CN102162544B - 电动真空阀 - Google Patents

Abstract

一种电动真空阀(21)，包括：阀部(22)，具有第一端口(51)和第二端口(52)、阀室(53)及阀座(54)；进给螺纹件(34)，与步进电动机(27)连接；轴(36)；进给螺纹机构，由进给螺纹件(34)和轴(36)构成；防旋转单元，防止轴(36)的旋转；阀芯(42)，安装在轴(36)的前端；及复原弹簧(44)，其中，在停电时，在步进电动机(27)的定子和转子间产生定位转矩，复原弹簧(44)的推力大于通过进给螺纹机构将定位转矩变换而成的阻力，由此进行闭阀。

Description

电动真空阀

技术领域

本发明涉及一种电动真空阀，包括：主体部，具有第一端口、第二端口、连接第一端口和第二端口的阀室、及形成于阀室的阀座；进给螺纹机构，与步进电动机连接；轴，与进给螺纹件螺合；进给螺纹机构，由螺纹件和轴构成；防旋转单元，防止轴的旋转；阀芯，安装在轴的前端；及复原弹簧，向与阀芯和阀座抵接的方向施力。

背景技术

在使用用于使腔室成为真空的真空泵的情况下，在腔室和真空泵之间，为了阻断腔室和真空泵，使用电动真空阀。

由于停电(包括瞬时停电)或某种异常，供给电源被切断，真空泵停止时、或电动真空阀的电力供给停止时，为了保持腔室内的真空度、防止从真空泵的逆扩散，而需要进行闭阀动作，将腔室和真空泵隔离。

然而，在供给电源被切断的情况下，存在利用电力开闭的电动真空阀不能闭阀，而不能将腔室和真空泵隔离的问题。

以往，作为在停电时闭阀的情况考虑了以下内容。

第一，存在使用二次电池、双电荷层电容器等辅助电源进行闭阀动作的电动真空阀。第二，存在利用液压-气压等蓄压源并通过活塞等的压力解除来进行闭阀动作的电动真空阀。第三，存在在直线动作的情况下内置圆柱螺旋弹簧，进行动作的同时进行压缩驱动，在解除离合/制动机构或动力时利用其载荷进行闭阀动作的电动真空阀。

然而，使用以往的辅助电源、蓄压源、及圆柱螺旋弹簧的电动真空阀存在以下的问题。

即，在供给电源被切断的情况下关闭的电动真空阀中，在具有辅助电源的电动真空阀中，需要电源及配线。另外，在具有蓄压源的电动真空阀中，需要储存压力的罐及配线。另外，在具有圆柱螺旋弹簧的电动真空阀中，需要与驱动部连结的连结部件及使弹簧返回的机构。

因此，在具有辅助电源、蓄压源、及圆柱螺旋弹簧的电动真空阀中，另外需要现有的电动真空阀以外的部件，存在成本变高的问题及大型化的问题。

作为解决上述问题的方法，在专利文献1及专利文献2中原理性地提出了在停电时仅通过复原弹簧关闭的真空阀。

专利文献1：日本特开2006-029426号公报

专利文献2：日本特开平01(1989)-316581号公报

专利文献3：日本特开2005-030439号公报

专利文献4：日本专利2662312号

专利文献5：日本特开2003-139256号公报

发明内容

然而，专利文献1及专利文献2中记载的电动真空阀仅记载了在停电时仅通过复原弹簧进行闭阀的内容，只是抽象的想法及原理性的提案。

即，无法找到完全满足以下条件的具体的方法。

第一，为了使通常动作时的密封性能和耐久性能与现有的空气驱动真空阀等同或大致等同，复原弹簧的力必须与现有的空气驱动真空阀相同或大致相同。

第二，由于在长时间以闭阀的状态放置时阀芯的密封部件和阀座粘连，所以为了开阀在电动机转矩中需要用于将粘连剥离的力。

第三，在真空泵因停电停止时，润滑油等开始从真空泵向腔室侧扩散(倒流)，因此停电时的闭阀必须迅速。

第四，为了在停电时闭阀，复原弹簧的推力需要大于在步进电动机的定子和转子之间产生的定位转矩(detent torque)。

专利文献1及专利文献2中记载的电动真空阀中，对于上述第一至第四的具体的方法，完全没有记载，因此可以说只是抽象性想法及原理性的提案。

因此，本发明为了解决上述问题而做出，其目的在于提供一种使用现有的复原弹簧，即使在停电时不具备电源也能够闭阀的电动真空阀。

为了达成上述目的，本发明的一方式的电动真空阀具有以下的构成。

(1)一种电动真空阀，包括：主体部，具有第一端口和第二端口、连接该第一端口和该第二端口的阀室及形成于该阀室的阀座；进给螺纹件，与步进电动机连接；轴，与该进给螺纹件螺合；进给螺纹机构，由该进给螺纹件和该轴构成；防旋转单元，防止该轴的旋转；阀芯，安装在该轴的前端；及复原弹簧，向与该阀芯和该阀座抵接的方向施力，优选，在停电时，在步进电动机的定子和转子间产生定位转矩，所述复原弹簧的推力大于通过所述进给螺纹机构将所述定位转矩变换而成的阻力，由此进行闭阀。

(2)如(1)所述的电动真空阀，优选所述轴和所述复原弹簧由波纹管覆盖。

(3)如(2)所述的电动真空阀，优选所述波纹管的所述轴侧为大气压且所述阀室内为真空压力时，所述复原弹簧的推力和由所述真空压力向所述阀芯产生的推力之和为通过所述进给螺纹机构将所述定位转矩变换而成的阻力的3倍以上。

(4)如(1)至(3)中任一项所述的电动真空阀，优选，通过所述进给螺纹机构将用于使所述阀芯打开的所述步进电动机的驱动转矩变换而成的推力，相对于所述复原弹簧的推力和在所述第一端口侧为真空状态且所述第二端口侧为大气压时向所述阀芯产生的推力之和为3倍以上。

发明效果

对上述电动真空阀的作用及效果进行说明。

(1)根据上述构成(1)，在停电时，不需要蓄电源等复杂构造，由于复原弹簧的推力比步进电动机的定位转矩大而能够闭阀。

在真空压流体用之类的特殊的阀中，为了抑制成本、防止大型化并且仅通过复原弹簧闭阀，需要寻找与定位转矩的条件，该发现若不是本申请人反复进行本实验则不能容易地想到。

(2)根据上述构成(2)，能够可靠地分离驱动机构部和阀室，并且由于波纹管的驱动轴侧为大气压，因此若在停电时阀室内为真空压力，则通过差压产生推力加在复原弹簧的力上，可进一步迅速且可靠地闭阀，能够防止真空泵的油分等的扩散。另外，真空度越高则该扩散的速度越迅速，但停电时的真空度越高，则开阀速度也越快，因此能够可靠地防止扩散。

(3)通过上述构成(3)，在停电时，可迅速且可靠地闭阀，能够防止真空泵的油分等的扩散。

(4)通过上述构成(4)，即使在长时间地搁置开闭阀引起环状密封部件和阀座之间的粘连、流体的压力向闭阀方向最强地作用的情况下，也能够迅速且可靠地闭阀。

另外，复原弹簧的推力是向闭阀方向作用的推力，通过进给螺纹机构将步进电动机的转矩变换而成的推力是向开阀方向作用的推力，是相反的情况。由于处于相反的关系，取得保持必要的复原弹簧的推力并进而保持通过进给螺纹机构将步进电动机的转矩变换而成的推力的平衡的范围狭窄。本申请人通过实验发现可取得平衡的适当的导程(lead)，由此能够使用作为现有的电动真空阀的部件的复原弹簧而在停电时可靠地闭阀。

附图说明

图1表示本发明的本实施例1的电动真空阀的闭阀时的剖面图。

图2表示本发明的本实施例1的电动真空阀的开阀时的剖面图。

图3表示包含本发明的本实施例1的电动真空阀的减压干燥装置的概略图。

图4表示本发明的本实施例1的电动真空阀的机型1的最优条件。

图5表示本发明的本实施例1的电动真空阀的机型2的最优条件。

图6表示本发明的本实施例1的电动真空阀的机型3的最优条件。

图7表示本发明的本实施例1的电动真空阀停电时的机型1的产生推力和压力的关系。

图8表示本发明的本实施例1的电动真空阀停电时的机型2的产生推力和压力的关系。

图9表示本发明的本实施例1的电动真空阀停电时的机型3的产生推力和压力的关系。

标号说明

21    电动真空阀

27    步进电动机

34    进给螺纹件

36    轴

38    防旋转单元

42    阀芯

44    复原弹簧

51    第一端口

52    第二端口

53    阀室

54    阀座

具体实施方式

以下参照附图对本发明的电动真空阀的一实施方式进行说明。图1表示电动真空阀21的闭阀状态的剖面图。图2表示电动真空阀21的开阀状态的剖面图。图3表示包括电动真空阀21的减压干燥装置1。

<减压干燥装置的构成>

电动真空阀21用于图3所示的减压干燥装置1中。电动真空阀21如图1所示，通过驱动部23使阀部22的阀开度多级地变化，控制从腔室10排出气体的排气速度。

如图3所示，在减压干燥装置1中，将腔室10内保持为减压状态即真空状态并同时进行基板的涂膜干燥，但在从大气压状态变为真空状态时，为了防止腔室10内的堆积物扬起而附着于基板上或因排气流而使基板本身损伤等，需要调节排气量。因此，在打开大口径真空切断阀12的阀之前，通过电动真空阀21缓慢将阀打开，从而进行排气量的调节。

减压干燥装置1具有多个大口径真空切断阀12和电动真空阀21。大口径真空切断阀12、电动真空阀21和真空泵11的数量根据腔室10的大小而增减。

<电动真空阀的构成>

如图1所示，电动真空阀21的外观构成为，阀体24和缸体25通过螺栓55形成一体，缸体25、盖26及步进电动机27通过螺栓28形成一体。

步进电动机27利用混合型步进电动机。混合型步进电动机是将PM型和VR型一体化的结构，特征在于微细角驱动/高转矩。另外，通过内置的永久磁铁约束转子的力作为保持力产生，有助于省能量系统的构成。另一方面，即使是无励磁的情况下也因永久磁铁的吸引/排斥而产生低水平的保持转矩。将该转矩称为定位转矩，最大静止转矩的5～10％的转矩周期性地产生。在本实施例中，步进电动机27中例如利用日本电产伺服株式会社(NIDEC SERVO CORPORATION)制的二相混合型步进电动机和东芝制的断续方式双极驱动步进电动机控制驱动器IC等。

阀部22中，在阀体24上开口的第一端口51和第二端口52经由阀室53连通。在阀室53内的第一端口51开口的开口部外周平坦地设置阀座54。阀室53中收纳有与阀座54抵接或分离的阀芯42。

驱动部23将步进电动机27的旋转运动变换为直线运动而向阀芯42传递。步进电动机27的输出轴30向在盖26和缸体25之间形成的收纳空间部31突出。在盖26和缸体25之间夹持有轴承32，保持架33被旋转自如地保持于所述轴承32。保持架33中，在上端部输出轴30与联轴器58连结，在下端部进给螺母34通过多个固定螺钉35固定，能够通过步进电动机27的旋转量控制进给螺母34的旋转量。

驱动轴37插通通过固定螺钉39固定于缸体25的防旋转螺母38。驱动轴37中，截面呈六边形状的防旋转轴部37a插通形成于防旋转螺母38的六边形状的防旋转孔38a，在限制旋转的状态下沿轴方向往复直线运动。进给螺纹轴36与进给螺母34螺合并与驱动轴37的上端部接合，将进给螺母34的旋转运动变换为沿轴方向的直线运动并向驱动轴37传递。

在驱动轴37的下端部经由连结部件40连结有阀芯42。阀芯42具备波纹管盘47、阀盘48及裙部49，将它们重合而通过连结螺母43一体地固定于连结部件40上从而构成阀芯42。环状密封部件50由可弹性变形的材质构成，安装于在波纹管盘47和阀盘48之间形成的燕尾槽。复原弹簧44在与弹簧支架45之间压缩设置，对阀芯42总是向阀座54方向施力。连结部件40通过结合销41与驱动轴37连结并具有轴方向上的间隙，通过复原弹簧44的弹力赋予密封载荷。波纹管46中，上端部与在缸体25和阀体24之间被夹持的夹持部46a焊接，下端部与波纹管盘47焊接。将波纹管46中的驱动轴37侧的空间作为波纹管内空间57(相当于权利要求中“波纹管的轴侧”)。波纹管46与阀芯42的上下移动相对应地在阀室53内伸缩，以使在驱动轴37的滑动部等产生的微粒不向流路内流出。

波纹管46的平均外径与环状密封部件50的直径大致相同，波纹管46的内部向大气开放。

在此，在步进电动机27上固定有用于计测未图示的转子的机械旋转位移量的编码器29。编码器29可通信地与专用控制器连接，将计测结果输出至专用控制器。在步进电动机27中具有未图示的定子。

(进给螺纹导程/步进电动机/复原弹簧的组合决定方法)

在由于停电(包括瞬时停电)或某种异常，供给电源被切断，真空泵停止时，或判断为搭载本产品的系统异常而使装置停止时，为了保持腔室的真空度、防止从真空泵的逆扩散而进行闭阀动作，需要使腔室和真空泵隔离。

在停电等情况下在电动真空阀产生的力为由复原弹簧44向关闭方向产生的推力和通过进给螺纹机构将步进电动机的定位转矩变换后的推力。另外，阀室53内为真空压力时，波纹管内空间57为大气压，由此存在真空压力向闭阀方向产生的推力。

在停电等情况下，为了进行闭阀动作，利用由复原弹簧44向关闭方向产生的直线推力进行闭阀。另外，在阀室53内为真空压力时，除了利用由复原弹簧44产生的关闭方向的推力外，还利用真空压力向闭阀方向产生的推力来进行闭阀。

因此，本申请人通过实验研究进给螺纹导程/步进电动机/复原弹簧的组合。实验方法如图4至图6所示，对于机型1、机型2、及机型3，准备三个步进电动机A～C，通过以下实验研究在阀室53内为大气压的状态下，直线推力大于通过进给螺纹机构将定位转矩变换后的推力(相当于权利要求中“通过进给螺纹机构将定位转矩变换后的阻力”)的条件。另外，通过以下实验研究在阀室53内为真空压力(100Pa[abs])的状态下，直线推力大于通过进给螺纹机构将定位转矩变换后的推力的条件。进而，通过以下实验研究在通常时的情况下，为了进行闭阀动作，通过步进电动机的进给螺纹机构变换后的推力大于复原弹簧的推力的条件。

机型1、机型2、及机型3的连接端口径为NW25、NW40、NW50。

通过该实验，能够选择复原弹簧44的力与现有的电动真空阀相同或大致相同的复原弹簧44。另外，在长时间以闭阀的状态放置的情况下，即使在阀芯42的环状密封部件50粘连于阀座54的情况下，也能够具有可将粘连剥离的电动机转矩。另外，能够选择如下所述的进给螺纹导程/步进电动机/复原弹簧的组合：阀室53内在大气压下停电的情况下，由于复原弹簧的推力比步进电动机的定位转矩大，因而能够迅速且可靠地闭阀。另外，能够选择如下所述的进给螺纹导程/步进电动机/复原弹簧的组合：阀室53内在真空状态下停电的情况下，在润滑油等开始从真空泵11向腔室10扩散前，能够迅速且可靠地闭阀。

如图4至图6所示，决定步进电动机后，最大静止转矩和定位转矩自然确定。这是因为，根据步进电动机的功率，最大静止转矩和定位转矩便可确定。

例如在使用步进电动机A时，最大静止转矩为480Nmm，定位转矩为24Nmm。在使用步进电动机B时，最大静止转矩为570Nmm，定位转矩为30Nmm。在使用步进电动机C时，最大静止转矩为1373Nmm，定位转矩为69Nmm。

(开阀时)

图4至图6的开阀时的必要推力Fa的求取方法如以下所示的[数学式1]。

【数学式1】

Fa＝F1+Ff

其中，

Fa为开阀时所需的推力。

F1为从第一端口51为真空且第二端口52为大气压的闭阀状态开阀时所需的推力。

Ff为摩擦损失。

开阀时所需推力Fa能够通过F1和Ff的和求得。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，在机型1中，F1无论电动机的种类如何均为186.14N。另外，Ff为4.80N。

因此，

Fa＝186.14+4.80＝190.94。

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，其他的步进电动机及螺纹导程也可通过同样的计算求得Fa。

图4至图6的开阀时的产生推力Fb的求取方法如以下所示的[数学式2]。

【数学式2】

Fb＝F2-Ff

Fb为开阀时的产生推力。

F2为进给螺纹件动作力。

Ff为摩擦损失。

开阀时的产生推力Fb能够通过F2与Ff的差求得。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，F2为1333.56N。另外，Ff为4.80N。

因此，

Fb＝1338.56-4.80＝1333.76。

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也可通过同样的计算求得Fb。

插入[数学式2]的开阀时的进给螺纹件动作力F2的求取方法如以下所示的[数学式3]。

【数学式3】

$F2=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}1\&CenterDot;T1}{\mathrm{Ph}}$

η1为进给螺纹件的正效率。正效率为将旋转运动变为直线运动时的效率。

T1为最大静止转矩。

Ph为进给螺纹导程。

开阀时的进给螺纹件动作力F2能够通过2π、η1和T1的乘积除以Ph而求得。

具体而言，在如图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，η1为0.888，T1为480，Ph为2。

因此，

$F2=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;0.888\&CenterDot;480}{2}=1338.56.$

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也可通过同样的计算求得F2。

插入[数学式3]的开阀时的进给螺纹件正效率η1的求取方法如以下[数学式4]所示。

【数学式4】

$\mathrm{\&eta;}1=\frac{1-\mathrm{\&mu;}\tan \mathrm{\&beta;}}{1+\frac{\mathrm{\&mu;}}{\tan \mathrm{\&beta;}}}$

μ为进给螺纹件的摩擦系数。

tanβ为进给螺纹导程角。tanβ为能够通过一周的360度除以导程的长度而求得。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，μ为0.01，tanβ为0.080。

因此，

$\mathrm{\&eta;}1=\frac{1-0.01\&CenterDot;0.080}{1+\frac{0.01}{0.080}}=0.888.$

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也能够通过同样的计算求得η1。

(闭阀时)

图4至图6所示的闭阀时的产生推力Fd的求取方法如以下[数学式5]所示。

【数学式5】

Fd＝F3-Ff

F3为通过复原弹簧44的推力和由真空压力对阀芯产生的推力之和得到的产生推力。

Ff为摩擦损失。

Fd为F3与Ff的差。

闭阀时的产生推力Fd能够通过F3与Ff之差求得。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，F3为154.2N，Ff为0.40N。

因此，

Fd＝154.2-0.40＝153.8。

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也可以通过同样的计算求得Fd。

图7表示机型1停电时的闭阀方向的产生推力、阀室内压力、第一端口压力及第二端口压力之间的关系。

图7中曲线O表示图4的电动机A的情况，曲线P表示图4的电动机B的情况。

如图7所示，在曲线O所示的图4的电动机A的情况下，在阀室53内的压力为大气压时，在与处于大气压的波纹管内空间57之间不存在压力差，因此复原弹簧44的推力为产生推力。因此，复原弹簧44的产生推力H为81.7N。在阀室53内的压力为100Pa[abs]时，通过与处于大气压的波纹管内空间57之间的差压产生推力，加上复原弹簧44的推力，产生推力增大为153.8N。即，产生真空压力所引起的推力为72.1N。

如图7所示，在阀室内压力为S1时，曲线O所示的图4的电动机A的情况下的产生推力为O1。在阀室内压力为S1时，产生O1和复原弹簧44的产生推力81.7N之差的真空压力所引起的推力。

如图7所示，在由曲线P所示的图4的电动机B的情况下，在阀室53内压力为大气压时，由于在与处于大气压的波纹管内空间57之间没有压力差，因此复原弹簧44的推力为产生推力。因此，复原弹簧44的产生推力H为81.6N。在阀室53内压力为100Pa[abs]时，通过与处于大气压的波纹管内空间57之间的差压产生推力，加上复原弹簧44的推力，产生推力增大为153.7N。即，产生真空压力所引起的推力为72.1N。

在图7所示的阀室内压力为S1时，由曲线P所示的图4的电动机B的情况下的产生推力为P1。在阀室内压力为S1时，产生P1和复原弹簧44的产生推力81.6N之差的真空压力所引起的推力。

图8表示机型2的产生推力和压力之间的关系。

图8中曲线Q表示图5的电动机C的情况。

在由曲线Q所示的图5的电动机C的情况下，在阀室53内的压力为大气压时，由于与处于大气压的波纹管内空间57之间没有压力差，因此复原弹簧44的推力为产生推力。因此，复原弹簧44的产生推力H为145.4N。在阀室53内压力为100Pa[abs]时，通过与处于大气压的波纹管内空间57之间的差压产生推力，加上复原弹簧44的推力，产生推力增大为286.8N。即，产生真空压力所引起的推力为141.4N。

如图8所示，在阀室内压力为S2时，由曲线Q表示的图5的电动机C的情况下的产生推力为Q1。阀室内压力为S2时，产生Q1和复原弹簧44的产生推力145.4N之差的真空压力所引起的推力。

图9表示机型3的产生推力和压力之间的关系。

图9中曲线R表示图6的电动机C的情况。

在曲线R所示的图6的电动机C的情况下，在阀室53内的压力为大气压时，由于与处于大气压的波纹管内空间57之间不存在压力差，因此复原弹簧44的推力为产生推力。因此，复原弹簧44的产生推力H为182.5N。在阀室53内压力为100Pa[abs]时，通过与处于大气压的波纹管内空间57之间的差压产生推力，加上复原弹簧44的推力，产生推力增大为371.2N。即，产生真空压力所引起的推力为188.7N。

如图9所示，在阀室内压力为S3时，为曲线R所示的图6的电动机C的情况下的产生推力R1。在阀室内压力为S3时，产生R1和复原弹簧44的产生推力182.5N之差的真空压力所引起的推力。

图4至图6所示的闭阀时的必要推力Fc的求取方法如以下[数学式6]所示。

【数学式6】

$\mathrm{Fc}=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{Fe}}{\mathrm{\&eta;}2\&CenterDot;\mathrm{Ph}}$

Fc为闭阀时的必要推力，即仅通过复原弹簧的力使杆及阀芯向闭阀方向移动的力。产生推力与螺纹导程无关而大致为一定。

Fe为定位转矩。

η2为进给螺纹件逆效率。

Ph表示进给螺纹导程。

闭阀时的必要推力Fc能够通过2π及Fe之积除以η2与Ph之积而求得。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，η2为0.874，Fe为24，Ph为2。

因此，

$\mathrm{Fc}=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;24}{0.874\&CenterDot;2}=86.30.$

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也能够通过同样的计算求出Fc。

插入[数学式6]的闭阀时的进给螺纹件逆效率η2的求取方法如以下[数学式7]所示。

【数学式7】

$\mathrm{\&eta;}2=\frac{1-\frac{\mathrm{\&mu;}}{\tan \mathrm{\&beta;}}}{1+\mathrm{\&mu;}\tan \mathrm{\&beta;}}$

μ为进给螺纹件摩擦系数。

tanβ为进给螺纹导程角。

闭阀时的进给螺纹件逆效率η2能够通过用1与μ除以tanβ的值之差除以1与μtanβ之和而求出。

具体而言，在图4所示的步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况下，μ为0.01，tanβ为0.080。

因此，

$\mathrm{\&eta;}2=\frac{1-\frac{0.01}{0.080}}{1+0.01\&CenterDot;0.08}=0.874.$

在本实施例中，以步进电动机A的螺纹导程为2mm的情况为例进行了说明，但其他的步进电动机及螺纹导程也可以通过同样的计算求出η2。

(机型1)

(对于步进电动机A)

开阀时的必要推力Fa为190.94N，闭阀时的产生推力Fd为153.8N，且为一定。

在使用步进电动机A的情况下，使螺纹导程为2mm时，开阀时的产生推力Fb为1333.76N，产生推力Fb除以必要推力Fa的190.94N而算出的推力比为7.0倍，由于为3.0倍以上，因此没有问题。

推力比是产生推力Fb除以必要推力Fa而得到的值。在此，产生推力Fb为通过进给螺纹机构将步进电动机的转矩变换后的推力。必要推力Fa设想为在闭阀时第一端口51侧为真空、第二端口52侧为大气压下差压所引起的最大的载荷向闭阀方向作用的状态与该时刻的复原弹簧载荷之和。另外，使推力比K为3.0倍以上是因为设想下述状态：若具有电动真空阀的线路长时间停止，阀座和环状密封部件粘连，而在再工作时开阀，则即使在必要推力Fa上升的情况下，也能够可靠地使阀座和环状密封部件剥离而开阀。

但是，在阀室53为真空状态的闭阀时，必要推力Fc为86.30N，用产生推力Fd的153.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为1.8倍，小于3.0倍。

另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为81.7N，由于低于必要推力Fc的86.30N，因此不能闭阀。

因此，在步进电动机A中，使螺纹导程为2mm的情况，由于在闭阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。另外，在阀室53为大气压的情况下仅通过复原弹簧44不能闭阀。

在使用步进电动机A的情况下，使螺纹导程为4mm时，在开阀时的产生推力Fb为703.48N，产生推力Fb除以必要推力Fa的190.94N而算出的推力比为3.7倍，由于为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为40.29N，用产生推力Fd的153.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.8倍，为3.0倍以上，没有问题。

闭阀时的推力比为产生推力Fd除以闭阀时必要推力Fc而得到的值，在此，产生推力Fd设想为，复原弹簧44的推力为接近最低的状态即复原弹簧伸长的状态，与通过差压而在阀芯42的受压面产生的推力之和，所述差压为由于阀打开而阀室53的内部为真空、波纹管内空间57为大气压的情况的差压。另外，使推力比L为3.0倍以上是因为能够在停电时立即闭阀。对于其他的步进电动机也同样。

因此，在步进电动机A中，能够使螺纹导程为4mm。另外，阀室53为大气压的情况下，产生推力H为81.7N，由于高于必要推力Fc的40.29N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

在使用步进电动机A的情况下，使螺纹导程为5mm时，开阀时的产生推力Fb为568.37N，产生推力Fb除以必要推力Fa的190.94N而算出的推力比为3.0倍，由于为3.0倍以上，因此没问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为31.82N，用产生推力Fd的153.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为4.8倍，为3.0倍以上，因此没问题。

因此，在步进电动机A中，能够使螺纹导程为5mm。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为81.7N，由于高于必要推力Fc的31.82N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

在使用步进电动机A的情况下，使螺纹导程为6mm时，开阀时的产生推力Fb为496.65N，产生推力Fb除以必要推力Fa的190.94N而算出的推力比为2.6倍，小于3.0倍，因此存在问题。

在闭阀时，必要推力Fc为26.29N，用产生推力Fd的153.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为5.8倍，为3.0倍以上。

因此，在步进电动机A中，使螺纹导程为6mm的情况，由于在开阀时推力比小于3.0倍，因而不可能。

另外，同样地，使螺纹导程为8mm的情况，由于在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

(对于步进电动机B)

步进电动机B与螺纹导程无关，开阀时的必要推力Fa为191.84N，闭阀时的产生推力Fd为153.7N，且为一定。

在使用步进电动机B的情况下，使螺纹导程为2mm时，开阀时的产生推力Fb为1583.84N，产生推力Fb除以必要推力Fa的191.84N而算出的推力比为8.3倍，为3.0倍以上，因此没问题。

但是，在闭阀时，必要推力Fc为107.88N，用产生推力Fd的153.7N除以必要推力Fc而算出的推力比为1.4倍，小于3.0倍。

因此，在步进电动机B中，使螺纹导程为2mm的情况下，在闭阀时推力比小于3.0倍，因此不能闭阀。另外，在阀室53为大气压的情况下，相对于必要推力Fc为107.88N，产生推力H为81.6N，因此仅通过复原弹簧44的力不能闭阀。

在使用步进电动机B的情况下，使螺纹导程为4mm时，开阀时的产生推力Fb为835.38N，产生推力Fb除以必要推力Fa的191.84N而算出的推力比为4.4倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为50.36N，产生推力Fd的153.7N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.1倍，为3.0倍以上，因此没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为81.6N，高于必要推力Fc的50.36N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机B中，能够使螺纹导程为4mm。

在使用步进电动机B的情况下，使螺纹导程为5mm时，开阀时的产生推力Fb为674.95N，产生推力Fb除以必要推力Fa的191.84N而算出的推力比为3.5倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为39.77N，产生推力Fd的153.7N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.9倍，为3.0倍以上，因此没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为81.7N，高于必要推力Fc的39.77N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机B中，能够使螺纹导程为5mm。

在使用步进电动机B的情况下，使螺纹导程为6mm时，开阀时的产生推力Fb为565.84N，产生推力Fb除以必要推力Fa的191.84N而算出的推力比为2.9倍，小于3.0倍，存在问题。

在闭阀时，必要推力Fc为32.87N，产生推力Fd的153.7N除以必要推力Fc而算出的推力比为4.7倍，为3.0倍以上。

因此，在步进电动机B中，使螺纹导程为6mm的情况，在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

根据与上述相同的计算，如图4所示，使螺纹导程为8mm的情况，由于在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

(机型2)

(对于步进电动机C)

步进电动机C与螺纹导程无关，开阀时的必要推力Fa为463.53N，闭阀时的产生推力Fd为286.6N，且为一定。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为4mm时，开阀时的产生推力Fb为1974.22N，产生推力Fb除以必要推力Fa的463.53N而算出的推力比为4.3倍，由于为3.0倍以上，因此没有问题。

但是，在闭阀时，必要推力Fc为117.77N，产生推力Fd的286.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为2.4倍，小于3.0倍，存在问题。

因此，在步进电动机C中，使螺纹导程为4mm的情况，在闭阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为5mm时，开阀时的产生推力Fb为1597.90N，产生推力Fb除以必要推力Fa的463.53N而算出的推力比为3.4倍，由于为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为92.67N，产生推力Fd的286.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.1倍，为3.0倍以上，没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为145.4N，由于高于必要推力Fc的117.77N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机C中，能够使螺纹导程为5mm。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为6mm时，开阀时的产生推力Fb为1340.77N，产生推力Fb除以必要推力Fa的463.53N而算出的推力比为2.9倍，小于3.0倍，因此存在问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为76.39N，产生推力Fd的286.8N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.8倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

因此，在步进电动机C中，使螺纹导程为6mm的情况，由于在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

如图5所示，使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为8mm由于在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

(机型3)

(对于步进电动机C)

步进电动机C与螺纹导程无关，开阀时的必要推力Fa为546.26N，闭阀时的产生推力Fd为371.2N，且为一定。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为2mm时，开阀时的产生推力Fb为4287.78N，产生推力Fb除以必要推力Fa的526.26N而算出的推力比为7.8倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

但是，在闭阀时，在阀室53为大气压的情况下，相对于必要推力Fc为257.33N，产生推力H为182.5N，因此仅由复原弹簧44的力不能闭阀。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为4mm时，开阀时的产生推力Fb为2131.07N，产生推力Fb除以必要推力Fa的546.26N而算出的推力比为3.9倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为117.77N，产生推力Fd的371.2N除以必要推力Fc而算出的推力比为3.2倍，为3.0倍以上，没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为182.5N，高于必要推力Fc的117.77N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机C中，能够使螺纹导程为4mm。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为5mm时，开阀时的产生推力Fb为1699.73N，产生推力Fb除以必要推力Fa的546.26N而算出的推力比为3.1倍，为3.0倍以上，因此没有问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为92.67N，产生推力Fd的371.2N除以必要推力Fc而算出的推力比为4.0倍，为3.0倍以上，没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为182.5N，高于必要推力Fc的92.67N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机C中，能够使螺纹导程为5mm。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为6mm时，开阀时的产生推力Fb为1412.17N，产生推力Fb除以必要推力Fa的546.26N而算出的推力比为2.6倍，小于3.0倍，存在问题。

另外，在闭阀时，必要推力Fc为76.39N，产生推力Fd的371.2N除以必要推力Fc而算出的推力比为4.9倍，为3.0倍以上，没有问题。另外，在阀室53为大气压的情况下，产生推力H为182.5N，高于必要推力Fc的117.77N，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

因此，在步进电动机C中，使螺纹导程为6mm的情况，在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

在使用步进电动机C的情况下，使螺纹导程为8mm在开阀时推力比小于3.0倍，因此不可能。

通过以上的实验，例如如图4所示，能够判断在机型1的步进电动机A中，使螺纹导程为4mm或5mm，在步进电动机B中，使螺纹导程为4mm或5mm。

另外，如图5所示，在机型2的步进电动机C中，能够判断使螺纹导程为5mm。

另外，如图6所示，在机型3的步进电动机C中，能够判断使螺纹导程为4mm或5mm。

通过以上的实验，能够决定步进电动机、进给螺纹导程、复原弹簧。对于用于闭阀的复原弹簧44，需要能够克服步进电动机的定位转矩而可靠地闭阀的推力，用于开阀的步进电动机具有克服复原弹簧的转矩，必须是不妨碍闭阀的定位转矩，为相反的情况。由于处于相反的关系，因此取得能够保持由必要的转矩产生的推力进而能够保持必要的产生推力的平衡的范围狭窄，本申请人通过上述实验发现了适当的导程，从而能够使用现有的作为空气驱动真空阀的部件的复原弹簧而在停电时可靠地闭阀。

另外，在阀室53处于真空状态时，波纹管内空间57处于大气压，通过利用它们的差压所引起的推力，能够减弱复原弹簧44的推力。因此，能够使步进电动机小型化，能够使设备小型化。

另外，能够使用现有的作为空气驱动真空阀的部件的环状密封部件50、复原弹簧44、波纹管46、阀座54等，从而能够获得与现有的空气驱动真空阀等同的泄漏量和耐久性，实现成本降低。

另外，通过在上述的条件下决定螺纹导程，使复原弹簧的推力和通过进给螺纹机构生成的旋转转矩所产生的推力为在步进电动机的定子和转子之间产生的定位转矩所引起的推力的3.0倍以上，由此能够在停电时不使用电力地立即闭阀。

另外，在开阀动作时，步进电动机产生的推力为旋转转矩产生的推力的3.0倍以上，从而能够可靠地开阀。具体而言，在具有电动真空阀的线路长时间停止后再工作时，存在电动真空阀局部粘连，具有较大机械损失的情况。即使在该情况下，只要使步进电动机产生的推力为旋转转矩产生的推力的3.0倍以上，就能够可靠地开阀。

另外，即使在阀室53内和波纹管内空间57为大气压的情况下，由于推力比为1.0倍以上，因此能够通过复原弹簧44的推力闭阀。

<电动真空阀的作用>

(从闭到开)

图1表示电动真空阀21的闭阀状态的剖面图。图2表示电动真空阀21的开阀状态的剖面图。

如图1所示，电动真空阀21中，通常阀芯42与阀座54抵接而将第一端口51和第二端口52之间切断。从该状态起，步进电动机27向正方向和逆方向旋转时，进给螺母34经由保持架33和联轴器58与输出轴30一体地旋转，该旋转运动变换为向图中上方向(开阀方向)的直线运动，向进给螺纹轴36传递。驱动轴37与进给螺纹轴36一体地上升，如图2所示经由连结部件40提升阀芯42。

由此，阀芯42从阀座54分离而使第一口及第二端口51、52连通。电动真空阀21在使环状密封部件50的弹性变形量变化的区域，由流体泄漏能够控制微小流量，进而，在阀芯42从阀座54离开的区域，根据分离量控制排气流量。该阀开度通过步进电动机27的未图示的转子的旋转量控制。

在本实施例中，通过上述实验，决定步进电动机、进给螺纹导程、复原弹簧，因此能够在开阀时，不使复原弹簧的力过大，节省能量地开阀。由于可以节省电力，因此能够使步进电动机27小型化，作为结果能够使电动真空阀21小型化。

(通常时从开到闭)

在腔室10的真空压力达到目标压力时，如图2所示，步进电动机27向正方向旋转。进给螺母34与输出轴30一体地向正方向旋转时，图1所示的进给螺纹轴36下降。驱动轴37与进给螺纹轴36一体地下降，经由连结部件40使阀芯42与阀座54抵接。供驱动轴37的结合销41贯通的孔比结合销41的外径大，在驱动轴37和结合销41之间留有间隙而停止后，仅由复原弹簧44的推力将阀芯42向阀座54侧下压，使环状密封部件50与阀座54紧贴，进行密封。

(停电时从开到闭)

由于停电(包括瞬时停电)或某种异常而使供给电源切断，真空泵停止时，或判断搭载本产品的系统异常并使装置停止时，为了保持腔室的真空度、防止从真空泵的逆扩散而进行闭阀动作，需要将腔室和真空泵隔离。

在停电等情况下在电动真空阀产生的力为由复原弹簧44向关闭方向产生的推力和通过进给螺纹机构将电动机的定位转矩变换成的妨碍闭阀的力。另外，在阀室53内为真空压力时，波纹管内空间57为大气压，由此存在沿闭阀方向产生的推力。

在停电等情况下，为了进行闭阀动作，利用由复原弹簧44向关闭方向产生的直线推力，进行闭阀。另外，在阀室53内为真空压力时，除了由复原弹簧44向关闭方向产生的推力外，还利用真空压力沿阀芯方向产生的推力，进行闭阀。

即，在停电等情况下，在通过上述实验所示的图4至图6中，通过满足在闭阀时推力比为3.0倍以上的条件的、进给螺纹件/电动机/复原弹簧的组合，能够不使用电力而迅速且可靠地关闭电动真空阀。

另外，可确认能够以与仅由复原弹簧闭阀时的闭阀速度同样的速度使不使用电力而闭阀的气动阀(air-operated valve)进行闭阀。

进而，由于具有与气动阀同样的环状密封部件、复原弹簧、波纹管、及阀座，因此可确认能够获得等同的泄漏量、耐久性。另外，步进电动机不会大型化，因此也能够确认具有与气动阀同样的设置性。

本发明不限于上述实施方式，在不脱离发明的主旨的范围内可进行各种应用。

例如，存在波纹管46的平均外径大于或小于环状密封部件50的直径的情况，与该大小无关，将波纹管46自身的平均直径作为受压面积，产生差压所引起的向闭阀方向的推力。

例如，即使电动机的种类变化，如本实施例所示，使复原弹簧的推力为通过进给螺纹机构将定位转矩变换后的推力的以推力比计3.0倍以上，在开阀动作时，使步进电动机的通过进给螺纹机构变换后的推力为复原弹簧的推力的以推力比计3.0倍以上，由此，在停电时，能够通过复原弹簧的力立即闭阀。另外，在通常时，能够省电力地开阀。

Claims (2)

1.一种电动真空阀，包括：主体部，具有第一端口和第二端口、连接该第一端口和该第二端口的阀室及形成于该阀室的阀座；进给螺纹件，与步进电动机连接；轴，与该进给螺纹件螺合；进给螺纹机构，由该螺纹件和该轴构成；防旋转单元，防止该轴的旋转；阀芯，安装在该轴的前端；及复原弹簧，向与该阀芯和该阀座抵接的方向施力，其特征在于，

在停电时，在步进电动机的定子和转子间产生定位转矩，

所述复原弹簧的推力大于通过所述进给螺纹机构将所述定位转矩变换而成的阻力，由此进行闭阀，

所述轴和所述复原弹簧由波纹管覆盖，

所述波纹管的所述轴侧为大气压且所述阀室内为真空压力时，

所述复原弹簧的推力和由所述真空压力向所述阀芯产生的推力之和为通过所述进给螺纹机构将所述定位转矩变换而成的阻力的3倍以上。

2.一种电动真空阀，包括：主体部，具有第一端口和第二端口、连接该第一端口和该第二端口的阀室及形成于该阀室的阀座；进给螺纹件，与步进电动机连接；轴，与该进给螺纹件螺合；进给螺纹机构，由该螺纹件和该轴构成；防旋转单元，防止该轴的旋转；阀芯，安装在该轴的前端；及复原弹簧，向与该阀芯和该阀座抵接的方向施力，其特征在于，

在停电时，在步进电动机的定子和转子间产生定位转矩，

所述复原弹簧的推力大于通过所述进给螺纹机构将所述定位转矩变换而成的阻力，由此进行闭阀，

通过所述进给螺纹机构将用于使所述阀芯打开的所述步进电动机的驱动转矩变换而成的推力，相对于所述复原弹簧的推力和在所述第一端口侧为真空状态且所述第二端口侧为大气压时向所述阀芯产生的推力之和为3倍以上。

Images