CN109863336B - 流量调节阀及使用该流量调节阀的流体控制装置 - Google Patents

流量调节阀及使用该流量调节阀的流体控制装置 Download PDF

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Abstract

提供充分发挥手动阀型小型化的优点并解决其课题的电动阀型的流量调节阀。具有通过使旋转体(15)旋转而使上下移动体(6)上下移动的旋转装置。旋转装置包括在旋转体(15)的上端部设置的从动齿轮(14)和使与从动齿轮(14)啮合的驱动齿轮(13)的马达(11)。马达(11)采用步进伺服马达，配置在驱动齿轮(13)的下方，马达(11)的旋转轴(34)向上延伸，在其上端部固定有驱动齿轮(13)。

Description

流量调节阀及使用该流量调节阀的流体控制装置
技术领域
本发明涉及流量调节阀及使用该流量调节阀的流体控制装置。
背景技术
流体控制装置是半导体制造流水线必需的零件。
流体控制装置使用的流量调节阀具有下述构造：使与对基于阀芯的流路通路开度进行调节的上下移动体螺合的旋转体旋转，通过使所述上下移动体上升或下降而对基于阀芯的流路通路的开度进行调节。
存在旋转体的旋转通过手动转动手柄进行的构造(手动阀型)和电动进行的构造(电动阀型)。
流体控制装置在各半导体制造流水线中被大量使用。而且，为了使制造流水线紧凑或由于来自制造工艺条件的制约，流体控制装置设置在没有余裕的空间中的情况不少。
因此，在手动阀型中的流量调节中，作业人员必须将手伸至例如位于流体控制装置下方深处的8线至14线的流量调节阀，若有必要则一边用反射镜等观察流量调节阀的刻度及相应的线的质量流量计的流量显示，一边以微小刻痕的刻度精细地手动转动手柄进行调节。需要对设置于制造流水线的全部流体控制装置进行这种作业，因此成为耗时费力的繁杂作业，无法充分发挥小型这一优点。
与此相对，电动阀型(例如专利文献1、2)中的流量调节由于不会为了进行流量调节而使作业人员直接介入，因此不存在手动阀型中上述课题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-4062号公报
专利文献2:日本特开平8-64490号公报
发明内容
但是，在专利文献1的情况下，为了使步进马达外设，存在装置容积与之相应变大的课题，另外，在专利文献2的情况下，为了对内置的齿轮齿条副进行驱动以控制阀芯的开闭度，存在在齿轮齿条副的容积的基础上还需要齿条上下移动的容积的课题。
本发明是鉴于上述问题提出的，主要目的在于提供充分利用手动阀型的小型化并解决其课题的电动阀型的流量调节阀。
本发明的流量调节阀包括：主体，其设有流体通路；阀芯，其使所述流体通路开闭；上下移动体，其通过上升或下降对基于所述阀芯的所述流体通路的开度进行调节；旋转体，其与所述上下移动体螺合；以及旋转装置，其通过使所述旋转体旋转而使所述上下移动体上下移动，该流量调节阀的特征在于，所述旋转装置包括：从动齿轮，其设置于所述旋转体的一部分；驱动齿轮，其与所述从动齿轮啮合；以及马达，其使所述驱动齿轮旋转，所述马达采用步进伺服马达，所述驱动齿轮固定于所述马达的旋转轴。
由上下移动体、旋转体及旋转装置形成将流体通路的开度设定为规定位置的开度设定机构。
步进伺服马达为搭载有编码器的步进马达，通过对应于从控制器发送的脉冲信号切换流向马达线圈的电流，从而能够使马达的旋转轴每次旋转一定角度，并从编码器反馈当前位置/速度，在对与动作指令脉冲之间的误差进行修正的同时进行闭环控制。
旋转装置包括：从动齿轮，其设置于旋转体的一部分；驱动齿轮，其与从动齿轮啮合；以及马达，其使驱动齿轮旋转，通过将驱动齿轮固定于马达的旋转轴而能够减小流量调节阀的整体尺寸，此外，马达采用搭载有编码器的步进伺服马达，从而能够使马达本身小型化。由此，能够使使用马达的流量调节阀的大小与手动装置的大小大致相同。
优选所述马达以与所述旋转体邻接的方式配置，所述马达的旋转轴向上延伸，在旋转轴的上端部固定有所述驱动齿轮。若采用这种方式，则能够进一步使使用马达的流量调节阀紧凑。
例如优选所述马达的横截面为边长35mm以下的正方形状，所述流量调节阀的横截面为长方形，其短边为36mm以下，所述开度的0％到100％的分辨率为2000脉冲以上。
若采用这种方式，则能够采用无论是尺寸还是精度均足以替换现有手动流量调节阀的流量调节阀。
所述马达优选具有以下四种功能：位置控制功能，其通过基于编码器的信号的闭环控制位置；速度控制功能，其控制旋转体的旋转速度；推抵控制功能，其以连续额定转矩以下的转矩使所述旋转体向开度0％方向移动，直到转矩值变为设定值以上；以及转矩控制功能，其控制转矩，开度0％位置的检测通过所述推抵控制功能进行，规定开度的设定通过所述位置控制功能及所述速度控制功能进行，在所述开度0％位置的检测时及所述规定开度的设定时，利用所述转矩控制功能判定转矩异常。
根据速度控制功能，能够将上下移动体的移动速度保持为与手动操作速度相同的程度，能够利用速度的稳定性确保耐久性。另外，根据转矩控制功能，能够在流量调节阀完全故障而无法操作之前进行维护，从而防止流量调节阀在处理中破损，防止给处理造成严重影响。由此，能够事先防止由将手动装置设为电动而可能产生的过载导致的流量调节阀损伤。
本发明的流体控制装置具备分别具有将开度设定为规定值的流量调节阀的多条线，其特征在于，多条线的各流量调节阀采用某一个所述流量调节阀，且通过以通信单元连接的监视装置监视各所述流量调节阀的所述马达的动作量。
根据本发明的流体控制装置，能够使用马达对以往手动设定开度的流量调节阀设定开度，并且能够利用监视装置监视全部流量调节阀的开度，因此能够提高流体控制装置的流量控制功能。
作为监视装置使用个人计算机、平板电脑、智能手机等。通信单元可以是无线的也可以是有线的，也可以使用互联网。
流量调节阀除了转矩(旋转、电流)以外，可以适当增加发送图像(动态图像)、温度和/或湿度、加速度(振动)、声音等信号的测量设备，能够在从监视装置发出操作指示后，确认是否按照实际操作动作。测量设备除了多种测量设备以外还能够使用MEMES传感器、小型CCD相机等。另外，也可以通过在监视装置或测量装置内设置控制功能来自动进行作为目标的流量调节。
发明的效果
根据本发明的流量调节阀，能够减小流量调节阀的上下尺寸并使马达本身小型化，因此能够使使用马达的流量调节阀的大小与手动装置为相同程度的大小。因此，能够将本发明的流量调节阀应用于以往的使用手动流量调节阀且无法增大流量调节阀用空间的流体控制装置。
附图说明
图1是表示本发明流量调节阀的1实施方式的纵剖视图。
图2是图1的俯视图。
图3是表示本发明流量调节阀中的动作步骤的流程图。
图4是表示应用本发明流量调节阀的流体控制装置的1例的图。
附图标记说明
1：流量调节阀
2：主体
2a：流体流入通路(流体通路)
2b：流体流出通路(流体通路)
4：膜片(阀芯)
6：上下移动体
11：马达(旋转装置)
13：驱动齿轮(旋转装置)
14：从动齿轮(旋转装置)
15：旋转体
34：旋转轴
50：流体控制装置
53：个人计算机(监视装置)
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。在以下的说明中，上下/左右是指图1的上下/左右。另外，将图2的上下设为前后。该上下/左右/前后为了方便，在实际使用时能够使上下翻转或使上下朝向水平方向等适当设定。
如图1所示，流量调节阀1包括：块状主体2，其具有流体流入通路2a、流体流出通路2b及朝向上方开口的凹部2c；圆筒状阀盖3，其下端部与主体2的凹部2c上部螺合并向上延伸；金属制膜片(阀芯)4，其被朝向流体流入通路2a的出口周缘部按压或与之分离，使流体流入通路2a开闭；上下移动体6，其借助膜片按压部5使膜片4相对于流体流入通路2a的出口周缘部按压/分离；以及开度调节机构7。
开度调节机构7使上下移动体6位于规定位置，对流体流入通路2a与流体流入通路2a之间的开度进行调节，包括：马达11；方筒状壳体12，其由底壁12a、左右侧壁12b及顶壁12c构成，将马达11收容在左半部；以及旋转体15，其在马达11的作用下借助齿轮13、14而旋转。
阀盖3将其下端部通过盖螺母21固定在主体2上，其中间部通过螺母22固定在壳体12的底壁12a的右半部。在阀盖3的上端部设有外螺纹部，在该外螺纹部螺合盖螺母23。
在阀盖3的下端与主体2之间设有用于固定膜片4的周缘部的按压接合部24。在按压接合部24与设置于膜片按压部5上端部的凸缘之间，设有将膜片按压部5向上施力的压缩螺旋弹簧25。
旋转体15包括：轴部31，其在下部形成有外螺纹31a；内筒部32，其包覆在轴部31上；以及外筒部33，其包覆在内筒部32的上部。
轴部31以其上端部向上方突出的方式插入在内筒部32中，通过紧固与轴部31的上端部螺合的螺母26，轴部31与内筒部32结合。另外，外筒部33和内筒部32通过将固定螺钉27螺入在外筒部33设置的沿径向贯通的螺纹孔而结合。像这样，通过使外筒部33旋转，内筒部32及轴部31也一体旋转。
外筒部33通过在壳体12的顶壁12c的上表面固定的滚动轴承28以能够旋转的方式支承于壳体12。在外筒部33的上端部设有圆柱状的突出部33a，从动齿轮14通过固定螺钉29固定于突出部33a。
马达11是搭载有编码器的步进伺服马达，形成截面呈正方形的长方体状，在壳体12的顶壁12c的左部通过螺栓30以悬垂状安装。马达11的旋转轴34从壳体12的顶壁12c向上突出，通过固定螺钉35在该旋转轴34上固定驱动齿轮13。马达11设有能够与外部设备连接的端子11a。
驱动齿轮13及从动齿轮14均具有上下延伸的轴线，左右排列配置。驱动齿轮13的上下尺寸大于从动齿轮14的上下尺寸，由此，即使在从动齿轮14上下移动了的情况下，二者的啮合也不会偏移。
コ字状的侧盖40覆盖在壳体12的开口部分，并通过小螺钉41固定于壳体12的右侧壁12b。另外，顶盖42以覆盖位于顶壁12c上方的齿轮13、14的方式覆盖在壳体12的顶壁12c上，并通过小螺钉43固定于壳体12的左侧壁12b。顶盖42为由丙烯酸、PET等形成的透明树脂加工件，能够从外部观察到齿轮13、14的旋转状态。并且，在齿轮13、14部分发生问题时，能够仅将顶盖42拆下进行需要的处理。
在阀盖3的上端部的盖螺母23的上方，以隔开一定间隙设置的方式设有环状的止动部36。止动部36以能够上下移动的方式嵌合于内筒部32的外周，定位在上下方向的规定位置并利用固定螺钉37固定于内筒部32。止动部36在旋转体15下降时与盖螺母23的上表面抵接，由此，限制旋转体15从流量调节阀1全闭时下降。
在内筒部32的下部外周形成有外螺纹32a，在阀盖3的上部内周形成有与内筒部32的外螺纹32a对应的内螺纹3a，阀盖3与内筒部32以能够相对旋转的方式螺合。
上下移动体6形成为有底圆筒状，在其内周形成有与旋转体15的轴部31的外螺纹31a螺合的内螺纹6a。上下移动体6以其上端部插入于内筒部32的下端部的状态与轴部31的外螺纹31a螺合。
旋转体15的轴部31的外螺纹31a及上下移动体6的内螺纹6a(第1螺合部)的螺距小于阀盖3的内螺纹3a及内筒部32的外螺纹32a(第2螺合部)。第1及第2螺合部的螺纹方向设定为，在使旋转体15旋转而下降时，上下移动体6下降。
膜片按压部5以能够上下移动的方式插入于在阀盖3的下端部设置的向下开口的凹部中。若上下移动体6下降，则膜片按压部5被其按压而与上下移动体6一体下降，若上下移动体6上升，则膜片按压部5在压缩螺旋弹簧25的弹性力的作用下与上下移动体6一体上升。
在上下移动体6的外周设有沿上下方向延伸的引导槽38，在阀盖3上以与从径向外方与引导槽38相对的方式，设有轴线沿与上下方向正交方向延伸的引导销39。在引导销39的除了顶端部以外的外周设有外螺纹，通过与在阀盖3设置的螺纹孔螺合，引导销39固定于阀盖3。引导销39的顶端部嵌入在引导槽38中，由此，上下移动体6能够相对于阀盖3在上下方向上移动而无法旋转。
根据开度调节机构7，通过使旋转体15的外筒部33朝向下降的方向旋转，从而内筒部32及轴部31一边与外筒部33一体旋转一边下降。与轴部31螺合的上下移动体6通过引导销39嵌入在引导槽38中而在旋转被阻止的状态下下降。此时，第1螺合部(旋转体15的轴部31的外螺纹31a与上下移动体6的内螺纹6a的螺合部)的螺距小于第2螺合部(阀盖3的内螺纹3a与内筒部32的外螺纹32a的螺合部)的螺距，从而上下移动体6对应于螺距的差量而下降。因此能够实现高精度的调节。
根据上述的流量调节阀1，马达11的横截面形状为边长25mm的正方形，关于图2所示的平面的大小(罩40、42的横截面形状)，其前后宽度为36mm以下，即，即使增加马达11以采用电动方式，与手动阀相比，其前后宽度增加也被抑制。另外，相对于在手动阀中增加操作用空间后的高度，流量调节阀1的上下高度的增加也被抑制。因此，在使用手动流量调节阀的现有流体控制装置中，能够在不增加配置空间的情况下将手动装置置换为电动的流量调节阀1。并且，即使马达11的横截面形状为边长35mm以下的正方形，关于流量调节阀1的平面大小(罩40、42的横截面形状)，也能够使其前后宽度为36mm以下。
搭载于马达11的编码器由于一次旋转发送9600次脉冲，在齿轮比为2.2857时，马达11旋转10次，因此马达11的分辨率为219427脉冲。关于分辨率，若为2000脉冲以上，则能够获得需要的精度。
图3示出通过马达11的控制装置进行的流量调节阀1的动作步骤。
首先，在接入电源(S1)后，若从个人计算机画面按下原点复位键(S2)，则马达11开始驱动。在该时刻，由于无法与来自编码器的信号联系，因此无法进行闭环控制，而以连续额定转矩以下的转矩使马达11向闭方向旋转。由此，上下移动体6向闭方向移动(S3)。此时的控制为推抵控制(S4)，上下移动体6持续移动直到达到设定值的转矩。此时，始终监视转矩值，判定是否异常(S5)，在判定为异常的情况下，发出示警，马达11的驱动停止。
在未判定为转矩异常而达到设定值的转矩且该转矩持续设定时间以上时，判断为上下移动体6到达闭止点(原点复位)(S6)。例如在达到相对于连续额定转矩的规定值(例如95％)以上且为设定时间(例如2秒)以上的情况下为原点复位。
之后，使马达11向开方向旋转，由此，上下移动体6向开方向移动(S7)。此时的控制为位置控制(S8)，进行基于编码器信号的闭环控制。此时还进行速度控制(S9)，将旋转体15的操作时间在0.1秒/转至120秒/转的范围内设定为适当的值，由此，保持上下移动体6的移动速度为与手动操作速度相同。始终监视转矩值并判定是否异常(S10)，在判定为异常的情况下发出示警，马达11的驱动停止。若要定位于设定开度，则在向目标编码器位置动作时产生连续额定转矩1.4倍的瞬时最大转矩，而在流量调节阀1存在异常，即使是额定1.4倍的转矩也不动作的情况下，产生与编码器的目标点之间偏差，立即判断为错误。
在没有异常的情况下，在达到与设定开度对应的旋转量的时刻，马达11的旋转停止(S11)。流量调节阀1的全闭到全开的分辨率如上所述约为20万脉冲(2000脉冲以上)，能够在开度设定的定位中实现非常严格的定位。之后，以维持该开度的方式保持上下移动体6的位置(S12)。原点复位后进行基于编码器信号的闭环控制，因此若完成开度定位，则只要没有扰动就能够以必要最小限度的转矩维持其开度。也就是说，由于使最小限度的电流流通，因此基本没有马达11本身的发热。在个人计算机画面上持续监视当前的状况(S13)，若没有异常，则一次处理结束(S14)。
图4中示出具有上述流量调节阀1的流体控制装置50的一例。
该流体控制装置50具有8条线的流量调节阀1及设置在其上游侧的质量流量计51，经由各流量调节阀1向在流体控制装置50的下游侧配置的外延装置等半导体制造装置供给规定流量的流体。
流体控制装置50还包括：控制箱52，其与8条线的流量调节阀1及质量流量计51连接；个人计算机(监视装置)53；以及作为示警输出单元的派特莱(注册商标)54。
控制箱52搭载有与各流量调节阀1及各质量流量计连接的PLC(ProgrammableLogic Controller：可编程控制器)、电源、无线信号收发器、马达驱动基板等。
派特莱(注册商标)54在正常动作时使绿灯点亮，在搭载于各流量调节阀1的马达11中的某一个变为异常时将绿和红双方点亮，在PLC故障及电源断开时，将绿和红双方一起熄灭。
控制箱52与各流量调节阀1通过共计8条阀线缆55连接，控制箱52与各质量流量计51通过共计8条的带L型连接器56a的MFM线缆56连接，控制箱52与个人计算机53以LAN线缆57连接，控制箱52与派特莱(注册商标)54以示警用线缆58连接。各线缆55、56、57、58的长度为例如5m左右。
针对全部流量调节阀1，能够从个人计算机53进行开度设定及流量监控。
根据该流体控制装置50，能够对各流量调节阀1的开度进行合并管理。另外，通过预先将转矩等数据保存在个人计算机53中，从而能够将初始数据与当前数据进行对比，评价流量调节阀1的劣化状态。另外，能够实现所保存的开度值等的再利用，开度设定变得容易。
在以上说明中，个人计算机53也可以置换为平板电脑或智能手机等适当的终端(监视装置)，这些监视装置还能够进行远离流体控制装置50的设置场所的遥控操作。
也可以在各流量调节阀1中增加转矩测量功能，组装多种传感器。例如通过组装MEMS麦克风，能够远程掌握流量调节阀1的驱动动作，与转矩信号一起进行流量调节阀1的驱动异常判断。另外，通过组装小型CCD，能够远程观察齿轮13、14的动作，判断有无异常。另外，通过组装MEMS湿度传感器，能够判断马达11的周边湿度是否正常。另外，通过组装MEMS温度传感器，能够判断马达11的周边温度是否正常。另外，通过组装MEMS加速度传感器，能够判断马达11本身的振动是否正常。
在以上说明中，马达11及齿轮13、14(即旋转装置)以外的构成不限定于图示，能够变更为多种流量调节阀的构成。另外，关于流体控制装置50也不限定于图示，能够针对多种流体控制装置应用具备上述马达11及齿轮13、14的流量调节阀。
工业实用性
根据本发明，能够获得在充分发挥手动阀型小型化优点的同时解决其课题的电动阀型流量调节阀，有助于提高使用该流量调节阀的流体控制装置及使用该流体控制装置的半导体制造流水线的性能。

Claims (6)

1.一种流量调节阀，包括：主体，其设有流体通路；阀芯，其使所述流体通路开闭；上下移动体，其通过上升或下降对基于所述阀芯的所述流体通路的开度进行调节；旋转体，其与所述上下移动体螺合；以及旋转装置，其通过使所述旋转体旋转而使所述上下移动体上下移动，
该流量调节阀的特征在于，
所述旋转装置包括：从动齿轮，其固定于所述旋转体的一部分；驱动齿轮，其与所述从动齿轮啮合；以及马达，其使所述驱动齿轮旋转，
所述马达采用步进伺服马达，所述驱动齿轮固定于所述马达的旋转轴，
所述从动齿轮与所述旋转体一边一体地旋转，一边相对于所述驱动齿轮上下移动，所述驱动齿轮及所述从动齿轮均具有上下延伸的轴线，所述驱动齿轮的上下尺寸大于所述从动齿轮的上下尺寸，由此，即使在所述从动齿轮上下移动了的情况下，二者的啮合也不会偏移。
2.根据权利要求1所述的流量调节阀，其特征在于，
所述旋转体包括：轴部，其在下部形成有外螺纹；内筒部，其包覆在所述轴部上；以及外筒部，其包覆在所述内筒部的上部，通过使所述外筒部旋转，所述内筒部及所述轴部也一体旋转，
所述马达以与所述旋转体邻接的方式配置，所述马达的旋转轴向上延伸，在该旋转轴的上端部固定有所述驱动齿轮，所述从动齿轮固定于所述外筒部的上端部，
在所述旋转体的内筒部的外周上形成的外螺纹与在固定于壳体的阀盖的内周上形成的内螺纹螺合，伴随着所述从动齿轮的上下移动，所述旋转体一边相对于所述阀盖旋转一边上下移动。
3.根据权利要求1所述的流量调节阀，其特征在于，
所述马达的横截面为边长35mm以下的正方形状，所述流量调节阀的横截面为长方形，其短边为36mm以下，所述开度的0％到100％的分辨率为2000脉冲以上。
4.根据权利要求2所述的流量调节阀，其特征在于，
所述马达的横截面为边长35mm以下的正方形状，所述流量调节阀的横截面为长方形，其短边为36mm以下，所述开度的0％到100％的分辨率为2000脉冲以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流量调节阀，其特征在于，
所述马达具有以下四种功能：位置控制功能，其通过基于编码器的信号的闭环来控制位置；速度控制功能，其控制旋转体的旋转速度；推抵控制功能，其以连续额定转矩以下的转矩使所述旋转体向开度0％方向移动，直到转矩值变为设定值以上；以及转矩控制功能，其控制转矩，
开度0％位置的检测通过所述推抵控制功能进行，规定开度的设定通过所述位置控制功能及所述速度控制功能进行，在所述开度0％位置的检测时及所述规定开度的设定时，利用所述转矩控制功能判定转矩异常。
6.一种流体控制装置，其具备分别具有将开度设定为规定值的流量调节阀的多条线，该流体控制装置的特征在于，
多条线的各流量调节阀采用权利要求1至5中任一项所述的流量调节阀，并且，各所述流量调节阀的所述马达的动作量通过以通信单元连接的监视装置来监视。
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