(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体出入口と弁室を形成する孔部１ａと弁座を備えた弁本体１と、弁室内に弁座と対向状に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に押圧力の喪失時に弾性により弁座から離座する金属ダイヤフラム弁体２と、金属ダイヤフラム弁体２の外周縁部を弁本体１へ気密状に押圧する押えアダプタ４と、下端部にダイヤフラム押え３が設けられ、前記ダイヤフラム弁体の上方で且つ押えアダプタ４の内方にその下端部を位置せしめた状態で孔部１ａ内へ垂直状に挿着した底壁２３ｂを有する筒状の圧電素子支持筒体２３と、前記圧電素子支持筒体２３の底壁２３ｂ上に配設した皿ばね１８と、前記圧電素子支持筒体２３の下方部の縮径部へその両側方から対向状に組み合せることにより上壁２６ｂを有する短円筒を形成すると共に、下端外周面に前記押えアダプタ４を押圧する鍔部２６ｃを備えた二個の割りベース片２６ａから成る割りベース２６と、前記圧電素子支持筒体２３を摺動自在に挿通せしめて孔部１ａ内の割りベース２６の上方に配設され、弁体１への固定により先端部で前記割りベース２６の鍔部を下方に押圧することにより割りベース２６を弁体１へ固定する筒体固定・ガイド体２４と、前記圧電素子支持筒体２３の内部下方に位置して割りベース２６の上壁２６ｂ上に配置した下部受台９と、圧電素子支持筒体２３内の前記下部受台９上へボール８ａを介在させて挿着した圧電素子１０と、圧電素子１０の上端部に配設したベアリング２８と、圧電素子支持筒体２３の上方に配設され、圧電素子１０の圧電素子支持筒体２３内に於ける位置調整をする位置決め材とから構成したことを特徴とするノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項２】
位置決め材を、圧電素子支持筒体２３の上方に螺着した位置決め用袋ナット１２とした請求項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】
下部受台９と圧電素子１０との間に介在させたボール８ａを圧電素子１０の下端面にこれと一体的に形成して成るボール８ａとした請求項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４】
割りベース２６を、その上壁２６ｂに圧電素子支持筒体２３の外周壁の一部を挿通させる挿通孔２６ｄと、下部受台９を支持固定する嵌合部２６ｅを備えた構成とした請求項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５】
圧電素子支持筒体２３を、その下端部の外周壁の両側を対称（向）状に削除して割りベース２６を嵌合するための孔部２３ａを有する構成とした圧電素子支持筒体２３とした請求項１に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気体等の流量制御に使用する圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の改良に関するものであり、主として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於いて使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造設備や化学品製造設備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いる。
この圧力式流量制御装置は、オリフイス上流側圧力Ｐ1 を下流側圧力Ｐ2 の約２倍以上に保持した状態下に於いてオリフイス上流側の制御弁により前記圧力Ｐ1 を調整し、これによってオリフイス下流側の流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 （但し、Ｋは常数）により演算して所定の設定値に制御することを基本原理とするものであり、特開平８−３３８５４６号等に開示されている。
【０００３】
ところで、前記圧力式流量制御装置に於いては耐触性が高いこと、発塵が少ないこと、ガスの置換性が良いこと、開閉速度が速いこと及び閉弁時に迅速且つ確実に流体通路を閉鎖できること等の点から所謂金属ダイヤフラム型バルブが多く使用されており、また制御弁の駆動装置としては、エアシリンダ駆動装置やソレノイド駆動装置、圧電素子駆動装置が広く利用されているが、特に圧電素子型の駆動装置は、高速作動が可能なうえ動作特性上のヒステリシス現象が少ないため、高精度な流量制御弁では多く用いられている。
【０００４】
図９及び図１０は従前の圧電素子型駆動装置を備えた制御弁の一例を示すものであり、図９ノーマルオープン型制御弁（特開平７−３１０８４２号等）を、また図１０はノーマルクローズ型制御弁（特開平８−３３８５４６号）を夫々示すものである。
即ち、図９に於いて１は弁本体、２は金属ダイヤフラム弁体、３はダイヤフラム押え、４は押えアダプター、５はガイド体、６は保持ケース、７はボンネットナット、８ａ・８ｂはボール、９は下部受台、１０は圧電素子、１１は上部受台、１２は位置決め用袋ナット、１３はロックナット、１４は保護ケース、１５はコネクター、１６はリード線であり、開弁信号の入力によって圧電素子１０が伸長し、ダイヤフラム押え３を介して金属ダイヤフラム弁体２を弁座側へ押圧することにより、制御弁は閉弁される。
また、前記開弁信号がｏｆｆになると、圧電素子１０が伸長状態から元の短縮状態に復帰し、ダイヤフラム弁体２はダイヤフラム自体の弾性力により開弁状態へ復帰する。
【０００５】
また、図１０及び図１１に於いて、１７はボンネットナット７に固定されたベース本体、１８は皿ばね、１９は圧電素子支持棒、２０は位置決め用ボルト、２１は上部支持枠であり、圧電素子１０は３本の圧電素子支持棒１９を介して上部支持枠２１と下部受台９との間に位置決めボルト２０等により支持固定されている。
【０００６】
即ち、各圧電素子支持棒１９の上端部は上部支持枠２１に固定されており、またその下端部は、ベース本体１７に固定された下部受台９を挿通せしめてダイヤフラム押え３に係合されている。更に、ダイヤフラム押え３は皿ばね１８により常時下方へ押圧されており、これによって金属ダイヤフラム弁体２は弁座へ常時当座しており、閉弁状態に保持されている。
【０００７】
上記図１０の制御弁へ開弁信号が入力されると、圧電素子１０が伸長し、これにより３本の圧電素子支持棒１９が皿ばね１８の弾性力に抗して上方へ押し上げられる。その結果、圧電素子支持棒１９の下端に係合したダイヤフラム押え３が上方へ引き上げられ、ダイヤフラム弁体２はその弾性力によって開弁位置へ移動する。尚、開弁信号がｏｆｆになった際には、圧電素子１０が短縮され、皿ばね１８の弾性力によりダイヤフラム押え３が下降することにより金属ダイヤフラム弁体２が弁座へ当座する。
【０００８】
上記図１０及び図１１のノーマルクローズ型制御弁は弁の作動速度が速く、所謂高速開閉型制御弁として優れた実用的効用を有するものである。
しかし、当該ノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁にも解決すべき多くの問題が残されており、制御弁の製作及び組立の容易化、部品点数の削減、応答速度の向上、作動上のヒステリシスの削減（流量制御特性のバラツキの減少）等が問題点として残されている。
【０００９】
即ち、図１０及び図１１の制御弁では、３本の圧電素子支持棒１９により圧電素子１０の伸長をダイヤフラム押え３へ伝達する構成としているが、３本の支持棒１９でもって圧電素子１０の伸長力をダイヤフラム押え３へ均等に伝達するには相当の困難性があり、結果として流量制御特性にヒステリシス現象が出たり、各支持棒１９を介してダイヤフラム押え３に伝達される圧電素子１０の伸長力の間にタイミング差が生じること等により、弁の作動速度を高めることが難しいと云う問題がある。
また、支持棒１９や圧電素子１０等の組み付けに手数が掛かるうえ、部品点数が多いために制御弁の製造コストの削減を図り難いと云う問題がある。
【００１０】
更に、上部ボール８ｂと下部ボール８ａを設けて圧電素子１０の伸長によりダイヤフラム押え３にかかる上向きの引上げ力が正確に制御弁の軸芯と一致する構成としてダイヤフラム弁体２の作動の安定化を図るようにしているが、３本の支持棒１９を上部支持枠２１へ固定するための支持棒固定ナット２２の相互間の締込量の調整が難かしく、結果としてより高い作動の安定性を達成することが出来ないと云う問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前のノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼弁の作動特性にヒステリシスが生じたり、作動速度の一層の向上が図り難いこと、▲２▼部品点数が多いうえに組み付けに手数がかかり、製造コストの引下げを図り難いこと及び▲３▼作動の安定性の一層の向上を図り難いこと等の問題を解決せんとするものであり、部品点数の削減と組付けの容易化を図ることにより製造コストの大幅な引下げを可能にすると共に、作動の安定化、ヒステリシス現象の削減、高速応答性等を可能としたノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム制御弁を提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本件請求項１に記載の発明は、流体出入口と弁室を形成する孔部１ａと弁座を備えた弁本体１と、弁室内に弁座と対向状に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に押圧力の喪失時に弾性により弁座から離座する金属ダイヤフラム弁体２と、金属ダイヤフラム弁体２の外周縁部を弁本体１へ気密状に押圧する押えアダプタ４と、下端部にダイヤフラム押え３が設けられ、前記ダイヤフラム弁体の上方で且つ押えアダプタ４の内方にその下端部を位置せしめた状態で孔部１ａ内へ垂直状に挿着した底壁２３ｂを有する筒状の圧電素子支持筒体２３と、前記圧電素子支持筒体２３の底壁２３ｂ上に配設した皿ばね１８と、前記圧電素子支持筒体２３の下方部の縮径部へその両側方から対向状に組み合せることにより上壁２６ｂを有する短円筒を形成すると共に、下端外周面に前記押えアダプタ４を押圧する鍔部２６ｃを備えた二個の割りベース片２６ａから成る割りベース２６と、前記圧電素子支持筒体２３を摺動自在に挿通せしめて孔部１ａ内の割りベース２６の上方に配設され、弁体１への固定によりその先端部で前記割りベース２６の鍔部を下方に押圧することにより割りベース２６を弁体１へ固定する筒体固定・ガイド体２４と、前記圧電素子支持筒体２３の内部下方に位置して割りベース２６の上壁２６ｂ上に配置した下部受台９と、圧電素子支持筒体２３内の前記下部受台９上へボール８ａを介在させて挿着した圧電素子１０と、圧電素子１０の上端部に配設したベアリング２８と、圧電素子支持筒体２３の上方に配設され、圧電素子１０の圧電素子支持筒体２３内に於ける位置調整をする位置決め材とを発明の基本構成とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて位置決め材を、圧電素子支持筒体２３の上方に螺着した位置決め用袋ナット１２としたものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、下部受台９と圧電素子１０との間に介在させたボール８ａを圧電素子１０の下端面にこれと一体的に形成したボールとしたものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて割りベース２６を、その上壁２６ｂに圧電素子支持筒体２３の外周壁の一部を挿通させる挿通孔２６ｄと、下部受台９を支持固定する嵌合部２６ｅを備えた構成としたものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１の発明に於いて圧電素子支持筒体２３を、その下端部の外周壁の両側を対称（向）状に削除して割りベース２６を嵌合するための孔部２３ａを有する構成とした圧電素子支持筒体２３としたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を示す。
図１は本発明の第１実施形態を示す制御弁の縦断面概要図であり、図２は図１の制御弁の側面図である。尚、図１及び図２に於いて、前記図９乃至図１１と同一の部位・部材にはこれと同じ参照番号を付すものとする。
【００１８】
図１及び図２に於いて、１は弁本体、１ａは弁本体に設けた孔部、２は金属ダイヤフラム弁体、３はダイヤフラム押え、４は押えアダプタ、８ａはボール、９は下部受台、１０は圧電素子、１１は上部受台、１２は位置決め用袋ナット、１３はロックナット、１４は保護ケース、１５はコネクター、１８は皿ばねであり、前記図９〜図１１の従来の場合とほぼ同一の構成を有するものである。
また、２３は圧電素子支持筒体、２４は筒体固定・ガイド体、２５はＯリング、２６は割りベース、２７は取付用ボルト、２８はベアリングであり、これ等の部材は本件発明に於いて新たに採用されたものである。
【００１９】
尚、図１に示した実施形態では、下部受台９と圧電素子１０との間に別途に形成したボール８ａを介挿するようにしているが、圧電素子１０の下端面の中央に先端が球面状の突起体を一体的に形成し、これをボール８ａとして下部受台９へ接当させる構成とすることも可能である。
【００２０】
前記弁本体１はステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部１ａ及び流体入口、流体出口、流体通路、弁室及び弁座等を夫々備えている。また、前記金属ダイヤフラム体２はニッケルクロム合金鋼の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている。尚、ダイヤフラム弁体２の形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。更に、本実施例では１枚のダイヤフラムを使用しているが、２〜３枚のダイヤフラムを積層したダイヤフラム弁体とすることも可能である。
【００２１】
前記金属ダイヤフラム２は、前記弁座と対向状に弁室内へ配設され、押えアダプター４、割りベース２６及び筒体固定・ガイド体２４を介設して取付けボルト２７を弁本体１へ締め込むことにより、ダイヤフラム２の外周縁が弁本体１側へ気密に保持固定されている。尚、前記押えアダプター４、筒体固定・ガイド体２４、割りベース２６等はステンレス鋼等の金属製である。
【００２２】
前記圧電素子（ピエゾ素子）１０の支持筒体２３は、図３及び図４に示すように熱膨脹率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、上方部は圧電素子１０を収納する太径部２３ｃに、またその下方部は下部受台９及び皿ばね１８等を収納する縮径された円筒状２３ｄに形成されている。
また、当該支持筒体２３の最下端部はダイヤフラム押え３を嵌着するための腔部２３ｅに形成されており、ここに図１に示す如くダイヤフラム押え３が挿入固定されている。
【００２３】
図３及び図４は支持筒体２３の縦断面図と図３のイーイ視断面図であり、当該支持筒体２３の太径部２３ｃと縮径部２３ｄの境界近傍には、その外壁部の両側部を一定の長さ及び深さに亘って削除することにより、割りベース片２６ａを両側から対向状に挿入組合せするための孔部２３ａが形成されている。即ち、当該孔部２３ａの両側から、後述する割りベース２６を形成する半割り状の割りベース片２６ａが対向状に組み付けされ、筒体固定・ガイド体２４により割りベース２６として一体的に保持固定される。尚、割りベース片２６ａを組付けする前に縮径部２３ｄの底部２３ｂへ図１に示す如く皿ばね１８が挿着されることは勿論である。
【００２４】
図５及び図６は前記割りベース２６の組付け状態を示す平面図と、図５のイーイ視断面図である。図５及び図６からも明らかなように、各割りベース片２６ａは上壁２６ｂを備えた短円筒体の下端外周に鍔部２６ｃを形成すると共に、上壁２６ｂに挿通孔２６ｄと嵌合部２６ｅを形成したものを、中央部から二つ割りにしたものであり、両割りベース片２６ａを対向状に組み付けることにより割りベース２６が形成されている。
【００２５】
即ち、図１に示すように、前記鍔部２６ｃは筒体固定・ガイド体２４の下端により押圧力を受けて押えアダプタ４を押圧する作用をし、また、前記挿通孔２６ｄは支持筒体２３の縮径部の壁体を挿通させるものであり、更に前記嵌合部２６ｅは下部受台９と支持筒体２３の壁体間に位置して、３つの部材９、２３、２６の位置決めを行なう作用をするものである。
【００２６】
前記ベアリング２８はベアリング受２８ａと小球２８ｂとから形成されており、上部受台１１の上方に配設され、位置決め用袋ナット１２の回動を円滑化する。
【００２７】
尚、図１の実施形態に係る制御弁は、前記圧力式流量制御装置用の制御弁として主に使用されるため、図１に示す如く、弁本体１にオリフイスガイド３０ａ、ガスケット３０ｂ、オリフイス３０ｃ等から成るオリフイス取付部３０と、圧力センサー３１ａ、ガスケット３１ｂ、コネクター３１ｃ、押えフランジ３１ｄ、固定用ボルト３１ｅ等から成る圧力センサー取付部３１と、接続ガイド２９ａ、ガスケット２９ｂ等から成る一次接続部２９等が設けられている。また３２は、保護ケース１４内に設けた圧電素子等の制御回路取付板である。
【００２８】
当該制御弁の組立ては、前記図９のノーマルオープン型制御弁の場合と略同様であり、弁本体１の孔部１ａ内へ金属ダイヤフラム弁体２、押えアダプタ４、ダイヤフラム押え３を固定した圧電素子支持筒体２３、皿ばね１８、割りベース２６、下部受台９の順に組み付け、筒体固定・ガイド体２４を介して支持筒体２３を弁本体１へ挿着する。
次に、支持筒体２３内へボール８ａ、圧電素子１０、上部受台１１、ベアリング２８の順に挿着し、位置決め材１２を形成する位置決め袋ナットの締込量を調整することにより、圧電素子１０による金属ダイヤフラム弁体２の作動ストロークを設定値に微調整する。
【００２９】
筒体固定・ガイド体２４の締込み固定により、前述の如く割りベース２６と支持筒体２３と下部受台９と皿ばね１８とダイヤフラム押え３とダイヤフラム弁体２等は、全て所定の位置に整然と自動的に固定されると共に、位置決め材１２の締込みによりボール８ａや圧電素子１０、支持筒体２３等の軸芯は極めて高精度に一致されることになる。
【００３０】
図１を参照して、制御回路（図示省略）からコネクター１５を介して開弁信号が入力（入力電圧０〜１２０ｖ）されると、圧電素子１０は設定値（０〜４５μｍの間）だけ伸長する。
これにより、約４０〜８０ｋｇの押し上げ力が支持筒体２３に働き、筒体固定・ガイド体２４のＯリング２５により軸芯を保持された状態で支持筒体２３が皿ばね１８の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、ダイヤフラム弁体２がその弾性力によって弁座から離座し、開弁される。
逆に、開弁入力がｏｆｆになると、圧電素子１０が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、皿ばね１８の弾性力により圧電素子支持筒体２３の底部が下方向へ押し下げられ、ダイヤフラム押え３により金属ダイヤフラム弁体２が弁座へ当座し、閉弁状態となる。
尚、開弁ストロークが４５μｍで弁座の口径１ｍｍφの場合、弁の全閉から全開に至る所要作動時間は約３０ｍｓｅｃ以下である。
【００３１】
図７は、本発明の第２実施形態を示すものであり、弁本体１のオリフイス取付部３０の下流側に、図１の圧力センサー取付部３１と略同一構造のオリフイス下流側圧力センサーの取付部３３を設けたものである。
尚、制御弁そのものの構成は図１の場合と同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００３２】
図８は本発明の第３実施形態を示すものであり、図１の制御弁に於いて、圧力センサー取付部３１の近傍に温度検出センサー（サーミスタ）３４を配設し、これによって圧力センサー３１ａの温度補償のための温度検出を行なうようにしたものである。尚、制御弁そのものの構成は図１の場合と全く同一である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に於いては、圧電素子支持筒体２３と筒体固定・ガイド体２４と割りベース２６と皿ばね１８とを有機的に組み合せることによりノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁を構成しているため、従前のこの種制御弁に比較して部品点数を大幅に少なくすることが出来、製造コストの引下げが可能となる。
また、部品の組立に際して、各部材の軸芯の一致を自動的に図ることが出来、その結果組付精度が大幅に向上して組付け精度のばらつきによる弁制御特性のバラツキやヒステリシス現象が減少するだけでなく、作動の安定性及び応答性の向上が可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の縦断面図である。
【図２】図１の制御弁の側面図である。
【図３】圧電素子支持筒体の縦断面図である。
【図４】図３のイーイ視断面図である。
【図５】割りベース２６の平面図である。
【図６】図５のイーイ視断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る制御弁の正面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る制御弁の一部を破断した側面図である。
【図９】従前のノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の縦断面概要図である。
【図１０】従前のノーマルクローズ型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の縦断面概要図である。
【図１１】図１０に於けるイーイ視断面図である。
【符号の説明】
１は弁本体、１ａは孔部、２は金属ダイヤフラム弁体、３はダイヤフラム押え、４は押えアダプタ、８ａはボール、９は下部受台、１０は圧電素子、（ピエゾ素子）、１１は上部受台、１２は位置決め材（位置決め用袋ナット）、１３はロックナット、１４は保護ケース、１５はコネクター、１８は皿ばね、２３は圧電素子支持筒体、２３ａは孔部、２３ｂは底壁、２４は筒体固定・ガイド体、２５はＯリング、２６は割りベース、２６ａは半割り状の割りベース片、２６ｂは上壁、２６ｃは鍔部、２６ｄは挿通孔、２６ｅは嵌合部、２７は固定用ボルト、２８はベアリング、２８ａはベアリング受け、２８ｂは小球、２９は一次側接続部、２９ａは接続ガイド、２９ｂはガスケット、３０はオリフイス取付部、３０ａはオリフイスガイド、３０ｂはガスケット、３０ｃはオリフイス、３１は圧力センサー取付部、３１ａは圧力センサー、３１ｂはガスケット、３１ｃはコネクタ、３１ｄは押えフランジ、３１ｅは固定用ボルト、３２は制御回路取付板、３３はオリフイス下流側圧力センサー取付部、３４は温度検出センサー。
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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