JP7129096B2 - 制御器 - Google Patents

Description

この発明は、流体の流量を制御することができる制御器に関し、特に、高圧流体を使用する際に適した制御器に関する。

半導体製造分野においては、パーティクルの発生を防ぐため、金属ダイヤフラムの変形により流路の開閉を行うダイヤフラム弁が制御器として好適に用いられている。

高圧流体を使用する際に適したダイヤフラム弁として、特許文献１には、流体通路が設けられた弁箱と、前記弁箱に設けられた環状の弁座に当接または離間することで前記流体通路を開閉するダイヤフラムと、位置を変更することで前記ダイヤフラムを開または閉方向に変形させる弁棒と、前記弁棒の位置を移動させる駆動装置と、駆動装置の作動軸と弁棒との間に設けられて作動軸にかかる力を増幅して弁棒に伝達する動力伝達装置とを備えているものが開示されている。

特許文献１の制御器は、開または閉のいずれかの状態とする開閉弁であり、流体の流量を制御することはできない。流体の流量を制御するダイヤフラム弁としては、特許文献２に、アクチュエータに圧電素子を使用することで、流体の流量の制御を可能としたものが開示されているが、圧電素子を使用したアクチュエータでは、バルブ閉止に必要な推力を得ることができず、高圧流体に用いるのは不適である。

特許第３３３８９７２号公報 特開平７－３１０８４２号公報

特許文献１および２は、いずれも高圧流体の流量の制御に使用するには、不適当であり、従来、高圧流体の流量を制御する制御器はなかった。また、従来の流体の流量を制御する制御器は、大きなものであり、その小型化が望まれている。

この発明の目的は、高圧流体の流量を精度よく制御することができる小型の制御器を提供することにある。

この発明による制御器は、流体通路が設けられた弁箱と、前記弁箱に設けられた環状の弁座に当接または離間することで前記流体通路を開閉するダイヤフラムと、位置を変更することで前記ダイヤフラムを開または閉方向に変形させる弁棒と、前記弁棒の位置を移動させる駆動装置とを備えており、前記駆動装置の作動軸と前記弁棒との間に、前記作動軸にかかる力を増幅して前記弁棒に伝達する動力伝達装置が設けられているとともに、前記ダイヤフラムは、金属製で、前記流体通路が完全に閉じた状態と、前記流体通路が完全に開いた状態と、前記流体通路が一部開いた状態とに変形可能とされており、前記駆動装置は、前記流体通路が一部開いた状態において、前記流体通路を流れる流体の流量に基づいて、前記流量が一定となるように前記作動軸の位置を調整するものであることを特徴とするものである。

駆動装置は、例えば、空気圧シリンダ装置とされ、その制御は、電気信号に比例して空気圧力を無段階に制御する電空レギュレータで行うことが好ましい。

動力伝達装置は、例えば、ケーシングと、作動軸に一体に設けられた円錐状の第１ローラ受け部材と、弁棒に一体に設けられた第２ローラ受け部材と、両ローラ受け部材の間に配置された一対のローラ支持体と、第１ローラ受け部材に設けられたテーパ面に当接する一対の転動ローラと、第２ローラ受け部材のローラ受け面に当接する一対の押えローラとを備え、各ローラ支持体が、押えローラの軸線に対して第１ローラ受け部材の軸線がわに寄った軸を中心として揺動しうるようにケーシングに支持されているもの（増幅型の動力伝達装置の１例）とされる。増幅型とすることで、推力を小さくすることができ、制御器を小型化することができる。

この制御器は、種々の用途に使用できるが、特に、流体として高圧流体を使用し、微小なストロークの制御が必要な場合に使用するのに適している。

増幅型の動力伝達装置を使用した従来の制御器は、開閉を行うもので、流体の流量に基づいてダイヤフラムの開度を調整することはできなかった。高圧の流体の流量を制御する場合、弁棒の微小な移動量を制御する必要があり、圧電素子を使用する従来の制御器は、それができなかったが、増幅型の動力伝達装置を使用することによって、高圧に抗して弁棒を移動させることが可能なだけでなく、小さなストロークでも分解能を大きくできるので、弁棒の微小な移動量の制御が可能となる。そして、この動力伝達装置と流体通路を流れる流体の流量に基づいて作動軸の位置を調整する駆動装置とを組み合わせることで、高圧流体の精度のよい流量の制御が可能となる。これにより、従来実現できていなかった精度のよい制御器（高圧流体用流量調整弁）が得られる。

前記駆動装置は、一端側に開口する凹所を有するシリンダと、前記シリンダの開口を閉鎖するボンネットと、前記シリンダの前記凹所内に配置されたピストンと、前記ピストンの先端側に固定されて前記作動軸を押圧するロッドと、中央部が前記ピストンに固定されるとともに、周縁部が前記シリンダと前記ボンネットの間に固定され、両固定部間に折返し部を有するダイヤフラムとを備えており、前記ボンネットと前記ダイヤフラムとの間に供給された圧縮空気が前記ダイヤフラムを介して前記ピストンを押圧することで前記ロッドを移動させる空気圧シリンダ装置であることが好ましい。

増幅型の動力伝達装置と折返し部を有するダイヤフラムを使用した駆動装置とを組み合わせることで、流体通路を開閉するダイヤフラムの開度を０．６ｍｍ以下の範囲で適正化が可能となる。

前記流体通路は、前記弁座に囲まれた開口を有し前記ダイヤフラムの中央部に臨まされた中央通路と、前記弁座の径方向外側に開口を有し前記ダイヤフラムの外周縁部近傍に臨まされた外側通路とを有しており、前記外側通路が前記流体の入口通路とされ、前記中央通路が前記流体の出口通路とされていることが好ましい。

すなわち、従来、中央通路が入口通路に、外側通路が出口通路に使用されていたのに対し、外側通路が入口通路に、中央通路が出口通路に使用され、このようにすることで、高圧流体であっても、流体通路が急激に開になることが防止される。

前記中央通路の径が前記外側通路の径以下とされていることが好ましい。

従来、中央通路および外側通路は、流量を多くするために、大きな径とされており、中央通路の径と外側通路の径とは、ほぼ同じ大きさとされていた。これに対し、出口通路である中央通路の径を小さくすることで、Ｃｖ値が例えば０．０３５という値とすることができ、こうして、従来実現できていなかったＣｖ値が０．０００５～０．０３５でかつダイヤフラムストロークが０．００２～０．２ｍｍである制御器を得ることができる。

この発明の制御器によると、増幅型の動力伝達装置を使用することで、高圧に抗して弁棒を移動させるだけでなく、弁棒の微小な移動量の制御が可能となり、これと流体通路を流れる流体の流量に基づいて作動軸の位置を調整する駆動装置とを組み合わせることで、高圧流体の精度のよい流量の制御が可能となる。また、小型化も可能となる。

図１は、この発明による制御器の１実施形態を示す縦断面図で、流体通路が開の状態を示す図である。 図２は、図１から弁棒を移動させて流体通路が閉となった状態を示す図である。 図３は、図１の要部を拡大した図である。 図４は、図２の要部を拡大した図である。 図５は、駆動装置の詳細を示す縦断面図である。

１：制御器
２：弁本体
３：駆動装置
４：動力伝達装置
１１：弁箱
１２：第１流体通路
１２ｂ：中央通路
１３：第２流体通路
１３ｂ：外側通路
１４：ダイヤフラム
１５：弁棒
２１：シリンダ
２１ａ：凹所
２２：ボンネット
２３：ピストン
２５：ダイヤフラム
２５ａ：折返し部
２６：ロッド

以下の説明において、上下および左右は図の上下および左右をいうものとする。この上下・左右は、便宜的なもので、制御器の設置に際しては、上下が逆になったり、上下が水平になったりすることがある。

図１および図２は、この発明の制御器を示しており、制御器１は、弁本体２と、駆動装置３と、弁本体２と駆動装置３との間に設けられた動力伝達装置４とを備えている。

弁本体２は、第１および第２流体通路１２、１３が形成された弁箱１１と、流体通路１２、１３間の連通を開閉するダイヤフラム１４と、ダイヤフラム１４を開または閉方向に変形させる弁棒１５と、ナット１７によって弁箱１１に取り付けられたボンネット１６とを有している。

弁箱１１は、ＳＵＳ３１６Ｌ製で、上方に向かって開口した凹所１１ａを有している。第１流体通路１２は、左方に開口する大径通路１２ａと、大径通路１２ａの右端部に連なり、かつ大径通路１２ａよりも小径で凹所１１ａの底面中央部に開口している中央通路１２ｂとからなる。第２流体通路１３は、右方に開口する大径通路１３ａと、大径通路１３ａの左端部に連なり、かつ大径通路１３ａよりも小径で凹所１１ａの底面右部に開口している外側通路１３ｂとからなる。

流体は、第２流体通路１３の大径通路１３ａから流入し、第１流体通路１２の大径通路１２ａから流出させられる。

弁箱１１には、第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口を囲むように、環状の弁座１８が設けられている。弁座１８が上方に突出していることで、弁箱１１における弁座１８の外周には、第２流体通路１３の外側通路１３ｂに連通している環状通路１１ｂが形成されている。

ダイヤフラム１４は、金属製で、球殻状とされており、上に凸の円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム１４は、その周縁部が弁箱１１の凹所１１ａ底面の突出状の外周縁部に支持されて、上から押さえアダプタ１９に押圧されることで、弁箱１１に固定されている。ダイヤフラム１４の中央部は、弁棒１５の下端部に固定されたディスク２０によって下方に押圧されており、ディスク２０の上下位置を調整することにより、所定の開度とされた開位置に保持される。制御器１は、この実施形態では、常時開型とされており、駆動装置３を作動させた際に、ダイヤフラム１４の中央部が弁座１８に強く押し付けられる閉状態が得られるようになされている。

ダイヤフラム１４は、例えば、ニッケル合金薄板からなるものとされ、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた球殻状に形成される。ダイヤフラム１４は、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体よりなるものとされることがある。

弁箱１１は、凍結防止などのために、ヒータによって加熱可能とされており、駆動装置３に加熱の影響が及ばないように、弁棒１５の長さが設定されている。

駆動装置３は、空気圧シリンダ装置で、図５に示すように、上方に開口する凹所２１ａを有するシリンダ２１と、シリンダ２１の凹所２１ａに対向する下方に開口する凹所２２ａを有し、シリンダ２１に突き合わされてボルト（図示略）によって固定されたボンネット２２と、シリンダ２１およびボンネット２２の両凹所２１ａ、２２ａ内に上下移動可能に配置されたピストン２３と、中央貫通孔の縁部（内周縁部）がリテーナ２４を介してピストン２３の上面に固定されるとともに、外周縁部がボンネット２２とピストン２３との間に固定されているダイヤフラム２５とを備えている。

ピストン２３は、鋼帯で形成されており、貫通孔を中央部に有する頂壁２３ａと、円筒状の周壁２３ｂとからなる。ピストン２３の頂壁２３ａ下面（先端側）には、ピストン２３と一体で移動するロッド２６が固定されている。ロッド２６は、底壁２６ａおよび周壁２６ｂからなる円筒状とされており、シリンダ２１の底壁２１ｂに設けられた貫通孔２１ｃに挿通されて、その底壁２６ａの下部がシリンダ２１の下面より下方に突出させられている。

シリンダ２１の底壁２１ｂとピストン２３との間には、ピストン２３を上向きに付勢する圧縮コイルバネ２７が配置されている。

ロッド２６を案内する円柱状のガイド２８が、ピストン２３の頂壁２３ａの中央の貫通孔およびダイヤフラム２５の中央の貫通孔に挿通されて、ロッド２６の周壁２６ｂ内に位置するように配置されており、ねじ２９によってボンネット２２に固定されている。ガイド２８の外周面とロッド２６の周壁２６ｂの内周面との間には、隙間が形成されて、この隙間にすべり軸受３０が配置されている。

ダイヤフラム２５の両固定部間（内周縁部と外周縁部との間）には、折返し部２５ａが設けられている。折返し部２５ａは、ピストン２３の移動に伴って、シリンダ２１の内周とピストン２３の外周との間を移動し、これにより、シール性が確保された上で、ピストン２３のスムーズな移動が可能とされている。

ボンネット２２には圧縮空気導入通路３１が設けられており、駆動源となる圧縮空気が圧縮空気導入通路３１を介してボンネット２２とダイヤフラム２５との間に供給され、圧縮空気がダイヤフラム２５を介してピストン２３を押圧することで、ピストン２３の先端側に固定されたロッド２６が一体で移動させられる。

動力伝達装置４は、ケーシング４１内に収められた増幅機構４２を有しており、増幅機構４２は、駆動装置３によって上下移動させられる作動軸４３と、作動軸４３の下端部に一体に設けられた円錐状の第１ローラ受け部材４４と、弁棒１５の上面に支持されて弁棒１５と一体で上下移動する第２ローラ受け部材４５と、両ローラ受け部材４４、４５の間に配置された一対のローラ支持体４６と、各ローラ支持体４６に転動可能に支持されて第１ローラ受け部材４４に設けられたテーパ面４４ａに当接する一対の転動ローラ４７と、各ローラ支持体４６に転動可能に支持されて第２ローラ受け部材４５の水平状のローラ受け面４５ａに当接する一対の押えローラ４８とを備えている。

各ローラ支持体４６は、押えローラ４８の軸線に対して第１ローラ受け部材４４の軸線がわに寄った軸線を有するようにケーシング４１に支持された偏心軸４９を中心として揺動しうるようになされている。

この動力伝達装置４において、作動軸４３にかかる力をＦ、第１ローラ受け部材４４のテーパ面４４ａの半角をαとすると、転動ローラ４７にはテーパ面４４ａに対して直角方向に力が働き、前後いずれか一方の転動ローラ４７に働くこの力Ｇは、Ｇ＝Ｆ÷２Sin αとなる。

転動ローラ４７に働く力Ｇは、ローラ支持体４６および押えローラ４８を介して第２ローラ受け部材４５に伝達される。

偏心軸４９の軸線と転動ローラ４７の軸線との距離をＣ、転動ローラ軸４７の軸線と偏心軸４９の軸線を結ぶ線と第１ローラ受け部材４４のテーパ面４４ａとのなす角をγ、押えローラ４８の軸線と偏心軸４９の軸線との水平距離をδ、左右いずれか一方の押えローラ４８が第２ローラ受け部材４５を押す下向きの力をＮとすると、Ｎ×δ＝Ｇ×Cos γ×Ｃが成り立つ。したがって、左右両方の押えローラ４８が第２ローラ受け部材４５を押す下向きの力、すなわち弁棒１５を押す下向きの力は、２Ｎ＝Ｆ×Cos γ×Ｃ÷Sin α÷δとなり、α、γ、δおよびＣを適当な値とすることにより、任意の増幅率（Cos γ×Ｃ÷Sin α÷δ）により作動軸４３にかかる力を弁棒２に増幅して伝達することができる。

例えば、α＝４０°、γ＝２５°、Ｃ＝１２．５、δ＝１．５とすると、増幅率は約１２倍となり、１２倍程度の大きな力でダイヤフラム１４を押さえることができ、例えば、圧力が２０ＭＰａ程度の場合、３００ｋｇｆの力が必要となるが、これの１／１２の力で流量を制御することができる。したがって、高圧の流体であっても、流体によってダイヤフラム１４が持ち上げられて、設定値を超えて流体が流入して流出することが防止される。

上記において、図１および図２のうち、図１は、開状態を示しており、シリンダ２１の下面からのロッド２６の下方突出量が相対的に小さく、これに伴い、作動軸４３が上方位置にあることで、ローラ支持体４６の上端部同士が接近しており、第２ローラ受け部材４５が上方に位置している。図２は、閉状態を示しており、シリンダ２１の下面からのロッド２６の下方突出量が相対的に大きく、これに伴い、作動軸４３が下方位置にあることで、ローラ支持体４６の上端部同士が離隔しており、第２ローラ受け部材４５が下方に位置している。図１および図２の比較から、作動軸４３の大きなストロークに対して、弁棒１５およびディスク２０のストロークの動きを微小なものとできることが分かる。

図３および図４は、図１および図２の要部を拡大したもので、図３が図１に対応する開の状態、図４が図２に対応する閉の状態を示している。図１および図２では、駆動装置３のロッド２６の上下移動および動力伝達装置４の変化がよく分かるものの、開閉状態が分かりにくいものとなっているが、図３および図４のように拡大して図示することで、弁棒１５およびディスク２０が相対的に上方位置にあって、ダイヤフラム１４が第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口を開にするように変形している図３の状態と、弁棒１５およびディスク２０が相対的に下方位置にあって、ダイヤフラム１４が第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口を閉にするように変形している図４の状態とに変化することが分かる。

開の状態においては、流体は、第２流体通路１３の大径通路１３ａ、第２流体通路１３の外側通路１３ｂおよび弁座１８の外周の環状通路１１ｂを経て、ダイヤフラム１４と弁箱１１の凹所１１ａ底面との間に流入し、第１流体通路１２の中央通路１２ｂおよび第１流体通路１２の大径通路１２ａを経て外部へ流出する。流体の流量は、図示省略した電空レギュレータを介してフィードバックされ、流量が増加した場合には、弁棒１５およびディスク２０が流量を減少させる下方に移動し、流量が減少した場合には、弁棒１５およびディスク２０が流量を増加させる上方に移動するように制御することで、適正な流量が維持される。

ここで、従来の制御器では、第１流体通路１２が入口通路に、第２流体通路１３が出口通路になされているのに対し、上記制御器１では、第２流体通路１３が入口通路に、第１流体通路１２が出口通路として使用されている。これにより、従来の制御器では、第１流体通路１２の中央通路１２ｂの開口が臨まされているダイヤフラム１４の中央部（小面積の部分）に高圧が掛かり、開の状態となった場合に、第２流体通路１３の外側通路１３ｂの開口が環状通路１１ｂを介して臨まされているダイヤフラム１４の外周部（大面積の部分）へ一気に高圧の流体が流入して流体通路が急激に開となり、所定の流量に調整できなくなるのに対し、上記制御器１では、ダイヤフラム１４の外周部（大面積の部分）で常時圧力を受けて流量を調整しているために、高圧流体であっても、流体通路が急激に開になり、一気に流体が流入して所定の流量に調整できなくなることが防止される。

流体が高圧の場合、弁棒１５およびディスク２０の僅かな上下移動量で、流量が大きく変化するが、上記制御器１では、動力伝達装置４に設けられている増幅機構４２によって、増幅率によって設定される大きな力で高圧に抗して弁棒１５を移動させてダイヤフラム１４を下方に押圧することに加えて、弁棒１５およびディスク２０の上下移動量が駆動装置のロッド２６の上下移動量の１／増幅率に小さくなるため、精度の高い制御が可能となる。

こうして、増幅型の動力伝達装置４と空気シリンダ装置である駆動装置３とを使用することで、高圧流体の精度のよい流量の制御が可能となり、また、小型化も可能となる。

この発明によると、高圧流体を使用する際に適した流体の流量を制御する制御器が得られるので、高圧流体を用いる製造分野における精度向上に寄与できる。

Claims (4)

1. 流体通路が設けられた弁箱と、前記弁箱に設けられた環状の弁座に当接または離間することで前記流体通路を開閉する第１ダイヤフラムと、位置を変更することで前記第１ダイヤフラムを開または閉方向に変形させる弁棒と、前記弁棒の位置を移動させる駆動装置とを備えており、前記駆動装置の作動軸と前記弁棒との間に、前記作動軸にかかる力を増幅して前記弁棒に伝達する動力伝達装置が設けられているとともに、前記第１ダイヤフラムは、金属製で、前記流体通路が完全に閉じた状態と、前記流体通路が完全に開いた状態と、前記流体通路が一部開いた状態とに変形可能とされており、
   前記駆動装置は、一端側に開口する凹所を有するシリンダと、前記シリンダの開口を閉鎖するボンネットと、前記シリンダの前記凹所内に配置されたピストンと、前記ピストンの先端側に固定されて前記作動軸を押圧するロッドと、中央部が前記ピストンに固定されるとともに、周縁部が前記シリンダと前記ボンネットの間に固定され、両固定部間に折返し部を有する第２ダイヤフラムとを備えており、前記ボンネットと前記第２ダイヤフラムとの間に供給された圧縮空気が前記第２ダイヤフラムを介して前記ピストンを押圧することで前記ロッドを移動させる空気圧シリンダ装置であり、
   前記駆動装置は、前記流体通路が一部開いた状態において、前記流体通路を流れる流体の流量に基づいて、前記流量が一定となるように前記作動軸の位置を調整するものであることを特徴とする制御器。
2. 前記流体通路は、前記弁座に囲まれた開口を有し前記第１ダイヤフラムの中央部に臨まされた中央通路と、前記弁座の径方向外側に開口を有し前記第１ダイヤフラムの外周縁部近傍に臨まされた外側通路とを有しており、前記外側通路が前記流体の入口通路とされ、前記中央通路が前記流体の出口通路とされていることを特徴とする請求項１の制御器。
3. 前記中央通路の径が前記外側通路の径以下とされていることを特徴とする請求項２の制御器。
4. 駆動装置の制御は、電気信号に比例して空気圧力を無段階に制御する電空レギュレータで行うことを特徴とする請求項１の制御器。

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