JPH07293730A

JPH07293730A - 流体制御器

Info

Publication number: JPH07293730A
Application number: JP8493694A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Doi; 亮介土肥; Kazuhiro Yoshikawa; 和博吉川; Tetsuya Kojima; 徹哉小島
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-10
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP3472616B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ダイヤフラムシール型やベローズシール型の
流体制御器に於いて、構造を簡単化すると共に、流体圧
による推力やダイヤフラム等の変形時の剛性力がアクチ
ュエータへ反力としてかからないようにして、アクチュ
エータの小型化を可能にする。【構成】弁室１ａの上方開口部を閉鎖する上蓋体２
と、弁座１ｄへ当座する弁体３ａを備えた弁体支持シャ
フト３と、内周縁を弁体支持シャフトの外周面へ気密状
に固定すると共に外周縁を弁室の上端部へ気密状に固定
したダイヤフラム若しくはベローズ５と、弁体が弁座へ
当座可能に軸支するシャフト支持ピン４と、弁体支持シ
ャフトの上端部へ一端を固定した作動杆６と、弁体支持
シャフトをシャフト支持ピンを支軸として揺動させ、弁
体を弁座へ当座させるアクチュエータ９と、弁体支持シ
ャフトを、その下端部に設けた弁体が弁座から離座する
方向へ付勢する弾性体７，８とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として半導体製造プ
ラントや化学プラント等に於いて使用するダイヤフラム
型及びベローズシール型の流量制御弁に関するものであ
り、弁体駆動力の拡大機構を簡素化することにより、小
さな駆動力でもって応答性に優れた高精度な流体制御を
行えるようにした流体制御器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従前のダイヤフラムシール型流体
制御器の一例を示すものであり、図に於いて１５は弁
箱、１６は弁体、１７は弁座、１８は弁体押え、１９は
ダイヤフラム、２０は圧電アクチュエータ、２１はアク
チュエータ位置調整機構、２２はスプリングである。而
して、図４の流体制御器では、操作用入力の印加により
圧電アクチュエータ２０が下方へ伸長し、これによって
弁体１６が下方へ押圧され、流体通路が開放される。と
ころが、弁体１６を駆動する圧電アクチュエータ２０に
は、流体内圧とアクチュエータ受圧面積（アクチュエー
タ断面積）の積に相当する反力が作用するため、弁体１
６の駆動に大きな駆動力が必要となる。尚、このこと
は、ベローズシール型の流体制御器に於いても全く同様
である。

【０００３】また、図４のダイヤフラムシール型流体制
御器においては、ダイヤフラム１９を垂直方向に変位さ
せた場合に剛性力が発生する。そして、この剛性力はア
クチュエータの駆動軸に反力として作用するため、アク
チュエータ２０にはより大きな駆動力の発生が要求され
ることになる。尚、ダイヤフラム１９の前記剛性力を弱
めるには、板厚を薄くしたり、有効径を大きくしたり、
波形数を増す等の方策があるが、何れも耐圧力の低下や
内圧力の反力の増加、流体制御器の大型化を招くと云う
問題が起生する。

【０００４】更に、圧電アクチュエータ２０はストロー
クが２０〜３０μｍ程度と極めて小さくなり、弁体１６
の駆動に有効利用できる範囲は約１０μｍ程度である。
ところが、流体内圧が上昇すると、ダイヤフラム１９そ
のものに若干歪みが生ずるため、０．１〜０．２μｍ程
度の微調整は非常に困難となる。加えて、図４の流体制
御器では、弁体１６の変位量が小さく且つ駆動部の変位
量も少ないため、所謂制御器の分解能を高めることが困
難となり、高精度な流体制御が難かしいと云う問題があ
る。

【０００５】一方、弁体１６の変位量を大きくするに
は、拡大機構を用いればよい。図５は拡大機構を用いた
アクチュエータ駆動型流体制御器の一例を示すものであ
り、コロ２３と栓体２４の傾斜面とで拡大機構を構成
し、圧電セラミック型アクチュエータ２０の大推力を利
用して栓体のストロークの拡大を可能としたものである
（特公平１１１０号）。しかし、図５の如き回転部や摺
動部を備えた拡大機構には、摩擦や遊びの発生が不可避
であり、制御制度の低下を招くうえ、制御器の機構上あ
まり複雑な構造のものは採用が難かしく、流体制御器が
大形化すると云う問題がある。即ち、圧電式アクチュエ
ータは、駆動力の大きいものの組立調整が困難なうえ、
弁体近傍における詰まり事故や熱膨張による誤差、価
格、径年変化の発生等の問題があり、実用上解決すべき
問題が多く残されている。

【０００６】そのため、現実にはソレノイド等の電動式
アクチュエータを使用しなければ、コントロール弁等の
流体制御器の製作はできないという実情にある。しか
し、電動式アクチュエータは駆動力が小さいため、拡大
機構等を必要とする場合が多いが、拡大機構を用いると
弁体１６の作動速度が遅くなり、応答性等の面で問題が
出る。また、直動式で駆動力を増すには、操作用電流を
大きくする必要があり、発熱その他で様々な問題が起生
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ダイヤフラ
ムシール型やベローズシール型の流体制御器における上
述の如き問題、即ち大きな弁体駆動力を必要とし、ア
クチュエータが大型化すること、ダイヤフラム等のシ
ール材の変形時の剛性力が弁体駆動軸に反力として作用
するため、アクチュエータがより一層大型化すること、
流体圧によりダイヤフラム等に歪みが生じるため、高
精度な流体制御が難かしいこと、分解能を高めるため
に拡大機構を使用すると、応答性の低下や制御精度の低
下、制御器の大形化を招くこと、等の問題を解決せんと
するものであり、アクチュエータにかかる荷重とダイヤ
フラムの変位に起因する剛性力の大幅な減少が図れ、し
かも摩擦や遊びの極めて少ない新規な駆動拡大機構を利
用することにより、応答性や安定性、制御精度等の向上
と、大幅な小型化を可能とした流体制御器を提供するも
のである。

【０００８】本件発明は、ダイヤフラム若しくはベロー
ズにより弁箱１に形成した弁室１ａの上方開口部をシー
ルする形式の流体制御器において、弁室１ａの上方開口
部を閉鎖する上蓋体２と、上蓋体２を挿通して弁室１ａ
内へ挿入され、下方部の側面に弁室の側面に形成した弁
座１ｄへ当座する弁体３ａを備えた弁体支持シャフト３
と、内周縁を弁体支持シャフト３の外周面へ気密状に固
定すると共に外周縁を弁室１ａの上端部へ気密状に固定
したダイヤフラム１４若しくはベローズ５と、前記弁体
支持シャフト３の中間部を、その弁体３ａが弁座１ｄへ
当座可能に軸支するシャフト支持ピン４と、弁体支持シ
ャフト３の上端部へ一端を固定した作動杆と、作動杆６
の他端を押圧することにより弁体支持シャフト３をシャ
フト支持ピン４を支軸として揺動させ、弁体３ａを弁座
１ｄへ当座させるアクチュエータ９と、弁体支持シャフ
ト３を、その弁体３ａが弁座１ｄから離れる方向へ付勢
する弾性体７とを発明の基本構成とするものである。

【０００９】

【作用】弁体支持シャフト３は支持ピン４を介して上蓋
体２の支持片２ｂへ回動自在に係止されており、弾性体
８の弾性力により、弁体支持シャフト３が上方へ引き上
げられることにより、支持ピン４は常時支持片２ｂの係
止溝２ｃ内へ係合した状態にある。

【００１０】今、アクチュエータ９が非作動状態にあれ
ば、弾性体７によって作動杆６の一端が上方へ引き上げ
られる。その結果、弁体支持シャフト３の下方部が支持
ピン４を中心にして弁座側へ回動され、弁体３ａが弁座
１ｄへ当座することにより、流体制御器は閉弁状態とな
る。また逆に、アクチュエータ９が作動状態にあれば、
アクチュエータ９の駆動力によって作動杆６の一側が弾
性体７の弾力に抗して矢印ロ方向へ回動される。これに
より、弁体支持シャフト３の下方部が回動し、弁体３ａ
が弁座１ｄから離れることにより、流体制御器は開弁状
態となる。

【００１１】流体圧によりシャフト３には上方への押圧
力が作用するが、この押圧力はシャフト支持ピン４を介
して上蓋体２によって受け止められる。その結果、ダイ
ヤフラム若しくはベローズに流体圧による歪みが生じた
場合でも、これによって弁体支持シャフト３の上下方向
位置に狂いを生ずることは皆無となる。

【００１２】また、弁体支持シャフト３の支持ピン４が
ダイヤフラム１４とほぼ同じ高さ位置に（若しくは、ベ
ローズ５の内周縁近傍とほぼ同じ高さ位置に）配設され
ているため、弁体支持シャフト３の下端部が矢印ハ方向
へ回動された場合でも、ダイヤフラム１４等の変形は殆
ど無視し得る程度となる。例えば、ダイヤフラム１４の
場合に於いては、ダイヤフラム１４の変位は、ダイヤフ
ラム中心点Ｏを回転中心として垂直軸が揺動する状態の
変位となり、ダイヤフラム１４の中心点そのものが垂直
方向へ変位することはない。その結果、ダイヤフラム１
４の垂直方向への変位により生ずる剛性力は、無視し得
るほど小さなものとなる。

【００１３】更に、支持ピン４の中心Ｏから弁体３ａ間
の距離１₁と、支持ピンの中心Ｏからアクチュエータ駆
動軸９ａ作動杆６との接触点Ｐまでの距離１₂との比１
₂／１₁がそのまま拡大倍率となり、前記接触点Ｐの位
置を適宜に変えることにより、簡単に弁体３ａの駆動力
を３〜５倍の拡大を行うことが可能となる。また、前記
拡大機構の摩擦部は前記接触点Ｐと支持ピン４の接触部
のみとなり、且つ遊びが生ずる軸受機構等が少ないた
め、拡大機構の使用によって流体の制御精度が悪化した
り、安定性が低下すると云うことが殆ど無い。

【００１４】

【実施例】以下、図１乃至図３に基づいて本発明の各実
施例を説明する。図１は本発明の第１実施例に係る流体
制御器の一部省略断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ視
断面図である。図１及び図２に於いて、１は弁箱、２は
上蓋体、３は弁体支持シャフト、４はシャフト支持ピ
ン、５はベローズ、６は作動杆、７，８は弾性体、９は
アクチュエータ、１０，１２はボルト、１１はシール材
である。前記弁箱１には、上方が開口した弁室１ａと、
弁室１ａに連通する流体入口通路１ｂと流体出口通路１
ｃが夫々形成されている。また、前記流体入口通路１ｂ
は水平方向に形成されており、その弁室側の端部には弁
座１ｄが形成されている。尚、本実施例では弁箱１に弁
座１ｄを直接形成する構成としているが、合成樹脂製の
弁座シートを弁箱１側へ嵌合した構成の弁座１ｄとして
もよい。

【００１５】前記上蓋体２は弁室１ａの上方開口部を閉
鎖するものであり、ボルト１０により弁箱１へ固定され
ている。当該上蓋体２の中央部にはシャフト挿通穴２ａ
が穿設されている。また、上蓋体２の裏面側には、シャ
フト挿通孔２ａの両側から下方へ向けて支持片２ｂ，２
ｂが二又状に突設されており、当該支持片２ｂ，２ｂの
下端面には、半円状のピン係合溝２ｃが形成されてい
る。尚、本実施例では係合溝２ｃを支持片２ｂの下端面
に形成しているが、支持片の下端部に孔を穿設し、これ
に後述するシャフト支持ピン４を挿通するようにしても
よい。

【００１６】前記弁体支持シャフト３はステンレス鋼や
コバルト系合金、ニッケル系合金等により形成されてお
り、上蓋体２に穿設したシャフト挿通孔２ａを通して上
方より弁室１ａ内へ縦向に挿入されている。また、当該
弁体支持シャフト３の下方部には、前記弁座１ｄと対向
状に弁体３ａが設けられており、更に、シャフト３のほ
ぼ中央部には、水平方向へ突出する２本のシャフト支持
ピン４，４が設けられている。尚、本実施例では弁体支
持シャフト３に合成樹脂製の弁体３ａを固着する構成と
しているが、シャフト３の下端部に弁体３ａをこれと一
体的に形成してもよい。また、本実施例ではシャフト３
に支持ピン４を植設するようにしているが、シャフト３
に貫通孔を穿設し、これに支持ピン４を挿通するように
してもよい。

【００１７】前記ベローズ５は弁室１ａの上方開口をシ
ールするものであり、ステンレス鋼やコバルト系合金、
ニッケル系合金、銅基合金等により形成されている。当
該ベローズ５の内周縁（下端側）は弁体支持シャフト３
の外周面へ溶接等により気密状に固定されており、また
その外周縁（上端側）は、上蓋体２と弁箱１との間に気
密状に挾持されている。

【００１８】尚、本実施例ではベローズ５の上端部を上
蓋体２により、シール材１１を介して挾持する構成とし
ているが、その外周縁をシール材１１へ溶接するように
してもよく、或いは弁室１ａの上部内壁面へ直接溶接す
ることも可能である。また、本実施例ではベローズ５の
内周縁をシャフト３へ溶接する構成としているが、挾圧
バンド（図示省略）等によりシール部材を介して、ベロ
ーズ５の内周縁をシャフト３の外周面へ気密状に挾持す
るようにしてもよい。更に、本実施例ではベローズ５と
シャフト３との固定位置を、前記シャフト支持ピン４の
固定位置より下方としているが、これをシャフト支持ピ
ン４の固定位置の近傍に位置せしめるようにしてもよ
い。

【００１９】前記作動杆６はほぼＬ字形に形成されてお
り、その一端はボルト１２により支持シャフト３の上端
部へ固定されている。また、前記作動杆６の他端側と上
蓋体２との間には弾性体７が介挿されており、これによ
って作動杆６の他端側には、支持ピン４を支点とする矢
印イ方向の回転力、即ち閉弁力が常時付与されている。
更に、作動杆６の支持シャフト３側には、シャフト３を
挿通せしめて弾性体８が介設されており、これによって
弁体支持シャフト３は常時上方へ持ち上げられ、支持ピ
ン４がピン係止溝２ｃへ係合している。

【００２０】前記アクチュエータ９は、上蓋体２に固定
したアクチュエータ固定板１３により水平方向に取り付
けられている。本実施例では、アクチュエータ９として
直流ソレノイドが使用されており、駆動軸９ａの平均突
出力は２００〜５００ｇｒに設定されている。また、駆
動軸９ａと押出片６ａとの接触点にはボール等を使用
し、摩擦を減らす工夫がされている。尚、本実施例で
は、アクチュエータ９をソレノイド駆動型のアクチュエ
ータとしているが、圧電型やモータ駆動型、流体圧シリ
ンダ型のアクチュエータであってもよい。また、本実施
例では所謂ノーマルクローズ型の流体制御器としている
が、ノーマルオープン型の流体制御器であってもよく、
また流体の流れ方向は何れの向きであってもよい。

【００２１】次に、本実施例に係る流体制御器の作動に
ついて説明する。弁体支持シャフト３は弾性体８により
上方へ持ち上げられており、支持ピン４及びピン係止溝
２ｃを介して、上蓋体２に回動自在に支持されている。
また、作動杆６の押出片側は弾性体７により上方へ付勢
されており、これによって弁体３ａが弁座１ｄ側へ押し
付けられ、閉弁状態に保持されている。この状態からア
クチュエータ９が作動すると、押出片６ａが押圧され、
これにより弁体支持シャフト３の下方部が支持ピン４を
支点として矢印ハ方向へ回動され、開弁状態となる。
尚、この時、アクチュエータ駆動軸９ａの駆動力は１₂
／１₁（１₁はポイントＯと弁体３ａ間の距離、１₂は
ポイントＯと接触点Ｐ間の距離）倍に拡大されることに
なる。

【００２２】図３は本発明の第２実施例を示すものであ
り、第１実施例のベローズ５に代えてダイヤフラム１４
を使用したものである。即ち、ダイヤフラム１４は薄板
状のコバルト系合金やステンレス鋼板を鍔状に加工して
形成されており、本実施例では厚さ０．０５ｍｍのコバ
ルト系合金が使用されている。また、当該ダイヤフラム
１４は複数板の薄板を積層したものであってもよい。

【００２３】前記ダイヤフラム１４の外周縁は、上蓋体
２によりシール材を介して弁箱１との間で気密状に挾圧
固定されており、またその内周縁は、弁体支持シャフト
３の外周面へ気密状に溶接されている。また、当該ダイ
ヤフラム１４は、ダイヤフラムの中心を支持ピン４の回
転中心Ｏへ合致せしめた状態で配設するのが最も望まし
い。何故なら、弁体３ａの作動時に於けるダイヤフラム
１４の変形が最小となり、ダイヤフラム１４に生ずる剛
性力が少なくなるからである。更に、ダイヤフラム１４
には、流体圧に比例した垂直方向の推力がかかるが、当
該垂直方向の推力は弁体支持シャフト３の支持ピン４を
介して上蓋体２によって受け止められ、作動杆６に直接
負荷されることは無い。

【００２４】

【発明の効果】本件発明に於いては、ダイヤフラムやベ
ローズを介して駆動部へかかる流体圧に起因する荷重
が、弁体支持シャフト３を介して上蓋体２により完全に
受け止められる。その結果、駆動部にかかる反力が著し
く小さくなり、駆動用アクチュエータの小型化や流体制
御器の小型化が可能となる。また、流体制御器の作動時
に於けるダイヤフラムやベローズの変形量が極く僅かと
なり、これ等の変形により生ずる剛性力が大幅に小さく
なる。その結果、駆動アクチュエータにかかる剛性力も
少なくなり、駆動部の一層の小型化が可能になると共
に、ダイヤフラムやベローズの耐久性が増す。更に、ア
クチュエータの負荷が小さくなるため、電磁ソレノイド
を駆動部として利用することができると共に、ソレノイ
ド型アクチュエータではアクチュエータの作動速度を上
げることができるため、応答性やヒステリシス特性に優
れた流体制御器の製作が可能となる。加えて、本発明に
於ける拡大機構は、接触点Ｐ及び支点Ｏの部分を除いて
摩擦や遊び等の殆どない構造であるため、摩擦等による
制御精度への悪影響が皆無となり、安定でしかも高精度
な流体制御が可能になると共に、接触点Ｐの位置変更に
より、拡大率を自由に選定することが可能となる。本発
明は上述の通り、構造が簡単で且つ高い制御精度が得ら
れ、優れた実用的効用を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施に係る流体制御器の一部を省
略した断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ視断面図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る流体制御器の一部を
省略した断面図である。

【図４】従前のダイヤフラム型流体制御器の断面概要図
である。

【図５】従前の拡大機構を備えた流体制御器の断面概要
図である。

【符号の説明】

１は弁箱、１ａは弁室、１ｂは流体入口通路、１ｃは流
体出口通路、１ｄは弁座、２は上蓋体、２ａはシャフト
挿通孔、２ｂは支持片、２ｃはピン係止溝、３は弁体支
持シャフト、３ａは弁体、４はシャフト支持ピン、５は
ベローズ、６は作動杆、６ａは押出片、７，８は弾性
体、９はアクチュエータ、９ａは駆動軸、１０，１２は
ボルト、１１はシール材、１３はアクチュエータ固定
板、１４はダイヤフラム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤフラム若しくはベローズにより弁
箱（１）に形成した弁室（１ａ）の上方開口部をシール
する形式の流体制御器に於いて、弁室（１ａ）の上方開
口部を閉鎖する上蓋体（２）と、上蓋体（２）を挿通し
て弁室（１ａ）内へ挿入され、下方部の側面に弁室の側
面に形成した弁座（１ｄ）へ当座する弁体（３ａ）を備
えた弁体支持シャフト（３）と、内周縁を弁体支持シャ
フト（３）の外周面へ気密状に固定すると共に外周縁を
弁室（１ａ）の上端部へ気密状に固定したベローズ
（５）又はダイヤフラム（１４）と、前記弁体支持シャ
フト（３）の中間部を、その弁体（３ａ）が弁座（１
ｄ）へ当接可能に軸支するシャフト支持ピン（４）と、
弁体支持シャフト（３）の上端部へ一端を固定した作動
杆（６）と、作動杆（６）の他端を押圧することによ
り、弁体支持シャフト（３）をシャフト支持ピン（４）
を支軸として揺動させ、弁体（３ａ）を弁座（１ｂ）へ
接当させるアクチュエータ（９）と、弁体支持シャフト
（３）を、その弁体（３ａ）が弁座（１ｄ）から離れる
方向へ付勢する弾性体（７）とより構成した流体制御
器。
【請求項２】ベローズ（５）若しくはダイヤフラム
（１４）を、その内周縁を弁体支持シャフト（３）へ溶
接すると共に、その外周縁を弁箱（１）と上蓋体（２）
との間に気密状に挾持する構成とした請求項（１）に記
載の流体制御器。
【請求項３】シャフト支持ピン（４）の両端部を上蓋
体（２）の支持片（２ａ）へ回動自在に係止する構成と
した請求項（１）に記載の流体制御器。
【請求項４】弾性体（７）を、作動杆（６）の下面側
と上蓋体（２）の上面側との間へ介挿する構成とした請
求項（１）に記載の流体制御器。
【請求項５】アクチュエータ（９）をソレノイド駆動
型のアクチュエータとすると共に、弁体支持シャフト
（３）とほぼ直交状に配設する構成とした請求項（１）
に記載の流体制御器。
【請求項６】アクチュエータ（９）をソレノイド駆動
型のアクチュエータとすると共に、弁体支持シャフト
（３）とほぼ平行状に配設する構成とした請求項（１）
に記載の流体制御器。