JP4053980B2 - 弁及びその作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弁の構造に関し、より詳しくは、シールプレートの引き込みと比べてカウンタープレートの引き込みに遅延を持たせて、圧力の均一化とシール表面の磨耗の低減を図った仕切弁の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の仕切弁の構造は、流体管路と弁座を有する弁ハウジングと、流体管路内の閉位置と開位置の間で移動可能なシールプレートと、開位置と閉位置の間でシールプレートを移動するためのアクチュエータ機構とを含む。シールプレートは弁座と係合して、流体管路を閉位置に封止する。シールプレートは閉位置から待避位置に移動させ、次に開位置に直線的に移動させることが出来る。
【０００３】
仕切弁は様々な用途に使用される。用途の違いによって液体、気体および真空を扱うことがある。多くの用途では、開位置と閉位置の間で頻繁に切り替えながら、長い寿命にわたって動作して、微粒子を余り発生しないことが必要とされる。そのような用途の一例としては、半導体ウェハの処理装置がある。半導体素子の小型化が進み、回路の高密度化が進行するにつれて、半導体ウェハはますます微粒子による汚染の影響を受けやすくなっている。処理チャンバーの真空容器内の部品、例えば仕切弁などは、微粒子による汚染を引き起こす可能性がある。更に、仕切弁が故障すれば半導体製造ラインの全部または一部の操業を停止しなければならない場合があり、スループットに悪影響を及ぼす。そのため、稼働寿命が長いことと微粒子の発生が少ないことが、仕切弁の重要な特性である。
【０００４】
仕切弁が起こす可能性のある別の問題は、弁の開閉に伴って生じる衝撃と振動に関するものである。衝撃と振動は、仕切弁に近い高感度の装置を損傷したりその動作を中断する可能性がある。従来の仕切弁の動作によって生じる衝撃は、低温真空ポンプの内部から炭を剥落させる可能性がある。そのため、仕切り弁が発生する衝撃と振動を抑制することが望まれる。
直線的に移動可能なシールプレートを有する仕切弁が、１９７７年１０月４日にSchertlerに対する米国特許第４０５２０３６号に開示されている。シールプレートとカウンタープレートが、板バネによって互いに向かって付勢されている。アクチュエータは、シールプレートとカウンタープレート内の凹部に係合する一連のローラーを付帯する。シールプレートとカウンタープレートが停止位置に達すると、アクチュエータは移動を続けてローラーを凹部から押し出し、シールプレートとカウンタープレートを閉位置に向かって移動させる。シールプレートは弁座に係合し、カウンタープレートは支持表面に係合する。閉位置では、カウンタープレートはシールプレートに対する支持を行い、弁の両側の圧力差によってシールプレートが弁座から押し出されるのを防止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この設計の仕切弁が開くと、シールプレートとカウンタープレートは同時に引き戻される。そのためシールプレートと弁座の間のシールが解除されると、シールプレートは支持されなくなる。弁の両側に圧力差があると、支持を失ったシールプレートはローラーとカウンタープレートに押しつけられる。それによって衝撃が生じ、高感度な部品を損傷してその破片を微粒子としてシステム内に飛散させる可能性がある。それに加えて、シールプレートが弁座から引き込まれるときにシールプレート上のエラストマー製のリングが引っかいたりこすられたりする可能性がある。そのような引っかきやこすりは、エラストマー製リングを磨耗させて仕切弁の稼働寿命を短くする可能性がある。
【０００６】
そのため、仕切弁の改良された構造が求められている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の形態では、弁が提供される。この弁は、流体管路を有し弁座と支持表面を規定する弁ハウジングと、シールプレートと、カウンタープレートと、開位置と閉位置の間でシールプレートとカウンタープレートを移動するためのアクチュエータと、シールプレートとカウンタープレートとアクチュエータとの間で動作可能に結合された結合機構からなる。閉位置では、シールプレートは弁座とシールされた係合関係にあり、カウンタープレートは支持表面と係合している。弁が開くと、結合機構はシールプレートを弁座から引き戻した後で、カウンタープレートを支持表面から引き戻し、カウンタープレートとシールプレートとをアクチュエータの移動方向に移動させる。
【０００８】
本発明の１つの実施形態では、結合機構はシールプレート内の１つ以上のシールプレート溝と、カウンタープレート内の１つ以上のカウンタープレート溝と、アクチュエータ内に移動可能に取り付けられたローラーエレメントと、シールプレートおよびカウンタープレートを引き込み位置に向かって付勢する１つ以上のバネからなる。アクチュエータが閉位置に向かい、またはそれから離れるように移動すると、ローラーエレメントはシールプレート溝とカウンタープレート溝に沿って移動する。シールプレート溝とカウンタープレート溝はそれぞれ浅い部分と深い部分を有する。シールプレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移点は、カウンタープレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移点に対して、アクチュエータの移動方向にずらされている。１つの実施形態では、シールプレート溝とカウンタープレート溝はそれぞれ浅い部分と深い部分の間に比較的急激な遷移領域を有する。別の実施形態では、シールプレート溝はそれぞれ浅い位置と深い位置の間に比較的ゆるやかな遷移領域を有し、カウンタープレート溝はそれぞれ浅い部分と深い部分の間に比較的急激な遷移領域を有する。
【０００９】
本発明の別の形態によれば、閉位置においてシールプレートが弁座と係合し、カウンタープレートが支持表面と係合している仕切弁を作動させる方法が提供される。この方法はシールプレートを弁座から引き込む工程と、シールプレートを弁座から引き込んだ後でカウンタープレートを支持表面から引き込む工程と、その後シールプレートとカウンタープレートとを開位置に移動させる工程とからなる。
カウンタープレートを支持表面から引き込む前にシールプレートを弁座から引き込むことにより、弁の両側に圧力差があってもそれが等化される。従ってシール状態が解除されたときにカウンタープレートが支持表面にぶつかることが回避される。更に、シールプレートは弁座に対してほぼ垂直に弁座からから引き込まれ、従ってシール表面がこすられたり磨耗することが抑制される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による仕切弁の第一の実施形態を図１〜５に示す。図１〜５における類似の要素には同一の参照番号で示す。
仕切弁１０は、気体または液体を流すための通路としての流体管路１４、および弁をシステムの他の部品に取り付けるためのフランジ１５を有する弁ハウジング１２を含む。仕切弁を真空に応用する場合には、気体圧力は低くて良い。弁ハウジング１２は以下に述べるようにシールプレートとの係合のための弁座１６を規定する。弁ハウジング１２はまた、更に以下で述べるようにカウンタープレートとの係合のための支持表面１８も規定する。流体管路１４は一般に円筒形、四角形、三角形、または他の任意の適切な形状を有することが出来る。弁座１６と支持表面１８は、おのおの流体管路１４を取り囲む表面という形態をとることが出来る。
【００１１】
仕切弁１０は更にシールプレート２０、カウンタープレート２２およびアクチュエータアセンブリ３２を含み、またエアシリンダー等の弁アクチュエータ３４を含むことが出来る。別の構成では、アクチュエータ３４の代わりに仕切弁を手動で操作するためのハンドルその他適切な器具を使用することができる。アクチュエータアセンブリ３２は、一端が弁アクチュエータ３４に接続されたシャフト４０を含む。シャフト４０の反対側の端はアクチュエータエレメント４４に接続される。
【００１２】
シールプレート２０とカウンタープレート２２は、アクチュエータエレメント４４の対抗する両側に位置する。弁が閉じているときに弁座１５とシールプレート２０の間をシールして真空を維持するために、シールプレート２０内の溝にエラストマー製のリング６４が取り付けられている。閉じた位置では図１に示すように、カウンタープレート２２は支持表面１８と接している。カウンタープレート２２には、圧力等化を早めるために空気抜きの穴６６を持たせても良い。
【００１３】
アクチュエータエレメント４４とシールプレート２０とカウンタープレート２２の間には、結合機構５０が配置されている。結合機構５０は、以下に述べるように閉位置と引き込み位置の間でのシールプレート２０とカウンタープレート２２との運動を制御する。下で述べるように、結合機構５０はローラー５２と、シールプレート２０およびカウンタープレート２２内の溝と、シールプレート２０およびカウンタープレート２２の間に接続された１つ以上のバネとを含む。ローラー５２はボールでもよいが、アクチュエータエレメント４４内の開口４６および４８内に移動可能に取り付けられる。
【００１４】
結合機構５０は、一端がシールプレート２０に取り付けられて他端がカウンタープレート２２に取り付けられている少なくとも１つのバネ７０を含む。バネ７０はシールプレート２０とカウンタープレート２２を互いに向かって付勢する。弁が閉じられると、バネ７０は図１に示すように変形し、シールプレート２０とカウンタープレート２２を互いに向かって引きつける復元力を発生する。板バネ、皿バネ、コイルバネ、その他任意の適切なバネが、本発明の範囲内で利用可能であることが、理解されるであろう。
【００１５】
シールプレート２０には溝８０と溝８２が設けられている。カウンタープレート２２には溝８４と溝８６が設けられている。溝８０、８２、８４および８６は、それぞれのローラー５２を係合するような位置および形状に形成されている。各溝はそれぞれのプレートの引き込み位置を規定する深い部分と、それぞれのプレートの閉じた位置を規定する浅い部分と、深い部分と浅い部分の間の遷移領域とを有する。例えば溝８０は深い部分８０ａ、浅い部分８０ｂおよび、深い部分８０ａと浅い部分８０ｂの間の遷移領域８０ｃを含む。
【００１６】
アクチュエータアセンブリ３２と弁アクチュエータ３４の制御により、シールプレート２０とカウンタープレート２２は図１に示す閉位置と、図２および３に示す引き込み位置、および開位置（図示せず）の間で移動可能である。開位置では、シールプレート２０とカウンタープレート２２は流体管路１４から離れて弁ハウジング１２の上部１２ａ（図４）内に移動して、液体または気体の通過を許す。閉位置では、シールプレート２０は弁座１６とのシールされた係合関係にあり、液体または気体が流体管路１４を通って通過するのを阻止する。図２および３に示す引き込み位置については以下で詳しく述べる。
【００１７】
作動に当たっては、シャフト４０がシールプレート２０、カウンタープレート２２およびアクチュエータエレメント４４を図１に示す閉位置から図２に示す第一の引き込み位置へ、そして次に図３に示す第二の引き込み位置に移動する。図１に示す閉位置では、ローラー５２は溝８０、８２、８４および８６の浅い位置に係合する。これによりシールプレート２０は弁座１６との間のシールされた係合関係に入り、カウンタープレート２２は支持表面１８との係合関係に入る。カウンタープレート２２は閉位置においてシールプレート２０に支持を与え、弁１０の両側の圧力差によってシールプレート２０が弁座１６との係合位置から外れるのを防止する。
【００１８】
結合機構５０は、弁を開くときにシールプレート２０とカウンタープレート２２が有利な動きをするような構成とされる。特に弁は、アクチュエータ３４に通電して図1〜３に示すようにシャフト４０およびアクチュエータエレメント４４を左に動かすことによって開放される。図２は、シールプレート２０が弁座１６から引き戻され、カウンタープレート２２が支持表面１８との係合関係を維持する第一の引き込み位置への運動を示す。第一の引き込み位置では、弁のシール状態が解除され、弁１０の両側の圧力差が無くなる。カウンタープレート２２が支持表面１８との係合関係を維持するため、シールプレート２０の弁座１６からの引き戻しは弁座１６とほぼ直角に行われ、その結果、エラストマー製リング６４の摩擦と磨耗は抑制される。更にまた、図２に示す第一の引き込み位置ではカウンタープレート２２が支持表面１８との係合関係を維持するため、カウンタープレート２２の支持表面１８への衝突は回避される。
【００１９】
シャフト４０およびアクチュエータエレメント４４が更に左に動くと、弁は図３に示す第二の引き込み位置をとり、ここではシールプレート２０は弁座１６から引き戻され、カウンタープレート２２は支持表面１８との係合関係から外される。するとシールプレート２０とカウンタープレート２２は流体管路１４から離れた開位置へ、あるいは部分的に開放した位置へ移動することが出来る。このように結合機構５０は、シールプレート２０が弁座１６から引き戻された後で、カウンタープレート２２が支持表面１８から引き戻されるように構成される。シールプレート２０の弁座１６からの引き戻しとカウンタープレート２２の支持表面１８からの引き戻しの間の遅延は、アクチュエータ３４のスピードと、結合機構５０の設計に依存する。この遅延は、弁１０の両側の圧力差が解消するのに十分なように選択されることが好ましい。
【００２０】
図１〜３に示す弁動作を実現する結合機構５０の動作を、以下説明する。図示したように、シールプレート２０内の溝８０と８２はアクチュエータの移動方向に延びる深い部分を有し、またそれぞれ溝８４および８６内の遷移領域８４ｃおよび８６ｃに対してアクチュエータの移動方向にずらされた深い部分と浅い部分の間にそれぞれ遷移領域８０ｃおよび８２ｃを有する。弁を開くときにアクチュエータエレメント４４が左に移動すると、ローラー５２はそれぞれの溝８０、８２、８４および８６の浅い部分に沿って移動し、シールプレート２０とカウンタープレート２２は最初はそれぞれの閉位置に固定されている。遷移領域８０ｃおよび８２ｃは遷移領域８４ｃおよび８６ｃに対してずれているので、ローラー５２は最初は図２に示すように、シールプレート２０内の溝８０と８２の深い部分に係合している。バネ７０はシールプレート２０を弁座１６から引き戻す。図２の第一の引き戻し位置では、ローラー５２はカウンタープレート２２内の溝８４および８６の浅い部分の中にあり、カウンタープレート２２は支持表面１８との係合関係を維持している。
【００２１】
図３に示すようにアクチュエータエレメント４４が更に左に移動すると、ローラー５２は移動して溝８４および８６の深い部分に入り、カウンタープレート２２は支持表面１８から引き戻される。この運動の間、ローラー５２はシールプレート２０内の溝８０と８２の引き延ばされた深い部分に沿って移動し、シールプレート２０は引き戻された位置に留まる。シールプレート２０とカウンタープレート２２が開位置に向かって移動するとき、バネ７０はシールプレート２０を溝８０と８２の深い部分に保持し、カウンタープレート２２を溝８４と８６の深い部分に保持する。これにより、溝８４および８６内の遷移領域からずらされた遷移領域を有する溝８０および８２とローラー５２の配置により、図１〜３に示した望ましい運動が実現する。
【００２２】
図１〜３に示され、上で説明した弁の運動を実現するために、異なるメカニズムを利用することも出来ることが理解されるであろう。例えばシールプレート２０内の溝に係合したローラーを、カウンタープレート２２内の溝に係合したローラーからずらしても良い。更にまた異なる溝形状やローラーのタイプも、本発明の範囲内で利用できる。結合機構は一般に、シールプレートを弁座から引き戻した後でカウンタープレートを支持表面から引き戻す。
【００２３】
本発明による仕切弁の第二の実施形態を図６〜８に示す。図１〜８における類似の要素には同一の参照番号を付ける。図６〜８の実施形態は、主にシールプレート２０の溝の形状に関して図１〜３の実施形態と異なる。図１〜３の実施形態では、シールプレート２０内の溝８０および８２とカウンタープレート２２内の溝８４および８６は、浅い部分と深い部分の間に比較的急激な遷移領域８０ｃ、８２ｃ、８４ｃおよび８６ｃを有していた。図６〜８の実施形態では、シールプレート２０は浅い部分と深い部分の間に傾斜、すなわち緩やかな遷移領域を有する溝１８０および１８２を有する。これによりシールプレート２０を、急激な動きのない滑らかな運動で弁座１６から引き戻すことができる。図１〜３の実施形態と同様に、シールプレート２０が先ず図７に示すように弁座１６から引き戻され、次にカウンタープレート２２が図８に示すように支持表面１８から引き戻される。シールプレート２０およびカウンタープレート２２内の溝は、本発明の範囲内で様々な形状とすることができることが理解されるであろう。
【００２４】
本発明の精神および範囲内で、本特許明細書で説明され図面に示された実施形態の様々な変形や変更が行えることを理解すべきである。従って先に説明し、また添付図面に示した全ての内容は、限定的なものではない。本発明は添付のクレームおよびそれと同等物によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による仕切弁の第一の実施形態の、閉位置における横方向の部分的な横断面図である。
【図２】 図１に示す弁の第一の引き込み位置における横方向の部分的な横断面図である。
【図３】 図１に示す弁の第二の引き込み位置における横方向の部分的な横断面図である。
【図４】 図１の弁の正面図である。
【図５】 図１の弁のシールプレートおよびアクチュエータの正面からの部分的断面図である。
【図６】 本発明による仕切弁の第二の実施形態の、閉位置における横方向の部分的な横断面図である。
【図７】 図６に示す弁の第一の引き込み位置における横方向の部分的な横断面図である。
【図８】 図６に示す弁の第二の引き込み位置における横方向の部分的な横断面図である。
【符号の説明】
１０ 弁
１４ 流体管路
１６ 弁座
１８ 支持表面
２０ シールプレート
２２ カウンタープレート
３４ アクチュエータ
５０ 結合機構

Claims (14)

1. 流体管路を有し、弁座と支持表面とを規定する弁ハウジングと、
   シールプレートと、
   カウンタープレートと、
   前記シールプレート及び前記カウンタープレートを開位置と閉位置の間で移動させるアクチュエータであって、閉位置では前記シールプレートを前記弁座とのシールされた係合関係に置き、かつ、前記カウンタープレートを前記支持表面との係合関係に置くアクチュエータと、
   前記シールプレート、前記カウンタープレートおよび前記アクチュエータの間に動作可能に結合された結合機構とを有してなり、
   前記結合機構は、弁が開放されるときに、前記シールプレートを前記弁座から、前記弁座とほぼ垂直な方向に引き戻し、その後に、前記カウンタープレートを前記支持表面から、前記支持表面とほぼ垂直な方向に引き戻すことを特徴とする、弁。
2. 前記結合機構が前記シールプレート内の１つまたは複数のシールプレート溝と、前記カウンタープレート内の１つまたは複数のカウンタープレート溝と、前記アクチュエータ内に移動可能に取り付けられたローラーエレメントと、前記シールプレートおよび前記カウンタープレートを引き戻し位置に向かって付勢する１つまたは複数のバネとを有してなり、前記アクチュエータが閉位置に向かいまたはそれから離れるように移動するときに前記ローラーエレメントが前記シールプレート溝及び前記カウンタープレート溝に沿って移動する、請求項１記載の弁。
3. 前記シールプレート溝および前記カウンタープレート溝が各々浅い部分と深い部分とを有し、シールプレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移領域は、カウンタープレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移領域に対して、アクチュエータの移動方向にずらされている、請求項２記載の弁。
4. 前記シールプレート溝と前記カウンタープレート溝が各々、浅い部分と深い部分との間に急激な遷移部分を有する、請求項３記載の弁。
5. 前記シールプレート溝が各々浅い部分と深い部分の間に緩やかな遷移部分を有し、前記カウンタープレート溝が各々浅い部分と深い部分との間に急激な遷移部分を有する、請求項３記載の弁。
6. 前記弁ハウジングと前記シールプレートが仕切弁として構成されている、請求項１記載の弁。
7. 前記ローラーエレメントがボールである、請求項１記載の弁。
8. 前記カウンタープレートが少なくとも１つの空気抜き穴を有する、請求項１記載の弁。
9. 閉位置ではシールプレートが弁座と係合し、カウンタープレートが支持表面と係合する仕切弁を作動させる方法であって、
   前記シールプレートおよび前記カウンタープレートを引き戻すために、前記シールプレート、前記カウンタープレートおよびアクチュエータの間に動作可能に結合された結合機構を用意し、
   前記シールプレートを前記弁座から、前記弁座とほぼ垂直な方向に引き戻し、
   前記シールプレートを前記弁座から引き戻した後に、前記カウンタープレートを前記支持表面から、前記支持表面とほぼ垂直な方向に引き戻し、
   前記カウンタープレートを前記支持表面から引き戻した後、前記シールプレートと前記カウンタープレートとを開位置に移動させることを特徴とする、仕切弁の作動方法。
10. 流体管路を有し、弁座と支持表面とを規定する弁ハウジングと、
    シールプレートと、
    カウンタープレートと、
    前記シールプレートと前記カウンタープレートを開位置と閉位置の間で移動させるアクチュエータであって、閉位置では前記シールプレートを前記弁座とのシールされた係合関係に置き、かつ、前記カウンタープレートを前記支持表面との係合関係に置くアクチュエータと、
    前記シールプレートを前記弁座から、前記弁座とほぼ垂直な方向に引き戻した後で、前記カウンタープレートを前記支持表面から、前記支持表面とほぼ垂直な方向に引き戻す手段とを有してなることを特徴とする、仕切弁。
11. 前記引き戻し手段が、前記シールプレート内の１つまたは複数のシールプレート溝と、前記カウンタープレート内の１つまたは複数のカウンタープレート溝と、前記アクチュエータ内に取り付けられたローラーエレメントと、前記シールプレートおよび前記カウンタープレートを互いに向かって付勢する１つまたは複数のバネとを有してなり、前記アクチュエータが閉位置に向かいまたはそれから離れるように移動するときに前記ローラーエレメントが前記シールプレート溝と前記カウンタープレート溝に沿って移動する、請求項１０記載の仕切弁。
12. 前記シールプレート溝および前記カウンタープレート溝が各々、浅い部分と深い部分を有し、前記シールプレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移領域は、前記カウンタープレート溝内の浅い部分と深い部分の間の遷移領域に対して、アクチュエータの移動方向にずらされている、請求項１１記載の仕切弁。
13. 前記シールプレート溝と前記カウンタープレート溝が各々、浅い部分と深い部分との間に急激な遷移領域を有する、請求項１２記載の仕切弁。
14. 前記シールプレート溝が各々浅い部分と深い部分との間に緩やかな遷移領域を有し、前記カウンタープレート溝が各々浅い部分と深い部分の間に急激な遷移領域を有する、請求項１２記載の仕切弁。

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