JP2021025529A - アクチュエータ及びそれを備えたエアオペレートバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンをステムに圧入以外の手法で連結することにより、ステムに対するピストンの傾きを防止する調芯機能と、圧力室のシール機能との双方を実現することができるアクチュエータ及びそれを備えたエアオペレートバルブを提供する。【解決手段】アクチュエータ18は、ステム14が昇降可能に支持されるハウジング34と、ハウジング34内に区画される作動流体の圧力室36と、ハウジング34内にステム14とともに昇降可能に収容されるピストン38と、ステム14とピストン38とを連結する連結機構70とを備え、連結機構70は、ステム14の外周面14bに対向する内周面72bを有し、内周面72bにステム14に対する係合部78を有する連結部材72と、連結部材72をピストン38に固定する固定部材74と、ステム14に形成され、係合部78が係合される被係合部76とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、アクチュエータ及びそれを備えたエアオペレートバルブに関する。

特許文献１には、作動流体の供給又は遮断によりステムを昇降させて弁体を開閉作動するアクチュエータを備えた流量制御バルブが開示されている。このバルブは、エアオペレートバルブであって、アクチュエータは、ステムが昇降可能に支持されるハウジングと、ハウジング内に区画され、作動流体が供給される圧力室と、ハウジング内にステムとともに昇降可能に収容されるピストンとを有している。

ピストンは、ステムの昇降に伴いハウジングの内壁に摺動される摺動外周面と、圧力室をハウジングの内壁とともに区画し、作動流体の圧力を受ける受圧面と、ステムの外周面にＯリング等の弾性部材を介して固定される内周面と、内周面に形成され、弾性部材が嵌入される環状の嵌入溝とを有して形成されている。

そして、特許文献１では、弾性部材を介してピストンをステム（特許文献１のロッドに相当）に連結することにより、ステムに対してピストンが傾くことを防止している。

特開２０１４−１０９３１４号公報

ピストンをステムに緊密に連結する場合、バルブの組み立て時に、ステムにピストンを圧入固定することが考えられる。この場合、ピストンの内周面とステムの外周面との嵌め合いは、締まり嵌めに近い状態となるが、これらの面間に隙間は生じ得る。従って、圧力室のシール機能を確保するためには、弾性部材を介してピストンをステムに連結する必要がある。

しかしながら、ピストンの内周面に形成された嵌入溝に、弾性部材を嵌入した状態でステムにピストンを圧入すると、弾性部材の表面がステムの外周面に接触して損傷したり、或いは、ステムとピストンとの間に弾性部材が挟まって巻き込まれたりし、ひいては弾性部材が断裂することがある。また、ピストンにステムを圧入した後には、弾性部材は嵌入溝に嵌入された状態でピストンの内周面に覆われるため、弾性部材の損傷、巻き込み、断裂を目視で確認することはできない。

このため、外観上は問題がないバルブであっても、ピストンの圧入時における弾性部材の損傷、巻き込み、断裂によって、圧力室のシール機能が低下していまい、圧縮室からの作動流体の漏れ、ひいてはバルブの作動不良を招くおそれがあった。従って、ピストンをステムに圧入以外の手法で連結することにより、ステムに対するピストンの傾きを防止する調芯機能と、圧力室のシール機能との双方を実現することが求められている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ピストンをステムに圧入以外の手法で連結することにより、ステムに対するピストンの傾きを防止する調芯機能と、圧力室のシール機能との双方を実現することができるアクチュエータ及びそれを備えたエアオペレートバルブを提供することにある。

本発明は以下の態様として実現することができる。
本態様に係るアクチュエータは、作動流体の供給又は遮断によりステムを昇降させるアクチュエータであって、ステムが昇降可能に支持されるハウジングと、ハウジング内に区画され、作動流体が供給される圧力室と、ハウジング内にステムとともに昇降可能に収容されるピストンと、ステムとピストンとを連結する連結機構とを備え、連結機構は、ステムの外周面に対向する内周面を有し、内周面にステムに対する係合部を有する連結部材と、連結部材をピストンに固定する固定部材と、ステムに形成され、係合部が係合される被係合部とを含む。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、被係合部は、ステムの外周面を拡径した鍔部であり、係合部は、連結部材の内周面からピストンに対向する連結部材の対向面に亘って環状に切り欠いて形成され、鍔部が嵌入される第１ザグリ部である。
また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、第１ザグリ部の深さは、鍔部のステムの軸方向における厚み以下である。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、ステムの径方向における鍔部と第１ザグリ部との互いの当接面は、ステムから拡径し、且つピストンに近づく方向に傾斜したテーパ面である。
また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、連結機構は、ステムの外周面を拡径した鍔部と、鍔部をピストンに固定する固定部材とを含む。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、ピストンは、ステムの昇降に伴いハウジングのボディの内壁に摺動される摺動外周面と、圧力室を内壁とともに区画し、作動流体の圧力を受ける第１受圧面と、ステムに挿入される挿入面部、及び該挿入面部に連なるとともに第１受圧面に亘って切り欠いて形成され、環状の第１弾性部材が嵌入される第１嵌入部からなる内周面とを有する。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、ステムは、圧力室に開口する作動流体の流路を有し、アクチュエータは、内壁に固定されるとともに、第１受圧面及び内壁とともに圧力室を区画する区画部材を有し、区画部材は、ステムの昇降に伴いステムの外周面が第２弾性部材を介して摺動される摺動内周面と、圧力室を内壁及び第１受圧面とともに区画し、作動流体の圧力を受ける第２受圧面と、摺動内周面から第２受圧面に亘って切り欠いて形成され、第２弾性部材が嵌入される第２嵌入部とを有する。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、第１及び第２受圧面の少なくとも何れか一方は、ステムの降下に伴い第１受圧面が第２受圧面に接触したときに流路が連通される第２ザグリ部を有する。
また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、第１及び第２弾性部材は、ステムの降下に伴い第１受圧面が第２受圧面に接触したときに第２ザグリ部に露出する。

また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、圧力室と、圧力室に面するピストンとをそれぞれ複数有する。
また、本態様に係る前述したアクチュエータにおいて、ステムは、昇降により弁体を開閉作動し、ピストンの昇降に伴う弁体の開閉をピストンまでの距離の変化に基づいて検出する開閉検出センサを有する。

一方、本態様に係るエアオペレートバルブは、前述した何れかのアクチュエータを備える。

本発明のアクチュエータ及びそれを備えたエアオペレートバルブによれば、ピストンをステムに圧入以外の手法で連結することにより、ステムに対するピストンの傾きを防止する調芯機能と、圧力室のシール機能との双方を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータを備えたエアオペレートバルブの弁開時における縦断面図である。 図１のアクチュエータの拡大図である。 図２のＡ−Ａ方向矢印から見た連結機構の平面図である。 図１のエアオペレートバルブの弁閉時における縦断面図である。 図３のアクチュエータの拡大図である。 本発明の変形例に係る連結機構の縦断面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るアクチュエータ１８を備えたエアオペレートバルブ１（以下、単にバルブ１ともいう）の弁開時における縦断面図を示す。なお、以下、図１、図２、図４−図６の説明においては、各図の上側を上方として説明している。

バルブ１は、プロセス流体の微小流量を高精度制御可能なダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラムバルブであり、ボディ２、ダイヤフラム４、ボンネット６、ボンネットナット８、ダイヤフラム押え１０、押えアダプタ１２、ステム１４、スプリング１６、アクチュエータ１８等を備えている。バルブ１は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法の成膜技術を利用した半導体製造装置に用いられる。

ボディ２は、ステンレス鋼等の金属材により形成され、ボディ２の下部には流体入口２０及び流体出口２２が形成されている。ボディ２の上部には流体入口２０及び流体出口２２に連通する上方開放された断面凹状の弁室２４が形成されている。弁室２４の底面には合成樹脂製の弁座２６が設けられ、弁室２４の内周面の下側には環状の段部２８が形成されている。

ボンネット６は、その筒状下端部がボディ２の弁室２４内に挿入され、ボディ２の筒状上部に螺合されている。ボンネット６内には、ステム１４が昇降可能に配置され、ステム１４の周囲にはコイル状のスプリング１６が配置されている。スプリング１６は、ステム１４の下部に形成された拡径部１４ａを下方に付勢している。拡径部１４ａの下面にはダイヤフラム４の中央部の上面に当接可能な合成樹脂製のダイヤフラム押え１０が嵌着されている。

ステム１４の上部にはロッド３０が螺合されて連結されている。ロッド３０は、ボンネット６の上部から突出され、アクチュエータ１８内に挿入されている。なお、ロッド３０はステム１４と連結されて一体に昇降するため、ロッド３０をステム１４と同義で扱う場合がある。ダイヤフラム４は、弁座２６の上方に配置され、複数枚のダイヤフラムにより構成されている。また、ダイヤフラム４は、自然状態で中央部が上方へ湾曲した皿状となっている。

ダイヤフラム４は、極薄の厚みを有し、ステンレス鋼や、その他の形状記憶合金等の金属材から形成されている。押えアダプタ１２は、弁室２４の内周面に取り付けられた環状部材であり、ボンネット６の筒状下端部により段部２８に向けて押圧される。ダイヤフラム４の周縁部は、段部２８と押えアダプタ１２とにより挟持固定され、弁室２４の気密性が保持される。

本実施形態のアクチュエータ１８は、図示しない流体供給源からの作動流体の供給又は遮断によりステム１４を昇降させて、弁体であるダイヤフラム４を弁座２６に当離座させ、バルブ１の開閉作動を行う流体作動式の駆動機構である。アクチュエータ１８は、ハウジング３４、ハウジング３４内の上下に区画された２つの圧力室３６、個々の圧力室３６に面してハウジング３４内の上下に配置された２つのピストン３８、ハウジング３４内の各ピストン３８間に配置された１つの区画部材４０を備えている。

アクチュエータ１８は、上側のピストン３８に対向する位置に開閉検出センサ４２を備えている。開閉検出センサ４２は、例えば光センサであって、アクチュエータキャップ３４ａの上面から挿入され、上側のピストン３８の上面を反射面として使用している。開閉検出センサ４２は、ステム１４の昇降に伴うダイヤフラム４の開閉、すなわちバルブ１の開閉動作を上側のピストン３８までの距離の変化に基づいて検出する。アクチュエータ１８は、ステム１４の昇降によるストローク量を調整可能なストローク調整機構を備えている。

図２は、図１のアクチュエータ１８の拡大図を示す。ハウジング３４は、上側のアクチュエータキャップ３４ａと下側のアクチュエータボディ３４ｂとを螺合等により結合して形成されている。アクチュエータボディ３４ｂの筒状下部３４ｃには、ロッド３０を挿入するための開口３４ｄが形成されている。筒状下部３４ｃをボンネット６に挿入し、ボンネットナット８を締め込むことによりアクチュエータ１８がボンネット６に締結固定される。ロッド３０は、ハウジング３４に上側Ｏリング３５と下側Ｏリング（第２弾性部材）３７とを介して昇降可能に支持される。

アクチュエータキャップ３４ａの上部には、流体供給源が接続される作動流体の供給口４４が形成され、供給口４４はロッド３０の上端に開口された作動流体の流路４６と連通している。流路４６は、ロッド３０の軸方向に延設された軸方向孔４６ａと、軸方向孔４６ａから径方向に分岐する２系統の径方向孔４６ｂとから構成されている。２つの圧力室３６には、供給口４４から、軸方向孔４６ａ、径方向孔４６ｂを順に経て作動流体が供給される。

２つのピストン３８は、ロッド３０に連結され、ハウジング３４内にロッド３０とともに昇降可能に収容されている。詳しくは、図２に示すように、各ピストン３８は、摺動外周面３８ａ、第１受圧面３８ｂ、内周面３８ｃを有している。摺動外周面３８ａは、ステム１４の昇降に伴いハウジング３４の内壁３４ｅにＯリング４７を介して摺動される。第１受圧面３８ｂは、環帯状をなし、圧力室３６を内壁３４ｅとともに区画し、作動流体の圧力を受ける。

下側のピストン３８の場合、第１受圧面３８ｂ、内壁３４ｅ、内壁３４ｅの一部であるハウジング３４の底壁（区画部材）３４ｆとともに圧力室３６が区画される。内周面３８ｃは、ロッド３０の外周面３０ａに、第１Ｏリング（第１弾性部材）４８を介して、圧入のような締り嵌めの嵌め合いではなく、中間嵌め程度の嵌め合いで固定される。内周面３８ｃには、第１嵌入部５２が形成されている。

ここで、本実施形態のアクチュエータ１８は、ステム１４と上側のピストン３８とを連結する連結機構７０を備えている。連結機構７０は、ステム１４とピストン３８とを連結する連結部材７２と、連結部材７２をピストン３８に固定するビス（固定部材）７４と、ステム１４に形成された鍔部（被係合部）７６とから構成されている。

連結部材７２は、ディスク状をなし、開閉検出センサ４２が突出するアクチュエータキャップ３４ａの底面３８ｆと、上側のピストン３８の上面３８ｄとの間のアクチュエータキャップ３４ａの空間３８ｇに位置付けられている。連結部材７２は、ステム１４への挿通によりロッド３０の外周面３０ａ、換言するとステム１４の外周面１４ｂに対向、或いは当接される内周面７２ａと、内周面７２ａにおいて鍔部７６に係合される第１ザグリ部（係合部）７８とを有する。

鍔部７６は、ステム１４の外周面１４ｂを拡径して形成され、鍔部７６の下面７６ａが上側のピストン３８の上面３８ｄに当接している。これにより、圧力室３６に作動流体が供給されたとき、各圧力室３６の圧力によりステム１４がピストン３８とともに押し上げられて上昇する。連結部材７２は、空間３８ｇにおいて、ステム１４のストロークに応じて上下移動しても、アクチュエータキャップ３４ａの底面３８ｆに接触しない厚みを有するとともに、開閉検出センサ４２に接触しない外径を有する。

第１ザグリ部７８は、連結部材７２の内周面７２ａからピストン３８に対向する連結部材７２の下面（対向面）７２ｂに亘って環状に切り欠いて形成され、鍔部７６が嵌入される。第１ザグリ部７８の深さＤは、鍔部７６のステム１４の軸方向における厚みＷ以下に設定されている。

これにより、連結部材７２をビス７４で締結したときに連結部材７２の撓みは発生しない。また、深さＤが厚みＷと等しい場合、第１ザグリ部７８の底面７８ａと鍔部７６の上面７６ｂとが当接し、さらにビス７４の締結力によって鍔部７６の下面７６ａがピストン３８の上面３８ｄに当接する。

図３は、図２のＡ−Ａ方向矢印から見た連結機構７０の平面図を示す。連結部材７２は、平面視円形をなし、４つのビス７４でピストン３８の上面３８ｄに締結される。このように、アクチュエータ１８が連結機構７０を備えることにより、ピストン３８がステム１４に圧入以外の手法で緊密に連結され、ステム１４に対する各ピストン３８の傾きを防止する調芯機能を実現することができる。また、第１嵌入部５２は、内周面３８ｃから第１受圧面３８ｂに至る角部を全周に亘って切り欠いて形成される。

バルブ１の組み立て時に、連結機構７０によりピストン３８をステム１４に連結する前又は後の何れかにおいて、第１嵌入部５２に第１Ｏリング４８が嵌入される。ピストン３８をステム１４に圧入しないため、第１Ｏリング４８の損傷、巻き込み、断裂を確実に防止することができ、各圧力室３６のシール機能が実現される。

また、第１嵌入部５２から第１Ｏリング４８の状態を目視で容易に確認することができる。このため、第１Ｏリング４８の損傷、巻き込み、断裂が万一発生した場合であっても、これらの状態を早期に発見可能である。また、第１Ｏリング４８は、潰れ変形することによる自身の弾性力を第１嵌入部５２の内壁に作用させながら、第１嵌入部５２に摩擦を伴い嵌入されている。このため、第１Ｏリング４８がピストン３８の昇降によっても脱落することはない。

さらに、第１Ｏリング４８は圧力室３６に露出しているため、バルブ１の全開時には、圧力室３６に作用する作動流体の圧力によって、第１Ｏリング４８が第１嵌入部５２の内壁に押し付けられる。この押し付け力により、第１嵌入部５２内において第１Ｏリング４８の潰れ変形がさらに促進され、各圧力室３６のシール性がさらに向上する。

さらに、第１Ｏリング４８は、圧力室３６に露出して作動流体と接触し、作動流体が帯びる温度に応じて熱膨張することがある。このような第１Ｏリング４８の熱膨張が従来のような限られたスペースの嵌入溝で生じると、熱膨張が規制されるとともに熱の逃げ場がないため、第１Ｏリング４８の硬化、軟化、膨潤等の変質を生じることがある。

しかし、本実施形態の場合には、第１嵌入部５２に第１Ｏリング４８が嵌入されて熱膨張の自由度がある程度保証され、また、熱の逃げ経路がある程度確保されている。このため、当該熱膨張に伴う第１Ｏリング４８の変質と、圧力室３６のシール性への影響とが低減される。

一方、区画部材４０は、２つのピストン３８の間において内壁３４ｅに固定され、上側のピストン３８の第１受圧面３８ｂ及び内壁３４ｅとともに上側の圧力室３６を区画している。詳しくは、区画部材４０は、摺動内周面４０ａ、第２受圧面４０ｂ、固定外周面４０ｃを有している。摺動内周面４０ａは、ステム１４の昇降に伴いロッド３０の外周面３０ａに第２Ｏリング（第２弾性部材）５４を介して摺動される。

第２受圧面４０ｂは、環帯状をなし、圧力室３６を内壁３４ｅ及び第１受圧面３８ｂとともに区画し、作動流体の圧力を受ける。固定外周面４０ｃは、Ｏリング５６を介して内壁３４ｅに固定される。摺動内周面４０ａには、摺動面部５８と第２嵌入部６０とが形成されている。摺動面部５８には、ステム１４の昇降に伴いロッド３０の外周面３０ａが摺動する。

第２嵌入部６０は、摺動内周面４０ａから第２受圧面４０ｂに至る角部を全周に亘って切り欠いて形成され、第２Ｏリング５４が嵌入される。これにより、ロッド３０が区画部材４０に対して気密に摺動されるとともに、上側の圧力室３６のシール機能が確保される。また、第２Ｏリング５４は、第１Ｏリング４８の場合と同様に、潰れ変形することによる自身の弾性力により摩擦を伴って第２嵌入部６０に嵌入されている。

このため、第２Ｏリング５４がロッド３０の昇降によっても脱落することはない。さらに、第２Ｏリング５４は、第１Ｏリング４８の場合と同様に、圧力室３６に露出している。このため、バルブ１の全開時には、圧力室３６に作用する作動流体の圧力によって、第２Ｏリング５４が第２嵌入部６０の内壁に押し付けられる。この押し付け力により、第２嵌入部６０内において第２Ｏリング５４の潰れ変形がさらに促進され、上側の圧力室３６のシール性がさらに向上する。

さらに、第２Ｏリング５４は、第２嵌入部６０に嵌入されていることにより、第１Ｏリング４８の場合と同様に、熱膨張がある程度許容される。従って、従来のように限られたスペースで第２Ｏリング５４が熱膨張することにより生じる弊害、つまり、第２Ｏリング５４の変質と、下側の圧力室３６のシール性への影響とが低減される。

さらに、ハウジング３４の底壁３４ｆは、下側の圧力室３６を区画する意味において区画部材４０と同様の機能を有し、下側Ｏリング３７は、底壁３４ｆに設けられた下側嵌入部（第２嵌入部）３９に圧力室３６に露出して嵌入され、第２Ｏリング５４と同様の機能を有している。従って、下側の圧力室３６のシール機能も確保される。さらには、第１受圧面３８ｂには、ステム１４の降下に伴い第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触したときに流路４６の径方向孔４６ｂが連通される第２ザグリ部６２が形成されている。

以下、バルブ１の開閉動作とともに第２ザグリ部６２の機能について説明する。
図４は、バルブ１の弁閉時における縦断面図を示し、図５は、図４のアクチュエータ１８の拡大図を示す。図４及び図５の場合、ステム１４がボンネット６内に設けられたスプリング１６の弾性力により下方に付勢されている。

バルブ１が、図４及び図５に示す弁閉状態から、図１及び図２に示す弁開状態になるときには、供給口４４から流路４６を介して２つの圧力室３６に作動流体が供給され、各圧力室３６の圧力により、スプリング１６の弾性力に抗してピストン３８及びステム１４が引き上げられて上昇する。これにより、ダイヤフラム４は、自身の復元力により断面凸状の自然状態となって弁座２６から離座し、バルブ１は全開状態になる。

一方、バルブ１が、図１及び図２に示す弁開状態から、図４及び図５に示す弁閉状態になるときには、供給口４４からの作動流体の供給が停止され、流路４６及び２つの圧力室３６内の圧力が開放されている。この状態では、スプリング１６の弾性力によりピストン３８及びステム１４が降下する。これにより、ダイヤフラム４は、その中央部がダイヤフラム押え１０により下方へ押圧され、自身の復元力に抗して断面凹状に変形されて弁座２６に当座し、バルブ１は全閉状態になる。

ここで、ストローク調整機構によってステム１４のストローク量を小さくすると、ステム１４の降下に伴い第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触することがあり得る。第１及び第２受圧面３８ｂ、４０ｂ同士の接触が生じると、圧力室３６に必要な容積が確保できず、また、径方向孔４６ｂが塞がれてしまうため、バルブ１の作動不良を生じ得る。また、第１Ｏリング４８が区画部材４０に接触し、第１Ｏリング４８が損傷するおそれもある。

しかし、第１受圧面３８ｂに第２ザグリ部６２を形成したことにより、図５に示すように第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触しても、第２ザグリ部６２の空間には径方向孔４６ｂが開口されているから、当該空間に作動ガスを供給可能である。従って、第２ザグリ部６２の空間が圧力室３６として確保される。

また、第１及び第２受圧面３８ｂ、４０ｂ同士の接触を回避するために安全率を見込んでバルブ１の全閉時における圧力室３６を大きく確保する必要はなく、また、アクチュエータ１８の外形を軸方向に長目に確保する必要はない。従って、アクチュエータ１８、ひいてはバルブ１の信頼性を確保しつつ、アクチュエータ１８、ひいてはバルブ１のさらなる小型化を図ることができる。

また、ストローク調整機構によってステム１４のストローク量を小さく調整したうえで、さらに圧力室３６の容積を第２ザグリ部６２の空間容積を見込んで極力小さく設定することも可能である。これにより、圧力室３６の容積を極力小さく設定することができるため、バルブ１の開閉動作の応答性及び制御性が向上する。さらに、図５に示すように、第１及び第２Ｏリング４８、５４と下側Ｏリング３７とは、ステム１４の降下に伴い第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触したときに第２ザグリ部６２に露出する。

これにより、バルブ１の全閉状態から全開状態に移行するときに圧力室３６に作動流体が供給されると、第２ザグリ部６２の空間において第１及び第２Ｏリング４８、５４が作動流体で押し付けられて潰れ変形する。従って、第１及び第２受圧面３８ｂ、４０ｂ同士が接触する場合であっても、第２ザグリ部６２を形成したことにより各圧力室３６のシール機能が確保される。

以上のように本実施形態のアクチュエータ１８及びそれを備えたバルブ１は、ロッド３０、換言するとステム１４に対するピストン３８の傾きを防止する調芯機能と、圧力室３６のシール機能との双方を実現することができる。特に、バルブ１をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法の成膜技術を利用した半導体製造装置に用いる場合、膜厚が極小となることに伴い成膜回数が増加する。

このため、バルブ１が耐えうる開閉動作の回数（耐用回数）を大幅に増加させなければならない。そこで、ストローク調整機構によりステム１４のストローク量を小さくすることにより、ダイヤフラム４の湾曲変位による負荷を低減し、バルブ１の耐用回数の増加を図ることが考えられる。

しかし、ステム１４のストローク量を小さくすると、従来は誤差範囲として許容されていたピストン３８の微小な傾きの影響度が大きくなる。従って、開閉検知の要求があるバルブ１に開閉検出センサ４２を配置した場合には、開閉検出センサ４２によるバルブ１の開閉動作の誤検出が頻発するおそれがあった。

そこで、本実施形態では、アクチュエータ１８に、ステム１４と上側のピストン３８とを連結する連結機構７０を設けている。連結機構７０を設けたことにより、ステム１４にピストン３８を圧入固定しなくとも良いため、連結機構７０によりステム１４にピストン３８を緊密に連結しつつ、ピストン３８をステム１４に圧入した場合に生じる第１Ｏリング４８の損傷、巻き込み、断裂を防止することができる。

従って、ロッド３０ひいてはステム１４に対する各ピストン３８の傾きを防止する調芯機能を実現と、各圧力室３６のシール機能との双方を実現することができる。さらに、これらの機能の実現により、バルブ１に開閉検出センサ４２を配置する場合、バルブ１の開閉動作の誤検出を防止することができるため、バルブ１の信頼性を向上することができ、また、バルブ１の耐久性を向上することもできる。

より具体的には、連結機構７０は、第１ザグリ部７８を有する連結部材７２、ビス７４、ステム１４に形成された鍔部７６から構成されている。これにより、ステム１４に形成された既存の鍔部７６に連結部材７２の第１ザグリ部７８を係合させ、連結部材７２をビス７４でピストン３８に固定するだけの簡単な構成により連結機構７０を実現することができる。

また、第１ザグリ部７８の深さＤは、鍔部７６のステム１４の軸方向における厚みＷ以下に設定されている。これにより、連結部材７２の撓みを防止しつつ、ステム１４、ピストン３８、連結部材７２を互いの当接によって確実に連結して一体化することができるため、ステム１４に対する各ピストン３８の傾きをより効果的に防止することができる。

さらには、前述したように、第１Ｏリング４８は圧力室３６に露出していることにより、各圧力室３６のシール性がさらに向上する。また、第１Ｏリング４８の熱膨張に伴う第１Ｏリング４８の変質と、圧力室３６のシール性への影響とが低減される。また、区画部材４０に切り欠きによる第２嵌入部６０を形成したことにより、ロッド３０が区画部材４０に対して気密に摺動されるとともに、上側の圧力室３６のシール機能が確保される。

また、ハウジング３４の底壁３４ｆに形成した下側嵌入部３９と、そこに嵌入される下側Ｏリング３７とにより下側の圧力室３６のシール機能も確保される。また、第２Ｏリング５４及び下側Ｏリング３７は圧力室３６に露出していることにより、各圧力室３６のシール性がさらに向上する。また、第２Ｏリング５４の熱膨張に伴う第２Ｏリング５４の変質と、圧力室３６のシール性への影響とが低減される。

また、第１受圧面３８ｂに第２ザグリ部６２を形成したことにより、第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触する場合であっても、圧力室３６の確保が可能である。従って、バルブ１の信頼性を確保しつつバルブ１の小型化を図ることができ、また、バルブ１の開閉動作の応答性及び制御性が向上する。

また、第１及び第２Ｏリング４８、５４と下側Ｏリング３７とは、ステム１４の降下に伴い第１受圧面３８ｂが第２受圧面４０ｂに接触したときであっても第２ザグリ部６２に露出する。これにより、第１及び第２受圧面３８ｂ、４０ｂ同士が接触する場合であっても、第２ザグリ部６２を形成したことにより各圧力室３６のシール機能が確保される。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。例えば、上記実施形態では、ステム１４の被係合部である鍔部７６に対する連結部材７２の係合部は第１ザグリ部７８である。しかし、これに限らず、係合部及び被係合部は種々の態様が可能である。

図６は、本発明の変形例に係る連結機構７０の縦断面図を示す。鍔部７６と第１ザグリ部７８とのステム１４の径方向における互いの当接面、つまり、鍔部７６の上面７６ｂと第１ザグリ部７８の底面７８ａとを、ステム１４から拡径し、且つピストン３８に近づく方向に傾斜したテーパ面として形成する。この場合、連結部材７２の底面７８ａより上側が前述した実施形態の場合に比して薄肉となる。

このため、連結部材７２をビス７４で締結したとき、この薄肉部の若干の撓みが許容される。これにより、第１ザグリ部７８の深さＤと鍔部７６のステム１４の厚みＷとの間に寸法誤差が生じていたとしても、当該撓みにより、第１ザグリ部７８の底面７８ａと鍔部７６の上面７６ｂとを確実に当接させ、さらにビス７４の締結力によって鍔部７６の下面７６ａをピストン３８の上面３８ｄに確実に当接させることができる。

従って、連結機構７０の形成に際した寸法管理を厳密に行わなくとも、ステム１４、ピストン３８、連結部材７２を互いの当接によって確実に連結して一体化することができるため、アクチュエータ１８の生産性を向上しつつ、ステム１４に対する各ピストン３８の傾きをより効果的に防止することができる。

また、連結部材７２は、その周方向に複数に分割して形成しても良い。例えば、４つのビス７４毎に連結部材７２を周方向に４つに分割した場合、分割した部材をビス７４で個々にトルク調整しながら、連結部材７２をピストン３８に締結可能である。従って、ステム１４に対するピストン３８の傾きを防止する調芯機能をより精密に行うことができる。

また、連結機構７０は、鍔部７６をステム１４の外周面１４ｂにおいてさらに拡径し、鍔部７６をピストン３８にビス７４で固定しても良い。この場合には、連結部材７２が不要となるため、連結機構７０ひいてはアクチュエータ１８の部品点数を削減することができ、アクチュエータ１８の生産性がさらに向上する。

また、上記実施形態に限らず、第２ザグリ部６２は第１及び第２受圧面３８ｂ、４０ｂの少なくとも何れか一方に設ければ良い。また、上記実施形態に限らず、アクチュエータ１８は、対となるピストン３８及び圧力室３６を１つずつ備えていても良いし、２つ以上ずつ備えていても良い。また、アクチュエータ１８は、エアオペレートバルブ１に限らず、他の駆動源を有するバルブや、バルブ以外の駆動対象にも適用可能である。

１ エアオペレートバルブ
４ ダイヤフラム（弁体）
１４ ステム
１４ｂ 外周面
１８ アクチュエータ
３０ ロッド（ステム）
３０ａ 外周面
３４ｄ 開口
３４ｅ 内壁
３４ｆ 底壁（区画部材）
３６ 圧力室
３７ 下側Ｏリング（第２弾性部材）
３８ ピストン
３８ａ 摺動外周面
３８ｂ 第１受圧面
３８ｃ 内周面
３９ 下側嵌入部（第２嵌入部）
４０ 区画部材
４０ａ 摺動内周面
４０ｂ 第２受圧面
４２ 開閉検出センサ
４６ 流路
４８ 第１Ｏリング（第１弾性部材）
５０ 圧入面部
５２ 第１嵌入部
５４ 第２Ｏリング（第２弾性部材）
６０ 第２嵌入部
６２ 第２ザグリ部
７０ 連結機構
７２ 連結部材
７２ａ 内周面
７４ ビス（固定部材）
７６ 鍔部（被係合部）
７６ｂ 上面（当接面、テーパ面）
７８ 第１ザグリ部（係合部）
７８ａ 底面（当接面、テーパ面）

Claims (12)

1. 作動流体の供給又は遮断によりステムを昇降させるアクチュエータであって、
   前記ステムが昇降可能に支持されるハウジングと、
   前記ハウジング内に区画され、前記作動流体が供給される圧力室と、
   前記ハウジング内に前記ステムとともに昇降可能に収容されるピストンと、
   前記ステムと前記ピストンとを連結する連結機構と
   を備え、
   前記連結機構は、
   前記ステムの外周面に対向する内周面を有し、前記内周面に前記ステムに対する係合部を有する連結部材と、
   前記連結部材を前記ピストンに固定する固定部材と、
   前記ステムに形成され、前記係合部が係合される被係合部と
   を含む、アクチュエータ。
2. 前記被係合部は、前記ステムの外周面を拡径した鍔部であり、
   前記係合部は、前記連結部材の内周面から前記ピストンに対向する前記連結部材の対向面に亘って環状に切り欠いて形成され、前記鍔部が嵌入される第１ザグリ部である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１ザグリ部の深さは、前記鍔部の前記ステムの軸方向における厚み以下である、請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記ステムの径方向における前記鍔部と前記第１ザグリ部との互いの当接面は、前記ステムから拡径し、且つ前記ピストンに近づく方向に傾斜したテーパ面である、請求項２又は３に記載のアクチュエータ。
5. 前記連結機構は、
   前記ステムの外周面を拡径した鍔部と、
   前記鍔部を前記ピストンに固定する固定部材と
   を含む、請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 前記ピストンは、
   前記ステムの昇降に伴い前記ハウジングのボディの内壁に摺動される摺動外周面と、
   前記圧力室を前記内壁とともに区画し、前記作動流体の圧力を受ける第１受圧面と、
   前記ステムに挿入される挿入面部、及び該挿入面部に連なるとともに前記第１受圧面に亘って切り欠いて形成され、環状の第１弾性部材が嵌入される第１嵌入部からなる内周面と
   を有する、請求項１から５の何れか一項に記載のアクチュエータ。
7. 前記ステムは、前記圧力室に開口する前記作動流体の流路を有し、
   前記アクチュエータは、前記内壁に固定されるとともに、前記第１受圧面及び前記内壁とともに前記圧力室を区画する区画部材を有し、
   前記区画部材は、
   前記ステムの昇降に伴い前記ステムの外周面が第２弾性部材を介して摺動される摺動内周面と、
   前記圧力室を前記内壁及び前記第１受圧面とともに区画し、前記作動流体の圧力を受ける第２受圧面と、
   前記摺動内周面から前記第２受圧面に亘って切り欠いて形成され、前記第２弾性部材が嵌入される第２嵌入部と
   を有する、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記第１及び第２受圧面の少なくとも何れか一方は、前記ステムの降下に伴い前記第１受圧面が前記第２受圧面に接触したときに前記流路が連通される第２ザグリ部を有する、請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記第１及び第２弾性部材は、前記ステムの降下に伴い前記第１受圧面が前記第２受圧面に接触したときに前記第２ザグリ部に露出する、請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記圧力室と、前記圧力室に面する前記ピストンとを複数有する、請求項１から９の何れか一項に記載のアクチュエータ。
11. 前記ステムは、昇降により弁体を開閉作動し、
    前記ピストンの昇降に伴う前記弁体の開閉を前記ピストンまでの距離の変化に基づいて検出する開閉検出センサを有する、請求項１から１０の何れか一項に記載のアクチュエータ。
12. 請求項１から１１の何れか一項に記載のアクチュエータを備えるエアオペレートバルブ。

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