CN107448614A - 流体控制阀和流体控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供不容易产生污染的流体控制阀(3)和流体控制装置，流体控制装置使用所述流体控制阀(3)，为此，阀座构件(4)和阀体构件(6)中的至少任意一方包括金属制的基体(61)以及树脂层(62)，所述树脂层(62)覆盖所述基体(61)的表面并形成阀座面(4a)或接触阀座的面(6a)，所述树脂层(62)与所述基体(61)直接化学结合。

Description

流体控制阀和流体控制装置

技术领域

本发明涉及例如对在半导体工序等中使用的气体的气流进行控制的流体控制阀和具有该流体控制阀的流量控制装置或压力控制装置等流体控制装置。

背景技术

在这种流量控制装置的流体控制阀中，以往，如专利文献1所示，进行了如下研究：通过利用作为弹性体的树脂层对金属基体的表面进行覆盖来形成接触面，由此提高密封性，使得不容易受到颗粒的影响。此外，以往，所述树脂层通过底胶等粘合层粘贴在金属基体上。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2014-052036号

但是，例如当在半导体工序等中使用所述的流量控制装置的情况下，如果所述树脂层产生蠕变损伤等，则存在基底的粘合层露出并成为污染而流出从而对半导体制造造成坏影响的可能性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供不容易产生污染的流体控制阀和使用该流体控制阀的流体控制装置。

即，本发明提供一种流体控制阀，其包括：阀座构件，在表面形成有阀座面；以及阀体构件，在表面形成有接触阀座的面，所述接触阀座的面与所述阀座面接触，通过所述阀座面和所述接触阀座的面的接触或分离来控制流体的流动，所述阀座构件和所述阀体构件中的至少任意一方包括金属制的基体以及树脂层，所述树脂层覆盖所述基体的表面并形成所述阀座面或所述接触阀座的面的一部分或全部，所述树脂层与所述基体直接化学结合。

按照该结构，由于树脂层自身与金属基体化学结合而未通过底胶等粘合层进行结合，所以能够从根本上消除因粘合层的流出引起的污染的产生。

作为所述树脂层的材料，特别优选的是交联改性氟系树脂。

由于氟系树脂本来耐热性和耐腐蚀性就好，此外具有非粘着性和低摩擦等优点，所以适合应用于在高温下使用腐蚀性气体的半导体制造领域中使用本流体控制阀的情况。

但是，由于氟系树脂的粘合性差，需要底胶作为基底，该情况可能成为所述污染的原因。

与此相对，由于所述交联改性氟系树脂是通过在特定条件下对氟系树脂照射电离射线等进行交联而得到的，并且交联时自身可以与金属化学结合从而与金属基体直接粘合，所以不需要成为污染主要原因的底胶。另外，在此的交联是指树脂之间的交联，不是指金属与树脂的交联。

此外，由于与改性前相比，交联改性氟系树脂的耐磨损性得到提高，并且大幅度降低了蠕变程度，所以能够抑制阀座面或接触阀座的面的变形和损伤，并且由于除了得到延长寿命的效果以外，与改性前相比还提高了弹性，所以阀座面能够不会发粘地与接触阀座的面接触或分离，从而能够得到提高流体控制阀的响应性的效果。

具体地说，可以例举的是，所述交联改性氟系树脂是对从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的一种或混合从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的两种以上所得到的物质进行交联改性而得到的。

作为本发明的效果更显著的实施方式，可以例举的是，所述阀座构件或阀体构件被驱动机构驱动从而使所述阀座面和所述接触阀座的面接触或分离，所述驱动机构利用压电元件的伸缩。

由于这种压电驱动式流体控制阀基本上开关行程小，因阀座面或接触阀座的面的稍许损伤和变形会导致密封性大幅度恶化或者流量控制特性大幅度变化，所以能够抑制接触面的损伤和变形的效果更加显著。

此外，如果树脂层使用交联改性氟系树脂，则如上所述地可以预想会得到提高阀座面或接触阀座的面的弹性以及提高阀的响应性的效果，由于压电驱动式流体控制阀的特征本来就在于高响应性，所以能够进一步有效地利用该特征。

为了能够以小的行程来控制大流量，已为公众所知的有一种流体控制阀，其在所述基体的表面上形成有流体流通的槽或孔，在该流体控制阀中，优选的是，所述树脂层以避开所述槽或所述孔的方式形成。

按照如上所述地构成的本发明，能够抑制阀座面或接触阀座的面的变形和损伤，能够得到能够持续长期发挥稳定的性能的效果，并且不会发生因底胶等引起的污染问题。此外，还能够得到提高响应性的效果。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的流量控制装置的整体纵剖视图。

图2是同一实施方式的流体控制阀的纵剖视图。

图3是同一实施方式的阀体构件的俯视图。

图4是同一实施方式的阀体构件的纵剖视图。

图5是同一实施方式的树脂层和基体的连接部分的示意图。

图6是本发明另一实施方式的阀体构件的俯视图。

图7是本发明另一实施方式的阀体构件的纵剖视图。

图8是本发明又一实施方式的阀体构件的俯视图。

图9是本发明又一实施方式的阀体构件的纵剖视图。

图10是本发明又一实施方式的流量控制装置的整体纵剖视图。

图11是同一实施方式的阀座构件的俯视图。

图12是图11的A-A剖视图。

图13是本发明的另外的实施方式的阀体构件的纵剖视图和仰视图。

附图标记说明

100···流量控制装置

3···流体控制阀

4···阀座构件

6···阀体构件

6a···接触阀座的面

62···树脂层

7···驱动部件(驱动机构)

6p···孔

6q···槽

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

在本实施方式中，对作为流体控制装置一种的流量控制装置100进行说明。

所述流量控制装置100用于半导体制造装置。如图1所示，所述流量控制装置100包括：主体5，形成有例如在半导体工序中使用的气体等流体流动的流道51；流量检测机构2，检测在所述主体5的流道51内流动的流体的流量；流体控制阀3，控制在所述流道51内流动的流体的流量；以及控制部(未图示)，控制流体控制阀3的阀开度，以使所述流量检测机构2输出的测量流量接近预先决定的设定流量。以下对各部分进行详细说明。

所述主体5呈所述流道51贯通的块状，所述流道51的上游端作为上游侧口5A与外部流入配管(未图示)连接，并且下游端作为下游侧口5B与外部流出配管(未图示)连接。

流量检测机构2可以考虑热式、差压式、科里奥利式或超声波式等各种方式，在此采用所谓的热式流量检测机构。所述热式流量检测机构2包括：细管21，以引导在所述流道51内流动的流体中的规定比例的流体的方式与所述流道51并列连接；以及设置在所述细管21上的加热器24和设置在其前后的一对温度传感器22、23。此外，由于如果流体在所述细管21内流动，则在两个温度传感器22、23之间产生与流体的质量流量对应的温度差，所以基于该温度差来测量流量。

在所述实施方式中设置有长条状的箱体25，该箱体25收容所述细管21、加热器24、温度传感器22、23及其周边的电路，另一方面，通过使一对分支流道2a、2b从主体5的流道51分路并将所述箱体25安装在所述主体5上，所述细管21的导入口与上游的分支流道2a连接，所述细管21的导出口与下游的分支流道2b连接。另外，流量传感器不限于该方式。

流体控制阀3是设置在所述流道51上的常闭型阀，其包括：阀座构件4和阀体构件6，收容在所述主体5内；以及作为驱动机构的驱动部件7，驱动所述阀体构件6，设定阀开度亦即阀座构件4和阀体构件6的分离距离。

如图2所示，阀座构件4是呈大体旋转体形状的金属制(在此将不锈钢用作材料，但是也可以使用其它耐蚀耐热镍基合金等高耐热耐蚀合金)构件，在其下表面具有向阀体构件6侧突出的阀座面4a，在其内部形成有内部流道41。另外，作为所述阀座构件4的材料，可以使用耐蚀耐热镍基合金等高耐热耐蚀合金。

所述内部流道41包括：第一内部流道411，一端在阀座面4a开口，另一端在阀座构件4的上表面开口；以及第二内部流道412，一端在阀座构件4的上表面开口，另一端在阀座构件4的侧周面开口。此外，后述的驱动部件7的驱动轴(抵接轴部722)插入第一内部流道411。

在此，第一内部流道411的一端开口开设在阀座面4a的中央部，由此，阀座面4a呈俯视为大体圆环状。此外，第一内部流道411和第二内部流道412通过由凹部和隔板构件721形成的空间连通，所述凹部形成在阀座构件4的上表面，所述隔板构件721封闭所述凹部。另外，内部流道41不限于由第一内部流道411和第二内部流道412构成，也可以在阀座构件4的内部连通。

所述阀座构件4收容在设置于主体5的圆柱状的收容凹部52。所述收容凹部52以分割主体5的流道51的方式配置，由所述收容凹部52分割的流道51中的上游的流道(以下也称为上游流道)51(A)例如在所述收容凹部52的底面中央部开口，比所述收容凹部52更靠下游的流道(以下也称为下游流道)52(B)例如在所述收容凹部52的底面周向边缘部或侧面开口。

此外，在将阀座构件4收容在收容凹部52内的状态下，在该阀座构件4的外侧周面和收容凹部52的内侧周面之间形成间隙，主体5的下游流道51(B)通过收容凹部52的侧周面与所述内部流道41连通。

阀体构件6在主体5的收容凹部52内与所述阀座构件4相对配置，并且不与收容凹部52的内侧周面接触而与该内侧周面隔开规定的间隔配置，阀体构件6呈在其上表面具有接触阀座的面6a的大体旋转体形状。

所述阀体构件6由驱动部件7驱动，从关闭状态向打开状态移动，在所述关闭状态下所述阀体构件6与阀座构件4接触而切断上游流道51(A)和下游流道51(B)，在所述打开状态下所述阀体构件6从阀座构件4分离而使上游流道51(A)和下游流道51(B)连通。如上所述，从关闭状态朝向打开状态的方向亦即驱动部件7对阀体构件6施加的驱动力的作用方向是开阀方向。另一方面，从打开状态朝向关闭状态的方向亦即与驱动部件7对阀体构件6施加的驱动力的作用方向相反方向是关阀方向。

驱动部件7例如包括：压电堆71，是通过层叠多个压电元件而形成的；以及动作体72，利用所述压电堆71的伸长而位移。

所述压电堆71收容在所述外壳部件74内，其前端部通过中间连接构件73与动作体72连接。本实施方式的动作体72具有隔板构件721和抵接轴部722，该抵接轴部722设置在所述隔板构件721的中心，贯通所述阀座构件4的中心(第一内部流道411)并与阀体构件6的上表面抵接。此外，如果施加规定的完全打开电压，则压电堆71伸长，动作体72对阀体构件6施加朝向开阀方向的作用力，阀座面4a从接触阀座的面6a分离而成为打开状态。此外，如果是低于完全打开电压的电压，则使阀座面4a和接触阀座的面6a仅分开与所述电压值对应的距离。此外，通过所述间隙来连通上游流道51(A)和下游流道51(B)。

此外，对阀体构件6施加朝向关阀方向的作用力的阀体复位弹簧8设置成与阀体构件6接触。在未向驱动部件7施加电压的常态下，通过所述阀体复位弹簧8而使阀体构件6成为关闭状态。

所述阀体复位弹簧8是板簧，由收容在主体5的收容凹部52内的弹簧引导构件10支承，如图2所示，设置成与阀体构件6的朝向下方的面接触。另外，阀体复位弹簧8只要能够对阀体构件6施加作用力，也可以使用板簧以外的弹性体。弹性体可以直接或间接地对阀体构件6施加作用力。

弹簧引导构件10呈断面为凹形的大体旋转体形状，用于将弹簧8支承在收容凹部52内，在弹簧引导构件10的底壁上形成有开口部10x，该开口部10x与在收容凹部52的底面上开口的上游流道51(A)连通，并且弹簧引导构件10的侧周壁的上端部与阀座构件4的周向边缘部接触。此外，在弹簧引导构件10的内侧周面上设置有所述阀体复位弹簧8。这样，在本实施方式中，在由阀座构件4和弹簧引导构件10形成的空间内收容有阀体构件6。此外，阀体构件6与弹簧引导构件10的内侧周面隔开规定的间隔配置，阀体构件6的外侧周面从与该外侧周面相对的弹簧引导构件10的内侧周面分离。

如图3、图4所示，本实施方式的阀体构件6包括金属制(在此将不锈钢用作材料，但是也可以使用其它耐蚀耐热镍基合金等高耐热耐蚀合金)的基体61和树脂层62，所述树脂层62覆盖所述基体61的一端面的一部分。

所述基体61例如由圆盘部611和小直径的圆柱部612构成，所述小直径的圆柱部612从所述圆盘部611以同轴方式一体地伸出。在所述圆盘部611的与圆柱部侧相反的一端面上形成有宽幅圆环有底槽状的凹部61a。

所述凹部61a形成为包围驱动力作用面6b，该驱动力作用面6b与所述驱动部件7的抵接轴部722接触并接受驱动力，所述凹部61a呈俯视为大体圆环形状，并且呈断面为大体朝向上方的コ形。所述凹部61a的深度例如是50～150μm。驱动力作用面6b形成在阀体构件6的上表面的中央部，形成为比与所述抵接轴部722的接触面积稍大。这样，所述驱动力作用面6b和凹部61a在上表面上形成为同心圆状。

树脂层62设置成嵌入所述凹部61a内，其表面成为所述接触阀座的面6a。此外，以使所述接触阀座的面6a与、所述凹部61a的周围面亦即所述驱动力作用面6b和外侧条形突起部63的表面6c在同一平面上的方式设定树脂层62的厚度。

此外，在该实施方式中，所述树脂层62使用交联改性氟系树脂(在此为改性PFA(全氟烷氧基树脂))，并且将所述树脂层62直接粘贴在基体61上。

交联改性氟系树脂是指在特定的条件下向氟系树脂照射电离射线等而发生了交联的树脂，与改性前相比，提高了耐磨损性，并且大幅度降低了蠕变的程度。

按照以所述方式构成的流体控制阀3，由于接触阀座的面6a由交联改性氟系树脂形成，所以能够抑制该接触阀座的面6a的变形和损伤，并且能够持续长期维持密封性和动作顺畅性。因此，能够持续长期且稳定地进行高精度的流量控制。

此外，如图5所示，交联改性氟系树脂在交联时与金属基体61共价结合而直接黏合。因此，由于不需要底胶等基底和粘合材料，所以不会发生因底胶等引起的污染问题。

共价结合与配位结合、离子结合和分子间力等相比较是更强的结合，因此能够以强的结合力稳定地黏合所述交联改性氟系树脂和金属基体61。

此外，由于与改性前相比，交联改性氟系树脂提高了弹性，所以接触阀座的面6a能够不会发粘地与阀座面4a接触或分离，从而能够得到提高了流体控制阀3的响应性的效果。

另外，本发明不限于所述实施方式。

树脂层不限于交联改性氟系树脂，也可以是各种各样的树脂，例如也可以是聚酰胺、聚碳酸酯、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)等聚酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。在是这些树脂的情况下，由于不需要粘合剂，所以例如使用特定的试剂等预先在金属基体的表面形成反应性官能团，并且对所述反应性官能团和树脂进行加热等来进行化学结合。

作为氟系树脂，可以使用从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的一种、或混合从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的两种以上所得到的物质。

在将所述树脂涂布于所述基体之前，可以通过对所述基体的表面进行喷砂加工进行表面粗糙化来增加表面积，从而能够更容易地形成所述树脂层和所述基体之间的化学结合。

所述化学结合并不限定于所述的共价结合，也包括配位结合、离子结合、或分子间力结合等。

如图6～图9所示，为了能够用小的行程控制大流量，优选的是，在所述基体61的表面形成有流体流通的孔6p或槽6q的流体控制阀3中，所述树脂层62以避开所述孔6p或槽6q的方式形成。这是因为：如果孔6p或槽6q的侧面和底面也被树脂层62覆盖，则所述的槽或孔的流道断面面积变小，不利于大流量化。

在所述实施方式中，仅在阀体构件侧的接触阀座的面上设置有树脂层，但是如图10～12所示，也可以仅在阀座面4a上设置树脂层42，还可以在双方上设置树脂层。不需要用树脂层覆盖一方的接触面的整个面，例如可以形成宽度比接触面的宽度小的的环状树脂层。

在所述实施方式中是常闭型的流体控制阀，但是例如也可以将本发明应用于图10所示的常开型的流体控制阀。

例如，作为图10所示的常开型的流体控制阀的另外的变形例，如图13所示，也可以在阀体构件6的接触阀座的面6a上形成所述树脂层62。

作为流体控制阀可以像所述实施方式那样任意设定开度，但是也可以将本发明应用于采用完全打开或完全关闭的两个值的开/闭式开关阀。此外，驱动部件不限于压电式的，也可以使用电磁线圈等。

此外，在所述实施方式中，叙述了流量控制装置，但是本发明例如也可以构成为压力控制装置。

阀体构件和阀座构件的形状也不限于所述实施方式。

在图6～图9中，在阀体构件上形成有流体流通的孔6p或槽6q，但是也可以如图10～图12所示，在阀座构件4的基体表面形成流体流通的孔4p、槽4q。

更进一步而言，流体流通的孔或槽可以形成在阀座构件和阀体构件的双方上。

另外，在图6～图12中，与所述实施方式对应的结构和构件采用了相同的附图标记。

此外，可以适当地组合所述实施方式和变形实施方式的一部分或全部，本发明不限于所述实施方式，当然可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变形和实施方式的组合。

Claims (7)

1.一种流体控制阀，其包括：阀座构件，在表面形成有阀座面；以及阀体构件，在表面形成有接触阀座的面，所述接触阀座的面与所述阀座面接触，通过所述阀座面和所述接触阀座的面的接触或分离来控制流体的流动，

所述流体控制阀的特征在于，

所述阀座构件和所述阀体构件中的至少任意一方包括金属制的基体以及树脂层，所述树脂层覆盖所述基体的表面并形成所述阀座面或所述接触阀座的面的一部分或全部，所述树脂层与所述基体直接化学结合。

2.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，所述树脂层由交联改性氟系树脂形成。

3.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，在所述基体的表面形成有流体流通的槽或孔，所述树脂层以避开所述槽或所述孔的方式形成。

4.根据权利要求1所述的流体控制阀，其特征在于，所述阀座构件或阀体构件被驱动机构驱动从而使所述阀座面和所述接触阀座的面接触或分离，所述驱动机构利用压电元件的伸缩。

5.根据权利要求2所述的流体控制阀，其特征在于，所述交联改性氟系树脂是对从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的一种或混合从四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟(烷基乙烯基醚)系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物和聚三氟氯乙烯系共聚物中选择的两种以上所得到的物质进行交联改性而得到的。

6.一种流体控制装置，其特征在于，所述流体控制装置包括权利要求1～5中任意一项所述的流体控制阀。

7.一种流体控制阀，其包括：阀座构件，在表面形成有阀座面；以及阀体构件，在表面形成有接触阀座的面，所述接触阀座的面与所述阀座面接触，通过所述阀座面和所述接触阀座的面的接触或分离来控制流体的流动，

所述流体控制阀的特征在于，

所述阀座构件和所述阀体构件中的至少任意一方包括金属制的基体以及树脂层，所述树脂层覆盖所述基体的表面并形成所述阀座面或所述接触阀座的面的一部分或全部，所述树脂层与所述基体直接共价结合。