圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁

【目的】製品ごとに応答性能のバラツキを少なくし、個別の調整を不要にし得る圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁を提供する。
【構成】流路が形成された弁本体３と、流路を開状態にして弁本体３に保持されたダイヤフラム４と、ダイヤフラム４の開閉方向へ移動可能に支持され、ダイヤフラム４を閉鎖可能な弁棒５と、ダイヤフラム４の閉方向への移動を阻止されるとともにダイヤフラム４の開方向への変形による変位を許容された状態で支持された圧電素子６と、圧電素子６の変位を許容された側の端部に当接することによって支持された作動部材７と、弁棒５の軸線Ｘを中心として放射状に配置され、圧電素子６の変位に伴う作動部材７の変位を拡大して弁棒５に伝えるように揺動自在に支持された複数の梃子体８と、を有することとした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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等に適用される圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁に係り、特に、圧電素子の変位を拡大して弁棒に伝える圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の制御弁として、上下方向に複数段配置した梃子体により、圧電素子の変位を拡大して弁棒に伝える変位拡大機構を備えた圧電素子駆動式ダイヤフラム制御弁が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１９７７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の制御弁は、上下方向に複数段配置した梃子体により、圧電素子から弁棒へ伝わる力は減少するが、変位量の小さい圧電素子の変位を拡大して弁棒に伝えるという点で優れた技術である。しかしながら、組み込まれている皿バネやコイルバネのバネ特性のバラツキ、変位拡大機構の構成等に起因して、製品ごとに応答性能のバラツキがあり、個別に調整が必要となるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解消するため、本発明に係る圧電素子駆動式ダイヤフラム制御弁は、流路が形成された弁本体と、前記流路を開状態にして前記弁本体に保持されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの開閉方向へ移動可能に支持され、該ダイヤフラムを閉鎖可能な弁棒と、前記ダイヤフラムの閉方向への移動を阻止されるとともに該ダイヤフラムの開方向への変形による変位を許容された状態で支持された圧電素子と、前記圧電素子の変位を許容された側の端部に当接することによって支持された作動部材と、前記弁棒の軸線を中心として放射状に配置され、前記圧電素子の変位に伴う作動部材の変位を拡大して前記弁棒に伝えるように揺動自在に支持された複数の梃子体と、を有することを特徴とする。
【０００５】
前記弁本体に固定され、前記梃子体を揺動自在に支持するベースを更に有し、前記ベースが、前記圧電素子の一端を該ベースに当接させることによって前記ダイヤフラムの閉方向への該圧電素子の移動を阻止するとともに、前記作動部材を前記弁棒の軸線方向に摺動自在に案内することが好ましい。
【０００６】
さらに、前記作動部材は、前記圧電素子を収容し且つ該圧電素子の他端に当接するキャップ体と、該キャップ体に連結されて前記ベースに摺動自在に案内された複数の連結ロッドと、該複数の連結ロッドに連結されて前記複数の梃子体に係合する係合部材と、を備えていることが好ましい。
【０００７】
また、前記梃子体と前記弁棒との間に可動体が配置され、前記可動体と前記弁棒とは、各々の対向する側の端面に錐状凹部が形成され、前記対向する錐状凹部に球体が介在されており、前記係合部材は、前記複数の連結ロッドに連結された連結プレートと、該連結プレートに突設されて前記梃子体に係合する凸部と、を備えており、前記可動体は、前記連結プレートを貫通して該連結プレートに摺動自在に案内されていることが好ましい。
【０００８】
前記複数の梃子体は、少なくとも３本の梃子体が、等角度間隔で配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁によれば、梃子体を作動させる作動部材は、圧電素子の変位側端部に当接して支持されているため、作動部材や梃子体を作動後に原位置へ復帰させるため等の皿バネやコイルバネを省くことができる。その結果、個体間のバラツキを減少させることができる。また、放射状に配置された複数の梃子体が弁棒を作動させるので、複数の梃子体の各々から弁棒に伝えられる力は、弁棒の軸線方向に向く分力を合成され、弁棒の軸線方向に対して傾斜する方向へ向く分力を打ち消しあうことができる。これらの結果、制御弁としての応答安定性が向上する。弁棒の軸線方向に対して傾斜する方向へ向く分力を打ち消し合わせるためには、３本以上の梃子体を等角度間隔で配置することが、より好ましい。
【００１０】
作動部材が弁棒の軸線方向に摺動自在に案内される構成は、作動部材の傾きやガタつきを防止して、制御弁としての応答安定性の向上に寄与し得る。作動部材が複数の連結ロッドを備え、該連結ロッドが摺動自在に案内される構成とすれば、作動部材をガイドする個所が増すことにより、応答安定性はいっそう向上し得る。
【００１１】
梃子体と弁棒との間に配置する可動体は、弁棒の軸ぶれを減少させる効果があるが、可動体を作動部材の連結プレートに摺動自在に案内させることで、可動体の軸ぶれを抑制して、弁棒の軸ぶれ防止効果を高め、制御弁としての応答安定性を高め得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁の一実施形態について、以下に図１〜図１４を参照して説明する。
【００１３】
本発明に係る圧電素子駆動式ダイヤフラム制御弁１は、図１に示すように、流路２ａ、２ｂが形成された弁本体３と、流路２ａを開状態にして弁本体３に保持されたダイヤフラム４と、ダイヤフラム４の開閉方向へ移動可能に支持されダイヤフラム４を閉鎖可能な弁棒５と、ダイヤフラム４の閉方向への移動を阻止されるとともにダイヤフラム４の開方向への変形による変位を許容された状態で支持された圧電素子６と、圧電素子６の変位を許容された側の端部に当接することによって支持された作動部材７と、弁棒５の軸線Ｘを中心として放射状に配置され圧電素子６の変形に伴う作動部材７の変位を拡大して弁棒５を変位させるように揺動自在に支持された複数の梃子体８と、を有する。
【００１４】
弁本体３には、流入路２ａおよび流出路２ｂを含む流路が形成されており、流入路２ａに環状の弁座３ａが形成されている。
【００１５】
ダイヤフラム４は、板バネ弾性を有する金属製ダイヤフラムを使用することができる。ダイヤフラム４は、ダイヤフラム４の周縁部が、弁本体３に載置されるとともに、インサート部材９を介して、弁棒５を軸線Ｘ方向に摺動自在に案内しているガイド部材１０、及び、押えナット１１によって、弁本体３に押圧固定されている。ダイヤフラム４は、いわゆるノーマルオープンタイプであり、非作動状態、すなわち、圧電素子６への非通電時には、図１に示すように、上側に凸に湾曲することによって流入ロ２ａを開き、流入口２ａと流出口２ｂとを連通させている。
【００１６】
弁棒５は、球面状の下端面を有し、該下端面がダイヤフラム４の上面に載っており、ダイヤフラム４の保有弾性によって支持されている。
【００１７】
弁棒５に形成されている鍔部５ａがガイド部材１０に形成されている段部１０ａに当接することによって、弁棒５の移動範囲が画定されている（図１及び図１４参照）。弁棒５をダイヤフラム４の側へ押せば、ダイヤフラム４が弾性変形して弁座３ａに押し付けられ、流入ロ２ａが閉じられる（図１４参照）。
【００１８】
ガイド部材１０にベース１２が、ボルト１４によって固定されている。ベース１２は、上部ベース１２ａ及び下部ベース１２ｂからなり、これら上部ベース１２ａ及び下部ベース１２ｂがボルト１３（図２参照）によって互いに連結固定されている。
【００１９】
下部ベース１２ｂは、図３、図４に示すように、４隅に支柱部材１２ｂ−１が立設されている。この支柱部材１２ｂ−１は、上部ベース１２ａを固定するボルト１３を螺入するための雌螺子孔１２ｂ−２が形成されている。また、下部ベース１２ｂは、ガイド部材１０の上部及び弁棒５の通る孔１２ｂ−３（図３）が中央に形成されている。さらに、下部ベース１２ｂには、下部ベース１２ｂをガイド部材１０に固定するためのボルト１４（図１）を通す孔１２ｂ−４（図３，４参照）が形成されている。
【００２０】
上部ベース１２ａは、図５〜図７を参照すると、矩形のプレート１２ａ−１と、プレート１２ａ−１に突設され、梃子体８（図１３参照）を揺動自在に支持するブラケット１２ａ−２とを備えている。また、上部ベース１２ａは、後述する連結ロッド７ｂ（図１）を摺動自在に貫通させる孔１２ａ−３が形成されている。ブラケット１２ａ−２には、軸孔１２ａ−４が形成されている。軸孔１２ａ−４に軸受け１２ａ−５（図１３参照）が挿入され、この軸受け１２ａ−５に梃子体８の支点となる揺動軸８ａ（図１、図１３参照）が挿入されている。
【００２１】
図１、図６、図７を参照すれば、上部ベース１２ａの上面に、圧電素子６の一端（図１の下端）が当接している。上部ベース１２ａの上面には、圧電素子６の一端に設けられた突起６ａを受け入れる円錐状凹部１２ａ−５が形成されている。圧電素子６に被せられているキャップ体７ｃが、圧電素子６の他端（図１の上端）に当接している。キャップ体７ｃは、キャップ体７ｃの下端部に可動ベース７ｄ（図１，２，８，９参照）が固定されている。可動ベース７ｄは、連結ロッド７ｂを介して連結プレート７ａに連結されている。
【００２２】
キャップ体７ｃは、圧電素子６の周囲を包む筒状部７ｃ−１と、筒状部７ｃ−１の上端に螺合したカバーナット７ｃ−２と、カバーナット７ｃ−２内に収容されたベアリング７ｃ−３及びベアリング受け７ｃ−４と、カバーナット７ｃ−２を固定するための止めナット７ｃ−５とを備えている。カバーナット７ｃ−２は、止めナット７ｃ−５により、筒状部７ｃ−１の軸線方向に位置調整可能である。筒状部７ｃ−１は、可動ベース７ｄに螺入され、ナット２０によって固定さている。
【００２３】
上記のように、圧電素子６は、キャップ体７ｃに収容され、キャップ体７ｃを含む作動部材７によってベース１２上に立設されている。一方、キャップ体７ｃが圧電素子６の上端部に支持されることによって、作動部材７は、弁本体３及びベース１２上に、圧電素子６を介して支持されている。なお、図示例では、圧電素子６はキャップ体に７ｃによって圧電素子６の側面を支持されているが、これに代えて、例えば、可動ベース７ｄに圧電素子６の嵌る筒体（図示せず）を形成し、該筒体によって圧電素子６の側面を支持することもできる。
【００２４】
圧電素子６は、積層タイプを使用でき、上部にリード端子６ｂ、６ｃを備えている。リード端子６ｂ、６ｃは、カバーナット７ｃ−２の開口から引き出される。
【００２５】
連結プレート７ａは、図１，１０〜１２に示すように、複数の凸部７ａ−１が突設されている。連結プレート７ａと凸部７ａ−１とによって、梃子体８に係合する係合部材が構成されている。
【００２６】
凸部７ａ−１は、力点としての梃子体８の後端部に、ピン１５（図１）を介して、係合している。作用点としての梃子体８の先端部は、可動体１６の上端面に当接している。
【００２７】
可動体１６は、円柱状をしており、連結プレート７ａの中央に形成された通孔７ａ−２（図１０〜１２参照）に摺動自在に案内されている。可動体１６は、所定の厚みを有する連結プレート７ａの通孔７ａ−２を形成している内周面によって摺動自在に案内されることにより、軸ぶれの少ない状態で弁棒５上に支持されている。
【００２８】
可動体１６の下端面には、錘状凹部１６ａが形成されており、この錘状凹部１６ａに球体１７の上部が嵌っている。球体１７の下部は、弁棒５の上端面に形成された錘状凹部５ｂに嵌っている。球体１７を介して可動体１６と弁棒５とが連接することにより、可動体１６と弁棒５との軸ぶれを吸収し得る。
【００２９】
なお、図示しないが、可動体１６および球体１７を省いて、弁棒５を上方へ延設し、弁棒５と梃子体８の先端部とが直接係合するように構成しても良い。また、可動体１６または弁棒５と、梃子体８との係合は、図示例のように互いに当接し合う構成に限らず、たとえば、図示しないが、ピン結合、リンク結合等による連結によって係合させても良い。
【００３０】
上記構成を有する圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子６に電圧が印加されると、圧電素子６が変形する（伸びる）ことによりキャップ体７ｃを押し上げる。キャップ体７ｃが押し上げられることによって、作動部材７はダイヤフラム４から離れる方向（図１の上方）へ摺動する。作動部材７の図１の上方への摺動により、図１４に示すように、凸部７ａ−１が梃子体８…の力点である後端部を、支点である揺動軸８ａに対して図の上方へ押し上げ、その反作用として複数の梃子体８…が同時に揺動して、これら梃子体８…の先端部が梃子の作用点として可動体１６を押し下げる。その結果、可動体１６から球体１７を介して弁棒５が押し下げられ、ダイヤフラム４が便座３ａに当接し、流入ロ２ａが閉じられる。電圧をオフにすると、圧電素子が縮むことによって作動部材７は自重で下方へ移動し、一方、弁棒５はダイヤフラム４の弾性復元によって持ち上げられ、原位置（図１の配置）に戻る。
【００３１】
上記構成を有する圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁は、梃子体８の原位置復帰等のために、ダイヤフラム以外の弾性部材を使用しないことにより、バネの特性バラツキによる影響を受けず、制御弁の個体間のバラツキを減少させ得る。
【００３２】
また、圧電素子６の変位は、作動部材７から、弁棒５の軸線Ｘ周りに放射状に配置された複数の梃子体８…を通じ、可動体１６及び球体１７を介して、弁棒５に伝達される。一本の梃子体８が弁棒に加える力の方向は、梃子体８の揺動中、弁棒５の軸線Ｘに対して傾斜するが、放射状に配置された複数本の梃子体８…により弁棒５を押す構成とすることにより、各梃子体８…から弁棒５に加わる力のうち、弁棒５の軸線Ｘに対して傾斜する力の成分が互いに打ち消しあい、弁棒５の軸線Ｘ方向に向く力の成分が合成されて弁棒５を押す力となる。その結果、制御弁としての応答性能を向上させ得る。放射状に配置された梃子体８…は、弁棒５の軸線Ｘを中心として等角度間隔で配置されていることが好ましい。梃子体８は、２本とすることもできるが、３本以上を配置することがより望ましい。
【００３３】
さらに、作動部材７は、ベース１２に摺動自在に案内されているので、直線移動安定性に優れる。作動部材７の直線移動安定性は、梃子体８…の作動安定性に貢献し、その結果、本発明制御弁の応答性能を向上させる。
【００３４】
作動部材７の直線移動安定性は、作動部材７の複数本の連結ロッド７ｂがベース１２に摺動自在に案内されることによって、いっそう向上する。
【００３５】
なお、図示しないが、連結プレート７ａを、ベース１２、たとえば、支柱部材１２ｂ−１にガイドさせるように構成しても良い。
【００３６】
上記構成を有する本発明制御弁の応答性能について、従来品との比較試験を行った。従来品は、特開２００４−１９７７５４号公報の第１例に開示された制御弁と同じ構造のものを用いた。
【００３７】
応答性能は、図１５にブロック図で示すような流体制御回路を用いてテストした。図１５において、３０は圧力指令信号発生器、３１はＰＩＤコントローラ、３２は信号反転回路、３３が不活性ガス源、３４はレギュレータ、３５は真空計、３６はテスト対象の制御弁、３７は圧力センサー、３８は絞り弁、３９は真空ポンプ、を示す。
【００３８】
ここで、圧力指令信号発生器３０は、横河電機株式会社製７６５１を使用し、ＰＩＤコントローラ３１は、株式会社エム・システム技研製Ｍ２ＦＣを使用した。制御容量は１００ｃｃであり、絞り弁３８を５０００ｓｃｃｍで５０Ｔｏｒｒとなるように調整し、真空計３５の指示値が１００Ｔｏｒｒになるようにレギュレータ３４を調整した。圧力指令信号発生器３０からの設定信号ＳＶをＰＩＤコントローラ３１に送り、圧力センサー３７の圧力出力信号ＰＶをＰＩＤコントローラ３２にフィードバックし、ＰＩＤコントローラ３２からのバルブ指令信号ＭＶによって、制御弁３６の開度をＰＩＤ制御し、制御容量の圧力制御を行った。なお、信号反転回路は、ＰＩＤコントローラ３１の出力値０〜１０Ｖを１０〜０Ｖに変換して制御弁３６に出力している。
【００３９】
試験結果のグラフを図１６〜図１９に示す。図１６及び図１７のグラフは、本発明制御弁の応答性能を示し、図１８及び図１９のグラフは従来品の応答性能を示している。図１６及び図１８のグラフは、圧力指令信号発生器３０の設定値を１Ｔｏｒｒに設定した場合であり、図１７及び図１９は圧力指令信号発生器３０の設定値を５Ｔｏｒｒに設定した場合である。図１６〜図１９のいずれの場合も、ＰＩＤ値を共通（Ｐ：３０、Ｉ：０．２、Ｄ：０）とした。
【００４０】
図１６〜図１９のグラフから、本発明制御弁は、従来品に比較して、圧力設定値が異なる場合に共通のＰＩＤ値を使用しても圧力出力の安定性が優れていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁の一実施形態を示す縦断面図であり、図１３のＩ−Ｉ線に対応する。
【図２】図１の制御弁の外観図である。
【図３】図１の制御弁に組み込まれている下部ベースを示す平面図である。
【図４】図３の下部ベースの正面図である。
【図５】図１の制御弁に組み込まれている上部ベースを示す平面図である。
【図６】図５の上部ベースの左側面図である。
【図７】図５の上部ベースの正面図である。
【図８】図１の制御弁に組み込まれている可動ベースを示す平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う縦断面図である。
【図１０】図１の制御弁に組み込まれている連結プレートを示す平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ_１−ＸＩ_２線に沿う縦断端面図である。
【図１２】図１０のＸＩ_１−ＸＩＩ線に沿う縦断端面図である。
【図１３】図１４のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う水平断面図である。
【図１４】図１の制御弁の閉弁状態を示す縦断面図である。
【図１５】応答性能の比較試験を行うための制御回路を示すブロック図である。
【図１６】応答性能を示すグラフである。
【図１７】応答性能を示すグラフである。
【図１８】応答性能を示すグラフである。
【図１９】応答性能を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁
２ａ、２ｂ流路
３弁本体
４ダイヤフラム
５弁棒
５ｂ錐状凹部
６圧電素子
７作動部材
７ｃキャップ体
７ｂ連結ロッド
７ａ連結プレート
７ａ−１凸部
８梃子体
１２ベース
１６可動体
１６ａ錐状凹部
１７球体

【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が形成された弁本体と、
前記流路を開状態にして前記弁本体に保持されたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの開閉方向へ移動可能に支持され、該ダイヤフラムを閉鎖可能な弁棒と、
前記ダイヤフラムの閉方向への移動を阻止されるとともに該ダイヤフラムの開方向への変形による変位を許容された状態で支持された圧電素子と、
前記圧電素子の変位を許容された側の端部に当接することによって支持された作動部材と、
前記弁棒の軸線を中心として放射状に配置され、前記圧電素子の変位に伴う作動部材の変位を拡大して前記弁棒に伝えるように揺動自在に支持された複数の梃子体と、
を有することを特徴とする圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁。
【請求項２】
前記弁本体に固定され、前記梃子体を揺動自在に支持するベースを更に有し、
前記ベースは、前記圧電素子の一端を該ベースに当接させることによって前記ダイヤフラムの閉方向への該圧電素子の移動を阻止するとともに、前記作動部材を前記弁棒の軸線方向に摺動自在に案内することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁。
【請求項３】
前記作動部材は、前記圧電素子を収容し且つ該圧電素子の他端に当接するキャップ体と、該キャップ体に連結されて前記ベースに摺動自在に案内された複数の連結ロッドと、該複数の連結ロッドに連結されて前記複数の梃子体に係合する係合部材と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁。
【請求項４】
前記梃子体と前記弁棒との間に、可動体が配置され、
前記可動体と前記弁棒とは、各々の対向する側の端面に錐状凹部が形成され、
前記対向する錐状凹部に球体が介在されており、
前記係合部材は、前記複数の連結ロッドに連結された連結プレートと、該連結プレートに突設されて前記梃子体に係合する凸部と、を備えており、
前記可動体は、前記連結プレートを貫通して該連結プレートに摺動自在に案内されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁。
【請求項５】
前記複数の梃子体は、少なくとも３本の梃子体が、等角度間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式ダイヤフラム型制御弁。

【図１】