JPH08210550A

JPH08210550A - バルブ装置

Info

Publication number: JPH08210550A
Application number: JP4353395A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Kazama; 洋一郎風間
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1996-08-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】初期設定磁気ギャップの長さを調整すること
により少ない起磁力で所定のバルブ変位量を得ることが
できるバルブ装置を提供する。【構成】ダイヤフラム２２を弁座３２方向に変位させ
るための負荷手段４４が薄板円板バネ３６と、弁棒３４
とで構成され、電磁アクチュエータ３８と弁棒３４との
初期設定時の初期設定電磁ギャップの長さを、電磁アク
チュエータの最大許容起磁力を発生した時に弁棒が電磁
アクチュエータに略接してダイヤフラムの弾発力と円板
バネの弾発力を合成した合成弾発力と、電磁アクチュエ
ータの推力とが略釣り合った状態となるような基準初期
磁気ギャップの長さＬ_GSと略同じか、これよりも小さく
設定するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス等の比較的小流量
の流体の流量を精密に制御する精密ガス流量制御用のバ
ルブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製品等を製造するために
は、例えば微量の処理ガスを精度良く制御しながら流す
必要があるが、この流量制御を行うために例えば精密ガ
ス流量制御装置が用いられている。

【０００３】この種のガス流量制御装置は、微量ガスの
流量を検出するセンサ部と、バルブ装置と、これを制御
する制御回路部とにより主に構成されている。センサ部
は、全ガス量の僅かな比率の量が通過する細管に電熱コ
イルを巻回してなるセンサを有しており、大部分のガス
はバイパスを流れるようになっている。そして、このセ
ンサ部での検出値に基づいて制御回路部はバルブ装置の
弁開度を制御し、ガスの流量を制御する。この場合、弁
開度を制御するには、全体のガス流量自体が非常に少な
いことから例えば数１０μｍのストローク範囲内でダイ
ヤフラム荷重と抗して精度良く弁開度を制御しなければ
ならず、このためにアクチュエータとして小さなストロ
ーク範囲内で大きな推力変化を有することから一般的に
は積層型圧電素子体が用いられている。

【０００４】ここで従来のガス流量制御装置を図１２に
基づいて説明すると、流体通路２のバイパス４の両端に
全ガス流量の僅かな比率の流量を流す例えば直径０．５
ｍｍ程度の細管６が形成され、これにセンサ部８の１対
の電熱コイル１０が巻回されている。この１対の電熱コ
イル１０は、例えば５０００ＰＰＭ／度程度の高い抵抗
温度係数を有し、これと２つの抵抗と組み合わせてブリ
ッジが形成されて定電流回路１２から電流を流すように
なっている。そして、ガス流の上流側のコイルはガス流
によって熱が奪われて温度が下がると共に下流側のコイ
ルは逆に熱が上がる傾向となって熱移動が生ずると平衡
状態のブリッジ回路が不平衡となり、この時発生する電
位差が流量信号となる。

【０００５】この信号は増幅回路１４により増幅された
後、比較制御回路１６へ入力され、ここでこの入力信号
と基準流量と比較して所定の流量を維持するようにバル
ブ装置１８の積層型圧電素子体２０を伸縮させて弁体、
すなわちダイヤフラム２２を適正な弁開度になるように
上下動させる。このように、弁体として薄い金属板より
なるダイヤフラム２２を用いる理由は、以下のようであ
る。

【０００６】従来にあっては、ガス流路中にスプリング
等の稼働部分を収容したバルブ装置も存在したが、腐食
性ガスを使用する場合にはガスに晒されたスプリング等
の腐食や摩耗によりパーティクルが発生しこれがガス流
に混入されてしまうからである。すなわち半導体製造工
程においては微細加工を行うことから高度のクリーン度
が必要とされており、ゴムやプラスチック等を弁体とし
て用いるとシリコンウエハの不良原因となる切り粉等の
パーティクルが発生するが、金属製のダイヤフラムによ
って構造簡単でしかもクリーン度の高い弁体が実現でき
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに弁体であるダイヤフラム２２を操作するために積層
型圧電素子体２０を用いることにより、例えば３０μｍ
程度の微小ストローク範囲内でガス流量の制御を行うこ
とができるが、この種の積層型圧電素子２０はストロー
クが微小であり、なおかつ非常に高価なものであり、そ
のために同一形状バルブ装置１８における制御可能な流
量レンジが低くなおかつ非常に高価になってしまうとい
う問題点があった。そこで、上記圧電素子２０やダイヤ
フラム２２に代えて従来構造の電磁弁を用いることも考
えられるが、前述のように従来の電磁弁の場合にはガス
に晒されたスプリングなどからのパーティクルが発生し
て高いクリーン度を維持することができない。

【０００８】一方、アクチュエータに電磁式を用い、高
いクリーン度を維持するため、弁体として金属ダイヤフ
ラムを使用する場合には、アクチュエータ推力の高推力
化が必要となる。これは、ダイヤフラムを変位させるに
必要な推力は従来構造の電磁弁に比べ、数倍程度大きい
からである。そこで、本発明者は、圧電素子体と比較し
て安価で、かつクリーン度を維持可能な電磁アクチュエ
ータの実現を鋭意研究した。ここで、アクチュエータの
高推力化は磁気回路の工夫と飽和磁束密度の高いヨーク
材を使用することで解決した。そして、この技術を先の
出願（特願平５−２０９８６８号）にて開示した。

【０００９】この出願における技術は、弁体であるダイ
ヤフラムが常時閉方向へ付勢されるように円板バネを設
けておき、この円板バネの力からダイヤフラムの反力を
差し引いた力とアクチュエータによる推力とを均衡させ
た所で、弁開度を設定するようになっている。すなわ
ち、円板バネが、微小ストローク内において大きな弾発
力の変化量を示すという特性を利用して電磁アクチュエ
ータの有する起磁力特性と整合させるようにしたもので
あり、これにより電磁アクチュエータを用いてもダイヤ
フラムの精度の高い微小ストローク制御が可能となっ
た。

【００１０】しかしながら、電磁アクチュエータの電気
回路系の温度が低い場合には、良好な流量制御が行なわ
れるのであるが、デューティサイクルが高かったり、周
囲環境の温度が高かったりして電磁アクチュエータの温
度が上昇すると、同電圧印加時の発生起磁力が低くなっ
て制御時の応答性が劣化するという新たな問題が発生し
た。これを図１３を用いて説明すると、図１３は電磁ア
クチュエータの電気等価回路を示し、電磁アクチュエー
タ２４は抵抗分２６とインダクタンス分２８の直列回路
で示される。この回路は、回路の簡素化から定電圧回路
として構成されるが、アクチュエータに起磁力を発生さ
せるために一般的には０〜１５Ｖの範囲で、弁開度に応
じた電圧を印加することにより、所定の弁開度を得るよ
うになっている。

【００１１】しかし、回路系の温度上昇によりインダク
タンス分２８の抵抗値が増加すると電流が小さくなり、
同電圧印加時の起磁力は低くなる。従って、同じ起磁力
を得るためには印加電圧を高くしなければならなくな
り、ＰＩＤ制御演算の結果、出力されるバルブ制御用の
指令信号が必要な起磁力を得るための印加電圧に達する
までの時間が長くなって流量制御の応答性が劣化してい
た。現在、外部からの流量設定指令入力後、２秒以内に
は所定の流量に到達しなければならないような応答性が
求められているが、上述のような温度上昇に起因して、
応答性が２．４〜３秒程度まで延びてしまっていた。ま
た、このバルブ装置にあっては、電磁アクチュエータと
弁棒とが部分的或いは全面的に接触して残留磁気が生ず
ると、これがために弁開度特性が影響を受けることか
ら、これらの吸着が発生することを防止するために初期
設定時にこれらの間の磁気ギャップを比較的大きくとっ
ており、そのために駆動のために大きな電流を必要と
し、熱の問題等が発生していた。本発明は、以上のよう
な問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案された
ものである。本発明の目的は、初期設定磁気ギャップの
長さを調整することにより少ない起磁力で所定のバルブ
変位量を得ることができるバルブ装置を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、電磁アクチ
ュエータを用いたバルブ装置について鋭意研究した結
果、あるバルブ変位量に対して２つの異なった初期設定
磁気ギャップの長さが存在する，ということを見出した
ことにより本発明に至ったものである。すなわち、上記
問題点を解決するために、流体流入口と、流体流出口
と、これらの間の弁座とを有するバルブ本体と、前記弁
座に対向して配置され周縁が固定されたダイヤフラム
と、このダイヤフラムを弁座方向に変位させるために前
記ダイヤフラムに関して前記弁座とは反対側に設けられ
た負荷手段と、この負荷手段に抗って前記ダイヤフラム
を前記弁座から離間するように作用する電磁アクチュエ
ータとを有し、前記負荷手段が周縁で固定された薄板円
板バネと、この薄板円板バネの中心に固定された弁棒と
で構成され、前記電磁アクチュエータと前記弁棒との初
期設定時の初期設定電磁ギャップの長さを、前記電磁ア
クチュエータの最大許容起磁力を発生した時に前記弁棒
が前記電磁アクチュエータに略接して前記ダイヤフラム
の弾発力と前記円板バネの弾発力を合成した合成弾発力
と、前記電磁アクチュエータの推力とが略釣り合った状
態となるような基準初期磁気ギャップの長さと略同じ
か、これよりも小さく設定するように構成したものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、弁体と
してのダイヤフラムは、負荷手段の薄板円板の弾発力に
よりバルブ本体の弁座方向へ弁を閉塞するように常時付
勢されている。弁開度を調整する時は例えば電磁コイル
４６に所定の電流を流すことで弁棒を吸引してダイヤフ
ラムを弁座から離して弁開度を調整する。この場合、電
磁アクチュエータによる吸引力はギャップの２乗に反比
例して大きくなるが、薄板円板バネの弾発力が電磁アク
チュエータの吸引力に適切に対向するように作用し、弁
開度の円滑な略リニアな制御が可能となる。

【００１４】ここで、初期設定ギャップの長さは、上述
のように設定される結果、先に本発明者が提案したバル
ブ装置と比較して少ない起磁力でもって所定のバルブ変
位量を得ることができ、その分、駆動電圧乃至駆動電流
を低く抑えることが可能となる。また、電磁アクチュエ
ータと弁棒との間の磁気ギャップに非磁性材料のスペー
サ部材を介在させることにより、初期設定時の磁気ギャ
ップを小さくしても両者間の接触が防止され、従って残
留磁束に起因する応答性の劣化を防止することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係るバルブ装置の一実施例
を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係るバ
ルブ装置を示す構成図、図２は本発明のバルブ装置の力
学系の構成要素図、図３は弁の全閉時における状態を示
す要部拡大図、図４は弁の開状態を示す要部拡大図、図
５は図１に示す装置に用いる薄板円板バネを示す平面図
である。まず、本発明のバルブ装置の具体的構成を説明
するに先立って、図２に基づいてその基本構成について
説明する。

【００１６】図中、２は流体通路であり、この途中に流
体流入口と流体流出口を有するバルブ本体３０を設け、
流体流入口の弁座３２に対して、ダイヤフラム２２が屈
曲変形して着座可能とされる。このダイヤフラム２２は
弁棒３４に直接或いは間接的に接して押圧され、この押
圧力は、付勢バネ３６により発生される。尚、この付勢
バネ３６が後述する薄板円板バネに対応する。弁棒３４
の上方に電磁アクチュエータ３８を配置し、弁棒３４に
吸引力をかけてこれを上方に引き上げるように作用す
る。図２は弁の全閉状態を示しており、ダイヤフラム２
２は常時、反力Ｆ_D を生ずるように設定される。そし
て、ダイヤフラム反力Ｆ_D と電磁アクチュエータ３８に
よる推力（電磁力）Ｆ_A の和が、付勢バネ３６の弾発力
Ｆ_S と等しい所で釣り合い、そこで、弁開度が設定され
る。この値から関係を式で表すと次のようになる。Ｆ_S ＝Ｆ_A ＋Ｆ_D 図中は波線部分は、電磁アクチュエータの推力の上昇に
よりダイヤフラム２２が次第に元の形状に復帰していく
状態を示しており、弁が次第に開放されて行く。

【００１７】以上が本発明の基本構成であるが、本発明
の特長は、付勢バネとして、電磁アクチュエータの推力
の特性と似たバネ特性を有する薄板円板バネを用い且つ
初期設定時の磁気ギャップ長を適切な範囲に設定した点
にある。次に、本発明のバルブ装置を具体的に説明す
る。

【００１８】図１２に示したと同様に本発明のバルブ装
置４０は、ガス等の流体を流す流体通路に設けたガス流
量制御装置の一部として構成され、例えば配管４２に全
体として着脱可能に取り付けられる。このバルブ装置４
０は、弁座３２を有するバルブ本体３０と、この弁座３
２に対向して配置されて周縁部が固定され、弁座３２に
着座可能に設けられる薄板状のダイヤフラム２２と、こ
のダイヤフラム２２を弁座方向に変位させるためにダイ
ヤフラムに関して弁座３２とは反対側に設けられた負荷
手段４４と、この負荷手段に抗って前記ダイヤフラム２
２を弁座３２から離間するように作用する例えば電磁コ
イル４６とヨーク４８よりなる電磁アクチュエータ３８
とにより主に構成されている。そして、この負荷手段４
４は、その周縁がバルブ本体側へ固定された薄板円板バ
ネ３６と、このバネ３６に押圧部材５０及び連結部材９
０を介して一体的に連結されたプランジャーとしての機
能を有する弁棒３４とにより主に構成されている。

【００１９】具体的には、上記バルブ本体３０は上記流
体通路としての配管４２の途中に着脱可能に介設されて
おり、この内部には流体流入路５２に接続される円形に
開口された流体流入口５４と、流体流出路５６に接続さ
れる円形に開口された流体流出口５８とが並設されてい
る。この流体流入口５４は、バルブ本体の底部より僅か
に上方へ突出させて形成されており、この流入口５４の
開口縁が上記弁座３２として構成されることになる。そ
して、この弁座３２の上方には、フラット時において弁
座３２より例えば１００μｍ程度の距離だけ離間する例
えばステンレス製の直径２２ｍｍ程度の円形板よりなる
弁体としてのダイヤフラム２２がその周縁部をダイヤフ
ラム固定部材６０により固定して図中略水平方向、すな
わち弁棒３４の軸方向と直交する方向に設けられてい
る。このダイヤフラム２２にはリング状のコルゲーショ
ン６２が設けられ、この屈曲を許容している。尚、図示
例において、ダイヤフラム２２は、下方向へ屈曲されて
全閉になっている状態を示している。

【００２０】このダイヤフラム２２は電磁アクチュエー
タの推力に比べ、十分に小さい力で変形できる。このダ
イヤフラム２２はその中心が上記弁座３２の中心と対応
するように位置設定され、下方向へ屈曲することで流体
流入口５４を完全に閉塞し得るように構成される。薄板
円板バネ３６は、ダイヤフラム２２により所定の間隔だ
け隔てて、これと平行に配置されており、その周縁部を
ダイヤフラム固定部材６０の上端とリング状の外側ケー
シング６４の突起部との間で挟み込んで固定している。
また、この外側ケーシング６４の下端部は上記バルブ本
体３０側へ固定されることになる。円板バネ３６は、図
５に示すように中心部に挿通孔６６を有し、例えば直径
５ｍｍ程度に設定されて押圧部材５０が挟み込まれて固
定される。従って、この円板バネ３６は、その周縁部が
固定された状態で連結部材９０を介して弁棒３４と一体
的に図中上下方向へ弾性的に変位可能になっている。こ
の円板バネ３６は、例えば厚さ０．２５ｍｍ程度のニッ
ケル合金により構成されている。

【００２１】また、弁棒３４および連結部材９０を貫通
して上下方向に抜ける長い調整孔６８が形成されてお
り、この調整孔６８の下部内壁にはネジ山が切られ、こ
れにダイヤフラム調整手段としての調整ネジ７０が下方
へ出没可能に螺合されている。そして、この調整ネジ７
０と、ダイヤフラム２２の上面中心部に設けられる円柱
状の受け部材７２との間には鋼球７４が介在されてお
り、受け部材７２の上面に形成した円錐状の凹部で鋼球
７４の下部を受けることにより、鋼球７４に対する付勢
力に偏りが生じてもダイヤフラム２２に対して均等な力
を付与し得るようになっている。上記調整ネジ７０を調
整して上記ダイヤフラム２２と円板バネ３６との変位関
係を関連付けることができ、ダイヤフラム２２の反力と
これに対向する円板バネ３６の弾発力とを後述するよう
に合成バネ特性として取り扱うことができる。

【００２２】一方、リング状の外側ケーシング６４の上
端には、筒体リング状の長尺なスリーブ７６が固定され
ており、この内壁面にはネジ山が形成される。そして、
電磁アクチュエータ３８の外側を保持する円筒状のアク
チュエータ保持筒７８は、その外周にネジ山８０が形成
され、これを上記スリーブ７６の内壁のネジに着脱可能
に螺合するようになっている。従って、アクチュエータ
保持筒７８のネジ山８０をスリーブ７６の内壁面のネジ
に螺合させることによってギャップ調整手段８４が形成
されており、この保持筒７８を回すことによって磁気ギ
ャップＭＧの長さを調整することができる。

【００２３】そして、この電磁アクチュエータ３８の下
端部と弁棒３４の上端部との間に磁気ギャップＭＧが形
成されている。この磁気ギャップＭＧの初期設定時の長
さを、電磁アクチュエータ３８の最大許容起磁力を発生
した時に上記弁棒３４がアクチュエータ３８の下面に略
接してダイヤフラム２２の弾発力と円板バネ３６の弾発
力を合成した合成弾発力と、電磁アクチュエータ３８の
吸引力（推力）とが略釣り合った状態となるような基準
初期磁気ギャップの長さと等しいか、これよりもよりも
小さく設定することにより、小さな起磁力で所望のバル
ブ変位量が得られるという、非常に優れた作用効果を発
揮することになる。また、弁棒３４の上面には、弁棒３
４とアクチュエータ３８が直接当接することを防止し、
且つ残留磁束による特性上の悪影響を防止する薄い非磁
性材料よりなるスペーサ部材８２が設けられる。この材
料としては、例えばポリエステル樹脂等を用いることが
できる。このスペーサ部材８２は、磁気ギャップＭＧ内
に設けるものであることから、弁棒３４側ではなく、電
磁アクチュエータ３８の下端面側に設けるようにしても
よい。

【００２４】次に、以上のように構成されたバルブ装置
の動作について説明する。まず、流体通路２を流れるガ
ス等の流体はその大部分がバイパス４を通り、一定の分
流比の流体が細管６を通る（図１２参照）。そして、こ
こを通過した流体は、本発明のバルブ装置４０の流体流
入路５２を介して流体流入口５４に至り、バルブ本体３
０内を通過した後、流体流出口５８より流体流出路５６
側へ流れて行く（図１参照）。センサ部８は上記細管６
内を流れる流体により全体の流量を検出し、その結果
は、比較制御回路１６へ入力されてここで外部より入力
される設定流量と比較する（図１２参照）。そして、こ
の制御回路１６は全体流量が設定流量を維持するように
バルブ装置４０の電磁アクチュエータ３８の電磁コイル
に駆動電流を流して弁開度を制御する（図１参照）。

【００２５】次に、バルブ装置の弁開度の制御について
説明する。まず、図３はバルブ全閉時の状態を示してお
り、電磁アクチュエータ３８には何ら駆動電流が流され
ていない。この状態では、円板バネ３６の弾発力Ｆ_S に
よりダイヤフラム２２を図中下方へ押し下げて着座させ
て弁口を閉塞している。この時、ダイヤフラム２２は反
力Ｆ_D を生じる（図２も参照）。流体の流れを完全に止
めるには、ダイヤフラム２２が着座しただけでは足り
ず、周知のように一定量の予圧を加えるようにする。こ
の場合、予圧の大きさは、弾発力（Ｆ_S ）から反力（Ｆ
_D ）を引いた値となる。この予圧の調整は、図１に示す
状態において、スリーブ７６に螺合する電磁アクチュエ
ータ３８を回してスリーブ７６から取り除いておき、こ
の上方よりドライバ等をスリーブ内部に差し込んで弁棒
３４の連結部材９０に設けた調整ネジ７０を回転させて
これを出没させることにより行なう。

【００２６】この全閉状態から電磁アクチュエータ３８
に駆動電流を流すと、図４に示すように弁棒３４に上向
きの推力（電磁力）が作用し、これが引き上げられて行
くことにより、ダイヤフラム２２が元の状態に復帰して
行き、３つの力、Ｆ_A ，Ｆ_S，Ｆ_D がバランスしたとこ
ろで引き上げが停止し、引き上げ量に応じた流量が流れ
る。弁棒３４の引き上げに伴って、円板バネ３６の変形
は大きくなるので弾発力Ｆ_S が大きくなるのに対して、
ダイヤフラム２２の反力Ｆ_D は小さくなって行く。さて
ここで、電磁アクチュエータ３８と弁棒３４との間の磁
気ギャップＭＧについて検討する。

【００２７】一般に、電磁アクチュエータによる推力
（電磁力）Ｐは、起磁力をパラメータとして下記式のよ
うに磁気ギャップ（空隙）の２乗に反比例する関係があ
る。Ｐ＝Ｕ²・μ₀・Ｓ／（４・δ²）ここで、Ｐ：推力（電磁力）（Ｎ），Ｕ：起磁力（Ａ
Ｔ），μ₀：空隙の透磁率、Ｓ：磁路断面積（ｍ²），
δ：磁気ギャップの長さすなわち、磁気ギャップの長さδが小さい程、推力Ｐは
大きくなり、磁気ギャップの長さが大きくなると推力は
小さくなる。また、駆動コイル電流を大きくして起磁力
Ｕを大きくすれば、推力Ｐも大きくなる。ここで、本発
明のバルブ装置において、円板バネ３６とバネ性を有す
るダイヤフラム２２とを１つにまとめて合成バネとして
捉えると、この合成バネ特性は、円板バネ３６の弾発力
Ｆ_S からダイヤフラム２２の反力Ｆ_D を差し引いた値
（Ｆ_S −Ｆ_D ）であり、その向きは電磁アクチュエータ
３８による推力Ｆ_A とは反対方向である。

【００２８】従って、プランジャーの機能を有す弁棒３
４は、合成バネの力によって電磁アクチュエータ３８か
ら離れる方向に力を受けている。磁気ギャップＭＧの長
さＬの大きいところでは、円板バネ３６の屈曲量が小さ
いことから合成バネ力は小となり、逆に、磁気ギャップ
の長さＬが小さいところでは、円板バネ３６の屈曲量が
大きいので合成バネ力は大となる。図６は磁気ギャップ
の長さＬと電磁アクチュエータ３８の推力（電磁力）及
び合成バネ特性線との関係を示すグラフである。アクチ
ュエータ３８の起磁力は１００ＡＴ（アンペアターン）
から３００ＡＴの範囲内で変化させている。磁気ギャッ
プの長さが変化するとアクチュエータの推力は、２次曲
線的に増減している。

【００２９】ここで図１に示す構成において、ギャップ
調整手段８４の一部であるアクチュエータ保持筒７８を
回してアクチュエータの上下位置を調整した場合、合成
バネの力は変化しないが、磁気ギャップの長さＬが変化
するので、図６において磁気ギャップ特性線Ａ１〜Ａ３
は平行移動する。すなわち、アクチュエータを上方に動
かすと、磁気ギャップの長さは大きくなるので合成バネ
特性線Ａ１はグラフ中にて右側へ移動して波線で示す特
性線Ａ２のようになり、逆に、アクチュエータを下方へ
動かすと磁気ギャップの長さは小さくなるので合成バネ
特性線Ａ１はグラフ中に左側へ移動して波線で示す特性
線Ａ３のようになる。そして、この合成バネ特性線Ａ１
〜Ａ３が各推力曲線Ｂ１〜Ｂ４と交わる点が、推力と合
成バネ力が釣り合っている点であり、この点でバルブ
（ダイヤフラム）の弁開度が規定されることになる。

【００３０】従って、合成バネ特性線を固定した場合、
アクチュエータ不作動時の磁気ギャップ長さを固定し
て、例えば特性線Ａ１を選択した場合において、アクチ
ュエータの起磁力を１００ＡＴ〜３００ＡＴまで変化さ
せた時のバルブ、すなわちダイヤフラムは曲線Ｂ１との
交点である点Ｐ１から曲線Ｂ４との交点である点Ｐ２ま
での横軸の長さに相当する長さだけ変化することにな
る。すなわち、磁気ギャップについて特性線Ａ１を選択
して設定したと仮定すると、電磁コイルに流す電流を徐
々に増加させて行くと、電流の少ない時には、合成バネ
特性線Ａと釣り合う点（交点）がないが、起磁力が１０
０ＡＴに達すると、予圧を与えた時点で初めて点Ｐ１で
推力と合成バネ力が釣り合う。

【００３１】更に、電流を増加させて起磁力を増すと弁
棒が徐々に上昇してバルブは開き出し、最大起磁力３０
０ＡＴの推力曲線Ｂ４と合成バネ特性線Ａ１の交点Ｐ２
までバルブは動くことになる。ここで、バルブの変位に
ついて併せて考察する。本発明者は、このバルブ変位に
ついて考察した結果、バルブ変位量（流量に対応する）
が初期設定時の磁気ギャップの長さで決まる領域と、ア
クチュエータの最大起磁力で決まる領域とがあり、初期
設定時の磁気ギャップ長さで決まる領域にて初期設定を
行なうようにすれば、少ない起磁力で同等の変位量を得
ることができる、という知見を得て本発明に至ったもの
である。尚、先の出願（特願平５−２０９８６８号）に
おいては、アクチュエータの最大起磁力で決まる領域に
て、初期設定の磁気ギャップの長さを規定していたがた
め、大きな起磁力を必要として発熱に伴う諸問題を発生
していた。

【００３２】アクチュエータの推力がゼロで、ダイヤフ
ラム２２が全閉状態の時には、この全閉状態を保つよう
に、合成バネによりダイヤフラムに下向きの力（予圧）
が、前述のように与えられている。アクチュエータの推
力がゼロの状態から電磁コイル４６に駆動電流を流して
これを増やしていくと、アクチュエータによって弁棒３
４に推力が掛かり、弁棒は、この上面（スペーサ部材）
がアクチュエータの下面に当接するまで動く。この時の
移動量がバルブ変位である。しかしながら、アクチュエ
ータ３８の電磁コイル４６に流す電流には、ある入力電
圧によって決まる最大値があり、それによって最大起磁
力もが決まる。これを最大許容起磁力と定義する。

【００３３】いま、この最大許容起磁力を３００ＡＴと
仮定して、図７に示すように初期設定磁気ギャップの長
さとバルブ変位量との関係を考察する。図７にアクチュ
エータ３８と弁棒３４が示されており、弁棒３４の移動
量（一点鎖線で示す）がバルブ変位量である。アクチュ
エータの推力ゼロの時の弁棒３４の位置が示され、アク
チュエータに最大許容起磁力３００ＡＴを加えた時の弁
棒３４の位置が一点鎖線で示される。従って、アクチュ
エータ３８と実線で示す弁棒３４との間の距離Ｌ_G が、
このモデルにおける初期設定磁気ギャップの長さとな
る。図７（Ａ）から図７（Ｇ）に行くに従って、アクチ
ュエータを少しずつ上に動かして初期設定磁気ギャップ
の長さＬ_G を次第に大きくしている。

【００３４】さて、図７（Ａ）〜図７（Ｇ）に示したよ
うな初期設定磁気ギャップの長さにおいて、それぞれの
アクチュエータに最大許容起磁力３００ＡＴを加える
と、図７（Ａ）から図７（Ｃ）においては、磁気ギャッ
プの長さが、その時発生する推力と比較して小さすぎる
ことから、弁棒３４はアクチュエータ３８に当接してそ
れ以上のバルブ変位は機械的に制限されて、得られない
が、図７（Ｃ）に示す状態から更に磁気ギャップの長さ
Ｌ_G を増やすと、ついには、アクチュエータの下面と弁
棒３４の上面とが略すれすれで接して両者間にほとんど
押圧力が発生していない状態でアクチュエータの推力と
合成バネの合成弾発力とが釣り合った状態となる。この
時の状態は図７（Ｄ）に示される。この時の磁気ギャッ
プの長さを基準初期磁気ギャップＬ_GSと定義する。

【００３５】そして、図７（Ｅ）から図７（Ｇ）に示す
ように、図７（Ｄ）に示す状態から更に初期設定磁気ギ
ャップの長さを大きくしていくと、アクチュエータと弁
棒とは当接することがなくなり、弁棒の変位量、すなわ
ちバルブ変位は次第に小さくなって行く。従って、図７
（Ｄ）を境として、それより左側の領域は、バルブ変位
は、初期設定磁気ギャップの長さで決まる領域であり、
これに対して、図７（Ｄ）よりも右側の領域は、バルブ
変位は、最大許容起磁力で決まる領域である。

【００３６】図７に示す各バルブ変位量をプロットした
時の結果を図８に示す。図中、点Ｑ１は、図７（Ｄ）に
示す状態に対応する。すなわち、初期設定磁気ギャップ
の長さＬ_G をゼロから次第に増加して行くとバルブ変位
量は、弁棒がアクチュエータに当接して機械的に制限さ
れつつ次第に増加して行くが、点Ｑ１（図７（Ｄ）に対
応）に達するとそれ以上のバルブ変位量は最大となり、
僅かの間この状態が保持される。そして、更に磁気ギャ
ップの長さＬ_G が増加すると、今度は、バルブ変位量は
次第に低下してくることになる。すなわち、この図８に
示すグラフの意味するところは、同じバルブ変位量を得
るためには、点Ｑ１よりも右側領域にて磁気ギャップを
設定するよりも、点Ｑ１にて或いは点Ｑ１より左側の領
域にて磁気ギャップを設定した方が起磁力（ＡＴ）が少
なくて済むことを示している。

【００３７】先の出願（特願平５−２０９８６８号）の
出願時においては、図８中の初期設定磁気ギャップの長
さで決まる領域の存在を十分には認識しておらず、しか
も、電磁アクチュエータの取り付け時における取り付け
誤差等に起因する不具合を考慮して図８において点Ｑ１
よりも右側の領域、すなわちアクチュエータを点Ｑ１に
て規定される位置よりも上方に位置させて、例えば点Ｓ
２において初期設定磁気ギャップの長さＬ_G を設定して
いた。これに対して、本発明のバルブ装置においては、
図８において点Ｑ１の位置或いはこれよりも左側の領
域、例えば点Ｓ１において初期設定磁気ギャップの長さ
Ｌ_G を設定している。すなわち、本発明装置の初期設定
磁気ギャップの長さＬ_Gは、点Ｑ１に示す基準初期磁気
ギャップの長さＬ_GSと略同じか、これよりも小さい値に
て設定する。尚、この基準初期磁気ギャップの長さＬ_GS
は、電磁コイルやその制御回路の改良により最大許容起
磁力が変わった場合にはそれに追従して変わるのは勿論
である。

【００３８】上述のように最大許容起磁力を３００ＡＴ
と仮定した場合において、図８中の点Ｑ１において初期
設定磁気ギャップの長さ（この場合には基準初期磁気ギ
ャップの長さと等しい）を設定した場合には、その時の
合成バネ特性は、図６中において特性線Ａ１として表さ
れることになる。実際のバルブ装置においては、図８中
の点Ｓ１で示したように点Ｑ１よりも僅かに左側へシフ
トさせた位置で初期設定磁気ギャップの長さを設定し、
最大許容起磁力を発揮させないで余裕のある制御を行な
っており、また、アクチュエータと弁棒が当接して残留
磁気等が発生することを防止するため、非磁性のスペー
サ部材８２を設けている。

【００３９】さて、上述のように図６中において点Ｑ１
の位置或いはこれより左側の領域のある点において、磁
気ギャップの長さを初期設定することにより、先の出願
において本発明者が開示した装置と比較して、少ない起
磁力（駆動電流）で同一のバルブ変位量を発生させるこ
とが可能となる。

【００４０】従って、その分、電磁アクチュエータ及び
この制御回路系における発熱量が少なくなるので、図１
３に示したような回路において、抵抗分２６の抵抗値が
増すことがほとんどなくなり、発熱に伴って発生する各
種の不具合をなくして制御の応答性を改善することがで
きる。実際のバルブ装置では、初期設定磁気ギャップの
長さは例えば１００μｍ程度に設定され、これに厚さ８
０μｍのポリエステルフィルム製のスペーサ部材を介在
させると最大バルブ変位量として２０μｍが得られ、こ
の時の最大流量は２００ｃｃ／ｍｉｎとなり、このバル
ブ装置は０〜２００ｃｃ／ｍｉｎの範囲で流量調節が可
能となる。また厚さ２５μｍのスペーサ部材を介在させ
ると最大バルブ変位量として７５μｍが得られ、この時
の最大流量は１０リットル／ｍｉｎとなり、このバルブ
装置は０〜１０リットル／ｍｉｎの範囲で流量調節が可
能となる。ここで、本発明装置の応答性を先の出願の装
置のものと比較する。

【００４１】図９（Ａ）は先の出願の装置における流量
制御の応答性を示し、図９（Ｂ）は図９（Ａ）と同様の
ＰＩＤ制御定数での本発明の装置における流量制御の応
答性を示す。尚、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）中におい
て、アクチュエータ駆動電圧を示す特性の傾斜角θはと
もに同じ大きさである。図９（Ａ）に示す先の出願の装
置の場合は、設定流量を示す指令信号ＳＰが入力されて
も、発熱量が大きいことから、その分回路抵抗値が大き
くなっているために、必要な起磁力（電流）を得るため
のアクチュエータ駆動電圧が大きくなり、その結果、実
際の流量の増加もゆっくりとなって反応性が劣ってい
た。指令信号ＳＰが入力してから設定流量に達するまで
の時間ｔ１は、例えば３秒程度もかかり、許容限度を超
えていた。

【００４２】これに対して、図９（Ｂ）に示す本発明の
装置の場合には、発熱量が少ないことから指令信号ＳＰ
が入力されると、必要な起磁力を得るためのアクチュエ
ータ駆動電圧が小さく、すばやく所定の起磁力を得られ
るため、実際の流量も短時間で所定の流量に達した。
この場合、指令信号ＳＰが入力してから設定流量に達す
るまでの時間ｔ２は２秒以内、例えば１．５秒程度であ
り、非常に優れた応答性を示している。この場合、図９
（Ａ）に示す先の出願の装置の場合には、最大設定流量
を流すために、駆動電圧は１３〜１４Ｖも必要であった
が、図９（Ｂ）に示す本発明装置の場合には、上記と同
じ最大設定流量を流すために駆動電圧は９〜１０Ｖ程度
で済んだ。これは、もしアクチュエータ温度が過度に上
昇しても駆動電圧を１４Ｖ程度まで上げて、流量の増加
を図ることができることを意味し、装置設計の余裕度を
向上させることができる。

【００４３】また、図１０は、先の出願の装置の実際の
流量測定結果を示し、図１１は、本発明装置の実際の流
量測定結果を示している。図１０（Ａ）は、流体差圧
０．５ｋｇで、温度１５℃の場合のホットスタート時の
特性を示し、図１０（Ｂ）は、流体差圧０．５ｋｇで、
温度４０℃の場合のホットスタート時の特性を示す。温
度１５℃の時には、指令信号入力後、略２秒程度で設定
流量が流れて良好な結果を示しているが、温度４０℃の
時には、指令信号入力後、設定流量に達するまで約３秒
もかかってしまい、応答性がかなり悪化している。

【００４４】これに対して、図１１（Ａ）、図１１
（Ｂ）は、流体差圧がそれぞれ０．５ｋｇ、３．０ｋｇ
で、温度がともに１５℃の場合の本発明装置の特性を示
し、ともに指令信号入力後、１．０〜２．０秒以内の範
囲で所定の流量に達しており、良好な結果を示している
ことが判明した。また、図１１（Ｃ）、図１１（Ｄ）
は、流体差圧がそれぞれ０．５ｋｇ、３．０ｋｇで温度
がともに４０℃の場合の本発明装置の特性を示し、図１
１（Ａ）、図１１（Ｂ）の場合と同様に指令信号入力
後、ともに１．０〜２．０秒以内の範囲で所定の流量に
達しており、良好な応答性を示していることが判明し
た。尚、上記実施例で示した各寸法は、一例を示したに
すぎず、これに限定されないのは勿論である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のバルブ装
置によれば、次のように優れた作用効果を発揮すること
ができる。初期設定磁気ギャップの長さを、本出願人に
よる先の出願装置の場合よりも小さく設定することによ
り、同一バルブ変位量を得るための駆動電圧を大幅に低
くすることができる。従って、電磁アクチュエータの起
磁力（駆動電流）を低く抑えることができるので、その
分、発熱量を少なくして温度上昇を低く抑えることがで
き、起磁力の温度依存性が少なくなって応答性を改善し
てこれを良好に維持することができる。また、電磁アク
チュエータと弁棒との間に非磁性材のスペーサ部材を介
在させることにより、上述のように初期設定時の磁気ギ
ャップの長さを小さくしても両者が直接当接したり、弁
棒に残留磁気が発生して制御性に悪影響が生ずることを
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバルブ装置の一実施例を示す構成
図である。

【図２】本発明に係るバルブ装置の力学系の構成要素図
である。

【図３】弁の全閉時における状態を示す要部拡大図であ
る。

【図４】弁の開状態を示す要部拡大図である。

【図５】図１に示す装置に用いる薄板円板バネを示す平
面図である。

【図６】磁気ギャップの長さと電磁アクチュエータの推
力及び合成バネ特性線との関係を示すグラフである。

【図７】初期設定磁気ギャップの長さとバルブ変位量と
の関係を示す図である。

【図８】初期設定磁気ギャップの長さとバルブ変位量と
の関係を示すグラフである。

【図９】指令信号に対する流量の応答性を示す概略図で
ある。

【図１０】本出願人が先に提案したバルブ装置の流量応
答性を示すグラフである。

【図１１】本発明のバルブ装置の流量応答性を示すグラ
フである。

【図１２】従来のガス流量制御装置を示す構成図であ
る。

【図１３】電磁アクチュエータの等価回路図ある。

【符号の説明】

８センサ部１０電熱コイル１２定電流回路１４増幅回路１６比較判断回路２２ダイヤフラム３０バルブ本体３３弁体３６薄膜円板バネ（付勢バネ）３８電磁アクチュエータ４０バルブ装置４４負荷手段４６電磁コイル５０押圧部材５４流体流入口５８流体流出口７０調整ネジ（ダイヤフラム調整手段）８２スペーサ部材８４ギャップ調整手段Ｌ_G 初期設定磁気ギャップの長さＬ_GS 基準初期磁気ギャップの長さＭ_G 磁気ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体流入口と、流体流出口と、これらの
間の弁座とを有するバルブ本体と、前記弁座に対向して
配置され周縁が固定されたダイヤフラムと、このダイヤ
フラムを弁座方向に変位させるために前記ダイヤフラム
に関して前記弁座とは反対側に設けられた負荷手段と、
この負荷手段に抗って前記ダイヤフラムを前記弁座から
離間するように作用する電磁アクチュエータとを有し、
前記負荷手段が周縁で固定された薄板円板バネと、この
薄板円板バネの中心に固定された弁棒とで構成され、前
記電磁アクチュエータと前記弁棒との初期設定時の初期
設定電磁ギャップの長さを、前記電磁アクチュエータの
最大許容起磁力を発生した時に前記弁棒が前記電磁アク
チュエータに略接して前記ダイヤフラムの弾発力と前記
円板バネの弾発力を合成した合成弾発力と、前記電磁ア
クチュエータの推力とが略釣り合った状態となるような
基準初期磁気ギャップの長さと略同じか、これよりも小
さく設定するように構成したことを特徴とするバルブ装
置。
【請求項２】前記負荷手段は前記ダイヤフラムが前記
弁座に着座させるためのダイヤフラム調整手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。
【請求項３】前記電磁アクチュエータは、このアクチ
ュエータと前記弁棒との間の初期設定磁気ギャップを調
整するギャップ調整手段を有していることを特徴とする
請求項１または２記載のバルブ装置。
【請求項４】前記電磁アクチュエータと前記弁棒との
間には、非磁性材料のスペーサ部材が介在されることを
特徴とする請求項１乃至３記載のバルブ装置。