JP2006292137A

JP2006292137A - 流量制御弁

Info

Publication number: JP2006292137A
Application number: JP2005116751A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Ito; 一寿伊藤; Masashi Yanagawa; 正史柳川
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-26
Also published as: KR20070114317A; WO2006112236A1; CN101160486A

Abstract

【課題】本発明は、流路抵抗を小さくして流体を流れやすくすることができ、流体の流れを安定させることができ、高速で正確な弁開度へ変更することができ、弁開および弁閉の動作の応答性を高くすることができ、寿命を長くすることができる流量制御弁を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、流路入口ポート１６と弁体２１と直線変換機構と流路出口ポート１７が直線上に配置される流量制御弁において、サーボモータ３１の回転駆動を伝達するボールねじナット２７と回転駆動を直線駆動に変換するボールねじ２３と直線駆動を伝達するスプラインが形成されるボールねじ主軸２６とを備える直線変換機構と、流路入口ポート１６および流路出口ポート１７の中心軸方向に平行移動するものであってボールねじ主軸２６と一体の弁体２１とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば真空の圧力などを制御する流量制御弁に関するものである。

背景技術として、特許文献１の発明として以下のような流量制御用バルブが存在する。
図４は特許文献１の発明の流路開閉バルブ１０１の断面図であり、弁閉状態を示している。この流路開閉バルブ１０１は、バルブハウジング１１１によりその外形が形成されており、バルブハウジング１１１には両端にフランジ部１１２，１１３を有し、このフランジ部１１２，１１３の間で流体流路１１４が形成されている。そして、図４に示す弁閉状態から駆動軸１１５をＬ方向に回転させると、バネ１１６の引張力により弁体１１７が弁座１１８から離れるように浮き上がる。そしてさらに、駆動軸１１５をＬ方向に回転させると、弁体１１７が連結点Ａを中心にして旋回し、図５に示すように、弁体円盤部１１９がパイプ部中心線軸１２０とほぼ重なる位置となり流路開閉バルブ１０１の弁開度が最大となる。

図６は特許文献２の発明の流量制御用バルブ２０１の断面図を示す。この流量制御用バルブ２０１では、バルブボディ２１１において流路ポート２１２、弁座２１３の穴２１４、弁室２１５、流路ポート２１２が連通されて流路２１６が形成されている。また、駆動系にはステッピングモータ２２１が配置され、このステッピングモータ２２１の回転駆動力は偏心カム２２２により直線方向の駆動力に変換され、弁体作動部材２２３を介して弁体２１７を制御することにより、弁開および弁閉の動作がなされる。

また、従来より存在するエアシリンダ式の直動弁では、弁開および弁閉の動作を行なうためにエアシリンダにより弁体に駆動力を与えている。
特開平１０−１９６８０６（第００３４，００３５段落、第１図）特開２００２−１６８３６１（第００１９，００２５段落、第１図）

しかし、特許文献１の流路開閉バルブ１０１では、第１リンク１２１、第２リンク１２２、第３リンク１２３を回動させることにより弁の開閉動作を行なうため、弁の開閉動作に時間を要すると共に、弁開度を正確に設定することができない。また、フランジ部１１２，１１３の間で形成される流体流路１１４に沿って流体が流れるが、弁体円盤部１１９の回転動作が流体の流れに逆らって行なわれるので、流体に滞留部などが生じて流体の流れが不安定になるおそれがある。

また、特許文献２の流量制御用バルブ２０１や従来から存在するエアシリンダ式の直動弁では、流路ポート２１２と流路ポート２１８の間の流路が直角状に形成されている。そのため、流体の滞留部分が生じやすく流路抵抗が高くなり流体が流れにくくなってしまう。

さらに、特許文献２の流量制御用バルブ２０１では、ステッピングモータ２２１の回転駆動力は偏心カム２２２により直線方向の駆動力に変換されている。しかし、駆動力の変換において偏心カム２２２の滑りが発生しやすいため正確な位置決めをするためには多くの時間を要してしまい、高速で正確に弁開度を可変することが難しい。また、ステッピングモータ２２１の取り付け部が大きくなり、流量制御弁が大きくなってしまう。

そして、従来から存在するエアシリンダ式の直動弁では、弁開および弁閉の動作を行なうためにエアシリンダにより弁体に駆動力を与えている。そのため、モータにより駆動する場合に比べて弁開および弁閉の動作の応答性が低くなってしまう。また、シリンダピストン部のシール部材が常時接触しながら作動しているので寿命が短くなってしまう。

ここで、半導体製造ラインなどで使用される真空チャンバに接続される真空制御弁について考える。半導体製造ラインなどで使用される真空チャンバに接続される真空制御弁においては、真空チャンバ内を確実に真空にするために真空制御弁内に流体の滞留部分を生じないことが望まれている。また、流路入口ポートに直結されるチャンバ内の圧力を高い応答性で正確に制御するために、真空制御弁は高速で正確に弁開度を可変することが望まれている。さらに、弁開閉動作の頻度の多さから、真空制御弁の耐久性を高くしてその寿命を長くすることが望まれている。

そこで本発明は、流路抵抗を小さくして流体を流れやすくすることができ、流体の流れを安定させることができ、高速で正確な弁開度へ変更することができ、弁開および弁閉の動作の応答性を高くすることができ、寿命を長くすることができる流量制御弁を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下のような特徴を有する。
（１）本発明は、第１ポートと弁体と直線変換機構と第２ポートが直線上に配置される流量制御弁において、サーボモータの回転駆動を伝達するナットと回転駆動を直線駆動に変換するボールねじと直線駆動を伝達するスプラインが形成される主軸とを備える直線変換機構と、第１ポートおよび第２ポートの中心軸方向に平行移動するものであって主軸と一体の弁体とを有することを特徴とする。

（２）本発明は、（１）に記載する流量制御弁において、略円筒形のカバー部の内周面側に配置される支持部材と、支持部材に取り付けられる略円筒形のブラケットと、ブラケットの内周面側に配置されるボールねじと、ボールねじの内周面側に配置される主軸と、ボールねじと反対側の主軸の端部に配置される弁体とを有することを特徴とする。

（３）本発明は、（１）または（２）に記載する流量制御弁において、略円筒形のカバー部の外周面側に配置されるサーボモータと、サーボモータと一体であって第２ポート側に配置される第１プーリと、ボールねじを構成するボールねじナットと一体であって第２ポート側に配置される第２プーリと、第１プーリと第２プーリとを繋げるタイミングベルトとを有することを特徴とする。

（４）本発明は、（１）乃至（３）に記載するいずれか一つの流量制御弁において、弁開状態から弁閉状態にするときにはモータの駆動力により弁体を弁座に押さえつけ、サーボモータのトルク値が所定値になった時点でサーボモータを停止させることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明は、以下のような作用・効果を有する。
（１）本発明は、第１ポートと弁体と直線変換機構と第２ポートが直線上に配置される流量制御弁において、サーボモータの回転駆動を伝達するナットと回転駆動を直線駆動に変換するボールねじと直線駆動を伝達するスプラインが形成される主軸とを備える直線変換機構と、第１ポートおよび第２ポートの中心軸方向に平行移動するものであって主軸と一体の弁体とを有するので、流路が直線状に形成されていることから流路抵抗を小さくして流体を流れやすくすることができ、弁体が流体の流れに平行に移動することから流体の流れを安定させることができ、内蔵されているエンコーダの信号によりサーボモータの駆動は正確に弁体に伝達されることから高速で正確な弁開度へ変更することができ、サーボモータの高速な駆動により弁開および弁閉の動作の応答性を高くすることができ、サーボモータの駆動はボールねじとスプラインが形成される主軸により弁体に伝達されることから駆動機構部の耐久性が高く寿命を長くすることができる効果が得られる。

（２）本発明は、（１）に記載する流量制御弁において、略円筒形のカバー部の内周面側に配置される支持部材と、支持部材に取り付けられる略円筒形のブラケットと、ブラケットの内周面側に配置されるボールねじと、ボールねじの内周面側に配置される主軸と、ボールねじと反対側の主軸の端部に配置される弁体とを有するので、（１）に記載する効果に加えて、各構成部品が流体の流れ方向に平行に配置されていることから流体の流れを安定させることができる。

（３）本発明は、（１）または（２）に記載する流量制御弁において、略円筒形のカバー部の外周面側に配置されるサーボモータと、サーボモータと一体であって第２ポート側に配置される第１プーリと、ボールねじを構成するボールねじナットと一体であって第２ポート側に配置される第２プーリと、第１プーリと第２プーリとを繋げるタイミングベルトとを有するので、（１）または（２）に記載する効果に加えて、サーボモータの取り付けをコンパクトにすることにより流体制御弁を小型化することができる。

（４）本発明は、（１）乃至（３）に記載するいずれか一つの流量制御弁において、弁開状態から弁閉状態にするときにはサーボモータの駆動力により弁体を弁座に押さえつけ、サーボモータのトルク値が所定値になった時点でサーボモータを停止させるので、（１）乃至（３）に記載する効果に加えて、シール部材に必要以上の負荷がかからず弁機構部の寿命を長くすることができる効果が得られる。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、流体制御弁のうち真空圧力制御弁について説明する。図１は、本発明の真空圧力制御弁１の断面図であって弁閉状態を示している。図１に示すように、真空圧力制御弁１は、フランジボディ１１や、略円筒形のカバー部としてのインラインボディ１２およびモータフランジ１３によりその外形が形成されている。インラインボディ１２の内周側には流路１４が形成されている。そして、モータフランジ１３の内周側にも図３のように流路１３ａが形成されている。ここで、図３は図１に示すＡ−Ａ断面図である。

真空圧力制御弁１の内部構成は、弁機構部と駆動機構部とに大きく分けることができる。弁機構部は、図１に示すように、流路入口ポート１６、流路出口ポート１７、弁体２１、ベローズ２２、ボールねじ２３、ホルダ２４、ボールねじ主軸２６、ボールねじナット２７、シール部材２８、弁座２９などから構成される。ボールねじ２３は略円筒形のブラケットであるホルダ２４の内周側に配置され、ホルダ２４は支持部材であるセンタフランジ３６のボルト穴３６ａにてボルトで結合されている。センタフランジ３６には図７のように流路３６ｂが形成され、インラインボディ１２とモータフランジ１３との間に挟まれて堅持されている。ボールねじ２３の内周面側にはボールねじ主軸２６が配置されている。弁体２１やホルダ２４と一体のベローズ２２は、ボールねじ主軸２６の外周を覆う形で配置されている。ベローズ２２は軸線１５方向に自由に伸縮でき、流路１４とボールねじ２３とを絶縁しており、真空で引かれたときであっても外気が流路１４に進入することがない。ボールねじ主軸２６におけるボールねじ２３と反対側の端部には弁体２１が結合されている。また、ボールねじ２３の流路出口ポート１７側に配置されるボールねじナット２７には、後で述べる大プーリ３３が結合されている。さらに、弁体２１の端部にはシール部材２８が配置される。このように、各構成部品は流路入口ポート１６と流路出口ポート１７との間を流体の流れ方向に平行に配置されている。

一方、駆動機構部は、図１に示すように、サーボモータ３１、タイミングベルト３２、大プーリ３３、小プーリ３４などにより構成されている。サーボモータ３１はインラインボディ１２およびモータフランジ１３の外周面側に配置されている。サーボモータ３１の流路出口ポート１７側には小プーリ３４が結合され、前記のように、ボールねじ２３の流路出口ポート１７側に配置されるボールねじナット２７には、大プーリ３３が結合されている。大プーリ３３と小プーリ３４はタイミングベルト３２で繋がれている。タイミングベルト３２が配置されるタイミングベルト引出口２５は、図３に示すような断面を有するモータフランジ１３により流路１４と隔離されている。なお、サーボモータ３１に内蔵されているエンコーダ３５の信号を演算することにより、弁体２１の位置を把握することが出来る。

このような構成を有する真空圧力制御弁１は、次のように作用する。図１の弁閉状態から弁開状態にする場合には、まずサーボモータ３１を回転させる。すると、タイミングベルト３２でつながれたボールねじナット２７が回転してボールねじ主軸２６が軸線１５方向に駆動機構部側へ平行移動する。そして、ボールねじ主軸２６と一体の弁体２１が弁座２９から離間する。そしてこのとき、弁体２１と弁座２９の距離を変化させることにより流路入口ポート１６の開口面積を調整することができる。これにより、流体の流量や圧力を変化させて調整することができ、結果的に流路入口ポート１６に直結されるチャンバ（不図示）内の圧力が制御される。

一方、弁開状態から弁閉状態にする場合は、サーボモータ３１を上記の場合とは反対方向に回転させる。すると、タイミングベルト３２でつながれたボールねじナット２７が上記の場合とは反対方向に回転して、ボールねじ主軸２６が軸線１５方向において上記の場合とは反対方向に移動する。そして、弁体２１を弁座２９に押さえつけ、サーボモータ３１のトルク値が所定の値になった時点でサーボモータ３１を停止する。このとき、サーボモータ３１としてブレーキ付きモータを使用することによって、サーボモータ３１によるトルク値は所定の値を保持することができる。また、ブレーキが付いていないモータを使用する場合であっても、サーボモータ３１から任意のトルク値を出力させることによって、サーボモータ３１によるトルク値は所定の値を保持することができる。なお、ここでいうサーボモータ３１によるトルク値の所定の値とは、任意に設定するものであって、流路入口ポート１６や流路１４内の真空度に対応しつつシール部材２８と弁座２９との間で必要なシール力を実現することができる値である。

このように、本発明の真空圧力制御弁１では、サーボモータ３１を駆動源としてボールねじナット２７を回転させて、ボールねじ２３を介してスプラインが形成されるボールねじ主軸２６を駆動することにより、弁開および弁閉動作を行なう。そのため、サーボモータ３１の高速な駆動により弁開および弁閉動作の応答性を高くすることができる。また、弁体２１の移動量はサーボモータ３１に内蔵されるエンコーダ３５により正確に調整できるので、弁開度を正確に設定することができる。従って、流路入口ポート１６に直結されるチャンバ（不図示）内の圧力を高い応答性で正確に制御することができる。さらに、サーボモータ３１の駆動の伝達機構として、ボールねじ２３やスプラインが形成されるボールねじ主軸２６などを使用して駆動トルクを最小限に抑えることができるので、弁機構部に余分な負荷がかからずその耐久性を高くすることができる。また、サーボモータ３１はインラインボディ１２およびモータフランジ１３の外周面側にコンパクトに配置されていることから、流量制御弁の小型化が図れる。

また、図１や図２に示すように、流路入口ポート１６と流路出口ポート１７は同一軸線上にあることから、流体の滞留部が少なくなり流路抵抗が小さくなって流体が流れやすくなる。また、弁体２１は流路入口ポート１６と流路出口ポート１７との間の同一軸線上を前後して動作するので、流体の流れの向きに沿って動作することになる。そのため、流体の流れを阻止することがなく流体の滞留部が生じないので、流体が流れやすくなる。さらに、弁機構部の各構成部品は流路入口ポート１６と流路出口ポート１７との間を流体の流れ方向に平行に配置されているので、弁開時においては流体は流路入口ポート１６から弁体２１の外周側を通り流路１４、センタフランジ３６の流路３６ｂ、モータフランジ１３の流路１３ａを経由してスムーズに流路出口ポート１７へと流れる。そのため、真空圧力制御弁１内は流体の滞留部が生じることがなく流体が流れやすくなる。このように流体が流れやすくなるため、弁開度と流量の関係が安定し、流路入口ポート１６に直結されるチャンバ（不図示）内の圧力を正確に制御することができ、確実に真空にすることもできる。

さらに、本発明の真空圧力制御弁１では、弁体２１の駆動はサーボモータ３１のみを駆動源として行なう。そのため、弁閉時において弁体２１からシール部材２８に加わるシール力はサーボモータ３１の駆動力のみとなる。そのため、シール部材２８に必要以上のシール力が加わらないので、長時間にわたって弁閉状態が続いた場合であってもシール部材２８が永久変形するおそれがない。従って、真空圧力制御弁１の耐久性を向上させることができる。

以上のような実施例により以下のような効果が得られる。
（１）本発明は、流路入口ポート１６と弁体２１と直線変換機構と流路出口ポート１７が直線上に配置される真空圧力制御弁において、サーボモータ３１の回転駆動を伝達するボールねじナット２７と回転駆動を直線駆動に変換するボールねじ２３と直線駆動を伝達するスプラインが形成されるボールねじ主軸２６とを備える直線変換機構と、流路入口ポート１６および流路出口ポート１７の中心軸方向に平行移動するものであってボールねじ主軸２６と一体の弁体２１とを有するので、流路が直線状に形成されていることから流路抵抗を小さくして流体を流れやすくすることができ、弁体２１が流体の流れに平行に移動することから流体の流れを安定させることができ、内蔵されているエンコーダ３５の信号によりサーボモータ３１の駆動は正確に弁体２１に伝達されることから高速で正確な弁開度へ変更することができ、サーボモータ３１の高速な駆動により弁開および弁閉の動作の応答性を高くすることができ、サーボモータ３１の駆動はボールねじ２３とスプラインが形成されるボールねじ主軸２６により弁体２１に伝達されることから駆動機構部の耐久性が高くなり寿命を長くすることができる効果が得られる。

（２）本発明は、（１）に記載する真空圧力制御弁において、略円筒形のインラインボディ１２、モータフランジ１３の内周面側に配置されるセンタフランジ３６と、センタフランジ３６に取り付けられる略円筒形のホルダ２４と、ホルダ２４の内周面側に配置されるボールねじ２３と、ボールねじ２３の内周面側に配置される主軸２６と、ボールねじ２３と反対側の主軸２６の端部に配置される弁体２１とを有するので、（１）に記載する効果に加えて、各構成部品が流体の流れに平行に配置されていることから流体の流れを安定させることができる。

（３）本発明は、（１）または（２）に記載する真空圧力制御弁において、略円筒形のインラインボディ１２、モータフランジ１３の外周面側に配置されるサーボモータ３１と、サーボモータ３１と一体であって流路出口ポート１７側に配置される小プーリ３４と、ボールねじ２３を構成するボールねじナット２７と一体であって流路出口ポート１７側に配置される大プーリ３３と、小プーリ３４と大プーリ３３とを繋げるタイミングベルト３２とを有するので、（１）または（２）に記載する効果に加えて、サーボモータ３１の取り付けをコンパクトにすることにより流体制御弁を小型化することができる。

（４）本発明は、（１）乃至（３）に記載する真空圧力制御弁において、弁開状態から弁閉状態にするときにはサーボモータ３１の駆動力により弁体２１を弁座２９に押さえつけ、サーボモータ３１のトルク値が所定値になった時点でサーボモータ３１を停止させるので、（１）に記載する効果に加えて、シール部材２８に必要以上の負荷がかからず弁機構部の寿命を長くすることができる効果が得られる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様
々な変更が可能である。本実施例では、真空圧力制御弁について説明したが、薬液制御弁や空気圧力制御弁などにも応用が可能である。また、本実施例では、サーボモータを使用したがステッピングモータを使用してもよい。さらに、本実施例では、タイミングベルトを使用したがギアトレインを使用してもよい。

本発明の真空圧力制御弁１の断面図（弁閉状態）である。本発明の真空圧力制御弁１の断面図（弁開状態）である。図１におけるＡ−Ａ断面図である。特許文献１の流路開閉バルブの断面図（弁閉状態）である。特許文献１の流路開閉バルブの断面図（弁開状態）である。特許文献２の流量制御用バルブの断面図である。本発明の真空圧力制御弁１におけるセンタフランジの外観図である。

符号の説明

１真空圧力制御弁
１１フランジボディ
１２インラインボディ
１３モータフランジ
２１弁体
２２ベローズ
２３ボールねじ
２４ホルダ
２６ボールねじ主軸
２７ボールねじナット
３１サーボモータ
３２タイミングベルト
３３大プーリ
３４小プーリ
３５エンコーダ

Claims

第１ポートと弁体と直線変換機構と第２ポートが直線上に配置される流量制御弁において、
サーボモータの回転駆動を伝達するナットと前記回転駆動を直線駆動に変換するボールねじと前記直線駆動を伝達するスプラインが形成される主軸とを備える直線変換機構と、
第１ポートおよび第２ポートの中心軸方向に平行移動するものであって前記主軸と一体の弁体と、
を有することを特徴とする流量制御弁。
請求項１に記載する流量制御弁において、
略円筒形のカバー部の内周面側に配置される支持部材と、前記支持部材に取り付けられる略円筒形のブラケットと、前記ブラケットの内周面側に配置される前記ボールねじと、前記ボールねじの内周面側に配置される前記主軸と、前記ボールねじと反対側の前記主軸の端部に配置される弁体とを有することを特徴とする流量制御弁。
請求項１または請求項２に記載する流量制御弁において、
略円筒形のカバー部の外周面側に配置されるサーボモータと、前記サーボモータと一体であって前記第２ポート側に配置される第１プーリと、前記ボールねじを構成するボールねじナットと一体であって前記第２ポート側に配置される第２プーリと、前記第１プーリと前記第２プーリとを繋げるタイミングベルトとを有することを特徴とする流量制御弁。
請求項１乃至請求項３に記載するいずれか一つの流量制御弁において、
弁開状態から弁閉状態にするときにはモータの駆動力により弁体を弁座に押さえつけ、前記サーボモータのトルク値が所定値になった時点で前記サーボモータを停止させることを特徴とする流量制御弁。