WO2025004469A1

WO2025004469A1 - 流体制御弁

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Abstract

ダイアフラム部材３４は、中心が操作ロッド９の軸心ＣＬの延長線上に位置し、かつ、操作ロッド９の側に膨出する球冠状に形成され、その頂点部で、操作ロッド９の側からダイアフラム部材３４に接する第１挟持片９３と、弁体３２の側からダイアフラム部材３４に接する第２挟持片３２３と、により軸心ＣＬと平行な方向において両側から挟持されていること、第１挟持片９３と第２挟持片３２３とは、操作ロッド９と同軸に位置する円形状に形成され、第１挟持片９３の直径Ｄ１１は、第２挟持片３２３の直径Ｄより大きいこと、第１挟持片９３の、ダイアフラム部材３４に対向する面は、ダイアフラム部材３４の側に膨出して形成され、かつ、操作ロッド９の軸心ＣＬ上に中心を有する凸球面９４であること。

Description

流体制御弁

　本発明は、操作ロッドと、操作ロッドに連結される弁体と、弁体が当接離間をする弁座と、操作ロッドと弁体の間に位置するダイアフラムと、を備え、操作ロッドにより駆動される弁体が、操作ロッドの軸心の方向に沿って当接離間を行うことで、制御流体の制御を行う流体制御弁に関するものである。

　半導体製造工程における成膜処理には複数種のプロセスガスが用いられる。このプロセスガスの流量を制御するために、流体制御弁が用いられる。流体制御弁としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示される流体制御弁が知られている。特許文献１に開示される流体制御弁は、エアオペレイト式開閉弁であり、ダイアフラム部材を弁座に当接離間させて、プロセスガスの流量制御を行うものである。

　より具体的には、球冠状に形成されたダイアフラム部材の頂点部にステム（ダイアフラム押え）が当接されており、アクチュエータの動作によってステムでダイアフラム部材を押圧し、変形させて、弁座に当接させる。ダイアフラム部材が弁座に当接した状態が、流体制御弁の弁閉状態である。そして、ステムによるダイアフラム部材の押圧を解除すると、ダイアフラム部材の自己復帰力で、元の球冠状の形状に戻り、ダイアフラム部材が弁座から離間する。ダイアフラム部材が弁座から離間した状態が、流体制御弁の弁開状態である。

特開２０１６－１８０４９０号公報特開２０１７－２２３３１８号公報

　しかし、近年普及している成膜技術である原子層堆積法（ＡＬＤ）に用いられるプロセスガスは高温（２００度程度）であるため、その高温下では、ダイアフラム部材の自己復帰力が低下してしまい、流体制御弁を弁閉状態から弁開状態にするときに、元の球冠状に戻りきれなくなるおそれがある。ダイアフラム部材が元の球冠状に戻りきれなくなると、弁開状態におけるダイアフラム部材と弁座との距離が小さくなるため、Ｃｖ値の低下が懸念される。半導体の成膜プロセスを可能な限り短くし、生産性を向上するために、流体制御弁の高Ｃｖ値化（つまり、一度に流せるガスの量を増やすこと）が望まれている中、上記のようなダイアフラム部材の自己復帰力の低下によるＣｖ値の低下は好ましくない。

　そこで、本願発明者は、高温下でダイアフラム部材の自己復帰力が低下する問題の対応策として、例えば、図５に示すような流体制御弁１００を用いることを考えた。

　流体制御弁１００は、アクチュエータ部４を備えており、当該アクチュエータ部４は、空圧駆動のエアシリンダ６を備えている。エアシリンダ６の内部には、ピストン（不図示）が図５中の上下方向に摺動可能に装填されている。当該ピストンが上下動することにより、操作ロッド１１が上下動されるようになっている。さらに、操作ロッド１１の先端には、操作ロッド１１が上下動されるに従って弁座３３に対して当接離間をする弁体３２が結合されている。そして、ダイアフラム部材３４は、円盤状に形成されており、その外周部が流体制御弁１００内で挟持固定されるとともに、中央部が操作ロッド１１の挟持部１１１と弁体３２とにより図５中の上下方向から挟持されている。

　以上のような流体制御弁１００では、弁体３２が弁座３３に対して当接離間する際に、図６Ａ－図６Ｃに示すようにダイアフラム部材３４に変形が生じる。図６Ａは、図５に示す流体制御弁１００が弁開状態にあるときの、ダイアフラム部材３４の様子を示す図である。図６Ｂは、図５に示す流体制御弁１００の弁体３２が当接方向に移動を開始した直後の、ダイアフラム部材３４の変形の様子を示す図である。図６Ｃは、図５に示す流体制御弁１００が弁閉状態にあるときの、ダイアフラム部材３４の変形の様子を示す図である。

　流体制御弁１００が弁開状態にあるとき、ダイアフラム部材３４は、変形をしていない自然の状態に近い状態である（図６Ａ）。そして、操作ロッド１１を当接方向に駆動し、弁体３２を弁座３３に対して当接しようとすると、ダイアフラム部材３４は、操作ロッド１１（挟持部１１１）と弁体３２により挟持されている中央部から、弁座３３（図５参照）に向かって押し下げられるようにして変形していく（図６Ｂ）。そして、弁体３２が弁座３３に対して当接したとき、すなわち流体制御弁１００が弁閉状態になったときが、ダイアフラム部材３４が最も変形した状態である（図６Ｃ）。

　また、弁閉状態から弁開状態とするには、操作ロッド１１を図中の上方向に駆動する。これにより、操作ロッド１１および弁体３２が同方向に移動するため、弁体３２が弁座３３から離間し、流体制御弁１００は、弁開状態となる。このとき、ダイアフラム部材３４は、操作ロッド１１（挟持部１１１）と弁体３２とにより挟持されているため、中央部が弁座３３から離間する方向に引張り上げられて、図６Ａに示すような元の形状に確実に戻ることができる。したがって、高温のプロセスガスを制御流体とする場合など、高温環境下であってもダイアフラム部材３４が元の形状に戻らなくなることを防止することができる。

　しかしながら、上記のような流体制御弁１００には、以下のような問題があった。本願発明者は、図６Ａ－図６Ｃに示すようにダイアフラム部材３４が変形される際、ダイアフラム部材３４の挟持されている部分Ｐ２１に応力が集中することを発見した。このようにダイアフラム部材３４の応力が集中する箇所が常に一定であると、流体制御弁１００の弁体３２が弁座３３に対して当接離間を繰り返したとき、その応力が集中する部分Ｐ２１で、ダイアフラム部材３４が破損するおそれがある。

　また、近年、流体制御弁の高Ｃｖ値化が望まれていることから、弁体の弁開状態の位置と弁閉状態の位置との距離（ストローク量）を従来よりも増大させることが望まれているが、ストローク量を増大させると、ダイアフラム弁体の変形量が大きくなる。変形量が大きくなると、上記した部分Ｐ２１における応力の集中により、ダイアフラム部材３４の破損がより生じやすくなってしまう。つまり、ダイアフラム部材３４に生じる応力集中が、ストローク量の増大を達成できない要因となっている。

　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ストローク量を拡大することが可能な流体制御弁を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の一態様における流体制御弁は、次のような構成を有している。

　（１）操作ロッドと、前記操作ロッドに連結される弁体と、前記弁体が当接離間をする弁座と、前記操作ロッドと前記弁体の間に位置するダイアフラム部材と、を備え、前記操作ロッドにより駆動される前記弁体が、前記操作ロッドの軸心の方向に沿って前記当接離間を行うことで、制御流体の制御を行う流体制御弁において、前記ダイアフラム部材は、中心が前記軸心の延長線上に位置し、かつ、前記操作ロッドの側に膨出する球冠状に形成され、その頂点部で、前記操作ロッドの側から前記ダイアフラム部材に接する第１挟持片と、前記弁体の側から前記ダイアフラム部材に接する第２挟持片と、により前記軸心と平行な方向において両側から挟持されていること、前記第１挟持片と前記第２挟持片とは、前記操作ロッドと同軸に位置する円形状に形成され、前記第１挟持片の直径は、前記第２挟持片の直径より大きいこと、前記第１挟持片の、前記ダイアフラム部材に対向する面は、前記ダイアフラム部材の側に膨出して形成され、かつ、前記軸心上に中心を有する凸球面であること、を特徴とする。

　（２）（１）に記載の流体制御弁において、前記凸球面の半径である第１半径は、前記ダイアフラム部材の前記凸球面に対向する球面の半径である第２半径よりも小さいこと、が好ましい。

　（３）（２）に記載の流体制御弁において、前記第１半径は、前記第２半径の５０％以上６５％以下であること、が好ましい。

　（４）（１）乃至（３）にいずれか１つに記載の流体制御弁において、前記第１挟持片の直径は、前記ダイアフラム部材の前記軸心に直交する平面に投影した場合の直径の３５％を超える値であること、が好ましい。　

　上記の流体制御弁によれば、弁体を弁座に対して当接しようとすると、ダイアフラム部材は、第１挟持片と第２挟持片により挟持されている頂点部から、弁座に向かって押し下げられるようにして変形していく。この変形が行われる際、ダイアフラム部材は、第１挟持片の凸球面の形状に沿って変形するため、凸球面と、ダイアフラム部材との接触範囲が、弁体が弁座に近づくにつれて、ダイアフラム部材の中央部から外周の側へ広がっていく。このとき、ダイアフラム部材において、応力が集中する箇所は接触範囲の最外周部であることを、本願発明者は有限要素法解析により確認した。つまり、弁開状態から弁閉状態とする際に、ダイアフラム部材において応力の集中する箇所が、接触範囲の変動に合わせて移動し、一定ではないため、弁体の当接離間の動作を繰り返しても、ダイアフラム部材が破損しにくい。このようにダイアフラム部材を破損しにくくすることで、弁体の弁開状態の位置と弁閉状態の位置との距離（ストローク量）を従来よりも増大させることが可能になる。ストローク量を増大させることができれば、弁開状態において、弁体と弁座の距離が大きくなるため、流体制御弁のＣｖ値が大きくなる。

　本発明の流体制御弁によれば、ストローク量を拡大することが可能である。

本実施形態に係る流体制御弁の断面図である。図１の部分Ａの部分拡大図である。ダイアフラム部材の斜視図である。本実施形態に係る流体制御弁が弁開状態にあるときの、ダイアフラム部材の様子を示す図である。本実施形態に係る流体制御弁の弁体が当接方向に移動を開始した直後の、ダイアフラム部材の変形の様子を示す図である。本実施形態に係る流体制御弁が弁閉状態にあるときの、ダイアフラム部材の変形の様子を示す図である。本願発明者が、高温下でダイアフラム部材の自己復帰力が低下する問題の対応策として発明した流体制御弁の断面図である。図５に示す流体制御弁が弁開状態にあるときの、ダイアフラム部材の様子を示す図である。図５に示す流体制御弁の弁体が当接方向に移動を開始した直後の、ダイアフラム部材の変形の様子を示す図である。図５に示す流体制御弁が弁閉状態にあるときの、ダイアフラム部材の変形の様子を示す図である。弁体の、弁開状態における位置から当接方向への移動量と、ダイアフラム部材に生じる応力との関係を表すグラフである。弁体の高温時のストローク量とＣｖ値の関係を表すグラフである。

　本発明に係る流体制御弁の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明に用いる図面は、説明のために簡略化しており、形状や寸法等を正確に表すものではない。

（流体制御弁の構成について）
　本実施形態に係る流体制御弁１の構成について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る流体制御弁１の断面図である。図２は、図１の部分Ａの部分拡大図である。図３は、ダイアフラム部材３４の斜視図である。

　流体制御弁１は、半導体製造装置のガス供給系に配設される空圧駆動のガスバルブであり、図１に示すように、駆動部２と、弁部３とからなっている。さらに、駆動部２は、アクチュエータ部４と、スプリング部５とからなっている。

　まず、アクチュエータ部４について説明する。アクチュエータ部４は、空圧駆動のエアシリンダ６と、エアシリンダ６とスプリング部５とを接続するための接続ブラケット７と、を備えている。

　エアシリンダ６は、円筒状のケース６１と、ケース６１の内部に装填されるピストン（不図示）と、ピストンに結合された円柱状の駆動軸（不図示）と、を備えている。ピストンは、ケース６１内において図１中の上下方向に摺動可能とされており、ピストンの上下動に従って、駆動軸が、駆動軸の軸方向に沿って進退される。駆動軸の軸方向は、図１中の上下方向と平行な方向であり、後述する弁体３２が弁座３３に対して当接離間をする方向と一致されている。なお、図中の上側が離間方向であり、下側が当接方向である。

　エアシリンダ６の駆動軸の弁部３側の先端部は、ケース６１から突出し、駆動軸と同軸上に位置する円柱状の操作ロッド９に連結している。よって、エアシリンダ６の駆動軸が進退するに伴い、操作ロッド９もその軸心ＣＬ（図２参照）に沿って進退する。

　操作ロッド９は、スプリング部５に挿通されており、接続ブラケット７内から弁部３まで延在している。操作ロッド９は、図２に示すように、弁部３に挿入されている部分に、接続ブラケット７に挿通されている部分およびスプリング部５内に挿通されている部分よりも径の大きい拡径部９１を備えており、これにより段差部９２が形成されている。さらに、操作ロッド９は、拡径部９１の段差部９２とは反対側の端部に、第１挟持片９３を備えている。第１挟持片９３は、後述する第２挟持片３２３とともに、後述するダイアフラム部材３４を挟持するために用いられる。第１挟持片９３は、操作ロッド９の軸心ＣＬに直交する方向が半径方向とされた円形状で、軸心ＣＬと同軸上に位置している。第１挟持片９３の直径Ｄ１１は、拡径部９１の直径よりも大きくされている。また、第１挟持片９３の、ダイアフラム部材３４に対向する面は、ダイアフラム部材３４の側に膨出して形成される凸球面９４である。凸球面９４は、中心が操作ロッド９の軸心ＣＬ上に位置しており、半径（第１半径）が、例えば約７０ｍｍに設定されている。また、凸球面９４の外周縁は、Ｒ面取り処理がなされている。

　また、操作ロッド９の弁部３側の端面には、雌ねじ部９５が穿設されており、後述する弁体３２を螺合可能となっている。

　次にスプリング部５について説明する。スプリング部５は、内部空間５１に、操作ロッド９と同軸上に位置した圧縮コイルばね５２を備えている。圧縮コイルばね５２は、内部空間５１のアクチュエータ部４側の端面５３と操作ロッド９の段差部９２とに圧縮されている。このため、圧縮コイルばね５２は、操作ロッド９を、常に当接方向（図中の下方向）に付勢している。

　次に弁部３について説明する。弁部３は、ボディ３１と、弁体３２と、弁座３３と、ダイアフラム部材３４を備えている。ボディ３１は、スプリング部５と接続する筒状部３１５を備えている。また、ボディ３１には、該筒状部３１５の内側に、弁室３１１が穿設されている。

　弁室３１１は、底部の中央で、弁口３１２を介して、入力流路３１３と連通している。この入力流路３１３は、プロセスガスを弁室３１１に入力するために用いられる。また、弁室３１１の底面には、弁口３１２の外周側かつ弁口３１２と同軸上に、円環状の弁座３３が固定されている。この弁座３３は、例えば、耐熱性の優れたＰＩ（ポリイミド）、または、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）を材質とする。さらに、弁室３１１は、弁座３３の半径方向外側において、出力流路３１４と連通している。この出力流路３１４は、プロセスガスを弁室３１１から出力するために用いられる。

　弁体３２は、例えばステンレス鋼を材質とする。弁体３２は、円柱状の本体部３２１を備え、さらに、本体部３２１の操作ロッド９側に、雄ねじ部３２２を備えている。雄ねじ部３２２を、操作ロッド９の雌ねじ部９５に螺合することで、弁体３２が操作ロッド９に連結される。

　また、弁体３２は、本体部３２１の雄ねじ部３２２の側とは反対側に、第２挟持片３２３を備えている。第２挟持片３２３は、操作ロッド９の軸心ＣＬに直交する方向が半径方向とされた円形状で、軸心ＣＬと同軸上に位置している。第２挟持片３２３の直径Ｄ１２は、第１挟持片９３の直径Ｄ１１よりも小さくされている。第２挟持片３２３は、弁体３２が操作ロッド９に連結されることで、第１挟持片９３とともに、ダイアフラム部材３４を図２中の上下方向から挟持する。第２挟持片３２３のダイアフラム部材３４に対向する面は平面であり、その平面の外周縁はＲ面取り処理されている。

　また、弁体３２は、第２挟持片３２３の本体部３２１の側とは反対側に、弁座３３に対して当接離間をする当接部３２４を備えている。この当接部３２４も操作ロッド９の軸心ＣＬと同軸に位置する円形状である。弁体３２が操作ロッド９に連結されているため、操作ロッド９が進退するに伴って、当接部３２４が、軸心ＣＬの方向に沿って、弁座３３に対して当接離間の動作を行う。

　ダイアフラム部材３４は、例えば、Ｎｉ合金を材質とする。また、ダイアフラム部材３４は、中心が軸心ＣＬの延長線上に位置し、かつ、操作ロッド９の側に膨出する球冠状に形成されている。したがって、ダイアフラム部材３４の凸球面９４に対向する対向面３４１は球面である。対向面３４１の球の半径（第２半径）は、例えば約１４０ｍｍに設定されている。なお、対向面３４１の裏側の面を裏面３４２とする。ダイアフラム部材３４（対向面３４１）の頂点部には、切り口３４３が設けられている。この切り口３４３は、軸心ＣＬに直交する方向が半径方向とされた円形状であり、軸心ＣＬと同軸に位置している。また、対向面３４１の外周部には、軸心ＣＬに直交する平面状の縁部３４４を備えている。この縁部３４４は、軸心ＣＬに直交する方向が半径方向とされた円形状である。

　以上のようなダイアフラム部材３４は、以下のように、流体制御弁１の内部に固定される。ダイアフラム部材３４の切り口３４３に、対向面３４１とは反対側から、弁体３２の雄ねじ部３２２を挿通させ、ダイアフラム部材３４の裏面３４２が弁体３２の第２挟持片３２３に接触した状態で、ダイアフラム部材３４と弁体３２とが同軸に位置するよう位置決めをする。そして、雄ねじ部３２２を操作ロッド９の雌ねじ部９５に対して、第１挟持片９３の凸球面９４がダイアフラム部材３４の球面３４１に接触するまで螺合していく。これにより、ダイアフラム部材３４は、図１または図２に示すように、切り口３４３の縁部で、第１挟持片９３と第２挟持片３２３とによって、軸心ＣＬの方向（図中の上下方向）において両側から挟持される。すなわち、操作ロッド９とダイアフラム部材３４が結合される。さらに、ダイアフラム部材３４の縁部３４４は、図１または図２に示すように、弁部３内で上下方向から挟持固定されている。ダイアフラム部材３４は、以上のように流体制御弁１の内部に固定されることで、ボディ３１の筒状部３１５の内部を、弁室３１１とその上部とに区画するとともに、弁体３２が当接離間の方向に動作されるに合わせて弾性変形を繰り返すようになっている。

（流体制御弁の動作について）
　流体制御弁１を弁開状態から弁閉状態とする動作について説明する。エアシリンダ６に対して操作エアの送給をすると、図１に示すように、流体制御弁１は弁開状態となる。上述の通り、操作ロッド９が常に圧縮コイルばね５２に当接方向に付勢されているため、弁開状態とは、アクチュエータ部４が圧縮コイルばね５２の付勢力に抗して、操作ロッド９を図中の上方に引き上げている状態である。この状態から弁閉状態とするには、エアシリンダ６に対する操作エアの送給を停止する。すると、圧縮コイルばね５２の付勢力により、操作ロッド９および弁体３２が弁座３３の側に押し下げられ、弁体３２の当接部３２４が弁座３３に当接される。

　次に、以上のように弁開状態から弁閉状態とする際に、ダイアフラム部材３４に生じる変形について図４Ａ－図４Ｃを用いて説明する。図４Ａは、本実施形態に係る流体制御弁１が弁開状態にあるときの、ダイアフラム部材３４の様子を示す図である。図４Ｂは、本実施形態に係る流体制御弁１の弁体３２が当接方向に移動を開始した直後の、ダイアフラム部材３４の変形の様子を示す図である。図４Ｃは、本実施形態に係る流体制御弁１が弁閉状態にあるときの、ダイアフラム部材３４の変形の様子を示す図である。

　流体制御弁１が弁開状態にあるとき、ダイアフラム部材３４は、変形をしていない自然の状態に近い状態である（図４Ａ）。そして、操作ロッド９が当接方向に駆動され、弁体３２が弁座３３に対して当接しようすると、ダイアフラム部材３４は、第１挟持片９３と第２挟持片３２３により挟持されている中央部から、弁座３３（図２参照）に向かって押し下げられるようにして変形していく（図４Ｂ）。そして、弁体３２が弁座３３に対して当接したとき、すなわち流体制御弁１が弁閉状態になったときが、ダイアフラム部材３４が最も変形した状態である（図４Ｃ）。この変形が行われる際、ダイアフラム部材３４は、凸球面９４の形状に沿って変形するため、第１挟持片９３の凸球面９４と、ダイアフラム部材３４の対向面３４１との接触範囲Ａ１１が、弁体３２が弁座３３に近づくにつれて、中央部から外周の側へ広がっていく（図４Ｂ，図４Ｃ）。

　本願発明者は、以上のようにダイアフラム部材３４が変形する際に、応力が集中する箇所が、接触範囲Ａ１１の最外周部Ｐ１１であることを有限要素法解析により確認した。つまり、弁開状態から弁閉状態とする際に、ダイアフラム部材３４において応力の集中する箇所が、接触範囲Ａ１１の変動に合わせて移動し、一定ではないため、弁体３２の当接離間の動作を繰り返しても、ダイアフラム部材３４が破損しにくい。このようにダイアフラム部材３４を破損しにくくすることで、弁体３２の弁開状態の位置と弁閉状態の位置との距離（ストローク量）を従来よりも増大させることが可能になる。ストローク量を増大させることができれば、弁開状態において、弁体３２と弁座３３の距離が大きくなるため、流体制御弁１のＣｖ値が大きくなる。

　ここで、図４Ｂ，図４Ｃに示すように、ダイアフラム部材３４を凸球面９４の形状に沿って変形させるためには、凸球面９４の半径が、球面３４１の半径の５０％以上６５％以下となるようにすることが望ましい。なお、本実施形態においては、凸球面９４の半径（第１半径）が、約７０ｍｍであるのに対し、ダイアフラム部材３４の対向面３４１の半径（第２半径）は、約１４０ｍｍとされている。

　さらに、第１挟持片９３の直径Ｄ１１を可能な限り大きくすることで、ストローク量をより大きく確保できる。具体的には、第１挟持片９３の直径Ｄ１１（図２参照）が、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１（図３参照）の３５％を超える値であることが望ましい。なお、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１とは、ダイアフラム部材３４を操作ロッド９の軸心ＣＬに直交する平面に投影した場合の直径、すなわち、本実施形態においては縁部３４４の直径である。

　具体的には図７および図８を用いて説明する。図７は、弁体３２の、弁開状態における位置（以下、弁開位置という）から当接方向への移動量（ストローク量）と、ダイアフラム部材に生じる応力との関係を表すグラフであり、第１挟持片９３の直径Ｄ１１について、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１の３５％とした場合と、直径Ｄ２１の６５％とした場合と、直径Ｄ２１の８５％とした場合と、を比較するものである。図７中の一点鎖線による波形が、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合の波形である。なお、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とするのは、図５に示す流体制御弁１００における挟持部１１１の直径とダイアフラム部材３４の直径との関係と同一である。図７中の実線による波形が、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の６５％とした場合の波形である。図７中の破線による波形が、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の８５％とした場合の波形である。そして、各波形が立ち上がっている部分は、ダイアフラム部材３４に破壊が生じるほどの応力集中が発生していることを表している。また、図８は、弁体３２の高温時のストローク量とＣｖ値の関係を表すグラフである。ストローク量が増大するにつれ、Ｃｖ値が増大することが示されている。

第１挟持片９３の直径Ｄ１１を、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１の直径の３５％としたところ、弁体３２の移動量がＳ１に達したところで、波形の立ち上がりが見られる（図７参照）。つまり、弁体３２の移動量がＳ１に達したところで、ダイアフラム部材３４に破壊が生じるほどの応力集中が発生した。よって、ストローク量は最大でＳ１だけ確保することができる。ストローク量をＳ１だけ確保した場合の、流体制御弁１（流体制御弁１００）のＣｖ値はＣ１である（図８参照）。

　例えば、第１挟持片９３の直径Ｄ１１を、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１の直径の約６５％とした場合、弁体３２の移動量がＳ２に達したところで、波形の立ち上がりが見られる（図７参照）。つまり、弁体３２の移動量がＳ２に達したところで、ダイアフラム部材３４に破壊が生じるほどの応力集中が発生した。よって、ストローク量は最大でＳ２だけ確保することができる。このストローク量は、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合におけるストローク量の約１．８倍である。ストローク量をＳ２とした場合の流体制御弁１のＣｖ値はＣ２である（図８参照）。これは、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合におけるＣｖ値の約１．５倍である。

　また例えば、第１挟持片９３の直径Ｄ１１を、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１の直径の約８５％とした場合、弁体３２の移動量がＳ３に達したところで、波形の立ち上がりが見られる（図７参照）。つまり、弁体３２の移動量がＳ３に達したところで、ダイアフラム部材３４に破壊が生じるほどの応力が発生した。よって、ストローク量は最大でＳ３だけ確保することができる。このストローク量は、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合におけるストローク量の約２．５倍である。ストローク量をＳ３とした場合の流体制御弁１のＣｖ値はＣ３である（図８参照）。これは、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合におけるＣｖ値の約１．６５倍である。

　以上のように、第１挟持片９３の直径Ｄ１１が、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１の３５％を超える値であれば、図７に示すように、直径Ｄ１１を直径Ｄ２１の３５％とした場合よりも波形の立ち上がりを遅らせることが可能である。つまり、弁体３２をより大きく移動させることが可能、すなわち、ストローク量を増大させることが可能である。なお、第１挟持片９３の直径Ｄ１１は、流体制御弁１の構造が許す限り、大きいことが望ましいが、現実的には、ダイアフラム部材３４の直径Ｄ２１よりも小さくなる。

　以上説明したように、本実施形態に係る流体制御弁１は、（１）操作ロッド９と、操作ロッド９に連結される弁体３２と、弁体３２が当接離間をする弁座３３と、操作ロッド９と弁体３２の間に位置するダイアフラム部材３４と、を備え、操作ロッド９により駆動される弁体３２が、操作ロッド９の軸心ＣＬの方向に沿って当接離間を行うことで、制御流体の制御を行う流体制御弁１において、ダイアフラム部材３４は、中心が軸心ＣＬの延長線上に位置し、かつ、操作ロッド９の側に膨出する球冠状に形成され、その頂点部（切り口３４３）で、操作ロッド９の側からダイアフラム部材３４に接する第１挟持片９３と、弁体３２の側からダイアフラム部材３４に接する第２挟持片３２３と、により軸心ＣＬと平行な方向において両側から挟持されていること、第１挟持片９３と第２挟持片３２３とは、操作ロッド９と同軸に位置する円形状に形成され、第１挟持片９３の直径Ｄ１１は、第２挟持片３２３の直径Ｄより大きいこと、第１挟持片９３の、ダイアフラム部材３４に対向する面は、ダイアフラム部材３４の側に膨出して形成され、かつ、操作ロッド９の軸心ＣＬ上に中心を有する凸球面９４であること、を特徴とする。

　（２）（１）に記載の流体制御弁１において、凸球面９４の半径である第１半径は、ダイアフラム部材３４の凸球面９４に対向する球面（対向面３４１）の半径である第２半径よりも小さいこと、が好ましい。

　（３）（２）に記載の流体制御弁１において、前記第１半径は、前記第２半径の５０％以上６５％以下であること、が好ましい。

　（４）（１）乃至（３）にいずれか１つに記載の流体制御弁１において、第１挟持片９３の直径Ｄ１１は、ダイアフラム部材３４の軸心ＣＬに直交する平面に投影した場合の直径Ｄ２１の３５％を超える値であること、が好ましい。

　上記の流体制御弁１によれば、弁体３２を弁座３３に対して当接しようすると、ダイアフラム部材３４は、第１挟持片９３と第２挟持片３２３により挟持されている頂点部から、弁座３３に向かって押し下げられるようにして変形していく。この変形が行われる際、ダイアフラム部材３４は、第１挟持片９３の凸球面９４の形状に沿って変形するため、凸球面９４と、ダイアフラム部材３４との接触範囲Ａ１１が、弁体３２が弁座３３に近づくにつれて、ダイアフラム部材３４の中央部から外周の側へ広がっていく。このとき、ダイアフラム部材３４において、応力が集中する箇所は接触範囲Ａ１１の最外周部Ｐ１１であることを、本願発明者は有限要素法解析により確認した。つまり、弁開状態から弁閉状態とする際に、ダイアフラム部材３４において応力の集中する箇所が、接触範囲Ａ１１の変動に合わせて移動し、一定ではないため、弁体３２の当接離間の動作を繰り返しても、ダイアフラム部材３４が破損しにくい。このようにダイアフラム部材３４を破損しにくくすることで、弁体３２の弁開状態の位置と弁閉状態の位置との距離（ストローク量）を従来よりも増大させることが可能になる。ストローク量を増大させることができれば、弁開状態において、弁体３２と弁座３３の距離が大きくなるため、流体制御弁１のＣｖ値が大きくなる。

　なお、上記の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、本実施形態に係る流体制御弁１の駆動部２は、駆動源として空圧駆動のエアシリンダ６を用いているが、例えば電動の直動型モータを用いる等、その他の駆動源を用いても良い。また、本実施形態においては、第１挟持片９３と操作ロッド９とが同一部材として一体に形成されているが、第１挟持片と操作ロッド９とを別部材としても良い。同様に、第２挟持片３２３と弁体３２とが同一部材として一体に形成されているが、第２挟持片３２３と弁体３２とを別部材としても良い。

　　１　　　流体制御弁
　　９　　　操作ロッド
　　３２　　弁体
　　３３　　弁座
　　３４　　ダイアフラム部材
　　９３　　第１挟持片
　　９４　　凸球面
　　３２３　第２挟持片

Claims

　操作ロッドと、前記操作ロッドに連結される弁体と、前記弁体が当接離間をする弁座と、前記操作ロッドと前記弁体の間に位置するダイアフラム部材と、を備え、前記操作ロッドにより駆動される前記弁体が、前記操作ロッドの軸心の方向に沿って前記当接離間を行うことで、制御流体の制御を行う流体制御弁において、
　前記ダイアフラム部材は、中心が前記軸心の延長線上に位置し、かつ、前記操作ロッドの側に膨出する球冠状に形成され、その頂点部で、前記操作ロッドの側から前記ダイアフラム部材に接する第１挟持片と、前記弁体の側から前記ダイアフラム部材に接する第２挟持片と、により前記軸心と平行な方向において両側から挟持されていること、
　前記第１挟持片と前記第２挟持片とは、前記操作ロッドと同軸に位置する円形状に形成され、前記第１挟持片の直径は、前記第２挟持片の直径より大きいこと、
　前記第１挟持片の、前記ダイアフラム部材に対向する面は、前記ダイアフラム部材の側に膨出して形成され、かつ、前記軸心上に中心を有する凸球面であること、
　を特徴とする流体制御弁。
　請求項１に記載の流体制御弁において、
　前記凸球面の半径である第１半径は、前記ダイアフラム部材の前記凸球面に対向する球面の半径である第２半径よりも小さいこと、
　を特徴とする流体制御弁。
　請求項２に記載の流体制御弁において、
　前記第１半径は、前記第２半径の５０％以上６５％以下であること、
　を特徴とする流体制御弁。
　請求項１乃至３のいずれか１つに記載の流体制御弁において、
　前記第１挟持片の直径は、前記ダイアフラム部材の前記軸心に直交する平面に投影した場合の直径の３５％を超える値であること、
　を特徴とする流体制御弁。