特表-19003900IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2019年1月3日
【発行日】2020年5月21日
(54)【発明の名称】バルブ装置
(51)【国際特許分類】
   F16K 7/17 20060101AFI20200424BHJP
   H02N 2/18 20060101ALI20200424BHJP
【FI】
   F16K7/17 A
   H02N2/18
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】14
【出願番号】特願2019-526775(P2019-526775)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2018年6月12日
(31)【優先権主張番号】特願2017-129016(P2017-129016)
(32)【優先日】2017年6月30日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】100186750
【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 健司
(72)【発明者】
【氏名】相川 献治
(72)【発明者】
【氏名】篠原 努
(72)【発明者】
【氏名】松田 隆博
【テーマコード(参考)】
5H681
【Fターム(参考)】
5H681BB08
5H681BB14
5H681BC00
5H681DD15
5H681DD24
5H681DD37
5H681DD53
5H681DD82
5H681EE20
5H681EE24
5H681FF30
5H681GG18
(57)【要約】
【課題】各種電子機器を搭載可能で、配線や電池交換の問題が解消された発電機能を有するガス駆動式のバルブ装置を提供する。
【解決手段】筐体部10,11と、駆動流体により駆動されて弁体を閉方向又は開方向に移動させる筐体部10,11に収容された可動部13とを有するアクチュエータ7と、可動部13を駆動流体の駆動力に抗する方向に付勢するばね部材30と、圧電素子の圧電効果を利用した、アクチュエータ7の作動により生じる振動系の振動を電力に変換する発電機能と装置に加わる振動を抑制する制振機能とを備える発電制振ユニット100とを有する。
【選択図】図1C
【特許請求の範囲】
【請求項1】
筐体部と、駆動流体により駆動されて弁体を閉方向又は開方向に移動させる前記筐体部に収容された可動部とを有するアクチュエータと、
前記可動部を前記駆動流体の駆動力に抗する方向に付勢するばね部材と、
圧電素子の圧電効果を利用した、前記アクチュエータの作動により生じる振動系の振動を電力に変換する発電機能と装置に加わる振動を抑制する制振機能とを備える発電制振ユニットと、
を有するバルブ装置。
【請求項2】
装置の外部から印可される振動に応じて前記振動系の動特性を制御可能に形成されている調整回路をさらに有する、請求項1に記載のバルブ装置。
【請求項3】
前記調整回路は、前記圧電素子に印加する直流電圧を調整する直流電圧調整部を持つ、請求項2に記載のバルブ装置。
【請求項4】
前記発電制振ユニットの振動系は、
一端側が前記筐体部に固定され他端側が自由端となった片持ち梁状の弾性変形部と、
前記変形部の他端側に設けられた質量部と、
を有し、
前記弾性変形部はその変形量と電力を相互に変換する圧電素子を有する、請求項1又は2に記載のバルブ装置。
【請求項5】
前記発電ユニットは前記アクチュエータの内部にあって、
前記弾性変形部は、前記可動部の外輪郭に沿って円環状又は円弧状に形成されている、請求項4に記載のバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バルブ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
バルブ装置の分野においても、圧力センサや無線モジュール等の電子機器を搭載して装置の高機能化が図られようとしている(特許文献1、2、3を参照)。それらの電子機器に用いる電力を供給する手段として、特許文献2ではボタン電池を用いて各種センサを駆動させる方法を開示している。また、特許文献3では、コントローラから電磁弁へと送信される制御入力に高周波を重畳させておき、バルブ側で高周波成分を取り出すことで受電するシステムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表2011−513832号公報
【特許文献2】特表2016−513228号公報
【特許文献3】特開2017−020530号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
半導体製造装置に用いられる、空圧を用いたエア駆動式のバルブ装置においても、各種電子機器を動作させるための電源を確保したい需要がある。
一つの手段として、電源のための配線を外部からバルブ装置に導き入れることが考えられるが、多数のバルブが設置される流体制御装置において配線が煩雑になるのみならず、防爆性の問題で配線の設計と配設に細心の注意を払う必要がある。
また、一つの手段として、電源として電池を用いれば、配線の問題は解消されるが、バルブ装置の寿命に見合うだけの大容量の一次電池を用いたり、定期的な電池交換作業が必要となったりする。
特許文献3の電磁弁に対する高周波重畳送電は、エア駆動式のバルブ装置においては適用しえない。
半導体製造装置に用いられるバルブ装置は、たとえば、真空ポンプ等の振動源の近くに設置される。このため、半導体製造装置が稼働中には、バルブ装置は常時外部からの環境振動を受ける。バルブ装置が環境振動を受けると、弁体も振動を受けるため、環境振動が流量に影響を与える可能性がある。より高精密な流量制御を可能にするためには、環境振動の影響を無視できない。
【0005】
本発明の一の目的は、各種電子機器を搭載可能で配線や電池交換の問題が解消された、発電機能を有しかつ環境振動の影響も抑制できるバルブ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るバルブ装置は、筐体部と、駆動流体により駆動されて弁体を閉方向又は開方向に移動させる前記筐体部に収容された可動部とを有するアクチュエータと、
前記可動部を前記駆動流体の駆動力に抗する方向に付勢するばね部材と、
圧電素子の圧電効果を利用した、前記アクチュエータの作動により生じる振動系の振動を電力に変換し発電機能と装置に加わる振動を抑制する制振機能とを有する発電制振ユニットと、を有する。
【0007】
好適には、装置の外部から印可される振動に応じて前記振動系の動特性を制御可能に形成されている調整回路をさらに有する、構成を採用できる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、発電制振ユニットが振動系の振動を電力に変換することで発電できるので、配線や電池交換の問題が解消されたバルブ装置が得られる。加えて、発電制振ユニットは制振機能によりバルブ装置の外部から印可される環境振動等の振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1A】本発明の一実施形態に係るバルブ装置の外観斜視図。
図1B図1Aのバルブ装置の縦断面を含む斜視図。
図1C図1Aのバルブ装置の縦断面図。
図2】発電制振ユニットの拡大斜視図。
図3A】発電制振ユニットの側面図。
図3B図3Aの発電制振ユニットの斜視図。
図4】負荷回路の一例を概略的に示す機能ブロック図。
図5】負荷回路の他の例を概略的に示す機能ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。
図1A図1Cは、本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構成を示す図であって、図1Aは外観斜視図、図1Bは縦断面を含む斜視図、図1Cは縦断面図である。なお、図中において、矢印A1,A2は上下方向を示しており、A1が上方向、A2が下方向を示している。
【0011】
バルブ装置1は、アクチュエータ部7とバルブボディ20とを有する。一端部に管継手3が接続された配管5は、アクチュエータ部7の内部へ導入されている。配管5を通じて、アクチュエータ部7の内部へ駆動流体が供給され、又は、アクチュエータ部7から解放されたエアが外部に放出される。駆動流体としては、例えば、圧縮エアが使用される。
【0012】
アクチュエータ部7は、上端部が閉塞した円筒状のアクチュエータキャップ10、円筒状のアクチュエータケース11、アクチュエータボディ12、ピストン部材13、ダイヤフラム押え15、コイルばね30および発電制振ユニット100を有する。
アクチュエータキャップ10は、下端部が円環状に形成されたばね受け部材8に固定されており、内部空間に回路収容部40が設けられている。図1B,1Cにおいて、回路収容部40の断面にはハッチングが施されているが、実際には、回路収容部40は電気回路や二次電池等の電気的要素を収容する空洞となっている。配管5は、アクチュエータキャップ10を通じてアクチュエータ部7の内部に導入される。
【0013】
アクチュエータケース11は、上端側でばね受け部材8を支持しており、下端側がアクチュエータボディ12にねじ込み固定されている。
アクチュエータボディ12は、図1Cに示すように、その下側にダイヤフラム押え15を上下方向A1,A2にガイドするガイド孔12aを有し、ガイド孔12aの上側に連通して貫通孔12bが形成されている。アクチュエータボディ12の上側には、OリングORを介してピストン部材13のフランジ部13bを摺動自在に上下方向A1,A2に案内するシリンダ室12cが形成されている。
【0014】
ピストン部材13は、中心部にシリンダ室12cに連通する流通路13aを有する。流通路13aは、配管5の管路5aと連通している。ピストン部材13は、フランジ部13bおよび先端軸部13cがOリングORを介してシリンダ室12cおよび貫通孔12bを上下方向A1,A2に移動自在となっている。円筒状の部材9は、ピストン部材13の上端部に設けられ、配管5の管路5aとの間をシールするOリングORの移動を規制する。
ダイヤフラム押え15はアクチュエータボディ12のガイド孔12aにより上下方向A1,A2に可動となっている。
【0015】
バルブボディ20は、上側がアクチュエータボディ12の下側と螺合され、その底面に開口部21a,22aを有するガス等の流路21,22を画定している。流路21,22は他の流路部材と図示しないシール部材を介して接続される。
バルブシート16は、バルブボディ20の流路21の周囲に設けられている。バルブシート16は、PFA、PTFE等の樹脂で弾性変形可能に形成されている。
【0016】
ダイヤフラム17は、弁体として機能し、バルブシート16よりも大きな直径を有し、ステンレス、NiCo系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。ダイヤフラム17は、押えアダプタ18を介してアクチュエータボディ12の下端面によりバルブボディ20に向けて押し付けられることによりバルブシート16に対して当接離隔可能にバルブボディ20に支持されている。図1Cにおいて、ダイヤフラム17はダイヤフラム押え15により押圧されて弾性変形し、バルブシート16に押し付けられている状態にある。ダイヤフラム押え15による押圧を開放すると、球殻状に復元する。ダイヤフラム17がバルブシート16に押し付けられている状態では流路21が閉鎖され、ダイヤフラム17がバルブシート16から離れると、流路21は開放されて流路22と連通する。
【0017】
コイルばね30は、ばね受け部材8の中心に設けられた円筒部8aの周囲に設けられ、ばね受け部材8のばね受け部8bとピストン部材13のフランジ部13bとの間に介在し、ピストン部材13を常に下方向A2に向けて復元力により付勢している。これにより、ダイヤフラム押え15の上端面がピストン部材13により下方向A2に付勢され、ダイヤフラム17をバルブシート16に向けて押圧する。
【0018】
発電制振ユニット100は、支持部材110を介してアクチュエータケース11の内周面に固定されている。
ここで、図2図3Aおよび図3Bに発電制振ユニット100の構造を示す。
発電制振ユニット100は、コイルばね30の外周とアクチュエータケース11の内周面との間の空間に収まるように円弧状に形成された圧電バイモルフ102と、圧電バイモルフ102の基端部102bをフランジ部13b上で支持する支持部材110と、圧電バイモルフ102の先端部102aに設けられた質量部120とを有する。圧電バイモルフ102の基端部102bは、取付孔102hが形成され、ねじ部材により支持部材110の上面に固定されており、圧電バイモルフ102の先端部102aは自由端となっており、圧電バイモルフ102は片持ち梁状の弾性変形部を構成している。
圧電バイモルフ102は、機械強度を保つための薄い金属板104と、金属板104の表裏に設けられたシート状の圧電素子103A,103Bとを有する。圧電素子103A,103Bは、後述する負荷回路600に電気的に接続される。圧電バイモルフ102がたわむことにより圧電素子103A,103Bが圧縮又は伸長しその変形量に応じた起電力が生じる。後述する負荷回路600により圧電素子103A,103Bから差動的に電力を取り出すことができる。
発電制振ユニット100は、上記のような構造により、ピストン部材13の上下動作により衝撃が加わると減衰振動を続けてしばらく発電が続く振動系を成している。具体的には、駆動流体である圧縮エアの供給によりピストン部材13が上方向A1に上昇し、所定の位置で移動が規制される際に衝撃が発生する。また、圧縮エアを解放すると、コイルばね30の復元力により、ダイヤフラム押え15がダイヤフラム17を介してバルブシート16に衝突する際に衝撃が発生する。また、中間開状態で使用するためにピストン部材13が全開と全閉の間で停止する際や、開閉動作のためにピストン部材13が動き始める時にも小さいながら衝撃が発生する。これらの衝撃により、発電制振ユニット100に振動が生じる。このように、ピストン部材13の動作方向の振動を吸収するために、圧電バイモルフ102の面がピストン部材13の軸に対して略垂直になるように取り付けられている。
【0019】
発電量を確保するためには、発電制振ユニット100の面積は可能な限り広くとるのが好ましい。本実施形態では、発電制振ユニット100を円弧状に形成し、コイルばね30の外周とアクチュエータケース11の内周面との間の空間に収めることでバルブ装置1に内蔵しつつ面積を稼ぎ、ピストン部材13の重心のずれを極力減らす配置を可能とした。なお、発電制振ユニット100の形状は円弧状に限定されるわけではなく、例えば、円環状に形成することも可能であり、円環状の形状のうち任意の点を一端部として支持部材110に固定し、円環の反対側に質量部120を有することで同様の片持ち梁構造となる。また、圧電バイモルフ102の剛性や質量部120の大きさは、所望の固有振動数に応じて設定できる。
【0020】
図4に負荷回路600の一例を機能ブロック図として示す。
負荷回路600は、整流回路601、電源IC602、マイクロコントローラ603、圧力センサ、温度センサ、加速度センサなどの各種センサ604や、各種センサ604で検出したデータを外部に送信することができる無線部605、二次電池606、回路制御部607およびこの回路制御部607により制御される調整部608を有する。
【0021】
整流回路601は、調整部608を通じて発電制振ユニット100で生じる交流電流を直流化する。
電源IC602は、発電制振ユニット100からの電力の電圧を変換して二次電池606に蓄えつつ、マイクロコントローラ603、各種センサ604、無線部605等の電力供給先へ送る電力を調節する電力管理ICとしての機能を兼ねている。電源IC602として、例えば、エナジーハーベスティング用として一般的に流通しているものを採用できる。
二次電池606は、電源IC602から供給される直流電力を蓄える。容量の比較的大きいキャパシタを代用することも可能である。
回路制御部607は、調整部608を制御する制御信号を出力する。
調整部608は、回路制御部607からの制御信号に応じて、発電制振ユニット100の発電機能と制振機能とを選択的に切り換える。
各種センサ以外は、回路収容部40に収容され、各種センサは圧力や温度や振動を検出すべく、バルブ装置1の流路近辺等に配置され、電源IC602やマイクロコントローラ603と配線によって電気的に接続される。
【0022】
制振機能
上述したように、発電制振ユニット100は、圧電素子103A,103Bの変形により電圧を生じさせて差動的に電圧を取り出すことができる。すなわち、発電機能を有する。
これに加えて、発電制振ユニット100は、圧電素子103A,103Bに適宜電圧を印可すると、圧電バイモルフ102に曲げ力を作用させることができる。すなわち、圧電素子103A,103Bは、アクチュエータであり、調整部608を通じて電圧を圧電素子103A,103Bに印可して圧電バイモルフ102の振動をコントロールすることができる。
図5に他の負荷回路600Aの例を機能ブロック図として示す。なお、図5において、図4と同湯の構成部分には同様の符号を使用している。
図5に示すように、発電制振ユニット100により発電される交流電力を電源IC602で測定しながら、直流電圧調整部105により圧電素子103Bに印加する直流電圧を変化させて、圧電素子103Aにより発電される交流電力の最も大きくなる直流電圧に保持することができる。環境振動のうち影響の大きな周波数に対し発電制振ユニット100を共振させて、振動のエネルギーを電力に変換することにより、発電および制振の効率を高めることができる。
また、例えば、バルブ装置1に外部からの環境振動が印可されている場合に、センサ604の中の加速度センサでこの環境振動を検出し、この環境振動を消去するように圧電素子103A,103Bをフィードバック制御(アクティブダンピング)することができる。発電制振ユニット100に制振機能を発揮させれば、必要な低振動環境を形成することができる。
このような発電機能と制振機能をもつ発電制振ユニット100をバルブ装置1に内蔵させることで、バルブ装置1の高機能化ができる。なお、制振機能をどのタイミングで発揮させるかは任意であり、上記のような環境振動の印可時に限定されるわけではない。ピストン作動時に制振制御を作動させて衝撃を大幅に緩和し、バルブ解放時に印可される外部からの環境振動を用いて発電することも可能である。また、制振制御の具体的方法は、公知のものを適宜採用できることは言うまでもない。さらに、発電制振ユニット100の発電機能のみ、又は、制振機能のみを使用する構成でもよい。
【0023】
上記実施形態では、いわゆるノーマリークローズのバルブを例示したが、これに限定されるわけではなく、いわゆるノーマリーオープンのバルブにも適用可能である。
【0024】
上記実施形態では、バルブ装置1を圧縮エアで駆動する場合を例示したが、空気以外の他のガスを用いることも可能である。
【0025】
上記実施形態では、ダイヤフラム式のバルブについて例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の方式のバルブにも適用可能である。
【0026】
上記実施形態では、バイモルフ式の発電制振ユニットを使用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、モノモルフ式も採用できる。また、多数を重ねた積層型の圧電素子とばねおよび質量を組み合わせることで、発電制振ユニットを構成することも可能である。
【0027】
上記実施形態では、発電制振ユニットとして圧電バイモルフが一枚のみの場合を例示したが、複数枚の圧電バイモルフを別々の場所に取り付けた構成とすることも可能である。
【符号の説明】
【0028】
1 バルブ装置
5 配管
7 アクチュエータ部(アクチュエータ)
10 アクチュエータキャップ(筐体部)
11 アクチュエータケース(筐体部)
12 アクチュエータボディ(筐体部)
13 ピストン部材(可動部)
15 ダイヤフラム押え
16 バルブシート
17 ダイヤフラム(弁体)
18 押えアダプタ
20 バルブボディ(筐体部)
30 コイルばね(ばね部材)
100 発電制振ユニット
102 圧電バイモルフ(弾性変形部)
102a 先端部
102b 基端部
102h 取付け孔
103A,103B 圧電素子
104 金属板
105 直流電圧調整部
110 支持部材
120 質量部
600,600A 負荷回路
図1A
図1B
図1C
図2
図3A
図3B
図4
図5
【国際調査報告】