JP2016183749A - バルブ用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体が流れる場合にも耐性を発揮し、流体の封止に必要な推力と復帰動作とを確保しつつ、限られたスペースに集積化されて設置されたバルブに搭載できるコンパクトなバルブ用アクチュエータを提供する。【解決手段】ケーシング２内のピストン３と耐熱性のベローズ４で構成した密閉空間Ｓ内にエアを導入してピストン３の移動に伴って弁体３１開閉用のステム５をばね機構６に抗して移動させる。ピストン３の下部に作動体１１を設け、作動体１１の下面に中心に向かって傾斜する傾斜面４０を形成する。作動体１１の下面領域Ｕにカム１２を略均等に配置し、カム１２は、一端に傾斜面４０に転動する転動部４１、他端にステム５を移動させる作動部５２、カム１２を回動させる支点となる軸部５３からなる。転動部４１と軸部５３との間のカム部片５１をピストン３の移動方向に沿って略縦方向に向けて配置し、ピストン３が拡径するのを極力抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、半導体製造装置等の集積化された配管系に使用されるバルブに使用され、特に、高温流体が流れる管路で使用されるバルブに適したバルブ用アクチュエータに関する。

近年、半導体製造装置では、半導体素子の高機能化、小型化や高品質化などの要求に伴って、例えば、幅が狭く深さがあるウエハ表面に対して高アスペクト比を発揮して成膜するために、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）：原子層堆積と呼ばれる成膜技術が用いられることが多い。ＡＬＤによると、原子レベルの制御により極薄の成膜が可能にはなるが、チャンバーに供給される反応ガスの温度が２００℃を越え、場合によっては３００℃以上の高温に達することもある。

そのため、この種の配管系で用いられるバルブ用のアクチュエータでは、駆動部のシール部にフッ素ゴム系のＯリングを使用することが難しく、高温耐性を向上するために、金属材料のみで構成される蛇腹状のベローズを使用したピストン構造の駆動部が採用されることが多い。この場合、所定のスペースに集積化して設置したバルブの弁体を、流路と交差方向に往復動させて弁閉時に確実に弁座に密着させるためには、アクチュエータによりステムの推力を高める必要がある。このため、通常、集積バルブ用のアクチュエータには、推力拡大機構が内蔵されている。

推力拡大機構を有するアクチュエータとして、例えば、特許文献１の制御器や特許文献２のアクチュエータが開示されている。これらのアクチュエータでは、空気圧によりピストンを移動させ、このピストンの移動を複数のカムを介して推力を拡大しながら、スプリングに抗して弁体開閉用のステムに伝達するようになっている。
これらの場合、略水平方向に配置されたカムが、その中間付近でピンにより回動可能に支持され、このカムの外側端部がピストンの下面側に当接され、内側端部がステムの上部側に係合されている。ベローズに接続されたピストンが上下方向に往復動すると、この昇降動は、略水平方向に配置されたカムにより、てこの原理で増幅されてステムに伝達される。

特許第４３００３４５号公報 特許第３０６７９７７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２のアクチュエータにおいては、ピストンの動作を略水平方向に配置したカムを介して所定の推力まで拡大しているため、アクチュエータの直径方向に、力点となるピストンとローラとの当接位置から支点となるピンまでの距離を確保する必要が生じる。これを確保するためにはカムの全長が大きくなり、その結果、アクチュエータの直径が、例えば６０ｍｍを越える大きいサイズになることもある。そのため、このアクチュエータを、例えば集積用ブロックなどの限られたスペースに集積化されたバルブに搭載できない可能性がある。

これに対して、仮に、この構造のアクチュエータのベローズを小径化して全体の外径を小さくしようとすると、ピストンの有効面積も減ることでバルブの開閉動作に必要な推力が得られないおそれがある。この推力不足を補うためにはカム比を変えることが考えられるが、この場合、ピンからローラまでの距離が延長するために、結果的にアクチュエータが大径化することになる。さらに、カム比に反比例してピストン及びベローズを復帰させるためのスプリング力が減衰して伝達されるため、これらの復帰力が不足する可能性もある。
また、ピストンを小径化しつつ推力を補強するものとして、多段ピストン構造があるが、ベローズを設けるとその内径が狭くなるために、複雑な構造の多段ピストン構造をベローズ構造の内部に設けることは難しい。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、高温流体が流れる場合にも耐性を発揮し、流体の封止に必要な推力と復帰動作とを確保しつつ、限られたスペースに集積化されて設置されたバルブに搭載できるコンパクトなバルブ用アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ケーシング内に設けたピストンと耐熱性のベローズで構成した密閉空間内にエアを導入してピストンの移動に伴って弁体開閉用のステムをばね機構に抗して移動させるバルブ用アクチュエータであって、ピストンの下部にピストンと連動する作動体を設け、この作動体の下面には中心に向かって傾斜する傾斜面を形成すると共に、作動体の下面領域にカムを略均等に配置し、このカムは、一端には傾斜面に転動する転動部と、他端にはステムを移動させる作動部と、カムを回動させる支点となる軸部とからなり、カムの転動部と軸部との間のカム部片をピストンの移動方向に沿って略縦方向に向けて配置して、ピストンが拡径するのを極力抑制するようにしたバルブ用アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、傾斜面は、作動体の下面に均等に形成した転動溝の傾斜面としたバルブ用アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、作動体の上面中央位置に形成した嵌合部に、ピストンに設けた突条ガイド部を嵌合して推力方向をガイドしたバルブ用アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、ケーシングのカムの下部に軸部支承用のカムフランジを設け、このカムフランジの傾斜面との対向位置に軸部を嵌め込んで抜け出しを防止する固定溝を設けたバルブ用アクチュエータである。

請求項５に係る発明は、カムの軸部をカムフランジに回動自在に軸装し、このカムフランジをケーシング内に固定したバルブ用アクチュエータである。

請求項６に係る発明は、カムフランジと作動体との間に補助スプリングを介在させ、又はベローズの内部に補助スプリングを設けたバルブ用アクチュエータである。

請求項７に係る発明は、ステムの上部にピストンの底面に当接可能な当接部を設け、この当接部をピストンの下死点側でこのピストンに当接させてカムのケーシング側への回転動作を規制したバルブ用アクチュエータである。

請求項１に係る発明によると、ピストンと耐熱性のベローズによる密閉空間内にエアを導入してピストンの移動に伴ってステムをばね機構に抗して移動させるようにした構造により、全体を金属製で設けて高温流体が流れる場合にも優れた耐性を発揮できる。下面に傾斜面を有する作動体をピストンの下部に連動して設け、この作動体の下面領域に転動部、作動部、軸部を有するカムを略均等に配置し、このカムのカム部片をピストンの移動方向に沿って略縦方向に配置してピストンの拡径を極力抑制していることで、カムの軸部を中心とした回転動作を傾斜面を介してステムの昇降移動に高効率で変換しつつ、ピストンを小径化してアクチュエータの直径を抑えることが可能になる。これにより、流体の封止に必要な推力と確実な復帰動作とを確保しつつ、集積用ブロック等の限られた設置スペースに集積化されたバルブにもコンパクト性を維持しながら搭載できる。

請求項２に係る発明によると、作動体の下面に転動溝を均等に形成することにより、この転動溝によりバルブの開閉動作方向に各カムの動きを制限しつつ、これら複数のカムを転動溝を介して均等に動作させ、作動部から均等な力を加えてステムを上下移動できる。これにより、回転や軸振れを防止しながらステムをスムーズに動作させてバルブ制御を高精度におこなって弁閉時のシール性を確保できる。

請求項３に係る発明によると、作動体の嵌合部にピストンの突条ガイド部を嵌合して推力方向をガイドすることにより、作動体のずれや傾きを防止し、ピストンの昇降動作を正確に作動体に伝達できる。そのため、作動体を軸方向に移動させてカムを均等に動作させ、ステムをスムーズに移動して正確にバルブ制御できる。

請求項４に係る発明によると、カムフランジの固定溝にカムの軸部を嵌め込むことで、作動体の傾斜面の位置に対応させながら容易かつ正確に取付けでき、作動体とステムから荷重を受けて組立て後のカムの固定溝からの抜け出しを防止できる。

請求項５に係る発明によると、作動体の昇降動時には、その傾斜面に沿って転動部が転動してカムが軸部を中心に回転し、この回転を作動部からステムに伝達できる。カムフランジをケーシングに固定したことにより、軸装したカムの作動体に対する相対的な上下移動を防ぎ、作動体の昇降動に比例して正確にカムを動作させてバルブ操作できる。

請求項６に係る発明によると、エアの排気時に補助スプリングにより作動体をエア供給時とは逆方向に動作させ、確実に元の状態まで復帰させることができる。

請求項７に係る発明によると、当接部の下死点側でのピストンへの当接により、ピストンの過剰な下降を防ぎ、このピストンに連動する作動体によるケーシング側へのカムの回動を規制してこのカムのケーシングへの不用意な接触や衝突、ステムの必要以上の上昇を防止できる。

本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を示す縦断面図である。 図１のバルブ用アクチュエータの弁閉状態を示す断面図である。 作動体を示す一部省略斜視図である。 カムと作動体の装着状態を示す概略斜視図である。 カムの取付け状態を示す一部省略斜視図である。 （ａ）はカムの側面図である。（ｂ）はカムの正面図である。 カムフランジを示す斜視図である。 カムの取付け状態を示す一部省略斜視図である。 ベローズ位置と荷重との関係を示すグラフである。 図２の一部拡大断面図である。

以下に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明のバルブ用アクチュエータの弁開状態、図２においては、バルブ用アクチュエータの弁閉状態を示している。

図において、バルブ用アクチュエータ（以下、アクチュエータ本体１という）は、ケーシング２、ピストン３、ベローズ４、ステム５、ばね機構６を有し、バルブ１０の上部に搭載される。アクチュエータ本体１の内部には、作動体１１、カム１２、カムフランジ１３、補助スプリング１４が設けられる。

アクチュエータ本体１において、ケーシング２は、上部ケーシング１５と下部ケーシング１６とからなり、これらが螺着されて一体に設けられる。
上部ケーシング１５は、略円筒状に形成され、上部側に円板状のキャップ１７、ベローズ４、ピストン３が収納され、この上部ケーシング１５の下部側と下部ケーシング１６との間に、作動体１１、カム１２が挟み込まれるように収納される。上部ケーシング１５の内周中央付近には環状縮径部１８が形成され、この環状縮径部１８に作動体１１の上面が当接することで、作動体１１の上昇が所定の位置に規制される。上部ケーシング１５の内周下部付近には環状係止部１９が形成されている。

上部ケーシング１５の上端開口側には、螺着部２０を介してキャップ１７が取付けられる。キャップ１７には、ベローズ４を介してピストン３が溶接により一体に取付けられ、これらピストン３、ベローズ４、キャップ１７内には、密閉空間Ｓが設けられている。これにより、ユニット化されたピストン３、ベローズ４、キャップ１７が上部ケーシング１５に一体化されてケーシング２内に密閉空間Ｓが構成される。キャップ１７の中央には継手２１が設けられ、この継手２１に設けられた給排気孔２２を介して密閉空間Ｓ内にエアが給排気される。給排気孔２２には、図示しないチューブが接続され、このチューブ径は、例えば約φ３．１８ｍｍに設けられる。

下部ケーシング１６は、略円筒状に形成され、内部にスプリング２３、リテーナ部材２４を有するばね機構６が装着可能に設けられる。下部ケーシング１６（ケーシング２）の内部中央にはステム挿入用の貫通穴２５が形成され、この貫通穴２５に対して、ステム５が上下動可能に設けられる。

ピストン３は、略円板状に形成され、その中央には略円柱状の突条ガイド部３０が突設形成される。このピストン３は、図１において、給排気孔２２からのエアの導入によりケーシング２内を昇降動方向に移動し、この移動に伴ってステム５が連動し、ばね機構６に抗して、後述するバルブ１０のダイヤフラムからなる弁体３１を動作可能に下降するように設けられる。

ステム５の上部には、作動体１１をガイドするためのガイド軸５ａが設けられ、このガイド軸５ａの上部には、ピストン３の底面に当接可能な当接部２６が設けられる。当接部２６は、ピストン３の下死点側でこのピストン３に当接可能になっており、これにより、カム１２のケーシング２側への回転動作が規制される。ガイド軸５ａの下部には、カム１２を受けるためのフランジ部５ｂが十分な強度により形成され、さらにステム５の下部付近には、下部ケーシング１６に形成された当接面１６ａに当接可能な割リング３２が嵌め込みにより固着される。ステム５の底面には、例えば２５ｍｍのアール面５ｃが形成される。

ステム５は、ケーシング２内を昇降動可能に設けられ、このステム５のアール面５ｃ側には、後述するバルブ１０のダイヤフラムピース３３が配置され、このダイヤフラムピース３３の下部には、弁体３１、シート３４が配設される。ステム５は、弁体３１からの合成反力を受けて摺動して摩耗しやすいため、例えば、剛性の高いＳＵＳ４４０系の材料により形成され、図示しないが、表面には硬質クロムメッキが施されている。シートは、例えば、樹脂材料により形成されるが、後述のボデー７０と一体に成形されたメタルシートであってもよい。

図１、図２において、ばね機構６は、前述のスプリング２３、リテーナ部材２４、割リング３２を有し、これらは下部ケーシング１６内に装着される。スプリング２３には、使用する流体の圧力がダイヤフラム３１に掛かっている状態、かつ、エアの排気状態で、ダイヤフラム３１を押し下げてシールする力が必要になる。この力は、ダイヤフラム３１を流体が押し上げる力、ダイヤフラム３１がシート３４に弁座シールするときに必要な荷重、ダイヤフラム３１の反力、ベローズ４が真空時に発生させる膨張力、その他に想定されるロスを合成した反力よりも大きくなるように設定される。これらの合成反力は、例えば８２４Ｎになり、これ以上の力が発揮可能になるようにスプリング２３のセット時の荷重を１０１０Ｎ、たわみ時の荷重を１２６０Ｎに設定することが望ましく、このたわみ時の荷重１２６０Ｎがステム５を持ち上げるための力となる。

ばね機構６のうち、スプリング２３は、高荷重を発揮しつつコンパクト化するために、皿ばねにより設けられ、その材質は、例えば３００℃でも使用可能なＳＵＳ３０４−ＣＳＰからなり、へたりを考慮した上で形成される。皿ばねを設ける場合、例えば、マージンを＋１０％、へたり等による能力低下を仮に１００Ｎとすると、設計値としての合成反力は８２４Ｎ×１．１＋１００Ｎ≒１０１０Ｎとなり、この場合にはダイヤフラム（弁体３１）の開閉量が１．５ｍｍの範囲となる。
リテーナ部材２４は、皿ばね２３と割リング３２との間に設けられる。リテーナ部材２４を介して、皿ばね２３の弾発力が割リング３２によりステム５に伝達されてステム５が駆動される。

ベローズ４は、例えば、使用温度３００℃の耐熱性を有する金属材料により伸縮可能に設けられ、一般的な圧縮ばねと同様に、圧縮されたときに元の状態に戻ろうとする力を発揮可能に設けられる。この反力の大きさは、バネ定数と圧縮量により所定の値に適宜設定される。密閉空間Ｓ内にエアを給排気した場合、ベローズ４の伸縮によりピストン３がケーシング２内を移動する。その際、ベローズ４の外径がケーシング２の内径よりもやや小さく設けられていることで、ピストン３移動時のケーシング２内周への接触が防止されている。ベローズ４は、例えば、材質：ＡＭ３５０、外径：φ３２ｍｍ、内径φ１９ｍｍ、駆動長：３３〜４０ｍｍ（ストローク７ｍｍ）、ばね定数：８．２Ｎ／ｍｍ、発生荷重：圧縮時５７．４Ｎ〜セット時８Ｎ、有効面積：５．７３ｃｍ^２により設けられる。

前記したピストン３の下部には、このピストン３と連動する図３の作動体１１が設けられ、この作動体１１によりベローズ４で移動するピストン３の推力がカム１２に伝達され、このカム１２が開閉動作される。作動体１１の下面には、中心に向かって傾斜する傾斜面４０が形成され、この傾斜面４０に後述するカム１２の転動部４１が当接可能に設けられている。

傾斜面４０は、作動体１１の下面に均等に形成された転動溝３６の傾斜面として設けられ、３箇所に等間隔に配置される。傾斜面４０は転動部４１が転動可能に設けられ、この傾斜面４０の側部には側壁４２が形成される。これによって、転動部４１は、側面が側壁４２にガイドされつつ傾斜面４０を転動するため、作動体１１は、回転が抑制されつつ、カム１２の回転によりケーシング２内を昇降動する。側壁４２により、転動溝３６からの転動部４１の抜けも防がれる。

図２において、傾斜面４０の傾斜角度θを設定する場合、ベローズ４（作動体１１、ピストン３）の動作量Ｙ＞カム開閉量Ｘとし、その傾斜率を１より小とした場合には、図２から図１の状態まで作動体１１、ピストン３が下降してバルブ１０が開動作するときに、カム１２が回転しやすくなる。しかし、逆の動作である図１から図２のバルブ１０の閉動作のときには、傾斜率の逆数が働くことでカム１２が回転しにくくなり、さらに、ステム５の下降により作動体１１が上昇するときにはカム１２の倍率の逆数が作用することで、作動体１１、ピストン３がスムーズに上昇しにくくなる。

このため、ベローズの動作量Ｙ＜カム開閉量Ｘの関係となるように傾斜角度θを設定することが望ましく、本実施形態では、カム開閉量Ｘ÷ベローズ動作量Ｙである傾斜率を１．２（逆数０．８３）とし、傾斜面４０の傾斜角度θを５０．２７°に設定した。カム開閉量Ｘに対するベローズ動作量Ｙを、リニアの関係に近づけて傾斜角度θを設定することもでき、さらには、傾斜面を曲面状に形成すれば、よりリニアに近づけることもできる。

図３に示すように、傾斜面４０の間には、３箇所の有底穴４３が等間隔に形成され、各有底穴４３に、図４、図５に示すコイルスプリングからなる補助スプリング１４が位置決め状態で挿入可能に設けられる。図３において、作動体１１の適宜位置には、上下方向に貫通する貫通孔４４が形成され、この貫通孔４４によりケーシング２内の作動体１１の上下側の気圧差の発生を防ぎ、作動体１１の昇降動がスムーズとなる。

作動体１１の中心にはガイド軸５ａを挿入可能なガイド穴４５が設けられ、このガイド穴４５に嵌め込まれたガイド軸５ａ、及び上部ケーシング１５の内径面でそれぞれガイドされることにより、作動体１１の昇降動時の位置精度が高められる。
図１において、ガイド穴４５の上部の上面中央位置には円形凹状の嵌合部５０が形成され、この嵌合部５０に前述した突条ガイド部３０が嵌合されて、作動体１１の移動が推力方向にガイドされる。

図１、図４、図５に示すように、作動体１１の下面領域Ｕにはカム１２が略均等に配置される。図６（ａ）、図６（ｂ）において、カム１２は、略Ｌ字状のカム部材５１を有し、このカム部材５１の一端に前記傾斜面４０に転動する転動部４１、他端にはステム５を昇降方向に移動させるための作動部５２、これら転動部４１と作動部５２との間にはカム部材５１を転動させる支点となる軸部５３とがそれぞれローラにより設けられる。カム部材５１において、転動部４１と軸部５３との間には、長尺状のカム部片５４が形成されている。

このように、略Ｌ字状のカム１２は、図１において、転動部４１が作動体１１側、作動部５２、軸部５３が作動体１１よりも下方に位置するカムフランジ１３側にそれぞれ配置されるように取付けられ、転動部４１に作動体１１からの推力を受ける力点Ａ、軸部５３の中心に支点Ｂ、作動部５２からステム５に力が作用する作用点Ｃが設けられる。カム部片５４は、ピストン３の移動方向に沿って略縦方向に向けて配置され、ピストン３が拡径するのが極力抑制されている。

カム１２は、作動体１１の昇降動により、てこの原理でピストン３の推力を増幅してステム５に伝達する機能を有し、作動体１１の昇降動と反転する方向にステムが動作するように伝達される。すなわち、図１に示すように、ベローズ４が伸長しつつピストン３、作動体１１が下降したときには、カム１２を介してステム５が上昇し、一方、図２に示すように、ベローズ４が収縮しつつピストン３、作動体１１が上昇したときには、カム１２を介してステム５が下降する。

上記カム１２は、特に、摩耗と機械的ストレスにさらされる部品であるため、例えば、ローラ４１、５２、５３が、高強度で接触耐性の強いＣ１７２０Ｂ（ベリリウム銅）を材料として設けられ、カム部材５１が、強度の高いＳＵＳ４４０系を材料として設けられる。転動部４１、作動部５２、軸部５３は、本実施形態においては、カム倍率が４．７倍程度になるような位置関係に設定される。

カム１２の下部には、図５に示した軸部支承用のカムフランジ１３が設けられる。カムフランジ１３は、主にカム１２を保持し、上部の部品の土台として設けられる。このカムフランジ１３において、傾斜面４０との対向位置には固定溝６０が設けられ、この固定溝６０に軸部５３の両側が矢印に示すように嵌め込まれる。これにより、カム１２がカムフランジ１３に軸部５３で回動自在に軸装される。図８に示した軸部５３の嵌め込み後には、図１において、転動部４１に傾斜面４０が当接し、作動部５２がフランジ部５ｂに係合した状態で、作動体１１とステム５とによりカム５に上方側から荷重が加わるため、このカム５の抜け出しが防止される。
この場合、固定溝６０は、軸部５３が嵌め込まれ、カム１２が回転動作するときに上方向や横方向から強い荷重を受けるため、十分な強度を発揮するように設けられる。

図７に示すカムフランジ１３において、有底穴４３との対向位置には有底の保持穴６１が設けられ、この保持穴６１に図４、図５に示すように補助スプリング１４が載置され、カムフランジ１３と作動体１１の有底穴４３との間に位置決め状態で介在される。補助スプリング１４は３箇所に設けられ、図２のエアの排気状態において、この補助スプリング１４により作動体１１が水平保持されつつ押し上げられ、ベローズ４が収縮された状態になってこの状態が維持される。この場合、例えば、３つの補助スプリング１４のセット時の荷重の合計を１５Ｎ、たわみ時の荷重を２９．４Ｎとするとよい。
補助スプリング１４は、カムフランジ１３と作動体１１との間に装着される以外にも、ベローズ４の内部に設けられていてもよい。

カムフランジ１３の中心には、図７に示すようにステム挿入用の連通穴６２が設けられ、この連通穴６２によりステム５がガイドされて昇降動する。カムフランジ１３の外周には環状段部６３が形成され、この環状段部６３よりも下部には環状の載置面６４が設けられる。図１、図２に示すように、カムフランジ１３は、載置面６４が下部ケーシング１６上部の端面１６ｂに載置されつつ、環状段部６３がケーシング２の環状係止部１９に係合することで、上下に位置決めされつつケーシング２内に固定される。

ガイド軸５ａがガイド穴４５に挿入され、かつ、ステム５が連通穴６２に挿入されていることで、ステム５の動作が軸線上に維持される。これにより、前述したように軸部５３を固定溝６０に嵌め込むようにすれば、補助スプリング１４の両端部を保持穴６１、有底穴４３に固定する必要がなく、作動体１１とカムフランジ１３との回転を防止するガイド等をこれらに設ける必要もない。

続いて、前述した皿ばね２３と補助スプリング１４とを設けるときのばね力について説明する。
先ず、エアの排気時に、皿ばね２３によってベローズ４が復帰するかを確認する。ベローズ４を常に押し上げようとする復帰力をＦｒとすると、この復帰力Ｆｒは、皿ばね２３の余剰能力がカム１２と作動体１１とに伝達して影響を及ぼす力に関係し、次式で表される。
復帰力Ｆｒ＝（皿ばねの荷重−合成反力）×カム倍率×作動体の傾斜率
この復帰力Ｆｒは、弁閉状態であっても常にベローズ４に対して発生している荷重であり、補助スプリング１４が必要か否かの判断材料となる。

上記の式に対して、前述した皿ばねの荷重として、セット時（弁閉時）の荷重１０１０Ｎ又はたわみ時（弁開時）の荷重１２６０Ｎ、合成反力８２４Ｎ、セット時のカム倍率１／５．７７又はたわみ時のカム倍率１／４．７９、セット時の作動体１１の傾斜率１．３７×１．２又はたわみ時の作動体１１の傾斜率０．６×１．２をそれぞれ代入すると、図９に示したベローズ位置と荷重との関係を示すグラフにおいて、図２のベローズ４の上限位置７ｍｍ、すなわち弁閉状態では、復帰力Ｆｒ_ｕｐが最小となり、すなわち、
復帰力Ｆｒ_ｕｐ＝（１０１０−８２４）×（１／５．７７）×（１．３７×１．２）＝５３Ｎとなる。
一方、図１のベローズ４の下限位置０ｍｍ、すなわち弁開状態では、復帰力Ｆｒ_ｄｏｗｎが最大となり、すなわち、
復帰力Ｆｒ_ｄｏｗｎ＝（１２６０−８２４）×（１／４．７９）×（０．６×１．２）＝６５．５Ｎとなる。

上記の弁閉時又は弁開時における各フォロワ傾斜率は、図１において、傾斜面４０に対する支点Ｂから力点Ａまでの直線がなす角度をθｒとしたときに、この角度θｒの傾斜比率ｔａｎθｒを係数として乗したものである。図１の弁開時では、角度θｒ＝３０．９７°であるため、傾斜率ｔａｎθｒ＝ｔａｎ３０．９７°≒０．６とし、一方、図２の弁閉時では、角度θｒ＝５４．０７°であるため、傾斜率ｔａｎθｒ＝ｔａｎ５４．０７≒１．３８とした。なお、エア排気時には、カム１２から作動体１１に力が伝達され、エア給気時には、作動体１１からカム１２に力が伝達される。

図９においては、ベローズ４が０ｍｍから７ｍｍまでのストローク範囲で拡縮する場合の皿ばね２３による押し上げ力、ベローズ４が拡縮するときのベローズばね力、及びこれらの合成力をそれぞれ示している。

図９において、ベローズ４の上昇に伴って皿ばね２３の復帰力（押し上げ力）Ｆｒが小さくなると、この復帰力Ｆｒに反比例してベローズ抗力が大きくなる。一方、ベローズ４の下降に伴って皿ばね２３の押し上げ力Ｆｒが大きくなると、この押し上げ力Ｆｒに反比例してベローズ抗力が小さくなる。

図に示した押し上げ力とベローズ抗力の合成力の荷重において、正の側では押し上げ力がベローズ抗力よりも大きいことから、ベローズ４が皿ばね２３により持ち上げられ、負の側では押し上げ力がベローズ抗力よりも小さいことから、ベローズ４が有するばね力により下方に伸長しようとする力が大きくなる。

すなわち、グラフのエアの排気時に合成力がゼロとなる位置では、ベローズ４が下方に伸長しようとする力と下からの力が釣り合った状態になり、負の側ではベローズ４が完全に上昇できないことになる。これを防ぐために、補助スプリング１４のばね力を適正に調整する。

補助スプリング１４のセット時のばね力の荷重を設定する場合、ベローズ４の上昇状態をセット長さとし、このときに必要となる能力を必要最低荷重Ｆ３として、圧縮が大きくなったときにもこの荷重Ｆ３が大きくなり過ぎないように選定する。必要最低荷重Ｆ３は、次の式により表される。
必要最低荷重Ｆ３＝{（ベローズ上昇位置の反力）−（皿ばねの最小の復帰力Ｆｒ_ｕｐ）＋作動体他の重量}÷設置スプリングの本数＝｛（ばね定数８．２×７ｍｍ＋初期荷重８．１）−５３＋２｝÷３＝４．８Ｎとなり、１本当たり４．８Ｎの力を発揮する補助スプリング１４を３本使用すれば、この補助スプリング１４によりエアの排気時にベローズ４を所定位置まで上昇させることができる。

次いで、給排気孔２２からエアを供給する場合、このエア供給によりステム５を上昇させて弁開するときに必要な能力を検証する。
供給エア圧力を０．４ＭＰａとすると、弁開動作直後のステム上昇最小荷重Ｆ_ｍｉｎは、次の式により求められる。
ステム上昇最小荷重Ｆ_ｍｉｎ＝（ベローズ推力−抗力（補助スプリングのセット荷重））×弁閉時のカムの倍率×弁閉時の作動体の傾斜率
この式に、例えば、エア供給圧力０．４ＭＰａ時のベローズ推力２０２．８Ｎ、抗力５．０Ｎ×３、弁閉時のカムの倍率５．７７、弁閉時の作動体の傾斜率０．７２×０．８３を代入すると、
ステム上昇最小荷重Ｆ_ｍｉｎ＝（２０２．８−５．０×３）×５．７７×（０．７２×０．８３）≒６５０．７Ｎとなる。

一方、全開時のステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘは、次の式により求められる。
ステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘ＝（ベローズ推力−抗力（補助スプリングの合成たわみ荷重））×弁開時のカムの倍率×弁開時の作動体の傾斜率
この式に、例えば、エア供給圧力０．４ＭＰａ時のベローズ推力２０２．８Ｎ、抗力９．８Ｎ×３、弁閉時のカムの倍率４．７９、弁閉時の作動体の傾斜率１．６６×０．８３を代入すると、
ステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘ＝（２０２．８−９．８×３）×４．７９×（１．６６×０．８３）≒１１４４．４Ｎとなる。なお、何れの式の場合にも、作動体の傾斜率を、１／ｔａｎθｒ×０．８３とした。

上記のステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘ１１４４．４Ｎと、前述したたわみ時の合成反力の荷重１２６０Ｎとを比較した場合、合成反力の荷重のほうが大きくなっているため、エア給排気時のステム５の昇降動作が難しくなっている。

そこで、ステム５を確実に昇降動作させるために、必要なエア供給圧力を求める。表１においては、エア供給圧力０．４ＭＰａの場合と同様に、エア供給圧力０．５ＭＰａ、エア供給圧力０．７ＭＰａについて、ステム上昇最小荷重Ｆ_ｍｉｎ、ステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘをそれぞれ求めたものである。ベローズ推力は、ベローズ４の有効面積より算出した。表における抗力は、３つの補助スプリングのたわみ時の荷重の合計とする。

表１の結果より、エア供給圧力が０．５ＭＰａのときには、ステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘが１４７９．０Ｎとなり、この値がたわみ時の合成反力の荷重１２６０Ｎよりも大きくなる。このように、たわみ時の合成反力の荷重よりも、ステム上昇最大荷重Ｆ_ｍａｘが大きくなるようにエア供給圧力を設定すれば、確実にステムを上昇させて弁開動作させることができ、具体的には、エア供給圧力０．５ＭＰａ以上であれば弁開動作に支障がなく、スムーズにステムを上昇させることができる。

図１、図２において、上述したアクチュエータ本体１が搭載されるバルブ１０は集積ブロック７５に集積化されながら搭載される。バルブ１０のボデー７０内には、耐熱性を有するＳＵＳ３０４等のステンレス合金からなるダイヤフラムピース３３、金属製ダイヤフラムからなる弁体３１、この弁体３１がシールするポリイミド材料からなるシート３４が設けられ、これらによりダイヤフラム構造に設けられる。バルブ１０の上部側には、アクチュエータ本体１のケーシング２の下部に螺着可能な内ねじ、或は外ねじ方式の螺子部７１が設けられ、この螺子部７１のねじ込みにより図示しないシール部材を介してアクチュエータ本体１に接続される。ダイヤフラムピース３３は、耐熱性を有するポリイミド材料で形成されていたり、或は、例えば、下部をポリイミド材料、上部をＳＵＳ３０４とし、これら異種材料を組み合わせて形成されていてもよい。

アクチュエータ本体１のステム５が昇降動すると、ダイヤフラムピース３３を介して推力が弁体３１に伝達され、この弁体３１がシート３４（或はボデー７０とメタルシートが成形されている場合にはメタルシート）に接離してバルブ１０内の流路７２が開閉可能に設けられる。バルブ１０は、例えば、サイズ１／２インチ、使用温度３００℃、アクチュエータ直径（ベローズ内径）φ３８ｍｍ（内部有効面積５．７３ｃｍ^２）に接続可能に設けられ、使用圧力０．９８ＭＰａ、常温時のＣｖ値が０．６以上の性能で設けられる。

なお、上記実施形態におけるアクチュエータ本体１は、バルブ１０に搭載したときに、このバルブ１０が通常時（エアの非供給時）に弁閉状態となり、エアの供給時に弁開状態となる、いわゆるノーマルクローズタイプとしているが、通常時（エアの非供給時）に弁開状態となり、エア供給時に弁閉状態となるノーマルオープンタイプとして設けることもできる。

次いで、本発明のバルブ用アクチュエータの上記実施形態における動作並びに作用を述べる。
図２のバルブの弁閉状態において、給排気孔２２よりエアを供給すると、ピストン３、ベローズ４、キャップ１７により構成された密閉空間Ｓ内にエアが導入され、このエアの圧力によりベローズ４が図において下方に伸長し、ピストン３が下降する。このとき、ベローズ４の外径がケーシング内径よりも小さいことからケーシング２への接触を防止し、ピストン３がスムーズに動作するため、ベローズ４が傷付いたり破損したりするおそれもない。

ピストン３が下降すると、この下降により作動体１１が連動して一体に下降する。このとき、ピストン３の突条ガイド部３０が作動体１１の嵌合部５０に嵌合しているため、ピストン３により作動体１１を推力方向にガイドし、これらが上下方向に正確に芯出ししながら昇降動する。これにより、作動体１１の傾きを防ぎ、この作動体１１の各傾斜面４０を３つのカム１２の転動部４１にそれぞれ均等に当接させながら動作する。

図２において、作動体１１が下降すると、この作動体１１の下面に形成した転動溝３６の傾斜面４０に転動部４１がガイドされ、図１、図４（ａ）に示すように、転動部４１側が広がる方向にカム１２が軸部５３を中心に回転し、この軸部５３を中心に作動部５２も回転し、この作動部５２を介して、てこの原理により増幅された力をステム５に伝達できる。この場合、側壁４２で転動部４１をガイドすることで、カム１２が振れることなく傾斜面４０に沿ってスムーズに回転する。

図１０において、作動体１１に垂直方向の力Ｔが加わると、この力Ｔは、傾斜面４０から力点Ａにおいて角度αの方向でカム１２の一端の転動部４１に働く。このとき転動部４１に働く力は、Ｔｃｏｓαによって表され、この力Ｔｃｏｓαは、カムの力点Ａ´において支点Ｂである軸部５３を中心に回転半径Ｒによりトルクとして伝達される。これにより、カム１２は左回転し、このときのトルクＴｃｏｓα・Ｒは、作用点Ｃである他端の作動部５２からフランジ部５ｂに加わり、作動体１１が左回転することによりフランジ部５ｂを上方に押し上げてステム５が上方に移動する。

このように、カム１２を略Ｌ字形に形成し、このカム１２の転動部４１と軸部５３との間のカム部片５４をピストン３の移動方向に沿って略縦方向に向けて配置していることで、カム１２の力点Ａ、支点Ｂ、作用点Ｃを略縦方向に配置し、転動部４１の左右方向の移動量を少なくしてピストン３が拡径するのを極力抑制するようにしている。そのため、アクチュエータ本体１の直径をコンパクト化でき、例えば、φ３８ｍｍ程度の直径に抑えることで、限られたスペースの集積用のバルブ１０に搭載することも可能になる。

しかも、カム部片５４により力点Ａから支点Ｂまでの距離を確保していることで、回転半径Ｒを大きくして力Ｔｃｏｓαを大きいトルクに変換し、このトルクＴｃｏｓα・Ｒによりステム５の推力を拡大していることで、ベローズ４の有効面積の縮小によりベローズ推力が小さくなる場合でも、エア供給圧力を高く設定することなく、作動体１１、カム１２を介してステム５に十分な推力を伝達できる。このとき、上述したように作動体下面の傾斜面４０に転動部４１を転動させていることで、作動体１１の上下移動を狭い直径内でカム１２の回転運動に変換してステム５の推力に高効率で変換できる。

さらに、カム部片５１をより長く設けるようにすれば、同じアクチュエータ直径で回転半径Ｒをより長くしてカム１２の比率を大きくできるため、ステム５の推力を向上できる。一方、傾斜面４０をより急勾配に設けて傾斜角度θを小さくすることで、力Ｔｃｏｓαを作動体１１の移動方向の力Ｔの方向に近づけることができるため、ステム５の推力を向上できる。これらの回転半径Ｒ（力点Ａから支点Ｂまでの距離）、傾斜角度θの大きさに加えて、支点Ｂから作用点Ｃまでの距離を適宜設定することにより、エアの圧力によりステム５を上昇させて弁体３１を開状態にすることができる。

エア供給によりステム５が上昇する際には、図１の弁開時において、ピストン３の下死点側でこのピストン３にステム５の当接部２６が当接し、カム１２のケーシング２側への回転動作を規制することで弁体３１を最大開度状態に保持し、このときに、カム１２が過剰に回転してケーシング２の内周に接触したり衝突することを防止する。

図１の弁開状態から給排気孔２２よりエアを排気すると、上記の弁開動作とは逆の動作により、図２において皿ばね２３の弾発力でカム１２が支点Ｂを中心に右回転し、ステム５が下降して弁閉状態となり、図４（ｂ）に示すように、転動部４１が傾斜面４０を転動して作動体１１が上昇しようとする。この場合、エア供給時の推力を拡大するときの増幅力とは反比例する減衰された力がカム１２を介して作動体１１に伝わるため、この作動体１１を上昇させるための力が不足するおそれがある。

これを解消するために、カムフランジ１３と作動体１１との間に補助スプリング１４を介在させており、この補助スプリング１４の弾発力でカムフランジ１３、ピストン３を上昇させてベローズ４を所定の状態まで収縮できる。これにより、作動体１１を上昇させる際に生じるカム１２の減衰した力を補うために皿ばね２３のバネ定数を過剰に高く設定する必要もなく、効率の高いカム構造の設計をおこなうことができる。皿ばね２３の弾発力により弁閉時に作動体１１を所定の位置まで上昇可能であれば、補助スプリング１４をベローズ４の内部に設けることもできる。

１ アクチュエータ本体
２ ケーシング
３ ピストン
４ ベローズ
５ ステム
６ ばね機構
１０ バルブ
１１ 作動体
１２ カム
１３ カムフランジ
１４ 補助スプリング
２６ 当接部
３０ 突条ガイド部
３１ 弁体
３６ 転動溝
４０ 傾斜面
４１ 転動部
５０ 嵌合部
５１ カム部片
５２ 作動部
５３ 軸部
６０ 固定溝
Ｓ 密閉空間
Ｕ 下面領域

Claims (7)

1. ケーシング内に設けたピストンと耐熱性のベローズで構成した密閉空間内にエアを導入してピストンの移動に伴って弁体開閉用のステムをばね機構に抗して移動させるバルブ用アクチュエータであって、前記ピストンの下部にピストンと連動する作動体を設け、この作動体の下面には中心に向かって傾斜する傾斜面を形成すると共に、前記作動体の下面領域にカムを略均等に配置し、このカムは、一端には前記傾斜面に転動する転動部と、他端には前記ステムを移動させる作動部と、前記カムを回動させる支点となる軸部とからなり、前記カムの転動部と軸部との間のカム部片を前記ピストンの移動方向に沿って略縦方向に向けて配置して、前記ピストンが拡径するのを極力抑制するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
2. 前記傾斜面は、前記作動体の下面に均等に形成した転動溝の傾斜面とした請求項１に記載のバルブ用アクチュエータ。
3. 前記作動体の上面中央位置に形成した嵌合部に、前記ピストンに設けた突条ガイド部を嵌合して推力方向をガイドした請求項１又は２に記載のバルブ用アクチュエータ。
4. 前記ケーシングの前記カムの下部に前記軸部支承用のカムフランジを設け、このカムフランジの前記傾斜面との対向位置に前記軸部を嵌め込んで抜け出しを防止する固定溝を設けた請求項１乃至３の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
5. 前記カムの軸部を前記カムフランジに回動自在に軸装し、このカムフランジを前記ケーシング内に固定した請求項４に記載のバルブ用アクチュエータ。
6. 前記カムフランジと前記作動体との間に補助スプリングを介在させ、又は前記ベローズの内部に補助スプリングを設けた請求項５に記載のバルブ用アクチュエータ。
7. 前記ステムの上部に前記ピストンの底面に当接可能な当接部を設け、この当接部を前記ピストンの下死点側でこのピストンに当接させて前記カムの前記ケーシング側への回転動作を規制した請求項１乃至６の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。

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