JP2021110338A - スプール型流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】真空環境下で使用できるスプール型流量制御弁を提供する。【解決手段】スプール型流量制御弁１００は、複数のポート１３０，１３２，１３４が形成されるスリーブ１０４と、スリーブ１０４内に摺動可能に収容される、１つ以上の弁体１２０を有するスプール１０６と、スプール１０６を軸方向に移動させるアクチュエータ１０８と、スリーブ１０４とスプール１０６との間を非接触で支持する静圧空気軸受を備える。スプール型流量制御弁１００は、１つ以上の弁体１２０によって複数のポートのうちの１つ以上のポートの開口面積を制御し、流量を制御する。スプール型流量制御弁１００は、静圧空気軸受から排出される空気を回収するよう構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、スプール型流量制御弁に関する。

特許文献１は、スプール型の流量制御弁を開示する。このスプール型流量制御弁によれば、静圧空気軸受を介して非接触でスプールがスリーブに支持され、スリーブとスプールとの間に摺動摩擦が生じないため、高精度にスプールを位置決めでき、したがって高精度に流量制御できる。

特開２００２−２９７２４３号公報

特許文献１に記載されるような従来のスプール型流量制御弁は、大気環境下で使用することを前提としており、静圧空気軸受から排出される空気が外に漏れうる構成となっている。したがって、従来のスプール型流量制御弁では、真空環境下に配置された装置に空気を供給する場合、スプール型流量制御弁を真空環境の外に配置し、そこから当該装置までチューブを延ばして空気を供給していた。この場合、スプール型流量制御弁から真空環境下の装置までの流路長が比較的長くなり、当該装置の応答性が低下する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、真空環境下で使用できるスプール型流量制御弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のスプール型流量制御弁は、複数のポートが形成されるスリーブと、スリーブ内に摺動可能に収容される、１つ以上の弁体を有するスプールと、スプールを軸方向に移動させるアクチュエータと、スリーブとスプールとの間を非接触で支持する静圧空気軸受と、を備え、１つ以上の弁体によって複数のポートのうちの１つ以上のポートの開口面積を制御し、流量を制御するスプール型流量制御弁であって、静圧空気軸受から排出される空気を回収するよう構成される。

本発明の別の態様もまた、スプール型流量制御弁である。このスプール型流量制御弁は、複数のポートが形成されるスリーブと、スリーブ内に摺動可能に収容される、１つ以上の弁体を有するスプールと、スプールを軸方向に移動させるアクチュエータと、スリーブとスプールとの間を非接触で支持する静圧空気軸受と、を備え、アクチュエータに駆動されてスプールが移動し、１つ以上の弁体によって複数のポートのうちの１つ以上のポートの開口面積を制御し、流量を制御するスプール型流量制御弁であって、スリーブ、スプール、アクチュエータおよび静圧空気軸受を収容する密閉された筐体を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、真空環境下で使用できるスプール型流量制御弁を提供できる。

実施の形態に係るスプール型流量制御弁を概略的に示す図である。 変形例に係るスプール型流量制御弁を概略的に示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るスプール型流量制御弁（サーボ弁）１００を概略的に示す図である。スプール型流量制御弁１００は、気体の流量を制御する流量制御弁である。以下では、スプール型流量制御弁１００が空気の流量を制御する場合を例示する。スプール型流量制御弁１００は、後述するように、真空環境下で使用できるように、すなわち空気が外に漏れ出ないように構成される。好適には、スプール型流量制御弁１００は、ステージ装置とともに真空環境下に配置され、当該ステージ装置のエアアクチュエータに供給する空気の流量を制御するために使用される。以下では、スプール型流量制御弁１００が真空環境下に配置される場合を例示する。

スプール型流量制御弁１００は、円筒状のスリーブ１０４と、スリーブ１０４に収容されるスプール１０６と、スリーブ１０４の一端側に設けられ、スプール１０６がスリーブ１０４内を移動するよう駆動するアクチュエータ１０８と、スリーブ１０４の他端側に設けられ、スプール１０６の位置を検出する位置検出部１１０と、それらを内部に収容する筐体１０２と、を備える。

以下では、スリーブ１０４の中心軸に平行な方向を軸方向とよぶ。また、スリーブ１０４に対してアクチュエータ１０８が設けられる側を右側、スリーブ１０４に対して位置検出部１１０が設けられる側を左側として説明する。

スプール１０６は、第１支持部１１８と、第２支持部１２２と、弁体１２０と、第１連結軸１２４と、第２連結軸１２６と、駆動軸１２８と、を含む。第１支持部１１８、弁体１２０、第２支持部１２２は、いずれも円柱状であり、右側から軸方向にこの順で並ぶ。第１連結軸１２４は、軸方向に延在し、第１支持部１１８と弁体１２０とを連結する。第２連結軸１２６は、軸方向に延在し、弁体１２０と第２支持部１２２とを連結する。駆動軸１２８は、第１支持部１１８から右側に向かって軸方向に突出する。

アクチュエータ（リニア駆動部）１０８は、駆動軸１２８ひいてはスプール１０６を軸方向に移動させる。アクチュエータ１０８は、特に限定はしないが、図示の例ではボイスコイルモータである。

スプール１０６の第１支持部１１８および第２支持部１２２は、静圧空気軸受によってスリーブ１０４から浮上した状態で、すなわちスリーブ１０４とは非接触で支持される。

本実施の形態では第１支持部１１８の外周面には、静圧空気軸受としてのエアパッド１６８が設けられている。エアパッド１６８には図示しない給気孔が設けられている。この給気孔を通って、図示しない給気系から供給される圧縮空気が、第１支持部１１８とスリーブ１０４との隙間である第１隙間１４８に供給される。これにより、第１隙間１４８に高圧の気体層が形成され、エアパッド１６８ひいては第１支持部１１８がスリーブ１０４から浮上する。なお、エアパッド１６８は、第１支持部１１８の外周面の代わりに、第１支持部１１８と対向するスリーブ１０４の内周面の部分に設けられてもよい。

同様に、第２支持部１２２の外周面には、静圧空気軸受としてのエアパッド１７０が設けられている。エアパッド１７０には、図示しない給気孔が設けられている。この給気孔を通って、図示しない給気系から供給される圧縮空気が、第２支持部１２２とスリーブ１０４との隙間である第２隙間１５０に供給される。これにより、第２隙間１５０に高圧の気体層が形成され、エアパッド１７０ひいては第２支持部１２２がスリーブ１０４から浮上する。なお、エアパッド１７０は、第２支持部１２２の外周面の代わりに、第２支持部１２２と対向するスリーブ１０４の内周面の部分に設けられてもよい。

なお、図１では、第１隙間１４８および第２隙間１５０を誇張して描いている。実際には、第１隙間１４８および第２隙間１５は、静圧空気軸受を形成するためには、数ミクロン程度であることが好ましい。後述の図２についても同様である。

位置検出部１１０は、特には限定しないが、一例としては、図示のような磁気式の位置検出部である。磁気式の位置検出部は公知であるため簡単に説明する。位置検出部１１０は、位置検出用ロッド１４０と、位置センサ１４２と、センサ保持部１４４と、を含む。位置検出用ロッド１４０は、第２支持部１２２から左側に向かって軸方向に突出する。位置検出用ロッド１４０には、磁性体と非磁性体とが交互に配列される。センサ保持部１４４は、位置検出用ロッド１４０を環囲する筒状の部材であり、スリーブ１０４の左端に固定される。センサ保持部１４４の内周面には、位置センサ１４２が保持される。位置センサ１４２は、スプール１０６とともに位置検出用ロッド１４０が軸方向に移動したときに検出される磁性体の数に基づいて、スプール１０６の移動量あるいは位置を検出する。

筐体１０２は、第１筐体部１１２と、第２筐体部１１４と、第３筐体部１１６と、を含む。第１筐体部１１２は、スリーブ１０４を環囲する部材であり、スリーブ１０４と一体に形成される。スリーブ１０４の外周側が第１筐体部１１２を構成するとも捉えることができる。なお、第１筐体部１１２は、スリーブ１０４とは別体の部材であってもよい。

第２筐体部１１４は、円筒部１１４ａと底部１１４ｂとが一体に形成された有底カップ形状を有し、その底部１１４ｂを右にして、すなわちスリーブ１０４の右端の開口部と開口部同士が向かい合わせになるようにして、第１筐体部１１２の右端に接続される。第２筐体部１１４内にはアクチュエータ１０８が収容される。

第２筐体部１１４は、底部１１４ｂから左側に向かって軸方向に突出する円柱状の凸部１１４ｃをさらに有する。凸部１１４ｃの周りにボイスコイルモータであるアクチュエータ１０８が配置される。アクチュエータ１０８は、マグネット１６２と、コイルボビン１６４と、コイル１６６と、を含む。マグネット１６２は、コイル１６６を環囲するように筒部１１４ａの内周面に接着固定される。マグネット１６２は、周方向に連続していてもよく、周方向に不連続であってもすなわち間欠的に設けられてもよい。第２筐体部１１４は、例えば鉄などの磁性体で構成され、マグネットヨークとしても機能する。コイルボビン１６４は、マグネット１６２の内側に設けられる。コイルボビン１６４は、凸部１１４ｃを環囲するとともに、一端側が駆動軸１２８に接続される。コイル１６６は、コイルボビン１６４の外周に巻回される。アクチュエータ１０８は、コイル１６６への供給電流量および電流の向きに応じて、コイル１６６が巻回されたコイルボビン１６４ひいてはスプール１０６を軸方向のいずれかに移動させる力を発生させる。なお、マグネット１６２とコイル１６６の位置関係が逆であってもよい。すなわちマグネット１６２が、コイル１６６の内側、具体的には凸部１１４ｃの外周面に設けられてもよい。

第３筐体部１１６は、円筒部と底部とが一体に形成された有底カップ形状を有し、その底部を左にして、すなわちスリーブ１０４の左端の開口部と開口部同士が向かい合わせになるようにして、第１筐体部１１２の左端に接続される。第３筐体部１１６内には位置検出部１１０が収容される。

第１筐体部１１２と第２筐体部１１４との間、第１筐体部１１２と第３筐体部１１６との間は、それぞれ、Ｏリングやメタルシールなどのシール部材１４６によってシールされる。したがって、筐体１０２の内部は、後述の複数のポートを除いて、密閉されている。

スリーブ１０４および第１筐体部１１２には、空気供給ポート１３０と、制御ポート１３２と、排気ポート１３４と、が形成される。空気供給ポート１３０、制御ポート１３２、排気ポート１３４はそれぞれ、スリーブ１０４の内側と第１筐体部１１２の外側とを連通する連通孔であり、軸方向に直交する方向に延びる。

空気供給ポート１３０は、チューブ（不図示）を介して空気圧源（不図示）に接続される。制御ポート１３２は、チューブ(不図示)を介して、例えばステージ装置のアクチュエータなどの負荷（不図示）に接続される。排気ポート１３４は、チューブ（不図示）を介して大気に開放される。

図示の状態にあるスプール１０６が、アクチュエータ１０８に駆動されて軸方向左側に移動すると、弁体１２０で塞がれていた制御ポート１３２が開放され、かつ、空気供給ポート１３０と制御ポート１３２とが連通し、空気圧源からの圧縮空気が空気供給ポート１３０、スリーブ１０４の内側および制御ポート１３２を通って負荷に供給される。この際、位置検出部１１０による検出結果に基づいてスプール１０６の位置を制御し、弁体１２０によって制御ポート１３２の開口面積を制御することで、負荷に供給される圧縮空気の流量を制御する。

一方、図示の状態にあるスプール１０６が、アクチュエータ１０８に駆動されて軸方向右側に移動すると、弁体１２０で塞がれていた制御ポート１３２が開放され、かつ、制御ポート１３２と排気ポート１３４とが連通し、負荷からの圧縮空気が制御ポート１３２、スリーブ１０４の内側および排気ポート１３４を通って真空環境の外に排気される。この際、位置検出部１１０による検出結果に基づいてスプール１０６の位置を制御し、弁体１２０によって制御ポート１３２の開口面積を制御することで、負荷から排気される圧縮空気の流量を制御する。

第１筐体部１１２には、空気供給ポート１３０、制御ポート１３２および排気ポート１３４を避けた位置に、連通孔１３８が形成される。連通孔１３８は、第２筐体部１１４の内側の空間である第１空間１５８と、第３筐体部１１６の内側の空間である第２空間１６０とを連通する。また、第３筐体部１１６には、第２空間１６０すなわち筐体１０２の内側の空間と、筐体１０２の外側とを連通する連通孔である回収ポート１５６が形成される。回収ポート１５６は、チューブ（不図示）を介して大気に開放される。

第１空間１５８および第２空間１６０には、静圧空気軸受から排出される空気が流れ込む。上述したように第１筐体部１１２と第２筐体部１１４との間はシールされているため、第１空間１５８に流れ込んだ空気は、第１筐体部１１２と第２筐体部１１４との間から筐体１０２の外には漏れ出ない。同様に、第１筐体部１１２と第３筐体部１１６との間はシールされているため、第２空間１６０に流れ込んだ空気は、第１筐体部１１２と第３筐体部１１６との間から筐体１０２の外には漏れ出ない。第２空間１６０は、回収ポート１５６を介して大気圧環境と連通されているため、第１空間１５８よりも低圧になっている。したがって、第１空間１５８に流れ込んだ空気は、連通孔１３８を通って第２空間１６０に流れ込む。直接あるいは第１空間１５８を介して第２空間１６０に流れ込んだ空気は、回収ポート１５６を介して、より低圧の大気圧環境に排気される。つまり、静圧空気軸受から排出される空気は、回収ポート１５６から回収される。

以上説明したように、本実施の形態に係るスプール型流量制御弁１００によれば、静圧空気軸受から排出される空気は回収ポート１５６を介して大気圧環境に排気され、真空環境下には漏れ出ないため、スプール型流量制御弁１００を真空環境下で使用できる。

また、スプール型流量制御弁１００によれば、静圧空気軸受から排出される空気は１つの回収ポート１５６から回収される。複数の回収ポートから排気する場合、回収ポートとチューブとの接続箇所が増え、その分、空気が真空環境下に漏れるリスクが高くなるところ、スプール型流量制御弁１００によればそのリスクを低減できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
上述の実施の形態においては、第３筐体部１１６に回収ポート１５６を形成した。変形例においては、第３筐体部１１６に代えてまたは第３筐体部１１６に加えて、第２筐体部１１４に回収ポートを形成してもよい。なお、第３筐体部１１６に加えて第２筐体部１１４にも回収ポートを形成する場合、連通孔１３８は不要となる。

（変形例２）
図２は、変形例に係るスプール型流量制御弁２００のを概略的に示す図である。図２は図１に対応する。本変形例では、実施の形態と異なり、第３筐体部１１６に回収ポート１５６は形成されず、代わりに第１筐体部１１２に、第２空間１６０と排気ポート１３４とを連通する連通孔２６２が形成される。直接あるいは第１空間１５８を介して第２空間１６０に流れ込んだ空気は、連通孔２６２を通って排気ポート１３４に流れ、大気環境に排気される。つまり、静圧空気軸受から排出される空気は、排気ポート１３４から回収される。

本変形例によれば、実施の形態と同様に、静圧空気軸受から排出される空気が真空環境下には漏れ出ないため、スプール型流量制御弁２００を真空環境下で使用できる。加えて、本変形例によれば、回収ポートを形成しなくて済むため、空気が漏れるリスクをさらに低減できる。

また、さらなる変形例においては、第１筐体部１１２には、第２空間１６０と排気ポート１３４とを連通する連通孔２６２の代わりにまたは第２空間１６０と排気ポート１３４とを連通する連通孔２６２に加えて、第１空間１５８と排気ポート１３４とを連通する連通孔を形成してもよい。なお、第２空間１６０と排気ポート１３４とを連通する連通孔２６２に加えて第１空間１５８と排気ポート１３４とを連通する連通孔が形成される場合は、連通孔１３８は不要となる。

（変形例３）
スプール１０６が有する弁体の数、第１筐体部１１２に形成されるポートの数は、上述の実施の形態および変形例のそれには限定されない。例えば、第１筐体部に複数セットの空気供給ポート、制御ポートおよび排気ポートが形成され、スプール１０６はそのセット数と同数の複数の弁体を有してもよい。

１００，２００ スプール型流量制御弁、 １０２ 筐体、 １０４ スリーブ、 １０６ スプール、 １０８ アクチュエータ、 １３０ 空気供給ポート、 １３２ 制御ポート、 １３４ 排気ポート、 １５６ 回収ポート。

Claims (5)

1. 複数のポートが形成されるスリーブと、前記スリーブ内に摺動可能に収容される、１つ以上の弁体を有するスプールと、前記スプールを軸方向に移動させるアクチュエータと、前記スリーブと前記スプールとの間を非接触で支持する静圧空気軸受と、を備え、前記１つ以上の弁体によって前記複数のポートのうちの１つ以上のポートの開口面積を制御し、流量を制御するスプール型流量制御弁であって、
   前記静圧空気軸受から排出される空気を回収するよう構成されることを特徴とするスプール型流量制御弁。
2. 複数のポートが形成されるスリーブと、前記スリーブ内に摺動可能に収容される、１つ以上の弁体を有するスプールと、前記スプールを軸方向に移動させるアクチュエータと、前記スリーブと前記スプールとの間を非接触で支持する静圧空気軸受と、を備え、前記アクチュエータに駆動されてスプールが移動し、前記１つ以上の弁体によって前記複数のポートのうちの１つ以上のポートの開口面積を制御し、流量を制御するスプール型流量制御弁であって、
   前記スリーブ、前記スプール、前記アクチュエータおよび前記静圧空気軸受を収容する密閉された筐体を備えることを特徴とするスプール型流量制御弁。
3. 前記スリーブは、前記筐体と一体に形成されることを特徴とする請求項２に記載のスプール型流量制御弁。
4. 前記静圧空気軸受から排出される空気を、１箇所で回収するよう構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスプール型流量制御弁。
5. 前記静圧空気軸受から排出される空気を、前記複数のポートのうちの排気ポートから回収するよう構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスプール型流量制御弁。

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