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TWI757461B - 控制器 - Google Patents

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TWI757461B
TWI757461B TW107110622A TW107110622A TWI757461B TW I757461 B TWI757461 B TW I757461B TW 107110622 A TW107110622 A TW 107110622A TW 107110622 A TW107110622 A TW 107110622A TW I757461 B TWI757461 B TW I757461B
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passage
diaphragm
fluid
fluid passage
valve
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TW107110622A
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TW201842287A (zh
Inventor
石橋圭介
山路道雄
藥師神忠幸
小原俊治
小林圭吾
Original Assignee
日商富士金股份有限公司
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Publication date
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Abstract

提供一種可精度良好地控制高壓流體的流量之小型控制器。於驅動裝置3之作動軸43與閥桿15之間設置有將施加於作動軸43的力放大後傳送至閥桿的動力傳送裝置4。作為閥體的隔膜14係金屬製，且可變形為：將流體通路12b完全關閉的狀態；將流體通路12b完全開放的狀態；及將流體通路12b局部開放的狀態。驅動裝置3在流體通路12b局部開放的狀態下，根據流動於流體通路12a,12b之流體的流量，微調作動軸43的位置，俾使流量成為一定。

Description

控制器
本發明係關於一種可控制流體的流量的控制器，尤其是關於適合使用高壓流體時的控制器。
於半導體製造領域中，為了防止粉塵的產生，適宜地使用藉由金屬隔膜之變形而進行流路的開閉之隔膜閥作為控制器。
作為適合使用高壓流體時的隔膜閥，於專利文獻1揭示具備有以下之構成：閥箱，其設置有流體通路；隔膜，其藉由抵接於設置在上述閥箱的環狀閥座或自該閥座分離以開閉上述流體通路；閥桿，其藉由變更位置而使上述隔膜朝開放或關閉方向變形；驅動裝置，其使上述閥桿的位置移動；及動力傳送裝置，其設置於驅動裝置之作動軸與閥桿之間，且將施加於作動軸的力放大後傳送至閥桿。
專利文獻1之控制器係為一種設定為開放或關閉的任一狀態之開閉閥，不能控制流體的流量。作為控制流體之流量的隔膜閥，專利文獻2雖揭示有藉由將壓電元件使用於致動器而可進行流體之流量的控制者，但於使用壓電元件的致動器中，不能獲得閉閥所需的推 力，不適合用於高壓流體。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利第3338972號公報
專利文獻2：日本特開平7-310842號公報
專利文獻1及2皆不適合使用於高壓流體的流量的控制，以往並無控制高壓流體之流量的控制器。此外，以往的控制流體的流量的控制器係大型構造者，期待能小型化。
本發明之目的，在於提供一種能精度良好地控制高壓流體之流量的小型控制器。
本發明之控制器，其特徵在於具備：閥箱，其設置有流體通路；隔膜，其藉由抵接於設置在上述閥箱的環狀閥座或自該閥座分離以開閉上述流體通路；閥桿，其藉由變更位置而使上述隔膜朝開放或關閉方向變形；及驅動裝置，其使上述閥桿的位置移動，且於上述驅動裝置之作動軸與上述閥桿之間設置有將施加於上述作動軸的力放大後傳送至上述閥桿的動力傳送裝置，並且，上述隔膜係金屬製，且可變形成為將上述流體通路完全關閉的狀態、將上述流體通路完全開放的狀態、及將上述流體通路局部開放的狀態，上 述驅動裝置，於上述流體通路局部開放的狀態下，根據流動於上述流體通路的流體的流量，調整上述作動軸的位置，俾使上述流量成為一定。
較佳為，驅動裝置例如被設為一種氣壓式汽缸裝置，其控制係藉由與電信號成正比地無段控制空氣壓力之電動氣動式調節器而進行。
動力傳送裝置，例如被構成為具備：殼體；圓錐狀的第1輥支承構件，其一體設置於作動軸；第2輥支承構件，其一體設置於閥桿；一對輥支撐體，其配置於兩輥支承構件之間；一對滾動輥，其抵接於設置在第1輥支承構件的錐面；及一對壓輥，其抵接於第2輥支承構件的輥支承面，且各輥支撐體係以能以相對於壓輥之軸線而靠近第1輥支承構件的軸線側的軸作為中心進行搖動之方式被支撐於殼體(增幅型之動力傳送裝置的1例)。藉由設為增幅型，能減小推力，且能將控制器小型化。
該控制器雖可使用於各種各樣的用途，但尤其適合於使用高壓流體作為流體且需要微小之衝程的控制的情況。
使用增幅型動力傳送裝置之以往的控制器，係進行開閉者，其無法根據流體的流量來調整隔膜的開度。於控制高壓之流體的流量之情況，需要控制閥桿的微小的移動量，使用壓電元件之以往的控制器並無法執行是項動作，但藉由使用增幅型的動力傳送裝置，不僅可抵抗高壓使閥桿移動，而且即使於微小的衝程中也可 增大分解能，因而可進行閥桿的微小移動量之控制。並且，藉由使此動力傳送裝置與根據流動於流體通路的流體的流量來調整作動軸之位置的驅動裝置組合，可進行高壓流體之精度良好的流量控制。藉此，可獲得以往所無法實現的精度良好的控制器(高壓流體用流量調整閥)。
較佳為，上述驅動裝置係氣壓式汽缸裝置，其具備：汽缸，其具有朝一端側開口之凹部；缸蓋，其將上述汽缸之開口封閉；活塞，其配置於上述汽缸的上述凹部內；活塞桿，其固定於上述活塞之前端側，且按壓上述作動軸；及隔膜，其中央部被固定於上述活塞，並且周緣部被固定於上述汽缸與上述缸蓋之間，於兩固定部之間具有折返部，且供給於上述缸蓋與上述隔膜之間的壓縮空氣隔介上述隔膜按壓上述活塞，藉以使上述活塞桿移動。
藉由使增幅型之動力傳送裝置與使用具有折返部的隔膜的驅動裝置組合，可於0.6mm以下之範圍內合理地調整開閉流體通路的隔膜的開度。
較佳為，上述流體通路係具有：中央通路，其具有被上述閥座包圍的開口且面向上述隔膜之中央部；及外側通路，其於上述閥座之徑向外側具有開口，且面向上述隔膜之外周緣部近旁，且上述外側通路係作為上述流體的入口通路，上述中央通路係作為上述流體的出口通路。
即，相較於先前技術中使用中央通路作為入 口通路，且使用外側通路作為出口通路，藉由，使用外側通路作為入口通路，且使用中央通路作為出口通路，透過如此之構成，即使為高壓流體，仍可防止流體通路變得急劇開放的情形。
較佳為，上述中央通路之直徑，係設定為上述外側通路的直徑以下。
以往，為了增大流量，中央通路及外側通路係被設定為大的直徑，且中央通路之直徑與外側通路的直徑，係被設定為大致相同的大小。相對地，藉由縮小出口通路即中央通路的直徑，可將Cv值設定為例如0.035的值，如此，可獲得一種以往所無法實現之Cv值為0.0005~0.035且隔膜衝程為0.002~0.2mm的控制器。
根據本發明的控制器，藉由使用增幅型的動力傳送裝置，不僅可抵抗高壓使閥桿移動，而且可進行閥桿之微小移動量的控制，且藉由使此動力傳送裝置與根據流動於流體通路之流體的流量來調整作動軸的位置的驅動裝置組合，可進行高壓流體之精度良好的流量控制。此外，還可達成小型化。
1‧‧‧控制器
2‧‧‧閥本體
3‧‧‧驅動裝置
4‧‧‧動力傳送裝置
11‧‧‧閥箱
12‧‧‧第1流體通路
12b‧‧‧中央通路
13‧‧‧第2流體通路
13b‧‧‧外側通路
14‧‧‧隔膜
15‧‧‧閥桿
21‧‧‧汽缸
21a‧‧‧凹部
22‧‧‧缸蓋
23‧‧‧活塞
25‧‧‧隔膜
25a‧‧‧折返部
26‧‧‧活塞桿
圖1為顯示本發明之控制器的一實施形態之縱剖視圖，且是顯示流體通路開放之狀態的圖。
圖2為顯示自圖1使閥桿移動而變成流體通路關閉 的狀態之圖。
圖3為放大圖1之主要部分的圖。
圖4為放大圖2之主要部分的圖。
圖5為顯示驅動裝置之詳細構成的縱剖視圖。
於以下的說明中，上下及左右係指圖之上下及左右者。此上下．左右，係為了方便起見，於控制器的設置時，有時會將上下顛倒、或使上下變成水平。
圖1及圖2為顯示本發明之控制器，控制器1具有閥本體2、驅動裝置3、及設置於閥本體2與驅動裝置3之間的動力傳送裝置4。
閥本體2具有：閥箱11，其形成有第1及第2流體通路12,13；隔膜14，其開閉流體通路12,13之間的連通；閥桿15，其使隔膜14朝開放或關閉方向變形；及閥帽16，其藉由螺帽17而被安裝於閥箱11。
閥箱11係SUS316L製，且具有朝上方開口的凹部11a。第1流體通路12，係由朝左側開口之大徑通路12a、及與大徑通路12a之右端部連通且較大徑通路12a小徑且於凹部11a之底面中央部開口的中央通路12b構成。第2流體通路13，係由朝右側開口之大徑通路13a、及與大徑通路13a的左端部連通且較大徑通路13a小徑且於凹部11a之底面右部開口的外側通路13b構成。
流體係自第2流體通路13之大徑通路13a流入，且自第1流體通路12之大徑通路12a流出。
於閥箱11上，以包圍第1流體通路12之中 央通路12b的開口的方式設置有環狀閥座18。藉由閥座18朝上方突出，於閥箱11之閥座18的外周形成有與第2流體通路13之外側通路13b連通的環狀通路11b。
隔膜14係金屬製且被設定為球殼狀，且上凸的圓弧狀成為自然狀態。隔膜14係藉由其周緣部被支撐於閥箱11之凹部11a底面的突出狀之外周緣部，且被配接器19從上方按壓，而被固定於閥箱11。隔膜14之中央部，係藉由固定於閥桿15之下端部的圓盤20而被朝下方按壓，且藉由調整圓盤20之上下位置而被保持於設定為既定開度之開放位置。於本實施形態中，控制器1係被設定為常時開放型，當使驅動裝置3作動時，可獲得使隔膜14之中央部強力地壓接於閥座18的關閉狀態。
隔膜14例如由鎳合金薄板構成，其被裁切成圓形，且形成為使中央部朝上方突出之球殼狀。隔膜14也可由不鏽鋼薄板構成、或由不鏽鋼薄板與鎳．鈷合金薄板之積層體構成。
為了防止凍結等情形，閥箱11係被構成為可藉由加熱器進行加熱，且以不會對驅動裝置3產生加熱的影響之方式設定閥桿15的長度。
驅動裝置3係氣壓式汽缸裝置，如圖5所示，其具備：汽缸21，其具有朝上方開口的凹部21a；缸蓋22，其具有與汽缸21之凹部21a對向的朝下方開口之凹部22a，且與汽缸21對接而藉由螺絲(省略圖示)固定；活塞23，其可上下移動地被配置於汽缸21及缸蓋22之兩凹部21a,22a內；及隔膜25，其中央貫通孔之緣部(內 周緣部)隔著保持器24被固定於活塞23的上面，並且外周緣部被固定於缸蓋22與活塞23之間。
活塞23係由鋼板形成，且由中央部具有貫通孔的頂壁23a、及圓筒狀的周壁23b構成。於活塞23之頂壁23a下面(前端側)固定有與活塞23一體移動的活塞桿26。活塞桿26係被構成為由底壁26a及周壁26b構成的圓筒狀，且被插通於設在汽缸21之底壁21b的貫通孔21c，且使其底壁26a之下部較汽缸21之下面朝下方突出。
於汽缸21之底壁21b與活塞23之間配置有向上壓迫活塞23的壓縮螺旋彈簧27。
引導活塞桿26的圓柱狀導件28，係被插通於活塞23之頂壁23a中央的貫通孔及隔膜25之中央的貫通孔，且以位於活塞桿26之周壁26b內的方式配置，且藉由螺絲29被固定於缸蓋22。於導件28之外周面與活塞桿26之周壁26b的內側面之間形成有間隙，於此間隙內配置有滑動軸承30。
於隔膜25之兩固定部間(內周緣部與外周緣部之間)設置有折返部25a。折返部25a係伴隨活塞23之移動而於汽缸21的內周與活塞23的外周之間移動，藉此，可於確保密封性之基礎上，進行活塞23之平滑的移動。
於缸蓋22設置有壓縮空氣導入通路31，作為驅動源的壓縮空氣經由壓縮空氣導入通路31被供給於缸蓋22與隔膜25之間，藉由壓縮空氣隔著隔膜25按 壓活塞23，使固定於活塞23之前端側的活塞桿26一體移動。
動力傳送裝置4，具有被收納於殼體41內的增幅機構42，增幅機構42具備：作動軸43，其藉由驅動裝置3而被上下移動；圓錐狀的第1輥支承構件44，其一體設置於作動軸43之下端部；第2輥支承構件45，其被支撐於閥桿15之上面且與閥桿15一體上下移動；一對輥支撐體46，其配置於兩輥支承構件44,45之間；一對滾動輥47，其可滾動地被支撐於各輥支撐體46，且抵接於設在第1輥支承構件44的錐面44a；及一對壓輥48，其可滾動地被支撐於各輥支撐體4，且抵接於第2輥支承構件45之水平狀的輥支承面45a。
各輥支撐體46，係被構成為能以偏心軸49作為中心進行搖動，該偏心軸49係以具有相對於壓輥48之軸線而靠近第1輥支承構件44之軸線側的軸線的方式被支撐於殼體41。
於此動力傳送裝置4中，若將施加在作動軸43上的力設為F，且將第1輥支承構件44之錐面44a的半角設為α，則力會朝相對於錐面44a直角的方向作用於滾動輥47，作用於前後任一之滾動輥47的力G，成為G=F÷2 Sin α。
作用於滾動輥47上的力G，隔介輥支撐體46及壓輥48被傳送至第2輥支承構件45。
若將偏心軸49之軸線與滾動輥47的軸線的距離設為C，將連結滾動輥軸47之軸線及偏心軸49的 軸線的線與第1輥支承構件44之錐面44a所成的夾角設為γ，將壓輥48之軸線與偏心軸49的軸線的水平距離設為δ，將左右任一之壓輥48按壓第2輥支承構件45之朝下的力設為N，則滿足N×δ=G×Cosγ×C。因此，左右雙方之壓輥48按壓第2輥支承構件45的朝下的力、即按壓閥桿15之朝下的力，成為2N=F×Cosγ×C÷Sin α÷δ，藉由將α、γ、δ及C設定為適當的值，可根據任意的增幅率(Cosγ×C÷Sin α÷δ)將施加於作動軸43的力放大後傳送至閥桿2。
例如，若設為α=40°、γ=25°、C=12.5、δ=1.5，則增幅率約為12倍，從而能以12倍左右的大力按壓隔膜14，例如，於壓力為20MPa之情況下，雖需要300kgf的力，但卻可以此力之1/12的力控制流量。因此，即使為高壓的流體，仍可防止因隔膜14被流體抬起而有流體超過設定值流入並流出的情況。
於上述說明中，圖1及圖2中的圖1顯示開放狀態，活塞桿26的自汽缸21之下面的下方突出量相對較小，伴隨地，作動軸43位於上方位置，因而輥支撐體46之上端部彼此接近，第2輥支承構件45位於上方。圖2顯示關閉狀態，活塞桿26的自汽缸21之下面的下方突出量相對較大，伴隨地，作動軸43位於下方位置，因而輥支撐體46之上端部彼此分離，第2輥支承構件45位於下方。根據圖1及圖2之比較，可知相對於作動軸43之大的衝程，可將閥桿15及圓盤20之衝程的動作設成微小者。
圖3及圖4為將圖1及圖2之主要部分放大的圖，圖3顯示與圖1對應的開放狀態，圖4顯示與圖2對應的關閉狀態。於圖1及圖2中，雖可清楚了解驅動裝置3之活塞桿26的上下移動及動力傳送裝置4的變化，但開閉狀態卻不容易明白，藉由如圖3及圖4那樣放大圖示，可知係變化為：閥桿15及圓盤20相對地位於上方且隔膜14以使第1流體通路12之中央通路12b的開口開放之方式變形的圖3之狀態；及閥桿15及圓盤20相對地位於下方位置且隔膜14以使第1流體通路12之中央通路12b的開口關閉的方式變形的圖4之狀態。
於開放之狀態下，流體經由第2流體通路13之大徑通路13a、第2流體通路13之外側通路13b及閥座18之外周的環狀通路11b，流入隔膜14與閥箱11之凹部11a底面之間，且經由第1流體通路12之中央通路12b及第1流體通路12之大徑通路12a朝外部流出。流體之流量，經由省略圖示的電動氣動式調節器而被反饋，於流量增加之情況下，以閥桿15及圓盤20朝減少流量的下方移動，於流量減少之情況下，以閥桿15及圓盤20朝增加流量的上方移動之方式進行控制，藉以維持適當的流量。
在此，相較於在以往的控制器中，第1流體通路12是作為入口通路，且第2流體通路13是作為出口通路，在上述控制器1中則係使用第2流體通路13作為入口通路，且使用第1流體通路12作為出口通路。藉此，於以往的控制器中，在高壓作用於第1流體通路12 之中央通路12b的開口所面對之隔膜14的中央部(小面積的部分)，且成為開放狀態之情況下，高壓的流體一下子朝隔介環狀通路11b而面向第2流體通路13之外側通路13b的開口的隔膜14之外周部(大面積的部分)流入，使得流體通路急劇地開放，進而變得不能調整成既定的流量，相對地，於上述控制器1中，由於在隔膜14之外周部(大面積的部分)常時受到壓力以調整流量，因此即使為高壓流體，仍可防止流體通路急劇地開放，進而導致流體一下子流入而變得不能調整成既定的流量的情況。
於流體為高壓之情況下，流量會因閥桿15及圓盤20之略微的上下移動量而大幅地變化，但於上述控制器1中，除了藉由設置於動力傳送裝置4的增幅機構42，以根據增幅率設定的大力抵抗高壓使閥桿15移動而將隔膜14朝下方按壓外，再加上由於閥桿15及圓盤20之上下移動量縮小成驅動裝置的活塞桿26之上下移動量的1/增幅率，因此可進行精度高的控制。
如此，藉由使用增幅型的動力傳送裝置4及氣壓式汽缸裝置即驅動裝置3，可進行高壓流體之精度良好的流量控制，此外，還可達成小型化。
[產業上之可利用性]
根據本發明，因為可獲得控制適合於使用高壓流體時的流體之流量的控制器，因此能有助於提高在使用高壓流體之製造領域中的精度。
1‧‧‧控制器
2‧‧‧閥本體
3‧‧‧驅動裝置
4‧‧‧動力傳送裝置
11‧‧‧閥箱
11a‧‧‧凹部
11b‧‧‧環狀通路
12‧‧‧第1流體通路
12a‧‧‧大徑通路
12b‧‧‧中央通路
13‧‧‧第2流體通路
13a‧‧‧大徑通路
13b‧‧‧外側通路
14‧‧‧隔膜
15‧‧‧閥桿
16‧‧‧閥帽
17‧‧‧螺帽
18‧‧‧閥座
19‧‧‧配接器
20‧‧‧圓盤
21‧‧‧汽缸
22‧‧‧缸蓋
26‧‧‧活塞桿
31‧‧‧壓縮空氣導入通路
41‧‧‧殼體
42‧‧‧增幅機構
43‧‧‧作動軸
44‧‧‧第1輥支承構件
44a‧‧‧錐面
45‧‧‧第2輥支承構件
45a‧‧‧輥支承面
46‧‧‧輥支撐體
47‧‧‧滾動輥
48‧‧‧壓輥
49‧‧‧偏心軸

Claims (4)

  1. 一種控制器，其特徵在於具備：閥箱，其設置有流體通路；隔膜，其藉由抵接於設置在上述閥箱的環狀閥座或自該閥座分離以開閉上述流體通路；閥桿，其藉由變更位置而使上述隔膜朝開放或關閉方向變形；及驅動裝置，其使上述閥桿的位置移動，在上述驅動裝置的作動軸與上述閥桿之間設置有將施加於上述作動軸的力放大後傳送至上述閥桿的動力傳送裝置，並且上述隔膜係金屬製，且可變形成為將上述流體通路完全關閉的狀態、將上述流體通路完全開放的狀態、及將上述流體通路局部開放的狀態，上述驅動裝置係氣壓式汽缸裝置，其具備：汽缸，其具有朝一端側開口之凹部；缸蓋，其將上述汽缸之開口封閉；活塞，其配置於上述汽缸的上述凹部內；活塞桿，其固定於上述活塞之前端側以按壓上述作動軸；及隔膜，其中央部被固定於上述活塞，且周緣部被固定於上述汽缸與上述缸蓋之間，於兩固定部之間具有折返部，供給於上述缸蓋與上述隔膜之間的壓縮空氣隔介上述隔膜而按壓上述活塞，藉以使上述活塞桿移動，上述驅動裝置係於上述流體通路局部開放的狀態下，藉由根據流動於上述流體通路的流體的流量調整 供給到上述缸蓋與上述隔膜之間的壓縮空氣，以調整上述作動軸的位置，俾使上述流量成為一定。
  2. 如請求項1之控制器，其中上述流體通路係具有：中央通路，其具有被上述閥座包圍的開口且面向上述隔膜之中央部；及外側通路，其於上述閥座之徑向外側具有開口，且面向上述隔膜之外周緣部近旁，且上述外側通路係作為上述流體的入口通路，上述中央通路係作為上述流體的出口通路。
  3. 如請求項2之控制器，其中上述中央通路之直徑係設定為上述外側通路的直徑以下。
  4. 如請求項1之控制器，其中上述驅動裝置的控制係藉由與電信號成正比地無段控制空氣壓力之電動氣動式調節器來進行。
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