JP7015111B2 - バルブ用アクチュエータとこれを備えたダイヤフラムバルブ - Google Patents

Description

本発明は、バルブ用アクチュエータとこれを備えたダイヤフラムバルブに関し、特に高圧流体に対しても高いバルブ閉止性を発揮しつつバルブ構造全体の小型化に極めて好適に構成されたバルブ用アクチュエータとこれを備えたダイヤフラムバルブに関する。

一般的に、半導体製造プロセスにおけるガス供給系の制御弁等としては、いわゆるダイレクトタッチ型のダイヤフラムバルブの使用が主流である。ダイレクトダイヤフラムバルブは、外部に対する封止材として使用される金属ダイヤフラムで直接シートの閉止も行い、接ガス部に余分な部品を持たない非常にシンプルな流路を構成することができるので、接ガス部内に金属同士の摺動箇所がなく流体のクリーン化に最適な構造とされていることなどがその利点とされる。ただし、確保できるストロークに限度があり、ベローズバルブなど他の弁種と比べて、構造的に大流量は確保し難い。

上記のような半導体製造プロセスに用いられるダイヤフラムバルブには、自動制御等のため、エア駆動アクチュエータが備えられる場合が多い。エア駆動アクチュエータはクリーン性やコスト性等に極めて優れ、半導体製造装置に用いるものとして極めて好適であると共に、機器類の集積化する必要があることから、通常は、矩形状に形成されたバルブボデーが占有するコンパクトなフットプリント領域に応じて、この領域内に収まるようにコンパクトに小型化されていることが要求される。特に、配管が継手を介さずベースブロックとしてブロック化された集積化ガスシステムでは、アクチュエータは、ベースブロック上部にインターフェースを介して着脱自在に取り付けられることで、無駄なスペースをほとんど生じることなく機器ごとの高いメンテナンス性も発揮され、多くの場面で使用されている。

さらに、半導体素子などの高度に精密な機器を高品質に製造するためには、上記のようなガス供給系などの半導体製造プロセス設備は、いわゆるクリーンルーム内に全て収容されている必要がある。クリーンルームは、浮遊粒子・微生物が所定の清浄度レベルに管理（コンタミネーションコントロール）されると共に、搬入される材料、薬品、水などのほか、入室する作業者にも所定レベルの清浄度が確保され、必要に応じて温度、湿度、圧力などの環境条件も管理可能な密封空間であり、クリーンルームの導入に際しては、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。このため、クリーンルームの導入においては、用途に応じて最適・最小限であって無駄を生じないような容積・構成に設計・施工されなければならない。

一方で、近年はスマートフォンなど、半導体を搭載する機器の更なる高性能化や省電力化、パフォーマンス向上等への需要が益々高まり、これに伴って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が著しく進展してきている。このため、製造プロセスに使用される各種のプロセスガスにおいても、個々の用途に応じて高温化・高圧化などを伴うほか、特に、シリコンウェハーの大径化や液晶パネル等の大型化、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に応じて、供給流量の更なる増加（ハイフロー）が基本的な需要となってきている。このため、供給ガスの制御弁として使用される上記のようなダイヤフラムバルブにも、個々の用途に最適なバルブ開発が必要とされ、特に大流量化（Ｃｖ値の増大）への要求は益々高まっている。

ガス供給系或は半導体製造装置は、クリーンルーム内にすべて収容される一方で、クリーンルームは、必要最小限の容積にコンパクトに最適化されなければならないことから、ガス供給系に用いられる上記のようなバルブにも、益々小型化・コンパクト化されることが要求されることになる。このため、上記のようなダイヤフラムバルブには、小型化とハイフロー化との両立が要求がさらに高まっている。さらに、プロセスガスの多様化やハイフロー化の要請と相俟って、高圧対応への要求も高まっている。

ここで、アクチュエータを備えたダイヤフラムバルブにおいて、スプリングでアクチュエータのピストンを付勢し、この付勢力でダイヤフラムをシートに着座させてバルブを閉止するタイプがあるが、上記のようにハイフロー化や高圧対応のため、さらに大きな閉止力が必要となってくるにもかかわらず、バルブの小型化に伴って、アクチュエータのスプリングの小型化が避けられず、スプリングの付勢力が低下してバルブの閉止力が低下する問題が生じる。バルブの閉止力が損なわれると、プロセスガスの精密な流体制御が損なわれて製品品質に重大な欠陥を生じかねず、また、プロセスガスは人体への有害性も高いので、僅かな量のリークでも大きな問題となるおそれがある。さらに、バルブの小型化により設置面積が限定されると、適用可能なスプリングとして、線径やスプリング径が小さい所定のものに限られ、１つのスプリングに加わる応力が上がってスプリングの耐久性にも問題が生じる。

上記のようなバルブにおいて閉止力を維持乃至増大させるために、例えば、複数のピストンを多段構成してエア室とスプリングを縦方向に交互に形成する構造も考えられるが、この場合は、アクチュエータが高さ方向に伸びることでバルブが大型化する問題がある。

ダイヤフラムバルブは上記のように他の機器類と共に集積化され、しかも通常は複数箇所に設けられるので、これを大型化すると設置面積や高さも増大し、クリーンルーム内における半導体製造装置の占有スペースも増大し、延いてはクリーンルームの大型化等により半導体の製造コストの増加などの問題をもたらす。特に、バルブサイズの横幅方向への増大は、フットスペースの増加となり、コンパクト且つ最適なスペースの充填を図るガス供給系の設計にあたって致命的な欠陥となり、また、高さ方向への増大も、周囲に配置される他の機器・装置との干渉や必要スペースの確保の障害などのおそれから問題となる。よって、バルブサイズが横方向や縦方向に増大することが避けられない構造は、採用し難いものとなる。

その他、例えば、１つのピストンに対してスプリングを２重に設ける構造も考えられるが、この場合は、構造的に小型化に限界があり、バルブを適切に小型化できない問題を有している。さらに、上記のようなピストンやスプリングを多数用いた構造の場合、多数の部品を介した連動によりダイヤフラムを付勢するので、部品ごとの状態のバラツキなどによりバルブの閉止力が不安定化し易すくなり、精密な流体制御機能が損なわれるおそれがある。

そこで、バルブを適切に小型化すると同時に、スプリングの付勢力を維持乃至増大させて十分なバルブ閉止力を確保するため、簡易に構成された倍力機構の採用が考えられる。この種の先行技術としては、特許文献１～３が提案されている。

特許文献１に示される制御器においては、ケーシングは、上向きに開口した中空状の下部ケーシングと下向きに開口した中空状の上部ケーシングとよりなり、これらの突き合わせ部分の内周には、仕切りプレートが固定され、ケーシング内の仕切りプレート上方に水平断面円形のシリンダ室が、同下方に水平断面方形の動力増幅装置収納室がそれぞれ形成されている。また、動力増幅手段は、所定構造の先細りテーパ状部材と、円盤状部材と、テーパ状部材を介して対向するように配置されかつ下部を貫通する揺動軸の回りに揺動可能とされた第１及び第２の揺動体とを備えている。また、各揺動体の下当接面は、揺動軸の軸線から偏心した位置にある中心線を中心とする円弧状のカム面とされている。さらに、第１及び第２の揺動体は、その下部同士が重ね合わされており、両者の揺動軸が共通とされた形態が示されている。

特許文献２には、熱負荷や繰り返し作動に対してもシール部の耐久性に優れたアクチュエータが示されており、ピストンの移動方向と逆に軸を移動させるカムが内蔵されている。具体的には、ステムの他端に結合された軸にはフランジが設けられ、このフランジに、ボンネット上の等角三方位置にピンにて回動可能に設けられたカムの一端が係合し、カムの他端にはローラが設けられてピストン下面に当接している。空気室に高圧空気が導入されると、ベローズの伸長と共にピストンが下へ押し出され、これによりカムの他端のローラが押されてピンを中心に回動し、この回動と共にカムの一端がフランジを押し上げて軸をピストンの押出方向とは逆の方向に移動させるようになっている。

特許文献３には、同文献の図１、２において、動力倍増機構(116)の構造が示されており、底壁(86)に対称的に連結された一対のサポート部材(124,126)の間を交差するように設けられた２本のピン(122,128)に、それぞれ棒状のレバー(118,120)が回動可能に設けられており、２本のレバー(118,120)は、各上端が擦り板(130)を介してピストン(98)に当接して摺動可能となっており、また、下端位置となる各中間部(134,136)が、いわゆるカム面となって受圧板(140)上面に当接して摺動可能に構成されている。

この構成により、同文献の図１、２において、スプリング(110,112)に押し下げられたピストン(98)の動力は、２本のレバー(118,120)の梃子の原理により増力され、受圧板(140)を介してロッド(78)に伝えられ、バルブを閉止するようになっている。開弁の際は、エア供給源(94)からのエアが流路(92,104)を介してチャンバー(106)下部に形成された密封空間に供給され、この密封空間の昇圧によりピストン(98)が押し上げられる。

また、同文献の図１、２において、ロッド(78)は、上端の球状ヘッド(142)が受圧板(140)下側に開口したテーパ部(144)に係合し、肩部(156)には、昇動をサポートする圧縮バネ(154)が係合しており、さらに、底壁(86)の下方に設けられた頸部(148)との間のシール部材として、上下摺動可能にシールリング(150)が備えられている。

特許第４５２９０２３号公報 特開平９－２６０５２号公報 米国特許登録第５２５３６７１号公報

しかしながら、特許文献１は、ケーシング内に仕切りプレートを介してシリンダ室及び動力増幅装置収納室が縦方向にそれぞれ直列に積載されているから、縦方向へのバルブの大型化が不可避な構造となっている。また、動力増幅手段の構成も、揺動体の円弧状を呈する上当接面が、バルブの軸心位置付近に設けられる作動軸の下端に一体に設けられて垂直下方に伸びる先細りテーパ状部材と摺動することで、ピストンからの動力を倍力するように構成されているから、常に長尺状の板状本体が縦方向に立設した姿勢を維持しなければならず、やはり全体としてバルブの高さ方向に長くならざるを得ない。さらに、この動力増幅手段の構造は、テーパ状部材や所定構造の揺動体など、過度に複雑化しており、全体として小型化に不向きである。

特許文献２に示されるような倍力機構は、複数の板状のカムが水平方向に倒れた姿勢で互いにバルブの軸心対称的に対向配置され、この状態でカムがピンの回りを僅かに回動してピストンからの動力を倍力するように構成されているから、これら複数のカムを収容するためには、アクチュエータ内部に横方向へ広い収容スペースを確保しなければならず、実際にカム機構はハウジング他端側の大径部に収容されており、やはりバルブの小型化に不向きな構造と言える。さらに、カム機構はピストンを介して大径部内に空気室と縦方向に連設されているから、縦方向にもバルブサイズが増大し易くなっている。

一方で、特許文献３においては、先ず、エアが供給されるエア室となる密封空間は、チャンバー下部に唯一設けられているのみである。また、同文献のアクチュエータの構造では、エア室の容積を増大させたり個数を増設したりすることに関して全く言及はなく、よって、単独のエア室構造が前提である。これに対し、弁開の際にピストンを押し上げるエア圧は、エア室の成る空間の容積に応じて増大するから、同文献のようにエア室が単独構造の場合、特にアクチュエータを小型化した場合においては、十分なエア圧を確保できずバルブの良好な開弁性が損なわれるおそれがある。

次に、同文献の倍力機構は、２本のレバーを、それぞれのピンに枢着しているから、構造が複雑化していると共に、アクチュエータに収容するスペースとして広い容積を確保しなければならず、コスト性、生産性や耐久性・メンテナンス性に関して不利であるほか、特に小型化の観点から採用し難い構造である。特に、アクチュエータの横幅方向に大きな収容スペースが不可欠となり小型化に制限が多くなっている。また、２本のレバーの中間部が受圧板と作用する位置（カム面の当接位置）は、ロッドが配置されているバルブの軸心位置から大きく離れた受圧板の周縁端部位置附近となっており、しかも、受圧板とロッドとは別部材であると共に、当接する領域も小さい。このためレバーからロッドへの力が伝わり難くなり、また、力の伝達が不均一且つ不安定化しやすく、よって、特に高圧の場合において、バルブの良好な閉止性が得られなくなるおそれがある。

また、同文献に示される構造の場合、エアがチャンバー下部の密封空間に供給された際、底壁の開口面積に応じた内圧をロッドが受圧するため、エア供給に伴いロッドが下降させられてダイヤフラムが押され、バルブが適切に開かないおそれがあるが、この点に関する考慮、或は記載・示唆は一切認められない。さらに、ロッドにはシールリングや肩部を付勢する圧縮バネが設けられ構造が複雑化していると共に、小型化に際しては全く不適切な構造である一方で、これらを有しない簡易な構造としたような場合は、開弁力が不足するおそれがあるが、このような点に関しても一切言及はない。また、ピストンを付勢するスプリングが２重に設けられている点も、小型化に不適切である。

さらに、２本のレバーの上端は擦り板と摺動し、受圧板もロッド上端のヘッドと摺動する。このため、部材間の大きな摩擦力により、力の伝達が損失すると共に、部材が損傷し易いことから耐久性悪化・寿命低下を招き、また、摺動による発塵によりエアが汚染される問題もある。また、このような別体で複雑な構造は、小型化に全く不適格な構造である。さらに、２本のレバーの上端とピストンとの２か所の当接位置は、ピストンの平面視において左右非対称となり、また、当接領域も小さい。このため、ピストンがスプリングと２本のレバーの当接箇所から受ける合力が偏ってチャンバー内周面からずれ易くなり、ピストンの変形や損傷、或はシール性が損なわれて開弁性が悪化するおそれがあると共に、多数の開閉動作に対する耐久性も疑わしく、また、小さな当接領域に力が集中して摺動により発塵・損傷も生じやすい。

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、簡易な構造であって容易に小型化可能であり、且つ、高圧においても確実なバルブの開閉性を備え、しかもバルブの開閉頻度が多くても高い耐久性を発揮できるバルブ用アクチュエータとこれを備えたダイヤフラム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、アクチュエータ本体内に設けた弾発部材とこの弾発部材により付勢された弾発部材側のピストンとエア圧により前記弾発部材より下方側のピストンを動かすための少なくとも２つのエア室を配置し、弁閉方向に増幅された力を発揮させるための倍力機構を下方側のエア室に収納し、倍力機構は、一対のカム部材を共通の揺動軸に枢着して下方側の前記エア室内に収容し、一対のカム部材の一方側には、当該カム部材の上端部にピストンの下面に当接する当接部と下端部にアクチュエータの平面視において二股の断面コ字状に形成された軸着部を形成し、他方側のカム部材には、当該カム部材の上端部にピストンの下面に当接する当接部と下端部に軸着部を形成し、一方側のカム部材の２つの軸着部の間に他方側のカム部材の軸着部を装入した状態で共通の揺動軸で軸着し、一対のカム部材の軸着部の下面側には、それぞれ出力部材と当接するカム面が形成されており、出力部材は、カム部材のカム面と当接する大径部とアクチュエータ下部のベースに形成された取付穴にＯリングを介して嵌合可能な小径部とから成るディスク部材であり、一対のカム部材のカム面は、ディスク部材の小径部側に均等に配置された状態でディスク部材に当接し、一対のカム部材のそれぞれの当接部は、アクチュエータの平面視において揺動軸を中心に左右軸線上の対称位置に設けられると共に、弾発部材により付勢されたピストンの動力は、当接部を力点、揺動部を支点、カム面を作用点としてカム部材が揺動軸を介して回動することによって増幅されて出力部材に伝達されるようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、当接部にはローラを有するローラ部を設け、このローラがピストンとの当接面を転動することで、カム部材が揺動軸を介して回動するようにしたバルブ用アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、小径部の径は、エア室内へエアを供給した際、ディスク部材が、供給エア圧によりエア室外側へ向けて押し出される圧力よりも、ダイヤフラムの自己復帰反力に基づいてエア室内側へ向けて動かされる力の方が大きくなる程度の径に設定したバルブ用アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、バルブ用アクチュエータを備え、出力部材を介してボデー内に設けた弁座シートにダイヤフラムを押圧して弁閉するようにしたダイヤフラムバルブである。

請求項１に記載の発明によると、倍力機構を、何れかのエア室内に収納するようにして構成したから、エア室及び倍力機構の両者に要する占有スペースが一体化される。よって、十分なバルブの閉止力を確保しつつアクチュエータを大幅に小型化することができる。これと同時に、少なくとも２つのエア室を配置しているので、アクチュエータの過度な大型化を回避しつつ必要エア圧を十分に確保することができ、よって確実なバルブの開弁力も担保できる。したがって、アクチュータの大幅な小型化と共に確実なバルブの開閉性をも備えたバルブ用アクチュエータの提供が可能となる。
さらに、倍力機構は、一対のカム部材を１本の揺動軸に軸着して構成すると共に、カム部材の構造も簡易であるから、全体として簡易な構造であり、よって、アクチュエータの生産性・取扱性・メンテナンス性はもとより耐久性も高まり、また、小型化にも極めて好適となっている。
また、３個所のカム面は、ディスク部材の小径部の軸心位置に近い位置となっており、しかも上下に略対称位置となっているからカム面から受ける押圧力が均等にディスク部材に伝わることになり、さらに２個所のカム面は、左右の軸線上に略対称位置であるから、ピストン部下面がカム部材から受ける反力が均等となり、ピストンに無理な偏芯力が作用することはないため、ピストンとディスク部材の力の伝達が極めて良好となる。

請求項２に記載の発明によると、ローラ部を介在させることにより、カム部材とピストンとの摺動をほぼ無くすことができ、よって、両部材の摺動に起因した部材の損傷やピストン動力の損失、或は発塵によるエアの汚染を極めて低減することができる。

請求項３に記載の発明によると、ディスク部材の小径部の径を適切な大きさに設定するだけで、ディスク部材の確実な正常動作が担保される。具体的には、エア室へのエア供給に伴い、エア圧がディスク部材をエア室から押し出すように不適切に作用してダイヤフラムの良好な離座、すなわち良好な開弁性が損なわれるおそれがない。しかも、小径部の径は上限をもって設定されるから、アクチュエータの小型化にも寄与することができる。

請求項４に記載の発明によると、十分に小型で簡易構造であると共に、十分な弁閉力が確保されたアクチュエータを備えることで、十分に小型、かつ、簡易構造により高い生産性・メンテナンス性・使用性を備えたダイヤフラムバルブを提供できる。

本例のバルブ用アクチュエータを備えたダイヤフラムバルブの断面図であり、中央線左側は全閉状態を、右側は全開状態をそれぞれ示している。 図１においてＡ－Ａ線断面を模式的に示した模式断面図である。 図２におけるＢ－Ｂ線断面に対応する本例の倍力機構の半割構造を、模式的に示した模式斜視断面図である。 本例のカム部材による倍力作用を模式的に説明した説明図である。

以下、本発明の一実施形態の構造を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態（本例）のバルブ用アクチュエータと、これを備えた状態の本例のダイヤフラムバルブの断面図であり、同図中央線の左側半分は本例のバルブの全閉状態を、右側半分は本例のバルブの全開状態をそれぞれ示している。

図１において、本例のバルブ用アクチュエータは、アクチュエータ本体１００内に設けた弾発部材８（スプリング８）により付勢されたピストン２と、エア圧によりピストン２を動かすための少なくとも２つのエア室３（３ａ、３ｂ）とを配置すると共に、弁閉方向に増幅された力を発揮させるための倍力機構１を、何れかのエア室３に収納したエア駆動アクチュエータである。

カバー４は、外観略円筒形状を呈し、軸心位置には、外部に設けられた図示しないエア源と接続するための接続部５が設けられ、これに繋がる流路５ａが形成されており、さらに、これに繋がるピストン２と嵌合可能な嵌合部１０が設けられている。カバー４の下端部には、ケーシング６のメネジ部７と螺着可能なオネジ部９が設けられている。また、カバー４の内部には、スプリング８を付勢するための受け部１１が凹設されている。

ケーシング６は、カバー４と略同径の円筒状の外観に形成されており、上端部に前記したメネジ部７が形成され、下端部には、ベース１２のメネジ部１３と螺着可能なオネジ部１４が形成されている。メネジ部１３とオネジ部１４との間をシールするため、Ｏリング１５が介装されている。また、ケーシング６の内周面には、サブベース１６と係合する段部１７が形成されている。

ベース１２は、上部がケーシング６と略同径の筒状に形成され、下部は上部より段状に縮径するように形成されていると共に、ボデー１８のメネジ部１９と螺着可能なオネジ部２０が形成されている。また、中央の軸心位置には、出力部材２１（ディスク部材２１）と嵌合して取り付け可能な取付穴２２が開口しており、この取付穴２２の内周面には、Ｏリング２３が設けられている。

ボデー１８は、入口流路２４と、これに傾斜して繋がる１次側流路２５が刻設され、この１次側流路２５は、上向き方向に屈曲して開口部２６（弁口）を介して２次側空間２７（弁室）に連通している。開口部２６の周縁部には、ＰＣＴＦＥ製の弁座シート２８が固着されており、上面にはダイヤフラム２９の下面が可撓変形して密着（着座）可能となっている。２次側空間２７は、断面略長方形状であり、深い環状溝形状となるように形成されており、コンパクトに形成された外観略直方体形状のボデー１８の内部において、この２次側空間２７のように、なるべく大容量かつ低い流体抵抗となるように流路空間が確保されていることで、高いＣｖ値が実現できる。また、２次側空間２７の一部が、直線状に形成された出口流路３０に開口して連通している。

ダイヤフラム２９は、略円形状に形成され、本例では、９枚のＣｏ合金製ダイヤフラムを重ねて構成している。ダイヤフラム２９の周縁部は、２次側空間２７の外周部に形成された凸部３１と、ボンネット３２の下面との間に狭着固定されてバルブの弁室を構成している。

ボンネット３２は、略筒状に形成されており、本例のバルブの組立の際においては、ベース１２とボデー１８との間に設けられ、メネジ部１９をオネジ部２０に螺合する際の締付力によりベース１２の下端面がボンネット３２を押圧し、この押圧力によりボンネット３２の下面と凸部３１との間にダイヤフラム２９の周縁部が狭着されて弁室内に固定される。また、ボンネット３２の内周面は略同一径に形成された筒状空間となっており、この内周面には、略円柱形状のダイヤフラムピース３３が、この内周面とほぼ抵抗なく摺動可能に嵌合している。また、ダイヤフラムピース３３の上面は、取付穴２２に嵌合したディスク部材２１の下端面が当接可能に設けられている。

本発明のアクチュエータは、少なくとも２つのエア室を備えており、小型化に伴うエア駆動力（開弁力）不足を解消している。この複数のエア室の構成は実施に応じて任意に選択可能であるが、本例では、図１、３に示すように、ピストン２をコンパクトに２段構成とすると共にケーシング６内周面の段部１７にサブベース１６を配置した構成により、供給エアによりこのピストン２を動かすためのエア室３を、２つに増設している。

具体的には、ピストン２は、平行に２枚が張り出した円形フランジ状のピストン部２ａ、２ｂと、これらの中心軸位置を繋ぐ筒状の延部２ｃ、２ｄを有しており、延部２ｃの内部には外部に開口して供給エアを導通する流路３４が形成され、この流路３４と連通して、延部２ｄにも横方向に開口した流路３５と縦方向の流路３６が形成されており、この流路３６はピストン２の外部に開口している。

ピストン２は、ピストン部２ａと延部２ｄ、及び、ピストン部２ｂと延部２ｃを、それぞれを一体に形成し、これら２つの部材を組み合わせて構成するようにしている。具体的には、ピストン部２ａと延部２ｃの場合は、円盤状のピストン部２ａと内部に流路３６を有する円柱状の延部２ｄとを傘状に一体形成し、延部２ｄの円形端面に中心位置となる流路３６の開口部を通るように溝を切り欠いて流路３５を形成しており、ピストン部２ｂと内部に流路３４を有した延部２ｃも同様に傘状に一体形成される。その後、流路３５を切り欠いた延部２ｄの端面を、流路３４、３５が互いに連通するようにピストン部２ｂの中心位置に組み合わせ、２つの部材からピストン２が構成するようにしているが、単一の部材からピストン２全体を一体に構成するようにしてもよい。

また、ピストン部２ａ、２ｂの外周縁部には、Ｏリング３７、３８がそれぞれ設けられ、ケーシング６の内周面との間を摺動しつつシール可能となっている。ピストン部２ａ、２ｂの外径は、ケーシング６の段部１７より上側の内径と下側の内径にそれぞれ適合しており、後述のように、エアの給排に応じて、エア室３ａ、３ｂ内の密封性を維持したままピストン２のアクチュエータ本体１００内におけるバルブストローク動作を可能としている。

上記の構造により、本例のアクチュエータの組立が完了した際は、ピストン部２ａの下面側とベース１２の内周面との間に形成される密封空間は、流路３６からの供給エアが導入される第一のエア室３ａとなり、ピストン部２ｂの下面側とサブベース１６の上面側との間に形成される密封空間は、流路３５からの供給エアが導入される第二のエア室３ｂとなる。このようにして、本例ではエア室３を第一のエア室３ａと第二のエア室３ｂとの２つに増設している。このようなピストン２とケーシング６との構成によりコンパクトに複数のエア室を設けたから、本例では、アクチュエータ本体１００の過度な大型化や部品点数の増加を回避しつつ、確実なエア駆動力が確保可能となる。なお、アクチュエータ本体１００の高さが条件に許容される限りの範囲において、例えばケーシング６を長く設けてピストン２を３段以上の構成としてもよい。

図１、３において、ディスク部材２１は、後述のカム部材４２、４３のカム面４２ｂ、４３ｂとそれぞれ当接する略円板状の大径部３９と、アクチュエータ下部のベース１２に形成された取付穴２２に嵌合可能な略円筒状の小径部４０とから成り、本例ではこれらを一体形成している。具体的には、図１に示すように、本例のアクチュエータに内蔵されたディスク部材２１は、小径部４０が取付穴２２に上下摺動自在に嵌合しており、大径部３９の周縁部は、ベース１２の内部底面に形成され大径部３９の形状と適合するように形成された段部面４１に、上下動自在に係合している。なお、本例のディスク部材２１の材質は、機械構造用鋼（Ｓ４５Ｃ－Ｈ ＨＲＣ４０）にＭｏＳ２コーティング処理（膜厚約１０μｍ）を施した素材を使用している。

取付穴２２内周面には、Ｏリング２３を装着して小径部４０との間をシールするようにしている。本例の作用において後述のように、ベース１２は静止側部材となると共にディスク部材２１は可動側部材となるので、シール部材をベース１２側に設けるとベース１２の底部の厚みを小さくすることができるので、バルブの小型化に好適である。

図１において、本例の倍力機構１は、一対のカム部材４２、４３を、共通の１本の揺動軸４４（カムシャフト）に枢着すると共に、この一対のカム部材４２、４３を第一のエア室３ａに収納するようにして構成し、これらカム部材４２、４３は、上端部にはピストン２と当接する当接部４２ａ、４３ａがそれぞれ設けられ、一方、下端部にはディスク部材２１と当接する凸状のカム面４２ｂ、４３ｂがそれぞれ形成されている。なお、４７ａ、４７ｂは、図１～３を用いて後述するホルダ４７の構成部材である。

当接部４２ａ、４３ａには、ローラ部４５、４６がそれぞれ設けられている。ローラ部４５、４６は、ローラ４５ａ、４６ａがそれぞれローラシャフト４５ｂ、４６ｂに回動自在に設けられており、本例では、これらのローラ４５ａ、４６ａがピストン部２ａの下面に対して転動可能に当接していることで、当接部４２ａ、４３ａが構成されている。なお、当接部は、上記のようなローラ部を設けず、例えば後述の図４に模式的に示すように、カム部材の上端部に略円弧形状の円弧部を形成して、この円弧部が直接ピストンの下面に当接・摺動するように構成してもよく、このような場合は、アクチュエータの部品点数を削減して簡易に構成できる。

図２、３は、本例の倍力機構１の構造を模式的に示しており、図２は、図１におけるＡ－Ａ線断面から倍力機構１を見た場合の模式断面図である。図３（ａ）、（ｂ）の何れも図２に示したＢ－Ｂ線断面に対応した倍力機構１の模式図であり、アクチュエータ内部において周辺に配置される部材の一部と共に構造を説明した斜視断面図である。

図２、３に示すように、一対のカム部材４２、４３は、１本の揺動軸４４に、ヒンジ状に枢着しており、カム部材４２は二股のコ字状に形成された２本の軸着部６０、６０で軸着しており、これらの軸着部６０、６０の間で、カム部材４３の１本の軸着部６１が軸着している。このため、図２に示すように、カム部材４２のカム面４２ｂがディスク部材２１と当接する領域は、アクチュエータの平面視において領域４２ｃ付近となり、カム部材４３のカム面４３ｂがディスク部材２１と当接する領域は、同図において領域４３ｃ付近となる。同様に、カム部材４２（ローラ４５ａ）がピストン２ａ部下面と当接する領域は領域４２ｄ付近となり、カム部材４３（ローラ４６ａ）がピストン部２ａ下面と当接する領域は領域４３ｄ付近となる。

図２に示すように、３箇所の領域４２ｃ、４３ｃは、ディスク部材２１の軸心位置（小径部４０）に近い位置となっており、しかも同図において上下に略対称位置となっているから、カム面４２ｂ、４３ｂから受ける押圧力が均等にディスク部材２１に伝わると共に、小径部４０に直接伝わりやすく、このため、力の伝達が極めて良好となる。また、２箇所の領域４２ｄ、４３ｄは、同図において左右に略対称位置となっているから、ピストン部２ａ下面がカム部材４２、４３から受ける反力が均等になり、ピストン２に無理な偏芯力が作用することがない。

なお、図３に示すように、揺動軸４４の両端部は、対向した支持部４７ｂの内側面にそれぞれ挿入されて回動可能に固定されている。図１、３に示す本例のホルダ４７は、ベース１２の低側面に適合するように環状に形成された環状部４７ａと、この環状部４７ａの内周側にそれぞれ一体形成され対向配置された２つの支持部４７ｂとから成り、本例のアクチュエータ本体１００を組み立ての際は、環状部４７ａは、ベース１２の底面に載置された状態で、ケーシング６のオネジ部１４をベース１２のメネジ部１３に螺着していく際の締付力によりケーシング６の下端部に押圧されてベース１２の底面との間に狭着されて固定される。

続いて、図１に示す本例のバルブ用アクチュエータとこれを備えたダイヤフラムバルブの作用を説明する。同図左側は、バルブの全閉状態であり、同図右側のバルブの全開状態である。以下、全開状態において、エア室３からエアを抜いた場合の作用を説明する。

エア室３からエアを抜いていくと、所定の圧力となっていた第１のエア室３ａ、第２のエア室３ｂの内圧は外気圧まで下がっていき、ピストン２がエア室３から受ける圧力が減少していくに伴い、スプリング８の付勢力によって下方に押し下げられていく。押し下げられたピストン２の下面は、倍力機構１の当接部４２ａ、４３ａに当接しながら押圧してカム部材４２、４３をそれぞれ揺動軸４４の回りを回動させていき、この回動に伴い、カム面４２ｂ、４３ｂがディスク部材２１の大径部３９を押圧してディスク部材２１を下方に押し下げていく。なお、この際の力の増幅作用は後述する。

ディスク部材２１の小径部４０下端部は、ダイヤフラムピース３３の上面に当接しているので、ディスク部材２１の押し下げに伴いダイヤフラムピース３３も押し下げられていく。ダイヤフラムピース３３の下面はダイヤフラム２９に当接しているので、ダイヤフラムピース３３が下降すると、その下面でダイヤフラム２９の上面が押圧されて可撓変形していく。ダイヤフラムピース３３の下面がダイヤフラム２９を下側に向けて凹ませるように変形させていき、ダイヤフラム２９の下面が弁座シート２８の上面に所定の圧力で圧着することにより、ダイヤフラムピース３３がバルブストロークの下限位置で係止されると共に、弁室の１次側流路２５と２次側空間２７とが隔離されてバルブが全閉状態となる。

次に、この全閉状態において、エア室３にエアを充填して全開状態としていく場合の作用を説明する。エア室３にエアを導入する際は、図示しないエア源から圧入されるエアは、ピストン２の延部２ｃに設けられた流路３４を通り、次いで延部２ｄに設けられた流路３５を通って第２のエア室３ｂに圧入される。同時に、延部２ｄに設けられた流路３６を通って第１のエア室３ａにも圧入される。

ピストン２はスプリング８により下方に向けて付勢されているが、第１のエア室３ａにおいては可動部材は、後述のディスク部材２１を除いて、ピストン部２ａのみであるから、エア室３ａのエア圧が上昇していきスプリング８の付勢力を上回ると、このエア圧はピストン部２ａを上に押し上げるように作用する。同様に、第２のエア室３ｂにおいても、サブベース１６はケーシング６の内周面に固定されているから、可動部材はピストン部２ｂのみであり、エア室３ｂ内のエア圧が上昇してスプリング８の付勢力を上回ると、ピストン部２ｂが上に押し上げられる。よって、ピストン２全体が、ケーシング６の内周面との間の密封シールを維持したまま摺動して上方に押し上げられることになる。

ここで、ピストン２に作用するエア圧はピストン２のエア室３内に向いた面積に比例するが、本例ではエア室３を、第１のエア室３ａに加えて、同一のケーシング６内部に薄く形成したサブベース１６を介してコンパクトに第２のエア室３ｂを２段構成していることにより、アクチュエータの大型化を回避しつつ十分なピストン面積を確保している。

一方で、ダイヤフラム２９は、形状自己復帰力を有しているので、上記のようにエア室３ａ、３ｂ内の昇圧に伴い、カム部材４２、４３の当接部４２ａ、４３ａが、ピストン２による押し下げ付勢から解除されていくと、ダイヤフラム２９は自己復帰反力により、自然状態である上向きに緩やかに湾曲した凸形状に復帰することが可能となり、この自己復帰により弁座シート２８から離座してバルブが全開状態となる。より具体的には、この反力によりダイヤフラムピース３３が押し上げられ、これによりディスク部材２１も押し上げられ、これによりディスク部材２１はカム面４２ｂ、４３ｂを押し上げ、これによりカム部材４２、４３が揺動軸４４の回りを回動することになる。

続いて、図４を用いて、本例の倍力機構１による力の増幅原理を幾何学的に説明する。図４は、本例のカム部材の一方の側面視を模式的に示しており、以下の力の増幅原理は、一対のカム部材４２、４３の両者で共通である。

図４において、５０は本例のカム部材の形状を模式的に示しており、上端部に当接部５１、下端部に凸状のカム面５２が設けられている。同図の当接部５１は簡略化して示しており、上記のようなローラ部を有さない単純な円弧形状であり、点Ｑは、この円弧の中心位置である。当接部５１はピストン下面５３と当接し、カム面５２はディスク部材上面５４と当接している。５５は揺動軸であり、点Ｏは、その軸心位置である。また、当接部５１が下面５３から受ける力をＦとし、当接部５１は円弧形状であるから、力Ｆは鉛直下方の点Ｑの方向を向いている。同様にカム面５２が上面５４に与える力をＮとしていると共に、当接箇所を点Ｐで示している。

また、線分ＯＰの長さをｌとし、線分ＯＱの長さをＬとし、線分ＯＰとＯＱの交差角度をαとしている。これらは全てカム部材の形状に固有の定数である。また、水平方向からの線分ＯＱの傾き角度をθとしている。この場合、梃子の原理（ＦとＮとの関係）によれば力の増幅率Ｎ／Ｆは以下となる。

本例のバルブストロークの範囲内においては、角度θの変動域は小さな範囲であるから、ほぼカム部材の形状の設定次第で、安定した倍力作用を得ることができる。

上記構造により、弾発部材（スプリング８）により付勢されたピストン２の動力は、当接部４２ａ、４３ａを力点、揺動軸４４を支点、カム面４２ｂ、４３ｂを作用点として、梃子の原理により、カム部材４２、４３が揺動軸４４の回りを回動することによって増幅されて出力部材（ディスク部材２１）に伝達され、この出力部材を介してボデー１８内に設けた弁座シート２８にダイヤフラム２９を押圧して弁閉するようにしている。

また、図１に示すように、本例のアクチュエータにおいては、当接部４２ａ、４３ａにローラ部４５、４６をそれぞれ設けている。このため、ピストン部２ａの下面（当接面）に対して、これらローラ部のローラ４５ａ、４６ａが、付勢されるようにして当接している。また、上記のようにバルブの開閉に伴いピストン２が昇降動した際は、これに伴いローラ４５ａ、４６ａがピストン部２ａの下面をほぼ抵抗なく転動し、これに伴いカム部材４２、４３が揺動軸４４の回りを回動する。

さらに、本例のディスク部材２１の小径部４０の径は、第１のエア室３ａ内へエアを供給した際、ディスク部材２１が、供給エア圧によりエア室３ａ外側へ向けて押し出される圧力よりも、ダイヤフラム２９の自己復帰反力に基づいてエア室３ａ内側へ向けて動かされる力の方が大きくなる程度の径に設定している。

つまり、第１のエア室３ａにエアを供給して内圧が上昇した際は、エア室３ａ内周面において可動部材は、上面となるピストン部２ａの当接面と、取付穴２２に嵌合したディスク部材２１となるので、ピストン部２ａに加えて、密封空間であるエア室３ａの内圧はディスク部材２１に対しても作用し、これにより、小径部４０を取付穴２２のＯリング２３に対して摺動させつつディスク部材２１を下へ向けて押し下げるように作用する。よって、ダイヤフラムピース３３の付勢を開放してダイヤフラム２９の自己復帰反力によりバルブを開くためにエア室３ａへエアを導入した際、逆にこのエア圧がディスク部材２１を押圧して弁開動作を阻害するおそれがある。これは、ディスク部材２１と共に倍力機構１をエア室３ａ内に収容することに伴う特有の問題である。

この際、エア室３ａのエア圧によってディスク部材２１が押し下げられる力は、大径部３９上面の受圧面積から大径部３９下面の受圧面積を減じた面積、すなわち、小径部４０下面の面積に、エア圧を乗じた値となる。よって、ディスク部材２１の自重等を除き、原理的には、小径部４０の外径（或は、これに対応する取付穴２２の内径）の大きさに応じて、上記のように弁開動作に反してエア室３ａのエア圧によってディスク部材２１が押し下げられる力が決まることになる。

これに対し、本例のアクチュエータでは、小径部４０の外径の大きさ（取付穴２２の内径の大きさ）を、ダイヤフラム２９が自己復帰反力でダイヤフラムピース３３を介してディスク部材２１を押し上げる力の方が、上記のようにディスク部材２１が押し下がる力より大きく維持されるような大きさ以下の範囲内に設定しているので、エア室３ａへのエア供給に伴いバルブの良好な開弁性が阻害されることがない。

具体的には、本例のダイヤフラムバルブにおいて、予め、ダイヤフラム２９の頂部を上から押圧する力とバルブの流量との関係を調べたところ、押圧力がゼロから小さい値の範囲においては、押圧力によるダイヤフラム２９の沈み込みが小さいため、バルブの流量はほぼ全開状態における流量に等しく維持されていたが、３０Ｎを超えたあたりからダイヤフラム２９の沈み込みの影響でバルブの流量が徐々に減少し始めることが判明した。また、最終的には、約５００Ｎの押圧力でダイヤフラム２９が弁座シート２８に着座して完全に弁閉状態に至ることも判明した。

このため、ディスク部材２１が弁開動作の際にエア室３ａに導入されるエア圧によって悪影響、すなわち下に押し下げられてしまうことでダイヤフラム２９を押圧し、弁開動作の障害や流量の減少を生ずることが無いようにするためには、ディスク部材２１に作用するエア圧が、最大でも３０Ｎ以下となるように設定すればよいことになる。

一方で、本例のダイヤフラムバルブのエアの最大使用圧力は、０．７ＭＰａを想定して設計しており、ディスク部材２１の小径部４０の径をΦ５．２ｍｍに設定した際、ディスク部材２１に作用するエア圧による押し下げ力は約１５Ｎ程度であった。よって、小径部の径をこの程度の大きさに設定しておけば、エア室３ａに導入した最大エア圧がディスク部材２１に作用しながら押し下げられても、ダイヤフラム２９が沈み込むことが無いので、上記のような弁開動作が阻害される問題が生じる事が無い。

また、上記のように流量低下を引き起こす力は、設計するバルブのダイヤフラムの形状や材質、厚さ及び積載枚数、また、バルブや使用流体の温度、圧力、使用するエア圧力等によって、条件が様々となるので、それぞれの条件に応じて、流量低下が発生し得る力の値を考慮して、適宜ディスク部材の大径部・小径部を設計すればよい。

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 倍力機構
２ ピストン
３（３ａ、３ｂ） エア室
８ スプリング（弾発部材）
１８ ボデー
２１ ディスク部材（出力部材）
２３ Ｏリング
２８ 弁座シート
２９ ダイヤフラム
３９ 大径部
４０ 小径部
４２、４３ カム部材
４２ａ、４３ａ 当接部
４２ｂ、４３ｂ カム面
４４ 揺動軸
４５、４６ ローラ部
４５ａ、４６ａ ローラ
１００ アクチュエータ本体

Claims (4)

1. アクチュエータ本体内に設けた弾発部材とこの弾発部材により付勢された弾発部材側のピストンとエア圧により前記弾発部材より下方側のピストンを動かすための少なくとも２つのエア室を配置し、弁閉方向に増幅された力を発揮させるための倍力機構を下方側の前記エア室に収納し、前記倍力機構は、一対のカム部材を共通の揺動軸に枢着して下方側の前記エア室内に収容し、一対の前記カム部材の一方側には、当該カム部材の上端部に前記ピストンの下面に当接する当接部と下端部にアクチュエータの平面視において二股の断面コ字状に形成された軸着部を形成し、他方側の前記カム部材には、当該カム部材の上端部に前記ピストンの下面に当接する当接部と下端部に軸着部を形成し、一方側の前記カム部材の２つの前記軸着部の間に他方側の前記カム部材の前記軸着部を装入した状態で共通の前記揺動軸で軸着し、一対の前記カム部材の軸着部の下面側には、それぞれ出力部材と当接するカム面が形成されており、前記出力部材は、前記カム部材の前記カム面と当接する大径部と前記アクチュエータ下部のベースに形成された取付穴にＯリングを介して嵌合可能な小径部とから成るディスク部材であり、一対の前記カム部材の前記カム面は、前記ディスク部材の前記小径部側に均等に配置された状態で前記ディスク部材に当接し、一対の前記カム部材のそれぞれの前記当接部は、アクチュエータの平面視において前記揺動軸を中心に左右軸線上の対称位置に設けられると共に、前記弾発部材により付勢されたピストンの動力は、前記当接部を力点、前記揺動部を支点、前記カム面を作用点として前記カム部材が前記揺動軸を介して回動することによって増幅されて前記出力部材に伝達されるようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
2. 前記当接部にはローラを有するローラ部を設け、このローラが前記ピストンとの当接面を転動することで、前記カム部材が前記揺動軸を介して回動するようにした請求項１に記載のバルブ用アクチュエータ。
3. 前記小径部の径は、前記エア室内へエアを供給した際、前記ディスク部材が、供給エア圧により前記エア室外側へ向けて押し出される圧力よりも、ダイヤフラムの自己復帰反力に基づいて前記エア室内側へ向けて動かされる力の方が大きくなる程度の径に設定した請求項１に記載のバルブ用アクチュエータ。
   
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータを備え、前記出力部材を介してボデー内に設けた弁座シートにダイヤフラムを押圧して弁閉するようにしたダイヤフラムバルブ。

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