TW201905369A - 閥裝置 - Google Patents

閥裝置

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Abstract

本發明提供一種氣體驅動式的閥裝置，其可搭載各種電子設備，而具有不發生配線或電池更換問題的發電功能。該氣體驅動式的閥裝置具有：致動器7，其具有殼體部10、11及可動部13，該可動部13藉由驅動流體驅動使閥體往閉方向或開方向移動並收納於殼體部10、11；彈簧構件30，其在抵抗驅動流體之驅動力的方向上對可動部13施以偏壓；及發電阻尼單元100，其具備發電功能及阻尼功能，該發電功能利用壓電元件的壓電效果，將藉由致動器7的動作而產生之振動系統的振動轉換成電力，該阻尼功能抑制施加於裝置的振動。

Description

閥裝置
本發明係關於一種閥裝置。
在閥裝置的領域中，亦搭載壓力感測器或無線模組等的電子設備而試圖使裝置高機能化(參照專利文獻1、2、3)。作為使用於該等電子設備之電力的供給手段，專利文獻2中揭露使用鈕扣電池驅動各種感測器的方法。又，專利文獻3中揭露預先使高頻波疊加於從控制器傳輸至電磁閥的控制輸入，再於閥側取出高頻波成分藉此接收電力的系統。 [習知技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特表2011-513832號公報 專利文獻2：日本特表2016-513228號公報 專利文獻3：日本特開2017-020530號公報
[發明所欲解決的問題]
在用於半導體製造裝置之使用空壓之空氣驅動式的閥裝置中，亦有想確保用來使各種電子設備動作之電源的需求。 作為一種手段，雖然可以想到將用於電源的配線從外部導入至閥裝置，但是在設有多數閥的流體控制裝置中不僅配線複雜，且因為防爆性的問題，而需要細心注意配線的設計與配置。 又，作為一種手段，若使用電池作為電源，雖然解決了配線的問題，但是需要使用足以搭配閥裝置壽命之大容量的一次電池，或是定期進行電池更換作業。 專利文獻3中對於電磁閥之高頻波疊加送電，並不適用於空氣驅動式的閥裝置。 使用於半導體製造裝置的閥裝置例如係設置於真空泵等振動源的附近。因此，在半導體製造裝置運轉中，閥裝置會一直受到來自外部的環境振動。因為當閥裝置受到環境振動時，閥體亦會受到振動，所以環境振動可能會影響流量。為了能夠達成更高精密的流量控制，不能忽視環境振動的影響。
本發明之一目的為提供一種閥裝置，其可搭載各種電子設備，而解決配線或電池更換之問題，並具有發電功能且亦可抑制環境振動的影響。 [解決問題之技術手段]
本發明之閥裝置，包含：致動器，其具有殼體部及可動部；該可動部藉由驅動流體驅動使閥體往閉方向或開方向移動，並收納於該殼體部；彈簧構件，其在抵抗該驅動流體之驅動力的方向上對該可動部施以偏壓；及發電阻尼單元，其具備發電功能及阻尼功能；該發電功能利用壓電元件之壓電效果，將藉由該致動器的動作而產生之振動系統的振動轉換成電力；該阻尼功能抑制施加於裝置的振動。
本發明較佳可採用更包含下述調整電路之構成，該調整電路係以「可依照從裝置外部施加之振動而控制該振動系統之動態特性」的方式形成。 [對照先前技術之功效]
依本發明，由於發電阻尼單元可藉由將振動系統的振動轉換成電力而進行發電，故可獲得不發生配線或電池更換之問題的閥裝置。除此之外，發電阻尼單元可藉由阻尼功能而抑制從閥裝置外部施加之環境振動等振動。
以下，參照圖式說明本發明之實施態樣。另外，在本說明書以及圖式中，對於功能實質上相同的構成元件係使用相同符號，藉此省略重複的說明。 圖1A~圖1C係顯示本發明之一實施態樣之閥裝置的構成的圖式，圖1A係外觀立體圖，圖1B係包含縱剖面的立體圖，圖1C係縱剖面圖。另外，在圖中，箭頭A1、A2係表示垂直方向，A1表示上方而A2表示下方。
閥裝置1具有致動器部7與閥本體20。在一端部連接有管接頭3之配管5，被導入至致動器部7內部。經由配管5，將驅動流體供給至致動器部7內部，或是將從致動器部7釋放的空氣排出至外部。驅動流體係使用例如壓縮空氣。
致動器部7具有：上端部閉鎖之圓筒狀的致動器罩蓋10、圓筒狀的致動器外殼11、致動器本體12、活塞構件13、隔板按壓件15、線圈彈簧30、及發電阻尼單元100。 致動器罩蓋10之下端部固定於形成為圓環狀的彈簧支承構件8，並且於其內部空間設置有電路收納部40。雖然在圖1B、1C中電路收納部40的剖面塗上陰影線，但實際上，電路收納部40係收納有電路或二次電池等電氣構件的空槽。配管5係經由致動器罩蓋10被導入至致動器部7的內部。
致動器外殼11在上端側支撐著彈簧支承構件8，而下端側被螺合固定於致動器本體12。 致動器本體12，如圖1C所示，在其下側具有在上下方向A1、A2上導引隔板按壓件15的導引孔12a，並且與導引孔12a之上側連通而形成有貫通孔12b。在致動器本體12的上側形成有汽缸室12c，其隔著O型環OR而導引活塞構件13的凸緣部13b自由滑動於上下方向A1、A2上。
活塞構件13在中心部具有與汽缸室12c連通的流通路13a。流通路13a與配管5的管路5a連通。活塞構件13中，凸緣部13b以及前端軸部13c隔著O型環OR，在上下方向A1、A2上自由移動於汽缸室12c以及貫通孔12b。圓筒狀之構件9設置於活塞構件13的上端部，並限制將該構件9與配管5的管路5a之間加以密封之O型環OR的移動。 隔板按壓件15係藉由致動器本體12的導引孔12a而可在上下方向A1、A2上移動。
閥本體20，其上側與致動器本體12的下側螺合，在其底面形成具有開口部21a、22a之「氣體等的流路21、22」。流路21、22係與其他流路構件透過未圖示之密封構件連接。 閥座16係設於閥本體20之流路21的周圍。閥座16係以過氟烷基化物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)等樹脂以可彈性變形方式形成。
隔板17係用作為閥體，其具有大於閥座16的直徑，係以不鏽鋼、鎳鈷合金等金屬或氟系樹脂以可彈性變形方式形成為球殼狀。隔板17係藉由致動器本體12之下端面透過按壓接頭18推壓緊貼於閥本體20，藉此，而以可與閥座16接觸與分離的方式受到閥本體20支撐。在圖1C中，隔板17被隔板按壓件15推壓而彈性變形，成為按壓緊貼於閥座16的狀態。若釋放隔板按壓件15的推壓，則其復原為球殼狀。在隔板17被推壓而緊貼於閥座16的狀態下，流路21係關閉，而若隔板17從閥座16分離，則流路21開放並與流路22連通。
線圈彈簧30係設置在「設於彈簧支承構件8的中心之圓筒部8a的周圍」，並且夾設於「彈簧支承構件8之彈簧支承部8b」與「活塞構件13之凸緣部13b」之間，其藉由回復力將活塞構件13一直朝向下方A2施以偏壓。因此，隔板按壓件15的上端面受到活塞構件13朝向下方A2施以偏壓，而將隔板17朝向閥座16按壓。
發電阻尼單元100係透過支撐構件110固定於致動器外殼11的內周面。 在此，圖2、圖3A以及圖3B係顯示發電阻尼單元100的構造。 發電阻尼單元100具有：雙層壓電片102，其以保持於線圈彈簧30之外周與致動器外殼11之內周面之間的空間的方式形成為圓弧狀；支撐構件110，其在凸緣部13b上支撐著雙層壓電片102的基端部102b；及配重部120，其設置於雙層壓電片102的前端部102a。雙層壓電片102的基端部102b形成有安裝孔102h，並藉由螺絲構件固定於支撐構件110的上表面，而雙層壓電片102的前端部102a為自由端，因此雙層壓電片102構成懸臂樑狀的彈性變形部。 雙層壓電片102具有用於保持機械強度的薄金屬板104、及設置於金屬板104之正面及背面的片狀壓電元件103A、103B。壓電元件103A、103B係與後述之負載電路600電性連接。藉由使雙層壓電片102彎曲而令壓電元件103A、103B壓縮或伸長，並依其變形量而產生電動勢。藉由後述之負載電路600可以從壓電元件103A、103B差動地取出電力。 發電阻尼單元100係藉由如上所述之構造，當藉由活塞構件13之上下動作施加撞擊時，阻尼振盪會持續，而構成短暫持續發電的振動系統。具體而言，藉由驅動流體亦即壓縮空氣的供給，使活塞構件13往上方A1上升，並在既定位置被限制移動時產生撞擊。又，若釋放壓縮空氣，則藉由線圈彈簧30的回復力，在使隔板按壓件15經由隔板17衝撞閥座16時，會產生撞擊。又，在活塞構件13為了在半開放狀態下使用而停止於全開與全閉之間時，或是在活塞構件13為了開閉動作而開始移動時，雖然撞擊小但也會產生。藉由該等撞擊在發電阻尼單元100產生振動。如此，為了吸收活塞構件13之動作方向的振動，雙層壓電片102的面係安裝成約略垂直於活塞構件13的軸。
為了確保發電量，發電阻尼單元100的面積較好係盡可能的寬廣。在本實施態樣中，將發電阻尼單元100形成為圓弧狀，並將其收納於線圈彈簧30的外周與致動器外殼11的內周面間之空間以內設於閥裝置1並獲得面積，而成為可以盡可能減少活塞構件13之重心偏移的配置。另外，發電阻尼單元100的形狀並不限定於圓弧狀，例如亦可形成為圓環狀；將圓環狀之形狀中任意一點作為一端部並固定於支撐構件110，並於圓環之相反側具有配重部120，藉此成為相同的懸臂樑構造。又，雙層壓電片102的剛性及配重部120的大小，可依照期望之固有頻率進行設定。
圖4係以功能方塊圖顯示負載電路600之一例。 負載電路600具有：整流電路601；電源IC602；微控制器603；壓力感測器、溫度感測器、加速度感測器等各種感測器604；可將藉由各種感測器604檢測出之數據傳輸至外部的無線部605；二次電池606；電路控制部607以及被該電路控制部607所控制的調整部608。
整流電路601係經由調整部608將在發電阻尼單元100產生之交流電流予以直流化。 電源IC602係將來自發電阻尼單元100之電力的電壓進行變壓並儲存於二次電池606，同時兼具作為電力管理IC的功能，亦即調節發送至微控制器603、各種感測器604、及無線部605等供電目的地之電力的功能。作為電源IC602，例如可採用作為能量提取用的一般市販之IC。 二次電池606可儲存從電源IC602供給之直流電力。亦可使用電容較大的電容器代替。 電路控制部607係輸出用以控制調整部608的控制訊號。 調整部608依照來自電路控制部607的控制訊號，選擇性地切換發電阻尼單元100的發電功能與阻尼功能。 除了各種感測器以外皆收納於電路收納部40，各種感測器為了檢測壓力或溫度或振動而配置於閥裝置1的流路附近等，並藉由配線與電源IC602或微控制器603電性連接。
[阻尼功能] 如上所述，發電阻尼單元100係可藉由壓電元件103A、103B的變形使電壓產生並差動地取出電壓。亦即，具有發電功能。 除此之外，發電阻尼單元100中，若施加適當電壓於壓電元件103A、103B，則可使彎折力作用於雙層壓電片102。亦即，壓電元件103A、103B為致動器，經由調整部608將電壓施加於壓電元件103A、103B即可控制雙層壓電片102之振動。 圖5係以功能方塊圖顯示其他負載電路600A之例子。另外，在圖5中，與圖4相同的構成部分係使用相同的符號。 如圖5所示，可以一邊以電源IC602測定藉由發電阻尼單元100所發電之交流電力，一邊藉由直流電壓調整部105使施加於壓電元件103B的直流電壓變化，而將該直流電壓保持在藉由壓電元件103A所發電之交流電力為最高之直流電壓。可使發電阻尼單元100對於環境振動中影響較大的頻率共振，並藉由將振動的能量轉換成電力，而提高發電以及阻尼的效率。 又，例如在來自外部的環境振動施加於閥裝置1的情況下，可藉由感測器604中的加速度感測器檢測出此環境振動，再藉由對於壓電元件103A、103B施以回饋控制(主動阻尼)而消除該環境振動。若令發電阻尼單元100發揮阻尼功能，即可形成需要的低振動環境。 可將具有這樣的發電功能與阻尼功能的發電阻尼單元100內置於閥裝置1，藉以使閥裝置1高功能化。另外，使阻尼功能在何時間點發揮其功能乃為任意之選擇，並不限定於如上述之在環境振動的施加時。在活塞動作時進行阻尼控制可大幅緩和撞擊，亦可利用在閥釋放時施加之來自外部之環境振動進行發電。又，阻尼控制的具體方法，當然可以適當採用習知的方法。再者，也可採用僅有發電功能，或是僅有阻尼功能之發電阻尼單元100的構成。
在上述實施態樣中，雖然以所謂的常閉閥加以例示，但並不限定於此，亦可適用於所謂的常開閥。
在上述實施態樣中，雖然以壓縮空氣驅動閥裝置1的情況加以例示，但是亦可使用空氣以外之其他氣體。
在上述實施態樣中，雖然以關於隔板式的閥加以例示，但本發明並不限定於此，亦可適用於其他方式的閥。
在上述實施態樣中，雖然針對使用雙層式發電阻尼單元的情況進行說明，但本發明並不限定於此，亦可採用單層式。又，亦可組合疊加多層的堆疊型壓電元件與彈簧以及配重，藉此構成發電阻尼單元。
在上述實施態樣中，雖然以僅只一片雙層壓電片作為發電阻尼單元的情況加以例示，但亦可係將複數片雙層壓電片安裝於不同場所的構成。
1‧‧‧閥裝置
10‧‧‧致動器罩蓋(殼體部)
11‧‧‧致動器外殼(殼體部)
12‧‧‧致動器本體(殼體部)
12a‧‧‧導引孔
12b‧‧‧貫通孔
12c‧‧‧汽缸室
13‧‧‧活塞構件(可動部)
13a‧‧‧流通路
13b‧‧‧凸緣部
13cw‧‧‧前端軸部
15‧‧‧隔板按壓件
16‧‧‧閥座
17‧‧‧隔板(閥體)
18‧‧‧按壓接頭
100‧‧‧發電阻尼單元
102‧‧‧雙層壓電片(彈性變形部)
102a‧‧‧前端部
102b‧‧‧基端部
102h‧‧‧安裝孔
103A、103B‧‧‧壓電元件
104‧‧‧金屬板
105‧‧‧直流電壓調整部
110‧‧‧支撐構件
120‧‧‧配重部
20‧‧‧閥本體(殼體部)
21、22‧‧‧流路
21a、22a‧‧‧開口部
3‧‧‧管接頭
30‧‧‧線圈彈簧(彈簧構件)
5‧‧‧配管
5a‧‧‧管路
600、600A‧‧‧負載電路
601‧‧‧整流電路
602‧‧‧電源IC
603‧‧‧微控制器
604‧‧‧感測器
605‧‧‧無線部
606‧‧‧二次電池
607‧‧‧電路控制部
608‧‧‧調整部
7‧‧‧致動器部(致動器)
8‧‧‧彈簧支承構件
8a‧‧‧圓筒部
8b‧‧‧彈簧支承部
9‧‧‧圓筒狀之構件
A1‧‧‧上方
A2‧‧‧下方
OR‧‧‧O型環
圖1A係本發明之一實施態樣之閥裝置的外觀立體圖。 圖1B係包含圖1A之閥裝置之縱剖面的立體圖。 圖1C係圖1A之閥裝置的縱剖面圖。 圖2係發電阻尼單元的放大立體圖。 圖3A係發電阻尼單元的側視圖。 圖3B係圖3A之發電阻尼單元的立體圖。 圖4係概略地顯示負載電路之一例的功能方塊圖。 圖5係概略地顯示負載電路之另外一例的功能方塊圖。

Claims (5)

  1. 一種閥裝置，包含： 致動器，其具有殼體部及可動部；該可動部藉由驅動流體驅動使閥體往閉方向或開方向移動，並收納於該殼體部； 彈簧構件，其在抵抗該驅動流體之驅動力的方向上對該可動部施以偏壓；及 發電阻尼單元，其具備發電功能及阻尼功能；該發電功能利用壓電元件之壓電效果，將藉由該致動器的動作而產生之振動系統的振動轉換成電力；該阻尼功能抑制施加於裝置的振動。
  2. 如請求項1所述之閥裝置，更包含：調整電路，其係以可對應於從裝置外部所施加之振動而控制該振動系統之動態特性的方式形成。
  3. 如請求項2所述之閥裝置，其中，該調整電路具有直流電壓調整部，其調整施加於該壓電元件的直流電壓。
  4. 如請求項1或2所述之閥裝置，其中，該發電阻尼單元的振動系統，包含： 懸臂樑狀的彈性變形部，其一端側固定於該殼體部，而另一端側為自由端；及 配重部，設置於該變形部之另一端側； 該彈性變形部具有壓電元件，該壓電元件將其變形量與電力互相轉換。
  5. 如請求項4所述之閥裝置，其中，該發電阻尼單元位在該致動器的內部； 該彈性變形部係沿著該可動部的外輪廓形成圓環狀或圓弧狀。
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