TW201818176A - 流量調整閥及使用其之流體控制裝置 - Google Patents

流量調整閥及使用其之流體控制裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種在充分活用手動閥類型之小型化下卻亦解決手動閥類型的課題之電動閥類型的流量調整閥。具備藉由使轉動體15轉動而使上下移動體6進行上下移動的轉動裝置。轉動裝置具備被設置於轉動體15之上端部的從動齒輪14、及使與從動齒輪14嚙合之驅動齒輪13轉動的馬達11。馬達11係被作成步進伺服馬達，並被配置於驅動齒輪13的下方，馬達11之轉軸34向上方伸長，而驅動齒輪13被固定於轉軸34的上端部。

Description

流量調整閥及使用其之流體控制裝置
本發明係有關於一種流量調整閥及使用其之流體控制裝置。
流體控制裝置係在半導體製造生產線是必需的組件。
流體控制裝置所使用之流量調整閥係具有如下之構造，使與調整閥體之流體通路的開度之上下移動體螺合的轉動體轉動，而使該上下移動體上升或下降，藉此，調整閥體之流體通路的開度。
轉動體之轉動係具有：藉由以手動轉動把手之構造者(手動閥類型)、與以電動進行之構造者(電動閥類型)。
流體控制裝置係在每條半導體製造生產線大量地被使用。而且，為了將製造生產線作成緊湊或由於製程條件上之限制，流體控制裝置係被設置於無餘裕之空間的情況不少。
因此，藉手動閥類型之流量調整係例如對位於流體控制裝置之下方深處之8條生產線~14條生產線的流量調整閥，作業員必須伸長手，必要時須一面以鏡片等觀察流量調整閥的刻度，且一面觀察該生產線之質 量流量計的流量顯示，根據微小刻紋的刻度以手轉動把手來做細微調整。需要對被設置於製造生產線之全部的流體控制裝置進行此作業，成為耗費人力時間之繁雜的作業，而未充分地活用小型的優點。
相對地，在藉電動閥類型(例如，專利文獻1、2)之流量調整閥，因為作業員不直接介入流量調整，所以如上述所示之在手動閥類型的課題係不存在。
先行專利文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2001-4062號公報
專利文獻2 日本特開平8-64490號公報
可是，在專利文獻1的情況，因為作成外裝步進馬達，所以具有裝置之容積因此變大的課題，又，在專利文獻2的情況，因為驅動內建之齒條小齒輪，控制閥體之開閉程度，而具有不僅需要齒條小齒輪之容積，而且需要齒條之上下動之容積的課題。
本發明係鑑於上述之事項而開發者，其主要目的在於提供一種在充分活用手動閥類型之小型化下卻亦解決手動閥類型的課題之電動閥類型的流量調整閥。
若依據本發明之流量調整閥，係具備如下之構件的流量調整閥：本體，係設置有流體通路；閥體， 係開閉該流體通路；上下移動體，係藉上升或下降來調整該閥體對該流體通路的開度；轉動體，係與該上下移動體螺合；以及轉動裝置，係藉由使該轉動體轉動而使該上下移動體進行上下移動，該流量調整閥的特徵為：該轉動裝置係具備被設置於該轉動體之一部分的從動齒輪、與該從動齒輪嚙合之驅動齒輪、以及使該驅動齒輪轉動之馬達；該馬達係被作成步進伺服馬達，該驅動齒輪被固定於該馬達之轉軸。
藉上下移動體、轉動體以及轉動裝置形成將流體通路之開度設定於既定位置的開度設定手段。
步進伺服馬達係搭載了編碼器之步進馬達，並因應於從控制器所發送之脈波信號，切換流至馬達線圈的電流，藉此，每隔固定角度使馬達之轉軸轉動，且可進行從編碼器饋送現在位置、速度，而一面修正與動作指令之誤差的閉迴路控制。
轉動裝置係具備被設置於轉動體之一部分的從動齒輪、與從動齒輪嚙合之驅動齒輪、以及使驅動齒輪轉動之馬達；藉由將驅動齒輪固定於馬達之轉軸，可使流量調整閥之整體尺寸變小，進而，將馬達作成搭載了編碼器之步進伺服馬達，可使馬達本身變小。藉此，可將使用馬達之流量調整閥的大小作成與手動者同程度之大小。
該馬達係被配置成與該轉動體鄰接，該馬達的轉軸向上方延伸，該驅動齒輪被固定於該轉軸的上端部較佳。依此方式，可將使用馬達之風量調整閥作成更小型(compact)。
例如，該馬達之橫截面被作成邊長35mm以下的正方形形狀，該流量調整閥之橫截面為長方形，其短邊被作成36mm以下，該開度之從0%至100%的解析度被設定成2000個脈波以上較佳。
依此方式，可作成不論在尺寸上或在精度上都足以替代既有之手動類型流量調整閥的流量調整閥。
該馬達係具有以下之4種控制功能，位置控制，係藉根據編碼器之信號的閉迴路，控制位置；速度控制，係控制轉動體之轉速；推壓控制，係以連續額定扭矩以下使該轉動體在開度0%方向移動至扭矩值成為設定值以上；以及扭矩控制，係控制扭矩；開度0%位置之偵測係藉該推壓控制功能所進行，既定開度之設定係藉該位置控制功能與該速度控制功能所進行，在該開度0%位置的偵測時及該既定開度的設定時，藉該扭矩控制功能判定扭矩異常較佳。
若利用速度控制功能，可將上下移動體之移動速度保持成與藉手之操作速度同程度，並可藉速度之穩定性確保耐久性。又，若利用扭矩控制功能，可藉由在流量調整閥完全地故障而變得無法操作之前進行保養，可防止在處理中流量調整閥損壞，而防止對處理(process)造成重大的受害。依此方式，可預防因將手動者改成電動所擔心的過負載所造成之流量調整閥的損傷。
本發明之流體控制裝置係具備分別具有開度被設定成既定值之流量調整閥的複數條管路之流體控制 裝置，其特徵為：複數條管路之各流量調整閥被作成上述之任一種流量調整閥，且藉以通訊手段所連接的監視裝置監視該各流量調整閥之該馬達的動作量。
若依據本發明之流體控制裝置，因為可使用馬達而對以往以手動設定開度的流量調整閥設定開度，且可藉監視裝置監視全部之流量調整閥的開度，所以可提高流體控制裝置之流體控制功能。
作為監視裝置，使用個人電腦、平板電腦、智慧型手機等。通訊手段係亦可是無線，亦可是有線，亦可使用網際網路。
在流量調整閥，除了扭矩(轉動、電流)以外，還適當地追加發送影像(動態影像)、溫度以及/或濕度、加速度(振動)、聲音等之信號的測量儀器，而在從監視裝置送出操作指示後，可確認是否如實際操作般地動作。測量儀器係除了各種的測量儀器以外，亦可使用MEMES感測器、小型CCD相機等。又，亦可作成藉由使監視裝置或測量裝置內具有控制功能，而自動地進行成為目標之流量的調整。
若依據本發明之流量調整閥，因為可使流量調整閥之上下尺寸變小，且可使馬達本身變小，所以可將使用馬達之流量調整閥的大小作成與手動者同程度的大小。因此，就以往使用手動之流量調整閥而無法擴大流量調整閥用之空間的流體控制裝置而言，可應用此流量調整閥。
1‧‧‧流量調整閥
2‧‧‧本體
2a‧‧‧流體流入通路(流體通路)
2b‧‧‧流體流出通路(流體通路)
4‧‧‧隔膜(閥體)
6‧‧‧上下移動體
11‧‧‧馬達(轉動裝置)
13‧‧‧驅動齒輪(轉動裝置)
14‧‧‧從動齒輪(轉動裝置)
15‧‧‧轉動體
34‧‧‧轉軸
50‧‧‧流體控制裝置
53‧‧‧個人電腦(監視裝置)
圖1係表示本發明之流量調整閥之第1實施形態的縱向剖面圖。
圖2係圖1的平面圖。
圖3係表示在本發明之流量調整閥之動作步驟的流程圖。
圖4係表示應用本發明之流量調整閥的流體控制裝置之一例的圖。
以下，參照圖面，說明本發明之實施形態。在以下的說明，上下、左右係當作圖1之上下、左右。又，將圖2之上下當作前後。因為此上下、左右、前後係權宜上設定者，所以在實際使用時，可將上下設定成相反、或將上下設定成朝向水平方向等適當地進行設定。
如圖1所示，流量調整閥(1)具備：方塊狀本體(2)，係具有流體流入通路(2a)、流體流出通路(2b)以及朝向上方開口之凹處(2c)；圓筒形閥帽(bonnet)(3)，係下端部與本體(2)之凹處(2c)的上部螺合並向上方伸長；金屬製隔膜(閥體)(4)，係係在流體流入通路(2a)之出口周緣部被推壓或分開並開閉流體流入通路(2a)；上下移動體(6)，係經由隔膜壓件(5)將隔膜(4)壓在流體流入通路(2a)之出口周緣部或使其分開；以及開度調整手段(7)。
開度調整手段(7)係使上下移動體(6)位於既定位置，而調整流體流入通路(2a)與流體流入通路(2a)之間的開度，並具備：馬達(11)；角筒狀之外殼(12)，係由底壁(12a)、左右側壁(12b)以及頂壁(12c)所構成，並在左半部收容馬達(11)；以及轉動體(15)，係藉馬達(11)經由齒輪(13)(14)所轉動。
閥帽(3)係藉袋型螺帽(21)將其下端部固定於本體(2)，並藉螺帽(22)將其中間部固定於外殼(12)之底壁(12a)的右半部。陽螺紋部被設置於閥帽(3)的上端部。袋型螺帽(23)與此陽螺紋部螺合。
在閥帽(3)的下端與本體(2)之間，設置有固定隔膜(4)之周緣部的壓件配接器(24)。在壓件配接器(24)與被設置於隔膜壓件(5)之上端部的凸緣之間，設置有對隔膜壓件(5)向上地偏壓的壓縮線圈彈簧(25)。
轉動體(15)具備：在下部形成陽螺紋(31a)之軸部(31)、被軸部(31)蓋住之內筒部(32)以及被內筒部(32)之上部蓋住之外筒部(33)。
軸部(31)係以其上端部向上方突出之方式被插入內筒部(32)，藉由鎖緊與軸部(31)之上端部螺合的螺帽(26)，將軸部(31)與內筒部(32)結合。又，外筒部(33)與內筒部(32)係藉由將固定螺絲(27)螺入被設置於外筒部(33)之在徑向貫穿孔的螺絲孔而結合。依此方式，藉由使外筒部(33)轉動，作成為內筒部(32)及軸部(31)亦一體地轉動。
外筒部(33)係藉被固定於外殼(12)之頂壁(12c)的上面之軸承(28)被外殼(12)支撐成可轉動。圓柱形之突出部(33a)被設置於外筒部(33)的上端部，藉固定螺絲(29)將從動齒輪(14)固定於突出部(33a)。
馬達(11)係搭載編碼器之步進伺服馬達，被作成截面為正方形的長方體狀，並藉螺栓(30)懸吊狀地安裝於外殼(12)之頂壁(12c)的左部。馬達(11)之轉軸(34)係從外殼(12)的頂壁(12c)向上方突出，並藉固定螺絲(35)將驅動齒輪(13)固定於此部分。於馬達(11)設置有作成可進行與外部機器連接的端子(11a)。
驅動齒輪(13)及從動齒輪(14)係都具有在上下延伸的軸線，並被配置成在左右排列。驅動齒輪(13)的上下尺寸係被作成比從動齒輪(14)的上下尺寸大，藉此，在從動齒輪(14)上下地移動的情況，亦作成兩者之嚙合不會脫離。
ㄈ字形之側蓋(40)被蓋在外殼(12)的開口部分，並藉小螺絲(41)固定於外殼(12)的右側壁(12b)。又，以覆蓋位於頂壁(12c)的上方之齒輪(13)(14)的方式將頂蓋(42)蓋在外殼(12)的頂壁(12c)，並藉小螺絲(43)固定於外殼(12)的左側壁(12b)。頂蓋(42)係被作成以丙烯酸、PET等所形成之透明的樹脂加工品，並被作成從外部可觀察齒輪(13)(14)之轉動狀態。而且，在齒輪(13)(14)之部分發生故障時，可僅拆下頂蓋(42)，進行必要之處理。
以隔著一些間隙位於閥帽(3)的上端部之袋型螺帽(23)的上方之方式設置環狀的止動器(36)。止動器 (36)係可上下移動地嵌合於內筒部(32)的外周，被定位於上下方向的既定位置後，藉固定螺絲(37)固定於內筒部(32)。止動器(36)係在轉動體(15)下降時與袋型螺帽(23)的上面抵接，藉此，限制從流量調整閥(1)之全閉時之轉動體(15)的下降。
陽螺紋(32a)被形成於內筒部(32)之下部的外周，與內筒部(32)之陽螺紋(32a)對應的陰螺紋(3a)被形成於閥帽(3)之上部的內周，閥帽(3)與內筒部(32)係被螺合成可相對轉動。
上下移動體(6)係被作成有底圓筒形，在其內周，形成與轉動體(15)之軸部(31)的陽螺紋(31a)螺合之陰螺紋(6a)。上下移動體(6)係在其上端部被插入內筒部(32)之下端部的狀態，與軸部(31)之陽螺紋(31a)螺合。
轉動體(15)之軸部(31)的陽螺紋(31a)及上下移動體(6)之陰螺紋(6a)(第1螺合)係被作成比閥帽(3)之陰螺紋(3a)及內筒部(32)之陽螺紋(32a)(第2螺合)的螺紋節距更小的螺紋節距。第1及第2螺合之螺紋的方向係被設定成在轉動體(15)轉動而令下降時上下移動體(6)下降。
隔膜壓件(5)係可上下移動地被插入在閥帽(3)的下端部所設置之向下開口的凹處。隔膜壓件(5)係當上下移動體(6)下降時，被其推壓而與上下移動體(6)一體地下降，當上下移動體(6)上升時，藉壓縮線圈彈簧(25)之彈力而與上下移動體(6)一體地上升。
將在上下方向延伸之導槽(38)設置於上下移動體(6)的外周，並以從徑向外側面臨導槽(38)之方式將具有在與上下方向正交的方向延伸之軸的導銷(39)設置於閥帽(3)。陽螺紋被設置於導銷(39)之前端部以外的外周，藉由與被設置於閥帽(3)之螺絲孔螺合，將導銷(39)固定於閥帽(3)。導銷(39)的前端部係被嵌入導槽(38)，藉此，上下移動體(6)係被作成對閥帽(3)無法轉動且在上下方向可移動。
若利用開度調整手段(7)，藉由使轉動體(15)的外筒部(33)向下降之方向轉動，內筒部(32)及軸部(31)一面與外筒部(33)一體地轉動一面下降。與軸部(31)螺合之上下移動體(6)係藉由導銷(39)被嵌入導槽(38)而在被阻止轉動之狀態下降。在此時，藉由將第1螺合(轉動體(15)之軸部(31)的陽螺紋(31a)與上下移動體(6)之陰螺紋(6a)的螺合)作成比第2螺合(閥帽(3)之陰螺紋(3a)與內筒部(32)之陽螺紋(32a)的螺合)之螺紋節距更小的螺紋節距，上下移動體(6)就僅下降螺紋節距之差。因此，可進行高精度之調整。
若依據上述之流量調整閥(1)，馬達(11)之橫截面形狀係被作成邊長為25mm的正方形，關於圖2所示之平面的大小(蓋(40)(42)之橫截面形狀)，其前後之寬度為36mm以下，即儘管追加馬達(11)而成為電動式，相對於手動閥而可抑制前後之寬度的增加。又，關於流量調整閥(1)之上下的高度，亦相對在手動閥追加了操作用之空間的高度，抑制其增加。因此，在使用手動之流量 調整閥之既有的流體控制裝置，不會增加配置空間，而可將手動閥置換成電動之流量調整閥(1)。此外，馬達(11)的橫截面形狀係即使採用邊長為35mm以下的正方形，亦關於流量調整閥(1)之平面的大小(蓋(40)(42)之橫截面形狀)，可將其前後之寬度作成36mm以下。
被搭載於馬達(11)之編碼器係每一轉產生9600個脈波，齒輪比為2.2857，因為馬達(11)係轉動10圈，所以馬達(11)之解析度成為219427個脈波。關於解析度，只要是2000個脈波以上，就可得到所需之精度。
在圖3，表示藉馬達(11)之控制裝置所進行之流量調整閥(1)的動作步驟。
首先，在送上電源(S1)後，從個人電腦之畫面使回到原點按鈕變成ON(S2)時，馬達(11)開始驅動。在此時間點，因為尚未與來自編碼器之信號連結，所以無法進行閉迴路之控制，而以連續額定扭矩以下使馬達(11)在閉方向轉動。藉此，上下移動體(6)係在閉方向移動(S3)。此時之控制係被作成推壓控制(S4)，上下移動體(6)係持續移動至達到設定值之扭矩。在此時，扭矩值係一直受到監視，並被判定是否異常(S5)，在被判定異常的情況，發出警報，並停止馬達(11)之驅動。
在被判定無扭矩異常下，達到設定值之扭矩，且此扭矩持續設定時間以上時，判斷上下移動體(6)到達關閉點(回到原點)(S6)。例如，在成為相對連續額定扭矩之既定值(例如95%)以上，且設定時間(例如2秒)以上的情況，當作回到原點。
然後，使馬達(11)在開方向轉動，藉此，上下移動體(6)在開方向移動(S7)。此時之控制係被作成位置控制(S8)，進行根據編碼器信號之閉迴路的控制。在此時，亦進行速度控制(S9)，在0.1秒~120秒/圈的範圍內將轉動體(15)的操作時間設定成適當的值，藉此，將上下移動體(6)之移動速度保持成與藉手之操作速度同程度。扭矩值係一直受到監視，並被判定是否異常(S10)，在被判定異常的情況，發出警報，並停止馬達(11)之驅動。在欲定位成設定開度，而將目標之編碼器位置作為目的地進行動作時，產生連續額定扭矩之1.4倍的瞬間最大扭矩，在流量調整閥(1)發生異常，而以額定之1.4倍的扭矩亦不動作的情況，發生與編碼器之目標點的偏差，馬上判斷發生錯誤。
在無異常的情況，在到達對應於設定開度之轉動量的時間點停止馬達(11)之轉動(S11)。流量調整閥(1)之全閉至全開的解析度係如上述所示，成為約20萬個脈波(2000個脈波以上)，在開度設定之定位，可進行極嚴格的定位。之後，為了維持此開度，而保持上下移動體(6)的位置(S12)。因為回到原點後係進行根據編碼器信號之閉迴路的控制，所以如果可進行開度之定位，只要沒有擾亂，就能以所需最低限度的扭矩維持該開度。即，因為使最低限度的之電流流動，所以可作成馬達(11)本身幾乎無發熱。在個人電腦的畫面，繼續地監視現在的狀況(S13)，若無異常，一個循環份量的處理結束(S14)。
在圖4，表示具備上述之流量調整閥(1)之流體控制裝置(50)的一例。
此流體控制裝置(50)係具備8條管路份量之流量調整閥(1)及被設置於其上游側的質量流量計(51)，經由各流量調整閥(1)向被配置於流體控制裝置(50)的下游側之晶膜生長裝置等的半導體製造裝置供給被設定成既定流量的流體。
流體控制裝置(50)更具備與8條管路份量之流量調整閥(1)及質量流量計(51)連接的控制箱(52)、個人電腦(監視裝置)(53)以及作為警報輸出裝置的PATLITE(註冊商標)(54)。
在控制箱(52)，被搭載與各流量調整閥(1)及各質量流量計連接的PLC(Programmable Logic Controller)、電源、無線收發器、以及馬達驅動基板等。
PATLITE(註冊商標)(54)係在正常動作時，使綠燈點亮，在被搭載於各流量調整閥(1)之馬達(11)的其中一個成為異常時，使綠與紅之雙方點亮，而在PLC故障及電源關掉時，使綠與紅之雙方都熄燈。
控制箱(52)與各流量調整閥(1)係藉共8條之閥電纜(55)所連接，控制箱(52)與各質量流量計(51)係藉共8條之具有L型連接器(56a)的MFM電纜(56)所連接，控制箱(52)與個人電腦(53)係藉LAN電纜(57)所連接，控制箱(52)與PATLITE(註冊商標)(54)係藉警報用電纜(58)所連接。各電纜(55)(56)(57)(58)的長度係例如被作成為約5m。
從個人電腦(53)可對全部的流量調整閥(1)進行開度的設定及流量的監視。
若依據本流體控制裝置(50)，可統一地管理各流量調整閥(1)的開度。又，藉由預先將扭矩等之資料儲存於個人電腦(53)，可比較起始資料與現在資料，而可評估流量調整閥(1)之劣化狀態。又，可再利用所儲存之開度值等，而變成容易設定開度。
在上述，個人電腦(53)係亦可置換成平板或智慧型手機等之適當的終端機(監視裝置)，這些監視裝置係亦可作成可進行遠離流體控制裝置(50)之設置位置的遙控操作。
在各流量調整閥(1)，亦可不僅測量扭矩之功能，還裝入各種感測器。例如，藉由裝入MEMS麥克風，可遙控地掌握流量調整閥(1)之驅動動作，並可與扭矩信號一起判斷流量調整閥(1)之驅動的異常。又，藉由裝入小型CCD，作成可遙控地觀察驅動時之齒輪(13)(14)的動作，而可判斷有無異常。又，藉由裝入MEMS濕度感測器，可判斷馬達(11)之周邊的濕度是否正常。又，藉由裝入MEMS溫度感測器，可判斷馬達(11)之周邊的溫度是否正常。又，藉由裝入MEMS加速度感測器，可判斷馬達(11)本身之振動是否正常。
在上述，馬達(11)及齒輪(13)(14)(即轉動裝置)以外的構成係不限定為所圖示者，可變更成各種流量調整閥的構成。又，關於流體控制裝置(50)，亦不限定為所圖示者，對各種流體控制裝置，可應用具備上述之馬達(11)及齒輪(13)(14)的流量調整閥。
產業上之可應用性
若依據本發明，因為可得到一種在充分活用手動閥類型之小型化下卻亦解決手動閥類型的課題之電動閥類型的流量調整閥，所以可有助於提高使用此流量調整閥之流體控制裝置及使用此流體控制裝置之半導體製造生產線的機能。

Claims (5)

  1. 一種流量調整閥，係具備如下之構件的流量調整閥：本體，係設置有流體通路；閥體，係開閉該流體通路；上下移動體，係藉上升或下降來調整該閥體對該流體通路的開度；轉動體，係與該上下移動體螺合；以及轉動裝置，係藉由使該轉動體轉動而使該上下移動體進行上下移動，該流量調整閥的特徵為：該轉動裝置係具備被設置於該轉動體之一部分的從動齒輪、與該從動齒輪嚙合之驅動齒輪、以及使該驅動齒輪轉動之馬達；該馬達係被作成步進伺服馬達，該驅動齒輪被固定於該馬達之轉軸。
  2. 如請求項1之流量調整閥，其中該馬達係被配置成與該轉動體鄰接，該馬達的轉軸向上方延伸，該驅動齒輪被固定於該轉軸的上端部。
  3. 如請求項1或2之流量調整閥，其中該馬達之橫截面被作成邊長35mm以下的正方形形狀，該流量調整閥之橫截面為長方形，其短邊被作成36mm以下，該開度之從0%至100%的解析度被設定成2000個脈波以上。
  4. 如請求項1至3中任一項之流量調整閥，其中該馬達係具有以下之4種控制功能，位置控制，係藉根據編碼器之信號的閉迴路，控制位置；速度控制，係控制轉動體之轉速；推壓控制，係以連續額定扭矩使該轉動體在開度0%方向移動至扭矩值成為設定值以上；以及扭矩控制，係控制扭矩； 開度0%位置之偵測係藉該推壓控制功能所進行，既定開度之設定係藉該位置控制功能與該速度控制功能所進行，在該開度0%位置的偵測時及該既定開度的設定時，藉該扭矩控制功能判定扭矩異常。
  5. 一種流體控制裝置，係具備分別具有開度被設定成既定值之流量調整閥的複數條管路之流體控制裝置，其特徵為：複數條管路之各流量調整閥被作成請求項1至4中任一項之流量調整閥，且藉以通訊手段所連接之監視裝置監視該各流量調整閥之該馬達的動作量。
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