JP5189603B2 - 流量コントローラ及び比例電磁弁 - Google Patents

Description

この発明は、流体の流量を比例的に制御するように構成した流量コントローラ及びそれに使用可能な比例電磁弁に関する。

従来、この種の技術として、下記の特許文献１に記載の流量コントローラが知られている。この流量コントローラは、流体の流量を比例的に調節可能な比例電磁弁と、流体の流量を検出可能な流量センサと、流量センサの検出値が所定の目標流量となるように比例電磁弁を制御する制御回路とを備える。

ここで、特許文献１に記載される比例電磁弁は、ボビンに巻かれたコイルと、ボビンの中空部に組み付けられた固定鉄心及び可動鉄心と、可動鉄心の一端に設けられた弁体と、可動鉄心と共に弁体を閉弁方向へ付勢するスプリングとを備える。比例電磁弁は、更に、弁室と、弁室に流体を導入する導入通路と、弁室に設けられた弁座と、弁室から弁座を介して流体を導出する導出通路とを備える。この比例電磁弁は、コイルへの非通電時には、スプリングの付勢力により可動鉄心を押圧して弁体を弁座に当接させて閉弁する。一方、コイルへの通電時には、コイルを励磁させて可動鉄心をスプリングの付勢力に抗して固定鉄心に吸引させ、弁体を弁座から離間させて開弁する。そして、コイルへの通電を制御することにより、弁体の開度を調節し、流体の流量を調節するようになっている。

ところが、上記した比例電磁弁では、固定鉄心と可動鉄心の両方がボビンの中空部に組み付けられている。このため、可動鉄心にはボビンとの間で摺動部があることから、その摺動抵抗の分だけ可動鉄心の動作が滑らかでなく、ボビンとの間で摩耗粉が発生し、寿命低下の懸念があった。

そこで、本願出願人は、上記した比例電磁弁とは異なり、可動鉄心がボビンの中空部に設けられず、弁体が移動する際に可動鉄心がボビンと摺動することのない比例電磁弁を既に提案している。この種の非摺動タイプの比例電磁弁については、下記の特許文献２及び３に記載されている。図２４に、この種の比例電磁弁を断面図により示す。この比例電磁弁８１は、コイル８２を巻いたボビン８３と、ボビン８３の中空部８３ａに固定された固定鉄心８４と、それらコイル８２等を収容するケース８５と、固定鉄心８４の先端に対応して配置され、固定鉄心８４に吸引される可動鉄心８６と、その可動鉄心８６の先端に固定された弁体８７と、弁体８７を中心にして可動鉄心８６の先端に固定された板ばね８８とを含む。比例電磁弁８１は、更に、ボディ８９と、弁体８７が配置される弁室９０と、弁室９０に配置された弁座９１と、弁室９０に流体を導入する導入通路９２と、弁室９０から弁座９１を経由して流体を導出する導出通路９３とを備える。これら弁室９０、弁座９１、導入通路９２及び導出通路９３は、それぞれボディ８９に形成される。また、ボディ８９において、弁座９１の直下流には、導出通路９３との間に、オリフィス９４が形成される。板ばね８８は、所定形状に肉抜きされた円形薄板より形成され、中央部は弁体８７を中心に可動鉄心８６に固定され、外周部はボディ８９とケース８５との間に挟まれて固定される。そして、この比例電磁弁８１は、コイル８２が通電により励磁されたときの固定鉄心８４の吸引力と板ばね８８の付勢力との釣り合いにより、弁座９１に対する弁体８７の移動が調節されるようになっている。

特開２００７−２０６９３６号公報 特開２００２−３５７２８０号公報 特開２００３−１４０２２号公報

ところが、特許文献２及び３に記載の非摺動タイプの比例電磁弁８１は、特許文献１に記載の摺動タイプの比例電磁弁に比べて固定鉄心８４の吸引力が小さく、弁座９１に対する弁体８７のストロークを大きくできず、従前は、流量コントローラには使用されず、小流量制御のために単独で使用されていた。例えば、従前は「毎分０〜１０リットル」の流量制御のために、非摺動タイプの比例電磁弁８１が使用されていた。そのため、図２５に示すように、オリフィス９４の内径Ｄ１が「φ０．３〜φ０．８」に設定され、その軸長Ｌ１が内径Ｄ１と同程度かそれよりも大きく設定されていた。ここで、オリフィス９４の寸法関係、すなわち内径Ｄ１に対する軸長Ｌ１の比は「１〜３」に設定されていた。

しかし、非摺動タイプの比例電磁弁８１につき、オリフィス９４の寸法関係を従前のままとしたのでは、比較的大流量を制御する流量コントローラには使用できない。例えば、流量コントローラには、「毎分１１〜１００リットル」程度の流量制御の要求がある。そこで、非摺動タイプの比例電磁弁８１につき、弁体８７のストロークをそのままとした上で、オリフィス９４の内径を従前よりも大きくすることで、比較的大流量に対応させることが考えられる。

例えば、図２６に示すように、オリフィス９４の内径Ｄ１を導出通路９３の内径と同じになるように拡大することが考えられる。しかし、このように構成した場合、弁体８７や板ばね８８が自励振動を起こし、比例電磁弁８１の流量特性が乱れることを実験的に確認した。図２７に、この乱れた流量特性をグラフにより示す。このグラフの横軸は、比例電磁弁の開度に対応してコイルに供給される電流値を示し、グラフの縦軸は、流体の流量を示す。このグラフでは、開弁時と閉弁時との間で、流量変化にヒステリシスがある。そして、このグラフから明らかなように、開閉の中間段階では、流量に不安定な変動があることが分かる。この流量変動が自励振動の影響を意味する。

ここで、本願出願人は、上記した弁体８７や板ばね８８の自励振動の原因について解析した。その結果、自励振動の原因が、図２６に矢印で示すように、オリフィス９４にて流体に渦流・乱流が生じ、その渦流・乱流の影響を受けて流体が乱れることにあることをつきとめた。そして、上記解析結果に基づき、非摺動タイプの比例電磁弁８１につき、流量コントローラにも使用可能な「毎分１１〜１００リットル」程度の大流量を制御することができ、流体に乱れを生じさせることのない、オリフィス９４とその近傍の寸法関係を実験的に確認することができた。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、非摺動タイプの比例電磁弁を備えた比較的大流量の制御と安定した流量特性を実現することを可能とした流量コントローラを提供することにある。この発明の別の目的は、比較的大流量の流体を安定して流量調節することを可能とした非摺動タイプの比例電磁弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体製造に使用するガスである流体の流量を調節するための比例電磁弁と、流体の流量を検出するための流量センサと、流量センサにより検出される流量が毎分１１〜１００リットルである所定の目標流量となるように比例電磁弁を制御するための制御回路とを備えた流量コントローラであって、比例電磁弁は、コイルを巻いたボビンと、ボビンの中空部に固定された固定鉄心と、コイル、ボビン及び固定鉄心を支持するホルダと、固定鉄心の端面に対応して配置され、固定鉄心に吸引される可動鉄心と、可動鉄心の端面に固定された弁体と、ホルダと組み合わされたボディと、ボディに形成され、弁体が配置された弁室と、ボディに形成され、弁体に対応して弁室に配置された弁座と、ボディに形成され、弁室に流体を導入する導入通路と、ボディに形成され、弁室から弁座を経由して流体を導出する導出通路と、ボディにて、弁座の直下流に形成されたオリフィスと、弁体を弁座に当接する方向へ付勢するばねと、コイルが通電により励磁されるときの固定鉄心の吸引力とばねの付勢力との釣り合いにより可動鉄心を変位させることで、弁座に対する弁体の位置が調節されることとを備え、オリフィスの内径がφ１以上の値に設定されると共に、オリフィスの軸長のオリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定され、導出通路の内径がオリフィスの内径より大きく設定されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、流量コントローラは、流体の流量が流量センサにより検出され、その検出される流量が所定の目標流量となるように制御回路が比例電磁弁を制御することにより、流体の流量が調節される。ここで、この比例電磁弁では、コイルが通電により励磁されるときの固定鉄心の吸引力と板ばねの付勢力との釣り合いにより可動鉄心を変位させることで、弁座に対する弁体の位置が調節され、比例電磁弁の開度が調節され、流体の流量が調節される。この比例電磁弁では、弁座の直下流に形成されたオリフィスの内径がφ１以上の値に設定される。また、オリフィスの軸長のオリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定される。更に、オリフィスより下流の導出通路の内径がオリフィスの内径より大きく設定される。従って、これら寸法設定により、オリフィスには比較的大流量の流体が流れ、オリフィスから導出通路へ流れる流体に生じる渦流・乱流が導出通路の下流へ逃げ易くなり、オリフィスを流れる流体が渦流・乱流の影響を受け難くなり、弁体が渦流・乱流により振動し難くなる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、半導体製造に使用するガスである流体の流量を毎分１１〜１００リットルに調節するための比例電磁弁であって、コイルを巻いたボビンと、ボビンの中空部に固定された固定鉄心と、コイル、ボビン及び固定鉄心を支持するホルダと、固定鉄心の端面に対応して配置され、固定鉄心に吸引される可動鉄心と、可動鉄心の端面に固定された弁体と、ホルダと組み合わされたボディと、ボディに形成され、弁体が配置された弁室と、ボディに形成され、弁体に対応して弁室に配置された弁座と、ボディに形成され、弁室に流体を導入する導入通路と、ボディに形成され、弁室から弁座を経由して流体を導出する導出通路と、ボディにて、弁座の直下流に形成されたオリフィスと、弁体を弁座に当接する方向へ付勢するばねと、コイルが通電により励磁されるときの固定鉄心の吸引力とばねの付勢力との釣り合いにより可動鉄心を変位させることで、弁座に対する弁体の位置が調節されることとを備え、オリフィスの内径がφ１以上の値に設定されると共に、オリフィスの軸長のオリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定され、導出通路の内径がオリフィスの内径より大きく設定されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、この比例電磁弁では、コイルが通電により励磁されるときの固定鉄心の吸引力と板ばねの付勢力との釣り合いにより可動鉄心を変位させることで、弁座に対する弁体の位置が調節され、比例電磁弁の開度が調節され、流体の流量が調節される。この比例電磁弁では、弁座の直下流に形成されたオリフィスの内径がφ１以上の値に設定される。また、オリフィスの軸長のオリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定される。更に、オリフィスより下流の導出通路の内径がオリフィスの内径より大きく設定される。従って、これら寸法設定により、オリフィスには比較的大流量の流体が流れ、オリフィスから導出通路へ流れる流体に生じる渦流・乱流が導出通路の下流へ逃げ易くなり、オリフィスを流れる流体が渦流・乱流の影響を受け難くなり、弁体が渦流・乱流により振動し難くなる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、ばねは、板ばねであり、所定形状に肉抜きされた円形薄板により形成され、中心部が弁体を中心にして可動鉄心の端面に固定され、外周部がボディとホルダとの間に挟まれて固定されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、ばねが板ばねで構成されることから、その占有スペースが小さくなる。また、板ばねが所定形状に肉抜きされるので、軽量化が可能である。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、板ばねは、スポット溶接により可動鉄心に固定されるものであり、板ばねのスポット溶接される部位に補強板を設けたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、板ばねのスポット溶接される部位が補強板により補強される。

請求項１に記載の発明によれば、非摺動タイプの比例電磁弁を備えて比較的大流量の制御と安定した流量特性を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、非摺動タイプの比例電磁弁につき、比較的大流量の流体を安定して流量調節することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、板ばねをコンパクトに設けることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加え、板ばねの耐久性を向上させることができる。

一実施形態に係り、流量コントローラを示す断面図。 同実施形態に係り、図１における比例電磁弁を拡大して示す断面図。 同実施形態に係り、図２における可動鉄心、弁体及び板ばねの一部を拡大して示す断面図。 同実施形態に係り、板ばね等を図３の下側から見て示す平面図。 同実施形態に係り、弁座とオリフィスの部分を拡大して示す断面図。 同実施形態に係り、弁座とオリフィスの部分と、そのオリフィス等における流体の流れを拡大して示す断面図。 同実施形態に係り、比例電磁弁の流量特性を示すグラフ。 比較例に係り、板ばねに補強板を設けない場合を拡大して示す図３に準ずる断面図。 比較例に係り、板ばねを図８の下側から見て示す平面図。 比較例に係り、補強板を使用しない場合の板ばねの応力分布の様子を示す平面図。 一実施形態に係り、補強板を使用する場合の板ばねの応力分布の様子を示す平面図。 一実施形態に係り、ボンネットを示す斜視図。 従来例に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 従来例に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 従来例に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 従来例に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 一実施形態に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 一実施形態に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 一実施形態に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 一実施形態に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 一実施形態に係り、ボンネットの製造方法の一つの工程を示す斜視図。 別の実施形態に係り、弁座とオリフィスの部分を拡大して示す断面図。 別の実施形態に係り、弁座とオリフィスの部分を拡大して示す断面図。 従来例に係り、比例電磁弁を示す断面図。 従来例に係り、弁座とオリフィスの部分を拡大して示す断面図。 従来例に係り、弁座とオリフィスの部分と、そのオリフィス等における流体の流れを拡大して示す断面図。 従来例に係り、比例電磁弁につき乱れた流量特性を示すグラフ。

以下、本発明の流量コントローラ及び比例電磁弁を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の流量コントローラ１を断面図により示す。この流量コントローラ１は、流体の流量を調節するための比例電磁弁２と、流体の流量を検出するための流量センサ３と、流量センサ３により検出される流量が所定の目標流量となるように比例電磁弁２を制御するための制御回路４とを備える。流量コントローラ１は、更に、ベースブロック５と、カバー６とを備える。ベースブロック５には、入口１１と、出口１２と、入口１１と出口１２との間に配置された流路１３が形成される。そして、ベースブロック５には、比例電磁弁２と流量センサ３が固定される。ベースブロック５の入口１１から流路１３に入った流体は、流量センサ３に流れて流路１３に戻り、更に比例電磁弁２を介して流路１３を流れ出口１２から流出するようになっている。カバー６は、比例電磁弁２と流量センサ３を覆うようにしてベースブロック５に固定される。制御回路４は、カバー６の内側に固定される。カバー６の上部には、外部配線用のコネクタ７が設けられる。比例電磁弁２及び流量センサ３は、それぞれ制御回路４に電気的に接続される。制御回路４は、コネクタ７に電気的に接続される。

この実施形態で、比例電磁弁２は、前述した小型な非摺動タイプのものであり、流量コントローラ１には、今回初めて採用されるものであり、比較的大流量の流体を高精度に調節できるように構成される。

この実施形態で、流量センサ３は、抵抗体（熱線）を用いて流体の流量を測定する用に構成された熱式のものである。この流量センサ３の詳しい構成については、本願出願人の出願に係る特開２００５−３４５３４６号公報に記載されている。

この実施形態で、制御回路４は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリ等を内蔵して構成される。メモリには、比例電磁弁２を制御するための所定の制御プログラムが格納される。ＣＰＵは、そのプログラムに基づき比例電磁弁を制御する信号を出力するようになっている。そして、制御回路４は、流量センサ３により検出される流量が所定の目標流量となるように比例電磁弁２を制御するようになっている。

ここで、比例電磁弁２について詳しく説明する。図２に、図１における比例電磁弁２を拡大して断面図により示す。この比例電磁弁２は、コイル２１を巻いたボビン２２と、ボビン２２の中空部２２ａに固定された棒状をなす固定鉄心２３と、コイル２１，ボビン２２及び固定鉄心２３を支持するホルダ２４と、固定鉄心２３の先端（端面）に対応して配置され、固定鉄心２３に吸引される略円板状をなす可動鉄心２５と、可動鉄心２５の先端（端面）中央に固定された弁体２６と、可動鉄心２５の先端（端面）に固定された板ばね２７と、ホルダ２４と組み合わされるボディ２８と、ボディ２８に形成され、弁体２６が配置される弁室２９と、ボディ２８に形成され、弁体２６に対応して弁室２９に配置された弁座３０と、ボディ２８に形成され、弁室２９に流体を導入する導入通路３１と、ボディ２８に形成され、弁室２９から弁座３０を経由して流体を導出する導出通路３２と、ボディ２８にて、弁座３０の直下流に形成されたオリフィス３３とを備える。

固定鉄心２３は、大部分がボビン２２の中空部２２ａに収容される第１鉄心２３Ａと、第１鉄心２３Ａの先端部に固定された第２鉄心２３Ｂとから構成される。ホルダ２４は、断面コ形状に折り曲げ形成されたボンネット３６と、そのボンネット３６の一端部（下端部）の組付孔３６ａに組み付けられたコア３７とから構成される。ボンネット３６の他端部（上端部）には、ねじ孔３６ｂが形成される。このねじ孔３６ｂに締め付けられたねじ３８により、固定鉄心２３の一端がボンネット３６により固定される。可動鉄心２５は、ブロック３７の中に配置される。可動鉄心２５は、第１鉄心２３Ａに対向しながら、その軸方向へ若干変位可能に設けられる。ホルダ２４は、そのコア３７が、ボディ２８の段部２８ａに嵌合されることでボディ２８と一体に設けられる。

図３に、図２における可動鉄心２５，弁体２６及び板ばね２７の一部を拡大して断面図により示す。図４に、板ばね２７等を図３の下側から見た平面図により示す。板ばね２７は、中心孔２７ａと、所定形状の肉抜き２７ｂとを有する円形薄板により形成される。板ばね２７は、その中心部が、弁体２６を中心にして可動鉄心２５の先端（端面）にスポット溶接４１により固定されると共に、図２に示すように、外周部がボディ２８とホルダ２４（コア３７）との間に挟まれて固定される。ここで、板ばね２７にスポット溶接４１が施される部位には、補強板２４が設けられる。すなわち、板ばね２７の中心部には、円環状の補強板４２が重ねて設けられ、その板ばね２７と補強板４２とが可動鉄心２５に対してスポット溶接４１により接合される。ここで、板ばね２７は、一例として「ＳＵＳ３０４」により「０．３ｍｍ」程度の板厚で形成される。また、補強板４２は、一例として「ＳＵＳ３１６」により「０．４ｍｍ」程度の板厚で形成される。

ここで、図３，４に示すように、弁体２６の外周と可動鉄心２５との間、弁体２６の外周と板ばね２７との間には、それぞれ隙間が設けられる。この隙間がないと、閉空間となってしまい、流体の「置換性」が良くない。そこで、補強板４２は、弁体２６を覆わないように円環状に形成されている。このように隙間を設けることで、空気以外の流体を流す際に、ガス溜まりが無いようにし、「置換性」を良くしている。

板ばね２７は、エッチングにより作製される。エッチングの加工精度は、板厚に関係し、板厚が大きくなるに連れて加工精度が落ちる。その加工公差は、板厚の「±１５％」程度となる。板ばね２７の加工精度を上げるために、板厚を薄くすることが望まれる。例えば、「０．３ｍｍ」以下の板厚にするのが望ましい。しかし、このように板ばね２７を薄くすると、板ばね２７の疲労強度が小さくなる。そのため、使用により、板ばね２７がスポット溶接４１の部位から折損するおそれがある。そこで、この実施形態では、板ばね２７のスポット溶接４１の部位に補強板４２を取り付けてスポット溶接４１を施すようにしている。

上記構成において、比例電磁弁２は、コイル２１が通電により励磁されるときの固定鉄心２３の吸引力と板ばね２７の付勢力との釣り合いにより可動鉄心２５を変位させる。これにより、弁座３０に対する弁体２６の位置、すなわち比例電磁弁２の開度が調節されるようになっている。

ここで、この実施形態における比例電磁弁２の特徴であるオリフィス３３の構成について詳しく説明する。図５に、弁座３０とオリフィス３３の部分を拡大して断面図により示す。図６に、弁座３０とオリフィス３３の部分と、そのオリフィス３３等における流体の流れを拡大して断面図により示す。図６において、流体の流れを表す矢印は、シミュレーションの結果を概念的に示すものである。この実施形態で、オリフィス３３と導出通路３２とのつなぎ目は、徐々に拡径されるテーパ壁３４となっている。このオリフィス３３の内径Ｄ１は、「φ１以上」、好ましくは「φ１以上φ３以下」の所定の値に設定される。また、オリフィス３３の軸長Ｌ１は、オリフィス３３の内径Ｄ１に対する比が「０．１以上０．６以下」の所定値に設定される。導出通路３２の内径Ｄ２は、オリフィス３３の内径Ｄ１より大きく設定される。内径Ｄ２は内径Ｄ１の１．５倍以上にする必要がある。この実施形態では、例えば、内径Ｄ２が内径Ｄ１の約２倍となっている。

以上説明したこの実施形態の流量コントローラ１によれば、流体の流量が流量センサ３により検出され、その検出される流量が所定の目標流量となるように制御回路４が比例電磁弁２を制御することにより、流体の流量が調節される。ここで、比例電磁弁２では、コイル２１が通電により励磁されるときの固定鉄心２３の吸引力と板ばね２７の付勢力との釣り合いにより可動鉄心２５を変位させることで、弁座３０に対する弁体２６の位置が調節される。これにより、比例電磁弁２の開度が調節され、同弁２により流体の流量が調節される。この比例電磁弁２では、弁座３０の直下流に形成されたオリフィス３３の内径Ｄ１が「φ１以上」、好ましくは「φ１以上φ３以下」の所定の値に設定される。また、オリフィス３３の軸長Ｌ１の内径Ｄ１に対する比が「０．１以上０．６以下」の所定の値に設定される。更に、オリフィス３３より下流の導出通路３２の内径Ｄ２がオリフィス３３の内径Ｄ１より大きく設定される。従って、図６に示すように、オリフィス３３から導出通路３２へ流れる流体に生じる渦流・乱流（図６にカールした矢印で示す。）が導出通路３２の下流へ逃げ易くなり、オリフィス３３を流れる流体が渦流・乱流の影響を受け難くなり、弁体２６が渦流・乱流により振動し難くなる。このため、非摺動タイプである比例電磁弁２を備えた流量コントローラ１としては、比較的大流量の制御と安定した流量特性を実現することができる。

ここで、オリフィス３３の軸長Ｌ１のオリフィス３３の内径Ｄ１に対する比を「０．１以上０．６以下」の値に設定したのは、以下の理由による。すなわち、図２６に示す従来例では、オリフィス９４の中で発生する渦流・乱流の直径が、最大でオリフィス９４の内径Ｄ１の半分程度と考えられた。そこで、本発明では、オリフィス３３の軸長Ｌ１を渦流・乱流の最大と考えられる内径Ｄ１の「６０％」より小さくすることで、オリフィス３３の弁体２６に近い位置で発生していた渦流・乱流が、弁体２６から離れたテーパ壁３４の下方で発生しやすくなり、上記の作用効果が得られ始めると推定されるからである。

図７に、この比例電磁弁２の流量特性をグラフにより示す。グラフの横軸は、比例電磁弁２の開度に対応してコイル２１に供給される電流値を示し、グラフの縦軸は、流体の流量を示す。このグラフから明らかなように、開弁時と閉弁時との間では、流量変化に多少のヒステリシスがあるが、開弁時及び閉弁時とも比較的直線的（比例的）な流量特性を示すことが分かる。

また、近年、機械設備の省スペース化や省エネルギー化が求められており、この実施形態の流量コントローラ１及びこれに搭載される比例電磁弁２についても小型化が要望されている。この実施形態の比例電磁弁２では、従前の非摺動タイプの比例電磁弁と同様の大きさを保つことができる。すなわち、比較的大流量の制御に対応するために、オリフィス３３の寸法関係を特定するだけであり、弁体２６のストロークを特に大きくしないことから、比例電磁弁２の小型化を保つことができる。

この実施形態では、弁体２６のストロークを従来と同じにしたまま、比較的大流量の制御を確保できるようにするために、オリフィス３３の内径Ｄ１を従来に比べて大きく設定している。しかし、単にオリフィス３３の内径Ｄ１を大きくしただけでは、図２６，２８に示す従来例と同様に自励振動の問題が生じることがある。すなわち、オリフィス３３や導出通路３２の中で発生した大きな渦流・乱流が弁体２６の側へ回り込むことにより、板ばね２７の付勢力と固定鉄心２３の吸引力との釣り合い状態にある可動鉄心２５と共に弁体２６が振動することがある。特に、この実施形態では、弁体２６を支持する可動鉄心２５が板ばね２７を介してボディ２８等に支持されるので、渦流・乱流の影響を受けて弁体２６が振動し易い。これに対し、オリフィス３３の内径Ｄ１が比較的小さければ、発生する渦流・乱流も小さくなり、弁体２６も振動し難くなる。しかし、この場合には必要な流量は確保することができない。

そこで、この実施形態では、図６に示すように、オリフィス３３の内径Ｄ１を比較的大きくし、その内径Ｄ１に比べてオリフィス３３の軸長Ｌ１を短くし、オリフィス３３の直下流の導出通路３２の内径Ｄ２をオリフィス３３の内径Ｄ１より大きくしている。これにより、オリフィス３３で生じようとする渦流・乱流をテーパ壁３４の側へ逃がし、渦流・乱流の影響が弁体２６に及ばないようにしている。

ここで、板ばね２７の固定の仕方について説明する。図８に、図３に準ずる断面図であって、板ばね２７に補強板４２を設けない場合を拡大して断面図により示す。図９に、板ばね２７を図８の下側から見た平面図により示す。図８，９に示すように、板ばね２７に補強板４１を設けない場合は、長年の使用により、図９に示すように、板ばね２７には、スポット溶接４１の部位に割れ４３が生じるおそれがある。

これに対し、この実施形態では、図３，４に示すように、板ばね２７におけるスポット溶接４１の部位が補強板４２により補強される。このため、比較的薄い板ばね２７にもかかわらず、板ばね２７の耐久性を向上させることができる。また、板ばね２７を薄くできることから、その加工も容易となる。

図１０に、補強板４２を使用しない場合の板ばね２７の応力分布の様子を平面図により示す。合う１１に、補強板４２を使用した本実施形態の板ばね２７の応力分布の様子を平面図により示す。図１０，１１において、多数のドットで示す部分は、応力分布４４を意味する。図１０に示すように、補強板４２を使用しない場合は、スポット溶接４１の部位も応力分布４４の中に含まれ、応力が集中することが分かる。これに対し、本実施形態では、図１１に示すように、スポット溶接４１の部位は応力分布４４の中に含まれず、この部位に応力が集中しないことが分かる。この意味で、板ばね２７の耐久性を向上させることができる。

また、この実施形態では、ばねが板ばね２７で構成されることから、その占有スペースが小さくなる。また、板ばね２７が所定形状に肉抜きされるので、軽量化が可能である。このため、比例電磁弁２に対し板ばね２７をコンパクトに設けることができる。

次に、この実施形態の比例電磁弁２で使用されるボンネット３６について説明する。図１２に、ボンネット３６を斜視図により示す。上記したホルダ２４を構成するボンネット３６は、比較的板厚の大きい金属板材を断面コ形状に折り曲げ、その両端部３６ｃ，３６ｄに、互いに内径の異なるねじ孔３６ｂと組付孔３６ａを形成することで構成される。

このボンネット３６は、従来の製造方法では、大径な組付孔３６ａを板材に先に空けてから、その板材を断面コ形状に折り曲げていた。これにより、組付孔３６ａの周囲が折り曲げに伴って引っ張られ、組付孔３６ａが楕円になってしまい、ボンネット３６の加工精度が落ちるという問題があった。このため、固定鉄心２３による可動鉄心２５の吸引力が低下するおそれがあった。

そこで、ボンネット３６の加工精度を確保するために、プレス加工と機械加工（中ぐり加工）の２つの工程によりボンネット３６を製造する対策が採られていた。図１３〜図１６に、対策後の従来のボンネットの製造方法につき各工程を順次斜視図により示す。すなわち、先ず、図１３に示すように、長尺な金属製板材５１を用意する。次に、図１４に示すように、その板材５１の一端部５１ｂに小さいねじ孔５１ｄをプレス加工する。次に、図１５に示すように、板材５１の両端部５１ａ，５１ｂをプレス加工により垂直に折り曲げる。そして、最後に、図１６に示すように、折り曲げた他端部５１ａに大径な組付孔５１ｃを中ぐり加工（切削）する。これによってボンネット５２を完成させていた。しかし、このような製造方法では、中ぐり加工とプレス加工の２つの工程が必要となり、段取りに時間がかかるという問題があった。

そこで、この実施形態では、ボンネット３６をプレスによる曲げ加工のみで製造することとした。図１７〜図２１に、この実施形態の製造方法を順次示す。すなわち、先ず、図１７に示すように、長尺な金属製の板材６１を用意する。次に、図１８に示すように、板材６１の両端部６１ａ，６１ｂに大径な半円状の孔６２と小径なねじ孔３６ｂをそれぞれプレスで加工する。次に、図１９に示すように、半円状の孔６２のある一方の端部６１ａをプレスにより折り曲げる。次に、図２０に示すように、半円状の孔６２の残りの半円部分をプレスにより打ち抜いて円形状の大径な組付孔３６ａを成形する。このとき、予め開けておいた半円状の孔６２をプレスの位置決めに利用することができる。その後、図２１に示すように、他方の端部６１ｂをプレスのより折り曲げることで、折り曲げられた両端部３６ｃ，３６ｄのそれぞれにねじ孔３６ｂと組付孔３６ａを有するボンネット３６が完成する。

この実施形態では、上記のようにプレス加工のみでボンネット３６を製造できることから、従来の２工程を要する製造方法と比べて、製造工程を削減することができ、製造時間を短縮することができる。また、大径な組付孔３６ａを２段階のプレスにより成形することで、正確な円形に形成することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して以下のように実施することもできる。

（１）前記実施形態では、図５に示すように、オリフィス３３と導出通路３２とのつなぎ目をテーパ壁３４としたが、図２２に示すように、オリフィス３３と導出通路３２とのつなぎ目を湾曲壁７１としたり、図２３に示すように、フラット壁７２としたりしてもよい。

（２）前記実施形態では、図４に示すような特定形状の肉抜き２７ｂを有する板ばね２７を使用したが、板ばねの肉抜き形状は、これに限定されるものではない。

（３）前記実施形態では、板ばね２７を「ＳＵＳ３０４」により形成し、補強板４２を「ＳＵＳ３１６」により形成したが、板ばね及び補強板をその他のＳＵＳ材や、又はＳＵＳ以外の鋼帯により形成することもできる。

この発明は、薬液や処理液などの流体の流量を制御する流量制御システムに利用可能である。

１ 流量コントローラ
２ 比例電磁弁
３ 流量センサ
４ 制御回路
２１ コイル
２２ ボビン
２２ａ 中空部
２３ 固定鉄心
２４ ホルダ
２５ 可動鉄心
２６ 弁体
２７ 板ばね
２８ ボディ
２９ 弁室
３０ 弁座
３１ 導入通路
３２ 導出通路
３３ オリフィス
４１ スポット溶接
４２ 補強板
Ｄ１ 内径
Ｄ２ 内径
Ｌ１ 軸長

Claims (4)

1. 半導体製造に使用するガスである流体の流量を調節するための比例電磁弁と、前記流体の流量を検出するための流量センサと、前記流量センサにより検出される流量が毎分１１〜１００リットルである所定の目標流量となるように前記比例電磁弁を制御するための制御回路とを備えた流量コントローラであって、
   前記比例電磁弁は、
   コイルを巻いたボビンと、
   前記ボビンの中空部に固定された固定鉄心と、
   前記コイル、前記ボビン及び前記固定鉄心を支持するホルダと、
   前記固定鉄心の端面に対応して配置され、前記固定鉄心に吸引される可動鉄心と、
   前記可動鉄心の端面に固定された弁体と、
   前記ホルダと組み合わされたボディと、
   前記ボディに形成され、前記弁体が配置された弁室と、
   前記ボディに形成され、前記弁体に対応して前記弁室に配置された弁座と、
   前記ボディに形成され、前記弁室に流体を導入する導入通路と、
   前記ボディに形成され、前記弁室から前記弁座を経由して流体を導出する導出通路と、
   前記ボディにて、前記弁座の直下流に形成されたオリフィスと、
   前記弁体を前記弁座に当接する方向へ付勢するばねと、
   前記コイルが通電により励磁されるときの前記固定鉄心の吸引力と前記ばねの付勢力との釣り合いにより前記可動鉄心を変位させることで、前記弁座に対する前記弁体の位置が調節されることと
   を備え、
   前記オリフィスの内径がφ１以上の値に設定されると共に、前記オリフィスの軸長の前記オリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定され、前記導出通路の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする流量コントローラ。
2. 半導体製造に使用するガスである流体の流量を毎分１１〜１００リットルに調節するための比例電磁弁であって、
   コイルを巻いたボビンと、
   前記ボビンの中空部に固定された固定鉄心と、
   前記コイル、前記ボビン及び前記固定鉄心を支持するホルダと、
   前記固定鉄心の端面に対応して配置され、前記固定鉄心に吸引される可動鉄心と、
   前記可動鉄心の端面に固定された弁体と、
   前記ホルダと組み合わされたボディと、
   前記ボディに形成され、前記弁体が配置された弁室と、
   前記ボディに形成され、前記弁体に対応して前記弁室に配置された弁座と、
   前記ボディに形成され、前記弁室に流体を導入する導入通路と、
   前記ボディに形成され、前記弁室から前記弁座を経由して流体を導出する導出通路と、
   前記ボディにて、前記弁座の直下流に形成されたオリフィスと、
   前記弁体を前記弁座に当接する方向へ付勢するばねと、
   前記コイルが通電により励磁されるときの前記固定鉄心の吸引力と前記ばねの付勢力と
   の釣り合いにより前記可動鉄心を変位させることで、前記弁座に対する前記弁体の位置が
   調節されることと
   を備え、
   前記オリフィスの内径がφ１以上の値に設定されると共に、前記オリフィスの軸長の前記オリフィスの内径に対する比が０．１以上０．６以下の値に設定され、前記導出通路の内径が前記オリフィスの内径より大きく設定されたことを特徴とする比例電磁弁。
3. 前記ばねは、板ばねであり、所定形状に肉抜きされた円形薄板により形成され、中心部が前記弁体を中心にして前記可動鉄心の端面に固定され、外周部が前記ボディと前記ホルダとの間に挟まれて固定されたことを特徴とする請求項２に記載の比例電磁弁。
4. 前記板ばねは、スポット溶接により前記可動鉄心に固定されるものであり、前記板ばねのスポット溶接される部位に補強板を設けたことを特徴とする請求項３に記載の比例電磁弁。

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