KR102180127B1 - 유체 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

유체 제어 밸브의 대구경 및 대출력화를 가능하게 하기 위해서, 저반발로서 액추에이터로부터 큰 힘을 가하지 않더라도 크게 변형되어 스트로크를 크게 할 수 있고, 또한 얇게 형성해도 결함이나 불량의 발생하기 어려운 다이어프램 구조를 구비한 유체 제어 밸브를 제공하기 위해서, 다이어프램 구조(4)와, 상기 다이어프램 구조(4)를 프레스하는 액추에이터(3)를 구비한 유체 제어 밸브(V)로서, 상기 다이어프램 구조(4)가 통 모양으로 형성되어 있고, 상기 액추에이터(3)에 의해 프레스되는 돌출부(42)와, 상기 돌출부(42)의 기단으로부터 당해 돌출부(42)에 대해서 외측으로 넓어지는 칼라부(41)와, 상기 칼라부(41)의 외주에 형성되어 있고, 다른 부재에 장착되는 지지부(FI)를 구비하고, 상기 칼라부(41)를 막 모양으로 형성했다.

Description

유체 제어 밸브{FLUID CONTROL VALVE}

본 발명은, 예를 들면 가스의 유량(流量) 등을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러 등에 이용되는 유체 제어 밸브에 관한 것이다.

유체 제어 밸브는 상류측 유로(流路)와 하류측 유로의 사이에 개재(介在)되어 이들에 흐르는 유체의 유량이나 압력을 제어하거나, 각 유로 사이에 유체가 흐르지 않도록 폐지(閉止)하기 위한 것이다. 예를 들면 노멀 클로스 타입(normal close type)의 유체 제어 밸브는, 당해 유체 제어 밸브 내에 있어서 유로와 외부를 구획하는 다이어프램(diaphragm) 구조를 가지고, 유로측에 배치된 밸브 시트 부재(valve seat member) 및 밸브 본체 부재 중 밸브 본체 부재의 위치를, 외부측에 배치된 액추에이터가 상기 다이어프램 구조를 통하여 변화시킴으로써 유체의 유량이나 압력을 제어하도록 구성되어 있다.

보다 구체적으로는, 상기 다이어프램 구조는 박막(薄膜)부와, 상기 박막부로부터 당해 박막부에 대해서 수직인 방향으로 유로측으로 돌출되어 용접되어 있고, 상기 밸브 본체 부재와 맞닿는 핀(pin)으로 구성되어 있다. 그리고 상기 액추에이터는 외부측으로부터 상기 핀을 프레스함으로써 상기 박막부를 탄성적으로 휘게 하여 당해 핀을 밸브 본체 부재측으로 이동시켜 밸브 본체 부재의 위치를 변경한다(특허 문헌 1 참조).

그런데, 이와 같은 유체 제어 밸브에 있어서 단위시간당 통과시킬 수 있는 유량이 크고, 제어 가능한 유량의 레인지도 넓은 대구경(大口徑)인 유체 제어 밸브가 근년 요구되고 있다. 이를 위해, 상기 액추에이터에 의한 상기 핀의 가동 스트로크(stroke)를 종래보다도 크게 하여, 상기 밸브 시트 부재와 상기 밸브 본체 부재의 개도(開度)를 보다 넓은 레인지로 제어할 수 있도록 할 필요가 있다.

예를 들면 액추에이터의 출력을 종래의 사양으로부터 변경하지 않고, 밸브 본체 부재의 가동 스트로크를 크게 하려고 하는 경우, 상기 박막부에 있어서의 강성(剛性)을 작게 하여 저반발화(低反發化)하는 것을 생각할 수 있다.

그렇지만, 상기 다이어프램 구조는, 종래 절삭 등의 기계 가공에 의해서 제작되고 있고, 예를 들면 상기 박막부를 보다 종래보다도 얇게 형성하여 저반발화를 달성하려고 하면, 고정밀도의 절삭 가공이 필요해지기 때문에 제조 비용이 상승해 버린다.

또, 만일 기계 가공에 의해 요구되는 저반발성이 되는 얇기까지 상기 박막부를 절삭하여 형성할 수 있다고 해도, 박막부에 구멍이 생기는 등의 결함이 생길 확률이 높아져, 유체가 누설되어 버리는 불량이 발생하는 등, 다이어프램 구조로서의 기능을 발휘할 수 없을 가능성이 높아져 버린다. 이 때문에, 불량품을 제거하려면 X선 검사 등에 의해 구멍의 유무를 엄밀하게 검사하지 않으면 안 되어, 품질 관리 비용도 상승하게 된다.

이러한 것으로부터, 종래의 기계 가공에 의해서 상기 다이어프램 구조에 저반발성을 갖게 하는 것은 가공 정밀도의 문제나 각종 비용의 문제로 인하여 매우 어렵다.

이에 더하여, 종래의 박막부에 대해서 수직으로 핀을 용접하는 것과 같은 구조의 경우, 용접부에 일그러짐이 생기고, 반복 동작의 결과, 피로(疲勞) 파괴가 발생할 가능성이 높아진다. 즉, 종래의 구성 자체가 다이어프램 구조의 저반발화 및 유체 제어 밸브의 대구경화를 방해하는 요인이 되고 있는 부분도 있다.

또, 종래와 동일한 얇기로 상기 박막부를 형성하면서, 액추에이터로부터의 출력을 크게 하지 않고 스트로크를 크게 하려면, 박막부의 면적을 크게 하고, 변형하는 부분을 증가시켜, 지지되고 있는 부분에서부터 핀까지의 굴곡 변형량을 크게 하는 것도 생각할 수 있다. 그렇지만, 박막부를 대면적화해 버리면, 핀이 돌출되어 있는 측에 존재하는 유체로부터 받는 압력 중, 박막부에 대해서 수직인 방향, 즉, 핀의 이동 방향과는 역방향의 압력을 받는 면적이 증대하기 때문에, 액추에이터로부터 가해진 힘이 상쇄되는 양도 큰폭으로 증가해 버린다. 이 때문에, 박막부를 단순하게 대면적화하면, 반대로 스트로크량이 저하하는 결과가 될 우려도 있다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2001－27333호 공보

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 유체 제어 밸브의 대구경화 및 대출력화를 가능하게 하기 위해서, 저반발로서 액추에이터로부터 큰 힘을 가하지 않더라도 크게 변형되어 스트로크를 크게 할 수 있고, 또한 얇게 형성하더라도 결함이나 불량이 발생하기 어려운 다이어프램 구조를 구비한 유체 제어 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 유체 제어 밸브는, 다이어프램 구조와, 상기 다이어프램 구조를 프레스(press)하는 액추에이터를 구비한 유체 제어 밸브로서, 상기 다이어프램 구조가, 통 모양으로 형성되어 있고, 적어도 그 축방향으로 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 돌출부와, 상기 돌출부의 기단(基端)으로부터 당해 돌출부에 대해서 외측으로 넓어지는 칼라(collar)부와, 상기 칼라부의 외주(外周)에 형성되어 있고, 다른 부재에 장착되는 지지부를 구비하고, 상기 칼라부가 막(膜) 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 상기 돌출부는 대부분의 압력이 그 측주면(側周面)에 수직인 방향으로 걸리는데 반하여, 상기 액추에이터로부터는 당해 돌출부의 축방향으로 힘이 가해지게 되므로, 각 힘의 방향은 대략 직교하고 있기 때문에, 액추에이터에 의한 힘이 거의 상쇄되는 일이 없고, 상기 돌출부의 축방향의 변형에 대해서 작용하게 된다. 따라서 액추에이터로부터 가해지는 힘을 거의 낭비하는 것이 없기 때문에, 작은 힘이라도 상기 돌출부를 크게 축방향으로 변형시킬 수 있어, 큰 스트로크를 취할 수 있다. 이 때문에, 유체 제어 밸브를 대형화, 대출력화하는 것이 가능해진다. 즉, 상기 돌출부를 통 모양으로 형성하고, 그 축방향으로 액추에이터가 프레스하도록 구성되어 있으므로, 변형하는 부분을 크게 하면서, 액추에이터로부터의 힘을 상쇄하는 방향의 압력은 받지 않도록 할 수 있으므로, 스트로크량을 크게 할 수 있다. 또, 상기 칼라부가 상기 돌출부의 기단에 접속되어 있는 부분은, 이 돌출부의 변형에 수반하여 상기 액추에이터의 프레스 방향으로의 변위(變位)를 발생시키므로, 한층 더 스트로크량을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 칼라부의 중앙부 및 외주부에서는 당해 칼라부에 가하는 압력과 상기 액추에이터로부터 가해지는 힘은 직교하고 있지 않고, 상쇄하게 되므로, 칼라부의 이들 부분은 거의 변형시키지 않고 상기 돌출부 및 상기 칼라부에 있어서 상기 돌출부의 근방 부분만을 크게 변형시킬 수 있다. 예를 들면 상기 액추에이터로부터의 힘에 의해서 상기 칼라부의 대부분은 크게는 이동하지 않게 되므로, 상기 유체 제어 밸브 내에 있어서 상기 칼라부가 변형에 의해 다른 부재와 간섭하는 것을 막기 위한 이간 거리를 가능한 한 작게 할 수 있어, 유체 제어 밸브 내의 용적을 가능한 한 작게 하여 응답성을 좋게 할 수 있게 된다.

상기 다이어프램 구조의 상기 칼라부 및 상기 돌출부가, 매우 얇게 형성될 수 있고, 저반발성을 부여하여, 한층 더 큰 스트로크를 얻을 수 있도록 하려면, 적어도 상기 칼라부 및 상기 돌출부가, 금속 박판으로부터 드로잉 가공(draw process)에 의해 형성된 것이면 좋다. 또, 이와 같은 것이면, 드로잉 가공을 행하는 금속 박판에는 압연(壓延) 재료를 이용할 수 있으므로, 상기 칼라부 및 상기 돌출부를 매우 얇게 형성한 것으로 해도 구멍이 생기는 일이 거의 없어, 결함이 생기기 어렵다. 따라서 얇게 형성한 경우에 있어서도 X선 검사에 의해 결함 검사를 행하지 않아도 소정의 품질을 유지하는 것이 가능하고, 마찬가지의 얇기의 것을 절삭 등의 기계 가공에 의해 제작했을 경우에 비해 품질 관리 비용이 상승하는 것을 억제할 수 있다.

상기 액추에이터로부터 상기 돌출부에 대해서 가해지는 힘이 당해 돌출부의 표면에 대해서 수직으로 가해지지 않도록 하고, 예를 들면 내측 주면(周面)을 따라서 가해지도록 하여, 돌출부의 일부에 힘이 집중되어 파손되어 버리는 것을 막을 수 있도록 하려면, 상기 돌출부의 내측 주면에 대해서 흔들림없이 감합(嵌合)되어 있어, 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 내부 감합 부재를 추가로 구비한 것이면 좋다.

상기 다이어프램 구조를 매우 얇게 형성하고, 액추에이터에 의해서 상기 돌출부에 대해서 힘이 가해졌을 경우에도, 액추에이터로부터 걸리는 힘이 일점(一点)에 집중되어, 그 작용점에 있어서 돌출부가 파손되어 버리는 것을 막으려면, 상기 돌출부의 내부에 수용되는 구체(球體)를 추가로 구비하고, 상기 액추에이터가 상기 구체를 통하여 상기 돌출부를 당해 돌출부의 축방향으로 프레스하도록 구성되어 있으면 좋다.

상기 돌출부의 측면에 대해서 평행한 방향을 따라서 액추에이터로부터 힘이 가해지도록 하고, 상기 액추에이터로부터의 상기 돌출부에 대해서 가해지는 힘의 방향이 상기 돌출부의 측면에 대해서 수직으로 가해지는 것에 의해, 간단하게 파손되어 버리는 것을 막을 수 있는 효과를 한층 더 높이려면, 상기 돌출부의 내측 주면에 대해서 흔들림없이 감합되어 있고, 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 내부 감합 부재가, 상기 돌출부 내에 있어서 상기 구체를 유지하고, 당해 구체를 통하여 상기 액추에이터에 의해 프레스되도록 구성된 것이면 좋다.

상기 액추에이터가 유체와 접촉되지 않도록 하면서, 상기 돌출부에 의해 개도의 조절을 가능하게 하는 노멀 클로스 타입의 유체 제어 밸브의 구체적인 구성예로서는, 밸브 시트면이 형성된 밸브 시트 부재와, 상기 밸브 시트면에 대해서 접리(接離)하는 착좌면(着座面)을 가진 밸브 본체 부재를 추가로 구비하고, 상기 돌출부의 선단 부분이 상기 밸브 본체 부재를 프레스하도록 구성되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 유체 제어 밸브 내에 있어서의 상기 다이어프램 구조의 위치를 고정하기 쉽게 함과 아울러, 다이어프램 구조에 의해 상기 밸브 시트 부재를 프레스하여 조립할 수 있도록 하려면, 상기 다이어프램 구조가, 상기 지지부보다도 강성이 높고, 당해 지지부의 외주부가 용접되는 플랜지부를 추가로 구비하고, 조립시에 있어서, 상기 플랜지부가 상기 밸브 시트 부재에 형성된 프레스면을 구비하는 돌기를 프레스하도록 조립되는 것이면 좋다.

이와 같이 본 발명의 유체 제어 밸브에 의하면, 돌출부에 있어서는 돌출부에 걸리는 압력과 액추에이터로부터의 힘의 방향을 대략 직교시켜 상쇄되지 않도록 할 수 있어, 상기 액추에이터로부터의 힘을 효율 좋게 상기 돌출부의 변형에 소비하게 할 수 있다. 따라서 액추에이터에 대해서 그만큼 출력이 큰 것이 아니라도 예를 들면 상기 돌출부가 조정 가능한 스트로크량을 크게 할 수 있어, 대구경 및 대출력의 유체 제어 밸브로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브가 마련된 매스 플로우 컨트롤러이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 유체 제어 밸브를 나타내는 모식적 단면 확대도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 다이어프램 구조의 막부재(膜部材)를 나타내는 모식적 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 막부재와 플랜지부의 용접 방법에 대해서 나타내는 모식도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 있어서의 프레스시의 다이어프램 구조의 변형 형태에 대해서 나타내는 모식도이다.
도 6은 종래예에 있어서의 프레스시의 다이어프램 구조의 변형 형태에 대해서 나타내는 모식도이다.
도 7은 제1 실시 형태의 변형예에 있어서의 막부재와 플랜지부의 용접 방법을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브를 나타내는 모식도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 있어서의 프레스시의 다이어프램 구조에 따른 힘의 방향을 나타내는 모식도이다.
도 10은 그 외의 실시 형태에 있어서의 유체 제어 밸브를 나타내는 모식도이다.
도 11은 또 다른 그 외의 실시 형태에 있어서의 막부재의 구성을 나타내는 모식도이다.

＜제1 실시 형태＞

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브(V) 및 매스 플로우 컨트롤러(100)에 대해서 도 1 내지 도 6을 참조하면서 설명한다.

제1 실시 형태의 매스 플로우 컨트롤러(100)는, 반도체 제조 장치에 이용되는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 측정 대상이 되는 유체가 흐르는 유로(2)를 내부에 형성한 보디(1)와, 이 유로(2)를 흐르는 유체가 보디(1) 내에 유입된 시점 또는 보디(1)에 들어가기 전의 상류측에 있어서의 압력을 측정하기 위한 초단 압력 센서(P)와, 유로(2)를 흐르는 유체의 유량을 제어하기 위한 유체 제어 밸브(V)와, 이 유로(2)를 흐르는 유체의 유량을 측정하기 위한 유량 센서(FS)와, 목표 유량치와 상기 유량 센서(FS)로 측정되는 측정 유량치의 편차가 작아지도록 상기 유체 제어 밸브(V)의 개도를 피드백 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 구비한 것이다.

여기서, 상기 초단 압력 센서(P), 상기 유체 제어 밸브(V), 상기 유량 센서(FS)는 이 순서로 상류에서부터 차례대로 마련되어 있다. 즉, 상기 유량 센서(FS)는 상기 유체 제어 밸브(V)보다도 하류측에 마련되어 있다.

각부에 대해서 상술한다.

상기 보디(1)는, 상술한 유로(2)가 내부를 관통하는 블록 모양을 이루는 것으로, 당해 유로(2)의 상류단이 유입 포트(inlet port)(IP)로서 외부 유입 배관(도시하지 않음)에 접속되어 있음과 아울러, 하류단이 유출 포트(outlet port)(OP)로서 외부 유출 배관(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또, 상기 보디(1)의 내부에 형성되어 있는 유로(2)는, 상기 유입 포트(IP)와 초단 압력 센서(P)를 접속하는 제1 유로(21), 상기 초단 압력 센서(P)와 상기 유체 제어 밸브(V)를 접속하는 제2 유로(22), 상기 유체 제어 밸브(V)와 후술하는 층류 소자(L)를 접속하는 제3 유로(23), 상기 층류 소자(L)와 후술하는 제2 압력 센서(P2)를 접속하는 제4 유로(24), 상기 제2 압력 센서(P2)로부터 유출 포트(OP)까지를 접속하는 제5 유로(25)로 구성되어 있다.

또한, 이하의 설명에 있어서, 특히 상기 유체 제어 밸브(V)에 관련되는 사항을 설명하는 경우에는, 상기 제2 유로(22)에 대한 것을 상류측 유로, 상기 제3 유로(23)에 대한 것을 하류측 유로라고도 부르는 것으로 한다.

상기 초단 압력 센서(P)는 상기 외부 유입 배관으로부터 유입되는 유체의 상류측에 있어서의 압력 변화를 측정하기 위해서 마련되어 있고, 예를 들면, 이 초단 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력치에 기초하여 상기 제어부는 피드백 제어를 위한 제어 규칙(control law)을 전환하도록 구성되어 있다.

상기 유량 센서(FS)로서는, 여러가지 것을 이용할 수 있지만, 여기에서는, 유량의 측정 정밀도 및 응답성이 좋은, 이른바 압력식의 유량 센서(FS)를 채용하고 있다. 이 압력식의 유량 센서(FS)는, 상류에서부터 차례대로 상기 유체 제어 밸브(V)의 하류의 압력을 측정하는 제1 압력 센서(P1)와, 유체 저항인 층류 소자(L)와, 층류 소자(L)의 하류측의 압력을 측정하는 제2 압력 센서(P2)로 이루어지는 것이다. 상기 층류 소자(L)에 의해서, 그 전후에서 압력차가 생기고, 상기 제1 압력 센서(P1)와 상기 제2 압력 센서(P2)로 측정되는 각각의 압력에 기초하여 유량은 측정된다.

상기 유체 제어 밸브(V)는, 상류측 유로인 제2 유로(22)와 하류측 유로인 제3 유로(23)의 사이를 접속하도록 마련되어 있고, 밸브 시트 부재(5)와 밸브 본체 부재(6)의 이간 거리에 의해서 통과할 수 있는 유체의 유량을 제어하는 것이다. 즉, 상기 유체 제어 밸브(V)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상측에서부터 차례대로, 액추에이터(3), 플런저(plunger)(PL), 다이어프램 구조(4), 밸브 시트 부재(5), 밸브 본체 부재(6), 판용수철(7), 기초 부재(8)를 구비한 것이다. 보다 구체적으로는 밸브 시트 부재(5)와 밸브 본체 부재(6)의 이간 거리는, 상기 액추에이터(3)의 움직임이 상기 다이어프램 구조(4)에 의해 상기 밸브 본체 부재(6)로 전달되어 조절된다. 또, 상기 판용수철(7)은 유체를 통과시키기 위한 슬릿이 복수 형성되어 있는 것으로, 상기 기초 부재(8)로부터 상기 밸브 본체 부재(6)를 액추에이터(3)측으로 밀어 올려서, 초기 상태에 있어서는 상기 밸브 본체 부재(6)와 상기 밸브 시트 부재(5)가 계속 접촉하도록 하여 노멀 클로스 타입의 것이 되도록 하고 있다.

상기 액추에이터(3)는, 예를 들면, 피에조 소자를 복수 매 적층하여 형성되는 피에조 스택(31)을 구비한 것이다. 이 피에조 스택(31)이 수용되는 케이싱 부재는, 상기 보디(1)에 대해서 장착되는 장착부(33)와, 상기 피에조 스택(31)이 수용되는 원통부(32)로 구성되어 있다. 상기 원통부(32)는 열팽창율이 작은 인바(invar) 등의 부재로 형성되어 있어, 거의 열변형이 생기지 않도록 하고 있다. 따라서 주위 온도나 유체의 온도 등의 영향을 상기 원통부(32)는 거의 받지 않기 때문에, 온도에 관계없이 상기 피에조 스택(31)에 인가되는 전압에 따른 변위량으로 할 수 있다.

상기 플런저(PL)는, 상기 피에조 스택(31)의 선단(先端)에 장착되는 것으로, 중앙부가 하부로 돌출된 개략 2단 원통 형상을 이루는 것이다. 그리고 상기 액추에이터(3)는, 이 플런저(PL)를 통하여 상기 다이어프램 구조(4)를 프레스하도록 구성되어 있다. 또한, 피에조 스택(31)에 대해서 전압이 인가되어 있지 않은 상태에 있어서, 피에조 스택(31) 및 플런저(PL)가 초기 위치로 돌아가도록 하기 위해서 하부에 초기 위치 반환 판 스프링(PS)이 마련되어 있다.

상기 다이어프램 구조(4)는, 유체 제어 밸브(V) 내에 있어서 상류측 유로 및 하류측 유로를 접속하는 유로와 상기 액추에이터(3)가 마련되어 있는 외부를 구획함과 아울러, 외부에 배치되어 있는 상기 액추에이터(3)로부터의 프레스력을 상기 밸브 본체 부재(6)로 전달하는 것이다. 이 다이어프램 구조(4)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 선단이 폐구(閉口)된 얇은(thin) 통 모양으로 형성되어 있고, 상기 액추에이터(3)에 의해 적어도 그 축방향으로 프레스되는 돌출부(42)와, 상기 돌출부(42)의 기단에서부터 연속적으로 완만한 곡면을 형성하여 당해 돌출부(42)에 대해서 외측으로 넓어지는 칼라부(41)와, 상기 칼라부(41)의 외주부와 연속하여 완만한 평면을 형성하고 있고, 다른 부재에 장착되는 박막 모양으로 형성된 지지부(FI)로 이루어진 전체가 얇은 모양으로 형성되어 있는 막부재(TF)와, 상기 지지부(FI)가 용접된 개략 링 모양의 플랜지부(43)로 구성되어 있다.

상기 막부재(TF)는 스텐레스 등의 압연(壓延)된 금속 박판을 드로잉 가공함으로써 형성되어 있고, 그 두께가 0.1mm 정도가 되도록 형성되어 있다. 또, 상기 칼라부(41) 및 상기 지지부(FI)는 금속 박판에 있어서 다이(die)와 주름 방지 부분에 끼워져 있던 부분에 상당하고, 상기 돌출부(42)는 다이와 펀치(punch)에 의해 좁혀진 부분에 상당한다. 그리고 상기 돌출부(42)는, 상기 칼라부(41)에 대해서 수직 방향으로 돌출되어 있음과 아울러, 그 선단이 폐구된 개략 세통(細筒) 모양으로 형성되어 있다. 이 돌출부(42)의 내부의 저면에는 구체(44)가 수용되어 있고, 상기 플런저(PL)의 선단이 상기 구체(44)에 대해서 접촉되어, 상기 액추에이터(3)로부터의 힘이 상기 밸브 본체 부재(6)로 전달되도록 하고 있다. 즉, 플런저(PL)에 의해 직접 상기 돌출부(42)의 내면을 프레스함으로써 일점으로 힘이 집중되어 돌출부(42)의 일부가 파손되어 버리는 것을 막기 위해서, 상기 구체(44)를 통하여 간접적으로 프레스하도록 구성되어 있다. 이 실시 형태에서는, 상기 돌출부(42)의 축방향과 상기 액추에이터(3)의 프레스 방향은 합치(合致)되어 있지만, 다소 어긋나 있으며, 예를 들면 상기 액추에이터(3)가 상기 돌출부(42)의 축방향에 대해서 비스듬하게 프레스하는 것이어도 좋다. 즉, 「적어도 그 축방향으로 프레스 한다」라는 것은, 상기 액추에이터(3)의 프레스력에 상기 돌출부(42)의 축방향 성분이 포함된 상태로 프레스하는 것을 포함하는 개념이다.

상기 칼라부(41)는 상측에서 본 경우에 개략 얇은 원판 모양으로 형성되어 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 칼라부(41)의 외주에 형성된 지지부(FI)는, 상기 칼라부(41) 및 상기 지지부(FI)보다도 큰 두께를 가지는 강성이 높은 얇은 링 모양의 상기 플랜지부(43)에 전극 EL을 이용하여 저항 용접되어 있다. 그리고 도 2에 도시된 바와 같이 상기 플랜지부(43)에 있어서 용접되어 있는 지지부(FI) 이외의 평면이, 조립시에 있어서, 상기 플랜지부(43)가 후술하는 밸브 시트 부재(5)에 형성된 프레스면(55)을 구비하는 돌기(54)를 프레스하도록 조립되어 있다. 이것은 상기 지지부(FI)와 상기 플랜지부(43)의 사이에 있어서 불균일면으로 되어 있는 용접 부분이 프레스면에 접촉하지 않도록 하고, 면접촉에 의해 상기 밸브 시트 부재(5)를 하부로 균일한 힘으로 프레스하여, 밸브 시트면(58)의 면정밀도를 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 밸브 시트 부재(5)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 저면부(52)에 상기 밸브 본체 부재(6)의 착좌면(61)과 접촉하는 밸브 시트면(58)이 형성되어 있고, 저면측을 소경(小經), 상면측을 대경(大徑)으로 한 개략 2단 원통 형상을 이루는 것으로, 중앙부에 축방향으로 연장되는 제1 밸브 내 유로(511)와, 상면으로부터 측면으로 연통(連通)하는 단면에 있어서 개략 L자 모양의 제2 밸브 내 유로(512)가 형성되어 있다. 그리고 이 밸브 시트 부재(5)의 상면부(53)에서는, 제1 밸브 내 유로(511) 및 제2 밸브 내 유로(512)의 개구의 외측을 둘러싸도록 상측으로 돌출된 상기 돌기(54)가 형성되어 있다. 이 돌기(54)의 상면은 평면으로 되어 있고, 조립시에 있어서 상기 플랜지부(43)에 의해 프레스되는 프레스면(55)으로 되어 있다.

상기 저면부(52)에는, 상기 저면부(52)에 있어서 제1 밸브 내 유로(511)의 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 밸브 시트면(58)이 형성되어 있음과 아울러, 그 외측에는, 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 돌기(54)보다도 외경 치수가 작은 링 모양의 오목홈(57)을 형성하고 있다. 이 오목홈(57)이 있음으로써, 조립시에 상기 프레스면(55)이 프레스 되더라도, 상기 밸브 시트 부재(5)의 저면부(52) 측에 있어서의 변형은 대략 외주측에만 한정됨으로써, 상기 밸브 시트면(58)의 평면도를 유지할 수 있다. 따라서 상기 밸브 본체 부재(6)의 착좌면(61)과 항상 바람직한 접촉 정도를 유지할 수 있어, 밸브로서의 실(seal) 기능을 발휘시킬 수 있다.

그리고 밸브 시트 부재(5)는, 보디(1)에 마련된 원주 모양의 오목부에 감입(嵌入)되어 조립되어 있다. 상기 오목부는 보디(1)의 제2 유로(22)와 제3 유로(23)를 분단하도록 배치되어 있고, 상류측 유로인 제2 유로(22)는 상기 오목부의 저면 중앙부에 개구함과 아울러, 하류측 유로인 제3 유로(23)는 상기 오목부의 외측주면(59)의 중앙부이며, 상기 밸브 시트 부재(5)의 소경 부분에 대응하는 위치에 개구하도록 되어 있다.

또, 상기 밸브 시트 부재(5)를 상기 오목부에 감입한 상태에서는, 당해 밸브 시트 부재의 상면부(53)측은, 상기 오목부의 내측 주면과 대략 극간(隙間)없이 감합하는 반면, 당해 밸브 시트 부재(5)의 저면부(52)측의 소경 부분에 대해서는 상기 오목부의 내측 주면의 사이에 극간이 형성되도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 밸브 시트 부재(5)에 있어서의 유체의 흐름을 설명하면, 유체는 저면부(52)에 형성된 유입 개구로부터 제1 밸브 내 유로(511)를 통과하여 상면부(53)에 이르고, 그 후, 제2 밸브 내 유로(512)를 통과하여 밸브 시트 부재(5)의 외측주면에서부터 하류측 유로로 흐르게 된다.

상기 밸브 본체 부재(6)는 상면에 착좌면(61)이 형성되어 있고, 그 하면측이 상기 판 스프링(7)에 의해 탄성 지지를 받아 액추에이터(3)에 의해 프레스되고 있지 않은 상태에서는, 상기 밸브 시트 부재(5)의 밸브 시트면(58)과 상기 착좌면(61)이 면접촉되어 밸브 시트 부재(5) 내로 유체가 유입하지 않도록 구성되어 있다. 그리고 액추에이터(3)에 전압이 인가되어 상기 밸브 본체 부재(6)의 상면 중앙부가 상기 돌출부(42)의 선단에 의해 프레스됨으로써 하부로 이동하여, 그 개도가 변경되는 것에 의해서 통과하는 유체의 유량을 제어할 수 있도록 하고 있다.

다음으로 이 다이어프램 구조(4)의 액추에이터(3)에 의해 프레스시의 변형 양태에 대해서 종래예와 비교하면서 설명한다. 도 5에는 본 실시 형태의 다이어프램 구조(4)의 변형 양태를 나타내고 있고, 도 6에는 종래의 다이어프램 구조(4A)에서의 변형 양태를 나타내고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 실시 형태의 다이어프램 구조(4)에서는 액추에이터(3)에 의한 프레스력의 방향과 상기 돌출부(42)에 대해서 유로로부터 걸리는 압력의 방향이 직교하는 관계에 있는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 액추에이터(3)에 의해 상기 돌출부(42)가 하방으로 눌리면, 그 힘은 상쇄되는 일 없이 상기 돌출부(42)에 대해서 가해지게 된다. 또, 드로잉 가공에 의해 금속 박판으로부터 막부재(TF)를 형성하고 있으므로, 그 두께를 종래와 비교해서 매우 얇게 할 수 있고, 막부재(TF) 자체의 강성도 낮다. 이러한 것으로부터, 액추에이터(3)로부터 큰 힘을 가하지 않더라도 상기 돌출부(42)만을 크게 변형시킬 수 있다. 이러한 것으로부터 다이어프램 구조(4)에 있어서, 액추에이터(3)의 프레스 방향과 역방향의 압력이 유체로부터 걸리는 부분의 표면적은 작게 하면서, 당해 다이어프램 구조(4)에 있어서 변형할 수 있는 부재의 양을 많게 하고 있으므로, 액추에이터(3)로부터의 프레스력이 종래와 변함없어도 상기 돌출부(42)의 축방향으로의 스트로크를 크게 할 수 있다. 또, 상기 돌출부(42)의 기단과 상기 칼라부(41)의 사이가 드로잉 가공에 의해 연속적이고 완만한 곡면이 형성되어 있으므로, 여기의 부분에서도 변형을 발생시켜 상기 돌출부(42)의 축방향으로의 변위를 발생시켜서, 스트로크량을 증가시킬 수 있다. 추가로, 상기 지지부(FI)는 플랜지부(43)에 용접에 의해 딱딱하게 고정되어 있으므로, 이 부분을 지점(支点)으로서 상기 돌출부(42) 및 그 근방의 칼라부(41)를 크게 변형시키는 것도 스트로크량의 증가에 기여하고 있다.

한편, 도 6에 도시된 종래예는, 박막부(41A)가 절삭 등의 기계 가공에 의해 형성되고 있기 때문에 그 두께가 0.2mm 정도로 되어 있음과 아울러, 그 박막부(41A)의 중앙부에 본 실시 형태의 돌출부(42)에 상당하는 솔리드(solid)의 핀(42A)이 마련된 다이어프램 구조(4A)이다. 즉, 본 실시 형태에 비하면 종래의 다이어프램 구조(4A)는 강성이 높은 구조로 되어 있다. 또, 이와 같은 다이어프램 구조(4A)에 대해서 핀(42A)의 상부를 액추에이터로 프레스 했을 경우, 핀(42A) 자체는 프레스 방향으로 변형하는 일은 없고, 박막부(41A)가 굴곡 변형하는 것에 의해 핀이 하방으로 눌려 내려가게 된다. 즉, 박막부(41A)에 걸리는 압력과 프레스되는 힘의 방향은 역방향이기 때문에 힘은 상쇄되고 있음과 아울러, 이 힘은 프레스 방향으로의 변형이 아니고, 박막부(41A)의 휨 변형으로 소비되어 버리기 때문에, 입력되고 있는 힘에 비해 하방으로의 변위량은 발생하지 않게 된다.

도 5 및 도 6으로부터 알 수는 것처럼, 본 실시 형태는 다이어프램 구조(4)의 강성을 종래에 비해 낮게 하여 저반발성을 갖을 수 있음과 아울러, 상기 밸브 본체 부재(6)를 프레스하는 돌출부(42) 자체를 밸브 본체 부재(6)측으로 변형하도록 구성되어 있으므로, 작은 힘으로도 하방으로의 큰 변위량을 얻을 수 있다. 즉, 도 5 및 도 6의 예에 있어서 동일한 출력의 액추에이터를 이용하고 있는 경우, 본 실시 형태의 다이어프램 구조(4) 쪽이 스트로크를 크게 취할 수 있기 때문에, 유체 제어 밸브(V)를 대구경, 대출력의 것으로 할 수 있다.

또, 도 6과 같은 종래의 기계 가공에 의해 박막부(41A)를 형성하고 있기 때문에 구멍이 생기는 등의 결함이 생길 가능성이 있기 때문에, X선 검사 등에 의해 품질 관리를 행할 필요가 있지만, 본 실시 형태의 다이어프램 구조(4)의 막부재(TF)는 드로잉 가공으로 형성되고 있기 때문에, 기계 가공으로 생기는 것과 같은 구멍 등의 결함이 발생하는 일이 없어, 검사 공정을 생략할 수 있다. 이것으로부터, 종래보다도 다이어프램 구조(4)를 얇게 형성한다고 하더라도, 품질 관리에 소요되는 비용을 저감시킬 수 있다.

이에 더하여, 상기 칼라부(41)에서는 당해 칼라부(41)에 가하는 압력과 상기 액추에이터로부터 가해지는 힘은 역방향이 되므로, 칼라부(41)는 거의 변형되지 않고 상기 밸브 시트 부재(5)의 제1 밸브 내 유로(511) 내에 삽입되어 있는 상기 돌출부(42)만을 크게 변형시킬 수 있다. 따라서 상기 칼라부(41)와 상기 상면부(53)의 사이의 극간을 작게 하더라도, 액추에이터(3)로부터의 프레스시에 상기 칼라부(41)가 상기 상면부(53)와 간섭하는 일이 없이, 유체 제어 밸브(V) 내의 유로의 용적을 가능한 한 작게 할 수 있어, 유량 제어의 응답성을 높일 수 있다. 또, 이와 같이 칼라부(41)를 형성함으로써, 다이어프램 구조(4)에 있어서의 가스와의 접촉 면적을 작게 할 수 있어, 다이어프램 구조(4)를 통하여 외부로 가스가 누출되는 것을 막기 쉬워진다.

제1 실시 형태의 변형예에 대해서 설명한다. 제1 실시 형태에서는, 상기 칼라부(41)의 외주부에 형성된 박판 링 모양의 지지부(FI)를 1매의 박판 링 모양의 플랜지부(43)에 대해서 용접함으로써 접속하고 있었지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 2개의 링 모양 박판인 플랜지부(43)의 면판부(面板部) 사이에 상기 지지부(FI)의 외주부를 사이에 두고, 지지부(FI) 및 플랜지부(43)의 외주 부분을 TIG 용접하도록 하여 접속해도 상관없다.

＜제2 실시 형태＞

다음으로 제2 실시 형태에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하면서 설명한다. 또한, 제1 실시 형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 부여하는 것으로 한다.

제2 실시 형태의 유체 제어 밸브(V)는, 제1 실시 형태와 비교하여 상기 다이어프램 구조(4)에 있어서의 상기 액추에이터(3)로부터의 힘이 전달되는 구체(44)의 유지 구조가 차이가 난다.

보다 구체적으로는, 제2 실시 형태의 다이어프램 구조(4)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 돌출부(42)의 내측 주면에 대해서 흔들림없이 감합되어 있고, 당해 돌출부(42) 내에 있어서 상기 구체(44)를 유지하는 내부 감합 부재(45)를 추가로 구비하고 있다.

이 내부 감합 부재(45)는, 상부측으로부터 하부측에 대해 그 두께가 두꺼워지도록 구성한 개략 가운데가 빈(中空) 원통형의 것으로, 그 외측주면의 직경은 상기 돌출부(42)의 내경과 대략 동일하게 되도록 구성되어 있다. 이 내부 감합 부재(45)의 내부에 플런저(PL)의 선단과 접촉하는 구체(44)가 수용된다.

여기서, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 액추에이터(3)에 전압이 인가되어 플런저(PL)가 내부 감합 부재(45)에 수용되어 있는 구체(44)를 하방으로 프레스하면, 그 힘은 내부 감합 부재(45)의 외측주면을 통하여 상기 돌출부(42)의 내측 주면과 평행하게 하방으로 가해지게 된다. 즉, 제1 실시 형태에 있어서는, 상기 구체(44)는 돌출부(42)의 저면에 재치되어 있었으므로, 액추에이터(3)에 의해 힘이 가해지면 상기 돌출부(42)의 내저면(內低面)에 대해서 수직인 방향으로 힘이 걸려 있던 것에 반하여, 제2 실시 형태에서는 상기 내부 감합 부재(45)에 의해 힘은 돌출부(42)의 내측 주면에 대해서 평행하게 가해진다. 이 때문에, 제2 실시 형태에서는 상기 돌출부(42)를 밸브 본체 부재(6)측으로 변형시킬 때에 면에 대해서 수직인 힘이 가해지지 않고, 큰 힘이 걸렸을 경우에도 보다 파손되기 어렵게 할 수 있다.

따라서 다이어프램 구조(4)의 한계 강도를 높일 수 있으므로, 액추에이터(3)로부터 가해지는 힘의 레인지를 보다 넓게 하여, 다이어프램 구조(4)의 스트로크를 보다 크게 취할 수 있어, 한층 더 대구경, 대출력의 유체 제어 밸브(V)로서 구성하는 것이 가능해진다.

그 외의 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 10 (a)에 도시된 노멀 클로스 타입의 유체 제어 밸브(V)를 구성하는 다이어프램 구조(4)에 대해서, 상기 돌출부(42)의 내부에 흔들림없이 감합하는 내부 감합 부재(45)를 마련함과 아울러, 이 내부 감합 부재(45)를 직접 플런저(PL)의 선단에서 프레스하도록 해도 상관없다. 또, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 다이어프램 구조(4)에 대해서는, 노멀 클로스 타입뿐만이 아니라 노멀 오픈 타입의 유체 제어 밸브(V)를 구성하기 위해서도 이용할 수 있다. 또한, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이 플런저(PL)의 선단에서 상기 돌출부(42)의 내부를 프레스하도록 구성해도 상관없다.

이에 더하여 상기 실시 형태에 제시한 것처럼 상기 칼라부(41)에 대해서는, 상기 돌출부(42)의 축방향에 대해서 수직인 평면으로 연장하도록 형성한 것 뿐만이 아니라, 도 11에 도시된 바와 같이, 경사면을 형성하도록 칼라부(41)를 형성해도 좋다. 바꾸어 말하면, 상기 돌출부(42)의 축을 통과하는 가상 평면에서 상기 막부재(TF)를 보았을 경우, 상기 실시 형태에서는 개략 T자 모양으로 형성되어 있는 것에 반하여, 도 11 (a)에 도시된 바와 같이 종단면이 Y자 모양으로 되고, 도 11 (b)에 도시된 바와 같이 막부재(TF)가 개략 깔때기 모양으로 형성되어 있는 것이어도, 상기 각 실시 형태에서 설명한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 상기 돌출부(42)에 대한 상기 칼라부(41)의 형성 각도는 여러가지 각도여도 좋다. 도 11에 도시된 것과 같은 형상의 막부재(TF)를 형성하려면, 예를 들면 금속 박판을 2단 드로잉 가공에 의해 형성하면 좋다. 또, 상기 돌출부는 일단이 폐구되지 않고 개구된 것이어도 좋다.

상기 각 실시 형태에서는, 다이어프램 구조는 알루미늄의 박판을 드로잉 가공하는 것에 의해 형성하고 있었지만, 그 외의 금속 박판으로 형성해도 상관없다. 또, 상기 실시 형태에서 형성되어 있는 돌출부는 내경보다도 깊이 쪽이 커지도록 딥 드로잉(deep drawing) 가공에 의해 형성되어 있었지만, 용도나 크기 등에 따라서는 내경의 쪽이 깊이보다도 커지도록 쉘로우 드로우(shallow drawing) 가공으로 형성해도 좋다. 액추에이터에 대해서도, 피에조로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 솔레노이드 등을 이용해도 상관없다. 또, 상기 각 실시 형태에서는 다이어프램 구조를 이용하여 노멀 클로스 타입의 유체 제어 밸브를 구성했지만, 노멀 오픈 타입의 유체 제어 밸브로서 구성해도 상관없다.

상기 실시 형태에서는 유체 제어 밸브의 하류측에 압력식의 유량 센서가 마련된 매스 플로우 컨트롤러를 나타냈지만, 상기 유량 센서는 열식의 유량 센서여도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

상기 실시 형태에서는 유체 제어 밸브는 유체의 유량을 제어하기 위해서 이용하고 있었지만, 유체의 압력을 제어하기 위한 압력 제어 밸브로서 이용해도 상관없다. 제어하는 유체로서는 액체, 기체 어느 것이어도 상관없다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 여러가지 변형이나 실시 형태의 조합을 행하여도 상관없다.

본 발명에 의하면, 불량 발생 확률이 낮고, 가공 비용이나 검사 비용을 충분히 저감시킨 대구경 및 대출력의 유체 제어 밸브를 제공하는 것이 가능해진다.

100: 매스 플로우 컨트롤러
V: 유체 제어 밸브
3: 액추에이터
4: 다이어프램 구조
41: 칼라부
42: 돌출부
43: 플랜지부
44: 구체
45: 내부 감합 부재
5: 밸브 시트 부재
6: 밸브 본체 부재

Claims (7)

1. 다이어프램 구조와,
   상기 다이어프램 구조를 프레스하는 액추에이터와,
   밸브 시트면이 형성된 밸브 시트 부재와,
   상기 밸브 시트면에 대해서 접리(接離)하는 착좌면(着座面)을 가진 밸브 본체 부재를 구비하고,
   상기 다이어프램 구조가,
   통 모양으로 형성되어 있고, 적어도 그 축방향으로 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 돌출부와,
   상기 돌출부의 기단(基端)으로부터 당해 돌출부에 대해서 외측으로 넓어지는 칼라부와,
   상기 칼라부의 외주에 형성되어 있고, 다른 부재에 장착되는 지지부를 구비하고,
   상기 칼라부가 막(膜) 모양으로 형성되어 있고,
   상기 돌출부의 선단 부분이 상기 밸브 본체 부재를 프레스하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.
2. 청구항 1에 있어서,
   적어도 상기 칼라부 및 상기 돌출부가, 금속 박판으로부터 드로잉 가공(drawing processing)에 의해 형성된 것인 유체 제어 밸브.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 돌출부의 내측 주면에 대해서 흔들림없이 감합되어 있고, 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 내부 감합 부재를 추가로 구비한 유체 제어 밸브.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 돌출부의 내부에 수용되는 구체(球體)를 추가로 구비하고,
   상기 액추에이터가 상기 구체를 통하여 상기 돌출부를 당해 돌출부의 축방향으로 프레스하도록 구성되어 있는 유체 제어 밸브.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 돌출부의 내측 주면에 대해서 흔들림없이 감합되어 있고, 상기 액추에이터에 의해 프레스되는 내부 감합 부재가, 상기 돌출부 내에 있어서 상기 구체를 유지하고, 당해 구체를 통하여 상기 액추에이터에 의해 프레스되도록 구성된 유체 제어 밸브.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 다이어프램 구조가, 상기 지지부보다도 강성(剛性)이 높고, 당해 지지부가 용접되는 플랜지부를 추가로 구비하고,
   조립시에 있어서, 상기 플랜지부가 상기 밸브 시트 부재에 형성된 프레스면을 구비하는 돌기를 프레스하도록 조립되는 유체 제어 밸브.
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