特開 2023-184356 ダイヤフラムバルブ、弁開度調整方法、及び、弁開度調整用クランプ部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184356

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】ダイヤフラムバルブ、弁開度調整方法、及び、弁開度調整用クランプ部材

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/02 20060101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

F16K31/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098477

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】平井 暢

(72)【発明者】

【氏名】土肥 亮介

(72)【発明者】

【氏名】川田 幸司

【テーマコード（参考）】

3H062

【Ｆターム（参考）】

3H062AA02

3H062AA15

3H062BB31

3H062CC07

3H062EE06

3H062HH10

(57)【要約】

【課題】 弁開度の微調整を容易にし得る、ダイヤフラムバルブ、弁開度調整方法、及び、弁開度調整用クランプ部材を提供する。
【解決手段】 ダイヤフラムバルブ１は、内部に流路２を備えるバルブボディ３と、流路２を開閉するためのダイヤフラム弁体４と、ダイヤフラム弁体４を開閉駆動するためのピエゾアクチュエータ５と、一端側がバルブボディ３に支持され、ピエゾアクチュエータ５が収容されるとともに、他端側にダイヤフラム弁体４の弁開度を調整するための袋ナット７が螺着された筒状ケース６と、筒状ケースの外周面を挟む一対のクランプ片２５a、２５ｂを連結するとともに前記一対のクランプ片２５a、２５ｂにより筒状ケース６を締め付ける力を調節するための緊締螺子２５ｃ、２５ｄを有するクランプ部材２５と、を備える。
【選択図】 図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に流路及び当該流路に設けられた弁座を備えるバルブボディと、
前記弁座に当接離間するダイヤフラム弁体と、
前記ダイヤフラム弁体を前記弁座に当接離間させるためのピエゾアクチュエータと、
一端側が前記バルブボディに支持され、前記ピエゾアクチュエータが収容されるとともに、他端側に前記ダイヤフラム弁体の弁開度を調整するための袋ナットが螺着された筒状ケースと、
前記筒状ケースの外周面を挟む一対のクランプ片と、前記一対のクランプ片を連結するとともに前記一対のクランプ片により前記筒状ケースを締め付ける力を調節するための緊締螺子と、を備えるクランプ部材と、
を備える、ダイヤフラムバルブ。

【請求項2】

前記緊締螺子が、前記筒状ケースを挟んで両側に設けられている、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。

【請求項3】

前記一対のクランプ片の一端がヒンジ連結され、前記一対の他端が前記緊締螺子で連結される、請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。

【請求項4】

請求項１～３の何れかに記載のダイヤフラムバルブの弁開度調整方法であって、
前記袋ナットの螺入量を調整することにより、前記ダイヤフラム弁体の弁開度を粗調整する粗調整工程と、
前記粗調整工程後に、前記クランプ部材の前記緊締螺子を所定トルクで締め付けて前記筒状ケースを弾性変形させて伸長させることにより、前記ダイヤフラム弁体の弁開度を微調整する微調整工程と、
を含むダイヤフラムバルブの弁開度調整方法。

【請求項5】

ピエゾアクチュエータが収容されるとともに弁開度の調整のための袋ナットが螺着された筒状ケースを有するダイヤフラムバルブの弁開度調整用クランプ部材であって、
前記筒状ケースの外周面を挟む一対のクランプ片と、
前記一対のクランプ片を連結するとともに前記一対のクランプ片により前記筒状ケースを締め付ける力を調節するための緊締螺子と、
を備える前記弁開度調整用クランプ部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイヤフラムバルブ、前記バルブの弁開度調整方法、及び、弁開度調整用クランプ部材に係り、特に、圧電駆動式金属ダイヤフラムバルブに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の圧電駆動式金属ダイヤフラムバルブとして、ピエゾアクチュエータを利用して金属製のダイヤフラム弁体を開閉させるダイヤフラムバルブが知られている（特許文献１、２等）。ピエゾアクチュエータを利用するバルブは、制御信号に対する高速応答性に優れ、サブミクロンオーダーからミクロンオーダーでバルブを開閉できるため、高精度で微小流量を制御することができる。特に半導体製造装置のように、半導体の微細化に伴い微小流量のプロセスガスを高精度で制御する必要がある用途に適している。

【0003】

図１及び図２は、従来のダイヤフラムバルブの一例を示している。図１に示すダイヤフラムバルブ１は、流路２及び流路２に設けられた弁座２ａを備えるバルブボディ３と、弁座２ａに当接離間するダイヤフラム弁体４と、ダイヤフラム弁体４を弁座２ａに当接離間させるためのピエゾアクチュエータ５と、ピエゾアクチュエータ５が収容された金属製の筒状ケース６と、を備えている。筒状ケース６は、一端側（図の下端側）がバルブボディ３に支持され、他端側（図の上端側）に弁開度を調整するための袋ナット７が螺着されている。

【0004】

筒状ケース６は、下端部にダイヤフラム押え８が固定されている。ダイヤフラム弁体４は、中央部が僅かに膨出した逆皿状の原形を有する。ダイヤフラム弁体４の周縁部が、押えアダプター９によって押圧固定されている。押えアダプター９は、割りベース１０を介して、ベース押え１１によって、バルブボディ３に固定されている。ベース押え１１は、バルブボディ３に螺着されている。ベース押え１１は、筒状であり、筒状ケース６の下部が挿入される。

【0005】

割りベース１０は、図３及び図４に示すように、同一形状を有する一対の割りベース片１０ａ、１０ｂに分割されている。割りベース片１０ａ、１０ｂは、ベース押え１１によって押圧固定される鍔部１０ｃと、筒状ケース６内で、受板１２（図１）を介してピエゾアクチュエータ５を支持する支持部１０ｄと、を備えている。筒状ケース６は、図５に示すように、上部大径部６ａと下部小径部６ｂとを備える。下部小径部６ｂの左右両側（図では一方側のみ表示）に、支持部１０ｄ（図４）が挿入される孔６ｃを備えている。ピエゾアクチュエータ５は、下端部に半球状突部１３を備えている。受板１２は、半球状突部１３を受ける凹部を上面に有し、下面が支持部１０ｄに載置される。

【0006】

支持部１０ｄと筒状ケース６の底面との間に、複数枚の皿バネ１４が積層されて収容されている。皿バネ１４の弾性力により、筒状ケース６は、図１の下方に押され、ダイヤフラム弁体４を押す。ダイヤフラム弁体４は、ダイヤフラム押え８に押されて、図１に示されているように中央部が変形し、流路２に設けられた弁座２ａに当接して流路２を閉じる。

【0007】

ピエゾアクチュエータ５に通電すると、ピエゾアクチュエータ５が伸長し、皿バネ１４の弾性力に抗して、筒状ケース６を持ち上げる。それにより、ダイヤフラム弁体４は、逆皿状の原形に弾性復帰して弁座２ａから離間し、流路２が開通する。

【0008】

筒状ケース６の上部外周の螺子部６ｄに、袋ナット７と、袋ナット７をロックするためのロックナット１５と、が螺入されている。袋ナット７とピエゾアクチュエータ５との間に、ベアリング１６及びベアリング受け１７が介在されている。袋ナット７は、ピエゾアクチュエータ５のリード線５ａを引き出すための孔７ａを有している。

【0009】

筒状ケース６の螺子部６ｄに袋ナット７を螺入し、袋ナット７を締め込むことにより、ピエゾアクチュエータ５に押圧力をかけた状態で、ピエゾアクチュエータ５を筒状ケース６内に固定する。

【0010】

袋ナット７の締め込みにより筒状ケース６内でピエゾアクチュエータ５に押圧力をかけている状態で、袋ナット７の螺入量を増すと、皿バネ１４に抗して筒状ケース６が持ち上げられ、逆に、袋ナット７の螺入量を減らすと、皿バネ１４の弾性力により筒状ケース６が下がる。

【0011】

ピエゾアクチュエータ５に所定電圧を印加したときに所望の弁開度となって所望の流量が得られるように、ピエゾアクチュエータ５に所定電圧を印加した状態で、公知の測定方法により流路２を流れる流体の流量を測定しつつ、スパナを用いて袋ナット７の螺入量を調整することにより、弁開度が調整される。

【0012】

図１のダイヤフラムバルブ１は、いわゆるノーマリークローズドバルブ（特許文献１）である。従来のノ―マリーオープンタイプのダイヤフラムバルブ（特許文献２）について、以下に図６を参照して説明する。

【0013】

図６に示されたダイヤフラムバルブ１は、流路２及び流路２に設けられた弁座２ａを備えるバルブボディ３と、弁座２ａに当接離間するダイヤフラム弁体４と、ダイヤフラム弁体４を弁座２ａに当接離間させるためのピエゾアクチュエータ５と、ピエゾアクチュエータ５が収容された金属製の筒状ケース６と、を備えている。筒状ケース６は、一端側（図の下端側）がバルブボディ３に支持され、他端側（図の上端側）に弁開度を調整するための袋ナット７が螺着されている。袋ナット７は、ロックナット１５によりロックされている。

【0014】

筒状ケース６は、押えアダプター９，ガイド体１８介して、ボンネット１９によってバルブボディ３に固定されている。ガイド体１８内にダイヤフラム押え８が上下摺動可能に収容されている。ピエゾアクチュエータ５の下部を支持する下部受台２０とダイヤフラム押え８との間にボール２１が介在されている。また、ピエゾアクチュエータ５の上部に載置された上部受台２２とピエゾアクチュエータ５との間にもボール２３が介在されている。上部受台２２は、袋ナット７内に収容されている。符号２４は、保護ケースを示している。

【0015】

ピエゾアクチュエータ５は、所定電圧が印加されることにより伸長し、ダイヤフラム押え８を介してダイヤフラム弁体４を弁座２ａに押圧することにより、流路２を閉じる。図６は、ピエゾアクチュエータ５に電圧が印加されている状態を示している。ピエゾアクチュエータ５への電圧の印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ５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４は保有弾性により開弁状態へ復帰する。

【0016】

ノ―マリーオープンタイプもノーマリークローズドタイプと同様に、袋ナット７の締め込み量を調整することにより、弁開度が調整される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【特許文献1】特開２００３－１２０８３２号公報

【特許文献2】特開平７－３１０８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

従来、スパナを用いて袋ナットを回転させることにより弁開度を調整していたが、ダイヤフラムバルブのフルストロークは数十マイクロメートルであり、初期設定時における弁開度の微調整が困難であった。

【0019】

そこで、本発明は、弁開度の微調整を容易にし得る、ダイヤフラムバルブ、弁開度調整方法、及び、弁開度調整用クランプ部材を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0020】

上記課題を解決するため、本発明に係るダイヤフラムバルブの一態様は、内部に流路及び当該流路に設けられた弁座を備えるバルブボディと、前記弁座に当接離間するダイヤフラム弁体と、前記ダイヤフラム弁体を前記弁座に当接離間させるためのピエゾアクチュエータと、一端側が前記バルブボディに支持され、前記ピエゾアクチュエータが収容されるとともに、他端側に前記ダイヤフラム弁体の弁開度を調整するための袋ナットが螺着された筒状ケースと、前記筒状ケースの外周面を挟む一対のクランプ片及び前記一対のクランプ片を連結するとともに前記一対のクランプ片により前記筒状ケースを締め付ける力を調節するための緊締螺子を備えるクランプ部材と、を備える。

【0021】

前記緊締螺子は、前記筒状ケースを挟んで両側に設けられ得る。

【0022】

前記一対のクランプ片の一端がヒンジ連結され、前記一対の他端が前記緊締螺子で連結され得る。

【0023】

また、本発明に係る弁開度調整法の一態様は、前記袋ナットの螺入量を調整することにより前記ダイヤフラム弁体の弁開度を粗調整する粗調整工程と、前記粗調整工程後に、前記クランプ部材の前記緊締螺子を所定トルクで締め付けて前記筒状ケースを弾性変形させて伸長させることにより前記ダイヤフラム弁体の弁開度を微調整する微調整工程と、を含む。

【0024】

また、本発明に係る弁開度調整用クランプ部材の一態様は、ピエゾアクチュエータが収容されるとともに弁開度の調整のための袋ナットが螺着された筒状ケースを有するダイヤフラムバルブの弁開度調整用クランプ部材であって、前記筒状ケースの外周面を挟む一対のクランプ片と、前記一対のクランプ片を連結するとともに前記一対のクランプ片により前記筒状ケースを締め付ける力を調節するための緊締螺子と、を備える。

【発明の効果】

【0025】

本発明に係るクランプ部材によって筒状ケースの外周面を締め付けることにより、筒状ケースがその長さ方向に弾性変形して伸びる。筒状ケースが伸びた分、ダイヤフラム弁体の弁開度が変わることを利用して、弁開度を微調整することができる。緊締螺子を回すことによってクランプ部材の締め付け力を調整できるため、弁開度の微調整が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来のノーマリークローズドタイプのダイヤフラムバルブを示す縦断正面図である。

【図2】図１のダイヤフラムバルブの袋ナットを外した状態を示す縦断正面図である。

【図3】図１のダイヤフラムバルブの構成部品である割りベースを示す斜視図である。

【図4】図３の割りベースを離して示す斜視図である。

【図5】図１のダイヤフラムバルブの構成部品である筒状ケースを示す斜視図である。

【図6】従来のノーマリーオープンタイプのダイヤフラムバルブを示す縦断正面図である。

【図7】本発明に係るダイヤフラムバルブの一実施形態を示す縦断正面図である。

【図8】図７のダイヤフラムバルブの構成要素であるクランプ部材を示す斜視図である。

【図9】図８のクランプ部材の緊締螺子を捩じ込んだ状態を示す斜視図である。

【図10】図７のＸ－Ｘ視断面図である。

【図11】図８のクランプ部材の分解状態を示す横断面図である。

【図12】本発明の構成要素であるクランプ部材の変更態様を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明の実施形態について、以下に、図７～図１２を参照して説明する。なお、上記従来技術を含み、下記実施形態において、同一又は類似の構成要素には、同符号を付して重複説明を省略する。

【0028】

図７を参照して、ダイヤフラムバルブ１は、内部に流路２及び流路２に設けれた弁座２ａを備えるバルブボディ３と、弁座２ａに当接離間するダイヤフラム弁体４と、ダイヤフラム弁体４を弁座２ａに当接離間させるためのピエゾアクチュエータ５と、一端側がバルブボディ３に支持され、ピエゾアクチュエータ５が収容されるとともに、他端側にダイヤフラム弁体４の弁開度を調整するための袋ナット７が螺着された筒状ケース６と、筒状ケース６の外周面を挟んで締め付けるクランプ部材２５と、を備えている。

【0029】

クランプ部材２５は、図８～図１１を参照して、筒状ケース６の外周面を挟む一対のクランプ片２５ａ、２５ｂと、一対のクランプ片２５ａ、２５ｂを連結するとともに一対のクランプ片２５ａ、２５ｂにより筒状ケース６を締め付ける力を調節するための緊締螺子２５ｃ、２５ｄを備えている。

【0030】

図示例の緊締螺子２５ｃ、２５ｄは、筒状ケース６を挟んで両側に平行に螺着されている。クランプ片２５ａ、２５ｂは、筒状ケース６の外周面に沿って当接する半円状内面２５ａ１、２５ｂ１を有している。一方のクランプ片２５ｂは、両端部にザグリ付き孔２５ｂ２，２５ｂ３が設けられている。他方のクランプ片２５ａには、両端部に螺子孔２５ａ２、２５ａ３が設けられている。緊締螺子２５ｃ、２５ｄを、ザグリ付き孔２５ｂ２，２５ｂ３に通し、螺子孔２５ａ２，２５ａ３に螺入することにより、一対のクランプ片２５ａ、２５ｂが連結される。一対のクランプ片２５ａ、２５ｂは、半円状内面２５ａ１，２５ｂ１が筒状ケース６の外周面に当接した状態で、互いに接触しないで、両者間に隙間Ｇを有するように設計されている。緊締螺子２５ｃ、２５ｄを螺子孔２５ａ２、２５ａ３に螺入することにより、一対のクランプ片２５ａ、２５ｂが筒状ケース６の外周面を締め付け、筒状ケース６の外周面に半径方向内向きの圧縮力が作用する。

【0031】

ダイヤフラム弁体４の弁開度の調整は、以下の手順で行われる。図７に示すノーマリークローズドタイプは、ピエゾアクチュエータ５に所定の電圧を印加した際に、所定の流量が供給されるように弁開度の調節を行う。従って、流路２に流体を供給しつつ、流路２を通過した流量が計測される。流量の計測は公知の計測手段により計測することができる。

【0032】

弁開度の調整は、先ず、袋ナット７により行われる。このとき、クランプ部材２５は、緊締螺子２５ｃ、２５ｄが緩められており、筒状ケース６を締め付けていない状態にある。

【0033】

袋ナット７が筒状ケース６の螺子部６ｄに螺入されていない状態（図２）において、筒状ケース６は、皿バネ１４の弾性力によって押し下げられている。この時、ダイヤフラム弁体４は、ダイヤフラム押え８によって押圧され、弁座２ａに当座し、流路２を閉じている。

【0034】

袋ナット７を、ピエゾアクチュエータ５に当たるまで、筒状ケース６の螺子部６ｄに螺入する。ピエゾアクチュエータ５に所定電圧を印加し、ダイヤフラム弁体４を弁開状態とする。この弁開状態で、袋ナット７の螺子部６ｄへの螺入量を調整する。袋ナット７の螺入量を増減することにより、筒状ケース６が上下し、弁開度が増減する。袋ナット７を回すために、レンチ（図示せず。）が用いられる。レンチは、デジタル式トルクレンチを用いることができる。レンチを用いた袋ナット７による弁開度の調整は、微調整に適さないが、大まかな粗調整に適している。袋ナット７の螺入量を調整することにより、目標の弁開度、即ち、印加電圧に対する目標流量に近い値に粗調整する。

【0035】

前記粗調整の後、クランプ部材２５により微調整を行う。クランプ部材２５の緊締螺子２５ｃ、２５ｄを、螺子孔２５ａ２，２５ａ３に螺入していくと、クランプ片２５ａ、２５ｂによって筒状ケース６の外周面が半径方向内方向に締め付けられる。筒状ケース６は、その外周面が半径方向内側に締め付けられると、弾性変形によって高さ方向へ僅かに伸びる。図示例の筒状ケース６の前記弾性変形による伸びは、例えば数マイクロメートルである。

【0036】

図示例のダイヤフラムバルブ１は、フルストロークが５５マイクロメートルである。例えば、筒状ケース６が３マイクロメートル伸びると、筒状ケース６は、皿バネ１４に押されて、５％程度押し下げられる。筒状ケース６が押し下げられると、ダイヤフラム弁体４の弁開度が減少し、流量が減少する。

【0037】

クランプ部材２５の締め付けにより筒状ケース６が伸びた状態で、緊締螺子２５ｃ、２５ｄを回してクランプ力の締め付け力を緩めれば、伸びが減少し、皿バネ１４を圧縮して、筒状ケース６が持ち上げられ、弁開度が増加し、流量が増加する。

【0038】

上記のようにして、緊締螺子２５ｃ、２５ｄの螺子孔２５ａ２、２５ａ３への螺入量を増減することにより、所望の流量になるように弁開度を微調整することができる。また、締め付けトルクと、筒状ケース６の伸び量、即ち弁開度との間に相関があり、その相関関係を予めデータ収集しておいて、微調整時に利用することができる。その際、デジタル式トルクドライバー（図示せず。）を用いて、締め付けトルクを調整することができる。緊締螺子２５ｃ、２５ｄをドライバーで回すことにより弁開度が微調整されるため、袋ナット７をトルクレンチで回すのに比べて、微調整し易い。

【0039】

図１２は、クランプ部材２５の変更態様を示している。図１２に示すクランプ部材２５は、一対のクランプ片２５ａ、２５ｂの一端がヒンジ２５ｅによって連結され、他端が緊締螺子２５ｃで連結されている。図１２のクランプ部材２５のその他の構成は、図８のクランプ部材と同様である。図１２のクランプ部材２５による弁開度の微調整は、図８のクランプ部材と同様に行える。

【0040】

上記実施形態では、ノーマリークローズドタイプのダイヤフラムバルブについて説明したが、図６に示した従来のノ―マリーオープンタイプのダイヤフラムバルブ１の筒状ケース６に、図８又は図１２で示したクランプ部材２５を装着することにより、ノーマリークローズドタイプと同様に弁開度の調整が可能である。ノ―マリーオープンタイプでは、ピエゾアクチュエータ５に通電していない状態でダイヤフラム弁体４が弁座２ａから離反して、弁開状態にある。ピエゾアクチュエータ５に印加する電圧を上げていくとそれに伴ってダイヤフラム押え８が下降し、最終的に流路２を遮断する。従って、所定電圧で所定流量が得られるように、上記のノーマリークローズドタイプと同様にして袋ナット７の調整によって弁開度の粗調整し、クランプ部材２５の締め付け力の調整により弁開度の微調整を行うことができる。

【0041】

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、一方のクランプ片２５ａに螺子孔２５ａ２，２５ａ３を形成したが、一方のクランプ片に螺子孔を形成せずに通孔としておき、緊締螺子２５ｃ，２５ｄ長さをクランプ片２５ａから突出する長さとし、その突出部分をナットで締結するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0042】

１ ダイヤフラムバルブ
２ 流路
３ バルブボディ
４ ダイヤフラム弁体
５ ピエゾアクチュエータ
６ 筒状ケース
２５ クランプ部材
２５ａ，２５ｂ クランプ片
２５ｃ、２５ｄ 緊締螺子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】