JPH05133471A - ダイヤフラム・アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小さい圧力で比較的大きな変位が得られる構
造のダイヤフラム・アセンブリを得る。 【構成】 二つの環境を隔離する隔膜ダイヤフラム部１
２と、この隔膜ダイヤフラム部１２を支える柔軟な可撓
性裏当て部１８とを備え、隔膜ダイヤフラム部１２に加
えられた実質的にすべての負荷を可撓性裏当て部１８に
より支える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力の測定、封止、ポン
プその他の種々の分野で使用されるダイヤフラムに利用
する。特に、互いに密閉封止された圧力の異なる二つの
環境の間で力および動きを伝達するダイヤフラム・アセ
ンブリに関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤフラムは、器械装置内の圧力測定
や、一つの流体チャンバを他から封止した場合に二つの
チャンバの間で力および動きを伝達できるようにするた
めに、従来から広く使用されている。ダイヤフラムは可
撓性の板として形成され、負荷または圧力が加えられる
と、弾性的に変形してあるレベルの応力を生じる。従来
のダイヤフラムは典型的には円形であり、その表面は平
坦または波型になっていた。

【０００３】正確に機能するために、あらかじめ定めら
れた形状をもつダイヤフラムは、負荷が加えられた後に
その元の形状に復元できなければならない。ダイヤフラ
ムは、その弾性限界内であれば元の形状に復元できる。
ダイヤフラムの変位（撓み）と、その変位を引き起こす
原因となったダイヤフラムに加えられた負荷との関係
が、そのダイヤフラムのバネ率(spring rate) を定義す
る。ダイヤフラムを構成する材料の降伏強さを越える負
荷が加えられ、ダイヤフラムに最大レベルの応力を生じ
ると、その材料は永久的に変形してしまう。ダイヤフラ
ムの変位として許容できる範囲は、そのダイヤフラムを
構成する材料の弾性率、降伏強さおよび疲労限界によっ
て決定される。

【０００４】圧力測定装置では、ダイヤフラムの変位と
負荷すなわちそのダイヤフラムを通る圧力との関係が既
知であり、ダイヤフラムに加わる差圧を求めることがで
きる。ダイヤフラムに加わる差圧は、ダイヤフラムの変
位を機械的または電気的に測定することより容易に求め
られる。

【０００５】封止に利用する場合には、溶接、クランプ
または他の適当な手段による位置決めによって、ガスを
通さず、それでいて二つの分離されたチャンバ内の流体
の間に柔軟な隔壁となるように形成される。典型的に
は、隔壁が一方のチャンバの流体を封止して他方のチャ
ンバ内の流体から隔離するが、その一方で、隔離された
チャンバの間で力および変位を伝達できるようにする。

【０００６】ダイヤフラムはまた、密封封止バルブ（he
rmetically sealded valve) における封止にも一般的に
使用される。密閉封止バルブでは、ガスの流れの中に配
置された弁座（バルブ・シート）は、ダイヤフラムによ
り外部の気体やほこりから隔離される。気体の流れを制
御するには、アクチュエータを用いて外部からダイヤフ
ラムを変位させる。これによりダイヤフラムは、弁座を
直接にふさぐか、または付加的な機構を変位させて弁座
をふさぐ。

【０００７】密閉封止されたガス・バルブは、半導体そ
の他の製造に使用される高純度反応ガスの流れを制御す
るためにも一般的に使用される。半導体の製造の場合に
は、要求されるガスの純度レベルが例えば９９．９９９
９９９９％と非常に高い。このような厳しい純度レベル
が必要なため、高純度反応ガスの流れの中で使用される
ガス・バルブには、非常に困難な規格が要求される。

【０００８】典型的には、摩擦によって、ガス・バルブ
が劣化したり、高純度の反応ガスを汚染する望ましくな
い小さい粒子を生じたりしないことが要求される。さら
に、ガス流量を調整する制御システムの一部にバルブを
使用したとき、摩擦によって制御システムに望ましくな
いヒステリシスが生じないことが要求される。

【０００９】半導体の製造では、反応ガスの外部への漏
れやその逆の漏れをヘリウム換算で１０^-1ｃｍ³ ／ｓｅ
ｃ以下に削減するため、密封封止が必要となることが多
い。

【００１０】半導体の製造に使用される多くの反応ガス
は非常に乾燥している。このため、これらの反応ガスが
大気からの水分を吸収することがしばしばある。このよ
うな水分は、内部の圧力が大気圧より高い場合でさえ
も、小さな漏れ経路を伝って拡散する。反応ガスが水分
を吸収すると、その反応ガスと水分との間で望ましくな
い化学反応が生じ、不要な粒子が形成されてしまう。

【００１１】さらに、半導体の製造に利用される多くの
反応ガス、例えばアルシン、シラン、塩酸ガスなどは、
水分の存在下において、有毒であり、（pyroforic であ
り、）非常に腐食性が高い。このため、このような反応
ガスに接触する部分、例えばダイヤフラムは、タイプ３
１６のステンレス鋼、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｂ、Ｍｏｎ
ｅｌなどの非反応性材料で作る必要がある。

【００１２】このような非反応性材料をダイヤフラムの
製造に使用するには、これらの材料が弱く耐久性がない
という大きな欠点がある。非反応性材料が弱いというこ
とは、ダイヤフラムを低レベルの応力に対してしか使用
できないということである。さらに、反応ガスの漏れが
不幸な結果をもたらすので、漏れや構造的破損を防止す
るように十分に高い安全マージンをもってダイヤフラム
を作らなければならない。このため、上述した非反応性
材料で作られたダイヤフラムで支えることができるよう
に、最大許容変位および差圧が実質的に制限される。

【００１３】ダイヤフラムが少し変位すると、ダイヤフ
ラムの中立面の周りに曲げモーメントが生じて変位力に
対抗する。変位が大きい場合には、中立面からの延伸が
生じる。中立面からの延伸が生じると、ダイヤフラムの
バネ率は非線形になる。変位量が増加すると、中立面の
延伸に関連して張力と膜応力とが指数関数的に増加す
る。この増加が張力および膜応力の成長を引き起こし、
最終的には曲げ力よりも支配的になる。

【００１４】密封封止バルブを操作するために必要なア
クチュエータの大きさは、ダイヤフラムに加わる差圧に
打ち勝つ力、およびダイヤフラム自体のバネ率に打ち勝
つ力によって決められる。ダイヤフラムの直径を大きく
することにより、一般にダイヤフラムのバネ率は増加す
る。さらに、ダイヤフラムの直径が増加すると、ダイヤ
フラムへの差圧による力も増加する。

【００１５】密封封止バルブを操作するためにプランジ
ャ型のアクチュエータを使用すると、ダイヤフラムへの
負荷が点負荷となって小さい領域に集中する。このた
め、その小さい領域でダイヤフラムの応力レベルが増加
するという問題が生じる。

【００１６】ダイヤフラムを設計する上での重要な点
は、ダイヤフラムが曝されるガスの流れから粒子を取り
除く（パージする）ために、窒素やアルゴンなどの反応
性の小さいガスが浄化ガス（パージ・ガス）として使用
されることである。ダイヤフラムの浄化できない部分や
浄化ガスの直接の経路ではない領域は、長時間にわたる
浄化ガスまたは汚染のトラップとなる。したがって、ダ
イヤフラムの設計時には、浄化できない部分が最小にな
るようにすることが必要である。

【００１７】現在、種々のタイプのダイヤフラムが存在
する。例えば、平坦なものや波型のものが種々の利用分
野で広く使用されている。一般的の平坦なダイヤフラム
は、分離されたチャンバの間で、周辺部が溶接されてい
る。平坦なダイヤフラムの許容変位範囲、最大動作圧
力、およびバネ率は、従来から公知の方法により計算で
きる。平坦なダイヤフラムは表面の清浄が容易である
が、他のタイプのダイヤフラムに比較して性能が制限さ
れてしまう。

【００１８】平坦なダイヤフラムは線形変位範囲が短
く、したがって、波型ダイフラムに比較して小さい変位
で膜応力が生じる。この結果、変位範囲が制限され、密
閉封止バルブに使用するには不十分なものとなることが
ある。平坦なダイヤフラムはアクチュエータとして最も
多く使用され、広い範囲の力を供給できるが、電歪素子
や磁歪素子のような非常に短い変位範囲でしか動作でき
ない。

【００１９】波型ダイヤフラムは平坦なダイヤフラムよ
り大きな変位範囲をもつ。ダイヤフラムの表面に形成さ
れた波型は、放射方向に柔軟性をもたせることにより、
膜応力の発生を遅らせる。波型は放射方向の蝶番バネと
して動作し、より大きな変位が生じるまでダイヤフラム
の中立面の延伸を遅らせる。このメカニズムにより、波
型ダイヤフラムの線形動作範囲が引き延ばされる。しか
し、平坦なダイヤフラムの線形範囲に限定された小さな
変位で使用する場合には、波型ダイヤフラムは急峻な高
いバネ率を示す。

【００２０】ベローズ封止もまた、二つの環境を密閉封
止するために広く使用されいる。一つの構造例として、
ステンレス鋼などの適当な材料の薄いワッシャを積み重
ね、その直径方向の内側と外側とを交互に溶接した溶接
ベローズが知られている。また、他の構造例として、一
本の管から作られた渦巻き型ベローズが知られている。
どちらの場合にも直列に接続されたダイヤフラムを形成
し、その総変位量、最大動作圧力およびバネ率は、確立
されたダイヤフラムの式を変形することにより求められ
る。溶接ベローズ封止は、少ない高さで渦巻き型ベロー
ズと同等の柔軟性を実現できるので、空間を確保してお
く必要のある応用では渦巻き型ベローズより実用的であ
る。しかし、渦巻き型、溶接型のどちらのベローズも、
平坦なダイヤフラムや波型ダイヤフラムに比較して非常
に高さが必要である。さらに、溶接ベロー封止は粒子を
トラップし、パージ・プロセスにおける除去および清浄
化が非常に困難である。これは、浄化ガスによる吹き飛
ばし浄化を行うときに、渦が生じて遮蔽された領域を作
るからである。このため、浄化ガスにより汚染を所望の
レベル以下に汚染を取り除くための時間が無駄に長くな
る。

【００２１】ダイヤフラムの最大動作圧力を越える圧力
に対する防護として、硬質裏当てを用いることが知られ
ている。この硬質裏当ては、ダイヤフラムの最大変位の
形状に設定され、ダイヤフラムの応力を制限する。典型
的には、ダイヤフラムの最大変位の形状を硬質の材料片
に加工し、それをダイヤフラムの裏に配置する。ダイヤ
フラムが変位して硬質裏当てにほぼ接するようになる
と、この裏当てにより付加的な負荷に耐えるようにな
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、硬質裏当てが
ダイヤフラムに接しない領域については保護できない。
例えば、ダイヤフラムを操作するために硬質裏当てから
プランジャが突出するような構造では、プランジャとダ
イヤフラムのふちとの間に、硬質裏当てにより支えられ
ていない大きな領域ができる。この支えられていない部
分でダイヤフラムに全負荷が加わり、それに対応する応
力が生じる。

【００２３】それほど厳密な封止が必要ない場合には、
エラストマ製のダイヤフラムも用いられる。このような
ダイヤフラムの欠点は、水分を吸収する傾向があること
である。さらにこのようなダイヤフラムには、ガス透過
性がある。このため、エラストマ製ダイヤフラムは半導
体の製造にはほとんど使用されない。

【００２４】市販されている多くの流量制御装置では、
移動可能な封止は用いられていない。このような装置で
は、アクチュエータがガス流の中に直接に配置される。
アクチュエータは典型的にはソレノイドの一部として形
成されるが、電歪素子または磁歪素子の一部として形成
されることもある。アクチュエータとして使用するため
の理想的な材料の特性は、一般にはガス流と両立できな
い。さらに、これらの素子をガス流中に設置すると、流
れの停滞する領域が生じ、その素子を清浄化することが
ほとんど不可能にある。

【００２５】本発明は、以上の課題を解決し、互いに密
封封止されるべき二つの環境を完全に封止でき、その表
面を反応性の小さいガスにより容易に清浄化でき、小さ
い力で比較的大きな変位が得られる構造のダイヤフラム
を提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明のダイヤフラム・
アセンブリは二枚構成であることを特徴とし、流体障壁
となって複数の環境を互いに分離する薄い隔膜ダイヤフ
ラム部と、この隔膜ダイヤフラム部に近接して配置され
た可撓性裏当て部とを備えたことを特徴とする。可撓性
裏当て部は、隔膜ダイヤフラム部の変位量を制限するこ
とによりその隔膜ダイヤフラム部を支え、その変位の形
状を制御し、ダイヤフラム・アセンブリに印加される差
圧により生じる負荷を実質的に支える。隔膜ダイヤフラ
ム部は高反応性ガスの流れに曝される場合があり、反応
性ガスの腐食効果に対して強い抵抗性を示す適当な材料
で形成されることが望ましい。この場合に、その材料の
物理的強度は問題にはならない。可撓性裏当て部は隔膜
ダイヤフラム部により腐食性環境から保護され、ガス流
を汚染することもない。可撓性裏当て部は隔膜ダイヤフ
ラム部より強く耐久性のある材料で製造されることが望
ましい。

【００２７】本発明の他の態様として、隔膜ダイヤフラ
ム部は、その中央部に、小さい領域に加えられる圧力す
わなち点負荷を加えるプランシャ型アクチュエータを支
える硬質中央部を含むことができる。この硬質中央部
は、プランジャの負荷を広い領域に均一に分散して受け
る利点がある。一つの態様として、硬質中央部が隔膜ダ
イヤフラム部に一体に成形される。また、硬質中央部が
隔膜ダイヤフラム部とは別の部品により形成されてもよ
い。可撓性裏当て部に硬質中央部を設けることもでき
る。

【００２８】さらに別の態様として、ダイヤフラム・ア
センブリが硬質裏当て部をさらに備え、この硬質裏当て
部と隔膜ダイヤフラム部との間に弾性のある圧縮性媒体
が配置される。これとは別に、ダイヤフラム・アセンブ
リが硬質裏当て部をさらに備え、非圧縮性媒体がこの硬
質裏当て部と隔膜ダイヤフラム部との間に配置され、硬
質裏当て部には隔膜ダイヤフラム部の撓みにより生じた
非圧縮性媒体の移動を収容する凹部が設けられた構造と
することもできる。

【００２９】

【作用】本発明は、圧力、封止、ポンプなどにの種々の
分野で使用できる二枚構成のダイヤフラム・アセンブリ
を提供する。このダイヤフラム・アセンブリは、互いに
密封封止された圧力の異なる二つの環境の間で力および
動きを伝達する使用形態に特に適している。二枚構成の
ダイヤフラム・アセンブリは、高圧環境で動作でき、従
来の一枚構成のダイヤフラムに比較して小さい力で大き
く変位する。高圧環境で動作し大きな変位が得られるこ
とから、小さい力で動かすことのできる小さな密封封止
バルブを用い、その一方で広い圧力範囲にわたり大きな
変位を得る必要のある装置に使用して、動作範囲が広が
り、装置の分解能を高めることができる。

【００３０】

【実施例】図１および図２は本発明第一実施例のダイヤ
フラム・アセンブリを示し、図３はその使用例を示す。

【００３１】このダイヤフラム・アセンブリ１０は、互
いに密封封止されるべき二つの環境の間で力および動き
を伝達するためのものであり、圧力測定用の装置や封
止、ポンプなどに利用することができる。このダイヤフ
ラム・アセンブリ１０は、特に半導体製造での使用に適
している。

【００３２】このダイヤフラム・アセンブリ１０は、従
来からの一枚構成のダイヤフラムと異なり、隔膜ダイヤ
フラム部１２と、可撓性裏当て部１８との二枚構成とな
っている。隔膜ダイヤフラム部１２は、二つの環境を隔
離する流体障壁として動作する。可撓性裏当て部１８は
隔膜ダイヤフラム部１２に密着して配置され、二つの環
境の間の差圧によって生じる実質的にすべての負荷を支
えるように構成される。

【００３３】図２に示したように、隔膜ダイヤフラム部
１２は、高圧側１４と低圧側１６との二つの環境の間の
流体障壁として動作する。図３に示した使用例では、低
圧側１６において、ソレノイド・プランジャ１５により
ダイヤフラム・アセンブリに点負荷が加えられている。

【００３４】隔膜ダイヤフラム部１２は、従来のダイヤ
フラムと同様に平坦でも波型でもよい。容易に変位し反
応性の小さいガスによる清浄化も容易なように、表面が
平坦であることが望ましい。隔膜ダイヤフラム部１２は
二つの環境の間のガスをしっかりと封止し、低圧側１６
を高圧側１４から完全に隔離する。

【００３５】隔膜ダイヤフラム部１２は、適当な非反応
性材料、例えば３１６ステンレス鋼により製造されるこ
とが望ましい。非反応性材料の使用は、半導体製造のよ
うに反応性ガスの腐食性環境に隔膜ダイヤフラム部１２
を曝すような利用分野で特に有効である。隔膜ダイヤフ
ラム部１２はまた、都合のよいことに、可撓性裏当て部
１８を反応性ガスの腐食性環境から遮蔽する。

【００３６】可撓性裏当て部１８は、間に何らの境界材
を挟むことなく、隔膜ダイヤフラム部１２に密着して配
置される。このためには、例えば、図７に示すように隔
膜ダイヤフラム部１２と可撓性裏当て部１８とをその外
縁部１９で互いにクランプする。また、隔膜ダイヤフラ
ム部１２と可撓性裏当て部１８とをバルブ壁２４の内側
周辺部２２に設けられた凹みまたはフランジの間に嵌め
込んでもよい。

【００３７】二枚構成にすると、ダイヤフラム・アセン
ブリ１０に加わる高圧側１４と低圧側１６との間の差圧
により生じる負荷の実質的にすべてを、隔膜ダイヤフラ
ム部１２から可撓性裏当て部１８に伝達させることがで
きる。負荷または圧力が加えられると、可撓性裏当て部
１８は絶縁ダイヤフラム部１２と共に移動する。

【００３８】図３に示したように、プランジャ１５によ
り点負荷が加えられる。プランジャ１５が接するすべて
の領域２５にわたり、可撓性裏当て部１８が隔膜ダイヤ
フラム部１２を支えられる。したがって、可撓性裏当て
部１８がプランジャ１５により加えられた実質的にすべ
ての負荷を受ける。

【００３９】隔膜ダイヤフラム部１２に生じる応力レベ
ルは可撓性裏当て部１８の形状によって決定され、可撓
性裏当て部１８を形成する材料の剛性に依存する。可撓
性裏当て部１８はガス流に曝されることがなく、したが
ってガス流に汚染されることがないので、隔膜ダイヤフ
ラム部１２を構成する非反応性材料より強くて耐久性の
ある材料で製造できる。すなわち、可撓性裏当て部１８
については、金属または非金属の適当な材料、例えば１
７−７ステンレス鋼を用いて製造できる。

【００４０】隔膜ダイヤフラム部１２は可撓性裏当て部
１８に比較して断面領域が薄く、剛性も小さい。したが
って、隔膜ダイヤフラム部１２が可撓性裏当て部１８を
圧迫すると、それにより負荷または圧力のほとんどの部
分が可撓性裏当て部１８に伝達される。隔膜ダイヤフラ
ム部１２および可撓性裏当て部１８が平行なバネとして
動作し、それぞれの相対的な剛性に比例して負荷または
圧力を伝達する。利用形態によって、隔膜ダイヤフラム
部１２の厚さを当業者にとって公知の応力解析方法によ
り適当に設定することができる。

【００４１】二枚構成を用いると、隔膜ダイヤフラム部
１２に生じる応力および変位力はその変位した形状の関
数となり、隔膜ダイヤフラム部１２に加わる差圧には依
存しなくなる。隔膜ダイヤフラム部１２を従来の一枚構
成のダイヤフラムに比べて薄くすると、隔膜ダイヤフラ
ム部１２を変位させるのに必要な力と、与えられた変位
の形状に対する隔膜ダイヤフラム部１２の応力レベルと
が実質的に削減される。

【００４２】図１と図４とを参照すると、可撓性裏当て
部１８には、可撓性裏当て部１８が延伸よりも曲げによ
って変位するような形状で打ち抜かれた孔、すなわち湾
曲した幅の狭い開口２６が設けられる。この開口２６
は、可撓性裏当て部１８の曲げ可能性を高め、その可撓
特性に寄与する。開口２６は曲げにより可撓性裏当て部
１８を変位させ、大きな変位を得ることができる。曲げ
による変位を利用しているため膜力や膜応力は生じな
い。可撓性裏当て部１８に開口２６が設けられていて
も、この可撓性裏当て部１８によりガスを封止する必要
はなく、ガスの封止は隔膜ダイヤフラム部１２により行
われるので問題はない。可撓性裏当て部１８の変位メカ
ニズムが曲げによるものなので、力や応力は変位に対し
て線形に増加し、膜としての作用によって生じる増加率
の上昇を回避できる。可撓性裏当て部１８の構造につい
ては、当業者であれば従来からの公知の方法により適当
に設計できる。

【００４３】図４は可撓性裏当て部１８の一例を示す。
この例は「スパイダ」バネとして知られた構造をもち、
上述した方法により変位する。この例の可撓性裏当て部
１８は半円形に湾曲した開口２６を備え、この開口２６
が中央部２７から外縁部２９に向かって螺旋状に拡がっ
ている。

【００４４】図５は本発明第二実施例のダイヤフラム・
アセンブリを示す断面図である。この実施例のダイヤフ
ラム・アセンブリ１０は、固定された硬質裏当て部３０
を備え、この硬質裏当て部３０と隔膜ダイヤフラム部１
２との間に、独立気泡フォームのような圧縮性弾性媒体
３２を備える。圧縮性弾性媒体３２はどのような適当な
材料で形成されてもよく、例えばポリカーボネートやＬ
ＥＸＡＮを用て形成される。隔膜ダイヤフラム部１２が
変位すると、それがこの隔膜ダイヤフラム部１２を支え
る圧縮性弾性媒体３２に作用する。圧縮性弾性媒体３２
により得られる支持量は、隔膜ダイヤフラム部１２の変
位量と、圧縮性弾性媒体３２の剛性とに依存する。

【００４５】図６は本発明第三実施例を示す断面図であ
る。この実施例では、隔膜ダイヤフラム部１２と硬質裏
当て部３０との間に、非圧縮性弾性媒体３３が設けられ
る。硬質裏当て部３０には図６に示したように凹部３５
が設けられ、この凹部３５に、隔膜ダイヤフラム部１２
に生じた変位により非圧縮性媒体３３が移動して収めら
れる。

【００４６】図７および図８は二枚構成のダイヤフラム
・アセンブリの使用例を示す図であり、ソレノイド・ア
クチュエータ・バルブ２８で使用する例について説明す
る。隔膜ダイヤフラム部１２は硬質裏当て部３０と連関
して動作する。ソレノイドによって作動するプランジャ
１５は、圧力を加えて可撓性裏当て部１８および隔膜ダ
イヤフラム部１２を変位させ、高圧力ガス流３６（図７
において矢印で示す）中に配置された球３４を弁座３８
に押しつけたり離したりすることによりバルブを開閉す
る。球３４は誘導部材４１、４２間を移動できる。

【００４７】ソレノイド・プランジャ１５は、伸長した
ときに、隔膜ダイヤフラム部１２の中央部を支える。こ
れにより、隔膜ダイヤフラム部１２の支え無しの長さを
削減し、ダイヤフラムの差圧によって生じる実質的にす
べての圧力を可撓性裏当て部１８で支えるようにし、隔
膜ダイヤフラム部１２の撓みの形状を制御する。可撓性
裏当て部１８を変位させるための力は小さくてすみ、ソ
レノイドで作動するプランジャ１５を小型化できる。プ
ランジャ１５を引き抜くと、硬質裏当て部３０が隔膜ダ
イヤフラム部１２を支えてその変位を制限する。硬質裏
当て部３０が無い場合には、可撓性裏当て部１４を曲が
り難い材料のものに取り替え、プランジャ１５が中央で
支えていない場合でも、隔膜ダイヤフラム部１２に加わ
る圧力を支えられるようにする。その場合には、ダイヤ
フラム・アセンブリ１０を作動させるためにより大きな
力が必要となり、可撓性裏当て部１８にはより大きな応
力が生じることになる。

【００４８】図１を再び参照し、さらに図９（ａ）、
（ｂ）を参照すると、隔膜ダイヤフラム部１２はプラン
ジャ１５により加えられた負荷を支える硬質中央部４０
を備え、この硬質中央部４０はプランジャ１５による負
荷が加えられる領域よりは大きい領域に均一に分布して
いる。硬質中央部４０は図９（ａ）に示すように隔膜ダ
イヤフラム部１２に一体に成形されてもよく、図９
（ｂ）に示すように別個の部品として構成されてもよ
い。さらには、図１に破線で示したように、硬質中央部
４０を可撓性裏当て部１８の一部として設けることもで
きる。

【００４９】次に、二枚構成の可撓性裏当て部１８の利
点を従来のダイヤフラムと比較して説明する。

【００５０】図１０は表面が平坦なものから種々の高さ
の波型が設けられたものまでについて、従来型ダイヤフ
ラムの応力を解析した結果を示す。ここで、参考のた
め、典型的な従来の波型ダイヤフラムの構造を図１４に
示す。図１４において（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
である。

【００５１】図１０に示した結果を得るための解析で
は、３１６ステンレス鋼により製造された従来の円形ダ
イヤフラムを計算モデルとし、腐食性ガス流を密封封止
するためのバルブに使用し、圧力が５０ｐｓｉｇ（poun
d per square inch gauge)であるとした。ダイヤフラム
の厚さは０．００２インチ、直径は０．５０インチとし
た。動作時には、バルブを閉じるために、バルブのアク
チュエータによりダイヤフラムを弁座の方向（これを負
の方向で表す）に０．００５インチ変位させる必要があ
るとした。最大流量が得られるのは、アクチュエータを
閉じた位置から０．０１０インチ引き抜いたときであ
り、ダイヤフラム・アセンブリ１０がガス圧によりその
無変位の位置から＋０．００５インチ変位したときであ
るとした。

【００５２】従来の円形、波型、弾性体の隔膜ダイヤフ
ラム部に負荷を加えたときの変位および応力について
は、マリオ・ディ・ギオバーニ著「フラット・アンド・
コルゲーティド・ダイヤフラム・デザイン・ハンドブッ
ク」(MarioDi Giovanni,"Flatand Corrugated Diaphrag
m Design Handbook") に示された式により決定できる。
この式では、プロファイル・ファクタと呼ぶ因子を用
い、平坦なダイヤフラムを「１」、ダイヤフラムの厚さ
の１６倍の高さの波型が設けられたダイヤフラムを「２
０」としている。

【００５３】図１０を参照すると、第一の曲線Ａは、ダ
イヤフラムを−０．００５インチ変位させるのに十分な
圧力が加えられたときの従来型ダイヤフラムの応力レベ
ルを示す。第二の曲線Ｂは、５０ｐｓｉｇのガス圧が加
えられたときの従来型ダイヤフラムに生じる応力レベル
を表す。従来のダイヤフラムにおいて最大応力を最小に
するための最適設計は曲線Ａ、Ｂの交点で表され、波型
のプロファイル・ファクタが１４．６のものが最適とな
る。そのときの応力レベルは９７，０００ｐｓｉｇとな
る。

【００５４】同様に、本発明を実施したダイヤフラム・
アセンブリについても解析した。この解析では、計算モ
デルとして、可撓性裏当て部１８と隔膜ダイヤフラム部
１２とを組み合わせて使用し、５０ｐｓｉｇのガス圧ま
たは負荷が隔膜ダイヤフラム部１２に単独に加わること
はないとした。隔膜ダイヤフラム部１２を可撓性裏当て
部１８に密着させて保持すると、隔膜ダイヤフラム部１
２を可撓性裏当て部１８側に変位させるのに必要な負荷
を越える圧力負荷については、隔膜ダイヤフラム部１２
から可撓性裏当て部１８に伝達される。圧力負荷を受け
たときには通常のダイヤフラムの形状に変形するように
隔膜ダイヤフラム部１２に対する可撓性裏当て部１８の
バネ率を設計すると、隔膜ダイヤフラム部１２内に生じ
る応力は０．００５インチの変位によって生じるものだ
けとなる。この結果、５０ｐｓｉｇの圧力負荷条件（図
１０における曲線Ｂ）がダイヤフラムにとって不要とな
り、ダイヤフラムの設計要求としては無視できる。この
結果、０．００５インチの変位要求（図１０における曲
線Ａ）のみが残り、プロファイル・ファクタが２．０の
波型をもつダイヤフラムが最適となる。このときの応力
は、図１０の曲線Ａに示されるように、たった２７，０
００ｐｓｉｇである。

【００５５】円形で波型の弾性的なダイヤフラムでは、
どのようなものでも、負荷があるときの変位が、 Ｐ＝〔Ｅｔ³ Ａ_p ／ａ⁴ 〕ｙ＋〔ＥｔＢ_p ／ａ⁴ 〕ｙ³ で表される。ここで、 Ｐ：ダイヤフラム上の圧力 ｔ：ダイヤフラムの厚さ ｙ：ダイヤフラムに圧力が加えられていないときの位置
からのダイヤフラムの中央部の変位 ａ：ダイヤフラムの直径 Ｅ：ダイヤフラムの材料の弾性率 Ａ_p ：次式における線形項のディメンジョンのない剛性
係数 Ａ_p ＝２（３＋ｑ）（１＋ｑ）／〔３（１−ｕ² ／
ｑ² ) 〕 ｕ：ダイヤフラムの材料のポアソン比 ｑ：次式で表される波型プロファイル・ファクタ ｑ＝〔１．５（Ｈ² ／ｔ² ） ＋１〕^1/2 Ｈ：波型の深さ ｔ：ダイヤフラムの厚さ Ｂ_p ：次式における非線形項のディメンジョンのない剛
性係数 Ｂ_p ＝〔３２／（ｑ² −９）〕×〔１／６−（３−ｕ）
／（ｑ−ｕ)(ｑ＋３）〕 である。応力については、最大剪断応力が、 Ｇ_tmax＝Ｐ（ａ／ｔ）² Ｋ_s で表される。ただし、 Ｇ_tmax：ダイヤフラムの最大剪断応力 Ｋ_s ：次の式で表される剪断応力因子 Ｋ_s ＝〔３＋６（ｑ₂ −１）〕／（ｑ−１）（ｑ＋３）
×〔２／（ｑ−１）〕^2/(q-3) ｑ：上で定義された波型プロファイル・ファクタであ
る。また、ダイヤフラムの最大半径方向応力が、 Ｇ_rmax＝〔９Ｐａ² ／（ｑ−１）（ｑ＋３）ｔ² 〕Ｋ_r
×〔Ｋ_r ＋０．１ｑ（ｑ＋２）ｌ² ／３ａ〕 で表される。ただし、 Ｇ_rmax：ダイヤフラムの最大半径方向応力 Ｋ_r ：次の式で表される半径方向応力因子 Ｋ_r ＝〔６／ｑ（ｑ−１）〕^1/(q-3) ｑ：上で定義された波型プロファイル・ファクタ ａ：上で定義されたダイヤフラムの半径 ｌ：波型の間隔（長さ） である。

【００５６】これらの式を用い、種々のダイヤフラムに
ついて、気体流を密閉封止する場合の半径方向の各点に
対する変位を求め、いくつかの点についてその応力を求
めた。これを図１１ないし図１３に示す。

【００５７】これらの例では、プランジャ型のアクチュ
エータを用い、ダイヤフラムをその中立位置から±０．
００５インチ変位させてガス流を変化させるものとし
た。すなわち、プランジャによりダイヤフラムを負方向
に押すことにより流れを減少させ、プランジャを引き抜
いてガス流を増加させ、そのガス圧によりダイヤフラム
を正方向に押すものとした。ダイヤフラムとしては、厚
さ０．００４インチ、直径０．５００インチの平坦なも
のを用いた。この場合に、二つの極端な条件が存在す
る。第一はプランジャを完全に引き抜いて０．００５イ
ンチ変位させた場合であり、上述した方法により負荷条
件を緩和できる。第二はプランジャにより集中する力が
加えられて−０．００５インチ変位した場合である。こ
の場合には非常に複雑な問題があり、前述したような完
全解を求める方法では解析が困難である。そこで、ＳＲ
ＡＣ社の有限要素計算機モデリング・パッケージＣＯＳ
ＭＯＳ／Ｍを用いて、種々のダイヤフラムについて解析
した。

【００５８】図１１は、直径が０．１６０インチのプラ
ンジャを用い、５０ｐｓｉｇのガス圧をダイヤフラムに
加えた場合の例である。図１１に示したように、半径方
向に対して、参照番号５０、５２、５４でそれぞれ１３
１ｋｐｓｉｇ、３７ｋｐｓｉ、１７ｋｐｓｉの応力が生
じた。

【００５９】図１２に示した第二の例では、図１１に示
した場合と同じダイヤフラムの中央に厚さ０．００８イ
ンチ、直径０．１６インチの円板を配置し、ダイヤフラ
ムとプランジャとが直接接触しないようにした。プラン
ジャの直径は０．０８０インチとした。この例で付加し
た円板は、ダイヤフラムに比較して厚いことから硬質中
心部として動作し、図１１の例で生じた大きな応力がそ
れぞれ参照番号５６、５８、６０で示すように７３ｋｐ
ｓｉ、３４ｋｐｓｉ、６ｋｐｓｉに減少した。硬質中心
部には参照番号６２で示すように最大応力７８ｋｐｓｉ
が生じた。

【００６０】図１３は本発明の実施例に対するものであ
り、可撓性のある「スパイダ」型の板を図１１の例で用
いたダイヤフラムに密着させて配置した。図１３に示し
たように、本発明による構成のダイヤフラムは、参照番
号６４で示すように最大応力が４０ｋｐｓｉに減少し、
そのときの中央変位は０．００７７インチであった。ス
バイダ型可撓性裏当て部に生じた応力は、参照番号６６
で示すように、８０ｋｐｓｉであった。図１１ないし図
１３の例に示したように、本発明は従来のダイヤフラム
に比較して応力レベルを大幅に減らすことができる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のダイヤフ
ラム・アセンブリは、二枚構成の構造により、従来の一
枚構成のダイヤフラムに比較して小さい力で大きく変位
し、しかも大きな負荷を加えても非弾性的な形状変化は
生じにくい。したがって、高圧環境で使用でき、例えば
密封封止バルブに用いて、動作範囲を拡大することがで
き、しかもその分解能を高めることができる。

【００６２】本発明のダイヤフラム・アセンブリは、互
いに密封封止された圧力の異なる二つの環境の間で力お
よび動きを伝達する使用形態に特に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例のダイヤフラム・アセンブリ
を示す斜視図であり、その一部を切り欠いて示す図。

【図２】第一実施例の断面図。

【図３】第一実施例の使用例を示す断面図であり、隔膜
ダイヤフラム部、硬質裏当て部および可撓性裏当て部を
用いた例を示す図。

【図４】第一実施例の平面図。

【図５】本発明第二実施例の断面図。

【図６】本発明第三実施例の断面図。

【図７】ダイヤフラム・アセンブリの使用例を示す図で
あり、ソレノイドにより作動するバルブの断面図。

【図８】ダイヤフラム・アセンブリの使用例を示す図で
あり、図７のバルブの全体の断面図。

【図９】隔膜ダイヤフラム部の二つの構造例を示す斜視
図であり、（ａ）は硬質中央部が一体に形成された構造
を示す図、（ｂ）は硬質中央部が別個の部品として形成
された構造を示す図。

【図１０】種々の波型ダイヤフラムにおけるプロファイ
ル・ファクタに対する最大応力を示す図。

【図１１】隔膜ダイヤフラム部の半径方向の位置に対す
るダイヤフラムの変位例を示す図であり、３１６ステン
レス鋼製の隔膜ダイヤフラム部を用いた例を示す図。

【図１２】隔膜ダイヤフラム部の半径方向の位置に対す
るダイヤフラムの変位例を示す図であり、隔膜ダイヤフ
ラム部に硬質中央部を設けた場合の例を示す図。

【図１３】隔膜ダイヤフラム部の半径方向の位置に対す
るダイヤフラムの変位例を示す図であり、可撓性裏当て
部を併用した場合の例を示す図。

【図１４】波型ダイヤフラムの構造を示す図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。

【符号の説明】

１０ ダイヤフラム・アセンブリ １２ 隔膜ダイヤフラム部 １４ 高圧側 １５ プランジャ １６ 低圧側 １８ 可撓性裏当て部 １９ 外縁部 ２２ 内側周辺部 ２４ バルブ壁 ２６ 開口 ２７ 中央部 ２９ 外縁部 ３０ 硬質裏当て部 ３２ 圧縮性弾性媒体 ３３ 非圧縮性弾性媒体 ３４ 球 ３５ 凹部 ３６ 高圧力ガス流 ３８ 弁座 ４０ 硬質中央部 ４１、４２ 誘導部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハミド・サガツチ アメリカ合衆国92667カリフオルニア・オ レンジ・ロビンフツドプレース2598番地

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の圧力の環境と第二の圧力の環境と
   を分離し、負荷を加えることにより撓む隔膜ダイヤフラ
   ム部と、 この隔膜ダイヤフラム部の少なくとも一方向の撓みを支
   える支持部材とを備えたダイヤフラム・アセンブリにお
   いて、 前記支持部材は、前記隔膜ダイヤフラム部に近接して配
   置され、その隔膜ダイヤフラムの撓みにより形状が変化
   してその隔膜ダイヤフラムに加えられた負荷を支える可
   撓性裏当て部を含むことを特徴とするダイヤフラム・ア
   センブリ。
2. 【請求項２】 隔膜ダイヤフラム部は剛性が小さくなる
   ようにその厚さが可撓性裏当て部より薄く形成された請
   求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
3. 【請求項３】 隔膜ダイヤフラム部は、その中央部に、
   プランジャからの負荷を広い領域に均一に伝達する硬質
   中央部を含む請求項１記載のダイヤフラム・アセンブ
   リ。
4. 【請求項４】 硬質中央部は隔膜ダイヤフラム部に一体
   に成形された請求項３記載のダイヤフラム・アセンブ
   リ。
5. 【請求項５】 硬質中央部は隔膜ダイヤフラム部とは別
   の部品により形成された請求項３記載のダイヤフラム・
   アセンブリ。
6. 【請求項６】 可撓性裏当て部はプランジャからの負荷
   を広い領域に均一に伝達する硬質中央部を含む請求項１
   記載のダイヤフラム・アセンブリ。
7. 【請求項７】 隔膜ダイヤフラム部はガスを封止する構
   造である請求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
8. 【請求項８】 隔膜ダイヤフラム部はその表面が平坦な
   形状である請求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
9. 【請求項９】 隔膜ダイヤフラム部はその表面に波型が
   設けられた請求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
10. 【請求項１０】 可撓性裏当て部は曲げにより変位する
    材料で形成された請求項１記載のダイヤフラム・アセン
    ブリ。
11. 【請求項１１】 隔膜ダイヤフラム部は非反応性材料に
    より形成された請求項１記載のダイヤフラム・アセンブ
    リ。
12. 【請求項１２】 非反応性材料は３１６ステンレス鋼を
    含む請求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
13. 【請求項１３】 可撓性裏当て部は強く耐久性のある材
    料で形成された請求項１記載のダイヤフラム・アセンブ
    リ。
14. 【請求項１４】 強く耐久性のある材料が金属である請
    求項１３記載のダイヤフラム・アセンブリ。
15. 【請求項１５】 強く耐久性のある材料が非金属である
    請求項１３記載のダイヤフラム・アセンブリ。
16. 【請求項１６】 可撓性裏当て部は圧縮性媒体を含む請
    求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
17. 【請求項１７】 支持部材は硬質裏当て部をさらに含
    み、この硬質裏当て部と隔膜ダイヤフラム部との間に圧
    縮性媒体が配置された請求項１６記載のダイヤフラム・
    アセンブリ。
18. 【請求項１８】 圧縮性媒体は弾性媒体である請求項１
    ６記載のダイヤフラム・アセンブリ。
19. 【請求項１９】 弾性媒体は独立気泡フォームである請
    求項１８記載のダイヤフラム・アセンブリ。
20. 【請求項２０】 可撓性裏当て部は非圧縮性媒体を含む
    請求項１記載のダイヤフラム・アセンブリ。
21. 【請求項２１】 支持部材は硬質裏当て部をさらに含
    み、非圧縮性媒体はこの硬質裏当て部と隔膜ダイヤフラ
    ム部との間に配置され、前記硬質裏当て部には前記隔膜
    ダイヤフラム部の撓みにより生じた前記非圧縮性媒体の
    移動を収容する凹部が設けられた請求項２０記載のダイ
    ヤフラム・アセンブリ。
22. 【請求項２２】 可撓性裏当て部には柔軟性を得るため
    の複数の開口が設けられた請求項１記載のダイヤフラム
    ・アセンブリ。