JPWO2018180587A1 - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種電子機器を搭載可能で、配線や電池交換の問題が解消されたガス駆動式の発電機能を有するバルブ装置を提供する。【解決手段】ダイヤフラム１５を駆動するピストン部材１３と、駆動ガスの供給を受けてピストン部材１３を駆動するアクチュエータ部１０と、ピストン部材１３を付勢するコイルばね３０と、アクチュエータ部１０の作動に伴い移動する可動部に設けられたコイル１３０とアクチュエータ部１０の作動にかかわらず移動しない固定部に設けられた永久磁石１２０を含む発電ユニット１００とを有する。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、バルブ装置に関する。

バルブ装置の分野においても、圧力センサや無線モジュール等の電子機器を搭載して装置の高機能化が図られようとしている（特許文献１、２、３を参照）。それらの電子機器に用いる電力を供給する手段として、特許文献２ではボタン電池を用いて各種センサを駆動させる方法を開示している。また、特許文献３では、コントローラから電磁弁へと送信される制御入力に高周波を重畳させておき、バルブ側で高周波成分を取り出すことで受電するシステムを開示している。

特表２０１１−５１３８３２号公報 特表２０１６−５１３２２８号公報 特開２０１７−０２０５３０号公報

半導体製造装置に用いられる、空圧を用いたエア駆動式のバルブ装置においても、各種電子機器を動作させるための電源を確保したい需要がある。一つの手段として、電源のための配線を外部からバルブ装置に導き入れることが考えられるが、多数のバルブが設置される流体制御装置において配線が煩雑になるのみならず、防爆性の問題で配線の設計に細心の注意を払う必要がある。また、一つの手段として、電源として電池を用いれば、配線の問題は解消されるが、バルブの寿命に見合うだけの大容量の一次電池を用いたり、定期的な電池交換作業が必要となったりする。また、特許文献３の電磁弁に対する高周波重畳送電は、エア駆動式のバルブにおいては適用しえない。

本発明の一の目的は、各種電子機器を搭載可能で、配線や電池交換の問題が解消された発電機能を有するバルブ装置を提供することにある。

本発明に係るバルブ装置は、駆動ガスの供給を受けて弁体を駆動する可動部と、
前記可動部の作動に関わらず移動しない固定部と、
前記可動部および駆動部の一方に連結されたコイルと、前記可動部および駆動部の他方に連結された永久磁石とを含む発電ユニットと、を有することを特徴とする。

好適には、前記コイルは、前記可動部に設けられ、
前記永久磁石は、前記固定部に設けられている、構成を採用できる。

代替的には、前記可動部を一方向に付勢するばね部材をさらに有し、前記発電ユニットは、前記ばね部材に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する、構成を採用できる。この場合には、前記バルブ装置に供給される駆動ガスの外部への放出時に前記発電ユニットにより発電される方向の電流のみを取り出すための回路を有する、構成を採用できる。

本発明によれば、発電ユニットにより弁体の開閉動作に伴う衝撃を緩和しつつ発電できるので、バルブ装置の寿命を延長できるとともに、バルブ装置の高機能化が可能となる。

本発明の一実施形態に係るバルブ装置の外観斜視図。 閉状態にある図１のバルブ装置の縦断面図。 図２Ａの鎖線Ａで囲む領域の拡大断面図。 開状態にある図１のバルブ装置の縦断面図。 図３Ａの鎖線Ｂで囲む領域の拡大断面図。 図１のバルブ装置を含むバルブシステムの概略構成図。 図４Ａのシステムにおいて、アクチュエータ駆動時のエネルギーの流れを説明するための図。 図４Ａのシステムにおいて、圧力解放時のエネルギーの流れを説明するための図。 負荷回路の一例を示す機能ブロック図。 負荷回路の他の例を示す機能ブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。
図１〜図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構成を示す図であって、図１は外観斜視図、図２Ａは閉状態にある縦断面図、図２Ｂは図２Ａの鎖線Ａで囲む領域の拡大断面図、図３Ａは開状態にある図１のバルブ装置の縦断面図、図３Ｂは図３Ａの鎖線Ｂで囲む領域の拡大断面図である。なお、図中において、矢印Ａ１，Ａ２は上下方向を示しており、Ａ１が上方向、Ａ２が下方向を示している。

バルブ装置１は、配管接続部３、アクチュエータ部１０およびバルブボディ２０を有する。配管接続部３は、図示しない配管と接続され、アクチュエータ部１０へ駆動ガスとしての圧縮エアが供給され、又は、アクチュエータ部１０から解放されたエアが外部に放出される。

アクチュエータ部１０は、円筒状のアクチュエータキャップ１１、アクチュエータボディ１２、ピストン部材１３、ダイヤフラム押え１４および発電ユニット１００を有する。
アクチュエータキャップ１１は、その天井部から下方向Ａ２に向けて延びる円筒部１１ａを有する。円筒部１１ａの内周面はエアの流通路１１ｂを画定しており、流通路１１ｂは配管接続部３と連通している。
アクチュエータボディ１２は、その下側にダイヤフラム押え１４を上下方向Ａ１，Ａ２にガイドするガイド孔１２ａを有し、ガイド孔１２ａの上側に連通して貫通孔１２ｂが形成されている。アクチュエータボディ１２の上側には、ＯリングＯＲを介してピストン部材１３のピストン部１３ｂを摺動自在に上下方向Ａ１，Ａ２に案内するシリンダ室１２ｃが形成されている。
ピストン部材１３は、中心部にシリンダ室１２ｃに連通する流通路１３ａを有する。流通路１３ａは、配管接続部３と連通している。ピストン部材１３は、ピストン部１３ｂおよび先端軸部１３ｃがＯリングＯＲを介してシリンダ室１３ｃおよび貫通孔１２ｂを上下方向Ａ１，Ａ２に移動自在となっている。
ダイヤフラム押え１４はアクチュエータボディ１２のガイド孔１２ａにより上下方向Ａ１，Ａ２に可動となっている。

バルブボディ２０は、上側がアクチュエータボディ１２の下側と螺合され、その底面に開口部２１ａ，２２ａを有するガス等の流路２１，２２を画定している。流路２１，２２は他の流路部材と図示しないシール部材を介して接続される。
バルブシート１６は、バルブボディ２０の流路２１の周囲に設けられている。バルブシート１６は、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂で弾性変形可能に形成されている。
ダイヤフラム１５は、弁体として機能し、バルブシート１６よりも大きな直径を有し、ステンレス、ＮｉＣｏ系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。ダイヤフラム１５は、押えアダプタ１８を介してアクチュエータボディ１２の下端面によりバルブボディ２０に向けて押し付けられることによりバルブシート１６に対して当接離隔可能にバルブボディ２０に支持されている。図２Ａにおいて、ダイヤフラム１５はダイヤフラム押え１４により押圧されて弾性変形し、バルブシート１６に押し付けられている状態にある。ダイヤフラム押え１４による押圧を開放すると、球殻状に復元する。ダイヤフラム１５がバルブシート１６に押し付けられている状態では、流路２１が閉鎖され、図３Ａに示すように、ダイヤフラム１５がバルブシート１６から離れると、流路２１は開放され、流路２２と連通する。
コイルばね３０は、アクチュエータキャップ１１の天井部とピストン部材１３のピストン部１３ｂとの間に介在し、ピストン部材１３を常に下方向Ａ２に向けて復元力により付勢している。これにより、ダイヤフラム押え１４の上端面がピストン部材１３により下方向Ａ２に付勢され、ダイヤフラム１５をバルブシート１６に向けて押圧する。

ここで、発電ユニット１００について説明する。
発電ユニット１００は、リング状に形成されてアクチュエータキャップ１１の内周面に固定された永久磁石１２０と、円筒状に形成された樹脂製の保持部材１３１の外周面に形成された保持溝１３１ａに巻回されて保持されたコイル１３０とを有する。ピストン部材１３及び保持部材１３１は可動部を構成することができる。保持部材１３１は、可動方向からの視野においてコイルばね３０の外側に配置され、ピストン部材１３に保持されると共にコイル１３０を保持することができる。これにより、コイル１３０は、可動方向からの視野においてコイルばね３０の外側に配置される。固定部であるアクチュエータキャップ１１は、コイルばね３０がピストン部材１３と接する一端とは反対側の他端と接すると共に、可動方向からの視野においてコイル１３０の外側で永久磁石１２０を保持することができる。
永久磁石１２０は、半径方向に着磁されている。すなわち、永久磁石１２０の内周側がＮ極又はＳ極で、外周側がＳ極又はＮ極となるように着磁されている。
保持部材１３１は、ピストン部材１３に固定されており、ピストン部材１３の上下方向の移動と共に移動する。保持部材１３１が上下方向に移動すると、コイル１３０は、永久磁石１２０に対して上下動する。コイル１３０に接続された電気的負荷に応じて、電磁誘導によりコイル１３０に誘導電流が流れ、電力が供給される。
ここで、保持部材１３１は絶縁体、例えば樹脂で作られており、永久磁石１２０の強い磁場がかかる場所を往復することによる不要な渦電流ブレーキを抑え、ピストン部材１３の動きを阻害しないようにしている。また、永久磁石より軽量に実装できるコイルの方を可動部であるピストン部材１３に固定することで、ピストン部材１３の重量増を最小限にしている。これらにより、バルブの応答速度に与える影響を最小化している。
コイル１３０に流れる誘導電流は、コイル１３０の移動方向や速度に応じて変化し、永久磁石１２０と作用してコイル１３０の移動にブレーキをかける方向の力を生じる。図２Ｂに示すように、コイル１３０が下方向Ａ２に移動する際には、これに抗する上向きの制動力ＦＲ１が保持部材１３１を介してピストン部材１３に作用する。図３Ｂに示すように、コイル１３０が上方向Ａ１に移動する際には、これに抗する下向きの制動力ＦＲ２が保持部材１３１を介してピストン部材１３に作用する。
図２Ａに示すように、圧縮エアを解放すると、コイルばね３０の復元力により、ピストン部材１３は下方向Ａ２に押し下げられ、ダイヤフラム押え１４がダイヤフラム１５を介してバルブシート１６に衝突する。上記した上向きの制動力ＦＲ１がこのときの衝撃を緩和するように作用する。
図３Ａに示すように、圧縮エアを供給すると、コイルばね３０の弾性力に抗してピストン部材１３は上方向Ａ１に押し上げられ、ピストン部材１３の当接面１３ｆがアクチュエータキャップ１１の当接面１１ｆに衝突する。上記した下向きの制動力ＦＲ２がこのときの衝撃を緩和するように作用する。
コイル１３０の移動速度が速いほど大きな誘導電流を生じ、大きなブレーキ力がかかるため、このブレーキ力はピストン部材１３が移動し始める段階ではブレーキ力をほとんど発生させない。このため、単に駆動圧力とコイルばね３０の付勢力によりピストン部材１３に作用する力を小さくして、ゆっくりバルブを開け閉めする場合と比較して、応答速度に悪影響を及ぼさずに衝撃緩和を行える。
また、別の実装として、圧縮エアの圧力やコイルばね３０の付勢力を増やしつつ発電によるブレーキ力を追加する実装をすることで、ダイヤフラム１５に加わる衝撃を同程度に抑えてバルブ寿命を同程度に保ちながら、バルブの応答速度を改善することが可能である。

図４Ａは、上記構成のバルブ装置１を作動させるシステムの一例を示している。図４Ａにおいて、バルブ作動部５００とは、バルブ装置１が作動する際にエネルギーの流れに関連する部分であり、アクチュエータ部１０やコイルばね３０を指す。ガス供給源３００は、バルブ装置１の配管接続部３に流体接続されるエアラインＡＬを通じてバルブ装置１に圧縮エアを供給する機能を有し、例えばアキュムレータやガスボンベである。エアラインＡＬの途中には電磁弁ＥＶ１が設けられ、電磁弁ＥＶ１の下流側で分岐するエアラインＡＬには電磁弁ＥＶ２が設けられる。制御回路３１０は、電磁弁ＥＶ１，ＥＶ２の開閉を制御すべく、制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を電磁弁ＥＶ１，ＥＶ２へ出力する。
負荷回路６００は、発電ユニット１００のコイル１３０に負荷として電気的に接続される電気回路である。負荷回路６００は、電気配線ＥＬにより発電ユニット１００に電気的に接続されている。

図５Ａに負荷回路６００の一例を示す。なお、ＧＮＤ線は図中では省略している。
負荷回路６００は、電源ＩＣ６０１、二次電池６０２、マイクロコンピュータ６０３、圧力センサ、温度センサなどの各種センサ６０４、各種センサ６０４で検出したデータを外部に送信することができる無線部６０５、交直変換回路６０６を含む。
発電ユニット１００のコイル１３０に生ずる電流は、ピストン部材１３の移動方向に応じて正負が反転するので、交直変換回路６０６により、直流化する。
電源ＩＣ６０１は、コイル１３０からの電力を昇圧して二次電池６０２に蓄えつつ、マイクロコンピュータ６０３、各種センサ６０４、無線部６０５等の電力供給先へ送る電力を調節する電力管理ＩＣとしての機能を兼ねている。電源ＩＣ６０１として、例えば、エナジーハーベスティング用として一般的に流通しているものを採用できる。
二次電池６０２は、電源ＩＣ６０１から供給される直流電力を蓄える。容量の比較的大きいキャパシタを代用することも可能である。
各種センサ６０４以外は、図示しない回路収容部（例えば、アクチュエータキャップ１１の上面に設けられる）に収容され、各種センサ６０４は圧力や温度を検出すべく、バルブ装置１の流路近辺等に配置され、電源ＩＣ６０１やマイクロコンピュータ６０３と配線によって電気的に接続される。

次に、図４Ｂおよび図４Ｃを参照して、図４Ａのシステムにおけるエネルギーの概略的な流れおよび発電ユニット１００による発電動作を説明する。
バルブを開くときには、アクチュエータ部１０を駆動する必要があり、このため、図４Ｂに示すように、電磁弁ＥＶ１を開き、電磁弁ＥＶ２を閉じる。これにより、ガス供給源３００から駆動ガスがバルブ装置１に供給される。ここで駆動ガスとは、大気圧より高く、バルブ装置１を駆動するのに十分高い圧力を持つガスであることを意味する。本実施形態では、駆動ガスとして、圧縮エアを用いている。
バルブ装置１への圧縮エアの供給により、図３Ａ，３Ｂに示したように、ピストン部材１３が上方向Ａ１に押し上げられる。このとき、発電ユニット１００のコイル１３０が上方向Ａ１に移動することで、負荷回路６００には電力が供給される。供給された電力は、各種センサ６０４等により消費されつつ二次電池６０２に充電される。
コイルばね３０は、圧縮されてコイルばね３０にエネルギーが蓄えられる。このとき、図３Ａに示したように、ピストン部材１３の当接面１３ｆは、アクチュエータキャップ１１の当接面１１ｆに非弾性衝突するため、ガス供給源３００からバルブ装置１に供給されたエネルギーの一部は、熱や振動に変換されて放出される。

バルブを閉じるときには、バルブ装置１に蓄えられた圧縮エアを解放して、コイルばね３０に蓄えられたエネルギーを放出する。図４Ｃに示すように、電磁弁ＥＶ１を閉じるとともに、電磁弁ＥＶ２を開く。圧縮エアがバルブ装置１内からエアラインＡＬ，電磁弁ＥＶ２を通じて外部に放出される際に、発電ユニット１００のコイル１３０が下方向Ａ２に移動することで、負荷回路６００には電力が供給される。供給された電力は、各種センサ６０４等により消費されつつ二次電池６０２に充電される。
バルブを使用しながら二次電池６０２が充電されるため、一次電池を用いる場合と比べて小さな容量の二次電池６０２で、長期間動作させることができる。電池に蓄えられているエネルギーを小さくできるため、安全性を高めることができる。

本実施形態によれば、バルブ装置１に設けた発電ユニット１００は、ダイヤフラム１５の開閉動作に伴う衝撃を緩和する向きに力を発生させるので、電源配線や電池交換の問題を解消しつつ、ダイヤフラム１５等の弁体への負荷を緩和してバルブ装置１の長寿命化が可能となる。
また、本実施形態に係るバルブ装置１では、コイルばね３０に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電するので、本来、熱や振動として放出されていたエネルギーの一部を有効に利用することができる。
さらに、バルブ装置１の開閉動作時にのみコイル１３０に誘導電流が生じることから、これを監視して、バルブ装置１の開閉回数や開閉速度を測定するためのセンサとしての機能を兼ねることも可能である。これらのデータを他の各種センサ６０４のデータに追加して分析することで、故障判定や故障予測の精度を高めることができる。

上記実施形態では、アクチュエータ部１０の駆動時および圧縮エアの解放時の両方において、発電ユニット１００により発電する場合を例示した。
図５Ｂは、本発明の他の実施形態に適用される負荷回路６００Ｂの一例を示す。アクチュエータ部１０の駆動時および圧縮エアの解放時のいずれか一方においてのみ発電した電力を、電源ＩＣ６０１を通して電池に充電するなどして消費する。
負荷回路６００ＢのダイオードＤ１は、コイルばね３０に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する際にのみ、負荷回路６００Ｂにコイル１３０で発電した電力を供給するように接続されている。これにより、開弁する時には誘導電流によるブレーキ力が発生しないようにして開弁の応答速度を維持しつつ、ダイヤフラム１５への衝撃が大きい閉弁時に発電によるブレーキ力を得ることができる。これにより、バルブとしての応答速度を維持するという条件下でも、発電のために供給する圧縮エアの圧力を増やす必要がなく、エネルギーを無駄なく利用することができる。また、供給する圧縮エアの圧力やバルブの応答速度といった動作仕様が略変わらないことは、既存の流体制御装置のバルブ装置を置き換える際にも有用である。
なお、ダイオードＤ１の向きを逆にすることにより、圧縮エアの導入時のみに発電した電力を負荷回路６００Ｂに供給する実装も可能である。

上記実施形態では、いわゆるノーマリークローズのバルブを例示したが、これに限定されるわけではなく、いわゆるノーマリーオープンのバルブにも適用可能である。

上記実施形態では、バルブ装置１を圧縮エアで駆動する場合を例示したが、空気以外の他のガスを用いることも可能である。

上記実施形態では、ダイヤフラム式のバルブについて例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の方式のバルブにも適用可能である。

１ バルブ装置
３ 配管接続部
１０ アクチュエータ部（アクチュエータ）
１１ アクチュエータキャップ（固定部）
１２ アクチュエータボディ（固定部）
１３ ピストン部材（可動部）
１４ ダイヤフラム押え
１５ ダイヤフラム
１６ バルブシート
１８ 押えアダプタ
２０ バルブボディ（固定部）
３０ コイルばね（ばね部材）
１００ 発電ユニット
１２０ 永久磁石
１３０ コイル
１３１ コイル保持部材（可動部）
３００ ガス供給源
３１０ 制御回路
５００ バルブ作動部
６００，６００Ｂ 負荷回路

Claims (13)

1. 駆動ガスの供給を受けて弁体を駆動する可動部と、
   前記可動部の作動に関わらず移動しない固定部と、
   前記可動部および駆動部の一方に設けられたコイルおよび前記可動部および駆動部の他方に設けられた永久磁石を含む発電ユニットと、を有するバルブ装置。
2. 前記コイルは、前記可動部に設けられ、
   前記永久磁石は、前記固定部に設けられている、ことを特徴とする請求項1に記載のバルブ装置。
3. 前記可動部を一方向に付勢するばね部材をさらに有し、
   前記発電ユニットは、前記ばね部材に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する、ことを特徴とする請求項1又は２に記載のバルブ装置。
4. 前記バルブ装置に供給される駆動ガスの外部への放出時に前記発電ユニットにより発電される方向の電流のみを取り出すための回路を有する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバルブ装置。
5. 前記発電機により発電した電圧を昇圧する電源回路と、
   前記電源回路から供給される電力により作動する負荷と、を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブ装置。
6. 前記電源回路から電力供給を受ける二次電池又はキャパシタを有することを特徴とする請求項５に記載のバルブ装置。
7. 前記発電ユニットは、前記弁体の開閉動作に伴う衝撃を緩和する向きに力を発生させるように設けられている、請求項１ないし６のいずれかに記載のバルブ装置。
8. 前記コイルは、可動方向からの視野において前記ばね部材の外側に配置されている、請求項３ないし７のいずれかに記載のバルブ装置。
9. 前記可動部は、ピストン部材と、可動方向からの視野において前記ばね部材の外側に配置され、前記ピストン部材に保持されると共に前記コイルを保持する保持部材とを有している、請求項３ないし８のいずれかに記載のバルブ装置。
10. 前記固定部は、前記ばね部材が前記可動部と接する一端とは反対側の他端と接すると共に、可動方向からの視野において前記コイルの外側で前記永久磁石を保持している、請求項３ないし９のいずれかに記載のバルブ装置。
11. 前記永久磁石は、リング状に形成され、半径方向に着磁されている、請求項１ないし１０のいずれかに記載のバルブ装置。
12. 前記発電ユニットにより発電された電力により動作する圧力センサ又は温度センサを有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のバルブ装置。
13. 前記発電ユニットにより発電された電力により動作し、前記圧力センサ又は前記温度センサで検出したデータを無線により送信する無線部を有する請求項１２に記載のバルブ装置。
    

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