(57)【要約】【課題】圧力式流量制御装置に適用されて変位拡大機構を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁に於て、耐久性に富んで高速且つ高精度の作動が行なえる様にする。【解決手段】弁本体２、金属ダイヤフラム弁体３、弁棒４、圧電素子５、変位拡大機構６とで構成すると共に、変位拡大機構６を、支持体７、複数の梃子体８、水平軸９、中間当合体１０、入力当合体１１、可動体１２、定圧弾性体１３、出力当合体１４、復帰弾性体１５とで構成し、とりわけ最下位の梃子体８の中央部に昇降及び搖動可能に設けられた可動体１２と、支持体７と最下位の梃子体８との間に設けられて各梃子体８を原位置に戻す定圧弾性体１３より弾性力が小さい復帰弾性体１５とを備えたものにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入路と流出路とこれらの間に形成された弁座とを備えた弁本体と、弁本体に設けられて弁座に当離座可能な金属ダイヤフラム弁体と、弁本体に昇降可能に設けられて金属ダイヤフラム弁体を作動させる弁棒と、弁棒を駆動する圧電素子と、弁棒と圧電素子との間に設けられて圧電素子の変位を拡大して弁棒に伝達する変位拡大機構とを備えた制御弁に於て、前記変位拡大機構は、弁本体に取付けられた支持体と、上下方向に配された複数の梃子体と、各梃子体の左右端部を交互に支持体に枢支する水平軸と、最下位を除く梃子体の枢支側とは反対側と次段の梃子体の中央部との間に設けられた中間当合体と、最上位の梃子体の中央部と圧電素子との間に設けられた入力当合体と、最下位の梃子体の中央部に昇降及び搖動可能に設けられた可動体と、可動体を弁棒側に所定の圧力で弾圧する定圧弾性体と、可動体と弁棒との間に設けられた出力当合体と、支持体と最下位の梃子体との間に設けられて各梃子体を原位置に戻す定圧弾性体より弾性力が小さい復帰弾性体と、から構成した事を特徴とする圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項２】
梃子体は、上下二つである請求項１に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項３】
出力当合体は、可動体の下面に形成された円錐穴と、弁棒の上面に形成された円錐穴と、これらの間に介挿される球体とを備えている請求項１又は２に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項４】
出力当合体は、可動体の平坦な下面と、弁棒の上面に形成された円錐穴と、これらの間に介挿される球体とを備えている請求項１又は２に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造設備や化学品製造設備等の圧力式流量制御装置に適用される圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁に係り、とりわけ圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構を備えたものの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造設備や化学品製造設備等では、マスフローコントローラに代えて圧力式流量制御装置が広く活用されて居り、これに適用される圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁としては、例えば特許文献１に記載されたもののが知られている。
ところが、この様なものは、圧電素子を用いているので、ストローク（変位）が非常に小さく大流量の流体を制御する事ができなかった。
【０００３】
ところで、制御弁に用いられる梃子を応用した変位拡大機構としては、流体経路中に設けられたもの（特許文献２参照）と、流体経路外に設けられたものが知られて居り、後者のものは、更に次の様に大別される。
（１）  支持体と梃子体とが一体的に形成されてその境部分を薄肉にして弾性変形を容易にしたもの（特許文献３、特許文献４、特許文献５の図４乃至図７参照）。
（２）  支持体と梃子体を別体にすると共に、支持体に梃子体を収容する収容腔を形成して梃子体を収容腔に搖動可能に嵌入したもの（特許文献６参照）。
（３）  支持体と梃子体を別体にして支軸に依り梃子体を搖動可能にしたもの（特許文献５の図１乃至図３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３１０８４２号公報
【特許文献２】
特開平８−９３９４４号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１９９９７８号公報
【特許文献４】
特公平６−９４９０９号公報
【特許文献５】
特開平１１−２５７４５２号公報
【特許文献６】
特開平５−９９３５７号公報
【０００５】
然しながら、流体経路中に変位拡大機構が設けられたものは、変位拡大機構に依って流体の通流が阻害されると共に、弁自体が大型化する難点があった。
前記（１）のものは、薄肉部を備えているので、経時するに連れてここから折損する可能性があり、耐久性に乏しかった。
前記（２）のものは、梃子体を収容腔に嵌合しているので、この嵌合精度が高くないと、梃子体の搖動が一定化せず、作動が確実でなかった。
前記（２）及び（３）のものは、変位拡大機構として原位置に戻す復帰手段を備えていないので、弁体側の復帰手段に大きな負荷が係り、高速且つ高精度の作動が行なえなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、従来のものは、何れも、一長一短があり、改善が望まれていた。
本発明は、叙上の問題点に鑑み、これを解消する為に創案されたもので、その課題とする処は、耐久性に富んで高速且つ高精度の作動が行なえる様にした圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、基本的には、流入路と流出路とこれらの間に形成された弁座とを備えた弁本体と、弁本体に設けられて弁座に当離座可能な金属ダイヤフラム弁体と、弁本体に昇降可能に設けられて金属ダイヤフラム弁体を作動させる弁棒と、弁棒を駆動する圧電素子と、弁棒と圧電素子との間に設けられて圧電素子の変位を拡大して弁棒に伝達する変位拡大機構とを備えた制御弁に於て、前記変位拡大機構は、弁本体に取付けられた支持体と、上下方向に配された複数の梃子体と、各梃子体の左右端部を交互に支持体に枢支する水平軸と、最下位を除く梃子体の枢支側とは反対側と次段の梃子体の中央部との間に設けられた中間当合体と、最上位の梃子体の中央部と圧電素子との間に設けられた入力当合体と、最下位の梃子体の中央部に昇降及び搖動可能に設けられた可動体と、可動体を弁棒側に所定の圧力で弾圧する定圧弾性体と、可動体と弁棒との間に設けられた出力当合体と、支持体と最下位の梃子体との間に設けられて各梃子体を原位置に戻す定圧弾性体より弾性力が小さい復帰弾性体と、から構成した事に特徴が存する。
【０００８】
圧電素子が駆動されると、圧電素子の変位が変位拡大機構に依り拡大され、弁棒を介して金属ダイヤフラム弁体に伝達される。そうすると、金属ダイヤフラム弁体が弁座に当座されて閉弁され、流入路から流出路への流体の通流が遮断される。
逆に、圧電素子の駆動が解除されると、金属ダイヤフラム弁体が自己弾性に依り原形状に復帰される。そうすると、金属ダイヤフラム弁体が弁座から離座されて開弁され、流入路から流出路への流体の通流が許容される。
変位拡大機構は、複数の梃子体と入力当合体と中間当合体と出力当合体とを備えて居り、これらが所謂複数段の梃子作用を為すので、圧電素子の変位を拡大する事ができる。
従って、ストローク（変位）が非常に小さい圧電素子を用いて、大流量の流体を制御する事ができる。
【０００９】
変位拡大機構の梃子体は、水平軸に依り支持体に枢支されているので、従来の薄肉部の様に経時するに連れて折損する事がなく、耐久性を高める事ができる。
変位拡大機構は、可動体と定圧弾性体とを備えて居り、これらが所謂定圧弾性機能と緩衝機能を発揮するので、金属ダイヤフラム弁体を弁座に一定圧力で当座させてその状態を保持する事ができると共に、金属ダイヤフラム弁体を弁座に緩衝しながら当合させる事ができる。この為、金属ダイヤフラム弁体及び弁座の損傷や摩耗を防止する事ができる。
変位拡大機構は、復帰弾性体を備えて居り、これに依り各梃子体を原位置に戻す事ができるので、金属ダイヤフラム弁体の自己弾性機能を阻害する事がないと共に、金属ダイヤフラム弁体の高速且つ高精度の作動を行なわせる事ができる。
【００１０】
梃子体は、上下二つであるのが好ましい。この様にすれば、少ない数でありながら大きな変位量を得る事ができ、所謂コストパフォーマンスの優れたものにする事ができる。
【００１１】
出力当合体は、可動体の下面に形成された円錐穴と、弁棒の上面に形成された円錐穴と、これらの間に介挿される球体とを備えているのが好ましい。この様にすれば、可動体の状態に拘わらず可動体の変位を的確に弁棒に伝達する事ができる。
【００１２】
出力当合体は、可動体の平坦な下面と、弁棒の上面に形成された円錐穴と、これらの間に介挿される球体とを備えているのが好ましい。この様にすれば、一方の円錐穴を省略できるので、それだけ製作が容易になり、コストの低減を図る事ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一例に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁を示す縦断側面図。図２は、変位拡大機構付近を示す図１の要部拡大縦断側面図。図３は、変位拡大機構の主要部を示す図１の斜視図である。
【００１４】
圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、弁本体２、金属ダイヤフラム弁体３、弁棒４、圧電素子５、変位拡大機構６とからその主要部が構成されている。
【００１５】
変位拡大機構６は、弁棒４と圧電素子５との間に設けられて圧電素子５の変位を拡大して弁棒４に伝達するもので、支持体７、梃子体８、水平軸９、中間当合体１０、入力当合体１１、可動体１２、定圧弾性体１３、出力当合体１４、復帰弾性体１５とを備えている。
【００１６】
弁本体２は、流入路１６と流出路１７とこれらの間に形成された弁座１８とを備えたもので、この例では、ステンレス鋼製で左右と中央の三つに分割されて居り、これらを合体させるボルト１９と、左側と中央の弁本体２に形成された流入路１６と、中央と右側の弁本体２に形成された流出路１７と、これらに連通して中央の弁本体２に上方が開放して形成された弁室２０と、これの内部で流入路１６と流出路１７との間に形成された上向きの弁座１８と、左側と中央の弁本体２間及び中央と右側の弁本体２間に介設されてこれらの位置決めを行なう筒状のガイド２１と、これの内側に設けられて流入路１６及び流出路１７のシールを行なうガスケット２２とを備えている。
【００１７】
弁本体２は、圧力式流量制御装置用の制御弁として使用されるので、中央の弁本体２に下方が開放して形成されて流出路１７に連通するセンサ室２３と、これに収容されて流出路１７の流体の圧力を検出する圧力センサ２４と、センサ室２３を閉塞する下蓋２５と、これを中央の弁本体２に着脱可能に取付けるボルト２６とを備えている。
【００１８】
金属ダイヤフラム弁体３は、弁本体２に設けられて弁座１８に当離座可能なもので、この例では、ニッケル合金製の二つのダイヤフラムに依り形成して居り、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形にされている。
金属ダイヤフラム弁体３の外周縁は、ボルト２７に依り弁本体２に着脱可能に取付けられて弁室２０を閉塞するベース押え２８に依り押えアダプタ２９を介して押圧固定されている。
【００１９】
弁棒４は、弁本体２に昇降可能に設けられて金属ダイヤフラム弁体３を作動させるもので、この例では、ベース押え２８を貫通して昇降可能に設けられて居り、ベース押え２８との間には円筒状のブッシュ３０が介設されている。
弁棒４の下部には、金属ダイヤフラム弁体３の中央部を押圧するダイヤフラム押え３１を備えている。
【００２０】
圧電素子（ピエゾアクチュエータ）５は、弁本体２に設けられて弁棒４を駆動するもので、この例では、積層型にしてあり、上部にはコネクタ３２を備えて居り、支持筒体３３の内部に収容されている。
【００２１】
支持筒体３３は、円筒状を呈し、その下部が変位拡大機構６の支持体７の上部に螺着されてロックナット３４に依りロックされていると共に、上部には調整用袋ナット３５とこれをロックするロックナット３６が螺合されている。
圧電素子５の上部と調整用袋ナット３５との間には、これの回動を円滑化する為のベアリング（スラストベアリング）３７とベアリング受け３８が介設されている。
【００２２】
圧電素子５の外側には、保護ケース３９が設けられて居り、これの内側には、圧電素子用の制御回路４０が設けられている。
【００２３】
支持体７は、弁本体２に取付けられたもので、この例では、上方と左方が開放した箱状を呈するレバーボックス４１と、これの上方を塞ぐボックスフランジ４２と、これらを合体させる適数のボルト４３とを備えている。
レバーボックス４１は、底壁の中央に形成されて弁棒４に臨む貫孔４４と、前後の側壁に対角線上に離間して形成された軸受穴４５とを備え、ベース押え２８の上部に載置されてボルト４６に依り固定されている。
ボックスフランジ４２は、中央に螺孔が形成されて居り、支持筒体３３の下部が螺着されている。
【００２４】
梃子体８は、上下方向に配された複数のもので、この例では、上下二つのものにしてあり、平板状を呈し、上位のものが短くて軸穴４７が右端部に形成されていると共に、下位のものが長くて軸穴４７が左端部に形成されている。
【００２５】
水平軸９は、各梃子体８の左右端部を交互に支持体７に枢支するもので、この例では、梃子体８に呼応して上下二つのものにしてあり、上位の水平軸９は、上位の梃子体８の軸穴４７と支持体７の右側上位の軸受穴４５に挿通されて上位の梃子体８の右端部を枢支すると共に、下位の水平軸９は、下位の梃子体８の軸穴４７と支持体７の左側下位の軸受穴４５に挿通されて下位の梃子体８の左端部を枢支する様にしてある。
各水平軸９と支持体７の軸受穴４５との間には、ベアリング（ラジアルベアリング）４８が介設されている。
【００２６】
中間当合体１０は、最下位を除く梃子体８の枢支側とは反対側と次段の梃子体８の中央部との間に設けられたもので、この例では、上位の梃子体８の左側下面に窪設された凹溝４９と、これに嵌合されて下位の梃子体８の中央から左側寄り上面に当合し得る円柱状のピン５０とを備えている。
【００２７】
入力当合体１１は、最上位の梃子体８の中央部と圧電素子５との間に設けられたもので、この例では、上位の梃子体８の中央部上面に形成された円錐穴５１と、これに嵌合されて圧電素子５の下部に付設された半球体５２とを備えている。
【００２８】
可動体１２は、最下位の梃子体８の中央部に昇降及び搖動可能に設けられたもので、この例では、段付軸状を呈し、下位の梃子体８の中央から右側寄りに穿設された段付状の透孔５３に下から挿通されると共に、上からビス５４が螺着されて透孔５３からの抜け止めが為されている。上位の梃子体８の中央下面には、ビス５４の頭部との干渉を回避する為の凹所５５が形成されている。
【００２９】
定圧弾性体１３は、可動体１２を弁棒４側へ所定の圧力で弾圧させるもので、この例では、、複数の皿バネにしてあり、透孔５３の大径部に配されて下位の梃子体８と可動体１２との間に介設されている。
【００３０】
出力当合体１４は、可動体１２と弁棒４との間に設けられたもので、この例では、可動体１２の下面に形成された円錐穴５６と、弁棒４の上面に形成された円錐穴５７と、これらの間に介挿される球体５８とを備えている。
【００３１】
復帰弾性体１５は、支持体７と最下位の梃子体８との間に設けられて各梃子体８を原位置に戻す定圧弾性体１３より弾性力が小さいもので、この例では、圧縮コイルスプリングにしてあり、下位の梃子体８の右側下面に形成されたバネ受穴５９に配されて下位の梃子体８と支持体７との間に介設されている。
【００３２】
次に、この様な構成に基づいてその作用を述解する。
圧電素子５は、制御回路４０からコネクター３２を介して開弁信号（入力電圧０〜１２０Ｖ）が入力されると、設定値（０〜６０μｍの間）だけ伸長する。
圧電素子５が駆動されると、圧電素子５の変位が変位拡大機構６に依り拡大され、弁棒４を介して金属ダイヤフラム弁体３に伝達される。そうすると、金属ダイヤフラム弁体3の中央部が弁座１８に当座されて閉弁され、流入路１６から流出路１７への流体の通流が遮断される。
逆に、圧電素子５への開弁信号が解除されると、圧電素子５が元の長さに戻ると共に、金属ダイヤフラム弁体３が自己弾性に依り原形状に復帰される。そうすると、金属ダイヤフラム弁体3の中央部が弁座１８から離座されて開弁され、流入路１６から流出路１７への流体の通流が許容される。
【００３３】
変位拡大機構６は、二つの梃子体８と入力当合体１１と中間当合体１０と出力当合体１４とを備えて居り、これらが所謂複数段の梃子作用を為すので、圧電素子の変位量（０〜６０μｍ）を拡大量（０〜２２０μｍ）に拡大する事ができる。
従って、ストローク（変位）が非常に小さい圧電素子５を用いて、大流量の流体を制御する事ができる。
【００３４】
変位拡大機構６の梃子体８は、水平軸９に依り支持体７に枢支されているので、従来の薄肉部の様に経時するに連れて折損する事がなく、耐久性を高める事ができる。
変位拡大機構６は、可動体１２と定圧弾性体１３とを備えて居り、これらが所謂定圧弾性機能と緩衝機能と発揮するので、金属ダイヤフラム弁体３を弁座１８に一定圧力で当座させてその状態を保持する事ができると共に、金属ダイヤフラム弁体３を弁座１８に緩衝しながら当合させる事ができる。この為、金属ダイヤフラム弁体３及び弁座１８の損傷等を防止する事ができる。加えて、可動体１２と定圧弾性体１３は、出力当合体１４の調心機能も発揮し、可動体１２の変位を弁棒４に適正に伝達する事ができる。
変位拡大機構６は、復帰弾性体１５を備えて居り、これに依り各梃子体８を原位置に戻す事ができるので、金属ダイヤフラム弁体３の自己弾性機能を阻害する事がないと共に、金属ダイヤフラム弁体３の高速且つ高精度の作動を行なわせる事ができる。
【００３５】
次に、本発明の第二例を、図４に基づいて説明する。
図４は、本発明の第二例に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の変位拡大機構付近を示す要部拡大縦断側面図である。
【００３６】
第二例は、出力当合体１４を、可動体１２の平坦な下面６０と、弁棒４の上面に形成された円錐穴５７と、これらの間に介挿される球体５８とで構成し、所謂可動体１２の下面に形成していた円錐穴５６を割愛した点、が第一例と異なり、その他は、第一例と同様である。
この様なものは、可動体１２に円錐穴５６を形成する必要がないので、製作が簡単化され、コストの低減を図る事ができる。
【００３７】
尚、梃子体８は、先の例では、二つであったが、これに限らず、例えば三つ以上でも良い。
中間当合体１０は、先の例では、凹溝４９とピン５０とで構成したが、これに限らず、例えば上位の梃子体８の左側下面に付設した半球又は半円柱体のみで構成しても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上、既述した如く、本発明に依れば、次の様な優れた効果を奏する事ができる。
（１）  弁本体、金属ダイヤフラム弁体、弁棒、圧電素子、変位拡大機構とで構成し、とりわけ変位拡大機構を、弁本体に取付けられた支持体と、上下方向に配された複数の梃子体と、各梃子体の左右端部を交互に支持体に枢支する水平軸と、最下位を除く梃子体の枢支側とは反対側と次段の梃子体の中央部との間に設けられた中間当合体と、最上位の梃子体の中央部と圧電素子との間に設けられた入力当合体と、最下位の梃子体の中央部に昇降及び搖動可能に設けられた可動体と、可動体を弁棒側に所定の圧力で弾圧する定圧弾性体と、可動体と弁棒との間に設けられた出力当合体と、支持体と最下位の梃子体との間に設けられて各梃子体を原位置に戻す定圧弾性体より弾性力が小さい復帰弾性体とを備えたものにしたので、耐久性に富んで高速且つ高精度の作動を行なう事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一例に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁を示す縦断側面図。
【図２】変位拡大機構付近を示す図１の要部拡大縦断側面図。
【図３】変位拡大機構の主要部を示す図１の斜視図。
【図４】本発明の第二例に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の変位拡大機構付近を示す要部拡大縦断側面図。
【符号の説明】
１…圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁、２…弁本体、３…金属ダイヤフラム弁体、４…弁棒、５…圧電素子、６…変位拡大機構、７…支持体、８…梃子体、９…水平軸、１０…中間当合体、１１…入力当合体、１２…可動体、１３…定圧弾性体、１４…出力当合体、１５…復帰弾性体、１６…流入路、１７…流出路、１８…弁座、１９，２６，２７，４３，４６…ボルト、２０…弁室、２１…ガイド、２２…ガスケット、２３…センサ室、２４…圧力センサ、２５…下蓋、２８…ベース押え、２９…押えアダプタ、３０…ブッシュ、３１…ダイヤフラム押え、３２…コネクタ、３３…支持筒体、３４，３６…ロックナット、３５…調整用袋ナット、３７，４８…ベアリング、３８…ベアリング受け、３９…保護ケース、４０…制御回路、４１…レバーボックス、４２…ボックスフランジ、４４…貫孔、４５…軸受穴、４７…軸穴、４９…凹溝、５０…ピン、５１，５６，５７…円錐穴、５２…半球体、５３…透孔、５４…ビス、５５…凹所、５８…球体、５９…バネ受穴、６０…下面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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