CN1236418A - 压力式流量控制装置的节流孔及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力式流量控制装置中使用的节流孔,节流孔具备入口圆锥部1和与其相连接的节流平行部2,该节流平行部2为在压力式流量控制装置中使用的节流孔中,将穿设在主体构件D上的下孔6一方的开口端部切削而形成的喇叭吹口状;并且还具备圆锥扩径部3和与其相连接的平行扩径部4,该圆锥扩径部3与通过将上述下孔6另一方的开口端部扩径而形成的上述节流平行部2相连接。

Description

压力式流量控制装置的节流孔及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于流体的压力式流量控制装置中的音速喷嘴(节流孔)和其制造方法的改良，主要用于半导体制造设备中的气体供给系统。
背景技术
作为半导体制造设备中的气体供给系统的流量控制装置，过去一直广泛使用质量流控制，近年来，作为替代装置，开发出了压力式流量控制装置。
图20表示本发明的申请人先期公开的压力式流量控制装置的结构，在节流孔5的上游侧压力P1和下游侧压力P2之比P2/P1保持在气体的临界压力比以下的情况下，基本上是以Q=KP1(K为常数)计算节流孔下游侧的流体流量Q(日本特开平8-338546号)。
另外，在图20中，1为压力式流量控制装置，2为控制阀，3为阀驱动部，4为压力检测器，5为节流孔，7为控制装置，7a为温度补偿电路，7b为流量计算电路，7c为比较电路，7d为放大电路，21a、21b为放大电路，22a、22b为A/D转换电路，24为反相放大器，25为阀，Qy为控制信号，Qc为计算信号，Qs为流量设定信号。
上述图20的压力式流量控制装置通过控制控制阀2的开闭，调整节流孔下游侧上游侧压力P1，可高精度地控制节流孔下游侧的流量Q，具有优良的实用效果。
但是，这种压力式流量控制装置中遗留有诸多应解决的问题，其中重点是下述的与音速喷嘴(节流孔)有关的问题。
即，首先，第1个问题是节流孔的制造成本。作为节流孔，在有些情况下要求其口径φ为10μm～O.8mm左右，具有φ为10μm～0.8mm的微小口径的音速节流孔，通常是通过放电加工或蚀刻加工而形成。但在通过放电加工或蚀刻加工将节流孔加工成指定形状，例如由ISO9300所规定的形状的情况下，具有节流孔的制造费用显著增加的难点。
第2个问题是节流孔的流量特性的离散性。具有微小口径的音速节流孔加工既困难，其流量特性在指定的范围内又难以一致，并且各自的差有增大的倾向。其结果，流量的测量精度恶化，测量值的修正费时费力。
第3个问题是流量特性曲线上的线性范围问题。当节流孔上游侧压力P1和节流孔下游侧压力P2之比P2/P1为气体的临界压力比(在空气或氮的情况下为0.5)以下时，通过节流孔的气体为音速，节流孔下游侧的压力变动不会向节流孔上游侧传播。其结果，可获得与节流孔上游侧的状态相对应的稳定的质量流量。
但是，在现实的流量特性曲线中，所谓线性特性的压力比的范围，即可以Q=KP1计算流量的压力比范围为远低于临界压力比的值，具有这种流量的可控制范围窄的问题。
而且，线性特性也存在若干问题，由于难以获得高度的线性，所以具有难以实现进一步提高控制精度的问题。
发明的公开
本发明是为了解决以往的压力式流量控制装置用的节流孔中的控制精度难以进一步提高等问题而提出的，其目的是提供一种压力式流量控制的节流孔以及其制造方法，使节流孔的加工较简单，大幅度降低其制造成本，同时流量特性上的离散性较小，且在较宽的压力比范围内实现高精度的压力流量控制。本发明要解决的问题为：(A)节流孔的制造成本难以降低，(B)节流孔的加工困难，加工精度的离散性直接导致控制流量的差别，不能进行高精度和稳定的流量控制，(C)节流孔流量特性上为线性特性的压力比范围窄，不能在较宽的压力比范围内进行高精度的压力流量控制，(D)线性特性不是高度线性。
为了解决上述各问题，权利要求1的发明为一种压力式流量控制装置，在节流孔上游侧压力P1和下游侧压力P2之比P2/P1保持在气体的临界压力的情况下，以Q=KP1(K为常数)计算节流孔下游侧的流体流量Q，同时通过由计算的流量值Q和设定流量Qs的差信号控制节流孔上游侧的控制阀开闭，调整节流孔上游侧压力P1，将节流孔下游侧的流体流量控制为设定流量Qs，其中，具备入口圆锥部1和与其相连接的较短的节流平行部2，该圆锥部1为在压力式流量控制装置中使用的节流孔中，将穿设在主体构件D上的下孔6一方的开口端部切削而形成的喇叭吹口状；并且还具备圆锥扩径部3和与其相连接的平行扩径部4，该圆锥扩径部3与通过将上述下孔6另一方的开口端部扩径而形成的上述节流平行部2相连接。
而且，权利要求2的发明为在权利要求1的发明中，入口圆锥部1为用从剖面上看是内壁面呈曲线形状的所谓纳长石形成的。
另外，权利要求3的发明为在权利要求1的发明中，入口圆锥部1为用从剖面上看是内壁面呈直线形状的所谓纳直线型刀具形成的。
另一方面，权利要求4的发明为用下述方法制造在上述压力式流量控制装置中使用的节流孔中，即，从主体构件D的一侧面向另一侧面穿有下孔6，之后通过刀具1a将下孔6的单侧面的入口部内方切削而形成呈喇叭吹口状的入口圆锥部1和与其相连接的较短的节流平行部2，然后通过由扩径用钻孔锥4a从上述主体构件D的另一侧将下孔6的直径扩大，形成与上述节流平行部2相连接的较短的圆锥扩径部3以及与其相连接的平行扩径部4。
权利要求5的发明为在权利要求4的发明中，形成入口圆锥部1的刀具1a为纳长石或直线型刀具。
而且，权利要求6的发明为在权利要求4或权利要求5的发明中，在形成入口圆锥部1和与其相连接的节流平行部2之后，用外径Φ2与上述节流平行部2的内径Φ1相等的钻孔锥2a，从一侧面将下孔6的直径扩大，另外，在用扩径用钻孔锥4a从另一侧面将下孔6的直径扩大之前，用直径较扩径用钻孔锥4a直径粗的中心钻孔器7对下孔6的另一侧端部进行除毛刺的操作，另外，在上述圆锥扩径部3形成后，用具有外径与上述节流平行部2的内径Φ1相同的钻孔锥2a从另一侧面对节流平行部2的另一侧端部进行除毛刺的操作。
附图的简要说明
图1为本发明的压力式流量控制装置的节流孔的纵向剖视图；
图2为本发明的第2实施例的压力式流量控制装置的节流孔的局部纵向剖视图；
图3为形成节流孔A的主体构件的纵向剖视图；
图4为节流孔A的加工工序的中心攻丝工序的说明图；
图5为节流平行部的形成工序的说明图；
图6为用于入口圆锥部形成的纳长石C的说明图；
图7为入口圆锥部和节流平行部形成的说明图；
图8为通过中心攻丝的除毛刺工序的说明图；
图9为圆锥扩径部和平行扩径部形成的说明图；
图10表示根据本发明的节流孔A(Φ=0.11mm)的流量特性；
图11表示根据本发明的节流孔的流量-压力特性的一例；
图12表示ISO9300所规定的音速节喷嘴型节流孔的流量特性；
图13表示图12的节流孔的流量-压力特性；
图14表示由使结构简洁化的Φ=0.11mm的穿孔构成的节流孔的流量特性；
图15表示图14的节流孔的流量-压力特性；
图16表示平行扩径部为2段的节流孔的流量特性；
图17表示图16的节流孔的流量-压力特性；
图18为具备圆锥状入口圆锥部的节流孔A的流量特性曲线；
图19为具备圆锥状入口圆锥部的节流孔A的流量·线性误差曲线；
图20为在先申请的压力式流量控制装置的结构图。
符号的说明
A为节流孔，Φ1为节流平行部的内径，Φ2为平行扩径部的内径，D为主体构件，B为流体入口侧的外表面，C为流体出口侧的外表面，1为入口圆锥部，1a为纳长石，2为节流平行部，2a为Φ=0.11mm的钻孔锥，3为圆锥扩径部，4为平行扩径部，4a为Φ=0.2mm的扩径用钻孔锥，5为中心凹部，5a为中心攻丝用穿孔机，6为下孔，6a为Φ=0.1mm的钻孔锥，7为中心钻孔器，R为入口圆锥部的曲率半径，L1为圆锥状入口圆锥部的深度，L为节流平行部的长度，α0为圆锥状入口圆锥部的倾斜角，α为圆锥扩径部的倾斜角，L2为圆锥扩径部和平行扩径部的长度。
实施发明的最佳方式
以下，参照附图对本发明的实施例加以说明。图1为本发明的压力式流量控制装置的节流孔的纵向剖视图，在图1中，A为节流孔，1为入口圆锥部，2为节流平行部，3为圆锥扩径部，4为平行扩径部。
该节流孔A是通过对不锈钢(SUS316L)的薄板(厚度约为2～3mm)进行切削加工而形成，其入口一侧(流体的高压一侧)的外表面B为平面，而且出口一侧(流体的低压一侧)的外表面C为凹形曲面(部分为球面)，另外节流孔的内径φ1为0.11mm。
即，上述入口圆锥部1形成曲率半径R为0.22mm的喇叭出口状的弯曲面，并且形成与该入口圆锥部1相连接，长度为0.05mm的节流平行部2。
该节流平行部2的内径φ1选定为0.11mm，该节流平行部2限制节流孔A的内径。
上述圆锥扩径部3与节流平行部2连续地形成，在图1的节流孔A中，由后述的外径为0.2mm的穿孔用钻的前端刃的形状(前端角为120°)所决定的倾斜角α约为60°的斜面为圆锥扩径部3。
另外，上述平行扩径部4与圆锥扩径部3连续地形成，其内径φ2选定为0.22mm。
图2表示本发明的节流孔A的第2实施例，在第2实施例中，入口圆锥部1形成从剖面所视为内壁面为直线形状(即圆锥面状的圆锥部1)，其倾斜角α0选定为120°。
而且，节流孔内径φ1为0.14mm，入口圆锥部1的深度L1=0.25mm，节流平行部2的长度L=0.05mm，平行扩径部4的内径φ2=0.16mm，倾斜角α=60°，圆锥扩径部3和平行扩径部4的长度L2=0.65mm。
另外，上述图1和图2的各实施例中，节流孔内径φ1为0.11mm和0.14mm，但作为本发明的节流孔，内径φ1最好是在0.099mm～0.9mm左右。
以下，以上述图1的节流孔A的制造为例，对本发明的压力式流量控制装置的节流孔的具体制造方法加以说明。
参照图3至图9，首先对厚度为3mm的不锈钢板(SUS316L)进行切削加工，形成图3所示形状的主体构件D。
另外，主体构件D的入口一侧的外表面B形成平面状，而出口一侧的外表面C形成球面状(凹形曲面状)。
当上述主体构件D的形成结束后，对入口一侧的外表面B的中心部进行图4所示形状的中心攻丝。
即，用φ=0.1mm的超硬钻孔锥6a从图5所示的上述中心凹部5向内方进行图5所示的穿孔加工，形成下孔6。然后，用具有图6所示形状的曲率半径R=0.2mm的纳长石1a对上述同样5的下孔6的让入口一侧进行圆锥加工，形成从图7所示的剖面所看到的，内壁面为曲线形状的入口圆锥部1。
另外，关于图2的节流孔A的制造，用前端角α0为60°的直线型刀具(图中未示出)取代上述纳长石1a，形成从图2的剖面所视，内壁面为直线的入口圆锥部1(即圆锥状的圆锥部)。
另外，形成上述入口圆锥部1后，如图7所示，纳长石1a与φ=0.11mm的钻孔锥2a相交换，从流体入口一侧(入口一侧的外表面B)向流体出口一侧(出口一侧的外表面C)进行直径为0.11mm的穿孔操作。因此，由上述直径为0.1mm的钻孔锥6a开出直径为0.11mm的穿孔。
之后，转换主体构件D的装夹方向，并且将锥换为图8所示的中心钻孔器(外径为0.3mm×前端角为120°)7，从刚才穿孔的直径为0.11mm的孔的流体出口一侧端部向内方，将刀具尖伸进0.05mm，将出口侧的端部上残留的毛刺除去。
上述由中心钻孔器7进行的除毛刺结束后，用外径为0.2mm，前端角为120°的扩径用钻孔锥4a形成图9所示的φ=0.2mm的平行扩径部4。
最后，用上述φ=0.11mm的钻孔锥2a取代上述钻孔锥4a，将节流平行部2和圆锥扩径部3的交界处残留的毛刺除去。
本发明的节流孔A由上述的纳长石1a，直径为0.1mm的钻孔锥2a，直径为0.11mm的钻孔锥2a，直径为0.2mm的钻孔锥4a和中心钻孔器7进行切削，穿孔和除毛刺加工而形成，而不需特别的研磨工序或发电工序等穿孔加工。
即，可通过极简单的工序廉价地制造本发明的节流孔A。
图10表示根据本发明形成的图1的4个节流孔(平行扩径部的内径φ2=0.2mm)A的各自的流量特性。
从图10可知，在P2/P1=0.583(P1=3.0kgf/cm2abs，P2=1.75kgf/cm2abs)的范围内，确保流量和1次侧压力P1之间的线性。
即，不论是仅通过纳长石1a和钻孔锥2a,4a,6a和中心钻孔器7进行除毛刺的加工而形成的节流孔A，还是任意的节流孔A，其线性特性保持到P2/P1=0.583这一点，具有较高的实用效果。
图11表示根据本发明的上述4个中的3个节流孔A的压力-流量特性，可知各自(3个节流孔)之间有若干流量差的每一个节流孔都在压力-流量之间成比例关系，具有优良的线性特性(即，Q=KP1)。
另外，在图11的压力-流量测量时，求出流量为设定最大流量(1次压为3kgf/cm2·abs上的流量)的50％的流量时的流量测量值和流量设定值的差，以流量误差％计算该流量差和设定最大流量之比。在本发明的节流孔的情况下，可知上述流量误差为-1.56％～-1.58％之间，在精度上有充分的实用性。
另一方面，图12表示以往的由ISO9300所规定的音速喷嘴型节流孔的流量特性，2个之中的1个在P2/P1=0.633(P1=3.0kgf/cm2abs,P2=1.9kgf/cm2abs)的范围内确保其线性，另一个只能在P2/P1=0.51左右确保其线性，可知在各节流孔之间存在较大的差。
即可知，不论该音速喷嘴型的节流孔是否为经过研磨工序等加工成复杂的形状，制造成本高昂的节流孔，各节流孔各自的流量特性上有较大的离散性，既有线性特性良好的又有线性特性不良的，在实用上有致命的缺陷。
而且，图13表示上述图12的音速喷嘴型节流孔的压力流量特性，设定最大流量的50％的流量中的误差为-1.4～-2.3％。
图14为使加工工作显著地简洁化，用φ=0.11mm得钻孔锥从入口一侧对主体构件D进行穿孔的同时，由中心钻孔器7对出口一侧的端面进行除毛刺操作。
在图13的节流孔的情况下，加工简单且具有良好经济性的节流孔，流量特性中的线性特性可确保的领域为P2/P1=0.417(P1=3kgf/cm2abs,P2=1.25kgf/cm2abs)，存在只能在极窄的压力比范围内确保其线性。而且，图15表示上述图14的节流孔的压力流量特性，最大流量的50％的流量中的流量误差为-3～-3.45％。
图16为对本发明的节流孔A的平行扩径部4在2段上进行扩径的节流孔，平行扩径部4上形成φ=0.2mm的第1平行扩径部4a和φ=0.3mm的第2平行扩径部4b。
在图16的节流孔中，不论加工工序是否增加了2道工序量(φ为0.2mm的孔端部的除毛刺工序和φ为0.3mm的穿孔工序)，线性的保持范围到P2/P1=0.567(P1=3kgf/cm2abs，P2=1.7kgf/cm2abs)为止，与本发明的节流孔A的情况相比，有线性的确保范围窄的难点。
而且图17表示上述图16的节流孔的压力流量特性，最大流量的50％的流量中的流量误差为-1.42～-1.6％。
图18表示图2所示的本发明的第2实施例的节流孔A的流量特性，而且，图19表示图2所示的节流孔的节流孔流量的线性误差曲线。
另外，线性误差(IF·S％)为根据在设定压力为0～3.5(kgf/cm2·abs)的范围测量的流量测量曲线，通过最小2乘法求出相对于最大正差和最大负差为最小且相等的上述流量测量曲线的近似直线，以相对于最大流量值的百分比表示该近似直线与实测值的差，在该节流孔A的情况下，相对于正方向的流体流动(图2的箭头亻的方向)产生最大为+1.10％的线性误差，而相对于反方向的流体流动(图2的箭头口的方向)产生最大为-0.243％的线性误差，可知相对于反方向的流体流动的线性误差显著减小。
发明的效果
在图10所示的本发明的节流孔A和图12，图13和图16的各节流孔相比的情况下，本发明的节流孔A的节流孔加工工序极少，而且其加工也是以穿孔为中心进行切削，不需特别的表面研磨加工等。
其结果，本发明的节流孔A与其它形式的节流孔相比，可以极低的价格制造。
另外，这与图2所示的本发明的第2实施例的节流孔A的情况相同，以往的其它形式的节流孔相比，可以极低的价格制造。
而且，本发明的节流孔A的流量特性可在P2/P1=0.583左右的范围范围内保持流量和1次侧压力P1之间的线性，但各节流孔之间的流量特性曲线基本相同。即，即使制造数个节流孔，大致全部的节流孔在P2/P1=0.583的范围内保持其线性。
其结果，各节流孔A的流量特性的补偿只进行Q=KP1中的常数K的补偿即足够，节流孔A的流量特性的调整极为简单。另外，本发明的节流孔A的流量压力特性具有优良的线性，且最大流量的50％的流量中的流量误差也为较低的-1.56～-1.58％，具有充分的实用性。
另外，入口圆锥部为圆锥状的圆锥部的本发明的第1实施例的节流孔A为具备流量的线性误差少且高度的线性特性的节流孔，其结果可进行高精度的流量控制。
本发明如上所述，可简单且廉价地制造压力式流量控制装置用的节流孔，而且在较宽的压力比P2/P1的范围内保持1次压力P1和流量之间的线性的同时，具有可简单地进行各节流孔之间的流量特性调整(流量补偿)的良好实用效果。

Claims (6)

1．一种压力式流量控制装置的节流孔，在节流孔上游侧压力P1和下游侧压力P2之比P2/P1保持在气体的临界压力比以下的状态下，以Q=KP1(K为常数)计算节流孔下游侧的流体流量Q，同时通过由计算出的流量Q和设定流量Qs的差信号控制节流孔上游侧的控制阀开闭，调整节流孔上游侧压力P1，将节流孔下游侧的流体流量控制为上述设定流量Qs，具备入口圆锥部(1)和与其相连接的较短的节流平行部(2)，该圆锥部(1)为在压力式流量控制装置中使用的节流孔中，将穿设在主体构件(D)上的下孔(6)一方的开口端部切削而形成的喇叭吹口状；并且还具备圆锥扩径部(3)和与其相连接的平行扩径部(4)，该圆锥扩径部(3)与通过将上述下孔(6)另一方的开口端部扩径而形成的上述节流平行部(2)相连接。
2．根据权利要求1所述的压力式流量控制装置的节流孔，入口圆锥部(1)为从剖面上看是内壁面呈曲线形状的入口圆锥部。
3．根据权利要求1所述的压力式流量控制装置的节流孔，入口圆锥部(1)为从剖面上看是内壁面呈直线形状的入口圆锥部。
4．一种压力式流量控制装置的节流孔的制造方法，从主体构件(D)的一侧面向另一侧面穿有下孔(6)，之后通过刀具(1a)将下孔(6)的单侧面的入口部内方切削而形成呈喇叭吹口状的入口圆锥部(1)和与其相连接的较短的节流平行部(2)，然后通过由扩径用钻孔锥(4a)从上述主体构件(D)的另一侧将下孔(6)的直径扩大，形成与上述节流平行部(2)相连接的较短的圆锥扩径部(3)以及与其相连接的平行扩径部(4)。
5．根据权利要求4所述的压力式流量控制装置的节流孔的制造方法，形成入口圆锥部(1)的刀具(1a)为纳长石或直线型刀具。
6．根据权利要求4或5所述的压力式流量控制装置的节流孔的制造方法，在形成入口圆锥部(1)和与其相连接的节流平行部(2)之后，用外径与上述节流平行部(2)的内径(Φ1)相等的钻孔锥(2a)从一侧面将下孔(6)的直径扩大，另外，在用扩径用钻孔锥(4a)从另一侧面将下孔(6)的直径扩大之前，用直径较扩径用钻孔锥(4a)直径粗的中心钻孔器(7)对下孔(6)的另一侧端部进行除毛刺的操作，另外，在上述圆锥扩径部(3)形成后，用具有外径与上述节流平行部(2)的内径(Φ1)相同的钻孔锥(2a)从另一侧面对节流平行部(2)的另一侧端部进行除毛刺的操作。
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