(57)【要約】【課題】薄膜部の応力集中に基づく劣化を減少させて、ダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラムを提供すること。【解決手段】円柱形に形成された弁体部２の下端外周に薄膜部３を一体に形成するとともに、その薄膜部３の外周に肉厚の周縁部４を一体的に形成する。薄膜部３は、弁体部２の下端外周から水平方向に延設され、上向きに半円形の凸形状を呈する第１の部位３ａと、周縁部４から水平方向に延設され、下向きに半円形の凸形状を呈する第２の部位３ｂとを第３の部位３ｂで接続することによりゆるやかなＳ字形をなし、弁体部２の開閉弁動作に従って第１の部位３ａと第２の部位３ｂを自由に変形させることにより、薄膜部３の各部に応力を分散させるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、前記弁体部の前記弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、前記薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるダイアフラムにおいて、
前記薄膜部は、前記弁体部の外周面上に中心点を規定し、その中心点を中心として前記弁体部の前記弁座と当接する端面の外周に接する円弧状に受圧面を形成した第１の部位を有することを特徴とするダイアフラム。
【請求項２】
請求項１に記載するダイアフラムにおいて、
前記薄膜部は、前記周縁部の内周面を前記弁体部が前記弁座に当接する方向に延長した延線上に中心点を規定し、その中心点を中心として前記周縁部の内周面端部に接する円弧状に受圧面を形成した第２の部位を有することを特徴とするダイアフラム。
【請求項３】
請求項２に記載するダイアフラムにおいて、
前記薄膜部は、前記第１の部位の受圧面と前記第２の部位の受圧面とに接する接線方向に受圧面を形成した第３の部位を有することを特徴とするダイアフラム。
【請求項４】
薬液を制御する制御弁に内蔵され、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、前記弁体部の前記弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、前記薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるプラスチック製のダイアフラムにおいて、
前記薄膜部は、
前記弁体部の端面外周から水平方向に延設され、前記弁体部が前記弁座と当接する方向に半円形の凸形状を呈する第１の部位と、
前記周縁部の内周面端部から水平方向に延設され、前記弁体部が前記弁座から離間する方向に半円形の凸形状を呈する第２の部位と、
前記第１の部位と前記第２の部位とに直線的に接続する第３の部位とを有することを特徴とするダイアフラム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載するダイアフラムにおいて、
前記第１の部位が前記第２の部位より小さく形成されていることを特徴とするダイアフラム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載するダイアフラムにおいて、
フッ素樹脂を材質とすることを特徴とするダイアフラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に対して当接又は離間されるダイアフラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、半導体製造工程では、腐食性の高い性質を持つ薬液の供給を制御弁で制御しており、制御弁は、薬液と金属との非接触状態を保つためにダイアフラム弁を内蔵している。図５は、ダイアフラム弁の断面図であって、閉弁状態を示している。図６は、ダイアフラム弁の断面図であって、開弁状態を示している。
【０００３】
ダイアフラム弁は、ボディ５１、ダイアフラム６０等で構成され、ボディ５１に設けた弁座５３にダイアフラム６０を当接又は離間させることにより、図示しない一次側流路と二次側流路５２とを開放又は遮断して、薬液の供給を制御している。ダイアフラム６０は、ＰＴＦＥやＰＦＡなどのプラスチックを削りだして形成したものであり、弁座５３に当接可能な円柱形状の弁体部６１を中心部に備えている。弁体部６１の上端面には、図示しない駆動手段により上下方向に往復運動するピストンロッド５４が連結され、下端面外周には、薄膜部６２が一体に形成されている。その薄膜部６２の外周には肉厚の周縁部６３が一体に形成され、ダイアフラム６０は、ボディ５１とシリンダ５０で周縁部６３を狭持されることにより、ボディ５１とシリンダ５０との間に形成される空間を気密に区画し、薬液と接する作動室５５と薬液と接しない背室５６とを形成している。
【０００４】
こうしたダイアフラム６０は、作動室５５に入力した薬液から図中上向きの流体圧を受圧面に受けるため、薄膜部６２が上向きに半円形の凸形状を呈するよう形成されている。図７は、図５に示すＧ部の拡大断面図である。
薄膜部６２は、受圧面が弁体部６１と周縁部６３との間に中心点Ｐ３を規定し、その中心点Ｐ３を中心として周縁部６３の内周面端部上を通過する半径ｒ３の円弧状（図中点線Ｃ３）に形成されるとともに、その円弧状の受圧面と弁体部６１の下端面外周とに接する接線方向に形成されており、断面が略Ｕ字形をなしている。そのため、薄膜部６２は、弁体部６１と周縁部６３に対してそれぞれ鋭角に接続し、薄膜部６２と弁体部６１との接続部分及び薄膜部６２と周縁部６３の接続部分に作用する流体圧による負荷を軽減することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５３２６１号公報（段落００３６、第１図。）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のダイアフラム６０には、以下の問題があった。
ダイアフラム６０は、開弁動作するときに、弁体部６１の外周面と薄膜部６２の背圧面とで形成される根本角を鋭角（図５参照）から略直角（図６参照）にまで広げるように変形するため、弁体部６１と薄膜部６２との接続部分において圧縮応力を受圧面に発生し、引張応力を背圧面に発生していた。そのため、ダイアフラム６０は、それらの引張応力や圧縮応力に対する剛性を確保するため、弁体部６１と薄膜部６２の接続部分を肉厚に形成しているが、肉厚が変化する部分は一般的に応力集中を生じやすく、薄膜部６２の一部（図中Ｔ参照）に応力集中に基づく劣化を発生する場合があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、薄膜部の応力集中に基づく劣化を減少させて、ダイアフラムの耐久性を向上させることができるダイアフラムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、弁体部の弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるダイアフラムにおいて、薄膜部は、弁体部の外周面上に中心点を規定し、その中心点を中心として弁体部の弁座と当接する端面の外周に接する円弧状に受圧面を形成した第１の部位を有することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、薄膜部が弁体部の弁座と当接する端面外周に対して略垂直に接続しており、弁体部が開弁動作するときには、第１部位を円弧状から平面状に伸ばすように撓ませ、その一方で、弁体部が閉弁動作するときには、第１部位を平面状から円弧状に復元させるため、開閉弁動作の前後で弁体部と薄膜部との接続状態が略垂直に維持されて殆ど変化しないので、弁体部と薄膜部との接続部分を肉厚にする必要がなく、薄膜部の応力集中に基づく劣化を減少させて、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、薄膜部は、周縁部の内周面を弁体部が弁座に当接する方向に延長した延線上に中心点を規定し、その中心点を中心として周縁部の内周面端部に接する円弧状に受圧面を形成した第２の部位を有することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、薄膜部が周縁部の内周面端部に対して略垂直に接続しており、第１の部位と同様に、弁体部が開弁動作するときには、第２の部位を円弧状から平面状に伸ばすように撓ませ、その一方で、弁体部が閉弁動作するときには、第２の部位を平面状から円弧状に復元させるため、開閉弁動作の前後で周縁部と薄膜部との接続状態が略垂直に維持されて殆ど変化しないので、薄膜部を周縁部に鋭角に接続させなくても、薄膜部と周縁部との接続部分で発生する応力を小さくすることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、薄膜部は、第１の部位の受圧面と第２の部位の受圧面とに接する接線方向に受圧面を形成した第３の部位を有することを特徴とする。
すなわち、薄膜部がＳ字形をなし、弁体部の開閉弁動作に従って第１の部位と第２の部位が自由に変形し、薄膜部全体が滑らかに変形するので、応力を薄膜部の各部に分散させることができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、薬液を制御する制御弁に内蔵され、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、弁体部の弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるプラスチック製のダイアフラムにおいて、薄膜部は、弁体部の端面外周から水平方向に延設され、弁体部が弁座と当接する方向に半円形の凸形状を呈する第１の部位と、周縁部の内周面端部から水平方向に延設され、弁体部が弁座から離間する方向に半円形の凸形状を呈する第２の部位と、第１の部位と第２の部位とに直線的に接続する第３の部位とを有することを特徴とする。
【００１４】
すなわち、薄膜部が略Ｓ字形を描くように形成され、弁体部が開弁動作して薬液を供給するときには、薄膜部の第１の部位と第２の部位とが半円状から平面状に伸びるように撓み、その一方で、弁体部が閉弁動作して薬液を遮断するときには、薄膜部の第１の部位と第２の部位とが平面状から半円状に復元することにより薄膜部全体を滑らかに変形させ、応力を各部に分散させることにより、薬液に対するダイアフラムの耐久性を向上させることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載する発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の発明において、第１の部位が第２の部位より小さく形成されていることを特徴とする。
すなわち、ダイアフラムは、周縁部を固定され、弁体部のみが弁座と当接又は離間する方向に往復運動するため、薄膜部は第１の部位、第３の部位、第２の部位の順に変形することとなるが、第１の部位を第２の部位より小さく形成したことにより、第１の部位と第２の部位とが変形する時間の差を短くすることができ、薄膜部を滑らかに変形させることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の発明において、フッ素樹脂を材質とすることを特徴とする。
すなわち、ダイアフラムの耐薬液性を確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るダイアフラムの実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、閉弁状態のダイアフラム弁の断面図である。図２は、開弁状態のダイアフラム弁の断面図である。
本実施の形態のダイアフラム１も、従来のダイアフラム６０と同様にダイアフラム弁に使用され、フッ酸等の薬液の供給を制御する制御弁に内蔵されている。ダイアフラム弁は、ボディ５１やダイアフラム１などを備え、ボディ５１は、ＰＴＦＥやＰＦＡなどのプラスチックで形成されている。ボディ５１には、図示しない一次側流路と二次側流路５２との境に弁座５３が設けられ、弁座５３の周囲に環状の周溝５７が形成されている。ダイアフラム１は、周溝５７に嵌め合わされた状態で外周をボディ５１とシリンダ５０とで狭持され、ボディ５１とシリンダ５０との間に形成された空間を気密に区画して、薬液が接触する作動室５５と薬液が接触しない背室５６とを形成している。
【００１８】
図３は、ダイアフラム１の断面図である。
ダイアフラム１は、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のプラスチックを機械加工で削りだしたものであり、短い円柱形状の弁体部２の周りに薄膜部３と周縁部４とが同心円状に形成されている。弁体部２は、上端面にネジ孔２ａが形成され、図示しない駆動手段により上下方向に往復運動するピストンロッド５４（図１参照）と螺合して接続するようになっている。そして、弁体部２の下端面外周には、薄肉の薄膜部３が一体的に形成され、その薄膜部３の外周に肉厚の周縁部４が一体的に形成されている。周縁部４には、下方に伸びるシール部４ａが設けられ、そのシール部４ａをボディ５１の周溝５７（図１参照）に圧入することによりシール性を確保できるようになっている。
【００１９】
図４は、薄膜部３の拡大断面図である。
薄膜部３は、断面がゆるやかなＳ字形を描くように一定の膜厚Ａで形成されており、弁体部２と接続して下向きに半円形の凸形状を呈する第１の部位３ａと、周縁部４と接続して上向きに半円形の凸形状を呈する第２の部位３ｂと、第１の部位３ａと第２の部位３ｂとを接続する直線状の第３の部位３ｃとから構成されている。
【００２０】
第１の部位３ａは、弁体部２の外周面上に中心点Ｐ１を規定し、その中心点Ｐ１を中心として弁体部２の下端面外周に接する半径ｒ１の円弧状（図中点線Ｃ１）に受圧面を形成し、弁体部２の下端面外周に対して略垂直に接続している。また、第２の部位３ｂは、周縁部４の内周面を延長した延線Ｌ上に中心点Ｐ２を規定し、その中心点Ｐ２を中心として周縁部４の内周面の下端部に接する半径ｒ２の円弧状（図中点線Ｃ２）に受圧面を形成し、周縁部４の内周面の下端部に対して略垂直に接続している。さらに、第３の部位３ｃは、第１の部位３ａの受圧面と第２の部位３ｂの受圧面とに接する接線方向に受圧面を形成し、第１の部位３ａと第２の部位３ｂとを接続して一体化している。従って、ダイアフラム１は、弁体部２と薄膜部３との接続部分及び薄膜部３と周縁部４との接続部分などに凹凸がなく、受圧面が滑らかに形成されている。そして、第１の部位３ａの半径ｒ１は、第２の部位３ｂの半径ｒ２より小さく設定され、第１の部位３ａが第２の部位３ｂより小さく形成されている。
【００２１】
ここで、中心点Ｐ１，Ｐ２は、薄膜部３の断面が略Ｓ字形になるよう形成することを前提として、有限要素法による応力解析により制約条件の中で最も応力が小さくなるよう決定される。
【００２２】
このようなダイアフラム１は、ダイアフラム弁に組み付けられて以下のように動作する。
ピストンロッド５４が図示しない駆動手段により図中上向きに移動すると、図２に示すように、ダイアフラム１の弁体部２がピストンロッド５４に引き上げられて弁座５３から離間し、薬液を図示しない一次側流路から二次側流路５２に供給する。このとき、薄膜部３は、周縁部４が所定位置に固定されているため弁体部２の移動に従って変形し、弁体部２との接続部分を基点として第１の部位３ａが円弧状から平面状に伸ばされるように変形するとともに、周縁部４との接続部分を基点として第２の部位３ｂが円弧状から平面状に伸ばされるように変形する。
【００２３】
一方、ピストンロッド５４が図示しない駆動手段により図中下向きに移動すると、図１に示すように、ダイアフラム１の弁体部２がピストンロッド５４に押し下げられて弁座５３に当接し、薬液を図示しない一次側流路から二次側流路５２に供給しなくなる。このとき、薄膜部３は、周縁部４側端部が固定されているため弁体部２の移動に従って変形し、弁体部２との接続部分を基点として第１の部位３ａが平面状から円弧状に復元するとともに、周縁部４との接続部分を基点として第２の部位３ｂが平面上から円弧状に復元する。すなわち、薄膜部３全体が復元力で変形し、元の形状に復帰する。
【００２４】
尚、ダイアフラム１は、弁体部２が開弁動作したときに（図２参照）、同じく開弁状態のダイアフラム６０（図６参照）と同様に薄膜部３が撓むにもかかわらず（図１、図２参照）、その撓んだ部分で発生する応力が小さい。これは、ダイアフラム１は、撓んだ部分が予め湾曲した第２の部位３ｂに該当し、開閉弁動作の前後の変化量が小さいのに対して、ダイアフラム６０は、撓んだ部分が直線部分に該当するため、開閉閉弁動作の前後の変化量が大きくなるためであると考えられる。
【００２５】
従って、本実施の形態のダイアフラム１によれば、薄膜部３が弁体部２の下端面外周に対して略垂直に接続し、開閉弁動作の前後で弁体部２との接続状態が略垂直に維持されて殆ど変化しないので（図１、図２参照）、弁体部２と薄膜部３との接続部分を肉厚にする必要がなく、応力集中に基づく劣化を減少させて、耐久性を向上させることができる。
【００２６】
また、本実施の形態のダイアフラム１によれば、薄膜部３が、周縁部４の内周面の下端部に対して略垂直に接続し、開閉弁動作の前後で周縁部４との接続状態が略垂直に維持されて殆ど変化しないので（図１、図２参照）、従来のダイアフラム６０のように薄膜部６２を周縁部６３に対して鋭角に接続させなくても（図５、図６参照）、薄膜部３と周縁部４との接続する部分の応力を従来のダイアフラム６０と同程度に小さくすることができる。
【００２７】
また、本実施の形態のダイアフラム１によれば、薄膜部３がゆるやかなＳ字形をなし、弁体部２の開閉弁動作に従って薄膜部３全体が滑らかに変形するので、応力を薄膜部３の各部に分散させることができる。
【００２８】
また、上記実施の形態のダイアフラム１によれば、周縁部４を固定され、弁体部２のみが上方向に移動するため、薄膜部３は第１の部位３ａ、第３の部位３ｃ、第２の部位３ｂの順に変形することとなるが、第１の部位３ａを第２の部位３ｂより小さく形成したことにより、第１の部位３ａが変形する時間と第２の部位３ｂが変形する時間との差を短くすることができ、薄膜部３を滑らかに変形させることができる。
【００２９】
以上、本発明に係るダイアフラムの一実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３０】
（１）上記実施の形態では、第１の部位３ａを第２の部位３ｂより小さく形成した。それに対して、動作回数が少なく耐圧性のみを考慮する場合や、作動流体の温度、圧力、流量等に基づいて、第１の部位３ａと第２の部位３ｂとを同じ大きさにしたり、第１の部位３ａと第２の部位３ｂより大きく形成してもよい。
【００３１】
（２）上記実施の形態では、中心点Ｐ１を弁体部２の外周面上に規定した。それに対して、中心点Ｐ１は、弁体部２の外周面端部に接する円弧Ｃ１を描けるものであればよく、弁体部２の外周面を延長した延線上に規定するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、中心点Ｐ２を周縁部４の内周面を延長した延線Ｌ上に規定した。それに対して、中心点Ｐ２は、周縁部４の内周面端部に接する円弧Ｃ２を描けるものであればよく、周縁部４の内周面上に規定するようにしてもよい。
【００３２】
（３）上記実施の形態では、ダイアフラム１をＰＴＦＥやＰＦＡなどのプラスチックで形成した。それに対して、ダイアフラム１の材質をゴム等にしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
従って、本発明のダイアフラムによれば、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、弁体部の弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるダイアフラムにおいて、薄膜部は、弁体部の外周面上に中心点を規定し、その中心点を中心として弁体部の弁座と当接する端面の外周に接する円弧状に受圧面を形成した第１の部位を有しているので、弁体部と薄膜部との接続部分を肉厚にする必要がなく、薄膜部の応力集中に基づく劣化を減少させて、ダイアフラムの耐久性を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明のダイアフラムによれば、薬液を制御する制御弁に内蔵され、一次側流路と二次側流路との境に設けられた弁座に当接可能な円柱形状の弁体部と、弁体部の弁座と当接する端面外周に一体に形成された薄膜部と、薄膜部の外周に一体に形成された肉厚の周縁部とを備えるプラスチック製のダイアフラムにおいて、薄膜部は、弁体部の端面外周から水平方向に延設され、弁体部が弁座と当接する方向に半円形の凸形状を呈する第１の部位と、周縁部の内周面端部から水平方向に延設され、弁体部が弁座から離間する方向に半円形の凸形状を呈する第２の部位と、第１の部位と第２の部位とに直線的に接続する第３の部位とを有しているので、薬液に対するダイアフラムの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において、閉弁状態のダイアフラム弁の断面図である。
【図２】同じく、開弁状態のダイアフラム弁の断面図である。
【図３】同じく、ダイアフラムの断面図である。
【図４】同じく、薄膜部の拡大断面図である。
【図５】従来のダイアフラムを使用するダイアフラム弁の断面図であって、閉弁状態を示している。
【図６】従来のダイアフラムを使用するダイアフラム弁の断面図であって、開弁状態を示している。
【図７】図５に示すＧ部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１    ダイアフラム
２    弁体部
３    薄膜部
３ａ  第１の部位
３ｂ  第２の部位
３ｃ  第３の部位
４    周縁部
５２  二次側流路
５３  弁座
Ｌ    延線
Ｐ１  中心点
Ｐ２  中心点
【図１】
2004156693.tif 000003
【図２】
2004156693.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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