JPWO2018074208A1 - 流体制御弁、流体制御装置、及び駆動機構 - Google Patents

Abstract

変位センサを用いて弁体の変位を検出しつつ、流体制御弁を簡単且つ小型な構成にすべく、流路を流れる流体を制御する流体制御弁３であり、弁体６と、弁体６を変位させるアクチュエータ７と、アクチュエータ７を収容するとともに、アクチュエータ７の駆動用端子７ｘが配置された蓋体８２を有するケーシング８と、ケーシング８内に設けられるとともに、弁体６の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサ９とを具備し、変位センサ９の出力端子９ｘが、蓋体８２に配置した。

Description

本発明は、流体の流量や圧力などを制御するために用いられる流体制御弁及びこの流体制御面を用いた流体制御装置及びこの流体制御弁を駆動させる駆動機構に関するものである。

従来、流体制御弁としては、特許文献１に示すよう、弁座と弁体との間の開度を調整することで流体を制御するものであって、弁体を変位させるアクチュエータと、弁体の変位を測定する変位計とを備え、変位計により検出された弁体の変位に基づいてアクチュエータを制御するように構成されたものがある。

このアクチュエータは、ケーシング内に設けられたピエゾスタックであり、その駆動用端子がケーシングの上面に配置されている。

特開２０１５−１２１８９８号公報

かかる流体制御弁において本願発明者は、変位計として例えば渦電流式のものを用い、この変位計をケーシングの下方に配置する構成を検討している。

しかしながら、上述した構成では、変位計から出力される信号を取り出すために、変位計の出力端子を流体制御弁の側方から引き出さなければならない。その結果、出力端子の引き出しに伴い、端子の実装と流体制御弁の組み立てが複雑になり、コストが増大するうえ、流体制御弁の小型化が困難であるという問題が生じる。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、弁体の変位を検出可能な流体制御弁を簡単且つ小型な構成にすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る流体制御弁は、流路を流れる流体を制御する流体制御弁であり、弁体と、前記弁体を変位させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するとともに、前記アクチュエータの駆動用端子が配置された蓋体を有するケーシングと、前記ケーシング内に設けられるとともに、前記弁体の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサとを具備し、前記変位センサの出力端子が、前記蓋体に配置されていることを特徴とするものである。

このような流体制御弁であれば、アクチュエータの駆動用端子が配置された蓋体に変位センサの出力端子を配置しているので、前記出力端子をケーシングの側方から取り出す必要がなく、端子の実装と流体制御弁の組み立てを簡素化することができる。これにより、弁体の変位を検出可能な流体制御弁を簡単且つ小型な構成にすることができる。

具体的な実施態様としては、前記ケーシングが、前記アクチュエータ及び前記変位センサを収容する筒状のケーシング本体を有し、前記蓋体が、前記ケーシング本体の上端開口を塞ぐとともに、前記駆動用端子及び前記出力端子が貫通する貫通孔が形成されたものである構成が挙げられる。

前記アクチュエータが前記ケーシング内に設けられた第１ピエゾスタックを有し、前記変位センサが、前記ケーシング内において前記第１ピエゾスタックの上方又は下方に設けられた第２ピエゾスタックを有し、前記第１ピエゾスタックの端面と前記第２ピエゾスタックの端面とが互いに接触していることが好ましい。
このような構成であれば、第１ピエゾスタックの伸張が第２ピエゾスタックに直接伝わるので、弁体の変位を精度良く検出することができる。

前記第１ピエゾスタック及び前記第２ピエゾスタックが四角柱状又は多角柱状であり、前記第１ピエゾスタック及び前記第２ピエゾスタックを収容するケーシング本体が円筒形状であることが好ましい。
このような構成であれば、ケーシング本体の内周面と各ピエゾスタックの外周面との間に隙間が生じるので、この隙間に沿って各端子に接続される電気ケーブルを配線することで、配線作業が困難になることを防ぐことができる。

例えば弁体の変位量を大きくすべく第１ピエゾスタックを複数用いる場合、前記第１ピエゾスタックが、前記ケーシング内の上下に一対配置されており、前記第２ピエゾスタックが、前記一対の第１ピエゾスタックの間に配置されていることが好ましい。
このような構成であれば、両方の第１ピエゾスタックを第２ピエゾスタックに接触させることができるので、弁体の変位量を大きくしつつ、その変位量を精度良く検出することができる。

また、本発明に係る流体制御装置は、上述した流体制御弁を備えることを特徴とするものであり、このような流体制御装置であれば上述した作用効果を得ることができる。

さらに、本発明に係る駆動機構は、流体制御弁を駆動するものであり、前記流体制御弁の弁体を変位させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するとともに、前記アクチュエータの駆動用端子が配置された蓋体を有するケーシングと、前記ケーシング内に設けられるとともに、前記弁体の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサとを具備し、前記変位センサの出力端子が、前記蓋体に配置されていることを特徴とするものである。
このような駆動機構であれば、上述した流体制御弁と同様の作用効果を得ることができる。

このように構成した本発明によれば、変位センサを用いて弁体の変位を検出可能な流体制御弁を簡単且つ小型な構成にすることができる。

本実施形態の流体制御装置の全体構成を模式的に示す図。 同実施形態の蓋体の上面の構成を模式的に示す図。 同実施形態の流体制御弁の構成を模式的に示す図。 変形実施形態の流体制御装置の構成を模式的に示す図。 変形実施形態の流体制御装置の回路構成を模式的に示す図。 変形実施形態の流体制御装置の構成を模式的に示す図。

１００・・・流体制御装置
３ ・・・流体制御弁
６ ・・・弁体
７ ・・・アクチュエータ
７ｘ ・・・駆動用端子
８ ・・・ケーシング
８２ ・・・蓋体
９ ・・・変位センサ
９ｘ ・・・出力端子

以下に、本発明に係る流体制御弁を組み込んだ流体制御装置１００の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の流体制御装置１００は、半導体製造装置に用いられるものであって、図１に示すように、ボディ５に形成された流路５１を流れるガス等の流体の流量や圧力などを制御するものである。具体的にこのものは、流体の流量をセンシングする流量検知機構２と、流体の流量を制御する流体制御弁３と、前記流量検知機構２の出力する測定流量を予め定めた設定流量に近づけるべく流体制御弁３の弁開度を制御する制御部（図示しない）とを具備する。

流量検知機構２としては、差圧式、コリオリ式や超音波式など種々考えられるが、ここでは、いわゆる熱式流量検知機構を採用している。この熱式流量検知機構２は、流路５１を流れる流体のうちの所定割合の流体が導かれるように当該流路５１と並列接続した細管２１と、この細管２１に設けたヒータ２４及びその前後に設けた一対の温度センサ２２、２３とを具備したものである。そして、前記細管２１に流体が流れると、二つの温度センサ２２、２３の間にその質量流量に対応した温度差が生じることから、この温度差に基づいて流量を測定するように構成してある。

流体制御弁３は、いわゆるノーマルクローズタイプのもので、弁体６が弁座４に接触して上流側流路５１（Ａ）及び下流側流路５１（Ｂ）を遮断する閉状態から、弁体６がアクチュエータ７により駆動力を受けて付勢されることで弁座４から離間して上流側流路５１（Ａ）及び下流側流路５１（Ｂ）を連通させる開状態に移動するように構成されている。

アクチュエータ７は、例えば、ピエゾ素子（駆動用圧電素子）を複数枚積層して形成された第１ピエゾスタック７１と、当該第１ピエゾスタック７１の伸長により変位する作動体７２とを備えたものである。第１ピエゾスタック７１は、その先端部が中間接続部材７４を介して作動体７２に接続してある。作動体７２は、ダイアフラム部材７２１と、当該ダイアフラム部材７２１の中心に設けられて、前記弁座４の中心を貫通して弁体６の上面に当接する当接軸部７２２とを有する。そして、第１ピエゾスタック７１に駆動電圧として一定電圧が印加されることにより、第１ピエゾスタック７１が伸長して作動体７２が弁体６を開弁方向（ここでは下方）に付勢し、弁体６が弁座４から離間して開状態となる。また、駆動電圧が一定電圧を下回ると、その電圧値に応じた距離だけ弁体６と弁座４とが離間する。そして、この隙間を通じて上流側流路５１（Ａ）と下流側流路５１（Ｂ）とが連通する。

上述した第１ピエゾスタック７１はケーシング８内に収容されている。このケーシング８は、筒状のケーシング本体８１と、ケーシング本体８１の上端開口を閉塞する蓋体８２とを有している。蓋体８２の上面８ａ、すなわちケーシング８の上面に駆動用電圧をアクチュエータ７に入力するための駆動用端子７ｘが配置されている。なお、ここでの蓋体８２の上面８ａは平面であるが、屈曲面、湾曲面、凹凸面などであっても良い。
より具体的に説明すると、図２に示すように、蓋体８２には駆動用端子７ｘが貫通する貫通孔８ｈ１が形成されており、この貫通孔８ｈ１を介して駆動用端子７ｘがケーシング８から上方に延び出ている。なお、本実施形態の蓋体８２には、２本の駆動用端子７ｘそれぞれに対応する貫通孔８ｈ１を形成してあるが、２本の駆動用端子７ｘが１つの貫通孔８ｈ１から延び出るようにしても良い。

本実施形態の流体制御弁３は、図１に示すように、上述したケーシング８内に設けられるとともに、弁体６の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサ９をさらに具備している。

この変位センサ９は、例えば、ピエゾ素子（センサ用圧電素子）を複数枚積層して形成された第２ピエゾスタック９１を備えるものである。この第２ピエゾスタック９１は、ケーシング８内において、アクチュエータ７を構成する第１ピエゾスタック７１と軸方向に隣り合って配置されている。第２ピエゾスタック９１は、第１ピエゾスタック７１の上方又は下方のどちらに配置しても良いが、ここでは第１ピエゾスタック７１の上方に配置してある。ここでは、第２ピエゾスタック９１の軸方向長さは、第１ピエゾスタック７１の軸方向長さよりも短いが、第２ピエゾスタック９１の長さは適宜変更して構わない。

本実施形態では、第１ピエゾスタック７１と第２ピエゾスタック９１との対向面を互いに接触させている。より具体的に説明すると、第２ピエゾスタック９１の一端面９１１（ここでは下端面）は、第１ピエゾスタック７１の端面７１１（ここでは上端面）に面接触しており、第２ピエゾスタック９１の他端面９１２（ここでは上端面）はケーシング８の内面（蓋体８２の内面）に当接している。
かかる構成により、第１ピエゾスタック７１の伸張に伴い第２ピエゾスタック９１が収縮し、その収縮程度に応じた大きさの電圧が出力信号として第２ピエゾスタック９１から出力される。そして、この出力信号を図示しない制御部が取得して、制御部が出力信号の示す電圧値に応じて弁体６の位置を算出する。

しかして、前記出力信号を取り出すための変位センサ９の出力端子９ｘは、上述した蓋体８２に配置されている。
より詳細には、図２に示すように、蓋体８２には、出力端子９ｘが貫通する第２貫通孔８ｈ２が形成されており、この第２貫通孔８ｈ２を介して出力端子９ｘが上方に延び出ている。なお、本実施形態の蓋体８２には、２本の出力端子９ｘそれぞれに対応する第２貫通孔８ｈ２を形成してあるが、２本の出力端子９ｘが１つの第２貫通孔８ｈ２から延び出るようにしても良い。また、２本の出力端子９ｘ及び上述した２本の駆動用端子７ｘの４本が１つの貫通孔から延び出るようにしても良い。

ここでは図２に示すように、駆動用端子７ｘ及び出力端子９ｘが、蓋体８２の上面８ａの周方向に沿って互い違いに配置されており、互いに隣り合う駆動用端子７ｘ及び出力端子９ｘが等間隔になるようにしている。なお、駆動用端子７ｘ及び出力端子９ｘの配置はこれに限らず、適宜変更して構わない。
また、本実施形態では、例えば蓋体８２の上面８ａにおける貫通孔８ｈ１や第２貫通孔８ｈ２の近傍にマーキング（図示しない）を付すなどにより、各端子それぞれが駆動用端子７ｘであるか又は出力端子９ｘであるか、或いは、正極端子であるか又は負極端子であるかを識別可能にしてある。

ところで、上述したように、第１ピエゾスタック７１と第２ピエゾスタック９１とがケーシング８内において軸方向に沿って配置されていると、上側に位置する第２ピエゾスタック９１の出力端子９ｘは、その上方に位置する第２貫通孔８ｈ２から比較的簡単に取り出すことができる。
一方、下側に位置する第１ピエゾスタック７１は貫通孔８ｈ１から距離があり、駆動用端子７ｘを蓋体８２に配置しようとすると、駆動用端子７ｘと第１ピエゾスタック７１とを電気的に接続する電気ケーブルをケーシング８内の下方から上方に延ばす必要があり、配線作業が困難になる恐れがある。このことは、第１ピエゾスタック７１及び第２ピエゾスタック９１の上下関係が逆の場合にも生じる問題である。

そこで、本実施形態では、上述した配線作業を容易にすべく、ケーシング本体８１として円筒形状をなすものを用いており、第１ピエゾスタック７１及び第２ピエゾスタック９１として四角柱状のものを用いている。これにより、図３に示すように、ケーシング本体８１の内周面８１１と第１ピエゾスタック７１の外周面７１２や第２ピエゾスタック９１の外周面９１３との間には隙間Ｓが生じるので、この隙間Ｓに上述した電気ケーブルＬを沿わせることで、駆動用端子７ｘをケーシング８の上面に配置しつつ、その配線作業が困難になることを防いでいる。

このように構成された本実施形態に係る流体制御弁３であれば、蓋体８２の上面８ａにアクチュエータ７の駆動用端子７ｘと変位センサ９の出力端子９ｘとを配置しているので、出力端子９ｘをケーシング８の側方から取り出す必要がなく、流体制御弁３を簡単且つ小型な構成にすることができる。

また、第１ピエゾスタック７１の端面７１１と第２ピエゾスタック９１の端面９１１とを互いに接触させているので、第１ピエゾスタック７１の伸張が第２ピエゾスタック９１に直接伝わり、弁体６の変位を精度良く検出することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図４に示すように、アクチュエータ７が、複数の第１ピエゾスタック７１を有したものであってもよい。ここでは、アクチュエータ７が２つの第１ピエゾスタック７１を有し、これらの第１ピエゾスタック７１の間に変位センサ９を構成する第２ピエゾスタック９１を配置している。このような構成であれば、両方の第１ピエゾスタック７１を第２ピエゾスタック９１に接触させることができるので、弁体の変位量を大きくしつつ、その変位量を精度良く検出することができる。
なお、２つの第１ピエゾスタック７１を互いに隣接させ、これらの上方又は下方に第２ピエゾスタック９１を配置しても良い。

また、前記実施形態では、第１ピエゾスタックと第２ピエゾスタックとの対向面を互いに面接触させていたが、これらの対向面は必ずしも直接接触している必要はなく、これらの対向面の間に介在物を介在させても良い。

さらに、前記実施形態では、ケーシング本体が円筒形状をなし、第１ピエゾスタック及び第２ピエゾスタックが四角柱状のものであったが、例えば第１ピエゾスタック及び第２ピエゾスタックを多角柱状のものにしても良いし、ケーシング本体よりも径寸法の小さい円柱状のものにしても良い。また、ケーシング本体が四角筒状のものであり、第１ピエゾスタック及び第２ピエゾスタックが円柱状のものであっても良い。

そのうえ、前記実施形態の流体制御弁は、ノーマルクローズのものであったが、いわゆるノーマルオープンのものであっても良い。

加えて、前記実施形態の流体制御弁は流量検知機構の下流側に設けられていたが、流量検知機構の上流側に設けても良い。

さらに加えて、本発明の流体制御弁は、圧力式の流体制御装置に用いても良い。
具体的には、図５（ａ）に示すように、本発明に係る流体制御弁と、この流体制御弁の下流側に設けられた圧力センサと、圧力センサの下流側に設けられた音速ノズル等の流体抵抗とを具備する構成が挙げられる。
その他、図５（ｂ）に示すように、流体抵抗の上流側及び下流側に圧力センサを設けた構成や、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、抵抗体を並列に複数配置させた構成などが挙げられる。
なお、流路上に流量センサやレギュレータを設けても良い。

また、変位センサとしてはピエゾスタックを利用したものに限られない。
具体的にこのような流体制御弁３としては、図６に示すように、流路５１を流れる流体を制御するものであり、弁体６と、前記弁体６を変位させるアクチュエータ７と、前記アクチュエータ７を収容するとともに、前記アクチュエータ７の駆動用端子７ｘが上部に設けられたケーシング８と、前記弁体６の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサ９とを具備し、前記変位センサ９がケーシング８に収容されることなく、ケーシング８の下方に設けられた構成が挙げられる。なお、変位センサ９以外の構成は前記実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
ここでの変位センサ９は、センシング面９１を例えばダイアフラム部材７２１に対向配置させた渦電流式のものであり、ダイアフラム部材７２１の変位を検出することで、この検出値から弁体６の変位が分かるように構成されている。
然して、この変位センサ９の出力端子９ｘは、ケーシング８内を通過することなく、ケーシング８の側方から引き出されている。より詳細には、前記センシング面９１と出力端子９ｘとを接続する接続線９Ｌが、ケーシング８内を通過することなく、ケーシング８の外周面に沿って上方に延びている。
このように変位センサ９をケーシング８の下方に設けた場合、変位センサ９の出力端子９ｘをケーシング８の側方から引き出すことで、ケーシング８内を通過させる場合に比べれば、流体制御弁を簡単に構成することができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、変位センサを用いて弁体の変位を検出しつつ、流体制御弁を簡単且つ小型な構成にすることができる。

Claims (7)

1. 流路を流れる流体を制御する流体制御弁であり、
   弁体と、
   前記弁体を変位させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを収容するとともに、前記アクチュエータの駆動用端子が配置された蓋体を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられるとともに、前記弁体の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサとを具備し、
   前記変位センサの出力端子が、前記蓋体に配置されている流体制御弁。
2. 前記ケーシングが、
   前記アクチュエータ及び前記変位センサを収容する筒状のケーシング本体を有し、
   前記蓋体が、前記ケーシング本体の上端開口を塞ぐとともに、前記駆動用端子及び前記出力端子が貫通する貫通孔が形成されたものである請求項１記載の流体制御弁。
3. 前記アクチュエータが前記ケーシング内に設けられた第１ピエゾスタックを有し、
   前記変位センサが、前記ケーシング内において前記第１ピエゾスタックの上方又は下方に設けられた第２ピエゾスタックを有し、
   前記第１ピエゾスタックの端面と前記第２ピエゾスタックの端面とが互いに接触している請求項１記載の流体制御弁。
4. 前記第１ピエゾスタック及び前記第２ピエゾスタックが四角柱状又は多角柱状であり、
   前記第１ピエゾスタック及び前記第２ピエゾスタックを収容するケーシング本体が円筒形状である請求項３記載の流体制御弁。
5. 前記第１ピエゾスタックが、前記ケーシング内の上下に一対配置されており、
   前記第２ピエゾスタックが、前記一対の第１ピエゾスタックの間に配置されている請求項３記載の流体制御弁。
6. 請求項１記載の流体制御弁を備える流体制御装置。
7. 流体制御弁を駆動する駆動機構であり、
   前記流体制御弁の弁体を変位させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを収容するとともに、前記アクチュエータの駆動用端子が配置された蓋体を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられるとともに、前記弁体の変位に応じて出力信号の大きさが変わる変位センサとを具備し、
   前記変位センサの出力端子が、前記蓋体に配置されている駆動機構。

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