JP6860336B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、流路を流れるガス等の各種流体の流量を可変制御する際に用いて好適な流量制御弁に関する。

従来、ゴム素材により形成した弁部材を有する弁体を支持するとともに、ソレノイド部に印加する駆動電圧の大きさに対応して軸方向に変位するプランジャ部，及びこのプランジャ部を弾性支持する弾性部材を有する弁体機構部と、弁体の軸方向前方に配し、かつ流路を仕切るように設けるとともに、弁部材により開閉される弁座を有する金属素材により形成したオリフィス部とを備える流量制御弁としては、特許文献１で開示される流量制御弁及び特許文献２で開示される流量制御弁が知られている。

特許文献１で開示される流量制御弁は、ガス噴射孔（流体流出孔）及び弁座を有する制振合金を用いたバルブシートと、バルブシートの弁座に対してゴム状弾性材を用いたシール部材を介して着座及び離座する弁体とを備えるとともに、バルブシートが、支持側の第１のシート部材と、その第１のシート部材に組付けられ、かつガス噴射孔及び弁座が設けられた第２のシート部材とから構成され、開弁時における最大流量を、第２のシート部材の弁座とシール部材との間の間隙によって規定し、閉弁時における弁体の全閉位置を、第１のシート部材に設けられた座面に対する弁体の当接によって規定するようにしたものである。

また、特許文献２で開示される流量制御弁は、ソレノイドの外部に設けたアウタヨーク及び内部に設けたインナヨークを有するとともに、インナヨークの前端面に対して、後端面が対向し、かつソレノイドに印加する励磁電圧の大きさに対応して変位するプランジャを有する電磁駆動部と、プランジャの前端に設けることにより流路を開閉するゴム等で形成した弁部材を有する弁体及びこの弁体を弾性支持するダイヤフラムを有する弁機構部と、この弁体が当接可能な流入口を形成した平坦面を有する閉塞ブロック（弁座）とを備える流量制御弁であって、プランジャの後端面をリング状の平坦部とこの平坦部の内側に設けたテーパ面を有する凸部(又は凹部)との組合わせにより形成するとともに、インナヨークの前端面をリング状の平坦部とこの平坦部の内側に設けたテーパ面を有する凹部(又は凸部)との組合わせにより形成し、後端面又は前端面の直径に対する凸部又は凹部の直径の比率及びテーパ面の角度を所定の大きさに設定したものである。

特開２０１０−１９３６２号公報 特開２０１０−２５３０３号公報

しかし、上述した特許文献１及び２で開示される流量制御弁をはじめ、従来の流量制御弁は、次のような解決すべき課題が存在した。

即ち、流量制御弁が、ソレノイドの非通電時に、弁部材（弁体）が弁座に当接して流路を閉じる、いわゆるノーマルクローズ機能を有するとともに、弁体の弁部材にゴム素材を使用し、かつ弁座に金属素材を使用して構成した場合、非通電状態が継続した流量制御弁を駆動する際に、使用環境等によっては、弁部材が弁座に密着し、駆動開始時（低電圧駆動時）において制御動作が不安定（不能）になる問題を生じる。

具体的には、図１０に示すように、非通電状態を２４時間継続した後、駆動を開始した場合、常温環境では、特性線Ｅｏｎで示すように、駆動電圧Ｖｄが７〔Ｖ〕付近から電圧が高くなるに従い、その電圧の大きさに対応して弁部材（弁座）が開き、流量〔Ｌ／ｍｉｎ〕も対応して徐々に増加する正常動作を行うが、ヒートサイクル環境（温度８０〔℃〕及び湿度９０〔％〕の環境が８時間，温度０〔℃〕及び湿度０〔％〕の環境が８時間の繰り返しを２回継続）の後では、弁部材が弁座に対して密着状態（くっつき状態）となり、特性線Ｅｏｃで示すように、駆動電圧Ｖｄが１１〔Ｖ〕付近まで閉状態を維持し、１１〔Ｖ〕付近のいわば臨界点に達した時点で弁部材が弁座から離れ、瞬時に全開に移行する不安定動作を生じる。

この問題は、常温環境など、通常の使用環境では生じないとともに、生じても駆動開始時などに限られる場合も多いため、さほど問題視されていない側面もあるが、流量制御弁の安定性及び信頼性を確保する観点からは望ましくない。したがって、一般的には、弁部材を形成するゴム素材の選定や表面処理により対応しているのが実情である。図１０中、Ｅｒｎ，Ｅｒｃが弁部材の表面に、密着力を低減する表面コーティングを施した場合の特性線を示し、Ｅｒｎが常温環境、Ｅｒｃがヒートサイクル環境の場合を示す。

しかし、このような改善処理を行った場合でも、ヒートサイクル環境における不安定動作を完全に解消するまでには至っておらず、高度の安定性及び信頼性を有する流量制御弁を得る観点からは更なる改善の余地があった。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した流量制御弁の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、ソレノイド部３の外部に配したアウタヨーク４ｆ，及びソレノイド部３の内部に配したインナヨーク４ｉを有する電磁駆動部２と、インナヨーク４ｉの軸方向Ｆｓ前方に配し、かつゴム素材Ｒにより形成した弁部６ｓを有する弁体部６を支持するとともに、ソレノイド部３に印加する駆動電圧Ｖｄの大きさに対応して軸方向Ｆｓに変位するプランジャ部７，及びこのプランジャ部７を弾性支持する弾性部材８を有する弁体機構部５と、弁部６ｓの軸方向Ｆｓ前方に配し、かつ流路Ｊを仕切るように設けるとともに、弁部６ｓにより開閉される弁座部９ｓを有する金属素材Ｍにより形成したオリフィス部９とを備える流量制御弁１を構成するに際して、弁部６ｓを、フッソ系ゴム素材により形成し、かつ表面に、架橋処理による単層又は多層構造によるシリコン系被膜層１１を設けるとともに、少なくとも当該弁部６ｓが当接する弁座部９ｓの表面９ｓｆに、当該表面９ｓｆに当接した弁部６ｓが離間する際の剥離性を高める所定の膜厚Ｌｓを有するＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）成膜層１０を設けてなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、弾性部材８には、外縁側を固定し、かつ中心側でプランジャ部７を支持する板バネ８ｓを用いることができるとともに、弾性部材８には、ソレノイド部３の非通電時に、弁部６ｓを弁座部９ｓに当接させる方向にプランジャ部７を付勢する機能を持たせることができる。なお、板バネ８ｓには、非線形特性のバネ荷重を持たせることが望ましい。また、弁体機構部５には、板バネ８ｓにおけるバネ荷重及び（又は）ストロークを外部からの操作により変更調整可能なバネ調整機構部１２ｘ，１２ｙを設けることができる。一方、弁部６ｓの表面は、ブラスト処理による粗面６ｓｃにより形成することができる。さらに、シリコン系被膜層１１は、膜厚Ｌｃを２〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定できる。他方、ＤＬＣ成膜層１０は、膜厚Ｌｓを１．５〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定できるとともに、硬度をヌープ硬度５００〜１５００〔ＨＫ〕の範囲に選定することができる。なお、駆動電圧Ｖｄは、オリフィス部９の前後差圧が２５０〔ｋＰａ〕以上であることを条件に、４〜６〔Ｖ〕の範囲において、０．２〜２００〔Ｌ／ｍｉｎ〕の流量を制御可能な傾き電圧に設定することができる。

このような構成を有する本発明に係る流量制御弁１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 少なくとも弁部６ｓが当接する弁座部９ｓの表面９ｓｆに、当該表面９ｓｆに当接した弁部６ｓが離間する際の剥離性を高める所定の膜厚Ｌｓを有するＤＬＣ成膜層１０を設けてなるため、ヒートサイクル環境のような苛酷の使用環境下であっても、駆動開始時（低電圧駆動時）において制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消することができ、流量制御弁１における高度の安定性及び信頼性を確保できる。

（２） 弁部６ｓの表面には、架橋処理によるシリコン系被膜層１１を設けたため、弁部６ｓの表面を架橋処理による表面改質により不活性化できる。この結果、弁部６ｓと弁座部９ｓ間の固着の原因とされている水素結合を効果的に抑制することができる。加えて、弁座部９ｓに設けるＤＬＣ成膜層１０との相乗作用により、より高い剥離性を確保できるため、流量制御弁１における更なる安定性及び信頼性の向上に寄与できる。

（３） シリコン系被膜層１１は、架橋処理による単層又は多層構造を選択して設けることができるとともに、特に、多層構造により設けることにより、シリコン系被膜層１１の被膜強度を高め、より耐久性に優れるシリコン系被膜層１１を得ることができる。

（４） 好適な態様により、弾性部材８に、外縁側を固定し、かつ中心側でプランジャ部７を支持する板バネ８ｓを用いれば、流量制御弁１全体の小型化に寄与できることに加え、弁体部６が板バネ８ｓによる弾性圧力により支持され、弁部６ｓが弁座部９ｓに対して比較的強い圧力により当接（圧接）する場合であっても、ＤＬＣ成膜層１０の有効作用により、弁部６ｓが弁座部９ｓから離間する際における十分な剥離性を確保できる。

（５） 好適な態様により、弾性部材８に、ソレノイド部３の非通電時に、弁部６ｓを弁座部９ｓに当接させる方向にプランジャ部７を付勢する機能を持たせれば、弁部６ｓが弁座部９ｓに密着する不具合が最も生じやすい状態にあってもＤＬＣ成膜層１０の有効作用により、弁部６ｓが弁座部９ｓから離間する際における十分な剥離性を確保できる。

（６） 好適な態様により、板バネ８ｓに、非線形特性のバネ荷重を持たせれば、板バネ８ｓのバネ荷重をソレノイド部３の吸引力に対して、より広い範囲でバランスさせることができるため、弁部６ｓの変位動作の直線性及び安定性の向上に寄与できる。

（７） 好適な態様により、弁体機構部５に、板バネ８ｓにおけるバネ荷重及び（又は）ストロークを外部からの操作により変更調整可能なバネ調整機構部１２ｘ，１２ｙを設ければ、組立完了後の最終段階において板バネ８ｓにおけるバネ荷重及び（又は）ストロークを調整できるため、バラツキの少ない精度の高い流量制御弁１を提供できる。

（８） 好適な態様により、弁部６ｓの表面を、ブラスト処理による粗面６ｓｃにより形成すれば、弁座部９ｓに対して密着する実質的な表面積を縮小できるため、分子間力を抑制し、分子間力と水素結合が原因とされている弁部６ｓと弁座部９ｓ間の固着性をより低減することができる。

（９） 好適な態様により、シリコン系被膜層１１の膜厚Ｌｃを、２〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定すれば、弁部６ｓの変形等に対しても良好な追従性を確保できる。

（１０） 好適な態様により、ＤＬＣ成膜層１０の膜厚Ｌｓを、１．５〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定すれば、流量制御弁１の駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消できるため、ＤＬＣ成膜層１０の膜厚Ｌｓを選定する観点から、本発明の実現性及び有効性を確保できる望ましい態様（形態）として実施できる。

（１１） 好適な態様により、ＤＬＣ成膜層１０の硬度をヌープ硬度５００〜１５００〔ＨＫ〕の範囲に選定すれば、流量制御弁１の駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消できるため、ＤＬＣ成膜層１０の硬度を選定する観点から、本発明の実現性及び有効性を確保できる望ましい態様（形態）として実施できる。

（１２） 好適な態様により、駆動電圧Ｖｄを、オリフィス部９の前後差圧が２５０〔ｋＰａ〕以上であることを条件に、４〜６〔Ｖ〕の範囲において、０．２〜２００〔Ｌ／ｍｉｎ〕の流量を制御可能な傾き電圧に設定すれば、吸引力を徐々に強くしながら開度を大きくする際の良好な追従性を確保できる。

本発明の好適実施形態に係る流量制御弁の内部構造を示す断面正面図、 同流量制御弁の図１中Ａ−Ａ線断面図、 同流量制御弁に用いるオリフィス部の平面図及び断面正面図、 同流量制御弁に用いる弁部の一部抽出拡大図を含む断面正面図、 同流量制御弁の弁体機構部及びオリフィス部を示す作用説明図、 同流量制御弁の使用説明図、 同流量制御弁におけるＤＬＣ成膜層の膜厚を２〔μｍ〕に選定したときの駆動電圧に対する流量特性図、 同流量制御弁におけるＤＬＣ成膜層の膜厚を１〔μｍ〕に選定したときの駆動電圧に対する流量特性図、 同流量制御弁と背景技術に係る流量制御弁を対比して示す駆動電圧に対する流量特性図、 背景技術に係る流量制御弁の駆動電圧に対する流量特性図、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る流量制御弁１の基本構成について、図１及び図２を参照して説明する。

例示の流量制御弁１は、ノーマルクローズ機能を有するタイプであり、図１に示すように、基本構成として、電磁駆動部２，弁体機構部５及びオリフィス部９を備える。電磁駆動部２は、コイルボビン２１にマグネットワイヤを巻回したコイル２２を有する筒形のソレノイド部３を備える。また、ソレノイド部３の外部にはアウタヨーク４ｆを配してソレノイド部３を覆うとともに、ソレノイド部３の内部にはインナヨーク４ｉを配する。アウタヨーク４ｆは、全体を磁性材により下方に開口した逆カップ状に一体形成するとともに、インナヨーク４ｉは磁性材により円棒状に一体形成し、上端面をアウタヨーク４ｆの内面に機械的かつ磁気的に結合する。したがって、アウタヨーク４ｆは流量制御弁１のケーシングを兼用する。

さらに、インナヨーク４ｉの上端には軸方向に延設するボルト２３ｂを一体形成し、このボルト２３ｂをアウタヨーク４ｆの内部から上端面を貫通して上面上に突出させるとともに、外部に突出したボルト２３ｂにはロックナット２３ｎを螺着する。これにより、ロックナット２３ｎを緩め、ボルト２３ｂを回し操作することにより、インナヨーク４ｉの軸方向Ｆｓの位置（後述する弁体部６の全開位置）を調整することができる。そして、調整後は、ロックナット２３ｎを締め付けることにより、ボルト２３ｂの位置を固定（ロック）する。これにより、板バネ８ｓのストロークを外部からの操作により変更調整可能なバネ調整機構部１２ｘが構成される。このようなバネ調整機構部１２ｘを設ければ、組立完了後の最終段階において、板バネ８ｓのストロークを調整できるため、バラツキの少ない精度の高い流量制御弁１を提供できる利点がある。

また、アウタヨーク４ｆの下端開口には、磁性材により形成したリング形のキャップ部材２４を装着（螺着）する。このキャップ部材２４は、上端面によりコイルボビン２１を保持し、かつ下端面により内部における流路Ｊの一部を形成する機能を備え、また、内周面によりプランジャ部７を軸方向Ｆｓへ変位自在にガイドする機能を備える。以上により電磁駆動部２が構成される。

一方、キャップ部材２４の内周面には、磁性材により形成したプランジャ部７を収容する。これにより、上述したように、プランジャ部７は、キャップ部材２４の内周面により軸方向Ｆｓへ変位自在に支持され、プランジャ部７の上端面は、インナヨーク４ｉの下端面（前端面）に対面する。

また、プランジャ部７の前端部（下端部）は弁体部６を支持する。弁体部６は、下端面に、ゴム素材、例えば、フッソ系ゴム素材により形成した弁部６ｓを一体に備える。弁部６ｓの下端面は平坦面となり、後述する弁座部９ｓに当接して流路Ｊを閉じるとともに、軸方向Ｆｓに変位して流路Ｊに対する開度を可変する機能を備える。さらに、弁体部６の上部は、プランジャ部７への取付部として形成する。これにより、プランジャ部７に対して螺着することができ、螺着する際には、リング形に形成した板バネ８ｓの中心側を通し、この板バネ８ｓと共に、プランジャ部７の下端部に固定することができる。他方、板バネ８ｓの外縁側は、キャップ部材２４の内周面の下端部に螺着する固定リング２５とキャップ部材２４間に挟まれることにより固定される。この板バネ８ｓは、プランジャ部７を弾性支持する弾性部材８を構成する。

この場合、板バネ８ｓには、非線形特性のバネ荷重を持たせることが望ましい。これにより、板バネ８ｓのバネ荷重をソレノイド部３の吸引力に対して、より広い範囲でバランスさせることができるため、弁部６ｓの変位動作の直線性及び安定性の向上に寄与できる利点がある。

さらに、この板バネ８ｓ（弾性部材８）には、ソレノイド部３の非通電時に、弁部６ｓを後述する弁座部９ｓに当接させる方向にプランジャ部７を付勢する機能を持たせている。したがって、非通電時には、流路Ｊが閉じた状態、即ち、ノーマルクローズ機能を有するタイプとして構成される。板バネ８ｓに、このような機能を持たせれば、弁部６ｓが弁座部９ｓに密着する不具合が最も生じやすい状態にあってもＤＬＣ成膜層１０の有効作用により、弁部６ｓが弁座部９ｓから離間する際における十分な剥離性を確保できる。

このように、弾性部材８に、外縁側を固定し、かつ中心側でプランジャ部７を支持する板バネ８ｓを用いれば、流量制御弁１全体の小型化に寄与できることに加え、弁体部６が板バネ８ｓによる弾性圧力により支持され、弁部６ｓが弁座部９ｓに対して比較的強い圧力により当接（圧接）する場合であっても、ＤＬＣ成膜層１０の有効作用により、弁部６ｓが弁座部９ｓから離間する際における十分な剥離性を確保できる。

他方、アウタヨーク４ｆの外周面のおける下端部には、ロックナック２６を螺着するとともに、ロックナック２６の下方に位置するアウタヨーク４ｆの外周面には、上方に開口したステンレス素材等の非磁性材により一体形成したカップ状のベースブロック２７を螺着する。これにより、ベースブロック２７に対してアウタヨーク４ｆを回し操作することにより、ベースブロック２７（後述する弁座部９ｓ）と弁部６ｓ間の軸方向Ｆｓにおける相対位置を調整できるとともに、ロックナック２６により位置を固定（ロック）することができる。これにより、板バネ８ｓのバネ荷重を外部からの操作により変更調整可能なバネ調整機構部１２ｙが構成される。このようなバネ調整機構部１２ｙを設ければ、組立完了後の最終段階において板バネ８ｓにおけるバネ荷重を調整できるため、バラツキの少ない精度の高い流量制御弁１を提供できる利点がある。以上により、流量制御弁１における弁体機構部５が構成される。

また、ベースブロック２７の中心位置には、ネジ孔を有する円形開口部を形成し、この円形開口部に、金属素材Ｍにより一体形成したリング状のオリフィス部９を螺着して固定する。オリフィス部９は、上面部が、前述した弁部６ｓに対面する弁座部９ｓとして形成されるとともに、内周面は、流路Ｊの流入口Ｊｉとなる。これにより、前述した弁部６ｓの軸方向Ｆｓ前方に配し、かつ流路Ｊを仕切るように設けるとともに、弁部６ｓにより開閉される弁座部９ｓを有するオリフィス部９が構成される。

さらに、図２に示すように、オリフィス部９の回りに位置するベースブロック２７には、周方向へ等間隔に位置する流路Ｊの流出口Ｊｅ…を形成する。これにより、キャップ部材２４を含む弁体機構部５の下方とベースブロック２７の内面に囲まれる空間が流路Ｊとして形成される。以上が流量制御弁１の基本構成となる。

次に、本実施形態に係る流量制御弁１の要部の構成について、図１〜図８を参照して説明する。

上述した基本構成では、前述したように、流量制御弁１は、ノーマルクローズ機能を有するタイプとして構成されるため、ソレノイド部３の非通電時には、弁部６ｓが弁座部９ｓに当接（圧接）して流路Ｊを閉じている。この結果、非通電状態が継続した流量制御弁１を駆動する際に、使用環境等によっては、弁部６ｓが弁座部９ｓに密着し、駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を生じる問題があった。

このため、本実施形態に係る流量制御弁１は、弁部６ｓが当接する弁座部９ｓの表面９ｓｆに、当該表面９ｓｆに当接した弁部６ｓが離間する際の剥離性を高めるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）成膜層１０を設けたものである。図３に、弁座部９ｓを設けたオリフィス部９の部品図を示し、上側がオリフィス部９の平面図であり、下側がオリフィス部９の断面正面図となる。

また、本実施形態では、オリフィス部９の弁座部９ｓに対してＤＬＣ成膜層１０の設けることに加え、前述した弁体部６における弁部６ｓに対しては、図４に示すように、弁部６ｓの表面に、架橋処理によるシリコン系被膜層１１を設けている。これにより、弁部６ｓの表面を、架橋処理による表面改質により不活性化できるため、弁部６ｓと弁座部９ｓ間の固着の原因とされている水素結合を効果的に抑制することができる。しかも、弁座部９ｓに設けるＤＬＣ成膜層１０との相乗作用により、より高い剥離性を確保できるため、流量制御弁１における更なる安定性及び信頼性の向上に寄与できる利点がある。

この場合、シリコン系被膜層１１を設けるに際しては、図４に示すように、弁部６ｓの表面を、予め、ブラスト処理による粗面６ｓｃにより形成する。これにより、弁部６ｓの表面には微細な凹凸部が形成され、弁座部９ｓに対して密着する実質的な表面積を縮小できるため、分子間力を抑制し、分子間力と水素結合が原因とされている弁部６ｓと弁座部９ｓ間の固着性をより低減することができる。

そして、図４に示すように、この粗面６ｓｃ上に、架橋処理によるシリコン系被膜層１１を設ける。この場合、シリコン系被膜層１１の膜厚Ｌｃは、２〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定することが望ましい。このように選定することにより、弁部６ｓの変形等に対しても良好な追従性を確保することができる。また、シリコン系被膜層１１は、単層構造であってもよいが、図４に示すように、第一層１１ｆと第二層１１ｓからなる二層構造（一般的には多層構造）にすることにより、被膜強度を高め、より耐久性に優れるシリコン系被膜層１１を得ることができる。この場合、膜厚Ｌｃは、全層を含めて、２〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定することができるが、各層の膜厚を２〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定する場合を排除するものではない。

一方、オリフィス部９は、非磁性材となるステンレス素材（金属素材）により全体をリング状に形成し、図３に示すように、下端部に設けた大径のフランジ部３１と、上部の外周面に形成したネジ部３２と、上面部に形成した弁座部９ｓを備えており、ネジ部３２は、前述したベースブロック２７に螺着する。また、オリフィス部９の内周面（流入口Ｊｉ）における上半部は、上側が広くなるテーパ面３３に形成するとともに、このテーパ面３３に連続する上面部における弁座部９ｓの内側半部には、リング状をなす上方への盛上部３４を形成する。

実施形態では、図３に格子線により描いた成膜形成範囲Ｗ、即ち、テーパ面３３の中間位置から盛上部３４を覆うエリアを成膜形成範囲Ｗとして選定し、この成膜形成範囲ＷにＤＬＣ成膜層１０を設けた。したがって、ＤＬＣ成膜層１０を形成するに際しては、オリフィス部９における当該成膜形成範囲Ｗを除いた部分をマスキングし、この後、例えば、マスキングしたオリフィス部９を、所定の蒸着炉に収容するとともに、プラズマＣＶＤ（プラズマ化学気相成長）による薄膜形成方法などを用いて公知の蒸着処理を行えば、目的のＤＬＣ成膜を形成することができる。このようなマスキングを行うことにより、ネジ部３２等の不要な部位に対するＤＬＣ成膜の形成を排除できるため、ネジ部３２のネジ機能に悪影響を与えるなどの弊害を回避することができる。

また、ＤＬＣ成膜層１０の膜厚Ｌｓは、１．５〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定することが望ましく、特に、２〔μｍ〕前後の態様が最適である。図７及び図８は、膜厚に対して検証した特性図を示す。図７は、膜厚Ｌｓを２〔μｍ〕に選定した特性図であり、特性線Ｅｉｃはヒートサイクル環境の場合、Ｅｉｎは常温環境の場合をそれぞれ示す。図８は、膜厚Ｌｓを１〔μｍ〕に選定した特性図であり、特性線Ｅｓｃはヒートサイクル環境の場合、Ｅｓｎは常温環境の場合をそれぞれ示す。さらに、比較を容易にするため、図７中に、図８の特性線Ｅｓｃを仮想線により重ねて示した。

図８（図７）から明らかなように、１〔μｍ〕の場合、２〔μｍ〕の場合に対して、比較的低い電圧から応答しているものの、ヒートサイクル環境の場合には、特性線Ｅｓｃのように、駆動初期では、７〔Ｖ〕付近から急激に立ち上がる特性となり、不安定性が完全には解消されていない。ただし、図１０に示したように、ＤＬＣ成膜層１０を設けない背景技術に係るＥｒｃに対しては、かなり改善されていることを確認できる。一方、図７から明らかなように、ヒートサイクル環境における２〔μｍ〕の場合には、駆動初期における急激な立ち上がりはほぼ解消されている。

したがって、図７及び図８に示す検証結果より、膜厚Ｌｓが１，５〔μｍ〕を確保すれば、実用上問題のないレベルと想定される。他方、膜厚Ｌｓが大きすぎる場合は、ゴム素材により形成した弁部６ｓの性質が失われる虞れがあるとともに、ＤＬＣ成膜層１０の形成に時間がかかるなどのデメリットも大きくなるため、製造面の要請から、上限として、４．５〔μｍ〕程度が望ましいと考えられる。この結果、ＤＬＣ成膜層１０の膜厚Ｌｓは、１．５〜４．５〔μｍ〕の範囲に選定すれば、流量制御弁１の駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消できるため、ＤＬＣ成膜層１０の膜厚Ｌｓを選定する観点から、本発明の実現性及び有効性を確保できる望ましい態様（形態）として実施できる。

なお、図９には、２〔μｍ〕の膜厚Ｌｓに形成したＤＬＣ成膜層１０を設けた本実施形態に係る流量制御弁１の特性線Ｅｉｎ，Ｅｉｃと、背景技術に係るゴム素材により形成した弁部６ｓに密着力を低減する表面コーティングを施した場合であって、弁座部９ｓにＤＬＣ成膜層１０を設けない場合の特性線Ｅｒｃを重ねて示した。本実施形態に係る流量制御弁１（Ｅｉｃ）では、弁部６ｓに密着力を低減する表面コーティングのみを施した従来の流量制御弁（Ｅｒｃ）に対して、駆動開始時における制御動作は、かなり改善されていることを確認できる。

さらに、ＤＬＣ成膜層１０の硬度は、ヌープ硬度５００〜１５００〔ＨＫ〕の範囲に選定することが望ましい。５００〔ＨＫ〕を下回る場合には、柔らかすぎる態様となり、耐久性及び信頼性の観点からのデメリットを無視できないとともに、１５００〔ＨＫ〕を上回る場合には、ゴム素材により形成した弁部６ｓの性質が失われる虞れがあるデメリットを無視できない。したがって、ＤＬＣ成膜層１０の硬度は、ヌープ硬度５００〜１５００〔ＨＫ〕の範囲に選定することが望ましく、これにより、流量制御弁１の駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消できるため、ＤＬＣ成膜層１０の硬度を選定する観点から、本発明の実現性及び有効性を確保できる望ましい態様（形態）として実施できる。

このように、ステンレス素材（金属素材）を用いたオリフィス部９の表面９ｓｆに、ＤＬＣ成膜層１０を設けることにより表面上の活性酸化物を減少させるとともに、他方、ゴム素材を用いた弁部６ｓの表面にシリコン系溶剤を架橋させ、シリコン系被膜層１１を設けた表面改質により不活性状態としたため、オリフィス部９（弁座部９ｓ）と弁部６ｓが固着する原因といわれている水素結合を効果的に抑制することができる。

次に、本実施形態に係る流量制御弁１の使用方法及び動作について、図１〜図１０を参照して説明する。

本実施形態に係る流量制御弁１は、図６に示すようなマスフローコントローラ５１に利用することができる。符号４１はガス配管を示す。マスフローコントローラ５１は、このガス配管４１の中途位置に接続して使用する。図中、矢印Ｆｇはガスが流れる方向を示している。

流量制御弁１は、図１及び図２に示すように、流入口Ｊｉと流出口Ｊｅ…を有しているため、ガス配管４１の中途位置における上流側配管を流入口Ｊｉに接続するとともに、下流側配管を流出口Ｊｅ…に接続する。また、流量制御弁１に対して上流側に位置するガス配管４１の中途位置には流量センサ５２を接続する。流量センサ５２からは流量に比例した出力信号が得られるため、この出力信号は、アンプ５３の入力部に付与され、増幅されるとともに、増幅された流量検出信号は制御部５４に付与される。制御部５４には、監視部５５から流量指令が付与されるため、制御部５４は、流量検出信号を監視し、流量検出信号が流量指令に一致させるためのバルブ制御信号を出力する。このバルブ制御信号は、バルブドライバ５６の入力部に付与され、さらに、バルブドライバ５６からこのバルブ制御信号に対応した駆動電圧Ｖｄが流量制御弁１に付与される。即ち、マスフローコントローラ５１では、ガス配管４１を流れるガスの流量が検出され、検出された流量が流量指令に一致するように流量に対するフィードバック制御が行われる。

一方、流量制御弁１は、ノーマルクローズ機能を有するため、制御信号が０〔Ｖ〕のときは、非通電状態となる。この結果、流量制御弁１では、板バネ８ｓの弾性復帰力により、プランジャ部７及び弁体部６が下降変位し、弁部６ｓは、図５に示すように、オリフィス部９の上面部における弁座部９ｓに圧接している。したがって、ガスの供給が停止し、ガス配管４１を流れていない状態では、弁部６ｓが長期にわたって弁座部９ｓに圧接する状態となる。また、プランジャ部７が下降変位するため、プランジャ部７の上端面は、インナヨーク４ｉの下端面から離間し、プランジャ部７とインナヨーク４ｉ間には、図示しない所定の隙間が発生する。

この後、ガスの供給が開始し、流量制御弁１に所定の制御信号、例えば、９〔Ｖ〕が付与された場合を想定する。これにより、ソレノイド部７が励磁され、インナヨーク４ｉに磁極が生じることにより、プランジャ部７に対して、板バネ８ｓの弾性に抗した上方への吸引力が作用する。この場合、本実施形態に係る流量制御弁１では、図９に示すように、ヒートサイクルに対応する苛酷な環境下であっても、正常動作に従って、約５０〔Ｌ／ｍｉｎ〕の流量に制御される。しかし、図１０に示す背景技術に係る流量制御弁の場合には、流量制御弁が開かないエラー状態となる。

他方、制御信号の電圧が大きくなり、例えば、１２〔Ｖ〕の最大電圧の制御信号が付与された場合には、流量制御弁１は、全開状態となり、流量は、約２５０〔Ｌ／ｍｉｎ〕に制御される。図５中、レベルＨｏが弁部６ｓを最下降位置まで変位した全閉位置であり、弁部６ｓを実線で示すとともに、レベルＨｈが弁部６ｓが最上昇位置まで変位した全開位置であり、弁部６ｓを仮想線で示す。レベルＨｏとレベルＨｈ間の変位ストロークはＬｖとなる。したがって、例示の場合、駆動電圧Ｖｄを９〔Ｖ〕から１２〔Ｖ〕まで徐々に大きくすれば、駆動電圧Ｖｄの大きさに対応してガスの流量も徐々に増加する可変制御を行うことができる。

特に、駆動電圧Ｖｄは、オリフィス部９の前後差圧が２５０〔ｋＰａ〕以上であることを条件に、４〜６〔Ｖ〕の範囲において、０．２〜２００〔Ｌ／ｍｉｎ〕の流量を制御可能な傾き電圧に設定することができ、このように設定すれば、吸引力を徐々に強くしながら開度を大きくする際の良好な追従性を確保できる。

このように、本実施形態に係る流量制御弁１は、ソレノイド部３の外部に配したアウタヨーク４ｆ，及びソレノイド部３の内部に配したインナヨーク４ｉを有する電磁駆動部２と、インナヨーク４ｉの軸方向Ｆｓ前方に配し、かつゴム素材Ｒにより形成した弁部６ｓを有する弁体部６を支持するとともに、ソレノイド部３に印加する駆動電圧の大きさに対応して軸方向Ｆｓに変位するプランジャ部７，及びこのプランジャ部７を弾性支持する弾性部材８を有する弁体機構部５と、弁部６ｓの軸方向Ｆｓ前方に配し、かつ流路Ｊを仕切るように設けるとともに、弁部６ｓにより開閉される弁座部９ｓを有する金属素材Ｍにより形成したオリフィス部９との基本構成を備えるとともに、特に、少なくとも弁部６ｓが当接する弁座部９ｓの表面９ｓｆに、当該表面９ｓｆに当接した弁部６ｓが離間する際の剥離性を高める所定の膜厚Ｌｓを有するＤＬＣ成膜層１０を設けてなるため、ヒートサイクル環境のような苛酷の使用環境下であっても、駆動開始時（低電圧駆動時）において、制御動作が不安定（不能）になる不具合を解消することができ、流量制御弁１における高度の安定性及び信頼性を確保できる。

以上、好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、ＤＬＣ成膜層１０は、マスキングを施すことによりオリフィス部９における弁座部９ｓの一部に設けた場合を示したが、他の部位を含めた範囲、或いは全体範囲に設ける場合を排除するものではない。一方、弾性部材８として板バネ８ｓが望ましいが、コイルスプリング等の他の弾性部材により置換する場合を排除するものではない。また、実施形態では、ノーマルクローズ機能の流量制御弁１を例示したが、ノーマルオープン機能（非通電時に全開）を有するタイプであっても同様に適用できる。

本発明に係る流量制御弁は、流路を流れる、ガス，エア，液体等の流体の流量を可変制御する際における各種用途に利用できる。

１：流量制御弁，２：電磁駆動部，３：ソレノイド部，４ｆ：アウタヨーク，４ｉ：インナヨーク，５：弁体機構部，６：弁体部，６ｓ：弁部，７：プランジャ部，８：弾性部材，８ｓ：板バネ，９：オリフィス部，９ｓ：弁座部，９ｓｆ：弁座部の表面，１０：ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）成膜層，１１：シリコン系コーティング層，Ｆｓ：軸方向，Ｒ：ゴム素材，Ｍ：金属素材，Ｊ：流路，Ｌｓ：膜厚，Ｖｄ：駆動電圧，１１ｘ：バネ調整機構部，１１ｙ：バネ調整機構部

Claims (10)

1. ソレノイド部の外部に配したアウタヨーク，及び前記ソレノイド部の内部に配したインナヨークを有する電磁駆動部と、前記インナヨークの軸方向前方に配し、かつゴム素材により形成した弁部を有する弁体を支持するとともに、前記ソレノイド部に印加する駆動電圧の大きさに対応して軸方向に変位するプランジャ部，及びこのプランジャ部を弾性支持する弾性部材を有する弁体機構部と、前記弁部の軸方向前方に配し、かつ流路を仕切るように設けるとともに、前記弁部により開閉される弁座部を有する金属素材により形成したオリフィス部とを備える流量制御弁において、前記弁部を、フッソ系ゴム素材により形成し、かつ表面に、架橋処理による単層又は多層構造によるシリコン系被膜層を設けるとともに、少なくとも当該弁部が当接する前記弁座部の表面に、当該表面に当接した前記弁部が離間する際の剥離性を高める所定の膜厚を有するＤＬＣ成膜層を設けてなることを特徴とする流量制御弁。
2. 前記弾性部材は、外縁側を固定し、かつ中心側でプランジャ部を支持する板バネを用いることを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
3. 前記弾性部材は、前記ソレノイド部の非通電時に、前記弁部を前記弁座部に当接させる方向に前記プランジャ部を付勢する機能を有することを特徴とする請求項１又は２記載の流量制御弁。
4. 前記板バネは、非線形特性のバネ荷重を有することを特徴とする請求項２記載の流量制御弁。
5. 前記弁体機構部は、前記板バネにおけるバネ荷重及び（又は）ストロークを外部からの操作により変更調整可能なバネ調整機構部を備えることを特徴とする請求項２記載の流量制御弁。
6. 前記弁部は、表面を、ブラスト処理による凹凸面により形成することを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
7. 前記シリコン系被膜層は、膜厚を３〜４〔μｍ〕の範囲に選定してなることを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
8. 前記ＤＬＣ成膜層は、膜厚を２〜４〔μｍ〕の範囲に選定してなることを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。
9. 前記ＤＬＣ成膜層は、硬度をヌープ硬度５００〜１５００〔ＨＫ〕の範囲に選定してなることを特徴とする請求項１又は８記載の流量制御弁。
10. 前記駆動電圧は、前記オリフィス部の前後差圧が２５０〔ｋＰａ〕以上であることを条件に、４〜６〔Ｖ〕の範囲において、０．２〜２００〔Ｌ／ｍｉｎ〕の流量を制御可能な傾き電圧に設定することを特徴とする請求項１記載の流量制御弁。

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