WO2023203969A1 - 流体制御バルブ、流体制御装置、及び流体制御バルブの製造方法 - Google Patents

流体制御バルブ、流体制御装置、及び流体制御バルブの製造方法 Download PDF

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WO2023203969A1
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WO
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valve seat
fluid control
valve
seating
valve body
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PCT/JP2023/012107
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Inventor
和也 赤土
Original Assignee
株式会社堀場エステック
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats

Definitions

  • the present invention relates to a fluid control valve, a fluid control device, and a method of manufacturing a fluid control valve.
  • Patent Document 1 some fluid control valves control fluid by seating and unseating a planar seating surface on and off a planar valve seat surface.
  • seat leakage occurs after long-term use. This is caused by repeated uneven contact between the seating surface and the valve seat surface, which causes scratches and deterioration of the seating surface or valve seat surface, or corrosion of the valve seat surface or seating surface. Examples include getting rough.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its main objective is to improve the sealing performance of a fluid control valve.
  • the fluid control valve according to the present invention includes a valve seat having a planar valve seat surface, and a valve body having a planar seating surface that seats on the valve seat surface, and the valve body has a planar seating surface that seats on the valve seat surface.
  • the surface hardness of the first surface, which is one of the surfaces, is higher than the surface hardness of the second surface, which is the other of the valve seat surface or the seating surface.
  • the surface hardness of the first surface which is either the valve seat surface or the seating surface
  • the surface hardness of the second surface which is the other valve seat surface or seating surface.
  • Burnishing is a process in which a tool made of high-hardness material (burnishing tool) is pressed against a workpiece that has been cut to have a rough surface, and the surface is plastically deformed while being pressed to reduce the surface hardness. This is a process that increases the height.
  • the area of the first surface is preferably larger than the area of the second surface.
  • the surface hardness of the first surface, which has a larger area is made higher than the surface hardness of the second surface, which has a smaller area. This is because the first surface, which has a large area, is easily damaged by the edge portion of the second surface, which has a small area, hitting the first surface.
  • valve body Since the valve body is a movable part driven by the drive mechanism, contact deviation of the seating surface with respect to the fixed valve seat surface occurs.
  • the fluid control device of the present invention includes a drive mechanism having a drive member that contacts the valve body and drives the valve body, and the valve body has a driving force that contacts the seating surface and the drive member. It is desirable that the driving force acting surface has a surface hardness higher than that of a contact surface of the drive member that contacts the valve body.
  • the valve body has a groove formed adjacent to the seating surface.
  • a surplus portion is generated that is pushed out by the burnishing process. This excess amount enters the groove adjacent to the seating surface so that it does not impede sealing performance.
  • the fluid control device includes the above-mentioned fluid control valve, a fluid sensor that measures the flow rate or pressure of the fluid, and the fluid control device based on the measured value measured by the fluid sensor and a set value.
  • the present invention is characterized by comprising a control section that controls the opening degree of the valve.
  • the method for manufacturing a fluid control valve includes manufacturing a fluid control valve including a valve seat having a planar valve seat surface and a valve body having a planar seating surface that is seated on the valve seat surface.
  • the method is characterized in that the surface hardness of one of the valve seat surface or the seating surface is made higher than the surface hardness of the other of the valve seat surface or the seating surface by performing a burnishing process.
  • the sealing performance of the fluid-controlled stool can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a fluid control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged sectional view schematically showing the configuration of a fluid control valve (normally closed type) according to the same embodiment. It is a top view which shows the seating surface of the valve body of the same embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of the valve body of the same embodiment.
  • FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional view of a fluid control valve (normally open type) according to a modified embodiment. It is a top view which shows the seating surface of the valve body of a modified embodiment.
  • the fluid control device 100 of this embodiment is used in a semiconductor manufacturing process by being incorporated into a semiconductor manufacturing device, for example, and is installed in one or more gas supply lines connected to a semiconductor processing chamber, for example. It controls the flow rate of process gas flowing through each gas supply line.
  • the fluid control device 100 is a so-called differential pressure type mass flow controller (differential pressure type MFC), and as shown in FIG.
  • the fluid control device 3 includes a flow rate sensor 31 and a fluid control valve 32.
  • the flow path block 2 has a rectangular shape, and a flow sensor 31 and a fluid control valve 32 are installed on a predetermined surface. Further, the flow path block 2 is provided with a concave accommodating portion 2M on a predetermined surface for installing the fluid control valve 32, and the accommodating portion 2M allows the internal flow path 2R to be connected to the upstream flow path 2R1 and the downstream flow path. It is divided into Road 2R2. In the accommodating portion 2M, one end of the upstream flow path 2R1 is open at the bottom surface, and one end of the downstream flow path 2R2 is opened at the inner surface.
  • the fluid control device 3 controls the fluid in the internal flow path 2R, and includes a flow rate sensor 31 that measures the flow rate of the fluid flowing through the internal flow path 2R, and a fluid control valve 32 provided upstream of the flow rate sensor 31. It has Note that the opening degree of the fluid control valve 32 is feedback-controlled by a control section 4, which will be described later.
  • the flow rate sensor 31 is a differential pressure type flow rate sensor, and includes an upstream pressure sensor 31a provided upstream of the fluid resistance element 33 such as a restrictor or orifice provided in the internal flow path 2R, and an upstream pressure sensor 31a provided upstream of the fluid resistance element 33 such as a restrictor or orifice provided in the internal flow path 2R. It has a downstream pressure sensor 31b provided on the side. The upstream pressure sensor 31a and the downstream pressure sensor 31b are attached in line with the fluid control valve 32 on a predetermined surface of the flow path block 2.
  • the flow rate calculation unit 4a of the control unit 4 calculates the upstream pressure P1 of the fluid resistance element 33 detected by the upstream pressure sensor 31a and the downstream pressure P1 of the fluid resistance element 33 detected by the downstream pressure sensor 31b.
  • the flow rate Q flowing through the internal flow path 2R is calculated using the side pressure P2.
  • the fluid control valve 32 is provided upstream of the differential pressure type flow sensor 31. Specifically, the fluid control valve 32 controls the flow rate by moving the valve body forward and backward relative to the valve seat using a piezo actuator.
  • This embodiment is of a so-called normally closed type, which is in a fully closed state when the valve body is not driven. Note that the fluid control valve 32 is controlled by the valve control section 4b of the control section 4. The detailed configuration of the fluid control valve 32 will be described later.
  • the control unit 4 includes a flow rate calculation unit 4a that calculates the flow rate Q flowing through the internal flow path 2R based on the upstream pressure P1 and the downstream pressure P2, and the flow rate Q calculated by the flow rate calculation unit 4a and the target flow rate (set value ) for controlling the fluid control valve 32 based on the valve control section 4b.
  • the control unit 4 is a so-called computer equipped with, for example, a CPU, a memory, an A/D/D/A converter, and input/output means, and a flow rate control program stored in the memory is executed to cause various devices to cooperate. By working, it functions as the flow rate calculation section 4a, the valve control section 4b, etc.
  • the fluid control valve 32 of this embodiment includes a valve seat 5 having a planar valve seat surface 5a, and a planar seating surface that is seated in surface contact with the valve seat surface 5a.
  • the valve body 6 includes a valve body 6 having a valve body 6a, and a drive mechanism 7 that drives the valve body 6.
  • the valve seat 5 has a generally rotating body shape, and as shown in FIG. 2, is housed in the housing portion 2M of the flow path block 2 so that its outer surface faces the downstream flow path 2R2. Further, the valve seat 5 has an annular valve seat surface 5a formed on the bottom surface facing the bottom side of the accommodating portion 2M. Further, a through hole 51 is formed in the valve seat 5 at the center thereof inside the valve seat surface 5a, and penetrates from the valve seat surface 5a side to the side opposite to the valve seat surface 5a. Further, the valve seat 5 is formed with an outlet passage 52 through which the fluid that has flowed into the interior from the valve seat surface 5a flows out to the downstream flow passage 2R2.
  • the valve body 6 is approximately in the shape of a rotating body, and is provided closer to the bottom than the valve seat 5 in the accommodating portion 2M of the flow path block 2, as shown in FIG.
  • This valve body 6 is supported by a support member 8 having an elastic body 81 such as a plate spring provided in the housing portion 2M. It is supported in a state facing the surface 5a side.
  • the valve body 6 is formed with an annular seating surface 6a corresponding to the annular valve seat surface 5a. Further, the valve body 6 is biased against the valve seat surface 5a by the elastic body 81 in a state in which no driving force is applied by the drive mechanism 7, in other words, in a state in which the seating surface 6a is seated on the valve seat surface 5a. has been done.
  • the drive mechanism 7 includes an actuator 71 such as a piezo stack formed by stacking a plurality of piezo elements, and a transmission member 72 that transmits the driving force of the actuator 71 to the valve body.
  • the transmission member 72 has a plunger portion 721 that passes through the through hole 51 of the valve seat 5 and extends toward the valve body 6 side.
  • the tip of the plunger portion 721 is slightly spaced apart from the driving force application surface 6b of the valve body 6 in a fully closed state where no voltage is applied to the actuator 71, and when the plunger portion 721 is in a fully closed state where no voltage is applied to the actuator 71. In the valve state, the tip contacts the driving force acting surface 6b of the valve body 6.
  • the driving force acting surface 6b is formed at the center of the valve body 6.
  • the tip end surface of the plunger portion 721 has a planar shape, and is configured to come into surface contact with the planar driving force acting surface 6b of the valve body 6.
  • the surface hardness of the first surface which is one of the valve seat surface 5a and the seating surface 6a
  • the second surface which is the other of the valve seat surface 5a and the seating surface 6a. It has a higher configuration than the above.
  • the first surface is the seating surface 6a
  • the second surface is the valve seat surface 5a.
  • the surface hardness of the seating surface 6a can be made to have a Vickers hardness of, for example, Hv300 to Hv500 by surface hardening treatment such as burnishing.
  • the surface hardness of the valve seat surface 5a is, for example, Hv200.
  • both the valve seat 5 and the valve body 6 are made of metal such as stainless steel.
  • the magnitude relationship between the surface hardness of the seating surface 6a and the surface strength of the valve seat surface 5a is defined by the surface hardness (Vickers hardness here) that does not depend on the shape.
  • the valve body 6 has an annular seating surface 6a formed at a position corresponding to the annular valve seat surface 5a on the opposing surface facing the valve seat surface 5a.
  • the area of the seating surface 6a is larger than the area of the valve seat surface 5a.
  • the seating surface 6a includes the valve seat surface 5a in a state where the seating surface 6a is seated on the valve seat surface 5a.
  • the valve body 6 has a driving force acting surface 6b formed inside the seating surface 6a and in contact with the plunger portion 721, which is the driving member of the driving mechanism 7, on the opposing surface facing the valve seat surface 5a.
  • the surface hardness of this driving force application surface 6b is higher than the surface hardness of the contact surface that contacts the valve body 6 in the plunger portion 721, which is a driving member.
  • the surface hardness of the driving force acting surface 6b is higher than the surface hardness of the valve body 6 other than the seating surface 6a.
  • the surface hardness of the driving force acting surface 6b can be made, for example, from Hv300 to Hv500 by surface hardening treatment such as burnishing.
  • the surface hardness of the driving force application surface 6b is made the same as the surface hardness of the seating surface 6a. Further, the seating surface 6a and the driving force acting surface 6b of the valve body 6 are located on the same plane, and the seating surface 6a and the driving force acting surface 6b can be made to have the same surface hardness by the same burnishing process. . Note that the surface hardness of the contact surface of the plunger portion 721 that contacts the valve body 6 is, for example, Hv200.
  • the valve body 6 has annular grooves 61a and 61b formed adjacent to the annular seating surface 6a.
  • annular groove 61a is formed adjacent to the radially inner side of the annular seating surface 6a
  • annular groove 61b is formed adjacent to the radially outer side of the annular seating surface 6a. It is formed.
  • annular groove 61c is formed adjacent to the radially outer side of the driving force application surface 6b.
  • These grooves 61a to 61c function as fillet relief grooves into which surplus material extruded by surface hardening treatment such as burnishing is inserted.
  • the groove 61a adjacent to the radially inner side of the seating surface 6a and the groove 61c adjacent to the radially outer side of the driving force application surface 6b may be a common groove.
  • the surface hardness of the seating surface 6a is made higher than that of the valve seat surface 5a, so that there is a gap between the valve seat surface 5a and the seating surface 6a.
  • sealing performance can be improved.
  • the planar seating surface 6a is seated on the planar valve seat surface 5a, it is possible to tolerate misalignment therebetween, and this also improves the sealing performance.
  • a surface hardening process for example, burnishing process
  • the surface hardness of the seating surface 6a of the valve body 6, which is a movable part is made higher than the surface hardness of the valve seat surface 5a, the portion of the seating surface 6a that comes into contact with the valve body 6 may differ each time due to contact deviation of the valve body 6.
  • the seating surface 6a can be made less likely to be damaged.
  • the area of the seating surface 6a is made larger than the area of the valve seat surface 5a, while allowing contact deviation, even if the edge portion of the valve seat surface 5a hits the seating surface 6a, the seating surface 6a is not easily damaged.
  • the surface hardness of the portion of the valve body 6 that is flush with the seating surface 6a may be increased similarly to the seating surface 6a.
  • the fluid control valve 32 of the embodiment described above may be of the so-called normally open type, which is in a fully open state when the valve body 6 is not driven, in addition to the normally closed type.
  • valve seat 5 is housed in the accommodating portion 2M of the flow path block 2, and the side opposite to the bottom surface of the accommodating portion 2M that faces the bottom side becomes the valve seat surface 5a.
  • a through hole 53 is formed in this valve seat 5 and penetrates from the valve seat surface 5a to the bottom surface, and the through hole 53 communicates with the upstream flow path 2R1.
  • multiple annular bottomed grooves 54 are formed around the through hole 53 on the upper surface of the valve seat 5 on the opposite side to the bottom surface, and any one of the bottomed grooves 54 penetrates toward the outer surface.
  • a communication hole 55 is formed which communicates with the downstream flow path L2. Note that the valve seat surface 5a is formed by the upper surface of the annular ridge formed between the multiple annular bottomed grooves 54.
  • valve body 6 is provided so as to close the accommodating portion 2M, and is fixed to the flow path block 2 via the diaphragm portion 9.
  • the valve body 6 and the diaphragm portion 9 are integrally formed.
  • This valve body 6 has a seating surface 6a that seats on the valve seat surface 5a by elastic deformation of the diaphragm portion 9.
  • the diaphragm portion 9 is in a state in which the seating surface 6a is spaced apart from the valve seat surface 5a when no driving force is applied by the drive mechanism 7.
  • the drive mechanism 7 uses an actuator 71 such as a piezo stack formed by stacking a plurality of piezo elements.
  • the surface hardness of the first surface which is one of the valve seat surface 5a or the seating surface 6a
  • the surface hardness of the second surface which is the other of the valve seat surface 5a or the seating surface 6a.
  • FIG. 6 shows an example in which the surface hardness of the seating surface 6a is higher than that of the valve seat surface 5a
  • the surface hardness of the valve seat surface 5a may be higher than that of the seating surface 6a.
  • burnishing processing can be used as in the above embodiment.
  • the fluid control valve 32 was provided upstream of the flow rate sensor 31, but may be provided downstream of the flow rate sensor 31.
  • a piezo element pie stack
  • a solenoid or the like may also be used.
  • a pressure type flow sensor is used as the flow rate sensor 31 of the fluid control device 100, but a thermal type flow rate sensor may be used. In this case, it is conceivable to install a thermal flow sensor upstream of the fluid control valve 32. Moreover, a fluid sensor such as a pressure sensor may be used in addition to the flow rate sensor.
  • the fluid control device 100 is not limited to pressure type or thermal type, and the fluid control valve 32 is provided with a position sensor that measures the relative position between the valve seat surface 5a and the seating surface 6a, and the fluid control device 100 is not limited to the pressure type or thermal type. It may be of a position type that feedback controls the valve opening based on the value.
  • the fluid control device of the present invention is not limited to the flow control device of the embodiment described above, but can also be applied to a pressure control device that controls the pressure of fluid.
  • the sealing performance of the fluid control valve can be improved.

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Abstract

本発明は、流体制御バルブのシール性を向上するものであり、平面状の弁座面５ａを有する弁座５と、弁座面５ａに着座する平面状の着座面６ａを有する弁体６とを備え、弁座面５ａ又は着座面６ａの一方である第１面の表面硬度は、弁座面５ａ又は着座面６ａの他方である第２面の表面硬度よりも高い。

Description

流体制御バルブ、流体制御装置、及び流体制御バルブの製造方法
　本発明は、流体制御バルブ、流体制御装置、及び流体制御バルブの製造方法に関するものである。
　従来、特許文献１に示すように、流体制御バルブには、平面状の弁座面に対して平面状の着座面を着座及び離座させることにより流体を制御するものがある。
　しかしながら、このような流体制御バルブでは、長期間の使用によりシートリーク（全閉状態における漏れ）が発生してしまう。その要因としては、弁座面に対して着座面が不均一な接触を繰り返すことにより、着座面又は弁座面に傷が生じて劣化すること、又は、弁座面又は着座面が腐食して荒れること等を挙げることができる。
特開２０００－３２２１２９号公報
　そこで、本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたものであり、流体制御バルブのシール性を向上することをその主たる課題とするものである。
　すなわち、本発明に係る流体制御バルブは、平面状の弁座面を有する弁座と、前記弁座面に着座する平面状の着座面を有する弁体とを備え、前記弁座面又は前記着座面の一方である第１面の表面硬度は、前記弁座面又は前記着座面の他方である第２面の表面硬度よりも高いことを特徴とする。
　このような流体制御バルブであれば、弁座面又は着座面の一方である第１面の表面硬度を弁座面又は着座面の他方である第２面の表面硬度よりも高くしているので、弁座面と着座面との間に硬度差を設けることによって、シール性を向上させることができる。また、平面状の弁座面に対して平面状の着座面を着座させるので、それらの接触ずれを許容することができ、これによってもシール性を向上することができる。さらに、弁座面及び着座面の両方が平面状であることから、それら一方の硬度を高める表面硬化処理（例えばバニシング加工）を容易に行うことができる。なお、バニシング加工とは、切削加工された粗い面を持つ工作物に対して、高硬度材でできた工具（バニシングツール）を押し付けて、表面を塑性変形させながら押しならすことで、表面硬度を高くする加工である。
　前記第１面の面積は、前記第２面の面積よりも大きいことが望ましい。つまり、面積の大きい第１面の表面硬度を、面積の小さい第２面の表面硬度よりも高くしている。これは、面積の大きい第１面には面積の小さい第２面のエッジ部が当たるなどして、第１面に傷が生じやすいためである。
　弁体が駆動機構により駆動される可動部となることから、固定されている弁座面に対して着座面の接触ずれが生じる。ここで、着座面の表面硬度を弁座面の表面硬度よりも高くすることが弁体の耐久性を向上させる観点から望ましい。このため、前記第１面は、前記着座面であり、前記第２面は、前記弁座面であることが望ましい。
　また、本発明の流体制御装置は、前記弁体に接触して前記弁体を駆動する駆動部材を有する駆動機構を備え、前記弁体は、前記着座面と、前記駆動部材に接触する駆動力作用面とを有し、前記駆動力作用面の表面硬度は、前記駆動部材における前記弁体に接触する接触面の表面硬度よりも高いことが望ましい。
　前記弁体は、前記着座面に隣接して形成された溝を有することが望ましい。弁体の着座面をバニシング加工する場合には、バニシング加工により押し出された余剰分が生じる。この余剰分が着座面に隣接した溝に入ることでシール性を阻害しないようにできる。
　また、本発明に係る流体制御装置は、上述した流体制御バルブと、流体の流量又は圧力を測定する流体センサと、前記流体センサで測定される測定値と、設定値とに基づいて前記流体制御バルブの開度を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
　更に、本発明に係る流体制御バルブの製造方法は、平面状の弁座面を有する弁座と、前記弁座面に着座する平面状の着座面を有する弁体とを備える流体制御バルブの製造方法であって、バニシング加工を施すことにより、前記弁座面又は前記着座面の一方の表面硬度を、前記弁座面又は前記着座面の他方の表面硬度よりも高くすることを特徴とする。
　以上に述べた本発明によれば、流体制御便のシール性を向上することができる。
本発明の一実施形態に係る流体制御装置の構成を模式的に示す図である。 同実施形態の流体制御バルブ（ノーマルクローズタイプ）の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。 同実施形態の弁体の着座面を示す平面図である。 同実施形態の弁体のＡ－Ａ線断面図である。 変形実施形態の流体制御バルブ（ノーマルオープンタイプ）の部分拡大断面図である。 変形実施形態の弁体の着座面を示す平面図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係る流体制御装置について、図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し又は誇張して模式的に描かれている。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
＜装置構成＞
　本実施形態の流体制御装置１００は、例えば半導体製造装置に組み込まれることにより半導体製造プロセスに用いられるものであって、例えば半導体処理チャンバに接続された１又は複数のガス供給ラインに設けられて、各ガス供給ラインを流れるプロセスガスの流量を制御するものである。
　具体的に流体制御装置１００は、いわゆる差圧式マスフローコントローラ（差圧式ＭＦＣ）であり、図１に示すように、内部流路２Ｒが形成された流路ブロック２と、当該流路ブロック２に搭載された流量センサ３１及び流体制御バルブ３２を含む流体制御機器３と備えている。
　流路ブロック２は、矩形状のものであり、所定面に流量センサ３１及び流体制御バルブ３２が設置されている。また、流路ブロック２には、所定面に流体制御バルブ３２を設置するための凹状の収容部２Ｍが設けられており、収容部２Ｍによって内部流路２Ｒが上流側流路２Ｒ１と下流側流路２Ｒ２とに分断されている。そして、収容部２Ｍには、底面に上流側流路２Ｒ１の一端が開口していると共に、内側面に下流側流路２Ｒ２の一端が開口している。
　流体制御機器３は、内部流路２Ｒの流体を制御するものであり、内部流路２Ｒを流れる流体の流量を測定する流量センサ３１と、流量センサ３１の上流側に設けられた流体制御バルブ３２とを有している。なお、流体制御バルブ３２は、後述する制御部４によって、その弁開度がフィードバック制御される。
　流量センサ３１は、差圧式流量センサであり、内部流路２Ｒに設けられたリストリクタ又はオリフィス等の流体抵抗素子３３の上流側に設けられた上流側圧力センサ３１ａと、流体抵抗素子３３の下流側に設けられた下流側圧力センサ３１ｂを有している。上流側圧力センサ３１ａ及び下流側圧力センサ３１ｂは、流路ブロック２の所定面において流体制御バルブ３２とともに一列に並べて取り付けてある。そして、後述する制御部４の流量算出部４ａによって、上流側圧力センサ３１ａにより検出された流体抵抗素子３３の上流側圧力Ｐ１、及び、下流側圧力センサ３１ｂにより検出された流体抵抗素子３３の下流側圧力Ｐ２を用いて、内部流路２Ｒを流れる流量Ｑが算出される。
　流体制御バルブ３２は、差圧式流量センサ３１の上流側に設けられている。具体的に流体制御バルブ３２は、ピエゾアクチュエータにより弁体を弁座に対して進退移動させることにより、流量を制御するものである。本実施形態では、弁体を駆動していない状態で全閉状態となる所謂ノーマルクローズタイプのものである。なお、流体制御バルブ３２は、制御部４のバルブ制御部４ｂにより制御される。流体制御バルブ３２の詳細構成は後述する。
　制御部４は、上流側圧力Ｐ１及び下流側圧力Ｐ２に基づいて内部流路２Ｒを流れる流量Ｑを算出する流量算出部４ａと、流量算出部４ａにより算出された流量Ｑ及び目標流量（設定値）に基づいて流体制御バルブ３２を制御するバルブ制御部４ｂとを有している。なお、制御部４は、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段を具備するいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されている流量制御プログラムが実行されて各種機器が協働することにより、流量算出部４ａ及びバルブ制御部４ｂ等としての機能を発揮する。
＜流体制御バルブ３２の詳細構成＞
　本実施形態の流体制御バルブ３２は、図２～図４に示すように、平面状の弁座面５ａを有する弁座５と、弁座面５ａに面接触して着座する平面状の着座面６ａを有する弁体６と、弁体６を駆動する駆動機構７とを備えている。
　弁座５は、概略回転体形状をなすものであり、図２に示すように、外側面が下流側流路２Ｒ２と対向するように流路ブロック２の収容部２Ｍに収容されている。そして、弁座５には、収容部２Ｍの底側を向く底面に円環状の弁座面５ａが形成されている。また、弁座５には、弁座面５ａの内側においてその中央部に弁座面５ａ側から当該弁座面５ａとは反対面側に貫通する貫通孔５１が形成されている。さらに、弁座５には、弁座面５ａから内部に流入した流体を下流側流路２Ｒ２に流出する導出路５２が形成されている。
　弁体６は、概略回転体形状をなすものであり、図２に示すように、流路ブロック２の収容部２Ｍにおいて、弁座５よりも底面側に設けられている。この弁体６は、収容部２Ｍに設けられた例えば板バネ等の弾性体８１を有する支持部材８によって支持されており、具体的に支持部材８は、弁体６の着座面６ａが弁座面５ａ側を向いた状態で支持している。そして、弁体６には、図３に示すように、円環状の弁座面５ａに対応した円環状の着座面６ａが形成されている。また、弁体６は、駆動機構７による駆動力が加わっていない状態、言い換えれば、着座面６ａを弁座面５ａに着座させた状態において、弾性体８１によって弁座面５ａに対して付勢されている。
　駆動機構７は、図２に示すように、ピエゾ素子を複数枚積層してなるピエゾスタック等のアクチュエータ７１と、当該アクチュエータ７１の駆動力を弁体に伝達する伝達部材７２とを有している。伝達部材７２は、弁座５の貫通孔５１を貫通して弁体６側へ延びるプランジャ部７２１を有している。このプランジャ部７２１は、アクチュエータ７１に電圧が印加されていない全閉状態において、弁体６の駆動力作用面６ｂに対して先端が僅かに離間し、また、アクチュエータ７１に電圧が印加された開弁状態において、弁体６の駆動力作用面６ｂに対して先端が接触する。なお、駆動力作用面６ｂは、弁体６の中央部に形成されている。また、プランジャ部７２１の先端面は、平面状をなしており、弁体６の平面状をなす駆動力作用面６ｂに対して面接触するように構成されている。
　然して、本実施形態の流体制御バルブ３２では、弁座面５ａ又は着座面６ａの一方である第１面の表面硬度は、弁座面５ａ又は着座面６ａの他方である第２面の表面硬度よりも高い構成としている。本実施形態では、第１面が着座面６ａであり、第２面が弁座面５ａである。ここで、着座面６ａの表面硬度は、バニシング加工などの表面硬化処理により、ビッカース硬度を例えばＨｖ３００～Ｈｖ５００にすることができる。なお、弁座面５ａの表面硬度は、例えばＨｖ２００である。また、弁座５及び弁体６は、いずれもステンレス鋼製等の金属製のものである。このように本実施形態では、形状に依存しない表面硬度（ここではビッカース硬度）により、着座面６ａの表面硬度と弁座面５ａの表面強度の大小関係を規定している。
　具体的に弁体６は、図３に示すように、弁座面５ａに対向する対向面において、円環状の弁座面５ａに対応する位置に円環状の着座面６ａが形成されている。ここで、着座面６ａの面積は、弁座面５ａの面積よりも大きい。つまり、弁座面５ａに着座面６ａが着座した状態で、着座面６ａが弁座面５ａを含む構成である。
　また、弁体６は、弁座面５ａに対向する対向面において、着座面６ａの内側に形成され、駆動機構７の駆動部材であるプランジャ部７２１に接触する駆動力作用面６ｂを有している。この駆動力作用面６ｂの表面硬度は、駆動部材であるプランジャ部７２１における弁体６に接触する接触面の表面硬度よりも高い。また、駆動力作用面６ｂの表面硬度は、弁体６における着座面６ａ以外の表面硬度よりも高い。ここで、駆動力作用面６ｂの表面硬度は、バニシング加工などの表面硬化処理により、例えばＨｖ３００～Ｈｖ５００にすることができる。本実施形態では、駆動力作用面６ｂの表面硬度は、着座面６ａの表面硬度と同じにしている。また、弁体６の着座面６ａ及び駆動力作用面６ｂは同一平面上に位置しており、着座面６ａ及び駆動力作用面６ｂは、同一のバニシング加工により同一の表面硬度にすることができる。なお、プランジャ部７２１における弁体６に接触する接触面の表面硬度は、例えばＨｖ２００である。
　さらに、弁体６は、図３及び図４に示すように、円環状の着座面６ａに隣接して形成された円環状の溝６１ａ、６１ｂを有している。具体的には、円環状の着座面６ａの径方向内側に隣接して円環状の溝６１ａが形成されており、円環状の着座面６ａの径方向外側に隣接して円環状の溝６１ｂが形成されている。同様にして、駆動力作用面６ｂの径方向外側に隣接して円環状の溝６１ｃが形成されている。これらの溝６１ａ～６１ｃは、バニシング加工等の表面硬化処理により押し出された余剰分が入る肉逃げ溝として機能する。なお、着座面６ａの径方向内側に隣接する溝６１ａと、駆動力作用面６ｂの径方向外側に隣接する溝６１ｃとは共通の溝としてもよい。
＜本実施形態の効果＞
　このように構成した本実施形態の流体制御装置１００であれば、着座面６ａの表面硬度を弁座面５ａの表面硬度よりも高くしているので、弁座面５ａと着座面６ａとの間に硬度差を設けることによって、シール性を向上させることができる。また、平面状の弁座面５ａに対して平面状の着座面６ａを着座させるので、それらの接触ずれを許容することができ、これによってもシール性を向上することができる。さらに、弁座面５ａ及び着座面６ａの両方が平面状であることから、それら一方の硬度を高める表面硬化処理（例えばバニシング加工）を容易に行うことができる。
　また、可動部である弁体６の着座面６ａの表面硬度を弁座面５ａの表面硬度よりも高くしているので、弁体６の接触ずれにより着座面６ａの接触する部分が毎回異なったとしても、着座面６ａが傷つきにくくすることができる。ここで、着座面６ａの面積を弁座面５ａの面積よりも大きくしているので、接触ずれを許容しつつ、弁座面５ａのエッジ部が着座面６ａに当たるなどしても、着座面６ａは傷つきにくい。
＜その他の実施形態＞
　例えば、前記実施形態では、着座面６ａの表面硬度を弁座面５ａの表面硬度よりも高くした例を示しているが、弁座面５ａの表面硬度を着座面６ａの表面硬度よりも高くしても良い。
　また、前記実施形態の構成に加えて、弁体６において着座面６ａと同一平面の部分も着座面６ａと同様に表面硬度を高くしても良い。
　さらに、前記実施形態の流体制御バルブ３２は、ノーマルクローズタイプのものの他に、弁体６を駆動していない状態で全開状態となる所謂ノーマルオープンタイプのものであっても良い。
　具体的には、図５に示すように、弁座５が流路ブロック２の収容部２Ｍ内に収容されており、収容部２Ｍの底側を向く底面と反対側が弁座面５ａとなる。この弁座５には、弁座面５ａから底面へと貫通する貫通孔５３が形成されており、当該貫通孔５３が上流側流路２Ｒ１と連通する。また、弁座５の底面とは反対側の上面には、貫通孔５３の周囲に多重の円環状有底溝５４が形成されており、いずれかの有底溝５４から外側面へと貫通して下流側流路Ｌ２と連通する連通孔５５が形成されている。なお、多重の円環状有底溝５４の間に形成される円環状の凸条の上面により弁座面５ａが形成される。
　また、弁体６は、収容部２Ｍを閉塞するように設けられており、ダイアフラム部９を介して流路ブロック２に固定されている。ここでは、弁体６とダイアフラム部９は一体形成されている。この弁体６は、ダイアフラム部９が弾性変形することによって、弁座面５ａに着座する着座面６ａを有している。なお、ダイアフラム部９は、駆動機構７による駆動力が加わっていない状態において着座面６ａが弁座面５ａから離間した状態とする。なお、駆動機構７は、ピエゾ素子を複数枚積層してなるピエゾスタック等のアクチュエータ７１を用いたものである。
　この場合であっても、弁座面５ａ又は着座面６ａの一方である第１面の表面硬度を、弁座面５ａ又は着座面６ａの他方である第２面の表面硬度よりも高くする。図６では、着座面６ａの表面硬度を弁座面５ａの表面硬度よりも高くした例を示しているが、弁座面５ａの表面硬度を着座面６ａの表面硬度よりも高くしても良い。なお、表面硬化処理は、前記実施形態と同様に、バニシング加工を用いることができる。
　また、前記実施形態では、流体制御バルブ３２は、流量センサ３１の上流側に設けられた構成であったが、流量センサ３１の下流側に設けられた構成であっても良い。
　また、前記実施形態においては、駆動機構７のアクチュエータ７１としてピエゾ素子（ピエゾスタック）を使用しているが、ソレノイド等を使用してもよい。
　また、前記実施形態においては、流体制御装置１００の流量センサ３１として、圧力式流量センサを使用しているが、熱式流量センサを使用してもよい。この場合には、流体制御バルブ３２の上流側に熱式流量センサを設置することが考えられる。また、流量センサの他に圧力センサ等の流体センサを用いても良い。
　また、流体制御装置１００としては、圧力式及び熱式のものに限らず、流体制御バルブ３２に弁座面５ａと着座面６ａとの相対位置を測定する位置センサを設け、当該位置センサの測定値に基づき弁開度をフィードバック制御するポジション式のものであってもよい。また、本発明の流体制御装置は、前記実施形態の流量制御装置に限られず、流体の圧力を制御する圧力制御装置に適用することも可能である。
　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
　本発明によれば、流体制御バルブのシール性を向上することができる。
１００・・・流体制御装置
２・・・流路ブロック
２Ｒ・・・内部流路
３・・・流体制御機器
３１・・・流体センサ
３２・・・流体制御バルブ
４・・・制御部
５・・・弁座
５ａ・・・弁座面
６・・・弁体
６ａ・・・着座面
６ｂ・・・駆動力作用面
７・・・駆動機構

Claims (7)

  1. 　平面状の弁座面を有する弁座と、
    　前記弁座面に着座する平面状の着座面を有する弁体とを備え、
    　前記弁座面又は前記着座面の一方である第１面の表面硬度は、前記弁座面又は前記着座面の他方である第２面の表面硬度よりも高い、流体制御バルブ。
  2. 　前記第１面の面積は、前記第２面の面積よりも大きい、請求項１に記載の流体制御バルブ。
  3. 　前記第１面は、前記着座面であり、前記第２面は、前記弁座面である、請求項１又は２に記載の流体制御バルブ。
  4. 　前記弁体に接触して前記弁体を駆動する駆動部材を有する駆動機構を備え、
    　前記弁体は、前記着座面と、前記駆動部材に接触する駆動力作用面とを有し、
    　前記駆動力作用面の表面硬度は、前記駆動部材における前記弁体に接触する接触面の表面硬度よりも高い、請求項３に記載の流体制御バルブ。
  5. 　前記弁体は、前記着座面に隣接して形成された溝を有する、請求項３又は４に記載の流体制御バルブ。
  6. 　請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体制御バルブと、
    　流体の流量又は圧力を測定する流体センサと、
    　前記流体センサで測定される測定値と、設定値とに基づいて前記流体制御バルブの開度を制御する制御部とを備える、流体制御装置。
  7. 　平面状の弁座面を有する弁座と、前記弁座面に着座する平面状の着座面を有する弁体とを備える流体制御バルブの製造方法であって、
    　バニシング加工を施すことにより、前記弁座面又は前記着座面の一方の表面硬度を、前記弁座面又は前記着座面の他方の表面硬度よりも高くする、流体制御バルブの製造方法。
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JP2011027180A (ja) * 2009-07-24 2011-02-10 Ckd Corp 樹脂製逆止弁及びそれを使用する流体機器ユニット
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