特許 7593607 流量調整装置及び流量調整装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】流量調整装置及び流量調整装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 1/00 20060101AFI20241126BHJP

   F16K 31/04 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

F16K1/00 Z

F16K31/04 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020025352

(22)【出願日】2020-02-18

(65)【公開番号】P2021131104

(43)【公開日】2021-09-09

【審査請求日】2022-11-22

(73)【特許権者】

【識別番号】591257111

【氏名又は名称】サーパス工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】安藤 優一

(72)【発明者】

【氏名】関根 聡

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】登録実用新案第３１６８５８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１１－２０８７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－５３４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３４３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１７７７７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２０３８６８４０３（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開２０１３－６８２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５０５１３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ １／００－ １／５４

Ｆ１６Ｋ ７／００－ ７／２０

Ｆ１６Ｋ ３１／００－３１／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁室の内部を鉛直方向に延びる軸線に沿って移動するとともに水平方向に延びる平坦な弁体面を有する弁体部と、
前記弁体部を収容する前記弁室と、流入口から流入する液体を前記弁室へ導く流入流路と、流出口へ液体を導く流出流路と、前記弁室と前記流出流路とを連通させる連通流路とが形成された本体部と、
前記連通流路と前記弁室とを連通させる流入開口の周囲に設けられるとともに前記弁体面と対向する位置に配置されて水平方向に延びる平坦な弁座面を有する弁座部と、
前記弁体部を前記軸線に沿って移動させて前記弁体面と前記弁座面との間の距離を調整することで、前記弁室から前記連通流路へ流入する液体の流量を調整する調整機構と、
前記弁体面と前記弁座面とが非接触状態を維持する移動範囲で前記弁体部が移動するように前記調整機構を制御する制御部と、を備え、
前記弁体面は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されるとともに前記流入開口よりも大きい半径を有して前記流入開口および前記弁座面に対向する位置に配置され、
前記連通流路の流路断面積が前記流入流路の流路断面積および前記流出流路の流路断面積よりも小さく、
前記流入開口の半径をｒ１とし、前記移動範囲をＳｔ１とした場合、前記連通流路の流路断面積であるπ・（ｒ１）^２と、２π・ｒ１・Ｓｔ１とが略一致するように前記移動範囲が設定されており、
前記調整機構は、前記軸線回りに駆動軸を回転させるステッピングモータと、前記駆動軸の回転に応じて前記軸線に沿って移動するとともに前記弁体部に連結された移動部材と、を有し、
前記制御部は、
１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で変化する励磁信号により前記ステッピングモータを制御し、
前記弁体面を目標開度に対応するとともに前記移動範囲に含まれる目標位置まで移動させるためのパルス数を算出し、算出したパルス数に応じた前記励磁信号を前記ステッピングモータへ出力して前記弁体面を前記目標位置まで移動させる流量調整装置。

【請求項2】

前記弁体部は、前記軸線に沿って軸状に形成される基部と、前記基部の外周面に連結されるとともに前記軸線を中心とした円環状かつ薄膜状に形成されるダイヤフラム部とを有し、
前記基部は、前記外周面から前記弁体面へ向けて前記軸線に直交する径方向の外径が漸次減少するように形成されている請求項１に記載の流量調整装置。

【請求項3】

前記流入開口は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されており、
前記弁体面の半径をｒ２とした場合、ｒ２≧３・ｒ１を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流量調整装置。

【請求項4】

流量調整装置の制御方法であって、
前記流量調整装置は、
弁室の内部を鉛直方向に延びる軸線に沿って移動するとともに水平方向に延びる平坦な弁体面を有する弁体部と、
前記弁体部を収容する前記弁室と、流入口から流入する液体を前記弁室へ導く流入流路と、流出口へ液体を導く流出流路と、前記弁室と前記流出流路とを連通させる連通流路とが形成された本体部と、
前記連通流路と前記弁室とを連通させる流入開口の周囲に設けられるとともに前記弁体面と対向する位置に配置されて水平方向に延びる平坦な弁座面を有する弁座部と、
前記弁体部を前記軸線に沿って移動させて前記弁体面と前記弁座面との間の距離を調整することで、前記弁室から前記連通流路へ流入する液体の流量を調整する調整機構と、を備え、
前記弁体面と前記弁座面とが非接触状態を維持する移動範囲で前記弁体部が移動するように前記調整機構を制御する制御工程を備え、
前記弁体面は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されるとともに前記流入開口よりも大きい半径を有して前記流入開口および前記弁座面に対向する位置に配置され、
前記連通流路の流路断面積は、前記流入流路の流路断面積および前記流出流路の流路断面積よりも小さく、
前記流入開口の半径をｒ１とし、前記移動範囲をＳｔ１とした場合、前記連通流路の流路断面積であるπ・（ｒ１）^２と、２π・ｒ１・Ｓｔ１とが略一致するように前記移動範囲が設定されており、
前記調整機構は、前記軸線回りに駆動軸を回転させるステッピングモータと、前記駆動軸の回転に応じて前記軸線に沿って移動するとともに前記弁体部に連結された移動部材と、を有し、
前記制御工程は、
１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で変化する励磁信号により前記ステッピングモータを制御し、
前記弁体面を目標開度に対応するとともに前記移動範囲に含まれる目標位置まで移動させるためのパルス数を算出し、算出したパルス数に応じた前記励磁信号を前記ステッピングモータへ出力して前記弁体面を前記目標位置まで移動させる流量調整装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流量調整装置及び流量調整装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、流体の流量を制御する流量調整弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示される流量調整弁は、モータの駆動力を弁体であるダイヤフラムニードルに伝達し、流体入口と流体入口へ挿入されたダイヤフラムニードルとの間の隙間を調整することにより、流体の流量を調整する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５１４４８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示される流量調整弁を組み立てる際には、筐体の内部に、駆動部と駆動部に取り付けられるダイヤフラムニードルを設置する必要がある。この場合、弁座に開口する流体入口の中心軸とダイヤフラムニードルの中心軸とを精度良く一致させれば、ダイヤフラムニードルが上下運動する際に流体入口と接触することはない。

【0005】

しかしながら、筐体の内部に駆動部とダイヤフラムニードルを設置する際の位置決め精度や各部品の寸法精度が十分でない場合には、流体入口の中心軸とダイヤフラムニードルの中心軸とが一致しない状態となる。この場合、ダイヤフラムニードルが上下運動する際にダイヤフラムニードルと流体入口とが接触し、ダイヤフラムニードル及び流体入口を形成する材料の一部がパーティクル（例えば、粒径が２０ｎｍ以下の微粒子）として排出される可能性がある。パーティクルは不純物として流体に混入してしまうため、流体の純度を高く保つことができなくなる。特に、流体として、半導体製造装置用の薬液や純水等の高純度の液体を取り扱う場合には、パーティクルの問題が顕著となる。

【0006】

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制するとともに液体の流量調整を精度良く行うことを可能とした流量調整装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の一態様にかかる流量調整装置は、弁室の内部を鉛直方向に延びる軸線に沿って移動するとともに水平方向に延びる平坦な弁体面を有する弁体部と、前記弁体部を収容する前記弁室と、流入口から流入する液体を前記弁室へ導く流入流路と、流出口へ液体を導く流出流路と、前記弁室と前記流出流路とを連通させる連通流路とが形成された本体部と、前記連通流路と前記弁室とを連通させる流入開口の周囲に設けられるとともに前記弁体面と対向する位置に配置されて水平方向に延びる平坦な弁座面を有する弁座部と、前記弁体部を前記軸線に沿って移動させて前記弁体面と前記弁座面との間の距離を調整することで、前記弁室から前記連通流路へ流入する液体の流量を調整する調整機構と、前記弁体面と前記弁座面とが非接触状態を維持する移動範囲で前記弁体部が移動するように前記調整機構を制御する制御部と、を備え、前記弁体面は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されるとともに前記流入開口よりも大きい半径を有して前記流入開口および前記弁座面に対向する位置に配置され、前記連通流路の流路断面積が前記流入流路の流路断面積および前記流出流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。

【0008】

本発明の一態様にかかる流量調整装置によれば、弁体部の弁体面と弁座部の弁座面との間の軸線に沿った距離を調整機構により調整して液体の流量の調整が行われる。弁体面とそれに対向して配置される弁座面は、それぞれ水平方向に延びる平坦面となっている。弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合であっても、弁体面が流入開口には挿入されていないため、その周囲に設けられる弁座面に近接した非接触状態を維持する。弁体面と弁座面とが非接触状態を維持するため、弁体面と弁座面が接触してパーティクルが発生することがない。よって、弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制することができる。

【0009】

また、本発明の一態様に係る流量調整装置によれば、連通流路の流路断面積が流入流路の流路断面積および流出流路の流路断面積よりも小さいため、流入流路、弁室、連通流路、流出流路の順に液体を流通させる流路において、連通流路を流通する液体の流速が最も速くなる。そのため、連通流路とそれよりも容積の大きい弁室との間において、弁体面と弁座面との間の距離に応じて液体の流量を安定して変化させることが適切な流量の調整に必要となる。

【0010】

そして、本発明の一態様に係る流量調整装置によれば、容積の大きい弁室から流路断面積が小さい連通流路に向けて液体を流入させているため、弁体面と弁座面との間の距離に応じて液体の流量を精度良く調整することができる。これは、容積の大きい弁室から流路断面積が小さい連通流路に向けて液体を流入させる場合には、弁室における液体の流速の変化が定常化し、弁体面と弁座面との間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができるためであると考えられる。特に、弁室において、液体の流れが層流から乱流または乱流から層流へ遷移する遷移域で液体の流速の変化が定常化するためであると考えられる。

【0011】

一方、発明者らが検討した結果、流路断面積が小さい連通流路からそれよりも容積の大きい弁室に向けて液体を流入させる場合、弁体面と弁座面との間の距離に応じて液体の流量を精度良く調整することができないことがわかった。これは、流路断面積が小さい連通流路からそれよりも容積の大きい弁室に向けて液体を流通させる場合には、弁室における液体の流速の変化が非定常となり、弁体面と弁座面との間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができなくなるためであると考えられる。特に、弁室において、液体の流れが層流から乱流または乱流から層流へ遷移する遷移域で液体の流速の変化が非定常となるためであると考えられる。

【0012】

本発明の一態様に係る流量調整装置において、前記移動範囲は、前記弁体面と前記弁座面との間に形成される流路の最小流路断面積が、前記連通流路の流路断面積よりも小さくなる範囲を含む構成が好ましい。
本構成の流量調整装置によれば、弁体面と弁座面との間に形成される流路の最小流路断面積が連通流路の流路断面積よりも小さくなる範囲において、弁体面と弁座面との距離に応じた流量となるように液体の流量が調整される。

【0013】

本発明の一態様に係る流量調整装置おいて、前記移動範囲は、前記流入開口の流路断面積と、前記弁体面を前記弁座面に最も近接する位置から前記弁座面から最も離れた位置まで移動させた場合に前記弁体面と前記弁座面との間に形成される流路の最小流路断面積の変化量とが略一致するように設定されている構成が好ましい。
弁体面と弁座面との間に形成される流路の最小流路断面積の変化量が流入開口の流路断面積を超えている場合、流入開口から単位時間あたりに弁室に流入する液体の流量は最大となる。すなわち、移動範囲を過度に大きくしても、連通流路から弁室へ流出する液体の流量が最大となる位置を超えてしまうと液体の流量を調整することができなくなる。本発明の一態様に係る流量調整装置によれば、弁体面と弁座面との間に形成される流路の最小流路断面積の変化量が流入開口の流路断面積と略一致するように移動範囲が設定されるため、液体の流量を適切に調整することができる。

【0014】

本発明の一態様に係る流量調整装置おいて、前記弁体部は、前記軸線に沿って軸状に形成される基部と、前記基部の外周面に連結されるとともに前記軸線を中心とした円環状かつ薄膜状に形成されるダイヤフラム部とを有し、前記基部は、前記外周面から前記弁体面へ向けて前記軸線に直交する径方向の外径が漸次減少するように形成されている構成が好ましい。
本発明の一態様に係る流量調整装置によれば、弁体部の基部が、外周面から弁体面へ向けて軸線に直交する径方向の外径が漸次減少するように形成されているため、弁室から弁体面と弁座面との間に形成される流路に液体が流入する際に、液体が流れる流路の断面積が漸次減少し、液体を円滑に流通させることができる。

【0015】

本発明の一態様に係る流量調整装置おいて、前記調整機構は、前記軸線回りに駆動軸を回転させるステッピングモータと、前記駆動軸の回転に応じて前記軸線に沿って移動するとともに前記弁体部に連結された移動部材と、を有し、前記制御部は、１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で変化する励磁信号により前記ステッピングモータを制御する構成が好ましい。
本発明の一態様にかかる流量調整装置によれば、ステッピングモータの駆動軸の回転に応じて軸線に沿って移動する移動部材に弁体部が連結されており、ステッピングモータが１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で変化する励磁信号により制御される。ステッピングモータをフルステップあるいはハーフステップの励磁信号により制御する場合、弁体面の軸線に沿った最小移動量が大きいことから流体の流量の最小変化量が大きくなり、流量調整を精度良く行うことができない。

【0016】

それに対して、本発明の一態様にかかる流量調整装置では、弁体面の軸線に沿った最小移動量が小さいことから流体の流量の最小変化量が小さくなり、流量調整を精度良く行うことができる。
このように、本発明の一態様にかかる流量調整装置によれば、弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制するとともに流体の流量調整を精度良く行うことができる。

【0017】

本発明の一態様にかかる流量調整装置において、前記流入開口は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されており、前記流入開口の半径をｒ１とし、前記弁体面の半径をｒ２とした場合、ｒ２≧３・ｒ１を満たす構成が好ましい。

【0018】

弁体面の半径ｒ２を流入開口の半径ｒ１の３倍以上とすることで、弁体面と弁座面との間に形成される流路の壁面の面積が十分に確保される。弁体面と弁座面との間の流路の壁面は、液体に摩擦損失を与えて液体の流速を低減させる。そのため、弁体面の軸線に沿った移動量に対する液体の流量の変化量を小さくし、流量調整を精度良く行うことができる。

【0019】

本発明の一態様にかかる流量調整装置の制御方法は、前記流量調整装置は、弁室の内部を鉛直方向に延びる軸線に沿って移動するとともに水平方向に延びる平坦な弁体面を有する弁体部と、前記弁体部を収容する前記弁室と、流入口から流入する液体を前記弁室へ導く流入流路と、流出口へ液体を導く流出流路と、前記弁室と前記流出流路とを連通させる連通流路とが形成された本体部と、前記連通流路と前記弁室とを連通させる流入開口の周囲に設けられるとともに前記弁体面と対向する位置に配置されて水平方向に延びる平坦な弁座面を有する弁座部と、前記弁体部を前記軸線に沿って移動させて前記弁体面と前記弁座面との間の距離を調整することで、前記弁室から前記連通流路へ流入する液体の流量を調整する調整機構と、を備え、前記弁体面と前記弁座面とが非接触状態を維持する移動範囲で前記弁体部が移動するように前記調整機構を制御する制御工程を備え、前記弁体面は、平面視した形状が前記軸線を中心とした円形に形成されるとともに前記流入開口よりも大きい半径を有して前記流入開口および前記弁座面に対向する位置に配置され、前記連通流路の流路断面積は、前記流入流路の流路断面積および前記流出流路の流路断面積よりも小さい。

【0020】

本発明の一態様にかかる流量調整装置の制御方法によれば、弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制するとともに液体の流量調整を精度良く行うことができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、弁体部を構成する部材及び弁座部を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制するとともに液体の流量調整を精度良く行うことを可能とした流量調整装置及びその制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】一実施形態の流量調整装置を示す部分縦断面図である。

【図2】図１に示す流量調整装置のＩ部分の部分拡大図である。

【図3】図１に示す制御基板の構成を示す機能ブロック図である。

【図4】制御部がモータドライバに出力するパルス信号のパルス数とモータドライバがステッピングモータに出力する励磁電流との関係を示す図である。

【図5】制御部がモータドライバに出力するパルス信号のパルス数とモータドライバがステッピングモータに出力する励磁電流との関係の比較例を示す図である。

【図6】図２に示す流量調整装置のＩＩ部分の部分拡大図である。

【図7】図２に示す流量調整装置のＩＩ部分の部分拡大図である。

【図8】図２に示す弁座部を軸線に沿った上方からみた平面図である。

【図9】本実施形態の流量調整装置におけるパルス数と流量の関係を示すグラフである。

【図10】比較例の流量調整装置におけるパルス数と流量の関係を示すグラフである。

【図11】制御基板が実行する処理を示すフローチャートである。

【図12】本実施形態の流量調整装置におけるパルス数と流量の関係を示すグラフである。

【図13】比較例の流量調整装置におけるパルス数と流量の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されている。本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0024】

以下、本発明の一実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の流量調整装置１００を示す部分縦断面図である。本実施形態の流量調整装置１００は、外部の配管（図示略）を介して流入ポート１００ａから流入し、内部流路を流通して流出ポート１００ｂから外部の配管（図示略）へ流出する液体の流量を調整する装置である。本実施形態の流量調整装置１００が流量を調整する液体は、例えば、半導体製造装置に用いる薬液，純水等である。また、液体の温度は、例えば、常温域（例えば、１０℃以上かつ５０℃未満）の温度であるものとする。

【0025】

図１に示すように、本実施形態の流量調整装置１００は、ダイヤフラム一体型弁体である弁体部１０と、内部流路を有する本体部２０と、弁体部１０を軸線Ｘに沿って移動させる移動機構（調整機構）３０と、弁体部１０を本体部２０に固定する固定部材４０と、弁体部１０が軸線Ｘに沿って移動するように支持する支持部５０と、移動機構３０が有するステッピングモータ３１を支持するモータ支持部材６０と、設置面Ｓに設置されるベース部７０と、移動機構３０を制御する制御基板（制御部）８０と、を備える。

【0026】

図１に示すように、弁体部１０と、移動機構３０と、固定部材４０と、支持部５０と、モータ支持部材６０と、制御基板８０は、本体部２０の上方に設置されるカバー部材１００ｃの内部に収容されている。制御基板８０は、ケーブル２００を介して外部装置（図示略）との間で各種の信号の送受信や、外部装置からの電力供給を受ける。本体部２０と、固定部材４０と、支持部５０と、モータ支持部材６０と、ベース部７０とは、締結ボルト（図示略）により締結されて一体化している。

【0027】

以下、本実施形態の流量調整装置１００が備える各部について説明する。図２は、図１に示す流量調整装置１００のＩ部分の部分拡大図である。
図２に示すように、弁体部１０は、弁室Ｒ１の内部を鉛直方向に延びる軸線Ｘに沿って移動することにより、弁座部２１に設けられた連通流路２２から弁室Ｒ１に流入する流体の流量を調整するものである。弁体部１０と弁座部２１の距離は、後述する移動機構３０により調整される。

【0028】

弁体部１０は、軸線Ｘに沿って軸状に形成される基部１１と、基部１１の外周面に連結されるとともに軸線Ｘを中心とした円環状かつ薄膜状に形成されるダイヤフラム部（薄膜部）１２と、ダイヤフラム部１２の外周側端部が連結される内周面を有するとともに円環状に形成される円環部１３と、基部１１を移動機構３０に連結する連結部１４と、を有する。

【0029】

基部１１とダイヤフラム部１２と円環部１３とは、単一の材料により一体に形成されている。弁体部１０を形成する材料として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン），ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）等の耐薬品性の高いフッ素樹脂材料を用いるのが望ましい。円環部１３には、軸線Ｘ回りの周方向に沿って無端状に形成されるとともに軸線Ｘに沿って下方に突出する円環凸部１３ａが形成されている。一方、弁体部１０と対向する位置に配置される本体部２０には、軸線Ｘ回りの周方向に沿って無端状に形成されるとともに軸線Ｘに沿って上方に開口する円環溝部２０ａが形成されている。円環凸部１３ａと円環溝部２０ａは、軸線Ｘに対する半径が同一となるように形成されている。

【0030】

本実施形態の流量調整装置１００を組み立てる際には、本体部２０の円環溝部２０ａに弁体部１０の円環凸部１３ａを圧入する。これにより、円環溝部２０ａと円環凸部１３ａとが密着した状態となり、これらが密着した領域が弁室Ｒ１から外部への流体の流出を抑制するシール領域となる。また、弁体部１０の基部１１の中心軸が軸線Ｘと一致した状態となる。弁体部１０を本体部２０へ固定することにより、弁体部１０と本体部２０により仕切られる弁室Ｒ１が形成される。

【0031】

図２に示すように、本体部２０には、弁体部１０を収容する弁室Ｒ１と、弁体部１０と対向する位置に配置される弁座部２１と、流入ポート（流入口）１００ａから流入する液体を弁室Ｒ１へ導く流入流路２３と、流出ポート（流出口）１００ｂ液体を導く流出流路２４と、弁室Ｒ１と流出流路２４とを連通させる連通流路２２と、が形成されている。本体部２０は、例えば、単一の材料により一体に形成されている。本体部２０を形成する材料として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン），ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）等の耐薬品性の高いフッ素樹脂材料を用いるのが望ましい。

【0032】

連通流路２２は、軸線Ｘに沿って鉛直方向に延びる流路であり、断面視が円形に形成されている。流入流路２３及び流出流路２４は、それぞれ軸線Ｘに直交する水平方向の軸線Ｙに沿って延びる流路であり、断面視が円形に形成されている。連通流路２２は、流量を調整するための流入開口２２ａに連通する流路であるため、流入流路２３及び流出流路２４よりも流路断面積が小さい。連通流路２２の水平方向の断面の直径は、軸線Ｘ方向の各位置で同一である。連通流路２２の水平方向の断面の直径は、流入流路２３の断面の直径の最小値の１／１０以上かつ１／３以下に設定するのが望ましい。同様に、連通流路２２の水平方向の断面の直径は、流出流路２４の断面の直径の最小値の１／１０以上かつ１／３以下に設定するのが望ましい。
流入流路２３の弁室Ｒ１側の端部は、軸線Ｙ上の位置から弁室Ｒ１へ向けて液体が流通方向（図１の左方から右方へ向かう方向）に沿って設置面Ｓからの距離が増加するように傾斜する形状となっている。流入流路２３の弁室Ｒ１側の端部へ導かれた液体は、流入流路２３の流通方向の下流側端部に設けられた流出開口２３ａから弁室Ｒ１へ流入する。

【0033】

連通流路２２の断面の直径を流入流路２３および流出流路２４の断面の直径の最小値の１／１０以上とすることにより、連通流路２２の断面積が過度に小さくなって単位時間当たりに流通する最大流量が過度に小さくなることを抑制することができる。また、連通流路２２の断面の直径を流入流路２３および流出流路２４の断面の直径の最小値の１／３以下とすることにより、連通流路２２の断面積が過度に大きくなって弁体部１０の移動量に対する単位時間あたりの流量の変化が過度に大きくなることを抑制することができる。

【0034】

移動機構３０は、弁体部１０を軸線Ｘに沿って移動させることにより、弁体部１０と本体部２０の弁座部２１との間の距離を調整することで、弁室Ｒ１から連通流路２２へ流入する液体の流量を調整する機構である。

【0035】

図２に示すように、移動機構３０は、ステッピングモータ３１と、ステッピングモータ３１に連結されて軸線Ｘ回りに回転する駆動軸３２と、駆動軸３２と一体に回転する回転部材３３と、駆動軸３２を取り囲むように配置されるスラスト軸受部３４と、回転部材３３に対して軸線Ｘに沿って相対的に移動可能な移動部材３５と、移動部材３５と支持部５０との間に配置されるスプリング３６と、回り止め部材３７と、位置検出部３８（図１参照）と、を有する。駆動軸３２，回転部材３３，スラスト軸受部３４，及び移動部材３５は、金属材料（例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼材、Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼材、ＳＫ４等の炭素工具鋼材）により形成されている。

【0036】

ステッピングモータ３１は、制御基板８０から送信される階段状（矩形状）の励磁信号（励磁電流）に応じて駆動軸３２を回転させる駆動機構である。図２に示すように、駆動軸３２には、軸線Ｘに直交する水平方向に貫通する貫通孔３２ａが形成されている。回転部材３３にも、軸線Ｘに直交する水平方向に貫通する貫通孔（図示略）が形成されている。駆動軸３２の貫通孔３２ａと回転部材３３の貫通孔の双方にピンＰが挿入されており、回転部材３３が駆動軸３２と一体となって軸線Ｘ回りに回転するようになっている。

【0037】

図２に示すように、回転部材３３は、軸線Ｘに沿って延びる円筒状に形成される部材であり、下半部の外周面に雄ねじ３３ａが設けられている。雄ねじ３３ａは、回転部材３３を移動部材３５に連結しつつ移動部材３５を回転部材３３に対して相対的に移動させるために設けられている。

【0038】

スラスト軸受部３４は、回転部材３３とステッピングモータ３１との間に駆動軸３２を取り囲むように配置されている。スラスト軸受部３４は、スプリング３６の付勢力や弁体部１０が流体から受ける軸線Ｘに沿って上方へ向けた付勢力を支持し、このような付勢力によらずに回転部材３３を円滑に回転させる。

【0039】

移動部材３５は、軸線Ｘに沿って配置される部材であり、弁体部１０に連結されている。移動部材３５は、下端側に弁体部１０の連結部１４が締結される締結穴３５ａが設けられ、上端側に回転部材３３が連結される連結穴３５ｂが設けられている。弁体部１０の基部１１の上半部の雄ねじは、連結部１４の雌ねじに締結されている。連結部１４の上端の雄ねじは、移動部材３５の締結穴３５ａの雌ねじに締結されている。

【0040】

移動部材３５の連結穴３５ｂの内周面には、回転部材３３の雄ねじ３３ａに連結される雌ねじ３５ｃが設けられている。雌ねじ３５ｃは、移動部材３５を回転部材３３に連結しつつ移動部材３５を回転部材３３に対して相対的に移動させるために設けられている。移動部材３５の上方の外周部分には、軸線Ｘ回りの複数箇所（例えば、１２０°間隔の３箇所）に軸線Ｘと平行な方向に延びる貫通穴（図示略）が形成されている。

【0041】

貫通穴には、移動部材３５が軸線Ｘ回りに回転することを規制する棒状の回り止め部材３７が挿入されている。回り止め部材３７の下端は、支持部５０の上面に形成された挿入穴に挿入される。回り止め部材３７の下端が挿入穴に挿入されるため、移動部材３５が軸線Ｘ回りに回転することが規制される。

【0042】

図２に示すように、移動部材３５には、連結穴３５ｂの下方側の空間と外部と連通した空間Ｒ２とを連通させる通気孔３５ｄが設けられている。通気孔３５ｄは、回転部材３３に対する移動部材３５の相対的な位置の変位にかかわらず、連結穴３５ｂの下方側の空間を大気圧状態に維持するための孔である。

【0043】

スプリング３６は、支持部５０の上端面に形成された円環状の溝部と移動部材３５に形成された円環状の溝部とに挿入され、移動部材３５に軸線Ｘに沿って上方に向けた付勢力を発生する部材である。スプリング３６は、回転部材３３の雄ねじ３３ａに連結される移動部材３５に付勢力を与えることで、バックラッシュによる弁体部１０の位置決め誤差を低減するために設けられている。

【0044】

位置検出部３８は、ステッピングモータ３１の駆動軸３２に連結される平面視が円形のエンコーダ３８ａと、エンコーダ３８ａの円周方向の複数箇所に等間隔で設けられたスリットを検出するためのフォトインタラプタ３８ｂを備える。フォトインタラプタ３８ｂは、通過したスリットの数に応じた矩形状のパルス信号を後述する制御基板８０へ送信する。

【0045】

制御基板８０は、ステッピングモータ３１へ伝達したパルス信号から推定される駆動軸３２の回転数と、位置検出部３８が出力するパルス信号から推定される駆動軸３２の回転数との双方を認識することができる。制御基板８０は、これらの回転数が一致しない場合、ステッピングモータ３１に脱調等の不具合が発生していることを認識することができる。

【0046】

以上説明した構成を備える移動機構３０は、以下のように動作して弁体部１０を軸線Ｘに沿って移動させる。移動機構３０は、ステッピングモータ３１により駆動軸３２とそれに連結された回転部材３３を軸線Ｘ回りに回転させる。回転部材３３の外周面に形成された雄ねじ３３ａに連結される雌ねじ３５ｃが設けられた移動部材３５は、回り止め部材３７により軸線Ｘ回りの回転が規制されている。

【0047】

そのため、移動部材３５は、駆動軸３２の回転に応じて回転部材３３が軸線Ｘ回りに回転するのに伴って、その回転方向により軸線Ｘに沿って上方又は下方に移動する。弁体部１０は、移動部材３５に連結されているため、移動部材３５の移動に伴って軸線Ｘに沿って上方又は下方に移動する。

【0048】

固定部材４０は、軸線Ｘを中心とした板状に形成される部材であり、本体部２０に取り付けられた弁体部１０を固定する部材である。固定部材４０には軸線Ｘを中心として開口する挿入穴が形成されており、弁体部１０の連結部１４が挿入可能となっている。

【0049】

支持部５０は、移動機構３０の移動部材３５が軸線Ｘに沿って移動するように支持するものである。支持部５０は、移動部材３５の外周面に近接して配置される筒状の第１支持部材５１と、第１支持部材５１の外周側に配置される第２支持部材５２とを有する。

【0050】

第１支持部材５１は、移動部材３５と近接する位置において、移動部材３５の外径よりも大きい内径の内周面を有する。移動部材３５の外径と第１支持部材５１の内径との差は、移動部材３５の軸線Ｘに沿った円滑な移動を可能にしつつ可能な限り微少な値に設定されている。第１支持部材５１の内周面は軸線Ｘに沿って一定の範囲で延びる円筒形状となっている。

【0051】

第１支持部材５１は、移動機構３０が弁体部１０を軸線Ｘに沿って移動させる際に、弁体部１０が軸線Ｘに直交する水平方向にずれないように規制する。第１支持部材５１は、移動部材３５よりも低い硬度の材料により形成して移動部材３５との接触時の摩擦力を抑制することが望ましい。第１支持部材５１は、例えば、銅と亜鉛の合金である黄銅により形成するのが好ましい。

【0052】

図２に示すように、第１支持部材５１には空間Ｒ２と連通する通気溝５１ａが形成され、第２支持部材５２には通気溝５１ａと連通する通気孔５２ａが形成されている。通気孔５２ａは、大気中に開口している。そのため、通気孔５２ａ及び通気溝５１ａと連通した空間Ｒ２は、大気圧に維持される。このようにすることで、流体が流通する弁室Ｒ１とダイヤフラム部１２を隔てて対向する空間Ｒ２が大気圧状態に維持される。

【0053】

モータ支持部材６０は、締結ボルト（図示略）によりステッピングモータ３１に連結される部材である。モータ支持部材６０は、下端部が第２支持部材５２の上面に支持されるため、ステッピングモータ３１が支持部５０から一定の位置に配置されるようにステッピングモータ３１を支持している。

【0054】

ベース部７０は、設置面Ｓに設置される部材であり、例えば、締結ボルト（図示略）により設置面Ｓに固定される。図１に示すように、ベース部７０の下方側から締結ボルトを締め付けることにより、本体部２０と、固定部材４０と、支持部５０と、モータ支持部材６０と、ベース部７０とが一体化される。

【0055】

制御基板８０は、ケーブル２００を介して外部装置（図示略）と接続されており、ケーブル２００を介して外部装置から電力供給を受けるとともに、外部装置との間で各種の信号の送受信を行う。外部装置から受信する信号は、例えば、流量調整装置１００が調整する目標流量の設定値を示す信号である。制御基板８０は、目標流量の設定値を示す信号を受信した場合、ステッピングモータ３１を回転させて弁体部１０を所望の位置に移動させるためのパルス信号を生成し、ステッピングモータ３１へ伝達する。

【0056】

図３は、制御基板８０の構成を示す機能ブロック図である。図３に示すように、制御基板８０は、制御部８１と、モータドライバ８２と、を備える。制御部８１は、ＣＰＵ等の演算処理部を有し、ケーブル２００を介して外部装置と信号の送受信を行うとともにステッピングモータ３１を制御するための矩形状のパルス信号をモータドライバ８２へ送信する。制御部８１は、ステッピングモータ３１の駆動軸３２に連結された位置検出部３８から送信されるパルス信号から駆動軸３２の回転数を検出することができる。

【0057】

モータドライバ８２は、制御部８１から受信するパルス信号に応じてマイクロステップ励磁電流（励磁信号）を生成し、ステッピングモータ３１に出力する駆動回路である。モータドライバ８２は、ステッピングモータ３１をフルステップ駆動させる場合の１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で階段状に電流が変化する励磁電流を生成し、ステッピングモータ３１を制御する。ここで、所定の分割数は、例えば、２５６である。

【0058】

本実施形態のステッピングモータ３１は、フルステップ駆動させる場合の１ステップの回転角が１．８°の２相ステッピングモータである。図４は、本実施形態の制御部がモータドライバに出力するパルス信号のパルス数とモータドライバ８２がステッピングモータ３１に出力する励磁電流との関係を示す図である。図４に示すように、モータドライバ８２は、Ａ相及びＢ相の２相のコイル（図示略）に対し、正弦波形の励磁電流を出力する。図４に示す正弦波形は、微視的にみれば、１パルス毎に励磁電流が階段状に変化する形状となっている。

【0059】

図５は、制御部８１がモータドライバ８２に出力するパルス信号のパルス数とモータドライバ８２がステッピングモータ３１に出力する励磁電流との関係の比較例を示す図である。図５は、モータドライバ８２が２相励磁のフルステップ駆動によりステッピングモータ３１を制御する例を示す。

【0060】

図５の比較例に示すフルステップ駆動の１ステップは、図４に示すマイクロステップ駆動の２５６ステップに対応している。図５のフルステップ駆動では１ステップで回転角が１．８°変化するのに対し、図４のマイクロステップ駆動では２５６ステップで回転角が１．８°変化する。分割数が２５６のマイクロステップ駆動では、１ステップで変化する回転角は、１．８°／２５６＝０．００７０３１２５°である。

【0061】

次に、図６から図８を参照して、本実施形態の流量調整装置１００が備える弁体部１０が流体の流量を調整するための構造について説明する。図６及び図７は、図２に示す流量調整装置１００のＩＩ部分の部分拡大図である。図６は、連通流路２２から弁室Ｒ１へ流入する液体の流量を最小値に設定した状態を示している。一方、図７は、連通流路２２から弁室Ｒ１へ流入する流体の流量を最大値に設定した状態を示している。図８は、図２に示す弁座部２１を軸線Ｘに沿った上方からみた平面図である。

【0062】

図６及び図７に示すように、弁体部１０の基部１１は、水平方向に延びる平坦な弁体面１１ａを有する。本体部２０の弁座部２１は、弁体面１１ａと対向する位置に配置されて水平方向に延びる平坦な弁座面２１ａを有する。弁座面２１ａは、連通流路２２と弁室Ｒ１とを連通させる流入開口（流路開口）２２ａの周囲に設けられている。移動機構３０により弁体部１０を軸線Ｘに沿って上下動させることにより、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の軸線Ｘに沿った距離が調整される。

【0063】

弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間は、流入開口２２ａから弁室Ｒ１へ流入する液体が流通する流路となっている。そのため、弁体面１１ａ及び弁座面２１ａにパーティクルが付着していると、そのパーティクルが不純物として液体に混入してしまう可能性がある。弁体面１１ａ及び弁座面２１ａは、パーティクルが付着することを抑制するため、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下に形成されている。

【0064】

図６は、連通流路２２から弁室Ｒ１へ流入する液体の流量を最小値に設定した状態を示しており、弁座面２１ａの軸線Ｘ上の位置Ｐ０から弁体面１１ａの最下端位置Ｐ１までの距離がＨｍｉｎとなっている。距離Ｈｍｉｎは０より大きい値であるため、弁体面１１ａと弁座面２１ａは非接触状態を維持する。

【0065】

図７は、弁室Ｒ１から連通流路２２へ流入する液体の流量を最大値に設定した状態を示しており、弁座面２１ａの軸線Ｘ上の位置Ｐ０から弁体面１１ａの最上端位置Ｐ２までの距離がＨｍａｘとなっている。弁体面１１ａの最下端位置Ｐ１から最上端位置Ｐ２までの移動範囲Ｓｔ１は、距離Ｈｍｉｎから距離Ｈｍａｘに至るまでの範囲となっている。

【0066】

流入開口２２ａの半径をｒ１とした場合、流入開口２２ａの流路断面積はπ・（ｒ１）^２となる。弁体面１１ａを位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動させた場合に弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積の変化量は、２π・ｒ１・Ｓｔ１となる。２π・ｒ１・Ｓｔ１が流入開口２２ａの流路断面積を超えている場合、弁室Ｒ１から単位時間あたりに流入開口２２ａに流入する液体の流量は最大となる。すなわち、移動範囲Ｓｔ１を過度に大きくしても、流入開口２２ａに流入する液体の流量が最大となる位置を超えてしまうと液体の流量を調整することができなくなる。

【0067】

よって、移動範囲Ｓｔ１は、流入開口２２ａの流路断面積と、弁体面１１ａを位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動させた場合に弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積の変化量とが略一致するように設定するのが望ましい。具体的には、π・（ｒ１）^２と２π・ｒ１・Ｓｔ１とが略一致するように移動範囲Ｓｔ１を設定するのが望ましい。この移動範囲Ｓｔ１は、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積が、連通流路２２の流路断面積よりも小さくなる範囲を含む。

【0068】

移動範囲Ｓｔ１は、流入開口２２ａの半径ｒ１の０．５倍（流入開口２２ａの直径の０．２５倍）となる。例えば、流入開口２２ａの直径（ポート径）が０．５ｍｍの場合には、移動範囲Ｓｔ１を約０．１３ｍｍに設定するのが望ましい。また、流入開口２２ａの直径（ポート径）が２．０ｍｍの場合には、移動範囲Ｓｔ１を約０．５０ｍｍに設定するのが望ましい。

【0069】

また、移動範囲Ｓｔ１は、弁体面１１ａを位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動させた場合に、位置検出部３８のエンコーダ３８ａが軸線Ｘ１回りに１回転しないように設定するのが望ましい。このようにすることで、位置検出部３８のフォトインタラプタ３８ｂが検出するパルス信号の数と弁体面１１ａの軸線Ｘ上の位置とを容易に対応付けて、弁体面１１ａの位置を認識することができる。

【0070】

本実施形態の制御基板８０は、弁体面１１ａと弁座面２１ａとが非接触状態を維持する移動範囲Ｓｔ１で弁体部１０が移動するようにステッピングモータ３１を制御する。具体的には、制御基板８０は、弁体面１１ａの軸線Ｘ上の位置が弁座面２１ａよりも上方の最下端位置Ｐ１よりも下方とはならず、最上端位置Ｐ２よりも上方とはならないようにステッピングモータ３１を制御する。

【0071】

弁体面１１ａの軸線Ｘ上の位置が最下端位置Ｐ１よりも下方とはならいようにしているのは、弁体面１１ａが弁座面２１ａに接触し、弁体面１１ａ及び弁座面２１ａを形成する材料の一部がパーティクル（例えば、粒径が２０ｎｍ以下の微粒子）として排出されることを抑制するためである。

【0072】

最下端位置Ｐ１は、例えば、流出ポート１００ｂから外部の配管へ流出する流体の単位時間当たりの流量が所定の最小値となる位置に予め調整されている。制御基板８０は、電源投入後の初期化処理により弁体面１１ａを初期位置に設定し、初期化処理後に駆動軸３２が回転した回転角をエンコーダ３８ａにより検出することができる。制御基板８０は、記憶部（図示略）に記憶した最下端位置Ｐ１に対応するパルス数を読み込んでパルス数に応じてステッピングモータ３１を駆動して初期化位置から駆動軸３２を回転させることにより、弁体面１１ａを弁座面２１ａから距離Ｈｍｉｎの位置に移動させることができる。

【0073】

本実施形態において、１マイクロステップで弁体面１１ａが軸線Ｘに沿って移動する移動量はＳｔ２である。移動量Ｓｔ２は、その値が大き過ぎると１マイクロステップで変動する流体の流量が多くなり、目標流量に対する実流量の差が大きくなって目標流量への追従性が悪くなる。また、移動量Ｓｔ２は、その値が小さすぎると１マイクロステップで変動する流体の流量が少なくなり、目標流量に到達するまでに要する時間が長くなって応答性が悪くなる。

【0074】

発明者らは、１マイクロステップで弁体面１１ａが軸線Ｘに沿って移動する移動量Ｓｔ２と、１分間あたりに連通流路２２を通過する流体の流量との関係を検討したところ、１分間あたりに弁室Ｒ１から連通流路２２へ流入する液体の流量の移動量Ｓｔ２による変化が０．０１ｍＬ以上かつ０．０５ｍＬ以下を満たす場合に、目標流量への追従性と応答性が良好に維持されるという知見を得た。

【0075】

本実施形態においては、マイクロステップ駆動の所定の分割数を３２以上かつ５１２以下（例えば、２５６）に設定することにより、前述した流量の変化の条件を満たす。所定の分割数に下限を設けているのは、所定の分割数を小さくしすぎると１マイクロステップで弁体部１０を移動させた場合の流量の変化が過度に大きくなって流体の流量を目標流量への追従性が悪くなるからである。所定の分割数に上限を設けているのは、所定の分割数を大きくしすぎると弁体部１０を移動させるのに必要なマイクロステップのステップ数が過度に大きくなって応答性が悪くなるからである。

【0076】

図８に示すように、流入開口２２ａは、平面視した形状が軸線Ｘを中心とした円形に形成されている。図６および図７に示すように、弁座面２１ａは、平面視した形状が軸線Ｘを中心として流入開口２２ａを取り囲むとともに水平面に沿って延びる平坦状に形成されている。弁座面２１ａの平坦状の領域は対向して配置される弁体面１１ａよりも広い領域に存在している。弁体面１１ａは、平面視した形状が軸線Ｘを中心とした円形に形成されている。流入開口２２ａの半径をｒ１とし、弁体面１１ａの半径をｒ２とした場合、３・ｒ１≦ｒ２≦８・ｒ１を満たす関係となっている。

【0077】

弁体面１１ａの半径ｒ２を流入開口２２ａの半径ｒ１の３倍以上とすることで、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の壁面の面積が十分に確保される。弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の流路の壁面は、流体に摩擦損失を与えて流体の流速を低減させる。

【0078】

弁体面１１ａの半径ｒ２を流入開口２２ａの半径ｒ１の８倍以下とすることで、弁体面１１ａの表面積が過度に大きくなることが抑制される。弁体面１１ａの表面積が過度に大きくなると、これらの面を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下となるように高精度に加工することが困難となる。あるいは、これらの面を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下となるように高精度に加工するのに要する時間が長くなって生産効率が悪化する。
図６および図７に示すように、弁体部１０の基部１１は、ダイヤフラム部１２に接続される外周面１１ｂから弁体面１１ａに向けて軸線Ｘに直交する径方向の外径が一定の勾配で漸次減少するように形成される傾斜面１１ｃを有する。傾斜面１１ｃは、弁室Ｒ１から弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路に液体が流入する際に、液体が流れる流路の断面積を漸次減少させ、液体を円滑に流通させるものである。

【0079】

図９は、本実施形態の流量調整装置１００において、弁体面１１ａを最下端位置Ｐ１から最上端位置Ｐ２に向けて分割数２５６のマイクロステップ駆動により変化させた際の、パルス数と流量の関係を示すグラフである。図１０は、比較例の流量調整装置において、弁体面１１ａを最下端位置Ｐ１から最上端位置Ｐ２に向けてフルステップ駆動により変化させた際の、パルス数と流量の関係を示すグラフである。

【0080】

図９及び図１０に示す流量は、流量調整装置１００の流出ポート１００ｂに接続された配管で流量計（図示略）により計測したものである。図９及び図１０において、ΔＰは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧である。

【0081】

図９に示すように、本実施形態の流量調整装置１００によれば、制御部８１からモータドライバ８２に送信するパルス数を０から２５０００に増加させるにつれて流体の流量が増加し、パルス数が２５０００に至ると流量が略変化しない状態となる。本実施形態の流量調整装置１００によれば、パルス数が０から２５０００に至るまでの範囲において流量の変化がみられるため、０から２５０００までのパルス数を入力することにより任意の目標流量に調整することができる。

【0082】

一方、図１０に示すように、比較例の流量調整装置によれば、制御部８１からモータドライバ８２に送信するパルス数を０から５０００に増加させるにつれて流体の流量が増加し、パルス数が５０００に至ると流量が略変化しない状態となる。本実施形態の流量調整装置１００によれば、パルス数が０から５０００に至るまでの範囲において流量の変化がみられるものの、パルス数が５０００から２５０００に至るまでの範囲では流量の変化が殆どない。そのため、比較例の流量調整装置では、０から５０００までの限られたパルス数の中で目標流量を調整しなければならない。そのため、１パルス（１ステップ）で変動する流体の流量が多くなり、目標流量に対する実流量の差が大きくなって目標流量への追従性が悪くなってしまう。

【0083】

次に、制御基板８０がステッピングモータ３１を駆動して弁体面１１ａを所定の目標位置に移動させる動作について説明する。図１１は、制御基板８０が実行する処理を示すフローチャートである。

【0084】

ステップＳ１００１で、制御基板８０の制御部８１は、外部装置から送信される信号を解析し、弁体部１０の目標開度が設定されたか否かを判断する。制御部８１は、外部装置から目標開度を設定する信号を受信した場合、目標開度が設定されたと判断する。制御基板８０は、目標開度を設定する信号に含まれる弁体部１０の目標開度と、現在の弁体部１０の開度に基づいて、弁体面１１ａを現在位置から目標開度に対応する目標位置まで移動させるために必要なパルス数を算出する。

【0085】

ここで、現在の弁体部１０の開度は、初期状態から現在までにモータドライバ８２へ送信したパルス信号のパルス数から算出される。このパルス数は、例えば、正回転のパルス数から逆回転のパルス数を減算したパルス数である。

【0086】

ステップＳ１００２で、制御部８１は、ステッピングモータ３１をマイクロステップ駆動するための１パルス分のパルス信号をモータドライバ８２へ出力する。
ステップＳ１００３で、モータドライバ８２は、制御部８１からパルス信号を受信したことに応じて励磁電流を生成し、ステッピングモータ３１へ出力する。ステッピングモータ３１は、モータドライバ８２から出力された励磁電流により駆動される。

【0087】

ステップＳ１００４で、制御部８１は、弁体部１０の弁体面１１ａの位置が目標開度に応じた位置へ到達したかを判断する。制御部８１は、ステップＳ１００１で算出された必要なパルス数がステップＳ１００２で出力されたかどうかを判断する。制御部８１は、必要なパルス数がステップＳ１００２で出力されていない場合はステップＳ１００２を再び実行する。制御部８１は、必要なパルス数がステップＳ１００２で出力された場合には、本フローチャートの処理を終了させる。

【0088】

図１１に示す処理では、外部装置から目標開度を設定する信号を受信して目標開度を設定するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ステップＳ１００１で、制御部８１は、外部装置から目標流量を設定する信号を受信して目標流量を設定してもよい。この場合、流出ポート１００ｂに接続された配管に流量計（図示略）が設置されており、流量計が計測した流量を制御基板８０が受信するものとする。

【0089】

そして、制御部８１は、ステップＳ１００４で、流量計から受信する流量が目標流量に到達したかどうかを判断する。すなわち、制御部８１は、流量計から受信する流量が目標流量と一致するように弁座面２１ａに対する弁体面１１ａの位置を制御する。

【0090】

次に、本実施形態の流量調整装置１００により液体の流量を調整した例と、比較例の流量調整装置により液体の流量を調整した場合について説明する。図１２は、本実施形態の流量調整装置１００において、弁体面１１ａを最下端位置Ｐ１から最上端位置Ｐ２に向けて移動させた際の、パルス数と流量の関係を示すグラフである。図１０は、比較例の流量調整装置において、弁体面１１ａを最下端位置Ｐ１から最上端位置Ｐ２に向けて移動させた際の、パルス数と流量の関係を示すグラフである。

【0091】

本実施形態の流量調整装置１００は、図１および図２に示すように、流入流路２３、弁室Ｒ１、連通流路２２、流出流路２４の順に液体を流通させる装置である。一方、比較例の流量調整装置は、図１および図２に示す装置において、流出流路２４、連通流路２２、弁室Ｒ１、流入流路２３の順に液体を流通させる装置である。すなわち、比較例の流量調整装置は、本実施形態の流量調整装置１００と、液体の流通方向が逆方向となっている。

【0092】

図１２に示す流量は、図１に示す流量調整装置１００の流出ポート１００ｂに接続された配管で流量計（図示略）により計測したものである。図１３に示す流量は、図１に示す流量調整装置１００の流入ポート１００ａに接続された配管で流量計（図示略）により計測したものである。図１２及び図１３において、ΔＰは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧である。

【0093】

図１２および図１３において、「ΔＰ：５０ｋＰａ ｕｐ」とは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が５０ｋＰａであり、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合（液体の流量を増加させる場合）のパルス数と流量の関係を示している。また、「ΔＰ：５０ｋＰａ ｄｏｗｎ」とは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が５０ｋＰａであり、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合（液体の流量を減少させる場合）のパルス数と流量の関係を示している。

【0094】

図１２および図１３において、「ΔＰ：１００ｋＰａ ｕｐ」とは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が１００ｋＰａであり、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合（液体の流量を増加させる場合）のパルス数と流量の関係を示している。また、「ΔＰ：１００ｋＰａ ｄｏｗｎ」とは、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が１００ｋＰａであり、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合（液体の流量を減少させる場合）のパルス数と流量の関係を示している。

【0095】

図１２に示すように、本実施形態の流量調整装置１００においては、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が５０ｋＰａである場合には、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合と、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合のパルス数と流量の関係が一致している。また、パルス数と流量との関係がなだらかな曲線形状の関係となっている。

【0096】

また、図１２に示すように、本実施形態の流量調整装置１００においては、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が１００ｋＰａである場合にも、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合と、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合のパルス数と流量の関係が一致している。さらに、パルス数と流量との関係がなだらかな曲線形状の関係となっている。したがって、本実施形態の流量調整装置１００では、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができる。

【0097】

一方、図１３に示すように、比較例の流量調整装置においては、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が５０ｋＰａである場合には、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合と、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合のパルス数と流量の関係が一致していない。また、パルス数と流量との関係がなだらかな曲線形状の関係となっておらず、パルス数の変化に対する流量の変化量が大きい領域（変位領域）が存在する。

【0098】

また、図１３に示すように、比較例の流量調整装置においては、流入ポート１００ａにおける流体の圧力と流出ポート１００ｂにおける流体の圧力との差圧が１００ｋＰａである場合にも、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を増加させる場合と、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離を減少させる場合のパルス数と流量の関係が一致していない。さらに、パルス数と流量との関係がなだらかな曲線形状の関係となっておらず、パルス数の変化に対する流量の変化が大きい領域（変位領域）が存在する。したがって、比較例の流量調整装置では、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができない。

【0099】

以上説明した本実施形態の流量調整装置１００が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態の流量調整装置１００によれば、移動機構３０により弁体部１０の弁体面１１ａと弁座部２１の弁座面２１ａとの間の軸線Ｘに沿った距離を調整することにより液体の流量の調整が行われる。弁体面１１ａとそれに対向して配置される弁座面２１ａとがそれぞれ水平方向に延びる平坦面となっている。

【0100】

そのため、弁体部１０を構成する部材及び弁座部２１を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合であっても、弁体面１１ａは流入開口２２ａには挿入されずにその周囲に設けられる弁座面２１ａに非接触状態で近接する。弁体面１１ａと弁座面２１ａとが非接触状態を維持するため、弁体面１１ａと弁座面２１ａが接触してパーティクルが発生することがない。よって、弁体部１０を構成する部材及び弁座部２１を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制することができる。

【0101】

また、本実施形態の流量調整装置１００によれば、連通流路２２の流路断面積が流入流路２３の流路断面積および流出流路２４の流路断面積よりも小さいため、流入流路２３、弁室Ｒ１、連通流路２２、流出流路２４の順に液体を流通させる流路において、連通流路２２を流通する液体の流速が最も速くなる。そのため、連通流路２２とそれよりも容積の大きい弁室Ｒ１との間において、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じて液体の流量を安定して変化させることが適切な流量の調整に必要となる。

【0102】

そして、本実施形態の流量調整装置１００によれば、容積の大きい弁室Ｒ１から流路断面積が小さい連通流路２２に向けて液体を流入させているため、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じて液体の流量を精度良く調整することができる。これは、容積の大きい弁室Ｒ１から流路断面積が小さい連通流路２２に向けて液体を流入させる場合には、弁室における液体の流速の変化が定常化し、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができるためであると考えられる。特に、弁室Ｒ１において、液体の流れが層流から乱流または乱流から層流へ遷移する遷移域で液体の流速の変化が定常化するためであると考えられる。

【0103】

一方、発明者らが検討した結果、流路断面積が小さい連通流路２２からそれよりも容積の大きい弁室Ｒ１に向けて液体を流入させる場合、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じて液体の流量を精度良く調整することができないことがわかった。これは、流路断面積が小さい連通流路２２からそれよりも容積の大きい弁室Ｒ１に向けて液体を流通させる場合には、弁室Ｒ１における液体の流速の変化が非定常となり、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の距離に応じた適切な流量の液体を流通させることができなくなるためであると考えられる。特に、弁室Ｒ１において、液体の流れが層流から乱流または乱流から層流へ遷移する遷移域で液体の流速の変化が非定常となるためであると考えられる。

【0104】

本実施形態の流量調整装置１００によれば、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積が連通流路２２の流路断面積よりも小さくなる範囲において、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの距離に応じた流量となるように液体の流量が調整される。

【0105】

弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積の変化量が流入開口２２ａの流路断面積を超えている場合、流入開口２２ａから単位時間あたりに弁室Ｒ１に流入する液体の流量は最大となる。すなわち、移動範囲を過度に大きくしても、連通流路２２から弁室Ｒ１へ流出する液体の流量が最大となる位置を超えてしまうと液体の流量を調整することができなくなる。本実施形態の流量調整装置１００によれば、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の最小流路断面積の変化量が流入開口２２ａの流路断面積と略一致するように移動範囲が設定されるため、液体の流量を適切に調整することができる。

【0106】

本実施形態の流量調整装置１００によれば、弁体部１０の基部１１が、外周面１１ｂから弁体面１１ａへ向けて軸線Ｘに直交する径方向の外径が漸次減少するように形成されているため、弁室Ｒ１から弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路に液体が流入する際に、液体が流れる流路の断面積が漸次減少し、液体を円滑に流通させることができる。

【0107】

本実施形態の流量調整装置１００によれば、ステッピングモータ３１の駆動軸３２の回転に応じて軸線Ｘに沿って移動する移動部材３５に弁体部１０が連結されており、ステッピングモータ３１が１ステップを所定の分割数で分割したマイクロステップ単位で変化する励磁信号（励磁電流）により制御される。ステッピングモータ３１をフルステップあるいはハーフステップの励磁信号により制御する場合、弁体面１１ａの軸線Ｘに沿った最小移動量が大きいことから流体の流量の最小変化量が大きくなり、流量調整を精度良く行うことができない。

【0108】

それに対して、本実施形態の流量調整装置１００では、弁体面１１ａの軸線Ｘに沿った最小移動量が小さいことから流体の流量の最小変化量が小さくなり、流量調整を精度良く行うことができる。
このように、本実施形態の流量調整装置１００によれば、弁体部１０を構成する部材及び弁座部２１を構成する部材の組み付け誤差や寸法誤差が生じる場合のパーティクルの発生を抑制するとともに流体の流量調整を精度良く行うことができる。

【0109】

本実施形態の流量調整装置１００において、１マイクロステップで弁体面１１ａが軸線に沿って移動する移動量Ｓｔ２による１分間あたりの流量の変化が０．０５ｍＬ以下を満たすように所定の分割数を設定することで、弁体面の軸線に沿った最小移動量と流体の流量の最小変化量を十分に小さくし、流量の定常変化（実際の流量と目標流量との差分）を少なくすることができる。また、移動量Ｓｔ２による１分間あたりの流量の変化が０．０１ｍＬ以上を満たすように所定の分割数を設定することで、流量変化量が過度に小さくなることを抑制し、目標流量への応答性を高めることができる。

【0110】

本実施形態の流量調整装置１００において、弁体面１１ａの半径ｒ２を流入開口２２ａの半径ｒ１の３倍以上とすることで、弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間に形成される流路の壁面の面積が十分に確保される。弁体面１１ａと弁座面２１ａとの間の流路の壁面は、流体に摩擦損失を与えて流体の流速を低減させる。そのため、弁体面１１ａの軸線Ｘに沿った移動量に対する流体の流量の変化量を小さくし、流量調整を精度良く行うことができる。

【0111】

本実施形態の流量調整装置１００によれば、連通流路２２の断面の直径を流入流路２３の断面の直径の最小値の１／１０以上とすることにより、連通流路２２の断面積が過度に小さくなって単位時間当たりに流通する最大流量が過度に小さくなることを抑制することができる。また、連通流路２２の断面の直径を流入流路２３の断面の最小値の直径の１／３以下とすることにより、連通流路２２の断面積が過度に大きくなって弁体部１０の移動量に対する流量の変化が過度に大きくなることを抑制することができる。

【0112】

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

【符号の説明】

【0113】

１０ 弁体部
１１ａ 弁体面
２１ 弁座部
２１ａ 弁座面
２２ 連通流路
２２ａ 流入開口
３０ 移動機構
３１ ステッピングモータ
３２ 駆動軸
３５ 移動部材
８０ 制御基板
８１ 制御部
８２ モータドライバ
１００ 流量調整装置
Ｐ１ 最下端位置
Ｐ２ 最上端位置
Ｒ１ 弁室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】