JP5712053B2 - Valve actuator - Google Patents
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Description
本発明は、高圧流体が流れる管路に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し、特に、半導体製造装置等の配管系に使用されるメタルダイヤフラム弁用のアクチュエータに適したバルブ用アクチュエータに関する。 The present invention relates to a valve actuator suitable for a valve used in a pipe line through which a high-pressure fluid flows, and more particularly, to a valve actuator suitable for a metal diaphragm valve actuator used in a piping system of a semiconductor manufacturing apparatus or the like.
通常、半導体製造装置等で用いられるメタルダイヤフラム弁は、金属製ダイヤフラムと、樹脂製シートパッキンとを有し、このバルブの上部側にアクチュエータが搭載されている。このアクチュエータは、ダイヤフラムの上部に配設されたダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させるステムを有し、このステムによりダイヤフラム押圧体を介してダイヤフラムを押圧又は押圧解除することで、ダイヤフラムとパッキンとの間の流路を開閉させる構造になっている。
更に、ダイヤフラム弁を高圧流体用として用いる場合には、弁体による密閉性を高めるためにアクチュエータによるダイヤフラム動作時の推力を高める必要が生じる。この場合、一般的に、高圧流体用のアクチュエータは、ピストンとシリンダとを有する機構を備え、このピストン・シリンダ機構により押圧体の推力を高めるようになっている。更に、ピストンの推力をより高めるために、シリンダ構造を二段や三段などの複数段に設ける場合もある。
Usually, a metal diaphragm valve used in a semiconductor manufacturing apparatus or the like has a metal diaphragm and a resin sheet packing, and an actuator is mounted on the upper side of the valve. This actuator has a stem that directly presses and moves the diaphragm pressing body disposed on the upper portion of the diaphragm, and presses or releases the diaphragm through the diaphragm pressing body by this stem, so that the diaphragm and the packing can be moved. It is the structure which opens and closes the flow path between.
Further, when the diaphragm valve is used for high-pressure fluid, it is necessary to increase the thrust during the diaphragm operation by the actuator in order to improve the sealing performance by the valve body. In this case, in general, an actuator for high pressure fluid includes a mechanism having a piston and a cylinder, and the thrust of the pressing body is increased by the piston / cylinder mechanism. Furthermore, in order to further increase the thrust of the piston, the cylinder structure may be provided in a plurality of stages such as two stages or three stages.
一方、アクチュエータ内にエアシリンダの推力を増大するための機構が内部に設けられたメタルダイヤフラム弁が知られている。この種のダイヤフラム弁として、例えば、特許文献1のメタルダイヤフラム弁が知られている。このダイヤフラム弁は、硬球とテーパ付押圧部材とを有し、押圧部材をくさびとして硬球に作用させてダイヤフラムを押圧する力を増大させるようにしたものである。
On the other hand, a metal diaphragm valve is known in which a mechanism for increasing the thrust of an air cylinder is provided inside the actuator. As this type of diaphragm valve, for example, a metal diaphragm valve of
図14、図15においては、同文献1のダイヤフラム弁と同様の内部構造を有する従来のバルブ用アクチュエータを示している。このアクチュエータ装置1は、ボール体2、略円錐状の傾斜面3を有する小径のニードル4、すり鉢状の傾斜面部5を有する筒状部材6、ダイヤフラム押え7を押圧する押圧部材8を有している。このアクチュエータ装置1は、通常時にボデー部9内部に設けられたスプリング部材10の弾発力によってダイヤフラム弁11内のダイヤフラム弁体12の閉状態を維持しようとする、いわゆるノーマリークローズ(NC)タイプになっている。アクチュエータ装置1のボデー部9内に圧縮エアが流入すると、図15(b)の状態からボデー部9内に設けられたピストン部13が上昇し、このピストン部13とともにニードル4も図15(a)の状態まで上昇する。ニードル4が上昇すると、このニードル外周の傾斜面3に沿ってボール体2が縮径方向に移動し、このボール体2が筒状部材6の傾斜面部5にガイドされるように上方向にも移動して押圧部材8による押圧が解除され、ダイヤフラム弁体12が上昇して弁開状態になる。このとき、ニードル4が上下移動するときの図示しないストロークは、押圧部材が上下動するときのストロークの5〜6倍程度になっている。
14 and 15 show a conventional valve actuator having an internal structure similar to that of the diaphragm valve disclosed in the
このアクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11とを一体に組み込む場合には、筒状部材6、ニードル4が組み込まれたアクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11との間にボール体2を装着した状態で、このアクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11とを螺着によって固着する。この螺着位置を調節することでニードル4、ボール体2、押圧部材8の位置関係を決定する。そして、アクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11との螺着を調整して位置関係を合わせ、ダイヤフラム弁体12を弁閉位置に合わせた状態で、固定用に設けた調節ネジ14により一体化して弁閉状態に設定するようになっている。
When the
ところで、半導体製造用の高圧用メタルダイヤフラム弁は、高圧流体への対応に加えて小型化やコストダウンも望まれている。この場合、アクチュエータのシリンダ形状を従来の四角から丸形に形成することで、小型化と材料の削減によるコストダウンに対応させることがある。 Incidentally, high-pressure metal diaphragm valves for semiconductor manufacturing are desired to be reduced in size and cost in addition to being compatible with high-pressure fluids. In this case, by forming the cylinder shape of the actuator from a conventional square to a round shape, the cost may be reduced due to downsizing and material reduction.
しかしながら、ステムでダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させる構造のアクチュエータは、高圧流体用を流す場合にダイヤフラム押圧体による推力を高めることが必要になり、この場合、シリンダを複数段の構造に設けると、高さ方向の寸法の増加により小型化が難しくなるとともに、部品点数が増加して内部構造も複雑化していた。 However, an actuator that directly moves the diaphragm pressing body with the stem and moves it up and down needs to increase the thrust by the diaphragm pressing body when flowing high pressure fluid. In this case, the cylinder has a multi-stage structure. When it is provided, it is difficult to reduce the size due to an increase in the dimension in the height direction, and the number of parts increases and the internal structure becomes complicated.
一方、特許文献1のメタルダイヤフラム弁や図14、15のアクチュエータに関しては、図14に示すように、押圧部材8の上面側にボール体2をガイドするニードル4が設けられている。このため、ニードル4の移動方向において押圧部材8が邪魔になり、ニードル4の上下動時のストロークが限られることで傾斜面3の長さも限られる。そして、ニードル4のストロークを大きく確保することが難しくなり、傾斜面3によるボール体2の作動範囲が狭くなっていた。これにより、ニードル4の上下移動時のストロークは、押圧部材8の上下動時のストロークの5〜6倍程度に限られ、ピストン部13による推力の拡大も5〜6倍程度が限界になっていた。
この推力を上げるためにはシリンダを複数段に設ける必要が生じるが、この場合、全体が大型化すると共に、部品点数も増加してコストアップにつながっていた。
On the other hand, regarding the metal diaphragm valve of
In order to increase the thrust, it is necessary to provide a plurality of cylinders. In this case, the entire size is increased and the number of parts is increased, leading to an increase in cost.
上記のようにテーパ付きの小径ニードル4の傾斜面3の外周側にボール体2を配置した構造であるため、配置可能なボール体2の数が限られ、例えば、3〜4個程度の少数個しか配置することができない。ボールが少数個であると、可動時に1個当たりのボール体2にかかる荷重が大きくなる。この場合には、摩擦が増加してボール体2がより激しく消耗したり、このボール体2からの強い押圧力で筒状部材6や押圧部材8が陥没することなどにより耐久性が乏しくなっていた。
Since the
アクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11とを組み込む場合、アクチュエータ装置1とダイヤフラム弁11とを螺着により一体化し、この螺着位置によってニードル4、ボール体2、押圧部材8の位置関係を調節してダイヤフラム弁体12の弁閉位置を合わせることになる。そのため調整が面倒になり、所定の調整位置に固定するための調整ネジ14が必要になって部品点数も増加していた。
When the
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、全体の小型化と部品点数の削減とを図りつつ、バルブを作動させる推力を高めることによりシール性を向上させて高圧流体用のバルブに適用でき、しかも、可動時にかかる荷重を分散させて耐久性を向上させ、内部構造を単純化して部品点数を削減し、バルブへの組付けや調整も容易なバルブ用アクチュエータを提供することにある。 The present invention has been developed in order to solve the above-mentioned problems. The object of the present invention is to increase the thrust force for operating the valve while reducing the overall size and reducing the number of parts. It can be applied to valves for high-pressure fluid with improved performance, and the load applied when moving is distributed to improve durability, the internal structure is simplified to reduce the number of parts, and assembly and adjustment to the valve is also possible An object of the present invention is to provide an easy valve actuator.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、弁駆動用出力軸部の上部に設けたディスク面上に移動部材である複数個のボールを配置し、これらのボールをアクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定ディスク面とピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面との間に挟持して構成されており、ピストンの作動によりディスク面に載置されたボールがディスク面と固定ディスク面との間を移動することによって、ピストンの推力を出力軸部に拡大して出力と共に、前記シャフトを前記アクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によって前記シャフトを上下に調整可能に設けて前記固定ディスクの位置を調整可能に設けたバルブ用アクチュエータである。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、アクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定部材に移動部材であるローラカムを軸着し、このローラカムの上端に設けた第1ローラ部材を、ピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面に移動自在に当接し、ローラカムの下端に設けた第2ローラ部材を弁軸駆動用出力軸部のディスク面に押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力すると共に、前記シャフトを前記アクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によって前記シャフトを上下に調整可能に設けて前記ローラカムの位置を調整可能に設けたバルブ用アクチュエータである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a valve actuator including a thrust expansion mechanism for enlarging the thrust of the piston and closing the valve by an air-driven actuator operated by the piston, wherein the thrust expansion mechanism is a lower end of the shaft fixed to the actuator body. A roller cam, which is a moving member, is pivotally attached to the fixed member, and the first roller member provided at the upper end of the roller cam is hollowed out from the inside of the piston so as to expand along the inner peripheral opening side of the piston. The second roller member provided at the lower end of the roller cam is pressed against the disk surface of the valve shaft drive output shaft to expand the piston thrust to the output shaft. and while it outputs, to the shaft and fixed screwed to the top of the actuator body, adjusting the shaft up and down by the screwing structure Capable provided is adjustably disposed actuator valve position of the roller cam.
請求項3に係る発明は、弁を駆動する推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしたバルブ用アクチュエータである。
The invention according to
請求項4に係る発明は、テーパ面状部面、固定ディスク面及びディスク面の何れかを、二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成したバルブ用アクチュエータである。
The invention according to
請求項1に係る発明によると、出力軸部上部のディスク面上に複数個のボールを配置し、これらのボールをシャフト下端の固定ディスク面と、ピストン内周開口側の円錐形状のテーパ面状部面との間に挟持する推力拡大機構を有しているため、例えば、ダイヤフラムバルブにおいては弁開から弁閉に移動するとダイヤフラムの受圧面積と共に締め切り推力が増加するが、この締め切りに必要な推力に合わせた効率的な出力推力を得ることができ、弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
このとき、テーパ面状部を直線とした場合にはこの直線部でのボールによる拡大率が一定になり、二段テーパとした場合には二段の拡大率に変化するだけであるため、スプリング荷重の減少とともに出力推力も減少するおそれがあるが、テーパ面状部面、固定ディスク面、或はディスク面の何れか一つを曲面に形成することで、スプリング荷重が減少した場合でも弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加させることが可能になる。
複数段のシリンダを必要とすることなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させているため、ボールやピストン、固定ディスク面の消耗を抑えて耐久性を向上できる。ピストン、出力軸部、ボール、シャフト下端の固定ディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。さらに、シャフトを螺着構造に設けていることにより、このシャフトを回転させることで上下動させて固定ディスクを位置調整できるため、個々のバルブのシール位置のバラツキに応じて弁閉位置を調整できる。この場合、アクチュエータの上部にシャフトを取付けていることで、所定トルクでシャフトを回転させて簡単にシール位置を調整しながら固定ディスクを推力の拡大開始位置まで締め付けすることができる。
According to the first aspect of the present invention, a plurality of balls are arranged on the disk surface at the top of the output shaft portion, and these balls are formed into a fixed disk surface at the lower end of the shaft and a conical tapered surface on the inner peripheral opening side of the piston. For example, in a diaphragm valve, if it moves from valve opening to valve closing, the deadline thrust increases with the pressure receiving area of the diaphragm, but the thrust required for this deadline Therefore, it is possible to obtain an efficient output thrust matched to the high pressure, high thrust for valve closing and high stroke for large flow rate.
At this time, if the taper surface portion is a straight line, the enlargement ratio due to the ball at this straight portion is constant, and if it is a two-stage taper, it only changes to a two-stage enlargement ratio. Although the output thrust may decrease as the load decreases, the valve opens even when the spring load decreases by forming one of the tapered surface, fixed disk surface, or disk surface as a curved surface. It is possible to continuously increase the output thrust from the valve to the valve closing.
Without requiring a multi-stage cylinder, the overall size and internal structure can be simplified, the number of parts can be reduced, and the thrust for valve operation can be increased to improve the sealing performance of the valve. For this reason, it is suitable for a valve for high-pressure fluid, and the load is distributed by the tapered surface portion, so that the wear of the ball, piston, and fixed disk surface can be suppressed, and the durability can be improved. Since the piston, the output shaft, the ball, and the fixed disk surface at the lower end of the shaft can be integrated into the main body to be integrated into a unit, it is easy to attach to the valve and adjust it after installation. Furthermore, since the shaft is provided in a screwed structure, the position of the fixed disk can be adjusted by rotating the shaft up and down, so that the valve closing position can be adjusted according to variations in the sealing position of individual valves. . In this case, by attaching the shaft to the upper part of the actuator, the fixed disk can be tightened to the thrust expansion start position while rotating the shaft with a predetermined torque and easily adjusting the seal position.
請求項2に係る発明によると、固定部材に軸着したローラカムの第1ローラ部材がテーパ面状部面に移動自在に当接し、第2ローラ部材が出力軸部のディスク面を押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力する推力拡大機構を有しているため、ローラカムが円弧運動することでピストン内面のテーパ面状部面が直線、或は曲面の何れの場合でも、弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加できる。この場合、効率的な出力推力を得ることで弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
複数段のシリンダを要することなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させて耐久性を向上でき、バルブへの組付けや調整も容易になる。さらに、シャフトを螺着構造に設けていることにより、このシャフトを回転させることで上下動させてローラカムを位置調整できるため、個々のバルブのシール位置のバラツキに応じて弁閉位置を調整できる。この場合、アクチュエータの上部にシャフトを取付けていることで、所定トルクでシャフトを回転させて簡単にシール位置を調整しながらローラカムを推力の拡大開始位置まで締め付けすることができる。
According to the second aspect of the present invention, the first roller member of the roller cam pivotally attached to the fixed member abuts the taper surface portion movably, and the second roller member presses the disk surface of the output shaft portion to piston. Because it has a thrust expansion mechanism that expands the output thrust to the output shaft, the roller cam moves in a circular arc so that the taper surface of the piston inner surface is either straight or curved. The output thrust can be increased continuously from opening to closing. In this case, by obtaining an efficient output thrust, a high thrust for valve closing and a high stroke for a large flow rate can be achieved.
Without requiring multiple stages of cylinders, the overall size can be reduced, the internal structure can be simplified, the number of parts can be reduced, and the thrust for valve operation can be increased to improve the sealing performance of the valve. For this reason, it is suitable for a valve for high-pressure fluid, the load can be distributed by the tapered surface portion, durability can be improved, and assembly and adjustment to the valve can be facilitated. Furthermore, since the shaft is provided in a screwed structure, the roller cam can be adjusted by rotating the shaft up and down, so that the valve closing position can be adjusted according to variations in the sealing position of the individual valves. In this case, by attaching the shaft to the upper portion of the actuator, the roller cam can be tightened to the thrust expansion start position while the seal position is easily adjusted by rotating the shaft with a predetermined torque.
請求項3に係る発明によると、推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全スロトークで増加させることにより、複数段のシリンダを要することなく全体をコンパクト化しながら弁開から弁閉時への締め切りに要する出力推力を確実に発揮でき、高圧流体の場合でも高シール性を発揮できる。ローラカムを有する推力拡大機構とした場合には、ローラカムが円弧運動することで弁閉側に作動するほど拡大率が大きくなり、かつ、テーパ面状部の曲面等と併用して弁開から弁閉側に作動すると、更に出力推力が拡大しながら作動する。ピストン、出力軸部、ローラカム、出力軸部のディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。 According to the third aspect of the present invention, the output thrust of the thrust expansion mechanism is increased by the total stroke from the valve opening to the valve closing, so that the entire valve can be made compact without requiring a plurality of stages of cylinders. The output thrust required for the deadline can be reliably exhibited, and high sealing performance can be exhibited even in the case of high-pressure fluid. In the case of a thrust expansion mechanism with a roller cam, the expansion rate increases as the roller cam moves in a circular arc, and the valve cam moves toward the valve closing side. When operated to the side, the output thrust is further increased. Since the piston, the output shaft portion, the roller cam, and the disk surface of the output shaft portion can be integrated into the main body as a unit, it is easy to attach to the valve and adjust after the attachment.
請求項4に係る発明によると、テーパ面状部面、固定ディスク及びディスク面の何れかを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に設け、そのテーパ角度を変えることでピストン作動時の推力の増加割合を変えることができる。この場合、開口側を奥側よりも緩やかなテーパ角度とすることで弁開側では出力推力が小さく弁閉側の近傍では出力推力を大きくして同じスプリングを使用した場合でも高推力と高ストロークが得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, any one of the tapered surface portion, the fixed disk, and the disk surface is provided on the two-stage taper, arc, or curved surface, and the thrust during piston operation is changed by changing the taper angle. The rate of increase of can be changed. In this case, by setting the opening side to a gentler taper angle than the back side, the output thrust is small on the valve opening side and the output thrust is increased near the valve closing side, so even if the same spring is used, high thrust and high stroke are achieved. Is obtained.
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、2においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第1実施形態を示しており、図1に弁閉状態、図2に弁開状態をそれぞれ示している。図3においては、弁の開閉状態における要部拡大断面図を示している。 Embodiments of a valve actuator according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. 1 and 2 show a first embodiment of a valve actuator according to the present invention. FIG. 1 shows a valve closed state, and FIG. 2 shows a valve open state. In FIG. 3, the principal part expanded sectional view in the open / close state of a valve is shown.
図において、バルブ用アクチュエータ本体(以下、アクチュエータ本体という)20は、シリンダ21とこのシリンダ21を被蓋するためのベース体22とを有するボデー23を備え、このボデー23内に、テーパ面状部31を形成したテーパ面状部面48、固定ディスク27に形成されたテーパ面からなる固定ディスク面50、移動部材であるボール28を有する推力拡大機構30を備えている。さらに、アクチュエータ本体20には、弁駆動用出力軸部26、ディスク29が設けられ、このアクチュエータ本体20により、外部のバルブ(弁)35を駆動可能になっている。
In the figure, a valve actuator body (hereinafter referred to as actuator body) 20 includes a
テーパ面状部31は、アクチュエータ本体20内に設けたピストン25に形成されている。このテーパ面状部31は、ピストン25の内側のピストン内周面25aをくり抜いてピストン25の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面25aにはこのテーパ面状部31を含んだ前記テーパ面状部面48が形成されている。本実施形態において、テーパ面状部31は、開口部側の第1テーパ面状部31aと、この第1テーパ面状部31aに続く第2テーパ面状部31bとからなるテーパ角度の異なる二段に設けられている。図示しないが、第1テーパ面状部31aのテーパ角度は、第2テーパ面状部31bのテーパ角度よりも緩やかになっている。
The tapered
テーパ面状部面48はテーパに限ることなく、これを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成するようにしてもよい。さらには、テーパ面状部面48に限らず、固定ディスク面50或は後述するディスク面であるボール載置部38を二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成することもできる。何れの場合にも、テーパ角度を適宜の角度に設けることができる。この場合、上記したように作動方向に向けてより緩やかな傾斜となるようなテーパ角度とすることが望ましい。
The tapered
ピストン25は略円筒状に形成され、この1個のピストンがシリンダ21内に往復移動可能に収納されている。ピストン25の内外周側には、Oリング32、33が装着されている。ピストン25の先端側には当接部34が形成され、この当接部34は、作動時にベース体22に当接可能になっている。
The
弁駆動用出力軸部26は、押え部材37の上部に配設され、この押え部材37はアクチュエータ本体20に取付けたバルブ35の弁体36に直接接触して駆動させるために設けられている。出力軸部26の固定ディスク27との対向側にはディスク29が設けられ、このディスク29面上にはボール載置部38が形成されている。出力軸部26の下部には軸部39が形成され、この軸部39は、ベース体22に形成された取付穴40に挿入されており、これにより出力軸部26全体がベース体22に対して上下動自在になっている。出力軸部26とベース体22との間にはコイルスプリング41が装着されている。出力軸部26は、コイルスプリング41により、図1において上方向に弾発付勢されている。軸部39の外周にはOリング42が装着され、このOリング42により軸部39とベース体22との間がシールされる。
The valve drive
固定ディスク27は、シャフト43を介してアクチュエータ本体20の上部に固定される。その際、固定ディスク27は、シャフト43に形成された雄ねじ部44とシリンダ21に形成された雌ねじ部45との螺着により出力軸部26と対向するように配置される。この螺着構造によりシャフト43を上下に移動してその位置を調整でき、固定ディスク27の位置を調整可能になっている。この固定ディスク27の位置調節により後述するように弁閉位置調整が可能になり、アクチュエータ本体全体を回転して位置合わせをおこなう必要もない。
The fixed
シャフト43の内部には、アクチュエータ本体20の外部と、ピストン25とベース体22との間を連通する流入口46が形成されている。この流入口46を介してアクチュエータ本体20の外部よりピストン25とベース体22との間のシリンダ21内に圧縮エアが供給可能になっている。
Inside the
アクチュエータ本体20に固定されたシャフト43下端の固定ディスク27には、ディスク29と対向して外径方向に傾斜した前述の固定ディスク面50が形成されている。固定ディスク面50は、例えば、図1において水平方向に対して30°の角度に形成されている。
The fixed
ボール28は、例えば、鋼球よりなり、推力拡大機構30の内部に複数個配置される。ボール28は適宜数であればよいが、少なくとも3個以上設けることが好ましく、例えば、8〜12個程度とするとよい。この場合、出力軸部26と固定ディスク27とが安定した状態になる。
The
ベース体22には、前述したように出力軸部26の軸部39が挿入可能な取付穴40が形成され、この取付穴40により、出力軸部26を作動方向に案内可能となる。ベース体22のシリンダ側外周にはオネジ部51が形成され、このオネジ部51は、シリンダ21に形成されたメネジ部52とシール部材51aを介して密封シール可能に螺着接合されている。ベース体22のバルブ装着側には雄螺子53が形成され、この雄螺子53を介してアクチュエータ本体20がバルブ35に着脱される。
As described above, the
アクチュエータ本体20は、ピストン25で作動するエアー駆動のアクチュエータでピストン25の推力を拡大して弁35を締め切る推力拡大機構30が内蔵されている。推力拡大機構30内には、ピストン25のストローク中にテーパ面状部面48に当接して移動する前記ボール28が配置される。
The
推力拡大機構30は、テーパ面状部面48の内側に設けられている。この推力拡大機構30は、出力軸部26の上部に設けたディスク29面上のボール載置部38に複数個のボール28が配置され、これらのボール28が固定ディスク面50とテーパ面状部面48との間に挟持されることで構成されている。シリンダ21とベース体22とは、密封状態で螺着されてアクチュエータ本体20として一体化される。ピストン25は、上下動自在に取付けられ、このピストン25とシリンダ21との間にスプリング55が配設されている。このスプリング55により押え部材37を押圧する方向にピストン25が弾発されている。
The
アクチュエータ本体20のピストン25を作動させた場合には、この作動によりディスク29面上のボール載置部38に載置されたボール28がディスク面であるボール載置部38と固定ディスク面50との間を移動する。この移動により、ピストン25の推力が出力軸部26に拡大して出力可能になっている。このアクチュエータ本体20の推力拡大機構30による弁の駆動時には、推力拡大機構30の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしてもよい。
When the
アクチュエータ本体20は、1個で構成したピストン25の背面に取付けたスプリング55により弁35を閉止する構造であって、スプリング55の推力を推力拡大機構30により出力軸部26に拡大して出力する構造のノーマリークローズタイプの空気圧作動アクチュエータとして構成されている。ピストンは1個に限られることがなく、後述するようにピストンを複数段重ねて構成することもできる。
The
バルブ35は、一般的な構造のダイヤフラム弁であり、例えば、図1に示した構造になっている。このバルブ35は、一次側流路60、二次側流路61を有する弁箱62、弁体36、弁座64、押え部材37、ボンネット65を有している。弁体36は、弁箱62の所定位置に配設され、その上部に押圧用の押え部材37が上下動自在にボンネット65により取り付けられている。バルブ35のアクチュエータ本体20との接続側には、雄螺子53と螺合可能な雌螺子66が形成され、この雌螺子66と雄螺子53とを螺合させることにより、内部に推力拡大機構30を組み込んだアクチュエータ本体20とバルブ35とをワンタッチで着脱できる。
The
押え部材37は、アクチュエータ本体20の出力軸部26の軸方向への出力により上下動する。この押え部材37の上下動によって弁体36が弁座64に接離し、一次側流路60と二次側流路61とが開閉可能になる。
The
上記実施形態においては、固定ディスク27側に固定ディスク面50を形成しているが、出力軸部26のボール載置部38に中心から放射状に図示しないテーパ面を形成することも可能である。このように固定ディスク27或はディスク29の何れか又は双方にテーパ面を形成し、このテーパ面とテーパ面状部面48との間にボール28を挟持してピストン25の推力を出力軸部26に拡大して出力することが可能である。これは、後述する第2、第3実施形態についても同様である。
In the above embodiment, the fixed
図1、図3(a)において、前述したようにアクチュエータ本体20は、常時においてはピストン25とシリンダ21との間に配置されたスプリング55の弾発力によりピストン25が軸方向の図における下方向に付勢されている。このとき当接部34がベース体22に当接してピストン25の下方向への移動量が規制され、推力拡大機構30に過大な力が加わることが防がれている。
1 and FIG. 3A, as described above, the actuator
ピストン25が下降すると、複数個配置されたボール28がピストン内周面25aに形成されたテーパ面状部31に沿って内側(内径方向)に押し込まれ、固定ディスク27の固定ディスク面50に沿って移動する。このとき、固定ディスク27がシャフト43を介してアクチュエータ本体20内の所定位置に固定されているため、ボール28がディスク29のボール載置部38を半径方向の内径側に移動しながらこの出力軸部26を押し下げる。
When the
ボール28の軸方向の移動成分は、ディスク29を介して推力が拡大されて出力軸部26から出力される。推力拡大機構30の固定ディスク面50とボール28とは、ピストン25のテーパ面状部面48の内側に配設されているため、ピストン25と出力軸部26とが接触することなくピストン25のストロークやテーパ面状部31を長く確保できる。この機構によってピストン25のストロークを長くでき、例えばスプリング55の弾発力を10〜20倍程度の推力に拡大しながら押え部材37に伝達し、この押え部材37により弁体36を弁座64方向に強く押圧して弁閉状態を維持できる。そのため、高圧流体に適した高いシール性を確保できる。
The axial movement component of the
図3(a)において、弁開動作時においてピストン25からの下向きの力F1yがピストン25とボール28との接点C1に伝達されるときには、テーパ面状部31の作用により力の方向と大きさが分力の法則で分力となって、水平方向の力F1xとなってボール28に働く。この力F1xは接点C2でボール28から固定ディスク27に伝達されるため、この力F1xと相反する力が固定ディスク27から反力F´1xとして働く。反力F´1xは、分力の法則により接点C2において下向きの力F´1yとなり、この力F´1yは、テーパ面状部31、固定ディスク面50のテーパの作用により、図3の矢印の方向に弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加しながら10〜20倍の推力に拡大されて出力推力として出力される。
In FIG. 3A, when the downward force F 1y from the
一方、外部からシャフト43の流入口46を介してピストン25とベース体22との間に圧縮空気を供給すると、ピストン25がスプリング55を圧縮する方向(図1における上方向)に移動する。このため、固定ディスク面50により外径方向に移動する力が働いているボール28がテーパ面状部面48に沿って外径方向に移動し、出力軸部26がコイルスプリング41の弾発力で上方に移動し、弁体36と押え部材37とは流路内を流れる高圧流体の圧力で上方に移動して図2、図3(b)の弁開状態になる。
On the other hand, when compressed air is supplied between the
ここで、アクチュエータ本体20でバルブ35を開閉操作する前には、出力軸部26の弁閉位置(図1における最下位の状態)と、弁体36の弁閉位置を合わせておく必要がある。位置合わせ時には、ピストン25を最下位にした状態でアクチュエータ本体20とバルブ35とを固定する。次いで、シャフト43を回転させ、このシャフト43先端に設けられた固定ディスク27を上下動させてこの固定ディスク27と出力軸部26との間隔を調整しつつ、出力軸部26で弁体36を閉状態に押圧させる。このときスプリング55の弾発力で弁閉状態を維持する強さにするように所定のトルクでシャフト43を締め付ける。これによってアクチュエータ本体20の出力軸部26と弁体36との位置を合わせできる。
Here, before the
このように、シリンダ21に螺合したシャフト43を回転させることで出力軸部26と固定ディスク27との間隔を簡単に調整して弁体36のシール位置を正確に調整できる。この場合、上記したようにスプリング55の弾発力を10〜20倍程度の推力に拡大して出力軸部26から出力できる。例えば、推力を10倍に拡大する場合、出力軸部26の移動量が0.1mmで推力拡大機構30の摩擦抵抗を50%とすると、ピストン25の移動量が2mmになる。このように、推力の拡大率からシャフト43の移動量に対して弁体36の移動量を把握できるため、シャフト43の所定量の移動より容易に出力軸部26を微調整してこの出力軸部26と弁体36との位置を合わせできる。
Thus, by rotating the
アクチュエータ本体20による推力を、例えば10倍に拡大している場合には、弁座締め切りの移動量が0.1mmに対してピストン25の移動量は1mmとなり、弁座のシール位置に合わせて弁閉位置調整を実施する必要がある。その際には、上記のようにピストン25を最下位にした状態でシャフト43を回転調節し、固定ディスクをピストン推力程度が発生するトルクで締付けることで簡単にシール位置を調整できる。
For example, when the thrust by the
図4においては、図1のアクチュエータ本体20の弁開から弁閉動作時のピストン25の移動時のストローク(シリンダストローク)SLに対する、ダイヤフラム反力DF、スプリング荷重SF、アクチュエータ出力推力AFの変化を示している。弁の全開状態では、ダイヤフラム反力DF1と、図3(b)に示したスプリング荷重SF1が加わりつつアクチュエータ出力推力AF1が得られる。弁の全閉状態では、ダイヤフラム反力DF2と、図3(a)に示したスプリング荷重SF2が加わりつつアクチュエータ出力推力AF2が得られる。
4, changes in the diaphragm reaction force DF, the spring load SF, and the actuator output thrust AF with respect to the stroke (cylinder stroke) SL during the movement of the
ダイヤフラム反力DFについて、ダイヤフラム弁体36はいわゆるドーム形状に形成され、このドーム部位で圧力を受圧して推力を伝達するため、図3(b)の弁開時におけるダイヤフラム反力DF1はゼロになる。弁開状態から弁閉状態に動作させると、弁体36の変形に伴って流体からの受圧面積が徐々に増加する。そして、図3(a)の弁閉時においては流体から弁体36が受ける受圧面積が最大となり、この弁体36を閉止するために要するダイヤフラム反力DF2が最大になる。
With respect to the diaphragm reaction force DF, the
スプリング荷重SFについては、弁開状態ではピストン25でスプリング55が圧縮されて大きくなり、全開時においてスプリング荷重SF1が最大となる。弁開状態から弁閉状態に動作させるとスプリング荷重SFは減少し、これによって伝達効率が悪くなり、弁体36を弁閉方向に作動させる力が弱くなる。図8における全閉時においては、シリンダストロークSLにおけるスプリング荷重SF2が最小となる。
As for the spring load SF, the
本発明のバルブ用アクチュエータの推力拡大機構30は、弁体36が全開から全閉まで動作するときの弁ストロークLにおいて、弁閉方向の出力推力AFを全ストロークで増加させるようにしているため、スプリング荷重SF1が最大の全開側では弁ストロークLを増加し、全閉側では最大の出力推力AF2を出力することが可能になる。
このように効率よく推力を拡大して伝達できることで、アクチュエータ本体20を小型化した場合でも高圧弁の高推力や大流量のための高ストローク化に対応できる。この場合、例えば、アクチュエータ本体を一般的なアクチュエータ径の70%程度の大きさに設けた場合であっても、一般的なアクチュエータと同等の圧力・流量に対応可能になる。
Since the
Thus, by efficiently expanding and transmitting the thrust, even when the
上記したように、本発明のバルブ用アクチュエータは、本体20内に設けたピストン25の内周開口側に沿って広がる円錐形状のテーパ面状部31を形成したテーパ面状部面48を形成し、ピストン25のストローク中にテーパ面状部31に当接して移動する移動部材28を配置し、この移動部材28を有する推力拡大機構30を介して弁35を閉止するための出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させているので、複数段のシリンダ構造を設けることなく高さ寸法を抑えて小型化しつつ高圧流体に対応できる。
As described above, the valve actuator of the present invention forms the tapered
この場合、推力拡大機構30が、ピストン25の作動によりボール28がテーパ面状部面48と固定ディスク面50との間を移動してピストン25の推力を出力軸部26に拡大して出力する機構であるので、ピストン25のストロークやテーパ面状部面48を長くできる。そのため、例えば、ピストン25がニードル状である場合と比較して出力軸部26からの出力推力を大きくでき、10〜20倍の推力に拡大してより高圧の流体にも対応できる。更に、このようなシリンダ構造の単純化により、部品点数も削減できる。しかも、テーパ面状部面48、固定ディスク面50の角度を調整することで、出力推力の拡大倍率を任意に設定することも可能になる。
In this case, the
テーパ面状部面48を二段のテーパに設けていることにより、このテーパ面状部面48の角度を変えてピストン作動時の推力の増加割合を調節できる。この調節により、例えば、バルブの弁閉状態の近傍では出力軸部の移動量を少なくして微流量を調整でき、バルブが弁開状態になるときには出力軸部の移動量を大きくして弁開速度を速めて弁閉から弁開への切換えを迅速に実施できる。
By providing the taper
テーパ面状部面48の内側に固定ディスク面50とボール28とが配設されているので、ボール28の個数を増やすことができ、ボール28の個数を増やすことでピストン25からの力を分散して出力軸部26に伝達できる。そのため、ボール28の消耗を抑えて出力軸部26の陥没や傷付きを防ぎ、耐久性を向上できる。
Since the fixed
アクチュエータ本体20を構成する場合には、ピストン25、出力軸部26、固定ディスク27、ボール28を有する推力拡大機構30をシリンダ21とベース体22内に組み込んだ状態で一体化できる。このため、予めアクチュエータ本体20をバルブ35と別体に設け、このバルブ35との組み込みや弁体36の調整を容易に実施可能となる。
When configuring the
図5、図6においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第2実施形態を示している。なお、以降の実施形態において、上述した実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。 5 and 6 show a second embodiment of the valve actuator of the present invention. In the following embodiments, the same parts as those in the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
この実施形態におけるアクチュエータは、前述の実施形態のアクチュエータ本体20と同様に、ダイヤフラム弁体36をボール28を有する推力拡大機構30で推力拡大しながらスプリング55の荷重で図8(a)の弁閉状態に作動し、密封された本体90内においてエア圧力で図8(b)の弁開状態に作動させるノーマリークローズタイプの機構を有する空気圧作動のバルブ用アクチュエータである。
The actuator in this embodiment is similar to the
図7(a)、図7(b)に示すように、このアクチュエータ本体90では、ピストン93のテーパ面状部面48のテーパ面状部91が円弧部により形成されている。この円弧部91にボール28が当接することにより、ピストン93をスムーズに動作させることができる。さらに、ボール28とこの円弧部91との接触領域が長くなることで、ピストン93を緩やかに動作させて弁開度の微調整が可能になる。
As shown in FIGS. 7A and 7B, in the actuator
さらに、円弧部91は、開口部側の第1円弧部91aと、この第1円弧部91aに続く第2円弧部91bとからなる二段の異なるテーパ角度になっている。このテーパ角度は奥側が開口側よりも緩やかになっており、すなわち、図7(a)において、第2円弧部91bのテーパ角度θ1<第1円弧部91aのテーパ角度θ2の関係になっている。これによって、第1実施形態の場合と同様に、円弧部91の角度を変えてピストン93作動時の推力の増加割合を調節できる。
Furthermore, the
また、この実施形態におけるアクチュエータ本体90は、ピストン93の上方側に別の形状のピストン96とシリンダ部94とが設けられて3段のピストン構造に設けられている。シャフト43の内部には流入口46から分岐する分岐口95が形成されており、この分岐口95を介してピストン93とシリンダ部94との間に圧縮エアが供給される。
Further, the actuator
ピストンを複数段に構成した場合、ピストンから1個の場合よりも推力を高めつつシリンダ外径を小さくして幅方向のサイズをコンパクト化できる。この省スペース化により、狭い場所に対してもフットプリントを小さくして集積化が可能になる。ピストンを3段以上に設ける場合には、同じ形状のピストン96とシリンダ部94とを兼用でき、これらを上下に重ねることで部品の種類の増加を防ぎつつ簡単に組立てできる。
When the piston is configured in a plurality of stages, it is possible to make the size in the width direction compact by reducing the cylinder outer diameter while increasing the thrust as compared with the case of one piston. This space saving enables integration with a small footprint even in a narrow space. In the case where the pistons are provided in three or more stages, the
図9、図10においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第3実施形態を示している。
このアクチュエータ本体70は、1個のピストン71と固定ディスク27との間にスプリング55を配置してピストン71の背面からのエア圧力を供給して弁35を閉止する構造になっている。これにより、このアクチュエータ本体70は、ピストン71の推力を推力拡大機構30により出力軸部26に拡大して出力する構造のノーマリーオープンタイプになっている。図示しないが、このノーマリーオープンタイプの場合にも、ノーマリークローズの場合と同様に複数段のピストンを重ねて構成できる。
9 and 10 show a third embodiment of the valve actuator of the present invention.
The
シャフト21の内部には、アクチュエータ本体70の外部と、ピストン25と、ボデー23を構成するシリンダ21との間を連通するエア流路72が形成され、このエア流路72を介して外部からピストン71とシリンダ21との間に圧縮空気を供給することが可能になっている。
Inside the
ピストン71とシリンダ21との間に外部より圧縮エアを供給すると、ピストン71がスプリング55の弾発力に抗してこのスプリング55を圧縮する方向(図9における下方向)に作動し、ボール28がテーパ面状部31を有するテーパ面状部面48に沿うように内径方向に移動して、出力軸部26がコイルスプリング41の弾発力に抗して下方に移動することで出力軸部26が下方に移動し、この出力軸部26が押え部材37を下方に押圧して図10の弁閉状態になる。
When compressed air is supplied from the outside between the
図11、図12においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第4実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体100は、推力を拡大するための2つのローラカム102を有する推力拡大機構101を備えている。各ローラカム102、102は、本体100に固定したシャフト43の下端のシリンダ21内に固定された固定部材105に軸着されている。固定部材105は、シャフト43の先端側にナット107で取付けられ、取付後には固定部材105がシリンダ21内の所定位置に配設される。
11 and 12 show a fourth embodiment of the valve actuator of the present invention. The actuator
シャフト43は、アクチュエータ本体100の上部に前記実施形態と同様に螺着して固定されている。この螺着構造により、シャフト43が上下に調整可能に設けられ、ローラカム102の上下位置を調整可能になっている。
The
ローラカム102の上端には第1ローラ部材103が設けられ、この第1ローラ部材103は、テーパ面状部91を形成したテーパ面状部面97に移動自在に当接した状態に配設されている。テーパ面状部91は、ピストン108の内側のピストン内周面108aをくり抜いてピストン108の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面108aには、このテーパ面状部91を有するテーパ面状部面97が形成されている。
A
一方、ローラカム102の下端には第2ローラ部材104が設けられている。ピストン108から推力が伝達された場合には、テーパ面状部面97に当接した第1ローラ103によりローラカム102が軸着部106を中心に回転し、このローラカム102の回転によって第2ローラ部材104が出力軸部26のディスク29に押圧され、ピストン108の推力が出力軸部26に拡大して出力される。
On the other hand, the
ピストン108とシリンダ21との間には2本のスプリング109、110が設けられており、これらのスプリング109、110のバネ定数は、例えば、第2実施形態のスプリング55のバネ定数よりも小さく設けられている。この場合、弁開から弁閉になるときのスプリングの荷重の減少が抑えられる。
Two
アクチュエータ本体100は、前述の推力拡大装置30と同様にバルブ35に取付け可能になっている。バルブ35への取付け時には、雄螺子53と雌螺子66とを螺合することで、内部に推力拡大機構101を組み込んだアクチュエータ本体100と、バルブ35とをワンタッチで着脱できる。
The actuator
図11のアクチュエータ本体100において、常時においてはスプリング55の弾発力によりピストン108が下方向に付勢される。このピストン108の下降により上部側のローラ103がテーパ面状部面97に沿って回転しながら、ローラカム102が軸着部106を中心に回転する。このときローラカム102は、軸着部106を中心として立設する方向に回転するため、下部側のローラ104が回転しながらディスク29を下方に押すことでこのローラ104により出力軸部26が押し下げられる。その際、ピストン108からの推力が拡大しながら伝達される。ローラカム102を用いた推力拡大機構101の場合には動力変換効率を高めることが可能になり、図に示した1個のピストンによって十分な推力を得ることができる。さらに、このときにもボールを移動部材とした場合と同様に、ピストンを複数段重ねて構成することでさらに推力を高めつつコンパクト化することができる。
In the actuator
図12において、流入口46からピストン108とベース体22との間に圧縮エアを供給したときにはピストン108がスプリング109、110を圧縮しながら上昇し、これに伴って上部側のローラ103がテーパ面状部面97に対して回転しながらローラカム102が軸着部106を中心に左右に傾倒する方向に回転する。これにより下部側のローラ104の位置が図11の場合よりも上方側に移動し、この移動に伴って出力軸部26がコイルスプリング41の弾発力で上方に移動して弁開状態になる。
このように、ボール28の代わりにローラカム102を用いて推力拡大機構101を設けることができ、さらには、推力拡大機構をこれら以外の構造に設けることもできる。このアクチュエータ本体100の場合にも、前述したアクチュエータ本体20の場合と同様に、弁を駆動する推力拡大機構101の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させることができる。
In FIG. 12, when compressed air is supplied between the
As described above, the
また、アクチュエータ本体100はノーマリークローズタイプであるが、ボール28を利用した推力拡大機構の場合と同様にノーマリーオープンタイプに構成することもできる。何れの場合にも、全開から全閉までの弁体36の弁閉方向の出力推力を流体圧による反力よりも常に大きい状態で増加させることができる。
Further, although the
図13においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第5実施形態を示している。
このアクチュエータ本体80は、内部に推力拡大機構を有しない一段のシリンダ構造を有するアクチュエータ構造になっており、前述したアクチュエータ本体20、70と同一のベース体22を共通化して利用したものである。
このように、ベース体22を共通化して、内部構造の異なるアクチュエータ本体20、70、80を構成することができるため、バルブの用途や使用箇所などに応じて内部構造や大きさの異なるアクチュエータとして製品の付加価値を高めることができる。更には、例えば、メタルダイヤフラムバルブ以外の上下動により作動する構造のバルブを取付けることも可能であり、何れの場合においても、ベース体の雄螺子とバルブの雌螺子とを螺合することにより簡単に着脱可能な構成に設けることができる。
FIG. 13 shows a fifth embodiment of the valve actuator of the present invention.
This
As described above, since the
20 アクチュエータ本体
25 ピストン
26 出力軸部
27 固定ディスク
28 ボール(移動部材)
29 ディスク
30 推力拡大機構
31 テーパ面状部
35 バルブ(弁)
43 シャフト
48、97 テーパ面状部面
50 テーパ面
55 スプリング
102 ローラカム
103 第1ローラ部材
104 第2ローラ部材
105 固定部材
20
29
43
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