電動真空弁
【課題】停電時に電源を用いずに電動真空弁を閉弁すること。
【解決手段】
第１ポート５１と第２ポート５２と、弁室５３と、弁座５４と、を備える弁部２２と、ステッピングモータ２７に接続した送りねじ３４と、シャフト３６と、送りねじ３４とシャフト３６により構成される送りねじ機構と、シャフト３６の回転を止める回転止手段と、シャフト３６の先端に取り付けられた弁体４２と、復帰ばね４４と、を有する電動真空弁２１において、停電時に、ステッピングモータ２７のステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、復帰ばね４４の推進力がディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁するものである。
【解決手段】
第１ポート５１と第２ポート５２と、弁室５３と、弁座５４と、を備える弁部２２と、ステッピングモータ２７に接続した送りねじ３４と、シャフト３６と、送りねじ３４とシャフト３６により構成される送りねじ機構と、シャフト３６の回転を止める回転止手段と、シャフト３６の先端に取り付けられた弁体４２と、復帰ばね４４と、を有する電動真空弁２１において、停電時に、ステッピングモータ２７のステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、復帰ばね４４の推進力がディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１ポートと第２ポートと、第１ポートと第２ポートと連結する弁室と、弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、送りねじと螺合するシャフトと、送りねじとシャフトにより構成される送りねじ機構と、シャフトの回転を止める回転止手段と、シャフトの先端に取り付けられた弁体と、弁体と弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャンバを真空とするための真空ポンプを用いる場合、チャンバと真空ポンプの間には、チャンバと真空ポンプを遮断するため電動真空弁が用いられている。
停電（瞬時停電含む）や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止した時や、電動真空弁の電力供給が停止された時に、チャンバ内の真空度の保持や真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【０００３】
しかし、供給電源が断たれた場合には、電気により開閉する電動真空弁は、閉弁することができなくなり、チャンバと真空ポンプを隔離することができないため問題となる。
従来、停電時に閉弁するものとして以下のものが考えられる。
第１に、２次電池、電気二重層キャパシタ等の補助電源を用いて弁閉動作させる電動真空弁がある。第２に、油空圧等の蓄圧源でピストン等の圧力解除により弁閉動作させる電動真空弁がある。第３に、直線動作の場合は円筒ばねを内蔵し、動作とともに圧縮駆動し、クラッチ・ブレーキ機構あるいは動力を解除させたときにその荷重を利用し弁閉動作させる電動真空弁がある。
【０００４】
しかしながら、従来の補助電源、蓄圧源、及び、円筒ばねを用いる電動真空弁には、以下の問題があった。
すなわち、供給電源が断たれた場合に閉弁する電動真空弁は、補助電源を有する電動真空弁では、電源及び配線を必要となる。また、蓄圧源を有する電動真空弁では、圧を蓄えるタンク及び配線が必要となる。また、円筒ばねを有する電動真空弁では、駆動部との連結部材及びばねを戻す機構が必要となる。
したがって、補助電源、蓄圧源、及び、円筒ばねを有する電動真空弁では、既存の電動真空弁以外の部品が別途必要となるため、コストが高くなる問題、及び、大型化する問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するものとして、停電時に復帰ばねだけで閉弁させる真空弁が、特許文献１及び特許文献２において原理的な提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０２９４２６号公報
【特許文献２】特開平０１−３１６５８１号公報
【特許文献３】特開２００５−０３０４３９号公報
【特許文献４】特許２６６２３１２号
【特許文献５】特開２００３−１３９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載する電動真空弁は、停電時に復帰ばねだけで閉弁させる旨記載するのみであり、抽象的なアイデア、及び、原理的な提案にすぎない。
すなわち、以下の条件を全て満足する具体的な手段を見つけ出していない。
【０００８】
第１に、通常作動時のシール性能と耐久性能を、既存のエア駆動真空弁と同等またはほぼ同等とするために、復帰ばねの力は既存のエア駆動真空弁と同じかおおよそ同じでなければならない。
第２に、正月休みなど長期間弁閉したままの状態で放置すると弁体のシール部材と弁座が固着するため、開弁するためには固着を引き剥がすための力がモータトルクに必要である。
第３に、真空ポンプが停電で停止すると、真空ポンプからチャンバ室側へ潤滑油などの拡散（逆流）が始まるため、停電時の閉弁は迅速でなければならない。
第４に、停電時に閉弁するためには、復帰ばねの推進力がステッピングモータのステータとロータの間に発生するディテントトルクより大きい必要がある。
【０００９】
特許文献１及び特許文献２に記載する電動真空弁は、上記第１乃至第４の具体的手段について、全く記載されていないため、抽象的なアイデア、及び、原理的な提案にすぎないといえる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は既存の復帰ばねを用い、停電時に電源を持たなくとも閉弁できる電動真空弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様における電動真空弁は、以下の構成を有する。
（１）第１ポートと第２ポートと、該第１ポートと該第２ポートと連結する弁室と、該弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、該送りねじと螺合するシャフトと、該送りねじと該シャフトにより構成される送りねじ機構と、該シャフトの回転を止める回転止手段と、該シャフトの先端に取り付けられた弁体と、該弁体と該弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、前記復帰ばねの推進力が前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁すること、を特徴とするものである。
（２）（１）に記載する電動真空弁において、前記シャフトと前記復帰ばねはベローズで覆われていること、を特徴とするものである。
（３）（２）に記載する電動真空弁において、前記ベローズの前記シャフト側は大気圧であり、前記弁室内は真空圧力であるとき、前記復帰ばねの推進力と前記真空圧力により前記弁体に発生する推進力の和は、前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であること、を特徴とするものである。
（４）（１）乃至（３）に記載するいずれか１つの電動真空弁において、前記弁体を開弁するための前記ステッピングモータの駆動トルクを前記送りねじ機構により変換した直進推力は、前記復帰ばねの推進力と、前記第１ポート側が真空状態で前記第２ポート側が大気圧の時に前記弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であること、を特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記電動真空弁の作用及び効果について説明する。
（１）第１ポートと第２ポートと、第１ポートと第２ポートと連結する弁室と、弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、送りねじと螺合するシャフトと、送りねじとシャフトにより構成される送りねじ機構と、シャフトの回転を止める回転止手段と、シャフトの先端に取り付けられた弁体と、弁体と弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、復帰ばねの推進力がディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁することにより、停電時において、畜電源等の複雑な構造を必要とせず、復帰ばねの推力がステッピングモータのディテントトルクより大きくなるため閉弁することができる。
真空圧流体用という特殊な弁において、コストを抑え、大型化を防止しながら、復帰ばねのみにより閉弁するためには、ディテントトルクとの条件を探ることが必要であり、当該発見は、本実験を繰り返した本出願人でなければ、容易に想到することができない。
（２）シャフトと復帰ばねはベローズで覆われていることにより、駆動機構部と弁室を確実に分離することができるとともに、ベローズの駆動シャフト側は大気圧であるため、停電時に弁室内が真空圧であれば、差圧により発生推進力が復帰ばねの力に加わり、さらに迅速かつ確実に閉弁することができ、真空ポンプの油分等の拡散を防ぐことができる。また、この拡散のスピードは、真空度が高いほど速まるが、停電時の真空度が高いほど、開弁スピードも速くなるため、確実に拡散を防ぐことができる。
（３）ベローズのシャフト側は大気圧であり、弁室内は真空圧力であるとき、復帰ばねの推進力と真空圧力により弁体に発生する推進力の和は、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であることにより、停電時において、迅速かつ確実に閉弁することができ真空ポンプの油分等の拡散を防ぐことができる。
（４）弁体を開弁するためのステッピングモータの駆動トルクを送りねじ機構により変換した直進推力は、復帰ばねの推進力と、第１ポート側が真空状態で第２ポート側が大気圧の時に弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であることにより、長時間開閉弁の放置による環状シール部材と弁座間の固着と、流体の圧力が閉弁方向もっとも強く働く場合であっても、迅速かつ確実に閉弁することができる。
また、復帰ばねの直進推力は閉弁方向に働く推力であり、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力は開弁方向に働く推力であり、相反するものである。相反する関係にあるため、必要な復帰ばねの直進推力を保ちつつ、さらに、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力を保つことができる、バランスが取れる範囲は狭い。バランスが取れた適切なリードを本出願人が実験により発見できたことにより、既存の電動真空弁の部品である復帰ばねを使用し停電時に確実に弁閉することができたのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の閉弁時の断面図を示す。
【図２】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の開弁時の断面図を示す。
【図３】本発明の本実施例１に係る電動真空弁を含む減圧乾燥装置の略式図を示す。
【図４】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種１の最適条件を示す。
【図５】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種２の最適条件を示す。
【図６】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種３の最適条件を示す。
【図７】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種１の発生推力と圧力の関係を示す。
【図８】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種２の発生推力と圧力の関係を示す。
【図９】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種３の発生推力と圧力の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る電動真空弁の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、電動真空弁２１の閉弁状態の断面図を示す。図２に、電動真空弁２１の開弁状態の断面図を示す。図３に、電動真空弁２１を含む減圧乾燥装置１を示す。
＜減圧乾燥装置の構成＞
電動真空弁２１は、図３に示す減圧乾燥装置１に使用される。電動真空弁２１は、図１に示す、駆動部２３により弁部２２の弁開度を多段的に変化させ、チャンバ室１０からガスを排気する排気速度を制御する。
図３に示す、減圧乾燥装置１においては、チャンバ室１０内を減圧状態、すなわち、真空状態に保ちながら、基板の塗膜乾燥を行うが、大気圧状態から真空状態にするときには、チャンバ室１０内の堆積物を巻き上げ、基板に付着させたり、排気流により基板そのものを損傷させたりしないため等に、排気量の調節が必要である。そこで、大口径真空遮断弁１２の弁を開ける前に電動真空弁２１により徐々に弁を開けることで排気量の調節を行う。
減圧乾燥装置１は、大口径真空遮断弁１２と電動真空弁２１を複数有している。大口径真空遮断弁１２と電動真空弁２１と真空ポンプ１１の数は、チャンバ室１０の大きさにより増減する。
【００１５】
＜電動真空弁の構成＞
図１に示すように、電動真空弁２１は、バルブボディ２４とシリンダボディ２５がボルト５５で一体化され、シリンダボディ２５とカバー２６とステッピングモータ２７がボルト２８で一体化され、外観が構成されている。
ステッピングモータ２７は、ハイブリッド型ステッピングモータを利用する。ハイブリッド型ステッピングモータは、ＰＭ型とＶＲ型を一体化した構造で、微細角駆動・高トルクが特徴である。また、内蔵する永久磁石にてロータを拘束する力は、保持力として発生し、省エネシステムの構成に貢献している。反面、無励磁の場合でも永久磁石の吸引・反発により低レベルの保持トルクが発生する。このトルクをディテントトルクといい、最大静止トルクの５〜１０パーセントのトルクが周期的に発生する。本実施例では、ステッピングモータ２７に、例えば、日本電産サーボ株式会社製の２相ハイブリッド型ステッピングモータと東芝製のチョッパ方式バイポーラ駆動ステッピングモータコントロールドライバＩＣ等を利用している。
【００１６】
弁部２２は、バルブボディ２４に開口する第１ポート５１と第２ポート５２が弁室５３を介して連通している。弁室５３内の第１ポート５１が開口する開口部外周に、弁座５４が平坦に設けられている。弁室５３には、弁座５４に当接又は離間する弁体４２が収納されている。
駆動部２３は、ステッピングモータ２７の回転運動を直線運動に変換して弁体４２に伝達する。ステッピングモータ２７の出力軸３０は、カバー２６とシリンダボディ２５との間に形成される収納空間部３１に突出している。カバー２６とシリンダボディ２５の間には、ベアリング３２が挟持され、そのベアリング３２にホルダー３３が回転自在に保持されている。ホルダー３３は、上端部に出力軸３０がカップリング５８に連結され、下端部に送りねじナット３４が複数の固定ねじ３５で固定されており、送りねじナット３４の回転量をステッピングモータ２７の回転量により制御できるようになっている。
【００１７】
駆動シャフト３７は、シリンダボディ２５に固定ねじ３９で固定された回転止めナット３８に挿通されている。駆動シャフト３７は、断面六角形状をなす回転止め軸部３７ａが、回転止めナット３８に形成された六角形状の回転止め穴３８ａに挿通され、回転を制限された状態で軸方向へ往復直線運動する。送りねじシャフト３６は、送りねじナット３４に螺合されて駆動シャフト３７の上端部に接合され、送りねじナット３４の回転運動を軸方向への直線運動に変換して駆動シャフト３７に伝達する。
【００１８】
駆動シャフト３７の下端部には、弁体４２が、連結部材４０を介して連結されている。弁体４２は、ベローズディスク４７とバルブディスク４８とスカート４９を備え、これらを重ね合わせて連結ナット４３で連結部材４０に一体的に固定することにより、構成されている。環状シール部材５０は、弾性変形可能な材質からなり、ベローズディスク４７とバルブディスク４８との間に形成されるアリ溝に装着されている。復帰ばね４４は、ばね受け４５との間に縮設されて、弁体４２を弁座５４方向へ常時付勢している。連結部材４０は、駆動シャフト３７に対して軸方向へのガタを持って結合ピン４１で連結されており、復帰ばね４４のバネ力によりシール荷重が付与されるようになっている。ベローズ４６は、上端部がシリンダボディ２５とバルブボディ２４に挟持される挟持部４６ａに溶接され、下端部がベローズディスク４７に溶接されている。ベローズ４６のうち駆動シャフト３７側の空間を、ベローズ内空間５７（請求項中「ベローズのシャフト側」。）とする。弁体４２の上下動に応じて弁室５３内で伸縮して、駆動シャフト３７の摺動部等で発生するパーティクルが流路内へ流出しないようにしている。
ベローズ４６の平均径は環状シール部材５０とほぼ同じ径であり、ベローズ４６の内部は大気に開放されている。
【００１９】
ここで、ステッピングモータ２７には、図示しないロータの機械的回転変位量を計測するためのエンコーダ２９が固定されている。エンコーダ２９は、専用コントローラに通信可能に接続され、計測結果を専用コントローラに出力する。ステッピングモータ２７には、図示しないステータを有する。
【００２０】
（送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせ決定方法）
停電(瞬時停電含む)や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止したときや、本製品を搭載するシステムが異常を判断し装置を停止させるときに、チャンバの真空度の保持や、真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【００２１】
停電等の場合に電動真空弁に発生する力は、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力と、ステッピングモータのディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力である。また、弁室５３内が真空圧であるときには、ベローズ内空間５７が大気圧であることにより、真空圧力による閉弁方向に発生する推進力がある。
停電等の場合には、弁閉動作をするために、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力を利用し、閉弁する。また、弁室５３内が真空圧力であるときは、復帰ばね４４による閉止方向の直進推力のほか、真空圧力による閉弁方向に発生する推進力を利用し、閉弁する。
【００２２】
そこで、本出願人は、実験により送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを検討した。実験方法は、図４乃至図６に示すように、機種１、機種２、及び、機種３に対して、３つのステッピングモータＡ〜Ｃを用意し、弁室５３内が大気圧の状態で、直線推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。また、弁室５３内が真空圧（１００Ｐａ[ａｂｓ]）の状態で、直線推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。さらに、通常時の場合には、弁閉動作をするために、ステッピングモータの送りねじ機構により変換した直進推力が、復帰ばねの直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。
機種１、機種２、及び、機種３の接続口径ＮＷ２５、ＮＷ４０、ＮＷ５０である。
【００２３】
当該実験により、復帰ばね４４の力は既存の電動真空弁と同じかおおよそ同じものを選ぶことができた。また、正月休みなど長期間弁閉したままの状態で放置した場合に、弁体４２の環状シール５０が弁座５４に固着した場合でも、固着を引き剥がすことができるだけのモータトルクを有することができた。また、弁室５３内が大気圧で停電した場合には、復帰ばねの推進力がステッピングモータのディテントトルクよりも大きいため迅速かつ確実に閉弁することができる送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを選ぶことができた。また、弁室５３内が真空状態で停電した場合に、真空ポンプ１１からチャンバ１０へ潤滑油などの拡散が始まる前に、迅速かつ確実に閉弁することができる送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを選ぶことができた。
【００２４】
図４乃至図６に示すように、ステッピングモータが決定すると、最大静止トルクとディテントトルクは、自然と決まる。ステッピングモータのパワーにより、最大静止トルクとディテントトルクは決まってくるからである。
例えば、ステッピングモータＡを使用したときには、最大静止トルクは、４８０Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、２４Ｎｍｍである。ステッピングモータＢを使用したときには、最大静止トルクは、５７０Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、３０Ｎｍｍである。ステッピングモータＣを使用したときには、最大静止トルクは、１３７３Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、６９Ｎｍｍである。
【００２５】
（弁開時）
図４乃至図６の弁開時の必要推力Ｆａの求め方は、以下に示す［数１］の通りである。
【数１】
ここで、
Ｆａは、弁開時に必要な推力である。
Ｆ１は、第１ポート５１が真空で第２ポート５２が大気圧である閉弁状態から開弁する時に必要な推力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
弁開時の必要推力Ｆａは、Ｆ１とＦｆの和により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ１が、機種１においては、モータの種類を問わず１８６．１４Ｎである。また、Ｆｆが４．８０Ｎである。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦａを求めることができる。
【００２６】
図４乃至図６の弁開時の発生推力Ｆｂの求め方は、以下に示す［数２］の通りである。
【数２】
Ｆｂは、弁開時の発生推力である。
Ｆ２は、送りねじ作動力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
弁開時の発生推力Ｆｂは、Ｆ２とＦｆの差により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ２が、１３３３．５６Ｎである。また、Ｆｆが４．８０Ｎである。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｂを求めることができる。
【００２７】
［数２］に挿入される弁開時の送りねじ作動力Ｆ２の求め方は、以下に示す［数３］の通りである。
【数３】
η１は、送りねじの正効率である。正効率は、回転運動を直線運動に変えるときの効率である。
Ｔ１は、最大静止トルクである。
Ｐｈは、送りねじリードである。
弁開時の送りねじ作動力Ｆ２は、２πとη１とＴ１の積を、Ｐｈにより、割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、η１が０．８８８であり、Ｔ１が４８０であり、Ｐｈが２である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦ２を求めることができる。
【００２８】
［数３］に挿入される弁開時の送りねじ正効率η１の求め方は、以下に示す［数４］の通りである。
【数４】
μは、送りねじの摩擦係数である。
ｔａｎβは、送りねじリード角である。ｔａｎβは、一周の３６０度をリードの長さで割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、μが、０．０１であり、ｔａｎβが０．０８０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりη１を求めることができる。
【００２９】
（弁閉時）
図４乃至図６に示す弁閉時の発生推力Ｆｄの求め方は、以下に示す［数５］の通りである。
【数５】
Ｆ３は、復帰ばね４４の推進力と真空圧力による弁体に発生する推進力の和による発生推力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
Ｆｄは、Ｆ３とＦｆの差である。
弁閉時の発生推力Ｆｄは、Ｆ３とＦｆの差により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ３が１５４．２Ｎであり、Ｆｆが０．４０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｄを求めることができる。
【００３０】
図７は、機種１停電時の閉弁方向発生推力と弁室内及び第１ポート及び第２ポート圧力の関係を示す。
図７のうち線グラフＯは、図４のモータＡの場合を示し、線グラフＰは、図４のモータＢの場合を示す。
図７に示すように、線グラフＯで示す図４のモータＡの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは８１．７Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力１５３．８Ｎと大きくなる。すなわち、７２．１Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図７に示す、弁室内圧力がＳ１であるとき、線グラフＯで示す図４のモータＡの場合の発生推力は、Ｏ１となる。弁室内圧力がＳ１のときには、Ｏ１と復帰ばね４４の発生推力８１．７Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３１】
図７に示すように、線グラフＰで示す図４のモータＢの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは８１．６Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力１５３．７Ｎと大きくなる。すなわち、７２．１Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図７に示す、弁室内圧力がＳ１であるとき、線グラフＰで示す図４のモータＢの場合の発生推力は、Ｐ１となる。弁室内圧力がＳ１のときには、Ｐ１と復帰ばね４４の発生推力８１．６Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３２】
図８は、機種２の発生推力と圧力の関係を示す。
図８のうち線グラフＱは、図５のモータＣの場合を示す。
線グラフＱで示す図５のモータＣの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは１４５．４Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力２８６．８Ｎと大きくなる。すなわち、１４１．４Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図８に示す、弁室内圧力がＳ２であるとき、線グラフＱで示す図５のモータＣの場合の発生推力は、Ｑ１となる。弁室内圧力がＳ２のときには、Ｑ１と復帰ばね４４の発生推力１４５．４Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３３】
図９は、機種３の発生推力と圧力の関係を示す。
図９のうち線グラフＲは、図６のモータＣの場合を示す。
線グラフＲで示す図６のモータＣの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは１８２．５Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力３７１．２Ｎと大きくなる。すなわち、１８８．７Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図９に示す、弁室内圧力がＳ３であるとき、線グラフＲで示す図６のモータＣの場合の発生推力Ｒ１となる。弁室内圧力がＳ３のときには、Ｒ１と復帰ばね４４の発生推力１８２．５Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３４】
図４乃至図６に示す弁閉時の必要推力Ｆｃの求め方は、以下に示す［数６］の通りである。
【数６】
Ｆｃは、弁閉時の必要推力は、復帰ばねの力のみにより、ロッド・弁体を弁閉方向に移動させる力である。発生推力はねじリードに関係なく、ほぼ一定である。
Ｆｅは、ディテントトルクである。
η２は、送りねじ逆効率である。
Ｐｈは、送りねじリードを示す。
弁閉時の必要推力Ｆｃ、２πとＦｅの積を、η２とＰｈの積により割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、η２が０．８７４であり、Ｆｅが２４であり、Ｐｈが２である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｃを求めることができる。
【００３５】
［数６］に挿入される弁閉時の送りねじ逆効率η２の求め方は、以下に示す［数７］の通りである。
【数７】
μは、送りねじ摩擦係数である。
ｔａｎβは、送りねじリード角である。
弁閉時の送りねじ逆効率η２は、１とμをｔａｎβで割った値との差を、１とμｔａｎβから求められる和により割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、μが、０．０１であり、ｔａｎβが０．０８０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりη２を求めることができる。
【００３６】
（機種１）
（ステッピングモータＡについて）
弁開時の必要推力Ｆａは１９０．９４Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは１５３．８Ｎであり一定である。
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１３３３．７６Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、７．０倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
推力比とは、発生推力Ｆｂを必要推力Ｆａで除した値であり、ここで発生推力Ｆｂは、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力、必要推力Ｆａは、弁閉時で第１ポート５１側が真空で、第２ポート５２側が大気圧で差圧による最も大きな荷重が弁閉方向に働く状態とその時の復帰ばね荷重の和を想定している。また、推力比Ｋを３．０倍以上とするのは、電動真空弁を有するラインが正月などにより長期間停止し弁座と環状シール部材が固着して、再稼働するときに弁開すると、必要推力Ｆａが上昇した場合であっても、確実に弁座と環状シール部材を引き離して弁開する状態を想定しているからである。
しかし、弁室５３が真空状態の弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、８６．３０Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、１．８倍であり、３．０倍未満となる。
また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、８．３０Ｎを下回るため、閉弁することができない。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを２ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。また、弁室５３が大気圧の場合には復帰ばね４４だけで閉弁できない。
【００３７】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、７０３．４８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、３．７倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、４０．２９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
弁閉時の推力比は、発生推力Ｆｄを弁閉時必要推力Ｆｃで除した値であり、ここで発生推力Ｆｄは、復帰ばね４４の直進推力が最低に近い状態である復帰ばねが伸びた状態と、弁が開かれていることにより弁室５３の内部が真空であり、ベローズ内空間５７が大気圧であることの差圧により弁体４２の受圧面で発生する推進力との和を想定している。また、推力比Ｌを３．０倍以上とするのは停電時において、直ちに弁閉することができるからである。その他のステッピングモータについても同様である。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、４０．２９Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力によって、閉弁することができる。
【００３８】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、５６８．３７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、３．０倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、発生推力Ｆｃは、３１．８２Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、必要推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、４．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、３１．８２Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
【００３９】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、４９６．６５Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、２．６倍であり、３．０倍未満となり問題である。
弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、２６．２９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、５．８倍であり、３．０倍以上となる。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
また、同様に、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４０】
（ステッピングモータＢついて）
ステッピングモータＢは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは１９１．８４Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは１５３．７Ｎであり一定である。
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１５８３．８４Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、８．３倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１０７．８８Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、１．４倍であり、３．０倍未満となる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを２ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。また、弁室５３が大気圧の場合には、必要推力Ｆｃが１０７．８８Ｎに対して、発生推力Ｈが８１．６Ｎであるため、復帰ばね４４だけの力で閉弁できない。
【００４１】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、８３５．３８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、４．４倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、５０．３６Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．６Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、５０．３６Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。
【００４２】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、６７４．９５Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、３．５倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、発生推力Ｆｃは、３９．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、必要推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、３．９倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、３９．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００４３】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、５６５．８４Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、２．９倍であり、３．０倍未満となり問題である。
弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、３２．８７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、４．７倍であり、３．０倍以上となる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４４】
上記と同様の計算によると、図４に示すように、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４５】
（機種２）
（ステッピングモータＣについて）
ステッピングモータＣは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは４６３．５３Ｎであり、弁閉時の発せ推力Ｆｄは２８６．６Ｎであり一定である。
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１９７４．２２Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、４．３倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１１７．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、２．４倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４６】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１５９７．９０Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、３．４倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、９２．６７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１４５．４Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００４７】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１３４０．７７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、２．９倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、７６．３９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開字に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４８】
図５に示すように、ステッピングモータＣを用いた場合、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４９】
（機種３）
（ステッピングモータＣについて）
ステッピングモータＣは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは５４６．２６Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは３７１．２Ｎであり一定である。
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、４２８７．７８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５２６．２６Ｎで割って算出される推力比は、７．８倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、弁室５３が大気圧の場合には、必要推力Ｆｃが２５７．３３Ｎに対して、発生推力Ｈが１８２．５Ｎであるため、復帰ばね４４だけの力で閉弁できない。
【００５０】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、２１３１．０７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、３．９倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１１７．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、３．２倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推
進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。
【００５１】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１６９９．７３Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、９２．６７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、４．０倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、９２．６７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００５２】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１４１２．１７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、２．６倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、７６．３９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、４．９倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００５３】
ステッピングモータＣを用いた場合、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００５４】
以上の実験により、例えば、図４に示す、機種１のステッピングモータＡにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすること、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすること、が判断できる。
また、図５に示す、機種２のステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることが判断できる。
また、図６に示す、機種３のステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすることが判断できる。
【００５５】
以上の実験により、ステッピングモータ、送りねじリード、復帰ばねを決定することができる。弁閉のための復帰ばね４４は、ステッピングモータのディテントトルクに打ち勝って確実に弁閉できる直進推力が必要であり、弁開のためのステッピングモータは復帰ばねに打ち勝つトルクを持ちつつ、弁閉を妨げないディテントトルクでなければならず、相反するものである。相反する関係にあるため、必要な回転トルクによる推力を保ちつつ、さらに、必要な発生推力を保つことができる、バランスが取れる範囲は狭く、適切なリードを本出願人が上記実験により発見できたことで、既存のエア駆動真空弁の部品である復帰ばねを使用し停電時に確実に弁閉することができたのである。
また、弁室５３が真空状態にあるときには、ベローズ内空間５７が大気圧である、その差圧による推進力を利用することにより、復帰ばね４４の推進力を弱くすることができる。そのため、ステッピングモータを小型化することができ、機器を小型化することができる。
また、既存のエア駆動真空弁の部品である環状シール部材５０、復帰ばね４４、ベローズ４６、弁座５４等を使用することができることにより、既存のエア駆動真空弁と同等のリーク量、耐久性を得られ、コストダウンを図ることができる。
【００５６】
また、上記の条件でねじリードを決定することにより、復帰ばねの直進推力を送りねじ機構により生じる回転トルクによる推力が、ステッピングモータのステータとロータの間に発生するディテントトルクによる推力の３．０倍以上となることにより、停電時に、電力を使わず、直ちに閉弁することができる。
また、弁開動作時に、ステッピングモータによる推力が、回転トルクによる推力の３．０倍以上であることにより、確実に開弁することができる。具体的には、電動真空弁を有するラインが長期間正月休みなどにより停止し、再稼働するときに、電動真空弁は部分的に固着し大きなメカロスを有している場合がある。そのような場合にも、ステッピングモータによる推力が、回転トルクによる推力の３．０倍以上であれば、確実に開弁することができる。
また、弁室５３内と、ベローズ内空間５７が大気圧である場合であっても、推力比が、１．０倍以上となるため、復帰ばね４４の推進力によって、閉弁することができる。
【００５７】
＜電動真空弁の作用＞
（閉から開）
図１に、電動真空弁２１の閉弁状態の断面図を示す。図２に、電動真空弁２１の開弁状態の断面図を示す。
図１に示すように、電動真空弁２１は、通常、弁体４２が弁座５４に当接して第１ポート５１と第２ポート５２との間を遮断する。この状態から、ステッピングモータ２７が正方向と逆方向へ回転すると、送りねじナット３４がホルダー３３とカップリング５８を介して出力軸３０と一体的に回転し、その回転運動が図中上方向（弁開方向）への直線運動に変換されて送りねじシャフト３６に伝達される。駆動シャフト３７は、送りねじシャフト３６と一体的に上昇し、図２に示すように連結部材４０を介して弁体４２を引き上げる。
これにより、弁体４２が弁座５４から離間して第１及び第２ポート５１，５２を連通させる。電動真空弁２１は、環状シール部材５０の弾性変形量を変化させる領域では、流体漏れにより微小流量を制御でき、さらに、弁体４２が弁座５４から離間する領域では、離間量に応じて排気流量が制御される。この弁開度は、ステッピングモータ２７の図示しないロータの回転量により制御される。
本実施例においては、上記実験により、ステッピングモータ、送りねじリード、復帰ばねを決定しているため、開弁する際に復帰ばねの力が、強すぎることがなく、省エネルギーで開弁することができる。省電力で済むためステッピングモータ２７を小型化することができ、結果として電動真空弁２１を小型化することができる。
【００５８】
（通常時の開から閉）
チャンバ１１の真空圧力が目標圧力に達すると、図２に示す、ステッピングモータ２７が正方向に回転する。送りねじナット３４が出力軸３０と一体的に正方向に回転すると、図１に示す、送りねじシャフト３６が下降する。駆動シャフト３７は、送りねじシャフト３６と一体的に下降し、連結部材４０を介して弁体４２を弁座５４に当接させる。駆動シャフト３７の結合ピン４１を通す穴は、結合ピン４１の外径よりも大きくなっており、駆動シャフト３７と結合ピン４１との間にガタを残して止めた後、復帰ばね４４の推進力だけ弁体４２を弁座５４側へ押し下げて環状シール部材５０を弁座５４に密着させ、シールを行う。
【００５９】
（停電時の開から閉）
停電(瞬時停電含む)や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止したときや、本製品を搭載するシステムが異常を判断し装置を停止させるときに、チャンバの真空度の保持や、真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【００６０】
停電等の場合に電動真空弁に発生する力は、復帰ばね４４による閉止方向への直進推力と、モータのディテントトルクを送りねじ機構により変換した閉弁を妨げる力である。また、弁室５３内が真空圧であるときには、ベローズ内空間５７が大気圧であることにより、閉弁方向に発生する推進力がある。
停電等の場合には、弁閉動作をするために、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力を利用し、閉弁する。また、弁室５３内が真空圧であるときは、復帰ばね４４による閉止方向の直進推力のほか、真空圧力による弁体方向に発生する推進力を利用し、閉弁する。
【００６１】
すなわち、停電等の場合に、上記実験により示した図４乃至図６で、弁閉時に推力比が３．０倍以上の条件を満たす、送りねじ・モータ・復帰ばねの組み合わせであることにより、電力を使わず電動真空弁を迅速かつ確実に閉弁することができる。
また、電力を使用しないで閉弁するエアオペレイトバルブを復帰ばねだけで閉弁する際の閉弁スピードと同様のスピードで閉弁することができることを確認できた。
さらに、エアオペレイトバルブと同様の環状シール部材、復帰ばね、ベローズ、弁座を有するため、同等のリーク量、耐久性を得ることができることを確認できた。また、ステッピングモータが大型化することがないため、エアオペレイトバルブと同様の設置性を有することも確認できた。
【００６２】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で色々な応用が可能である。
例えば、ベローズ４６の平均径は環状シール部材５０の径に対して大きい場合も小さい場合もあり、その大小に関わりなく、ベローズ４６自身の平均径を受圧面積として差圧による弁閉方向への直進推力を発生する。
例えば、モータの種類が変わったとしても、本実施例のように、復帰ばねの直進推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力の推力比での３．０倍以上となるようにし、弁開動作時に、ステッピングモータの送りねじ機構により変換した直進推力が、復帰ばねの直進推力の推力比で３．０倍以上となるようにすることにより、停電時には、復帰ばねの力ですぐに閉弁することができる。また、通常時には、省電力で弁開することができる。
【符号の説明】
【００６３】
２１ 電動真空弁
２７ ステッピングモータ
３４ 送りねじ
３６ シャフト
３８ 回転止手段
４２ 弁体
４４ 復帰ばね
５１ 第１ポート
５２ 第２ポート
５３ 弁室
５４ 弁座
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１ポートと第２ポートと、第１ポートと第２ポートと連結する弁室と、弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、送りねじと螺合するシャフトと、送りねじとシャフトにより構成される送りねじ機構と、シャフトの回転を止める回転止手段と、シャフトの先端に取り付けられた弁体と、弁体と弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャンバを真空とするための真空ポンプを用いる場合、チャンバと真空ポンプの間には、チャンバと真空ポンプを遮断するため電動真空弁が用いられている。
停電（瞬時停電含む）や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止した時や、電動真空弁の電力供給が停止された時に、チャンバ内の真空度の保持や真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【０００３】
しかし、供給電源が断たれた場合には、電気により開閉する電動真空弁は、閉弁することができなくなり、チャンバと真空ポンプを隔離することができないため問題となる。
従来、停電時に閉弁するものとして以下のものが考えられる。
第１に、２次電池、電気二重層キャパシタ等の補助電源を用いて弁閉動作させる電動真空弁がある。第２に、油空圧等の蓄圧源でピストン等の圧力解除により弁閉動作させる電動真空弁がある。第３に、直線動作の場合は円筒ばねを内蔵し、動作とともに圧縮駆動し、クラッチ・ブレーキ機構あるいは動力を解除させたときにその荷重を利用し弁閉動作させる電動真空弁がある。
【０００４】
しかしながら、従来の補助電源、蓄圧源、及び、円筒ばねを用いる電動真空弁には、以下の問題があった。
すなわち、供給電源が断たれた場合に閉弁する電動真空弁は、補助電源を有する電動真空弁では、電源及び配線を必要となる。また、蓄圧源を有する電動真空弁では、圧を蓄えるタンク及び配線が必要となる。また、円筒ばねを有する電動真空弁では、駆動部との連結部材及びばねを戻す機構が必要となる。
したがって、補助電源、蓄圧源、及び、円筒ばねを有する電動真空弁では、既存の電動真空弁以外の部品が別途必要となるため、コストが高くなる問題、及び、大型化する問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するものとして、停電時に復帰ばねだけで閉弁させる真空弁が、特許文献１及び特許文献２において原理的な提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０２９４２６号公報
【特許文献２】特開平０１−３１６５８１号公報
【特許文献３】特開２００５−０３０４３９号公報
【特許文献４】特許２６６２３１２号
【特許文献５】特開２００３−１３９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載する電動真空弁は、停電時に復帰ばねだけで閉弁させる旨記載するのみであり、抽象的なアイデア、及び、原理的な提案にすぎない。
すなわち、以下の条件を全て満足する具体的な手段を見つけ出していない。
【０００８】
第１に、通常作動時のシール性能と耐久性能を、既存のエア駆動真空弁と同等またはほぼ同等とするために、復帰ばねの力は既存のエア駆動真空弁と同じかおおよそ同じでなければならない。
第２に、正月休みなど長期間弁閉したままの状態で放置すると弁体のシール部材と弁座が固着するため、開弁するためには固着を引き剥がすための力がモータトルクに必要である。
第３に、真空ポンプが停電で停止すると、真空ポンプからチャンバ室側へ潤滑油などの拡散（逆流）が始まるため、停電時の閉弁は迅速でなければならない。
第４に、停電時に閉弁するためには、復帰ばねの推進力がステッピングモータのステータとロータの間に発生するディテントトルクより大きい必要がある。
【０００９】
特許文献１及び特許文献２に記載する電動真空弁は、上記第１乃至第４の具体的手段について、全く記載されていないため、抽象的なアイデア、及び、原理的な提案にすぎないといえる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は既存の復帰ばねを用い、停電時に電源を持たなくとも閉弁できる電動真空弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様における電動真空弁は、以下の構成を有する。
（１）第１ポートと第２ポートと、該第１ポートと該第２ポートと連結する弁室と、該弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、該送りねじと螺合するシャフトと、該送りねじと該シャフトにより構成される送りねじ機構と、該シャフトの回転を止める回転止手段と、該シャフトの先端に取り付けられた弁体と、該弁体と該弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、前記復帰ばねの推進力が前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁すること、を特徴とするものである。
（２）（１）に記載する電動真空弁において、前記シャフトと前記復帰ばねはベローズで覆われていること、を特徴とするものである。
（３）（２）に記載する電動真空弁において、前記ベローズの前記シャフト側は大気圧であり、前記弁室内は真空圧力であるとき、前記復帰ばねの推進力と前記真空圧力により前記弁体に発生する推進力の和は、前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であること、を特徴とするものである。
（４）（１）乃至（３）に記載するいずれか１つの電動真空弁において、前記弁体を開弁するための前記ステッピングモータの駆動トルクを前記送りねじ機構により変換した直進推力は、前記復帰ばねの推進力と、前記第１ポート側が真空状態で前記第２ポート側が大気圧の時に前記弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であること、を特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記電動真空弁の作用及び効果について説明する。
（１）第１ポートと第２ポートと、第１ポートと第２ポートと連結する弁室と、弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、送りねじと螺合するシャフトと、送りねじとシャフトにより構成される送りねじ機構と、シャフトの回転を止める回転止手段と、シャフトの先端に取り付けられた弁体と、弁体と弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、復帰ばねの推進力がディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁することにより、停電時において、畜電源等の複雑な構造を必要とせず、復帰ばねの推力がステッピングモータのディテントトルクより大きくなるため閉弁することができる。
真空圧流体用という特殊な弁において、コストを抑え、大型化を防止しながら、復帰ばねのみにより閉弁するためには、ディテントトルクとの条件を探ることが必要であり、当該発見は、本実験を繰り返した本出願人でなければ、容易に想到することができない。
（２）シャフトと復帰ばねはベローズで覆われていることにより、駆動機構部と弁室を確実に分離することができるとともに、ベローズの駆動シャフト側は大気圧であるため、停電時に弁室内が真空圧であれば、差圧により発生推進力が復帰ばねの力に加わり、さらに迅速かつ確実に閉弁することができ、真空ポンプの油分等の拡散を防ぐことができる。また、この拡散のスピードは、真空度が高いほど速まるが、停電時の真空度が高いほど、開弁スピードも速くなるため、確実に拡散を防ぐことができる。
（３）ベローズのシャフト側は大気圧であり、弁室内は真空圧力であるとき、復帰ばねの推進力と真空圧力により弁体に発生する推進力の和は、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であることにより、停電時において、迅速かつ確実に閉弁することができ真空ポンプの油分等の拡散を防ぐことができる。
（４）弁体を開弁するためのステッピングモータの駆動トルクを送りねじ機構により変換した直進推力は、復帰ばねの推進力と、第１ポート側が真空状態で第２ポート側が大気圧の時に弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であることにより、長時間開閉弁の放置による環状シール部材と弁座間の固着と、流体の圧力が閉弁方向もっとも強く働く場合であっても、迅速かつ確実に閉弁することができる。
また、復帰ばねの直進推力は閉弁方向に働く推力であり、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力は開弁方向に働く推力であり、相反するものである。相反する関係にあるため、必要な復帰ばねの直進推力を保ちつつ、さらに、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力を保つことができる、バランスが取れる範囲は狭い。バランスが取れた適切なリードを本出願人が実験により発見できたことにより、既存の電動真空弁の部品である復帰ばねを使用し停電時に確実に弁閉することができたのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の閉弁時の断面図を示す。
【図２】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の開弁時の断面図を示す。
【図３】本発明の本実施例１に係る電動真空弁を含む減圧乾燥装置の略式図を示す。
【図４】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種１の最適条件を示す。
【図５】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種２の最適条件を示す。
【図６】本発明の本実施例１に係る電動真空弁の機種３の最適条件を示す。
【図７】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種１の発生推力と圧力の関係を示す。
【図８】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種２の発生推力と圧力の関係を示す。
【図９】本発明の本実施例１に係る電動真空弁停電時の機種３の発生推力と圧力の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る電動真空弁の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、電動真空弁２１の閉弁状態の断面図を示す。図２に、電動真空弁２１の開弁状態の断面図を示す。図３に、電動真空弁２１を含む減圧乾燥装置１を示す。
＜減圧乾燥装置の構成＞
電動真空弁２１は、図３に示す減圧乾燥装置１に使用される。電動真空弁２１は、図１に示す、駆動部２３により弁部２２の弁開度を多段的に変化させ、チャンバ室１０からガスを排気する排気速度を制御する。
図３に示す、減圧乾燥装置１においては、チャンバ室１０内を減圧状態、すなわち、真空状態に保ちながら、基板の塗膜乾燥を行うが、大気圧状態から真空状態にするときには、チャンバ室１０内の堆積物を巻き上げ、基板に付着させたり、排気流により基板そのものを損傷させたりしないため等に、排気量の調節が必要である。そこで、大口径真空遮断弁１２の弁を開ける前に電動真空弁２１により徐々に弁を開けることで排気量の調節を行う。
減圧乾燥装置１は、大口径真空遮断弁１２と電動真空弁２１を複数有している。大口径真空遮断弁１２と電動真空弁２１と真空ポンプ１１の数は、チャンバ室１０の大きさにより増減する。
【００１５】
＜電動真空弁の構成＞
図１に示すように、電動真空弁２１は、バルブボディ２４とシリンダボディ２５がボルト５５で一体化され、シリンダボディ２５とカバー２６とステッピングモータ２７がボルト２８で一体化され、外観が構成されている。
ステッピングモータ２７は、ハイブリッド型ステッピングモータを利用する。ハイブリッド型ステッピングモータは、ＰＭ型とＶＲ型を一体化した構造で、微細角駆動・高トルクが特徴である。また、内蔵する永久磁石にてロータを拘束する力は、保持力として発生し、省エネシステムの構成に貢献している。反面、無励磁の場合でも永久磁石の吸引・反発により低レベルの保持トルクが発生する。このトルクをディテントトルクといい、最大静止トルクの５〜１０パーセントのトルクが周期的に発生する。本実施例では、ステッピングモータ２７に、例えば、日本電産サーボ株式会社製の２相ハイブリッド型ステッピングモータと東芝製のチョッパ方式バイポーラ駆動ステッピングモータコントロールドライバＩＣ等を利用している。
【００１６】
弁部２２は、バルブボディ２４に開口する第１ポート５１と第２ポート５２が弁室５３を介して連通している。弁室５３内の第１ポート５１が開口する開口部外周に、弁座５４が平坦に設けられている。弁室５３には、弁座５４に当接又は離間する弁体４２が収納されている。
駆動部２３は、ステッピングモータ２７の回転運動を直線運動に変換して弁体４２に伝達する。ステッピングモータ２７の出力軸３０は、カバー２６とシリンダボディ２５との間に形成される収納空間部３１に突出している。カバー２６とシリンダボディ２５の間には、ベアリング３２が挟持され、そのベアリング３２にホルダー３３が回転自在に保持されている。ホルダー３３は、上端部に出力軸３０がカップリング５８に連結され、下端部に送りねじナット３４が複数の固定ねじ３５で固定されており、送りねじナット３４の回転量をステッピングモータ２７の回転量により制御できるようになっている。
【００１７】
駆動シャフト３７は、シリンダボディ２５に固定ねじ３９で固定された回転止めナット３８に挿通されている。駆動シャフト３７は、断面六角形状をなす回転止め軸部３７ａが、回転止めナット３８に形成された六角形状の回転止め穴３８ａに挿通され、回転を制限された状態で軸方向へ往復直線運動する。送りねじシャフト３６は、送りねじナット３４に螺合されて駆動シャフト３７の上端部に接合され、送りねじナット３４の回転運動を軸方向への直線運動に変換して駆動シャフト３７に伝達する。
【００１８】
駆動シャフト３７の下端部には、弁体４２が、連結部材４０を介して連結されている。弁体４２は、ベローズディスク４７とバルブディスク４８とスカート４９を備え、これらを重ね合わせて連結ナット４３で連結部材４０に一体的に固定することにより、構成されている。環状シール部材５０は、弾性変形可能な材質からなり、ベローズディスク４７とバルブディスク４８との間に形成されるアリ溝に装着されている。復帰ばね４４は、ばね受け４５との間に縮設されて、弁体４２を弁座５４方向へ常時付勢している。連結部材４０は、駆動シャフト３７に対して軸方向へのガタを持って結合ピン４１で連結されており、復帰ばね４４のバネ力によりシール荷重が付与されるようになっている。ベローズ４６は、上端部がシリンダボディ２５とバルブボディ２４に挟持される挟持部４６ａに溶接され、下端部がベローズディスク４７に溶接されている。ベローズ４６のうち駆動シャフト３７側の空間を、ベローズ内空間５７（請求項中「ベローズのシャフト側」。）とする。弁体４２の上下動に応じて弁室５３内で伸縮して、駆動シャフト３７の摺動部等で発生するパーティクルが流路内へ流出しないようにしている。
ベローズ４６の平均径は環状シール部材５０とほぼ同じ径であり、ベローズ４６の内部は大気に開放されている。
【００１９】
ここで、ステッピングモータ２７には、図示しないロータの機械的回転変位量を計測するためのエンコーダ２９が固定されている。エンコーダ２９は、専用コントローラに通信可能に接続され、計測結果を専用コントローラに出力する。ステッピングモータ２７には、図示しないステータを有する。
【００２０】
（送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせ決定方法）
停電(瞬時停電含む)や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止したときや、本製品を搭載するシステムが異常を判断し装置を停止させるときに、チャンバの真空度の保持や、真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【００２１】
停電等の場合に電動真空弁に発生する力は、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力と、ステッピングモータのディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力である。また、弁室５３内が真空圧であるときには、ベローズ内空間５７が大気圧であることにより、真空圧力による閉弁方向に発生する推進力がある。
停電等の場合には、弁閉動作をするために、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力を利用し、閉弁する。また、弁室５３内が真空圧力であるときは、復帰ばね４４による閉止方向の直進推力のほか、真空圧力による閉弁方向に発生する推進力を利用し、閉弁する。
【００２２】
そこで、本出願人は、実験により送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを検討した。実験方法は、図４乃至図６に示すように、機種１、機種２、及び、機種３に対して、３つのステッピングモータＡ〜Ｃを用意し、弁室５３内が大気圧の状態で、直線推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。また、弁室５３内が真空圧（１００Ｐａ[ａｂｓ]）の状態で、直線推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。さらに、通常時の場合には、弁閉動作をするために、ステッピングモータの送りねじ機構により変換した直進推力が、復帰ばねの直進推力より大きくなる条件を以下の実験により検討した。
機種１、機種２、及び、機種３の接続口径ＮＷ２５、ＮＷ４０、ＮＷ５０である。
【００２３】
当該実験により、復帰ばね４４の力は既存の電動真空弁と同じかおおよそ同じものを選ぶことができた。また、正月休みなど長期間弁閉したままの状態で放置した場合に、弁体４２の環状シール５０が弁座５４に固着した場合でも、固着を引き剥がすことができるだけのモータトルクを有することができた。また、弁室５３内が大気圧で停電した場合には、復帰ばねの推進力がステッピングモータのディテントトルクよりも大きいため迅速かつ確実に閉弁することができる送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを選ぶことができた。また、弁室５３内が真空状態で停電した場合に、真空ポンプ１１からチャンバ１０へ潤滑油などの拡散が始まる前に、迅速かつ確実に閉弁することができる送りねじリード・ステッピングモータ・復帰ばねの組み合わせを選ぶことができた。
【００２４】
図４乃至図６に示すように、ステッピングモータが決定すると、最大静止トルクとディテントトルクは、自然と決まる。ステッピングモータのパワーにより、最大静止トルクとディテントトルクは決まってくるからである。
例えば、ステッピングモータＡを使用したときには、最大静止トルクは、４８０Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、２４Ｎｍｍである。ステッピングモータＢを使用したときには、最大静止トルクは、５７０Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、３０Ｎｍｍである。ステッピングモータＣを使用したときには、最大静止トルクは、１３７３Ｎｍｍであり、ディテントトルクは、６９Ｎｍｍである。
【００２５】
（弁開時）
図４乃至図６の弁開時の必要推力Ｆａの求め方は、以下に示す［数１］の通りである。
【数１】
ここで、
Ｆａは、弁開時に必要な推力である。
Ｆ１は、第１ポート５１が真空で第２ポート５２が大気圧である閉弁状態から開弁する時に必要な推力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
弁開時の必要推力Ｆａは、Ｆ１とＦｆの和により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ１が、機種１においては、モータの種類を問わず１８６．１４Ｎである。また、Ｆｆが４．８０Ｎである。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦａを求めることができる。
【００２６】
図４乃至図６の弁開時の発生推力Ｆｂの求め方は、以下に示す［数２］の通りである。
【数２】
Ｆｂは、弁開時の発生推力である。
Ｆ２は、送りねじ作動力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
弁開時の発生推力Ｆｂは、Ｆ２とＦｆの差により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ２が、１３３３．５６Ｎである。また、Ｆｆが４．８０Ｎである。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｂを求めることができる。
【００２７】
［数２］に挿入される弁開時の送りねじ作動力Ｆ２の求め方は、以下に示す［数３］の通りである。
【数３】
η１は、送りねじの正効率である。正効率は、回転運動を直線運動に変えるときの効率である。
Ｔ１は、最大静止トルクである。
Ｐｈは、送りねじリードである。
弁開時の送りねじ作動力Ｆ２は、２πとη１とＴ１の積を、Ｐｈにより、割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、η１が０．８８８であり、Ｔ１が４８０であり、Ｐｈが２である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦ２を求めることができる。
【００２８】
［数３］に挿入される弁開時の送りねじ正効率η１の求め方は、以下に示す［数４］の通りである。
【数４】
μは、送りねじの摩擦係数である。
ｔａｎβは、送りねじリード角である。ｔａｎβは、一周の３６０度をリードの長さで割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、μが、０．０１であり、ｔａｎβが０．０８０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりη１を求めることができる。
【００２９】
（弁閉時）
図４乃至図６に示す弁閉時の発生推力Ｆｄの求め方は、以下に示す［数５］の通りである。
【数５】
Ｆ３は、復帰ばね４４の推進力と真空圧力による弁体に発生する推進力の和による発生推力である。
Ｆｆは、摩擦損失である。
Ｆｄは、Ｆ３とＦｆの差である。
弁閉時の発生推力Ｆｄは、Ｆ３とＦｆの差により求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、Ｆ３が１５４．２Ｎであり、Ｆｆが０．４０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｄを求めることができる。
【００３０】
図７は、機種１停電時の閉弁方向発生推力と弁室内及び第１ポート及び第２ポート圧力の関係を示す。
図７のうち線グラフＯは、図４のモータＡの場合を示し、線グラフＰは、図４のモータＢの場合を示す。
図７に示すように、線グラフＯで示す図４のモータＡの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは８１．７Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力１５３．８Ｎと大きくなる。すなわち、７２．１Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図７に示す、弁室内圧力がＳ１であるとき、線グラフＯで示す図４のモータＡの場合の発生推力は、Ｏ１となる。弁室内圧力がＳ１のときには、Ｏ１と復帰ばね４４の発生推力８１．７Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３１】
図７に示すように、線グラフＰで示す図４のモータＢの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは８１．６Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力１５３．７Ｎと大きくなる。すなわち、７２．１Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図７に示す、弁室内圧力がＳ１であるとき、線グラフＰで示す図４のモータＢの場合の発生推力は、Ｐ１となる。弁室内圧力がＳ１のときには、Ｐ１と復帰ばね４４の発生推力８１．６Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３２】
図８は、機種２の発生推力と圧力の関係を示す。
図８のうち線グラフＱは、図５のモータＣの場合を示す。
線グラフＱで示す図５のモータＣの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは１４５．４Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力２８６．８Ｎと大きくなる。すなわち、１４１．４Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図８に示す、弁室内圧力がＳ２であるとき、線グラフＱで示す図５のモータＣの場合の発生推力は、Ｑ１となる。弁室内圧力がＳ２のときには、Ｑ１と復帰ばね４４の発生推力１４５．４Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３３】
図９は、機種３の発生推力と圧力の関係を示す。
図９のうち線グラフＲは、図６のモータＣの場合を示す。
線グラフＲで示す図６のモータＣの場合は、弁室５３内圧力が大気圧であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間には、圧力差がないため、復帰ばね４４の推進力が発生推力となる。したがって、復帰ばね４４の発生推力Ｈは１８２．５Ｎとなる。弁室５３内圧力が１００Ｐａ[ａｂｓ]であるときには、大気圧であるベローズ内空間５７との間の差圧により推進力が発生し、復帰ばね４４の推進力が加わり、発生推力３７１．２Ｎと大きくなる。すなわち、１８８．７Ｎだけ、真空圧力による推力が発生している。
図９に示す、弁室内圧力がＳ３であるとき、線グラフＲで示す図６のモータＣの場合の発生推力Ｒ１となる。弁室内圧力がＳ３のときには、Ｒ１と復帰ばね４４の発生推力１８２．５Ｎとの差の真空圧力による推力が発生する。
【００３４】
図４乃至図６に示す弁閉時の必要推力Ｆｃの求め方は、以下に示す［数６］の通りである。
【数６】
Ｆｃは、弁閉時の必要推力は、復帰ばねの力のみにより、ロッド・弁体を弁閉方向に移動させる力である。発生推力はねじリードに関係なく、ほぼ一定である。
Ｆｅは、ディテントトルクである。
η２は、送りねじ逆効率である。
Ｐｈは、送りねじリードを示す。
弁閉時の必要推力Ｆｃ、２πとＦｅの積を、η２とＰｈの積により割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、η２が０．８７４であり、Ｆｅが２４であり、Ｐｈが２である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりＦｃを求めることができる。
【００３５】
［数６］に挿入される弁閉時の送りねじ逆効率η２の求め方は、以下に示す［数７］の通りである。
【数７】
μは、送りねじ摩擦係数である。
ｔａｎβは、送りねじリード角である。
弁閉時の送りねじ逆効率η２は、１とμをｔａｎβで割った値との差を、１とμｔａｎβから求められる和により割ることにより求めることができる。
具体的には、図４に示すステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合では、μが、０．０１であり、ｔａｎβが０．０８０である。
したがって、
となる。
本実施例では、ステッピングモータＡのねじリードが２ｍｍの場合を挙げて説明したが、その他のステッピングモータ及びねじリードでも同様の計算によりη２を求めることができる。
【００３６】
（機種１）
（ステッピングモータＡについて）
弁開時の必要推力Ｆａは１９０．９４Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは１５３．８Ｎであり一定である。
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１３３３．７６Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、７．０倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
推力比とは、発生推力Ｆｂを必要推力Ｆａで除した値であり、ここで発生推力Ｆｂは、ステッピングモータのトルクを送りねじ機構により変換した直進推力、必要推力Ｆａは、弁閉時で第１ポート５１側が真空で、第２ポート５２側が大気圧で差圧による最も大きな荷重が弁閉方向に働く状態とその時の復帰ばね荷重の和を想定している。また、推力比Ｋを３．０倍以上とするのは、電動真空弁を有するラインが正月などにより長期間停止し弁座と環状シール部材が固着して、再稼働するときに弁開すると、必要推力Ｆａが上昇した場合であっても、確実に弁座と環状シール部材を引き離して弁開する状態を想定しているからである。
しかし、弁室５３が真空状態の弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、８６．３０Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、１．８倍であり、３．０倍未満となる。
また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、８．３０Ｎを下回るため、閉弁することができない。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを２ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。また、弁室５３が大気圧の場合には復帰ばね４４だけで閉弁できない。
【００３７】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、７０３．４８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、３．７倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、４０．２９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
弁閉時の推力比は、発生推力Ｆｄを弁閉時必要推力Ｆｃで除した値であり、ここで発生推力Ｆｄは、復帰ばね４４の直進推力が最低に近い状態である復帰ばねが伸びた状態と、弁が開かれていることにより弁室５３の内部が真空であり、ベローズ内空間５７が大気圧であることの差圧により弁体４２の受圧面で発生する推進力との和を想定している。また、推力比Ｌを３．０倍以上とするのは停電時において、直ちに弁閉することができるからである。その他のステッピングモータについても同様である。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、４０．２９Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力によって、閉弁することができる。
【００３８】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、５６８．３７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、３．０倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、発生推力Ｆｃは、３１．８２Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、必要推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、４．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、３１．８２Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
【００３９】
ステッピングモータＡを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、４９６．６５Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９０．９４Ｎで割って算出される推力比は、２．６倍であり、３．０倍未満となり問題である。
弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、２６．２９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．８Ｎで割って算出される、推力比は、５．８倍であり、３．０倍以上となる。
したがって、ステッピングモータＡにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
また、同様に、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４０】
（ステッピングモータＢついて）
ステッピングモータＢは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは１９１．８４Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは１５３．７Ｎであり一定である。
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１５８３．８４Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、８．３倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１０７．８８Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、１．４倍であり、３．０倍未満となる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを２ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。また、弁室５３が大気圧の場合には、必要推力Ｆｃが１０７．８８Ｎに対して、発生推力Ｈが８１．６Ｎであるため、復帰ばね４４だけの力で閉弁できない。
【００４１】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、８３５．３８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、４．４倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、５０．３６Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．６Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、５０．３６Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。
【００４２】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、６７４．９５Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、３．５倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、発生推力Ｆｃは、３９．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、必要推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、３．９倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、８１．７Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、３９．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００４３】
ステッピングモータＢを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、５６５．８４Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの１９１．８４Ｎで割って算出される推力比は、２．９倍であり、３．０倍未満となり問題である。
弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、３２．８７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの１５３．７Ｎで割って算出される、推力比は、４．７倍であり、３．０倍以上となる。
したがって、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４４】
上記と同様の計算によると、図４に示すように、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４５】
（機種２）
（ステッピングモータＣについて）
ステッピングモータＣは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは４６３．５３Ｎであり、弁閉時の発せ推力Ｆｄは２８６．６Ｎであり一定である。
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１９７４．２２Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、４．３倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１１７．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、２．４倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることは、弁閉時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４６】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１５９７．９０Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、３．４倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、９２．６７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１４５．４Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００４７】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１３４０．７７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの４６３．５３Ｎで割って算出される推力比は、２．９倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、７６．３９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの２８６．８Ｎで割って算出される、推力比は、３．８倍であり、３．０倍以上となり問題ない。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開字に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４８】
図５に示すように、ステッピングモータＣを用いた場合、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００４９】
（機種３）
（ステッピングモータＣについて）
ステッピングモータＣは、ねじリードに関係なく、弁開時の必要推力Ｆａは５４６．２６Ｎであり、弁閉時の発生推力Ｆｄは３７１．２Ｎであり一定である。
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを２ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、４２８７．７８Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５２６．２６Ｎで割って算出される推力比は、７．８倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
しかし、弁閉時においては、弁室５３が大気圧の場合には、必要推力Ｆｃが２５７．３３Ｎに対して、発生推力Ｈが１８２．５Ｎであるため、復帰ばね４４だけの力で閉弁できない。
【００５０】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを４ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、２１３１．０７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、３．９倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、１１７．７７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、３．２倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推
進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍとすることができる。
【００５１】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを５ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１６９９．７３Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、３．１倍であり、３．０倍以上であるため問題ない。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、９２．６７Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、４．０倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、９２．６７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることができる。
【００５２】
ステッピングモータＣを用いた場合には、ねじリードを６ｍｍとすると、弁開時の発生推力Ｆｂは、１４１２．１７Ｎとなり、発生推力Ｆｂを、必要推力Ｆａの５４６．２６Ｎで割って算出される推力比は、２．６倍であり、３．０倍未満となり問題となる。
また、弁閉時においては、必要推力Ｆｃは、７６．３９Ｎとなり、必要推力Ｆｃを、発生推力Ｆｄの３７１．２Ｎで割って算出される、推力比は、４．９倍であり、３．０倍以上となり問題ない。また、弁室５３が大気圧の場合においては、発生推力Ｈは、１８２．５Ｎとなり、必要推力Ｆｃの、１１７．７７Ｎを上回るため、復帰ばね４４の推進力により閉弁することができる。
したがって、ステッピングモータＣにおいては、ねじリードを６ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００５３】
ステッピングモータＣを用いた場合、ねじリードを８ｍｍとすることは、弁開時に推力比が３．０倍未満となるためできない。
【００５４】
以上の実験により、例えば、図４に示す、機種１のステッピングモータＡにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすること、ステッピングモータＢにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすること、が判断できる。
また、図５に示す、機種２のステッピングモータＣにおいては、ねじリードを５ｍｍとすることが判断できる。
また、図６に示す、機種３のステッピングモータＣにおいては、ねじリードを４ｍｍ、又は、５ｍｍとすることが判断できる。
【００５５】
以上の実験により、ステッピングモータ、送りねじリード、復帰ばねを決定することができる。弁閉のための復帰ばね４４は、ステッピングモータのディテントトルクに打ち勝って確実に弁閉できる直進推力が必要であり、弁開のためのステッピングモータは復帰ばねに打ち勝つトルクを持ちつつ、弁閉を妨げないディテントトルクでなければならず、相反するものである。相反する関係にあるため、必要な回転トルクによる推力を保ちつつ、さらに、必要な発生推力を保つことができる、バランスが取れる範囲は狭く、適切なリードを本出願人が上記実験により発見できたことで、既存のエア駆動真空弁の部品である復帰ばねを使用し停電時に確実に弁閉することができたのである。
また、弁室５３が真空状態にあるときには、ベローズ内空間５７が大気圧である、その差圧による推進力を利用することにより、復帰ばね４４の推進力を弱くすることができる。そのため、ステッピングモータを小型化することができ、機器を小型化することができる。
また、既存のエア駆動真空弁の部品である環状シール部材５０、復帰ばね４４、ベローズ４６、弁座５４等を使用することができることにより、既存のエア駆動真空弁と同等のリーク量、耐久性を得られ、コストダウンを図ることができる。
【００５６】
また、上記の条件でねじリードを決定することにより、復帰ばねの直進推力を送りねじ機構により生じる回転トルクによる推力が、ステッピングモータのステータとロータの間に発生するディテントトルクによる推力の３．０倍以上となることにより、停電時に、電力を使わず、直ちに閉弁することができる。
また、弁開動作時に、ステッピングモータによる推力が、回転トルクによる推力の３．０倍以上であることにより、確実に開弁することができる。具体的には、電動真空弁を有するラインが長期間正月休みなどにより停止し、再稼働するときに、電動真空弁は部分的に固着し大きなメカロスを有している場合がある。そのような場合にも、ステッピングモータによる推力が、回転トルクによる推力の３．０倍以上であれば、確実に開弁することができる。
また、弁室５３内と、ベローズ内空間５７が大気圧である場合であっても、推力比が、１．０倍以上となるため、復帰ばね４４の推進力によって、閉弁することができる。
【００５７】
＜電動真空弁の作用＞
（閉から開）
図１に、電動真空弁２１の閉弁状態の断面図を示す。図２に、電動真空弁２１の開弁状態の断面図を示す。
図１に示すように、電動真空弁２１は、通常、弁体４２が弁座５４に当接して第１ポート５１と第２ポート５２との間を遮断する。この状態から、ステッピングモータ２７が正方向と逆方向へ回転すると、送りねじナット３４がホルダー３３とカップリング５８を介して出力軸３０と一体的に回転し、その回転運動が図中上方向（弁開方向）への直線運動に変換されて送りねじシャフト３６に伝達される。駆動シャフト３７は、送りねじシャフト３６と一体的に上昇し、図２に示すように連結部材４０を介して弁体４２を引き上げる。
これにより、弁体４２が弁座５４から離間して第１及び第２ポート５１，５２を連通させる。電動真空弁２１は、環状シール部材５０の弾性変形量を変化させる領域では、流体漏れにより微小流量を制御でき、さらに、弁体４２が弁座５４から離間する領域では、離間量に応じて排気流量が制御される。この弁開度は、ステッピングモータ２７の図示しないロータの回転量により制御される。
本実施例においては、上記実験により、ステッピングモータ、送りねじリード、復帰ばねを決定しているため、開弁する際に復帰ばねの力が、強すぎることがなく、省エネルギーで開弁することができる。省電力で済むためステッピングモータ２７を小型化することができ、結果として電動真空弁２１を小型化することができる。
【００５８】
（通常時の開から閉）
チャンバ１１の真空圧力が目標圧力に達すると、図２に示す、ステッピングモータ２７が正方向に回転する。送りねじナット３４が出力軸３０と一体的に正方向に回転すると、図１に示す、送りねじシャフト３６が下降する。駆動シャフト３７は、送りねじシャフト３６と一体的に下降し、連結部材４０を介して弁体４２を弁座５４に当接させる。駆動シャフト３７の結合ピン４１を通す穴は、結合ピン４１の外径よりも大きくなっており、駆動シャフト３７と結合ピン４１との間にガタを残して止めた後、復帰ばね４４の推進力だけ弁体４２を弁座５４側へ押し下げて環状シール部材５０を弁座５４に密着させ、シールを行う。
【００５９】
（停電時の開から閉）
停電(瞬時停電含む)や何らかの異常により、供給電源が断たれ、真空ポンプが停止したときや、本製品を搭載するシステムが異常を判断し装置を停止させるときに、チャンバの真空度の保持や、真空ポンプからの逆拡散保護のために弁閉動作を行い、チャンバと真空ポンプを隔離する必要がある。
【００６０】
停電等の場合に電動真空弁に発生する力は、復帰ばね４４による閉止方向への直進推力と、モータのディテントトルクを送りねじ機構により変換した閉弁を妨げる力である。また、弁室５３内が真空圧であるときには、ベローズ内空間５７が大気圧であることにより、閉弁方向に発生する推進力がある。
停電等の場合には、弁閉動作をするために、復帰ばね４４による閉止方向への直線推進力を利用し、閉弁する。また、弁室５３内が真空圧であるときは、復帰ばね４４による閉止方向の直進推力のほか、真空圧力による弁体方向に発生する推進力を利用し、閉弁する。
【００６１】
すなわち、停電等の場合に、上記実験により示した図４乃至図６で、弁閉時に推力比が３．０倍以上の条件を満たす、送りねじ・モータ・復帰ばねの組み合わせであることにより、電力を使わず電動真空弁を迅速かつ確実に閉弁することができる。
また、電力を使用しないで閉弁するエアオペレイトバルブを復帰ばねだけで閉弁する際の閉弁スピードと同様のスピードで閉弁することができることを確認できた。
さらに、エアオペレイトバルブと同様の環状シール部材、復帰ばね、ベローズ、弁座を有するため、同等のリーク量、耐久性を得ることができることを確認できた。また、ステッピングモータが大型化することがないため、エアオペレイトバルブと同様の設置性を有することも確認できた。
【００６２】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で色々な応用が可能である。
例えば、ベローズ４６の平均径は環状シール部材５０の径に対して大きい場合も小さい場合もあり、その大小に関わりなく、ベローズ４６自身の平均径を受圧面積として差圧による弁閉方向への直進推力を発生する。
例えば、モータの種類が変わったとしても、本実施例のように、復帰ばねの直進推力が、ディテントトルクを送りねじ機構により変換した直進推力の推力比での３．０倍以上となるようにし、弁開動作時に、ステッピングモータの送りねじ機構により変換した直進推力が、復帰ばねの直進推力の推力比で３．０倍以上となるようにすることにより、停電時には、復帰ばねの力ですぐに閉弁することができる。また、通常時には、省電力で弁開することができる。
【符号の説明】
【００６３】
２１ 電動真空弁
２７ ステッピングモータ
３４ 送りねじ
３６ シャフト
３８ 回転止手段
４２ 弁体
４４ 復帰ばね
５１ 第１ポート
５２ 第２ポート
５３ 弁室
５４ 弁座
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ポートと第２ポートと、該第１ポートと該第２ポートと連結する弁室と、該弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、該送りねじと螺合するシャフトと、該送りねじと該シャフトにより構成される送りねじ機構と、該シャフトの回転を止める回転止手段と、該シャフトの先端に取り付けられた弁体と、該弁体と該弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、
停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、
前記復帰ばねの推進力が前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁すること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項２】
請求項１に記載する電動真空弁において、
前記シャフトと前記復帰ばねはベローズで覆われていること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項３】
請求項２に記載する電動真空弁において、
前記ベローズの前記シャフト側は大気圧であり、前記弁室内が真空圧力であるとき、
前記復帰ばねの推進力と前記真空圧力により前記弁体に発生する推進力の和は、前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載するいずれか１つの電動真空弁において、
前記弁体を開弁するための前記ステッピングモータの駆動トルクを前記送りねじ機構により変換した直進推力は、前記復帰ばねの推進力と、前記第１ポート側が真空状態で前記第２ポート側が大気圧の時に前記弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項１】
第１ポートと第２ポートと、該第１ポートと該第２ポートと連結する弁室と、該弁室に形成された弁座と、を備える本体部と、ステッピングモータに接続した送りねじと、該送りねじと螺合するシャフトと、該送りねじと該シャフトにより構成される送りねじ機構と、該シャフトの回転を止める回転止手段と、該シャフトの先端に取り付けられた弁体と、該弁体と該弁座に当接する方向に付勢させる復帰ばねと、を有する電動真空弁において、
停電時に、ステッピングモータのステータとロータの間にディテントトルクが発生すること、
前記復帰ばねの推進力が前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力より大きいことにより閉弁すること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項２】
請求項１に記載する電動真空弁において、
前記シャフトと前記復帰ばねはベローズで覆われていること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項３】
請求項２に記載する電動真空弁において、
前記ベローズの前記シャフト側は大気圧であり、前記弁室内が真空圧力であるとき、
前記復帰ばねの推進力と前記真空圧力により前記弁体に発生する推進力の和は、前記ディテントトルクを前記送りねじ機構により変換した抵抗力の３倍以上であること、
を特徴とする電動真空弁。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載するいずれか１つの電動真空弁において、
前記弁体を開弁するための前記ステッピングモータの駆動トルクを前記送りねじ機構により変換した直進推力は、前記復帰ばねの推進力と、前記第１ポート側が真空状態で前記第２ポート側が大気圧の時に前記弁体に発生する推進力との和に対して３倍以上であること、
を特徴とする電動真空弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１６９４１１（Ｐ２０１１−１６９４１１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３４１１２（Ｐ２０１０−３４１１２）
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（０００１０６７６０）シーケーディ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（０００１０６７６０）シーケーディ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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