JP2006112522A - 電動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】芯ずれによる弁体側と送りねじ機構側との径方向の相対変位が該両者の径方向平行移動によって的確に行われ、半導体製造機器仕様のような微流量制御でも要求精度を満たすこと。
【解決手段】弁軸部材２１が雄ねじ部材２５の中空部に所定の径方向間隙をおいて遊嵌合し、弁軸部材２１の先端部に固定装着されて平らな係合プレート３０が雄ねじ部材２５に形成された軸線方向に直交する径方向のスリット開口２８に径方向に所定の間隙をおいて係合し、雄ねじ部材２５と弁軸部材２１とを係合プレート３０によって径方向に相対変位可能に連結する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動弁に関し、特に、半導体製造機器等において使用される微流量制御の電動弁に関するものである。

流量制御を行う電動弁として、ステッピングモータ等の電動モータの回転軸の回転を軸線運動に変換する送りねじ機構を有し、前記送りねじ機構によって弁体が軸線移動し、前記弁体の軸線方向位置に応じて弁ハウジングに設けられている弁ポートの実効開口面積を可変設定し、流量制御を行う電動弁が知られている。（例えば、特許文献１、２、３）。

このような電動弁において、適正な流量制御を行うためには、弁体が弁ポート（弁座部）に対して適正な姿勢で開閉移動しなければならず、それには、弁体の中心軸線と弁ポートの中心軸線とが一致していなくてはならない。

駆動源側の送りねじ機構の雄ねじ部材、雌ねじ部材と弁体とが径方向変位を許容しない構造で連結されていると、送りねじ機構の中心軸線と弁体の中心軸線とを一致させなくてはならなくなり、高い部品精度、組み付け精度を要求されるようになる。

このため、従来の電動弁でも、弁軸と送りねじ機構の雄ねじ部材あるいは雌ねじ部材とが径方向に相対変位可能に連結されたり、弁軸と弁体あるいは弁体ホルダとが径方向に相対変位可能に連結され、送りねじ機構の中心軸線と弁体の中心軸線の芯ずれを、それら連結部の径方向相対変位によって許容する構造が取られている。

しかし、従来の電動弁では、弁体側と送りねじ機構側とを、傾きを生じることなく、径方向に平行に、確実に相対変位させることができず、また、径方向相対変位を許容する構造は軸線方向のがた付き発生の原因になり、流量制御精度の向上、ばらつき低減に限界がある。このため、半導体製造機器等で使用される微流量制御仕様のものでは、ますますの高精度化に対して要求精度を満たすことができなくなってきている。
特開２００３−１９４２５０号公報 特開２００３−１４８６４３号公報 実公平６−３６３７７号公報

この発明が解決しようとする課題は、芯ずれによる弁体側と送りねじ機構側との径方向の相対変位が該両者の径方向平行移動によって的確に行われ、その相対変位部分においてがた付きを生じることもなく、半導体製造機器仕様の微流量制御でも要求精度を満たすことである。

この発明による電動弁は、電動モータの回転軸の回転を軸線運動に変換する送りねじ機構を有し、前記送りねじ機構によって弁体が軸線移動し、前記弁体の軸線方向位置に応じて弁ハウジングに設けられている弁ポートの実効開口面積を可変設定し、流量制御を行う電動弁において、前記送りねじ機構は、電動モータの回転軸によって回転駆動される雌ねじ部材と、前記弁ハウジングの側に回り止め配置されて前記雌ねじ部材とねじ係合し前記雌ねじ部材の回転に応じて軸線方向移動する中空形状の雄ねじ部材とを有し、前記弁体には弁軸部材が固定され、前記弁軸部材が前記雄ねじ部材の中空部に所定の径方向間隙をおいて遊嵌合し、前記弁軸部材の先端部に固定装着されて当該先端部に平らなフランジ面を形成する係合プレートが前記雄ねじ部材に形成された軸線方向に直交する径方向のスリット開口に、径方向に所定の間隙をおいて係合し、前記雄ねじ部材と前記弁軸部材とが前記係合プレートによって径方向に相対変位可能に連結されている。

この発明による電動弁は、好ましくは、前記係合プレートが前記雄ねじ部材の前記スリット開口に軸線方向にも所定の間隙をおいて係合し、前記係合プレートを前記スリット開口の軸線方向の一方の側の対向端面に押し付けるばね手段が設けられている請求項１記載の電動弁。

この発明による電動弁は、好ましくは、前記スリット開口は前記雄ねじ部材の径方向の両側に対称に設けられ、前記係合プレートは、両脚片部を有するヨーク状の平面形状をなし、一方の側より両脚片部を前記雄ねじ部材の前記スリット開口に差し込まれ、前記雄ねじ部材の中空部内においてビスによって前記弁軸部材の先端部にねじ止めされている。

この発明による電動弁は、更に好ましくは、電動モータの回転軸と前記雌ねじ部材とが、滑りキー方式により、スラスト荷重を切り離されてトルク伝達関係で連結されている。

この発明による電動弁によれば、弁体と一体連結されている弁軸部材が雄ねじ部材の中空部に所定の径方向間隙をおいて遊嵌合していて、雄ねじ部材に形成された軸線方向に直交する径方向のスリット開口に径方向に所定の間隙をおいて係合している係合プレートによって雄ねじ部材と弁軸部材とが連結されており、この連結構造により、芯ずれによる弁体側と送りねじ機構側との径方向の相対変位が該両者の径方向平行移動によって的確に行われる。

これにより、弁体側と送りねじ機構側とで芯ずれがあっても、傾きを生じることなく、弁体が弁ポート（弁座部）に対して適正な姿勢で開閉移動することが保障され、高精度な流量制御を行えるようになり、半導体製造機器仕様の微流量制御でも要求精度を満たすことが可能になる。

また、組み付け上、係合プレートが雄ねじ部材のスリット開口に軸線方向にも所定の間隙をおいて係合していても、ばね手段によって係合プレートをスリット開口の軸線方向の一方の側の対向端面に押し付けることにより、軸線方向のがた付きが発生することも回避でき、ばらつきのない高精度な流量制御を行えるようになる。

この発明による電動弁の実施形態１を、図１〜図９を参照して説明する。

図１に示されているように、電動弁は、弁ハウジング１と、中間ハウジング２と、ステッピングモータ３とを有する。中間ハウジング２は、弁ハウジング１とステッピングモータ３との間にあり、円筒状で、両端に接続用フランジ部２Ａ、２Ｂを有し、下側の接続用フランジ部２Ａをボルト４によって弁ハウジング１に固定接続され、上側の接続用フランジ部２Ｂをボルト５によってステッピングモータ３に固定接続されている。

弁ハウジング１には、入口ポート６、出口ポート７、弁室８、弁ポート９が形成されている。弁ポート９は、弁ハウジング１による円錐状の弁座面１０により画定され、弁室８の底部中央に開口している。入口ポート６は弁ハウジング１に形成された内部通路１１によって弁ポート９に連通している。出口ポート７は弁ハウジング１に形成された内部通路１２によって弁室８に連通している。

弁室８にはダイヤフラム弁１３が設けられている。ダイヤフラム弁１３は、中央の弁部１４と、弁部１４の周囲に形成されたダイヤフラム部１５とを有し、全体をＰＴＦＥ等、耐液性に優れたプラスチックスにより構成されている。弁部１４は、弁ポート９と同心配置で、コーン形をしていて軸線方向位置（上下位置）に応じて弁ポート９の実効開口面積を可変設定し、流量制御を行う。

ダイヤフラム部１５は円環状の外周縁部１５ＡをＯリング１６と共に弁ハウジング１の取付孔１７の底部と取付孔１７に入れられた内部取付部材１８とに気密に挟まれている。また、弁部１４にはＰＴＦＥ等によるもう一つのダイヤフラム部材１９の内周縁部１９Ｂが気密に接続されている。ダイヤフラム部材１９の外周縁部１９Ａはダイヤフラム部１５の外周縁部１５Ａと共にハウジング１の取付孔１７の底部と内部取付部材１８とに気密に挟まれている。これにより、弁室８における接液部は、ダイヤフラム部１５とダイヤフラム部材１９とによる２重ダイヤフラム構造によって中間ハウジング２側とは隔離されている。

なお、内部取付部材１８は、弁ハウジング１の取付孔１７の底部との間に、Ｏリング１６、ダイヤフラム部１５の外周縁部１５Ａ、ダイヤフラム部材１９の外周縁部１９Ａを挟み、中間ハウジング２の下側段差部２Ｃとの間に後述のボールベアリング２０のアウタレース２０Ａをスラスト方向に挟んで、ボルト４による弁ハウジング１と中間ハウジング２の固定連結によって、取付孔１７に入れられた状態で弁ハウジング１と中間ハウジング２との間に挟み込み固定されている。

弁部１４の上部には弁軸部材２１の下端がねじ部２２によって固定連結されている。弁軸部材２１は内部取付部材１８の中心部に一体形成された円筒状の軸ガイド部２３に軸線方向に摺動可能に嵌合している。

図３に示されているように、軸ガイド部２３には軸線方向のスリット状縦開口２４が形成されており、スリット状縦開口２４に雄ねじ部材２５の下部に形成される短冊状の係合片２６が軸線方向に変位可能に回り止め係合している。雄ねじ部材２５は、円筒状で中空形状をなし、軸ガイド部２３上に同心配置され、回り止め状態で、軸線方向に移動可能（上下動可能）になっており、雄ねじ部材２５の上部外周には雄ねじ部２７を有する。

雄ねじ部材２５には径方向のスリット開口２８（図３参照）が形成されており、このスリット開口２８にヨーク形状の平座金のような係合プレート３０が差し込まれている。この係合プレート３０と弁軸部材２１の上端とが雄ねじ部材２５の中空孔２５Ａ内においてビス３１によって固定連結されている。

この連結構造により、雄ねじ部材２５と弁軸部材２１とが互いに径方向に変位可能に連結されている。これにより、弁部１４の側の軸芯合わせと雄ねじ部材２５の側の軸芯合わせとが切り離される。

この雄ねじ部材２５と弁軸部材２１の連結構造の詳細を説明する。図７に示されているように、弁軸部材２１の上端部側は雄ねじ部材２５の中空孔２５Ａに所定の径方向間隙Δｔをおいて遊嵌合しており、これと同等の間隙が、図示されてはいないが、円筒状の軸ガイド部２３とその内部に挿通された弁軸部材２１との間にも確保されている。図３に示されているように、係合プレート３０は、弁軸部材２１ならびに雄ねじ部材２５のフランジ状の下端部分２５Ｂより大きい外径を有して平らなフランジをなし、しかも、両脚片部２９を有するヨーク状の平面形状をなしている。

図４に示されているように、スリット開口２８は、軸線方向に直交する径方向のスリット開口であり、雄ねじ部材２５の径方向の両側に対称に設けられている。この両側のスリット開口２８間の間隔Ｗａは、図５に示されている係合プレート３０の両脚片部２９間の切欠状開口３０Ａの間隔Ｗｂより小さい。

これにより、係合プレート３０は、図９に示されているように、一方の側より両脚片部２９を対称配置のスリット開口２８に差し込まれ、中空孔２５Ａ内においてビス３１によって弁軸部材２１の先端部にねじ止めされていることにより、係合プレート３０ならびに弁軸部材２１は、雄ねじ部材２５に対して径方向に所定間隙Ｗｂ−Ｗａだけ相対変位可能に連結される。つまり、雄ねじ部材２５と弁軸部材２１とが、係合プレート３０によって、径方向に所定間隙Ｗｂ−Ｗａだけ、相対変位可能に連結されている

なお、所定間隙Ｗｂ−Ｗａと、軸部材２１と雄ねじ部材２５の中空孔２５Ａとの径方向間隙Δｔは、概ね同じ値であればよい。

また、図４に示されているスリット開口２８の軸線方向寸法Ｔａは、図５に示されている係合プレート３０の板厚（軸線方向寸法）Ｔｂより大きく設定されている。これにより、係合プレート３０はスリット開口２８に軸線方向にも所定の間隙Ｔａ−Ｔｂをおいて係合する。

図３に示されているように、内部取付部材１８の底部と係合プレート３０との間には圧縮コイルばね３２が挟まれている。これにより、雄ねじ部材２５のスリット開口２８における係合プレート３０の係合がた付きにオフセット力が与えられ、係合プレート３０はスリット開口２８の軸線方向の一方の側、この場合、上側の対向端面２８Ａに押し付けられる。

図１に示されているように、雄ねじ部材２５の雄ねじ部２７には雌ねじ部材（ナット部材）３３の雌ねじ部３４がねじ係合している。雌ねじ部材３３にはボールベアリング２０のインナレース２０Ｂがロックナット３５によって固定されている。これにより、雌ねじ部材３３はボールベアリング２０によって内部取付部材１８より回転可能に支持されている。

ステッピングモータ３は、下側に回転軸（出力軸）５１を有している。回転軸５１は、中間ハウジング２内にあり、先端側を雌ねじ部材３３の上部貫通孔３３Ａ、雄ねじ部材２５の中空孔２５Ａ内に挿入されている。

図２に示されているように、回転軸５１には止めねじ５２によって駆動ブロック部材５３が固定されている。駆動ブロック部材５３の外周部には、それの軸線方向の全体に、ピン係合凹溝５４が形成されている。雌ねじ部材３３の上面部には駆動ピン５５が固定装着されている。駆動ピン５５はピン係合凹溝５４に係合している。これにより、回転軸５１の回転が、駆動ピン５５によって駆動ブロック部材５３より雌ねじ部材３３に伝達され、この回転伝達によって雌ねじ部材３３は回転軸５１と一体的に回転する。

駆動ピン５５は、ピン係合凹溝５４に対して軸線方向に変位可能に係合しているから、滑りキー方式のトルク伝達構造により、駆動ブロック部材５３と雌ねじ部材３３とはトルク伝達関係で連結されるが、軸線方向には拘束されることがない。これにより、ステッピングモータ３の回転軸５１と雌ねじ部材３３とが、スラスト荷重を切り離されてトルク伝達関係で連結されることになる。

また、駆動ピン５５とピン係合凹溝５４との係合によるステッピングモータ３の回転軸５１と雌ねじ部材３３との連結により、ステッピングモータ３の側の軸芯合わせと雌ねじ部材３３の側の軸芯合わせも切り離され、回転軸５１と雌ねじ部材３３との芯ずれを許容する。

これにより、ステッピングモータ３の中心軸線と雌ねじ部材３３の中心軸線とを同一軸線上に芯合わせ配置する必要がなくなる。

中間ハウジング２内には、弁部１４の最大弁開位置あるいは最大弁閉位置の少なくとも何れか一方を機械的に設定するストッパ機構が組み込まれている。ストッパ機構は、回転側ストッパ部材５６と固定側ストッパ部材５７とを有する。

固定側ストッパ部材５７は、円筒状をなし、その円筒状部５７Ａの下端縁の周方向の一部に固定側凸部５８を有し、中間ハウジング２の内側に形成された円筒状内周部５９に嵌め込まれている。固定側ストッパ部材５７は、上側にフランジ部５７Ｂを有し、フランジ部５７Ｂが中間ハウジング２の上側段差部２Ｄに係合することにより、抜け落ちを防止されている。

中間ハウジング２にはハウジング外壁２Ｅより円筒状内周部５９に開口したねじ孔６０が複数個（例えば、１２０度間隔で２個）形成されている。ねじ孔６０の各々には止めねじ６１がねじ込まれ、止めねじ６１の先端が固定側ストッパ部材５７の円筒状部５７Ａの外周面に当接することにより、固定側ストッパ部材５７が中間ハウジング２に任意の回転位置にて固定される。

回転側ストッパ部材５６は、雌ねじ部材３３の上面中央に形成された円環状の回転案内部３３Ｂに回転可能に嵌合し、固定側ストッパ部材５７の円筒状部５７Ａと同心の回転軸線周りに回転可能なリング部５６Ａと、リング部５６Ａより径方向外方に突出形成された可動側凸部６２を有し、駆動ピン５５が可動側凸部６２に当接することにより、出力軸５１の回転方向に同方向に回転駆動される。

このストッパ機構では、駆動ピン５５の時計廻り方向の回転によって回転側ストッパ部材５６の可動側凸部６２の一方の側面が固定側ストッパ部材５７の固定側凸部５８の一方の側面に当接することにより、回転側ストッパ部材５６のそれ以上の時計廻り方向への回転が阻止され、弁部１４の最大弁開位置が設定される。

これとは反対に、駆動ピン５５の反時計廻り方向の回転によって回転側ストッパ部材５６の可動側凸部６２の他方の側面が固定側ストッパ部材５７の固定側凸部５８の他方の側面に当接することにより、回転側ストッパ部材５６のそれ以上の反時計廻り方向への回転が阻止され、弁部１４の最大弁閉位置が設定される。

なお、図１、図７、及び、図８中引用符号Ａは送りねじ機構側の中心軸線、Ｂは弁体側の中心軸線をそれぞれ示す。

つぎに、上述の構成による電動弁の動作について説明する。ステッピングモータ３の回転軸５１の回転により、駆動ブロック部材５３が回転軸５１と一体的に回転する。駆動ブロック部材５３の回転は、ピン係合凹溝５４に係合している駆動ピン５５によって雌ねじ部材３３に伝達され、雌ねじ部材３３が回転軸５１の回転方向と同じ方向に回転する。

雌ねじ部材３３の回転により、雌ねじ部材３３とねじ係合して回り止めされている雄ねじ部材２５が軸線方向に移動する。これにより、雄ねじ部材２５と連結されている弁軸部材２１、ダイヤフラム弁１３が軸線方向に移動し、ダイヤフラム弁１３の弁部１４が軸線方向位置に応じて弁ポート９の実効開口面積を可変設定し、流量制御を行う。

この電動弁では、ダイヤフラム弁１３と一体連結されている弁軸部材２１が雄ねじ部材２５の中空孔２５Ａに所定の径方向間隙Δｔをおいて遊嵌合していて、雄ねじ部材２５に形成されている軸線方向に直交する径方向のスリット開口２８に径方向に所定の間隙（Ｗｂ−Ｗａ）をおいて係合している係合プレート３０によって雄ねじ部材２５と弁軸部材２１とが連結されているから、図８に示されているように、送りねじ機構側の中心軸線Ａと弁体側の中心軸線Ｂとが同一軸線上になく、芯ずれがあっても、係合プレート３０によって弁軸部材２１が径方向に平行移動可能となり、弁閉動作時に弁軸部材２１が中心軸線Ａと芯ずれしていれば、傾きを生じることなく径方向に平行移動し、芯ずれ補正が的確に行われる。

これにより、弁体側と送りねじ機構側とで芯ずれがあっても、傾きを生じることなく、弁部１４が弁ポート９（弁座面１０）に対して適正な姿勢で開閉移動することが保障され、高精度な流量制御を行えるようになり、半導体製造機器仕様の微流量制御でも要求精度を満たすことが可能になる。

この実施形態では、送りねじ機構側の中心軸線Ａは、専らボールベアリング２０によって雌ねじ部材３３が内部支持部材１８を介して弁ハウジング１、中間ハウジング２より支持されていることにより設定され、弁体側の中心軸線Ｂは弁軸部材２１が内部支持部材１８の軸ガイド部２３に嵌合していることにより設定される。

また、組み付け上、係合プレート３０が雄ねじ部材２５のスリット開口２８に軸線方向にも所定の間隙（Ｔａ−Ｔｂ）をおいて係合していても、圧縮コイルばね３２によって係合プレート３０がスリット開口２８の軸線方向の一方の側の対向端面２８Ａに押し付けられていることにより、軸線方向のがた付きが発生することが回避される。これにより、ばらつきのない高精度な流量制御が行われるようになる。

また、この実施形態では、ステッピングモータ３の回転軸５１と雌ねじ部材３３との連結が、回転軸５１に取り付けられた駆動ブロック部材５３のピン係合凹溝５４と雌ねじ部材３３の駆動ピン５５との係合によって滑りキー方式で行われるから、ステッピングモータ３の側の軸芯合わせと雌ねじ部材３３の側の軸芯合わせも切り離され、回転軸５１と雌ねじ部材３３との芯ずれも許容される。

しかも、ステッピングモータ３の回転軸５１と雌ねじ部材３３とが、スラスト荷重を切り離されてトルク伝達関係で連結され、ステッピングモータ３側のスラスト力が送りねじ機構部や弁体側に作用することがなく、ステッピングモータ３側のスラスト力が弁開位置に誤差として影響することが回避される。このことによっても、高精度な流量制御が行われるようになる。

この発明による電動弁の実施形態１を示す全体断面図である。 実施形態１による電動弁の回転動力伝達部分の分解斜視図である。 実施形態１による電動弁の要部の分解斜視図である。 実施形態１による電動弁の雄ねじ部材の斜視図である。 実施形態１による電動弁の係合プレートの斜視図である。 実施形態１による電動弁の内部支持部材の斜視図である。 実施形態１による電動弁の要部の拡大断面図である。 実施形態１による電動弁の要部の芯ずれ状態時の拡大断面図である。 図７の内部についての線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。

符号の説明

１ 弁ハウジング
２ 中間ハウジング
３ ステッピングモータ
４、５ ボルト
６ 入口ポート
７ 出口ポート
８ 弁室
９ 弁ポート
１０ 弁座面
１１、１２ 内部通路
１３ ダイヤフラム弁
１４ 弁部
１５ ダイヤフラム部
１６ Ｏリング
１７ 取付孔
１８ 内部取付部材
１９ ダイヤフラム部材
２０ ボールベアリング
２１ 弁軸部材
２２ ねじ部
２３ 軸ガイド部
２４ スリット状縦開口
２５ 雄ねじ部材
２６ 係合片
２７ 雄ねじ部
２８ スリット開口
２９ 脚片部
３０ 係合プレート
３１ ビス
３２ 圧縮コイルばね
３３ 雌ねじ部材
３４ 雌ねじ部
３５ ロックナット
５１ 回転軸
５２ 止めねじ
５３ 駆動ブロック部材
５４ ピン係合凹溝
５５ 駆動ピン
５６ 回転側ストッパ部材
５７ 固定側ストッパ部材
５８ 固定側凸部
５９ 円筒状内周部
６０ ねじ孔
６１ 止めねじ
６２ 可動側凸部

Claims (4)

1. 電動モータの回転軸の回転を軸線運動に変換する送りねじ機構を有し、前記送りねじ機構によって弁体が軸線移動し、前記弁体の軸線方向位置に応じて弁ハウジングに設けられている弁ポートの実効開口面積を可変設定し、流量制御を行う電動弁において、
   前記送りねじ機構は、電動モータの回転軸によって回転駆動される雌ねじ部材と、前記弁ハウジングの側に回り止め配置されて前記雌ねじ部材とねじ係合し前記雌ねじ部材の回転に応じて軸線方向移動する中空形状の雄ねじ部材とを有し、
   前記弁体には弁軸部材が固定され、前記弁軸部材が前記雄ねじ部材の中空部に所定の径方向間隙をおいて遊嵌合し、前記弁軸部材の先端部に固定装着されて当該先端部に平らなフランジ面を形成する係合プレートが前記雄ねじ部材に形成された軸線方向に直交する径方向のスリット開口に、径方向に所定の間隙をおいて係合し、
   前記雄ねじ部材と前記弁軸部材とが前記係合プレートによって径方向に相対変位可能に連結されている電動弁。
2. 前記係合プレートが前記雄ねじ部材の前記スリット開口に軸線方向にも所定の間隙をおいて係合し、前記係合プレートを前記スリット開口の軸線方向の一方の側の対向端面に押し付けるばね手段が設けられている請求項１記載の電動弁。
3. 前記スリット開口は前記雄ねじ部材の径方向の両側に対称に設けられ、前記係合プレートは、両脚片部を有するヨーク状の平面形状をなし、一方の側より両脚片部を前記雄ねじ部材の前記スリット開口に差し込まれ、前記雄ねじ部材の中空部内においてビスによって前記弁軸部材の先端部にねじ止めされている請求項１または２記載の電動弁。
4. 電動モータの回転軸と前記雌ねじ部材とが、滑りキー方式により、スラスト荷重を切り離されてトルク伝達関係で連結されている請求項１〜３の何れか１項記載の電動弁。

Images