WO2023189013A1

WO2023189013A1 - バルブ装置

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Publication number: WO2023189013A1
Application number: PCT/JP2023/006122
Authority: WO
Inventors: 龍彦佐藤; 伸夫中村; 知宏中田; 健吾辻野
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2023-10-05
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Abstract

【課題】大流量制御と高速応答が可能で、製造しやすいバルブ装置の提供。【解決手段】バルブボディ２と、弁体４１と、弁体を移動させる多段シリンダアクチュエータ６０と、を備えるバルブ装置であって、多段シリンダアクチュエータ６０は、内部が上段シリンダ室６４及び下段シリンダ室６６に区分されたケーシング６と、上段シリンダ室６４内に摺動可能に配置された上段ピストン８１と、下段シリンダ室６６内に摺動可能に配置され、弁体４１を操作する操作軸８３ｄ及び、上段ピストン８１に当接する当接軸８３ａを有する下段ピストン８３と、を有し、上段ピストン８１は、操作エアを供給する上段操作エア通路８１ｂを内部に有し、下段ピストン８３は、上段ピストン８１との当接部分で上段操作エア通路８１ｂに連通する下段操作エア通路８３ｂを内部に有し、当接部分に、操作エアの漏れを防ぐＯリング９２を設けた。

Description

バルブ装置

　本発明は、流体制御に用いるバルブ、特に半導体製造装置のプロセスガス等を制御するために、大流量制御と高速応答を実現できるバルブ装置に関するものである。

　半導体製造プロセスでは、ウエハの大口径化とプロセスにおける成膜やエッチングの高精度化に伴って、大流量のプロセスガスを高速応答で制御できるバルブが求められている。このようなバルブとして、弁体の移動ストロークを大きくでき、大流量化が可能なエア駆動式のバルブが用いられている。
このエア駆動式のバルブ装置は、エアシリンダアクチュエータを用いて、弁体の弁座への押しつけ及び離間を行う形式で、エアシリンダ機構の駆動は、外部の電磁弁で制御された操作エアの供給とその解除により行われている。
バルブ開動作の高速化のためにエアシリンダの駆動力の強化が要求される一方、集積ガスシステムへの搭載の観点からバルブ装置の幅寸法の小型化が要求されているので、このために多段シリンダアクチュエータがバルブ開閉アクチュエータとして採用されている。

　多段シリンダアクチュエータにおいては、従来は、上段ピストンと下段ピストンを分離して製作後、これらを螺合して結合し、この結合体の内部に操作エアを供給する通路も設けていた（特許文献１）。しかし、製造しやすさの観点から上段ピストンと下段ピストンを分離したまま結合せず、端部同士を当接させる構成とし、各段のシリンダ室への操作エアの供給通路を各シリンダ内部に設けて、当接箇所で互いに連通させる構造も採用されている（特許文献２，３）。

特開２０２１－０３２３９１号公報特開２０２０－１６９７０６号公報特開２００９－００２５２４号公報

　しかし、ウエハの大口径化とプロセスにおける成膜やエッチングの高精度化に伴って、応答時間、すなわち、バルブ開の指令を受けてから実際に開状態になるまでの時間、あるいはバルブ閉の指令を受けてから実際に閉状態になるまでの時間をさらに短縮すべきとの要求がある。

　さらなる高速動作実現のためには、特に上段ピストンと下段ピストンを分離した多段シリンダでは、各段のシリンダ室の受圧領域への操作エアの供給・排気を極力早急かつ均等に行うことが必要と考えられる。例えば、上段ピストンと下段ピストンの受圧領域の上昇・下降のタイミングがずれると、上段ピストンだけ先に上昇しても下段ピストンの上昇が遅れてバルブ開に時間が掛かる。ピストンの受圧領域の圧力不均一が生ずると、ピストンの始動時に傾き動作が起こって実際の上昇までに時間が掛かる恐れがある。
　また、上段ピストンと下段ピストンを分離した構造では、上段ピストンと下段ピストンの当接箇所から操作エアがリークして、複数のシリンダ室の圧力のばらつきとそれに起因するバルブ開閉動作の遅延が生ずることが懸念されている。

　本発明は、この課題を解決するためになされたものであり、大流量の制御と高速応答が可能で、製造しやすいバルブ装置を提供することを、目的とする。

　本発明のバルブ装置は、第１の流路及び第２の流路が内部に形成されたバルブボディと、
　前記第１の流路の開口部に水平に設けられた弁座に対して当接及び離間することにより、前記第１の流路と前記第２の流路との間を遮断及び連通させる弁体と、
　前記弁体を、前記弁座に対して当接及び離間させる多段シリンダアクチュエータと、
を備えるバルブ装置であって、
前記多段シリンダアクチュエータは、
　前記バルブボディから上方向に伸びて、両端部がそれぞれ上端板と下端板で閉塞され、内部が仕切板で上段シリンダ室及び下段シリンダ室に区分された円筒状のケーシングと、
　前記上段シリンダ室内に摺動可能に配置され、上段バネによって下方向に付勢されるとともに、前記仕切板との間に形成される上段圧力室内の操作エアの圧力で上方向に駆動される上段ピストンと、
　前記下段シリンダ室内に摺動可能に配置され、下段バネによって下方向に付勢されるとともに、前記下端板との間に形成される下段圧力室内の操作エアの圧力で上方向に駆動され、前記下端板を貫いて突出し前記弁体の位置を操作する操作軸及び、前記仕切板を貫いて突出し前記上段ピストンに当接する当接軸とを有する下段ピストンと、
　を有し、
　前記上段ピストンは、外部から操作エアを導入して前記上段圧力室及び前記下段圧力室に当該操作エアを供給する上段操作エア通路を内部に有し、
　前記下段ピストンは、前記上段ピストンと前記当接軸との当接部分で前記上段操作エア通路に連通して操作エアを導入し前記下段圧力室に当該操作エアを供給する下段操作エア通路を内部に有し、
　前記当接部分には、前記上段ピストンと前記当接軸との間の相対的な変位を許容しつつ操作エアの漏れを防ぐＯリングが設けられていることを特徴とする。

　前記上段ピストンは、前記下段ピストンの前記当接軸と嵌合する嵌合孔を有し、前記当接部分は前記当接軸の先端部と前記嵌合孔の奥部に形成され、前記Ｏリングは、前記当接軸の先端部に設けられた縮径部の外周と、前記嵌合孔の内周の間に配置されている、構成が好ましく採用できる。

　　前記上段操作エア通路は、前記上段ピストン内の中心軸上に設けられたメイン流路を備え、前記下段操作エア通路は、前記下段ピストン内の中心軸上に設けられたメイン流路を備え、
前記上段操作エア通路及び前記下段操作エア通路の少なくとも一方は、前記メイン流路から上面視で放射状に分岐して、前記上段圧力室に面する前記上段ピストンの下面又は前記下段圧力室に面する前記下段ピストンの下面に開口する複数の分岐流路をさらに有する、構成を好ましく採用できる。

　前記上段操作エア通路が前記分岐流路を有する場合、当該分岐流路の本数は３以上であり、前記下段操作エア通路が前記分岐流路を有する場合、当該分岐流路の本数は３以上であることが好ましい。

　前記ケーシングは、前記下段シリンダ室を上側から第１の下段シリンダ室と第２の下段シリンダ室に区分する第２の仕切板をさらに有し、
　前記下段ピストンは、前記第１の下段シリンダ室内に配置された第１の下段ピストンと、前記第２の下段シリンダ室内に配置された第２の下段ピストンとからなり、当該第１の下段ピストン及び第２の下段ピストンは、前記第２の仕切板を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられ、
　前記下段圧力室は、前記第１の下段ピストンと前記第２の仕切板との間に形成される第１の下段圧力室及び前記第２の下段ピストンと前記下端板との間に形成される第２の下段圧力室からなり、
　前記操作軸は前記第２の下段ピストンに設けられ、前記当接軸は前記第１の下段ピストンに設けられた、構成としてもよい。

　前記ケーシングは、前記上段シリンダ室を下側から第１の上段シリンダ室と第２の上段シリンダ室に区分する第３の仕切板をさらに有し、
　前記上段ピストンは、前記第１の上段シリンダ室内に配置された第１の上段ピストンと、前記第２の上段シリンダ室内に配置された第２の上段ピストンとからなり、当該第１の上段ピストン及び第２の上段ピストンは、前記第３の仕切板を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられ、
　前記上段圧力室は、前記第１の上段ピストンと前記仕切板との間に形成される第１の上段圧力室及び前記第２の上段ピストンと前記第３の仕切板との間に形成される第２の上段圧力室からなる、
構成としてもよい。

　前記弁体は、当該弁体の上下方向の動きを許容しつつ前記第１の流路の開口部及び前記第２の流路の開口部を一体的に外部から封止する、ベローズを含む支持機構に取付けられている、構成を好ましく採用できる。

　本発明によれば、上段ピストンと下段ピストンを分離し、各ピストンの内部に設けられた操作エアの通路を連通させて操作エアを供給する多段シリンダアクチュエータを有するバルブ装置において、上段ピストンと下段ピストンとの当接部にＯリングを設けたので、上段ピストンと下段ピストンの相互の間隔変動を許容しつつこれらの当接箇所から操作エアが漏れるのを防ぐことができる。それにより、この漏れに起因する上段ピストンと下段ピストンの操作圧力のアンバランスを防ぐことができ、製造のしやすさを確保しつつ動作速度を速くすることができる。

　また、各操作エア通路を、それぞれのピストン内の中心軸上に設けられたメイン流路と、当該メイン流路から上面視で放射状に分岐して、圧力室に面するピストンの下面にそれぞれ開口する複数の分岐流路とを有する構成とすることにより、ピストンの受圧領域の圧力を均一化でき、ピストンの始動時の傾き動作を抑制して動作速度を速くすることができる。

　また、上段シリンダ室を２つのシリンダ室に区分し、上段ピストンをそれぞれのシリンダ室内に配置された２つの上段ピストンにからなる構成すること、または、下段シリンダ室を２つのシリンダ室に区分し、下段ピストンをそれぞれのシリンダ室内に配置された２つの上段ピストンにからなる構成することにより、ピストンの駆動力を増強することができる。

　さらに、弁体を、ベローズを含む支持機構に取付けることにより、非制御流体の漏れ防止耐久性能を維持しつつ大流量制御を実現できる。

本発明の第１の実施形態に係るバルブ装置を示す縦断面図。図１のバルブ装置における、閉状態を示す縦断面図。図３は、本実施形態のバルブ装置と従来のバルブ装置の動作時間と操作エア圧との関係の一例を示すグラフで、（ａ）は弁開時間、（ｂ）は弁閉時間を示す。本発明の第２の実施形態に係るバルブ装置の上部を示す縦断面図。本発明の第３の実施形態に係るバルブ装置の上部を示す縦断面図。本発明の第４の実施形態に係るバルブ装置の上部を示す縦断面図。

　以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。説明において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る開状態におけるバルブ装置１の構成を示す断面図である。図２は、図１のバルブ装置１における、閉状態を示す断面図である。図１に示すように、バルブ装置１は、バルブボディ２と、弁体４１と、ボンネット５と、多段シリンダアクチュエータ６０とを有する。

　バルブボディ２は、ステンレス鋼により形成されており、上面２ａ及び互いに対向する側面を有している。上面２ａからは、段差部２４を有する弁室２３が開けられると共に、ボンネット５と螺合する内周ネジ部２５が形成されている。またバルブボディ２は第１の流路２１及び第２の流路２２を形成している。第１の流路２１は、下面２ｂと、弁室２３の底面で開口する流路である。第２の流路２２は、下面２ｂと、弁室２３の側面に開口する流路である。

　弁体４１は、バルブシート４８に対して当接及び離間することにより第１の流路２１と第２の流路２２との遮断及び連通を行う部材である。本実施形態では、第１の流路２１の開口部の周囲の平坦部をバルブシート４８として用いるシートフラット構造を採用し、弁体４１は、耐熱樹脂製の略円盤状の弁体であって、バルブシート４８に当接する側の面の周辺部に、シールのための円環状突起を設けている。
　また、弁体４１は、ベローズ機構（４２、４３，４４）に取付けられて上下方向に可動に保持され、バルブシート４８に対して当接及び離間できるようになっている。このベローズ機構は、下端部に弁体４１を保持する弁体保持部４４ａを有して上方向に伸びる略ロッド状のステム４４と、外周が弁室２３上部の内周面に嵌合するとともに下面が段差部２４に当接し、内周がステム４４を上下方向に移動可能に案内する支持リング４３と、支持リング４３の下面及びステム４４の弁体保持部４４ａ上面に気密又は液密に溶接されてステム４４のロッド状部分を包囲する略円筒状のベローズ４２からなる。ベローズ４２は、バネ鋼等で形成され、多数のひだを有して上下方向に伸縮できるようになっている。尚、支持リング４３の下面と外周面とのコーナーにはシール部材４３ａが設けられ、バルブボディ２との間を封止している。また、ステム４４の上端部分は、支持リング４３から上側に突出し、ネジ棒部分４４ｃを形成している。
　このベローズ機構（４２、４３，４４）は、弁体４１を上下方向に可動に保持するとともに、弁室２３における前記第１の流路２１の開口部及び第２の流路２２の開口部を一体的に外部から封止し、非制御流体の漏れ防止効果を高めている。
　本発明において、弁体４１とその支持機構はこの構成に限られず、例えばダイヤフラムを用いてもよく、これにより、弁体としての可動機能と弁室の封止機能も実現できる。但し、ベローズ機構を用いると弁の最大開度及び耐久性の点では有利である。

　ボンネット５は、下端側が開いた略円筒状の袋状部材で、下端部に外周ネジ部５ｃが形成され、バルブボディ２の内周ネジ部２５と螺合している。これにより、ボンネット５はバルブボディ２に固定されるとともに、押えリング４５を介して前記の支持リング４３をバルブボディ２に対して押圧し固定している。
　ボンネット５の内部には、上側と下側から同軸にネジ孔が設けられた略段付円柱状の接続部材４６が、上下方向に摺動可能に設けられている。この接続部材４６の下側のネジ孔には前記ステム４４の上端部のネジ棒部分４４ｃが螺合され、上側のネジ孔には、後述する下段ピストン８３の操作軸８３ｄ下端部の外周ネジ部が螺合され、これによりステム４４と下段ピストン８３の操作軸８３ｄを接続している。
ボンネット５の内部には、また、後述するコイルバネからなる下段バネ４７が配置され、接続部材４６を下方向に付勢している。

　多段シリンダアクチュエータ６０は、弁体４１を、弁座に対して当接及び離間させるアクチュエータで、ケーシング（６,６９）と、上段ピストン８１と、下段ピストン８３と、を有する。

　ケーシング（６,６９）は、上下方向両端部がそれぞれ上端板６ａと下端板６９ａで閉塞され、内部が仕切板８２で上段シリンダ室６４及び下段シリンダ室６６に区分された円筒状の容器である。本実施形態では、ケーシングは、上部ケーシング６と下部ケーシング６９が螺合されてなる。
　下部ケーシング６９は、円筒部分６９ｂと下端板６９ａと下側突出管部６９ｃが一体的に形成されてなり、下側突出管部６９ｃに設けられた外周ネジ部６９ｄは、ボンネット５の上端板部分５ａに穿設された貫通ネジ穴５ｂに螺合し、固定ナット５１で固定されている。
　尚、下側突出管部６９ｃの下端部は、接続部材４６の可動域の上限ストッパーになっており、ボンネット５の貫通ネジ穴５ｂへの螺合調整により上下位置調整が可能になっている。これにより、接続部材４６にステム４４を介して接続された弁体４１のバルブシート４８に対する最大離間量、すなわち、バルブ装置１の最大開度（Ｃｖ値）を調整できる。

　上部ケーシング６は、円筒部分６ｂと上端板６ａが一体的に形成されてなり、円筒部分６ｂの下端部に形成された内周ネジ部６ｃが、下部ケーシング６９の円筒部分６９ｂに形成された外周ネジ部６９ｅに螺合されている。その際、仕切板（バルクヘッド）８２の外縁部分が下部ケーシング６９の上端部と円筒部分６ｂの内周段差部に挟まれて固定され、ケーシング（６，６９）内部を上段シリンダ室６４及び下段シリンダ室６６に区分している。
　なお、上部ケーシング６の上端板６ａには、これを貫通する操作エア導入孔６１が設けられており、円筒部分６ｂには、上段シリンダ室６４の非圧力室部分への通気孔６２及び、下段シリンダ室６６の非圧力室部分への通気孔６７が設けられている。

　上段ピストン８１は、前記上段シリンダ室６４内に摺動可能に配置され、コイルバネからなる上段バネ６３によって下方向に付勢されるとともに、仕切板８２との間に形成される上段圧力室６５内の操作エアの圧力で上方向に駆動される部材である。上段ピストン８１の外周にはＯリング９１が設けられ、ケーシング６内周と気密性を維持しつつ摺動できるようになっている。また、上段ピストン８１の上端部からさらに突出する突出管部８１ｅの外周と、ケーシング６の上端板６ａを貫通する操作エア導入孔６１の内周との間にも、Ｏリング９３が配置され、突出管部８１ｅが気密性を維持しつつ移動できるようになっている。

　一方、下段ピストン８３は、下段シリンダ室６６内に摺動可能に配置され、前記ボンネット５内に配置された下段バネ４７によって下方向に付勢されるとともに、下端板６９ａとの間に形成される下段圧力室６８内の操作エアの圧力で上方向に駆動される部材である。下段ピストン８３の外周にはＯリング９１が設けられ、ケーシング６内周と気密性を維持しつつ摺動できるようになっている。
　下段ピストン８３は、下方向に突出する操作軸８３ｄを有する。この操作軸８３ｄは、下部ケーシング６９の下端板６９ａの中央孔及び下側突出管部６９ｃの内側を通過して突出し、先端部に形成された外周ネジ部が、前記のように、接続部材４６の上側ネジ穴に螺合している。これにより、操作軸８３ｄは、ステム４４に結合され、その下端部に取付けられた弁体４１の位置を操作できるようになっている。尚、操作軸８３ｄの外周と、下部ケーシング６９の下端板６９ａの中央孔の内周との間にも、Ｏリング９１が配置され、操作軸８３ｄが気密性を維持しつつ摺動できるようになっている。
　下段ピストン８３は、また上方に突出する当接軸８３ａを有する。この当接軸８３ａは、仕切板８２を貫いて、上段ピストン８１の嵌合孔８１ｄに嵌合し、この嵌合孔８１ｄの奥部で上段ピストン８１に当接している。尚、当接軸８３ａの外周と、仕切板８２の中央孔の内周との間にも、Ｏリング９１が配置され、当接軸８３ａが気密性を維持しつつ摺動できるようになっている。

　上段ピストン８１は、上段操作エア通路８１ｂを内部に有する。この上段操作エア通路８１ｂは、上段ピストン８１の上方突出部８１ａに設けられた突出管部８１ｅの上端から、内部の中心軸上に伸びるメイン流路８１ｂと、当該メイン流路８１ｂから上面視で放射状に分岐して、上段圧力室６５に面する上段ピストン８１の下面にそれぞれ開口する複数の分岐流路８１ｃとを有する。これにより、上部ケーシング６の操作エア導入孔６１から操作エアを導入して上段圧力室６５及び下段ピストン８３に操作エアを供給できるようになっている。分岐流路８１ｃの本数は、３以上であることが好ましく、それにより、ピストンの受圧領域の圧力を均一化でき、ピストンの始動時の傾き動作を抑制して動作速度を速くすることができる。

　一方、下段ピストン８３は、下段操作エア通路８３ｂを内部に有する。この下段操作エア通路８３ｂは、当接軸８３ａ先端部に開口し、中心軸上に伸びるメイン流路８３ｂと、当該メイン流路８３ｂから上面視で放射状に分岐して、下段圧力室６８に面する下段ピストン８３の下面にそれぞれ開口する複数の分岐流路８３ｃとを有する。これにより、上段ピストン８１との当接部分で上段操作エア通路８１ｂからの操作エアを導入し、下段圧力室６８に当該操作エアを供給できるようになっている。分岐流路８３ｃの本数は、３以上であることが好ましく、それにより、ピストンの受圧領域の圧力を均一化でき、ピストンの始動時の傾き動作を抑制して動作速度を速くすることができる。

　下段ピストン８３の当接軸８３ａ先端部には、縮径部が設けられ、この縮径部の外周と上段ピストン８１の嵌合孔の内周の間には、Ｏリング９２が配置されている。このＯリング９２は、前記上段ピストンと前記当接軸との間の相対的な変位を許容しつつ操作エアの漏れを防ぐものである。Ｏリング９２としては、公知の材質を用いることができ、例えば、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム性のものを用いることができる。これにより、操作エアの漏れに起因する上段ピストンと下段ピストンの操作圧力のアンバランスを防ぐことができ、製造のしやすさを確保しつつ動作速度が速くすることができる。
　尚、操作エアの流入・流出時間を短くしてバルブ装置１の動作速度を高速化するために、バルブ全閉状態における上段圧力室６５及び下段圧力室６８の容量は、なるべく小さくなるように設計している。

　次に、このように構成された本実施形態のバルブ装置の動作について説明する。
まず、操作エアが操作エア導入孔６１に供給されないときは、上段圧力室６５及び下段圧力室６８は、推力を有さない。このため、上段ピストン８１は、上段バネ６３の付勢力Ｒ１を受けて、下段ピストン８３を下方向に押圧するとともに、下段ピストン８３は、上段ピストン８１の押圧力（＝Ｒ１）及び下段バネ４７の付勢力Ｒ２を受けて、弁体４１をバルブシート４８に押圧してバルブは全閉状態にある。

　前記操作エアが、外部の制御電磁弁（図示省略）から、操作エア導入孔６１に供給されると、上段ピストン８１の突出管部８１ｅ上端から、上段操作エア通路８１ｂのメイン流路８１ｂに導入される。その一部は、メイン流路８１ｂから放射状に分岐する複数の分岐流路８１ｃを通って、上段圧力室６５に供給される。操作エアの他の一部は、嵌合孔８１ｄに嵌合された下段ピストン８３の当接軸８３ａ先端部から、下段操作エア通路８３ｂのメイン流路８３ｂに導入され、さらに複数の分岐流路８３ｃを通って、下段圧力室６８に供給される。
　これにより、上段圧力室６５及び下段圧力室６８の圧力が上昇し、図２に示すようにそれぞれＦ１，Ｆ２の推力を発生させるので、先ず、上段バネ６３の付勢力Ｒ１のみを受けている上段ピストン８１が、差分Ｆ１－Ｒ１の力を受けて上昇する。その結果、下段ピストン８３は、上段ピストン８１の押圧力（＝Ｒ１）から解放されて下段バネ４７の付勢力Ｒ２に抗して、差分Ｆ２－Ｒ２の力を受けて上昇し、接続部材４６上端が、下部ケーシング６９の下側突出管部６９ｃ下端に当接して止まる。これにより、弁体４１をバルブシート４８から離間させてバルブが全開になる。

　上昇中、すなわち、上限や下限に当接していないときは、上段ピストン８１及び下段ピストン８３は、Ｏリング９２の変形範囲内で付かず離れずの状態になり、それぞれの圧力室（６５，６８）の推力とバネ（６３，４７）の付勢力によって上昇すると考えられる。
　従来構造では、上段ピストン８１と下段ピストン８３の当接部にＯリングがなく、ここから操作エアが漏れて上段圧力室６５に流入し、操作エア導入孔６１から遠い下段圧力室６８に届きにくかったので、下段圧力室６８の圧力上昇は、上段圧力室６５の圧力上昇より遅れる傾向があった。その結果、下段ピストン８３の上昇が遅れて弁開時間が掛かる傾向があった。本発明のバルブ装置では、当接部分にＯリング９２を設けて操作エアの漏れを防いだので、下段圧力室６８の圧力上昇を早めることができ、下段ピストン８３の上昇を早めて、弁開時間を短縮できる。

　全開状態では、図２に示すように、下段ピストン８３の上限位置は、Ｃｖ調整機構、すなわち接続部材４６上端と下部ケーシング６９の下側突出管部６９ｃ下端との当接により決まり、一方、上段ピストン８１の上限位置は、上段ピストン８１のケーシング６天井との当接により決まっている。

　次に、全開状態のバルブ装置1において、外部の制御電磁弁（図示省略）を大気開放に切替えると、操作エアは、上段圧力室６５及び下段圧力室６８から上段操作エア通路８１ｂや下段操作エア通路８３ｂを通って排気される。
　これにより、上段圧力室６５及び下段圧力室６８の圧力が低下し、それぞれＦ１，Ｆ２の推力が減少するので、上段ピストン８１が、上段バネ６３の付勢力Ｒ１を受けて下降するとともに、下段ピストン８３が、下段バネ４７の付勢力Ｒ２を受けて下降する。それにより、弁体４１をバルブシート４８当接させてバルブを閉じる。

　下降中、すなわち、上限や下限に当接していないときは、上段ピストン８１及び下段ピストン８３は、Ｏリング９２の変形範囲内で付かず離れずの状態になり、それぞれの圧力室（６５，６８）の推力とバネ（６３，４７）の付勢力によって下降すると考えられる。
　従来構造では、上段ピストン８１と下段ピストン８３の当接部にＯリング９２がなく、上段圧力室６５の操作エアが、分岐流路８３ｃ以外に、ここからもメイン流路８１ｂに流出してしまうため、操作エア導入孔６１から遠い下段圧力室６８からは、メイン流路８３ｂ、８１ｂへの操作エアの流出が妨げられて、下段圧力室６８の圧力下降が上段圧力室６５の圧力下降より遅れる傾向があった。その結果、下段ピストン８３の下降が遅れて弁閉時間が掛かる傾向があった。本発明のバルブ装置では、当接部にＯリング９２を設けて操作エアの漏れを防いだので、下段圧力室６８の圧力下降を早めることができ、下段ピストン８３の上昇を早めて、弁開時間を短縮できる。

　また、各操作エア通路を、それぞれのピストン（８１，８３）内の中心軸上に設けられたメイン流路（８１ｂ、８３ｂ）と、当該メイン流路（８１ｂ、８３ｂ）から放射状に分岐して、圧力室（６５，６８）に面するピストン（８１，８３）の下面にそれぞれ開口する複数の分岐流路（８１ｃ、８３ｃ）とを有する構成としたので、ピストン（８１，８３）の受圧領域の圧力を均一化でき、ピストン（８１，８３）の始動時の傾き動作を抑制して動作速度を速くすることができる。

　図３は、本実施形態のバルブ装置と従来のバルブ装置の動作時間と操作エア圧との関係の一例を示すグラフで、（ａ）は弁開時間、（ｂ）は弁閉時間を示す。従来のバルブ装置は、上段ピストンと下段ピストンの当接部にＯリング９２を設けないバルブ装置である。弁開時間は、バルブ開の指令を受けてから実際に開状態になるまでの時間、弁閉時間は、バルブ閉の指令を受けてから実際に閉状態になるまでの時間である。図に示すように、本実施形態のバルブ装置の方が従来のバルブ装置に比べて、各操作圧力において弁開時間、弁閉時間とも２～３msec短縮されている。

（第２の実施形態）
　図４は、本発明の第２の実施形態のバルブ装置１０１の上部を示す縦断面図である。
本バルブ装置の下部は、図１と同じなので、図示を省略する。
本実施形態は、第１の実施形態において、多段シリンダアクチュエータ６０の下段側を２段構造とし、合計３段シリンダ構成としたものである。

　本実施形態では、下段シリンダ室（６６）を第２の仕切板８４により、上側から第１の下段シリンダ室６６＿１と第２の下段シリンダ室６６＿２に区分している。この第２の仕切板８４は、仕切板８２と同一形態で外周側と内周側にシール用Ｏリング９１を有している。ケーシング６は、上部ケーシング６と下部ケーシング６９の間に中間ケーシング７０をさらに有し、この中間ケーシング７０下部の内周ネジ部が下部ケーシング６９の外周ネジ部に螺合し、上部ケーシング６の下端部の内周ネジ部が中間ケーシング７０上部の外周ネジ部に螺合することにより、互いに結合している。仕切板８２は、その外縁部が中間ケーシング７０上端部と上部ケーシング６の内周段差部に挟まれて固定され、第２の仕切板８４は、その外周縁部が下部ケーシング６９上端部と中間ケーシング７０の内周段差部に挟まれて固定されている。

　下段ピストン（８３）は、第１の下段シリンダ室６６＿１内に配置された第１の下段ピストン８３＿１と、第２の下段シリンダ室６６＿２内に配置された第２の下段ピストン８３＿２とからなる。第２の下段ピストン８３＿２は、先端部に外周ネジ部を有する上方突出部８３＿２ａを有し、この上方突出部８３＿２ａが、第２の仕切板８４の中央貫通孔を通過して第１の下段ピストン８３＿１のネジ穴に螺合している。これにより、第１の下段ピストン８３＿１及び第２の下段ピストン８３＿２は、第２の仕切板８４を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられている。
下段圧力室（６８）は、第１の下段ピストン８３＿１と第２の仕切板８４との間に形成される第１の下段圧力室６８＿１及び第２の下段ピストン８３＿２と下端板６９ａとの間に形成される第２の下段圧力室６８＿２からなる。また、操作軸８３ｄは第２の下段ピストン８３＿２に設けられ、当接軸８３ａは第１の下段ピストン８３＿１に設けられている。尚、中間ケーシング７０には、第２の下段シリンダ室６６＿２の非圧力室部分への通気孔７１が設けられている。

　下段操作エア通路８３ｂのメイン流路８３ｂは、互いに結合された第１の下段ピストン８３＿１及び第２の下段ピストン８３＿２の中心軸上を伸び、このメイン流路８３ｂから、複数の分岐流路８３ｃが上面視で放射状に分岐して、第１の下段圧力室６８＿１に面する第１の下段ピストン８３＿１の下面にそれぞれ開口している。また、メイン流路８３ｂのさらに下流部分から、複数の分岐流路８３ｃが上面視で放射状に分岐して、第２の下段圧力室６８＿２に面する第２の下段ピストン８３＿２の下面にそれぞれ開口している。

　それ以外の構成は、第１の実施形態のバルブ装置１と同様である。
このように構成された第２の実施形態のバルブ装置１０１の動作は、第１の実施形態のバルブ装置１の動作と同様である。但し、合計３段シリンダ構成としたので、ピストンの駆動力を増強することができる。

（第３の実施形態）
　図５は、本発明の第３の実施形態のバルブ装置２０１の上部を示す縦断面図である。
本バルブ装置の下部は、図１と同じなので、図示を省略する。
本実施形態は、第１の実施形態において、多段シリンダアクチュエータ６０の上段側を２段構造とし、合計３段シリンダ構成としたものである。

　本実施形態では、上段シリンダ室（６４）を第３の仕切板８５により、下側から第１の上段シリンダ室６４＿１と第２の上段シリンダ室６４＿２に区分している。この第３の仕切板８５は、仕切板８２と同一形態で外周側と内周側にシール用Ｏリング９１を有している。ケーシング６は、上部ケーシング６と下部ケーシング６９の間に中間ケーシング７０をさらに有し、この中間ケーシング７０下部の内周ネジ部が下部ケーシング６９の外周ネジ部に螺合し、上部ケーシング６の下端部の内周ネジ部が中間ケーシング７０上部の外周ネジ部に螺合することにより、互いに結合している。仕切板８２は、その外周縁部が下部ケーシング６９上端部と中間ケーシング７０の内周段差部に挟まれて固定され、第３の仕切板８５は、その外縁部が中間ケーシング７０上端部と上部ケーシング６の内周段差部に挟まれて固定されている。

　上段ピストン（８１）は、第１の上段シリンダ室６４＿１内に配置された第１の上段ピストン８１＿１と、第２の上段シリンダ室６４＿２内に配置された第２の上段ピストン８１＿２とからなる。第１の上段ピストン８１＿１は、先端部に外周ネジ部を有する上方突出部８１＿１ａを有し、この上方突出部８１＿１ａが、第３の仕切板８５の中央貫通孔を通過して第２の上段ピストン８１＿２のネジ穴に螺合している。これにより、第１の上段ピストン８１＿１及び第２の上段ピストン８１＿２は、第３の仕切板８５を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられている。
上段圧力室（６５）は、第１の上段ピストン８１＿１と仕切板８２との間に形成される第１の上段圧力室６５＿１及び第２の上段ピストン８１＿２と第３の仕切板８５との間に形成される第２の上段圧力室６５＿２からなる。また、突出管部８１ｅは、第２の上段ピストン８１＿２の上端部に設けられている。尚、中間ケーシング７０には、下段シリンダ室６６の非圧力室部分への通気孔７１が設けられている。

　上段操作エア通路８１ｂのメイン流路８１ｂは、互いに結合された第１の上段ピストン８１＿１及び第２の上段ピストン８１＿２の中心軸上を伸び、このメイン流路８１ｂから、複数の分岐流路８３ｃが上面視で放射状に分岐して、第１の上段圧力室６５＿１に面する第１の上段ピストン８１＿１の下面にそれぞれ開口している。また、メイン流路８１ｂのさらに下流部分から、複数の分岐流路８３ｃが上面視で放射状に分岐して、第２の上段圧力室６５＿２に面する第２の上段ピストン８１＿２の下面にそれぞれ開口している。

　このように構成された第３の実施形態のバルブ装置２０１の動作は、第１の実施形態のバルブ装置１の動作と同様である。但し、合計３段シリンダ構成としたので、ピストンの駆動力を増強することができる。

（第４の実施形態）
　図６は、本発明の第４の実施形態のバルブ装置３０１の上部を示す縦断面図である。
本バルブ装置３０１の下部は、図１と同じなので、図示を省略する。
本実施形態は、第１の実施形態において、上段圧力室６５へ操作エアを供給するための通路として、上段ピストン８１下面に開口する分岐流路８１ｃ（図１参照）の代わりに、下段ピストン８３の当接軸８３ａ外周面に開口する水平分岐流路８３ｅを設けたものである。本実施形態は、また上部ケーシング６の外周に螺合するカバー部材７を設け、上段シリンダ室６４の非圧力室部分への通気孔６２及び、下段シリンダ室６６の非圧力室部分への通気孔６７のそれぞれの開度を調整できるようにしたものである。

　本実施形態のバルブ装置３０１において、上段ピストン８１内に設けられた上段操作エア通路８１ｂは、上段ピストン８１の中心軸上に伸びるメイン流路８１ｂのみを有し、分岐流路８１ｃ（図１参照）を有さない。これにより、上段操作エア通路（メイン流路８１ｂ）は、上部ケーシング６の操作エア導入孔６１から操作エアを導入して、連通する下段ピストン８３の下段操作エア通路８３ｂに操作エアを供給する。

　一方、下段ピストン８３内に設けられた下段操作エア通路８３ｂは、当接軸８３ａ先端部に開口し、中心軸上に伸びるメイン流路８３ｂと、このメイン流路８３ｂから上面視で放射状に分岐して、下段圧力室６８に面する下段ピストン８３の下面に開口する複数の分岐流路８３ｃと、さらに、当接軸８３ａ内でメイン流路８３ｂから上面視で放射状に分岐して、当接軸８３ａ外周面に開口する複数の水平分岐流路８３ｅを有する。当接軸８３ａ外周面におけるこれらの水平分岐流路８３ｅの開口部は、上段圧力室６５に連通している。これにより、上段ピストン８１との当接部分で上段操作エア通路８１ｂからの操作エアを導入し、上段圧力室６５及び下段圧力室６８に当該操作エアを供給できるようになっている。分岐流路８３ｃ及び水平分岐流路８３ｅの本数は、それぞれ３以上であることが好ましい。

　なお、本実施形態では、第１の実施形態において、上段ピストン８１下面に開口する分岐流路８１ｃ（図１参照）を省略したが、第１の実施形態において、この分岐流路８１ｃを維持しつつ、下段ピストン８３の下面に開口する複数の分岐流路８３ｃを省略してもよい。この場合、例えば、下段ピストン８３の操作軸８３ｄに前記水平分岐流路８３ｅと同様の通路（図示省略）を代わりに設けて、メイン流路８３ｂからの操作エアをこの通路経由で下段圧力室６８に供給してもよい。

　本実施形態では、また、上部ケーシング６の外周に螺合するカバー部材７を設け、上段シリンダ室６４の非圧力室部分への通気孔６２及び、下段シリンダ室６６の非圧力室部分への通気孔６７のそれぞれの開度を調整できるようにした。
　図６に示す上部ケーシング６は、円筒部分６ｂの上部側の外径が下端側よりも縮径しており、この縮径された部分の外周面の上部には、外周ネジ部６ｄが形成されている。円筒状に形成されたカバー部材７は、上記縮径した円筒部分６ｂの外周に嵌合するとともに、カバー部材７の内周面に形成された内周ネジ部７ａが上部ケーシング６の外周ネジ部６ｄに螺合している。カバー部材７を回転させることにより、カバー部材７が上部ケーシング６に対して上下方向に移動するようになっている。
　下段シリンダ室６６の非圧力室部分に連通する通気孔６７は、円筒部分６ｂの壁内部で上方に屈曲し、円筒部分６ｂの段差面６ｅに開口している。一方、上段シリンダ室６４の非圧力室部分に連通する通気孔６７は、円筒部分６ｂの段差面６ｅの直ぐ上の外周面で開口している。

　カバー部材７が可動域の下限位置にあるときは、カバー部材７の下端部７ｂの下端面は円筒部分６ｂの段差面６ｅに当接して通気孔６７の開口部を塞ぐとともに、下端部７ｂの内周面が通気孔６２の開口部を塞いでいる。カバー部材７を回転させて、その上下位置を調整することにより、下端部７ｂによる通気孔６７及び通気孔６２のそれぞれの開口部の開度を調整できる。カバー部材７の調整後の位置は、カバー部材７に設けられたロックねじ８で固定することができる。

　それ以外の構成は、第１の実施形態のバルブ装置１と同様である。
このように構成された第４の実施形態のバルブ装置３０１の動作は、第１の実施形態のバルブ装置１の動作と同様である。但し、上段ピストン８１下面に開口する分岐流路８１ｃを省略して、下段ピストン８３の当接軸８３ａ外周面に開口する水平分岐流路８３ｅを設けたので、第１の実施形態と同様の効果を維持しつつ、製造の容易化を図ることができる。
また、上段シリンダ室６４の非圧力室部分への通気孔６２及び、下段シリンダ室６６の非圧力室部分への通気孔６７のそれぞれの開度を調整できるようにしたので、弁開閉の負荷を調整でき、弁開時間と弁閉時間とをほぼ一致させることが可能となる。

　尚、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１　バルブ装置
２　バルブボディ
２ａ　上面
２ｂ　下面
５　ボンネット
５ａ　上端板部分
５ｂ　貫通ネジ穴
５ｃ　外周ネジ部
６　上部ケーシング（ケーシング）
６ａ　上端板
６ｂ　円筒部分
６ｃ　内周ネジ部
６ｄ　外周ネジ部
７　　カバー部材
７ａ　内周ネジ部
７ｂ　下端部
８　　ロックねじ
２１　第１の流路
２２　第２の流路
２３　弁室
２４　段差部
２５　内周ネジ部
４１　弁体
４２　ベローズ
４３　支持リング
４３ａ　シール部材
４４　ステム
４４ａ　弁体保持部
４４ｃ　ネジ棒部分
４５　押えリング
４６　接続部材
４７　下段バネ
４８　バルブシート
５１　固定ナット
６０　多段シリンダアクチュエータ
６１　操作エア導入孔
６２　通気孔
６３　上段バネ
６４　上段シリンダ室
６４＿１　第１の上段シリンダ室
６４＿２　第２の上段シリンダ室
６５　上段圧力室
６５＿１　第１の上段圧力室
６５＿２　第２の上段圧力室
６６　下段シリンダ室
６６＿１　第１の下段シリンダ室
６６＿２　第２の下段シリンダ室
６７　通気孔
６８　下段圧力室
６８＿１　第１の下段圧力室
６８＿２　第２の下段圧力室
６９　下部ケーシング
６９ａ　下端板
６９ｂ　円筒部分
６９ｃ　下側突出管部
６９ｄ　外周ネジ部
６９ｅ　外周ネジ部
７０　中間ケーシング
７１　通気孔
８１　上段ピストン
８１ａ　上方突出部
８１ｂ　メイン流路（上段操作エア通路）
８１ｃ　分岐流路
８１ｄ　嵌合孔
８１ｅ　突出管部
８１＿１　第１の上段ピストン
８１＿１ａ上方突出部
８１＿２　第２の上段ピストン
８２　仕切板
８３　下段ピストン
８３ａ　当接軸
８３ｂ　メイン流路（下段操作エア通路）
８３ｃ　分岐流路
８３ｄ　操作軸
８３ｅ　水平分岐流路
８３＿１　第１の下段ピストン
８３＿２　第２の下段ピストン
８３＿２ａ　上方突出部
８４　第２の仕切板
８５　第３の仕切板
９１，９２，９３　Ｏリング
１０１，２０１，３０１　バルブ装置
Ｆ１，Ｆ２　推力
Ｒ１，Ｒ２　付勢力

Claims

　第１の流路及び第２の流路が内部に形成されたバルブボディと、
　前記第１の流路の開口部に水平に設けられた弁座に対して当接及び離間することにより、前記第１の流路と前記第２の流路との間を遮断及び連通させる弁体と、
　前記弁体を、前記弁座に対して当接及び離間させる多段シリンダアクチュエータと、
を備えるバルブ装置であって、
　前記多段シリンダアクチュエータは、
　前記バルブボディから上方向に伸びて、両端部がそれぞれ上端板と下端板で閉塞され、内部が仕切板で上段シリンダ室及び下段シリンダ室に区分された円筒状のケーシングと、
　前記上段シリンダ室内に摺動可能に配置され、上段バネによって下方向に付勢されるとともに、前記仕切板との間に形成される上段圧力室内の操作エアの圧力で上方向に駆動される上段ピストンと、
　前記下段シリンダ室内に摺動可能に配置され、下段バネによって下方向に付勢されるとともに、前記下端板との間に形成される下段圧力室内の操作エアの圧力で上方向に駆動され、前記下端板を貫いて突出し前記弁体の位置を操作する操作軸及び、前記仕切板を貫いて突出し前記上段ピストンに当接する当接軸とを有する下段ピストンと、
　を有し、
　前記上段ピストンは、外部から操作エアを導入して前記上段圧力室及び前記下段圧力室に当該操作エアを供給する上段操作エア通路を内部に有し、
　前記下段ピストンは、前記上段ピストンと前記当接軸との当接部分で前記上段操作エア通路に連通して操作エアを導入し前記下段圧力室に当該操作エアを供給する下段操作エア通路を内部に有し、
　前記当接部分には、前記上段ピストンと前記当接軸との間の相対的な変位を許容しつつ操作エアの漏れを防ぐＯリングが設けられていることを特徴とする、
　バルブ装置。
　前記上段ピストンは、前記下段ピストンの前記当接軸と嵌合する嵌合孔を有し、前記当接部分は前記当接軸の先端部と前記嵌合孔の奥部に形成され、前記Ｏリングは、前記当接軸の先端部に設けられた縮径部の外周と、前記嵌合孔の内周の間に配置されている、請求項１に記載のバルブ装置。
　前記上段操作エア通路は、前記上段ピストン内の中心軸上に設けられたメイン流路を備え、前記下段操作エア通路は、前記下段ピストン内の中心軸上に設けられたメイン流路を備え、
前記上段操作エア通路及び前記下段操作エア通路の少なくとも一方は、前記メイン流路から上面視で放射状に分岐して、前記上段圧力室に面する前記上段ピストンの下面又は前記下段圧力室に面する前記下段ピストンの下面にそれぞれ開口する複数の分岐流路をさらに有する請求項１又は２に記載のバルブ装置。
　前記上段操作エア通路が前記分岐流路を有する場合、当該分岐流路の本数は３以上であり、前記下段操作エア通路が前記分岐流路を有する場合、当該分岐流路の本数は３以上である、請求項３に記載のバルブ装置。
　前記ケーシングは、前記下段シリンダ室を上側から第１の下段シリンダ室と第２の下段シリンダ室に区分する第２の仕切板をさらに有し、
　前記下段ピストンは、前記第１の下段シリンダ室内に配置された第１の下段ピストンと、前記第２の下段シリンダ室内に配置された第２の下段ピストンとからなり、当該第１の下段ピストン及び第２の下段ピストンは、前記第２の仕切板を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられ、
　前記下段圧力室は、前記第１の下段ピストンと前記第２の仕切板との間に形成される第１の下段圧力室及び前記第２の下段ピストンと前記下端板との間に形成される第２の下段圧力室からなり、
　前記操作軸は前記第２の下段ピストンに設けられ、前記当接軸は前記第１の下段ピストンに設けられた、請求項１に記載のバルブ装置。
　前記ケーシングは、前記上段シリンダ室を下側から第１の上段シリンダ室と第２の上段シリンダ室に区分する第３の仕切板をさらに有し、
　前記上段ピストンは、前記第１の上段シリンダ室内に配置された第１の上段ピストンと、前記第２の上段シリンダ室内に配置された第２の上段ピストンとからなり、当該第１の上段ピストン及び第２の上段ピストンは、前記第３の仕切板を貫いて固定的に接続されて一体的に摺動可能に設けられ、
　前記上段圧力室は、前記第１の上段ピストンと前記仕切板との間に形成される第１の上段圧力室及び前記第２の上段ピストンと前記第３の仕切板との間に形成される第２の上段圧力室からなる、
請求項１に記載のバルブ装置。
　前記弁体は、当該弁体の上下方向の動きを許容しつつ前記第１の流路の開口部及び前記第２の流路の開口部を一体的に外部から封止する、ベローズを含む支持機構に取付けられている、請求項１に記載のバルブ装置。