JP4971153B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、流量を制御するための流量制御弁に関する。さらに詳細には、流量を比例制御することができる流量制御弁に関するものである。

従来から、流量を制御するために電磁弁が広く使用されている。このような電磁弁では、固定鉄心の吸引力とスプリングの復元力とのつり合いにより、弁体のストローク制御がなされるようになっている。この種の流量制御弁の１つとして、例えば図２７に示すようなものが挙げられる（特許文献１）。

この流量制御弁２１０では、ボディ２３２において、入口流路２３４と出口流路２３５とが形成されており、また、入口流路２３４と出口流路２３５とを連通させる弁室２３３が形成されている。さらに、弁室２３３において、出口流路２３５の端部である箇所に弁座２３６が形成されている。

また、ボディ２３２上方には、固定鉄心２２３を励磁するためのコイル２２２が設けられている。コイル２２２の上部に固定鉄心２２３が配置されるとともに、コイル２２２には、可動鉄心２２４がスライド可能に挿入されている。そして、可動鉄心２２４の端面には、弁体２３１が設けられるとともに、スプリング２２５が取り付けられている。このスプリング２２５は、可動鉄心２２４を下方へ付勢している。

そして、流量制御弁２１０において、入口流路２３４に流体が流入した場合に、流体を入口流路２３４から出口流路２３５に流出させたいときは、コイル２２２に通電して、固定鉄心２２２を励磁する。すると、励磁された固定鉄心２２３は、スプリング２２５の付勢力に抗して、可動鉄心２２４を吸引移動させるので、弁体２３１が弁座２３６から離間する。これにより、入口流路２３４に流入した流制御体を、弁室２３３を介して、出口流路２３５から流出させることができるようになっている。

このとき、コイル２２２に流す電流を変化させれば、固定鉄心２２３の吸引力が変わって、可動鉄心２２４のストローク量が変化し、弁座２３６と弁体２３１との間隔が変わる。これにより、弁開度を調整することができるので、出口流路２３５から流出させる流体の流量を制御することができるようになっている。

ところが、上記した流量制御弁２１０では、可動鉄心２２４の線形ストローク領域（コイルへの印加電圧と可動鉄心のストローク量との比例域）が小さいため、精度良く流量制御を行うには不向きであった。

そこで、図２８に示すように、可動鉄心の線形ストローク領域（比例域）を大きくするために、固定鉄心と可動鉄心の対向部分をテーパ状に形成したものが実用化されている（特許文献２）。

実開昭６３−１８０７８２号公報 特開平７−１９３６３号公報

しかしながら、従来の流量制御弁では、弁全開状態において、可動鉄心が固定鉄心に密着してしまうという問題があった。このように弁全開時に可動鉄心が固定鉄心に密着してしまうと、全開時から弁閉方向に弁開度を制御する際、コイルに流れる電流が所定値になるまでは可動鉄心が固定鉄心から離れない。そして、コイルに流れる電流が所定値になったときに可動鉄心が固定鉄心から離れると、可動鉄心は一挙に所定のストローク位置まで移動してしまう。つまり、コイルに流れる電流が所定値になるまでは比例制御が不可能となるため比例特性が非常に悪化して、精度良く流量制御を行うことができなかった（図３の破線参照）。

また、固定鉄心と可動鉄心の対向部分をテーパ形状にすると、弁開動作に必要な固定鉄心の可動鉄心に対する吸引力が小さくなってしまうという問題があった（図２の一点鎖線参照）。このように、固定鉄心の可動鉄心に対する吸引力が小さくなってしまうと、スプリングによる可動鉄心の付勢力を小さくしないと、可動鉄心を吸引することができなくなる。このため、固定鉄心の可動鉄心に対する吸引力が小さくなると、必然的にスプリングによる可動鉄心の付勢力が小さくなり、弁閉時のシール性能が低下してしまい流量制御に悪影響を与える。

ここで、吸引力を上げるためには、コイルに流す電流を大きくすれば良いが、コイルに流す電流を大きくするとコイルの発熱量が大きくなってしまうという問題が発生する。また、コイルの容量を大きくすればコイルの発熱の問題は解消されるが、コイルが大型化してしまうという問題が発生する。

そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、固定鉄心と可動鉄心とを密着させないようにするとともに吸引力を増大させることにより精度良く流量制御を行うことができる流量制御弁を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る流量制御弁は、入口流路と、出口流路と、前記入口流路と前記出口流路とを連通させる弁室と、前記弁室と前記出口流路との連通部に形成された弁座とを備える弁ボディと、中空のコイルボビンに巻線が巻き付けられたコイルと、前記コイルボビン上部に固定された第１固定鉄心と、前記コイルボビン下部に固定されたブロック状の第２固定鉄心と、前記第１固定鉄心に固定された円筒部と、その円筒部の下端外周に形成されて一部分が前記第２固定鉄心と前記弁ボディとに狭持された円板部とを備える非磁性体のフレアパイプと、前記フレアパイプの円筒部内に摺動可能に設けられるとともに、その下端部に弁体が設けられた可動鉄心と、前記可動鉄心を前記第１固定鉄心から離れる方向へ常時付勢して前記弁体を前記弁座に当接させるためのスプリングとを有し、前記可動鉄心の下端部に、前記コイルボビンの内径よりも大きい径を有するブロック状の鍔部を形成して前記弁室内に収容するとともに、前記弁体が前記弁座に当接した状態にて、前記第１固定鉄心と前記可動鉄心との間隔を、前記鍔部と前記フレアパイプの円板部との間隔よりも大きくし、前記鍔部が前記フレアパイプを介して、前記第２固定鉄心に当接することにより、前記第２固定鉄心の吸引力が大きくなることを特徴とするものである。

この流量制御弁では、通常時（コイルへ通電しない状態）、スプリングにより可動鉄心が第１固定鉄心から離れる方向へ付勢されているため、弁体が弁座に当接して弁閉状態となっている。そして、コイルへ通電すると、可動鉄心が第１固定鉄心および第２固定鉄心により吸引されて、弁体が弁座から離間して弁開状態となる。このとき、コイルに流す電流を変化させることにより、第１固定鉄心および第２固定鉄心の吸引力が変わって、可動鉄心のスライド量が変化するので、弁座と弁体との間隔（弁開度）を変えることができる。これにより、出口流路から流出させる流体の流量を制御することができる。

ここで、本発明の流量制御弁では、可動鉄心の下端部に、コイルボビンの内径よりも大きい径を有する鍔部を形成して弁室内に収容するとともに、弁体が弁座に当接した状態にて、第１固定鉄心と可動鉄心との間隔を、鍔部とフレアパイプの円板部との間隔よりも大きくしているので、弁全開時には、可動鉄心が第１固定鉄心に接触する前に可動鉄心はフレアパイプの円板部に当接する。このため、可動鉄心が第１固定鉄心に密着することがない。なお、第２固定鉄心と可動鉄心との間には非磁性体のフレアパイプの円板部が介在するので、第２固定鉄心と可動鉄心とが密着することもない。このように、本発明の流量制御弁では、可動鉄心が固定鉄心に密着することがないため、比例特性が悪化することがない。従って、精度良く流量制御を行うことができる。

また、本発明の流量制御弁では、可動鉄心の下端部に鍔部を形成しているので、第２固定鉄心と可動鉄心とのギャップ間において磁束が通る面積を大きくすることができる。このため、コイルに同じ電流を流した場合、磁気特性が向上するので吸引力を増加させることができる。

本発明に係る流量制御弁においては、前記可動鉄心と前記固定鉄心との対向部分がテーパ状に形成されていることが望ましい。

こうすることにより、可動鉄心の線形ストローク領域（比例域）を大きくすることができるからである。そして、本発明の流量制御弁では、可動鉄心と固定鉄心との対向部分がテーパ状に形成されている従来品に比べて吸引力が増加するので、より精度良く流量制御を行うことができる。

また、本発明に係る流量制御弁においては、前記スプリングの前記可動鉄心に対する付勢力を調整する調整機構を有することが望ましい。

こうすることにより、弁組み立て時にスプリングのセット荷重を調整することができるため、スプリングのセット荷重が一定となる。その結果、流量制御弁の制御性が向上するので、より精度良く流量制御を行うことができる。

また、本発明に係る流量制御弁においては、前記フレアパイプと前記可動鉄心との間に樹脂部材を介在させていることが望ましい。そして、前記樹脂部材は、フッ化樹脂等により形成すればよい。なお、樹脂としては、例えば、フッ化エチレンプロピレン、ポリアミド、あるいはポリプロピレンなどを使用することができる。
このような樹脂部材を設けることにより、可動鉄心の摺動抵抗が低減されるため可動鉄心をスムーズに移動させることができる。従って、流量制御弁の比例特性が向上するので、安定して精度良く流量制御を行うことができる。

そして、前記樹脂部材の長さは、前記可動鉄心のうち前記フレアパイプ内で摺動する部分の長さの半分以上に設定されていることが好ましい。なお、可動鉄心のうち前記フレアパイプ内で摺動する部分とは、可動鉄心において鍔部を除いた部分に相当する。

樹脂部材の長さを可動鉄心のうちフレアパイプ内で摺動する部分の長さの半分より短くすると、樹脂部材が介在していない部分が大きくなって可動鉄心が微少ではあるが傾きながら移動する場合があるからである。そして、可動鉄心が微少に傾きながら移動すると、可動鉄心がスムーズに移動しなくなり、流量制御弁の制御性が悪化するからである（図２１参照）。

そして好ましくは、樹脂部材の長さは、前記可動鉄心のうち前記フレアパイプ内で摺動する部分の長さの３／４以上に設定されているのがよい。このように樹脂部材の長さを可動鉄心のうちフレアパイプ内で摺動する部分の長さの３／４以上に設定すると、可動鉄心をスムーズに移動させることができるため、流量制御弁のヒステリシスを小さくするとともに、応答性および制御性を向上させることができるからである（図２１、図２２参照）。

ここで、前記樹脂部材は、前記弁体の全開状態にて、前記可動鉄心の前記第１固定鉄心側外周端部に接触するように配置されていることが望ましい。
つまり、樹脂部材を可動鉄心に取り付ける場合であれば、樹脂部材の一端部を可動鉄心の第１固定鉄心側外周端に揃えて配置し、樹脂部材をフレアパイプ内側に取り付ける場合であれば、樹脂部材の一端が弁全開時における可動鉄心の第１固定鉄心側外周端よりも第１固定鉄心側に位置するように配置すればよい。

このように樹脂部材を配置することにより、樹脂部材が同じ長さであれば、可動鉄心が微少ではあるが傾きながら移動することを防止することができ、可動鉄心をよりスムーズに移動させることができるからである（図２３参照）。その結果、流量制御弁の制御性をより向上させることができ、より安定して精度良く流量制御を行うことができる。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る流量コントローラは、上記したいずれか１つの流量制御弁と、流量を測定する流量センサと、前記流量センサで測定される測定値が目標値になるように、前記流量センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。

この流量コントローラでは、制御手段によって、流量センサで測定される測定値が目標値になるように流量センサの出力に基づいて流量制御弁の開度が制御されることにより流量調整が行われる。そして、この流量コントローラでは、上記したいずれか１つの流量制御弁によって流量調整が行われるので、高精度な流量制御を実施することができる。

本発明に係る流量コントローラにおいては、前記流量センサは、流量を計測するための熱線が架設されたセンサ流路と、前記センサ流路に対するバイパス流路と、開口を有する薄板を積層して、その内部で流体を前記センサ流路と前記バイパス流路とに分岐させる積層体とを有することが望ましい。

これにより、流量コントローラに組み込まれた流量センサでは、流体が積層体でセンサ流路とバイパス流路とに分流される。そして、センサ流路に流れ込んだ流体によって生じるセンサ流路に架設された熱線の抵抗変化を検知する（熱線を用いた計測原理を利用する）ことにより、センサ流路を流れる流体の流量、ひいては、流量センサボディの内部を流れる流体の流量を測定することができる。そして、積層体を構成する薄板に例えばメッシュ等を使用することで積層体に整流機構を持たせることができる。その結果、センサ流路に流れ込む被測定流体の流れを整えることができるので測定出力を安定させることができる。

そして、本発明の流量コントローラでは、このような流量センサにより流量が測定されて上記したいずれか１つの流量制御弁によって流量調整が行われる。このため、非常に高精度な流量制御を実施することができる。

ここで、本発明の流量コントローラでは、前記制御手段は、ＰＷＭ制御により前記流量制御弁の開度を制御することが望ましい。

ＰＷＭ制御では常にＯＮ／ＯＦＦが繰り返されるため、弁開度が一定であるとき、可動鉄心を微少に振動させることができる。これにより、可動鉄心を常に動摩擦状態にしておくことができるから、可動鉄心の微少なストローク量の変動に対して追従性を良くすることができる。その結果として、流量制御弁のヒステリシスを小さくすることができる。

そして、前記ＰＷＭ制御における搬送周波数を２００Ｈｚより大きく設定すればよい。搬送周波数を２００Ｈｚより小さく設定すると、流量制御弁の制御性および応答性が大きく悪化するからである（図２５、図２６参照）。なお、搬送周波数の上限は、制御手段の性能によって異なるため、制御手段の性能に応じて設定すればよい。

より好ましくは、ＰＷＭ制御における搬送周波数を５００〜１０００Ｈｚに設定するのがよい。この範囲で搬送周波数を設定することにより、応答性を向上させるとともにオーバーシュートを抑えることができ、流量制御弁の制御性を非常に安定させることができるからである（図２６参照）。

本発明に係る流量制御弁によれば、固定鉄心と可動鉄心とを密着させないようにするとともに吸引力を増大させることにより精度良く流量制御を行うことができる。また、本発明に係る流量コントローラによれば、本発明に係る流量制御弁を用いているので、高精度な流量制御を実施することができる。

実施の形態に係る流量制御弁の概略構成を示す断面図である。 コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。 可動鉄心のストローク量と固定鉄心の吸引力との関係を示す図である。 実施の形態に係る流量コントローラの概略構成を示す断面図である。 図４の流量コントローラの制御系の構成を示すブロック図である。 図４の流量コントローラに組み込まれた流量センサの概略構成を示す断面図である。 図６の流量センサに備わる積層フィルタの分解斜視図である。 定電流制御回路の回路図である。 本実施の形態に係る流量制御弁に対する通電制御を行うＰＷＭ制御回路の回路図である。 ワイヤーボンディングの金ワイヤーのテンションコントロールに本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 イオナイザーにおける窒素ガスの流量を調整に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 ガラスの浮上搬送装置に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 食品包装に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 窒素ガスのパージ量の調整に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 溶接用アルゴンガスの流量管理に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 バーナの火力制御の流量管理に本実施の形態に係る流量コントローラを使用した用途例を示す図である。 コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。 制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。 改良した流量制御弁の略構成を示す断面図である。 改良した流量制御弁を組み込んだ流量コントローラの概略構成を示す断面図である。 樹脂チューブの長さを変更した場合におけるコイルに流す電流と流量との関係を示す図である。 樹脂チューブの長さを変更した場合における制御時間とセンサ出力との関係を示す図である 樹脂チューブの取付位置を変更した場合におけるコイルに流す電流と流量との関係を示す図である。 樹脂チューブの取付位置を変更した場合における制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。 定電流制御からＰＷＭ制御に変更した場合におけるコイルに流す電流と流量との関係を示す図である。 ＰＷＭ制御の搬送周波数を変更した場合における制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。 従来の流量制御弁を示す断面図である。 従来の別の流量制御弁を示す断面図である。

符号の説明

１０，１０ａ 流量制御弁
２１ コイルボビン
２２ コイル
２３ａ 第１固定鉄心
２３ｂ 第２固定鉄心
２４ 可動鉄心
２４ａ 鍔部
２５ スプリング
２７ 調整ネジ
２８ フレアパイプ
２８ａ 円筒部
２８ｂ 円板部
２９ 樹脂チューブ
３１ 弁体
３２ 弁ボディ
３３ 弁室
３４ 入口流路
３５ 出口流路
３６ 弁座
１００，１００ａ 流量コントローラ

以下、本発明の流量制御弁を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。そこで、まず、本実施の形態に係る流量制御弁の概略構成を図１に示す。図１は、流量制御弁の概略構成を示す断面図である。

この流量制御弁１０は、図１に示すように、大別して駆動部２０と弁部３０とを備えている。駆動部２０には、円筒状のコイルボビン２１に導電性の巻線が巻き付けられ構成されたコイル２２が設けられている。コイルボビン２１の上端開口部には、中空形状の第１固定鉄心２３ａが装填され、その第１固定鉄心２３ａの下方に可動鉄心２４がコイルボビン２１の下端開口部から嵌挿されている。また、コイルボビン２１の下部には第２固定鉄心２３ｂが配設されている。そして、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分がテーパ状（上向き凸状）に形成されている。

コイルボビン２１と可動鉄心２４との間には、非磁性体のフレアパイプ２８が配置されている。このフレアパイプ２８は、円筒部２８ａと円筒部２８ａの下端外周に形成された円板部２８ｂとを備えている。そして、円筒部２８ａの上部が第１固定鉄心２３ａに溶接され、円板部２８ｂの一部が第２固定鉄心２３ｂと弁ボディ３２とに狭持されている。

第１固定鉄心２３ａ内には、可動鉄心２４を常に図中下向きに付勢するためのスプリング２５およびスプリング押さえ２６が配設されている。そして、スプリング押さえ２６の上部に調整ネジ２７が設けられている。これにより、調節ネジ２７を操作することにより、スプリング押さえ２６の位置を調整してスプリング２５による可動鉄心２４の付勢力を調整することができるようになっている。従って、弁組み立て時にスプリング２５のセット荷重を常に一定にすることができる。

また、可動鉄心２４の下方端には、コイルボビン２１の内径よりも大きい径を有する鍔部２４ａが形成されている。これにより、第２固定鉄心２３ｂと可動鉄心２４とのギャップ間において磁束が通る面積を大きくすることができる。このため、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分をテーパ状に形成しているが、固定鉄心２３ａ，２３ｂによる可動鉄心２４の吸引力の低下が抑制されるようになっている。

一方、弁部３０には、可動鉄心２４の鍔部２４ａ内に組み込まれた弁体３１と弁ボディ３２とが備わっている。弁ボディ３２には、弁体３１を備える鍔部２４ａが配置される弁室３３が形成されている。また、弁ボディ３２には、入口流路３４と、出口流路３５とが形成されている。これら入口流路３４と出口流路３５とは、弁室３３を介して連通している。そして、弁室３３と出口流路３５との連通部に弁座３６が形成されている。

ここで、弁体３１が弁座３６に当接した状態において、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との間隔Ｄ１が、鍔部２４ａとフレアパイプ２８の円板部２８ｂとの間隔Ｄ２よりも大きくなるように、可動鉄心２４が配置されている。これにより、弁全開時に、可動鉄心２４が第１固定鉄心２３ａに密着しないようになっている。なぜなら、可動鉄心２４は、第１固定鉄心２３ａに接触する前に鍔部２４ａの上面がフレアパイプ２８の円板部２８ｂに当接してしまうからである。また、鍔部２４ａの上面がフレアパイプ２８の円板部２８ｂに当接するので、可動鉄心２４が第２固定鉄心２３ｂに密着することもない。

上記した流量制御弁１０は、通常時（コイル２２に通電していない状態）には、スプリング２５によって可動鉄心２４が下方へ付勢されているので、可動鉄心２４の下端に配置されている弁体３１が弁座３６に当接している。このため、入口流路３４と出口流路３５とが遮断されており弁閉状態となっている。

そして、コイル２２に通電すると、固定鉄心２３ａ，２３ｂが、スプリング２５の付勢力に抗して、可動鉄心２４を図中上方へ吸引して保持する。これにより、弁体３１が弁座３６から離間し、入口流路３４と出口流路３５とが連通して弁開状態となる。このとき、コイル２２に流す電流を変化させれば、固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力が変わる。コイル２２に流す電流を増加させると吸引力が増し、コイル２２に流す電流を減少させると吸引力が減る。そして、このように吸引力を変化させることにより、可動鉄心２４のストローク量を変化させて、弁体３１と弁座３６の間隔（つまり弁開度）を制御することができる。これにより、出口流路３５から流出させる流体の流量を制御することができる。具体的には、コイル２２に流す電流を増加させると流量が多くなり、コイル２２に流す電流を減少させると流量が減る。

ここで、流量制御弁１０では、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分をテーパ状に形成しているので、図２に示すように、従来品Ａ（固定鉄心と可動鉄心との対向部分がテーパ形状でないもの：図２７参照）に比べ、固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力と可動鉄心２４のストローク量との線形比例領域が大きく比例特性が良い。

また、流量制御弁１０では、可動鉄心２４の下方端にコイルボビン２１の内径よりも大きい径を有する鍔部２４ａを形成しているので、図２に示すように、従来品Ｂ（固定鉄心と可動鉄心との対向部分がテーパ形状のもの：図２８参照）に比べ、固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力が大きく磁気特性が向上している。これにより、流量制御弁１０では、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分をテーパ状に形成したことによる固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力の低下が抑制されている。

また、流量制御弁１０では、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との間隔Ｄ１が、鍔部２４ａとフレアパイプ２８の円板部２８ｂとの間隔Ｄ２よりも大きくなるように、可動鉄心２４が配置されているので、弁全開時において、可動鉄心２４が固定鉄心２３ａに密着することがない。このため、流量制御弁１０では、図３に実線で示すように、弁閉方向に開度を制御する際に、コイル２２に流す電流が所定値になるまでは可動鉄心２４が固定鉄心２３ａから離れなくなるということが防止されている。そして、コイル２２に流す電流の減少量に比例して流量を減少させることができる。このように、流量制御弁１０では、従来品において生じていた全開時から弁閉方向への開度制御時における比例特性の悪化を防止することができる。

一方、コイル２２への通電を停止すると、可動鉄心２４が固定鉄心２３ａ，２３ｂに吸引されなくなるので、スプリング２５の付勢力によって可動鉄心３４が下方へ移動し、弁体３１が弁座３６に当接する。これにより、入口流路３４と出口流路３５とが遮断されて弁閉状態となる。

続いて、上記の流体制御弁１０を組み込んだ流量コントローラについて、図４および図５を参照しながら説明する。図４は、流量コントローラの概略構成を示す断面図である。図５は、流量コントローラの制御系を示すブロック図である。

この流量コントローラ１００は、図４および図５に示すように、上記した流量制御弁１０と、流量センサ１０１と、制御基板部１０２と、流量設定部１０３とを備えている。そして、流量センサ１０１の検出値に基づき流量制御弁１０の弁開度を変化させることにより目標流量を得るようになっている。

ここで、流量センサ１０１は、図６に示すように、ボディ１４１と、センサ基板１２１と、積層フィルタ１５０とを備えている。そして、積層フィルタ１５０がボディ１４１の流路空間１４４に装着された状態で、センサ基板１２１がシールパッキン１４８を介しボディ１４１にネジ固定で密着されている。これにより、センサ流路Ｓ、およびセンサ流路Ｓに対するバイパス流路である主流路Ｍが形成されている。

積層フィルタ１５０は、図７に示すように、４種類の薄板を合計１１枚積層したものである。すなわち、下から順に、メッシュ板１５１、第１遮蔽板１５２，１５２，１５２，１５２、メッシュ板１５１、第２遮蔽板１５３、メッシュ板１５１、第２遮蔽板１５３、メッシュ板１５１、および第３遮蔽板１５４が積層されて接着されたものである。これらの各薄板１５１〜１５４は、すべて厚さが０．５ｍｍ以下であり、エッチングにより各形状の加工（マイクロマシニング加工）がなされたものである。

一方、センサ基板１２１には、複数の測定用熱線が設けられた測定チップ１１１が実装され、その裏面に電気素子１３１、１３２、１３３、１３４などで構成される電気回路が設けられている。この電気回路は、基板制御部１０２と接続されている。そして、センサ基板１２１および測定チップ１１１には、実装時に互いに重なり合う溝が形成されている。これらにより、測定チップ１１１が実装されたセンサ基板１２１をボディ１４１にシールパッキン１４８を介して密着すると、ボディ１４１の流路空間１４４において、センサ基板１２１と測定チップ１１１との間にセンサ流路Ｓが形成されるとともに、センサ流路Ｓに測定用熱線が橋を渡すように設けられる。

このような流量センサ１０１では、被測定流体がメッシュ板１５１を含む積層フィルタ１５０を通過した後にセンサ流路Ｓに流れ込む。これにより、センサ流路Ｓに流れ込む被測定流体の流れが整えられるので安定した測定出力を得ることができる。

そして、上記した流量コントローラ１００を使用して目標流量を得る場合には、まず、流量設定部１０３で目標流量を設定する。そうすると、その目標流量データが制御基板部１０２に入力される。また、制御基板部１０２には、流量センサ１０１で検出される流量データが入力される。そして、制御基板部１０２では、目標流量データと流量データとを比較して両者が等しくなるように、流量制御弁１０の弁開度をフィードバック制御する。このフィードバック制御により、流量制御弁１０の弁開度が調整されて目標流量を得ることができる。そして、流量コントローラ１００においては、優れた比例制御特性を持つ流量制御弁１０と安定した測定出力が得られる流量センサ１０１とを用いているため、非常に高精度な流量制御を行うことができる。

ここで、制御基板部１０２において、従来のように図８に示す定電流回路を用いて定電流制御により、流量制御弁１０に対する通電制御を行うと、トランジスタからの発熱量が大きいという問題があった。これは、定電流回路においてトランジスタが抵抗として機能するためである。また、定電流制御では、可動鉄心２４の微少なストローク量の変動に対する追従性が悪いという問題もあった。なぜなら、定電流制御では弁開度が一定であるとき、可動鉄心２４は停止状態（ＯＦＦ状態）にあって静摩擦状態であり、可動時に動摩擦状態に変化するからである。なお、図８は、定電流制御回路の回路図である。

そこで、本実施の形態では、流量制御弁１０に対する通電制御はＰＷＭ制御により行う。具体的には、図９に示すＰＷＭ制御回路によって流量制御弁１０の開閉動作を制御する。すなわち、デューティー比を変化させて流量制御弁１０の弁開度を制御するのである。図９は、本実施の形態に係る流量制御弁に対する通電制御を行うＰＷＭ制御回路の回路図である。なお、搬送周波数は、２００〜５０００Ｈｚ程度に設定すればよい。

このようにＰＷＭ制御にて流量制御弁１０の弁開度を制御することにより、トランジスタからの発熱量を抑制することができる。なぜなら、ＰＷＭ制御回路においてトランジスタはＯＮ／ＯＦＦのスイッチとして機能するから発熱量が小さいためである。そして、トランジスタからの発熱量が小さくなるので、小型のトランジスタを使用することができる結果、流量コントローラ１００の小型化を図ることができる。

また、ディザー効果により流量制御弁１０の弁開度の制御性が安定する。つまり、ＰＷＭ制御では常にＯＮ／ＯＦＦが繰り返されているので、弁開度が一定であるとき、可動鉄心２４は微少に振動している（但し、停止しているように見える）。このため、可動鉄心２４は常に動摩擦状態にあるから、可動鉄心２４の微少なストローク量の変動に対しても追従性が良いのである。

次に、上記した流量コントローラ１００は、例えば、ワイヤーボンディング、イオナイザー、ガラス浮上搬送、食品包装、半導体製造装置等のパージガス流量管理、溶接用アルゴンガスの流量管理、バーナの火力制御の流量管理など多様な用途で利用することができる。そして、流量コントローラ１００を利用することにより、各用途での問題点を解消することができる。

従来、ワイヤーボンディングの金ワイヤーのテンションコントロールは、金ワイヤーにエアーを吹き付けることにより行っていた。そして近年、電子部品の小型化が進み、ワイヤーボンディングの金ワイヤーがどんどん細くなってきているため、繊細な流量コントロールが必要である。具体的には、流量センサで流量をモニタしながら、絞り（ニードルバルブ）で流量を調整する必要がある。しかしながら、この方法では、元圧が変動した場合、流量が変化してしまい、テンションが一定に保てないという問題点があった。

これに対して、図１０に示すように、ワイヤーボンディングの金ワイヤーのテンションコントロールに流量コントローラ１００を使用することにより、本発明の流量コントローラは、マイクロ加工したセンサチップにて流量を検出しているため、高速に制御ができ、元圧が変動した場合でも、即座に流量をコントロールし、上記問題点が解決できる。

また、イオナイザーは、静電気防止（液晶などの製造工程でほこり、ゴミ等の付着を防ぐ）等の目的で使用されているが、ワークが変わると窒素ガスの流量を変える必要があり、従来は絞り（ニードルバルブ）で窒素ガスの流量を調整をしていた。しかしながら、この方法では、元圧が変動してしまうと流量が変化してしまい、安定した静電気防止ができなくなるという問題点があった。また、作業者は、ワークが変わる都度、窒素ガスの流量を調整する必要があった。

これに対して、図１１に示すように、イオナイザーにおける窒素ガスの流量調整を流量コントローラ１００で行うことにより、元圧が変動した場合でも、即座に窒素ガスの流量を自動的にコントロールし、上記した問題点を解決することができる。また、ワークが変わっても、窒素ガスの流量は自動的にコントロールされるので、ワークが変わる都度、作業者が窒素ガスの流量を調整する必要が無くなる。

また、液晶等のガラスの浮上搬送においては、従来は浮上量を絞り（ニードルバルブ）で流量を調整することにより行っていた。しかしながら、この方法では、元圧が変動してしまうと浮上量が変化してしまい、安定した浮上量制御ができなくなる問題点があった。また、作業者がワークが変わる都度、浮上量を調整する必要があった。

これに対して、図１２に示すように、液晶等のガラスの浮上搬送装置に流量コントローラ１００を使用すると、元圧が変動した場合でも、即座に流量がコントロールされて浮上量が自動的に調整されるので、上記した問題点を解決することができる。また、ワークが変わっても、浮上量が自動的にコントロールされるので、ワークが変わる都度、作業者が調整する必要が無くなる。

また、従来、食品包装では、不活性ガスの充填に従来は圧力センサを用いて、包装内部の圧力が規定圧力に達したら充填を完了していた。しかしながら、この方法では、大気圧が変動してしまうと、充填量が変化してしまい、安定した充填ができないという問題点があった。

これに対して、図１３に示すように、食品包装において流量コントローラ１００を使用すると、大気圧が変動しても、充填流体の流量は変化しないため、上記した問題点を解決することができる。

また、半導体レーザ、ステッパなどの光学機器のミラーやレンズは、ある一定量の窒素ガスをパージしないと曇ってしまう問題点があった。このため、従来は、窒素ガスのパージ量を絞り（ニードルバルブ）で調整していた。しかしながら、この方法では、元圧が変動してしまうとパージ量が変化してしまい問題となっていた。また、作業者は、ワークが変わる都度、パージ量を調整する必要があった。

これに対して、図１４に示すように、半導体レーザや半導体製造装置における窒素ガスのパージ量の調整を流量コントローラ１００で行うことにより、元圧が変動した場合でも、即座に窒素ガスのパージ量が自動的にコントロールされるため、上記した問題点を解決することができる。また、ワークが変わっても、窒素ガスのパージ量が自動的にコントロールされるので、ワークが変わる都度、作業者が調整する必要が無くなる。

また、従来、溶接用アルゴンガスの流量管理には、ニードルバルブ付きの面積式流量計が用いられてきた。しかしながら、この方法では、元圧が変動してしまうと流量が変化してしまい流量管理をうまく行うことができないという問題点があった。また、作業者がワークが変わる都度、流量調整を行う必要があった。

これに対して、図１５に示すように、溶接用アルゴンガスの流量管理に流量コントローラ１００を使用すると、元圧が変動した場合でも、即座に流量が自動的にコントロールされるので、上記した問題点を解決することができる。また、ワークが変わっても、流量が自動的にコントロールされるので、ワークが変わる都度、作業者が流量調整を行う必要が無くなる。

また、従来、バーナの火力制御の流量管理には、ニードルバルブ付きの面積式流量計が用いられてきた。しかしながら、この方法では、元圧が変動してしまうと流量が変化してしまいバーナの火力制御をうまく行うことができないという問題点があった。また、作業者がワークが変わる都度、流量調整を行う必要があった。

これに対して、図１６に示すように、バーナの火力制御の流量管理に流量コントローラ１００を使用すると、元圧が変動した場合でも、即座に流量が自動的にコントロールされるので、上記した問題点を解決することができる。また、ワークが変わっても、流量が自動的にコントロールされるので、ワークが変わる都度、作業者が流量調整を行う必要が無くなる。

ここで、流量制御弁１０において、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分を、下向きに凸となるテーパ状に形成すると、可動鉄心２４とフレアパイプ２８の円筒部２８ａとの摺動抵抗が大きくなり、可動鉄心２４がスムーズに移動しないことが判明した。そこで、このような流量制御弁の比例特性と制御性を調べた。その結果を図１７および図１８に示す。図１７は、コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。図１８は、制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。

図１７から明らかなように、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分を、下向きに凸となるテーパ状に形成すると、流量制御弁における比例特性が大きく悪化することがわかる。また、図１８から明らかなように、目標流量に達するまでの時間（一定誤差範囲内収まるまでの時間）が長くなっており、制御性が悪化していることがわかる。

このため本出願人は、流量制御弁１０に対して改良を加えて、図１９に示す流量制御弁１０ａ、および図２０に示す流量コントローラ１００ａを開発した。なお、図１９は、改良した流量制御弁の概略構成を示す断面図である。図２０は、改良した流量制御弁を組み込んだ流量コントローラの概略構成を示す断面図である。この流量制御弁１０ａは、図１９に示すように、流量制御弁１０と基本的構成はほぼ同じであるが、可動鉄心２４に樹脂チューブ２９を取り付けている点、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分を、下向きに凸となるテーパ状に形成している点が異なる。なお、本実施の形態では、樹脂チューブとしてフッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）熱収縮チューブを使用している。

この流量制御弁１０ａでは、樹脂チューブ２９を可動鉄心２４に取り付けることにより、可動鉄心２４が樹脂チューブ２９を介してフレアパイプ２８の円筒部２８ａ内を摺動するため、可動鉄心２４の摺動抵抗を小さくすることができた。これにより、可動鉄心２４をスムーズに移動させることができるようになった。

そして、図２０に示すように、このような流量制御弁１０ａを用いて、流量コントローラ１００ａを開発した。なお、流量コントローラ１００ａに使用している流量センサ１０は、流量コントローラ１００で使用した流量センサと同じものである。この流量コントローラ１００ａでも、上記した流量コントローラ１００と同様の効果を得ることができた。

ここで、流量制御弁１０ａにおいて追加した樹脂チューブの長さおよび取付位置について検討を行ったのでその結果を示す。まず、樹脂チューブ２９の長さと流量制御弁１０ａにおける比例特性との関係を調べた結果を図２１に示す。また、樹脂チューブ２９の長さと流量コントローラ１００ａにおける制御性との関係を調べた結果を図２２に示す。図２１は、コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。図２２は、制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。これらの実験では、鍔部２４ａを除いた長さが約２２ｍｍの可動鉄心２４に対して、長さが９．５ｍｍ，１６．５ｍｍ，１９ｍｍ，２２ｍｍの樹脂チューブを取り付けた場合における比例特性および制御性を調べた。なお、樹脂チューブは、その下端を鍔部２４ａの上端に揃えて配置している。このため、樹脂チューブの長さが短くなるにつれて、可動鉄心２４の上端側からチューブが介在しない部分が拡大していくことになる。

図１７と図２１を比較すると明らかなように、樹脂チューブ２９を可動鉄心２４に取り付けることにより、流量制御弁１０ａにおける比例特性が向上している。但し、樹脂チューブ２９の長さが９．５ｍｍになると、流量制御弁１０ａにおける比例特性の向上が見られない。また、図２２から明らかなように、樹脂チューブ２９の長さが９．５ｍｍになると、流量コントローラ１００ａの制御性が悪く、安定して目標流量で制御することができない。このため、樹脂チューブ２９は９．５ｍｍより長く、つまり可動鉄心２４のうちフレアパイプ２８内で摺動する部分（鍔部２４ａを除いた部分）の長さの半分より長く設定することが好ましいことがわかる。

また、図２１から明らかなように、樹脂チューブ２９の長さを長くするに従って流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスが小さくなる。また、図２２から明らかなように、流量コントローラ１００ａの制御性、つまり目標流量にて制御することができるまでの時間が、樹脂チューブ２９の長さを長くするに従って短くなっている。そして、樹脂チューブ２９の長さが１６．５ｍｍ以上であれば、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスが小さくなるとともに、流量コントローラ１００ａにおける応答性および制御性が向上することがわかる。従って、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスを小さくするとともに、流量コントローラ１００ａにおける応答性および制御性を向上させるためには、樹脂チューブ２９の長さを可動鉄心２４のうちフレアパイプ２８内で摺動する部分の長さ（鍔部２４ａを除いた部分）の３／４以上に設定すればよい。

次に、樹脂チューブ２９の取付位置と流量制御弁１０ａにおける比例特性との関係を調べた結果を図２３に示す。また、樹脂チューブ２９の取付位置と流量コントローラ１００ａにおける制御性との関係を調べた結果を図２４に示す。図２３は、コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。図２４は、制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。これらの実験では、９．５ｍｍの樹脂チューブを使用して、可動鉄心２４の下半分に樹脂チューブ２９を取付（チューブ２９の下端を可動鉄心２４の下端（鍔部２４ａの上端）に揃えて取付）した場合と、可動鉄心２４の上半分にチューブを取付（チューブ２９の上端を可動鉄心２４の上端に揃えて取付）した場合とについて、それぞれ比例特性および制御性を調べた。

図２３および図２４から明らかなように、可動鉄心２４の下半分に樹脂チューブ２９を取り付けた場合、流量制御弁１０ａにおける比例特性が悪く、流量コントローラ１００ａの制御性も悪いことがわかる。これに対して、可動鉄心２４の上半分に樹脂チューブ２９を取り付けた場合、流量制御弁１０ａの比例特性が良く、しかもヒステリシスも小さく、流量コントローラ１００ａの制御性も良いことがわかる。この実験結果から、樹脂チューブ２９の上端を可動鉄心２４の上端に揃えて取り付けることが望ましいことがわかる。

続いて、流量制御弁１０ａの弁開度制御をＰＷＭ制御で行った場合と定電流制御で行った場合における制御特性について調べた結果を図２５に示す。図２５は、コイルに流す電流と流量との関係を示す図である。図２６は、制御時間とセンサ出力との関係を示す図である。

図２５から明らかなように、流量制御弁１０ａの開度制御を定電流制御からＰＷＭ制御に変更することにより、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスを小さくすることができる。そして、ＰＷＭ制御を行う場合には、ＰＷＭ制御における搬送周波数を大きくしていくと、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスが大きくなる。従って、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスを小さくするためには、流量制御弁１０ａの開度制御をＰＷＭ制御で行い、その搬送周波数を小さくすればよいことがわかる。
一方、図２６に示すように、ＰＷＭ制御における搬送周波数を小さくしていくと、流量コントローラ１００ａにおける応答性が悪くなる。従って、流量コントローラ１００ａにおける応答性を良くするためには、搬送周波数を大きくすればよいことがわかる。ところが、搬送周波数を大きくしていくと、オーバーシュート量が多くなってくる。
これらのことから、流量制御弁１０ａにおけるヒステリシスを小さくして、オーバーシュート量を抑えつつ応答性を良くするためには、搬送周波数を５００〜１０００Ｈｚ程度に設定すればよいことがわかる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る流量制御弁１０では、可動鉄心２４の下方端にコイルボビン２１の内径よりも大きい径を有する鍔部２４ａを形成するとともに、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との間隔Ｄ１が、鍔部２４ａとフレアパイプ２８の円板部２８ｂとの間隔Ｄ２よりも大きくなるように可動鉄心２４を配置しているので、弁全開時において、可動鉄心２４が固定鉄心２３ａに密着することがない。このため、流量制御弁１０では、従来品において生じていた全開時から弁閉方向への開度制御時における比例特性の悪化を防止することができる。

また、流量制御弁１０では、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分をテーパ状に形成しているが、可動鉄心２４の下方端にコイルボビン２１の内径よりも大きい径を有する鍔部２４ａを形成していので、固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力を大きくして磁気特性を向上させることができる。これにより、流量制御弁１０では、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分をテーパ状に形成することによる固定鉄心２３ａ，２３ｂの吸引力の低下を抑制することができる。

そして、流量制御弁１０ａでは、可動鉄心２４に樹脂チューブ２９を取り付けているので、可動鉄心２４の摺動抵抗を低減することができるため、可動鉄心２４をよりスムーズに移動させることができる。その結果、流量制御弁１０ａの比例特性を向上させることができ、流量コントローラ１００ａでは安定して精度良く流量制御を行うことができる。特に、流量コントローラ１００ａにおいて、流量制御弁１０ａをＰＷＭ制御して、その搬送周波数を５００〜１０００Ｈｚ程度に設定することにより、オーバーシュート量を抑えつつ応答性を良くすることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態において、流量制御弁１０ａでは、第１固定鉄心２３ａと可動鉄心２４との対向部分を下向きに凸となるテーパ状に形成しているが、上向きに凸となるテーパ状に形成することもできる。言い換えると、流量制御弁１０における可動鉄心に樹脂チューブを取り付けることもできる。

また、流量制御弁１０ａでは、樹脂チューブ２９を可動鉄心２４に取り付けているが、樹脂チューブ２９をフレアパイプ２８の円筒部２８ａ内側に取り付けてもよい。また、樹脂チューブ２９の材質として、上記した実施の形態では、フッ化エチレンプロピレンを使用しているが、ポリアミド、あるいは化ポリプロピレンなどを使用することができる。

Claims (11)

1. 入口流路と、出口流路と、前記入口流路と前記出口流路とを連通させる弁室と、前記弁室と前記出口流路との連通部に形成された弁座とを備える弁ボディと、
   中空のコイルボビンに巻線が巻き付けられたコイルと、
   前記コイルボビン上部に固定された第１固定鉄心と、
   前記コイルボビン下部に固定されたブロック状の第２固定鉄心と、
   前記第１固定鉄心に固定された円筒部と、その円筒部の下端外周に形成されて一部分が前記第２固定鉄心と前記弁ボディとに狭持された円板部とを備える非磁性体のフレアパイプと、
   前記フレアパイプの円筒部内に摺動可能に設けられるとともに、その下端部に弁体が設けられた可動鉄心と、
   前記可動鉄心を前記第１固定鉄心から離れる方向へ常時付勢して前記弁体を前記弁座に当接させるためのスプリングとを有し、
   前記可動鉄心の下端部に、前記コイルボビンの内径よりも大きい径を有するブロック状の鍔部を形成して前記弁室内に収容するとともに、
   前記弁体が前記弁座に当接した状態にて、前記第１固定鉄心と前記可動鉄心との間隔を、前記鍔部と前記フレアパイプの円板部との間隔よりも大きくし、
   前記鍔部が前記フレアパイプを介して、前記第２固定鉄心に当接することにより、前記第２固定鉄心の吸引力が大きくなることを特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１に記載する流量制御弁において、
   前記可動鉄心と前記固定鉄心との対向部分がテーパ状に形成されていることを特徴とする流量制御弁。
3. 請求項１に記載する流量制御弁において、
   前記スプリングの前記可動鉄心に対する付勢力を調整する調整機構を有することを特徴とする流量制御弁。
4. 請求項１に記載する流量制御弁において、
   前記フレアパイプと前記可動鉄心との間に樹脂部材を介在させていることを特徴とする流量制御弁。
5. 請求項４に記載する流量制御弁において、
   前記樹脂部材の長さは、前記可動鉄心のうち前記フレアパイプ内で摺動する部分の長さの半分以上に設定されていることを特徴とする流量制御弁。
6. 請求項４または請求項５に記載する流量制御弁において、
   前記樹脂部材は、前記弁体の全開状態にて、前記可動鉄心の前記第１固定鉄心側外周端部に接触するように配置されていることを特徴とする流量制御弁。
7. 請求項４から請求項６に記載するいずれか１つの流量制御弁において、
   前記樹脂部材がフッ化樹脂により形成されていることを特徴とする流量制御弁。
8. 請求項１から請求項７に記載するいずれか１つの流量制御弁と、
   流量を測定する流量センサと、
   前記流量センサで測定される測定値が目標値になるように、前記流量センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を制御する制御手段とを有することを特徴とする流量コントローラ。
9. 請求項８に記載する流量コントローラにおいて、
   前記流量センサは、
   流量を計測するための熱線が架設されたセンサ流路と、
   前記センサ流路に対するバイパス流路と、
   開口を有する薄板を積層して、その内部で流体を前記センサ流路と前記バイパス流路とに分岐させる積層体とを有することを特徴とする流量コントローラ。
10. 請求項８または請求項９に記載する流量コントローラにおいて、
    前記制御手段は、ＰＷＭ制御により前記流量制御弁の開度を制御することを特徴とする流量コントローラ。
11. 請求項１０に記載する流量コントローラにおいて、
    前記ＰＷＭ制御における搬送周波数が２００Ｈｚ以上に設定されていることを特徴とする流量コントローラ。

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