JP7117836B2

JP7117836B2 - 電磁弁

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Publication number: JP7117836B2
Application number: JP2017188329A
Authority: JP
Inventors: 敏浩浦野
Original assignee: Takano Co Ltd
Current assignee: Takano Co Ltd
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: TW201915372A; JP2019065871A; WO2019065079A1

Description

本発明は、金属製のダイヤフラムを備えた電磁弁に関する。

ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)は、真空を利用した成膜技術であり、原子を一層ずつ堆積することができることから、半導体メモリ等を製造する際に、高精度化や微細化が図れる。近年、半導体業界ではＡＬＤプロセスの高速化が求められている。

ＡＬＤによる製造プロセスは、反応チャンバー内で複数の成膜材料化合物（前駆体ガス）を交互に供給し、繰り返し反応させる。前駆体ガスは人体に有害なガスを含む場合があり、また、製造品質を確保するために、前駆体ガスは確実に供給および遮断しなければならない。そのため、ＡＬＤ装置では、ガス透過性を有しない金属製のダイヤフラムを備えたバルブ（電磁弁、エア駆動弁）が主として用いられている。

ＡＬＤ装置では、バルブ前段で気化した前駆体ガスの結露防止のため、バルブ内の流路および弁体付近の温度は８０[℃]～１５０[℃]に予熱された状態となる。また、アクチュエータ部周辺の温度は８０[℃]前後になる。このため、バルブには耐熱性が求められる。さらに、バルブには、前駆体ガスとパージガスについて、それぞれの適正量を短時間で確実にコントロールするための流量安定性、極短時間でＡＬＤプロセスを繰り返すための応答性、および、一層当たり数十から数百回のバルブ開閉サイクルを行い基板上に所望の薄膜を成長させながら製造プロセスを継続して行うための耐久性が求められる。

バルブの駆動方式には、大別して電磁駆動式とエア駆動式とがある。電磁駆動式（電磁弁）はエア駆動式（エア駆動弁）と比較して応答性に優れている。しかし、動作耐久性（耐用駆動回数）に優れ長寿命であることと、高温条件下で使用可能であることから、従来はエア駆動弁が多く用いられていた。

従来、金属製のダイヤフラムを備えたエア駆動弁が知られている（特許文献１：特開２００７－０６４３３３号公報参照）。また従来、金属製のダイヤフラムを備えた電磁弁が知られている（特許文献２：特許第３７６４５９８号公報、特許文献３：特許第５３９５０６０号公報参照）。

特開２００７－０６４３３３号公報特許第３７６４５９８号公報特許第５３９５０６０号公報

特許文献１記載のエア駆動弁は、内部シリンダへ空気を供給または排出して金属製のダイヤフラムを作動させる構造であるため、高い応答性が得られない。

特許文献２および特許文献３記載の電磁弁は、いずれもヨーク（１８）内の貫通穴とプランジャ（１９）とが接触した状態でプランジャ（１９）が往復運動する構造であり、金属部品同士の接触によって金属粉が発生する。また、プランジャ（１９）可動時にヨーク（１８）と可動鉄心（２０）とが衝突し、金属部品同士の衝突によって金属粉が発生する。発生した金属粉が各摺動部へ入ることで異常摩耗の原因となり、十分な動作耐久性を確保することができない。また、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップが大きく、そのため過大な電流を要する。ＡＬＤ装置の製造プロセスでは、極短時間で開閉サイクルを繰り返すため、エアギャップが大きいと、過大な電流に伴う発熱が大きくなってしまい、高温条件下での使用は困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、金属製のダイヤフラムを備えた電磁弁において、金属部品同士の接触による金属粉の発生を防止することで動作耐久性（耐用駆動回数）を飛躍的に向上させて長寿命とし、尚且つ、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを小さくすることが可能な配置構成として、高温条件下での使用が可能な電磁弁を提供することを目的とする。

一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。

本発明の電磁弁は、流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、前記コイルは、耐熱樹脂からなる筒状のボビンと前記ボビンに巻回された巻線用電線を備え、前記ボビンの内周部と接する位置に筒状の補助ヨークをさらに備え、前記軸受のうち前記可動鉄心に設けられるものは、前記可動鉄心の外周部に配設され前記補助ヨークの内周部と接する構成であり、弁閉時に、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記補助ヨークの端面との間隔は、前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面との間隔よりも大きいことを特徴とする。
本発明の電磁弁は、流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、前記コイルは、耐熱樹脂からなる筒状のボビンと前記ボビンに巻回された巻線用電線を備え、前記ボビンの内周部と接する位置に筒状の補助ヨークをさらに備え、前記軸受のうち前記可動鉄心に設けられるものは、前記可動鉄心の外周部に配設され前記補助ヨークの内周部と接する構成であり、前記可動鉄心の外周部には前記軸受の接地部として外周溝が形成され、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記補助ヨークの端面と前記可動鉄心の外周部に形成された前記外周溝との間隔は、前記外周溝の軸方向の幅よりも大きいことを特徴とする。
本発明の電磁弁は、流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、前記プッシュロッドの外周部に、耐熱樹脂からなる環状のストッパをさらに備え、前記ストッパは、前記通電時に前記ボンネットの段付部と接触することで前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面とを所定間隔に保つ寸法に形成されていることを特徴とする。
本発明の電磁弁は、流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、前記可動鉄心および前記プッシュロッドは、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパによってテーパ結合されており、前記可動鉄心と前記プッシュロッドを締結する磁性金属製のボルトをさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、応答性に優れた電磁駆動式を採用し、耐熱樹脂製で環状の前記軸受を設けることで、金属部品同士の接触による金属粉の発生を防止して電磁弁の故障の原因を取り除き、また、前記軸受を設けることで摩耗部品を極力少なくして、その結果、動作耐久性（耐用駆動回数）が飛躍的に向上して長寿命となる。尚且つ、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを小さくすることが可能な配置構成となるので、高温条件下での長期使用に十分耐えられる。よって、ＡＬＤ装置のように高温条件下で高速で使用する装置に適した電磁弁となる。

本発明は、前記軸受のうち、前記プッシュロッドに設けられるものは、前記プッシュロッドの外周部に配設され前記ボンネットの内周部と接する構成が好ましい。この構成によれば、前記プッシュロッドが前記ボンネット内で摺動する摺動性を高めつつ、前記プッシュロッドと前記ボンネットとの接触による金属粉の発生を防止する。

本発明は、前記コイルは、耐熱樹脂からなる筒状のボビンと前記ボビンに巻回された巻線用電線を備え、前記ボビンの内周部と接する位置に筒状の補助ヨークをさらに備え、前記軸受は前記可動鉄心の外周部に配設され前記補助ヨークの内周部と接する構成が好ましい。この構成によれば、前記可動鉄心と前記補助ヨークとの接触による金属粉の発生を防止する。そして、前記軸受の配設による磁路断面積の縮小を防止しつつ、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを最小とすることができ、低い磁気抵抗となる。その結果、弁開時の保持力が増大し、高い応答性が得られるとともに省電力となって自己発熱量が低減する。

本発明は、前記軸受は、軸方向に切断された切断部を有することが好ましい。この構成によれば、前記切断部によって前記軸受は径方向に弾性変形可能となり、前記軸受を容易に着脱できるので、組立が簡単であり、メンテナンス性に優れる。前記切断部は、軸方向に真直ぐ切断されている場合と、軸方向に対して斜め方向に切断されている場合がある。例えば、平面視で前記軸受は、Ｃ型形状となる。そして、前記軸受の内径は、前記軸受を取り付ける箇所の外径よりも小さく設定される。これによって、前記軸受を取り付ける金属部品の所定箇所を前記軸受が締付けることとなり、前記軸受の内側の摩耗を抑制し、長寿命となる。

一例として、弁閉時に、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記補助ヨークの端面との間隔Ｌ２は、前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面との間隔Ｌ１よりも大きい（Ｌ２＞Ｌ１）。この構成によれば、通電開始時に、前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面を通過する電磁路が最短距離となるので、中心軸Ｐ１上で前記可動鉄心が往復運動を開始し、前記軸受と前記補助ヨークの内周面との偏摩耗が防止され、長寿命となる。そして、前記軸受の作用によって前記可動鉄心が滑らかに最短距離で往復運動を開始するので、高い応答性が得られる。

前記可動鉄心の外周部には前記軸受の接地部として外周溝が形成される。一例として、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記補助ヨークの端面と前記可動鉄心の外周部に形成された外周溝との間隔Ｌ３は、前記外周溝の軸方向の幅Ｌ４よりも大きい（Ｌ３＞Ｌ４）。この構成によれば、通電時に前記軸受の接地部を超えて前記補助ヨークから磁気をまわすので吸引力の低下が防止される。

本発明は、前記プッシュロッドの外周部に、耐熱樹脂からなる環状のストッパをさらに備え、前記ストッパは、前記通電時に前記ボンネットの段付部と接触することで前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面とを所定間隔に保つ寸法に形成されている構成が好ましい。この構成によれば、この構成によれば、前記プッシュロッドの外周部と前記ボンネットの内壁部との接触がなくなるとともに、前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面との接触がなくなり、金属部品同士の接触による金属粉の発生を防止しつつ、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを最小とすることができ、長寿命となる。

一例として、本発明は、前記可動鉄心および前記プッシュロッドは、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパによってテーパ結合される。この構成によれば、前記可動鉄心と前記プッシュロッドとが高い真直度で位置決め固定されるので、偏摩耗が防止され、長寿命となる。

一例として、本発明は、前記可動鉄心と前記プッシュロッドを締結する磁性金属製のボルトをさらに備える。この構成によれば、前記可動鉄心と前記プッシュロッドとが強固に締結されるとともに、前記可動鉄心の空隙部が磁性金属で補充されるので、低い磁気抵抗となって駆動力が増大し、高い応答性が得られる。

一例として、本発明は、前記弁体は耐熱樹脂からなる。これにより、前記ダイヤフラムと前記弁体との接触による金属粉の発生を防止する。

前記軸受、前記ストッパ、前記ボビン、前記弁体を構成する前記耐熱樹脂としては、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）が挙げられる。これらの耐熱性樹脂は、１５０[℃]の高温に耐えられるとともに、構成部品として必要な強度を備える。また、これらの耐熱性樹脂は、前記弁体に必要な耐食性を備える。

前記ヨーク、前記補助ヨーク、前記固定鉄心、および前記可動鉄心材質としては、例えば、磁性ステンレス、パーマロイ、パーメンジュールが挙げられる。これらの磁性材料は、錆びにくく、構成部品として必要な強度を備える。特にパーマロイは、他の材料に比べて透磁率が高いので電流の立ち上がりが早く、その結果、高応答になる。特にパーメンジュールは、他の材料に比べて磁束密度が高いので駆動力が増大し、その結果、高応答になる。

前記ダイヤフラムは、１枚以上設けられており、例えば、２枚以上５枚以下で積層されて設けられている。一例として、前記ダイヤフラムは、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）で構成されるＣｏ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金である。これによれば、耐食性および耐疲労性に優れ、構成部品として必要な強度を備える。一例として、ＳＰＲＯＮ（登録商標）が適用される。更に耐食性を高めたいときに前記ダイヤフラムとしてＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１６Ｌなどステンレスを用いる場合がある。

本発明によれば、耐熱樹脂製で環状の前記軸受を設けることで、金属部品同士の接触による金属粉の発生を防止して電磁弁の故障の原因を取り除き、また、前記軸受を設けることで摩耗部品を極力少なくして、その結果、動作耐久性（耐用駆動回数）が飛躍的に向上して長寿命となる。尚且つ、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを小さくすることが可能な配置構成となるので、バルブ内の流路および弁体付近の温度が８０[℃]～１５０[℃]の高温条件下での長期使用に十分耐えられる。よって、ＡＬＤ装置のように高温条件下で高速で使用する装置に適した電磁弁が実現する。

図１は本発明の実施形態に係る電磁弁の例を斜め上方から見た概略図であり、断面図である。図２は本実施形態の電磁弁の弁開状態を示す断面図である。図３は本実施形態の電磁弁の弁開状態のときの断面図の部分拡大図である。図４は本実施形態の電磁弁の弁開状態のときの断面図の部分拡大図である。図５は本実施形態の電磁弁の弁閉状態を示す断面図である。図６は本実施形態の電磁弁の弁閉状態のときの断面図の部分拡大図である。図７は本実施形態の電磁弁の概略図であり、構造展開図である。図８は本実施形態の電磁弁に係る軸受の例を斜め上方から見た概略図であり、図８（Ａ）は斜め方向に切断部を有する場合の図であり、図８（Ｂ）は垂直方向に切断部を有する場合の図である。図９は本実施形態の電磁弁の概略図であり、図９（Ａ）は正面図であり、図９（Ｂ）は側面図であり、図９（Ｃ）は底面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。本実施形態の電磁弁１は、一例として、ＡＬＤ装置に用いられる二方向電磁弁である。図９（Ａ）は電磁弁１の正面図であり、図９（Ｂ）は側面図であり、図９（Ｃ）は底面図である。電磁弁１は、弁箱１２と、ボンネット５３と、ヨーク５４を備える。弁箱１２はボンネット５３に連結固定されており、ボンネット５３はヨーク５４に連結固定されている。弁箱１２の両側には継手が設けられており、前記継手と外部管とが接続されて使用される。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は本実施形態の電磁弁１の例を斜め上方から見た概略図であり、断面図である。図２は電磁弁１の弁開状態を示す断面図である。図３と図４は、図２に示す断面図の部分拡大図である。図５は電磁弁１の弁閉状態を示す断面図である。図６は、図５に示す断面図の部分拡大図である。図７は電磁弁１の構造展開図である。

本実施形態では、電磁弁１は、常時閉（ノーマルクローズ）となっており、非通電時に弁は「閉」状態を保ち、通電時に弁は「開」状態となる。例えば通電電圧は直流電圧で４８[Ｖ]以下である。

ここで、電磁弁１の各部の位置関係を説明し易くするため、図中にＸ，Ｙ，Ｚの矢印で向きを示している。電磁弁１を実際に使用する際には、これらの向きに限定されず、どのような向きで使用しても支障ない。

図１～図７に示すように、本実施形態の電磁弁１は、内部に流路２１が形成された弁箱１２と、弁箱１２内の流路２１の途中の位置に固定された円環状の弁体１３と、弁体１３と接離可能に設けられたダイヤフラム１４を備える。流路２１は前駆体ガスやパージガス等の流体を、流体方向を示す矢印Ｆ１の向きに流す内部管路である。弁箱１２は、耐腐食性を有する硬質金属製であり、例えばステンレスの二重溶解材からなる。

図３は、図２に示す電磁弁１が弁開状態のときの断面図の一点鎖線で囲んだエリアＥを拡大して示す部分拡大図である。本実施形態は、ダイヤフラム１４は、皿状または円盤状であり、中心軸Ｐ１上に配されており、グランド５２および弁箱１２によって外周支持されている。グランド５２については後述する。そして、非通電時は、ダイヤフラム１４の中央部はＺ方向上向きに膨出している（図２、図３を参照）。また、通電時は、上から押されてダイヤフラム１４の中央部は平らな形状に近い形状となっている（図５を参照）。

ダイヤフラム１４は、硬質金属製であり、耐腐食性を有する。ダイヤフラム１４の材質は、例えばコバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、および、ニッケル（Ｎｉ）を含む合金からなる。これによって、高い耐腐食性が得られる。ダイヤフラム１４の材質は、例えばクロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、および、鉄（Ｆｅ）を含む合金からなる。これによって、高い屈曲性が得られる。

ダイヤフラム１４は、薄膜が１枚以上、例えば２枚以上５枚以下で積層されて構成される。前記薄膜の１枚の厚みは、例えば５０[μｍ]以上２５０[μｍ]以下である。ダイヤフラム１４は、少なくとも流路２１側で前駆体ガスやパージガス等の流体と接する側の前記薄膜の材質は、例えばＣｏ－Ｃｒ－Ｎｉ合金である。ダイヤフラム１４の、流路２１側と反対側の前記薄膜の材質は、例えばＮｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金である。

弁体１３は、弁箱１２内で、流路２１の途中部分に交差するように、弁箱１２にカシメ固定される。弁体１３は、耐熱性樹脂からなる。これにより、金属製のダイヤフラム１４と弁体１３との接触による金属粉の発生を防止する。弁体１３は、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）からなる。これにより、１５０[℃]の高温に耐えられるとともに、耐腐食性があり、構成部品として必要な強度を備える。

コイル５７は、筒状のボビン５８に巻線用電線が巻回され外部接続用の外部電線５９と接続され、外部電線５９に直流電圧が印加される構成である。前記巻線用電線は抵抗値が１．５[Ω]以上である。外部電線５９は長さが３[ｍ]以下で、抵抗値が０．３[Ω]以下である。これにより、定電圧指令に適合する。

ボビン５８は、耐熱性樹脂からなる。ボビン５８は、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）からなる。これにより、１５０[℃]の高温に耐えられるとともに、耐腐食性があり、構成部品として必要な強度を備える。

ヨーク５４は筒状であり、軟磁性材料からなる。ヨーク５４は、例えば、磁性ステンレス、パーマロイ、パーメンジュールからなる。これにより、錆びにくく、構成部品として必要な強度を備える。固定鉄心５６は蓋の付いた円柱状であり、側面視でＴ形状であり、軟磁性材料からなる。

本実施形態では、ボビン５８の内周部と接する位置に筒状の補助ヨーク５５を備える。補助ヨーク５５は、段差を有する円筒状であり、側面視で逆向きのＴ形状であり、軟磁性材料からなる。補助ヨーク５５は、例えば、磁性ステンレス、パーマロイ、パーメンジュールからなる。これにより、錆びにくく、構成部品として必要な強度を備える。一例として、図７に示すように、Ｚ方向の上から順に、固定鉄心５６にコイル５７が取り付けられ、コイル５７にヨーク５４が取り付けられ、ヨーク５４に補助ヨーク５５が取り付けられる。そして、ヨーク５４とボンネット５３とで補助ヨーク５５を挟持して固定する。よって、固定鉄心５６は、軟磁性材料からなるボルトによってヨーク５４に締結固定される。固定鉄心５６はヨーク５４に内蔵される。コイル５７は、固定鉄心５６を囲む位置でヨーク５４に内蔵される。補助ヨーク５５は、ボビン５８の内周部と接する位置に設けられる。

補助ヨーク５５の内周面５５ａは、一例として、ローラバニシング加工やスパロール加工が施されており、表面粗さがＲｚで０．８[μｍ]以下になっており、また、表面硬度が素地硬度よりも高硬度となっている。これによって、内周面の摺動性に優れ、耐摩耗性に優れた補助ヨーク５５となる。

ボンネット５３の内周面５３ａは、一例として、ローラバニシング加工やスパロール加工が施されており、表面粗さがＲｚで０．８[μｍ]以下になっており、また、表面硬度が素地硬度よりも高硬度となっている。これによって、内周面の摺動性に優れ、耐摩耗性に優れたボンネット５３となる。

本実施形態では、可動鉄心７１にプッシュロッド７２が締結される。プッシュロッド７２は、棒状部材と、前記棒状部材よりも外径の大きな円柱状部材とが一体構造体となっており、側面視で逆向きのＴ形状であり、軟磁性材料からなる。可動鉄心７１は、例えば、磁性ステンレス、パーマロイ、パーメンジュールからなる。これにより、錆びにくく、構成部品として必要な強度を備える。ボンネット５３には、コイル形状の押圧バネ７４が内蔵される。押圧バネ７４は、軟磁性材料からなる。プッシュロッド７２は、押圧バネ７およびボンネット５３を挿通した状態で可動鉄心７１に締結される。

図４は、図２に示す電磁弁１が弁開状態のときの断面図の一点鎖線で囲んだエリアＦを拡大して示す部分拡大図である。本実施形態は、可動鉄心７１に円錐台状の穴７１ａが形成されている。穴７１ａは、Ｚ方向上向きで、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパとなっている。また、プッシュロッド７２に円錐台状の突起７２ａが形成されている。突起７２ａは、Ｚ方向上向きで、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパとなっている。可動鉄心７１およびプッシュロッド７２は、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパによってテーパ結合されている。これにより、可動鉄心７１とプッシュロッド７２とが高い真直度で位置決め固定されるので、偏摩耗が防止され、長寿命となる。

可動鉄心７１とプッシュロッド７２は、磁性金属製のボルト７３によって締結される。これにより、可動鉄心７１とプッシュロッド７２とが強固に締結されるとともに、可動鉄心７１の空隙部が磁性金属で補充されるので、低い磁気抵抗となって駆動力が増大し、高い応答性が得られる。図４の例では、六角穴付きボルト７３が用いられ、締結時に、可動鉄心７１の上面とボルト７３の上面は面一となる。若しくは、締結時に、可動鉄心７１の上面よりもボルト７３の上面が僅かに凹んで低い位置になる。

プッシュロッド７２の材質は、例えば、マルテンサイト系ステンレス、析出効果系ステンレスである。これにより、熱処理（焼入れ）をすることができ、高強度で高い硬度として、高い耐摩耗性を得ることができる。

プッシュロッド７２は、前記円柱状部材の外周部の下方側に外周溝７５が形成されている。外周溝７５には軸受８１が取り付けられる。プッシュロッド７２は、前記円柱状部材の外周部の上方側に段差７６が形成されている。段差７６にはストッパ８２が取り付けられる。ストッパ８２は、環状であり、耐熱樹脂からなる。ストッパ８２は、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）からなる。これにより、１５０[℃]の高温に耐えられるとともに、耐腐食性があり、構成部品として必要な強度を備える。

可動鉄心７１は円柱状であり、外周部に外周溝７７と外周溝７８が所定間隔で形成されている。外周溝７７には軸受８３が取り付けられ、外周溝７８には軸受８４が取り付けられる。可動鉄心７１は、補助ヨーク５５およびコイル５７に囲まれてダイヤフラム１４の側と固定鉄心５６の側との間を往復運動する構成である。

図２および図４に示すように、ストッパ８２は、通電時に、ボンネット５３の段付部５３ｃと接触することで可動鉄心７１と固定鉄心５６とが向かい合う側における可動鉄心７１の端面７１ｃと固定鉄心５６の端面５６ｃとを所定間隔に保つ寸法に形成されている。これにより、可動鉄心７１の端面７１ｃと固定鉄心５６の端面５６ｃとの接触がなくなり、金属部品同士の接触による金属粉の発生を防止するとともに、長寿命となる。

図８は軸受８１，８３，８４の例を示す概略斜視図である。軸受８１，８３，８４は、環状であり、耐熱樹脂からなる。軸受８１，８３，８４は、軸方向に切断された切断部８９を有する。図８（Ａ）は斜め方向に切断部８９を有する場合の図であり、図８（Ｂ）は垂直方向に切断部８９を有する場合の図である。この構成によれば、切断部８９によって軸受８１，８３，８４の内径をそれぞれ変更可能となり、容易に着脱できるので、組立が簡単であり、メンテナンス性に優れる。例えば軸受８１，８３，８４の内径は、前記軸受を取り付ける箇所の外径よりも０．１[ｍｍ]以上小さく設定される。例えば軸受８１，８３，８４の内径は、前記軸受を取り付ける箇所の外径よりも２～１０[％]小さく設定される。これによって、軸受８１，８３，８４を取り付ける箇所を前記軸受が締付けることとなり、軸受８１，８３，８４の内側の摩耗を抑制し、長寿命となる。

本実施形態によれば、軸受８１を設けることで、プッシュロッド７２がボンネット５３内で摺動する摺動性を高めつつ、プッシュロッド７２とボンネット５３との接触による金属粉の発生を防止する。また、軸受８３，８４を設けることで、可動鉄心７１と補助ヨーク５５との接触による金属粉の発生を防止する。そして、弁開時の保持力の規定要因となるエアギャップを最小とすることができ、低い磁気抵抗となる。その結果、弁開時の保持力が増大し、高い応答性が得られるとともに省電力となって自己発熱量が低減し、高温での長期使用に十分耐えられる構造となる。

なお、一例として、軸受８１，８３，８４を設ける構成を説明したが、この構成には限定されない。例えば、軸受け８１、軸受け８３、軸受け８４のいずれか１つを設ける場合がある。また例えば、軸受け８１、軸受け８３、軸受け８４のいずれか２つを設ける場合がある。

本実施形態では、中心軸Ｐ１上で、プッシュロッド７２およびダイヤフラム１４の両方と接する位置に、プッシュピン５１が設けられている。そして、プッシュピン５１の上部の凸状部を突出させてプッシュピン５１の下部のベース部を囲むことでプッシュピン５１の動作位置を規制するグランド５２が設けられている。プッシュピン５１の材質は、例えば、オーステナイト系ステンレスである。グランド５２の材質は、例えば、マルテンサイト系ステンレス、または析出効果系ステンレスである。グランド５２は、鍔部のある円筒形状であり、前記鍔部がボンネット５３と弁箱１２およびダイヤフラム１４とで挟持され位置固定される。ダイヤフラム１４は、その外周部がグランド５２と弁箱１２とで挟持され位置固定される。プッシュピン５１の軸方向の上面および下面は球面形状となっている（図３を参照）。これによりプッシュロッド７２とダイヤフラム１４の軸心が一致し、プッシュロッド７２とダイヤフラム１４の軸がずれた場合でも、ダイヤフラム１４を軸方向へ真直ぐに押すことができる。

ここでは、一例として、プッシュピン５１およびグランド５２を設ける構成を説明したが、この構成に限定されない。例えば、プッシュピン５１およびグランド５２は省いてもよい。一例として、ダイヤフラム１４の外周部がボンネット５３と弁箱１２とで挟持されて位置固定され、プッシュロッド７２が直接ダイヤフラム１４を軸方向に押す構成としても支障ない。この場合、プッシュロッド７２の軸方向の下面を球面形状とすることで、プッシュロッド７２とダイヤフラム１４の軸心を一致させることができ、プッシュロッド７２が直接ダイヤフラム１４を軸方向へ真直ぐに押すことができる。一例として、ダイヤフラム１４の上面またはプッシュロッド７２の下面にフッ素樹脂コーティング等の耐熱性被膜を形成する場合がある。

そして、通電時に、コイル５７の電磁力によって可動鉄心７１が固定鉄心５６の側に移動しダイヤフラム１４が弁体１３から離れて流路２１が開く構成となる（図２、図３を参照）。また、非通電時に、押圧バネ７４の復元力によって可動鉄心７１がダイヤフラム１４の側に移動しダイヤフラム１４が弁体１３と接して流路２１が閉じる構成となる。

図６は、図５に示す電磁弁１が弁閉状態のときの断面図の一点鎖線で囲んだエリアＧを拡大して示す部分拡大図である。本実施形態は、弁閉時に、補助ヨーク５５と固定鉄心５６とが向かい合う側における可動鉄心７１の端面７１ｃと補助ヨーク５５の端面５５ｃとの間隔Ｌ２は、可動鉄心７１と固定鉄心５６とが向かい合う側における可動鉄心７１の端面７１ｃと固定鉄心５６の端面５６ｃとの間隔Ｌ１よりも大きい（Ｌ２＞Ｌ１）。この構成によれば、通電開始時に、可動鉄心７１の端面７１ｃと補助ヨーク５５の端面５５ｃを通過する電磁路が最短距離となるので、中心軸Ｐ１上で可動鉄心７１が往復運動を開始し、軸受８３や軸受８４と補助ヨーク５５の内周面５５ａとの偏摩耗が防止され、長寿命となる。そして、軸受８３や軸受８４の作用によって可動鉄心７１が滑らかに最短距離で往復運動を開始するので、高い応答性が得られる。

可動鉄心７１の外周部には軸受８４の接地部として外周溝７８が形成される。本実施形態は、補助ヨーク５５と固定鉄心５６とが向かい合う側における補助ヨーク５５の端面５５ｃと可動鉄心７１の外周部に形成された外周溝７８との間隔Ｌ３は、外周溝７８の軸方向の幅Ｌ４よりも大きい（Ｌ３＞Ｌ４）。この構成によれば、通電時に軸受８４の接地部を超えて補助ヨーク５５から磁気をまわすので吸引力の低下が防止される。

本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更が可能である。上述の実施形態では、一例として、ＡＬＤ装置に適用される二方向電磁弁について説明したが、この例に限定されず、例えば、三方向電磁弁、多方向電磁弁とすることも可能である。また、本実施形態の電磁弁は、ＡＬＤ装置のみならず、ＣＶＤ装置、半導体装置、その他の産業機器に適用される。本実施形態の電磁弁は、仕様等に合わせて適宜仕様変更する場合がある。

１電磁弁
１２弁箱
１３弁体
１４ダイヤフラム
２１流路
５１プッシュピン
５２グランド
５４ヨーク
５５補助ヨーク
５６固定鉄心
５７コイル
５８ボビン
８１軸受
８２ストッパ
８３軸受
８４軸受
Ｐ１中心軸

Claims

流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、
通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、
前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、
前記コイルは、耐熱樹脂からなる筒状のボビンと前記ボビンに巻回された巻線用電線を備え、
前記ボビンの内周部と接する位置に筒状の補助ヨークをさらに備え、
前記軸受のうち前記可動鉄心に設けられるものは、前記可動鉄心の外周部に配設され前記補助ヨークの内周部と接する構成であり、
弁閉時に、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記補助ヨークの端面との間隔は、前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面との間隔よりも大きいこと
を特徴とする電磁弁。
流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、
通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、
前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、
前記コイルは、耐熱樹脂からなる筒状のボビンと前記ボビンに巻回された巻線用電線を備え、
前記ボビンの内周部と接する位置に筒状の補助ヨークをさらに備え、
前記軸受のうち前記可動鉄心に設けられるものは、前記可動鉄心の外周部に配設され前記補助ヨークの内周部と接する構成であり、
前記可動鉄心の外周部には前記軸受の接地部として外周溝が形成され、前記補助ヨークと前記固定鉄心とが向かい合う側における前記補助ヨークの端面と前記可動鉄心の外周部に形成された前記外周溝との間隔は、前記外周溝の軸方向の幅よりも大きいこと
を特徴とする電磁弁。
流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、
通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、
前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、
前記プッシュロッドの外周部に、耐熱樹脂からなる環状のストッパをさらに備え、
前記ストッパは、前記通電時に前記ボンネットの段付部と接触することで前記可動鉄心と前記固定鉄心とが向かい合う側における前記可動鉄心の端面と前記固定鉄心の端面とを所定間隔に保つ寸法に形成されていること
を特徴とする電磁弁。
流路が形成された弁箱と、前記弁箱内に固定された弁体と、前記弁体と接離可能に支持された金属製のダイヤフラムと、筒状のヨークと、前記ヨークに内蔵された固定鉄心と、前記固定鉄心を囲む位置で前記ヨークに内蔵された筒状のコイルと、前記コイルに囲まれて前記ダイヤフラムの側と前記固定鉄心の側との間を往復運動する可動鉄心と、前記可動鉄心に締結された金属製のプッシュロッドと、前記弁箱と前記ヨークとの間で連結固定されて前記プッシュロッドを挿通させる金属製のボンネットと、前記ボンネットに内蔵されて前記プッシュロッドを挿通させる押圧バネを備え、
通電時に前記コイルの電磁力によって前記可動鉄心が前記固定鉄心の側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体から離れて前記流路が開き、非通電時に前記押圧バネの復元力によって前記可動鉄心が前記ダイヤフラムの側に移動し前記ダイヤフラムが前記弁体と接して前記流路が閉じる構成とされ、
前記可動鉄心および前記プッシュロッドのいずれかないしは両方に、耐熱樹脂からなる環状の軸受を備え、
前記可動鉄心および前記プッシュロッドは、テーパ比が０．０５以上０．２以下のテーパによってテーパ結合されており、
前記可動鉄心と前記プッシュロッドを締結する磁性金属製のボルトをさらに備えること
を特徴とする電磁弁。
前記軸受のうち、前記プッシュロッドに設けられるものは、前記プッシュロッドの外周部に配設され前記ボンネットの内周部と接する構成であること
を特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の電磁弁。
前記軸受は、軸方向に切断された切断部を有すること
を特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の電磁弁。
前記軸受の材質は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニリンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）のいずれかであること
を特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の電磁弁。