JP2014109314A - 流量制御バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体を制御でき、耐高頻度性、高耐久性を持ち、組立性、保守性、製造コストに優れ、弁の開閉動作検出を確実に行える流量制御バルブを提供すること。
【解決手段】入力ポート２０Ａ及び出力ポート２０Ｂに連通する弁室２０Ｄに弁座２０Ｃを設けたボディ２０と、弁座２０Ｃの上方に配設されて弁座２０Ｃと接離する弁体２１と、弁体２１を上下動させるロッド４１と、弁体２１の上下動を検出する光センサ５１と反射面６２Ｂを備えた流量制御バルブ１において、ロッド４１は、弾性部材４４Ａを介して連結されたピストン４４と、駆動用流体の取入れ孔４２Ｄと、一体的に連結されたバネ受け３２を有し、反射面はロッド４１の動きと連動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として半導体製造装置のガス供給系に使用され、弁開閉状態を検出するセンサを備えた流量制御バルブに関するものである。

従来より入力ポートと出力ポートに連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、弁座の上方に配設されて弁座と接離する弁体と、弁体を上下動させるロッド、バネ、ピストンで構成される流量制御バルブにおいて、リミットセンサや近接センサによりセンサとピストンの距離を測定し、弁の開閉状態を検出するものがある。

近年、半導体製造プロセスの多様化により、流量制御バルブは１０００万回を超える耐久性と耐熱性、及び周囲温度の変化に対応できることが必要になっている。これに対し従来のリミットセンサでは耐久性の点で不足である。また、近接センサは温度の変化で検出位置が変わるため温度変化に対応できない。そこで耐久性があり温度変化に対応できる光センサを使用する場合がある。
光センサは、発光素子から発射された光を反射面に当て、反射した光を受光素子で受け取り、光センサと反射面との距離の変化を反射光の変化で検出するものである。

特開２００５−３３７４８８号公報

ところが光センサ１０８を搭載し弁の開閉動作を検出しながら動作回数を重ねていくと開閉動作の誤検出が発生した。そして調査の結果、その原因は弁開閉駆動部の構造にあった。誤検出の直接的原因は光が反射するポイントである反射面１０５Ｃの移動による反射光の変化。また、光センサ１０８や反射面１０５Ｃの汚れによる変化である。反射ポイントの移動は、反射面１０５Ｃが設けられているピストン１０５が回転することにより起こる。反射面１０５Ｃはグリス付着やキズや加工時にバイトが走る方向などにより場所により均一ではないため、ポイントが移動すれば反射量が変化しセンサ誤作動の原因となる。図５に、従来の流量制御バルブ１００の断面を示し反射ポイントが移動する原因を説明する。

図５に示す流量制御バルブ１００は、弁１０１の繰り返し開閉動作のために、円筒バネ１０２の伸縮が繰り返されるとき、円筒バネ１０２の端面１０２Ａがねじれと戻りを繰り返す。円筒バネ１０２のねじれと戻りはバネ受け１０３を介してロッド１０４の回転と戻りとなる。バネ受け１０３とロッド１０４はねじ込みにより一体化しているため、ロッド１０４は弁開位置で若干角度回転し、弁閉位置で戻り、各々におけるロッド１０４の位置は常に同じである。ロッド１０４の繰返し回転と戻りは固定Ｏリング１０５Ａの摩擦抵抗を介してピストン１０５に伝わるが、ピストン１０５には摺動Ｏリング１０５Ｂと摺動面１０７Ａとの摩擦抵抗があるため、ピストン１０５は、ロッド１０４が回転し戻ったようには戻らない。このためロッド１０４の回転と戻りの繰返しがピストン１０５では微小な連続回転となって現れることになる。ここで、ピストン１０５に設けられた反射面１０５Ｃは場所によりグリス付着量のバラツキや傷や汚れにより反射の度合いが異なるため、ピストン１０５が回転し同じポイントで反射されなくなると誤検出の原因となる。

ここで例えば、ピストン１０５の動きとロッド１０４の微小動を一致させるために、ロッド１０４とピストン１０５を一体加工や接着により、弾性部材である固定Ｏリング１０５Ａを設けずに連結させる方法が考えられるが、固定Ｏリング１０５Ａにはシール機能の他に、軸芯ズレを弾性変形で吸収する機能があるため無くすことはできない。
詳しく説明すると、軸芯ズレは、ロッド１０４とピストン１０５と摺動面１０７Ａ間の加工バラツキにより発生することがあり、円筒バネ１０２の圧縮荷重は円周上で偏りがあるため荷重を受けたバネ受け１０３が傾きバネ受け１０３が傾けばロッド１０４が傾くことでも発生し、この軸芯ズレが吸収されないと、摺動Ｏリング１０５Ｂの潰し代が偏るため繰返し摺動により偏摩耗が発生し操作エア漏れが発生や、作動不良の原因となる。

また、受発光部や反射面の汚れについては、固定Ｏリング１０５Ａで発生した摺動摩耗粉の付着が主な原因である。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、高温流体を制御でき、耐高頻度性、高耐久性を持ち、組立性、保守性、製造コストに優れ、弁の開閉動作検出を確実に行える流量制御バルブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る流量制御バルブは、以下の構成を有する。
（１）入力ポート及び出力ポートに連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離する弁体と、前記弁体を上下動させるロッドと、前記弁体の上下動を検出する光センサと反射面を備えた流量制御バルブにおいて、前記ロッドは、弾性部材を介して連結されたピストンと、駆動用流体の取入れ孔と、一体的に連結されたバネ受けを有し、と、前記反射面は前記ロッドの動きと連動すること、を特徴とする。

（１）に記載された発明では、ピストンは弾性部材を介してロッド連結されているため、関連部品の軸ズレやロッドの傾き吸収でき、生産性と耐久性を向上させることができ、光センサと駆動用流体の取入れ孔が同じ面にあるため、組立性、保守性が良いという効果を維持しながら、反射面の回転移動を防いで、光センサが弁の開閉状態を正確に測定することができる。

（２）（１）に記載する流量制御バルブにおいて、前記反射面は前記ピストンと前記光センサとの間に設けられていること、を特徴とする。

（２）に記載された発明では、ピストンの摺動部で発生した摩耗粉が、反射面に堆積したり、光センサの受発光面方向に飛散し付着すること防止する。それにより光センサが弁の開閉状態を正確に測定することができる。

（３）（１）に記載する流量制御バルブにおいて、前記光センサはシリンダに固定されており、前記ピストン又は前記シリンダには前記弁体の上下動方向に伸びる凸部が設けられ、前記凸部の先端を、前記シリンダ又は前記ピストンの前記凸部よりわずかに大きい凹部に摺動可能に係合していることを、を特徴とする。

（３）に記載された発明では、ピストンの凸部がシリンダの凹部に係合されているため、ピストンは回転することがない。それにより光センサが弁の開閉状態を正確に測定することができる。

（４）（３）に記載する流量制御バルブにおいて、前記光センサは前記シリンダに固定されており、前記反射面は前記ピストンに設けられた前記凸部の先端に設けられ、前記反射面はシリンダに設けられた前記凹部にパッキンを介して係合されていること、を特徴とする。

（４）に記載された発明では、ピストンの凸部と反射面がシリンダの凹部にパッキンを介して係合されているため、ピストンは回転することがなく、ピストンの摺動部で発生した磨耗粉が反射面や発光面に付着することがない。それにより光センサが弁の開閉状態を正確に測定することができる。

本発明によれば、流量制御バルブにおいて、生産性、耐久性、保守性を従来のまま維持しながら光センサによる弁開閉検出機能の信頼性を上げることができる。

本発明の第一実施形態に係わる流量制御バルブの弁閉状態断面図である。 本発明の第一実施形態に係わる流量制御バルブの弁開状態断面図である。 本発明の第二実施形態に係わる流量制御バルブの部分断面図である。 本発明の第三実施形態に係わる流量制御バルブの部分断面図である。 従来技術による流量制御バルブ弁閉状態断面図である。

次に、本発明に係る流量制御バルブの一実施の形態について図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係わる流量制御バルブの弁閉状態断面図である。図２は本発明の第一実施形態に係わる流量制御バルブの弁開状態断面図である。

＜流量制御バルブの構成＞
図１に示す流量制御バルブ１は、ボディ部２とバネ駆動部３とピストン駆動部４とから成る。ボディ部２の、ボディ２０は弁室２０Ｄを有し、弁室２０Ｄに対して入力ポート２０Ａと出力ポート２０Ｂが連通している。また、弁室２０Ｄと入力ポート２０Ａとの間に弁孔２０Ｅと弁座２０Ｃが形成されている。弁座２０Ｃの上方には、中央が上方に膨出した金属で薄板状の弁体２１とその上方にはステム３１が配置され、ボディ２０の上部にねじ込み固定された第一連結部材３４により固定されたガイド３０がステム３１の周囲をガイドしている。

バネ駆動部３では、ステム３１の上方にバネ受け３２が配置され、円筒バネ３３が、バネ受け３２と第一連結部材３４とバネ押さえ３６とナット３５により圧縮状態で配置されている。バネ受け３２の中央ネジ部にはロッド４１がねじ込み固定されている。ピストン駆動部４では、バネ押さえ３６とシリンダ４２をねじ込みにより連結させる第二連結部材４０と、第二連結部材４０の中央の貫通穴に設けられた軸受け４０Ｂにロッド４１を通している。ロッド４１は第二連結部材４０を上方へ貫き駆動エアポート４２Ｄまで達している。第二連結部材４０の上端面とシリンダ４２の下方の段差部には中間プレート４５が固定されている。中間プレート４５にはロッド４１が摺動可能に嵌合されている。

ロッド４１の２箇所の段差部にはそれぞれ弾性部材である固定Ｏリング４３Ａ、４４Ａを介して第一ピストン４３と第二ピストン４４が、中間プレート４５を挟んで設けられている。第一ピストン４３は第二連結部材４０の上方にある凹部との間で摺動Ｏリング４３Ｂを介して摺動し、第二ピストン４４はシリンダ摺動面４２Ａとの間で摺動Ｏリング４４Ｂを介して摺動する。第二連結部材４０と第一ピストン４３とロッド４１と各部材間のＯリングにより第一圧力室４６が形成され、中間プレート４５と第二ピストン４４とロッド４１と各部材間のＯリングにより第二圧力室４７を形成している。シリンダ４２の上面中央には駆動エアポート４２Ｄが形成され、ロッド４１の上端面が挿入された凹部４２Ｅに連通している。ロッド４１には第一圧力室４６と第二圧力室４７と駆動エアポート４２Ｄを連通させるための貫通孔が設けられている。

各ピストンを挿んで各圧力室と反対側にはそれぞれ第一呼吸室４８と第二呼吸室４９が設けられ、大気との間に連通孔が設けられている。シリンダ上面４２Ｂの上面から第二呼吸室４９に向かって貫通ネジ孔が設けられ、光センサ５１が受発光面をピストン側に向けてねじ込まれている。第二ピストン４４と光センサ５１の間にはロッド４１からその軸に対し垂直方向円板状の鍔部４１Ｄには反射面４１Ｅが設けられている。第二ピストン４４は段差４１Ｆで位置決めされており鍔部４１Ｄとの間に隙間が設けられている。鍔部４１Ｄの外径はシリンダ４２の内径とほぼ同じで接触しない径である。

＜流量制御バルブの作用効果＞
図１により弁閉状態を説明する。流量制御バルブ１は圧縮された円筒バネ３３により、バネ受け３２、ステム３１を介して弁体２１を、弁座２０Ｃへ押圧している。これにより弁体２１と弁座２０Ｃ間は密着し流体の流れが止まる。図２により弁開状態を説明する。駆動エアポート４２Ｄに圧縮エアを送り込むと圧縮エアは軸芯流路４１Ａ、ロッド第一流路４１Ｂ、ロッド第二流路４１Ｃを通り第一圧力室４６と第二圧力室４７に流入し、その流体圧力が第一ピストン４３と第二ピストンを上方に押上げ、各ピストンと段差部で係合するロッド４１を上昇させ、バネ受け３２が円筒バネ３３の付勢力に抗しながら上昇する。下に向かう付勢力が無くなったことで、弁体は自身の復元力によりステム３１を押上げながら中央部が膨出し弁室２０Ｄと弁孔２０Ｅは接続される。

駆動エアポート４２Ｄは、シリンダ上面４２Ｂの中央に位置するため駆動部とボディ部のねじ込みによっても方向や位置が変わることがなく、常に一定方向へ向いており扱いやすい。
光センサ５１も駆動エアポート４２Ｄと同じシリンダ上面４２Ｂに設けられているため、光センサ５１の調整や交換、駆動エアポート４２Ｄへの配管作業及び配線、配管スペースが全て同じ方向に集中し作業性、設置性が良い。

弁閉と弁開を繰返した場合、円筒バネはセット時（弁閉時）と動作時（弁開時）との間で若干のねじれが生じる。すなわちセット時と動作時を繰り返すと円筒バネ３３の端面は、若干の回転と戻りを繰り返す。この回転と戻り動作は円筒バネ３３の端面と圧接しているバネ受け３２を介してロッド４１及び反射面４１Ｅに伝わる。弁閉時と弁開時では反射面は回転し、弁閉時と弁開時とで光センサの光を受けるポイントが移動することになるが、弁閉時の反射ポイントと弁開時の反射ポイントはそれぞれ移動がないため、反射ポイントの移動による光センサの誤検出は発生しない。

さらに、反射面４１Ｅを形成する鍔部４１Ｄが、第二ピストン４４の摺動Ｏリング４４Ｂと光センサ５１の間を遮るように設けられており、流量制御バルブ１は保守性が考慮され駆動部を上方に向ける水平か、またはロッド４１の動作方向が水平になるように設置されるため、発生した摩耗粉は第二ピストン４４と鍔部４１Ｄとの間に設けられた隙間に溜まるかもしくは、隙間に落ち、摺動Ｏリング４４Ｂの摺動により発生する摩耗粉が、反射面４１Ｅや受発光面５１Ａに到達することを抑制し、摩耗粉付着による光センサ５１の誤検出を防ぐことができる。さらに、鍔部４１Ｄと第二ピストン４４は段差４１Ｆでしか接していないため、第二ピストン４４が回転して鍔部４１Ｄと擦れて発生する摩耗粉を抑えることができる。

(第二実施形態)
図３に、本発明の第二実施形態に係わる流量制御バルブの部分断面図を示す。
ここでは、第一実施形態と相違している点を中心に説明するとともに、第一実施形態と共通している箇所には、図面に第一実施形態と同一符号を付し、その説明を便宜的に省略する。
第二実施形態は、第二ピストン６２の回り止めのためのピン６３が設けられ、反射面６２Ｂが第二ピストン６２の表面に設けられている点が、第一実施形態と相違している。ピン６３はピン圧入孔６２Ａに圧入固定されている。ピン６３はピン６３の外径とほぼ等しい内径をもつピン摺動孔６１Ａと摺動可能に係合されている。弁の開閉繰返しに伴うロッド６０の回転と戻りの繰返しにより第二ピストン６２には一方向へ回転する力が働くが、ピン６３によりその回転が防止される。第二ピストン６２は回転することがないため、反射面６２Ｂを第二ピストン６２の表面に設けることができる。

（第三実施形態）
図４に、本発明の第３実施形態に係わる流量制御バルブの部分断面図を示す。
ここでは、第一実施形態、第二実施形態と相違している点を中心に説明するとともに、第一実施形態、第二実施形態と共通している箇所には、図面に第一実施形態、第二実施形態と同一符号を付し、その説明を便宜的に省略する。
第三実施形態は、第二ピストン７２の回り止めと反射面７１Ａを形成する円筒状のセンサロッド７１が設けられている点が、第一実施形態と相違している。センサロッド７１は、圧入孔７２Ａに圧入固定されている。センサロッド７１はシリンダ７０のセンサ孔７０Ａに固定されているセンサロッドパッキン７０Ｂに摺動可能に係合されている。センサ孔７０Ａは呼吸孔により大気と連通されている。弁の開閉繰返しに伴うロッド６０の回転と戻りの繰返しにより第二ピストン７２には一方向へ回転する力が働くが、センサロッドパッキン７０Ｂがセンサロッド７１の回転を防止する。さらにセンサロッド７１の光センサと対向する面が反射面７１Ａとなっている。また摺動Ｏリング４４Ｂの摺動摩耗粉はセンサロッドパッキン７０Ｂにより遮られる。これらにより誤検出を防ぐことができる。

＜変形例＞
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で色々な応用が可能である。
例えば、第二ピストン４４の段差４１Ｆが無くても良い。第二ピストン４４と鍔部４１Ｄとの間に積極的には隙間は設けなくとも、第二ピストン４４と鍔部４１Ｄの境目付近に到達した摩耗粉は第二ピストン４４の回転により鍔部４１Ｄとの隙間へ入り込み、反射面４１Ｅ側へ到達することを抑制する。
例えば、鍔部４１Ｄのシリンダ摺動面４２Ａに面する側の端面形状は、面取りを大きめに設けることや第二ピストン４４側に向けた斜面であっても良い。発生した摩耗粉が面取り部や斜面に溜まり反射面４１Ｅ側へ到達することを抑制する。
例えば、ピン６３は第二ピストン６２から伸びる凸部であり、ピン摺動孔６１Ａは凹部であっても良く、凸部がシリンダ６１に設けられ凹部が第二ピストン６２に設けられていても良く、凸部と凹部がほぼ等しい形状であることで第二ピストン６２の回転を防止できる。
例えば、センサロッド７１は第二ピストン７２から伸びる凸部であり、センサ孔７０Ａは凹部であれば良く、凸部がセンサロッドパッキン７０Ｂに係合することで第二ピストン７２の回転を防止できる。

１，６，７ 流量制御バルブ
２０Ａ 入力ポート
２０Ｂ 出力ポート
２０Ｃ 弁座
２０Ｄ 弁室
２１ 弁体
３２ バネ受け
４１ ロッド
４２Ｄ 駆動エアポート
４４ 第二ピストン
４４Ａ 固定Ｏリング
５１ 光センサ
４１Ｅ，６２Ｂ，７１Ａ 反射面

Claims (4)

1. 入力ポート及び出力ポートに連通する弁室に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離する弁体と、前記弁体を上下動させるロッドと、前記弁体の上下動を検出する光センサと反射面を備えた流量制御バルブにおいて、
   前記ロッドは、弾性部材を介して連結されたピストンと、駆動用流体の取入れ孔と、一体的に連結されたバネ受けを有し、前記反射面は前記ロッドの動きと連動すること、を特徴とする流量制御バルブ。
2. 請求項１に記載する流量制御バルブにおいて、
   前記反射面は前記ピストンと前記光センサとの間に設けられていること、を特徴とする流量制御バルブ。
3. 請求項１に記載する流量制御バルブにおいて、
   前記光センサはシリンダに固定されており、前記ピストン又は前記シリンダには前記弁体の上下動方向に伸びる凸部が設けられ、前記凸部の先端を、前記シリンダ又は前記ピストンの前記凸部よりわずかに大きい凹部に摺動可能に係合していること、を特徴とする流量制御バルブ。
4. 請求項３に記載する流量制御バルブにおいて、
   前記光センサはシリンダに固定されており、前記反射面は前記ピストンに設けられた前記凸部の先端に設けられ、前記反射面はシリンダに設けられた前記凹部にパッキンを介して係合されていること、を特徴とする流量制御バルブ。
   

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