JP2020106067A - エア駆動バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動エアの圧力ばらつきを抑制することでバルブの応答性を調整可能にしたエア駆動バルブを提供する。【解決手段】エア駆動バルブは、圧力室に駆動エアの供給を受けて作動するエア駆動バルブであって、前記圧力室に供給される前記駆動エアの圧力に応じて作動し、前記圧力室の容積を変化させる容積可変機構を有する、ものである。【選択図】 図１

Description

この発明は、駆動流体（駆動エア）により流体通路の開閉を行うエア駆動バルブに関するものである。

半導体製造プロセスにおけるＡＬＤ法において原子層を一層ずつ薄く成膜を行う為にバルブの弁開閉のタイミングのばらつきが課題となっている。その課題を解決するために特許文献１が提案されている。特許文献１には、「本体に形成された弁座と、前記弁座と当接または離間する弁体と、前記弁体と一体に連結された駆動部と、前記駆動部を駆動するための圧縮流体を供給するパイロット開閉弁とを有するエア駆動式遮断弁において、前記パイロット開閉弁が、（ａ）第１ニードル弁と、前記第１ニードル弁の開度を変更する第１モータと、前記パイロット開閉弁側から前記駆動部側に流れる圧縮流体のみを流す第１チェック弁と、（ｂ）第２ニードル弁と、前記第２ニードル弁の開度を変更する第２モータと、前記駆動部側から前記パイロット開閉弁側に流れる圧縮流体のみを流す第２チェック弁と、を有すること、を特徴とするエア駆動式遮断弁」が開示されている。

具体的には、特許文献１に記載の技術においては、アクチュエータ（駆動部）内に２つのニードル弁（第１ニードル弁、第２ニードル弁）を設けているので、それぞれのニードル弁が弁閉時、弁開時の速度を調整することができ、処理工程時間の短縮を可能としている。また、特許文献１に記載の技術においては、パイロット開閉弁の駆動の制御を、レギュレータではなく、ニードル弁による制御にできるため、ダイヤフラム弁体の開閉時間のバラツキの低減が可能になっている。

特開２０１５−０６８４３８号公報

特許文献１に記載の技術においては、ニードル弁が減圧弁として機能しており、ニードル弁において調圧が行われている。つまり、特許文献１に記載の技術においては、駆動流体（空気：エア）の流路（流体通路）上に調圧機能を設けているということになる。そのため、駆動流体の流れが絞られ、駆動流体の流量が減少することになり、アクチュエータの内部の昇圧が遅くなる。つまり、弁の開閉の応答性が低下している。

そこで、本発明は、駆動エアの圧力ばらつきを抑制しつつバルブの弁開閉の応答性を低下させないエア駆動バルブを提供することを目的とする。

上記目的を解決するために、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、圧力室に駆動エアの供給を受けて作動するエア駆動バルブであって、圧力室に供給される駆動エアの圧力に応じて作動し、圧力室の容積を変化させる容積可変機構を有する、ものである。

また、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、容積可変機構が、圧力室と連通するシリンダ室と、当該シリンダ室に内蔵された調圧ピストンと、調圧ピストンを前記圧力室に供給される駆動エアの圧力に抗する向きに付勢する付勢手段とを、含む構成としてもよい。

また、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、付勢手段が、前記圧力室に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力よりも大きい場合には変形し、前記圧力室に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力以下の場合には変形しない、構成としてもよい。

また、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、シリンダ室を複数有する、構成としてもよい。

また、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、シリンダ室が、ケーシングに形成されており、当該ケーシングの側面の一部に開口形成されている開口部を介して大気に開放される、構成としてもよい。

また、本発明の一態様であるエア駆動バルブは、シリンダ室が、上面視リング形状、上面視円形状、上面視長円形状、上面視楕円形状、又は、上面視多角形状に形成される、構成としてもよい。

本発明によれば、圧力室に駆動エアの供給を受けて作動するエア駆動バルブであって、圧力室に供給される駆動エアの圧力に応じて作動し、圧力室の容積を変化させる容積可変機構を有するので、駆動エアの圧力ばらつきを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るエア駆動バルブの構成を概略的に示した概略図である。 本発明の実施の形態１に係るエア駆動バルブの上側を拡大して示した概略図（１）である 本発明の実施の形態１に係るエア駆動バルブの上側を拡大して示した概略図（２）である 本発明の実施の形態２に係るエア駆動バルブの上側を拡大して示した概略図（１）である。 本発明の実施の形態２に係るエア駆動バルブの上側を拡大して示した概略図（２）である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１〜図５において、エア駆動バルブ１Ａの概略断面を示すが、ハッチングは省略して図示している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るエア駆動バルブ１Ａの構成を概略的に示した概略図である。ここでは、エア駆動バルブ１Ａがダイヤフラムバルブである場合を例に説明する。また、図１では、エア駆動バルブ１Ａが閉状態にある場合を図示している。エア駆動バルブ１Ａは、多種類のガスを供給するためのガス供給装置（ガスボックス）内の各ラインの最上流側に設けられて使用される。

図１に示すように、エア駆動バルブ１Ａは、バルブ本体２と、管継手３と、を有している。バルブ本体２は、ボディ４と、ボンネット５と、キャップ６と、ダイヤフラム７と、ダイヤフラム押さえ８と、ステム９と、ピストン１０と、圧縮コイルばね１１と、容積可変機構と、を有している。なお、以下の説明において、エア駆動バルブ１Ａの、管継手３側を上側、ボディ４側を下側として説明する。

また、ボディ４に接続されるケーシングと、ケーシング内の圧力室１５に設けられ外部から供給される駆動流体（以下、駆動エアと称する）によりステム９を駆動する駆動手段と、でアクチュエータを構成するものとする。駆動手段は、ピストン１０、駆動エア導入室１０ａ、駆動エア導入路１０ｂ、及び、圧縮コイルばね１１で構成される。さらに、ケーシングとは、ボンネット５及びキャップ６のことである。

ボディ４には、弁室４ａが形成されている。また、ボディ４には、弁室４ａに連通する流体流入路４ｂ及び流体流出路４ｃが形成されている。流体流入路４ｂと弁室４ａとが連通する箇所の周縁には、環状のシート４Ｄが設けられている。

ボンネット５は、略円筒状に形成され、ボディ４に固定されている。例えば、ボンネット５は、ボンネット５の下端部の外周に設けられた雄ねじ部をボディ４に設けられた雌ねじ部に螺合させることにより、弁室４ａを覆うようにボディ４に固定される。

キャップ６は、略円筒状に形成され、ボンネット５に固定されている。例えば、キャップ６は、キャップ６の下端部の外周に設けられた雄ねじ部をボンネット５の上端部に設けられた雌ねじ部に螺合させることにより、ボンネット５に固定される。

キャップ６は、上側部６Ａと、下側部６Ｂと、を有する。上側部６Ａには、取付孔６ｃが形成されている。下側部６Ｂには、取付孔６ｃよりも内径が大きい収容孔６ｄが形成されている。取付孔６ｃは、第１被螺合孔６ｃ１と、第２被螺合孔６ｃ２と、を有する。取付孔６ｃには、弁機構が取り付けられる。下側部６Ｂとボンネット５の上端部とが螺合されることにより、ピストン１０及び圧縮コイルばね１１を収容する空間が画成されている。なお、ボンネット５及びキャップ６は、アクチュエータのケーシングに相当する。また、ケーシングには圧力室１５が形成されている。圧力室１５は、駆動エアが流れる空間を意味しており、例えばピストン１０及び圧縮コイルばね１１の収容空間やシリンダ室５０Ａと連通する空間を含んでいる。

容積可変機構は、圧力室１５と連通するシリンダ室５０Ａと、シリンダ室５０Ａに内蔵された調圧ピストン５１と、調圧ピストン５１を圧力室１５に供給される駆動エアの圧力に抗する向きに付勢する付勢手段５３とを、含んでいる。付勢手段５３は、圧力室１５に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力よりも大きい場合には変形し、圧力室１５に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力以下の場合には変形しないように構成されている。

シリンダ室５０Ａは、キャップ６に形成されている。キャップ６は、アクチュエータの一部を構成するものであり、アクチュエータ内にシリンダ室５０Ａが形成されることになる。また、シリンダ室５０Ａの下面側と圧力室１５とを連通する流路５４がキャップ６に形成されている。流路５４を介して駆動エアが圧力室１５からシリンダ室５０Ａに流入することになる。

シリンダ室５０Ａには、調圧ピストン５１が付勢手段５３によって下方向に付勢されて設置されている。付勢手段５３は、アクチュエータ内の圧力が所定の圧力（例えば４ｋＰａ）より大きくなると、変形するように構成されている。付勢手段５３の付勢力を変化させることで、駆動圧の調整が可能となっている。付勢手段５３を特に限定するものではないが、例えばコイルバネやゴムなどの弾性体で構成することができる。また、シリンダ室５０Ａの内部にはＯリング５２が設けられ、調圧ピストン５１の上下方向の移動においてもシリンダ室５０Ａが大気と連通しないようになっている。

通常時（弁閉時及び適正圧力時）は、調圧ピストン５１が付勢手段５３によって付勢され、シリンダ室５０Ａは閉となっている。このとき、調圧ピストン５１は、シリンダ室５０Ａに内蔵された状態となっている。アクチュエータ内の圧力が所定の圧力より大きくなると、つまり付勢手段５３の付勢力よりも大きくなると、調圧ピストン５１が上方向に移動し、シリンダ室５０Ａが開となる。このとき、調圧ピストン５１は、アクチュエータの外部に突出した状態となっている。こうすることで、シリンダ室５０Ａの内容積が大きくなる。また、駆動圧よって調圧ピストン５１が外部に突出するため、バルブに圧力がかかっていることを外部より確認できる。一方で、アクチュエータ内の圧力は変動することなく、また昇圧が遅くなることもない。つまり、シリンダ室５０Ａの内容積が大きくなることで、駆動圧を所定の値に維持できる。

シリンダ室５０Ａは、内容積の変化量を大きくするために管継手３に周囲を囲むような上面視リング状に形成されてもよい。上面視リング状に形成する場合、シリンダ室５０Ａに隔壁を設けて、シリンダ室５０Ａを分けるようにしてもよい。また、シリンダ室５０Ａは、上面視円形状、上面視長円形状、上面視楕円形状、上面視多角形状に形成されてもよい。この場合、複数のシリンダ室５０Ａを所定間隔で設けるようにしてもよい。シリンダ室５０Ａの上部はケーシングを貫通しており、外部と連通している。なお、調圧ピストン５１の突出部にマーキングを施し、調圧限界を目視で確認できるようにしてもよい。

弁体であるダイヤフラム７は、ボンネット５の下端に配置された押さえアダプタ７Ａと、ボディ４の弁室４ａを形成する底面とにより、その外周縁部が挟圧され保持されている。ダイヤフラム７は、球殻状をなし、上に凸の円弧状が自然状態となっている。ダイヤフラム７がシート４Ｄに対し当接及び離間することによって、流体通路の開閉が行われる。ダイヤフラム７は、例えば、ニッケル合金薄板により構成され、円形に切り抜き、中央部を上方へ膨出させた球殻状に形成される。なお、ダイヤフラム７は、ステンレス鋼薄板からなるものや、ステンレス鋼薄板とニッケル・コバルト合金薄板との積層体より構成されても良いし、ダイヤフラム７の形状はどのようなものであっても良い。

ダイヤフラム押さえ８は、ダイヤフラム７の上側に設けられ、ダイヤフラム７の中央部を押圧可能に構成されている。

ステム９は、ボンネット５により上下方向に移動可能に支持され、ダイヤフラム７に対して近接及び離間移動することにより、ダイヤフラム押さえ８を介して、ダイヤフラム７をシート４Ｄに当接及び離間させるように構成されている。なお、実施の形態１では、ステム９の移動方向は上下方向に相当する。

ピストン１０は、ステム９と一体的に構成され、ステム９の上側に設けられ、ボンネット５により上下方向に移動可能に支持されている。ピストン１０の下面とボンネット５の上面とにより駆動エア導入室１０ａが画成されている。また、ピストン１０には、その上端から駆動エア導入室１０ａまで延びる駆動エア導入路１０ｂが形成されている。

圧縮コイルばね１１は、上側部６Ａの下面とピストン１０の上面の間に配置されており、ピストン１０を常に下側に付勢している。

第１Ｏリング５Ａは、ボンネット５とステム９との間に介在し、ステム９及びピストン１０の上下方向に移動をガイドする。第２Ｏリング５Ｂは、ボンネット５とピストン１０との間に介在し、ステム９及びピストン１０の上下方向に移動をガイドする。また、第１Ｏリング５Ａ及び第２Ｏリング５Ｂは、駆動エア導入室１０ａの駆動エア導入路１０ｂに連通する部分以外を密閉している。

管継手３は、ワンタッチ継手であり、Ｌ字状に形成されている。管継手３の螺合部３Ａが、キャップ６に螺合されることにより、管継手３はキャップ６に装着される。また、管継手３に対しては、駆動エア供給源から延びるチューブが挿入される。

次に、図２及び図３を用いてエア駆動バルブ１Ａの動作について説明する。
図２は、エア駆動バルブ１Ａの上側を拡大して示した概略図（１）である。図３は、エア駆動バルブ１Ａの上側を拡大して示した概略図（２）である。図２が作動時を示し、図３が通常時を示している。

駆動エア導入室１０ａに駆動エアが導入されていない状態では、ステム９は、圧縮コイルばね１１の付勢力によって、閉位置（下方位置）にある。一方、駆動エア導入室１０ａに駆動エアが導入されると、ステム９が圧縮コイルばね１１の付勢力に抗して上方に移動させられることによって、ダイヤフラム押さえ８が上方に移動し、ダイヤフラム７が上に凸に変形する開状態が得られる。

つまり、駆動エア導入路１０ｂを介して駆動エア導入室１０ａに駆動エアが導入され、ステム９及びピストン１０は圧縮コイルばね１１の付勢力に抗して下死点から上死点に移動し、ダイヤフラム７の弾性力及び流体の圧力によりダイヤフラム押さえ８が上側に移動し、エア駆動バルブ１Ａは開状態となる。このとき、アクチュエータ内の圧力が所定の圧力より大きくなると、付勢手段５３が変形する。付勢手段５３が変形すると、図２に示すように調圧ピストン５１が上方向に移動し、シリンダ室５０Ａが開となる。こうすることで、シリンダ室５０Ａの内容積を大きくでき、駆動圧を所定の値に維持できる。したがって、駆動エアの圧力ばらつきを抑制することができる。その結果、弁の開閉タイミングのばらつきも抑制でき、弁の応答性改善に寄与することができる。

また、開状態にある弁機構を閉状態にするためには、駆動エア導入室１０ａに駆動エアが導入しない。これにより、弁機構は閉状態となる。通常時（弁閉時及び適正圧力時）においては、圧力室１５に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力以下であるため、図３に示すように付勢手段５３が変形しない。つまり、調圧ピストン５１によって、シリンダ室５０Ａが閉じられた状態となっている。

なお、エア駆動バルブ１Ａにおいて、弁機構を開状態から閉状態にしても、エア駆動バルブ１Ａは開状態のままであり、エア駆動バルブ１Ａを閉状態にするためには、エア駆動バルブ１Ａへの流体の供給を止める必要がある。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るエア駆動バルブ１Ｂの上側を拡大して示した概略図（１）である。図５は、エア駆動バルブ１Ｂの上側を拡大して示した概略図（２）である。図４が作動時を示し、図５が通常時を示している。また、エア駆動バルブ１Ｂのシリンダ室をシリンダ室５０Ｂと称し、実施の形態１に係るエア駆動バルブ１Ａのシリンダ室５０Ａと区別するものとする。

なお、エア駆動バルブ１Ｂの基本的な構成は、実施の形態１に係るエア駆動バルブ１Ａと同じである。また、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明するものとする。さらに、実施の形態１と同様部分について適用される変形例は、実施の形態２についても同様に適用される。

エア駆動バルブ１Ｂのシリンダ室５０Ｂが、実施の形態１に係るエア駆動バルブ１Ａのシリンダ室５０Ａと相違している。具体的には、シリンダ室５０Ｂの大気開口部５５を介してシリンダ室５０Ｂが大気に開放されている。大気開口部５５は、バルブ本体２の側面の一部（図４及び図５ではバルブ本体２を構成するキャップ６の上面の一部）に開口形成されている。なお、シリンダ室５０Ａは、調圧ピストン５１が上方向に移動しても大気に開放されないが、シリンダ室５０Ｂは、調圧ピストン５１の上方向に移動すると大気に開放される。

調圧ピストン５１に一定以上の駆動圧がかかると、図４に示すようにピストン１０がアクチュエータの上部に持ち上げられ、駆動エアがシリンダ室５０Ｂの大気開口部５５より大気に開放される。その結果、アクチュエータの内部の圧力が減圧されることになる。そして、所定の圧力以下になると、図５に示すように付勢手段５３の付勢力によってシリンダ室５０Ｂが密閉されることになる。なお、シリンダ室５０Ｂの大気開口部５５とシリンダ室５０Ｂとの間に面取りを施しておけば、Ｏリング５２が摺動時に削れないようにできる。また、大気開口部５５の形状は、上面視リング形状、上面視円形状、上面視長円形状、上面視楕円形状、上面視多角形状にしてもよい。

なお、本発明の実施の形態を２つに分けて説明したが、本発明は、上述したそれぞれの実施の形態に限定されるものではない。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。例えば、エア駆動バルブ１Ａ及びエア駆動バルブ１Ｂを、管継手３側を上側にボディ４を下側にして設置する形態について説明したが、設置方向はこれに限らず、水平方向に設置されても良いし、上下逆方向に設置されても良い。

また、管継手３は、Ｌ字状をなしていたが、直線状（Ｉ字状）をなしていても良い。また、継手螺合部に管継手３を装着するように構成したが、駆動エア供給源から延びるエアチューブを直接装着可能なように構成しても良い。さらに、駆動エアの駆動圧よって調圧ピストン５１が外部に突出するため、エア駆動バルブのメンテナンス時や作動確認時等にエア駆動バルブに駆動圧がかかっていることを外部より確認することが可能になる。

１Ａ：エア駆動バルブ、１Ｂ：エア駆動バルブ、２：バルブ本体、３：管継手、３Ａ：螺合部、４：ボディ、４Ｄ：シート、４ａ：弁室、４ｂ：流体流入路、４ｃ：流体流出路、５：ボンネット、５Ａ：第１Ｏリング、５Ｂ：第２Ｏリング、６：キャップ、６Ａ：上側部、６Ｂ：下側部、６ｃ：取付孔、６ｃ１：第１被螺合孔、６ｃ２：第２被螺合孔、６ｄ：収容孔、７：ダイヤフラム、７Ａ：押さえアダプタ、８：ダイヤフラム押さえ、９：ステム、１０：ピストン、１０ａ：駆動エア導入室、１０ｂ：駆動エア導入路、１１：圧縮コイルばね、１５：圧力室、５０Ａ：シリンダ室、５０Ｂ：シリンダ室、５１：調圧ピストン、５２：Ｏリング、５３：付勢手段、５４：流路、５５：大気開口部。

Claims (6)

1. 圧力室に駆動エアの供給を受けて作動するエア駆動バルブであって、
   前記圧力室に供給される前記駆動エアの圧力に応じて作動し、前記圧力室の容積を変化させる容積可変機構を有する、エア駆動バルブ。
2. 前記容積可変機構は、
   前記圧力室と連通するシリンダ室と、
   当該シリンダ室に内蔵された調圧ピストンと、
   前記調圧ピストンを前記圧力室に供給される駆動エアの圧力に抗する向きに付勢する付勢手段とを、含む請求項１に記載のエア駆動バルブ。
3. 前記付勢手段は、
   前記圧力室に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力よりも大きい場合には変形し、
   前記圧力室に供給される駆動エアの圧力が所定の圧力以下の場合には変形しない、請求項２に記載のエア駆動バルブ。
4. 前記シリンダ室を複数有する、請求項２又は３に記載のエア駆動バルブ。
5. 前記シリンダ室は、
   ケーシングに形成されており、当該ケーシングの側面の一部に開口形成されている開口部を介して大気に開放される、請求項２〜４のいずれか一項に記載のエア駆動バルブ。
6. 前記シリンダ室は、
   上面視リング形状、上面視円形状、上面視長円形状、上面視楕円形状、又は、上面視多角形状に形成される、請求項２〜５のいずれか一項に記載のエア駆動バルブ。
   

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