真空弁
【課題】ベローズの耐久性を向上させうる真空弁を提供する。
【解決手段】真空弁１において、第１ポート７と第２ポート８との間に設けられた弁座９に弁体１０を当接又は離間させる弁部２と、操作流体の圧力変動によってピストン２２に与える圧力を変動させ、弁部２に駆動力を与えるアクチュエータ部３と、弁体１０の直線往復運動に従って伸縮するベローズ３１と、を設け、操作流体が供給されるオリフィス２４の有効断面積によって、弁体１０及びピストン２２の動作速度が調整され、ベローズ３１の損傷が防止されるようにする。
【解決手段】真空弁１において、第１ポート７と第２ポート８との間に設けられた弁座９に弁体１０を当接又は離間させる弁部２と、操作流体の圧力変動によってピストン２２に与える圧力を変動させ、弁部２に駆動力を与えるアクチュエータ部３と、弁体１０の直線往復運動に従って伸縮するベローズ３１と、を設け、操作流体が供給されるオリフィス２４の有効断面積によって、弁体１０及びピストン２２の動作速度が調整され、ベローズ３１の損傷が防止されるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベローズを伸縮させながら弁の開閉を行う真空弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体製造装置のＣＶＤ装置においては、真空容器である反応室内のウエハに対して、反応室の入口から薄膜材料を構成する元素からなる材料ガスを供給するとともに、反応室の出口から真空ポンプで排気することによって、反応室内を真空状態に保つことが行われている。材料ガスの排気速度は、例えばバタフライ式比例弁によって制御されるが、バタフライ式比例弁は配管を完全に遮断できない。そのため、バタフライ式比例弁と直列にＯＮ−ＯＦＦ式の真空弁が配置され、配管内の流体の完全遮断を行う。
【０００３】
真空弁の一例としては、例えば、特許文献１に記載するものがある。特許文献１に記載する真空弁の断面図を図１５に示す。
図１５に示す真空弁１００は、弁部１０１にアクチュエータ部１０２の駆動力を与えて弁開閉動作を行う。アクチュエータ部１０２は、シリンダ１１０に摺動可能に装填されるピストン１０３に出力軸１０４を連結し、その出力軸１０４をシリンダ１１０のボス１１１に貫き通して軸線方向にガイドしている。出力軸１０４の先端部は、ボス部１１１から弁部１０１側に突き出している。
【０００４】
弁部１０１は、弁ボディ１１２内に突き出す出力軸１０４の先端部に弁体１０５を固設し、その弁体１０５が当接又は離間する弁座１０７を、弁ボディ１１２の第１ポート１１３と第２ポート１１４との間に設けている。弁体１０５は、圧縮ばね１１５により弁座方向に常時付勢されている。ベローズ１０８は、金属製のものであり、圧縮ばね１１５と出力軸１０４を覆うように弁ボディ１１２内に伸縮自在に配置されている。
【０００５】
このような真空弁１００は、ピストン室１０９を加圧して圧縮ばね１１５の付勢力に抗してピストン１０３を図中上向きに移動させると、弁体１０５が弁座１０７から離間して第１ポート１１３と第２ポート１１４とを連通させる。
一方、ピストン室１０９の加圧を停止すると、圧縮ばね１１５の付勢力でピストン１０３が図中下向きに移動して弁体１０５を弁座１０７に当接させ、第１ポート１１３と第２ポート１１４との間を完全遮断する。
このように弁開閉動作を行う場合、ベローズ１０８が弁体１０５の移動に従って伸縮し、ベローズ１０８の内部と外部とを気密に区画するので、出力軸１０４の摺動部等から発生するパーティクルが流路内に漏れない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の真空弁１００は、長期間使用していると、ベローズ１０８が破損し、流路内にパーティクルが漏れる不具合が生じていた。この破壊は、弁閉時に弁体１０５が弁座１０７にぶつかる衝撃によって生じるものと、従来は考えられていた。
【０００８】
発明者らは、ベローズ１０８の耐久試験を繰り返し実施したところ、ベローズ１０８の殆どが、一定の位置からクラックが入り、破壊される特性を発見した。更に、発明者らは、弁開時に弁体１０５がシリンダ１１０のボス１１１にぶつかるときの衝撃でベローズ１０８にクラックが入り、ベローズ１０８が破壊されることを発見した。
【０００９】
そこで、発明者らはこの原因を次のように考えた。
ベローズ１０８は、弁体１０５の動作に応じて自由に伸縮できるように弁部１０１内に浮動状態で保持されている。この状態では、弁体１０５がストロークエンドまで上昇してボス１１１の下端部に衝突すると、その衝撃が、シリンダ１１０からベローズ１０８に伝達される一方、弁体１０５側からベローズ１０８に伝達される。このようにベローズ１０８に伝達される２つの衝撃は、ベローズ１０８に対して逆向きに作用してベローズ１０８を異方向に振動させ、その振動に対する内部応力が一定の位置で干渉し、その干渉部分に応力が集中すると考えられる。応力集中は、弁体１０５がパイプ部材１０６に衝突する度に同じ場所に発生し、ベローズ１０８は、一定の位置が他の部分より速く損傷するものと考えられる。
【００１０】
上記原因に基づけば、弁体１０５が弁開動作を始めるときの「動作速度」と、弁体１０５がボス１１１に衝突したときに縮んだ状態のベローズ１０８に伝達される「衝撃加速度」を調整すれば、ベローズ１０８の耐久性を向上させ得ると考えられる。そこで、発明者らは、「動作速度」と「衝撃加速度」を変えて真空弁１００の寿命試験を行った。
【００１１】
寿命試験は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に到達するかどうかを調べることにより行った。尚、「動作速度」は、弁ボディ１１２の内壁に取り付けた速度センサによって測定し、「衝撃加速度」は、弁体１０５に取り付けた加速度センサによって測定した。ベローズの種類と内部構造が異なる１９種類の真空弁について寿命試験を行い、その測定結果を図１６に示す。
【００１２】
寿命が長いものと短いものとの境界線をとると、図１６の斜線部Ｓの範囲を示すようになる。
【００１３】
この試験結果より、金属ベローズを備える真空弁は、「動作速度」が３０ｍｍ／ｓ以上２２０ｍｍ／ｓ以下であって、且つ、「衝撃加速度」が図１６の斜線部Ｓの範囲内にある場合に、ベローズ１０８にクラックが入り難くなることが判明した。「動作速度」が２２０ｍｍ／ｓを超えた場合、それに応じて「衝撃加速度」が大きくなるため、ベローズ１０８にクラックが入りやすくなると考えられる。この考えに因れば、「動作速度」を小さくすれば「衝撃加速度」が小さくなって、ベローズ１０８にクラックが入りにくくなると考えられる。ところが実際には、図１６に示すように、「動作速度」が３０ｍｍ／ｓより遅く、「衝撃加速度」が小さい場合でも、ベローズ１６にクラックが入ることが判明した。
【００１４】
以上の試験結果より、発明者らは、同一ストロークの真空弁１００について、「動作速度」が遅すぎても、速すぎても、ベローズ１０８の耐久性が劣ることを発見した。また、発明者らは、「動作速度」が速くても、「衝撃加速度」を小さくできれば、ベローズ１０８の耐久性を向上させ得ることを発見した。よって、「動作速度」を速くしつつ、「衝撃加速度」を小さくする対策を真空弁１００に講じれば、ベローズ１０８の寿命を長くして、真空弁１００の耐久性を向上させることができる。
【００１５】
尚、真空弁の種類によっては、ピストンがピストン室内壁と衝突するものがある。この種の真空弁も、ベローズ１０８が上記と同様にクラックが入って破損することを発明者らは、耐久試験を実施して確認している。よって、この種の真空弁にも、「動作速度」を速くしつつ、「衝撃加速度」を小さくする対策を講じれば、ベローズ１０８の寿命を長くして、真空弁１００の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ベローズの耐久性を向上させうる真空弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る真空弁は次のような構成を有している。
（１）第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座に弁体を当接又は離間させる弁部と、操作流体の圧力変動によってピストンに与える圧力を変動させ、前記弁部に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記弁体の直線往復運動に従って伸縮するベローズと、を有し、前記操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、前記弁体及び前記ピストンの動作速度が調整され、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【００１８】
（２）第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に当接又は離間するものであって、全開方向に移動した場合に前記弁本体に係止されて停止する弁体と、前記弁体に連結する出力軸を介して前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、前記弁体が前記弁本体に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝部材と、を有し、前記弁体が前記弁本体に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝部材によって低減し、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【００１９】
（３）第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に当接又は離間する弁体と、ピストン室に摺動自在に装填されたピストンに出力軸を一体的に設け、前記出力軸に前記弁体を連結し、前記ピストンに与える圧力を変動させることにより前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、前記ピストン又は前記出力軸が軸方向に移動して前記ピストン室の内壁に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝機構と、を有し、前記ピストン又は前記出力軸が前記ピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝機構によって低減し、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【発明の効果】
【００２０】
上記（１）に記載の発明は、操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、弁体及びピストンの動作速度が調整され、ベローズの損傷が防止されるので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２１】
尚、ピストンで仕切られたピストン室の一次室と二次室との内圧を調整してピストンを駆動させるために、一次室に通じる排気ポートと、二次室に通じる操作ポートとを有する場合には、弁体又はピストンの弁開時の動作速度と弁閉時の動作速度を、ベローズの損傷を防止する動作速度範囲内にそれぞれ調整するように、操作ポートに連通するオリフィスの有効断面積と排気ポートに連通する排気側オリフィスの有効断面積をそれぞれ調整することが望ましい。これによれば、弁閉時と弁開時の動作速度をベローズの損傷を防止するように調整し、ベローズをより一層長寿命化できる。
【００２２】
また、弁体及びピストンの動作速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる動作速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成するように、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、操作ポートの有効断面積は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓになるように調整されることが望ましい。
【００２３】
上記（２）に記載の発明は、弁体が弁本体に係止されるときの衝撃加速度を緩衝部材によって低減し、ベローズの損傷を防止するので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２４】
尚、緩衝部材は、硬度の高いゴムや樹脂を材質とするＯリングや、弾性力の高いゴムを材質とするゴムエアクッション、低反発衝撃吸収材、例えばαゲル（株式会社ジェルテックの登録商標）、板ばね、スプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものであればよい。
また、衝撃加速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる衝撃加速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成するように、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、緩衝部材は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を図１６の斜線部Ｓの範囲内にするものが望ましい。
【００２５】
上記（３）に記載の発明は、ピストン又は出力軸がピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を緩衝機構によって低減し、ベローズの損傷を防止するので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２６】
尚、緩衝機構は、硬度の高いゴムや樹脂を材質とするＯリングや、弾性力の高いゴムを材質とするゴムエアクッション、低反発衝撃吸収材、例えばαゲル（株式会社ジェルテックの登録商標）、板ばね、スプリングなど、機械的に衝撃を緩和するものの他、スピードコントローラや排気制御装置などによってピストン室の内圧を調整し、ピストン室に充填されたエアをエアクッションとして機能させるものも含む。
また、衝撃加速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる衝撃加速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成し、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、緩衝機構は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を図１６の斜線部Ｓの範囲内にするものが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明に係る真空弁の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る真空弁１の断面図であって、弁閉状態を示す。図２は、第１実施形態に係る真空弁１の断面図であって、全開状態を示す。
図１及び図２に示す真空弁１は、従来技術と同様、半導体製造装置に設けられた反応室と真空ポンプとの間にバタフライ式比例弁と共に配置される。真空弁１は、ベローズ３１を伸縮させながら弁開閉を行うＯＮ−ＯＦＦ式遮断弁であって、反応室からガスを排出する配管の開放と遮断を制御する。真空弁１は、弁部２にアクチュエータ部３の駆動力を与えて弁開閉を行う。
【００２９】
弁部２は、「弁本体」に内蔵される。「弁本体」は、第１ポート７と第２ポート８との間に弁座９を設けた弁室５を形成するものであり、本実施形態では、弁ボディ４と第２閉鎖プレート２０とパイプ部材２８によって構成されている。弁ボディ４は、剛性及び耐圧性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。弁ボディ４は、第２閉鎖プレート２０に塞がれて弁室５を形成するための中空部６を備える。中空部６には、弁ボディ４の側面に開口する第１ポート７が連通すると共に、弁ボディ４の図中下面に開口する第２ポート８が連通している。弁ボディ４は、第２ポート８が中空部６に開口する開口部の周りに設けられた平坦面により弁座９が構成されている。弁座９には、弁体１０が当接又は離間する。
【００３０】
弁体１０は、固定プレート１１と支持プレート１２との間に形成されたアリ溝にＯリング１３を装着して保持している。固定プレート１１と支持プレート１２は、剛性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。Ｏリング１３は、弁座９に密着してシール力を発揮するためにゴム等の弾性材料を材質とする。弁体１０は、パイプ部材２８の図中下端部に係止されて図中上方向の移動を制限される。そのため、固定プレート１１には、弁体１０がパイプ部材２８に係止される場合の衝撃を緩和するための緩衝部材１４が、パイプ部材２８の図中下端部に対応する位置に取り付けられている。
【００３１】
緩衝部材１４は、図２に示す弁の全開時に弁体１０とパイプ部材２８との間に僅かな隙間を空けた状態で弁体１０を停止させるために、硬度の高いゴムや樹脂などの弾性材料を材質とし、一端が固定プレート１１の図中上側面から突出するように設けられている。尚、第１実施形態では、緩衝部材１４には硬度９０のウレタンゴムを材質とするものを使用する。
【００３２】
図３は、図１に示す緩衝部材１４の平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
緩衝部材１４は、環状をなし、断面が略矩形状をなす。緩衝部材１４の内周面には、環状凸部１５が中心部に向かって延びるように設けられている。
【００３３】
図１及び図２に示すように、固定プレート１１の上端面には、緩衝部材１４を装着するための装着溝１６が環状に形成されている。装着溝１６の内側側面には、緩衝部材１４の環状凸部１５を嵌め込むための係合溝１７が、装着溝１６の開口部より奥側に設けられている。
【００３４】
緩衝部材１４は、環状凸部１５を弾性変形させながら装着溝１６に押し込まれ、環状凸部１５が係合溝１７の位置に到達すると、環状凸部１５を復元させて係合溝１７に係合させる。この環状凸部１５と係合溝１７との係合関係により、真空弁１が弁開閉動作を行う場合に弁体１０に振動が生じても、緩衝部材１４が固定プレート１１から脱落しない。
【００３５】
一方、アクチュエータ部３は、弁ボディ４に連結されるシリンダボディ１８に内蔵される。シリンダボディ１８は、耐圧性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。シリンダボディ１８は、上下に開口する筒状をなす。シリンダボディ１８は、上側開口部が金属製の第１閉鎖プレート１９に塞がれ、下側開口部が金属製の第２閉鎖プレート２０に塞がれることによって、ピストン室２１を形成している。
【００３６】
ピストン室２１は、シリンダボディ１８に摺動可能に装填されたピストン２２によって一次室２１ａと二次室２１ｂに仕切られている。ピストン２２は、耐圧性と剛性を確保するために金属を材質とし、ゴムや樹脂などの弾性材料からなるシール部材２３が外周面に装着されている。そのため、ピストン室２１は、ピストン２２によって一次室２１ａと二次室２１ｂとに気密に区画されている。一次室２１ａは、図示しない開口部を介して大気開放されている。二次室２１ｂは、シリンダボディ１８に開設されたオリフィス２４を介して操作ポート２５に連通している。第１実施形態では、オリフィス２４は断面が円形状に形成されている。
【００３７】
ピストン２２の中心部には、図中下側から図中上側に金属製の出力軸２６が貫き通されている。出力軸２６は、ピストン２２の図中上側に突き出した部分に金属製の固定ナット２７を締め付けられてピストン２２と一体化されている。尚、第１実施形態では、固定ナット２７は出力軸２６の一部を構成するものとする。出力軸２６は、第２閉鎖プレート２０とパイプ部材２８に摺動自在に挿通され、先端部が弁室５内に突き出している。
【００３８】
パイプ部材２８は、弁体１０の全開位置を決めるように弁室５内に下端部が配置されている。出力軸２６は、パイプ部材２８の下端部から進退可能に突出し、先端部が弁体１０の中心部に貫き通されて取付ナット２９を締め付けられ、弁体１０と一体化されている。よって、ピストン２２と弁体１０とは、出力軸２６を介して一体化され、一体的に直線往復運動する。
【００３９】
弁体１０とパイプ部材２８との間には、復帰ばね３０が縮設され、弁体１０を弁座９側に向かって押し下げている。この押圧力によって、弁体１０がＯリング１３を押し潰すように弁座９に押し付けられ、シール力を発生する。復帰ばね３０の弾性力は、弁体１０から出力軸２６を介してピストン２２へ伝達され、ピストン２２に図中下向きの力を与える。
【００４０】
出力軸２６とパイプ部材２８と復帰ばね３０は、ベローズ３１によって覆われ、摺動部等から発生するパーティクルが弁室５内に漏れないようにしている。ベローズ３１は、ステンレス等の金属を材質とし、弁室５内に伸縮自在に配設されている。ベローズ３１は、上端部が環状の保持部材３２に溶接され、その保持部材３２を弁ボディ４とシリンダボディ１８とに嵌め合わせることによって弁ボディ４及びシリンダボディ１８に対して位置決めされている。ベローズ３１の下端部は、復帰ばね３０の外側において固定プレート１１に溶接されている。
【００４１】
上記構成を有する真空弁１は、例えば、第１ポート７が真空ポンプに接続され、第２ポート８が真空容器に接続される。そして、操作ポート２５に図示しない操作流体制御装置が接続される。
【００４２】
操作ポート２５に操作流体を供給しないときには、図１に示すように、復帰ばね３０の弾性力によって弁体１０が弁座９に当接し、第１ポート７と第２ポート８との間を遮断する。そのため、第２ポート８から第１ポート７へと流体が流れない。よって、真空容器は真空引きされない。
【００４３】
操作ポート２５に操作流体を供給し、二次室２１ｂの内圧が復帰ばね３０の弾性力に打ち勝つと、図２に示すように、ピストン２２が図中上向きに移動して弁体１０を弁座９から離間させ、全開位置まで移動させる。これにより、第１ポート７と第２ポート８とが連通し、第２ポート８から第１ポート７へ流体が流れる。よって、真空容器は真空ポンプのポンプ動作によって真空引きされる。
【００４４】
その後、二次室２１ｂの操作流体を排気し、復帰ばね３０の弾性力が二次室２１ｂの内圧に打ち勝つと、弁体１０が復帰バネ３０に付勢されて下降し、図１に示すように弁座９に当接する。そのため、第１ポート７と第２ポート８との間が再び遮断され、流体が流れなくなる。よって、真空容器は真空引きされなくなる。
【００４５】
ところで、上記課題で記載したように、発明者らは、動作速度を速くしつつ、衝撃加速度を小さくする対策を真空弁に講じることにより、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させうることを発見した。発明者らは、オリフィス２４の有効断面積によって弁体１０の動作速度を適正値に調整し、緩衝部材１４によって弁体１０がパイプ部材２８に係止されるときの衝撃加速度を適正値に調整できることに気付いた。これらについて以下に具体例を挙げて説明する。
【００４６】
例えば、図１６に示すように、動作速度を３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓに設定すると、ベローズの寿命を長くすることができる。そこで、発明者らは、同一ベローズ・異なる内部構造の真空弁サンプルを２つ用いて、断面円形状をなすオリフィス２４のオリフィス径と動作速度との関係を調べた。その調査結果を図５に示す。
【００４７】
例えば、図５に示すように、サンプル１は、オリフィス径を０．８ｍｍにすると、動作速度を約２８ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．３ｍｍにすれば、動作速度を約１００ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を２．４ｍｍにすれば、動作速度を約２２０ｍｍ／ｓに調整できた。
また、サンプル２は、オリフィス径を０．８ｍｍにすれば、動作速度を約４３ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．０ｍｍにすれば、動作速度を約６８ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．３ｍｍにすれば、動作速度を約１１２ｍｍ／ｓに調整できた。
【００４８】
この試験結果によれば、内部構造が異なるサンプル１，２は、何れもオリフィス径と動作速度との間に正の相関関係が認められた。よって、真空弁は、オリフィス２４のオリフィス径すなわち有効断面積を調節すれば、動作速度を任意に設定できることが判明した。
【００４９】
更に、発明者らは、動作速度がベローズ９の寿命に与える影響を調べるために、寿命試験を実施した。寿命試験は、上述の従来技術と同様であって、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合を調べることにより行った。図６に、寿命試験の結果を示す。
例えば、図６に示すように、動作速度が２２０ｍｍ／ｓを超えて速すぎると、寿命達成率が０％と低い。この原因は、弁体１０の動作ストロークが短いので、弁体１０の動作速度が速いと、急加速したまま弁体１０がパイプ部材２８にぶつかり、その強い衝撃がベローズ３１に伝達されてベローズ３１にクラックが入りやすくなったり、ベローズ３１が破損しやすくなるためと考えられる。
また、動作速度が、３０ｍｍ／ｓ未満と遅くても、寿命達成率が０％と低くなることがあった。一般に、動作速度が遅ければ衝撃加速度が小さくなるものと考えられるため、動作速度が遅すぎても寿命達成率が低いという試験結果の原因は、不明である。
また、動作速度が４０ｍｍ／ｓ前後と低速であっても、内部構造の違いによって寿命達成率が異なることがあった。
【００５０】
この試験結果より、真空弁の有効断面積は、真空弁のピストン径や真空弁に与える操作圧などの真空弁の内部構造とバランスが良く、高い寿命達成率が得られるように、決定する必要があることが判明した。
尚、有効断面積は、応答性を良好にするために、高い寿命達成率が得られる範囲で動作速度を速くするように設定することが望ましい。
【００５１】
有効断面積は下記の計算式で求められる。
動作速度Ｖは、数式１より求められる。
【００５２】
【数１】
【００５３】
そこで、動作速度Ｖが、所定の動作速度範囲（寿命達成率１００％を達成できる動作速度範囲、例えば、図１６では３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓ）になる動作時間ｔを数式１より算出する。
ここで、動作時間ｔは、一般的に、弁体１０が動き始めるまでの時間ｔ１と、弁体１０が加速する時間ｔ２と、弁体１０が等速で動いたときの時間ｔ３とを合算して求められるが、真空弁１では、弁体１０の動作ストロークが短いため（例えば１５ｍｍ）、動作速度ｔを弁体１０が加速する時間ｔ２と同視することができる。弁体１０が加速する時間ｔ２は、数式２より求められる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
数式１より求めた動作時間ｔを数式２の弁体１０が加速する時間ｔ２に当てはめ、真空弁１の設計値を数式２の負荷Ｆ（Ｎ）、シリンダボディ１８の摩擦力ｆ（Ｎ）、ピストン２２の給気側受圧面積Ａ1（ｍｍ2）、操作ポート２５に供給する操作流体の給気圧力（ＭＰａ）、負荷の質量Ｍ（ｋｇ）、弁体１０の動作ストローク（ｍｍ）を代入すれば、操作ポート２５側のオリフィス２４の有効断面積が算出される。
【００５６】
図１及び図２に示す第１実施形態の真空弁１は、負荷が３．０Ｎ、シリンダボディ１８の摩擦力が５０〜７０Ｎ、給気側ピストン径が５０ｍｍ、操作ポート２５に供給する操作流体の操作圧力が０．４ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、負荷の質量が０．３ｋｇ、弁体１０の動作ストロークが１５ｍｍであるときに、オリフィス２４のオリフィス径が１．８ｍｍとなる有効断面積を設定している。
【００５７】
一方、図１６に示すように、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を斜線部Ｓの範囲内にすると、ベローズの寿命が延びる。そこで、発明者らは、同一ベローズ・異なる内部構造の真空弁のサンプル３，４を用いて、緩衝部材１４の有無と衝撃加速度との関係を調べた。その測定結果を図７に示す。
【００５８】
図７に示すように、緩衝部材１４が無いサンプル３は、衝撃加速度が約１２Ｇであり、緩衝部材１４が有るサンプル３は、衝撃加速度が約４Ｇであった。よって、サンプル３では、緩衝部材１４を設けた場合の衝撃加速度が、緩衝部材１４を設けない衝撃加速度の約３３％程度に低減することができた。
また、緩衝部材１４がないサンプル４は、衝撃加速度が約８Ｇであり、緩衝部材１４が有るサンプル４は、衝撃加速度が約３．４Ｇであった。よって、サンプル４では、緩衝部材１４を設けた場合の衝撃加速度が、緩衝部材１４を設けない衝撃加速度の約４２％程度に低減することができた。
【００５９】
更に、発明者らは、衝撃加速度がベローズ３１の寿命に与える影響を調べるために、寿命試験を実施した。寿命試験は、上述の従来技術と同様であって、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合を調べることにより行った。図８に、寿命試験の結果を示す。
図８に示すように、衝撃加速度が約８０Ｇと大きいと、寿命達成率が０％である。これは、弁体１０がパイプ部材２８に係止される衝撃が大きく、ベローズ３１に生じる応力が大きくなるためと考えられる。
しかし、衝撃加速度が約８Ｇと小さくても、寿命達成率０％になる場合がある。一般に衝撃加速度が小さければ、ベローズ３１の内部応力も小さくなると考えられるため、衝撃加速度が小さくてもベローズ３１の寿命が短い原因は不明である。
また、衝撃加速度が同程度であっても、内部構造の違いによって寿命達成率が異なる。
【００６０】
よって、真空弁に緩衝部材１４を取り付けて衝撃加速度を小さくする場合には、ピストン径や操作圧などの当該真空弁の内部構造とバランスが良く、高い寿命達成率が得られるように、緩衝部材１４の硬さや材質等を選択する必要がある。また、ベローズ３１の破損を防止する上では、できる限り衝撃加速度を小さくできる緩衝部材１４を選択することが望ましい。
【００６１】
従って、第１実施形態の真空弁１によれば、操作流体が供給されるオリフィス２４の有効断面積（オリフィス径）によって、弁体１０及びピストン２２の動作速度が調整され、ベローズ３１の損傷が防止されるので、ベローズ１０を長寿命化して、真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００６２】
また、第１実施形態の真空弁１によれば、弁体１０が弁本体の一部をなすパイプ部材２８に係止されるときの衝撃加速度を緩衝部材１４によって低減し、ベローズ３１の損傷を防止するので、ベローズ３１を長寿命化して、真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００６３】
特に第１実施形態の真空弁１は、オリフィス２４の上記効果と、緩衝部材１４の上記効果とが相乗的に作用するので、動作速度を速くしつつ、衝撃加速度を小さくすることができ、応答性を良好に保ちながらベローズ３１の寿命を長期化することができる。
【００６４】
（第２実施形態）
次に、本発明の真空弁にかかる第２実施形態について図面を参照して説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る真空弁１Ａの断面図であって、弁閉状態を示す。図１０は、本発明の第２実施形態に係る真空弁１Ａの断面図であって、全開状態を示す。
第２実施形態の真空弁１Ａは、弁部２側ではなく、アクチュエータ部３に緩衝部材１４を設けて「緩衝機構」を構成している点が第１実施形態と相違する。また、第２実施形態の真空弁１Ａは、操作ポート２５の他に、排気ポート４１をシリンダボディ１８に設けた点が第１実施形態と相違する。第２実施形態では、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に同一符号を付して説明を適宜割愛する。
【００６５】
図９及び図１０に示すように、真空弁１Ａは、出力軸２６の図中上端部及び固定ナット２７Ａの図中上側面、ピストン２２の図中上側面より図中上方へ突き出すように、緩衝部材１４が固定ナット２７Ａに装着されている。固定ナット２７Ａには、緩衝部材１４を装着するための段差が設けられ、緩衝部材１４の環状凸部１５に係合する係合溝４３が段差の内側面に形成されている。緩衝部材１４は、環状凸部１５を係合溝４３にひっかけるようにして、固定ナット２７Ａに脱落不能に装着されている。
【００６６】
また、真空弁１Ａは、一次室２１ａが排気側オリフィス４２を介して排気ポート４１に連通している。排気ポート４１には、図示しない排気制御装置が接続され、排気速度を調整する。
【００６７】
上記構成を有する真空弁１Ａは、操作ポート２５から操作流体を供給し、二次室２１ｂの内圧が復帰ばね３０に打ち勝つと、ピストン２２が一次室２１ａのエアを圧縮して排気ポート４１から排気しながら上昇し、弁体１０を引き上げる。そのため、弁体１０が弁座９から離間して第１ポート７と第２ポート８とが連通し、真空容器から真空ポンプへ流体を流す。このとき、オリフィス２４が操作流体の給気流量を規制し、ピストン２２及び弁体１０の動作速度を所定速度に制御する他、排気側オリフィス４２が排気流量を規制して、一次室２１ａに充填されたエアを圧縮してエアクッション効果を持たせ、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が急激に上昇して第１閉鎖プレート１９に衝突するのを防止する。
【００６８】
ここで、図１０に示すように、真空弁１Ａは、緩衝部材１４を第１閉鎖プレート１９に突き当てた状態で弁を全開している。緩衝部材１４は、第１閉鎖プレート１９にぶつかったときに、その衝撃を自身の弾性力で吸収し、さらに、固定ナット２７、出力軸２６及びピストン２２と第１閉鎖プレート１９との間に隙間を形成する。そのため、金属製の固定ナット２７や出力軸２６やピストン２２が金属製の第１閉鎖プレート１９にぶつかり、その衝撃をシリンダボディ１８、保持部材３２などを介してベローズ３１に伝達しない。
【００６９】
よって、第２実施形態の真空弁１Ａによれば、出力軸２６、ナット２７又はピストン２２が第１閉鎖プレート１９に係止されるときの衝撃を緩和して、衝撃加速度を小さくするので、ベローズ３１に発生する振動を小さくしてベローズ３１を長寿命化し、真空弁１Ａの耐久性を向上させることができる。
【００７０】
また、弁体１０は、オリフィス２４によって動作速度を所定速度に制御され、しかも、緩衝部材１４によって衝撃加速度を小さくされた状態で、パイプ部材２８に突き当たる。そのため、弁体１０は、パイプ部材２８に係止される場合の衝撃が小さくて済む。
【００７１】
一方、操作流体の供給を停止すると、復帰ばね３０の弾性力で弁体１０が押し下げられる。復帰ばね３０の弾性力は、弁体１０と出力軸２６を介してピストン２２に伝達される。このとき、排気側オリフィス４２が排気ポート４１から一次室２１ａに給気する給気速度を調整するので、ピストン２２が急激に下降しない。よって、ピストン２２と弁体１０は、ゆっくり下降し、弁体１０が弁座９に当接する際の衝撃加速度が小さい。
【００７２】
このように第２実施形態の真空弁１Ａは、弁開時の動作速度に加え、排気側オリフィス４２によって弁閉時の動作速度を制御するので、ベローズ３１に作用する衝撃を小さくしてベローズ３１の寿命を更に延ばし、耐久性を向上させることができる。
尚、弁閉時の動作速度は、排気側オリフィス４２の有効断面積により調整される。すなわち、排気側オリフィス４２の有効断面積は、弁体１０又はピストン２２の弁閉時の動作速度を、ベローズの損傷を防止する動作速度範囲内に調整するように、上記数式１，２を用いてオリフィス２４の有効断面積と同様の手順で調整される。これによれば、弁開時に加えて、弁閉時の動作速度をベローズの損傷を防止するように調整し、ベローズ３１をより一層長寿命化できる。
【００７３】
（第３実施形態）
続いて、本発明の真空弁に係る第３実施形態について図面を参照して説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係る真空弁１Ｂの断面図であって、弁閉状態を示す。図１２は、本発明の第３実施形態に係る真空弁１Ｂの断面図であって、全開状態を示す。
第３実施形態の真空弁１Ｂは、「緩衝機構」の一例であるゴムエアクッション５１を固定ナット２７Ｂに取り付けた点が第２実施形態と相違し、その他は第２実施形態と共通する。ここでは、第２実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同じ符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００７４】
第３実施形態の真空弁１Ｂは、ゴムエアクッション５１を弾性変形させて弁開時の衝撃を緩和する。ゴムエアクッション５１は、塑性変形しにくいように、フッ素ゴム等の弾性力の有るゴムを材質とする。ゴムエアクッション５１は、環状をなし、図中上端開口部が図中下端開口部より小さい山形形状をなす。ゴムエアクッション５１は、軸方向に変形しやすいように、断面が中央部から図中上端部及び図中下端部へいくにつれて肉薄にされている。このようなゴムエアクッション５１は、図中下端開口部が、出力軸２６の周りに沿って固定ナット２７Ｂに切り欠いて設けられた保持溝５２に嵌め込まれて係合された状態で固定ナット２７Ｂに脱落不能に取り付けられる。
【００７５】
このような真空弁１Ｂは、ピストン２２が復帰ばね３０の弾性力に抗して上昇すると、ゴムエアクッションの上端部が第１閉鎖プレート１９に密着し、第１閉鎖プレート１９と固定ナット２７Ｂとの間にエアを密封する。そして、ピストン２２が更に上昇すると、密封されたエアが圧縮されて弾性力を発生する。そのため、出力軸２６や固定ナット２７Ｂやピストン２２が第１閉鎖プレート１９にぶつからず、例えぶつかったとしてもその衝撃を最小限に抑える。これに伴って、弁体１０がパイプ部材２８にぶつかる衝撃も緩和される。
【００７６】
よって、第３実施形態の真空弁１Ｂは、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９にぶつかる衝撃や、弁体１０がパイプ部材２８にぶつかる衝撃の衝撃加速度を、ゴムエアクッション５１で緩和するので、ベローズ３１に伝達される振動が小さくなる。そのため、ベローズ３１は、一定の位置に応力が集中してクラックや亀裂が入ることが少なくなり、ベローズ３１の寿命を延ばして真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００７７】
（第４実施形態）
続いて、本発明の真空弁に係る第４実施形態について説明する。図１３は、本発明の第４実施形態に係る真空弁１Ｃの断面図であって、弁閉状態を示す。
第４実施形態の真空弁１Ｃは、「緩衝機構」の一例であるスピードコントローラ６１を排気ポート４１に取り付けた点が第２実施形態と相違し、その他の点は第２実施形態と共通する。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同一符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００７８】
第４実施形態の真空弁１Ｃは、排気側オリフィス４２による排気流量制御の他、スピードコントローラ５１によって一次室２１ａからエアを排気する排気速度が調節される。そのため、真空弁１Ｃは、第２実施形態の真空弁１Ａと比べ、ピストン２２が動き始める速度やピストン２２の上昇時に加速する速度を精度よく制御することができ、より正確に動作速度を所定速度に制御することができる。
【００７９】
（第５実施形態）
次に、本発明の真空弁に係る第５実施形態について図面を参照して説明する。図１４は、第５実施形態に係る真空弁１Ｄの断面図であって、弁閉状態を示す。
第５実施形態の真空弁１Ｄは、パイプ部材２８及び復帰ばね３０を設けていない点、及び、緩衝部材１４を設けていない点が第２実施形態と相違し、その他の点は第２実施形態と共通している。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同一符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００８０】
第５実施形態の真空弁１Ｄは、操作ポート２５に図示しない操作流体供給源を接続すると共に、排気側ポート４１にも「緩衝機構」の一例である操作流体供給源（図示せず）を接続し、一次室２１ａの内圧と二次室２１ｂの内圧とのバランスによってピストン２２を移動させ、弁開閉動作を行う。そのため、真空弁１Ｄは、一次室２１ａに操作流体を排気ポート４１に供給して内圧を昇圧させ、二次室２１ｂの操作流体を操作ポート２５から排気して内圧を減圧させることにより、ピストン２２を下降させ、弁閉動作を行う。よって、真空弁１Ｄは、圧縮ばね３０を備えない。
【００８１】
また、真空弁１Ｄは、エア加圧で弁開閉を行う。そのため、出力軸２６が安定して軸線方向に直線往復運動するとともに、エア圧によってピストン２２と弁体１０の停止位置を正確に制御できる。よって、真空弁１Ｄは、パイプ部材２８を備えない。
【００８２】
このような第５実施形態の真空弁１Ｄは、操作ポート２５と排気ポート４１に接続される図示しない操作流体制御装置によって、一次室２１ａと二次室２１ｂの内圧が調整される。そのため、真空弁１Ｄは、弁開時には、排気側オリフィス４２による流量規制の他、図示しない操作流体制御装置によって排気ポート４１から排気される排気圧力が制御される。そのため、操作ポート２５に操作流体を供給してピストン２２を図中上向きに加圧したときに、一次室２１ａのエアが圧縮されてクッションの役割を果たし、ピストン２２が急上昇しない。そのため、ピストン２２の動作速度がより一層遅くなり、ピストン２２が急上昇して出力軸２６や固定ナット２７などを第１閉鎖プレート１９に勢いよくぶつけない。
【００８３】
よって、第５実施形態の真空弁１Ｄは、エア圧を調整して出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９に接触する直前でピストン２２を停止させ、或いは、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９に接触したとしても、一次室２１ａに充填された操作流体のエアクッション効果によって、その衝撃を最小限にすることが可能である。よって、第５実施形態の真空弁１Ｄによれば、ピストン２２や出力軸２６や固定ナット２７がピストン室２１の内壁を構成する第１閉鎖プレート１９に係止される場合の衝撃を最小限に抑え、ベローズ３１に生じる振動を小さくすることにより、ベローズ３１の寿命を延ばし、耐久性を向上させることができる。
【００８４】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
（１）例えば、上記実施形態では、第２ポート８から第１ポート７へ流体を流したが、第１ポート７から第２ポート８へ流体を流してもよい。
（２）例えば、上記実施形態では、オリフィス２４の有効断面積によって適正な動作速度を確保すると共に、緩衝部材１４やゴムエアクッション５１によって適正な衝撃加速度を確保するようにしたが、有効断面積又は緩衝部材１４，５１の何れか一方によって動作速度のみ又は衝撃加速度のみを適正値にしてベローズ３１の寿命を延ばすようにしてもよい。
（３）例えば、上記第１実施形態の真空弁１において、緩衝部材１４に変えて、ゴムエアクッション５１（図１１、図１２参照）や板ばね、コイルスプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものを使用しても良い。
（４）例えば、上記第２実施形態の真空弁１Ａにおいて、緩衝部材１４に変えて板ばね、コイルスプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものを使用してもよい。
（５）例えば、上記第１〜第４実施形態では、緩衝部材１４やエアクッション５１を弁体１０又は固定ナット２７Ａ，２７Ｂに取り付けたが、パイプ部材２８の下端部分や第１閉鎖プレート１９に緩衝部材１４やゴムエアクッション５１を取り付け、弁体１０とパイプ部材２８との間に生じる衝撃や、出力軸２６又は固定ナット２７Ａ，２７Ｂ、ピストン２２と第１閉鎖プレート１９との間に生じる衝撃を緩和するようにしてもよい。
（６）例えば、上記第５実施形態の真空弁１Ｄの固定プレート１１や固定ナット２７に緩衝部材１４やゴムエアクッション５１を設けてもよい。
（７）例えば、上記実施形態では、オリフィス２４の断面形状を円形にしたが、所定の有効断面積であれば、その断面形状は楕円、花形、三角形、四角形など形状を限定されない。
（８）例えば、上記第１実施形態では、「弁本体」の一部を構成するパイプ部材２８に弁体１０を係止させて全開位置を決めた。これに対して、従来技術のように弁体１０に出力軸２６を挿入するパイプ部を設け、そのパイプ部を「弁本体」の一部を構成する第２閉鎖プレート２０に係止させて全開位置を決めてもよい。この場合、パイプ部の上端面に緩衝部材１４を取り付けてもよいし、第２閉鎖プレート２０のパイプ部に対応する部分に緩衝部材１４を取り付けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図３】図１に示す緩衝部材の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】オリフィス径と動作速度との関係を示す図であって、縦軸に動作速度（ｍｍ／ｓ）を示し、横軸にオリフィス径（ｍｍ）を示す。
【図６】ベローズと速度と寿命の関係を示す図であって、縦軸に動作速度（ｍｍ／ｓ）を示し、横軸に寿命達成率（％）を示す。
【図７】クッションの有無と衝撃加速度との関係を示す図であって、縦軸に衝撃加速度（Ｇ）、横軸にクッションの有無を示す。
【図８】ベローズの衝撃加速度と寿命との関係を示す図であって、縦軸に衝撃加速度（Ｇ）を示し、横軸に寿命達成率（％）を示す。
【図９】本発明の第２実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１５】従来の真空弁の断面図である。
【図１６】寿命試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 真空弁
２ 弁部
３ アクチュエータ部
４ 弁本体
７ 第１ポート
８ 第２ポート
９ 弁座
１０ 弁体
１４ 緩衝部材（緩衝機構）
２１ ピストン室
２２ ピストン
２４ オリフィス
２６ 出力軸
２９ ベローズ
４２ 排気側オリフィス
５１ ゴムエアクッション（緩衝機構）
６１ スピードコントローラ（緩衝機構）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベローズを伸縮させながら弁の開閉を行う真空弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、半導体製造装置のＣＶＤ装置においては、真空容器である反応室内のウエハに対して、反応室の入口から薄膜材料を構成する元素からなる材料ガスを供給するとともに、反応室の出口から真空ポンプで排気することによって、反応室内を真空状態に保つことが行われている。材料ガスの排気速度は、例えばバタフライ式比例弁によって制御されるが、バタフライ式比例弁は配管を完全に遮断できない。そのため、バタフライ式比例弁と直列にＯＮ−ＯＦＦ式の真空弁が配置され、配管内の流体の完全遮断を行う。
【０００３】
真空弁の一例としては、例えば、特許文献１に記載するものがある。特許文献１に記載する真空弁の断面図を図１５に示す。
図１５に示す真空弁１００は、弁部１０１にアクチュエータ部１０２の駆動力を与えて弁開閉動作を行う。アクチュエータ部１０２は、シリンダ１１０に摺動可能に装填されるピストン１０３に出力軸１０４を連結し、その出力軸１０４をシリンダ１１０のボス１１１に貫き通して軸線方向にガイドしている。出力軸１０４の先端部は、ボス部１１１から弁部１０１側に突き出している。
【０００４】
弁部１０１は、弁ボディ１１２内に突き出す出力軸１０４の先端部に弁体１０５を固設し、その弁体１０５が当接又は離間する弁座１０７を、弁ボディ１１２の第１ポート１１３と第２ポート１１４との間に設けている。弁体１０５は、圧縮ばね１１５により弁座方向に常時付勢されている。ベローズ１０８は、金属製のものであり、圧縮ばね１１５と出力軸１０４を覆うように弁ボディ１１２内に伸縮自在に配置されている。
【０００５】
このような真空弁１００は、ピストン室１０９を加圧して圧縮ばね１１５の付勢力に抗してピストン１０３を図中上向きに移動させると、弁体１０５が弁座１０７から離間して第１ポート１１３と第２ポート１１４とを連通させる。
一方、ピストン室１０９の加圧を停止すると、圧縮ばね１１５の付勢力でピストン１０３が図中下向きに移動して弁体１０５を弁座１０７に当接させ、第１ポート１１３と第２ポート１１４との間を完全遮断する。
このように弁開閉動作を行う場合、ベローズ１０８が弁体１０５の移動に従って伸縮し、ベローズ１０８の内部と外部とを気密に区画するので、出力軸１０４の摺動部等から発生するパーティクルが流路内に漏れない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の真空弁１００は、長期間使用していると、ベローズ１０８が破損し、流路内にパーティクルが漏れる不具合が生じていた。この破壊は、弁閉時に弁体１０５が弁座１０７にぶつかる衝撃によって生じるものと、従来は考えられていた。
【０００８】
発明者らは、ベローズ１０８の耐久試験を繰り返し実施したところ、ベローズ１０８の殆どが、一定の位置からクラックが入り、破壊される特性を発見した。更に、発明者らは、弁開時に弁体１０５がシリンダ１１０のボス１１１にぶつかるときの衝撃でベローズ１０８にクラックが入り、ベローズ１０８が破壊されることを発見した。
【０００９】
そこで、発明者らはこの原因を次のように考えた。
ベローズ１０８は、弁体１０５の動作に応じて自由に伸縮できるように弁部１０１内に浮動状態で保持されている。この状態では、弁体１０５がストロークエンドまで上昇してボス１１１の下端部に衝突すると、その衝撃が、シリンダ１１０からベローズ１０８に伝達される一方、弁体１０５側からベローズ１０８に伝達される。このようにベローズ１０８に伝達される２つの衝撃は、ベローズ１０８に対して逆向きに作用してベローズ１０８を異方向に振動させ、その振動に対する内部応力が一定の位置で干渉し、その干渉部分に応力が集中すると考えられる。応力集中は、弁体１０５がパイプ部材１０６に衝突する度に同じ場所に発生し、ベローズ１０８は、一定の位置が他の部分より速く損傷するものと考えられる。
【００１０】
上記原因に基づけば、弁体１０５が弁開動作を始めるときの「動作速度」と、弁体１０５がボス１１１に衝突したときに縮んだ状態のベローズ１０８に伝達される「衝撃加速度」を調整すれば、ベローズ１０８の耐久性を向上させ得ると考えられる。そこで、発明者らは、「動作速度」と「衝撃加速度」を変えて真空弁１００の寿命試験を行った。
【００１１】
寿命試験は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に到達するかどうかを調べることにより行った。尚、「動作速度」は、弁ボディ１１２の内壁に取り付けた速度センサによって測定し、「衝撃加速度」は、弁体１０５に取り付けた加速度センサによって測定した。ベローズの種類と内部構造が異なる１９種類の真空弁について寿命試験を行い、その測定結果を図１６に示す。
【００１２】
寿命が長いものと短いものとの境界線をとると、図１６の斜線部Ｓの範囲を示すようになる。
【００１３】
この試験結果より、金属ベローズを備える真空弁は、「動作速度」が３０ｍｍ／ｓ以上２２０ｍｍ／ｓ以下であって、且つ、「衝撃加速度」が図１６の斜線部Ｓの範囲内にある場合に、ベローズ１０８にクラックが入り難くなることが判明した。「動作速度」が２２０ｍｍ／ｓを超えた場合、それに応じて「衝撃加速度」が大きくなるため、ベローズ１０８にクラックが入りやすくなると考えられる。この考えに因れば、「動作速度」を小さくすれば「衝撃加速度」が小さくなって、ベローズ１０８にクラックが入りにくくなると考えられる。ところが実際には、図１６に示すように、「動作速度」が３０ｍｍ／ｓより遅く、「衝撃加速度」が小さい場合でも、ベローズ１６にクラックが入ることが判明した。
【００１４】
以上の試験結果より、発明者らは、同一ストロークの真空弁１００について、「動作速度」が遅すぎても、速すぎても、ベローズ１０８の耐久性が劣ることを発見した。また、発明者らは、「動作速度」が速くても、「衝撃加速度」を小さくできれば、ベローズ１０８の耐久性を向上させ得ることを発見した。よって、「動作速度」を速くしつつ、「衝撃加速度」を小さくする対策を真空弁１００に講じれば、ベローズ１０８の寿命を長くして、真空弁１００の耐久性を向上させることができる。
【００１５】
尚、真空弁の種類によっては、ピストンがピストン室内壁と衝突するものがある。この種の真空弁も、ベローズ１０８が上記と同様にクラックが入って破損することを発明者らは、耐久試験を実施して確認している。よって、この種の真空弁にも、「動作速度」を速くしつつ、「衝撃加速度」を小さくする対策を講じれば、ベローズ１０８の寿命を長くして、真空弁１００の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ベローズの耐久性を向上させうる真空弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る真空弁は次のような構成を有している。
（１）第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座に弁体を当接又は離間させる弁部と、操作流体の圧力変動によってピストンに与える圧力を変動させ、前記弁部に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記弁体の直線往復運動に従って伸縮するベローズと、を有し、前記操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、前記弁体及び前記ピストンの動作速度が調整され、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【００１８】
（２）第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に当接又は離間するものであって、全開方向に移動した場合に前記弁本体に係止されて停止する弁体と、前記弁体に連結する出力軸を介して前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、前記弁体が前記弁本体に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝部材と、を有し、前記弁体が前記弁本体に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝部材によって低減し、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【００１９】
（３）第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、前記弁座に当接又は離間する弁体と、ピストン室に摺動自在に装填されたピストンに出力軸を一体的に設け、前記出力軸に前記弁体を連結し、前記ピストンに与える圧力を変動させることにより前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、前記ピストン又は前記出力軸が軸方向に移動して前記ピストン室の内壁に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝機構と、を有し、前記ピストン又は前記出力軸が前記ピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝機構によって低減し、前記ベローズの損傷を防止した真空弁である。
【発明の効果】
【００２０】
上記（１）に記載の発明は、操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、弁体及びピストンの動作速度が調整され、ベローズの損傷が防止されるので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２１】
尚、ピストンで仕切られたピストン室の一次室と二次室との内圧を調整してピストンを駆動させるために、一次室に通じる排気ポートと、二次室に通じる操作ポートとを有する場合には、弁体又はピストンの弁開時の動作速度と弁閉時の動作速度を、ベローズの損傷を防止する動作速度範囲内にそれぞれ調整するように、操作ポートに連通するオリフィスの有効断面積と排気ポートに連通する排気側オリフィスの有効断面積をそれぞれ調整することが望ましい。これによれば、弁閉時と弁開時の動作速度をベローズの損傷を防止するように調整し、ベローズをより一層長寿命化できる。
【００２２】
また、弁体及びピストンの動作速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる動作速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成するように、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、操作ポートの有効断面積は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓになるように調整されることが望ましい。
【００２３】
上記（２）に記載の発明は、弁体が弁本体に係止されるときの衝撃加速度を緩衝部材によって低減し、ベローズの損傷を防止するので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２４】
尚、緩衝部材は、硬度の高いゴムや樹脂を材質とするＯリングや、弾性力の高いゴムを材質とするゴムエアクッション、低反発衝撃吸収材、例えばαゲル（株式会社ジェルテックの登録商標）、板ばね、スプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものであればよい。
また、衝撃加速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる衝撃加速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成するように、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、緩衝部材は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を図１６の斜線部Ｓの範囲内にするものが望ましい。
【００２５】
上記（３）に記載の発明は、ピストン又は出力軸がピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を緩衝機構によって低減し、ベローズの損傷を防止するので、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させることができる。
【００２６】
尚、緩衝機構は、硬度の高いゴムや樹脂を材質とするＯリングや、弾性力の高いゴムを材質とするゴムエアクッション、低反発衝撃吸収材、例えばαゲル（株式会社ジェルテックの登録商標）、板ばね、スプリングなど、機械的に衝撃を緩和するものの他、スピードコントローラや排気制御装置などによってピストン室の内圧を調整し、ピストン室に充填されたエアをエアクッションとして機能させるものも含む。
また、衝撃加速度は、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合（寿命達成率）が１００％になる衝撃加速度にすることが望ましい。これによれば、ベローズの目標寿命回数を達成し、真空弁の耐久性を確実に向上させることができる。具体的には例えば、緩衝機構は、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を図１６の斜線部Ｓの範囲内にするものが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明に係る真空弁の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る真空弁１の断面図であって、弁閉状態を示す。図２は、第１実施形態に係る真空弁１の断面図であって、全開状態を示す。
図１及び図２に示す真空弁１は、従来技術と同様、半導体製造装置に設けられた反応室と真空ポンプとの間にバタフライ式比例弁と共に配置される。真空弁１は、ベローズ３１を伸縮させながら弁開閉を行うＯＮ−ＯＦＦ式遮断弁であって、反応室からガスを排出する配管の開放と遮断を制御する。真空弁１は、弁部２にアクチュエータ部３の駆動力を与えて弁開閉を行う。
【００２９】
弁部２は、「弁本体」に内蔵される。「弁本体」は、第１ポート７と第２ポート８との間に弁座９を設けた弁室５を形成するものであり、本実施形態では、弁ボディ４と第２閉鎖プレート２０とパイプ部材２８によって構成されている。弁ボディ４は、剛性及び耐圧性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。弁ボディ４は、第２閉鎖プレート２０に塞がれて弁室５を形成するための中空部６を備える。中空部６には、弁ボディ４の側面に開口する第１ポート７が連通すると共に、弁ボディ４の図中下面に開口する第２ポート８が連通している。弁ボディ４は、第２ポート８が中空部６に開口する開口部の周りに設けられた平坦面により弁座９が構成されている。弁座９には、弁体１０が当接又は離間する。
【００３０】
弁体１０は、固定プレート１１と支持プレート１２との間に形成されたアリ溝にＯリング１３を装着して保持している。固定プレート１１と支持プレート１２は、剛性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。Ｏリング１３は、弁座９に密着してシール力を発揮するためにゴム等の弾性材料を材質とする。弁体１０は、パイプ部材２８の図中下端部に係止されて図中上方向の移動を制限される。そのため、固定プレート１１には、弁体１０がパイプ部材２８に係止される場合の衝撃を緩和するための緩衝部材１４が、パイプ部材２８の図中下端部に対応する位置に取り付けられている。
【００３１】
緩衝部材１４は、図２に示す弁の全開時に弁体１０とパイプ部材２８との間に僅かな隙間を空けた状態で弁体１０を停止させるために、硬度の高いゴムや樹脂などの弾性材料を材質とし、一端が固定プレート１１の図中上側面から突出するように設けられている。尚、第１実施形態では、緩衝部材１４には硬度９０のウレタンゴムを材質とするものを使用する。
【００３２】
図３は、図１に示す緩衝部材１４の平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
緩衝部材１４は、環状をなし、断面が略矩形状をなす。緩衝部材１４の内周面には、環状凸部１５が中心部に向かって延びるように設けられている。
【００３３】
図１及び図２に示すように、固定プレート１１の上端面には、緩衝部材１４を装着するための装着溝１６が環状に形成されている。装着溝１６の内側側面には、緩衝部材１４の環状凸部１５を嵌め込むための係合溝１７が、装着溝１６の開口部より奥側に設けられている。
【００３４】
緩衝部材１４は、環状凸部１５を弾性変形させながら装着溝１６に押し込まれ、環状凸部１５が係合溝１７の位置に到達すると、環状凸部１５を復元させて係合溝１７に係合させる。この環状凸部１５と係合溝１７との係合関係により、真空弁１が弁開閉動作を行う場合に弁体１０に振動が生じても、緩衝部材１４が固定プレート１１から脱落しない。
【００３５】
一方、アクチュエータ部３は、弁ボディ４に連結されるシリンダボディ１８に内蔵される。シリンダボディ１８は、耐圧性を確保するためにステンレスや炭素鋼などの金属を材質とする。シリンダボディ１８は、上下に開口する筒状をなす。シリンダボディ１８は、上側開口部が金属製の第１閉鎖プレート１９に塞がれ、下側開口部が金属製の第２閉鎖プレート２０に塞がれることによって、ピストン室２１を形成している。
【００３６】
ピストン室２１は、シリンダボディ１８に摺動可能に装填されたピストン２２によって一次室２１ａと二次室２１ｂに仕切られている。ピストン２２は、耐圧性と剛性を確保するために金属を材質とし、ゴムや樹脂などの弾性材料からなるシール部材２３が外周面に装着されている。そのため、ピストン室２１は、ピストン２２によって一次室２１ａと二次室２１ｂとに気密に区画されている。一次室２１ａは、図示しない開口部を介して大気開放されている。二次室２１ｂは、シリンダボディ１８に開設されたオリフィス２４を介して操作ポート２５に連通している。第１実施形態では、オリフィス２４は断面が円形状に形成されている。
【００３７】
ピストン２２の中心部には、図中下側から図中上側に金属製の出力軸２６が貫き通されている。出力軸２６は、ピストン２２の図中上側に突き出した部分に金属製の固定ナット２７を締め付けられてピストン２２と一体化されている。尚、第１実施形態では、固定ナット２７は出力軸２６の一部を構成するものとする。出力軸２６は、第２閉鎖プレート２０とパイプ部材２８に摺動自在に挿通され、先端部が弁室５内に突き出している。
【００３８】
パイプ部材２８は、弁体１０の全開位置を決めるように弁室５内に下端部が配置されている。出力軸２６は、パイプ部材２８の下端部から進退可能に突出し、先端部が弁体１０の中心部に貫き通されて取付ナット２９を締め付けられ、弁体１０と一体化されている。よって、ピストン２２と弁体１０とは、出力軸２６を介して一体化され、一体的に直線往復運動する。
【００３９】
弁体１０とパイプ部材２８との間には、復帰ばね３０が縮設され、弁体１０を弁座９側に向かって押し下げている。この押圧力によって、弁体１０がＯリング１３を押し潰すように弁座９に押し付けられ、シール力を発生する。復帰ばね３０の弾性力は、弁体１０から出力軸２６を介してピストン２２へ伝達され、ピストン２２に図中下向きの力を与える。
【００４０】
出力軸２６とパイプ部材２８と復帰ばね３０は、ベローズ３１によって覆われ、摺動部等から発生するパーティクルが弁室５内に漏れないようにしている。ベローズ３１は、ステンレス等の金属を材質とし、弁室５内に伸縮自在に配設されている。ベローズ３１は、上端部が環状の保持部材３２に溶接され、その保持部材３２を弁ボディ４とシリンダボディ１８とに嵌め合わせることによって弁ボディ４及びシリンダボディ１８に対して位置決めされている。ベローズ３１の下端部は、復帰ばね３０の外側において固定プレート１１に溶接されている。
【００４１】
上記構成を有する真空弁１は、例えば、第１ポート７が真空ポンプに接続され、第２ポート８が真空容器に接続される。そして、操作ポート２５に図示しない操作流体制御装置が接続される。
【００４２】
操作ポート２５に操作流体を供給しないときには、図１に示すように、復帰ばね３０の弾性力によって弁体１０が弁座９に当接し、第１ポート７と第２ポート８との間を遮断する。そのため、第２ポート８から第１ポート７へと流体が流れない。よって、真空容器は真空引きされない。
【００４３】
操作ポート２５に操作流体を供給し、二次室２１ｂの内圧が復帰ばね３０の弾性力に打ち勝つと、図２に示すように、ピストン２２が図中上向きに移動して弁体１０を弁座９から離間させ、全開位置まで移動させる。これにより、第１ポート７と第２ポート８とが連通し、第２ポート８から第１ポート７へ流体が流れる。よって、真空容器は真空ポンプのポンプ動作によって真空引きされる。
【００４４】
その後、二次室２１ｂの操作流体を排気し、復帰ばね３０の弾性力が二次室２１ｂの内圧に打ち勝つと、弁体１０が復帰バネ３０に付勢されて下降し、図１に示すように弁座９に当接する。そのため、第１ポート７と第２ポート８との間が再び遮断され、流体が流れなくなる。よって、真空容器は真空引きされなくなる。
【００４５】
ところで、上記課題で記載したように、発明者らは、動作速度を速くしつつ、衝撃加速度を小さくする対策を真空弁に講じることにより、ベローズを長寿命化して、真空弁の耐久性を向上させうることを発見した。発明者らは、オリフィス２４の有効断面積によって弁体１０の動作速度を適正値に調整し、緩衝部材１４によって弁体１０がパイプ部材２８に係止されるときの衝撃加速度を適正値に調整できることに気付いた。これらについて以下に具体例を挙げて説明する。
【００４６】
例えば、図１６に示すように、動作速度を３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓに設定すると、ベローズの寿命を長くすることができる。そこで、発明者らは、同一ベローズ・異なる内部構造の真空弁サンプルを２つ用いて、断面円形状をなすオリフィス２４のオリフィス径と動作速度との関係を調べた。その調査結果を図５に示す。
【００４７】
例えば、図５に示すように、サンプル１は、オリフィス径を０．８ｍｍにすると、動作速度を約２８ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．３ｍｍにすれば、動作速度を約１００ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を２．４ｍｍにすれば、動作速度を約２２０ｍｍ／ｓに調整できた。
また、サンプル２は、オリフィス径を０．８ｍｍにすれば、動作速度を約４３ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．０ｍｍにすれば、動作速度を約６８ｍｍ／ｓに調整でき、オリフィス径を１．３ｍｍにすれば、動作速度を約１１２ｍｍ／ｓに調整できた。
【００４８】
この試験結果によれば、内部構造が異なるサンプル１，２は、何れもオリフィス径と動作速度との間に正の相関関係が認められた。よって、真空弁は、オリフィス２４のオリフィス径すなわち有効断面積を調節すれば、動作速度を任意に設定できることが判明した。
【００４９】
更に、発明者らは、動作速度がベローズ９の寿命に与える影響を調べるために、寿命試験を実施した。寿命試験は、上述の従来技術と同様であって、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合を調べることにより行った。図６に、寿命試験の結果を示す。
例えば、図６に示すように、動作速度が２２０ｍｍ／ｓを超えて速すぎると、寿命達成率が０％と低い。この原因は、弁体１０の動作ストロークが短いので、弁体１０の動作速度が速いと、急加速したまま弁体１０がパイプ部材２８にぶつかり、その強い衝撃がベローズ３１に伝達されてベローズ３１にクラックが入りやすくなったり、ベローズ３１が破損しやすくなるためと考えられる。
また、動作速度が、３０ｍｍ／ｓ未満と遅くても、寿命達成率が０％と低くなることがあった。一般に、動作速度が遅ければ衝撃加速度が小さくなるものと考えられるため、動作速度が遅すぎても寿命達成率が低いという試験結果の原因は、不明である。
また、動作速度が４０ｍｍ／ｓ前後と低速であっても、内部構造の違いによって寿命達成率が異なることがあった。
【００５０】
この試験結果より、真空弁の有効断面積は、真空弁のピストン径や真空弁に与える操作圧などの真空弁の内部構造とバランスが良く、高い寿命達成率が得られるように、決定する必要があることが判明した。
尚、有効断面積は、応答性を良好にするために、高い寿命達成率が得られる範囲で動作速度を速くするように設定することが望ましい。
【００５１】
有効断面積は下記の計算式で求められる。
動作速度Ｖは、数式１より求められる。
【００５２】
【数１】
【００５３】
そこで、動作速度Ｖが、所定の動作速度範囲（寿命達成率１００％を達成できる動作速度範囲、例えば、図１６では３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓ）になる動作時間ｔを数式１より算出する。
ここで、動作時間ｔは、一般的に、弁体１０が動き始めるまでの時間ｔ１と、弁体１０が加速する時間ｔ２と、弁体１０が等速で動いたときの時間ｔ３とを合算して求められるが、真空弁１では、弁体１０の動作ストロークが短いため（例えば１５ｍｍ）、動作速度ｔを弁体１０が加速する時間ｔ２と同視することができる。弁体１０が加速する時間ｔ２は、数式２より求められる。
【００５４】
【数２】
【００５５】
数式１より求めた動作時間ｔを数式２の弁体１０が加速する時間ｔ２に当てはめ、真空弁１の設計値を数式２の負荷Ｆ（Ｎ）、シリンダボディ１８の摩擦力ｆ（Ｎ）、ピストン２２の給気側受圧面積Ａ1（ｍｍ2）、操作ポート２５に供給する操作流体の給気圧力（ＭＰａ）、負荷の質量Ｍ（ｋｇ）、弁体１０の動作ストローク（ｍｍ）を代入すれば、操作ポート２５側のオリフィス２４の有効断面積が算出される。
【００５６】
図１及び図２に示す第１実施形態の真空弁１は、負荷が３．０Ｎ、シリンダボディ１８の摩擦力が５０〜７０Ｎ、給気側ピストン径が５０ｍｍ、操作ポート２５に供給する操作流体の操作圧力が０．４ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、負荷の質量が０．３ｋｇ、弁体１０の動作ストロークが１５ｍｍであるときに、オリフィス２４のオリフィス径が１．８ｍｍとなる有効断面積を設定している。
【００５７】
一方、図１６に示すように、動作速度が３０ｍｍ／ｓ〜２２０ｍｍ／ｓのときに、衝撃加速度を斜線部Ｓの範囲内にすると、ベローズの寿命が延びる。そこで、発明者らは、同一ベローズ・異なる内部構造の真空弁のサンプル３，４を用いて、緩衝部材１４の有無と衝撃加速度との関係を調べた。その測定結果を図７に示す。
【００５８】
図７に示すように、緩衝部材１４が無いサンプル３は、衝撃加速度が約１２Ｇであり、緩衝部材１４が有るサンプル３は、衝撃加速度が約４Ｇであった。よって、サンプル３では、緩衝部材１４を設けた場合の衝撃加速度が、緩衝部材１４を設けない衝撃加速度の約３３％程度に低減することができた。
また、緩衝部材１４がないサンプル４は、衝撃加速度が約８Ｇであり、緩衝部材１４が有るサンプル４は、衝撃加速度が約３．４Ｇであった。よって、サンプル４では、緩衝部材１４を設けた場合の衝撃加速度が、緩衝部材１４を設けない衝撃加速度の約４２％程度に低減することができた。
【００５９】
更に、発明者らは、衝撃加速度がベローズ３１の寿命に与える影響を調べるために、寿命試験を実施した。寿命試験は、上述の従来技術と同様であって、同じ種類のベローズ・同じ内部構造で寿命試験を実施したときに目標寿命回数に達成した割合を調べることにより行った。図８に、寿命試験の結果を示す。
図８に示すように、衝撃加速度が約８０Ｇと大きいと、寿命達成率が０％である。これは、弁体１０がパイプ部材２８に係止される衝撃が大きく、ベローズ３１に生じる応力が大きくなるためと考えられる。
しかし、衝撃加速度が約８Ｇと小さくても、寿命達成率０％になる場合がある。一般に衝撃加速度が小さければ、ベローズ３１の内部応力も小さくなると考えられるため、衝撃加速度が小さくてもベローズ３１の寿命が短い原因は不明である。
また、衝撃加速度が同程度であっても、内部構造の違いによって寿命達成率が異なる。
【００６０】
よって、真空弁に緩衝部材１４を取り付けて衝撃加速度を小さくする場合には、ピストン径や操作圧などの当該真空弁の内部構造とバランスが良く、高い寿命達成率が得られるように、緩衝部材１４の硬さや材質等を選択する必要がある。また、ベローズ３１の破損を防止する上では、できる限り衝撃加速度を小さくできる緩衝部材１４を選択することが望ましい。
【００６１】
従って、第１実施形態の真空弁１によれば、操作流体が供給されるオリフィス２４の有効断面積（オリフィス径）によって、弁体１０及びピストン２２の動作速度が調整され、ベローズ３１の損傷が防止されるので、ベローズ１０を長寿命化して、真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００６２】
また、第１実施形態の真空弁１によれば、弁体１０が弁本体の一部をなすパイプ部材２８に係止されるときの衝撃加速度を緩衝部材１４によって低減し、ベローズ３１の損傷を防止するので、ベローズ３１を長寿命化して、真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００６３】
特に第１実施形態の真空弁１は、オリフィス２４の上記効果と、緩衝部材１４の上記効果とが相乗的に作用するので、動作速度を速くしつつ、衝撃加速度を小さくすることができ、応答性を良好に保ちながらベローズ３１の寿命を長期化することができる。
【００６４】
（第２実施形態）
次に、本発明の真空弁にかかる第２実施形態について図面を参照して説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る真空弁１Ａの断面図であって、弁閉状態を示す。図１０は、本発明の第２実施形態に係る真空弁１Ａの断面図であって、全開状態を示す。
第２実施形態の真空弁１Ａは、弁部２側ではなく、アクチュエータ部３に緩衝部材１４を設けて「緩衝機構」を構成している点が第１実施形態と相違する。また、第２実施形態の真空弁１Ａは、操作ポート２５の他に、排気ポート４１をシリンダボディ１８に設けた点が第１実施形態と相違する。第２実施形態では、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に同一符号を付して説明を適宜割愛する。
【００６５】
図９及び図１０に示すように、真空弁１Ａは、出力軸２６の図中上端部及び固定ナット２７Ａの図中上側面、ピストン２２の図中上側面より図中上方へ突き出すように、緩衝部材１４が固定ナット２７Ａに装着されている。固定ナット２７Ａには、緩衝部材１４を装着するための段差が設けられ、緩衝部材１４の環状凸部１５に係合する係合溝４３が段差の内側面に形成されている。緩衝部材１４は、環状凸部１５を係合溝４３にひっかけるようにして、固定ナット２７Ａに脱落不能に装着されている。
【００６６】
また、真空弁１Ａは、一次室２１ａが排気側オリフィス４２を介して排気ポート４１に連通している。排気ポート４１には、図示しない排気制御装置が接続され、排気速度を調整する。
【００６７】
上記構成を有する真空弁１Ａは、操作ポート２５から操作流体を供給し、二次室２１ｂの内圧が復帰ばね３０に打ち勝つと、ピストン２２が一次室２１ａのエアを圧縮して排気ポート４１から排気しながら上昇し、弁体１０を引き上げる。そのため、弁体１０が弁座９から離間して第１ポート７と第２ポート８とが連通し、真空容器から真空ポンプへ流体を流す。このとき、オリフィス２４が操作流体の給気流量を規制し、ピストン２２及び弁体１０の動作速度を所定速度に制御する他、排気側オリフィス４２が排気流量を規制して、一次室２１ａに充填されたエアを圧縮してエアクッション効果を持たせ、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が急激に上昇して第１閉鎖プレート１９に衝突するのを防止する。
【００６８】
ここで、図１０に示すように、真空弁１Ａは、緩衝部材１４を第１閉鎖プレート１９に突き当てた状態で弁を全開している。緩衝部材１４は、第１閉鎖プレート１９にぶつかったときに、その衝撃を自身の弾性力で吸収し、さらに、固定ナット２７、出力軸２６及びピストン２２と第１閉鎖プレート１９との間に隙間を形成する。そのため、金属製の固定ナット２７や出力軸２６やピストン２２が金属製の第１閉鎖プレート１９にぶつかり、その衝撃をシリンダボディ１８、保持部材３２などを介してベローズ３１に伝達しない。
【００６９】
よって、第２実施形態の真空弁１Ａによれば、出力軸２６、ナット２７又はピストン２２が第１閉鎖プレート１９に係止されるときの衝撃を緩和して、衝撃加速度を小さくするので、ベローズ３１に発生する振動を小さくしてベローズ３１を長寿命化し、真空弁１Ａの耐久性を向上させることができる。
【００７０】
また、弁体１０は、オリフィス２４によって動作速度を所定速度に制御され、しかも、緩衝部材１４によって衝撃加速度を小さくされた状態で、パイプ部材２８に突き当たる。そのため、弁体１０は、パイプ部材２８に係止される場合の衝撃が小さくて済む。
【００７１】
一方、操作流体の供給を停止すると、復帰ばね３０の弾性力で弁体１０が押し下げられる。復帰ばね３０の弾性力は、弁体１０と出力軸２６を介してピストン２２に伝達される。このとき、排気側オリフィス４２が排気ポート４１から一次室２１ａに給気する給気速度を調整するので、ピストン２２が急激に下降しない。よって、ピストン２２と弁体１０は、ゆっくり下降し、弁体１０が弁座９に当接する際の衝撃加速度が小さい。
【００７２】
このように第２実施形態の真空弁１Ａは、弁開時の動作速度に加え、排気側オリフィス４２によって弁閉時の動作速度を制御するので、ベローズ３１に作用する衝撃を小さくしてベローズ３１の寿命を更に延ばし、耐久性を向上させることができる。
尚、弁閉時の動作速度は、排気側オリフィス４２の有効断面積により調整される。すなわち、排気側オリフィス４２の有効断面積は、弁体１０又はピストン２２の弁閉時の動作速度を、ベローズの損傷を防止する動作速度範囲内に調整するように、上記数式１，２を用いてオリフィス２４の有効断面積と同様の手順で調整される。これによれば、弁開時に加えて、弁閉時の動作速度をベローズの損傷を防止するように調整し、ベローズ３１をより一層長寿命化できる。
【００７３】
（第３実施形態）
続いて、本発明の真空弁に係る第３実施形態について図面を参照して説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係る真空弁１Ｂの断面図であって、弁閉状態を示す。図１２は、本発明の第３実施形態に係る真空弁１Ｂの断面図であって、全開状態を示す。
第３実施形態の真空弁１Ｂは、「緩衝機構」の一例であるゴムエアクッション５１を固定ナット２７Ｂに取り付けた点が第２実施形態と相違し、その他は第２実施形態と共通する。ここでは、第２実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同じ符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００７４】
第３実施形態の真空弁１Ｂは、ゴムエアクッション５１を弾性変形させて弁開時の衝撃を緩和する。ゴムエアクッション５１は、塑性変形しにくいように、フッ素ゴム等の弾性力の有るゴムを材質とする。ゴムエアクッション５１は、環状をなし、図中上端開口部が図中下端開口部より小さい山形形状をなす。ゴムエアクッション５１は、軸方向に変形しやすいように、断面が中央部から図中上端部及び図中下端部へいくにつれて肉薄にされている。このようなゴムエアクッション５１は、図中下端開口部が、出力軸２６の周りに沿って固定ナット２７Ｂに切り欠いて設けられた保持溝５２に嵌め込まれて係合された状態で固定ナット２７Ｂに脱落不能に取り付けられる。
【００７５】
このような真空弁１Ｂは、ピストン２２が復帰ばね３０の弾性力に抗して上昇すると、ゴムエアクッションの上端部が第１閉鎖プレート１９に密着し、第１閉鎖プレート１９と固定ナット２７Ｂとの間にエアを密封する。そして、ピストン２２が更に上昇すると、密封されたエアが圧縮されて弾性力を発生する。そのため、出力軸２６や固定ナット２７Ｂやピストン２２が第１閉鎖プレート１９にぶつからず、例えぶつかったとしてもその衝撃を最小限に抑える。これに伴って、弁体１０がパイプ部材２８にぶつかる衝撃も緩和される。
【００７６】
よって、第３実施形態の真空弁１Ｂは、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９にぶつかる衝撃や、弁体１０がパイプ部材２８にぶつかる衝撃の衝撃加速度を、ゴムエアクッション５１で緩和するので、ベローズ３１に伝達される振動が小さくなる。そのため、ベローズ３１は、一定の位置に応力が集中してクラックや亀裂が入ることが少なくなり、ベローズ３１の寿命を延ばして真空弁１の耐久性を向上させることができる。
【００７７】
（第４実施形態）
続いて、本発明の真空弁に係る第４実施形態について説明する。図１３は、本発明の第４実施形態に係る真空弁１Ｃの断面図であって、弁閉状態を示す。
第４実施形態の真空弁１Ｃは、「緩衝機構」の一例であるスピードコントローラ６１を排気ポート４１に取り付けた点が第２実施形態と相違し、その他の点は第２実施形態と共通する。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同一符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００７８】
第４実施形態の真空弁１Ｃは、排気側オリフィス４２による排気流量制御の他、スピードコントローラ５１によって一次室２１ａからエアを排気する排気速度が調節される。そのため、真空弁１Ｃは、第２実施形態の真空弁１Ａと比べ、ピストン２２が動き始める速度やピストン２２の上昇時に加速する速度を精度よく制御することができ、より正確に動作速度を所定速度に制御することができる。
【００７９】
（第５実施形態）
次に、本発明の真空弁に係る第５実施形態について図面を参照して説明する。図１４は、第５実施形態に係る真空弁１Ｄの断面図であって、弁閉状態を示す。
第５実施形態の真空弁１Ｄは、パイプ部材２８及び復帰ばね３０を設けていない点、及び、緩衝部材１４を設けていない点が第２実施形態と相違し、その他の点は第２実施形態と共通している。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は図面に第２実施形態と同一符号を付し、説明を適宜割愛する。
【００８０】
第５実施形態の真空弁１Ｄは、操作ポート２５に図示しない操作流体供給源を接続すると共に、排気側ポート４１にも「緩衝機構」の一例である操作流体供給源（図示せず）を接続し、一次室２１ａの内圧と二次室２１ｂの内圧とのバランスによってピストン２２を移動させ、弁開閉動作を行う。そのため、真空弁１Ｄは、一次室２１ａに操作流体を排気ポート４１に供給して内圧を昇圧させ、二次室２１ｂの操作流体を操作ポート２５から排気して内圧を減圧させることにより、ピストン２２を下降させ、弁閉動作を行う。よって、真空弁１Ｄは、圧縮ばね３０を備えない。
【００８１】
また、真空弁１Ｄは、エア加圧で弁開閉を行う。そのため、出力軸２６が安定して軸線方向に直線往復運動するとともに、エア圧によってピストン２２と弁体１０の停止位置を正確に制御できる。よって、真空弁１Ｄは、パイプ部材２８を備えない。
【００８２】
このような第５実施形態の真空弁１Ｄは、操作ポート２５と排気ポート４１に接続される図示しない操作流体制御装置によって、一次室２１ａと二次室２１ｂの内圧が調整される。そのため、真空弁１Ｄは、弁開時には、排気側オリフィス４２による流量規制の他、図示しない操作流体制御装置によって排気ポート４１から排気される排気圧力が制御される。そのため、操作ポート２５に操作流体を供給してピストン２２を図中上向きに加圧したときに、一次室２１ａのエアが圧縮されてクッションの役割を果たし、ピストン２２が急上昇しない。そのため、ピストン２２の動作速度がより一層遅くなり、ピストン２２が急上昇して出力軸２６や固定ナット２７などを第１閉鎖プレート１９に勢いよくぶつけない。
【００８３】
よって、第５実施形態の真空弁１Ｄは、エア圧を調整して出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９に接触する直前でピストン２２を停止させ、或いは、出力軸２６や固定ナット２７やピストン２２が第１閉鎖プレート１９に接触したとしても、一次室２１ａに充填された操作流体のエアクッション効果によって、その衝撃を最小限にすることが可能である。よって、第５実施形態の真空弁１Ｄによれば、ピストン２２や出力軸２６や固定ナット２７がピストン室２１の内壁を構成する第１閉鎖プレート１９に係止される場合の衝撃を最小限に抑え、ベローズ３１に生じる振動を小さくすることにより、ベローズ３１の寿命を延ばし、耐久性を向上させることができる。
【００８４】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
（１）例えば、上記実施形態では、第２ポート８から第１ポート７へ流体を流したが、第１ポート７から第２ポート８へ流体を流してもよい。
（２）例えば、上記実施形態では、オリフィス２４の有効断面積によって適正な動作速度を確保すると共に、緩衝部材１４やゴムエアクッション５１によって適正な衝撃加速度を確保するようにしたが、有効断面積又は緩衝部材１４，５１の何れか一方によって動作速度のみ又は衝撃加速度のみを適正値にしてベローズ３１の寿命を延ばすようにしてもよい。
（３）例えば、上記第１実施形態の真空弁１において、緩衝部材１４に変えて、ゴムエアクッション５１（図１１、図１２参照）や板ばね、コイルスプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものを使用しても良い。
（４）例えば、上記第２実施形態の真空弁１Ａにおいて、緩衝部材１４に変えて板ばね、コイルスプリングなど、自身の弾性力で衝撃を緩和できるものを使用してもよい。
（５）例えば、上記第１〜第４実施形態では、緩衝部材１４やエアクッション５１を弁体１０又は固定ナット２７Ａ，２７Ｂに取り付けたが、パイプ部材２８の下端部分や第１閉鎖プレート１９に緩衝部材１４やゴムエアクッション５１を取り付け、弁体１０とパイプ部材２８との間に生じる衝撃や、出力軸２６又は固定ナット２７Ａ，２７Ｂ、ピストン２２と第１閉鎖プレート１９との間に生じる衝撃を緩和するようにしてもよい。
（６）例えば、上記第５実施形態の真空弁１Ｄの固定プレート１１や固定ナット２７に緩衝部材１４やゴムエアクッション５１を設けてもよい。
（７）例えば、上記実施形態では、オリフィス２４の断面形状を円形にしたが、所定の有効断面積であれば、その断面形状は楕円、花形、三角形、四角形など形状を限定されない。
（８）例えば、上記第１実施形態では、「弁本体」の一部を構成するパイプ部材２８に弁体１０を係止させて全開位置を決めた。これに対して、従来技術のように弁体１０に出力軸２６を挿入するパイプ部を設け、そのパイプ部を「弁本体」の一部を構成する第２閉鎖プレート２０に係止させて全開位置を決めてもよい。この場合、パイプ部の上端面に緩衝部材１４を取り付けてもよいし、第２閉鎖プレート２０のパイプ部に対応する部分に緩衝部材１４を取り付けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図３】図１に示す緩衝部材の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】オリフィス径と動作速度との関係を示す図であって、縦軸に動作速度（ｍｍ／ｓ）を示し、横軸にオリフィス径（ｍｍ）を示す。
【図６】ベローズと速度と寿命の関係を示す図であって、縦軸に動作速度（ｍｍ／ｓ）を示し、横軸に寿命達成率（％）を示す。
【図７】クッションの有無と衝撃加速度との関係を示す図であって、縦軸に衝撃加速度（Ｇ）、横軸にクッションの有無を示す。
【図８】ベローズの衝撃加速度と寿命との関係を示す図であって、縦軸に衝撃加速度（Ｇ）を示し、横軸に寿命達成率（％）を示す。
【図９】本発明の第２実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る真空弁の断面図であって、全開状態を示す。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る真空弁の断面図であって、弁閉状態を示す。
【図１５】従来の真空弁の断面図である。
【図１６】寿命試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 真空弁
２ 弁部
３ アクチュエータ部
４ 弁本体
７ 第１ポート
８ 第２ポート
９ 弁座
１０ 弁体
１４ 緩衝部材（緩衝機構）
２１ ピストン室
２２ ピストン
２４ オリフィス
２６ 出力軸
２９ ベローズ
４２ 排気側オリフィス
５１ ゴムエアクッション（緩衝機構）
６１ スピードコントローラ（緩衝機構）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座に弁体を当接又は離間させる弁部と、
操作流体の圧力変動によってピストンに与える圧力を変動させ、前記弁部に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記弁体の直線往復運動に従って伸縮するベローズと、を有し、
前記操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、前記弁体及び前記ピストンの動作速度が調整され、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【請求項２】
第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、
前記弁座に当接又は離間するものであって、全開方向に移動した場合に前記弁本体に係止されて停止する弁体と、
前記弁体に連結する出力軸を介して前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、
前記弁体が前記弁本体に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝部材と、を有し、
前記弁体が前記弁本体に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝部材によって低減し、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【請求項３】
第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、
前記弁座に当接又は離間する弁体と、
ピストン室に摺動自在に装填されたピストンに出力軸を一体的に設け、前記出力軸に前記弁体を連結し、前記ピストンに与える圧力を変動させることにより前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、
前記ピストン又は前記出力軸が軸方向に移動して前記ピストン室の内壁に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝機構と、を有し、
前記ピストン又は前記出力軸が前記ピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝機構によって低減し、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【請求項１】
第１ポートと第２ポートとの間に設けられた弁座に弁体を当接又は離間させる弁部と、
操作流体の圧力変動によってピストンに与える圧力を変動させ、前記弁部に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記弁体の直線往復運動に従って伸縮するベローズと、を有し、
前記操作流体が供給されるオリフィスの有効断面積によって、前記弁体及び前記ピストンの動作速度が調整され、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【請求項２】
第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、
前記弁座に当接又は離間するものであって、全開方向に移動した場合に前記弁本体に係止されて停止する弁体と、
前記弁体に連結する出力軸を介して前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、
前記弁体が前記弁本体に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝部材と、を有し、
前記弁体が前記弁本体に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝部材によって低減し、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【請求項３】
第１ポートと第２ポートとの間に弁座が設けられた弁本体と、
前記弁座に当接又は離間する弁体と、
ピストン室に摺動自在に装填されたピストンに出力軸を一体的に設け、前記出力軸に前記弁体を連結し、前記ピストンに与える圧力を変動させることにより前記弁体に駆動力を与えるアクチュエータ部と、
前記出力軸を覆うように前記弁本体内に伸縮自在に配置されたベローズと、
前記ピストン又は前記出力軸が軸方向に移動して前記ピストン室の内壁に係止される場合の衝撃を緩和する緩衝機構と、を有し、
前記ピストン又は前記出力軸が前記ピストン室の内壁に係止されるときの衝撃加速度を前記緩衝機構によって低減し、前記ベローズの損傷を防止したものであること、を特徴とする真空弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−１２１８５９（Ｐ２００８−１２１８５９Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０９２７７（Ｐ２００６−３０９２７７）
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００１０６７６０）シーケーディ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（０００１０６７６０）シーケーディ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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