JP2003156167A - ガス流量制御機器用バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型でかつ低コストのガス流量制御装置用
バルブを提供する。 【解決手段】 ガス流入口とガス流出口に連通する弁口
を開閉する弁部材を有するバルブ本体と、弁部材をスラ
スト方向に変形させるスラスト部材と、スラスト部材を
変位させる加圧部材と、開口を閉じる方向に付勢されか
つ加圧部材を押圧する弁棒と、弁棒を駆動する積層型圧
電素子体を含み、加圧部材は弁棒から受ける押圧力の向
きを逆方向に変換して出力する機能を有する。加圧部材
は、例えばスラスト部材を中心として放射状に配置され
ている複数のてこ片で構成される。さらに小型化をはか
るために、弁棒は皿ばねで付勢されていることが好まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造
装置等で使用され、比較的少量のガス流量を精密に制御
するためのガス流量制御機器用バルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置では、バルブの流入側管
路に電熱線を巻回した導管をバイパスさせてガス流量の
一部を取出し、導管にセンサーを設けて（例えば電熱線
を巻回して）そこを通過するガス量を検出し、そのガス
量に応じて制御回路からガス流量制御機器用バルブに制
御信号を出力してバルブの開度を調整することにより、
ガス流量を制御している。ガス流量制御機器用バルブで
は、ガス流量を精密に制御する必要がありまた高い応答
性も要求されるため、駆動手段として積層型圧電素子体
が多用されている。この種ガス流量制御機器用バルブ
は、圧電積層体に駆動電圧を印加しない場合はバルブが
全開しているノーマルオープンタイプと圧電積層体に駆
動電圧を印加しない場合はバルブが完全に閉じているノ
ーマルクローズタイプとに大別される。安全上の観点か
ら、停電時にガスや液体の漏れを無くすためにバルブを
常時閉状態とするノーマルクローズタイプが有利であ
る。

【０００３】図５に現在実用に供されているノーマルク
ローズタイプのガス流量制御機器用バルブの一例を示
す。バルブ本体３０は、ガス流入通路３１とガス流出通
路３２と両者に連通する開口３３を有する。開口３３に
は弁座３５が設置され、弁口３６を開閉するために、ダ
イアフラム３４が弁座３５に接離可能に配置されてい
る。ダイアフラム３４の外縁部はダイアフラム押え３７
とバルブ本体３０との間に挟着されている。バルブ本体
３０の上部には、ダイアフラム押え３７上に立設された
円筒状のハウジング３８と、円板状の圧電素子を厚さ方
向に積層して形成された圧電積層体３９と、圧電積層体
３９の伸縮により駆動される円筒状に形成された弁棒４
０が配設されている。圧電積層体３９は弁棒４０の上部
に螺着されたキャップ４７に支持され、弁棒４０はガイ
ド４８に沿って昇降するように配置されている。弁棒４
０とダイアフラム３４に固着されたスラストボタン４２
との間に球体４３が介装されている。弁棒４０の底部に
はコイルバネ４４が装入され、コイルバネ４４は規制部
材４１に装着されたばね座４５に保持され、弁棒４０を
下方に付勢している。規制部材４１はボルト４６により
ダイアフラム押え３６に装着された受台４９に固着され
る。圧電積層体３９に通電しない場合は、弁棒４０は押
し下げられてダイアフラム３４が図示のように弾性変形
し、バルブが閉じた状態に維持されるようにコイルバネ
４４のばね荷重が選定される。上記の構造によれば、圧
電積層体３９に直流電圧が印加されると、圧電積層体３
９はその積層方向に例えば３０μｍ程度伸びるが、圧電
積層体３９の下向きの変位は規制部材４１により阻止さ
れるので、圧電積層体３９は上方に伸びる。これにより
弁棒４０が上昇するので、スラストボタン４０はコイル
バネ４４の圧縮力から開放され、ダイアフラム３４の復
元力によりダイアフラム３４と弁座３５との間に隙間が
できて、弁口３６が開放される。従って上記のガス流量
制御装置用バルブは簡単な構成で、しかも圧電積層体３
９への印加電圧を調整することにより、ガスの流量を高
精度で制御することができる。

【０００４】ノーマルクローズタイプのガス流量制御機
器用バルブは、安全性が大である反面弁回りの部品点数
が多くまた構造も複雑なので製作コストがかさむという
難点があり、小型化と低コスト化が要求されている。小
型化を図るために、これまで種々の改良が加えられてき
たが、その一つとして、例えば特開昭６２−１３８８４
号に示す構造が提案されている。その構造を図６及び図
７により説明する。図７に示す流体制御装置は、バルブ
基体１０１とそこに固定された弁座ブロック１２３に螺
着された筒状のカバー１２９とその内部上方に配置され
た弁体駆動部１３１を有する。バルブ基体１０１の内部
には、弁座１４１及び流体の流通路１０７、１０８が設
けられている。弁座１４１の弁口１０５の開度調整を行
う弁体１４０は、ばね１３９により通常弁座１４１に当
接するように設置され、かつ、弁座１４１との間に若干
の隙間を形成するようにベローズ１２４によって保持さ
れている。弁体１４０と弁体駆動部１３１との間に、ス
テンレス、ばね鋼、プラスチック等の弾性体からなる動
力伝達部材１３３が介装されている。動力伝達部材１３
３は、図７に示すように円筒状の胴部１３４とその上部
を内方に折り曲げて形成された舌片部１３５と折り曲げ
部１３６と遊端部１３８と折り曲げ部１３６上面に形成
された突部１３７を有する。動力伝達部材１３３は、円
筒状の胴部１３４の下端を、弁ブロック１２３の受座１
２３ａに当接するように載置される。上記の流体制御装
置によれば、突部１３７に弁体駆動部１３１の出力部１
３２からの押下力が印加されると、舌片部１３５は折り
曲げ部１３６を支点とするてことして作用し、舌片部１
３５の遊端部１３８はてこ比分だけ増幅されて下方に変
位する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−１３８８
４号に示す構造によれば、圧電積層体の駆動力は駆動力
伝達部材を介して増幅されて弁体に伝達されるので、あ
る程度の小型化は可能である。しかしながら上記のバル
ブ構造では、流路に弁体２１を含む可動部が配置されて
おり、ともに耐食性金属材料で形成されている可動部と
弁座等の固定部とが接触と離脱を繰り返すことにより、
摩耗粉が流体中に混入し、流体の清浄度を低下させると
いった不具合が生じる。また上記の駆動力伝達部材は、
支点（折り曲げ部１３６）と力点（突部１３７）との距
離は作用点（遊端部１３８）と支点（折り曲げ部１３
６）との距離よりも短いので、遊端部１３８を変位させ
るためには力点（突部１３７）に大きな荷重を印加する
必要がある。そのため圧電積層体を大きくする必要があ
り、大幅な小型化は無理である。また円筒状胴部から細
長い舌片部が延出しておりしかも舌片部には大きな荷重
が印加されるので、長期の使用では舌片部が胴部から破
断するおそれがあり、信頼性の点で問題がある。さら
に、上記の駆動力伝達部材は複雑な形状であり、その製
作工数が大となり、コスト上昇を招来する。従って本発
明の目的は、流体の清浄度の低下を伴わずに小型化と低
コスト化が可能なガス流量制御機器用バルブを提供する
ことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、圧電積層体を用いて弁体を駆動するノ
ーマルクローズタイプのガス流量制御機器用バルブの開
閉機構について鋭意検討し、本発明に到達したものであ
る。即ち、本発明のガス流量制御機器用バルブは、ガス
流入口とガス流出口に連通する弁口を開閉する弁部材を
有するバルブ本体と、弁部材を駆動するスラスト部材
と、スラスト部材に当接する加圧部材と、弁口を閉じる
方向にスラスト部材を付勢する手段を内蔵しかつ加圧部
材を押圧する弁棒と、弁棒を駆動する積層型圧電素子体
とを備え、加圧部材は弁棒から受ける押圧力の向きを逆
方向に変換しかつ増力して出力する機能を有することを
特徴とするものである。本発明において、加圧部材は、
スラスト部材を中心として放射状に配置されている複数
のてこ片で構成することができる。本発明において、弁
棒は皿ばねで付勢されていることが好ましい。本発明に
おいて、弁部材として、例えばダイアフラムあるいはプ
ラグ状部材を用い得るが、小型化の点からダイアフラム
を用いることが好ましい。本発明によれば、積層型圧電
素子体が伸びるとその変位は加圧部材により逆向きに転
換されて弁体の付勢手段に伝達されるので、圧電積層体
を小さくしても確実に弁体の開閉動作を行うことがで
き、ガス流量制御機器用バルブの小型化と低コスト化を
実現できる。また加圧部材をてこ片で形成することによ
り、バルブの開閉機構が簡素化され、大幅な低コスト化
を図ることができる。さらに弁棒を皿ばねで付勢するこ
とにより、大幅な小型化を図ることができる。特にそろ
ばん玉状に組み合わせた皿ばね対を複数段に積み重ねて
用いることにより大きなばね変位量を得ることができ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下本発明の詳細を添付図面によ
り説明する。図１は本発明の一実施例に係わるノーマル
クローズタイプのガス流量制御機器用バルブの断面図、
図２は加圧部材の平面図である。図１において、１はバ
ルブ本体で、ガスの流入口２とガスの流出口３と両通路
に連通する開口４を有し、開口４には弁口８が形成され
た弁座７が設置されている。弁口４を開閉するために、
ダイアフラム５の下面中央部は弁座７に接離可能に支持
され、またスラストボタン９がダイアフラム５の上面中
央部に固着されている。ダイアフラム５は、その外縁部
がリング状のダイアフラム押え６とバルブ本体１との間
に挟着されている。バルブ本体１の上部には、ダイアフ
ラム押え６に立設された円筒状のハウジング１１とその
内部に収容された圧電積層体１２が配設されている。圧
電積層体１２はハウジング１１の上部に螺着されたキャ
ップ１８に支持されている。圧電積層体１０の下方に
は、軸受１９を介してハウジング１１内を滑動するカッ
プ状の弁棒１３が配設されており、圧電積層体１２の下
面に形成された突起１２ａは弁棒１３の上面に形成され
た円錐台状の凹部１３ａに嵌入されている。弁棒１３の
内部には、円錐状に形成された先端部１４ａを有するば
ね座１４と複数の皿ばね１５が装入されている。弁棒１
３の外縁部には円環状の突出部１３ａが形成され、弁棒
１３とスラストボタン９との間に設けられた加圧部材１
６に当接している。加圧部材１６はピン１７を介してダ
イアフラム押え６の内縁部に支持されている。加圧部材
１６の内周側は、ばね座１４の下面から突出する円錐状
の先端部１４ａとスラストボタン９の上面から突出する
円筒状の突起９ａに当接している。

【０００８】加圧部材１６は、図２に示すようにスラス
トボタン９の中心から放射状にかつ等角度間隔（図２で
は１２０°）で配置された直方体状のてこ片１６ａ、１
６ｂ、１６ｃからなり、各てこ片１６ａ、１６ｂ、１６
ｃはピン１７を支点として外周部が力点、内周側（上端
部）が作用点として機能するように構成されており、ピ
ン１７の位置を変更することにより、てこ比（支点と作
用点との距離／支点と力点との距離）を調整することが
できる。てこ片は、３個に限らず複数個あればよく、ま
た必ずしも等角度間隔に配置する必要はないが、各てこ
片を均等にスラストボタン９に押し付けるためには、３
個のてこ片を等角度間隔に配置することが望ましい。

【０００９】次に上記のガス流量制御装置用バルブの動
作を説明する。圧電積層体１２に電圧を印加すると、圧
電積層体１０は下方に伸びるので、弁棒１３には図示矢
印Ｘ方向の荷重が加わり、円環状の突出部１３ａが加圧
部材１６（てこ片１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）の外縁部を
押圧する。これにより、加圧部材１６の内縁部にはピン
１７を支点として上向きの力が作用し、皿ばね１５が圧
縮される。従ってスラストボタン９は図示矢印Ｙ方向に
上昇し、それに伴いダイアフラム５と弁座７との間に隙
間ができるので、弁口８が開放されて流出口３からガス
が流出する。一方圧電積層体１４への印加電圧をゼロに
すると、圧電積層体１０は元に戻るため、皿ばね１５の
復元力が加圧部材１６を介してスラストボタン９に伝達
され、スラストボタン９が下降して弁口７が閉じて流入
口と流出口の連通が阻止され、ガスの流出が停止する。
このように図１のバルブによれば、圧電積層体１０の変
位は、加圧部材１６により向きを変えしかも増力されて
スラストボタン９に伝達されるので、従来よりも少ない
部品でバルブの開閉動作を確実に行うことができ、小型
化が可能となり、また低コスト化を達成できる。加圧部
材１６は単純な直方体状の形状なので、製作が容易であ
り、さらに大なる剛性を有するため長期に亘って確実な
バルブの開閉動作を行うことができる。また閉止用ばね
として、皿ばねを用いることにより、ガス流量制御装置
用バルブを大幅に小型化することができる。

【００１０】図３は本発明の他の実施例に係わるガス流
量制御機器用バルブの断面図（図３のＢ−Ｂ線で切断し
た状態を示す）、図４は図３のＡ−Ａ線矢視図（但しピ
ンは不図示）であり、図１及び図２と同一機能部分は同
一の参照符号で示す。このガス流量制御機器用バルブ
は、大略図１に示すものと同様の構造を有するが、加圧
部材及びその周囲の構造が異なるので、その部分のみを
説明する。弁座１４はその下端部に縮径部１４ａを有
し、加圧部材１６（てこ片１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）の
内縁部には縮径部１４ａを受け取る段部１６０が形成さ
れている。弁棒１３の下面（外周部）と加圧部材１６の
上面との間には力点ピン１７−１ａ（不図示）、１７−
１ｂ、１７−１ｃが介装されている。加圧部材１６の下
面（中間部）とダイアフラム押え６との間には、支点ピ
ン１７−２ａ（不図示）、１７−２ｂ、１７−２ｃが介
装され、また加圧部材１６の下面（内周側）とスラスト
ボタン９との間には位置決めピン１７−３ａ（不図
示）、１７−３ｂ、１７−３ｃが介装されている。また
皿ばね１５は、下向きに反ったばねと上向きに反ったば
ねとをそろばん玉状に組合わせたばね対を多段に積重ね
て形成されている。

【００１１】次に上記のガス流量制御機器用バルブの動
作を説明する。圧電積層体１２に電圧を印加すると、圧
電積層体１０は下方に伸びるので、弁棒１３には図示矢
印Ｘ方向の荷重が加わり、加圧部材１６（てこ片１６
ａ、１６ｂ、１６ｃ）の外周部（力点）を押圧する。こ
れにより、加圧部材１６の段部１６０（作用点）にはピ
ン１７−２ａ、１７−２ｂ、１７−２ｃを支点として上
向きの力が作用し、ばね座１４を介して皿ばね１５が圧
縮される。従ってスラストボタン９は図示矢印Ｙ方向に
上昇し、それに伴いダイアフラム５は弁座７から離間す
るので、弁口８が開放されて流出口３からガスが流出す
る。一方圧電積層体１４への印加電圧をゼロにすると、
圧電積層体１０は元に戻るため、皿ばね１５の復元力が
加圧部材１６を介してスラストボタン９に伝達され、ス
ラストボタン９が下降して弁口７が閉じて流入口２と流
出口３の連通が阻止され、ガスの流出が停止する。この
ように図３に示す構成によれば、圧電積層体１０の変位
は、加圧部材１６により向きを変えてスラストボタン９
に伝達されるので、従来よりも少ない部品でバルブの開
閉動作を確実に行うことができ、小型化が可能となり、
また低コスト化を達成できる。加圧部材１６は単純な直
方体状の形状なので、製作が容易であり、さらに大なる
剛性を有するため長期に亘って確実なバルブの開閉動作
を行うことができる。また閉止用ばねとして、皿ばねが
そろばん玉状に組合わされているので、大なるばね力を
得ることができる。なお、図示のピンの配置では、てこ
比は略１であるが、ピン１７−２ａ、１７−２ｂ、１７
−２ｃ及び／又はピン１７−３ａ、１７−３ｂ、１７−
３ｃの位置を調節しててこ比を大きくすることにより、
加圧部材の変位量を増加させることが可能である。

【００１２】

【発明の効果】以上に記述の如く、本発明によれば、特
定の加圧部材を介して圧電積層体の変位をバルブの開閉
手段に伝達するので、小型でかつ低コストのガス流量制
御機器用バルブを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わるガス流量制御機器
用バルブの断面図である。

【図２】加圧部材の平面図である。

【図３】 本発明の他の実施例に係わるガス流量制御機
器用バルブの断面図である。

【図４】 図３のＡ−Ａ線矢視図である。

【図５】 従来のガス流量制御機器用バルブの一例を示
す断面図である。

【図６】 従来のガス流量制御機器用バルブの他の例を
示す断面図である。

【図７】 従来の駆動力伝達部材を示す斜視図である。

【符号の説明】

１：バルブ本体 ２：流入口 ３：流出口 ４：開口 ５：ダイアフラム ６：ダイアフラム押え ７：弁座 ８：弁口 ９：スラストボタン １１：ハウジング １２：圧電積層体 １３：弁棒 １４：ばね座 １５：皿ばね １６：加圧部材 １６ａ、１６ｂ、１６ｃ：てこ片 １７：ピン １８：キャップ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス流入口とガス流出口に連通する弁口
   を開閉する弁部材を有するバルブ本体と、弁部材をスラ
   スト方向に駆動するスラスト部材と、スラスト部材に当
   接する加圧部材と、弁口を閉じる方向にスラスト部材を
   付勢する手段を内蔵しかつ加圧部材を押圧する弁棒と、
   弁棒を駆動する積層型圧電素子体とを備え、加圧部材は
   弁棒から受ける押圧力の向きを逆方向に変換しかつ増力
   して出力する機能を有することを特徴とするガス流量制
   御機器用バルブ。
2. 【請求項２】 加圧部材は、スラスト部材を中心として
   放射状に配置されている複数のてこ片を含むことを特徴
   とする請求項１記載のガス流量制御機器用バルブ。
3. 【請求項３】 弁棒は皿ばねで付勢されていることを特
   徴とする請求項１記載のガス流量制御機器用バルブ。
4. 【請求項４】 弁部材はダイアフラムであることを特徴
   とする請求項１記載のガス流量制御機器用バルブ。