(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
2019003900.tif 000002
【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】
2019003900.tif 000003
【図１Ｂ】
2019003900.tif 000004
【図１Ｃ】
2019003900.tif 000005
【図２】
2019003900.tif 000006
【図３Ａ】
2019003900.tif 000007
【図３Ｂ】
2019003900.tif 000008
【図４】
2019003900.tif 000009
【図５】
2019003900.tif 000010
【国際調査報告】
2019003900.tif 000011
2019003900.tif 000012
2019003900.tif 000013
2019003900.tif 000014