KR20210015632A - 액추에이터 및 그것을 구비한 에어 오퍼레이트 밸브 - Google Patents

Abstract

액추에이터(18)는, 스템(14)이 승강 가능하게 지지되는 하우징(34); 하우징(34) 내에 구획되는 작동 유체의 압력실(36); 하우징(34) 내에 스템(14)과 함께 승강 가능하게 수용되는 피스톤(38); 스템(14)과 피스톤(38)을 연결하는 연결 기구(70);를 구비하고, 연결 기구(70)는, 스템(14)의 외주면(14b)에 대향하는 내주면(72b)을 갖고, 내주면(72b)에 스템(14)에 대한 계합부(78)를 갖는 연결 부재(72); 연결 부재(72)를 피스톤(38)에 고정하는 고정 부재(74); 스템(14)에 형성되어, 계합부(78)가 계합되는 피계합부(76);를 포함한다.

Description

액추에이터 및 그것을 구비한 에어 오퍼레이트 밸브{ACTUATOR AND AIR OPERATED VALVE HAVING THE SAME}

본 발명은, 액추에이터 및 그것을 구비한 에어 오퍼레이트 밸브에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 작동 유체의 공급 또는 차단에 의해 스템을 승강시켜 밸브체를 개폐 작동하는 액추에이터를 구비한 유량 제어 밸브가 개시되어 있다. 이 밸브는, 에어 오퍼레이트 밸브로서, 액추에이터는, 스템이 승강 가능하게 지지되는 하우징; 하우징 내에 구획되어, 작동 유체가 공급되는 압력실; 하우징 내에 스템과 함께 승강 가능하게 수용되는 피스톤;을 갖고 있다.

피스톤은, 스템의 승강에 따라 하우징의 내벽에 슬라이딩(摺動)되는 슬라이딩 외주면; 압력실을 하우징의 내벽과 함께 구획하고, 작동 유체의 압력을 받는 수압면(受壓面); 스템의 외주면에 O링 등의 탄성 부재를 통해 고정되는 내주면; 내주면에 형성되어, 탄성 부재가 끼워 넣어지는 환형의 끼워넣기(嵌入) 홈;을 갖고 형성되어 있다.

그리고, 특허문헌 1에서는, 탄성 부재를 통해 피스톤을 스템(특허문헌 1의 로드에 해당)에 연결함으로써, 스템에 대하여 피스톤이 경사지는 것을 방지하고 있다.

일본 특허공개공보 2014-109314호

피스톤을 스템에 긴밀하게 연결하는 경우, 밸브의 조립 시에, 스템에 피스톤을 압입(壓入) 고정하는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 피스톤의 내주면과 스템의 외주면의 끼워맞춤은, 억지 끼워맞춤에 가까운 상태가 되는데, 이들의 면 사이에 틈이 생길 수 있다. 따라서, 압력실의 실링(sealing) 기능을 확보하기 위해서는, 탄성 부재를 통해 피스톤을 스템에 연결할 필요가 있다.

그러나, 피스톤의 내주면에 형성된 끼워넣기 홈에, 탄성 부재를 끼워 넣은 상태로 스템에 피스톤을 압입하면, 탄성 부재의 표면이 스템의 외주면에 접촉하여 손상되거나 혹은, 스템과 피스톤 사이에 탄성 부재가 끼어 말려 들거나, 나아가서는 탄성 부재가 끊어지는(斷裂) 경우가 있다. 또한, 피스톤에 스템을 압입한 후에는, 탄성 부재는 끼워넣기 홈에 끼워 넣어진 상태로 피스톤의 내주면에 덮이므로, 탄성 부재의 손상, 말려듦, 끊어짐을 눈으로 확인할 수 없다.

그러므로, 외관상은 문제가 없는 밸브라도, 피스톤의 압입 시의 탄성 부재의 손상, 말려듦, 끊어짐에 의해, 압력실의 실링 기능이 저하되어버려, 압축실로부터의 작동 유체의 누출, 나아가서는 밸브의 작동 불량을 초래할 우려가 있었다. 따라서, 피스톤을 스템에 압입 이외의 수법으로 연결함으로써, 스템에 대한 피스톤의 경사를 방지하는 조심(調芯) 기능과 압력실의 실링 기능 양쪽 모두를 실현하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 피스톤을 스템에 압입 이외의 수법으로 연결함으로써, 스템에 대한 피스톤의 경사를 방지하는 조심 기능과 압력실의 실링 기능 양쪽 모두를 실현할 수 있는 액추에이터 및 그것을 구비한 에어 오퍼레이트 밸브를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 아래의 양태로서 실현할 수 있다.

본 양태에 따른 액추에이터는, 작동 유체의 공급 또는 차단에 의해 스템을 승강시키는 액추에이터로서, 스템이 승강 가능하게 지지되는 하우징; 하우징 내에 구획되어, 작동 유체가 공급되는 압력실; 하우징 내에 스템과 함께 승강 가능하게 수용되는 피스톤; 스템과 피스톤을 연결하는 연결 기구;를 구비하고, 연결 기구는, 스템의 외주면에 대향하는 내주면을 갖고, 내주면에 스템에 대한 계합부를 갖는 연결 부재; 연결 부재를 피스톤에 고정하는 고정 부재; 스템에 형성되어, 계합부가 계합되는 피계합부;를 포함한다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 피계합부는, 스템의 외주면을 확경한 날밑부이며, 계합부는, 연결 부재의 내주면으로부터 피스톤에 대향하는 연결 부재의 대향면에 걸쳐 환형으로 잘라내어 형성되고, 날밑부가 끼워 넣어지는 제1 자리파기부이다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 제1 자리파기부의 깊이는, 날밑부의 스템의 축방향에서의 두께 이하이다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 스템의 지름 방향에서의 날밑부와 제1 자리파기부의 상호간 맞닿음면은, 스템으로부터 확경하면서, 피스톤에 가까워지는 방향으로 경사진 테이퍼면이다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 연결 기구는, 스템의 외주면을 확경한 날밑부; 날밑부를 피스톤에 고정하는 고정 부재;를 포함한다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 피스톤은, 스템의 승강에 따라 하우징의 바디의 내벽에 슬라이딩되는 슬라이딩 외주면; 압력실을 내벽과 함께 구획하고, 작동 유체의 압력을 받는 제1 수압면; 스템에 삽입되는 삽입면부, 및 그 삽입면부로 이어지는 동시에 제1 수압면에 걸쳐 잘라내어 형성되고, 환형의 제1 탄성 부재가 끼워 넣어지는 제1 끼워넣기부로 이루어지는 내주면;을 갖는다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 스템은, 압력실에 개구되는 작동 유체의 유로를 갖고, 액추에이터는, 내벽에 고정되는 동시에, 제1 수압면 및 내벽과 함께 압력실을 구획하는 구획 부재를 갖고, 구획 부재는, 스템의 승강에 따라 스템의 외주면이 제2 탄성 부재를 통해 슬라이딩되는 슬라이딩 내주면; 압력실을 내벽 및 제1 수압면과 함께 구획하고, 작동 유체의 압력을 받는 제2 수압면; 슬라이딩 내주면으로부터 제2 수압면에 걸쳐 잘라내어 형성되고, 제2 탄성 부재가 끼워 넣어지는 제2 끼워넣기부;를 갖는다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 제1 및 제2 수압면 중 적어도 어느 한쪽은, 스템의 강하에 따라 제1 수압면이 제2 수압면에 접촉했을 때에 유로가 연통되는 제2 자리파기부를 갖는다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 제1 및 제2 탄성 부재는, 스템의 강하에 따라 제1 수압면이 제2 수압면에 접촉했을 때에 제2 자리파기부에 노출된다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 압력실과, 압력실에 면하는 피스톤을 각각 복수 갖는다.

또한, 본 양태에 따른 상술한 액추에이터에 있어서, 스템은, 승강에 의해 밸브체를 개폐 작동하고, 피스톤의 승강에 따른 밸브체의 개폐를 피스톤까지의 거리의 변화를 바탕으로 검출하는 개폐 검출 센서를 갖는다.

한편, 본 양태에 따른 에어 오퍼레이트 밸브는, 상술한 어느 하나의 액추에이터를 구비한다.

본 발명의 액추에이터 및 그것을 구비한 에어 오퍼레이트 밸브에 의하면, 피스톤을 스템에 압입 이외의 수법으로 연결함으로써, 스템에 대한 피스톤의 경사를 방지하는 조심 기능과 압력실의 실링 기능 양쪽 모두를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 액추에이터를 구비한 에어 오퍼레이트 밸브의 밸브를 열었을 때의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 액추에이터의 확대도이다.
도 3은 도 2의 A-A 방향 화살표에서 본 연결 기구의 평면도이다.
도 4는 도 1의 에어 오퍼레이트 밸브의 밸브를 닫았을 때의 종단면도이다.
도 5는 도 3의 액추에이터의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 연결 기구의 종단면도이다.

이하, 도면을 바탕으로 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 액추에이터(18)를 구비한 에어 오퍼레이트 밸브(1)(이하, 단순히 밸브(1)라고도 한다)의 밸브를 열었을 때의 종단면도를 나타낸다. 그리고, 이하, 도 1, 도 2, 도 4 - 도 6의 설명에 있어서는, 각 도면의 상측을 윗쪽으로 설명하고 있다.

밸브(1)는, 프로세스 유체의 미소 유량을 고정밀도 제어 가능한 다이렉트 터치형의 메탈 다이어프램 밸브이며, 바디(2), 다이어프램(4), 보닛(6), 보닛 너트(8), 다이어프램 프레스(10), 프레스 어댑터(12), 스템(14), 스프링(16), 액추에이터(18) 등을 구비하고 있다. 밸브(1)는, 예를 들어 ALD(Atomic Layer Deposition)법의 성막 기술을 이용한 반도체 제조 장치에 이용된다.

바디(2)는, 스텐레스강 등의 금속재에 의해 형성되고, 바디(2)의 하부에는 유체 입구(20)및 유체 출구(22)가 형성되어 있다. 바디(2)의 상부에는 유체 입구(20) 및 유체 출구(22)에 연통하는 윗쪽 개방된 단면 오목 형상의 밸브실(24)이 형성되어 있다. 밸브실(24)의 저면에는 합성 수지제의 밸브 시트(26)가 설치되고, 밸브실(24)의 내주면의 하측에는 환형의 단부(段部)(28)가 형성되어 있다.

보닛(6)은, 그 통형상 하단부가 바디(2)의 밸브실(24) 내에 삽입되고, 바디(2)의 통형상 상부에 나사결합(螺合)되어 있다. 보닛(6) 내에는, 스템(14)이 승강 가능하게 배치되고, 스템(14)의 주위에는 코일형상의 스프링(16)이 배치되어 있다. 스프링(16)은, 스템(14)의 하부에 형성된 확경부(擴徑部)(14a)를 아래쪽으로 밀고(付勢) 있다. 확경부(14a)의 하면에는 다이어프램(4)의 중앙부의 상면에 맞닿을(當接) 수 있는 합성 수지제의 다이어프램 프레스(10)가 끼워 붙여져(嵌着) 있다.

스템(14)의 상부에는 로드(30)가 나사결합되어 연결되어 있다. 로드(30)는, 보닛(6)의 상부에서 돌출되어, 액추에이터(18) 내에 삽입되어 있다. 그리고, 로드(30)는 스템(14)에 연결되어 일체로 승강하기 때문에, 로드(30)를 스템(14)과 동일 의미로 취급하는 경우가 있다. 다이어프램(4)은, 밸브 시트(26)의 윗쪽에 배치되고, 복수의 다이어프램에 의해 구성되어 있다. 또한, 다이어프램(4)은, 자연 상태에서 중앙부가 윗쪽으로 만곡된 접시형상으로 되어 있다.

다이어프램(4)은, 매우 얇은 두께를 갖고, 스텐레스강이나, 기타 형상기억합금 등의 금속재로 형성되어 있다. 프레스 어댑터(12)는, 밸브실(24)의 내주면에 장착된 환형 부재이며, 보닛(6)의 통형상 하단부에 의해 단부(28)를 향해 눌러진다. 다이어프램(4)의 가장자리(周緣)부는, 단부(28)와 프레스 어댑터(12)에 의해 협지 고정되어, 밸브실(24)의 기밀성이 유지된다.

본 실시 형태의 액추에이터(18)는, 미도시의 유체 공급원으로부터의 작동 유체의 공급 또는 차단에 의해 스템(14)을 승강시켜, 밸브체인 다이어프램(4)을 밸브 시트(26)에 닿게 하거나 멀어지게(當離座) 하여, 밸브(1)의 개폐 작동을 수행하는 유체 작동식 구동 기구이다. 액추에이터(18)은, 하우징(34), 하우징(34) 내의 상하로 구획된 2개의 압력실(36), 개개의 압력실(36)에 면하여 하우징(34) 내의 상하로 배치된 2개의 피스톤(38), 하우징(34) 내의 각 피스톤(38) 사이에 배치된 1개의 구획 부재(40)를 구비하고 있다.

액추에이터(18)는, 상측의 피스톤(38)에 대향하는 위치에 개폐 검출 센서(42)를 구비하고 있다. 개폐 검출 센서(42)는, 예를 들어 광 센서로, 액추에이터 캡(34a)의 상면에서 삽입되고, 상측의 피스톤(38)의 상면을 반사면으로 사용하고 있다. 개폐 검출 센서(42)는, 스템(14)의 승강에 따른 다이어프램(4)의 개폐, 즉 밸브(1)의 개폐 동작을 상측의 피스톤(38) 까지의 거리의 변화를 바탕으로 검출한다. 액추에이터(18)는, 스템(14)의 승강에 의한 스트로크량을 조정 가능한 스트로크 조정 기구를 구비하고 있다.

도 2는, 도 1의 액추에이터(18)의 확대도를 나타낸다. 하우징(34)은, 상측의 액추에이터 캡(34a)과 하측의 액추에이터 바디(34b)를 나사결합 등에 의해 결합하여 형성되어 있다. 액추에이터 바디(34b)의 통형상 하부(34c)에는, 로드(30)를 삽입하기 위한 개구(34d)가 형성되어 있다. 통형상 하부(34c)를 보닛(6)에 삽입하고, 보닛 너트(8)를 조임으로써 액추에이터(18)가 보닛(6)에 체결 고정된다. 로드(30)는, 하우징(34)에 상측 O링(35)과 하측 O링(제2 탄성 부재)(37)을 통해 승강 가능하게 지지된다.

액추에이터 캡(34a)의 상부에는, 유체 공급원이 접속되는 작동 유체의 공급구(44)가 형성되고, 공급구(44)는 로드(30)의 상단에 개구된 작동 유체의 유로(46)와 연통하고 있다. 유로(46)는, 로드(30)의 축방향으로 연장 설치된 축방향 구멍(46a)과 축방향 구멍(46a)으로부터 지름 방향으로 분기하는 2계통의 지름 방향 구멍(46b)으로 구성되어 있다. 2개의 압력실(36)에는, 공급구(44)로부터, 축방향 구멍(46a), 지름 방향 구멍(46b)를 순서대로 거쳐 작동 유체가 공급된다.

2개의 피스톤(38)은, 로드(30)에 연결되어, 하우징(34) 내에 로드(30)와 함께 승강 가능하게 수용되어 있다. 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 피스톤(38)은, 슬라이딩 외주면(38a), 제1 수압면(38b), 내주면(38c)을 갖고 있다. 슬라이딩 외주면(38a)은, 스템(14)의 승강에 따라 하우징(34)의 내벽(34e)에 O링(47)을 통해 슬라이딩된다. 제1 수압면(38b)은, 둥근 띠(環帶) 모양을 이루고, 압력실(36)을 내벽(34e)과 함께 구획하여, 작동 유체의 압력을 받는다.

하측의 피스톤(38)의 경우, 제1 수압면(38b), 내벽(34e), 내벽(34e)의 일부인 하우징(34)의 저벽(구획 부재)(34f)과 함께 압력실(36)이 구획된다. 내주면(38c)은, 로드(30)의 외주면(30a)에, 제1 O링(제1 탄성 부재)(48)을 통해, 압입과 같은 억지 끼워맞춤의 끼워맞춤이 아니라, 중간 끼워맞춤 정도의 끼워맞춤으로 고정된다. 내주면(38c)에는, 제1 끼워넣기부(52)가 형성되어 있다.

여기서, 본 실시 형태의 액추에이터(18)는, 스템(14)과 상측의 피스톤(38)을 연결하는 연결 기구(70)를 구비하고 있다. 연결 기구(70)는, 스템(14)과 피스톤(38)을 연결하는 연결 부재(72); 연결 부재(72)를 피스톤(38)에 고정하는 나사(고정 부재)(74); 스템(14)에 형성된 날밑(鍔)부(피계합부)(76);로 구성되어 있다.

연결 부재(72)는, 디스크형을 이루고, 개폐 검출 센서(42)가 돌출되는 액추에이터 캡(34a)의 저면(38f)과, 상측의 피스톤(38)의 상면(38d) 사이의 액추에이터 캡(34a)의 공간(38g)에 위치되어 있다. 연결 부재(72)는, 스템(14)에 꽂아넣음(揷通)으로써 로드(30)의 외주면(30a), 다시 말해 스템(14)의 외주면(14b)에 대향, 혹은 맞닿는 내주면(72a); 내주면(72a)에 있어서 날밑부(76)에 계합(係合)되는 제1 자리파기부(계합부)(78);를 갖는다.

날밑부(76)는, 스템(14)의 외주면(14b)을 확경하여 형성되고, 날밑부(76)의 하면(76a)이 상측의 피스톤(38)의 상면(38d)에 맞닿아 있다. 이것에 의해, 압력실(36)에 작동 유체가 공급되었을 때, 각 압력실(36)의 압력에 의해 스템(14)이 피스톤(38)과 함께 밀어 올려져 상승한다. 연결 부재(72)는, 공간(38g)에 있어서, 스템(14)의 스트로크에 따라 상하 이동해도, 액추에이터 캡(34a)의 저면(38f)에 접촉하지 않는 두께를 갖는 동시에, 개폐 검출 센서(42)에 접촉하지 않는 외경을 갖는다.

제1 자리파기부(78)는, 연결 부재(72)의 내주면(72a)으로부터 피스톤(38)에 대향하는 연결 부재(72)의 하면(대향면)(72b)에 걸쳐 환형으로 잘라내어 형성되고, 날밑부(76)가 끼워 넣어진다. 제1 자리파기부(78)의 깊이(D)는, 날밑부(76)의 스템(14)의 축방향에서의 두께(W) 이하로 설정되어 있다.

이것에 의해, 연결 부재(72)를 나사(74)로 체결했을 때에 연결 부재(72)의 휨은 발생하지 않는다. 또한, 깊이(D)가 두께(W)와 동일한 경우, 제1 자리파기부(78)의 저면(78a)과 날밑부(76)의 상면(76b)이 맞닿고, 게다가 나사(74)의 체결력에 의해 날밑부(76)의 하면(76a)이 피스톤(38)의 상면(38d)에 맞닿는다.

도 3은, 도 2의 A-A 방향 화살표에서 본 연결 기구(70)의 평면도를 나타낸다. 연결 부재(72)는, 평면시 원형을 이루고, 4개의 나사(74)로 피스톤(38)의 상면(38d)에 체결된다. 이와 같이, 액추에이터(18)가 연결 기구(70)를 구비함으로써, 피스톤(38)이 스템(14)에 압입 이외의 수법으로 긴밀하게 연결되어, 스템(14)에 대한 각 피스톤(38)의 경사를 방지하는 조심 기능을 실현할 수 있다. 또한, 제1 끼워넣기부(52)는, 내주면(38c)에서 제1 수압면(38b)에 이르는 코너부를 전체 둘레에 걸쳐 잘라내어 형성된다.

밸브(1)의 조립 시에, 연결 기구(70)에 의해 피스톤(38)을 스템(14)에 연결하기 전 또는 후 중 어느 하나에 있어서, 제1 끼워넣기부(52)에 제1 O링(48)이 끼워 넣어진다. 피스톤(38)을 스템(14)에 압입하지 않기 때문에, 제1 O링(48)의 손상, 말려듦, 끊어짐을 확실하게 방지할 수 있고, 각 압력실(36)의 실링 기능이 실현된다.

또한, 제1 끼워넣기부(52)로부터 제1 O링(48)의 상태를 눈으로 용이하게 확인할 수 있다. 그러므로, 제1 O링(48)의 손상, 말려듦, 끊어짐이 만일 발생했을 경우에도, 이들의 상태를 조기에 발견 가능하다. 또한, 제1 O링(48)은, 찌부러짐 변형되는 것에 의한 자신의 탄성력을 제1 끼워넣기부(52)의 내벽에 작용시키면서, 제1 끼워넣기부(52)에 마찰에 따라 끼워 넣어져 있다. 그러므로, 제1 O링(48)이 피스톤(38)의 승강에 의해서도 탈락되는 경우는 없다.

또한, 제1 O링(48)은 압력실(36)에 노출되어 있으므로, 밸브(1)의 전개(全開) 시에는, 압력실(36)에 작용하는 작동 유체의 압력에 의해, 제1 O링(48)이 제1 끼워넣기부(52)의 내벽에 눌러진다. 이 누르는 힘에 의해, 제1 끼워넣기부(52) 내에 있어서 제1 O링(48)의 찌부러짐 변형이 한층 더 촉진되어, 각 압력실(36)의 실링성이 한층 더 향상된다.

또한, 제1 O링(48)은, 압력실(36)에 노출되어 작동 유체와 접촉하고, 작동 유체가 띠는 온도에 따라 열팽창하는 경우가 있다. 이러한 제1 O링(48)의 열팽창이 종래와 같이 한정된 공간의 끼워넣기 홈에서 생기면, 열팽창이 규제되는 동시에 열이 도피할갈 장소가 없기 때문에, 제1 O링(48)의 경화, 연화, 팽윤 등의 변질을 일으키는 경우가 있다.

그러나, 본 실시 형태의 경우에는, 제1 끼워넣기부(52)에 제1 O링(48)이 끼워 넣어져 열팽창의 자유도가 어느 정도 보증되고, 또한, 열의 도피 경로가 어느 정도 확보되어 있다. 그러므로, 해당 열팽창에 따른 제1 O링(48)의 변질과, 압력실(36)의 실링성에 대한 영향이 저감된다.

한편, 구획 부재(40)는, 2개의 피스톤(38) 사이에 있어서 내벽(34e)에 고정되고, 상측의 피스톤(38)의 제1 수압면(38b) 및 내벽(34e)과 함께 상측의 압력실(36)을 구획하고 있다. 상세하게는, 구획 부재(40)는, 슬라이딩 내주면(40a), 제2 수압면(40b), 고정 외주면(40c)을 갖고 있다. 슬라이딩 내주면(40a)은, 스템(14)의 승강에 따라 로드(30)의 외주면(30a)에 제2 O링(제2 탄성 부재)(54)을 통해 슬라이딩된다.

제2 수압면(40b)은, 둥근 띠 모양을 이루고, 압력실(36)을 내벽(34e) 및 제1 수압면(38b)과 함께 구획하여, 작동 유체의 압력을 받는다. 고정 외주면(40c)은, O링(56)을 통해 내벽(34e)에 고정된다. 슬라이딩 내주면(40a)에는, 슬라이딩면부(58)와 제2 끼워넣기부(60)가 형성되어 있다. 슬라이딩면부(58)에는, 스템(14)의 승강에 따라 로드(30)의 외주면(30a)이 슬라이딩한다.

제2 끼워넣기부(60)는, 슬라이딩 내주면(40a)에서 제2 수압면(40b)에 이르는 코너부를 전체 둘레에 걸쳐 잘라내어 형성되고, 제2 O링(54)이 끼워 넣어진다. 이것에 의해, 로드(30)가 구획 부재(40)에 대하여 기밀하게 슬라이딩되는 동시에, 상측의 압력실(36)의 실링 기능이 확보된다. 또한, 제2 O링(54)은, 제1 O링(48)의 경우와 마찬가지로, 찌부러짐 변형되는 것에 의한 자신의 탄성력에 의해 마찰에 따라 제2 끼워넣기부(60)에 끼워 넣어지고 있다.

그러므로, 제2 O링(54)이 로드(30)의 승강에 의해서도 탈락되는 경우는 없다. 또한, 제2 O링(54)은, 제1 O링(48)의 경우와 마찬가지로, 압력실(36)에 노출되어 있다. 그러므로, 밸브(1)의 전개 시에는, 압력실(36)에 작용하는 작동 유체의 압력에 의해, 제2 O링(54)이 제2 끼워넣기부(60)의 내벽에 눌러진다. 이 누르는 힘에 의해, 제2 끼워넣기부(60) 내에 있어서 제2 O링(54)의 찌부러짐 변형이 한층 더 촉진되어, 상측의 압력실(36)의 실링성이 한층 더 향상된다.

또한, 제2 O링(54)은, 제2 끼워넣기부(60)에 끼워 넣어짐으로써, 제1 O링(48)의 경우와 마찬가지로, 열팽창이 어느 정도 허용 된다. 따라서, 종래와 같이 한정된 공간에서 제2 O링(54)이 열팽창함으로써 생기는 폐해, 즉, 제2 O링(54)의 변질과, 하측의 압력실(36)의 실링성에 대한 영향이 저감된다.

또한, 하우징(34)의 저벽(34f)은, 하측의 압력실(36)을 구획하는 의미에서 구획 부재(40)와 동일한 기능을 갖고, 하측 O링(37)은, 저벽(34f)에 설치된 하측 끼워넣기부(제2 끼워넣기부)(39)에 압력실(36)에 노출되어 끼워 넣어지고, 제2 O링(54)과 동일한 기능을 갖고 있다. 따라서, 하측의 압력실(36)의 실링 기능도 확보된다. 또한, 제1 수압면(38b)에는, 스템(14)의 강하에 따라 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉했을 때에 유로(46)의 지름 방향 구멍(46b)이 연통되는 제2 자리파기부(62)가 형성되어 있다.

이하, 밸브(1)의 개폐 동작과 함께 제2 자리파기부(62)의 기능에 대하여 설명한다.

도 4는, 밸브(1)의 밸브를 닫았을 때의 종단면도를 나타내고, 도 5는, 도 4의 액추에이터(18)의 확대도를 나타낸다. 도 4 및 도 5의 경우, 스템(14)이 보닛(6) 내에 설치된 스프링(16)의 탄성력에 의해 아래쪽으로 밀리고 있다.

밸브(1)가, 도 4 및 도 5에 나타내는 밸브가 닫힌 상태에서, 도 1 및 도 2에 나타내는 밸브가 열린 상태가 될 때에는, 공급구(44)로부터 유로(46)를 통해 2개의 압력실(36)에 작동 유체가 공급되고, 각 압력실(36)의 압력에 의해, 스프링(16)의 탄성력에 저항하여 피스톤(38) 및 스템(14)이 끌어 올려져 상승한다. 이것에 의해, 다이어프램(4)은, 자신의 복원력에 의해 단면 볼록형상의 자연 상태가 되어 밸브 시트(26)로부터 멀어져, 밸브(1)는 전개 상태가 된다.

한편, 밸브(1)가, 도 1 및 도 2에 나타내는 밸브가 열린 상태에서, 도 4 및 도 5에 나타내는 밸브가 닫힌 상태가 될 때에는, 공급구(44)로부터의 작동 유체의 공급이 정지되고, 유로(46) 및 2개의 압력실(36) 내의 압력이 개방되어 있다. 이 상태에서는, 스프링(16)의 탄성력에 의해 피스톤(38) 및 스템(14)이 강하한다. 이것에 의해, 다이어프램(4)은, 그 중앙부가 다이어프램 프레스(10)에 의해 아래쪽으로 눌리고, 자신의 복원력에 저항하여 단면 오목 형상으로 변형되어 밸브 시트(26)에 닿아, 밸브(1)는 전폐 상태가 된다.

여기서, 스트로크 조정 기구에 의해 스템(14)의 스트로크량을 작게 하면, 스템(14)의 강하에 따라 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉하는 경우가 있을 수 있다. 제1 및 제2 수압면(38b, 40b)끼리의 접촉이 생기면, 압력실(36)에 필요한 용적을 확보할 수 없고, 또한, 지름 방향 구멍(46b)이 막혀버릴 수 있으므로, 밸브(1)의 작동 불량을 일으킬 수 있다. 또한, 제1 O링(48)이 구획 부재(40)에 접촉하여, 제1 O링(48)이 손상될 우려도 있다.

그러나, 제1 수압면(38b)에 제2 자리파기부(62)를 형성함으로써, 도 5에 나타낸 바와 같이 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉해도, 제2 자리파기부(62)의 공간에는 지름 방향 구멍(46b)이 개구되어 있으므로, 해당 공간에 작동 가스를 공급 가능하다. 따라서, 제2 자리파기부(62)의 공간이 압력실(36)로서 확보된다.

또한, 제1 및 제2 수압면(38b, 40b)끼리의 접촉을 회피하기 위해 안전율을 계산하여 밸브(1)의 전폐(全閉) 시에서의 압력실(36)을 크게 확보할 필요는 없고, 또한, 액추에이터(18)의 외형을 축방향으로 길게 확보할 필요는 없다. 따라서, 액추에이터(18), 나아가서는 밸브(1)의 신뢰성을 확보하면서, 액추에이터(18), 나아가서는 밸브(1)의 추가적인 소형화를 꾀할 수 있다.

또한, 스트로크 조정 기구에 의해 스템(14)의 스트로크량을 작게 조정한 후에, 추가로 압력실(36)의 용적을 제2 자리파기부(62)의 공간 용적을 계산하여 최대한 작게 설정하는 것도 가능하다. 이것에 의해, 압력실(36)의 용적을 최대한 작게 설정할 수 있으므로, 밸브(1)의 개폐 동작의 응답성 및 제어성이 향상된다. 또한 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2 O링(48, 54)과 하측 O링(37)은, 스템(14)의 강하에 따라 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉했을 때에 제2 자리파기부(62)에 노출된다.

이것에 의해, 밸브(1)의 전폐 상태에서 전개 상태로 이행할 때 압력실(36)에 작동 유체가 공급되면, 제2 자리파기부(62)의 공간에 있어서 제1 및 제2 O링(48, 54)이 작동 유체에 눌려 찌부러짐 변형된다. 따라서, 제1 및 제2 수압면(38b, 40b)끼리가 접촉하는 경우에도, 제2 자리파기부(62)를 형성한 것에 의해 각 압력실(36)의 실링 기능이 확보된다.

이상과 같이 본 실시 형태의 액추에이터(18) 및 그것을 구비한 밸브(1)는, 로드(30), 다시말해 스템(14)에 대한 피스톤(38)의 경사를 방지하는 조심 기능과, 압력실(36)의 실링 기능 양쪽 모두를 실현할 수 있다. 특히, 밸브(1)를 ALD(Atomic Layer Deposition)법의 성막 기술을 이용한 반도체 제조 장치에 이용하는 경우, 막 두께가 극소가 되는 것에 따라 성막 회수가 증가한다.

그러므로, 밸브(1)가 견딜 수 있는 개폐 동작의 회수(내용(耐用) 회수)를 큰폭으로 증가시키지 않으면 안 된다. 따라서, 스트로크 조정 기구에 의해 스템(14)의 스트로크량을 작게 함으로써, 다이어프램(4)의 만곡 변위에 의한 부하를 저감하여, 밸브(1)의 내용 회수의 증가를 꾀하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 스템(14)의 스트로크량을 작게 하면, 종래에는 오차 범위로 허용되었던 피스톤(38)의 미소한 경사의 영향도가 커진다. 따라서, 개폐 검지 요구가 있는 밸브(1)에 개폐 검출 센서(42)를 배치했을 경우에는, 개폐 검출 센서(42)에 의한 밸브(1)의 개폐 동작의 오류 검출이 빈발할 우려가 있었다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 액추에이터(18)에, 스템(14)과 상측의 피스톤(38)을 연결하는 연결 기구(70)를 설치하고 있다. 연결 기구(70)를 설치한 것에 의해, 스템(14)에 피스톤(38)을 압입 고정하지 않아도 되므로, 연결 기구(70)에 의해 스템(14)에 피스톤(38)을 긴밀하게 연결하면서, 피스톤(38)을 스템(14)에 압입했을 경우에 생기는 제1 O링(48)의 손상, 말려듦, 끊어짐을 방지할 수 있다.

따라서, 로드(30) 나아가서는 스템(14)에 대한 각 피스톤(38)의 경사를 방지하는 조심 기능을 실현과, 각 압력실(36)의 실링 기능 양쪽 모두를 실현할 수 있다. 또한, 이들 기능의 실현에 의해, 밸브(1)에 개폐 검출 센서(42)를 배치하는 경우, 밸브(1)의 개폐 동작의 오류 검출을 방지할 수 있으므로, 밸브(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 또한, 밸브(1)의 내구성을 향상시킬 수도 있다.

보다 구체적으로, 연결 기구(70)는, 제1 자리파기부(78)를 갖는 연결 부재(72), 나사(74), 스템(14)에 형성된 날밑부(76)로 구성되어 있다. 이것에 의해, 스템(14)에 형성된 기존의 날밑부(76)에 연결 부재(72)의 제1 자리파기부(78)를 계합시키고, 연결 부재(72)를 나사(74)로 피스톤(38)에 고정하기만 하면 되는 간단한 구성에 의해 연결 기구(70)를 실현할 수 있다.

또한, 제1 자리파기부(78)의 깊이(D)는, 날밑부(76)의 스템(14)의 축방향에서의 두께(W) 이하로 설정되어 있다. 이것에 의해, 연결 부재(72)의 휨을 방지하면서, 스템(14), 피스톤(38), 연결 부재(72)를 상호간 맞닿음에 의해 확실하게 연결하여 일체화할 수 있으므로, 스템(14)에 대한 각 피스톤(38)의 경사를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 제1 O링(48)은 압력실(36)에 노출되어 있음으로써, 각 압력실(36)의 실링성이 한층 더 향상된다. 또한, 제1 O링(48)의 열팽창에 따른 제1 O링(48)의 변질과, 압력실(36)의 실링성에 대한 영향이 저감된다. 또한, 구획 부재(40)에 잘라냄으로 제2 끼워넣기부(60)를 형성한 것에 의해, 로드(30)이 구획 부재(40)에 대하여 기밀하게 슬라이딩되는 동시에, 상측의 압력실(36)의 실링 기능이 확보된다.

또한, 하우징(34)의 저벽(34f)에 형성한 하측 끼워넣기부(39)와, 거기에 끼워 넣어지는 하측 O링(37)에 의해 하측의 압력실(36)의 실링 기능도 확보된다. 또한, 제2 O링(54) 및 하측 O링(37)은 압력실(36)에 노출되어 있으므로, 각 압력실(36)의 실링성이 한층 더 향상된다. 또한, 제2 O링(54)의 열팽창에 따른 제2 O링(54)의 변질과, 압력실(36)의 실링성에 대한 영향이 저감된다.

또한, 제1 수압면(38b)에 제2 자리파기부(62)를 형성한 것에 의해, 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉하는 경우에도, 압력실(36)의 확보가 가능하다. 따라서, 밸브(1)의 신뢰성을 확보하면서 밸브(1)의 소형화를 꾀할 수 있고, 또한, 밸브(1)의 개폐 동작의 응답성 및 제어성이 향상된다.

또한, 제1 및 제2 O링(48, 54)과 하측 O링(37)은, 스템(14)의 강하에 따라 제1 수압면(38b)이 제2 수압면(40b)에 접촉했을 때에도 제2 자리파기부(62)에 노출된다. 이것에 의해, 제1 및 제2 수압면(38b, 40b)끼리가 접촉하는 경우에도, 제2 자리파기부(62)를 형성한 것에 의해 각 압력실(36)의 실링 기능이 확보된다.

이상으로 본 발명의 일 실시 형태에 대한 설명을 마치지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 스템(14)의 피계합부인 날밑부(76)에 대한 연결 부재(72)의 계합부는 제1 자리파기부(78)이다. 그러나, 이것에 한정하지 않고, 계합부 및 피계합부는 여러 가지 양태가 가능하다.

도 6은, 본 발명의 변형예에 따른 연결 기구(70)의 종단면도를 나타낸다. 날밑부(76)와 제1 자리파기부(78)의 스템(14)의 지름 방향에서의 상호간 맞닿음면, 즉, 날밑부(76)의 상면(76b)과 제1 자리파기부(78)의 저면(78a)을, 스템(14)로부터 확경하면서, 피스톤(38)에 가까워지는 방향으로 경사진 테이퍼면으로서 형성한다. 이 경우, 연결 부재(72)의 저면(78a)보다 상측이 상술한 실시 형태의 경우에 비해 얇아진다.

그러므로, 연결 부재(72)를 나사(74)로 체결했을 때, 이 얇은 부분의 약간의 휨이 허용된다. 이것에 의해, 제1 자리파기부(78)의 깊이(D)와 날밑부(76)의 스템(14)의 두께(W) 사이에 치수 오차가 생겼다고 해도, 해당 휨에 의해, 제1 자리파기부(78)의 저면(78a)과 날밑부(76)의 상면(76b)을 확실하게 맞닿게 하고, 한층 더 나사(74)의 체결력에 의해 날밑부(76)의 하면(76a)을 피스톤(38)의 상면(38d)에 확실하게 맞닿게 할 수 있다.

따라서, 연결 기구(70)의 형성 시에 치수 관리를 엄밀하게 수행하지 않아도, 스템(14), 피스톤(38), 연결 부재(72)를 상호간 맞닿음에 의해 확실하게 연결하여 일체화할 수 있으므로, 액추에이터(18)의 생산성을 향상시키면서, 스템(14)에 대한 각 피스톤(38)의 경사를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 연결 부재(72)는, 그 원주 방향으로 복수로 분할하여 형성할 수도 있다. 예를 들어, 4개의 나사(74)마다 연결 부재(72)를 원주 방향으로 4개로 분할했을 경우, 분할된 부재를 나사(74)로 각각에 토크 조정하면서, 연결 부재(72)를 피스톤(38)에 체결 가능하다. 따라서, 스템(14)에 대한 피스톤(38)의 경사를 방지하는 조심 기능을 보다 정밀하게 수행할 수 있다.

또한, 연결 기구(70)는, 날밑부(76)를 스템(14)의 외주면(14b)에 있어서 한층 더 확경하고, 날밑부(76)를 피스톤(38)에 나사(74)로 고정할 수도 있다. 이 경우에는, 연결 부재(72)가 불필요해지므로, 연결 기구(70) 나아가서는 액추에이터(18)의 부품 점수를 삭감할 수 있어, 액추에이터(18)의 생산성이 한층 더 향상된다.

또한, 상기 실시 형태에 한정하지 않고, 제2 자리파기부(62)는 제1 및 제2 수압면(38b, 40b) 중 적어도 어느 한쪽에 설치하면 된다. 또한, 상기 실시 형태에 한정하지 않고, 액추에이터(18)는, 쌍을 이루는 피스톤(38) 및 압력실(36)을 1개씩 구비하고 있어도 되고, 2개 이상씩 구비하고 있어도 된다. 또한, 액추에이터(18)는, 에어 오퍼레이트 밸브(1)에 한정하지 않고, 다른 구동원을 갖는 밸브나, 밸브 이외의 구동 대상에도 적용 가능하다.

1: 에어 오퍼레이트 밸브
4: 다이어프램(밸브체)
14: 스템
14b: 외주면
18: 액추에이터
30: 로드(스템)
30a: 외주면
34d: 개구
34e: 내벽
34f: 저벽(구획 부재)
36: 압력실
37: 하측 O링(제2 탄성 부재)
38: 피스톤
38a: 슬라이딩 외주면
38b: 제1 수압면
38c: 내주면
39: 하측 끼워넣기부(제2 끼워넣기부)
40: 구획 부재
40a: 슬라이딩 내주면
40b: 제2 수압면
42: 개폐 검출 센서
46: 유로
48: 제1 O링(제1 탄성 부재)
50: 압입면부
52: 제1 끼워넣기부
54: 제2 O링(제2 탄성 부재)
60: 제2 끼워넣기부
62: 제2 자리파기부
70: 연결 기구
72: 연결 부재
72a: 내주면
74: 나사(고정 부재)
76: 날밑부(피계합부)
76b: 상면(맞닿음면, 테이퍼면)
78: 제1 자리파기부(계합부)
78a: 저면(맞닿음면, 테이퍼면)

Claims (12)

1. 작동 유체의 공급 또는 차단에 의해 스템을 승강시키는 액추에이터로서,
   상기 스템이 승강 가능하게 지지되는 하우징;
   상기 하우징 내에 구획되어, 상기 작동 유체가 공급되는 압력실;
   상기 하우징 내에 상기 스템과 함께 승강 가능하게 수용되는 피스톤;
   상기 스템과 상기 피스톤을 연결하는 연결 기구;를 구비하고,
   상기 연결 기구는,
   상기 스템의 외주면에 대향하는 내주면을 갖고, 상기 내주면에 상기 스템에 대한 계합부를 갖는 연결 부재;
   상기 연결 부재를 상기 피스톤에 고정하는 고정 부재;
   상기 스템에 형성되어, 상기 계합부가 계합되는 피계합부;를 포함하는, 액추에이터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 피계합부는, 상기 스템의 외주면을 확경한 날밑부이며,
   상기 계합부는, 상기 연결 부재의 내주면으로부터 상기 피스톤에 대향하는 상기 연결 부재의 대향면에 걸쳐 환형으로 잘라내어 형성되고, 상기 날밑부가 끼워 넣어지는 제1 자리파기부인, 액추에이터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 자리파기부의 깊이는, 상기 날밑부의 상기 스템의 축방향에서의 두께 이하인, 액추에이터.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 스템의 지름 방향에서의 상기 날밑부와 상기 제1 자리파기부의 상호간 맞닿음면은, 상기 스템으로부터 확경하면서, 상기 피스톤에 가까워지는 방향으로 경사진 테이퍼면인, 액추에이터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 연결 기구는,
   상기 스템의 외주면을 확경한 날밑부;
   상기 날밑부를 상기 피스톤에 고정하는 고정 부재;를 포함하는, 액추에이터.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤은,
   상기 스템의 승강에 따라 상기 하우징의 바디의 내벽에 슬라이딩되는 슬라이딩 외주면;
   상기 압력실을 상기 내벽과 함께 구획하고, 상기 작동 유체의 압력을 받는 제1 수압면;
   상기 스템에 삽입되는 삽입면부, 및 그 삽입면부로 이어지는 동시에 상기 제1 수압면에 걸쳐 잘라내어 형성되고, 환형의 제1 탄성 부재가 끼워 넣어지는 제1 끼워넣기부로 이루어지는 내주면;을 갖는, 액추에이터.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 스템은, 상기 압력실에 개구되는 상기 작동 유체의 유로를 갖고,
   상기 액추에이터는, 상기 내벽에 고정되는 동시에, 상기 제1 수압면 및 상기 내벽과 함께 상기 압력실을 구획하는 구획 부재를 갖고,
   상기 구획 부재는,
   상기 스템의 승강에 따라 상기 스템의 외주면이 제2 탄성 부재를 통해 슬라이딩되는 슬라이딩 내주면;
   상기 압력실을 상기 내벽 및 상기 제1 수압면과 함께 구획하고, 상기 작동 유체의 압력을 받는 제2 수압면;
   상기 슬라이딩 내주면으로부터 상기 제2 수압면에 걸쳐 잘라내어 형성되고, 상기 제2 탄성 부재가 끼워 넣어지는 제2 끼워넣기부;를 갖는, 액추에이터.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 수압면 중 적어도 어느 한쪽은, 상기 스템의 강하에 따라 상기 제1 수압면이 상기 제2 수압면에 접촉했을 때에 상기 유로가 연통되는 제2 자리파기부를 갖는, 액추에이터.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 탄성 부재는, 상기 스템의 강하에 따라 상기 제1 수압면이 상기 제2 수압면에 접촉했을 때에 상기 제2 자리파기부에 노출되는, 액추에이터.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력실과, 상기 압력실에 면하는 상기 피스톤을 복수 갖는, 액추에이터.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스템은, 승강에 의해 밸브체를 개폐 작동하고,
    상기 피스톤의 승강에 따른 상기 밸브체의 개폐를 상기 피스톤까지의 거리의 변화를 바탕으로 검출하는 개폐 검출 센서를 갖는, 액추에이터.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터를 구비하는 에어 오퍼레이트 밸브.

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