポートを通る流体
から得られる圧力信号によりノズルフラッパ機構のフラ
ッパを変位させる制御装置とを有してなるものである。
ノズルフラッパ機構の電歪素子でできたフラッパに所定
の電圧を印加し、これにより駆動用ダイアフラムを変位
させて弁頭を弁座から所望量離反させ、流体を供給ポー
トから出力ポートへと所望の流量だけ送ろうというもの
である。

【０００３】また、自動流体制御弁として特開昭６４−
５５４８７号、特開平４−３４２７５号に記載されるよ
うなものもある。これは、流体の供給ポートと出力ポー
トとを結ぶ流路の間に設けられた弁座に対峙する弁頭
と、弁頭を弁座に対して常時付勢するばねと、弁頭と弁
座との間に介装されたシール用ダイアフラムと、弁頭を
弁座に対して接離させる積層型圧電素子とを有してい
る。積層型圧電素子に所定の電圧を印加し、これにより
弁頭を弁座から所望量離反させ、流体を供給ポートから
出力ポートへと所望の流量だけ送ろうというものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６１−
１７３３１９号の自動流体制御弁は、弁頭を弁座に押し
つけるばねを流路内に備えているので、ばねの動きに伴
い流路内に微小なゴミを発生し流体を汚染するおそれが
ある。また、弁頭と弁座の間に微小なゴミが入った場
合、スルーリークが発生するおそれがある。そのため、
例えば半導体産業用特殊ガスラインにおいて流体制御を
行う場合にはそのような弁は使用することができない。

【０００５】また、特開昭６４−５５４８７号、特開平
４−３４２７５号に記載の自動流体制御弁は、その弁頭
を積層型圧電素子の積層方向での伸縮によって動作させ
ようとするものであるが、積層型圧電素子自体が高価で
ある上に駆動に大きな電力を必要とするという欠点を有
する。

【０００６】また、特開昭６１−１７３３１９号の自動
流体制御弁においてはばねと一次圧が弁を閉じる力を生
じ、特開昭６４−５５４８７号、特開平４−３４２７５
号に記載の自動流体制御弁においてはばねが弁を閉じる
力を生じるので、より大きな閉力を得ることはできず、
スルーリークを止める上で不十分な場合がある。

【０００７】従って、本発明はその様な従来の問題点を
解決することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ノズルフラッパ機構１のノズル背圧を受
けて変位する駆動用ダイアフラム２と、流体の供給ポー
ト３と出力ポート４とを結ぶ流路５ａ、５ｂの間に設け
られた弁座６に対し上記駆動用ダイアフラム２の変位に
応動して接離する上記駆動用ダイアフラム２に連結され
た弁頭７と、上記弁頭７を上記弁座６に対して常時弁頭
７が流路を閉じる方向に付勢する弁頭側に設けられたば
ね８と、上記弁頭側に形成された上記駆動用ダイアフラ
ム２に対する背圧室２０と、上記弁頭７と反対側に形成
された上記駆動用ダイアフラム２に対する大気圧室１９
と、上記弁頭７と上記弁座６との間に介装されたシール
用ダイアフラム９と、上記出力ポート４側の流体に関し
得た所定の信号により上記ノズルフラッパ機構１の電歪
素子によりなるフラッパ１０を変位させる制御装置１１
とを包含し、上記ばね８は上記駆動用ダイアフラム２側
に配置し、上記駆動用ダイアフラム２は、背圧室２０の
圧力の上昇によって弁頭７が流路を開く方向に付勢して
なる自動流体制御弁の構成を採用している。また、弁頭
７と駆動用ダイアフラム２は連結棒１７により接続され
ていてもよい。

【０００９】

【作用】本発明は上記の構成であるから、主なシート力
（弁閉止力）はばね８により発生され、背圧室２０の圧
力の上昇と共にばね８の力を打ち消す方向の力が発生す
る。この背圧による力と、一次圧（供給ポート３側の流
体圧力）、二次圧（出力ポート４側の流体圧力）による
力とが、ばね８の押しつけ力とバランスして弁開度を決
定する。出力ポート４側の流体の圧力、流量等の物理量
はセンサにより検出され、そのフィードバック信号によ
りフラッパの開度が変えられ、背圧室２０の背圧がコン
トロールされ、流体の圧力または流量が制御される。

【００１０】ノズルフラッパ機構１によってオリフィス
を抜ける空気の流速が制御され、該流速が一定速度以上
になると、オリフィスノズル機構はジェットポンプとし
て機能することになり、オリフィス周囲の空気はノズル
内に引き込まれる。これにより、該オリフィス−ノズル
間に導通する背圧室２０の内圧は負圧から正圧までの幅
広い範囲の圧力で連続的又は断続的にコントロール可能
になる。

【００１１】また、本発明においては、弁頭７やばね８
等の可動部分は、シール用ダイアラム９により流路５
ａ，５ｂ内の流体から遮断された状態で動作する。

【００１２】

【実施例】図１に示されるように、この自動流体制御弁
は、ノズルフラッパ機構１のノズル背圧を受けて変位す
る駆動用ダイアラム２と、流体の供給ポート３と出力ポ
ート４とを結ぶ流路５ａ，５ｂの間に設けられた弁座６
に対し上記駆動用ダイアフラム２の変位に応動して接離
する上記駆動用ダイアフラム２に連結された弁頭７と、
上記弁頭７を上記弁座６に対して常時付勢する弁頭側に
設けられたばね８と、上記弁頭７側に形成された上記駆
動用ダイアフラム２に対する背圧室２０と、上記弁頭７
と反対側に形成された上記駆動用ダイアフラム２に対す
る大気圧室１９と、上記弁頭７と上記弁座６との間に介
装されたシール用ダイアフラム９と、上記出力ポート４
側の流体に関し得た所定の信号により上記ノズルフラッ
パ機構１の電歪素子よりなるフラッパ１０を変位させる
制御装置１１とを有している。

【００１３】自動流体制御弁は、下部本体１２と、上部
本体１３と、上部本体１３上に取り付けられるケース１
４とを有し、全体として柱状に形成され、それらの中に
ノズルフラッパ機構１、駆動用ダイアラム２等の各種装
置が収納されている。

【００１４】駆動用ダイアラム２は、弁頭７を動作させ
るためのもので、上部本体１３の上部中央に水平に収納
され、上から蓋部材１５で覆われている。駆動用ダイア
ラム２は通常円形であり、その周縁は上部本体１３と蓋
部材１５とで挟持され、その中心部は上下の円盤１６
ａ，１６ｂで挟持されている。下側の円盤１６ｂの中心
には弁頭７を駆動用ダイアラム２に連結する連結棒１７
が垂直にあてがわれ、円盤１６ａ，１６ｂを貫通するね
じ１８により固着されている。

【００１５】駆動用ダイアラム２の上面に対向する蓋部
材１５の内側には大気圧室１９が形成され、駆動用ダイ
アラム２の下面に対向する上部本体１３の上部には背圧
室２０が形成されている。この場合、大気圧室１９は蓋
部材１５の貫通穴２１及びケース１４の図示しない穴を
介して大気に通じ、背圧室２０すなわち弁頭側の空室は
ノズルフラッパ機構１のノズル２２内に通じている。

【００１６】ノズルフラッパ機構１は、ノズル２２と、
ノズル２２に供給する空気の流れを絞るオリフィス２３
と、ノズル２２の先端付近に設けられるフラッパ１０と
を有している。上部本体１３には空気圧導入孔２４が設
けられ、ノズルフラッパ機構１を駆動するための圧縮空
気が導入される。該空気圧導入孔２４からケース１４内
に向って縦穴が駆動用ダイアラム２の大気圧室１９及び
背圧室２０を外れるように上部本体１３及び蓋部材１５
を垂直に貫通している。ノズル２２は、蓋部材１５の縦
穴にＯリング２５及び固定リング２６を介してはめ込ま
れており、オリフィス２３は上部本体１３の縦穴内には
め込まれ、その他管部材２７がノズル２２とオリフィス
２３との間の縦穴内にはめ込まれている。ノズル２２と
オリフィス２３との間の縦穴から上記背圧室２０へは空
気圧導入路２８が分岐している。フラッパ１０は、絶縁
板２９を介して蓋部材１５にあてがわれ、押え部材３０
と止めねじ３１とにより蓋部材１５上に固定されてい
る。

【００１７】フラッパ１０を構成する電歪素子としては
例えば圧電バイモルフ素子を用いることができる。これ
は反対方向に分極した二枚の圧電素子を中間に金属を挟
んで張り合わせ、金属を一方の端子とし、二枚の圧電素
子を他方の端子としてなるものである。このフラッパ１
０は、制御装置１１により他方の端子を介して所定の電
圧が印加されると変位し、ノズル２２との間の隙間を変
化させ、ノズル背圧を加減することとなる。

【００１８】上記上部本体１３の中心には縦穴が設けら
れ、該縦穴を上記連結棒１７が下方に貫通している。縦
穴には連結棒１７との隙間を封じるためのパッキング３
２が設けられている。上部本体１３の下部には連結棒１
７を取り巻くと共に弁頭７を収容する大径の穴３３が形
成され、該穴３３内にばね８である圧縮コイルばねが介
装されている。該ばね８は穴３３の天面と弁頭７との間
に介在して駆動用ダイアラム２を背圧室２０側に引くと
共に弁頭７を弁座６の方に押し付けている。

【００１９】上記下部本体１２には、流体の供給ポート
３と出力ポート４とが設けられ、供給ポート３側の流路
５ａは弁座６を取り巻く環状空室３４に通じ、出力ポー
ト４側の流路５ｂは弁座６の中心に通じている。上部本
体１３が下部本体１２に結合されることにより、弁座６
はシール用ダイアフラム９を介して弁頭７で塞がれ、環
状空室３４は大気から遮蔽されるようになっている。上
記シール用ダイアフラム９は該環状空室３４内に収納さ
れ、メタルＯリング３５により係止されている。このシ
ール用ダイアラム９は弁頭７から上の駆動部と環状空室
３４を含んだ流路５ａ，５ｂとの間を遮断し、弁頭７等
の動きにより発生する微細なゴミが流路５ａ，５ｂ中の
流体に入るのを防止したり、流体が上部本体１３に接触
するのを防止したりする役割を果たす。

【００２０】制御装置１１は、弁座６から出力ポート４
に至る流路５ｂ内に配置された圧力センサ３６と、上記
ケース１４内に配置された回路部３７とを有している。
出力ポート４側の流体の圧力である二次圧は圧力センサ
３６により電気信号に変換され、回路部３７へフィード
バックされ、設定値と比較される。設定値は、外部電気
信号として受け取られるようになっている。二次圧が設
定値になるよう、回路部３７により、フラッパ１０の圧
電バイモルフに対する印加電圧がコントロールされるこ
とになる。

【００２１】なお、圧力センサ３６は上部本体１３と下
部本体１２との間の空洞内に収容され、押さえ部材３８
とメタルパッキング３９とにより上下から挟持されてい
る。次に、この自動流体制御弁の動作について説明す
る。

【００２２】自動流体制御弁の二次側流体圧力は弁の開
度と二次側流体の消費量によって決められる。上記弁の
開度、即ち弁座６とシール用ダイアフラム９との間の間
隙量は、背圧室２０内のノズル背圧と供給ポート３の一
次圧力及び出力ポート４の二次圧力とばね８の押しつけ
力との釣り合いによって決まる。更に、上記ノズル背圧
はノズルフラッパ機構１のノズル２２とフラッパ１０の
間隙量、即ち圧電バイモルフを用いたフラッパ１０の変
位量によって決まる。

【００２３】ノズルフラッパ機構１を作動する圧縮空気
を空気圧導入孔２４に導入すると、ノズル２２とフラッ
パ１０の隙間によってきまるノズル背圧が背圧室２０内
に生ずる。フラッパ１０とノズル２２の間隔が狭まり、
ノズル背圧により発生する力がばね８の押しつけ力を上
回ると、ノズル背圧と前述の一次圧及び二次圧並びにば
ね８の押しつけ力との釣り合い関係から、弁座６と弁頭
７の間隙が決まり、図３に示す如く弁頭７が弁座６から
引き離され、シール用ダイアフラム９の押圧を解く。シ
ール用ダイアフラム９が開放されると、一次圧及び二次
圧で発生する力により流路５ａ，５ｂが開かれ、制御流
体が供給ポート３から出力ポート４へと流れ、二次側の
圧力を増大させる。

【００２４】二次側に生じた圧力は、圧力センサ３６に
より計測され電気信号に変換されて制御装置１１にフィ
ードバックされる。圧力センサ３６の出力信号は制御装
置１１の圧力設定器の設定値と比較され、その差がゼロ
となるように回路部３７からフラッパ１０の圧電バイモ
ルフ素子に印加する電圧をコントロールしてフラッパ１
０を必要量だけ変位させる。二次側圧力が所定の圧力に
到達し、かつ二次側での流体の消費がないとした場合、
回路部３７からの信号によってフラッパ１０とノズル２
２間の間隔が増大し、背圧室２０のノズル背圧が低下
し、その結果ばね８の押しつけ力が相対的に増え、図２
に示すように弁頭７はシール用ダイアフラム９を弁座６
に押しつけ、供給ポート３と出力ポート４とを結ぶ流路
５ａ，５ｂを遮断する。バランスが崩れて、ノズル背圧
が増大しない限り、弁頭７はばね８により弁座６に押し
つけられて閉状態を保持する。

【００２５】ノズルフラッパ間の間隙がある値以上に達
すると、ノズル２２からの排気速度が増大し、オリフィ
ス２３と管部材２７の近接部位でジェットポンプ作用が
生じ、背圧室２０の空気を巻き込んで排出するため、背
圧室２０内は大気圧以下の負圧となり、その結果駆動用
ダイアフラム２による下方への力が格段に増加し、弁を
閉じる力は大きくなり、供給ポート３から出力ポート４
へのスルーリークをより確実に防止することができる。

【００２６】なお、圧力センサ３６に代えて流量センサ
を出力ポート４側に設けるようにすれば、流体の流量を
制御することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明においては、弁頭やばね等の可動
部分がシール用ダイアラムにより流路から遮断されてい
るので、弁の開閉動作に伴いばね等の可動部分から微小
なゴミ等が発生しても流体中に混入せず、流体の汚染が
防止される。従って、流路に発塵の原因となるばねなど
の弾性部材があることを嫌う半導体産業用特殊ガスライ
ン等の流体制御にとって好適である。また、逆に制御流
体は弁頭、ばね等の可動部分からシール用ダイアフラム
により遮断された状態で流れるので、弁頭、上部本体等
が流体により腐食されることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動流体制御弁の縦断面図であ
る。

【図２】弁が閉じている状態を示す自動流体制御弁の部
分切欠拡大図である。

【図３】弁が開いている状態を示す自動流体制御弁の部
分切欠拡大図である。

【符号の説明】

１…ノズルフラッパ機構 ２…駆動用ダイアラム ３…供給ポート ４…出力ポート ５ａ，５ｂ…流路 ６…弁座 ７…弁頭 ８…ばね ９…シール用ダイアフラム １０…フラッパ １１…制御装置

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−173319（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−240370（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−55487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−72214（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−98783（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−172689（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−34275（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−104872（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 31/12 - 31/165 F16K 31/02 F16K 31/365

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルフラッパ機構のノズル背圧を受
   けて変位する駆動用ダイアフラムと、流体の供給ポート
   と出力ポートとを結ぶ流路の間に設けられた弁座に対し
   上記駆動用ダイアフラムの変位に応動して接離する上記
   駆動用ダイアフラムに連結された弁頭と、上記弁頭を上
   記弁座に対して常時弁頭が流路を閉じる方向に付勢する
   弁頭側に設けられたばねと、上記弁頭側に形成された上
   記駆動用ダイアフラムに対する背圧室と、上記弁頭と反
   対側に形成された上記駆動用ダイアフラムに対する大気
   圧室と、上記弁頭と上記弁座との間に介装されたシール
   用ダイアフラムと、上記出力ポート側の流体に関し得た
   所定の信号により上記ノズルフラッパ機構の電歪素子に
   よりなるフラッパを変位させる制御装置とを包含し、上
   記ばねは上記駆動用ダイアフラム側に配置し、上記駆動
   用ダイアフラムは、背圧室の圧力の上昇によって弁頭が
   流路を開く方向に付勢することを特徴とする自動流体制
   御弁。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の自動流体制御弁におい
   て、弁頭と駆動用ダイアフラムは連結棒により接続して
   いることを特徴とする自動流体制御弁。