JP5066724B2 - 高真空バルブ - Google Patents

Description

本発明は、理化学機械等において化学反応用の真空チャンバの減圧などに使用する高真空バルブに関するものである。

例えば半導体の製造装置においては、エッチングなどの化学処理が真空チャンバ内で行われるが、このとき真空チャンバの減圧には真空ポンプが使用され、これらの真空ポンプと真空チャンバとを結ぶ外部流路の開閉に高真空バルブが用いられている。
この高真空バルブは、例えば図３に示すように、軸線方向に延びる弁流路４１を有するハウジング４０と、該ハウジング４０における弁流路４１の一端及び側面にそれぞれ開設された開口４２ａ，４３ａに連結されて、それぞれ真空ポンプ及び真空チャンバに接続される２つのポート４２，４３と、上記弁流路４１の一端の開口周りに設けられた弁座４４と、該弁座４４を開閉する弁部材４５と、該弁部材４５を開閉動作させるピストン４６と、該ピストン４６と上記弁部材４５とを相互に連結する弁シャフト４７と、上記弁流路４１内において、該弁シャフト４７の周りをほぼ全長にわたって気密に包囲する伸縮自在の金属ベローズ４８とを有しているのが一般的である。

このような従来の高真空バルブにおいては、上記金属ベローズとして成形ベローズを用いているが、この成形ベローズとは、円筒状の金属材料を加圧成型することにより、軸線方向に沿って凹凸部分を交互に形成したものであり、少ない製造工程で大量生産が可能であることから、製造コストを低く抑えることができるという利点があるものの、その一方で、伸縮性や曲げ性に乏しいという面がある。

ところで、真空チャンバの減圧性能を向上させるために、真空ポンプの能力を上げて高真空バルブを通過する流体の流量を増やすと、その弁流路内に配設された金属ベローズにはより高い流体圧が作用することとなる。このとき、その流体圧は金属ベローズに曲げ方向の力として作用するが、そのような曲げ方向の力が繰り返し作用すると、曲げ変形の繰り返しによる金属疲労によってベローズに亀裂等が生じやすくなり、製品寿命が短くなる虞がある。これは、上述のように曲げ性に乏しい成形ベローズにおいて特に顕著な問題であるが、耐久性や製造コストを勘案すると金属ベローズの長さはより短いことが望ましい。
しかしながら、従来の高真空バルブにおいて、耐久性を優先して金属ベローズの長さを短くすると、上述のように成形ベローズは伸縮性に乏しいため、弁シャフトのストローク量即ち弁部材の開度を十分に確保することができなくなり、結果として、十分な弁流量を確保できなくなるという問題がある。
特開平９−１３３２３８号公報

本発明の技術的課題は、高い流体圧が繰り返し作用する厳しい条件下での使用に対しても耐久性に優れ、しかも製造コストを抑えることができて経済的な高真空バルブを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の高真空バルブは、軸線方向に延びる弁流路を内部に有していて、該弁流路における上記軸線方向の一端に第１開口が開設され、該弁流路における上記軸線と直交する向きに第２開口が開設されて成るハウジングと、該ハウジングの第１開口に連結され、該第１開口を通じて上記弁流路に連通する第１ポートと、該ハウジングの第２開口に連結され、該第２開口を通じて上記弁流路に連通する第２ポートと、上記第１開口の周囲に設けられた弁座と、該弁座を開閉する円盤状の弁部材と、この弁部材の背面から弁流路内を上記軸線方向に延びる弁シャフトとを有する弁主体部、隔壁により該弁主体部と区画され、該隔壁を気密に貫通する上記弁シャフトを介して弁部材を上記軸線方向に駆動する弁体駆動部、金属材料を筒状に形成した筒状体と伸縮自在のベローズとを軸線方向に連結することにより形成され、上記弁流路内において上記弁シャフト周りを気密に包囲する連結体、を備え、上記ベローズは、円環状の金属薄板を複数枚重ね合わせ、隣接する外周縁同士及び内周縁同士を交互に溶接することにより形成された溶接ベローズであり、上記連結体は、上記ベローズの一端に上記筒状体を溶接で連結することにより形成されていて、上記ベローズの他端が上記円盤状の弁部材の背面に固定され、上記筒状体の端部がハウジング内における上記隔壁に近接する位置に固定されていることを特徴としている。

本発明の具体的な構成態様によれば、上記弁部材の背面には、上記弁シャフトに沿って上記隔壁の方向に延びるストッパが配設され、上記隔壁には、該ストッパの当接によって上記弁部材の最大開放位置を決める当接部が上記弁シャフトに沿って設けられ、上記筒状体は、上記当接部の周囲を取り囲むように配設されている。
また、本発明の他の具体的な構成態様においては、上記ハウジングと上記弁体駆動部との間に上記隔壁に沿うようにリング状の支持プレートが配設され、該支持プレートの内周縁に上記筒状体の端部が固定されている。

本発明によれば、弁シャフト周りを気密に包囲するにあたって、成形ベローズよりも伸縮性に優れた溶接ベローズと、筒状体とを併用することにより、弁シャフトのストローク量に対して必要とされるベローズの伸縮量を確保しながらも、ベローズの長さを短く抑えることができ、結果として、製造コストの低減を図ることが可能となる。
また同時に、成形ベローズに比べて曲げ性に優れた溶接ベローズを採用していて、しかも、該溶接ベローズの長さを上述のように短く抑えることができるため、高い流体圧が繰り返し作用する厳しい条件下での使用に対しても耐久性に優れ、長寿命な高真空バルブを提供することができる。

図１は、本発明に係る高真空バルブの第１実施例を示すもので、このバルブは、第１ポート１２と第２ポート１３とを連通させる弁流路１１を弁部材１５で開閉するように構成された弁主体部１と、上記弁部材１５を開閉動作させるためのピストン３２を有した流体圧駆動の弁体駆動部２とを備えている。

上記弁主体部１は、実質的に円柱状又は四角柱状に形成され、軸線Ｌ方向に第１端及び第２端を有するバルブハウジング１０を備えている。このバルブハウジング１０は、該バルブハウジング１０の内部を軸線Ｌ方向に延びる断面略円形の弁流路１１と、該バルブハウジング１０の第１端側に軸線Ｌと同軸に設けられた第１ポート１２と、上記バルブハウジング１０の側面に軸線Ｌと直交する方向に設けられた第２ポート１３と、上記弁流路１１内に設けられた弁座１４とを備えている。上記第１ポート１２は、上記バルブハウジング１０の第１端側に軸線Ｌと同軸に開設された円形の第１開口１２ａを通じて上記弁流路１１と連通している。一方、第２ポート１３は、上記バルブハウジング１０の側壁に軸線Ｌと直交する向きに開設された円形の第２開口１３ａを通じて上記弁流路１１と連通している。ここで、上記第１ポート１２及び第２ポート１３は、互いに略等しい径を有している。また、上記弁座１４は、上記第１開口１２ａの周りを包囲するように、該第１開口１２ａと同軸に形成されている。

上記バルブハウジング１０の内部には、上記弁座１４を開閉するポペット式の上記弁部材１５が、上記弁座１４と同軸に設けられている。この弁部材１５は、略円盤状に形成されていて、その上記第１開口１２ａ側に配された表面の外周端寄りの位置に、上記弁座１４に接離する円環状をしたゴム製の弁シール部材１６を有している。

一方、上記弁部材１５の背面中央部には、弁シャフト１７の先端部が固定されている。この弁シャフト１７は、バルブハウジング１０の内部を軸線Ｌと同軸に延びていて、その基端部が、上記バルブハウジング１０の第２端側において弁主体部１と弁体駆動部２とを区画する隔壁３１を気密かつ摺動自在に貫通すると共に、該弁体駆動部２の内部に延出してピストン３２に連結されている。そうすることにより、該弁シャフト１７を介して上記弁部材１５を軸線Ｌ方向に駆動することができるようになっている。

上記弁シャフト１７の先端部寄りの周囲には、弁部材１５の最大開放位置を規定するための円筒形をしたストッパ１８が取付けられている。このストッパ１８は、上記弁部材１５の背面から弁シャフト１７に沿って一定長さ（この実施例では、弁流路１１の軸線Ｌ方向における長さの略半分の長さ）延びていて、上記弁部材１５の最大開放位置でその先端が上記隔壁３１の当接部３１ａに当たるようになっている。また、上記弁部材１５の背面にはばね座１５ａが設けられ、このばね座１５ａと上記隔壁３１との間に、上記弁部材１５を閉鎖方向に弾発する大小２つのコイル状の復帰ばね１９ａ，１９ｂが、軸線Ｌと同軸状に縮設されている。

さらに、上記弁部材１５の背面側には、上記弁流路１１内おいて弁シャフト１７、ストッパ１８及び復帰ばね１９ａ，１９ｂの周りを気密に包囲する、筒状体２０と伸縮自在のベローズ２１との連結体が設けられていて、上記弁部材１５の開閉動作に伴ってベローズ２１が伸縮するようになっている。
これらの筒状体２０とベローズ２１とは、互いに軸線Ｌ方向に溶接等で気密かつ該軸線Ｌと同軸に連結されていて、この実施例の場合、ベローズ２１が上記弁シャフト１７における上記弁部材１５が固定された先端部側に配設され、筒状体２０が弁シャフト１７における上記弁体駆動部２に連結された基端部側に配設されている。
そして、ベローズ２１における弁シャフト１７の先端部側に配された端部が、弁部材１５の背面に溶接等で気密に固定され、また、筒状体２０における弁シャフト１７の基端部側に配された端部が、上記バルブハウジング１０内における弁部材１５の背面と対向する部位であって、上記バルブハウジング１０の第２端側において弁流路１５を区画する壁、より具体的には、上記バルブハウジング１０の第２端側において該バルブハウジング１０と上記隔壁３１との間に配設されたリング状の支持プレート２２の内周縁に、溶接等で気密に固定されている。

上記ベローズ２１は、円環状の金属薄板を複数枚重ね合わせ、隣接する外周縁同士及び内周縁同士を交互に溶接することにより形成した溶接ベローズである。この溶接ベローズは、円筒状の金属材料を加圧成型して製造した成形ベローズよりも伸縮性に優れており、伸縮量が同程度の成形ベローズと比べて収縮時の長さを短く抑えることができるという利点がある。
そのため、弁部材１５の開閉動作に必要な伸縮量を十分に確保しながらも、収縮時におけるベローズの長さをより短くすることができ、ベローズが短くなった分だけ弁シャフト１７周りに、ベローズよりも安価で、しかも伸縮性が無いためベローズよりも耐久性に優れた上記筒状体２０を組み込むことが可能となる。

また、溶接ベローズは成形ベローズと比べて曲げ性にも優れていて、曲げ方向に対してより弾性的に変形することができるため、流体圧により曲げ方向の力が繰り返し作用しても、曲げ変形の繰り返しによる金属疲労が生じにくい。しかも、同じベローズであれば短いほど流体圧による曲げ変形を抑制することができるため金属疲労が生じにくい。
そこで、この実施例においては、弁部材１５の開閉動作に支障がない範囲において、溶接ベローズ２１の長さが可及的に短く形成されている。
このように、ベローズ２１として溶接ベローズを用いることにより、ベローズ２１の長さを短く抑えて製造コストを抑制することができるばかりでなく、その優れた曲げ性と相俟って金属疲労による亀裂等の発生を可及的に防止することができる。

上記筒状体２０は、金属材料を筒状に形成したもので、全長にわたって上記ベローズ２１の外径とほぼ同じ程度の外径を有し、上記弁流路１１の軸線Ｌ方向における長さのほぼ半分程度の長さを有している。

上記弁体駆動部２は、流体圧シリンダとしての構成を有するもので、上記バルブハウジング１０の第２端側に同軸状に結合されたシリンダハウジング３０を有している。このシリンダハウジング３０は、上記バルブハウジング１０と同じ円柱状又は四角柱状に形成されていて、軸線Ｌ方向の一端側にこのバルブハウジング１０との間を区画する上記隔壁３１を有すると共に、内部にシリンダ孔３３を有しており、このシリンダ孔３３内に上記ピストン３２が、シール部材３４と流体リング３５とを介して摺動自在に収容されている。また、上記シリンダハウジング３０とバルブハウジング１０との間には、上記支持プレート２２がその外周部を挟持されて固定されている。そして、上述したように弁シャフト１７が、シール部材３１ｂを介して、上記隔壁３１を摺動自在かつ気密に貫通してシリンダ孔３３内に延出し、その先端部が上記ピストン３２に連結されている。

上記ピストン３２の一側には、該ピストン３２と上記隔壁３１とで区画された圧力室３６が形成され、この圧力室３６がシリンダハウジング３０の側面に開口する操作ポート３７に接続されている。一方、上記ピストン３２の他側には、シリンダハウジング３０に取付けられた蓋板３８と該ピストン３２とで区画された呼吸室３９が形成され、この呼吸室３９は、上記蓋板３７又はシリンダハウジング３０に開設された呼吸孔３８ａを通じて外部に開放されている。

したがって、上記操作ポート３７を通じて圧力室３６を外部に開放すると、復帰ばね１９ａ，１９ｂの付勢力により上記弁部材１５が前進するため、図１の左半分に示すように、弁シール部材１６が弁座１４に当接して該弁座１４が閉鎖される。この状態においては、上記第１及び第２ポート１２，１３にそれぞれ接続された真空チャンバ及び真空ポンプは互いに遮断されている。
一方、上記操作ポート３７を通じて圧力室３６に圧縮空気等の圧力流体を供給すると、上記ピストン３２が復帰ばね１９ａ，１９ｂの付勢力に抗して後退することにより上記弁部材１５が後退するため、図１の右半分に示すように、該弁部材１５の弁シール部材１６が弁座１４から離間して該弁座１４を開放する。この状態においては、上記第１及び第２ポート１２，１３にそれぞれ接続された真空チャンバ及び真空ポンプは互いに連通されている。

上記構成を有する高真空バルブによれば、弁シャフト１７周りを気密に包囲するにあたって、筒状体２０と成形ベローズよりも伸縮性に優れた溶接ベローズ２１とを相互に軸線Ｌ方向に連結した構成を採用したことにより、弁部材１５の開閉動作に必要なベローズの伸縮量を十分に確保しながらも該ベローズの長さを短く抑えることができ、結果として、バルブ全体の製造コストを抑制することができる。
さらに、溶接ベローズは成形ベローズと比べて曲げ性にも優れており、また同時に、ベローズの長さを短く抑えることによって、流体圧により生じる曲げ変形をより小さくすることができるため、仮に高い流体圧により曲げ方向の力が繰り返し作用しても金属疲労が生じにくく、厳しい条件下での使用にも十分耐えることができ、バルブの長寿命化を図ることができる。

図２は、本発明と関連する高真空バルブの参考例を示すもので、上記第１実施例とは、溶接ベローズと筒状体との位置を相互に入れ替えている点で異なっている。
具体的には、この参考例においては、筒状体２０’が上記弁シャフト１７における上記弁部材１５が固定された先端部側に配設され、溶接ベローズ２１’が弁シャフト１７における上記弁体駆動部２に連結された基端部側に配設されている。
そして、筒状体２０’における弁シャフト１７の先端部側に配された端部が、弁部材１５の背面に溶接等で気密に固定され、また、溶接ベローズ２１’における弁シャフト１７の基端部側に配された端部が、上記バルブハウジング１０内における弁部材１５の背面と対向する部位であって、上記バルブハウジング１０の第２端側において弁流路１５を区画する壁、より具体的には、上記バルブハウジング１０の第２端側において該バルブハウジング１０と上記隔壁３１との間に配設されたリング状の支持プレート２２’の内周縁に、溶接等で気密に固定されている。ここで、上記支持プレート２２’は、上記第１実施例と同様に、その外周部をシリンダハウジング３０とバルブハウジング１０との間に挟持されて固定されている。
この参考例に係るその他の構成及び作用効果等については、上記第１実施例と実質的に同様であるから、説明の重複を避けるため、図面の主要な構成要素に第１実施例と同じ符号を付して説明を省略する。

なお、上記図１及び図２の例において、第１ポート１２及び第２ポート１３を真空チャンバ及び真空ポンプの何れと接続するかは特に限られるものではなく、ベローズと筒状体との位置関係に関わらず流体の流れは何れの方向であっても良い。
また、本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載の発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。

本発明に係る高真空バルブの第１実施例を示す断面図である。ただし、右半分は開弁状態を、左半分は閉弁状態を示す。 本発明と関連する高真空バルブの参考例を示す断面図である。ただし、右半分は開弁状態を、左半分は閉弁状態を示す。 従来の高真空バルブを示す断面図である。ただし、右半分は開弁状態を、左半分は閉弁状態を示す。

符号の説明

１ 弁主体部
２ 弁体駆動部
１０ バルブハウジング
１１ 弁流路
１２ 第１ポート
１２ａ 第１開口
１３ 第２ポート
１３ａ 第２開口
１４ 弁座
１５ 弁部材
１７ 弁シャフト
２０，２０’ 筒状体
２１，２１’ 溶接ベローズ
Ｌ 軸線

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる弁流路を内部に有していて、該弁流路における上記軸線方向の一端に第１開口が開設され、該弁流路における上記軸線と直交する向きに第２開口が開設されて成るハウジングと、該ハウジングの第１開口に連結され、該第１開口を通じて上記弁流路に連通する第１ポートと、該ハウジングの第２開口に連結され、該第２開口を通じて上記弁流路に連通する第２ポートと、上記第１開口の周囲に設けられた弁座と、該弁座を開閉する円盤状の弁部材と、この弁部材の背面から弁流路内を上記軸線方向に延びる弁シャフトとを有する弁主体部、隔壁により該弁主体部と区画され、該隔壁を気密に貫通する上記弁シャフトを介して弁部材を上記軸線方向に駆動する弁体駆動部、金属材料を筒状に形成した筒状体と伸縮自在のベローズとを軸線方向に連結することにより形成され、上記弁流路内において上記弁シャフト周りを気密に包囲する連結体、を備え、
   上記ベローズは、円環状の金属薄板を複数枚重ね合わせ、隣接する外周縁同士及び内周縁同士を交互に溶接することにより形成された溶接ベローズであり、
   上記連結体は、上記ベローズの一端に上記筒状体を溶接で連結することにより形成されていて、上記ベローズの他端が上記円盤状の弁部材の背面に固定され、上記筒状体の端部がハウジング内における上記隔壁に近接する位置に固定されている、
   ことを特徴とする高真空バルブ。
2. 上記弁部材の背面には、上記弁シャフトに沿って上記隔壁の方向に延びるストッパが配設され、上記隔壁には、該ストッパの当接によって上記弁部材の最大開放位置を決める当接部が上記弁シャフトに沿って設けられ、上記筒状体は、上記当接部の周囲を取り囲むように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の高真空バルブ。
3. 上記ハウジングと上記弁体駆動部との間に上記隔壁に沿うようにリング状の支持プレートが配設され、該支持プレートの内周縁に上記筒状体の端部が固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高真空バルブ。

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