バルブ用アクチュエータ
【課題】全体の小型化と部品点数の削減とを図りつつバルブを作動させる推力を高めてシール性を向上させ、高圧流体用のバルブにも適用でき、可動時にかかる荷重を分散させて耐久性を向上させ、内部構造を単純化して部品点数を削減し、バルブへの組付けや調整も容易なバルブ用アクチュエータを提供する。
【解決手段】エアー駆動のアクチュエータでピストン２５の推力を拡大して弁３５を締め切る推力拡大機構３０を内蔵するバルブ用アクチュエータである。推力拡大機構３０は、弁駆動用出力軸部２６の上部のディスク面３８上に複数のボール２８が配置され、ボール２８は、シャフト４３下端の固定ディスク面５０と、円錐形状のテーパ面状部３１を有するテーパ面状部面４８との間に挟持される。ピストン２５の作動により、ボール２８がディスク面３８と固定ディスク面５０との間を移動して、ピストン２５の推力が出力軸部２６に拡大して出力される。
【解決手段】エアー駆動のアクチュエータでピストン２５の推力を拡大して弁３５を締め切る推力拡大機構３０を内蔵するバルブ用アクチュエータである。推力拡大機構３０は、弁駆動用出力軸部２６の上部のディスク面３８上に複数のボール２８が配置され、ボール２８は、シャフト４３下端の固定ディスク面５０と、円錐形状のテーパ面状部３１を有するテーパ面状部面４８との間に挟持される。ピストン２５の作動により、ボール２８がディスク面３８と固定ディスク面５０との間を移動して、ピストン２５の推力が出力軸部２６に拡大して出力される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体が流れる管路に使用されるバルブに適したバルブ用アクチュエータに関し、特に、半導体製造装置等の配管系に使用されるメタルダイヤフラム弁用のアクチュエータに適したバルブ用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、半導体製造装置等で用いられるメタルダイヤフラム弁は、金属製ダイヤフラムと、樹脂製シートパッキンとを有し、このバルブの上部側にアクチュエータが搭載されている。このアクチュエータは、ダイヤフラムの上部に配設されたダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させるステムを有し、このステムによりダイヤフラム押圧体を介してダイヤフラムを押圧又は押圧解除することで、ダイヤフラムとパッキンとの間の流路を開閉させる構造になっている。
更に、ダイヤフラム弁を高圧流体用として用いる場合には、弁体による密閉性を高めるためにアクチュエータによるダイヤフラム動作時の推力を高める必要が生じる。この場合、一般的に、高圧流体用のアクチュエータは、ピストンとシリンダとを有する機構を備え、このピストン・シリンダ機構により押圧体の推力を高めるようになっている。更に、ピストンの推力をより高めるために、シリンダ構造を二段や三段などの複数段に設ける場合もある。
【０００３】
一方、アクチュエータ内にエアシリンダの推力を増大するための機構が内部に設けられたメタルダイヤフラム弁が知られている。この種のダイヤフラム弁として、例えば、特許文献１のメタルダイヤフラム弁が知られている。このダイヤフラム弁は、硬球とテーパ付押圧部材とを有し、押圧部材をくさびとして硬球に作用させてダイヤフラムを押圧する力を増大させるようにしたものである。
【０００４】
図１４、図１５においては、同文献１のダイヤフラム弁と同様の内部構造を有する従来のバルブ用アクチュエータを示している。このアクチュエータ装置１は、ボール体２、略円錐状の傾斜面３を有する小径のニードル４、すり鉢状の傾斜面部５を有する筒状部材６、ダイヤフラム押え７を押圧する押圧部材８を有している。このアクチュエータ装置１は、通常時にボデー部９内部に設けられたスプリング部材１０の弾発力によってダイヤフラム弁１１内のダイヤフラム弁体１２の閉状態を維持しようとする、いわゆるノーマリークローズ（ＮＣ）タイプになっている。アクチュエータ装置１のボデー部９内に圧縮エアが流入すると、図１５（ｂ）の状態からボデー部９内に設けられたピストン部１３が上昇し、このピストン部１３とともにニードル４も図１５（ａ）の状態まで上昇する。ニードル４が上昇すると、このニードル外周の傾斜面３に沿ってボール体２が縮径方向に移動し、このボール体２が筒状部材６の傾斜面部５にガイドされるように上方向にも移動して押圧部材８による押圧が解除され、ダイヤフラム弁体１２が上昇して弁開状態になる。このとき、ニードル４が上下移動するときの図示しないストロークは、押圧部材が上下動するときのストロークの５〜６倍程度になっている。
【０００５】
このアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを一体に組み込む場合には、筒状部材６、ニードル４が組み込まれたアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１との間にボール体２を装着した状態で、このアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを螺着によって固着する。この螺着位置を調節することでニードル４、ボール体２、押圧部材８の位置関係を決定する。そして、アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１との螺着を調整して位置関係を合わせ、ダイヤフラム弁体１２を弁閉位置に合わせた状態で、固定用に設けた調節ネジ１４により一体化して弁閉状態に設定するようになっている。
【０００６】
ところで、半導体製造用の高圧用メタルダイヤフラム弁は、高圧流体への対応に加えて小型化やコストダウンも望まれている。この場合、アクチュエータのシリンダ形状を従来の四角から丸形に形成することで、小型化と材料の削減によるコストダウンに対応させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平８−６８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ステムでダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させる構造のアクチュエータは、高圧流体用を流す場合にダイヤフラム押圧体による推力を高めることが必要になり、この場合、シリンダを複数段の構造に設けると、高さ方向の寸法の増加により小型化が難しくなるとともに、部品点数が増加して内部構造も複雑化していた。
【０００９】
一方、特許文献１のメタルダイヤフラム弁や図１４、１５のアクチュエータに関しては、図１４に示すように、押圧部材８の上面側にボール体２をガイドするニードル４が設けられている。このため、ニードル４の移動方向において押圧部材８が邪魔になり、ニードル４の上下動時のストロークが限られることで傾斜面３の長さも限られる。そして、ニードル４のストロークを大きく確保することが難しくなり、傾斜面３によるボール体２の作動範囲が狭くなっていた。これにより、ニードル４の上下移動時のストロークは、押圧部材８の上下動時のストロークの５〜６倍程度に限られ、ピストン部１３による推力の拡大も５〜６倍程度が限界になっていた。
この推力を上げるためにはシリンダを複数段に設ける必要が生じるが、この場合、全体が大型化すると共に、部品点数も増加してコストアップにつながっていた。
【００１０】
上記のようにテーパ付きの小径ニードル４の傾斜面３の外周側にボール体２を配置した構造であるため、配置可能なボール体２の数が限られ、例えば、３〜４個程度の少数個しか配置することができない。ボールが少数個であると、可動時に１個当たりのボール体２にかかる荷重が大きくなる。この場合には、摩擦が増加してボール体２がより激しく消耗したり、このボール体２からの強い押圧力で筒状部材６や押圧部材８が陥没することなどにより耐久性が乏しくなっていた。
【００１１】
アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを組み込む場合、アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを螺着により一体化し、この螺着位置によってニードル４、ボール体２、押圧部材８の位置関係を調節してダイヤフラム弁体１２の弁閉位置を合わせることになる。そのため調整が面倒になり、所定の調整位置に固定するための調整ネジ１４が必要になって部品点数も増加していた。
【００１２】
本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、全体の小型化と部品点数の削減とを図りつつ、バルブを作動させる推力を高めることによりシール性を向上させて高圧流体用のバルブに適用でき、しかも、可動時にかかる荷重を分散させて耐久性を向上させ、内部構造を単純化して部品点数を削減し、バルブへの組付けや調整も容易なバルブ用アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、弁駆動用出力軸部の上部に設けたディスク面上に移動部材である複数個のボールを配置し、これらのボールをアクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定ディスク面とピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面との間に挟持して構成されており、ピストンの作動によりディスク面に載置されたボールがディスク面と固定ディスク面との間を移動することによって、ピストンの推力を出力軸部に拡大して出力するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１４】
請求項２に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、アクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定部材に移動部材であるローラカムを軸着し、このローラカムの上端に設けた第１ローラ部材を、ピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面に移動自在に当接し、ローラカムの下端に設けた第２ローラ部材を弁軸駆動用出力軸部のディスク面に押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１５】
請求項３に係る発明は、弁を駆動する推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１６】
請求項４に係る発明は、テーパ面状部面、固定ディスク面及びディスク面の何れかを、二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成したバルブ用アクチュエータである。
【００１７】
請求項５に係る発明は、シャフトをアクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によってシャフトを上下に調整可能に設けて固定ディスクまたはローラカムの位置を調整可能に設けたバルブ用アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によると、出力軸部上部のディスク面上に複数個のボールを配置し、これらのボールをシャフト下端の固定ディスク面と、ピストン内周開口側の円錐形状のテーパ面状部面との間に挟持する推力拡大機構を有しているため、例えば、ダイヤフラムバルブにおいては弁開から弁閉に移動するとダイヤフラムの受圧面積と共に締め切り推力が増加するが、この締め切りに必要な推力に合わせた効率的な出力推力を得ることができ、弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
このとき、テーパ面状部を直線とした場合にはこの直線部でのボールによる拡大率が一定になり、二段テーパとした場合には二段の拡大率に変化するだけであるため、スプリング荷重の減少とともに出力推力も減少するおそれがあるが、テーパ面状部面、固定ディスク面、或はディスク面の何れか一つを曲面に形成することで、スプリング荷重が減少した場合でも弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加させることが可能になる。
複数段のシリンダを必要とすることなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させているため、ボールやピストン、固定ディスク面の消耗を抑えて耐久性を向上できる。ピストン、出力軸部、ボール、シャフト下端の固定ディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。
【００１９】
請求項２に係る発明によると、固定部材に軸着したローラカムの第１ローラ部材がテーパ面状部面に移動自在に当接し、第２ローラ部材が出力軸部のディスク面を押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力する推力拡大機構を有しているため、ローラカムが円弧運動することでピストン内面のテーパ面状部面が直線、或は曲面の何れの場合でも、弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加できる。この場合、効率的な出力推力を得ることで弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
複数段のシリンダを要することなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させて耐久性を向上でき、バルブへの組付けや調整も容易になる。
【００２０】
請求項３に係る発明によると、推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全スロトークで増加させることにより、複数段のシリンダを要することなく全体をコンパクト化しながら弁開から弁閉時への締め切りに要する出力推力を確実に発揮でき、高圧流体の場合でも高シール性を発揮できる。ローラカムを有する推力拡大機構とした場合には、ローラカムが円弧運動することで弁閉側に作動するほど拡大率が大きくなり、かつ、テーパ面状部の曲面等と併用して弁開から弁閉側に作動すると、更に出力推力が拡大しながら作動する。ピストン、出力軸部、ローラカム、出力軸部のディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。
【００２１】
請求項４に係る発明によると、テーパ面状部面、固定ディスク及びディスク面の何れかを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に設け、そのテーパ角度を変えることでピストン作動時の推力の増加割合を変えることができる。この場合、開口側を奥側よりも緩やかなテーパ角度とすることで弁開側では出力推力が小さく弁閉側の近傍では出力推力を大きくして同じスプリングを使用した場合でも高推力と高ストロークが得られる。
【００２２】
請求項５に係る発明によると、シャフトを螺着構造に設けていることにより、このシャフトを回転させることで上下動させて固定ディスクまたはローラカムを位置調整することで、個々のバルブのシール位置のバラツキに応じて弁閉位置を調整できる。この場合、アクチュエータの上部にシャフトを取付けていることで、所定トルクでシャフトを回転させて簡単にシール位置を調整しながら固定ディスクまたはローラカムを推力の拡大開始位置まで締め付けでき、別の締付け用のネジ部材等を必要としないため部品点数を抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のバルブ用アクチュエータの第１実施形態を示した断面図である。
【図２】図１のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図３】図１の要部を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した要部拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した要部拡大断面図である。
【図４】バルブ用アクチュエータの特性を示したグラフである。
【図５】本発明のバルブ用アクチュエータの第２実施形態を示した断面図である。
【図６】図５のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図７】バルブ用アクチュエータの要部を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した要部拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した要部拡大断面図である。
【図８】弁体付近を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した拡大断面図である。
【図９】本発明のバルブ用アクチュエータの第３実施形態を示した断面図である。
【図１０】図９のバルブ用アクチュエータの弁閉状態を示した断面図である。
【図１１】本発明のバルブ用アクチュエータの第４実施形態を示した断面図である。
【図１２】図１１のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図１３】本発明のバルブ用アクチュエータの第５実施形態を示した断面図である。
【図１４】従来のバルブ用アクチュエータを示した断面図である。
【図１５】（ａ）は、図１４の要部拡大断面図である。（ｂ）は、（ａ）が弁閉動作した状態を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１、２においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第１実施形態を示しており、図１に弁閉状態、図２に弁開状態をそれぞれ示している。図３においては、弁の開閉状態における要部拡大断面図を示している。
【００２５】
図において、バルブ用アクチュエータ本体（以下、アクチュエータ本体という）２０は、シリンダ２１とこのシリンダ２１を被蓋するためのベース体２２とを有するボデー２３を備え、このボデー２３内に、テーパ面状部３１を形成したテーパ面状部面４８、固定ディスク２７に形成されたテーパ面からなる固定ディスク面５０、移動部材であるボール２８を有する推力拡大機構３０を備えている。さらに、アクチュエータ本体２０には、弁駆動用出力軸部２６、ディスク２９が設けられ、このアクチュエータ本体２０により、外部のバルブ（弁）３５を駆動可能になっている。
【００２６】
テーパ面状部３１は、アクチュエータ本体２０内に設けたピストン２５に形成されている。このテーパ面状部３１は、ピストン２５の内側のピストン内周面２５ａをくり抜いてピストン２５の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面２５ａにはこのテーパ面状部３１を含んだ前記テーパ面状部面４８が形成されている。本実施形態において、テーパ面状部３１は、開口部側の第１テーパ面状部３１ａと、この第１テーパ面状部３１ａに続く第２テーパ面状部３１ｂとからなるテーパ角度の異なる二段に設けられている。図示しないが、第１テーパ面状部３１ａのテーパ角度は、第２テーパ面状部３１ｂのテーパ角度よりも緩やかになっている。
【００２７】
テーパ面状部面４８はテーパに限ることなく、これを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成するようにしてもよい。さらには、テーパ面状部面４８に限らず、固定ディスク面５０或は後述するディスク面であるボール載置部３８を二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成することもできる。何れの場合にも、テーパ角度を適宜の角度に設けることができる。この場合、上記したように作動方向に向けてより緩やかな傾斜となるようなテーパ角度とすることが望ましい。
【００２８】
ピストン２５は略円筒状に形成され、この１個のピストンがシリンダ２１内に往復移動可能に収納されている。ピストン２５の内外周側には、Ｏリング３２、３３が装着されている。ピストン２５の先端側には当接部３４が形成され、この当接部３４は、作動時にベース体２２に当接可能になっている。
【００２９】
弁駆動用出力軸部２６は、押え部材３７の上部に配設され、この押え部材３７はアクチュエータ本体２０に取付けたバルブ３５の弁体３６に直接接触して駆動させるために設けられている。出力軸部２６の固定ディスク２７との対向側にはディスク２９が設けられ、このディスク２９面上にはボール載置部３８が形成されている。出力軸部２６の下部には軸部３９が形成され、この軸部３９は、ベース体２２に形成された取付穴４０に挿入されており、これにより出力軸部２６全体がベース体２２に対して上下動自在になっている。出力軸部２６とベース体２２との間にはコイルスプリング４１が装着されている。出力軸部２６は、コイルスプリング４１により、図１において上方向に弾発付勢されている。軸部３９の外周にはＯリング４２が装着され、このＯリング４２により軸部３９とベース体２２との間がシールされる。
【００３０】
固定ディスク２７は、シャフト４３を介してアクチュエータ本体２０の上部に固定される。その際、固定ディスク２７は、シャフト４３に形成された雄ねじ部４４とシリンダ２１に形成された雌ねじ部４５との螺着により出力軸部２６と対向するように配置される。この螺着構造によりシャフト４３を上下に移動してその位置を調整でき、固定ディスク２７の位置を調整可能になっている。この固定ディスク２７の位置調節により後述するように弁閉位置調整が可能になり、バルブ３５とアクチュエータ本体２０との位置合わせ用の別体の調整ネジ等を必要としないため部品点数が抑えられ、アクチュエータ本体全体を回転して位置合わせをおこなう必要もない。
【００３１】
シャフト４３の内部には、アクチュエータ本体２０の外部と、ピストン２５とベース体２２との間を連通する流入口４６が形成されている。この流入口４６を介してアクチュエータ本体２０の外部よりピストン２５とベース体２２との間のシリンダ２１内に圧縮エアが供給可能になっている。シャフト４３が螺着されるシリンダ２１の上部付近には、圧縮エアの流出口４７が形成されている。この流出口４７よりシリンダ２１とピストン２５との間に残ったエアが排気可能になっている。
【００３２】
アクチュエータ本体２０に固定されたシャフト４３下端の固定ディスク２７には、ディスク２９と対向して外径方向に傾斜した前述の固定ディスク面５０が形成されている。固定ディスク面５０は、例えば、図１において水平方向に対して３０°の角度に形成されている。
【００３３】
ボール２８は、例えば、鋼球よりなり、推力拡大機構３０の内部に複数個配置される。ボール２８は適宜数であればよいが、少なくとも３個以上設けることが好ましく、例えば、８〜１２個程度とするとよい。この場合、出力軸部２６と固定ディスク２７とが安定した状態になる。
【００３４】
ベース体２２には、前述したように出力軸部２６の軸部３９が挿入可能な取付穴４０が形成され、この取付穴４０により、出力軸部２６を作動方向に案内可能となる。ベース体２２のシリンダ側外周にはオネジ部５１が形成され、このオネジ部５１は、シリンダ２１に形成されたメネジ部５２とシール部材５１ａを介して密封シール可能に螺着接合されている。ベース体２２のバルブ装着側には雄螺子５３が形成され、この雄螺子５３を介してアクチュエータ本体２０がバルブ３５に着脱される。
【００３５】
アクチュエータ本体２０は、ピストン２５で作動するエアー駆動のアクチュエータでピストン２５の推力を拡大して弁３５を締め切る推力拡大機構３０が内蔵されている。推力拡大機構３０内には、ピストン２５のストローク中にテーパ面状部面４８に当接して移動する前記ボール２８が配置される。
【００３６】
推力拡大機構３０は、テーパ面状部面４８の内側に設けられている。この推力拡大機構３０は、出力軸部２６の上部に設けたディスク２９面上のボール載置部３８に複数個のボール２８が配置され、これらのボール２８が固定ディスク面５０とテーパ面状部面４８との間に挟持されることで構成されている。シリンダ２１とベース体２２とは、密封状態で螺着されてアクチュエータ本体２０として一体化される。ピストン２５は、上下動自在に取付けられ、このピストン２５とシリンダ２１との間にスプリング５５が配設されている。このスプリング５５により押え部材３７を押圧する方向にピストン２５が弾発されている。
【００３７】
アクチュエータ本体２０のピストン２５を作動させた場合には、この作動によりディスク２９面上のボール載置部３８に載置されたボール２８がディスク面であるボール載置部３８と固定ディスク面５０との間を移動する。この移動により、ピストン２５の推力が出力軸部２６に拡大して出力可能になっている。このアクチュエータ本体２０の推力拡大機構３０による弁の駆動時には、推力拡大機構３０の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしてもよい。
【００３８】
アクチュエータ本体２０は、１個で構成したピストン２５の背面に取付けたスプリング５５により弁３５を閉止する構造であって、スプリング５５の推力を推力拡大機構３０により出力軸部２６に拡大して出力する構造のノーマリークローズタイプの空気圧作動アクチュエータとして構成されている。ピストンは１個に限られることがなく、後述するようにピストンを複数段重ねて構成することもできる。
【００３９】
バルブ３５は、一般的な構造のダイヤフラム弁であり、例えば、図１に示した構造になっている。このバルブ３５は、一次側流路６０、二次側流路６１を有する弁箱６２、弁体３６、弁座６４、押え部材３７、ボンネット６５を有している。弁体３６は、弁箱６２の所定位置に配設され、その上部に押圧用の押え部材３７が上下動自在にボンネット６５により取り付けられている。バルブ３５のアクチュエータ本体２０との接続側には、雄螺子５３と螺合可能な雌螺子６６が形成され、この雌螺子６６と雄螺子５３とを螺合させることにより、内部に推力拡大機構３０を組み込んだアクチュエータ本体２０とバルブ３５とをワンタッチで着脱できる。
【００４０】
押え部材３７は、アクチュエータ本体２０の出力軸部２６の軸方向への出力により上下動する。この押え部材３７の上下動によって弁体３６が弁座６４に接離し、一次側流路６０と二次側流路６１とが開閉可能になる。
【００４１】
上記実施形態においては、固定ディスク２７側に固定ディスク面５０を形成しているが、出力軸部２６のボール載置部３８に中心から放射状に図示しないテーパ面を形成することも可能である。このように固定ディスク２７或はディスク２９の何れか又は双方にテーパ面を形成し、このテーパ面とテーパ面状部面４８との間にボール２８を挟持してピストン２５の推力を出力軸部２６に拡大して出力することが可能である。これは、後述する第２、第３実施形態についても同様である。
【００４２】
図１、図３（ａ）において、前述したようにアクチュエータ本体２０は、常時においてはピストン２５とシリンダ２１との間に配置されたスプリング５５の弾発力によりピストン２５が軸方向の図における下方向に付勢されている。このとき当接部３４がベース体２２に当接してピストン２５の下方向への移動量が規制され、推力拡大機構３０に過大な力が加わることが防がれている。
【００４３】
ピストン２５が下降すると、複数個配置されたボール２８がピストン内周面２５ａに形成されたテーパ面状部３１に沿って内側（内径方向）に押し込まれ、固定ディスク２７の固定ディスク面５０に沿って移動する。このとき、固定ディスク２７がシャフト４３を介してアクチュエータ本体２０内の所定位置に固定されているため、ボール２８がディスク２９のボール載置部３８を半径方向の内径側に移動しながらこの出力軸部２６を押し下げる。
【００４４】
ボール２８の軸方向の移動成分は、ディスク２９を介して推力が拡大されて出力軸部２６から出力される。推力拡大機構３０の固定ディスク面５０とボール２８とは、ピストン２５のテーパ面状部面４８の内側に配設されているため、ピストン２５と出力軸部２６とが接触することなくピストン２５のストロークやテーパ面状部３１を長く確保できる。この機構によってピストン２５のストロークを長くでき、例えばスプリング５５の弾発力を１０〜２０倍程度の推力に拡大しながら押え部材３７に伝達し、この押え部材３７により弁体３６を弁座６４方向に強く押圧して弁閉状態を維持できる。そのため、高圧流体に適した高いシール性を確保できる。
【００４５】
図３（ａ）において、弁開動作時においてピストン２５からの下向きの力Ｆ１ｙがピストン２５とボール２８との接点Ｃ１に伝達されるときには、テーパ面状部３１の作用により力の方向と大きさが分力の法則で分力となって、水平方向の力Ｆ１ｘとなってボール２８に働く。この力Ｆ１ｘは接点Ｃ２でボール２８から固定ディスク２７に伝達されるため、この力Ｆ１ｘと相反する力が固定ディスク２７から反力Ｆ´１ｘとして働く。反力Ｆ´１ｘは、分力の法則により接点Ｃ２において下向きの力Ｆ´１ｙとなり、この力Ｆ´１ｙは、テーパ面状部３１、固定ディスク面５０のテーパの作用により、図３の矢印の方向に弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加しながら１０〜２０倍の推力に拡大されて出力推力として出力される。
【００４６】
一方、外部からシャフト４３の流入口４６を介してピストン２５とベース体２２との間に圧縮空気を供給すると、ピストン２５がスプリング５５を圧縮する方向（図１における上方向）に移動する。このため、固定ディスク面５０により外径方向に移動する力が働いているボール２８がテーパ面状部面４８に沿って外径方向に移動し、出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力で上方に移動し、弁体３６と押え部材３７とは流路内を流れる高圧流体の圧力で上方に移動して図２、図３（ｂ）の弁開状態になる。その際、シリンダ２１とピストン２５との間のエアが流出口４７を介して排気される。
【００４７】
ここで、アクチュエータ本体２０でバルブ３５を開閉操作する前には、出力軸部２６の弁閉位置（図１における最下位の状態）と、弁体３６の弁閉位置を合わせておく必要がある。位置合わせ時には、ピストン２５を最下位にした状態でアクチュエータ本体２０とバルブ３５とを固定する。次いで、シャフト４３を回転させ、このシャフト４３先端に設けられた固定ディスク２７を上下動させてこの固定ディスク２７と出力軸部２６との間隔を調整しつつ、出力軸部２６で弁体３６を閉状態に押圧させる。このときスプリング５５の弾発力で弁閉状態を維持する強さにするように所定のトルクでシャフト４３を締め付ける。これによってアクチュエータ本体２０の出力軸部２６と弁体３６との位置を合わせできる。
【００４８】
このように、シリンダ２１に螺合したシャフト４３を回転させることで出力軸部２６と固定ディスク２７との間隔を簡単に調整して弁体３６のシール位置を正確に調整できる。この場合、上記したようにスプリング５５の弾発力を１０〜２０倍程度の推力に拡大して出力軸部２６から出力できる。例えば、推力を１０倍に拡大する場合、出力軸部２６の移動量が０．１ｍｍで推力拡大機構３０の摩擦抵抗を５０％とすると、ピストン２５の移動量が２ｍｍになる。このように、推力の拡大率からシャフト４３の移動量に対して弁体３６の移動量を把握できるため、シャフト４３の所定量の移動より容易に出力軸部２６を微調整してこの出力軸部２６と弁体３６との位置を合わせできる。
【００４９】
アクチュエータ本体２０による推力を、例えば１０倍に拡大している場合には、弁座締め切りの移動量が０．１ｍｍに対してピストン２５の移動量は１ｍｍとなり、弁座のシール位置に合わせて弁閉位置調整を実施する必要がある。その際には、上記のようにピストン２５を最下位にした状態でシャフト４３を回転調節し、固定ディスクをピストン推力程度が発生するトルクで締付けることで簡単にシール位置を調整できる。
【００５０】
図４においては、図１のアクチュエータ本体２０の弁開から弁閉動作時のピストン２５の移動時のストローク（シリンダストローク）ＳＬに対する、ダイヤフラム反力ＤＦ、スプリング荷重ＳＦ、アクチュエータ出力推力ＡＦの変化を示している。弁の全開状態では、ダイヤフラム反力ＤＦ１と、図３（ｂ）に示したスプリング荷重ＳＦ１が加わりつつアクチュエータ出力推力ＡＦ１が得られる。弁の全閉状態では、ダイヤフラム反力ＤＦ２と、図３（ａ）に示したスプリング荷重ＳＦ２が加わりつつアクチュエータ出力推力ＡＦ２が得られる。
【００５１】
ダイヤフラム反力ＤＦについて、ダイヤフラム弁体３６はいわゆるドーム形状に形成され、このドーム部位で圧力を受圧して推力を伝達するため、図３（ｂ）の弁開時におけるダイヤフラム反力ＤＦ１はゼロになる。弁開状態から弁閉状態に動作させると、弁体３６の変形に伴って流体からの受圧面積が徐々に増加する。そして、図３（ａ）の弁閉時においては流体から弁体３６が受ける受圧面積が最大となり、この弁体３６を閉止するために要するダイヤフラム反力ＤＦ２が最大になる。
【００５２】
スプリング荷重ＳＦについては、弁開状態ではピストン２５でスプリング５５が圧縮されて大きくなり、全開時においてスプリング荷重ＳＦ１が最大となる。弁開状態から弁閉状態に動作させるとスプリング荷重ＳＦは減少し、これによって伝達効率が悪くなり、弁体３６を弁閉方向に作動させる力が弱くなる。図８における全閉時においては、シリンダストロークＳＬにおけるスプリング荷重ＳＦ２が最小となる。
【００５３】
本発明のバルブ用アクチュエータの推力拡大機構３０は、弁体３６が全開から全閉まで動作するときの弁ストロークＬにおいて、弁閉方向の出力推力ＡＦを全ストロークで増加させるようにしているため、スプリング荷重ＳＦ１が最大の全開側では弁ストロークＬを増加し、全閉側では最大の出力推力ＡＦ２を出力することが可能になる。
このように効率よく推力を拡大して伝達できることで、アクチュエータ本体２０を小型化した場合でも高圧弁の高推力や大流量のための高ストローク化に対応できる。この場合、例えば、アクチュエータ本体を一般的なアクチュエータ径の７０％程度の大きさに設けた場合であっても、一般的なアクチュエータと同等の圧力・流量に対応可能になる。
【００５４】
上記したように、本発明のバルブ用アクチュエータは、本体２０内に設けたピストン２５の内周開口側に沿って広がる円錐形状のテーパ面状部３１を形成したテーパ面状部面４８を形成し、ピストン２５のストローク中にテーパ面状部３１に当接して移動する移動部材２８を配置し、この移動部材２８を有する推力拡大機構３０を介して弁３５を閉止するための出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させているので、複数段のシリンダ構造を設けることなく高さ寸法を抑えて小型化しつつ高圧流体に対応できる。
【００５５】
この場合、推力拡大機構３０が、ピストン２５の作動によりボール２８がテーパ面状部面４８と固定ディスク面５０との間を移動してピストン２５の推力を出力軸部２６に拡大して出力する機構であるので、ピストン２５のストロークやテーパ面状部面４８を長くできる。そのため、例えば、ピストン２５がニードル状である場合と比較して出力軸部２６からの出力推力を大きくでき、１０〜２０倍の推力に拡大してより高圧の流体にも対応できる。更に、このようなシリンダ構造の単純化により、部品点数も削減できる。しかも、テーパ面状部面４８、固定ディスク面５０の角度を調整することで、出力推力の拡大倍率を任意に設定することも可能になる。
【００５６】
テーパ面状部面４８を二段のテーパに設けていることにより、このテーパ面状部面４８の角度を変えてピストン作動時の推力の増加割合を調節できる。この調節により、例えば、バルブの弁閉状態の近傍では出力軸部の移動量を少なくして微流量を調整でき、バルブが弁開状態になるときには出力軸部の移動量を大きくして弁開速度を速めて弁閉から弁開への切換えを迅速に実施できる。
【００５７】
テーパ面状部面４８の内側に固定ディスク面５０とボール２８とが配設されているので、ボール２８の個数を増やすことができ、ボール２８の個数を増やすことでピストン２５からの力を分散して出力軸部２６に伝達できる。そのため、ボール２８の消耗を抑えて出力軸部２６の陥没や傷付きを防ぎ、耐久性を向上できる。
【００５８】
アクチュエータ本体２０を構成する場合には、ピストン２５、出力軸部２６、固定ディスク２７、ボール２８を有する推力拡大機構３０をシリンダ２１とベース体２２内に組み込んだ状態で一体化できる。このため、予めアクチュエータ本体２０をバルブ３５と別体に設け、このバルブ３５との組み込みや弁体３６の調整を容易に実施可能となる。
【００５９】
図５、図６においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第２実施形態を示している。なお、以降の実施形態において、上述した実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
【００６０】
この実施形態におけるアクチュエータは、前述の実施形態のアクチュエータ本体２０と同様に、ダイヤフラム弁体３６をボール２８を有する推力拡大機構３０で推力拡大しながらスプリング５５の荷重で図８（ａ）の弁閉状態に作動し、密封された本体９０内においてエア圧力で図８（ｂ）の弁開状態に作動させるノーマリークローズタイプの機構を有する空気圧作動のバルブ用アクチュエータである。
【００６１】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、このアクチュエータ本体９０では、ピストン９３のテーパ面状部面４８のテーパ面状部９１が円弧部により形成されている。この円弧部９１にボール２８が当接することにより、ピストン９３をスムーズに動作させることができる。さらに、ボール２８とこの円弧部９１との接触領域が長くなることで、ピストン９３を緩やかに動作させて弁開度の微調整が可能になる。
【００６２】
さらに、円弧部９１は、開口部側の第１円弧部９１ａと、この第１円弧部９１ａに続く第２円弧部９１ｂとからなる二段の異なるテーパ角度になっている。このテーパ角度は開口側が奥側よりも緩やかになっており、すなわち、図７（ａ）において、第１円弧部９１ａのテーパ角度θ１＜第２円弧部９１ｂのテーパ角度θ２の関係になっている。これによって、第１実施形態の場合と同様に、円弧部９１の角度を変えてピストン９３作動時の推力の増加割合を調節できる。
【００６３】
また、この実施形態におけるアクチュエータ本体９０は、ピストン９３の上方側に別の形状のピストン９６とシリンダ部９４とが設けられて３段のピストン構造に設けられている。シャフト４３の内部には流入口４６から分岐する分岐口９５が形成されており、この分岐口９５を介してピストン９３とシリンダ部９４との間に圧縮エアが供給される。
【００６４】
ピストンを複数段に構成した場合、ピストンから１個の場合よりも推力を高めつつシリンダ外径を小さくして幅方向のサイズをコンパクト化できる。この省スペース化により、狭い場所に対してもフットプリントを小さくして集積化が可能になる。ピストンを３段以上に設ける場合には、同じ形状のピストン９６とシリンダ部９４とを兼用でき、これらを上下に重ねることで部品の種類の増加を防ぎつつ簡単に組立てできる。
【００６５】
図９、図１０においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第３実施形態を示している。
このアクチュエータ本体７０は、１個のピストン７１と固定ディスク２７との間にスプリング５５を配置してピストン７１の背面からのエア圧力を供給して弁３５を閉止する構造になっている。これにより、このアクチュエータ本体７０は、ピストン７１の推力を推力拡大機構３０により出力軸部２６に拡大して出力する構造のノーマリーオープンタイプになっている。図示しないが、このノーマリーオープンタイプの場合にも、ノーマリークローズの場合と同様に複数段のピストンを重ねて構成できる。
【００６６】
シャフト２１の内部には、アクチュエータ本体７０の外部と、ピストン２５と、ボデー２３を構成するシリンダ２１との間を連通するエア流路７２が形成され、このエア流路７２を介して外部からピストン７１とシリンダ２１との間に圧縮空気を供給することが可能になっている。
【００６７】
ピストン７１とシリンダ２１との間に外部より圧縮エアを供給すると、ピストン７１がスプリング５５の弾発力に抗してこのスプリング５５を圧縮する方向（図９における下方向）に作動し、ボール２８がテーパ面状部３１を有するテーパ面状部面４８に沿うように内径方向に移動して、出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力に抗して下方に移動することで出力軸部２６が下方に移動し、この出力軸部２６が押え部材３７を下方に押圧して図１０の弁閉状態になる。図１０から図９の弁開状態にするときには、流出口４７よりエアを外部に逃すようにすればよい。
【００６８】
図１１、図１２においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第４実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体１００は、推力を拡大するための２つのローラカム１０２を有する推力拡大機構１０１を備えている。各ローラカム１０２、１０２は、本体１００に固定したシャフト４３の下端のシリンダ２１内に固定された固定部材１０５に軸着されている。固定部材１０５は、シャフト４３の先端側にナット１０７で取付けられ、取付後には固定部材１０５がシリンダ２１内の所定位置に配設される。
【００６９】
シャフト４３は、アクチュエータ本体１００の上部に前記実施形態と同様に螺着して固定されている。この螺着構造により、シャフト４３が上下に調整可能に設けられ、ローラカム１０２の上下位置を調整可能になっている。
【００７０】
ローラカム１０２の上端には第１ローラ部材１０３が設けられ、この第１ローラ部材１０３は、テーパ面状部９１を形成したテーパ面状部面９７に移動自在に当接した状態に配設されている。テーパ面状部９１は、ピストン１０８の内側のピストン内周面１０８ａをくり抜いてピストン１０８の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面１０８ａには、このテーパ面状部９１を有するテーパ面状部面９７が形成されている。
【００７１】
一方、ローラカム１０３の下端には第２ローラ部材１０４が設けられている。ピストン１０８から推力が伝達された場合には、テーパ面状部面９７に当接した第１ローラ１０３によりローラカム１０２が軸着部１０６を中心に回転し、このローラカム１０２の回転によって第２ローラ部材１０４が出力軸部２６のディスク２９に押圧され、ピストン１０８の推力が出力軸部２６に拡大して出力される。
【００７２】
ピストン１０８とシリンダ２１との間には２本のスプリング１０９、１１０が設けられており、これらのスプリング１０９、１１０のバネ定数は、例えば、第２実施形態のスプリング５５のバネ定数よりも小さく設けられている。この場合、弁開から弁閉になるときのスプリングの荷重の減少が抑えられる。
【００７３】
アクチュエータ本体１００は、前述の推力拡大装置３０と同様にバルブ３５に取付け可能になっている。バルブ３５への取付け時には、雄螺子５３と雌螺子６６とを螺合することで、内部に推力拡大機構１０１を組み込んだアクチュエータ本体１００と、バルブ３５とをワンタッチで着脱できる。
【００７４】
図１１のアクチュエータ本体１００において、常時においてはスプリング５５の弾発力によりピストン１０８が下方向に付勢される。このピストン１０８の下降により上部側のローラ１０３がテーパ面状部面９７に沿って回転しながら、ローラカム１０２が軸着部１０６を中心に回転する。このときローラカム１０２は、軸着部１０６を中心として立設する方向に回転するため、下部側のローラ１０４が回転しながらディスク２９を下方に押すことでこのローラ１０４により出力軸部２６が押し下げられる。その際、ピストン１０８からの推力が拡大しながら伝達される。ローラカム１０２を用いた推力拡大機構１０１の場合には動力変換効率を高めることが可能になり、図に示した１個のピストンによって十分な推力を得ることができる。さらに、このときにもボールを移動部材とした場合と同様に、ピストンを複数段重ねて構成することでさらに推力を高めつつコンパクト化することができる。
【００７５】
図１２において、流入口４６からピストン１０８とベース体２２との間に圧縮エアを供給したときにはピストン１０８がスプリング１０９、１１０を圧縮しながら上昇し、これに伴って上部側のローラ１０３がテーパ面状部面９７に対して回転しながらローラカム１０２が軸着部１０６を中心に左右に傾倒する方向に回転する。これにより下部側のローラ１０４の位置が図１１の場合よりも上方側に移動し、この移動に伴って出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力で上方に移動して弁開状態になる。
このように、ボール２８の代わりにローラカム１０２を用いて推力拡大機構１０１を設けることができ、さらには、推力拡大機構をこれら以外の構造に設けることもできる。このアクチュエータ本体１００の場合にも、前述したアクチュエータ本体２０の場合と同様に、弁を駆動する推力拡大機構１０１の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させることができる。
【００７６】
また、アクチュエータ本体１００はノーマリークローズタイプであるが、ボール２８を利用した推力拡大機構の場合と同様にノーマリーオープンタイプに構成することもできる。何れの場合にも、全開から全閉までの弁体３６の弁閉方向の出力推力を流体圧による反力よりも常に大きい状態で増加させることができる。
【００７７】
図１３においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第５実施形態を示している。
このアクチュエータ本体８０は、内部に推力拡大機構を有しない一段のシリンダ構造を有するアクチュエータ構造になっており、前述したアクチュエータ本体２０、７０と同一のベース体２２を共通化して利用したものである。
このように、ベース体２２を共通化して、内部構造の異なるアクチュエータ本体２０、７０、８０を構成することができるため、バルブの用途や使用箇所などに応じて内部構造や大きさの異なるアクチュエータとして製品の付加価値を高めることができる。更には、例えば、メタルダイヤフラムバルブ以外の上下動により作動する構造のバルブを取付けることも可能であり、何れの場合においても、ベース体の雄螺子とバルブの雌螺子とを螺合することにより簡単に着脱可能な構成に設けることができる。
【符号の説明】
【００７８】
２０ アクチュエータ本体
２５ ピストン
２６ 出力軸部
２７ 固定ディスク
２８ ボール（移動部材）
２９ ディスク
３０ 推力拡大機構
３１ テーパ面状部
３５ バルブ（弁）
４３ シャフト
４８、９７ テーパ面状部面
５０ テーパ面
５５ スプリング
１０２ ローラカム
１０３ 第１ローラ部材
１０４ 第２ローラ部材
１０５ 固定部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体が流れる管路に使用されるバルブに適したバルブ用アクチュエータに関し、特に、半導体製造装置等の配管系に使用されるメタルダイヤフラム弁用のアクチュエータに適したバルブ用アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、半導体製造装置等で用いられるメタルダイヤフラム弁は、金属製ダイヤフラムと、樹脂製シートパッキンとを有し、このバルブの上部側にアクチュエータが搭載されている。このアクチュエータは、ダイヤフラムの上部に配設されたダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させるステムを有し、このステムによりダイヤフラム押圧体を介してダイヤフラムを押圧又は押圧解除することで、ダイヤフラムとパッキンとの間の流路を開閉させる構造になっている。
更に、ダイヤフラム弁を高圧流体用として用いる場合には、弁体による密閉性を高めるためにアクチュエータによるダイヤフラム動作時の推力を高める必要が生じる。この場合、一般的に、高圧流体用のアクチュエータは、ピストンとシリンダとを有する機構を備え、このピストン・シリンダ機構により押圧体の推力を高めるようになっている。更に、ピストンの推力をより高めるために、シリンダ構造を二段や三段などの複数段に設ける場合もある。
【０００３】
一方、アクチュエータ内にエアシリンダの推力を増大するための機構が内部に設けられたメタルダイヤフラム弁が知られている。この種のダイヤフラム弁として、例えば、特許文献１のメタルダイヤフラム弁が知られている。このダイヤフラム弁は、硬球とテーパ付押圧部材とを有し、押圧部材をくさびとして硬球に作用させてダイヤフラムを押圧する力を増大させるようにしたものである。
【０００４】
図１４、図１５においては、同文献１のダイヤフラム弁と同様の内部構造を有する従来のバルブ用アクチュエータを示している。このアクチュエータ装置１は、ボール体２、略円錐状の傾斜面３を有する小径のニードル４、すり鉢状の傾斜面部５を有する筒状部材６、ダイヤフラム押え７を押圧する押圧部材８を有している。このアクチュエータ装置１は、通常時にボデー部９内部に設けられたスプリング部材１０の弾発力によってダイヤフラム弁１１内のダイヤフラム弁体１２の閉状態を維持しようとする、いわゆるノーマリークローズ（ＮＣ）タイプになっている。アクチュエータ装置１のボデー部９内に圧縮エアが流入すると、図１５（ｂ）の状態からボデー部９内に設けられたピストン部１３が上昇し、このピストン部１３とともにニードル４も図１５（ａ）の状態まで上昇する。ニードル４が上昇すると、このニードル外周の傾斜面３に沿ってボール体２が縮径方向に移動し、このボール体２が筒状部材６の傾斜面部５にガイドされるように上方向にも移動して押圧部材８による押圧が解除され、ダイヤフラム弁体１２が上昇して弁開状態になる。このとき、ニードル４が上下移動するときの図示しないストロークは、押圧部材が上下動するときのストロークの５〜６倍程度になっている。
【０００５】
このアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを一体に組み込む場合には、筒状部材６、ニードル４が組み込まれたアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１との間にボール体２を装着した状態で、このアクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを螺着によって固着する。この螺着位置を調節することでニードル４、ボール体２、押圧部材８の位置関係を決定する。そして、アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１との螺着を調整して位置関係を合わせ、ダイヤフラム弁体１２を弁閉位置に合わせた状態で、固定用に設けた調節ネジ１４により一体化して弁閉状態に設定するようになっている。
【０００６】
ところで、半導体製造用の高圧用メタルダイヤフラム弁は、高圧流体への対応に加えて小型化やコストダウンも望まれている。この場合、アクチュエータのシリンダ形状を従来の四角から丸形に形成することで、小型化と材料の削減によるコストダウンに対応させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平８−６８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ステムでダイヤフラム押圧体を直接押圧して上下動させる構造のアクチュエータは、高圧流体用を流す場合にダイヤフラム押圧体による推力を高めることが必要になり、この場合、シリンダを複数段の構造に設けると、高さ方向の寸法の増加により小型化が難しくなるとともに、部品点数が増加して内部構造も複雑化していた。
【０００９】
一方、特許文献１のメタルダイヤフラム弁や図１４、１５のアクチュエータに関しては、図１４に示すように、押圧部材８の上面側にボール体２をガイドするニードル４が設けられている。このため、ニードル４の移動方向において押圧部材８が邪魔になり、ニードル４の上下動時のストロークが限られることで傾斜面３の長さも限られる。そして、ニードル４のストロークを大きく確保することが難しくなり、傾斜面３によるボール体２の作動範囲が狭くなっていた。これにより、ニードル４の上下移動時のストロークは、押圧部材８の上下動時のストロークの５〜６倍程度に限られ、ピストン部１３による推力の拡大も５〜６倍程度が限界になっていた。
この推力を上げるためにはシリンダを複数段に設ける必要が生じるが、この場合、全体が大型化すると共に、部品点数も増加してコストアップにつながっていた。
【００１０】
上記のようにテーパ付きの小径ニードル４の傾斜面３の外周側にボール体２を配置した構造であるため、配置可能なボール体２の数が限られ、例えば、３〜４個程度の少数個しか配置することができない。ボールが少数個であると、可動時に１個当たりのボール体２にかかる荷重が大きくなる。この場合には、摩擦が増加してボール体２がより激しく消耗したり、このボール体２からの強い押圧力で筒状部材６や押圧部材８が陥没することなどにより耐久性が乏しくなっていた。
【００１１】
アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを組み込む場合、アクチュエータ装置１とダイヤフラム弁１１とを螺着により一体化し、この螺着位置によってニードル４、ボール体２、押圧部材８の位置関係を調節してダイヤフラム弁体１２の弁閉位置を合わせることになる。そのため調整が面倒になり、所定の調整位置に固定するための調整ネジ１４が必要になって部品点数も増加していた。
【００１２】
本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、全体の小型化と部品点数の削減とを図りつつ、バルブを作動させる推力を高めることによりシール性を向上させて高圧流体用のバルブに適用でき、しかも、可動時にかかる荷重を分散させて耐久性を向上させ、内部構造を単純化して部品点数を削減し、バルブへの組付けや調整も容易なバルブ用アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、弁駆動用出力軸部の上部に設けたディスク面上に移動部材である複数個のボールを配置し、これらのボールをアクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定ディスク面とピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面との間に挟持して構成されており、ピストンの作動によりディスク面に載置されたボールがディスク面と固定ディスク面との間を移動することによって、ピストンの推力を出力軸部に拡大して出力するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１４】
請求項２に係る発明は、ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、推力拡大機構は、アクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定部材に移動部材であるローラカムを軸着し、このローラカムの上端に設けた第１ローラ部材を、ピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面に移動自在に当接し、ローラカムの下端に設けた第２ローラ部材を弁軸駆動用出力軸部のディスク面に押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力するようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１５】
請求項３に係る発明は、弁を駆動する推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしたバルブ用アクチュエータである。
【００１６】
請求項４に係る発明は、テーパ面状部面、固定ディスク面及びディスク面の何れかを、二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成したバルブ用アクチュエータである。
【００１７】
請求項５に係る発明は、シャフトをアクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によってシャフトを上下に調整可能に設けて固定ディスクまたはローラカムの位置を調整可能に設けたバルブ用アクチュエータである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によると、出力軸部上部のディスク面上に複数個のボールを配置し、これらのボールをシャフト下端の固定ディスク面と、ピストン内周開口側の円錐形状のテーパ面状部面との間に挟持する推力拡大機構を有しているため、例えば、ダイヤフラムバルブにおいては弁開から弁閉に移動するとダイヤフラムの受圧面積と共に締め切り推力が増加するが、この締め切りに必要な推力に合わせた効率的な出力推力を得ることができ、弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
このとき、テーパ面状部を直線とした場合にはこの直線部でのボールによる拡大率が一定になり、二段テーパとした場合には二段の拡大率に変化するだけであるため、スプリング荷重の減少とともに出力推力も減少するおそれがあるが、テーパ面状部面、固定ディスク面、或はディスク面の何れか一つを曲面に形成することで、スプリング荷重が減少した場合でも弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加させることが可能になる。
複数段のシリンダを必要とすることなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させているため、ボールやピストン、固定ディスク面の消耗を抑えて耐久性を向上できる。ピストン、出力軸部、ボール、シャフト下端の固定ディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。
【００１９】
請求項２に係る発明によると、固定部材に軸着したローラカムの第１ローラ部材がテーパ面状部面に移動自在に当接し、第２ローラ部材が出力軸部のディスク面を押圧してピストンの推力を出力軸部に拡大して出力する推力拡大機構を有しているため、ローラカムが円弧運動することでピストン内面のテーパ面状部面が直線、或は曲面の何れの場合でも、弁開から弁閉まで連続的に出力推力を増加できる。この場合、効率的な出力推力を得ることで弁締切りのための高推力と大流量のための高ストローク化ができる。
複数段のシリンダを要することなく全体の小型化と内部構造を単純化し、部品点数の削減を図りつつバルブ作動用の推力を高めてバルブのシール性を向上できる。このため、高圧流体用のバルブに好適であり、テーパ面状部により荷重を分散させて耐久性を向上でき、バルブへの組付けや調整も容易になる。
【００２０】
請求項３に係る発明によると、推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全スロトークで増加させることにより、複数段のシリンダを要することなく全体をコンパクト化しながら弁開から弁閉時への締め切りに要する出力推力を確実に発揮でき、高圧流体の場合でも高シール性を発揮できる。ローラカムを有する推力拡大機構とした場合には、ローラカムが円弧運動することで弁閉側に作動するほど拡大率が大きくなり、かつ、テーパ面状部の曲面等と併用して弁開から弁閉側に作動すると、更に出力推力が拡大しながら作動する。ピストン、出力軸部、ローラカム、出力軸部のディスク面を本体内に一体に組み込んでユニット化できるため、バルブへの取付けや取付け後の調整等も容易になる。
【００２１】
請求項４に係る発明によると、テーパ面状部面、固定ディスク及びディスク面の何れかを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に設け、そのテーパ角度を変えることでピストン作動時の推力の増加割合を変えることができる。この場合、開口側を奥側よりも緩やかなテーパ角度とすることで弁開側では出力推力が小さく弁閉側の近傍では出力推力を大きくして同じスプリングを使用した場合でも高推力と高ストロークが得られる。
【００２２】
請求項５に係る発明によると、シャフトを螺着構造に設けていることにより、このシャフトを回転させることで上下動させて固定ディスクまたはローラカムを位置調整することで、個々のバルブのシール位置のバラツキに応じて弁閉位置を調整できる。この場合、アクチュエータの上部にシャフトを取付けていることで、所定トルクでシャフトを回転させて簡単にシール位置を調整しながら固定ディスクまたはローラカムを推力の拡大開始位置まで締め付けでき、別の締付け用のネジ部材等を必要としないため部品点数を抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のバルブ用アクチュエータの第１実施形態を示した断面図である。
【図２】図１のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図３】図１の要部を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した要部拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した要部拡大断面図である。
【図４】バルブ用アクチュエータの特性を示したグラフである。
【図５】本発明のバルブ用アクチュエータの第２実施形態を示した断面図である。
【図６】図５のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図７】バルブ用アクチュエータの要部を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した要部拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した要部拡大断面図である。
【図８】弁体付近を示した拡大断面図である。（ａ）は、弁閉状態を示した拡大断面図である。（ｂ）は、弁開状態を示した拡大断面図である。
【図９】本発明のバルブ用アクチュエータの第３実施形態を示した断面図である。
【図１０】図９のバルブ用アクチュエータの弁閉状態を示した断面図である。
【図１１】本発明のバルブ用アクチュエータの第４実施形態を示した断面図である。
【図１２】図１１のバルブ用アクチュエータの弁開状態を示した断面図である。
【図１３】本発明のバルブ用アクチュエータの第５実施形態を示した断面図である。
【図１４】従来のバルブ用アクチュエータを示した断面図である。
【図１５】（ａ）は、図１４の要部拡大断面図である。（ｂ）は、（ａ）が弁閉動作した状態を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明におけるバルブ用アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１、２においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第１実施形態を示しており、図１に弁閉状態、図２に弁開状態をそれぞれ示している。図３においては、弁の開閉状態における要部拡大断面図を示している。
【００２５】
図において、バルブ用アクチュエータ本体（以下、アクチュエータ本体という）２０は、シリンダ２１とこのシリンダ２１を被蓋するためのベース体２２とを有するボデー２３を備え、このボデー２３内に、テーパ面状部３１を形成したテーパ面状部面４８、固定ディスク２７に形成されたテーパ面からなる固定ディスク面５０、移動部材であるボール２８を有する推力拡大機構３０を備えている。さらに、アクチュエータ本体２０には、弁駆動用出力軸部２６、ディスク２９が設けられ、このアクチュエータ本体２０により、外部のバルブ（弁）３５を駆動可能になっている。
【００２６】
テーパ面状部３１は、アクチュエータ本体２０内に設けたピストン２５に形成されている。このテーパ面状部３１は、ピストン２５の内側のピストン内周面２５ａをくり抜いてピストン２５の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面２５ａにはこのテーパ面状部３１を含んだ前記テーパ面状部面４８が形成されている。本実施形態において、テーパ面状部３１は、開口部側の第１テーパ面状部３１ａと、この第１テーパ面状部３１ａに続く第２テーパ面状部３１ｂとからなるテーパ角度の異なる二段に設けられている。図示しないが、第１テーパ面状部３１ａのテーパ角度は、第２テーパ面状部３１ｂのテーパ角度よりも緩やかになっている。
【００２７】
テーパ面状部面４８はテーパに限ることなく、これを二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成するようにしてもよい。さらには、テーパ面状部面４８に限らず、固定ディスク面５０或は後述するディスク面であるボール載置部３８を二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成することもできる。何れの場合にも、テーパ角度を適宜の角度に設けることができる。この場合、上記したように作動方向に向けてより緩やかな傾斜となるようなテーパ角度とすることが望ましい。
【００２８】
ピストン２５は略円筒状に形成され、この１個のピストンがシリンダ２１内に往復移動可能に収納されている。ピストン２５の内外周側には、Ｏリング３２、３３が装着されている。ピストン２５の先端側には当接部３４が形成され、この当接部３４は、作動時にベース体２２に当接可能になっている。
【００２９】
弁駆動用出力軸部２６は、押え部材３７の上部に配設され、この押え部材３７はアクチュエータ本体２０に取付けたバルブ３５の弁体３６に直接接触して駆動させるために設けられている。出力軸部２６の固定ディスク２７との対向側にはディスク２９が設けられ、このディスク２９面上にはボール載置部３８が形成されている。出力軸部２６の下部には軸部３９が形成され、この軸部３９は、ベース体２２に形成された取付穴４０に挿入されており、これにより出力軸部２６全体がベース体２２に対して上下動自在になっている。出力軸部２６とベース体２２との間にはコイルスプリング４１が装着されている。出力軸部２６は、コイルスプリング４１により、図１において上方向に弾発付勢されている。軸部３９の外周にはＯリング４２が装着され、このＯリング４２により軸部３９とベース体２２との間がシールされる。
【００３０】
固定ディスク２７は、シャフト４３を介してアクチュエータ本体２０の上部に固定される。その際、固定ディスク２７は、シャフト４３に形成された雄ねじ部４４とシリンダ２１に形成された雌ねじ部４５との螺着により出力軸部２６と対向するように配置される。この螺着構造によりシャフト４３を上下に移動してその位置を調整でき、固定ディスク２７の位置を調整可能になっている。この固定ディスク２７の位置調節により後述するように弁閉位置調整が可能になり、バルブ３５とアクチュエータ本体２０との位置合わせ用の別体の調整ネジ等を必要としないため部品点数が抑えられ、アクチュエータ本体全体を回転して位置合わせをおこなう必要もない。
【００３１】
シャフト４３の内部には、アクチュエータ本体２０の外部と、ピストン２５とベース体２２との間を連通する流入口４６が形成されている。この流入口４６を介してアクチュエータ本体２０の外部よりピストン２５とベース体２２との間のシリンダ２１内に圧縮エアが供給可能になっている。シャフト４３が螺着されるシリンダ２１の上部付近には、圧縮エアの流出口４７が形成されている。この流出口４７よりシリンダ２１とピストン２５との間に残ったエアが排気可能になっている。
【００３２】
アクチュエータ本体２０に固定されたシャフト４３下端の固定ディスク２７には、ディスク２９と対向して外径方向に傾斜した前述の固定ディスク面５０が形成されている。固定ディスク面５０は、例えば、図１において水平方向に対して３０°の角度に形成されている。
【００３３】
ボール２８は、例えば、鋼球よりなり、推力拡大機構３０の内部に複数個配置される。ボール２８は適宜数であればよいが、少なくとも３個以上設けることが好ましく、例えば、８〜１２個程度とするとよい。この場合、出力軸部２６と固定ディスク２７とが安定した状態になる。
【００３４】
ベース体２２には、前述したように出力軸部２６の軸部３９が挿入可能な取付穴４０が形成され、この取付穴４０により、出力軸部２６を作動方向に案内可能となる。ベース体２２のシリンダ側外周にはオネジ部５１が形成され、このオネジ部５１は、シリンダ２１に形成されたメネジ部５２とシール部材５１ａを介して密封シール可能に螺着接合されている。ベース体２２のバルブ装着側には雄螺子５３が形成され、この雄螺子５３を介してアクチュエータ本体２０がバルブ３５に着脱される。
【００３５】
アクチュエータ本体２０は、ピストン２５で作動するエアー駆動のアクチュエータでピストン２５の推力を拡大して弁３５を締め切る推力拡大機構３０が内蔵されている。推力拡大機構３０内には、ピストン２５のストローク中にテーパ面状部面４８に当接して移動する前記ボール２８が配置される。
【００３６】
推力拡大機構３０は、テーパ面状部面４８の内側に設けられている。この推力拡大機構３０は、出力軸部２６の上部に設けたディスク２９面上のボール載置部３８に複数個のボール２８が配置され、これらのボール２８が固定ディスク面５０とテーパ面状部面４８との間に挟持されることで構成されている。シリンダ２１とベース体２２とは、密封状態で螺着されてアクチュエータ本体２０として一体化される。ピストン２５は、上下動自在に取付けられ、このピストン２５とシリンダ２１との間にスプリング５５が配設されている。このスプリング５５により押え部材３７を押圧する方向にピストン２５が弾発されている。
【００３７】
アクチュエータ本体２０のピストン２５を作動させた場合には、この作動によりディスク２９面上のボール載置部３８に載置されたボール２８がディスク面であるボール載置部３８と固定ディスク面５０との間を移動する。この移動により、ピストン２５の推力が出力軸部２６に拡大して出力可能になっている。このアクチュエータ本体２０の推力拡大機構３０による弁の駆動時には、推力拡大機構３０の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにしてもよい。
【００３８】
アクチュエータ本体２０は、１個で構成したピストン２５の背面に取付けたスプリング５５により弁３５を閉止する構造であって、スプリング５５の推力を推力拡大機構３０により出力軸部２６に拡大して出力する構造のノーマリークローズタイプの空気圧作動アクチュエータとして構成されている。ピストンは１個に限られることがなく、後述するようにピストンを複数段重ねて構成することもできる。
【００３９】
バルブ３５は、一般的な構造のダイヤフラム弁であり、例えば、図１に示した構造になっている。このバルブ３５は、一次側流路６０、二次側流路６１を有する弁箱６２、弁体３６、弁座６４、押え部材３７、ボンネット６５を有している。弁体３６は、弁箱６２の所定位置に配設され、その上部に押圧用の押え部材３７が上下動自在にボンネット６５により取り付けられている。バルブ３５のアクチュエータ本体２０との接続側には、雄螺子５３と螺合可能な雌螺子６６が形成され、この雌螺子６６と雄螺子５３とを螺合させることにより、内部に推力拡大機構３０を組み込んだアクチュエータ本体２０とバルブ３５とをワンタッチで着脱できる。
【００４０】
押え部材３７は、アクチュエータ本体２０の出力軸部２６の軸方向への出力により上下動する。この押え部材３７の上下動によって弁体３６が弁座６４に接離し、一次側流路６０と二次側流路６１とが開閉可能になる。
【００４１】
上記実施形態においては、固定ディスク２７側に固定ディスク面５０を形成しているが、出力軸部２６のボール載置部３８に中心から放射状に図示しないテーパ面を形成することも可能である。このように固定ディスク２７或はディスク２９の何れか又は双方にテーパ面を形成し、このテーパ面とテーパ面状部面４８との間にボール２８を挟持してピストン２５の推力を出力軸部２６に拡大して出力することが可能である。これは、後述する第２、第３実施形態についても同様である。
【００４２】
図１、図３（ａ）において、前述したようにアクチュエータ本体２０は、常時においてはピストン２５とシリンダ２１との間に配置されたスプリング５５の弾発力によりピストン２５が軸方向の図における下方向に付勢されている。このとき当接部３４がベース体２２に当接してピストン２５の下方向への移動量が規制され、推力拡大機構３０に過大な力が加わることが防がれている。
【００４３】
ピストン２５が下降すると、複数個配置されたボール２８がピストン内周面２５ａに形成されたテーパ面状部３１に沿って内側（内径方向）に押し込まれ、固定ディスク２７の固定ディスク面５０に沿って移動する。このとき、固定ディスク２７がシャフト４３を介してアクチュエータ本体２０内の所定位置に固定されているため、ボール２８がディスク２９のボール載置部３８を半径方向の内径側に移動しながらこの出力軸部２６を押し下げる。
【００４４】
ボール２８の軸方向の移動成分は、ディスク２９を介して推力が拡大されて出力軸部２６から出力される。推力拡大機構３０の固定ディスク面５０とボール２８とは、ピストン２５のテーパ面状部面４８の内側に配設されているため、ピストン２５と出力軸部２６とが接触することなくピストン２５のストロークやテーパ面状部３１を長く確保できる。この機構によってピストン２５のストロークを長くでき、例えばスプリング５５の弾発力を１０〜２０倍程度の推力に拡大しながら押え部材３７に伝達し、この押え部材３７により弁体３６を弁座６４方向に強く押圧して弁閉状態を維持できる。そのため、高圧流体に適した高いシール性を確保できる。
【００４５】
図３（ａ）において、弁開動作時においてピストン２５からの下向きの力Ｆ１ｙがピストン２５とボール２８との接点Ｃ１に伝達されるときには、テーパ面状部３１の作用により力の方向と大きさが分力の法則で分力となって、水平方向の力Ｆ１ｘとなってボール２８に働く。この力Ｆ１ｘは接点Ｃ２でボール２８から固定ディスク２７に伝達されるため、この力Ｆ１ｘと相反する力が固定ディスク２７から反力Ｆ´１ｘとして働く。反力Ｆ´１ｘは、分力の法則により接点Ｃ２において下向きの力Ｆ´１ｙとなり、この力Ｆ´１ｙは、テーパ面状部３１、固定ディスク面５０のテーパの作用により、図３の矢印の方向に弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加しながら１０〜２０倍の推力に拡大されて出力推力として出力される。
【００４６】
一方、外部からシャフト４３の流入口４６を介してピストン２５とベース体２２との間に圧縮空気を供給すると、ピストン２５がスプリング５５を圧縮する方向（図１における上方向）に移動する。このため、固定ディスク面５０により外径方向に移動する力が働いているボール２８がテーパ面状部面４８に沿って外径方向に移動し、出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力で上方に移動し、弁体３６と押え部材３７とは流路内を流れる高圧流体の圧力で上方に移動して図２、図３（ｂ）の弁開状態になる。その際、シリンダ２１とピストン２５との間のエアが流出口４７を介して排気される。
【００４７】
ここで、アクチュエータ本体２０でバルブ３５を開閉操作する前には、出力軸部２６の弁閉位置（図１における最下位の状態）と、弁体３６の弁閉位置を合わせておく必要がある。位置合わせ時には、ピストン２５を最下位にした状態でアクチュエータ本体２０とバルブ３５とを固定する。次いで、シャフト４３を回転させ、このシャフト４３先端に設けられた固定ディスク２７を上下動させてこの固定ディスク２７と出力軸部２６との間隔を調整しつつ、出力軸部２６で弁体３６を閉状態に押圧させる。このときスプリング５５の弾発力で弁閉状態を維持する強さにするように所定のトルクでシャフト４３を締め付ける。これによってアクチュエータ本体２０の出力軸部２６と弁体３６との位置を合わせできる。
【００４８】
このように、シリンダ２１に螺合したシャフト４３を回転させることで出力軸部２６と固定ディスク２７との間隔を簡単に調整して弁体３６のシール位置を正確に調整できる。この場合、上記したようにスプリング５５の弾発力を１０〜２０倍程度の推力に拡大して出力軸部２６から出力できる。例えば、推力を１０倍に拡大する場合、出力軸部２６の移動量が０．１ｍｍで推力拡大機構３０の摩擦抵抗を５０％とすると、ピストン２５の移動量が２ｍｍになる。このように、推力の拡大率からシャフト４３の移動量に対して弁体３６の移動量を把握できるため、シャフト４３の所定量の移動より容易に出力軸部２６を微調整してこの出力軸部２６と弁体３６との位置を合わせできる。
【００４９】
アクチュエータ本体２０による推力を、例えば１０倍に拡大している場合には、弁座締め切りの移動量が０．１ｍｍに対してピストン２５の移動量は１ｍｍとなり、弁座のシール位置に合わせて弁閉位置調整を実施する必要がある。その際には、上記のようにピストン２５を最下位にした状態でシャフト４３を回転調節し、固定ディスクをピストン推力程度が発生するトルクで締付けることで簡単にシール位置を調整できる。
【００５０】
図４においては、図１のアクチュエータ本体２０の弁開から弁閉動作時のピストン２５の移動時のストローク（シリンダストローク）ＳＬに対する、ダイヤフラム反力ＤＦ、スプリング荷重ＳＦ、アクチュエータ出力推力ＡＦの変化を示している。弁の全開状態では、ダイヤフラム反力ＤＦ１と、図３（ｂ）に示したスプリング荷重ＳＦ１が加わりつつアクチュエータ出力推力ＡＦ１が得られる。弁の全閉状態では、ダイヤフラム反力ＤＦ２と、図３（ａ）に示したスプリング荷重ＳＦ２が加わりつつアクチュエータ出力推力ＡＦ２が得られる。
【００５１】
ダイヤフラム反力ＤＦについて、ダイヤフラム弁体３６はいわゆるドーム形状に形成され、このドーム部位で圧力を受圧して推力を伝達するため、図３（ｂ）の弁開時におけるダイヤフラム反力ＤＦ１はゼロになる。弁開状態から弁閉状態に動作させると、弁体３６の変形に伴って流体からの受圧面積が徐々に増加する。そして、図３（ａ）の弁閉時においては流体から弁体３６が受ける受圧面積が最大となり、この弁体３６を閉止するために要するダイヤフラム反力ＤＦ２が最大になる。
【００５２】
スプリング荷重ＳＦについては、弁開状態ではピストン２５でスプリング５５が圧縮されて大きくなり、全開時においてスプリング荷重ＳＦ１が最大となる。弁開状態から弁閉状態に動作させるとスプリング荷重ＳＦは減少し、これによって伝達効率が悪くなり、弁体３６を弁閉方向に作動させる力が弱くなる。図８における全閉時においては、シリンダストロークＳＬにおけるスプリング荷重ＳＦ２が最小となる。
【００５３】
本発明のバルブ用アクチュエータの推力拡大機構３０は、弁体３６が全開から全閉まで動作するときの弁ストロークＬにおいて、弁閉方向の出力推力ＡＦを全ストロークで増加させるようにしているため、スプリング荷重ＳＦ１が最大の全開側では弁ストロークＬを増加し、全閉側では最大の出力推力ＡＦ２を出力することが可能になる。
このように効率よく推力を拡大して伝達できることで、アクチュエータ本体２０を小型化した場合でも高圧弁の高推力や大流量のための高ストローク化に対応できる。この場合、例えば、アクチュエータ本体を一般的なアクチュエータ径の７０％程度の大きさに設けた場合であっても、一般的なアクチュエータと同等の圧力・流量に対応可能になる。
【００５４】
上記したように、本発明のバルブ用アクチュエータは、本体２０内に設けたピストン２５の内周開口側に沿って広がる円錐形状のテーパ面状部３１を形成したテーパ面状部面４８を形成し、ピストン２５のストローク中にテーパ面状部３１に当接して移動する移動部材２８を配置し、この移動部材２８を有する推力拡大機構３０を介して弁３５を閉止するための出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させているので、複数段のシリンダ構造を設けることなく高さ寸法を抑えて小型化しつつ高圧流体に対応できる。
【００５５】
この場合、推力拡大機構３０が、ピストン２５の作動によりボール２８がテーパ面状部面４８と固定ディスク面５０との間を移動してピストン２５の推力を出力軸部２６に拡大して出力する機構であるので、ピストン２５のストロークやテーパ面状部面４８を長くできる。そのため、例えば、ピストン２５がニードル状である場合と比較して出力軸部２６からの出力推力を大きくでき、１０〜２０倍の推力に拡大してより高圧の流体にも対応できる。更に、このようなシリンダ構造の単純化により、部品点数も削減できる。しかも、テーパ面状部面４８、固定ディスク面５０の角度を調整することで、出力推力の拡大倍率を任意に設定することも可能になる。
【００５６】
テーパ面状部面４８を二段のテーパに設けていることにより、このテーパ面状部面４８の角度を変えてピストン作動時の推力の増加割合を調節できる。この調節により、例えば、バルブの弁閉状態の近傍では出力軸部の移動量を少なくして微流量を調整でき、バルブが弁開状態になるときには出力軸部の移動量を大きくして弁開速度を速めて弁閉から弁開への切換えを迅速に実施できる。
【００５７】
テーパ面状部面４８の内側に固定ディスク面５０とボール２８とが配設されているので、ボール２８の個数を増やすことができ、ボール２８の個数を増やすことでピストン２５からの力を分散して出力軸部２６に伝達できる。そのため、ボール２８の消耗を抑えて出力軸部２６の陥没や傷付きを防ぎ、耐久性を向上できる。
【００５８】
アクチュエータ本体２０を構成する場合には、ピストン２５、出力軸部２６、固定ディスク２７、ボール２８を有する推力拡大機構３０をシリンダ２１とベース体２２内に組み込んだ状態で一体化できる。このため、予めアクチュエータ本体２０をバルブ３５と別体に設け、このバルブ３５との組み込みや弁体３６の調整を容易に実施可能となる。
【００５９】
図５、図６においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第２実施形態を示している。なお、以降の実施形態において、上述した実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
【００６０】
この実施形態におけるアクチュエータは、前述の実施形態のアクチュエータ本体２０と同様に、ダイヤフラム弁体３６をボール２８を有する推力拡大機構３０で推力拡大しながらスプリング５５の荷重で図８（ａ）の弁閉状態に作動し、密封された本体９０内においてエア圧力で図８（ｂ）の弁開状態に作動させるノーマリークローズタイプの機構を有する空気圧作動のバルブ用アクチュエータである。
【００６１】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、このアクチュエータ本体９０では、ピストン９３のテーパ面状部面４８のテーパ面状部９１が円弧部により形成されている。この円弧部９１にボール２８が当接することにより、ピストン９３をスムーズに動作させることができる。さらに、ボール２８とこの円弧部９１との接触領域が長くなることで、ピストン９３を緩やかに動作させて弁開度の微調整が可能になる。
【００６２】
さらに、円弧部９１は、開口部側の第１円弧部９１ａと、この第１円弧部９１ａに続く第２円弧部９１ｂとからなる二段の異なるテーパ角度になっている。このテーパ角度は開口側が奥側よりも緩やかになっており、すなわち、図７（ａ）において、第１円弧部９１ａのテーパ角度θ１＜第２円弧部９１ｂのテーパ角度θ２の関係になっている。これによって、第１実施形態の場合と同様に、円弧部９１の角度を変えてピストン９３作動時の推力の増加割合を調節できる。
【００６３】
また、この実施形態におけるアクチュエータ本体９０は、ピストン９３の上方側に別の形状のピストン９６とシリンダ部９４とが設けられて３段のピストン構造に設けられている。シャフト４３の内部には流入口４６から分岐する分岐口９５が形成されており、この分岐口９５を介してピストン９３とシリンダ部９４との間に圧縮エアが供給される。
【００６４】
ピストンを複数段に構成した場合、ピストンから１個の場合よりも推力を高めつつシリンダ外径を小さくして幅方向のサイズをコンパクト化できる。この省スペース化により、狭い場所に対してもフットプリントを小さくして集積化が可能になる。ピストンを３段以上に設ける場合には、同じ形状のピストン９６とシリンダ部９４とを兼用でき、これらを上下に重ねることで部品の種類の増加を防ぎつつ簡単に組立てできる。
【００６５】
図９、図１０においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第３実施形態を示している。
このアクチュエータ本体７０は、１個のピストン７１と固定ディスク２７との間にスプリング５５を配置してピストン７１の背面からのエア圧力を供給して弁３５を閉止する構造になっている。これにより、このアクチュエータ本体７０は、ピストン７１の推力を推力拡大機構３０により出力軸部２６に拡大して出力する構造のノーマリーオープンタイプになっている。図示しないが、このノーマリーオープンタイプの場合にも、ノーマリークローズの場合と同様に複数段のピストンを重ねて構成できる。
【００６６】
シャフト２１の内部には、アクチュエータ本体７０の外部と、ピストン２５と、ボデー２３を構成するシリンダ２１との間を連通するエア流路７２が形成され、このエア流路７２を介して外部からピストン７１とシリンダ２１との間に圧縮空気を供給することが可能になっている。
【００６７】
ピストン７１とシリンダ２１との間に外部より圧縮エアを供給すると、ピストン７１がスプリング５５の弾発力に抗してこのスプリング５５を圧縮する方向（図９における下方向）に作動し、ボール２８がテーパ面状部３１を有するテーパ面状部面４８に沿うように内径方向に移動して、出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力に抗して下方に移動することで出力軸部２６が下方に移動し、この出力軸部２６が押え部材３７を下方に押圧して図１０の弁閉状態になる。図１０から図９の弁開状態にするときには、流出口４７よりエアを外部に逃すようにすればよい。
【００６８】
図１１、図１２においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第４実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体１００は、推力を拡大するための２つのローラカム１０２を有する推力拡大機構１０１を備えている。各ローラカム１０２、１０２は、本体１００に固定したシャフト４３の下端のシリンダ２１内に固定された固定部材１０５に軸着されている。固定部材１０５は、シャフト４３の先端側にナット１０７で取付けられ、取付後には固定部材１０５がシリンダ２１内の所定位置に配設される。
【００６９】
シャフト４３は、アクチュエータ本体１００の上部に前記実施形態と同様に螺着して固定されている。この螺着構造により、シャフト４３が上下に調整可能に設けられ、ローラカム１０２の上下位置を調整可能になっている。
【００７０】
ローラカム１０２の上端には第１ローラ部材１０３が設けられ、この第１ローラ部材１０３は、テーパ面状部９１を形成したテーパ面状部面９７に移動自在に当接した状態に配設されている。テーパ面状部９１は、ピストン１０８の内側のピストン内周面１０８ａをくり抜いてピストン１０８の内周開口側に沿って広がった円錐形状に形成され、ピストン内周面１０８ａには、このテーパ面状部９１を有するテーパ面状部面９７が形成されている。
【００７１】
一方、ローラカム１０３の下端には第２ローラ部材１０４が設けられている。ピストン１０８から推力が伝達された場合には、テーパ面状部面９７に当接した第１ローラ１０３によりローラカム１０２が軸着部１０６を中心に回転し、このローラカム１０２の回転によって第２ローラ部材１０４が出力軸部２６のディスク２９に押圧され、ピストン１０８の推力が出力軸部２６に拡大して出力される。
【００７２】
ピストン１０８とシリンダ２１との間には２本のスプリング１０９、１１０が設けられており、これらのスプリング１０９、１１０のバネ定数は、例えば、第２実施形態のスプリング５５のバネ定数よりも小さく設けられている。この場合、弁開から弁閉になるときのスプリングの荷重の減少が抑えられる。
【００７３】
アクチュエータ本体１００は、前述の推力拡大装置３０と同様にバルブ３５に取付け可能になっている。バルブ３５への取付け時には、雄螺子５３と雌螺子６６とを螺合することで、内部に推力拡大機構１０１を組み込んだアクチュエータ本体１００と、バルブ３５とをワンタッチで着脱できる。
【００７４】
図１１のアクチュエータ本体１００において、常時においてはスプリング５５の弾発力によりピストン１０８が下方向に付勢される。このピストン１０８の下降により上部側のローラ１０３がテーパ面状部面９７に沿って回転しながら、ローラカム１０２が軸着部１０６を中心に回転する。このときローラカム１０２は、軸着部１０６を中心として立設する方向に回転するため、下部側のローラ１０４が回転しながらディスク２９を下方に押すことでこのローラ１０４により出力軸部２６が押し下げられる。その際、ピストン１０８からの推力が拡大しながら伝達される。ローラカム１０２を用いた推力拡大機構１０１の場合には動力変換効率を高めることが可能になり、図に示した１個のピストンによって十分な推力を得ることができる。さらに、このときにもボールを移動部材とした場合と同様に、ピストンを複数段重ねて構成することでさらに推力を高めつつコンパクト化することができる。
【００７５】
図１２において、流入口４６からピストン１０８とベース体２２との間に圧縮エアを供給したときにはピストン１０８がスプリング１０９、１１０を圧縮しながら上昇し、これに伴って上部側のローラ１０３がテーパ面状部面９７に対して回転しながらローラカム１０２が軸着部１０６を中心に左右に傾倒する方向に回転する。これにより下部側のローラ１０４の位置が図１１の場合よりも上方側に移動し、この移動に伴って出力軸部２６がコイルスプリング４１の弾発力で上方に移動して弁開状態になる。
このように、ボール２８の代わりにローラカム１０２を用いて推力拡大機構１０１を設けることができ、さらには、推力拡大機構をこれら以外の構造に設けることもできる。このアクチュエータ本体１００の場合にも、前述したアクチュエータ本体２０の場合と同様に、弁を駆動する推力拡大機構１０１の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させることができる。
【００７６】
また、アクチュエータ本体１００はノーマリークローズタイプであるが、ボール２８を利用した推力拡大機構の場合と同様にノーマリーオープンタイプに構成することもできる。何れの場合にも、全開から全閉までの弁体３６の弁閉方向の出力推力を流体圧による反力よりも常に大きい状態で増加させることができる。
【００７７】
図１３においては、本発明のバルブ用アクチュエータの第５実施形態を示している。
このアクチュエータ本体８０は、内部に推力拡大機構を有しない一段のシリンダ構造を有するアクチュエータ構造になっており、前述したアクチュエータ本体２０、７０と同一のベース体２２を共通化して利用したものである。
このように、ベース体２２を共通化して、内部構造の異なるアクチュエータ本体２０、７０、８０を構成することができるため、バルブの用途や使用箇所などに応じて内部構造や大きさの異なるアクチュエータとして製品の付加価値を高めることができる。更には、例えば、メタルダイヤフラムバルブ以外の上下動により作動する構造のバルブを取付けることも可能であり、何れの場合においても、ベース体の雄螺子とバルブの雌螺子とを螺合することにより簡単に着脱可能な構成に設けることができる。
【符号の説明】
【００７８】
２０ アクチュエータ本体
２５ ピストン
２６ 出力軸部
２７ 固定ディスク
２８ ボール（移動部材）
２９ ディスク
３０ 推力拡大機構
３１ テーパ面状部
３５ バルブ（弁）
４３ シャフト
４８、９７ テーパ面状部面
５０ テーパ面
５５ スプリング
１０２ ローラカム
１０３ 第１ローラ部材
１０４ 第２ローラ部材
１０５ 固定部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、前記推力拡大機構は、弁駆動用出力軸部の上部に設けたディスク面上に移動部材である複数個のボールを配置し、これらのボールをアクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定ディスク面とピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面との間に挟持して構成されており、前記ピストンの作動により前記ディスク面に載置された前記ボールが前記ディスク面と固定ディスク面との間を移動することによって、前記ピストンの推力を前記出力軸部に拡大して出力するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項２】
ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、前記推力拡大機構は、アクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定部材に移動部材であるローラカムを軸着し、このローラカムの上端に設けた第１ローラ部材を、ピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面に移動自在に当接し、ローラカムの下端に設けた第２ローラ部材を弁軸駆動用出力軸部のディスク面に押圧して前記ピストンの推力を前記出力軸部に拡大して出力するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項３】
弁を駆動する前記推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにした請求項１又は２に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項４】
前記テーパ面状部面、固定ディスク面及びディスク面の何れかを、二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成した請求項１乃至３の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項５】
前記シャフトを前記アクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によって前記シャフトを上下に調整可能に設けて前記固定ディスクまたはローラカムの位置を調整可能に設けた請求項１乃至４の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項１】
ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、前記推力拡大機構は、弁駆動用出力軸部の上部に設けたディスク面上に移動部材である複数個のボールを配置し、これらのボールをアクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定ディスク面とピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面との間に挟持して構成されており、前記ピストンの作動により前記ディスク面に載置された前記ボールが前記ディスク面と固定ディスク面との間を移動することによって、前記ピストンの推力を前記出力軸部に拡大して出力するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項２】
ピストンで作動するエアー駆動のアクチュエータでピストンの推力を拡大して弁を締め切る推力拡大機構を内蔵するバルブ用アクチュエータにおいて、前記推力拡大機構は、アクチュエータ本体に固定したシャフト下端の固定部材に移動部材であるローラカムを軸着し、このローラカムの上端に設けた第１ローラ部材を、ピストンの内側をくり抜いてピストンの内周開口側に沿って広がった円錐形状のテーパ面状部を形成したテーパ面状部面に移動自在に当接し、ローラカムの下端に設けた第２ローラ部材を弁軸駆動用出力軸部のディスク面に押圧して前記ピストンの推力を前記出力軸部に拡大して出力するようにしたことを特徴とするバルブ用アクチュエータ。
【請求項３】
弁を駆動する前記推力拡大機構の出力推力を弁開から弁閉に向かって全ストロークで増加させるようにした請求項１又は２に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項４】
前記テーパ面状部面、固定ディスク面及びディスク面の何れかを、二段のテーパ又は円弧部或は曲面部に形成した請求項１乃至３の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【請求項５】
前記シャフトを前記アクチュエータ本体の上部に螺着して固定し、この螺着構造によって前記シャフトを上下に調整可能に設けて前記固定ディスクまたはローラカムの位置を調整可能に設けた請求項１乃至４の何れか１項に記載のバルブ用アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−３７０４８（Ｐ２０１２−３７０４８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８１７９（Ｐ２０１１−１１８１７９）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５０１４１７９２９）株式会社キッツエスシーティー (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５０１４１７９２９）株式会社キッツエスシーティー (22)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]