(57)【要約】【課題】ダイヤフラムに負担を与えることなく、内部動作に関するデータを動作に直結する部分から取得することのできるバルブを提供する。【解決手段】バルブＶは、流路を備えたバルブボディ１と、流路を開閉するダイヤフラム２２と、ダイヤフラム２２の表面に形成され、圧電膜３１と導電膜３２を順次、一様に積層させた圧電素子３と、ダイヤフラム２２と圧電素子３の電位差を測定する測定手段とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を備えたバルブボディと、
前記流路を開閉するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの表面に形成され、圧電膜と導電膜を順次、一様に積層させた圧電素子と、
前記ダイヤフラムと前記圧電素子の電位差を測定する測定手段と、を有する、
バルブ。
【請求項２】
前記圧電素子と前記バルブボディとを電気的に絶縁する第一の絶縁部材、をさらに有する、
請求項１記載のバルブ。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記ダイヤフラムの表裏面のうち、接液しない面に形成されている、
請求項１又は２記載のバルブ。
【請求項４】
導電性を備え、前記ダイヤフラムの周縁を押さえると共に、前記導電膜に当接する押さえアダプタ、をさらに有し、
前記測定手段は、前記ダイヤフラムと等電位にされたバルブボディを接地点とし、前記押さえアダプタとの間に生ずる起電力を測定する、
請求項１乃至３いずれかの項に記載のバルブ。
【請求項５】
前記押さえアダプタと前記バルブボディとを電気的に絶縁する第二の絶縁部材、をさらに有する、
請求項４記載のバルブ。
【請求項６】
前記バルブボディに設けられた貫通孔を介して前記押さえアダプタに接合し、前記押さえアダプタを介して前記圧電素子から電力を取り出す配線と、
前記配線と前記バルブボディとを電気的に絶縁する第三の絶縁部材と、をさらに有する、
請求項４又は５記載のバルブ。
【請求項７】
前記圧電素子において生じた電力を回路の駆動電力源として利用する、
請求項１乃至６いずれかの項に記載のバルブ。
【請求項８】
前記測定手段により測定された電位差の出力変化に基づき、動作異常を判別する判別処理手段、をさらに有する、
請求項１乃至７いずれかの項に記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器内にセンサを備えると共に、当該センサによって検出したデータを出力可能なバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡＩ技術やＩｏＴ技術の普及に伴い、バルブなどの流体制御部品においても、内部動作に関するデータを取得すると共に、当該データを分析して故障検知や制御に活かしたいとの要望がある。特に、動作に直結する部分からデータを取得することで、故障検知や制御の精度を上げたいとの要望がある。
【０００３】
この点、特許文献１では、ダイヤフラムの表面にストレインゲージを貼り付けて動作データを取得するデバイスが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表第２００７−５２５６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されるダイレクトダイヤフラムバルブは、弁室と外気とを区切るダイヤフラム自身が弁体として作用するバルブである。このダイレクトダイヤフラムバルブは、アクチュエータからの動力によって駆動されるダイヤフラム押さえが、ダイヤフラムを流路側に押し付け、ダイヤフラムがシートと接触することによって流体の流れが閉止される構造を有している。
【０００６】
このようなダイレクトダイヤフラムバルブにおいて、特許文献１記載の技術のように、ダイヤフラムの表面にストレインゲージを貼り付けると、ダイヤフラムの機械的な強度が一部に偏り、その結果、ダイヤフラムにかかる応力の分布に変化を及ぼし、ダイヤフラムの寿命を損なうことになる。
このような問題点から、ダイヤフラムにセンサを設ける場合には、応力が均質にかかるようにするのが理想的だが、そもそもストレインゲージでは原理上、その構造に方向の特異性を持たざるを得ない。
【０００７】
そこで、本発明は、ダイヤフラムに負担を与えることなく、内部動作に関するデータを動作に直結する部分から取得することのできるバルブを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係るダイヤフラムバルブは、流路を備えたバルブボディと、前記流路を開閉するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの表面に形成され、圧電膜と導電膜を順次、一様に積層させた圧電素子と、前記ダイヤフラムと前記圧電素子の電位差を測定する測定手段と、を有する。
【０００９】
また、前記圧電素子と前記バルブボディとを電気的に絶縁する第一の絶縁部材、をさらに有するものとしてもよい。
【００１０】
また、前記圧電素子は、前記ダイヤフラムの表裏面のうち、接液しない面に形成されているものとしてもよい。
【００１１】
また、導電性を備え、前記ダイヤフラムの周縁を押さえると共に、前記導電膜に当接する押さえアダプタ、をさらに有し、前記測定手段は、前記ダイヤフラムと等電位にされたバルブボディを接地点とし、前記押さえアダプタとの間に生ずる起電力を測定するものとしてもよい。
【００１２】
また、前記押さえアダプタと前記バルブボディとを電気的に絶縁する第二の絶縁部材、をさらに有するものとしてもよい。
【００１３】
また、前記バルブボディに設けられた貫通孔を介して前記押さえアダプタに接合し、前記押さえアダプタを介して前記圧電素子から電力を取り出す配線と、前記配線と前記バルブボディとを電気的に絶縁する第三の絶縁部材と、をさらに有するものとしてもよい。
【００１４】
また、前記圧電素子において生じた電力を回路の駆動電力源として利用するものとしてもよい。
【００１５】
また、前記測定手段により測定された電位差の出力変化に基づき、動作異常を判別する判別処理手段、をさらに有するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るバルブによれば、ダイヤフラムに負担を与えることなく、内部動作に関するデータを動作に直結する部分から取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るバルブを示した外観斜視図である。
【図２】本実施形態に係るバルブの内部構造を示した断面図である。
【図３】本実施形態に係るバルブの内部構造のうち、Ａ部分を示した部分拡大図である。
【図４】本実施形態に係るバルブのダイヤフラム上に形成された圧電素子の積層構造を示した模式図である。
【図５】本実施形態に係るバルブに用いられるコネクタを示した外観斜視図である。
【図６】本実施形態に係るバルブに接続された判別処理装置の構成例を示した機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係るバルブＶについて、図を参照して説明する。
なお、以下の説明では、便宜的に図面上での方向によって部材等の方向を上下左右と指称することがあるが、これらは本発明の実施あるいは使用の際の部材等の方向を限定するものではない。
【００１９】
図１及び図２に示す本実施形態に係るバルブＶは、エア作動式のダイレクトダイヤフラムバルブである。
このバルブＶは、バルブボディ１、アクチュエータ部４を備えている。
【００２０】
●バルブボディ１
バルブボディ１は、平面視矩形状の基台部１１上に略円筒形状の円筒部１２が設けられた形状からなる。
円筒部１２は、上端面が開口した中空形状からなり、中空の内部には、ダイヤフラム２２と共に、シート２１、ダイヤフラム押さえ２３、押さえアダプタ２４などが収容されている。
この円筒部１２の側面には、図３に示されるように、押さえアダプタ２４が設けられている箇所に、コネクタ５が嵌合する貫通孔１２ａが形成されている。この貫通孔１２ａには、配線５２を備えたコネクタ５が嵌合し、これにより、外部からバルブＶ内に配線５２が引き込まれる。
【００２１】
基台部１１内には、流体が流入する流入路１１１と流体が流出する流出路１１３、及び当該流入路１１１と流出路１１３に連通する弁室１１２が形成されている。流入路１１１、流出路１１３、及び弁室１１２は、流体が流通する流路を一体的に構成している。
【００２２】
環状のシート２１は、流入路１１１と流出路１１３とが連通する箇所の周縁に設けられている。シート２１上には、シート２１に当接離反することによって流入路１１１から流出路１１３へ流体を流通させたり、流通を遮断させたりするダイヤフラム２２が設けられている。
【００２３】
ダイヤフラム２２は、導電性の材料である、ステンレス、Ni-Co系合金等の金属からなると共に、中心部が凸状に膨出した球殻状の部材であり、流路とアクチュエータ部４が動作する空間とを隔離している。このダイヤフラム２２は駆動圧としてのエアが供給されてダイヤフラム押さえ２３による押圧から開放されると、自身の復元力や流路内の圧力によって中央部がシート２１から離反する方向に変位してシート２１から離反する。その結果、弁室１１２が開放され、流入路１１１と流出路１１３とが連通した状態となる。一方、駆動圧としてのエアの供給が止まってダイヤフラム２２がダイヤフラム押さえ２３によって押圧されるとダイヤフラム２２の中央部がシート２１に当接する方向に変位してシート２１に当接する。その結果、弁室１１２が遮断され、流入路１１１と流出路１１３が遮断された状態となる。
【００２４】
このダイヤフラム２２には、図４に示されるように、その上面側、即ち表裏面のうち、流路を流れる流体が接液する面とは反対側の面に圧電素子３が設けられている。この圧電素子３は、ダイヤフラム２２の表面上に順次、一様に生成された圧電膜３１と導電膜３２によって構成される。
ここで、圧電素子３の作成は例えば、ダイヤフラム２２となるNi-Co合金の板（特に、プレスにより元の板から湾曲・変形の工程を終えたもの）に対し、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）のゾルゲル溶液とPZTの圧電粉体を混合した溶液をスプレー塗布し、乾燥・焼結させた後、アルミニウム薄膜を上部電極として真空蒸着させる。これにより圧電膜３１と導電膜３２を形成した後に、分極処理を行う。圧電膜３１と導電膜３２は共に、その厚みが均一となるようにダイヤフラム２２上に積層されており、これによりダイヤフラム２２にかかる応力にばらつきがでないようになっている。
【００２５】
また、ダイヤフラム２２はその下面側、即ち流路側において、バルブボディ１と当接している。これにより、バルブボディ１とダイヤフラム２２は等電位に維持されている。
一方、ダイヤフラム２２はその上面側、即ち圧電素子３が形成されている側において、導電性を有する押さえアダプタ２４と当接している。これにより、押さえアダプタ２４を介して、圧電素子３において発生した電力を取り出すことができる。
なお、ダイヤフラム２２の側面とバルブボディ１の間には、圧電素子３とバルブボディ１が導通するのを防ぐための絶縁部材６１が介装されている。絶縁部材６１には各種の合成樹脂等を用いることができる。
【００２６】
なお、ダイヤフラム２２は、一枚で構成される場合もあれば、複数枚重ねて構成される場合もある。複数枚、重ねて構成される場合には、複数枚重ねて構成されたダイヤフラム２２を一つのダイヤフラム２２と見立てて、接液しない側の面に圧電素子３を形成する。
【００２７】
ダイヤフラム押さえ２３は、ダイヤフラム２２の上側に設けられ、摺動するピストン４３に連動してダイヤフラム２２を押圧する。
このダイヤフラム押さえ２３は、絶縁性の材料からなり、ダイヤフラム２２上の圧電素子３と導通しないようになっている。
【００２８】
押さえアダプタ２４は、ダイヤフラム２２の周縁を流路側へ押し付けてダイヤフラム２２の周縁とバルブボディ１を確実に当接させ、流路の気密性を確保する。この押さえアダプタ２４は、導電性を有する金属材料からなり、これにより、ダイヤフラム２２上に形成された圧電素子３と導通している。
【００２９】
なお、押さえアダプタ２４とアクチュエータボディ４１の間及びアクチュエータボディ４１の下端部近傍のバルブボディ１と押さえアダプタ２４の間には絶縁部材６２が介装され、また、ダイヤフラム２２近傍のバルブボディ１と押さえアダプタ２４の間には絶縁部材６１が介装されている。これにより、押さえアダプタ２４は、アクチュエータボディ４１及びバルボディ１と絶縁した状態になっている。絶縁部材６２は絶縁部材６１と同様、各種の合成樹脂等を用いることができる。また、本実施形態では、絶縁部材６２を一つの部材で構成したが、これに限らず、複数の部材で構成し、押さえアダプタ２４とアクチュエータボディ４１の間、及び押さえアダプタ２４とバルブボディ１の間を別々の部材で絶縁させることもできる。
【００３０】
●アクチュエータ部４
アクチュエータ部４は、アクチュエータボディ４１、アクチュエータキャップ４２、ピストン４３、及びバネ４４を備える。
【００３１】
アクチュエータボディ４１は、略円柱形状からなり、中心部には、ピストン４３とダイヤフラム押さえ２３が貫挿される貫挿孔４１ａが長さ方向に沿って設けられている。貫挿孔４１ａ内ではピストン４３とダイヤフラム押さえ２３が当接しており、ダイヤフラム押さえ２３はピストン４３の上下動に連動して上下動する。
【００３２】
アクチュエータボディ４１の上端面とピストン４３の拡径部４３１の下端面との間には、駆動圧が導入される駆動圧導入室Ｓが形成される。
また、アクチュエータボディ４１の上端の外周面上には、雄ネジが切られている。この雄ネジがアクチュエータキャップ４２の内周面に切られた雌ネジと螺合することにより、アクチュエータボディ４１はアクチュエータキャップ４２の一端に取り付けられる。
【００３３】
アクチュエータキャップ４２は、下端部が開口したキャップ状の部材であり、内部にピストン４３とバネ４４を収容している。
アクチュエータキャップ４２の上端面には、ピストン４３の駆動圧導入路４３２に連通する開口部４２ａが設けられている。
アクチュエータキャップ４２の下端部は、アクチュエータボディ４１の上部が螺合して閉止されている。
【００３４】
ピストン４３は、駆動圧の供給と停止に応じて上下動し、ダイヤフラム押さえ２３を介してダイヤフラム２２をシート２１に当接離反させる。
このピストン４３の軸心方向略中央は円盤状に拡径しており、当該箇所は拡径部４３１を構成している。ピストン４３は、拡径部４３１の上面側においてバネ４４の付勢力を受ける。また、拡径部４３１の下端側には、駆動圧が供給される駆動圧導入室Ｓが形成される。
【００３５】
また、ピストン４３の内部には、上端面に形成された開口部４３ａと、拡径部４３１の下端側に形成される駆動圧導入室Ｓとを連通させるための駆動圧導入路４３２が設けられている。ピストン４３の開口部４３ａはアクチュエータキャップ４２の開口部４２ａまで連通しており、外部から駆動圧を導入するための導入管が開口部４２ａに接続され、これにより駆動圧導入室Ｓに駆動圧が供給される。
【００３６】
なお、ピストン４３の拡径部４３１の外周面とアクチュエータボディ４１の間や、ピストン４３の外周面とアクチュエータボディ４１の貫挿孔４１ａの内周面の間には適宜、Ｏリングが設けられ、駆動圧導入室Ｓの気密性が確保されている。
【００３７】
バネ４４は、ピストン４３の外周面上に巻回されており、ピストン４３を下方、即ちダイヤフラム２２を押下する方向に付勢している。
【００３８】
ここで、駆動圧の供給と停止に伴う弁の開閉動作について言及する。開口部４２ａに接続された導入管（図示省略）からエアが供給されると、エアはピストン４３内の駆動圧導入路４３２を介して駆動圧導入室Ｓに導入される。これに応じて、ピストン４３はバネ４４の付勢力に抗して上方に押し上げられる。これにより、ダイヤフラム２２がシート２１から離反して開弁した状態となり、流体が流通する。
一方、駆動圧導入室Ｓにエアが導入されなくなると、ピストン４３がバネ４４の付勢力に従って下方に押し下げられる。これにより、ダイヤフラム２２がシート２１に当接して閉弁した状態となって、流体の流通が遮断される。
【００３９】
●コネクタ５
コネクタ５は、図３及び図５に示されるように、バルブボディ１に設けられた貫通孔１２ａに嵌合する部材であって、外部からバルブＶ内へ配線５２を引き込み、圧電素子３に配線５２を接合させる部材である。
このコネクタ５は、バルブボディ１の側面に形成された貫通孔１２ａの内周面形状に応じた外周面形状を備えており、本実施形態では、略円柱状の形状からなる。この略円柱状に形成された本体５１の内部には、長さ方向に延びる配線５２と、配線５２を被覆するチューブ状の絶縁部材５３が設けられており、配線５２の一端は、導電性を有する押さえアダプタ２４に接合している。
【００４０】
なお、コネクタ５は、貫通孔１２ａに嵌合することにより、バルブボディ１に取り付けられるようになっていてもよいし、その外周面に形成した雄ネジを、貫通孔１２ａの内周面に形成した雌ネジに螺合させることにより、バルブボディ１に取り付けられるようになっていてもよい。また、バルブボディ１とコネクタ５を別体とせず、一体的に構成することもできる。
【００４１】
ここで、上述のとおり、押さえアダプタ２４はダイヤフラム２２上の圧電素子３に当接して圧電膜３１と等電位の状態にあり、ダイヤフラム２２の圧電素子３が形成されていない面はバルブボディ１に当接している。コネクタ５により、貫通孔１２ａを介して外部からバルブＶ内へ引き込まれた配線５２の一端は押さえアダプタ２４に接合しており、バルブボディ１の任意の位置に接地点をとれば、圧電膜３１の上下面の電位差を測定することができる。
【００４２】
●判別処理
上述した本実施形態に係るバルブＶによれば、圧電素子３に発生した起電力を取り出すことができ、この起電力のデータに基づいてバルブＶの動作を検出したり、異常等を判別したりすることができる。図６は、このような動作の検出や異常の判別を行うことのできる装置として、測定部７１と判別処理部７２を備えた判別処理装置７を示している。なお、判別処理装置７は、所謂コンピュータに適宜の機能を備えさせることにより構成することができる。
【００４３】
測定部７１は、電圧計としての機能を備えた機能部であり、配線５２と接続し、圧電素子３において発生した起電力を測定する。
【００４４】
判別処理部７２は、測定部７１によって測定された起電力のデータを取得し、当該データに基づいて、バルブＶの動作の検出や異常の判別といった処理を実行する。
以下では、判別処理部７２によって実行される処理として、バルブＶの開閉の検出と、リークの検出及びこれに伴う異常の判別について、説明する。
【００４５】
＜開閉の検出＞
バルブＶが開弁状態から閉弁状態へと遷移するとき、ダイヤフラム２２はダイヤフラム押さえ２３によって流路側へ押しつけられ、これにより中央部には圧縮応力が働き、周縁部では曲げ方向に起因する圧縮応力が働く。即ち、バルブＶが閉弁状態に至るときには、圧電膜３１全体にかかる圧縮応力が増加する。この結果、圧電効果により、圧電膜３１には圧縮応力に応じた起電力がその上下の面に生じる。
【００４６】
判別処理部７２は、測定部７１によって起電力が測定されたときに、バルブＶは閉弁したものと判別する。これにより、バルブＶの開閉動作を検出することができる。
【００４７】
＜リークの検出＞
ダイヤフラム２２に微小な割れが生じると、開閉動作時に発生する起電力の出力波形が正常時とは変わる。これは、割れがあることによって応力のかかり方が変化し、ダイヤフラム２２の変形の仕方が変わることによる。判別処理部７２は、バルブＶから取得した起電力の出力波形と正常時における起電力の出力波形とを対比し、波形の相違を検出ことで、リークの有無、即ちバルブＶの異常の有無を判別することができる。これにより、ダイヤフラム２２に生じるリークを発生初期の段階で検出できる。
【００４８】
なお、実際にガスがリークし始めると、リークしたガスによってダイヤフラム２２には微小な振動が生じる。この振動により圧電素子３は起電力を生じるが、正常な動作時にバルブＶにかかる周波数と異なることから、信号処理により所定の周波数帯の信号強度を取り出すことで検出可能である。
【００４９】
このほか、起電力に係るデータを過去のデータと対比することによってバルブＶの経年劣化を判別したり、異なるバルブＶのデータを比較することによってバルブＶの個体差などを把握したりすることもできる。
【００５０】
以上の本実施形態に係るバルブＶによれば、ダイヤフラム２２に負担を与えることなく、内部動作に関するデータを動作に直結する部分から取得することができる。その結果、バルブＶの動作の検出や、異常の有無の判別を精度よく行うことができる。
【００５１】
なお、圧電素子３により発生する電力は、公知のエナジーハーベスティング技術を用いて回収することで、バルブＶの持つ回路の駆動に利用することができる。これにより例えば、バルブＶに無線モジュールを設け、バルブＶで収集されたデータを無線で送信するための電力源とすることができる。電池交換を不要とすることは、作業者のアクセスが難しい半導体製造装置内で使用されるバルブＶには好適である。
【００５２】
また、本実施形態では、配線５２を押さえアダプタ２４に接合させることにより、ダイヤフラム２２表面への負担を避けたが、圧電素子３において発生する電力を取り出すことだけに着目した場合には、ダイヤフラム２２上の圧電素子３に直接、配線５２を接合させることもできる。
【００５３】
また、本実施形態では、バルブＶと判別処理装置７を別体として構成したが、これに限らず、バルブＶを構成するモジュールの一つとして判別処理装置７をバルブＶに組み込んで一体に構成することもできる。
また、測定部７１や判別処理部７２を適宜に分散し、あるいは集約して構成することもできる。なお、機能部を分散させる場合には、有線、無線を問わない。
【００５４】
また、上述した判別処理部７の機能は、コンピュータプログラムとして、コンピュータ読取可能な記録媒体に格納して提供したり、インターネット等の通信手段によってダウンロード可能に提供したりすることができる。
【符号の説明】
【００５５】
Ｖ      バルブ
１      バルブボディ
１１    基台部
１１１  流入路
１１２  弁室
１１３  流出路
１２    円筒部
１２ａ  貫通孔
２１    シート
２２    ダイヤフラム
２３    ダイヤフラム押さえ
２４    押さえアダプタ
３      圧電素子
３１    圧電膜
３２    導電膜
４      アクチュエータ部
４１    アクチュエータボディ
４１ａ  貫挿孔
４２    アクチュエータキャップ
４２ａ    開口部
４３    ピストン
４３ａ    開口部
４３１    拡径部
４３２    駆動圧導入路
４４    バネ
５    コネクタ
５１    本体
５２    配線
５３    絶縁部材
６１    絶縁部材
６２    絶縁部材
７      判別処理装置
７１    測定部
７２    判別処理部
Ｓ    駆動圧導入室
【図１】
2020159475.tif 000003
【図２】
2020159475.tif 000004
【図３】
2020159475.tif 000005
【図４】
2020159475.tif 000006
【図５】
2020159475.tif 000007
【図６】
2020159475.tif 000008