JP7352438B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体製造工程において、高シール性を確保しつつ大気圧から高真空領域まで圧力コントロールするために用いられる真空用バタフライバルブに関し、特に、大気圧からスロー排気した後に低真空から高真空領域で所定の圧力に制御する場合に適したバタフライバルブに関する。

例えば、半導体製造工程における真空チェンバ内の排気工程では、真空チェンバ内の急激な圧力変化を抑えてパーティクルの発生を防ぐ必要がある。そのため、この種の排気工程で用いられる真空用のバタフライバルブとして、スロー排気による圧力制御と、スロー排気以降の圧力制御との２段階による弁体動作、いわゆる２段モーションの動作により弁閉から弁開動作までをおこなうようにしたものが提案されている。このようなバルブでは、弁体とシートリングとの距離をごく僅かずつ離間させることで大気圧から微小流量をスロー排気し、続いて、弁体を所望の開度に回転させることで所定圧力に制御するようになっている。

この種のバタフライバルブとして、例えば、本出願人は、特許文献１のバタフライバルブを出願している。このバタフライバルブは、ボデー内流路に弁軸により垂直方向に回転する弁体と、ボデー内を流路方向に往復動する略環状のシートリングとを備え、シートリングの先端側には弁体に接離するシール部が設けられている。
このバルブを弁閉状態から弁開動作させるときには、弁体に対してシートリングを流路方向に平行移動させて離間させ、続いて弁体を回転させることにより、シートリングに対して無摺動の状態で弁体を回転させて流路内の流量（圧力）を制御するようになっている。これにより、真空チェンバ内をソフト排気しながら高精度に圧力制御可能となる。

一方、特許文献２のバタフライバルブでは、傾動軸を有する弁ロッドが、弁ハウジングの流路方向の中心位置において流路と垂直方向の中心軸を中心に設けられ、この弁ロッドに接続された弁プレートが、リンク機構を備えたスリーブを通して開閉動作される。スリーブは、弁ハウジング並びに弁ロッドの中心軸と同軸に配置され、このスリーブのリンク機構には、弁ロッドの縦軸に対して傾斜している溝と、螺旋面が形成され、このリンク機構内に弁ロッドに設けられたジャーナル、ローラが案内されている。
バルブを閉塞位置から駆動すると、リンク機構と、ジャーナル及びローラとの係合により、弁ロッドが傾動軸回りに傾動して弁プレートが弁座から傾動し、次いで、弁ロッドが縦軸回りに回動して弁プレートが回動するようになっている。
このバタフライバルブは、複動式のエアシリンダ構造であり、エア操作にて単に弁の開閉動作をおこなうＯＮ／ＯＦＦバルブとして使用される。

特許第５２７１１９１号公報 特許第４２７１９０５号公報

前者の特許文献１のバタフライバルブは、シートリングやピストンをスロー排気時の動作側、ステムや弁体を流量制御時の動作側とし、これらシートリング側とステム側にそれぞれ設けた駆動機構を連動させて弁閉から全開状態まで連続動作する構造であるため、小口径の場合には、大気圧からスロー排気しつつ低真空から高真空領域までの流量制御を高精度におこなうことは容易である。しかし、例えば２００Ａ以上の大口径の場合には、シートリングやピストン、弁体などの部品が大径になることで、シートリングを弁体のシール面に垂直方向から正確に当接させてシールさせるためには構造が複雑化し、高精度に流量制御することが難しくなる。内部構造の複雑化により製作にかかる費用も増加する。
これに加えて、シートリングがボデー内を流路方向に往復動してスロー排気する構造であるため、ボデーにはシートリングの往復のストローク分の距離と、このシートリングを往復動させるためのピストン、シリンダなどの機構が流路方向に必要になってバルブ全体の面間距離が長くなり、重量も増加するという問題も有している。

一方、後者の特許文献２では、スリーブ（リンク機構）の傾斜溝に弁ロッドのジャーナル、ローラが案内され、これらジャーナル、ローラを中心に弁ロッド（弁プレート）が振り子のように傾動するため、特許文献１のようなシートリングが弁体に対して往復動するバルブに比較して面間距離は小さい。
しかしながら、このバルブでは、弁ロッドがスリーブと同心上に配置され、このスリーブの傾斜溝にジャーナル、ローラを介して弁ロッドが取付けられてボデーの流路方向の中心位置に配置されている。そのため、弁ロッドの中心がボデー側弁座面に近い位置になることで、弁プレートと弁座面との離間状態を長く確保するためには、弁ロッドの傾動角度を大きくする必要がある。このことから、傾斜溝の傾斜角度を大きくすることにつながり、これによって傾斜溝が流路方向に長くなってバルブ全体の面間寸法が長尺化して重量も増加する。

スリーブに対して、弁ロッドを傾動させるための傾斜溝、並びに弁ロッドを回動させるための螺旋溝が連続した一つの溝で形成されていることから、例えば弁ロッドが弁閉状態から開動作するときには、弁ロッドの傾動動作の終了後に回転動作がおこなわれる。このように、傾動動作と回転動作との間に、いわゆる不感帯と呼ばれる動作停止状態が存在することで動作の連続性がなくなっている。このため、弁ロッドの傾動動作から回転動作までのスリーブの移動ストロークも長くなり、弁閉から弁開状態までに要する動作も遅くなる。

このバタフライバルブは、エアシリンダ構造であることから、応答性の観点から半導体製造工程等の圧力制御バルブとして使用することは難しいという問題も有している。

本発明は、従来の課題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、弁閉時に高シール性を発揮しつつ大気圧から高真空領域まで圧力制御可能な真空用のバタフライバルブであり、大口径に設ける場合にも簡単な構造により面間距離を抑えて小型化し、シール性と高精度の流量制御を維持しつつ、弁閉から弁開までの動作の効率を向上してスムーズかつ迅速に開閉制御可能なバタフライ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、ボデーに支承部を介してステムが傾動及び回転自在に取付けられ、このステムの先端側に設けられた弁体でボデー内に形成された弁座シール面を開閉するバタフライバルブにおいて、ステムの支承部を挟んで弁体との反対側に弁体駆動用の略円筒状の駆動体が設けられ、この駆動体は、ステム傾動用の傾動用カム溝とステム回転用の回転用カム溝とを備え、傾動用カム溝には傾動用カムローラ、回転用カム溝には回転ガイドローラがそれぞれ係合されてステムが傾動及び回転可能にこのステムの軸装方向に昇降動自在に取付けられ、ステムの支承部は、駆動体が昇降動するときの中心軸に対して弁座シール面との反対方向に偏心した位置に設けられているバタフライバルブである。

請求項２に係る発明は、駆動体の昇降動方向には、この駆動体の中心軸を中心とする回転用カム溝と、支承部により支承されたステムを傾動させる傾動用カム溝とが並列して形成され、ステムは、傾動用カム溝に傾動用カムローラが案内されることにより支承部から偏心した状態で傾動し、回転用カム溝に回転ガイドローラが案内されることにより駆動体とともに中心軸回りに回転可能な状態に取付けられたバタフライバルブである。

請求項３に係る発明は、傾動用カム溝と回転用カム溝とが駆動体の昇降動方向に略同じストロークで形成され、傾動用カム溝の一部に形成されたステム傾動用の傾斜部の終点付近と、回転用カム溝の一部に形成されたステム回転用の傾斜溝部の始点付近とが、駆動体の昇降動方向で一致するか、又は一部が重なった状態に設けられたバタフライバルブである。

請求項４に係る発明は、駆動体の外周側には、ボデー内周面を昇降動方向に転がって摩擦力を低減する回転ローラが設けられ、この回転ローラの外周面は、駆動体の外周面と略同じ円弧形状に形成されているバタフライバルブである。

請求項５に係る発明は、駆動体がエアで駆動するエアピストンにより設けられ、このエアピストンと、エアピストンの外周囲に設けられたエア供給口を有するエアシリンダとによるエアピストン機構が設けられ、エア供給口からのエアによりエアピストンを昇降動してステムを傾動及び回転するようにしたバタフライバルブである。

請求項６に係る発明は、ボデーに支承部を介してステムが傾動及び回転自在に取付けられ、このステムの先端側に設けられた弁体でボデー内に形成された弁座シール面を開閉するバタフライバルブにおいて、ステムの支承部を挟んで弁体との反対側に弁体駆動用の略円筒状の駆動体が設けられ、この駆動体は、ステム傾動用の傾動用カム溝とステム回転用の回転用カム溝とを備え、傾動用カム溝には傾動用カムローラ、回転用カム溝には回転ガイドローラがそれぞれ係合されてステムが傾動及び回転可能にこのステムの軸装方向に昇降動自在に取付けられると共に、駆動体の上部にボールネジ駆動機構が取り付けられ、このボールネジ駆動機構は、駆動体の上部に同軸に固定されるボールネジナットと、このボールネジナットに螺合された状態で電動駆動部により回転駆動されるボールネジとからなり、ボールネジ駆動機構を介して駆動体を昇降動してステムを傾動及び回転するようにしたバタフライバルブである。

請求項７に係る発明は、ステムの支承部が、駆動体が昇降動するときの中心軸に対して弁座シール面との反対方向に偏心した位置に設けられたバタフライバルブである。

請求項１に係る発明によると、傾動用カム溝と回転用カム溝とを備えた駆動体の昇降動を介してステムを傾動及び回転させて弁体を開閉動作することにより、弁閉時には高シール性を発揮しつつ、大気圧から高真空領域まで圧力制御可能となり、ステムの支承部を駆動体が昇降動する中心軸に対して弁座シール面との反対方向に偏心した位置に設けていることで、ステムが傾動するときの傾動角度を小さく抑えた状態で弁体を弁座シール面から離間させ、これにより大口径化する場合にも簡単な構造でボデーの面間距離を抑えて小型化し、軽量化を図ることもできる。傾動用カム溝と回転用カム溝とによる２つのカム溝に分けていることで、ステムの傾斜角度を小さく抑えつつ弁閉から弁開までの動作効率を向上し、薄型でありながらスムーズかつ迅速に開閉制御して高精度の流量制御が可能となる。

請求項２に係る発明によると、駆動体の昇降動方向に回転用カム溝と傾動用カム溝とを並列するように形成し、ステムを、傾動用カム溝により支承部から偏心させた状態で傾動させ、回転カム溝により中心軸回りに回転させるようにしているので、傾動用カム溝の傾斜角度を小さく抑えつつ弁座シール面への接触を防ぐことができ、この傾斜角度の小さい傾動用カム溝により駆動体の外径を小さくできる。このため、ボデーの面間距離を短縮化し、全体をコンパクト化できる。

請求項３に係る発明によると、傾動用カム溝の傾斜部の終点付近と回転カム溝の傾斜溝部の始点付近とを駆動体の昇降動方向で一致させた場合には、弁閉状態からステムを傾動させた後に回転動作を連続的におこなって弁開状態にでき、一方、一部が重なった状態に設けた場合には、ステムの傾動動作の途中から回転動作をおこなうことで不感帯をなくし、駆動体の少ないストロークによって短時間でスムーズに弁体の連続動作による開閉操作を実施できる。

請求項４に係る発明によると、駆動体が回転ローラを通して昇降動することでスムーズにステムを傾動させることができ、ステムの傾動後には、回転ローラの外周面とボデー内周面とのすべり摩擦力を最小限に抑えて滑らかにステムを回転し、これにより耐久性を向上させることもできる。

請求項５に係る発明によると、エアピストン機構によりステムを傾動及び回転操作して大気圧から高真空までの圧力制御を高精度に実施可能であり、駆動体をエアピストン、ボデー軸装部をエアシリンダとしてそれぞれ兼用できることで部品点数を最小に抑えることが可能となる。

請求項６に係る発明によると、傾動用カム溝と回転用カム溝とを備えた駆動体の昇降動を介してステムを傾動及び回転させて弁体を開閉動作することにより、弁閉時には高シール性を発揮しつつ、大気圧から高真空領域まで圧力制御可能となり、これら傾動用カム溝と回転用カム溝とによる２つのカム溝に分けていることで、ステムの傾斜角度を小さく抑えつつ弁閉から弁開までの動作効率を向上し、薄型に設けつつスムーズかつ迅速に開閉制御して高精度の流量制御が可能となる。ボールネジ駆動機構の直接駆動により駆動体を昇降動させてステムの傾動から９０°の回転動作までをおこなうことで、大気圧から高真空状態までの圧力制御を安定して連続実施可能であり、ボールネジナットとボールネジによる簡単な構造によってボールネジ駆動機構を構成できるため、全体の小型化を図ることもできる。

請求項７に係る発明によると、ステムが傾動するときの傾動角度を小さく抑えた状態で弁体を弁座シール面から離間させることができるため、大口径化する場合にも簡単な構造によりボデーの面間距離を抑えることでコンパクト性に優れ、軽量化を図ることもできる。

本発明のバタフライバルブの第１実施形態を示す一部省略縦断面図である。 図１の縦断面図である。 図１のＡ－Ａ拡大断面図である。 （ａ）はステムの上端付近を示す正面図である。（ｂ）は図１の左側面図である。（ｃ）は（ａ）の背面図である。 （ａ）は駆動体の模式図である。（ｂ）は（ａ）の右側面図である。（ｃ）は（ａ）の駆動体が弁開方向に駆動した状態を示す模式図である。（ｄ）は（ｃ）の右側面図である。（ｅ）は（ｃ）の駆動体がさらに弁開方向に駆動した状態を示す模式図である。（ｆ）は（ｅ）の右側面図である。 図２のバタフライバルブがスロー排気した状態を示す縦断面図である。 図６の弁体が９０°回転した状態を示す縦断面図である。 本発明のバタフライバルブの第２実施形態を示す一部省略縦断面図である。 図８の中央縦断面図である。

以下に、本発明におけるバタフライバルブの実施形態を図面に基づいて説明する。図１、図２においては、本発明のバタフライバルブの第１実施形態を示し、図３は、図１のＡ－Ａ拡大断面図を示している。

本発明におけるバタフライバルブ（以下、バルブ本体１という）は、例えば半導体製造工程における管路の一部に接続され、高シール性を発揮しつつ大気圧から高真空領域まで圧力コントロール可能になっている。バルブ本体１は、ボデー２、ステム３、弁体４、駆動体５を備え、この駆動体５の上部には、駆動体５を昇降動作するためのボールネジ駆動機構６が設けられている。

図１～図３において、ボデー２内部には流路１０が形成され、この流路１０と同心に弁体シール用の弁座シール面１１が形成される。弁座シール面１１は、ステム３の中心軸Ｐ１から流路方向に偏心した位置に、すり鉢状のテーパ面により設けられる。ボデー２内には、ステム３支承用の支承部１２が設けられ、この支承部１２はボール軸受からなり、後述する駆動体５がボデー２内を昇降動するときの回転軸Ｐ２に対して、弁座シール面１１との反対方向に偏心量Ｓにより偏心した位置に設けられる。ステム３は、支承部１２を支点としてボデー２の流路方向に傾動し、中心軸Ｐ１を中心として回転自在に設けられる。ここで、本例において、ボデー２の面間距離をＬとし、ボデー２の弁座側の端面からステム中心軸Ｐ１までの長さをＨとする。

ボデー内支承部１２よりも上部の軸装側のコーナー付近には、回転ガイドローラ２０がボデー内部に向けて位置決め状態で取付けられ、この回転ガイドローラ２０は、玉軸受により回転可能に設けられている。

ボデー２の弁座側において、駆動体５が昇降動するときに後述する回転ローラ２１が対向する位置には、駆動体５の外周面に沿うように湾曲形成された板状の荷重受け部材２２が取付けられ、この荷重受け部材２２で後述の傾動用カムローラ２３から加わる荷重を受けるようになっている。荷重受け部材２２は、金属材料により形成され、焼き入れ処理されて硬度が高くなっている。

ステム３は、その略中間位置に球状部２５が形成され、この球状部２５が支承部１２により支承された状態でボデー２に装着される。ステム３の先端側（下端側）には、取付ボルト２６により円板状の弁体４が取付けられ、この弁体４の外周側には、弁座シール面１１に当接シール可能なＯリングよりなる弁体シール部２７が装着され、ステム３の傾動及び回転によりこの弁体シール部２７が弁座シール面１１に接離して当接シール可能に設けられる。

図３、図４に示すように、ステム３の後端側（上端側）は、断面矩形状に形成され、この上端側には支軸ピン２８が回転可能に軸装され、この支軸ピン２８の両端側に、傾動用カムローラ２３が回動可能に取付けられる。傾動用カムローラ２３近傍のステム３外周側には、２つの昇降動ガイドローラ２９が回動可能に取付けられる。

ステム３に対して、球状部２５（支承部１２）を挟んで弁体４との反対側である上部側には、弁体駆動用の駆動体５が装着される。

駆動体５は、略円筒状に形成され、その内側には断面略矩形状の空隙部Ｇが設けられる。空隙部Ｇの流路方向の幅Ｗ１は、ステム３上部側の流路方向の幅Ｔ１よりも広く設けられ、空隙部Ｇの流路方向と直交する方向の幅Ｗ２は、ステム３の流路方向と直交する方向の幅Ｔ２と略同じ広さに設けられる。

これにより、ステム３の上端側を駆動体５内部に装入したときに、ステム３は、流路方向において、駆動体５に対して傾動可能な状態となり、一方、中心軸Ｐ１を中心とする回転方向においては、駆動体５に対して回転が規制された状態となり、駆動体５が回転するときにこの駆動体５と一体に回転するようになっている。
また、前述の２つの昇降動ガイドローラ２９が空隙部Ｇの幅Ｗ２方向の内壁に当接することで、この昇降動ガイドローラ２９の案内によりステム３に対してスムーズに駆動体５が昇降動可能になり、弁体４の全開動作時にもステム３が駆動体５に対してがたつくことがない。

図３、図５において、駆動体５には、ステム３傾動用の傾動用カム溝３１とステム３回転用の回転用カム溝３２とが備えられている。駆動体５の回転軸Ｐ２は、前述したようにステム３の回転軸（支承部１２の中心）Ｐ１から弁座シール面１１側に偏心量Ｓ偏心した位置に設けられ、本例においては、ボデー２の流路１０に対する垂直方向の中心軸と一致している。

回転用カム溝３２は、駆動体５を、回転軸Ｐ２を中心に回転させるためのカム溝であり、一方、傾動用カム溝３１は、回転軸Ｐ２から偏心した支承部１２により支承されたステム３を傾動させるためのカム溝であり、これらは、駆動体５の昇降動方向に並列するように略同じ長さのストロークＸにより形成される。

傾動用カム溝３１には、ステム３の傾動用カムローラ２３が係合され、一方、回転用カム溝３２には、ボデー２の軸装部２ａに設けられた回転ガイドローラ２０が係合され、この状態で駆動体５がステム３の軸装方向に昇降動自在に取付けられる。これにより、駆動体５は、その回転軸Ｐ２を中心にボデー２に対して昇降動及び回転可能に設けられ、この駆動体５の昇降動及び回転により、ボデー２に対してステム３が傾動及び回転するようになっている。

この場合、ステム３は、傾動用カムローラ２３が駆動体５の傾動用カム溝３１に案内されることにより、支承部１２から偏心した状態で傾動可能になっており、回転用カム溝３２に回転ガイドローラ２０が案内されることにより、駆動体５とともにボデー２に対して回転軸Ｐ２回りに回転可能になっている。

傾動用カム溝３１の上部には、ステム傾動用の傾斜部３３が形成される。傾斜部３３は、その上端側が駆動体５の回転軸Ｐ２付近となる位置に設けられ、この上端側から鉛直方向に対して角度θ３で傾斜した状態に形成される。角度θ３は、任意に設定可能であり、この角度θ３を小さくするほどスロー排気によるリーク制御（スローリーク制御）の分解能が上がり、また、発生推力が大きくなるので後述の電動モータ４５を小型にできるが、角度θ３を小さくするほど傾斜部３３の垂直方向の長さを長くしなければならないため、その分だけ駆動体５の形状を縦に長くする必要がある。本例においては、角度θ３を約９°に設定している。傾動用カム溝３１の下部には、傾斜部３３に続けて鉛直部３４が形成される。

傾斜部３３の上部には、ごく僅かの垂直溝部が形成されていてもよく、この場合、弁閉時にこの垂直溝部に傾動用カムローラ２３が到達したときに、ボールネジ駆動機構６による推力がゼロになったとしても弁体が閉状態のままロックされ、自然に弁が開くことを防止する。

一方、回転用カム溝３２の上部にも鉛直部３５が形成され、この鉛直部３５に続けて回転用カム溝３２の下部にはステム回転用の傾斜溝部３６が、ステム３が略９０°の範囲で回転するように形成される。本例においては、傾斜部３３の終点付近と、傾斜溝部３６の始点付近とが、駆動体５の昇降動方向に一部が重なるように設けられる。

図４において、駆動体５のステム３傾倒側の外周側には、２つの回転ローラ２１がニードルベアリング３７により回転自在な状態で縦に並べて取付けられ、駆動体５は、これら回転ローラ２１の外周面がそれぞれボデー２の荷重受け部２２に常時当接した状態でボデー２内に装着される。これにより、駆動体５は、ボデー２内に嵌挿された状態で、回転軸Ｐ２に沿って昇降動し、このとき回転ローラ２１が荷重受け部２２を昇降動方向に転がって摩擦力が低減される。
回転ローラ２１の外周面は、駆動体５の外周面と略同じ円弧形状に形成され、この回転ローラ２１が、駆動体５とともに回転軸Ｐ２を中心に回転するときには、荷重受け部２２（ボデー内周面）との摩擦抵抗が抑えられた状態でスムーズに摺動可能になっている。

図１、図２において、ボールネジ駆動機構６は、ボールネジナット４０、ボールネジ４１を備え、カバー４２を介してボデー２の軸装部２ａ内に設けられた駆動体５の上部に取り付けられ、電動駆動部４３により回転駆動される。

ボールネジナット４０は、駆動体５の上部にその回転軸Ｐ２と同軸に固着ボルト４４で固定される。ボールネジ４１は、ボールネジナット４０に上方から螺合された状態で駆動体５の内部に装入可能な状態でその回転軸Ｐ２と同軸に取付けられる。
電動駆動部４３は、電動モータ４５、プーリ４６、ベルト４７を備え、電動モータ４５からの回転は、ベルト４７、プーリ４６を通してボールネジナット４０に伝達される。

電動駆動部４３でボールネジ駆動機構６を作動させたときには、ボールネジ４１の回転によりこれに螺合しているボールネジナット４０を通して、駆動体５が回転軸Ｐ２方向に昇降動可能となる。ボールネジ駆動機構６で駆動体５を昇降動したときには、傾動用カム溝３１に傾動カムローラ２３が案内されてステム３が駆動体５及びボデー２に対して傾動し、回転用カム溝３２に回転ガイドローラ２０が案内されてステム３が駆動体５とともにボデー２に対して回転するようになっている。

上述した構成により、バルブ本体１は、ボールネジ駆動機構６を通して、弁閉時には弁体４の弁体シール部２７を弁座シール面１１に対向させた状態で押圧シールし、一方、弁開時には、弁体４を弁座シール面１１に対して傾動させ、この状態から９０°回転させて全開状態まで操作可能になっている。

なお、傾斜部３３、傾斜溝部３６は、それぞれ傾動用カム溝３１、回転用カム溝３２の一部に形成されていればよく、これによってストロークＸに対する長さを任意に設定できる。傾斜部３３の終点付近と傾斜溝部３６の始点付近とが駆動体５の昇降動方向に一致するようにしてもよく、この場合、ステム３の傾動と回転動作とが同時におこなわれることがなく、何れか一方の動作が完了した後に、もう一方の動作が開始される。

バルブ本体１の駆動用としてボールネジ駆動機構６を設けているが、駆動体５を昇降動して弁体４を開閉可能であれば、任意の駆動機構を設けることもできる。

次いで、本発明の上記実施形態におけるバルブ本体１の動作並びに作用を説明する。
図１、図２は、バルブ本体１の弁閉状態を示している。この場合、駆動体５が電動駆動部４３によりボデー２内の昇降動範囲において最も降下した状態にあり、このとき、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、傾動用カム溝３１の傾斜部３３の上端側に傾動用カムローラ２３、回転用カム溝３２の鉛直部３５の上端側に回転ガイドローラ２０がそれぞれ位置している。この状態では、傾斜部３３に傾動用カムローラ２３が案内されることでステム３には鉛直状態に動作する方向の力が働き、ステム３先端側の弁体４がすり鉢状の弁座シール面１１に同心状態で押し付けられる。これにより、弁体シール部２７が弁座シール面１１に強く当接シールして弁座漏れが確実に防がれる。
この場合、回転ローラ２１から荷重受け部材２２に弁座締切荷重が伝わることで、駆動体５の位置が保持される。

この状態から電動駆動部４３によりボールネジ４１を弁開方向に回転させると、ボールネジ４１に対してボールネジナット４０が上昇し、このボールネジナット４０と一体に駆動体５も上昇する。この駆動体５の上昇に伴って傾動用カムローラ２３が傾斜部３３に沿って移動するように案内され、図２の状態から、ステム３上部側が左方向に傾動し、弁体４側が支承部１２を支点として右方向に傾動する。これにより、弁体シール部２７が弁座シール面１１から離間し、スロー排気がおこなわれる。このように、スロー排気時には、弁体４が支承部１２を中心に振り子のように傾動することで、弁開動作の初期に弁体シール部２７が弁座シール面１１に摺動することなく、パーティクルの発生が抑えられている。

弁体４の傾動は、図５（ｃ）に示す傾動用カムローラ２３が傾斜部３３の終点位置に達するまでおこなわれる。図６においては、傾動用カムローラ２３が傾斜部３３の終点位置に達して弁体４が完全に傾動した状態を示し、このとき弁体４（ステム３）は、角度θ１で傾斜した状態となる。ステム３の角度θ１は、弁体４のボデー２への接触を回避できる最低角度に設定され、弁体４の径とステム３の支点から先端までの長さにより決定される。本例においては、角度θ１を約２．２°に設定している。

ここで、傾斜部３３は、傾斜用カム溝３１全体の長さに対して４０～４５％程度の長さに設けるとよく、この場合、大気圧からスロー排気するときに微小な流量コントロールが可能となり、スロー排気の圧力制御を高精度におこなうことができ、低真空領域で弁体４の回転動作を並行しておこなうことで連続した圧力制御を実施できる。

一方、回転ガイドローラ２０は、回転用カム溝３２の鉛直部３５に案内されることから、図５（ｃ）、図５（ｄ）において、傾動用カムローラ２３が傾斜部３３の終点位置付近に達するまで駆動体５が回転を開始することはない。

ステム３傾動時には、その傾動により傾動用カムローラ２３からの荷重が回転ローラ２１から荷重受け部材２２に伝わった状態が維持されている。駆動体５が傾斜部３３の範囲内で上昇（下降）する場合、回転ローラ２１がボデー内周面（荷重受け部材２２）を転がることで摩擦力が低減され、ステム３の傾動による力が緩和された状態でスムーズに駆動体５が移動する。

図５（ｃ）、図５（ｄ）の状態から駆動体５が上昇すると、傾動用カムローラ２３が傾動用カム溝３１の鉛直部３４、回転ガイドローラ２０が回転用カム溝３２の傾斜溝部３６にそれぞれ差し掛かった状態となる。
さらに、駆動体５が上昇したときには、図５（ｅ）、図５（ｆ）に示すように、傾動用カムローラ２３は、鉛直部３３に案内される。

一方、回転ガイドローラ２０は傾斜溝部３６に案内され、この回転ガイドローラ２０を介して駆動体５がボデー２に対して弁開方向に回転する。これにより、駆動体５に傾動用カムローラ２３で回転方向に位置決めされたステム３が、駆動体５とともに弁開方向に回転する。本例では、ステム３の傾動動作の途中からステム回転動作が開始されるようになっている。

ステム３（弁体４）の回転は、図５（ｆ）に示す回転ガイドローラ２０が傾斜溝部３６の終点位置に達するまでおこなわれ、このとき、図７に示すように、弁体４が９０°回転して全開状態となる。
この場合、傾動用カムローラ２３が鉛直部３４の終点位置まで鉛直方向に案内されることでステム３のそれ以上の傾動が防がれ、ステムの角度θ２による傾動が維持された状態で弁体４が全開状態まで回転し、弁体シール部２７の弁座シール面１１や流路１０内部への接触が防がれている。

駆動体５の回転時には、回転ローラ２１の外周面が駆動体５の外周面と略同じ円弧形状に設けられていることで、この回転ローラ２１が荷重受け部材２２の表面を滑りながら回転し、ステム３の傾動による力を荷重受け部材２２に逃がしている。このため、駆動体５回転時の摺動抵抗を抑えて弁体４がスムーズに回転する。

上述したように、駆動体５を最下端の位置から最上端の位置まで上昇させることで、ステム３並びに弁体４を傾動及び回転させて弁閉状態から全開状態まで動作させることができる。
一方、弁開状態から弁閉状態とする場合には、電動駆動部４３によりボールネジ４１を駆動体５が下降する方向に回転させるようにすればよく、これにより上述の場合と反対に、駆動体５を最上端から最下端の位置まで下降させ、ステム３並びに弁体４を回転及び傾動させて全開状態から弁閉状態まで動作させることができる。

本発明の上記実施形態におけるバルブ本体１は、ステム３の支承部１２を挟んで弁体４との反対側に傾動用カム溝３１と回転用カム溝３２とを有する駆動体５を設け、この駆動体５の昇降動により傾動用カムローラ２３、回転ガイドローラ２０を介してステム３を傾動及び回転させ、駆動体５の昇降動によるステム３側のみの動作により弁閉から全開状態まで動作させることができるため、バルブ本体１の内部構造を単純化し、このバルブ本体１を大径化する場合にも弁閉時のシール性を維持しつつ、弁体動作時には高精度の流量制御が可能になる。

ステム３の支承部１２を、駆動体５の回転軸Ｐ２に対して弁座シール面１１との反対方向に偏心量Ｓだけ偏心した位置に設けているので、図７において、図２の偏心量Ｓにより駆動体回転軸Ｐ２からステム中心軸Ｐ１を角度θ２により傾けて弁体４を弁座シール面１１から離すことができる。そのため、角度θ２を弁体４の傾動時に弁体シール部２７がボデー２内に接触することのない小さい角度θ１として設定することができる。

上記のように、ステム支承部１２を偏心させていることで、ボデー２の弁座側端面からステム中心軸Ｐ１までの長さＨの範囲内に偏心量Ｓを設けることができ、これらが重なることによりボデー面間距離Ｌを短く設定し、バルブ本体１全体の重量も軽減できる。
ここで、仮に、ステム支承部１２（ステム中心軸Ｐ１）を駆動体回転軸Ｐ２と同心位置に設ける場合には、図２において、ステム中心軸Ｐ１の位置に対応して駆動軸回転軸Ｐ２を一致させるために駆動体５を右側にずらすことになり、これによってボデー面間距離Ｌが偏心量Ｓの分だけより増加することになる。そのため、バルブ本体１が大型化し、大口径化を図る場合には一層の重量増加にもつながる。

駆動体５の昇降動方向に回転用カム溝３２と傾動用カム溝３１とを並列して設け、回転用カム溝３２にボデー２側に設けた回転ガイドローラ２０を係合させて、駆動体５をボデー２に対して回転軸Ｐ２回りに回転させ、一方、傾動用カム溝３１にステム３に設けた傾動用カムローラ２３を係合させて、駆動体５を支承部１２と同軸のステム中心軸Ｐ１から偏心させた状態で傾動させているので、ステム３が傾動するときの角度θ１が小さいにもかかわらず、偏心量Ｓによって弁体４を弁座シール面１１から大きく離間させることができる。

傾斜部３３の終点付近と、傾斜溝部３６の始点付近との一部を重ねているため、ステム３の傾動が終了する前の段階でこのステム３を回転させて小さいストロークＸで弁体４を傾動及び回転可能になり、駆動体５の高さも短縮して全体の小型化も図れる。
また、傾斜部３３の終点付近と、傾斜溝部３６の始点付近とを一致させた場合には、ステム３の傾動により弁体４を弁座シール面１１から離間させてスロー排気をおこなった後に、弁体４を回転させて所定流量に制御可能な状態で全開状態まで駆動できる。

傾斜部３３を長くしつつその角度θ３を小さくすることで、ボールネジ駆動機構６の推力を弁閉方向の傾動荷重に変換する効率を拡大でき、電動モータ４５の出力が小さい場合であっても十分な弁座締切り荷重が得られる。

図８、図９においては、本発明のバタフライバルブの第２実施形態を示している。なお、この実施形態において、上記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。
この実施形態におけるバルブ本体５０では、駆動体５１の上部にバルブ開閉駆動用のエアピストン機構５２が設けられる。

エアピストン機構５２は、エアで駆動するエアピストン５１とエアシリンダ５３とを備えている。エアピストン５１は、駆動体により設けられ、外周に装着されたＯリング５４を介して気密状態でエアシリンダ５３内を摺動可能に設けられる。エアシリンダ５３は、ステム軸装部からなり、適宜の内部容積によりエアピストン５１の外周囲に形成される。エアシリンダ５３には、エアピストン５１上昇用、エアピストン５１下降用の２つのエア供給口５５、５６が設けられ、各エア供給口５５、５６からエアを給排気することによりエアピストン５１がエアシリンダ５３内を昇降動するようになっている。

エアピストン（駆動体）５１には、前記と同様に傾動用カム溝３１、回転用カム溝３２が形成され、これらに対して、それぞれ傾動用カムローラ２３、回転ガイドローラ２０が係合されていることで、駆動体５１を昇降動させたときにステム３が傾動及び回転するようになっている。

この実施形態においても、前記実施形態のボールネジ駆動機構６と同様に、弁閉時には高シール性を維持し、弁体４の駆動時には、傾動と回転とによる２段階の動作がおこなわれる。また、傾斜部の終点と傾斜溝部の始点との一部を駆動体５１の昇降動方向で重ねることで、不感帯をなくしてステム３の傾動から回転が完了するまでの時間を短縮できる。
駆動体５１をエアピストン、軸装部５３をエアシリンダとし、これらをエアピストン機構５２の部品として兼用していることで部品点数を削減できる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態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精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

１ バルブ本体
２ ボデー
３ ステム
４ 弁体
５ 駆動体
６ ボールネジ駆動機構
１１ 弁座シール面
１２ 支承部
２０ 回転ガイドローラ
２１ 回転ローラ
２３ 傾動用カムローラ
３１ 傾動用カム溝
３２ 回転用カム溝
３３ 傾斜部
３６ 傾斜溝部
４０ ボールネジナット
４１ ボールネジ
４３ 電動駆動部
５１ エアピストン（駆動体）
５２ エアピストン機構
５３ エアシリンダ
５５、５６ エア供給口
Ｐ１ （ステムの）回転軸
Ｐ２ （駆動体の）中心軸
Ｓ 偏心量
Ｘ ストローク

Claims (7)

1. ボデーに支承部を介してステムが傾動及び回転自在に取付けられ、このステムの先端側に設けられた弁体でボデー内に形成された弁座シール面を開閉するバタフライバルブにおいて、前記ステムの支承部を挟んで前記弁体との反対側に弁体駆動用の略円筒状の駆動体が設けられ、この駆動体は、ステム傾動用の傾動用カム溝とステム回転用の回転用カム溝とを備え、前記傾動用カム溝には傾動用カムローラ、前記回転用カム溝には回転ガイドローラがそれぞれ係合されて前記ステムが傾動及び回転可能にこのステムの軸装方向に昇降動自在に取付けられ、前記ステムの支承部は、前記駆動体が昇降動するときの中心軸に対して前記弁座シール面との反対方向に偏心した位置に設けられていることを特徴とするバタフライバルブ。
2. 前記駆動体の昇降動方向には、この駆動体の前記中心軸を中心とする前記回転用カム溝と、前記支承部により支承された前記ステムを傾動させる前記傾動用カム溝とが並列して形成され、前記ステムは、前記傾動用カム溝に前記傾動用カムローラが案内されることにより前記支承部から偏心した状態で傾動し、前記回転用カム溝に前記回転ガイドローラが案内されることにより前記駆動体とともに前記中心軸回りに回転可能な状態に取付けられた請求項１に記載のバタフライバルブ。
3. 前記傾動用カム溝と前記回転用カム溝とが前記駆動体の昇降動方向に略同じストロークで形成され、前記傾動用カム溝の一部に形成された前記ステム傾動用の傾斜部の終点付近と、前記回転用カム溝の一部に形成された前記ステム回転用の傾斜溝部の始点付近とが、前記駆動体の昇降動方向で一致するか、又は一部が重なった状態に設けられた請求項２に記載のバタフライバルブ。
4. 前記駆動体の外周側には、前記ボデー内周面を昇降動方向に転がって摩擦力を低減する回転ローラが設けられ、この回転ローラの外周面は、前記駆動体の外周面と略同じ円弧形状に形成されている請求項２又は３に記載のバタフライバルブ。
5. 前記駆動体がエアで駆動するエアピストンにより設けられ、このエアピストンと、エアピストンの外周囲に設けられたエア供給口を有するエアシリンダとによるエアピストン機構が設けられ、前記エア供給口からのエアにより前記エアピストンを昇降動して前記ステムを傾動及び回転するようにした請求項１乃至４の何れか１項に記載のバタフライバルブ。
6. ボデーに支承部を介してステムが傾動及び回転自在に取付けられ、このステムの先端側に設けられた弁体でボデー内に形成された弁座シール面を開閉するバタフライバルブにおいて、前記ステムの支承部を挟んで前記弁体との反対側に弁体駆動用の略円筒状の駆動体が設けられ、この駆動体は、ステム傾動用の傾動用カム溝とステム回転用の回転用カム溝とを備え、前記傾動用カム溝には傾動用カムローラ、前記回転用カム溝には回転ガイドローラがそれぞれ係合されて前記ステムが傾動及び回転可能にこのステムの軸装方向に昇降動自在に取付けられると共に、前記駆動体の上部にボールネジ駆動機構が取り付けられ、このボールネジ駆動機構は、前記駆動体の上部に同軸に固定されるボールネジナットと、このボールネジナットに螺合された状態で電動駆動部により回転駆動されるボールネジとからなり、前記ボールネジ駆動機構を介して前記駆動体を昇降動して前記ステムを傾動及び回転するようにしたことを特徴とするバタフライバルブ。
7. 前記ステムの支承部が、前記駆動体が昇降動するときの中心軸に対して前記弁座シール面との反対方向に偏心した位置に設けられた請求項６に記載のバタフライバルブ。

Images