JP7061587B2

JP7061587B2 - 流体制御弁

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Publication number: JP7061587B2
Application number: JP2019072554A
Authority: JP
Inventors: 敏男岩田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2022-04-28
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Description

本発明は、同軸上に並ぶ複数のピストンが内部で摺動する多段ピストンアクチュエータ部と、制御流体が流入する入力口と、制御流体が流出する出力口とを備える弁部と、からなる流体制御弁に関するものである。

半導体製造工程におけるガス制御には、内部をピストンが摺動するアクチュエータ部と、ピストンの摺動により弁体の開閉を行う弁部と、からなる流体制御弁が用いられている。近年、半導体製造装置では、多種のガスの切り換えを行うため、設置すべき流体制御弁の数が増加している。流体制御弁の設置する数が増加すると、その分半導体製造装置の設置面積が大きくなってしまうため、流体制御弁の小型化を図り、半導体製造装置内での流体制御弁の設置面積を減少させることが課題となっている。

しかし、確実に開弁および閉弁動作を行うためには、ピストンの推力を確保する必要がある。ピストンの推力を確保するためには、ピストンの操作流体の圧力を受ける受圧面の面積を確保する必要があるが、受圧面の面積を確保するためにピストンのサイズを拡大してしまうと、アクチュエータ部のサイズが大きくなり、流体制御弁の設置面積が拡大してしまう。

そこで、例えば特許文献１に開示される流体制御弁１００（図７参照）のように、第１ピストン１０１Ａから第６ピストン１０１Ｆまで、同軸上に６個のピストンを並べることで、円柱状のアクチュエータ部Ｖの直径を抑えつつ、ピストンの受圧面の面積を確保しているものが用いられている。流体制御弁１００は、厚み方向（図７の奥行方向）に複数個並べて使用されるが、図７に示す例では、アクチュエータ部Ｖの直径は、弁部Ｗの厚み寸法（図７の奥行方向の寸法）と同程度に抑えられており、流体制御弁１００を厚み方向に隣接して並べても、隣接する流体制御弁１００のアクチュエータ部Ｖが干渉しあうことがないため、流体制御弁１００を隙間なく並べることができる。よって、設置面積の増大を防ぐことができるのである。なお、第１ピストン１０１Ａから第６ピストン１０１Ｆは全て同一のピストンであるため、以下、符号のアルファベットは適宜省略して説明する（シリンダ１０２Ａ－１０２Ｆ，スプリング１０４Ａ－１０４Ｆ，Ｏリング１０５Ａ－１０５Ｆも同様である）。

特開２０１５－１０８４２１号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような問題があった。
図７に示す円柱状のアクチュエータ部Ｖの直径は鉛筆と同程度であり、小型ではあるものの、アクチュエータ部Ｖの直径が小さい分、内部に収納されるピストン１０１の径が小さくなる。そのため、ピストン１０１の推力を確保するためには、４つ以上のピストン１０１を積み重ねることが必要であることが分かっており、図７に示すように、６つのピストン１０１を積み重ねて用いられるケースが多い。ピストン１０１の個数が多くなると、ピストン１０１を装填するためのシリンダ１０２の個数が多くなる。さらに、複数段重ねたシリンダ１０２同士は相互に組み付く手段を有していないため、シリンダ同士を固定する手段が必要であること、また、アクチュエータ部Ｖを弁部Ｗに固定する必要があることから、チューブ形状の外装部材１０３が必要であった。このように、アクチュエータ部Ｖを構成する部品点数が多く、製品コストが増大していた。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、ピストンの推力を確保しつつ部品点数を削減することができる流体制御弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の流体制御弁は、次のような構成を有している。
（１）同軸上に並ぶ複数のピストンが内部で摺動する多段ピストンアクチュエータ部と、制御流体が流入する入力口と、制御流体が流出する出力口とを備える弁部と、からなる流体制御弁において、ピストンは、入力口の中心と出力口の中心を結ぶ仮想線に直交する方向が摺動方向であること、多段ピストンアクチュエータ部の、前記仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法が、弁部の、前記仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法以下であること、ピストンの、前記摺動方向に直交する断面は、長手方向が前記仮想線に平行な、長円形状または楕円形状であること、多段ピストンアクチュエータ部は、ピストンの摺動方向の同軸上に並ぶ第１シリンダと、第２シリンダとからなること、第１シリンダは、弁部に連結され、第１シリンダの、弁部と連結される側とは反対側の面は、仮想線方向の両端部に嵌合部を備え、嵌合部に、第２シリンダが組付けられること、を特徴とする。

（３）（１）に記載の流体制御弁において、嵌合部は、第１シリンダの、弁部と連結される側とは反対側の面の、仮想線方向の両端部から突設されていること、第２シリンダは、第２シリンダの仮想線方向の両端面が、突設された嵌合部の内面に隙間をもって保持されること、第２シリンダの内部には、弾性部材により閉弁方向に付勢されるピストンが装填されるピストン室を備えており、ピストンは、ピストンの外周面とピストン室の内壁面に圧縮されるＯリングを備えること、弾性部材によるピストンに対する付勢力が偏ることでピストンの軸心が傾いたとしても、前記隙間があることによって、第２シリンダが、前記軸心の傾きに追従し、Ｏリングの圧縮率が偏らないこと、を特徴とする。

本発明の流体制御弁は、上記構成を有することにより次のような作用・効果を有する。
（１）に記載の流体制御弁によれば、多段ピストンアクチュエータ部の厚みは、弁部の厚み以下であるため、複数の流体制御弁を厚み方向に隣接して並べても、隣接する流体制御弁の多段ピストンアクチュエータ部が干渉しあうことがなく、流体制御弁を隙間なく並べることができ、設置面積の増大を防ぐことができる。また、多段ピストンアクチュエータ部の厚みを抑えたとしても、多段ピストンアクチュエータの内部を摺動するピストンの、摺動方向に直交する断面を、長手方向が入力口の中心と出力口の中心を結ぶ仮想線と平行な長円形状または楕円形状とすることで、例えば、多段ピストンアクチュエータ部の厚み寸法に影響を与えることなく、操作流体の圧力を受ける受圧面の面積を、従来の真円形状のピストンよりも、増大させることができる。例えば、受圧面の面積を従来の面積の３倍とすれば、従来のピストンを６段重ねた場合の推力と同等の推力を、本発明のピストンでは２段重ねることで確保することができる。推力を確保しつつ、段数が少なくなれば、部品点数は削減され、流体制御弁の製品コストを抑えることが可能である。

ピストンの断面を楕円形状とした場合、長手方向の寸法と短手方向の寸法が同一である長円形状のピストンよりも受圧面の面積が小さくなるものの、ピストンにＯリングを取り付けた場合に、以下のようなメリットがある。

例えば図７に示すように、従来からピストン１０１の外周面にはＯリング１０５を取り付け、ピストン室を気密に保つことが行われる。Ｏリング１０５の内径は、ピストン１０１に取り付けられた際に抜け落ちないようにするため、ピストン１０１の外径よりも小さくすることが一般的である。したがって、ピストン１０１取り付けられたＯリング１０５は、ピストン１０１の外周の寸法に合わせて引き延ばされることとなる。
ここで、ピストンの形状を長円形状とすると、Ｏリングをピストンに取り付けた際、Ｏリングが引き延ばされた際の伸び率が全周で均一とならないため、Ｏリングが、ピストンの外周面とピストン室の内面とに圧縮されたときに、圧縮率に偏りが生じるおそれがある。しかし、ピストンを楕円形状とすれば、伸び率の不均一さが緩和され、圧縮率の偏りも緩和されるというメリットがある。

また、多段ピストンアクチュエータ部は、第１シリンダと、第２シリンダから構成されており、第２シリンダは、第１シリンダが備える嵌合部に組付けられるため、シリンダ同士を組み付けることが可能である。さらに、第１シリンダは、弁部に連結されるため、第２シリンダが組付けられた第１シリンダを弁部に連結することで、アクチュエータ部を弁部に連結することが可能である。よって、従来の流体制御弁のように、複数段重ねたシリンダ同士を固定するため、およびアクチュエータ部を弁部と固定するための外装部材が必要でない。よって、部品点数の削減が可能であり、流体制御弁の製品コストを抑えることができる。

また、従来は、図７に示すように外装部材１０３の中空部に固定されるシリンダ１０２の内部にピストン１０１が装填されていたため、ピストン１０１の外径は、アクチュエータ部Ｖの直径から外装部材１０３の肉厚と、シリンダ１０２の肉厚とを差し引いた値よりも小さくなっていた。本発明においては、第１シリンダと第２シリンダによって多段ピストンアクチュエータ部が構成されるため、ピストンの外形状寸法は、多段ピストンアクチュエータ部の外形寸法から、第１シリンダまたは第２シリンダの肉厚のみを差し引いた値に収まれば良いため、従来よりもピストンの受圧面の面積を確保しやすく、推力の確保が容易である。

（３）に記載の流体制御弁によれば、Ｏリングの過圧縮による変形や耐久性の低下を防ぐことができる。
図７に示す従来の流体制御弁は、ピストン１０１が、弾性部材としてのスプリング１０４により閉弁方向に付勢されており、アクチュエータ部Ｖに操作流体が供給されていないときは、ステム１０６に結合された弁体１０７が弁座１０８に当接し、流体制御弁１００は閉弁状態にある。スプリング１０４はコイルばねであり、ピストン１０１の上端面に対する付勢力が偏って負荷されることがある。本発明のように、ピストンを長円形状または楕円形状とすると、スプリングのピストンに対する付勢力の偏りによって、ピストンの軸心の傾きが生じやすくなるおそれがある。ピストンの軸心が傾くと、ピストンの外周面とピストン室の内面とをシールするＯリングの圧縮率が、全周において均一とならずに偏りが生じる。Ｏリングの圧縮率に偏りが生じると、Ｏリングの過圧縮による変形や耐久性の低下を招くおそれがある。

本発明の第２シリンダは、第２シリンダの仮想線方向の両端面が、突設された嵌合部の内面に隙間をもって保持されるため、第２シリンダは仮想線方向に自由度を持って保持されている。第２シリンダが自由度をもって保持されているため、第２シリンダのピストン室に装填されるピストン対するスプリングの付勢力が偏り、ピストンの軸心が傾いたとしても、第２シリンダが、ピストンの傾きに追従することができ、Ｏリングの圧縮率の偏りを防止することができる。よって、Ｏリングの過圧縮による変形や耐久性の低下を防止することができるのである。

本発明の実施形態に係る流体制御弁の外観を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る流体制御弁の断面図である。本発明の実施形態に係る流体制御弁の側方断面図であり、多段ピストンアクチュエータ部を拡大したものである。（ａ）は第１シリンダおよび第２シリンダの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は第１シリンダに第２シリンダを組み付けた状態を示す斜視図である。（ａ）は第１ピストンの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は第２ピストンの外観を示す斜視図である。（ａ）は図１の第２ピストン周辺の拡大図であり、（ｂ）はスプリングの第２ピストンに対する押圧力に偏りが生じ、第２ピストンが傾いた状態を表す。従来の流体制御弁の断面図である。

本発明の流体制御弁１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、流体制御弁１の構成について説明する。
流体制御弁１は、図１および図２に示すように、流体を制御する弁部Ｙと、弁部Ｙに駆動力を与える多段ピストンアクチュエータ部Ｘを備える。多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、後述する入力口１１ａ，出力口１１ｂの中心同士を結ぶ仮想線に直交する方向、かつ、後述する第１ピストン２１，第２ピストン２２の摺動方向に直交する方向（すなわち図２の奥行方向）の厚み寸法が弁部Ｙの厚み寸法よりもやや小さくなっており、略直方体状の外観を構成している。そして、多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、弁部Ｙに連結している。

弁部Ｙは、図２に示すように、ボディ１１とアダプタ１２を備える。ボディ１１の下面（図２の下方向の面）には、制御流体が流入する入力口１１ａと、制御流体が流出する出力口１１ｂが形成されており、入力口１１ａから出力口１１ｂまでは、入力流路１１ｃと、弁室１１ｅと、出力流路１１ｄと、により連通されている。

ボディ１１の上面（図２の上方向の面）には、取付孔１１ｆが形成されており、アダプタ１２が螺合されている。
取付孔１１ｆの底面には弁座１３が圧入固定されており、さらに弁座１３の上方向には、ダイアフラム弁体１４が組付けられている。ダイアフラム弁体１４は円盤状であり、上方になだらかに膨出して湾曲している。そして、膨出した部分が下方に弾性変形することで、弁座１３に当接する。ダイアフラム弁体１４が、弁座１３に当接すると、入力流路１１ｃと弁室１１ｅは遮断される。一方で、ダイアフラム弁体１４が弾性変形前の状態に戻ると、ダイアフラム弁体１４が弁座１３から離間し、入力流路１１ｃと弁室１１ｅは連通する。

ダイアフラム弁体１４は、外周部の上面が弁体押え１６の下面に当接しており、アダプタ１２がボディ１１の取付孔１１ｆに螺合されると、弁体押え１６を介して、上方から押さえられるようにして固定される。
弁体押え１６は筒状となっており、内部に円柱状のステム１５が摺動可能に保持されている。ステム１５は、ダイアフラム弁体１４の上面中央部に当接した状態で配置される。

アダプタ１２は、上端部にフランジ部１２ａを備えており、後述する第１シリンダ２３の下端部に設けられた角ピン挿通孔２３ｆに挿通される角ピン４１により、多段ピストンアクチュエータ部Ｘと結合している。

図１および図２に示すように、多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、第１シリンダ２３と第２シリンダ２４とキャップ２５とを備える。第１シリンダ２３と第２シリンダ２４とキャップ２５とは全てＰＰＳ樹脂による成形品である。樹脂成型品は金型により量産可能であるため、製造コストを削減することができる。

第１シリンダ２３は、弁部Ｙと結合される側とは反対側の面（以下上面という）の、入力口１１ａの中心と出力口１１ｂの中心を結ぶ仮想線の方向（以下、長手方向）の両端部に嵌合部２３ａが突設されており、図２に示すように断面が略コの字状となっている。嵌合部２３ａの内面は、上面視において円弧状の、第２シリンダ２４を保持する保持面２３ｄとなっている。そして、第１シリンダ２３の上面には、嵌合部２３ａに挟まれるようにして、第１ピストン２１が装填される第１ピストン室２３ｂが穿設されている。さらに、第１ピストン室２３ｂの底面には、Ｏリング２６が取り付けられる凹部２３ｃが備えられ、凹部２３ｃの底面には、第１ピストン２１のピストンロッド２１ｂが挿通される貫通孔２３ｅが備えられている。また、第１シリンダ２３は、下面に、アダプタ１２の上端部が挿入されるアダプタ挿入溝２３ｈを備える。

第２シリンダ２４は、入力口１１ａの中心と出力口１１ｂの中心を結ぶ仮想線の方向（以下、長手方向）の両端面が、上面視において円弧状の、第１シリンダ２３の保持面２３ｄに保持される被保持面２４ｄとなっている。円弧状の保持面２３ｄと、円弧状の被保持面２４ｄが組み合うことで、第２シリンダ２４は長手方向だけでなく、短手方向にも位置決めがされる。また、第２シリンダ２４は、上面に、第２ピストン２２が装填される第２ピストン室２４ｂが穿設されている。さらに、第２ピストン室２４ｂの底面には、Ｏリング２８が取り付けられる凹部２４ｃが備えられ、凹部２４ｃの底面には、第１ピストン２１のピストンロッド２１ｃが挿通される貫通孔２４ｅが備えられている。

キャップ２５は、上面に、操作流体を給排気する給排気ポート２５ａを有している。給排気ポート２５ａにはワンタッチ継手（図示せず）を螺合することができ、当該ワンタッチ継手にエアチューブを接続することで、多段ピストンアクチュエータ部Ｘに対する操作流体の給気または排気を行うことができる。
また、キャップ２５は、給排気ポート２５ａと連通した貫通孔２５ｂを備えており、貫通孔２５ｂには、第２ピストン２２のピストンロッド２２ｂが、キャップ２５の下面側から挿通される。そして、ピストンロッド２２ｂの外周面と貫通孔２５ｂの内面との間にＯリング３０が配置されており、給排気ポート２５ａから供給される操作流体が、多段ピストンアクチュエータ部Ｘ内の、後述する加圧室以外の部分に漏れてしまうことを防止している。さらにまた、キャップ２５は、下端面から突設される一対のロック部２５ｃを備えており、ロック部２５ｃは、第１シリンダ２３の嵌合部２３ａの上端部に設けられた丸ピン挿通孔２３ｇに挿通される丸ピン４２と係合し、第１シリンダ２３に固定されている。

また、多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、図２および図３に示すように、第１ピストン室２３ｂに装填される第１ピストン２１と、第２ピストン室２４ｂに装填される第２ピストン２２とが、同軸上に直列に並んでいる。同軸上とは、軸心が同じであることをいう。なお、第１ピストン２１と、第２ピストン２２とは、ＰＰＳ樹脂による成形品である。図７に示す従来の流体制御弁１００におけるピストン１０１は削り出しにより製作されていたため、製造コストがかかっていたが、本発明の流体制御弁１においては、樹脂成型品とすることで、製造コストを削減することができる。

第２ピストン２２は、第２ピストン室２４ｂに摺動可能に装填され、第２ピストン室２４ｂを、２つの空間に区画している。当該２つの空間の内、第２ピストン２２の下面側（図２の下方向側）は操作流体が流入する加圧室となる。また、第２ピストン２２の上面側（図２の上方向側）には、スプリング３１が、第２ピストン２２を弁閉方向（図２の下方向）に付勢した状態で、第２ピストン２２と同軸上に配置されている。

第２ピストン２２は、図５（ｂ）に示すように、ピストン部２２ａにピストンロッド２２ｂを一体的に成形されたものである。ピストン部２２ａは、摺動方向に直交する断面が長円形状であり、外周の寸法は第２ピストン室２４ｂの内周の寸法よりやや小さくなっている。

ピストン部２２ａには、ゴムなどの弾性体からなるＯリング２９を装着するための装着溝２２ｃが外周面に沿って設けられている。Ｏリング２９の内周の寸法は、装着溝２２ｃに取り付けられた際に抜け落ちないようにするため、装着溝２２ｃの外周の寸法よりも小さくなっている。

第２ピストン２２の下面には、第１ピストン２１のピストンロッド２１ｃの上端面が当接する凹部２２ｅが形成されている。そして、凹部２２ｅを挟むように、加圧室に操作流体が供給されたときに圧力を受ける受圧面２２ｆが形成されている。また、第２ピストン２２は、ピストンロッド２２ｂの軸方向に、内部流路２２ｄが貫通されている。

第１ピストン２１は、第１ピストン室２３ｂに摺動可能に装填され、第１ピストン室２３ｂを、２つの空間に区画している。当該２つの空間の内、第１ピストン２１の下面側（図中下方向側）は操作流体が流入する加圧室となる。

第１ピストン２１は、図５（ａ）に示すように、ピストン部２１ａにピストンロッド２１ｂ，２１ｃを一体的に成形されたものである。ピストン部２１ａは、摺動方向に直交する断面が長円形状であり、外周の寸法が第１ピストン室２３ｂの内周の寸法よりやや小さくなっている。

ピストン部２１ａには、ゴムなどの弾性体からなるＯリング２７を装着するための装着溝２１ｄが外周面に沿って設けられている。Ｏリング２７の内周の寸法は、装着溝２１ｄに取り付けられた際に抜け落ちないようにするため、装着溝２１ｄの外周の寸法よりも小さくなっている。そして、ピストン部２１ａの下面は、加圧室に操作流体が供給されたときに圧力を受ける受圧面２１ｈが形成されている。

さらに、第１ピストン２１の内部には、軸方向に内部流路２１ｅが形成されている。そして、ピストンロッド２１ｂは、ピストンロッド２１ｂの外周面と内部流路２１ｅを貫通する流路２１ｆを備えており、流路２１ｆは、図３に示すように、第１ピストン室２３ｂの加圧室に連通している。また、ピストンロッド２１ｃは上端部に、流路２１ｇを備えており、流路２１ｇは、図３に示すように、第２ピストン室２４ｂの加圧室に連通している。

キャップ２５に形成された給排気ポート２５ａは、第２ピストン２２の内部流路２２ｄおよび第１ピストン２１の流路２１ｇを介して第２ピストン室２４ｂと連通し、第２ピストン２２の内部流路２２ｄ、第１ピストン２１の内部流路２１ｅおよび流路２１ｆを介して第１ピストン室２３ｂと連通している。したがって、給排気ポート２５ａに操作流体が供給されると、図３に示す矢印Ｆのように、第１ピストン室２３ｂの加圧室と、第２ピストン室２４ｂの加圧室とに、操作流体が供給される。

第１ピストン室２３ｂの加圧室は、ピストンロッド２１ｂの外周面と第１ピストン室２３ｂの底面に設けられた凹部２３ｃの内周面とに圧縮されたＯリング２６と、ピストン部２１ａの外周面と第１ピストン室２３ｂの内周面とに圧縮されたＯリング２７と、により気密に保たれている。よって、加圧室に操作流体が供給されると、加圧室の圧力が高まり、第１ピストン２１を押し上げることが可能となる。

第２ピストン室２４ｂの加圧室は、第１ピストン２１のピストンロッド２１ｃの外周面と第２ピストン室２４ｂの底面に設けられた凹部２４ｃの内周面とに圧縮されたＯリング２８と、ピストン部２２ａの外周面と第２ピストン室２４ｂの内周面とに圧縮されたＯリング２９と、により気密に保たれている。よって、加圧室に操作流体が供給されると、加圧室の圧力が高まり、第２ピストン２２を押し上げることが可能となる。

第１ピストン２１のピストンロッド２１ｂの下端面は、ステム１５の上端面に当接している。そして、ピストンロッド２１ｃの上端面は、第２ピストンの凹部２２ｅに当接している。さらに、スプリング３１が、第２ピストン２２を弁閉方向に付勢しているため、スプリング３１による付勢力が、第２ピストン２２と第１ピストン２１とステム１５を介して、ダイアフラム弁体１４を弁座１３に当接させる力、すなわち流体制御弁１を閉弁するためのシール力となる。一方で、操作流体が第１ピストン室２３ｂの加圧室および第２ピストン室２４ｂの加圧室に供給された場合、第１ピストン２１の受圧面２１ｈが圧力を受けることにより生じる推力と、第２ピストンの受圧面２２ｆが圧力を受けることにより生じる推力との合計が、スプリング３１の付勢力（シール力）を超えた時に、第１ピストン２１および第２ピストン２２が上方に移動を開始し、流体制御弁１は開弁される。

流体制御弁１を確実に開弁するためには、スプリング３１の付勢力に抗するだけの第１ピストン２１と第２ピストン２２の推力を確保しなければならない。推力は、操作流体による圧力と、受圧面２１ｈ，２２ｆの面積により定まるため、受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を大きくすることで、推力を確保することが容易となる。

従来は、図７に示すように外装部材１０３の中空部に固定されるシリンダ１０２の内部にピストン１０１が装填されていたため、ピストン１０１の外径は、アクチュエータ部Ｖの直径から外装部材１０３の肉厚と、シリンダ１０２の肉厚とを差し引いた値（つまりピストン室の大きさ）よりも小さくなっていた。しかし、本実施形態においては、第１シリンダ２３と第２シリンダ２４によって多段ピストンアクチュエータ部Ｘが構成されるため、第１ピストン室２３ｂ，第２ピストン室２４ｂを従来よりも広くすることが容易である。つまり、第１ピストン２１，第２ピストン２２の外形寸法は、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの外形寸法から、第１シリンダ２３または第２シリンダ２４の肉厚のみを差し引いた値に収まれば良い。したがって、本実施形態の多段ピストンアクチュエータ部Ｘの厚みは、従来のアクチュエータ部Ｖの直径と同等であるが、第１ピストン２１，第２ピストン２２の短手方向の外形寸法を、従来のピストン１０１の直径よりも大きくすることができる。よって、受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を従来よりも大きくすることが容易であり、スプリング３１の付勢力に抗するための推力の確保が容易となる。なお、ピストン室２３ｂ，２４ｂを従来よりも広くすることができることから、ピストンロッド２１ｂ，２１ｃ，２２ｂを従来よりも太くすることができ、強度の向上を図ることが可能である。

また、第１ピストン２１と第２ピストン２２の摺動方向に直交する断面の形状が長円形状であるため、従来のピストン１０１よりも、第１ピストン２１，第２ピストン２２の外形寸法を大きくすることができ、受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を従来よりも大きくすることが容易であり、スプリング３１の付勢力に抗するための推力の確保が容易となる。

本実施形態において、第１ピストン２１と第２ピストン２２の、それぞれの受圧面２１ｈ，２２ｆの面積は、従来のピストン１０１の約３倍となっている。したがって、従来のピストン１０１を６段重ねた場合の推力と同等の推力を、第１ピストン２１，第２ピストン２２では、２段重ねることで確保することができる。従来よりも段数が少ないため、部品点数が削減され、流体制御弁１の製品コストを抑えることが可能である。

ここで、スプリング３１はコイルばねであるため、第２ピストン２２に対する付勢力に偏りが生じる可能性がある。第２ピストン２２は長円形状であるため、スプリング３１の第２ピストン２２に対する付勢力に偏りによる第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が、本来の中心軸ＣＬ１に対して傾きやすくなるおそれがある。第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が傾くと、第２ピストン２２の外周面と第２ピストン室２４ｂの内面とをシールするＯリング２９の圧縮率が、全周において均一とならずに偏りが生じる。Ｏリングの圧縮率に偏りが生じると、Ｏリングの過圧縮による変形や耐久性の低下を招くおそれがある。

しかし、本発明の第２シリンダ２４は、図６（ａ）に示すように、第２シリンダ２４の被保持面２４ｄが、第１シリンダ２３の保持面２３ｄに隙間Ｃ１，Ｃ２をもって保持されるため、第２シリンダ２４は長手方向に自由度を持って保持されている。よって、第２シリンダ２４のピストン室２４ｂに装填される第２ピストン２２対するスプリング３１の付勢力が偏り、第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が、本来の中心軸ＣＬ１に対して傾いたとしても、第２シリンダ２４が、第２ピストン２２の傾きに追従することができ、Ｏリング２９の圧縮率の偏りを緩和することができる。例えば、図６（ｂ）に示す例では、第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が、本来の中心軸ＣＬ１に対して図中左方向に傾いているが、第２シリンダ２４が図中右方向に移動すること、すなわち隙間Ｃ１が小さくなることで、第２シリンダ２４が第２ピストン２２の傾きに追従している。第２シリンダ２４が、第２ピストン２２の傾きに追従することで、Ｏリング２９の圧縮率に偏りを防止することができ、過圧縮による変形や耐久性の低下を防止することができる。

次に、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの組み立て方について説明する。
まず、第１ピストン２１の装着溝２１ｄにＯリング２７を、第２ピストン２２の装着溝２２ｃにＯリング２９を装着する。そして、第２ピストン２２のピストンロッド２２ｂには、スプリング３１を装着する。さらに、第１シリンダ２３の凹部２３ｃにＯリング２６を、第２シリンダ２４の凹部２４ｃにＯリング２８を装着する。

次に、第１シリンダ２３の第１ピストン室２３ｂに、第１ピストン２１を装填する。そして、図４（ａ）に示すように、第２シリンダ２４を、第１シリンダ２３の上方から嵌合部２３ａに組み付け、図４（ｂ）に示すような状態とする。なお、第１ピストン２１が第１ピストン室２３ｂに装填された状態で組み付けを行うが、図４では第１ピストン２１を省略している。

そして、第２ピストン２２を第２シリンダ２４のピストン室２４ｂに装填した後、上方よりキャップ２５を取り付け、第１シリンダ２３の丸ピン挿通孔２３ｇに丸ピン４２を挿通することでキャップ２５を固定する。以上で、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの組み立てが完了する。
従来の多段ピストンアクチュエータ部に比べ、部品点数が少ないため、組み立てが容易であり、作業工数を削減することができる。

組み立てた多段ピストンアクチュエータ部Ｘを弁部Ｙに組付けることで流体制御弁１が完成される。多段ピストンアクチュエータ部Ｘの弁部Ｙへの固定は、第１シリンダ２３の下端面に形成されているアダプタ挿入溝２３ｈ内部に、弁部Ｙのアダプタ１２が位置するようにし、角ピン挿通孔２３ｆに角ピン４１挿通させ、角ピン４１を、アダプタ１２のフランジ部１２ａに係合させることで行われる。

次に、流体制御弁１の動作について説明する。
流体制御弁１は、給排気ポート２５ａに操作流体が供給されないとき、スプリング３１の弾性力によって、第２ピストン２２が閉弁方向（図中下方向）に押し下げられ、第１ピストン２１とステム１５を介してダイアフラム弁体１４を下方へ弾性変形させる。弾性変形したダイアフラム弁体１４は、弁座１３に当接するため、入力口１１ａに供給された制御流体は、遮断され、出力口１１ｂへ流れない。

給排気ポート２５ａより操作流体が供給されると、操作流体は、内部流路２２ｄから流路２１ｇを介して第２ピストン室２４ｂの加圧室に流入するとともに、内部流路２２ｄおよび内部流路２１ｅから流路２１ｆを介して第１ピストン室２３ｂの加圧室にも流入する。第１ピストン室２３ｂの加圧室と第２ピストン室２４ｂの加圧室とに操作流体が流入すると、それぞれＯリング２６，２７，２８，２９により気密に保たれているため、加圧室の内部の圧力が上昇していく。そして、第１ピストン２１の受圧面２１ｈにかかる圧力と第２ピストン２２の受圧面２２ｆにかかる圧力との合計が、スプリング３１の弾性力を超えると、第１ピストン２１と第２ピストン２２とが上昇し始める。第１ピストン２１と第２ピストン２２とが上昇すると、ステム１５を上方から押えていた力がなくなり、弾性変形していたダイアフラム弁体１４は、ステム１５を押し上げながら弾性変形前の状態に戻る。すると、ダイアフラム弁体１４が弁座１３から離間するため、この状態で入力口１１ａに制御流体を供給すると、制御流体は、入力流路１１ｃと弁室１１ｅと出力流路１１ｄとを通り、出力口１１ｂから出力される。

上記実施形態においては、第１ピストン２１と第２ピストン２２の摺動方向に直交する断面の形状を長円形状としているが、同断面の形状を楕円形状としても良い。
第１ピストン２１，第２ピストン２２の断面を楕円形状とした場合、長手方向の寸法と短手方向の寸法が同一である長円形状のピストンよりも受圧面積が小さくなるものの、第１ピストン２１，第２ピストン２２にＯリング２７，２９を取り付けた場合に、以下のようなメリットがある。

Ｏリング２７，２９の内周の寸法は、装着溝２１ｄ，２２ｃに取り付けられた際に抜け落ちないようにするため、装着溝２１ｄ，２２ｃの外周の寸法よりも小さくなっている。したがって、装着溝２１ｄ，２２ｃに取り付けられたＯリング２７，２９は、装着溝２１ｄ，２２ｃの外周の寸法に合わせて引き延ばされることとなる。

第１ピストン２１，第２ピストン２２の断面が長円形状である場合、Ｏリング２７，２９を第１ピストン２１，第２ピストン２２に取り付けた際、Ｏリング２７，２９が引き延ばされた際の伸び率が全周で均一とならないおそれがあり、Ｏリング２７，２９が、装着溝２１ｄ，２２ｃの外周面とピストン室２３ｂ，２４ｂの内面とに圧縮されたときに、圧縮率に偏りが生じるおそれがある。しかし、第１ピストン２１，第２ピストン２２を楕円形状とすれば、伸び率の不均一さが緩和され、圧縮率の偏りも緩和されるというメリットがある。

以上説明したように、本実施形態の流体制御弁１によれば、
（１）同軸上に並ぶ複数のピストン（第１ピストン２１，第２ピストン２２）が内部で摺動する多段ピストンアクチュエータ部Ｘと、制御流体が流入する入力口１１ａと、制御流体が流出する出力口１１ｂとを備える弁部Ｙと、からなる流体制御弁１において、第１ピストン２１，第２ピストン２２は、入力口１１ａの中心と出力口１１ｂの中心を結ぶ仮想線に直交する方向が摺動方向であること、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの、入力口１１ａの中心と出力口１１ｂの中心を結ぶ仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法が、弁部Ｙの、前記仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法以下であること、第１ピストン２１，第２ピストン２２の、前記摺動方向に直交する断面は、長手方向が前記仮想線に平行な、長円形状または楕円形状であること、を特徴とするので、設置面積の増大を防ぐことができるとともに、ピストンの推力を確保しつつ、部品点数が削減され、流体制御弁１の製品コストを抑えることが可能である。

多段ピストンアクチュエータ部Ｘの厚みは、弁部Ｙの厚み以下であるため、従来の流体制御弁１００のように、複数の流体制御弁１を厚み方向に隣接して並べても、隣接する流体制御弁１の多段ピストンアクチュエータ部Ｘが干渉しあうことがなく、流体制御弁１を隙間なく並べることができ、設置面積の増大を防ぐことができる。また、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの厚みを抑えたとしても、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの内部を摺動する第１ピストン２１，第２ピストン２２の摺動方向に直交する断面を長円形状または楕円形状とすることで、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの厚み寸法に影響を与えることなく、操作流体の圧力を受ける受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を、従来の真円形状のピストン１０１よりも、増大させることができる。例えば、受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を従来の面積の３倍とすれば、従来のピストン１０１を６段重ねた場合の推力と同等の推力を、本発明の第１ピストン２１，第２ピストン２２では、２段重ねることで確保することができる。推力を確保しつつ、段数が少なくなれば部品点数は削減され、流体制御弁１の製品コストを抑えることが可能である。

第１ピストン２１，第２ピストン２２の断面を楕円形状とした場合、長手方向の寸法と短手方向の寸法が同一である長円形状の第１ピストン２１，第２ピストン２２よりも受圧面２１ｈ，２２ｆの面積が小さくなるものの、第１ピストン２１，第２ピストン２２にＯリング２７，２９を取り付けた場合に、以下のようなメリットがある。

例えば図７に示すように、従来からピストン１０１の外周面にはＯリング１０５を取り付け、ピストン室を気密に保つことが行われる。Ｏリング１０５の内径は、ピストン１０１に取り付けられた際に抜け落ちないようにするため、ピストン１０１の外径よりも小さくすることが一般的である。したがって、ピストン１０１取り付けられたＯリング１０５は、ピストン１０１の外周の寸法に合わせて引き延ばされることとなる。

ここで、第１ピストン２１，第２ピストン２２の断面を長円形状とすると、Ｏリング２７，２９を第１ピストン２１，第２ピストン２２に取り付けた際、Ｏリング２７，２９が引き延ばされた際の伸び率が全周で均一とならないため、Ｏリング２７，２９が、第１ピストン２１，第２ピストン２２の外周面とピストン室２３ｂ，２４ｂの内面とに圧縮されたときに、圧縮率に偏りが生じるおそれがある。しかし、第１ピストン２１，第２ピストン２２を楕円形状とすれば、伸び率の不均一さが緩和され、圧縮率の偏りも緩和されるというメリットがある。

（２）（１）に記載の流体制御弁１において、多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、ピストン（第１ピストン２１，第２ピストン２２）の摺動方向の同軸上に並ぶ第１シリンダ２３と、第２シリンダ２４とからなること、第１シリンダ２３は、弁部Ｙに連結され、第１シリンダ２３の、弁部と連結される側とは反対側の面は、前記仮想線方向の両端部に嵌合部２３ａを備え、嵌合部２３ａに、第２シリンダ２４が組付けられること、を特徴とするので、部品点数の削減が可能であり、流体制御弁１の製品コストを抑えることができる。

多段ピストンアクチュエータ部Ｘは、第１シリンダ２３と、第２シリンダ２４から構成されており、第２シリンダ２４は、第１シリンダ２３が備える嵌合部２３ａに組付けられるため、シリンダ同士を組み付けることが可能である。さらに、第１シリンダ２３は、弁部Ｙに連結されるため、第２シリンダ２４が組付けられた第１シリンダ２３を弁部に連結することで、多段ピストンアクチュエータ部Ｘを弁部Ｙに連結することが可能である。よって、従来の流体制御弁１００のように、複数段重ねたシリンダ１０２同士を固定するため、および多段ピストンアクチュエータ部Ｘを弁部Ｙと固定するための外装部材１０３が必要でない。よって、部品点数の削減が可能であり、流体制御弁１の製品コストを抑えることができる。

また、従来は、図７に示すように外装部材１０３の中空部に固定されるシリンダ１０２の内部にピストン１０１が装填されていたため、ピストン１０１の外径は、アクチュエータ部Ｖの直径から外装部材１０３の肉厚と、シリンダ１０２の肉厚とを差し引いた値よりも小さくなっていた。本発明においては、第１シリンダ２３と第２シリンダ２４によって多段ピストンアクチュエータ部Ｘが構成されるため、第１ピストン２１，第２ピストン２２の外形寸法は、多段ピストンアクチュエータ部Ｘの外形寸法から、第１シリンダ２３または第２シリンダ２４の肉厚のみを差し引いた値に収まれば良いため、従来よりも第１ピストン２１，第２ピストン２２の受圧面２１ｈ，２２ｆの面積を確保しやすく、推力の確保が容易である。

（３）（２）に記載の流体制御弁１において、嵌合部２３ａは、第１シリンダ２３の、弁部Ｙと連結される側とは反対側の面の、前記仮想線方向（長手方向）の両端部から突設されていること、第２シリンダ２４は、第２シリンダ２４の前記仮想線方向（長手方向）の両端面（被保持面２４ｄ）が、突設された嵌合部２３ａの内面（保持面２３ｄ）に隙間Ｃ１，Ｃ２をもって保持されること、第２シリンダ２４の内部には、弾性部材（スプリング３１）により閉弁方向に付勢される第２ピストン２２が装填される第２ピストン室２４ｂを備えており、第２ピストン２２は、第２ピストン２２の外周面と第２ピストン室２４ｂの内壁面に圧縮されるＯリング２９を備えること、弾性部材（スプリング３１）による第２ピストン２２に対する付勢力が偏ることで第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が傾いたとしても、前記隙間Ｃ１，Ｃ２があることによって、第２シリンダ２４が、軸心ＣＬ２２の傾きに追従し、Ｏリング２９の圧縮率が偏らないこと、を特徴とするので、Ｏリング２９の過圧縮による変形や耐久性の低下を防ぐことができる。

図７に示す従来の流体制御弁１００は、ピストン１０１が、弾性部材としてのスプリング１０４により閉弁方向に付勢されており、アクチュエータ部Ｖに操作流体が供給されていないときは、流体制御弁１００は閉弁状態にある。スプリング１０４はコイルばねであり、ピストン１０１の上端面に対する付勢力が偏って負荷されることがある。本発明のように、第２ピストン２２を長円形状または楕円形状とすると、スプリング３１の第２ピストン２２に対する付勢力の偏りによる第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２の傾きが生じやすくなるおそれがある。第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が傾くと、第２ピストン２２の外周面と第２ピストン室２４ｂの内面とをシールするＯリング２９の圧縮率が、全周において均一とならずに偏りが生じる。Ｏリング２９の圧縮率に偏りが生じると、Ｏリング２９の過圧縮による変形や耐久性の低下を招くおそれがある。

本発明の第２シリンダ２４は、第２シリンダ２４の前記仮想線方向（長手方向）の両端面（被保持面２４ｄ）が、突設された嵌合部２３ａの内面（保持面２３ｄ）に隙間をもって保持されるため、第２シリンダ２４は仮想線方向（長手方向）に自由度を持って保持されている。第２シリンダ２４が自由度をもって保持されているため、第２シリンダ２４のピストン室２４ｂに装填されるピストンに対するスプリング３１の付勢力が偏り、第２ピストン２２の軸心ＣＬ２２が傾いたとしても、第２シリンダ２４が、第２ピストン２２の傾きに追従することができ、Ｏリング２９の圧縮率の偏りを防止することができる。よって、Ｏリング２９の過圧縮による変形や耐久性の低下を防止することができるのである。

なお、本実施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い。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。
例えば、本実施形態においては、弁体としてダイアフラム弁体１４を用いているが、図７に示すようなステム１０６に結合された弁体１０７が上下することで弁座１０８と当接離間するような構造をとっても良い。

１１ａ入力口
１１ｂ出力口
２１第１ピストン
２２第２ピストン
Ｘ多段ピストンアクチュエータ部
Ｙ弁部

Claims

同軸上に並ぶ複数のピストンが内部で摺動する多段ピストンアクチュエータ部と、制御流体が流入する入力口と、制御流体が流出する出力口とを備える弁部と、からなる流体制御弁において、
前記ピストンは、前記入力口の中心と前記出力口の中心を結ぶ仮想線に直交する方向が摺動方向であること、
前記多段ピストンアクチュエータ部の、前記仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法が、前記弁部の、前記仮想線に直交する方向であり、かつ、前記摺動方向に直交する方向の厚み寸法以下であること、
前記ピストンの、前記摺動方向に直交する断面は、長手方向が前記仮想線に平行な、長円形状または楕円形状であること、
前記多段ピストンアクチュエータ部は、前記ピストンの摺動方向の同軸上に並ぶ第１シリンダと、第２シリンダとからなること、
前記第１シリンダは、前記弁部に連結され、前記第１シリンダの、弁部と連結される側とは反対側の面は、前記仮想線方向の両端部に嵌合部を備え、前記嵌合部に、前記第２シリンダが組付けられること、
を特徴とする流体制御弁。
請求項１に記載の流体制御弁において、
前記嵌合部は、第１シリンダの、弁部と連結される側とは反対側の面の、前記仮想線方向の両端部から突設されていること、
前記第２シリンダは、前記第２シリンダの前記仮想線方向の両端面が、突設された前記嵌合部の内面に隙間をもって保持されること、
前記第２シリンダの内部には、弾性部材により閉弁方向に付勢される前記ピストンが装填されるピストン室を備えており、前記ピストンは、前記ピストンの外周面と前記ピストン室の内壁面に圧縮されるＯリングを備えること、
前記弾性部材による前記ピストンに対する付勢力が偏ることで前記ピストンの軸心が傾いたとしても、前記隙間があることによって、前記第２シリンダが、前記軸心の傾きに追従し、前記Ｏリングの圧縮率が偏らないこと、
を特徴とする流体制御弁。