JP4697612B2

JP4697612B2 - メタルダイヤフラム弁

Info

Publication number: JP4697612B2
Application number: JP2008242953A
Authority: JP
Inventors: 正信谷口; 隆司倉田; 亨松岡
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2009002523A

Description

本発明はメタルダイヤフラム弁に係わるものである。

メタルダイヤフラム弁（以下特に明記しない限り弁と称する。）９の基本的な構造と動作について図５に基づいて説明する。この種の弁９は、弁９の閉動作時において、開閉動作手段９３の先端のスラストボタン９４により弁箱９２に内臓されている傘型形状のメタルダイヤフラム９１を下方に押込み、入口側通路９８の出口の周囲に設けられた環状溝９７に嵌入固定された弁座シート９５の上面にメタルダイヤフラム９１の下面を密着させ、入口側通路９８の出口を閉鎖するものである。

メタルダイヤフラム９１は、開閉作動手段９３と全く結合されておらず、弁箱９２の内部と開閉作動手段９３を隔離して弁箱９２の内部を清浄に保っていることが特徴である。よって弁９の開動作時において、メタルダイヤフラム９１は、スラストボタン９４が上方に移動することにより押付け力から解放され、それ自身の持つ剛性に基づく復元力により元の傘型形状に復元し、その下面が弁座シート９５の上面より離れることにより入口側通路９８と出口側通路９９が連通し、流体の通路が形成されることとなる。

かかる弁９、特に半導体やＩＣ製造装置に用いられる弁９は、高シール性と低発塵度が要求される。高シール性の弁９を得るためには、メタルダイヤフラム９１と弁座シート９５の接触面および弁座シート９５とそれが固定される環状溝９７との固定面からの漏れを防止する必要が有る。
弁座シート９５の固定方法の一例が実開平５−９４５８４号公報に「メタルダイヤフラム弁」として開示されている。実開平５−９４５８４号公報に開示されているメタルダイヤフラム弁は、「弁箱内部と弁の開閉作動機構とメタルダイヤフラムにより隔離して、弁箱内部を清浄に保つ且つ弁の開閉動作機構によりメタルダイヤフラムの裏面を弁箱内部の弁座シートに押し当てることにより弁の閉鎖を行うメタルダイヤフラム弁において、前期弁箱内部の弁座シートを、弁箱内中心に開口された流体入口通路の出口又は流体出口通路の入口の周囲に設けた環状溝に嵌入し、前期流体入口通路の出口又は流体出口通路の入口の周壁を拡開して弁座シートをかしめ止めした」ものである。

実開平５−９４５８４号公報

実開平５−９４５８４号公報で一例が開示されている弁座シートのかしめ止め方法について図６に基づいて説明する。図６は、従来のかしめ冶具８により弁座シート９５をかしめ止めしている状態を示したものである。
弁座シート９５が嵌入された環状溝９７の内周壁へ、円筒形状のかしめ冶具８の先端に形成された略円錐形状の傾斜面８１を、それぞれの軸心を合わせて当接させる。かしめ冶具８を下方に押圧することによりその内周壁は漏斗状に拡開され、弁座シート９５はかしめ止めされる。

環状溝９７は、通常切削加工や研作加工により形成されており、環状溝９７の表面には加工による切削痕や研削痕が図７に示すように残存している。従来のかしめ止めによれば、環状溝９７の内周壁の表面にはそれを拡開する径方向の力とかしめ冶具８を下方に押圧する力が負荷されているため、その表面はかしめ冶具８の傾斜面８１により強く擦られることとなる。すなわち従来のかしめ止めを行えば、環状溝９７の内周壁は傾斜面８１で強擦され前記切削痕や研作痕が変形して図７に示すようなバリとなる。また、そのようなかしめ止めを繰り返すことにより傾斜面８１にも疵が発生し、その疵により内周壁に疵をつけることとなる。その内周壁の疵にも微小なバリが発生している。それらのバリの端部は薄く千切れやすい状態となっている。その状態で組み立てた弁９に流体を通すと、バリの端部が流体に混入し弁９の発塵度が著しく低下するという問題がある。
バリの混入を防止するためにバリを除去する工程を設ける場合もあるが、バリ取りした後には弁箱９２の洗浄と乾燥を行わなければならない。よって効率的に弁９を製造することが出来ないという問題がある。
なお上記の説明では、環状溝９７の内周壁を径方向に変形し弁座シート９５を固定するものとしているが、その外周壁を固定する場合においても同様な問題がある。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、弁座シートをかしめ止めする際の環状溝表面のバリ発生を防止でき、ひいては低い発塵度と高い生産性を得られるメタルダイヤフラム弁を提供するものである。

上記の課題を解決するために請求項１の本発明のメタルダイヤフラム弁は、弁箱と、前記弁箱内に形成された弁室を介して連通する入口側通路および出口側通路と、前記入口側通路の出口端の外周部に形成される環状溝と、前記環状溝に固定される略リング状の弁座シートと、前記弁座シートの上方に設けられるメタルダイヤフラムとを有するメタルダイヤフラム弁において、前記弁座シートの軸心方向に沿い弁座シートに向う力を伝達する第１の押圧手段と、その軸心方向の力を径方向の押圧力に変換するとともに当該軸心と直交するよう形成された端面を備えた第２の押圧手段とを有する固定冶具を用いて前記弁座シートを前記環状溝に固定するために好適な構造のメタルダイヤフラム弁であって、前記弁箱には前記第２の押圧手段の端面と直接的または間接的に当接可能な一面が形成されていることを特徴としている。

なお、前記第２の押圧手段は最も拡径したときの内径が前記環状溝の外周以上の内径を有するとともに径方向に拡縮可能な略円筒形状のコレットであり、前記第２の押圧手段の端面は前記コレットの端面であり、前記弁箱に形成された一面は前記環状溝の周囲に当該環状溝と同心円状に形成された一面であることが望ましい。

以上の説明のように、本発明のメタルダイヤフラム弁１によれば、環状溝１７にバリを発生させることなく弁座シート１５を固定することが可能となり極めて低い発塵度のメタルダイヤフラム弁１とすることが可能となり、バリ取りやその後の洗浄、乾燥が不要となり効率的にメタルダイヤフラム弁１を製造することが可能となる。

本発明の実施形態の一例を用いて固定された弁座シート１５が組み込まれた弁１の正面図を図３に示す。
弁１は、弁室１０を介して連通する入口側通路１８および出口側通路１９と、入口側通路１８の出口端の外周部に形成される環状溝１７に固定される略リング状の弁座シート１５と、弁座シート１５の上方に設けられる円形傘形形状のメタルダイヤフラム１１とを有する弁箱１２と、メタルダイヤフラム１１の開閉動作手段１３とからなる。環状溝１７の外周部にはそれと同心円状に、下記で説明するスペーサーが載置されるスペーサー載置溝１６が設けられている。
なお本実施形態及び以下で述べる別の実施形態ともに、弁座シート１５は、入口側通路１８の出口端の外周部に設けられる環状溝１７に嵌入固定されるものとしているが、出口側通路１９の入口端の外周部に弁座シート１５を嵌入固定する環状溝を設けるようにしても良い。

弁１のダイヤフラム１１の動作は、上記の説明と同様である。つまり弁１の閉動作時において、メタルダイヤフラム１１は、開閉動作手段１３の先端のスラストボタン１４で下方に押込まれ、弁座シート１５上面にその下面が密着し、入口側通路１７の出口の閉鎖を行う。弁１の開動作時においては、メタルダイヤフラム１１は、スラストボタン１４が上方に移動することにより押付け力から解放され、それ自身の持つ剛性に基づく復元力により元の傘型形状に復元し、その下面が弁座シート１５の上面より離れ、弁１の入口側通路１８と出口側通路１９が連通し、流体の通路が形成される。

本発明の一実施形態について図１に基づいて説明する。図１は、かしめ冶具２により弁座シート１５をかしめ止めしている状態を示した軸方向断面図である。ここで、軸方向とは弁箱１２の入口側通路１８の出口の軸心に沿う方向であり、軸方向に直交する方向を径方向とする。
下記で詳細に説明するように、かしめ冶具２は、スペーサー載置溝１６の底面に載置された略円板リング状のスペーサー３の上面にコレット２２の開口端面を当接し、弁座シート１５が嵌入れされた環状溝１７の外周壁をコレット２２で縮閉し、弁座シート１５をかしめ止めするものである。
スペーサー３は、後述するようにかしめ止めの際に縮径するコレット２２の先端面によりスペーサー載置溝１６に疵が発生することを防止するため設けられ、スペーサー載置溝１６に収まり、後述するように軸方向において環状溝１７の外周壁の縮閉させる大きさに応じた厚みとなっている。

かしめ治具２は、
１）コレット２２が嵌入されるコレット嵌入部２１ｂを有し、開口端にスリーブ傾斜面２１ａが設けられた第１の押圧手段である略有底円筒形状のスリーブ２１と、
２）一端面がコレット嵌入部２１ｂの底面に当接するようコレット嵌入部２１ｂの内に軸心を合わせ配設されるコイルバネ２３と、
３）前記スリーブ傾斜面２１ａと当接できるよう開口端部外周に設けられるコレット傾斜面２２ａと、開口端に設けられるかしめ傾斜面２２ｃと、底部の略中央に設けられ螺子２４の軸部を装入できる貫通孔と、螺子２４の頭部を装入できる螺子頭装入部２２ｂを有し、底面が前記コイルバネ２３の他端面に当接し、コレット傾斜面２２ａが前記スリーブ傾斜面２１ａに当接するようにコレット嵌入部２１ｂに嵌入される第２の押圧手段である略有底円筒形状のコレット２２と、
４）軸部がコイルバネ２３の中空部と前記コレットの貫通孔に装入され、頭部底面が螺子頭装入部２２ｂの底面に当接するよう配設され、コイルバネ２３を介してコレット２２をスリーブ２１に固定する螺子２４
からなる。
スリーブ１１の開口面が底面である略円錐形状の一部をなすスリーブ傾斜面２１ａの頂角は鋭角となされる。

コレット２２について図１、２に基づき説明する。図２（ａ）は、コレット２２の正面図であり、軸方向断面の一部も示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の裏面図である。
コレット２２の開口端部には、図２（ｂ）に示すように、開口端面を円周方向に略等分して分割するようなスリット２２ｄが、図２（ａ）に示すように、軸方向において、コレット２２の開口端面から略中央まで設けられている。スリット２２ｄを設けることによりコレット２２の開口端部は径方向の可撓性を有することとなる。つまり外周方向から力が加わった場合には縮径し、その力が除かれると拡径して元の形状に復元する。
コレット傾斜面２２ａは前記スリーブ傾斜面２１ａと同様に、コレット２２の開口面が底面である略円錐形状の一部をなすかしめ傾斜面２２ｃの頂角は適宜設定されるが、通常は鋭角となされる。かしめ傾斜面２２ｃは、最も拡径された状態で環状溝１７の外周壁の外周面に緩嵌合できるよう設定されている。

図１に示すように、コレット２２は、その底部外周面がスリーブ嵌入部２１ｂの側面に内接し、その開口端面が、軸方向において設定される大きさでスリーブ２１の開口端面から突出すようになされている。
図１においてスリーブ２１を下方に押圧する。コレット２２は、その開口端面がスペーサー３に当接し軸方向の位置が拘束されているので、コレット傾斜面２２ａはスリーブ傾斜面２１ａにより径方向で内側へ押圧される。コレット傾斜面２２ａが内側へ押圧されると、前記説明のように可撓性を有するコレット２２の開口端部は縮径する状態となる。その縮径量は、上記で設定された突出し量とスリーブ傾斜面２１ａ及びコレット傾斜面２２ａの角度により決定される。すなわちスリーブ２１を下方に押圧する際に、スリーブ２１の開口端面がスペーサー３と常に当接するようにすれば、コレット２２の開口端部の縮径量は一定とすることが可能となる。

コレット２２は、バネ鋼など耐摩耗性のある材料で作られている。かしめ傾斜面２２ｃの部分には、更に耐摩耗性を向上させるための焼入れ、窒化または浸炭などの硬化処理が施される。かしめ傾斜面２２ｃは、それが当接する環状溝１７の外周壁表面に疵を入れないように表面研磨などが施され鏡面状態とされる。その表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１で定められる最大表面粗さが１μｍ以下であることが望ましい。

環状溝１７に嵌入れされた弁座シート１５を上記かしめ冶具２でかしめ止めする方法について図１、４に基づいて説明する。図４は、図１のＡ部拡大図であり、図４（ａ）はかしめ止めする前の状態、図４（ｂ）はかしめ止めした後の状態を示している。
図１に示すように、スペーサー載置溝１６の底面にスペーサー３を載置する。かしめ冶具２は、入口側通路１８の出口の軸心にコレット２２の軸心を合わせ、コレット２２の開口端面がスペーサー３の上面に当接するように配置する。その際には、図４（ａ）に示すように、コレット２２のかしめ傾斜面２２ｃは環状溝１７の外周壁１７ａの外周面に当接しておらず、少なくとも緩嵌合して環状溝１７の表面に疵をつけることを防止している。
その配置状態から、弁座シート１５の軸心に沿い弁座シートに向かう力Ｆｃでスリーブ２１を押圧すると、スリーブ２１は下方に移動し、前記説明のようにコレット２２の開口端部は縮径し、かしめ傾斜面２２ｃは外周壁１７ａの外周側角部に当接する。

図４（ｂ）に示すように、その角部には、軸方向の押圧力Ｆｃがスリーブ傾斜面２１ａとコレット傾斜面２２ａにより変換された径方向の押圧力Ｆｙのかしめ傾斜面２２ｃに対する垂直方向の分力Ｆｖが負荷され、その角部は径方向で内側に押圧される。その分力Ｆｖにより発生する応力が外周壁１７ａの降伏応力より大きくなるとかしめ傾斜面２２ｃの当接する外周壁１７ａの上部はかしめ傾斜面２２ｃに沿う形状で塑性変形して山形に縮閉することとなり、よって弁座シート１５は固定される。

以上のように、軸方向の押圧力Ｆｃを第１の押圧手段であるスリーブ２１により伝達し、その軸方向の押圧力Ｆｃを第２の押圧手段であるコレット２２により径方向の押圧力Ｆｙに変換し、作用する方向が径方向に規制された押圧力Ｆｙで外周壁１７ａを押圧することにより、表面を強擦することなく外周壁１７ａを縮閉することができ、バリや疵の発生を防止することが可能となる。
また、径方向の力Ｆｙの鉛直方向の分力Ｆｚを負荷しつつ縮径するコレット２２の開口端面をスペーサー３で受けることにより、スペーサー載置溝１６底面の疵の発生を防止することが可能となる。

本発明の実施形態の一例を示す図である。コレットの詳細図である。本発明の実施形態の一例を用いて固定された弁座シートが組み込まれたメタルダイヤフラム弁を示す図である。本発明の実施形態の一例を用い弁座シートをかしめ止めしている状態を示す図である。従来のメタルダイヤフラム弁を示した図である。従来の弁座シートの固定方法を示した図である。従来の弁座シートの固定方法により、環状溝表面に発生したバリの状態を模式的に示した図である。

符号の説明

１：メタルダイヤフラム弁、１０：弁室、１１：メタルダイヤフラム、１２：弁箱、１３：開閉動作機構、１４：スラストボタン、１５：弁座シート、１６：スペーサー載置溝、１７：環状溝、１８：入口側通路、１９：出口側通路
２：かしめ冶具、２１：スリーブ、２２：コレット、２３：コイルバネ、２４：螺子
３：スペーサー
８：かしめ冶具、８１：傾斜面
９：メタルダイヤフラム弁、９１：メタルダイヤフラム、９２：弁箱、９３：開閉動作機構、９４：スラストボタン、９５：弁座シート、９７：環状溝、９８：入口側通路、９９：出口側通路

Claims

弁箱と、前記弁箱内に形成された弁室を介して連通する入口側通路および出口側通路と、前記入口側通路の出口端の外周部に形成される環状溝と、前記環状溝に固定される略リング状の弁座シートと、前記弁座シートの上方に設けられるメタルダイヤフラムとを有するメタルダイヤフラム弁において、前記弁座シートの軸心方向に沿い弁座シートに向う力を伝達する第１の押圧手段と、その軸心方向の力を径方向の押圧力に変換するとともに当該軸心と直交するよう形成された端面を備えた第２の押圧手段とを有する固定冶具を用いて前記弁座シートを前記環状溝に固定するために好適な構造のメタルダイヤフラム弁であって、前記弁箱には前記第２の押圧手段の端面と直接的または間接的に当接可能な一面が形成されていることを特徴とするメタルダイヤフラム弁。
前記第２の押圧手段は最も拡径したときの内径が前記環状溝の外周以上の内径を有するとともに径方向に拡縮可能な略円筒形状のコレットであり、前記第２の押圧手段の端面は前記コレットの端面であり、前記弁箱に形成された一面は前記環状溝の周囲に当該環状溝と同心円状に形成された一面であることを特徴とする請求項１に記載のメタルダイヤフラム弁。