JP5226059B2

JP5226059B2 - エア操作弁

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Publication number: JP5226059B2
Application number: JP2010256732A
Authority: JP
Inventors: 孝浩坂井; 広宣松沢; 秀司出雲; 起美仁笹尾
Original assignee: Advance Denki Kogyo KK
Current assignee: Advance Denki Kogyo KK
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: TW201221811A; TWI534376B; KR101824932B1; JP2012107695A; US20120119129A1; KR20120053462A; US8678342B2

Description

本発明はエア操作弁に関し、特に弁座と弁部との着座時に生じるパーティクルの発生を抑制するエア操作弁に関する。

半導体の製造等において、シリコンウエハの洗浄用の純水やエッチング処理用の薬液等の流体には極めて高い清浄度が求められる。具体的には、半導体の大規模集積化、加工の微細化を見据えた次世代半導体のロードマップにおいては回路パターンの配線幅を２０ｎｍ以下とすることが目標とされている。そこで、２０ｎｍ以上のパーティクルが流体に混入することは、製品の歩留まりに大きな影響を与える。このことから、流体の清浄度を維持しながら流通させる部材が大きな意味を持つ。

例えば、従前構造のエア操作弁は図９に開示される（特許文献１等参照）。同エア操作弁１００は、被制御流体の流入部１２１及び流出部１２２と、流入部及び流出部の間に弁座１２３を形成した弁室１２０を有する弁室ボディ部１１１、弁座１２３を進退自在にシールする弁部１３１と弁室１２０内に装着されたダイヤフラム部１４０とを備える弁機構体１３０を備える。エアポート１９１から流出入する作動エアにより弁機構体１３０を進退させて弁座１２３の開閉を駆動制御する駆動機構体１９０を弁室ボディ部１１１上のハウジングボディ部１１２内に収容している。駆動機構体１９０は、弁機構体１３０に接続されエアポート１９１から流入する作動エアを受ける受圧部１５６を有するピストン部１５０と、ピストン部１５０を弁座１２３側に付勢するばね１８０を備える。図中、符号１１４は呼吸穴、１１６はピストン空間部である。

図９のエア操作弁は、弁部が弁座から離れて被制御流体が流通している状態である。ここで、エアポート１９１からの作動エアの供給圧力を低下することにより、ピストン１５０の受圧部１５６に加わる圧力が低下する。結果、ばねの付勢力が流入する作動エアの圧力に勝り、ピストン１５０は降下する。こうして、弁機構体１３０を通じて弁部１３１は弁座１２３に着座する。

弁部を閉状態（着座状態）にする力は専らばねの付勢力となる。弁部を弁座から開方向（離座）へ上昇させる作用は、ピストン直下に流入する作動エアの空気圧の他、弁部、ダイヤフラムの膜部分に加わる被制御流体の圧力も加わる。そこで、弁部を閉状態とするためには、被制御流体が弁機構体に加える力よりも大とするばね荷重のばねを選択する必要がある。

このため、被制御流体の圧力が高くなるほど、ばね荷重の大きなばねを使用する必要がある。しかし、ばね荷重の大きなばねの付勢力により弁部を弁座に着座させることになるため、弁部が弁座に着座するときの衝撃により弁部あるいは弁座の材料組織が剥離するおそれがある。

そこで、弁部着座時の衝撃を緩和する構造が提案されている（特許文献２参照）。同特許文献２のエア操作弁によると、ゴムクッション等の緩衝部材が弁部に接続されたピストンの下部に介在される。エアポートからの供給される作動エアの供給圧力が変化してピストンが降下する場合、前記の緩衝部材がピストンとその下部のボディブロックに挟まれて圧迫変形する。そこで、弁部が弁座へ着座するときの衝撃が一時的に緩和される。その後、ピストンの降下に伴い、さらに緩衝部材の変形が進み、ついに弁部の着座が完了する。

特許文献２は、操作弁自体から発生するパーティクルの抑制に一定の効果を発揮する。しかし、前記のとおりピストンの下部に介在した緩衝部材の変形を伴う。また、緩衝部材の使用に伴い同緩衝部材に永久歪みが生じると考えられる。それゆえ、動作時における緩衝部材の効果の再現性が悪くなりやすい。加えて、特許文献２の構造であっても、被制御流体の圧力に応じたばね荷重の大きなばねを使用しなければならない。また、緩衝部材により減少する分の荷重を追加する必要もあるため、大きなばね荷重のばねを使用する必要がある。そして、ばね荷重を大きくしたばねの付勢力により弁部を弁座に着座させることになる。このことから、弁部と弁座の着座時の衝撃による組織の剥離のおそれが依然として残っている。

特許３５９０５７２号公報特開２００５−２３３２９８号公報

本発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、弁部と弁座の着座時の衝撃により弁部あるいは弁座の材料組織の剥離に伴うパーティクルの被制御流体への混入を抑制し、被制御流体の高度な清浄度を維持することができるエア操作弁を提供する。

すなわち、請求項１の発明は、被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、前記弁座を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構体と、エアポートから流出入する作動エアにより前記弁機構体を進退させることにより前記弁座の開閉を駆動制御する駆動機構体を収容するハウジングボディ部とを備え、前記駆動機構体は、前記弁機構体に接続され前記エアポートから流入する作動エアを受ける第１受圧部を有する第１ピストン部と、前記第１ピストン部を前記弁座側に付勢する第１ばねと、ハウジングボディ部内に摺動可能に収容され、前記第１ピストン部を内部に摺動可能に収容するとともに前記エアポートから流入する作動エアを受ける第２受圧部を有し前記第１ピストン部を押圧する第２ピストン部と、前記第２ピストン部を前記第１ピストン部側に付勢する第２ばねとを備え、前記第２ばねのばね荷重が前記第１ばねのばね荷重よりも大としており、前記エアポートからの作動エアの供給圧力が低下した場合において前記第１ばねの荷重が前記第１受圧部に生じた作動エアの上昇力に抗することにより、前記第１ピストン部が前記第２ピストン部よりも先行して降下し、その後、前記第２ピストン部が前記第１ピストン部よりも遅延して降下することにより前記第２ピストンが前記第１ピストン部を弁座方向に付勢して、前記着座状態における前記弁部と前記弁座とのシール強度を高める構成としたことを特徴とするエア操作弁に係る。

請求項２の発明は、前記第１ピストン部と前記第２ピストン部との間に緩衝部材が介在されている請求項１に記載のエア操作弁に係る。

請求項３の発明は、前記弁座に着座する前記弁部のシール部が平面状である請求項１に記載のエア操作弁に係る。

請求項４の発明は、前記弁部が、前記弁機構体の前進方向に被制御流体の流体圧力を受ける受圧部を有する請求項１に記載のエア操作弁に係る。

請求項５の発明は、前記弁部のシール部が前記弁座に着座してシールする前記弁座の直径距離（ＳＤ）が、前記ダイヤフラム部の可動膜部最大径と可動膜部最小径を二分した位置における直径距離（ＭＤ）よりも大きくもしくは同じ大きさに形成されている請求項１に記載のエア操作弁に係る。

請求項６の発明は、前記エアポートと前記ハウジングボディ部内のピストン空間部との間に、作動エアの絞り部が備えられる請求項１に記載のエア操作弁に係る。

請求項１の発明に係るエア操作弁によると、被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、前記弁座を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構体と、エアポートから流出入する作動エアにより前記弁機構体を進退させることにより前記弁座の開閉を駆動制御する駆動機構体を収容するハウジングボディ部とを備え、前記駆動機構体は、前記弁機構体に接続され前記エアポートから流入する作動エアを受ける第１受圧部を有する第１ピストン部と、前記第１ピストン部を前記弁座側に付勢する第１ばねと、ハウジングボディ部内に摺動可能に収容され、前記第１ピストン部を内部に摺動可能に収容するとともに前記エアポートから流入する作動エアを受ける第２受圧部を有し前記第１ピストン部を押圧する第２ピストン部と、前記第２ピストン部を前記第１ピストン部側に付勢する第２ばねとを備え、前記第２ばねのばね荷重が前記第１ばねのばね荷重よりも大としており、前記エアポートからの作動エアの供給圧力が低下した場合において前記第１ばねの荷重が前記第１受圧部に生じた作動エアの上昇力に抗することにより、前記第１ピストン部が前記第２ピストン部よりも先行して降下し、その後、前記第２ピストン部が前記第１ピストン部よりも遅延して降下することにより前記第２ピストンが前記第１ピストン部を弁座方向に付勢して、前記着座状態における前記弁部と前記弁座とのシール強度を高める構成としたため、弁部と弁座の着座時の衝撃により弁部あるいは弁座の材料組織が剥離して発生するパーティクルの被制御流体への混入を抑制し、被制御流体の高度な清浄度を維持することができる。また、弁部による弁座のシール力も備わるため、被制御流体の流通阻止性に影響を与えない。

請求項２の発明に係るエア操作弁によると、請求項１に係る発明において、前記第１ピストン部と前記第２ピストン部との間に緩衝部材が介在されているため、第１ピストン部と第２ピストン部の接触時の衝撃が緩和される。同時に、第２ピストン部の降下時に、第１ピストン部に接続されている弁機構体の弁部に加わる衝撃も緩和される。

請求項３の発明に係るエア操作弁によると、請求項１に係る発明において、前記弁座に着座する前記弁部のシール部が平面状であるため、シール部の平面のどの部分も弁座に着座可能となり弁座のシール性が確保される。

請求項４の発明に係るエア操作弁によると、請求項１に係る発明において、前記弁部が、前記弁機構体の前進方向に被制御流体の流体圧力を受ける受圧部を有するため、弁機構体に生じる上向きの力とは逆の下向きの力が発生する。そこで、被制御流体の流体圧力を通じて弁機構体を下向きに作用させやすくなる。

請求項５の発明に係るエア操作弁によると、請求項１に係る発明において、前記弁部のシール部が前記弁座に着座してシールする前記弁座の直径距離（ＳＤ）が、前記ダイヤフラム部の可動膜部最大径と可動膜部最小径を二分した位置における直径距離（ＭＤ）よりも大きくもしくは同じ大きさに形成されているため、被制御流体の流体圧力によりダイヤフラム部側が上向きに受ける力を弁部側が下向きに受ける力によって小さくすることができる。そのため、被制御流体の流体圧力により弁機構体が受ける力が小さくなり、弁体を弁座へ着座させるに際し、より小さなばね荷重の第１ばねが適用可能となる。

請求項６の発明に係るエア操作弁によると、請求項１に係る発明において、前記エアポートと前記ハウジングボディ部内のピストン空間部との間に、作動エアの絞り部が備えられるため、作動エアの流入量及び流出量を減少させることができ、作動エア量の変化に伴う駆動機構体の急な動作を抑制することができる。

本発明の一実施例に係るエア操作弁の第１縦断面図である。同エア操作弁の第２縦断面図である。同エア操作弁の第３縦断面図である。同エア操作弁の第４縦断面図である。第１ピストン部及び第２ピストン部の主要拡大断面図である。弁部及び弁座の拡大断面図である。緩衝部材の配置場所が異なる例の部分断面図である。作動エアの絞り部を示す拡大断面図である。従来のエア操作弁の縦断面図である。

本発明として各図に開示するエア操作弁１０は、主に半導体製造工場や半導体製造装置等の流体管路に配設される。エア操作弁１０は流体管路を流れる純水や薬液等の被制御流体の流れを制御し、作動エアの供給制御に応じて被制御流体の流通を停止し、また再開する操作弁である。なお、開示のエア操作弁１０においては、図示のとおり紙面左側（符号２１）から右側（符号２２）へ被制御流体を流通させる配置である。これとは逆に、紙面右側から左側へ被制御流体を流通させる配置とすることも可能である（図示せず）。エア操作弁１０の接続の仕方は、配置場所の管路設計により適宜変更可能である。

はじめに図１の全体断面図を用い、請求項１の発明に規定するエア操作弁１０の構造を説明する。実施例のエア操作弁１０は、被制御流体を流通させる弁室ボディ部１１と、被制御流体の流通を停止可能とする弁機構体３０と、弁機構体３０の進退動作を行う駆動機構体９０と、駆動機構体９０を収容するハウジングボディ部１２を備える。

当該エア操作弁１０は、超純水の他、フッ酸、過酸化水素水等の被制御流体に暴露される。そのため、前記の弁室ボディ部１１、弁機構体３０、駆動機構体９０、及びハウジングボディ部１２、あるいは少なくとも弁室ボディ部１１及び弁機構体３０は、耐蝕性及び耐薬品性の高いＰＴＦＥ等のフッ素樹脂から形成される。実施例のエア操作弁はフッ素樹脂のブロックの切削により加工、形成される。

弁室ボディ部１１は被制御流体の流入部２１及びその流出部２２を備える。弁室ボディ部１１の流入部２１と流出部２２の間に、弁座２３を形成した弁室２０が配される。

弁機構体３０は弁部３１（弁体）とダイヤフラム部４０を備える。本実施例の弁部３１は台形錐形状であり、その下部に弁座２３を進退自在にシール（密着）するシール部３３が形成される。そして、請求項４の発明に規定するように、弁部３１には、弁機構体３０の前進方向（図６の矢印Ｘ方向を参照）に被制御流体の流体圧力を受ける受圧部３２が備えられる。後記詳述するように、受圧部３２が設けられていることにより、弁機構体３０（ダイヤフラム部４０の可動膜部４１）に生じる上向きの力とは逆の下向きの力が発生する。そのため、被制御流体の流体圧力を通じて弁機構体３０を下向きに作用させやすくなる。弁部３１の中心には後出の第１ピストン部５０の接続軸部５３に接続される接続穴３４が設けられる。

ダイヤフラム部４０は、ダイヤフラム面となる薄肉の可動膜部４１と、可動膜部４１の外周に配置される外周部４２を有する。実施例の弁機構体３０は弁部３１とダイヤフラム部４０を一体物として形成される。むろん、双方を別々に形成して事後的に接続する構成でもよい。外周部４２は、弁室ボディ部１１と弁室ボディ部の直上に配置される中間ボディ部１３との間に挟着されて固定される。中間ボディ部１３の上部にハウジングボディ部１２が重ねられる。ハウジングボディ部１２は内部にピストン空間部１６を有し、エアポートにより作動エアの流出及び流入が可能となる。実施例では、エア操作弁１０の外部とピストン空間部１６は、作動エアの第１エアポート９１と第２エアポート９２により接続される。

エアポート（第１エアポート９１）から流入する作動エアの供給圧力を制御することにより弁機構体３０を進退させて弁座２３の開閉を駆動制御する駆動機構体９０は、ハウジングボディ部１２のピストン空間部１６内に進退自在に収容される。第１エアポート９１とハウジングボディ部１２内のピストン空間部１６との間に、細管路１７が形成される。この細管路１７は、請求項６の発明に規定するように、作動エアの絞り部となる。細管路１７（絞り部）とすることにより、作動エアの流入量及び流出量を減少させることができる。そこで、作動エア量の変化に伴う駆動機構体９０の急な動作を抑制することができる。第２エアポート９２は通気路１８を経由して、ピストン空間部１６の上部に形成された第２ばね収容部１９と通じている。ピストン空間部の上部の空気の抜け道となる。

図１に加え図５の部分拡大断面図を用い駆動機構体９０の構造を説明する。当該駆動機構体９０は、第１ピストン部５０及び該第１ピストン部を付勢する第１ばね８１と、第１ピストン部を内側に摺動可能に収容する第２ピストン部７０及び該第２ピストン部を付勢する第２ばね８２とを備える２重のピストンの構造である。

第１ピストン部５０は、第１ピストン頭部５１とピストン軸部５２を有し、ピストン軸部５２の先端に接続軸部５３を備える。接続軸部５３は弁機構体３０の接続穴３４に挿入され固定される。実施例の接続軸部５３と接続穴３４は螺着により接続される。第１ピストン部５０の第１ピストン頭部５１に、第１ばね載置部５４が設けられる。当該第１ピストン部５０を弁座２３側に付勢する第１ばね８１は、第１ばね載置部５４に設置される。

第１ピストン頭部５１の上部はピストン当接部５５であり、後記する第２ピストン部７０と当接する部位である。第１ピストン頭部５１の周囲は第１ピストン側面部５７であり第２ピストン部７０（後出のピストン内壁部７３）に摺動可能に接する。第１ピストン側面部５７の周囲に第１ピストン凹部５８が形成され、第１ピストン凹部５８にパッキン６１が備えられる。パッキン６１の形状は、第１ピストン部５０の進退動作（昇降動作）の向きを考慮して選択される。実施例では断面逆Ｖ字状のパッキン（Ｖリング）である。第１ピストン頭部５１の下部は第１ピストン受圧部５６であり、第１エアポート９１からハウジングボディ部１２のピストン空間部１６の内部に供給される作動エアの供給圧力を受ける。第１ピストン受圧部５６の面積が当該第１ピストン部における作動エアの受圧面積である。

実施例の第２ピストン部７０は逆カップ形状からなり、第２ピストン部７０の上部は第２ピストン頭部７１であり、同第２ピストン部の周囲はピストン側部７２として構成される。第２ピストン部７０は、ハウジングボディ部１２の内部、つまり、ピストン空間部１６の内壁部１２ｉに摺動可能に収容される。第２ピストン頭部７１の上部に第２ばね載置部７４が設けられ、当該第２ピストン部７０を弁座２３側に付勢する第２ばね８２は、第２ばね載置部７４に設置される。第２ばね８２はハウジングボディ部１２の上部に形成されたばね収容部１９内に挿入されるため、第２ばねの取り付け位置は安定する。

第２ピストン頭部７１の下部はピストン押し当て部７５であり、前記の第１ピストン部５０を下方に押し当てる部位となる。ピストン側部７２の内側のピストン内壁部７３に第１ピストン部材５０の第１ピストン側面部５７が接する。ピストン側部７２の外側となるピストン外壁部７７に第２ピストン凹部７８が形成され、第２ピストン凹部７８にＯリング等のパッキン６２が備えられる。

ピストン側部７２の下端は第２ピストン受圧部７６であり、第１エアポート９１からハウジングボディ部１２のピストン空間部１６の内部に供給される作動エアの供給圧力を受ける。第２ピストン受圧部７６の面積が当該第２ピストン部における作動エアの受圧面積である。第２ピストン頭部７１に形成された通気孔８４は、第２ピストン部７０内の第２ピストン頭部７１と第１ピストン頭部５１により囲まれた空間の空気の抜け道である。

第２エアポート９２は、第２ばね収容部１９、通気路１８を経由してピストン空間部１６の上部と接続されている。第２エアポート９２を通じてピストン空間部１６内の第２ピストン部７０の上方の空気の流入量及び流出量を調整することができる。このため、前記の第１エアポート９１から流入する作動エアの供給圧力の変化に伴う駆動機構体９０の急な動作を効果的に緩和することができる。

図示実施例では、請求項２の発明に規定するように、ばね載置部５４にクッション性を有する緩衝部材６０が置かれる。緩衝部材６０はウレタンゴム、ＮＢＲ、ＨＮＢＲ、シリコーンゴム、フッ素樹脂ゴム等の耐久性素材から形成されるＯリング等である。緩衝部材６０は、第１ピストン部５０と第２ピストン部７０との接触時の衝撃を緩和するために設けられる。さらに、緩衝部材６０は第２ピストン部７０が降下する際に、第１ピストン部５０に接続されている弁機構体３０の弁部３１に加わる衝撃を緩和する役割を有する。図示のパッキン６１，６２，６３，６４も緩衝部材６０と同様の材質からなる。

図６は弁部３１及び弁座２３の主要部構造を示す拡大断面図である。同図に示され、請求項３の発明に規定するように、弁座２３に着座する弁部３１のシール部３３は平面状に形成される。例えば、従来例のエア操作弁にて開示のポペット弁等の弁部の場合、弁部のシール部は斜めに形成されることが多い（図９参照）。この場合、弁機構体の進退に伴いシール面にわずかながら摩擦が生じやすい。

これに対し、図示のとおり、弁座２３に着座する弁部３１のシール部３３が平面状であるため、シール部３３の平面のどの部分も弁座２３に着座可能となる。また、後述するとおり、第１ピストン部５０及び第２ピストン部７０の押し下げ力を受けて弁部３１のシール部３３が弁座２３に密着可能となる。それゆえ、弁座のシール性が確保され、同時にパーティクルの発生もより抑制される。

さらに、図６に示すとおり、エア操作弁１０においては、請求項５の発明に規定するように、弁部３１のシール部３３が弁座２３に着座してシールする弁座２３の直径距離ＳＤは、ダイヤフラム部４０の可動膜部４１における可動膜部最大径Ｌ１と可動膜部最小径Ｌ２を二分した位置における直径距離ＭＤよりも大きく形成される。また、前記の直径距離ＳＤ及び直径距離ＭＤがほぼ同じ大きさとなる場合も含まれる。

当該ダイヤフラム部４０の下面側は弁室２０に面している。ダイヤフラム部４０は中間ボディ部１３により弁室ボディ部１１に固定される。特に図示実施例のダイヤフラム部４０では、中間ボディ部１３による固定の影響を受けて現実に可動可能となる膜部分は幾分少なくなる。そのため、可動膜部４１において、その可動膜部最大径Ｌ１は中間ボディ部１３と接する部分を除いて実際に可動できる部分の直径となる。また、ダイヤフラム部４０の中心に弁部３１が形成されていることから、弁部３１の部分は可動膜部４１の可動可能となる膜部分から除外され、可動膜部最小径Ｌ２が規定される。

一般に、図示実施例や図９の従来例のような構造の操作弁では、被制御流体の流体圧力は流入部２１側（一次側）及び流出部２２側（二次側）の双方からダイヤフラム部４０や弁部３１等に加わる。当該構造の操作弁において、ダイヤフラム部４０の可動膜部４１は当然ながら流体圧力を受けて湾曲する。その際にダイヤフラム部の可動膜部４１が圧力を受けると、可動膜部４１の湾曲面に対して垂直に圧力が加わる。そこで、可動膜部４１に作用する力は分散されて小さくなる。このように、湾曲したダイヤフラム部４０の可動膜部４１に力が作用する場合、経験上、そのダイヤフラム部の可動膜部の最大径Ｌ１と可動膜部の最小径Ｌ２を２分した位置における直径距離ＭＤを、いわゆるダイヤフラム部４０の可動膜部４１の有効受圧径として考えることができる（前記特許文献１：日本国特許第３５９０５７２号等参照）。また、弁部３１では、流出部２２側（二次側）から流体圧力を受けた場合、該弁部３１のシール部３３と弁座２３が当接する部分より外方（シール部３３の外周縁）に加わる圧力は相殺される。そのため、直径距離ＭＤと弁部３１のシール部３３の着座に伴いシールされる弁座２３の直径距離ＳＤを弁部の直径として考えることができる。そこで、直径距離ＭＤと弁部３１のシール部３３の着座に伴いシールされる弁座２３の直径距離ＳＤとの大小が比較される。

弁機構体３０における弁部３１の受圧部３２及び可動膜部４１は、エア操作弁１０の開閉状態に影響されることなく、それぞれ同等の被制御流体の流体圧力を受ける。この点を踏まえ、図示では直径距離ＭＤを基準として直径距離ＳＤを直径距離ＭＤよりも大（ＳＤ＞ＭＤ）としている。すると、弁部３１の受圧部３２に加わる被制御流体の流体圧力も加わることから、被制御流体から弁部３１の受圧部３２に対する弁機構体３０の前進方向（矢印Ｘ方向）に作用する下向きの力は、被制御流体からダイヤフラム部４０の可動膜部４１に弁機構体３０の後退方向（矢印Ｙ方向）に作用する上向きの力よりも大きくなる。

結果的に、弁機構体における下向き（矢印Ｘ方向）の力の方が強くなることから、より小さなばね荷重の第１ばねを適用する場合であっても、十分に弁体を弁座へ着座させることが可能となる。第１ばねのばね荷重を小さくすることができるため、着座時の弁体と弁座との衝撃も小さくなる。

また、直径距離ＭＤを基準として直径距離ＳＤを直径距離ＭＤと等しい（ＳＤ＝ＭＤ（ＳＤ≒ＭＤも含む））とする場合（図示省略）、前述の被制御流体から弁部３１の受圧部３２に対して弁機構体３０の前進方向（矢印Ｘ方向）に作用する下向きの力と被制御流体からダイヤフラム部４０の可動膜部４１に弁機構体３０の後退方向（矢印Ｙ方向）に作用する上向きの力はほぼ等しくなり釣り合う。このように弁機構体における上下方向の力の釣り合いにより、より小さなばね荷重の第１ばねを適用したとしても、十分に弁体を弁座へ着座させることが可能となる。ＳＤ＝ＭＤ（ＳＤ≒ＭＤも含む）の場合も同様に、結果的に第１ばねのばね荷重を小さくすることができるため、着座時の弁体と弁座との衝撃も小さくなる。

図７の拡大断面図は緩衝部材６０の配置を変更した例である。緩衝部材６０は第１ピストン部５０と第２ピストン部７０との接触の衝撃を緩和するための部材であるため、互いのピストン部同士の接触箇所であれば特段限定されない。図７のように、緩衝部材６０は、第１ピストン部５０における第１ピストン頭部５１の上部に当たるピストン当接部５５と、第２ピストン部７０における第２ピストン頭部７１の下部に当たるピストン押し当て部７５との間に介在される。むろん、エア操作弁に組み込まれるピストン部の形状、大きさ等により、緩衝部材６０の介在場所や数は適宜となる。

図８の拡大断面図は作動エアの絞り部の別形態である。図示のとおり、第１エアポート９１内に、細孔９３を有する板部材９５が挿入される。板部材９５を用いることにより、細管路１７ｋよりもさらに作動エアが流通する口径を小さくすることができる。このため、作動エアの流入量及び流出量の抑制が可能となる。

これより図１ないし図４、並びに図５を用い本発明のエア操作弁１０における駆動機構体９０の動作を説明する。なお、各所のパッキンや各部材間に生じる摩擦抵抗の影響については、説明が煩雑になるため省略した。

図１では、第１エアポート９１からハウジングボディ部１２のピストン空間部１６の内部に作動エアが流入してピストン空間部１６内の作動エアの供給圧力が維持されている。作動エアは、第１ばね８１及び第２ばね８２の付勢力に抗する供給圧力としている。第１ピストン部５０の第１ピストン受圧部５６及び第２ピストン部７０の第２ピストン受圧部７６が供給される作動エアの供給圧力を受けることにより、第１ピストン部５０及び第２ピストン部７０はともに持ち上げられる。

図１の場合、駆動機構体９０の第１ピストン部５０及び第２ピストン部７０がともに上昇して後退位置にあるため、第１ピストン部５０に接続されている弁機構体３０の弁部３１も第１ピストン部５０の位置に連動して上昇し、弁部３１は後退位置となる。従って、弁部３１のシール部３３は弁座２３から離れるため、弁座２３のシールは解除され、弁室２０内の被制御流体の流通は確保される。

図２では、第１エアポート９１からピストン空間部１６に供給される作動エアの供給圧力が前掲図１よりも低下した状態である。特に、本発明のエア操作弁１０では、第２ピストン部７０を付勢する第２ばね８２のばね荷重は、第１ピストン部５０を付勢する第１ばね８１のばね荷重よりも大とする設定である。そこで、作動エアの供給圧力が低下したことによって、第１ばね８１のばね荷重が第１ピストン部５０の第１ピストン受圧部５６に生じた作動エアの上昇力に抗することとなる。第１ばね８１のばね荷重が作動エアの上昇力に勝り、まず、第１ピストン部５０が第２ピストン部７０よりも先行して降下を始める。

第１ばね８１のばね荷重は、「弁室２０内を流通する被制御流体の流体圧力」と「弁機構体３０における有効受圧面積」との積よりも、大きい荷重に設定される。被制御流体の流通時に流体圧力が弁体や可動膜部に加わった状態であっても、弁機構体３０を降下させることができる。

図３では、第１エアポート９１からピストン空間部１６に供給される作動エアの供給圧力が前掲図２よりも低下した状態である。図２の説明と同様に、作動エアの供給圧力の低下が進み、第１ばね８１のばね荷重が第１ピストン受圧部５６に生じた作動エアの上昇力に勝り、第１ピストン部５０が第２ピストン部７０よりも先行して降下し、次に、第２ばね８２のばね荷重が第２ピストン受圧部７６に生じた作動エアの上昇力に勝ることとなる。そして、第２ピストン部７０が第１ピストン部５０に遅延して降下し始める。そして、弁機構体３０の弁部３１のシール部３３は弁座２３に着座する。

図４では、第１エアポート９１からピストン空間部１６に供給される作動エアの供給圧力が前掲図３よりも低下した状態である。引き続き第２ばね８２のばね荷重により第２ピストン部７０が降下して、第２ピストン部７０のピストン押し当て部７５が第１ピストン部５０のピストン当接部５５に接触する。さらに、第２ばね８２の付勢力を伴って第２ピストン部７０は降下し、第２ピストン部７０が第１ピストン部５０を弁座２３の方向（下方）へ付勢する。

図３，４では、第１ピストン部５０に遅延して第２ピストン部７０が降下し始めてから弁機構体３０の弁部３１のシール部３３が弁座２３に着座し、第１ピストン部５０及び第２ピストン部７０の両方が弁部３１を弁座２３側へ付勢している順番である。むろん、当該順序に限られず、第１ピストン部５０が降下して弁機構体３０の弁部３１のシール部３３が弁座２３に着座し、その後、第１ピストン部５０に遅延して第２ピストン部７０が降下し始め、最終的に第１ピストン５０及び第２ピストン７０の双方が弁部３１を弁座２３側へ付勢する場合もある。

第１ピストン部５０の降下に伴い弁部３１（シール部３３）が弁座２３に着座するときのシール力は、主に第１ばね８１の付勢力である（図３参照）。第２ばね８２のばね荷重は第１ばね８１よりも大に設定されているため、第２ピストン部７０の降下により第１ピストン部５０が受ける下方への力が増加するとき、弁部３１は第１ばね８１の付勢力に加えて第２ばね８２の付勢力も受ける。すなわち、弁部３１はより強い降下方向の力を受けるため、弁部３１の着座状態においては弁部３１と弁座２３のシール強度がより高められる。弁部３１と弁座２３との間に必要なシール力とは、被制御流体を押し留めるとともに、弁部３１のシール部３３を弁座２３に押圧し続けるために必要となる荷重である。そこで、このシール力は、第１ばね８１のばね荷重と第２ばね８２のばね荷重の合計の荷重に相当する。

例えば図９に示した従前のエア操作弁の場合、弁部を着座状態とし、かつ弁座の十分なシール性を維持し続けるため、被制御流体が弁機構体に加える力よりも大とするばね荷重のばねを選択する必要がある。このため、作動エアの供給制御に伴いピストンが降下する際の弁部と弁座の着座時の衝撃が不可避であった。

本発明の実施例に開示の構造にあっては、第１ピストン部５０を付勢する第１ばね８１は、弁部を着座状態とするために必要な程度としつつ被制御流体の流体圧力よりも高めたばね荷重である。この場合、第１ピストン部５０を付勢する第１ばね８１のばね加重は作動エアの供給圧力の低下に反応できればよい荷重となるので、特段強力なばね荷重である必要はない。弁体３１は第１ばね８１によりいったん弱い付勢力により弁座２３に着座する。このため、閉弁時の着座の衝突による材料組織の剥離により発生するパーティクルの被制御流体への混入が抑制される。続いて、第１ピストン部５０に遅延して降下する第２ピストン部７０の降下圧力（第２ばね８２の付勢力）も付加される。この時点で、両ピストンの付勢力が加算され弁部３１が弁座２３を押圧するシール力が得られる。このことから、被制御流体の流通停止に効果を発揮する。

すなわち、ピストン部とその付勢に用いるばねを２重としたことにより、弁部の着座に必要なばねの付勢力と、弁座のシール性能を高めるために必要なばねの付勢力に分けることができる。弁部と弁座の着座状態の後にシール力を高める付勢力（荷重）が加わったとしても、既に着座状態であることからの双方の衝突はなく、パーティクルは発生しない。よって、エア操作弁の着座の衝突による材料組織の剥離によるパーティクル発生の低減に大きく貢献することができる。

発明者は、エア操作弁を試作し、一連の図示し詳述した本発明の構成が有効であることを検証した。当該試作品において、第１ピストン部の第１ピストン受圧部の面積は１．６４ｃｍ²、第２ピストン部の第２ピストン受圧部の面積は１．１３ｃｍ²、弁機構体の受圧面積は０．５６ｃｍ²、弁部が着座してシールする弁座の直径距離ＳＤは８．８ｍｍ、ダイヤフラム部の可動膜部における可動膜部最大径と可動膜部最小径を二分した位置における直径距離ＭＤは８．５ｍｍであった。第１ピストン部を付勢する第１ばねを４４Ｎのばね荷重とし、第２ピストン部を付勢する第２ばねを５９Ｎのばね荷重とした。第１ピストン部、第２ピストン部はフッ素樹脂から切削し形成した。弁室ボディ部、ハウジングボディ部、及び中間ボディ部は目視の都合からアクリル樹脂から形成した。各部材を図示実施例のとおり組み立てた。

試作品のエア操作弁を作動するに際し、流通させる被制御流体の流体圧力を５００ｋＰａ、開弁状態の作動エアの供給圧力を５５０ｋＰａ、閉弁状態となる最終的な作動エアの供給圧力を０ｋＰａとした。被制御流体は水とし、作動エアは空気とした。

試作品のエア操作弁に作動エアを供給圧力５５０ｋＰａで供給して第１ピストン部及び第２ピストン部（駆動機構体）を後退位置に押し上げ、弁機構体の弁部を弁座から離座し、このエア操作弁に被制御流体を流通した。次に、作動エアの供給を停止して供給圧力を５００ｋＰから０ｋＰａに減少させた。この様子を目視（ビデオ撮影）により観察したところ、第１ピストン部の降下後に遅延して第２ピストン部が降下し、弁部が弁座に着座した後、第２ピストン部が第１ピストン部を押圧したことを確認した。

従って、弁部の弁座への着座と、弁部によるシール性能向上の２点が実現することができた。むろん、本発明に規定する構成を具備する限り、当該実施例において試作した寸法以外でも当然に可能であり、例えば、被制御流体の流体圧力やピストン部の受圧面積、作動エア圧力等を勘案して、双方の荷重差に見合ったばねを選択することができる。

１０エア操作弁
１１弁室ボディ部
１２ハウジングボディ部
１３中間ボディ部
１６ピストン空間部
１７細管路（絞り部）
２０弁室
２１流入部
２２流出部
２３弁座
３０弁機構体
３１弁部
３２受圧部
３３シール部
４０ダイヤフラム部
４１可動膜部
５０第１ピストン部
５１第１ピストン頭部
５６第１ピストン受圧部
６０緩衝部材
７０第２ピストン部
７１第２ピストン頭部
７６第２ピストン受圧部
８１第１ばね
８２第２ばね
９０駆動機構体
９１第１エアポート
９２第２エアポート
ＳＤ弁部のシール部が弁座に着座してシールする弁座の直径距離
ＭＤダイヤフラム部の可動膜部における可動膜部最大径と可動膜部最小径を二分した位置における直径距離

Claims

被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、
前記弁座を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構体と、
エアポートから流出入する作動エアにより前記弁機構体を進退させることにより前記弁座の開閉を駆動制御する駆動機構体を収容するハウジングボディ部とを備え、
前記駆動機構体は、前記弁機構体に接続され前記エアポートから流入する作動エアを受ける第１受圧部を有する第１ピストン部と、前記第１ピストン部を前記弁座側に付勢する第１ばねと、
ハウジングボディ部内に摺動可能に収容され、前記第１ピストン部を内部に摺動可能に収容するとともに前記エアポートから流入する作動エアを受ける第２受圧部を有し前記第１ピストン部を押圧する第２ピストン部と、前記第２ピストン部を前記第１ピストン部側に付勢する第２ばねとを備え、
前記第２ばねのばね荷重が前記第１ばねのばね荷重よりも大としており、
前記エアポートからの作動エアの供給圧力が低下した場合において前記第１ばねの荷重が前記第１受圧部に生じた作動エアの上昇力に抗することにより、前記第１ピストン部が前記第２ピストン部よりも先行して降下し、
その後、前記第２ピストン部が前記第１ピストン部よりも遅延して降下することにより前記第２ピストンが前記第１ピストン部を弁座方向に付勢して、前記着座状態における前記弁部と前記弁座とのシール強度を高める構成とした
ことを特徴とするエア操作弁。
前記第１ピストン部と前記第２ピストン部との間に緩衝部材が介在されている請求項１に記載のエア操作弁。
前記弁座に着座する前記弁部のシール部が平面状である請求項１に記載のエア操作弁。
前記弁部が、前記弁機構体の前進方向に被制御流体の流体圧力を受ける受圧部を有する請求項１に記載のエア操作弁。
前記弁部のシール部が前記弁座に着座してシールする前記弁座の直径距離（ＳＤ）が、前記ダイヤフラム部の可動膜部最大径と可動膜部最小径を二分した位置における直径距離（ＭＤ）よりも大きくもしくは同じ大きさに形成されている請求項１に記載のエア操作弁。
前記エアポートと前記ハウジングボディ部内のピストン空間部との間に、作動エアの絞り部が備えられる請求項１に記載のエア操作弁。