KR102284443B1 - 밸브장치 - Google Patents

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츠토무 시노하라
타카히로 마츠다
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

각종 전자기기를 탑재가능하고, 배선이나 전지 교환의 문제가 해소된 발전 기능을 갖는 가스 구동식의 밸브 장치를 제공한다. 하우징부(10, 11)와, 구동 유체에 의해 구동되어 밸브체를 폐쇄 방향 또는 개방 방향으로 이동시키는 하우징부(10, 11)에 수용된 가동부(13)를 갖는 액추에이터(7)와, 가동부(13)을 구동 유체의 구동력에 대항하는 방향으로 부세하는 스프링 부재(30)와, 압전소자의 압전 효과를 이용한, 액추에이터(7)의 작동에 의해 생기는 진동계의 진동을 전력으로 변환하는 발전 기능과 장치에 가해지는 진동을 억제하는 제진 기능을 구비한 발전 제진 유닛(100)을 갖는다.

Description

밸브장치
본 발명은, 밸브장치에 관한 것이다.
밸브장치의 분야에 있어서도, 압력 센서나 무선 모듈 등의 전자기기를 탑재해서 장치의 고기능화가 도모되도록 하고 있다(특허문헌 1, 2, 3을 참조). 그들 전자기기에 사용하는 전력을 공급하는 수단으로서, 특허문헌 2에서는 버튼 전지를 사용해서 각종 센서를 구동시키는 방법을 개시하고 있다. 또한, 특허문헌 3에서는, 콘트롤러로부터 전자 밸브에 송신되는 제어 입력에 고주파를 중첩시켜 놓고, 밸브측에서 고주파 성분을 추출함으로써 수전하는 시스템을 개시하고 있다.
일본국 특표 2011-513832호 공보 일본국 특표 2016-513228호 공보 일본국 특개 2017-020530호 공보
반도체 제조장치에 사용되는, 공기 압력을 사용한 에어 구동식의 밸브장치에 있어서도, 각종 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 확보하고 싶은 수요가 있다.
한 개의 수단으로서, 전원을 위한 배선을 외부에서 밸브장치에 이끌어 넣는 것이 생각되지만, 다수의 밸브가 설치되는 유체 제어장치에 있어서 배선이 번잡해질 뿐만 아니라, 방폭성의 문제로 배선의 설계와 배치에 세심한 주의를 할 필요가 있다.
또한, 한개의 수단으로서, 전원으로서 전지를 사용하면, 배선의 문제는 해소되지만, 밸브장치의 수명에 걸맞는 것 뿐인 대용량의 1차 전지를 사용하거나, 정기적인 전지 교환 작업이 필요가 된다.
특허문헌 3의 전자 밸브에 대한 고주파 중첩 송전은, 에어 구동식의 밸브장치에 있어서는 적용할 수 없다.
반도체 제조장치에 사용되는 밸브장치는, 예를 들면, 진공 펌프 등의 진동원의 가까이에 설치된다. 이 때문에, 반도체 제조장치가 가동중에는, 밸브장치는 항상 외부로부터의 환경 진동을 받는다. 밸브장치가 환경 진동을 받으면, 밸브체도 진동을 받기 때문에, 환경 진동이 유량에 영향을 미칠 가능성이 있다. 보다 고정밀도의 유량제어를 가능하게 하기 위해서는, 환경 진동의 영향을 무시할 수 없다.
본 발명의 한가지 목적은, 각종 전자기기를 탑재가능하고 배선이나 전지 교환의 문제가 해소된, 발전 기능을 갖고 또한 환경 진동의 영향도 억제할 수 있는 밸브장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 밸브장치는, 하우징부와, 구동 유체에 의해 구동되어 밸브체를 폐쇄 방향 또는 개방 방향으로 이동시키는 상기 하우징부에 수용된 가동부를 갖는 액추에이터와,
상기 가동부를 상기 구동 유체의 구동력에 대항하는 방향으로 부세하는 스프링 부재와,
압전 소자의 압전 효과를 이용한, 상기 액추에이터의 작동에 의해 생기는 진동계의 진동을 전력으로 변환하고 발전 기능과 장치에 가해지는 진동을 억제하는 제진 기능을 갖는 발전 제진 유닛을 갖는다.
바람직하게는, 장치의 외부에서 인가되는 진동에 따라 상기 진동계의 동특성을 제어 가능하게 형성되어 있는 조정회로를 더 갖는 구성을 채용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 발전 제진 유닛이 진동계의 진동을 전력으로 변환함으로써 발전할 수 있으므로, 배선이나 전지 교환의 문제가 해소된 밸브장치가 얻어진다. 더구나, 발전 제진 유닛은 제진 기능에 의해 밸브장치의 외부에서 인가되는 환경 진동 등의 진동을 억제할 수 있다.
도1a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브장치의 외관 사시도이다.
도1b는 도1a의 밸브장치의 종단면을 포함하는 사시도이다.
도1c는 도1a의 밸브장치의 종단면도이다.
도2는 발전 제진 유닛의 확대 사시도이다.
도3a는 발전 제진 유닛의 측면도이다.
도3b는 도3a의 발전 제진 유닛의 사시도이다.
도4는 부하회로의 일례를 개략적으로 나타낸 기능 블록도이다.
도5는 부하회로의 다른 예를 개략적으로 나타낸 기능 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다. 이때, 본 명세서 및 도면에 있어서는, 기능이 실질적으로 같은 구성요소에는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복된 설명을 생략한다.
도1a∼도1c는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브장치의 구성을 도시한 도면으로서, 도1a는 외관 사시도, 도1b는 종단면을 포함하는 사시도, 도1c는 종단면도다. 이때, 도면 중에 있어서, 화살표 A1, A2는 상하 방향을 나타내고 있고, A1이 상측 방향, A2가 하측 방향을 나타내고 있다.
밸브장치(1)는, 액추에이터부(7)와 밸브 보디(20)를 갖는다. 일단부에 관 이음매(3)가 접속된 배관(5)은, 액추에이터부(7)의 내부에 도입되고 있다. 배관(5)을 통해, 액추에이터부(7)의 내부에 구동 유체가 공급되거나, 또는, 액추에이터부(7)로부터 해방된 에어가 외부로 방출된다. 구동 유체로서는, 예를 들면, 압축 에어가 사용된다.
액추에이터부(7)는, 상단부가 폐쇄된 원통 형상의 액추에이터 캡(10), 원통 형상의 액추에이터 케이스(11), 액추에이터 보디(12), 피스톤 부재(13), 다이어프램 누름부(15), 코일 스프링(30) 및 발전 제진 유닛(100)을 갖는다.
액추에이터 캡(10)은, 하단부가 원환 형상으로 형성된 스프링 받침부재(8)에 고정되어 있고, 내부 공간에 회로 수용부(40)가 설치되어 있다. 도1b 및 도1c에 있어서, 회로 수용부(40)의 단면에는 해칭이 실행되어 있지만, 실제로는, 회로 수용부(40)는 전기회로나 2차전지 등의 전기적 요소를 수용하는 공동으로 되어 있다. 배관(5)은, 액추에이터 캡(10)을 통해 액추에이터부(7)의 내부에 도입된다.
액추에이터 케이스(11)는, 상단측에서 스프링 받침부재(8)를 지지하고 있고, 하단측이 액추에이터 보디(12)에 나사 이음으로 고정되어 있다.
액추에이터 보디(12)는, 도1c에 나타낸 것과 같이, 그것의 하측에 다이어프램 누름부(15)를 상하 방향 A1, A2로 가이드하는 가이드 구멍(12a)을 갖고, 가이드 구멍(12a)의 상측에 연통해서 관통공(12b)이 형성되어 있다. 액추에이터 보디(12)의 상측에는, O링 OR을 거쳐 피스톤 부재(13)의 플랜지부(13b)를 접동이 자유롭게 상하 방향 A1, A22 안내하는 실린더 실(12c)이 형성되어 있다.
피스톤 부재(13)는, 중심부에 실린더 실(12c)에 연통하는 유통로(13a)를 갖는다. 유통로(13a)는, 배관(5)의 관로(5a)와 연통하고 있다. 피스톤 부재(13)는, 플랜지부(13b) 및 선단 축부(13c)가 O링 OR을 거쳐 실린더 실(12c) 및 관통공(12b)을 상하 방향 A1, A2로 이동이 자유롭게 되어 있다. 원통 형상의 부재(9)는, 피스톤 부재(13)의 상단부에 설치되고, 배관(5)의 관로(5a)와의 사이를 씰하는 O링 OR의 이동을 규제한다.
다이어프램 누름부(15)는 액추에이터 보디(12)의 가이드 구멍(12a)에 의해 상하 방향 A1, A2로 가동하게 되어 있다.
밸브 보디(20)는, 상측이 액추에이터 보디(12)의 하측과 나사 결합되고, 그것의 저면에 개구부(21a, 22a)를 갖는 가스 등의 유로(21, 22)를 획정하고 있다. 유로(21, 22)는 다른 유로부재와 도시하지 않은 씰 부재를 거쳐 접속된다.
밸브 시트(16)는, 밸브 보디(20)의 유로 21의 주위에 설치되어 있다. 밸브 시트(16)는, PFA, PTFE 등의 수지로 탄성변형가능하게 형성되어 있다.
다이어프램(17)은, 밸브체로서 기능하고, 밸브 시트(16)보다도 큰 직경을 갖고, 스테인레스, NiCo계 합금 등의 금속이나 불소계 수지로 구면 껍질 형상으로 탄성변형 가능하게 형성되어 있다. 다이어프램(17)은, 가압 어댑터(18)를 거쳐 액추에이터 보디(12)의 하단면에 의해 밸브 보디(20)를 향해서 눌러지는 것에 의해 밸브 시트(16)에 대하여 당접 격리 가능하게 밸브 보디(20)에 지지되어 있다. 도1c에 있어서, 다이어프램(17)은 다이어프램 누름부(15)에 의해 가압되어 탄성변형하고, 밸브 시트(16)에 눌러져 있는 상태에 있다. 다이어프램 누름부(15)에 의한 가압을 개방하면, 구면 껍질 형상으로 복원한다. 다이어프램(17)이 밸브 시트(16)에 눌러져 있는 상태에서는 유로 21이 폐쇄되고, 다이어프램(17)이 밸브 시트(16)로부터 떨어지면, 유로 21은 개방되어 유로 22와 연통한다.
코일 스프링(30)은, 스프링 받침부재(8)의 중심에 설치된 원통부(8a)의 주위에 설치되고, 스프링 받침부재(8)의 스프링 받침부(8b)와 피스톤 부재(13)의 플랜지부(13b) 사이에 개재하고, 피스톤 부재(13)를 항상 하측 방향 A2를 향해서 북원력에 의해 부세하고 있다. 이에 따라, 다이어프램 누름부(15)의 상단면이 피스톤 부재(13)에 의해 하측 방향 A2로 부세되어, 다이어프램(17)을 밸브 시트(16)를 향해서 가압한다.
발전 제진 유닛(100)은, 지지부재(110)를 거쳐 액추에이터 케이스(11)의 내주면에 고정되어 있다.
여기에서, 도 2, 도3a 및 도 3b에 발전 제진 유닛(100)의 구조를 나타낸다.
발전 제진 유닛(100)은, 코일 스프링(30)의 외주와 액추에이터 케이스(11)의 내주면 사이의 공간에 들어가도록 원호 형상으로 형성된 압전 바이모르프(102)와, 압전 바이모르프(102)의 기단부(102b)를 플랜지부(13b) 위에서 지지하는 지지부재(110)와, 압전 바이모르프(102)의 선단부(102a)에 설치된 질량부(120)를 갖는다. 압전 바이모르프(102)의 기단부(102b)는, 부착 구멍(102h)이 형성되고, 나사부재에 의해 지지부재(110)의 윗면에 고정되어 있고, 압전 바이모르프(102)의 선단부(102a)는 자유단으로 되어 있어, 압전 바이모르프(102)는 외팔보 형상의 탄성변형부를 구성하고 있다.
압전 바이모르프(102)는, 기계 강도를 유지하기 위한 얇은 금속판(104)과, 금속판(104)의 표리에 설치된 시트 형상의 압전 소자(103A, 103B)을 갖는다. 압전 소자(103A, 103B)은, 후술하는 부하회로(600)에 전기적으로 접속된다. 압전 바이모르프(102)가 휘는 것에 의해 압전 소자(103A, 103B)이 압축 또는 신장하고 그것의 변형량에 따른 기전력이 생긴다. 후술하는 부하회로(600)에 의해 압전 소자(103A, 103B)로부터 차동적으로 전력을 추출할 수 있다.
발전 제진 유닛(100)은, 상기한 것과 같은 구조에 의해, 피스톤 부재(13)의 상하 동작에 의해 충격이 가해지면 감쇠 진동을 계속해서 잠시동안 발전이 계속되는 진동계를 이루고 있다. 구체적으로는, 구동 유체인 압축 에어의 공급에 의해 피스톤 부재(13)가 상측 방향 A1로 상승하고, 소정의 위치에서 이동이 규제될 때에 충격이 발생한다. 또한, 압축 에어를 해방하면, 코일 스프링(30)의 북원력에 의해, 다이어프램 누름부(15)가 다이어프램(17)을 거쳐 밸브 시트(16)에 충돌할 때에 충격이 발생한다. 또한, 중간 개방 상태에서 사용하기 위해서 피스톤 부재(13)가 완전 개방과 완전 폐쇄의 사이에서 정지할 때나, 개폐 동작을 위해 피스톤 부재(13)가 움직이기 시작할 때에도 작지만 충격이 발생한다. 이들 충격에 의해, 발전 제진 유닛(100)에 진동이 생긴다. 이렇게, 피스톤 부재(13)의 동작 방향의 진동을 흡수하기 위해서, 압전 바이모르프(102)의 면이 피스톤 부재(13)의 축에 대하여 대략 수직이 되도록 부착되어 있다.
발전량을 확보하기 위해서는, 발전 제진 유닛(100)의 면적은 가능한 한 넓게 취하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 발전 제진 유닛(100)을 원호 형상으로 형성하고, 코일 스프링(30)의 외주와 액추에이터 케이스(11)의 내주면 사이의 공간에 들어가게 함으로써 밸브장치(1)에 내장하면서 면적을 벌고, 피스톤 부재(13)의 무게중심의 어긋남을 최대한 절감하는 배치를 가능하게 했다. 이때, 발전 제진 유닛(100)의 형상은 원호 형상에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 원환 형상으로 형성하는 것도 가능하며, 원환형의 형상 중 임의의 점을 일단부로서 지지부재(110)에 고정하고, 원환의 반대측에 질량부(120)를 가짐으로써 동일한 외팔보 구조로 된다. 또한, 압전 바이모르프(102)의 강성이나 질량부(120)의 크기는, 원하는 고유 진동수에 따라 설정할 수 있다.
도 4에 부하회로(600)의 일례를 기능 블럭도로서 나타낸다.
부하회로(600)는, 정류회로(601), 전원 IC(602), 마이크로 콘트롤러(603), 압력 센서, 온도 센서, 가속도 센서 등의 각종 센서(604)아, 각종 센서(604)에서 검출한 데이터를 외부에 송신할 수 있는 무선부(605), 2차전지(606), 회로 제어부(607) 및 이 회로 제어부(607)에 의해 제어되는 조정부(608)를 갖는다.
정류회로(601)는, 조정부(608)를 통해 발전 제진 유닛(100)에서 생기는 교류 전류를 직류화한다.
전원 IC(602)은, 발전 제진 유닛(100)으로부터의 전력의 전압을 변환해서 2차전지(606)에 축적하면서, 마이크로 콘트롤러(603), 각종 센서(604), 무선부(605) 등의 전력 공급처에 보낼 전력을 조절하는 전력 관리 IC로서의 기능을 겸하고 있다. 전원 IC(602)로서, 예를 들면, 에너지 하베스팅용으로서 일반적으로 유통되고 있는 것을 채용할 수 있다.
2차전지(606)는, 전원 IC(602)로부터 공급되는 직류전력을 축적한다. 용량이 비교적 큰 커패시터를 대용하는 것도 가능하다.
회로 제어부(607)는, 조정부(608)를 제어하는 제어신호를 출력한다.
조정부(608)는, 회로 제어부(607)로부터의 제어신호에 따라, 발전 제진 유닛(100)의 발전 기능과 제진 기능을 선택적으로 전환한다.
각종 센서 이외는, 회로 수용부(40)에 수용되고, 각종 센서는 압력이나 온도나 진동을 검출하기 위해, 밸브장치(1)의 유로 부근 등에 배치되고, 전원 IC(602)나 마이크로 콘트롤러(603)와 배선에 의해 전기적으로 접속된다.
제진 기능
상기한 바와 같이, 발전 제진 유닛(100)은, 압전 소자(103A, 103B)의 변형에 의해 전압을 생기게 해서 차동적으로 전압을 추출할 수 있다. 즉, 발전 기능을 갖는다.
이것 이외에, 발전 제진 유닛(100)은, 압전 소자(103A, 103B)에 적절히 전압을 인가하면, 압전 바이모르프(102)에 굽힘력을 작용시킬 수 있다. 즉, 압전 소자(103A, 103B)은, 액추에이터이며, 조정부(608)를 통해 전압을 압전 소자(103A, 103B)에 인가해서 압전 바이모르프(102)의 진동을 콘트롤할 수 있다.
도 5에 다른 부하회로(600A)의 예를 기능 블럭도로서 나타낸다. 이때, 도 5에 있어서, 도 4와 동등한 구성 부분에는 같은 부호를 사용하고 있다.
도 5에 나타낸 것과 같이, 발전 제진 유닛(100)에 의해 발전되는 교류전력을 전원 IC(602)에서 측정하면서, 직류 전압 조정부(105)에 의해 압전 소자 103B에 인가하는 직류 전압을 변화시키고, 압전 소자 103A에 의해 발전되는 교류전력이 가장 커지는 직류 전압으로 유지할 수 있다. 환경 진동 중 영향이 큰 주파수에 대하여 발전 제진 유닛(100)을 공진시켜서, 진동의 에너지를 전력으로 변환함으로써, 발전 및 제진의 효율을 높일 수 있다.
또한, 예를 들면, 밸브장치(1)에 외부로부터의 환경 진동이 인가되고 있을 경우에, 센서(604) 중의 가속도 센서로 이 환경 진동을 검출하고, 이 환경 진동을 소거하도록 압전 소자(103A, 103B)을 피드백 제어(액티브 댐핑)할 수 있다. 발전 제진 유닛(100)에 제진 기능을 발휘시키면, 필요한 저진동 환경을 형성할 수 있다.
이러한 발전 기능과 제진 기능을 갖는 발전 제진 유닛(100)을 밸브장치(1)에 내장시킴으로써, 밸브장치(1)의 고기능화가 가능하다. 이때, 제진 기능을 어느 타이밍에서 발휘시킬지는 임의이며, 상기와 같은 환경 진동의 인가시에 한정되는 것은 아니다. 피스톤 작동시에 제진 제어를 작동시켜 충격을 대폭적으로 완화하고, 밸브 해방시에 인가되는 외부에서의 환경 진동을 사용해서 발전하는 것도 가능하다. 또한, 제진 제어의 구체적 방법은, 공지의 것을 적절히 채용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다. 더구나, 발전 제진 유닛(100)의 발전 기능 만, 또는, 제진 기능 만 사용하는 구성이어도 된다.
상기 실시형태에서는, 소위 노멀리 클로즈의 밸브를 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 소위 노멀리 오픈의 밸브에도 적용가능하다.
상기 실시형태에서는 밸브장치(1)를 압축 에어로 구동할 경우를 예시했지만, 공기 이외의 다른 가스를 사용하는 것도 가능하다.
상기 실시형태에서는 다이어프램식의 밸브에 대해서 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 방식의 밸브에도 적용가능하다.
상기 실시형태에서는, 바이모르프식의 발전 제진 유닛을 사용했을 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 모노모르프식도 채용할 수 있다. 또한, 다수를 중첩한 적층형의 압전 소자와 스프링 및 질량을 조합함으로써, 발전 제진 유닛을 구성하는 것도 가능하다.
상기 실시형태에서는, 발전 제진 유닛으로서 압전 바이모르프가 1매 뿐인 경우를 예시했지만, 복수 매의 압전 바이모르프를 별도의 장소에 부착한 구성으로 하는 것도 가능하다.
1 밸브장치
5 배관
7 액추에이터부(액추에이터)
10 액추에이터 캡(하우징부)
11 액추에이터 케이스(하우징부)
12 액추에이터 보디(하우징부)
13 피스톤 부재(가동부)
15 다이어프램 누름부
16 밸브 시트
17 다이어프램(밸브체)
18 가압 어댑터
20 밸브 보디(하우징부)
30 코일 스프링(스프링 부재)
100 발전 제진 유닛
102 압전 바이모르프(탄성 변형부)
102a 선단부
102b 기단부
102h 부착 구멍
103A, 103B 압전 소자
104 금속판
105 직류 전압 조정부
110 지지부재
120 질량부
600, 600A 부하회로

Claims (5)

  1. 하우징부와, 구동 유체에 의해 구동되어 밸브체를 폐쇄 방향 또는 개방 방향으로 이동시키는 상기 하우징부에 수용된 가동부를 갖는 액추에이터와,
    상기 가동부를 상기 구동 유체의 구동력에 대항하는 방향으로 부세하는 스프링 부재와,
    압전 소자의 압전 효과를 이용한, 상기 액추에이터의 작동에 의해 생기는 진동계의 진동을 전력으로 변환하는 발전 기능과 장치에 가해지는 진동을 억제하는 제진 기능을 구비한 발전 제진 유닛을 갖고,
    상기 발전 제진 유닛의 진동계는,
    일단측이 상기 하우징부에 고정되고 타단측이 자유단으로 된 외팔보 형상의 탄성 변형부와,
    상기 탄성 변형부의 타단측에 설치된 질량부를 갖고,
    상기 탄성 변형부는 그것의 변형량과 전력을 서로 변환하는 압전 소자를 갖는 밸브장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    장치의 외부에서 인가되는 진동에 따라 상기 진동계의 동특성을 제어 가능하게 형성되어 있는 조정회로를 더 갖는 밸브장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 조정회로는, 상기 압전 소자에 인가하는 직류 전압을 조정하는 직류 전압 조정부를 갖는 밸브장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발전 제진 유닛은 상기 액추에이터의 내부에 있고,
    상기 탄성 변형부는, 상기 가동부의 외주를 따라 원환 형상 또는 원호 형상으로 형성되어 있는 밸브장치.
  5. 삭제
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