JP2553398B2

JP2553398B2 - バルブ駆動機構

Info

Publication number: JP2553398B2
Application number: JP1296574A
Authority: JP
Inventors: 正次大川; 龍彦古門
Original assignee: Takano Corp
Current assignee: Takano Corp
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPH03177670A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は流体の質量流量を精密に自動制御するバルブ
機構に関するものである。

（ロ）従来の技術従来超LSIの製造に使用される、多種多様な流体の質
量流量を精密に自動制御するバルブ機構は、第５図側断
面図に示すように、バルブ部11と駆動部51とよりなって
いる。

バルブ部11は、バルブ筐体12の一方の壁に流体の入口
13及び出口14を設け、入口13からの流体流量は、PCTFE
（ポリクロロフルオエチレン）よりなるバルブ本体15の
上下移動により、流体シール部16を開閉させて制御する
ようになっている。即ちバルブ本体15はフラットプラグ
になっている。バルブ本体15はスプリング17で押し上げ
られ、バルブ本体15の突出部18で、バルブダイヤフラム
19の中心部を押し上げる機構になっている。バルブ筐体
12、バルブダイヤフラム19及び入、出口のパイプはすべ
てSUS−316（ステンレススチール）で出来ていて、フッ
素化合物、塩素化合物などの腐蝕性気体にも安心して使
用出来るようにしてある。又バルブ本体15をPCTFEで、
弁座（バルブ筐体）をSUS−316で構成することによりパ
ーティクルな塵埃の発生を防止している。

バルブ本体15の上下移動を誘起する駆動部は51に示す
ようにピエゾドライバが用いられている。これは、チタ
ン酸バリウム等の薄い圧電素子を多数枚積層したピエゾ
素子、52、52、52をケース53内部に積み重ね、下端をバ
ルブ押しピース54、上端を調整ピース55で挟みつけてい
る。

ピエゾドライバ51の取付座56とバルブ筐体12を固着
し、ピエゾ素子52、52、52に最高直流電圧を印加して伸
びた状態とし押しねじ57をねじ込むと、ボール58を介し
て、調整ピース55、ピエゾ素子52、52、52バルブ押しピ
ース54を押し下げバルブ押しピース54の先端59が、バル
ブダイヤフラム19の中心部を押し、バルブダイヤフラム
19はδ_０だけ変位し、バルブ本体15は、流体シール部16
を閉ぢる。δ_０は高々0.1mm以下である。

この状態でピエゾ素子52、52、52に印加する直流電圧
を減すれば、バルブダイヤフラム19の復元力と、スプリ
ング17によって、バルブ本体15が押し上げられ、流体シ
ール部16が開き、流体は入口13から出口14へ流出する。
而して図示していないセンサによって流出流体の質量流
量を検知し、その検出された質量流量出力信号と、流量
設定信号を比較し、両者が一致するようにピエゾ素子5
2、52、52への印加電圧を自動制御すれば流体の質量流
量を自動制御することが出来る。

（ハ）発明が解決しようとする問題点ピエゾ素子52、52、52は、長さ方向のスチィネスs_p＝
引張又は圧縮力／変位が異常に大きい、例えば印加電圧
を数百ヴォルトに上昇しても、変位が高々0.05mm程度と
小さく、動きを制約したとき発生する力は100kg以上
にもなる。即ち、s_p＞２×10³kg/mmである。

従って流体シール部16の開きが小さく、制御出来る流
体の質量流量の上限が少なすぎる欠点があった。

又、押しねじ57をねじ込み、バルブ本体15が、流体シ
ール部16を閉じて流体の流出をストップさせるとき、バ
ルブ本体15を流体シール部16に押し付ける力（詳細は後
述する）は約5kgf程度で、そのときピエゾ素子52、52、
52の長さの変化量Δξはs_p≒２×10³kgf/mmとして、Δ
ξ≒5/2×10³＝2.5×10^-3mmである。即ち押しねじ57の
調整量が非常に少ないため調整しがたい欠点があった。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、上記欠点をなくすためになされたもので、
その特徴とするところは、流体の質量流量を制御するバ
ルブとして、フラットプラグバルブを用い、高強度、高
靱性な材料よりなるソレノイドダイヤフラム28の外周を
軟磁性材よりなるヨーク26の突出円筒部29とリング30で
挟み、小ねじ31でクランプし、ソレノイドダイヤフラム
28の内周を軟磁性材よりなるプランジャ24とクランプリ
ング32で挟み、ナット33でクランプしてプランジャ24を
ヨーク26に保持させ、プランジャ24の上部に非磁性材よ
りなるガイドピン36を固着、軟磁性材よりなる磁極27に
埋め込まれた軸受37内を滑動し得るようにし、磁極27は
プランジャ24との間の磁気空隙41の空隙長δ_２が調整し
得るように軟磁性材よりなるヨーク25に固着し、プラン
ジャ24を周回するように捲かれたコイル43とでソレノイ
ド部22を構成する。而して、該ソレノイド部22を軟磁性
材よりなるケース23内に波形ワッシャー44を介して収納
し、リングねじ45で該ソレノイド部22のケース23内での
位置が調整できるように構成したことにある。

（ホ）作用プランジャを支持する円環状ダイヤフラムは、これを
支持クランプする外、内径の大きさ及びその厚さを変化
させることにより、プランジャ直進方向のスチィフネス
Sd＝プランジャを動かす力／変位、を相当高範囲に設定
することが出来る。従って直進型ソレノイドの磁気空隙
が零付近の磁気吸引力のスチィフネスSm＝磁気吸引力／
磁気空隙長、に対して大きく、且つピエゾ駆動部のスチ
ィフネスSpより小さくした円環状ダイヤフラムを提供す
ることが出来るので、直進型ソレノイドへの供給電力を
増減することにより流体の質量流量を従来のものより多
量に制御することが出来る。

又、プランジャ直進方向のスチィフネスS_dがピエゾ駆
動部のスチィフネスs_pより十分小さく出来るので、流体
の流出をストップさせるバルブ本体15を流体シール部16
に押し付ける力が同じでもリングねじ45の調整量が大き
いので調整が容易に出来る。

（ヘ）実施例以下図面について詳細に説明する。

第１図は本発明の駆動部として用いた、直進型ソレノ
イドの一実施例を示す側断面図、第２図は第１図駆動部
とバルブ部を結合した状態を示す側断面図である。

第１図において21は本発明の駆動部として用いた直進
型ソレノイドで、ソレノイド部22と、軟磁性材よりなる
ケース23と、波形ワッシャー44と、リングねじ45より構
成される。

24は、軟磁性材よりなるプランジャ、25及び26は軟磁
性材よりなるヨーク、27はプランジャ24を吸引する軟磁
性材よりなる磁極。28は例えばニッケル、コバルト、ク
ローム、モリブデン鋼（９％Ni、９％Co、８％Cr、４％
Mo、0.1％Al、0.4％T_s、0.01％Ｃ残りF₀）を眞空中又は
水素中で480℃５時間時効硬化処理し、高強度、高靱性
とした材料よりなる、薄い厚さｔのソレノイドダイヤフ
ラムで、その外周をヨーク26の突出円筒部29とリング30
で挟み、小ねじ31でクランプする、2aはそのクランプ外
径である。又ソレノイドダイヤフラム28の内周をプラン
ジャ24とクランプリング32で挟み、ナット33をプランジ
ャ24の先端ねじ部34にねじ込みクランプする、2bはその
クランプ内径である。而してプランジャ24は中心部に保
持され、ヨーク26との間に磁気空隙35が構成される。36
は非磁性材よりなるガイドピンでプランジャ24の上部に
固着、磁極27に埋め込まれた軸受37内を滑動するように
なっている。従ってプランジャ24の変位は、ソレノイド
ダイヤフラム28とガイドピン36によって上下方向のみに
限定される。38は薄いスペーサで、ヨーク25と磁極27の
鍔39で挟み、小ねじ40で締め付ける。スペーサ38の厚さ
を調整することにより、磁気空隙41の空隙長δを調整す
ることが出来る。空隙長δを調整する方法として、図示
していないが、ヨーク25に磁極27をねじ込む構造として
も可能である。42は絶縁材よりなるボビン、43はボビン
42にプランジャ24を周回するように捲かれたコイル。以
上でソレノイド部22を構成している。

44は波形ワッシャー、45はリングねじで，リングねじ
45をねじ込むことにより、ソレノイド部22は波形ワッシ
ャー44を変形させて、ケース23内部に固定される。

46はプランジャ24の下部突出部、47は駆動部21の取付
座、48は取付座47の底面である。

第２図はバルブ部11と駆動部21を結合した状態を示し
た側断面図で、11乃至19は第５図と、21乃至48は第１図
と同様である。

バルブ本体15はバルブダイヤフラム19の中心部をδ_０
だけ押し下げたとき、流体シール部16が閉じるようにな
っている。

は高々0.1mm程度であるが、バルブダイヤフラム19はSUS
−316で出来ていてSUS−316の耐力が約21kgf/mm²と低い
ため、この程度の変形で、バルブダイヤフラム19の内部
応力は比例限界値を越えて、塑性変形の範囲内に入って
しまう。即ちバルブダイヤフラム19の復元力は無いもの
と見なさなければならない。

バルブ本体15を押し上げる力は、スプリング17によっ
て与えられる。スプリング17は又、入口流体が眞空に近
い状態でもバルブ本体15を押し上げなくてはならない、
この力をFoとする。一方入口流体圧がｐ気圧のとき、流
体シール部16を閉ぢておくために、Fpの力が必要である
とすると、バルブ本体15を常時（F₀＋F_p＋α）の力で押
し付けていなければならない。（F₀＋F_p＋α）の力は、
ソレノイドダイヤフラム28を第２図に示すようにδ_１だ
け変形させて発生させる。その方法の一つは、駆動部21
の取付座47とバルブ筐体12とを固着し、入口流体圧を
（ｐ＋Δｐ）気圧とし、リングねじ45をねじ込んで、ソ
レノイド部22を下方に押し下げ、流体出口14からの流体
の流出が無くなるのを確認することによって遂行され
る。

磁気空隙41の空隙長δ_２はスペーサ38の厚さを調整し
δ_２≒δ_０に調整する。

第３図及び第４図は本発明バルブ駆動機構の動作を説
明する図である。

第３図実線はコイル43への直流印加電圧V_cをパラメー
タとし、プランジャ24の磁気吸引力F_Mを縦軸に、磁気空
隙41の空隙長δを横軸にとって測定したF_Mの実測例であ
る。

第４図はソレノイド部22の外側を固定し、プランジャ
24の先端46に押し上げ力Fdを加えたときの、プランジャ
ダイヤフラム28の変位ξを横軸にとり、Fdを縦軸にとっ
て測定した、Ｆの実測例である。

第３図点線は第３図F_Moと第４図F_doが等しくなるよう
に、第４図の実測値を変位方向が逆になるように画いた
ものである。

第３図及び第４図でプランジャダイヤフラム28にδ₁
の変位を与えるには（F₀＋F_p＋α）の力を、プランジャ
24の先端46に加えなければならない。即ちバルブ本体15
は（F₀＋F_d＋α）の力で、流体シール部16を押し付けて
いることになる。

又コイル43への印加電圧がV_c1以下ではプランジャ24
は静止しているが、印加電圧をV_c1、V_c2、V_c3のように
増加すると、プランジャダイヤフラム28を変形させる力
F_dと磁気吸引力F_Mとの釣合い点がＡ、Ｂ、Ｃの順に移動
し、バルブ本体15がスプリング17によって押し上げら
れ、流体シール部16が順次開かれ、流体は入口13か出口
14へ流出する。而して図示していないセンサによって流
出流体の質量流量を検知し、その検出された質量流量出
力信号と、流量設定信号を比較し、両者が一致するよう
にコイル43への印加電圧を自動制御すれば、流体の質量
流量を自動制御することが出来る。

尚ケース取付座47の底面48が平坦になっているのは、
入口流体圧が誤って規定値より上昇した場合でも、バル
ブダイヤフラム19が底面48で支えられ、無益な変形を起
こさないためである。

（ト）効果以上図面について詳細に説明したが、本発明によるバ
ルブ駆動機構で流体流量を自動制御出来るための必要且
つ十分條件は、次の通りである。

（１）規定の直流入力電力によって磁気空隙41の空隙長
δが零のときの磁気吸引力が第３図F_Mo以上であるこ
と。

（２）プランジャダイヤフラム28のスチィフネスsdが、
磁気吸引力のスチィフネスsmより大きいこと。

（３）プランジャダイヤフラム28の内部応力が、その材
料の比例限界内であること。

（１）の條件は、ソレノイドの大きさによって満足さ
せることが出来る。

（２）及び（３）の條件は、本発明のプランジャダイ
ヤフラム28の即ち円環状ダイヤフラムによって満足させ
ることが出来る。

即ち円環状ダイヤフラムのスチィフネsdと、内部応力
の最大値σ_maxは例えば、S.TIMOSHENKO著、北畠顕正、
片山健太郎共訳「材料力学」下巻P106コロナ社によれ
ば、材料のヤング率をＥ、バッソン比をν、ｙ＝b/aと
して（１）式及び（２）式の通りである。

荷重Ｐを加えたときσ_maxは円周部に生じ（１）式sdは円環状ダイヤフラムの変位ξが、厚さｔ
に対して同程度以上になると徐々に増大する。従ってσ
_maxも（２）式で示す値より大きくなるが、円環状ダイ
ヤフラムを決定する自由度がａ、ｔ及びｙと３種類もあ
るのでsdを、smより大きく、σ_maxを材料の比例限界値
内に止めることは容易である。

実施例によるsm及びsdの値は夫々（３）式の通りであ
った。

又、プランジャダイヤフラム28の材料、ニッケル、コ
バルト、クローム、モリブデン鋼の時効硬化後の比例限
界値は、200kgf/mm²以上で非常に大きく、プランジャダ
イヤフラム28を使用限度の２倍まで変位させ数十回繰返
しても永久歪は認められなかった。

（３）式sd≒33kgf/mmの値は、ピエゾ素子のスチィフ
ネスsp＞2000kgf/mmに比較して十分小さくなっているの
で、バルブ本体15の移動量を従来のものより大きくする
ことが出来るので、流体の質量流量の上限を大きく出来
る効果がある。

又、sd＝33kgf/mmであるから、流体の流出をストップ
させるバルブ本体15を流体シール部16に押し付ける力
（F_o＋F_p＋α）が約5kgfであるとすると、ソレノイドダ
イヤフラム28の変位δ₁は、δ₁≒5/33≒0.15mmと大きく
なり、リングねじ45による調整が容易になる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のバルブ駆動部として用いた、直進型ソ
レノイドの一実施例を示す側断面図、第２図はバルブ部
11と駆動部21を結合した状態を示した側断面図、第３図
及び第４図は本発明バルブ駆動機構の動作を説明する
図、第５図は従来のバルブ駆動機構の側断面図である。 11…バルブ部、12…バルブ筐体、13…流体入口、14…流
体出口、15…バルブ本体、16…流体シール部、17…スプ
リング、18…バルブ本体15の突出部、19…バルブダイヤ
フラム、20…駆動部、22…ソレノイド部、23…ケース、
24…プランジャ、25、26…ヨーク、27…磁極、28…プラ
ンジャダイヤフラム、29…ヨーク26の突出円筒部、30…
リング、31…小ねじ、32…クランプリング、33…ナッ
ト、34…プランジャ24の先端ねじ部、35…磁気空隙、36
…ガイドピン、37…軸受、38…スペーサ、39…磁極27の
鍔、40…小ねじ、41…磁気空隙、42…ボビン、43…コイ
ル、44…波形ワッシャー、45…リングねじ、46…プラン
ジャ先端、47…駆動部21の取付座、48…取付座47の底面
51…ピエゾドライバ、52、52、52…ピエゾ素子、53…ケ
ース、54…バルブ押しピース、55…調整ピース、56…ケ
ースの取付座、57…押しねじ、58…ボール、59…バルブ
押しピース54の先端

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の質量流量を制御するバルブとして、
フラットプラグバルブを用い、高強度、高靭性な材料よ
りなるソレノイドダイヤフラム28の外周を軟磁性材より
なるヨーク26の突出円筒部29とリング30で挟み、小ねじ
31でクランプし、ソレノイドダイヤフラム28の内周を軟
磁性材よりなるプランジャ24とクランプリング32で挟
み、ナット33でクランプしてプランジャ24をヨーク26に
保持させ、プランジャ24の上部に非磁性材よりなるガイ
ドピン36を固着、軟磁性材よりなる磁極27に埋め込まれ
た軸受37内を滑動し得るようにし、磁極27はプランジャ
24との間の磁気空隙41の空隙長δ_２が調整し得るように
軟磁性材よりなるヨーク25に固着し、プランジャ24を周
回するように捲かれたコイル43とで構成されたソレノイ
ド部22を軟磁性材よりなるケース23内に波形ワッシャー
44を介して収納し、リングねじ45で該ソレノイド部22の
ケース23内での位置が調整できるように構成したことを
特徴とするバルブ駆動機構。