JP2020008172A - 高温バルブ用小径アクチュエータと高温バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】倍力機構などの複雑な構造を用いることなく、かつ、Ｏリングなどによる摺動部位を一切排除すると共に、細径・小型化ながらも容易にエア室の多層構造により駆動力の確保・調整を可能とし、極めて良好な高速応答性と耐熱性、及び耐久性を発揮することができ、特にＡＬＤプロセスに極めて好適な高温バルブ用小径アクチュエータと高温バルブを提供する。【解決手段】ベローズ２７、２９とベローズフランジ１８、１９とを縦方向に多段状態に積層させ、このベローズとベローズフランジの中心をロッド１４で貫通させてベローズユニットを構成し、このベローズユニットを小円筒ケース１２に収納すると共に、各ベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮によりロッド１４を上下動させるようにした高温バルブ用小径アクチュエータ。【選択図】図２

Description

本発明は、高温バルブ用小径アクチュエータと高温バルブに関し、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition：原子層堆積法)プロセスの半導体製造装置に用いる流体制御弁への搭載に極めて好適な高温バルブ用小径アクチュエータと高温バルブに関する。

近年、半導体デバイスのデザインルールの微細化・高集積化やÅレベルの薄膜蒸着コントロールの更なる要求などから、薄膜成長プロセスとして、所謂ＡＬＤプロセスの需要の高まりが続いている。このＡＬＤプロセスでは、原子・ナノレベルで一層ずつ積み上げるようにして薄膜成長をコントロールするため、ガス供給ラインでは、異なる流体を極めて高速で切り替えてチャンバへの供給・排出サイクルを連続的に繰り返し、薄膜成長を原子層レベルでコントロールする必要があることから、ウェハ上に製品要求レベルの薄膜成長を得るために、通常１０００万回レベルのバルブ開閉寿命が必要となる。

よって、ＡＬＤプロセスで用いられるバルブやアクチュエータにも、従来想定されていたレベルを遥かに超えたレベルの使用回数に耐え得る高耐久性が必須となると共に、バルブ開閉のための高速応答性も必須となる。また、供給ガスは金属化合物からなる蒸気圧が極めて低い特殊な流体なので、ガスの安定供給のためには温度を通常約２００度に保つ必要があり、よって、バルブやアクチュエータには、少なくともこのレベル（好適には約２５０〜３００度）の温度環境下でも良好に機能を発揮できる耐高温性も必須となる。

一方で、近年は半導体素子には益々微細化・高集積化が要求されると共に、半導体製造プロセスの多様化も著しく進展し、製造プロセスに使用される各種のプロセスガスも、個々の用途に応じて多様化や高温・高圧化を伴うほか、特に、シリコンウェハや液晶パネル、或は生産システムの大型化や、特別なガス供給方式への変更なども生じている。これらは、少なくとも供給ガスの流量や多種のガス切り換え・制御を必要とし、よって、少なくともバルブの大型化や設置数の増加など、全体の設置面積の増加、ひいては半導体製造設備の更なる大型化に繋がる需要が依然として継続している。特に、半導体製造装置は通常、半導体素子などの高度な精密機器を高品質に製造するため、少なくともバルブやアクチュエータから成るガス供給系は、クリーンルーム内に全て収容されるが、このクリーンルームにおいても、容積に応じて増大する初期設備費のほか、維持管理や常時運転のためのランニングコストが必要であり生産設備費として大きな負担となる。

このような状況下においては、半導体製造装置のバルブやアクチュエータは、たとえ僅かでもこれらを大型化すれば、多数の設置数に伴ってこれらの占有スペースも増大し、装置全体を集積化すべき基本的な要求も損なわれると共に、ガス供給系全体の占有スペースの最適化も損なわれ、これを収容するクリーンルームの容積も大型化が不可避となり、半導体製造設備費の増大をもたらし、ひいては半導体製品の製造コストが悪化する問題が生じる。したがって、少なくともバルブやアクチュエータは、その性能を維持又は更に向上させつつ、それに反して、限りなく小型化、すなわち用途に応じて限りなく無駄を生じない容積・構成に最適設計されなければならない。

これに対して、半導体製造装置におけるガス供給系の制御弁等としては通常、所謂ダイレクトタッチ型のダイヤフラムバルブの使用場面が多く、このバルブには、自動制御等のため、クリーン性やコスト性等に優れるエアオペレイト式のアクチュエータが搭載されることが多い。このようなバルブやアクチュエータは、デッドスペースを生じないように可能な限りコンパクト化されているのが通常であり、一般的な集積化ガスシステムでは、バルブボデーは他の機器類と共に継手を有さないコンパクトなベースブロックに組み込まれて集積化されている。近年では例えば、流路径が数ミリ程度であり、かつ１辺が３ｃｍ程度の直方体形状に収まる程度まで著しくコンパクト化されたフットプリント内に、矩形状に集積化されたバルブボデーが用いられる。

このようなエアオペレイト式のアクチュエータの基本性能はピストン（ロッド）を昇降させる駆動力であり、具体的には、バネなど所定の弾発部材によるダイヤフラム弁体の弾発力や、この弾発力に反して供給エアによって膨張・収縮するエア室のエア圧である。また、上記のようなフットプリント領域が個々のアクチュエータの占有スペースとして割り当てられ、その領域内に収まるようにコンパクト、かつ、取扱性・メンテナンス性よく集積化させるため、ベースブロック上部に所定の接続部を介して着脱自在に取り付けられ、細径円柱形状の外観を呈した構造が多用されている。

ただし、実際には、アクチュエータのサイズ・占有スペースの小型化の要求は、基本的には幅方向を決めるフットプリント面積に対する制限であり、高さ方向には比較的制限が緩い場合も多い。このため、アクチュエータ容積の幅方向サイズを更に減少させる必要がある一方で、高さ方向サイズは、維持するか、又はある程度増加させてもよい場合も多い。よって、アクチュエータを更に細径化させつつ高さを維持乃至やや増加させて構成することにより、フットプリントの小型化と共に、この小型化で損なわれ得る駆動力の確保（維持又は増大）を図ることができる。

この場合、基本的には２つの手段・方向性が考えられる。その１つは、エア室やこれに応じた弾発部材の数を増加させることで、必要な駆動力を確保する手段であり、この場合は通常、エア室の数（弾発付勢するピストンの数）を高さ方向へ増加させたことによりピストンも多段化された多段ピストン構造となる。この種の従来技術の１つとして特許文献１がある。

特許文献１は、多段ピストン構造に関する従来技術の一例であり、具体的には、弁体を駆動させると共に復帰バネに付勢された１つの弁体ピストンの上部には、同軸上に複数の駆動ピストンが多段状に積層されて構成されており、特に弁体ピストンを付勢する復帰バネの導入により、ピストンの高速応答性の確保が図られているが、少なくとも、これら弁体ピストンや駆動ピストンとの間、或はこれらと内装部品との間には、複数のゴム製Ｏリングが介装されているから、例えばＡＬＤプロセスに同文献のアクチュエータを用いた場合、これらのＯリングは高温環境下で各ピストンの昇降動に伴い部材間を高速で長期間・多数回の摺動をすることになる。

もう１つは、占有容積を維持又はより小型化しながら、弾発するバネ部材の変更など、より強力な駆動力を有する何らかの構造へと駆動源を変更する手段であり、この場合、所定構造のカムを備えることでアクチュエータ駆動力を適切に増幅可能とした倍力機構の導入が代表的である。この種の従来技術の１つに特許文献２がある。

特許文献２は、高さ方向へ必要な機能を集約させる一方で、幅方向へのサイズをコンパクトに収めるようにした倍力機構を導入しており、具体的には、一端に傾斜面に転動する転動部、他端にステムを移動させる作動部を有しており、軸部を中心に回動する複数のカムがアクチュエータに内蔵されている。

これらのカムは、ピストンの移動方向に沿って略縦方向に向けて支点に軸着されており、幅方向への拡径を極力抑制している。同文献では、細径ながらも強力な弾発力を発揮する皿バネの導入により大きな弁閉力を確保する一方、ベローズへのエア供給による弁開力を、このカムによって倍力するものであり、作動体下面の傾斜面とカムの転動部との力点作用に応じてカムが回動して作動部が作用点を介してステムを昇降動させている。

また、同文献の倍力機構は、ベローズのエア駆動力（弁開力）を増幅させるものであるが、弾発部材による弁閉力を、例えばカムにおける梃子の原理を介して増幅する従来技術の提案も多く、何れにせよ、アクチュエータの小型化に伴う駆動力の低下を補うため、所定の倍力機構が内蔵されたアクチュエータに関する従来技術の提案は多数存在する。

さらに、別の構造として、特許文献３に示されるような、所謂ベローズアクチュエータ構造が存在する。同文献では、ピストンと仕切板との間に、２重構造のベローズが設けられており、この２重ベローズ間の内部空間に流路を介して駆動用ガスを給排させることにより、コイルスプリングに弾発状態となっているピストンを昇降動させて弁頭を弁座に対して開閉させている。同文献のロッドは仕切板中央の貫通孔に嵌設されたスリーブを挿通しているので、ピストンの昇降動に伴い、このスリーブとロッドとが摺動する構造となっている。

さらに、別の構造として、特許文献４に示されるような、所謂多段ダイヤフラムアクチュエータ構造も知られている。同文献では、従来構造の課題、すなわち３５０度程度の高温などにおいては、ピストンに用いられているＯリングの粘着性が高まって脆くなるなどの課題に対し、少なくとも可変するエア室容積をダイヤフラムで区画することにより、Ｏリングのようなダイナミックシール部位を排除すると共に、エア室も高さ方向へ適宜多段化できる構造が提案されている。

特開２０１８−８４２７２号公報 特開２０１６−１８３７４９号公報 実開平６−３７６７０号公報 米国特許登録第９４７６５１６号公報

しかしながら、特許文献１、あるいは、この種の多段ピストン構造のアクチュエータは、原理的には、バルブやアクチュエータの使用に応じてピストンに装着された多数のＯリングが摺動するので、少なくとも摺動時の摩擦力の分、このＯリングと共に摺動するピストンの昇降動性、ひいてはバルブの開閉応答性が損なわれることになると共に、Ｏリングが多数存在するので、その効果も増幅され易い。

また、高温環境下では、ゴム製Ｏリングの変質や減耗、或は固着現象も生じやすいため、シール性を維持したままの良好な摺動性・高速応答性も損なわれ易く、特にグリースなどが塗布されて長時間静止状態となった後には、グリースが固着してしまう虞もあり、よって、長期間の耐久性にも問題がある。

特に、ＡＬＤプロセスに用いた場合には、上記のように高温環境に対する耐熱性に加え、この環境下における高速応答性や耐久性にも高い水準が要求されるので、ピストンに複数のＯリングを用いることが不可避となる構造が採られた同文献のアクチュエータ、或は従来のこの種の多段ピストン構造では、少なくともピストンの運動特性に原理的な問題を抱えており、十分な信頼性をもって使用することはできないと言わざるを得ない。

特許文献２のアクチュエータには、コンパクト化に伴いエア室容積の減少によって弱まったエア推力を補うため、ベローズからの推力を倍力機構であるカムを介してステムに伝達する構造であるから、原理的には、このカムが介在する分、エア推力伝達の遅れが生じ、バルブの開閉応答性が十分に発揮されない虞もある。また、作動体など、カムと作用する部材との間の摩耗も不可避であるから、倍力バランスが崩れてバルブ性能の劣化に繋がる虞もあり、また、このような摩耗により部材の耐久性も損なわれ易い構造と言える。さらに一般的には、倍力機構は複雑な構造であるから、生産性やメンテナンスなどに要されるコストも多く、また、コンパクトなアクチュエータ本体内に内蔵して適切に機能させるためには、高精度な部品寸法や配置・組み立てなども必要である。

一方で、特許文献３のようなベローズアクチュエータ構造では、先ず、ベローズ内部空間へ駆動用ガスを供給する流路（供給手段）構造は、アクチュエータ本体の内外を水平方向に連通した構造なので、本体をフットプリント領域内にコンパクトに構成することが不可能であり、また、エア室（ピストン）はただ１つだけの構造であるから、本体の細径化やコンパクト化の要求には全く対応できない。さらに同文献は、基本的に上記のようなＡＬＤプロセスが考慮されていないから、アクチュエータ本体に必要とされる耐高温性などへの対策も全く知得できない。特に、前述したように、ロッドがスリーブに摺動するが、このような摺動部位はたとえ一か所でも存在すれば、多数回の高速応答性や高耐久性に大きな欠点であって、とりわけＡＬＤプロセスに用いた場合には致命的な欠陥となる。

また、特許文献４のような多段ベローズアクチュエータ構造では、その構造の詳細に依らず、ピストンと連動するダイヤフラムによってエア室容積が画定される原理からすれば、十分な駆動力の確保のために、十分に大きなエア室容積を確保しようとした場合、一つのダイヤフラム（一つのエア室）における高さ方向への膨出変形形状には制約が大きいため、アクチュエータ本体の高さ方向への容積増加は実質不可能であり、少なくとも横方向にサイズが大型化することが避けられない構造と言える。実際、同文献の図面においては、エア室容積の内径は、ステムの外径に対して約１０倍程度に設けられたアクチュエータが開示されている。

よって、同文献のような構造では、上述のようなフットプリント領域内においてサイズをコンパクト化しなければならない課題に十分に対応できない。なお、横方向への大型化の代わりに、エア室を多数積層させることでも確保できるとも考えられるが、アクチュエータの作動性や生産性などの観点から、このような多層化にも実質的には限界があり、例えばエア室が１０段以上の構造は現実的ではない。実際、同文献の図面には、最大で３段までの多層構造が示されているに過ぎない。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、倍力機構などの複雑な構造を用いることなく、かつ、Ｏリングなどによる摺動部位を一切排除すると共に、細径・小型化されながらも容易にエア室の多層構造により駆動力の確保・調整を可能とし、極めて良好な高速応答性と耐熱性、及び耐久性を発揮することができ、特にＡＬＤプロセスに極めて好適な高温バルブ用小径アクチュエータと高温バルブ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、ベローズとベローズフランジとを縦方向に多段状態に積層させ、このベローズとベローズフランジの中心をロッドで貫通させてベローズユニットを構成し、このベローズユニットを小円筒ケースに収納すると共に、各ベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮によりロッドを上下動させるようにした高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、ベローズのエア室内は、小円筒ケースに収納可能な大きさの大径ベローズの内側空間であり、この内側空間内とロッドのエア流路とを連通部を介して連通させた高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、ベローズフランジは、ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと、ベローズの他側とロッドに密封状態に固定した可動フランジと、から成り、連通部は、ロッドに開けた連通穴である高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、固定フランジと可動フランジとの間に伸縮構造の小径ベローズを設けた高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項５に係る発明は、ベローズのエア室内は、外部ベローズの中に内部ベローズを同軸上に配置させて構成された内外ベローズ空間であり、この内外ベローズ空間内とロッドに設けたエア流路とを連通部を介して連通させた高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項６に係る発明は、ベローズフランジは、内外ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと内外ベローズの他側とロッドに密封状態で固定した可動フランジから成り、連通部は、可動フランジに設けた連通路である高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項７に係る発明は、可動フランジの上昇を制限するストッパを固定フランジ側に設けた高温バルブ用小径アクチュエータである。

請求項８に係る発明は、高温バルブ用小径アクチュエータをバルブ本体に搭載した高温バルブである。

請求項１に記載の発明によると、ベローズとベローズフランジとを縦方向に多段状態に積層させ、これらの中心をロッドで貫通させてベローズユニットを構成し、このベローズユニットを小円筒ケースに収納し、各ベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮によりロッドを上下動させるようにしたから、ピストンにおけるＯリングなど、動作に伴って部材間を摺動する部位を排除しながらも、縦方向にエア室を多段状態に積層させたアクチュエータ構造を実現できる。

よって、オールメタル構造など、少なくとも３００度程度の高温に十分に耐え得る材料のみでアクチュエータを構成することができ、特にＡＬＤプロセス用などとして極めて良好な耐高温性を備えることができる。また、縦方向に向けて多段状態に積層させることで容易にエア室の増減が可能となり、よって、横方向へのアクチュエータの大型化を回避した駆動力の増幅・調整が可能となり、少なくとも、限られたフットプリント内においてコンパクト性を保ったまま容易に必要な駆動力の確保・調整が可能となる。

さらに、従来の多段ピストン構造のような、多数のＯリングから成る摺動部位が一切存在せず、本発明におけるエア室の膨張収縮は、ベローズの収縮に伴うものであるから、部材の摩擦や摩耗が生じることがなく、また、Ｏリングの劣化や固着なども生じることがない。よって、特にＡＬＤプロセス用などとして極めて良好な高速応答性を実現できると共に、極めて多数回の作動にも耐え得る良好な耐久性も備えることができる。しかも、ベローズの自然収縮力を、エア室の膨張・収縮動作に利用できるから、少なくともアクチュエータの高速応答性にさらに有利な構造となっている。

請求項２に記載の発明によると、ベローズのエア室内は、小円筒ケースに収納可能な大きさの大径ベローズの内側空間であるから、本体内のスペースを無駄にすることなくエア室１つ当たりの容積を最大限に確保できると共に、ベローズを大径に形成したことにより、エア室の膨張収縮性、すなわちアクチュエータの作動性も良好となる。また、この内側空間内とロッドのエア流路とを連通部を介して連通させたので、エア流路は本体軸心方向のロッド内に、スペースの無駄なく極めてコンパクトに本体内に収めることができ、よって、筐体外周側に突出するなど、エア流路の構成によってアクチュエータ本体の小型化、或はコンパクト性が損なわれることがない。

請求項３に記載の発明によると、ベローズフランジは、ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと、ベローズの他側とロッドに密封状態に固定した可動フランジと、から成り、連通部は、ロッドに開けた連通穴であるから、ロッドの一部を外部シールする１重のベローズにて、簡易にエア室を構成できると共に、アクチュエータの作動性も良好となる。

請求項４に記載の発明によると、固定フランジと可動フランジとの間に伸縮構造の小径ベローズを設けたから、ベローズ内のエア室のシール性、特に固定フランジにおけるロッド軸装部位からのエア漏れを、小径ベローズによって確実に防止でき、よって、良好なアクチュエータの作動性も担保される。

請求項５に記載の発明によると、ベローズは、外部ベローズの中に内部ベローズを同軸上に配置させて構成され、ベローズのエア室内は、内外ベローズの空間であり、このエア室内とロッドに設けたエア流路とを連通部を介して連通させたから、内外の２重ベローズによって、少なくともベローズ内のエア室のシール性を確実に担保できる。また、１重ベローズの場合に比して、ベローズ特性のエア室膨張収縮性への寄与、すなわちアクチュエータ作動性への寄与を増大させ得る。

請求項６に記載の発明によると、ベローズフランジは、内外ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと、内外ベローズの他側とロッドに密封状態で固定した可動フランジと、から成り、連通部は、可動フランジに設けた連通路であるから、内外２重ベローズで区画された環状空間のエア室内に、可動フランジ側からエアを給排することができ、よって、可動フランジの作動性、すなわちアクチュエータの作動性の向上に寄与できる。

請求項７に記載の発明によると、可動フランジの上昇を制限するストッパを固定フランジ側に設けたから、簡易な構造にて可動フランジの上死点を設定することができ、アクチュエータの作動性にも寄与する。

請求項８に記載の発明によると、高温バルブ用小径アクチュエータを搭載した高温バルブであるから、少なくとも横幅方向に極めてコンパクト化されながら必要十分な駆動力及び作動性が担保されたアクチュエータを備えた高温バルブの提供が可能となる。

本発明の第１実施形態のアクチュエータ本体をバルブボデーに取り付けた状態を示した側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面において、弁開状態を示した断面図である。 図２において、弁閉状態を示した断面図である。 本発明の第１実施形態のベローズユニットの外観を示した側面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態のアクチュエータ本体をバルブボデーに取り付けた状態であり、中心線右側が弁開状態、同左側が弁閉状態をそれぞれ示した縦断面図である。 図６のＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）は押え部材の斜視図であり、（ｂ）はネジ穴を設けた抜け止め部材の斜視図であり、（ｃ）は押え部材をアクチュエータ本体の上部に取付けた状態を示す要部斜視図である。 押え部材をアクチュエータ本体の上部に取付けた状態を示す一部省略した要部断面図である。

以下、本発明の実施形態の構造を図面に基づいて詳細に説明する。図１〜５は、本発明の第１実施形態（本例）を示しており、図１は、バルブボデー３にこのアクチュエータ本体１を取り付けた状態の側面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、バルブが全開した状態を示した断面であり、図３は、バルブが全閉した状態を示した断面図である。

図１〜３において、本発明のバルブ本体２は、本発明の小径アクチュエータ本体１を搭載する高温バルブの本体であり、本例は、ダイレクトタッチ型ダイヤフラムバルブである。また、同図は１次側流路４に垂直な断面図であるが、後述する図６では、このバルブ本体２と同じ構造のバルブ本体２に対して、１次側流路４、２次側流路５の軸心方向に沿った断面図となっている。

図１〜３において、バルブ本体２は、上部に搭載されるアクチュエータ本体１の外径と同程度の幅のコンパクトな矩形状の外形であり、集積ブロックの流路方向に沿って、１次側流路４と２次側流路５とが穿設されて外部とこれらの流路を接続可能となっている。１次側流路４は、上向きに屈曲して円形の弁口部を介して弁室８空間へ連通し、この弁口部の周辺部には、シートリング６（弁座）が装着溝にカシメ固着され、シール面上方側に設けられたダイヤフラム７の下面が可撓変形して密着（着座）可能となっている。弁室８底面には、断面略コ字状の環状溝が形成され、この環状溝には、２次側流路５へ連通する円形の出口部が設けられている。

図２、３において、弁体であるダイヤフラム７は、略円形状に形成され、金属製ダイヤフラム部材を所定枚数重ねている。ダイヤフラム７の外周縁部は、弁室８空間の外周部に突設形成された環状凸部と、ボンネット９下端の環状受け部との間に狭着固定されて外周シール部を形成している。

ボンネット９は、略筒状に形成されており、ボデー３の組み立ての際には、ベース体１０、３４とボデー３との間に設けられ、ボデー３のメネジ部３ａとベース体１０、３４の下部外周に設けられたオネジ部とを螺合させる際の締付力によって、ベース体１０、３４の下端面がボンネット９を押し下げ、この押し下げ力によってボンネット９の受け部が環状凸部上に載置されたダイヤフラム７の外周縁部を狭着することで固定される。また、ボンネット９の内周面は略同一径に形成された筒状空間であり、この内周面には、略円柱形状のダイヤフラムピース１１が挿入され、後述のように、ダイヤフラムピース１１の外周面とボンネット９の内周面とは、ほぼ抵抗なく摺動可能となっている。さらに、ダイヤフラムピース１１の上面には、後述のロッド部３２、４２（ベローズユニット１５、３５下端部）が当接可能に設けられる。

図１〜３において、小円筒ケース１２は、外径に対して長尺筒状に形成されており、後述のベローズユニット１５（図４、５）を収納可能な筐体である。本例では、所定の金属製であり、フットスペース領域内にコンパクトに収まるように、例えばφ３８ｍｍ以下の薄肉細径に形成されている。図１には、後述の呼吸口１２ａと止めねじ１３が直線状に並んでおり、下部内周面が、ベース体１０の上部外周面と固着（螺着）している。

ベース体１０は、外径が小円筒ケース１２の外径と同径程度であり、所定の金属製にて略筒状に形成されており、上部側が小円筒ケース１２と接続されると共に、下部側がボデー３上部側と螺着により接続され、外周面には、この螺着する際にレンチなどの工具でベース体１０を回動させるための、２面幅状の係合部１０ｃが形成されている。また、後述のように、ベース体１０内部において、筒状に形成された上部内周空間には、呼吸口１０ｂと段部１０ａが設けられ、また下部の中央位置には、穴部１０ｄが設けられる。

図４、５において、本発明のベローズユニット１５は、ベローズとベローズフランジとを縦方向に多段状態に積層させて構成しており、このベローズとベローズフランジの中心を、ロッド１４で貫通させている。本発明のアクチュエータは、金属ベローズを複数個結合して構成されたベローズユニット１５を備えたエア駆動アクチュエータであり、ベローズとベローズフランジを溶接により縦に複数個結合して中心にステムを貫通させ、上部からエアを供給すると各ベローズの内側がエアで満たされるような密封状態となっており、エアによって伸びようとする各ベローズの推力の合計が、スプリングを押し上げることで弁開するエアシリンダとなっている。このアクチュエータを搭載したバルブは、良好な高温・高耐久・高速開閉性を備えている。

図４、５において、ロッド１４（ステム）には、エア流路１４ａが設けられ、このエア流路１４ａは、後述のエア室１６と連通部１７を介して連通しており、また、アクチュエータ本体１の軸心位置で軸心方向に移動可能に内蔵されている。エア流路１４ａは、パイプ状に形成されたロッド１４内の内部流路として形成され、この流路内径はなるべく大きく確保されている。本例の連通部１７は、ロッド１４に開けた所定径の穴部として、１つのエア室当たり２個の連通穴１７が対向位置に設けられている。

図２〜５に示すように、本例のベローズフランジは、固定フランジ１８と、可動フランジ１９とから成る。これらのベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮により、ロッド１４を上下動させるようにしている。

可動フランジ１９は、ベローズの他側とロッド１４とに密封状態で固定されている。本例の可動フランジ１９は、金属製であり、内径側はロッド１４の外径側に溶接により固着されてロッド１４と一体的に移動できる。可動フランジ１９の外径は、小円筒ケース１２の内径よりも僅かに小さく形成されているので寸法上は小円筒ケース１２内周面と当接することなく小円筒ケース１２の軸心方向に上下動可能となっている。なお、最下部の可動フランジ１９’は、ベース体１０上部内周空間に収容させるため他よりやや小径の外径となっている。

固定フランジ１８は、その片面側がベローズの一側に密封状態で固定されている。本例の固定フランジ１８も、金属製であり、外径側は小円筒ケース１２の内径側に対向（嵌合）していると共に、小円筒ケース１２の外部から止めねじ１３を挿通して螺着させ、小円筒ケース１２側に固定されている。固定フランジ１８の内径側軸心位置には、所定径の穴部がロッド１４を挿通させて上下動可能に確保されており、本例では、凸部１８ａ（１８ａ’）が環状に突設形成され、ロッド１４の上下動を調心・案内している。なお、最下部の固定フランジ１８’の下面側は、ベース体１０上部内周空間底部の段部１０ａの形状に適合して載置されている。

止めねじ１３は、本例では、固定フランジ１８の１つ当たり、周方向１２０度間隔で合計３つの止めねじ１３を対称位置にそれぞれ小円筒ケース１２に固定しているが、設計的な強度やコストなどとの関係で問題がなければ、固定フランジ１８の１つ当たり複数箇所、例えば、周方向の互いに９０度間隔に合計２箇所、或は単に１箇所のみ（例えば、図示されている止めねじ１３の位置のみ）などとして構成してもよい。

ストッパ２０は、可動フランジ１９の上昇を制限する部位として、固定フランジ１８側に設けられており、具体的には、固定フランジ１８の下面側に所定の径・長さのピン２０が固定フランジ１８に垂直に螺着固定されている。後述のように、このピン２０の先端部が、エア供給によるエア室１６の膨張に伴い上昇する可動フランジ１９の上面側に当接して上昇を係止する。

図４、５に示すように、本例のストッパ２０は、固定フランジ１８の１つ当たり、周方向９０度間隔で３つのピン２０を設けているが、個数に制限はなく対称的な位置に適宜設けてもよく、その形状も適宜選択できる。また、後述の第２実施形態のように、本例においても、構造上製作可能であれば、ピン２０のような別部材でなく、固定フランジ１８下方へ向けて一体的に突出形成させてもよい。

また、設計的な強度やコストなどとの関係では、すべての固定フランジ１８にストッパ２０が必要となることはなく、例えば何れか１つの固定フランジ１８に設けるのみでよい。例えば、複数設けられている可動フランジ１９の昇降ストロークは、寸法上すべて同一に設定されてはいるが、これらに僅かに違いがある場合は、後述のように動作した際、最もストロークが短い何れかの可動フランジ１９の上面にストッパ２０が当接した時点で、ベローズユニット１５全体の上昇が係止されるので、この当接したストッパ２０以外のストッパ２０は機能的には不要なものとなる。よって、例えば最下段のストッパ２０ａのみを設けて、他のストッパ２０は設けないベローズユニット構造としてもよい。

図２〜５において、ベローズユニット１５上端部の接続部材２１は、金属製で略筒状に形成され、内部にエア流路２１ａが設けられており、接続部材２１の下端部は、上端部材２２の上端部と密封状態に固定（溶接）されてエア流路２１ａと２２ａとが連通可能に設けられている。上端部材２２も金属製で略筒状に形成され、内部にエア流路２２ａが設けられている。この上端部材２２は、外径側がキャップ体２３内径側に嵌合しており、この嵌合部において、係合凸部２２ｂの係合により上方への移動が係止され、下方への移動は止め輪２４により規制されることでキャップ体２３に対して上下動不能に位置決めされている。

キャップ体２３（天板部材）は、金属製でリング状に形成され、下面側がスプリング２５上端側を付勢する受け面となっており、外径側は小円筒ケース１２上部内周面に嵌着していると共に、抜け止め部材２６によって小円筒ケース１２上端側に固定されることによって、アクチュエータ本体１上端面側を閉塞している。抜け止め部材２６は、外径側に形成されたオネジ部が、小円筒ケース１２上端部内周面のメネジ部に螺着により固定されている。

スプリング２５は、アクチュエータ本体１に内蔵されて弁閉駆動源となる弾発部材であり、この弾発部材は、その形式、素材、弾発力や内蔵する位置・数など、アクチュエータの実施に応じて任意に選択できるが、本例では、内外２重に配設された小径と大径からなるスプリング２５を本体最上部に配置させており、上端側はキャップ体２３下面側を付勢し、下端側は最上部の可動フランジ１９上面側を付勢することにより、ベローズユニット１５を下方に向けて付勢可能に設けられている。

上端部材２２と最上部の可動フランジ１９との間は、小径ベローズ２８による伸縮構造で連結されて内部のエア流路１４ａを密封状態でエア流路２２ａへ接続している。すなわち、小径ベローズ２８の上端部は上端部材２２の下端面側に溶接固定されると共に、下端部も最上部の可動フランジ１９の上端面側に溶接固定されることにより、小径ベローズ２８内部空間は、エア流路１４ａと２２ａとの間を、外部と密封状態を維持しつつ伸縮可能にしており、後述するように上下に昇降動するロッド１４の動作を吸収するようにしている。また、小径ベローズ２８は金属製であり、ロッド１４の外形と同程度の小径のものが用いられている。

本例のベローズは、大径ベローズ２９であり、小円筒ケース１２に収納可能な大きさに設けられ、具体的には、小円筒ケース１２内周面（可動フランジ１９外径）よりも僅かに小さい外径である所定の１重金属ベローズを用いている。大径ベローズ２９の上端部は可動フランジ１９下面側に溶接により固着され、下端部は固定フランジ１８上面側に溶接により固着されており、密封状態の内側空間は、連通穴１７を介してロッド１４内のエア流路１４ａと連通したエア室１６となっている。なお、最下部の大径ベローズ２９’だけは、ベース体１０上部内周空間に収容できるように、他よりやや小径のものが用いられている。

本例では、固定フランジ１８と可動フランジ１９との間に伸縮構造の小径ベローズ２７が用いられており、この小径ベローズ２７は、金属製で大径ベローズ２９の半分程度の径であり、上端部は固定フランジ１８下面側に溶接により固着され、下端部は可動フランジ１９上面側に溶接により固着され、少なくともロッド１４外周囲の一部をシール可能に設けられる。なお、最下部の小径ベローズ２７は、上端部が固定フランジ１８’下面側に溶接により固着され、下端部は下端部材３０上面側に溶接により固着されている。

下端部材３０は、中央部にロッド１４の下端部が貫通しており、下面側には、ディスク部材３１の上面側が溶接により固着されてエア流路１４ａ終端部位を閉塞し、ベローズユニット１５下端部を構成している。このディスク部材３１下面側には棒状にロッド部３２が突出しており、このロッド部３２はベース体１０下部の穴部１０ｄの形状に適合して上下動可能に挿入され、ロッド部３２下端部は、ダイヤフラムピース１１上面側に当接・押圧可能となっている。

図２〜５に示すように、本例では５カ所にエア室１６が多段状に積層して設けられている。本発明のアクチュエータは、本体が限りなくコンパクトに細径化されながら、このような５段構成も容易に実現できるため、駆動力の調整・確保の幅が広く、様々な状況下で使用できる。また、本例では、可動フランジ１９、１９’や固定フランジ１８、１８’、或は大径ベローズ２９、２９’や小径ベローズ２７、２８の種類がそれぞれ異なっているが、これらをできるだけ共通化して構成することで、アクチュエータのコスト削減につなげることができる。

続いて、第１実施形態の作用を説明する。先ず、本例のアクチュエータ本体１をバルブに搭載した使用状態において図２に示した弁開状態、すなわち、エア室１６にエアを充填してダイヤフラム７が自己復帰による膨出形状となるまでを説明する。

図示しないエア供給源からのエアは、接続部材２１内のエア流路２１ａからロッド１４のエア流路１４ａを介して各連通部（連通穴１７）を通って各エア室１６に流入し、この流入圧による各エア室１６の膨張に伴い、複数の可動フランジ１９、１９’は、本体最上部から付勢するスプリング２５の付勢力に抗しながらそれぞれ上昇すると共に、各ベローズ（大径ベローズ２９、２９’）も伸びていく。

本例のアクチュエータは、このエア室１６の膨張の際に、各ベローズ（大径ベローズ２９、２９’）が自然に備えている上下方向へ伸びようとする拡張力をロッド１４の上昇動作の推力に利用できるから、少なくともバルブの開方向への高速応答性に優れている。

また、本例では、この膨張によるロッド１４の上昇に反して、各小径ベローズ２７、２８もそれぞれ収縮していく。この収縮に抵抗する各小径ベローズ２７、２８の反発力によって、ロッド１４の上昇推力にロスが生じ得る。

具体的には、小径ベローズ２８の反発力には、ベローズユニット１５が上昇する際に、自身が自然に備える拡張力に加え、エア圧が充填されるエア流路２２ａと１４ａとの間を内部で繋いでいるので、この際に受圧するエア圧も加わる。また、小径ベローズ２７の反発力には、後述するように、エア室１６にエア圧が充填された際に固定フランジ１８の軸装部位を通過してくるエア圧も内部で受圧することになるので、自身が自然に備える拡張力に加えて、このエア圧も加わる。よって、小径ベローズ２７、２８は、それぞれの反発力を最小限にするため、少なくとも、エア圧の受圧面積を小さくすべくなるべく小径であって、且つなるべくバネ定数（収縮時の拡張力）の小さいものを用いることが好ましい。

さらに、小径ベローズ２７、２８からの反発力は素材や種類、特に径に依存するので、総合的に各エア室１６の膨張によるロッド１４の上昇推力を、アクチュエータに必要とされる作動性や高速応答性に支障を生じないように、本例のベローズユニット１５の設計上、適切に作動性を設定・確保することも可能である。

上記のようにして上昇した各可動フランジは、上面側がストッパ（ピン２０）に当接する上死点に達することで係止される。この状態になれば、ロッド部３２の上昇によりダイヤフラムピース１１上面が解放され、ダイヤフラム７は、自己形状復帰力によって上方へ膨出形状に自然復帰しつつダイヤフラムピース１１を持ち上げ、これに伴いダイヤフラム７下面がシートリング６から離間する。この状態で、バルブは全開状態となり、図２（第１実施形態）に示した状態となる。この状態では、最上部の可動フランジ１９は各々スプリング２５に弾発された状態となっている。

ここで、図２、３に示したように、本例においては、エア室１６下部側の固定フランジ１８がロッド１４を軸装する部位（凸部１８ａ形成部位）はシールされていないから、この部位から圧縮エアが漏れ出すが、このエアは、その下部のロッド１４を軸シールしている小径ベローズ２７内に密封状に捕獲できるから、本例のエア室１６は、連通穴１７を除き、実質的に密封状態にシールされている。

次に、上記バルブ全開状態から、図３に示した弁閉状態、すなわち、エア室１６に充填されたエアを排出してダイヤフラム７がシートリング６に密着するまでを説明する。

エア流路１４ａからエア圧の排出に伴って、エア室１６内のエアも排出される。これに伴い、スプリング２５に付勢されている最上部の可動フランジ１９が下方へ弾発され、ロッド１４全体が一体的に下降していく。これに伴い、各ベローズ（大径ベローズ２９、２９’）もそれぞれ収縮していく。本例ではこの際、前述の場合と逆に、各小径ベローズ２７、２８が備えている上下に伸びようとする拡張力を、前述したように、それぞれの内部で受圧しているエア圧と共に、ロッド１４の下降推力に利用し得る。

ロッド１４の下降に伴いロッド部３２下端部も下降してダイヤフラムピース１１上面を押し下げ、ダイヤフラムピース１１下面側がダイヤフラム７上面を押圧することにより、ダイヤフラム７は、下向きに凹むように可撓変形させながら下面側がシートリング６上面のシール面に当接する。最終的にダイヤフラムピース１１下面側がダイヤフラム７を間に狭着するようにシール面に密着するまでロッド１４が下降してバルブの全閉状態となる。

次いで、図６、７は、本発明の第２実施形態（他例）のアクチュエータ本体３３の構造を示しており、図６の中心線より右側は、バルブボデー３にこのアクチュエータ本体３３を取り付けた状態において、弁開状態の縦断面図であり、同図中心線より左側は、バルブが全閉した状態を示した断面図であり、図７は、図６におけるＣ−Ｃ線断面図である。なお、この他例において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図６において、他例の小円筒ケース３７も、外径に対して長尺筒状に形成されており、ベローズユニット３５を収納可能な筐体である。この小円筒ケース３７も、所定の金属製であり、フットスペース領域内にコンパクトに収まるようにφ３８ｍｍ以下の薄肉細径に形成され、下部内周面がベース体３４の上部外周面と固着（螺着）している。

ベース体３４は、外径が小円筒ケース３７の外径と同径程度であり、所定の金属製にて略筒状に形成されており、上部側が小円筒ケース３７と接続されると共に、下部側がボデー３上部側のメネジ部３ａと螺着により接続されている。また、後述のように、ベース体３４内部において、筒状に形成された上部内周空間には、ベローズユニット３５の下部を収納可能とするため、少なくとも呼吸口３４ｂと段部３４ａが設けられ、また下部の軸心位置には、ロッド部４２（ベローズユニット３５下端部）を挿入して上下動させることが可能な穴部３４ｄが設けられる。

図６に示すように、本発明のベローズユニット３５も、ベローズとベローズフランジとを縦方向に多段状態に積層させて構成しており、このベローズとベローズフランジの中心を、ロッド３８で貫通させている。本発明のアクチュエータは、金属ベローズを複数個結合して構成されたベローズユニット３５を備えたエア駆動アクチュエータであり、ベローズとベローズフランジを溶接により縦に複数個結合して中心にステムを貫通させ、上部からエアを供給すると各ベローズの内側がエアで満たされるような密封状態となっており、エアによって伸びようとする各ベローズの推力の合計が、スプリングを押し上げることで弁開するエアシリンダとなっている。このアクチュエータを搭載したバルブは、良好な高温・高耐久・高速開閉性を備えることができる。

図６において、ロッド３８（ステム）には、エア流路３８ａが設けられ、このエア流路３８ａは、後述のエア室３９と連通部５２を介して連通しており、また、アクチュエータ本体３３の軸心位置で軸心方向に移動可能に内蔵されている。エア流路３８ａは、パイプ状に形成されたロッド３８内の内部流路として形成され、この流路内径はなるべく大きく確保されている。他例の連通部５２（５２’）は、後述の可動フランジ４０に設けた連通路５２（５２’）であり、１つのエア室当たり２つの連通路５２（５２’）が軸心方向のエア流路３８ａから対向して分岐するように設けられている。

図６に示すように、他例のベローズフランジも、固定フランジ４１と、可動フランジ４０とから成る。これらのベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮により、ロッド３８を上下動させるようにしている。

可動フランジ４０は、この他例においては、金属製のロッド３８の径方向へフランジ状に張り出すように一体的に形成されたロッド３８の一部であり、具体的には、ロッド３８は、この可動フランジ４０の部分とロッド３８の一部である流路部３８ｂとがエア室３９の１つ分ごとに形成され、これらがエア流路３８ａを連通するように３つ縦方向に溶接により固着されて構成されている。可動フランジ４０の外径は、小円筒ケース３７の内径よりも僅かに小さく形成されているので寸法上は小円筒ケース３７内周面と当接することなく小円筒ケース３７の軸心方向に上下動可能となっている。なお、最下部の可動フランジ４０’は、ベース体３４上部内周空間に収容させるため、他よりやや小径の外径であり、また、エア流路３８ａの終端部位なので、ロッド３８の下端部には流路部が形成されておらず、ロッド部４２がベース体３４の穴部３４ｄに挿通してダイヤフラムピース１１上面と当接・押圧可能となっている。

固定フランジ４１は、この他例においても、ロッド３８とは別部材の金属製であり、外径側は小円筒ケース３７の内径側に対向（嵌合）していると共に、小円筒ケース３７の外部から止めねじ４３を挿通して螺着させ、小円筒ケース３７側に固定されている。固定フランジ４１の内径側軸心位置には、所定径の穴部がロッド３８を挿通させて上下動案内可能に確保されている。また、最下部の固定フランジ４１’の下面側は、ベース体３４上部内周空間底部の段部３４ａの形状に適合して載置されている。さらに、固定フランジ４１’の１つ上の固定フランジ４１”の固定には、止めねじ４３が用いられておらず、代わりに、外径側が小円筒ケース３７下部内周とベース体３４上端部との間に挟まれて小円筒ケース３７の締め付けによりこれらの間に狭着固定されている。

止めねじ４３は、他例では、固定フランジ４１の１つ当たり１つの止めねじ４３にて小円筒ケース３７に固定しているが、設計的な強度やコストなどとの関係で問題がなければ、固定フランジ４１１つ当たり複数箇所、例えば外周の６０度間隔に合計６箇所などに設けてもよい。

ストッパ４４は、可動フランジ４０の上昇を制限する部位として、固定フランジ４１側に設けられてよいが、この他例では、固定フランジ４１”の下面側のみに、所定の幅・長さの突設部４４として垂直に突出形成されている。後述のように、この突設部４４の先端部が、エア供給によるエア室３９の膨張に伴い上昇する最下部の可動フランジ４０’の上面側に当接してベローズユニット３５の上昇を係止する。

突設部４４は、固定フランジ４１”の下面側に適当な径で同心状に突設した環状の突設部として形成されているが、その形態にも特に制限はなく、例えば、周方向の対称的な位置に２つ（又は４つ）を突設形成してもよく、個数に制限なく固定フランジ４１”の対称的な位置に適宜設けてもよく、その形状なども適宜選択できる。また構造上製作可能であれば、前述の第１実施形態のようにピン２０のような別部材としてもよく、さらに、すべての固定フランジ４１、４１’に適宜設けるようにしてもよい。或は、可動フランジ４０、４０’側から上方へ向けて適宜突設形成するようにしてもよい。

図６において、ベローズユニット３５上端部の接続部材４５は、前述の第１実施形態同様に、上端部材４６の上端部と密封状態に固定（溶接）されてエア流路４６ａとエア流路４５ａとが連通可能に設けられている。また、他例のアクチュエータ本体３３の上部構造、すなわち、上端部材４６やキャップ体４７の構造、或は、キャップ体４７と最上部の可動フランジ４０との間に介在するスプリング４８の構造も、前述の第１実施形態と同様である。さらに、上端部材４６と最上部の可動フランジ４０との間を、小径ベローズ４９による伸縮構造で連結されて内部のエア流路３８ａを密封状態で連通している点も同様である。

図６、７に示すように、他例のベローズは、外部ベローズ５０の中に内部ベローズ５１を同軸上に配置させて構成しており、具体的には、小円筒ケース３７内周面（可動フランジ４０外径）よりも僅かに小さい外径である外部ベローズ５０の内側に、同軸上に、ロッド３８外周面よりも僅かに大きい内径である内部ベローズ５１を設けた２重金属ベローズで構成している。この構成により、同じ性能の第１実施形態の構成に比べて製作コストが増大したり、エア室容積が減少する可能性はあるが、エア室３９のシール性を確実にすると共に、エア室３９の膨張収縮の応答性（アクチュエータの作動性）も高めることができる。

内外ベローズ５１、５０の上端部は可動フランジ４０下面側に溶接により固着され、下端部は固定フランジ４１上面側に溶接により固着されており、２重の内外ベローズ５１と５０との間に形成される密封状態となった筒状の内外ベローズ空間は、可動フランジ４０（４０’）に開口した連通路５２（５２’）を介してロッド３８内のエア流路３８ａと連通したエア室３９となっている。なお、最下部の内外ベローズ５１’、５０’だけは、ベース体３４上部内周空間に収容できるように、他よりやや小径のものが用いられている。

他例では、前述の第１実施形態と異なり、固定フランジ４１と可動フランジ４０との間には、伸縮構造の小径ベローズ２７が用いられていない。これは、他例のエア室３９は、内外ベローズ空間で堅密に区画されているから、後述する第１実施形態の場合ように、固定フランジ４１がロッド３８を軸装する部位からのエア室３９内のエア漏れのおそれがなく、よって、この軸装部位のシールが不要となることが理由の一つである。よって、第１実施形態に比べて、少なくとも、小径ベローズ２７が不要となる分、アクチュエータ本体３３の高さを低く抑えることができる。特に、ベローズユニット３５最下部の小径ベローズ２７を有さないから、下端部材３０やディスク部材３１を要さず直接ロッド部４２を可動フランジ４０’から繋げることができ、よって、少なくともこの分、ベース体３４の高さも抑制できる。

図６に示すように、本例では４カ所にエア室３９が多段状に積層して設けられている。本発明のアクチュエータは、本体が限りなくコンパクトに細径化されながら、このような４段構成も容易に実現できるため、駆動力の調整・確保の幅が広く、様々な状況下で使用できる。また、本例では可動フランジ４０、４０’や固定フランジ４１、４１’、４１”、或は内外ベローズ５１、５０や小径ベローズ４９の種類がそれぞれ異なっているが、これらをできるだけ共通化して構成することで、アクチュエータのコスト削減につなげることができる。

続いて、第２実施形態の作用を説明する。先ず、本発明のアクチュエータ本体３３をバルブに搭載した使用状態において図６右側に示した弁開状態、すなわち、エア室３９にエアを充填してダイヤフラム７が自己復帰による膨出形状となるまでを説明する。

図示しないエア供給源からのエアは、接続部材４５内のエア流路４５ａからロッド３８のエア流路３８ａを介して各連通部（連通路５２）を通って各エア室３９に流入し、この流入圧による各エア室３９の膨張に伴い、複数の可動フランジ４０、４０’は、本体最上部から付勢するスプリング４８の付勢力に抗しながらそれぞれ上昇すると共に、各ベローズ（内外ベローズ５１、５０、５１’、５０’）も伸びていく。

この他例では、図６に示されるように、連通路５２は、略筒状の空間となっている内外ベローズ空間（エア室３９）の上部側に開口しているから、内外ベローズ５１、５０の伸縮方向に沿ってエア圧を供給又は排気できる。また、アクチュエータのサイズが同径の場合は、前述の第１実施形態のエア室１６より容積が小さく、さらに、ベローズは２重ベローズから成る。よって、この他例では、エア圧の供給排気に伴うベローズの伸縮応答性が更に良好に構成されている。

上記のようにして上昇した各可動フランジは、上面側がストッパ（突設部４４）に当接する上死点に達することで係止される。この状態になれば、ロッド部４２の上昇によりダイヤフラムピース１１上面が解放され、ダイヤフラム７は、自己形状復帰力によって上方へ膨出形状に自然復帰しつつダイヤフラムピース１１を持ち上げ、これに伴いダイヤフラム７下面がシートリング６から離間する。この状態で、バルブは全開状態となり、図６右側に示した状態となる。この状態では、最上部の可動フランジ４０は各々スプリング４８に弾発された状態となっている。

次に、上記バルブ全開状態から、図６左側に示した弁閉状態、すなわち、エア室３９に充填されたエアを排出してダイヤフラム７がシートリング６に密着するまでを説明する。

エア流路３８ａのエア圧の排出に伴って、エア室３９内のエアも排出される。これに伴い、スプリング４８に付勢されている最上部の可動フランジ４０が下方へ弾発され、ロッド３８全体が一体的に下降していく。これに伴い、各ベローズ（内外ベローズ５１、５０、５１’、５０’）もそれぞれ収縮していく。

ロッド３８の下降に伴いロッド部４２下端部も下降してダイヤフラムピース１１上面を押し下げ、ダイヤフラムピース１１下面側がダイヤフラム７上面を押圧することにより、ダイヤフラム７は、下向きに凹むように可撓変形させながら下面側がシートリング６上面のシール面に当接する。最終的にダイヤフラムピース１１下面側がダイヤフラム７を間に狭着するようにシール面に密着するまでロッド３８が下降してバルブの全閉状態となる。

特に、この第２実施形態のベローズユニット３５では、エア室３９を構成する内外ベローズ５１、５０以外のベローズとしては、小径ベローズ４９のみ用いており、第１実施形態のベローズユニット１５の小径ベローズ２７に対応するベローズは有していない。よって少なくとも、前述したベローズユニット１５が上昇する際の小径ベローズ２７による反発力も存在しない分、作動性・高速応答性に優れた構造と言える。

上記のように、本発明のアクチュエータでは、少なくともロッド１４、３８と可動フランジ１９、４０がそれぞれ一体的に構成されたベローズユニット１５、３５であって、多段状に積層したすべてのエア室１６、３９は、エア流路１４ａ、３８ａを介して互いに連通状態が維持された構造であるから、供給されたエア圧は、可動フランジごとに時間差や偏りを生じることなくすべての各可動フランジ１９、４０を同時かつ均等に押し上げることができ、これはエアを排出して各可動フランジ１９、４０が下降する際も同様である。

また、アクチュエータ内部のエア流路１４ａ、３８ａやエア室１６、３９から成るエア容積の合計も、全体としてできるだけコンパクトに抑えられていると共に、例えば第１実施形態の場合はバルブストロークが１．２ｍｍに設定されるので、エア室の膨張収縮率も小さい。さらに、上述のように、本発明のアクチュエータの作用においては、部材の伸縮運動が存在する代わりに、部材間の摺動や摩擦運動はほとんど存在しない。よって、アクチュエータ内へのエア供給と排出に対しても、時間差をほぼ生じることなく応答作動することができ、極めて良好な高速応答性を実現できる上に極めて高い耐久性も発揮できる。

したがって、本発明のアクチュエータは、オールメタル（全金属製）で製作可能な構成となっており、例えば３００度などの高温雰囲気でもバルブを支障なく動作させることが可能であり、かつ、摺動部位や摩耗部位を有していないから耐久性も極めて良好であり、しかも、ベローズの多段構造によって小径のアクチュエータ（バルブ）として容易に構成することも可能である。

次いで、本発明の第３実施形態（他例）について説明する。第３実施形態では、第１の実施形態における止め輪２４を廃止して、替わりに押え部材６０を取付けて、この押え部材６０によって、接続部材２１の回動を規制して上端部材２２が回動するのを防止している。

本発明の第１実施形態では、上端部材２２と最上部の可動フランジ１９との間にある小径ベローズ２８は、その下側にある多段ベローズが上下した時に、配管側が上下しないように動きを吸収する役割がある。そして、上端部材２２は、キャップ体２３と嵌合しており、この嵌合部において、係合凸部２２ｂの係合と止め輪２４により規制されることで上下方向の動きを規制している。

ところで、図２〜図５に示すように、ベローズユニット１５上端部の接続部材２１の下端部は、上端部材２２の上端部と密封状態に固定（溶接）されているので、この接続部材２１を、スパナ等の工具を用いて締めつけする際に、接続部材２１の下端部に強い回転力が作用すると、接続部材２１の下端部に固定（溶接）された上端部材２２が回動する虞があり、また、上端部材２２が回動することで上端部材２２に溶接された小径ベローズ２８に回動力が伝わり小径ベローズ２８が捻じれた状態となる虞がある。そして、小径ベローズ２８が捻じれた状態で、アクチュエータを作動させると小径ベローズ２８が破れやすくなり、多数回の作動に耐え得ることができなくなる。

そこで、第３実施形態では上記の欠点を補うために押え部材６０を取付けて、上端部材２２が回動しないように規制しつつ、かつ、小径ベローズ２８に捻じれが生じない構造としている。

図８（ａ）は押え部材６０の斜視図であり、図８（ｂ）はネジ穴２６ａを設けた抜け止め部材２６の斜視図であり、図８（ｃ）は押え部材６０をアクチュエータ本体１の上部に取付けた状態を示す要部斜視図であり、図９は押え部材６０をアクチュエータ本体１の上部に取付けた状態を示す一部省略した要部断面図である。以下説明において、同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

図８（ａ）に示すように、押え部材６０は、略矩形状の基台６１に短寸筒状部６２、長穴部６３、ネジ穴部６５を有している。
本例では、長穴部６３は長穴状で、略矩形状の基台６１に周方向９０度間隔で合計４つ設け、第１ネジ７１が長穴を貫通して抜け止め部材２６のネジ穴２６ａと螺着できるように設けている。なお、第１ネジ７１を抜け止め部材２６のネジ穴２６ａと螺着できれば、周方向に１２０度間隔で合計３つあるいは、対称位置に合計２つなどとしてもよい。また、押え部材６０の長穴部６３を長穴状に形成したので、押え部材６０を任意の位置で仮着した後に、第１ネジ７１が抜け止め部材２６のネジ穴２６ａに螺着できるように位置合わせをすることができる。
短寸筒状部６２には、略矩形状に貫通した貫通部６４を設け、貫通部６４は接続部材２１の下端部側六角ナット部の二面幅と係合する係合平行面６６を有している。係合平行面６６には、第２ネジ７２が螺着するネジ穴部６５が対称位置にそれぞれ設けられている。

図８（ｂ）に示すように、第３実施形態における抜け止め部材２６は、ネジ穴２６ａを追加している。図８（ｂ）より、抜け止め部材２６は、ネジ穴２６ａ、係止穴２６ｂ、オネジ部２６ｃを有している。ネジ穴２６ａは第１ネジ７１と螺着するように設けられている。図示しない治具を用いて抜け止め部材２６が小円筒ケース１２と螺着できるようにオネジ部２６ｃを設け、図示しない治具と係止可能に治具係止穴２６ｂを設けられている。

図８（ｃ）及び図９に示すように、アクチュエータ本体１を組立て後、アクチュエータ本体１の上部に押え部材６０を取付けることによって、接続部材２１の回動を規制して上端部材２２が回動するのを防止している。
押え部材６０の係合平行面６６と接続部材２１の下端部側六角ナット部の二面幅とが係合するように、接続部材２１を貫通部６４に貫通させて押え部材６０を仮着し、長穴部６３から第１ネジ７１を抜け止め部材２６に設けたネジ穴２６ａと固着（螺着）すると、押え部材６０が固定される。
そして、押え部材６０の係合平行面６６と接続部材２１の下端部側六角ナット部の二面幅とが係合する状態で、接続部材２１を貫通部６４に貫通させて押え部材６０が固定されると、接続部材２１の下端部側六角ナット部の二面幅と、押え部材６０の係合平行面６６とが適合し係合して、この係合によって、接続部材２１の下端部が回動するのを抑制することができる。

また、押え部材６０のみでは、接続部材２１の下端部と押え部材６０の係合平行面６６との係合が多少ぐらつくことがある。このため、接続部材２１を確実に固定するために、第２ネジ７２を押え部材６０のネジ穴部６５に固着（螺合）する。
さらに、押え部材６０のネジ穴部６５に第２ネジ７２を固着（螺合）したときには、第２ネジ７２の一端が、接続部材２１の下端部側の六角ナット部の二面幅の一端と当接して、より効果的に接続部材２１が回動するのを防止できる。
すなわち、押え部材６０の平行係合面６６と接続部材２１の下端部側の六角ナット部が係合すると共に、押え部材６０に第２ネジ７２を固着することで、接続部材２１の回動が制御されるので、接続部材２１をナット締めしたときに接続部材２１の下端部側で回動するのを防止することができる。そして、接続部材２１の下端部に固定されている上端部材２２の回動も防止することができる。

このように、接続部材２１をナット締めするときに、過剰な回転が接続部材２１の下端部に生じるのを防止しており、接続部材２１の下端部が回動しないため、接続部材２１に固定（溶接）されている上端部材２２も回動せず、さらには、上端部材２２と溶接された小径ベローズ２８にも回転力が伝達されない。このような構造としたことで、接続部材２１をナット締めするときに小径ベローズ２８に捻じれが生じるのを防止することができる。

加えて、第２ネジ７２を固定すると、接続部材２１の下端部に固定されていた上端部材２２の下方向の動きが規制される。なお、第１実施形態と同様に、係合凸部２２ｂによって上端部材２２の上方向の動きが規制される。よって、本例では、止め輪２４を廃止しても、上端部材２２の上下動の動きを規制することができる。

このように、第３実施形態では、押え部材６０と、抜け止め部材２６と、ネジ部材（第１ネジ７１、第２ネジ７２）により、上端部材２２の回動を規制すると共に、接続部材２１の六角ナット部をナット締めして固定するときに、小径ベローズ２８に回転負荷がかからない構造なので、小径ベローズ２８に回転方向の捻じれが生じない。このため、小径ベローズ２８が捻じれた状態で、アクチュエータを作動したことにより、小径ベローズ２８が破れる虞もないから、充分な作動性や耐久性を確保することができる。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

１ ３３ アクチュエータ本体
２ バルブ本体
３ ボデー
４ ５ 流路
６ シートリング（弁座）
７ ダイヤフラム（弁体）
８ 弁室
１２ ３７ 小円筒ケース
１４ ３８ ロッド
１４ａ ２１ａ ２２ａ ３８ａ ４５ａ ４６ａ エア流路
１５ ３５ ベローズユニット
１６ エア室（内側空間）
１７ 連通穴（連通部）
１８ ４１ 固定フランジ（ベローズフランジ）
１９ ４０ 可動フランジ（ベローズフランジ）
２０ ２０ａ ピン（ストッパ）
２７ 小径ベローズ
２９ 大径ベローズ（ベローズ）
３９ エア室（内外ベローズ空間）
５０ 外部ベローズ（ベローズ）
５１ 内部ベローズ（ベローズ）
４４ 突設部（ストッパ）
５２ 連通路（連通部）

Claims (8)

1. ベローズとベローズフランジとを縦方向に多段状態に積層させ、このベローズとベローズフランジの中心をロッドで貫通させてベローズユニットを構成し、このベローズユニットを小円筒ケースに収納すると共に、各ベローズ内のエアの供給排気による各ベローズの伸縮により前記ロッドを上下動させるようにしたことを特徴とする高温バルブ用小径アクチュエータ。
2. 前記ベローズのエア室内は、前記小円筒ケースに収納可能な大きさの大径ベローズの内側空間であり、この内側空間内と前記ロッドのエア流路とを連通部を介して連通させた請求項１に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
3. 前記ベローズフランジは、前記ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと、前記ベローズの他側と前記ロッドに密封状態に固定した可動フランジと、から成り、前記連通部は、前記ロッドに開けた連通穴である請求項１又は２に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
4. 前記固定フランジと前記可動フランジとの間に伸縮構造の小径ベローズを設けた請求項３に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
5. 前記ベローズのエア室内は、外部ベローズの中に内部ベローズを同軸上に配置させて構成された内外ベローズ空間であり、この内外ベローズ空間内と前記ロッドに設けたエア流路とを連通部を介して連通させた請求項１に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
6. 前記ベローズフランジは、前記内外ベローズの一側に密封状態で固定した固定フランジと、前記内外ベローズの他側と前記ロッドに密封状態で固定した可動フランジと、から成り、前記連通部は、前記可動フランジに設けた連通路である請求項１又は５に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
7. 前記可動フランジの上昇を制限するストッパを前記固定フランジ側に設けた請求項３、４、又は６の何れか１項に記載の高温バルブ用小径アクチュエータ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の高温バルブ用小径アクチュエータをバルブ本体に搭載したことを特徴とする高温バルブ。

Images