(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動部を用いて弁座と弁座おさえとの間を開閉することにより、バルブボディの中を移動する流体を制御する流体制御バルブであり、前記駆動部は、前記弁座おさえ及び弁棒を介して圧力を加える棒状のシャフトと、前記棒状のシャフトの周囲に固定された部材ａから構成され、前記部材ａは磁性体材料であり、前記シャフトとの間に空間部を有し、前記シャフトと平行する位置に設けたコイルが、電磁誘導により前記部材ａを上下動させると共に、バネの力も利用することによって、弁座と弁座おさえとの間を開閉する流体制御バルブにおいて、
前記コイルと前記部材ａとの間に位置する間隙Ｇを調整する手段を設けてあり、
前記調整する手段は、筒状のプランジャの内方に、前記弁棒の上端へ一体的に形成した前記シャフトが挿通されており、前記シャフトの上端に設けたネジ部へ前記プランジャの上端に固定した前記固定ネジを螺合することにより、前記プランジャがシャフトへ上・下位置調整可能に支持し、
前記プランジャの下端の外周部分に前記部材ａが配置された構成であることを特徴とする流体制御バルブ。
【請求項２】
前記弁座おさえが、ダイヤフラムとダイヤフラムおさえとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体制御バルブ。
【請求項３】
前記弁座おさえの周囲に、ベローズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体制御バルブ。
【請求項４】
前記部材ａは、飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の鉄・コバルト系合金からなる磁性体材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項５】
前記部材ａは、飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の鉄・ニッケル系合金からなる磁性体材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項６】
前記シャフトと前記コイルとの間に位置する前記空間部に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｂを設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項７】
前記コイルを挟んで前記部材ｂと対向する位置に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｃを設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項８】
前記コイルを挟んで前記部材ａと対向する位置に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｄを設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項９】
前記シャフトと平行する位置に設けたコイルが、直列状に配置された複数個のコイルから構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１０】
前記直列状に配置された複数個のコイル間に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｅを設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１１】
前記磁性体材料が、５重量％以下のバナジウムを含有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１２】
前記コイルへ供給する励磁電流を、開弁までの大きな初期駆動電流と、開弁後に開弁状態を保持するための小さな保持電流とに分けて供給することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１３】
前記コイルへ供給している励磁電流を遮断したあと、僅かな時間ｔを置いて短時間だけ再度励磁電流を該コイルへ供給することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１４】
前記コイルと、前記部材ａ、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に位置する間隙Ｇ内へ磁性流体を流入・流出自在に充満せしめた構成としたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１５】
前記部材ａと、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に所定の厚さの樹脂皮膜を介在せしめた構成としたことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の流体制御バルブ。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の流体制御バルブを用いて構成されたことを特徴とする流体供給・排気システム。
【請求項１７】
前記流体制御バルブと、電源部と制御部と複数の駆動部を備えたユニット制御器と、遠隔の中央制御所に設けた制御用コンピュータと、前記制御用コンピュータと前記ユニット制御器との間を連結する通信ラインとから構成され、前記制御用コンピュータからの操作信号Ｓにより各流体制御バルブの作動を制御することを特徴とする請求項１６に記載の流体供給・排気システム。
【請求項１８】
前記流体制御バルブの各々に開閉検出器を設け、該開閉検出器からの信号Ｐにより前記ユニット制御器を通して前記制御用コンピュータへ開・閉状態を送信する構成としたことを特徴とする請求項１７に記載の流体供給・排気システム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、流体制御バルブ及び流体供給・排気システムに係る。より詳細には、弁座おさえに圧力を加える棒状のシャフトと一体をなす部材ａを、コイルが電磁誘導により上下動させることにより、弁座と弁座おさえとの間を開閉する流体制御バルブ及び流体供給・排気システムに関する。本発明の流体制御バルブ及び流体供給・排気システムは、主として半導体製造装置等において利用されるものである。
背景技術
従来、駆動部を用いて弁座と弁座おさえとの間を開閉することにより、バルブボディの中を移動する流体を制御する流体制御バルブとしては、例えば弁座おさえがダイヤフラムとダイヤフラムおさえから構成された、次のような方式が挙げられる。
（１）手動で操作する回転機構部を有し、この回転機構部の回転運動を用いて弁棒を上下運動させて、弁座とダイヤフラムとの間を開閉する方式（以降、本方式の流体制御バルブを手動弁と呼ぶ：不図示）。
（２）気体の充填・放出機構を有し、この気体圧力差を用いて弁棒を上下運動させて、弁座とダイヤフラムとの間を開閉する方式（以降、本方式の流体制御バルブを空圧弁と呼ぶ：図４）。
（３）コイルが電磁誘導される機構を有し、この機構を用いて鉄心とプランジャが離設され、それに伴いプランジャに固定されているバブルディスクを上下運動させて、バブルディスクと弁座との間を開閉する方式（以降、本方式の流体制御バルブを電磁弁と呼ぶ：図５）。
以下では、自動弁と呼ばれる空圧弁及び電磁弁における弁の開閉動作に関して説明する。
図４は、弁の開閉状態がノーマルクローズ型の空圧弁の模式的な断面図であり、弁が閉じている状態を示している。弁の開閉動作は、次の通りである。
（閉→開の動作）
計装用ガス切り替え用スイッチ（不図示）によって計装用ガス入口４０１に計装用ガスが充填されることによってアクチエータ４０２が押し上げられると同時にアクチエータ４０２に固定されている棒状の弁棒４０３が押し上げられるため弁棒４０３で押さえていたダイヤフラム４０４と弁座４０５とが離れ、流体入口４０６から流体出口４０７に流体が流れる。
（開→閉の動作）
計装用ガス切り替え用スイッチ（不図示）によって計装用ガス入口４０１に計装用ガスが充填されなくなることによってアクチエータ４０２とアクチエータ４０２に固定されている棒状の弁棒４０３がバネ４０８の力により押し下げられるため弁棒４０３によりダイヤフラム４０４を押さえダイヤフラム４０４と弁座４０５とが接触し、流体入口４０６から流体出口４０７への流体の流れが止まる。
図５は、弁の開閉状態がノーマルクローズ型の電磁弁の模式的な断面図であり、弁が閉じている状態を示している。弁の開閉動作は、次の通りである。
（閉→開の動作）
端子５０１より電気が入力されコイル５０２に通電することによりコイル５０２が電磁誘導されケースに固定された鉄心５０３とプランジャ５０４が接触し、それに伴いプランジャ５０４に固定されているバルブディスク５０５が押し上げられるためバルブディスク５０５と弁座５０６とが離れ、流体入口５０７から流体出口５０８に流体が流れる。
（開→閉の動作）
コイル５０２への通電を遮断することによりコイル５０２の磁界が消滅し鉄心５０３に接触していたプランジャ５０４が離れ、それに伴いプランジャ５０４に固定されているバルブディスク５０５がバネ５０９の力により押し下げられるためバルブディスク５０５と弁座５０６とが接触し、流体入口５０７から流体出口５０８への流体の流れが止まる。
しかしながら、これらのバルブはその応答時間（弁が閉の状態から開の状態となるのに要する時間）において次のような問題点があることを本発明者は見出した。
▲１▼  手動弁の場合は、ハンドルを回す時間がそのまま応答時間になるため操作する人により個人差が生じ、例えば１００ｍｓｅｃ以下でバルブの開閉操作を安定して行うことは非常に難しく、操作するバルブの数が増えるほど時間を要するだけでなく、操作する順序を間違えて逆流を引き起こしたり等の問題がある。
▲２▼  自動弁とも言われる空圧弁は、気密性の高い構造を有しており、流体圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2以下であれば容易に制御できるという特徴を有する。しかしながら、空圧弁は、駆動部への気体の充填・放出に要する時間が応答時間の９割程度を占めるため、バルブの開閉動作が数十ｍｓｅｃと遅く、かつ、気体を供給する計装チューブの長さ、あるいは供給する気体の圧力によってバルブの応答時間が異なるという問題がある。その結果、バルブの操作順序とそれらバルブの実動作順序にズレが生じるため、逆流が生じるという不具合がある。
▲３▼  上記▲２▼の問題を解消する手段として、各計装チューブの長さや各計装チューブに流す気体圧を同じ値にする方法が用いられている。
しかしながら、例えば半導体製造装置等の流体制御装置のように、数多くの流体制御バルブを用いるものでは、空圧弁の駆動部へ気体を充填・放出するため電磁弁等を用いているが、電磁弁と空圧弁との距離が各計装チューブごとにそれぞれ異なるために、最も距離が離れた流体制御バルブに各計装チューブの長さをそろえる必要が生じる。そのため、電磁弁からの距離が近い流体制御バルブにおいては不要な計装チューブの収納スペースが必要になり、流体制御装置全体としても、最も応答時間の遅い流体制御バルブに律速されたシステムしか構築できないといった問題がある。
▲４▼  電磁弁は、上述したように、例えば空圧弁の駆動部へ気体を充填・放出する用途に好適に利用されている。特に、その構造から分かるように、バルブを数msec台で高速に開閉動作できるという特徴を有する。しかしながら、その用途からも明らかなように、ガス漏れが許容される構造であり、またバルブの中に多くのデッドスペースも有する。故に、半導体製造プロセスにおいて特殊なガスを精密制御する用途には不向きである。
本発明は、圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2程度の流体を安定して制御することができ、バルブの応答時間が数ｍｓｅｃ台の高速であり、バルブの小型化、また計装用システムが不要なため、流体供給・排気システムの小型化も図れ、かつ、複数個のバルブで構築した場合に、ガスの逆流が少ない流体制御バルブ及び流体供給・排気システムを提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の流体制御バルブは、駆動部を用いて弁座と弁座おさえとの間を開閉することにより、バルブボディの中を移動する流体を制御する流体制御バルブであり、前記駆動部は、前記弁座おさえ及び弁棒を介して圧力を加える棒状のシャフトと、前記棒状のシャフトの周囲に固定された部材ａから構成され、前記部材ａは磁性体材料であり、前記シャフトとの間に空間部を有し、前記シャフトと平行する位置に設けたコイルが、電磁誘導により前記部材ａを上下動させると共に、バネの力も利用することによって、弁座と弁座おさえとの間を開閉する流体制御バルブにおいて、前記コイルと前記部材ａとの間に位置する間隙Ｇを調整する手段を設けてあり、前記調整する手段は、筒状のプランジャの内方に、前記弁棒の上端へ一体的に形成した前記シャフトが挿通されており、前記シャフトの上端に設けたネジ部へ前記プランジャの上端に固定した前記固定ネジを螺合することにより、前記プランジャがシャフトへ上・下位置調整可能に支持し、前記プランジャの下端の外周部分に前記部材ａが配置された構成であることを特徴とする。
上記特徴により、本発明は次に示す作用を有する。
（ａ）弁座おさえ及び弁棒を介して圧力を加える棒状のシャフトと一体をなす部材ａを、コイルが電磁誘導により上下動させると共に、バネの力も利用することによって、弁座と弁座おさえとの間を開閉するため、空圧弁における駆動部への気体の充填・放出という動作時間を省くことができ、バルブ開閉に要する時間が数ｍｓｅｃ台という大きな応答速度を有する流体制御バルブがえられる。
（ｂ）空圧弁において駆動部への気体の充填・放出に必要であった計装チューブや、空圧弁の駆動部へ気体を充填・放出するために用いていた電磁弁を設ける必要がないため、供給する気体の圧力又は計装用チューブの長さによってバルブの応答時間が異なるという問題、不要な計装チューブの収納スペースが必要となる問題、及び、流体制御装置全体としても、最も応答時間の遅い流体制御バルブに律速されたシステムしか構築できないという問題、が全て解消できる。
（ｃ）前記部材ａを磁性体材料で形成したため、部材ａは飽和磁束密度を有するので、コイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつけることができる。従って、部材ａと一体をなすシャフトも高速度で上下動できるので、弁座と弁座おさえとの間の開閉を高速度で安定して行うことができる。
その結果、応答時間の小さな流体制御バルブがえられる。
上記特徴において、前記弁座おさえが、ダイヤフラムとダイヤフラムおさえとから構成されていることから、接ガス部の構造が簡単で、デッドスペースが少なく、ガス置換特性に優れた流体制御バルブが得られる。また、前記弁座おさえの周囲にベローズを配置することによって、バルブの開閉における耐久性に優れた流体制御バルブが得られる。
さらに、部材ａとして、飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の鉄・コバルト系合金からなる磁性体材料、又は、前記部材ａ２を飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の鉄・ニッケル系合金からなる磁性体材料を用いたことにより、部材ａの体積を非常に小さくすることができるため、流体制御バルブの小型化及び小径化を図ることができる。
また、上記特徴において、コイルと部材ａとの間に位置する間隙Ｇを調整する手段を設けたことにより、弁ストローク調整の容易化が図れる。上記特徴において、シャフトとコイルとの間に位置する空間部に、部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｂを設けたことにより、コイルの一端から外にわき出した磁界を、シャフトとコイルとの間に設けた部材ｂの中を通ってコイルの他端に誘導することができる。その結果、コイルで発生した磁界を有効に利用できるため、コイルが部材ａを吸引する力が増加し、より応答時間の小さな流体制御バルブがえられる。加えて、コイルに流す電流の制御系などに悪影響を及ぼす電磁気的なノイズを低減することもできる。
また、上記特徴において、コイルを挟んで部材ｂと対向する位置に、部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｃを設けたことにより、コイルの一端から外にわき出した磁界を、コイルの外側に設けた部材ｃの中を通ってコイルの他端に誘導することができる。その結果、コイルで発生した磁界を有効に利用できるため、コイルが部材ａを吸引する力が増加し、より応答時間の小さな流体制御バルブがえられる。また、流体制御バルブが他の外部機器に悪影響を及ぼす電磁気的なノイズも低減することができる。
さらに上記特徴において、コイルを挟んで部材ａと対向する位置に、部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｄを設けたことにより、例えば部材ｄ側にあるコイルの一端から外にわき出した磁界を、上述した部材ｂや部材ｃの方向に誘導することができる。逆に、部材ａ側にあるコイルの一端から外にわき出した磁界は、上述した部材ｂや部材ｃの中を通ってコイルの他端に誘導されるが、部材ｄを設けることによりコイルの他端において磁界の収束が高まる。その結果、コイルで発生した磁界を有効に利用できるため、コイルが部材ａを吸引する力が増加し、より応答時間の小さな流体制御バルブがえられる。
また、前記シャフトと平行する位置に設けたコイルを、直列状に配置された複数個のコイルから構成することによって、上述したコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける力、すなわち駆動力を増加させることができる。
さらには、前記直列状に配置された複数個のコイル間に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｅを設けたことにより、上記駆動力、すなわちコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける力の均一化を図れることから好ましい。
またさらに上記特徴において、前記磁性体材料が５重量％以下のバナジウムを含有するため、材料の加工性が向上する。それ故、流体制御バルブを低コストで製造することができる。また、前記磁性体材料が５重量％以下のバナジウムを含有した場合、磁性体材料は高い飽和磁束密度を維持したまま、その抗磁力を小さくすることができる。従って、磁性体材料の透磁率（＝飽和磁束密度／抗磁力）
が増加するため、コイルから外にわき出した磁界をさらに強く誘導することができる。
また、前記コイルへ供給する励磁電流を、開弁までの大きな初期駆動電流と、開弁後に開弁状態を保持するための小さな保持電流とに分けて供給することによって、上述したコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける動作を行う駆動部に於ける消費電力を抑制できるとともに、コイルの加熱による損傷が防止できる。
さらに、前記コイルへ供給している励磁電流を遮断したあと、僅かな時間ｔを置いて短時間だけ再度励磁電流を該コイルへ供給することによって、弁座おさえのソフトランディング制御が可能となる。すなわち、前記バネによる弁座方向への押圧力が低減されるので、閉弁速度が減少することによって弁座おさえの弁座に対する衝撃的な接当が緩和され、弁座や弁座おさえに損傷が生ずるおそれがほとんど無くなる。
またさらに、前記コイルと、前記部材ａ、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に位置する間隙Ｇ内へ磁性流体を流入・流出自在に充満せしめた構成としたことにより、弁体ストロークに相当するギャップＧの部分の磁気抵抗を下げることができる。その結果、上述したコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける動作を行う駆動部の小型化が図れる。
また、前記部材ａと、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に所定の厚さの樹脂皮膜を介在せしめた構成としたことによって、開弁操作時に部材ａが前記部材ｂ及び前記部材ｃの端面へ衝突することにより、発生するおそれがある衝突音を減少させることが可能である。
上述した流体制御バルブを用いて構成した、本発明の流体供給・排気システムは、操作する人間の個人差により、また計装用チューブ長や気体圧により応答時間のズレを生じず、また電気信号による高速で、かつ一定の開閉操作が行え、しかも小型で信頼性の高い流体供給・排気システムの提供が可能となる。
また、前記流体制御バルブと、電源部と制御部と複数の駆動部を備えたユニット制御器と、遠隔の中央制御所に設けた制御用コンピュータと、前記制御用コンピュータと前記ユニット制御器との間を連結する通信ラインとから構成され、前記制御用コンピュータからの操作信号Ｓにより各流体制御バルブの作動を制御することよって、通信ラインの簡素化が図れるとともに、ユニット制御器を介して多数の流体制御バルブを同時に且つ迅速、正確に制御することができ、流体供給・排気システムの小型化と制御性能の向上が可能となる。
さらに、前記流体制御バルブの各々に開閉検出器を設け、該開閉検出器からの信号Ｐにより前記ユニット制御器を通して前記制御用コンピュータへ開・閉状態を送信する構成としたことによって、外乱等のノイズによる誤動作や流体制御バルブ自体の誤動作・不具合等の検出が可能となることから好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る流体制御バルブの一例を示す模式的な断面図である。
図２は、部材ａ１又は部材ａ２を構成する磁性体材料の飽和磁束密度と、弁の開閉状態および応答時間と、の関係を示すグラフである。
図３は、本発明に係る流体供給・排気システムの一例を示す系統図である。
図４は、従来の空圧弁を示す模式的な断面図である。
図５は、従来の電磁弁を示す模式的な断面図である。
図６は、流体制御バルブを構成する部材ａの飽和磁束密度と、弁が開閉動作できるコイル径とを示すグラフである。
図７は、本発明に係る流体制御バルブのコイルに流す励磁電流Ｉと吸引力Ｆと初期ギャップＧとの関係を示す線図である。
図８は、図１の流体制御バルブの開弁作動特性を示すグラフである。
図９は、図１の流体制御バルブの閉弁作動特性を示すグラフである。
図１０は、本発明に係る流体制御バルブを用いた流体供給・排気システムの他の一例を示す系統図である。
図１１は、本発明に係る流体制御バルブの操作信号Ｓと励磁電流Ｉとダイヤフラム１１１の作動と弁の動きとのタイミング関係を示す説明図である。
図１２は、ノーマルオープン型とした本発明に係る流体制御バルブの一例を示す模式的な断面図である。
図１３は、シャフトと平行する位置に設けたコイル１０２が、直列状に配置された複数個のコイルから構成された本発明に係る流体制御バルブの一例を示す模式的な断面図である。
図１４は、弁座おさえの周囲にベローズを配置した本発明に係る流体制御バルブの一例を示す模式的な断面図である。
（符号の説明）
Ｌ  コイル径、
Ｇ  部材ａと部材ｂ又は部材ｃとの間隔、
Ｓ  操作信号、
Ｐ  作動状況信号、
Ｉ  励磁電流、
Ｆ  磁気吸引力、
２４  制御用コンピュータ、
２５  ユニット制御器、
２６  電源部、
２７  制御部、
２８  駆動部、
２９  通信ポート、
３０  通信ライン、
３１  開閉検出器、
１０１  端子、
１０２  コイル、
１０３  ケース、
１０４  部材ａ、
１０５  部材ｂ、
１０６  部材ｃ、
１０７  部材ｄ、
１０８  シャフト、
１０９  弁棒、
１１０  ダイヤフラムおさえ、
１１１  ダイヤフラム、
１１２  弁座、
１１３  流体入口、
１１４  流体出口、
１１５  バネ、
１１６  ボンネット、
１１７  ボンネット１１６とケース１０３とを固定するネジ、
１１８  シャフト１０８をプランジャ１１９に固定するネジ、
１１９  プランジャ、
１２０  アクチエータボディ、
１２１  バルブボデイ、
１２２  ボンネットナット、
１２３  ベローズ、
１２４  部材ｅ、
１２５  止めネジ、
１２６  弁座おさえ、
４０１  計装用ガス入口、
４０２  アクチエータ、
４０３  弁棒、
４０４  ダイヤフラム、
４０５  弁座、
４０６  流体入口、
４０７  流体出口、
４０８  バネ、
４０９  アクチエータキャップ、
５０１  端子、
５０２  コイル、
５０３  鉄心、
５０４  プランジャ、
５０５  バルブディスク、
５０６  弁座、
５０７  流体入口、
５０８  流体出口、
５０９  バネ。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明に係る流体制御バルブの一例を示す模式的な断面図である。図１において、１０１は端子、１０２はコイル、１０３はケース、１０４は部材ａ、１０５は部材ｂ、１０６は部材ｃ、１０７は部材ｄ、１０８はシャフト、１０９は弁棒、１１０はダイヤフラムおさえ、１１１はダイヤフラム、１１２は弁座、１１３は流体入口、１１４は流体出口、１１５はバネ、１１６はボンネット、１１７はボンネット１１６とケース１０３とを固定するネジ、１１８はシャフト１０８をプランジャ１１９に固定するネジである。
上述したダイヤフラムおさえ１１０とダイヤフラム１１１は、図１４に示すように、弁座おさえとして一体化されたものであっても構わないし、弁座おさえの周囲にベローズを配置しても良い。
本発明に係る流体制御バルブにおいて、弁座１１２とダイヤフラム１１１との間を開閉するために用いる駆動部は、ダイヤフラム１１１にダイヤフラムおさえ１１０及び弁棒１０９を介して圧力を加える棒状のシャフト１０８と、前記棒状のシャフト１０８の周囲に固定された部材ａ（１０４）から構成される。
部材ａ（１０４）は、飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の鉄・コバルト系合金又は鉄・ニッケル系合金からなる磁性体材料が好ましい。
コイル１０２は、シャフト１０８との間に空間部を有し、シャフト１０８と平行する位置に設けた。コイル１０２が電磁誘導により部材ａ（１０４）を上下動させると共に、バネ１１５の力も利用することによって、弁座１１２とダイヤフラム１１１との間を開閉することができる。
また、コイル１０２の周囲に、部材ａ（１０４）と同じ磁性体材料からなる部材ｂ（１０５）、部材ｃ（１０６）、部材ｄ（１０７）を適宜配置することにより、コイル１０２の一端から外にわき出した磁界を、各部材ｂ、ｃ、ｄの中を通ってコイルの他端に誘導することができる。従って、コイル１０２で発生した磁界を有効に利用できるため、コイル１０２が部材ａを吸引する力が増加し、より応答時間の小さな流体制御バルブがえられる。
また、直列状に配置された複数個のコイルを用い、該複数個のコイル間に、前記部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｅを設けることにより、駆動力の増加が図れる。
さらに、部材ａ（１０４）を構成する磁性体材料に５重量％以下のバナジウムを含有させた場合、材料の加工性が改善される。また、磁性体材料の透磁率も増加するため、コイルから外にわき出した磁界をさらに強く誘導できる利点もある。
また、前記コイルへ供給する励磁電流を、開弁までの大きな初期駆動電流と、開弁後に開弁状態を保持するための小さな保持電流とに分けて供給することによって、上述したコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける動作を行う駆動部に於ける消費電力を抑制できるとともに、コイルの加熱による損傷が防止できる。
また、前記コイルへ供給している励磁電流を遮断したあと、僅かな時間ｔを置いて短時間だけ再度励磁電流を該コイルへ供給することによって、弁座おさえのソフトランディング制御が可能となる。すなわち、前記バネによる弁座方向への押圧力が低減されるので、閉弁速度が減少することによって弁座おさえの弁座に対する衝撃的な接当が緩和され、弁座や弁座おさえを損傷する虞れが皆無となる。
また、前記コイルと、前記部材ａ、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に位置する間隙Ｇ内へ磁性流体を流入・流出自在に充満せしめた構成としたことにより、弁体ストロークに相当するギャップＧの部分の磁気抵抗を下げることができる。その結果、上述したコイルの発生する電界によって、部材ａをコイル方向に高速度で引きつける動作を行う駆動部の小型化が図れる。
また、前記部材ａと、前記部材ｂ及び前記部材ｃとの間に厚さ０．０５ｍｍの樹脂皮膜を介在せしめた構成としたことによって、開弁操作時に部材ａが前記部材ｂ及び前記部材ｃの端面へ衝突することにより、発生する虞れがある衝突音を減少させることが可能である。
以下では、本発明に係る流体制御バルブの弁の開閉動作を、図１に基づき詳細に説明する。但し、図１は、弁の開閉状態がノーマルクローズ型の模式的な断面図であり、弁が閉じている状態を示している。
（閉→開の動作）
端子１０１より電気が入力されコイル１０２に通電することによりコイル１０２が電磁誘導され、コイル１０２並びにケース１０３に固定された部材ｂ（１０５）及び部材ｃ（１０６）と、部材ａ１又は部材ａ２（１０４）とが接触し、それに伴い部材ａ１又は部材ａ２（１０４）が固定されている棒状のシャフト１０８を押し上げるためシャフト１０８で抑えていたダイヤフラム１１１と弁座１１２とが離れ、流体入口１１３から流体出口１１４に流体が流れる。
（開→閉の動作）
コイル１０２への通電を遮断することによりコイル１０２の磁界が消滅し、コイル１０２並びにケース１０３に固定された部材ｂ（１０５）及び部材ｃ（１０６）に接触していた部材ａ１又は部材ａ２（１０４）が離れ、それに伴い部材ａ１又は部材ａ２（１０４）が固定されている棒状のシャフト１０８がバネ１１５の力により押し下げられるため、シャフト１０８はダイヤフラム１１１を押さえダイヤフラム１１１と弁座１１２とが接触し、流体入口１１３から流体出口１１４への流体の流れが止まる。
本発明の流体制御バルブは、電気信号による高速、かつ一定の開閉操作が行え、しかも小型で信頼性の高い電子制御型流体制御バルブであり、さらに、信頼性を高めるには、接ガス部全表面に水枯れ特性、耐食性、非触媒性に優れた酸化クロム不働態処理、フッ化物に優れた耐食性を有するフッ化不働態処理を行うことが望ましい。
実施例
以下、図面を参照して本発明に係る流体制御バルブ及び流体供給・排気システムを説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
本例では、図１に示した流体制御バルブを構成する部材ａとして飽和磁束密度Ｂｓが０．５〜２．３テスラの各種材料（Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金など）を用い、弁を開閉動作できるコイル径：Ｌを調べた。コイル径：Ｌは、コイル１０２の巻数を７５０〜１５００Ｔ（０．３ｍφ、１２．６Ω・２０℃）の範囲で変えることによって変化させた。その際、コイルのシャフト方向の長さは所定の値に固定した。図６は、流体制御バルブを構成する部材ａの飽和磁束密度と、弁が開閉動作できるコイル径とを示すグラフである。
図６から、以下の点が明らかとなった。
（１）Ｂｓを増すにつれて、弁を開閉動作できるコイル径の小型化が図れる。
（２）現在商品化されている流体制御バルブのアクチュエータボディ内径（約３０ｍｍ）と同等以下のコイル径：Ｌとするためには、部材ａとして飽和磁束密度Ｂｓが２．０テスラ以上の材料を用いる必要がある。
（３）また、通常の流体制御バルブのアクチュエータボディ内径（約３０ｍｍ）と同等以下のコイル径：Ｌとした場合、施工時（バルブに装備されている継手を他の部材と接続する時）に、大きなコイル径が原因となりバルブボディへの継手の接続が困難となる問題を回避できる。
（実施例２）
本例では、図１に示した流体制御バルブを構成する部材ａとして、２種類の部材ａ１（鉄・コバルト系合金からなる磁性体材料）及び部材ａ２（鉄・ニッケル系合金からなる磁性体材料）を用い、かつ、この２種類の部材の飽和磁束密度を変えて、弁の応答時間（すなわち、弁が閉の状態から開の状態となるのに要する時間）を測定した。異なる飽和磁束密度部材を有する部材ａ１及び部材ａ２は、各合金の組成比を変更することにより作製した。
但し、本例では図１に示した部材ｂ、ｃ、ｄは配置しておらず、これら３つの部材を設ける場所は空間領域とした。
コイル径は３０ｍｍに固定し、他の点は実施例１と同等とした。
図２は、部材ａ１及び部材ａ２の飽和磁束密度とバルブの応答時間との関係を示すグラフである。また図２の中には、流体入口から圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2のガス（窒素）を充填し、バネの力を利用してダイヤフラムを弁座に押しつけることによりガスの流れを閉止している状態から、コイルに一定の電圧にて通電を行い電磁誘導によりバネの力より強い力で部材ａ１又はａ２を引き上げて、流体入口に充填しているガスを流体出口へ供給しようとしたときの弁の開閉状態も示した。
図２の結果から、次の点が明らかとなった。
（１）部材ａ１及び部材ａ２の飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）未満の場合、弁は作動しなかった（弁が閉から開の状態にならなかった）。
（２）部材ａ１及び部材ａ２の飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の場合、弁は作動した（弁が閉から開の状態になった）。
（３）弁が作動する領域（すなわち、部材ａ１及び部材ａ２の飽和磁束密度が２Ｔ（テスラ）以上の領域）では、１０msec以下の応答時間がえられた。
より具体的な測定結果を図８及び図９に示す。図８及び図９は、図１に示した流体制御バルブの開弁作動時及び閉弁作動時の作動特性を示すものであり、開弁時には、操作信号Ｓがｏｎになってから約０．００７ｓｅｃ後に、弁は全開状態となる（弁体リフト約０．３ｍｍ）。また、閉弁時には、操作信号Ｓをｏｆｆにしてから約０．００３１ｓｅｃ後に弁は全閉状態となる。
即ち、本発明の流体制御バルブの場合、少なくとも約０．０１秒以下の高速で弁を全閉から全開にすることができ、且つ約０．００５秒以下で弁を全開から全閉にすることができる。換言すれば、本発明の流体制御バルブは、従前の空圧弁と比較して、駆動部の外形寸法は高さ、横幅、奥行ともほぼ同等のサイズを維持したままで、弁の作動速度を約１０倍に高速化できたことを意味する。
従って、本発明の請求項１又は請求項２に係るバルブ構造を有し、かつ、部材ａ１及び部材ａ２の飽和磁束密度を２Ｔ（テスラ）以上とすることにより、圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2以下のガスを、数ｍｓｅｃ台の応答時間で安定して制御できることが分かった。
（実施例３）
本例では、前記コイルと前記部材ａとの間に位置する間隙Ｇを調整する手段を設けた場合について述べる。
図１に示すように、筒状のプランジャ１１９の内方には、弁棒１０９の上端へ一体的に形成した非磁性材製のシャフト（ＳＵＳ３１６）１０８が挿通されており、当該シャフト１０８の上端に設けたネジ部へプランジャ１１９の上端に固定した固定ネジ１１８を螺合することにより、プランジャ１１９がシャフト１０８へ上・下位置調整可能に支持した。このような構成により、コイル１０２と部材ａ１０４との間に位置する間隙Ｇを調整する手段とした。
即ち、シャフト１０８はバネ１１５により下方へ約１７ｋｇｆの力Ｆで附勢されており、ネジ１１８の締込み量を調整することによりプランジャ１１９が上・下方向へ移動され、これによって部材ａ１０４とコイル１０２の下端面との間隙Ｇ、作動ストロークＧを例えば０．４ｍｍに調整した。
図７は、初期ギャップＧを変えて、図１の駆動部における励磁電流と吸引力との関係を調べたグラフである。
図７から、Ｇ＝０．４ｍｍとしたとき、約２．３Ａの励磁電流でもって２０ｋｇｆの吸引力が得られることが分かった。
本例では、駆動部のプランジャ吸引力は約２０ｋｇｆ（プランジャ作動ストローク約０．４ｍｍの時）に設定したが、バネ１１５の力Ｆの値によって適宜調整して構わない。
また、本例では、弁棒１０９とシャフト１０８を一体的に形成したが、両者を別体に形成するようにしても良い。
（実施例４）
本例では、図１に示した流体制御バルブに部材ｂ、ｃ、ｄは配置した点が実施例１と異なる。部材ａ１としては、飽和磁束密度が２．２Ｔ（テスラ）の鉄・コバルト系合金からなる磁性体材料を用いた。部材ｂ、ｃ、ｄとしては、部材ａ１と同じ磁性体材料を用いた。また、部材ｂ、ｃ、ｄの配置は、表１の組み合わせとした。
他の点は、実施例２と同様とした。
表１には、実施例２と同じ条件で弁の応答時間を測定した結果を示した。但し、表１に示した応答時間は、部材ａ１のみ用いた（すなわち部材ｂ、ｃ、ｄを用いなかった）実施例１で得られた応答時間で、各部材の組合わせとした際に得られた応答時間を割って規格化した値である。
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表１から、コイル１０２の周囲に、部材ａｌ（１０４）と同じ磁性体材料からなる部材ｂ（１０５）、部材ｃ（１０６）、部材ｄ（１０７）を適宜配置することにより、コイル１０２の一端から外にわき出した磁界を、各部材ｂ、ｃ、ｄの中を通ってコイルの他端に誘導するため、コイル１０２で発生した磁界を有効に利用できる。その結果、コイル１０２が部材ａ１を吸引する力が増加し、より応答時間の小さな流体制御バルブがえられた。
上述した結果は、弁を閉の状態から開の状態とするのに要する時間であるが、逆に、弁を開の状態から閉の状態とするのに要する時間も同様の結果であった。
本例では、部材ａ１（鉄・コバルト系合金からなる磁性体材料）を用いた結果を示したが、部材ａ１の代わりに部材ａ２（鉄・ニッケル系合金からなる磁性体材料）を用い、部材ｂ、ｃ、ｄを部材ａ２と同じ磁性体材料としても本例と同様の結果がえられることが確認された。
本例では、部材ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びアクチュエータボディ１２０を円筒形としているが、これを角筒状としても構わない。
（実施例５）
本例では、図１３に示すように、シャフトと平行する位置に設けたコイル１０２が、直列状に配置された複数個のコイルから構成されている流体制御バルブについて述べる。図１３の流体制御バルブは、図１の流体制御バルブにおいて部材ｂ、ｃ、ｄを全て配置した構成（実施例３の部材の組合せ４）であり、他の点は実施例３と同様にした。
より具体的には、アクチュエータボディ１２０の外径は２８ｍｍ及び内径は２３．６ｍｍφ、アクチュエータボディ１２０の上端面からバルブボディ１２１の軸芯線までの高さは約１０２ｍｍ、部材ｄ１０７の上端面から部材ａ１０４の下端面（非通電時）までの距離は５０．４ｍｍ、コイル１０２の巻数は９４０Ｔ（０．３ｍφ、１２．６Ω・２０℃）、プランジャ１１９の外径は６ｍｍ、シャフト１０８の外径は３ｍｍに夫々設定した。
コイル１０２は、直列状に組み合わせた２個コイル１０２ａ、ｂとし、これらの間には、部材ａと同じ磁性体材料からなる部材ｅ１２４を設けた。
その結果、コイル１０２を直列状に組み合わせた２個コイルとした場合は、コイル１０２を１個のコイルとした場合に比べて、コイルの発生する電界によって、部材ａ１０４をコイル方向に高速度で引きつける力、すなわち駆動力を増加させることができる。また、部材ｅ１２４を設けることによって、引きつける力、すなわち駆動力の均一化も図れる。
（実施例６）
本例では、本発明の流体制御バルブを用いて構成された流体供給・排気システムとして、図３に示す一例に挙げて、その効果を説明する。
図３は、ボンベ、流量制限器、バルブからなる流体供給・排気システムと、このシステムから流体が導入される装置と、を示す模式図である。例えば、装置内が減圧状態の場合、通常ボンベから供給されているガスを置換するときは、一旦バルブＥを閉じ、次にバルブＤを閉じた後、バルブＣを開けてから、Ｂ、Ａの順番でバルブを切り替える（通常ボンベガスの方がパージガスより圧力が高いため）。ところか、従来の空圧式バルブのように応答速度が遅いバルブを用いた場合、各バルブの動作時間に大きなズレが発生するため、排気からの混入（バルブＣがバルブＥ、Ｄが閉まるより前に開いた場合）や、流体（パージガス或いはボンベガスを指す）の混入（バルブＡ、Ｂの開閉の順番が入れ替わる場合）、といった現象が起こる。またボンベガスのガス種を切り替えるときにも、同様の現象が起こりうる。
従来の空圧式バルブを用いたシステムでは、上述した問題点を克服するため、計装用チューブの長さを適宜変えて配置することにより、各バルブの動作時間のズレを時間調整していた。
一方、このようなシステムに本発明の流体制御バルブを適用した場合、本発明の流体制御バルブでは数ｍｓｅｃ台という応答時間の速いガス切り替えが可能となったため、従来のシステムで発生していた逆流や逆拡散等の問題点が克服できると共に、従来必要であった計装用のシステムが不要となるため、既存のガスシステムに必要な占有容積を大幅に削減できる。
（実施例７）
本例では、図１０を用い、本発明の流体制御バルブを用いて構成された流体供給・排気システムをさらに具体的に説明する。
当該流体供給・排気システムは、中央制御等に設けた制御用コンピュータ２４からの操作信号Ｓにより、複数個（最大約２０基位）の流体制御バルブをその近傍に設けたユニット制御器２５を介して開閉制御するように構成されている。
前記ユニット制御器２５は電源部２６、制御部２７、駆動部２８ａ〜２８ｎ、通信ポート２９を夫々備えており、また各流体制御バルブには必要に応じて弁開・検出器３１が設けられている。
また、前記制御コンピュータ２４とユニット制御器２５間はシリアル通信方式により専用プロトコルで接続されており、各流体制御バルブに対する操作信号Ｓが通信ライン３０を通して与えられる。
即ち、通信ライン３０を通して操作信号Ｓがユニット制御器２５へ入力されると、制御部２７を介して駆動部２８ａ〜２８ｎが作動され、各流体制御バルブの励磁電流がｏｎ・ｏｆｆされる。
また、必要に応じて各流体制御バルブの開閉検出器３１から制御部２７へ各流体制御バルブの弁の作動状態を示す信号Ｐが入力され、制御コンピュータ２４へ返信される。
前記ユニット制御器２５の制御部２７では、必要に応じて励磁電流Ｉの調整制御や閉弁時のダイヤフラム１１１のソフトランディング制御が行なわれる。
即ち、各流体制御バルブの駆動部は、大吸引力下に於ける高速作動を可能にするため、起動時初期には大きな励磁電流Ｉを必要とする。しかし、開弁によりギャップＧが小さくなるにつれて所要励磁電流Ｉは小さくなり、消費電力やコイル１０２の過熱を防止するためには、開弁後には励磁電流を順次減少させるのが望ましい。
また、ダイヤフラム１１１は、コイル１０２の励磁電流Ｉがｏｆｆになるとバネ１１５の弾性力により弁座１１２側へ高速で衝撃的に押圧されるため、衝撃音を生じたり、或いはダイヤフラム１１１や弁座１１２に損傷を生ずることになる。
そのため、制御部２７は図１１に示す如く、開弁作動をする起動初期（約１０ｍｓｅｃ間）には励磁電流Ｉを最大値にし、開弁後は励磁電流Ｉをバネ１１５の弾性反力に対抗し得るだけの吸引力を発生する電流値に減少させる。
その結果、各流体制御バルブの駆動部に於ける消費電力が減少すると共に、コイル１０２の過熱による損傷が防止される。
例えば、温度上昇値を３０℃に制限すると、初期通電時間（最大励磁電流の状態）が０．１秒の場合には、流体制御バルブの繰り返し開閉周期を約３．６秒以下とすることができず、開閉周期を３．６秒以下にすると、温度上昇が３０℃を越えることになる。
これに対して、図１１に示す如く初期通電時間を０．０１秒とすれば、温度上昇値を３０℃としたときの最少繰り返し開閉周期を約１．５秒にまで短縮できることが確認されている。
また、前記ダイヤフラム１１１のソフトランディング制御として、制御部２７は図１１に示す如く、励磁電流Ｉをｏｆｆにした後、ｔｍｓｅｃ経過後に短時間再通電させる。これにより、バネ１１５による下方向への押圧力が低減され、閉弁速度が減少することによってダイヤフラム１１１の弁座１１２に対する衝撃的な接当が防止される。
尚、図１１の励磁電流Ｉの再通電のタイミングは、操作信号Ｓがｏｆｆになってから通電開始までの時間ｔ（図１１参照）を予め設定しておく方法でよいが、その他に、流体制御バルブ側に設けたスイッチ機構やポテンショセンサーの作動によって、再通電用の所謂トリガー信号を得るようにした方法等であってもよい。
また、前記ソフトランディング制御としては、電気的制御に代えて機械的制御方法例えばアクチエータボディ１２０の内部下方部にゲル状の半流動性物質を充填し、これによって閉弁時の弁棒１０９の下降時に所謂ダンピング作用を与える等の方法であってもよい。
また、前記図１の実施態様では図示されていないが、流体制御バルブの駆動部の小型化を図るためには、弁体ストロークに相当するギャップＧの部分の磁気抵抗を下げることが必須である。そのため、前記空間Ｇ内へ磁性流体を流入・流出自在に充填して、部材ａ１０４の吸着作動時には磁性流体を空隙Ｇ内から外部へ排出させ、部材ａ１０４の移動の妨げとならないようにする方法等を採用してもよい。これにより、流体制御バルブの駆動部は、図１の約１０〜２０ＶＯＬ％程度小型化することが可能となる。
更に、図１の流体制御バルブでは、開弁操作時に部材ａ１０４が部材ｂ１０５又は部材ｃ１０６の端面へ衝突することにより、衝突音を生ずる虞れがある。そのため、部材ａ１０４と部材ｂ１０５又は部材ｃ１０６の端面間へ厚さ約０．０５ｍｍ程度の４フッ化エチレン樹脂からなるシートを挿入することにより、吸着力Ｆに大きな影響を与えることなく前記衝突音を減少させ得ることが確認されている。４フッ化エチレン樹脂以外に、例えば３フッ化エチレン樹脂、シリコン樹脂等から構成された樹脂皮膜であれば同様の効果が期待される。また、本例では樹脂皮膜の厚さを約０．０５ｍｍとしたが、この厚さは弁ストロークの大きさによって適宜決められる数値である。
図１２は本発明に係る流体制御バルブの他の一例を示すものであり、弁の開閉をノーマルオープン形としたものである。
図１２の流体制御バルブでは、バネ１１５によってシャフト１０８が常に上方へ附勢されており、ダイヤフラム１１１は弁座１１２から離れ、流体入口１１３から流体出口１１４へ向けて、流体が常時流れるような状態（弁が開放された状態）となっている。
一方、コイル１０２が励磁されると、部材ａ１０４が吸着されてプランジャ１１９及びシャフト１０８が下方向へ押圧され、ダイヤフラム１１１が弁座１１２へ接当することにより、流体入口１１３から流体出口１１４へ向けた流体の流れは堰き止められる（弁が閉鎖された状態となる）。
尚、図１２の流体制御バルブそのものの構成は前記図１の場合と全く同様である。
図１４は本発明に係る流体制御バルブの他の一例を示すものであり、弁座おさえの周囲にベローズを配置したものである。他の点は、図１に示した流体制御バルブそのものの構成と全く同様である。
弁座おさえの周囲にベローズを配置することによって、バルブの開閉における耐久性に優れた流体制御バルブが得られる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2程度の流体を安定して制御することができ、バルブの応答時間が数ｍｓｅｃ台の高速であり、バルブの小型化も図れ、かつ、複数個のバルブで構築した場合にガスの逆流が少ない、流体制御バルブ及び流体供給・排気システムがえられる。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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