JP2007058336A - 流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、流量を幅広い流量範囲で微細に制御することができ、半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができる流体制御装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明に係る流体制御装置は、制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁５と、流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器４と、流量計測器４からの前記電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁５の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁５または該流体制御弁を操作する機器１０３へ出力する制御部８と、開口面積が調節可能な絞り弁６と、を具備し、前記流体制御弁５と前記流量計測器４と前記制御部８と前記絞り弁６とが全て一つのケーシング２内へ収納配設されていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体の制御が必要とされる流体輸送配管に使用される流体制御装置に関するものである。さらに詳しくは、主として流量を幅広い流量範囲で微細にコントロールすることができ、半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができる流体制御装置に関するものである。

従来、半導体製造工程の一工程として、フッ酸等の薬液を純水で希釈した洗浄水を用いてウェハ表面をエッチングする湿式エッチングが用いられている。これら湿式エッチングの洗浄水の濃度は高い精度をもって管理する必要があるとされている。近年では、洗浄水の濃度を、純水と薬液の流量比で管理する方法が主流となってきており、そのために、純水や薬液の流量を高い精度をもって管理する流体制御装置が適用されている。

流体制御装置として種々提案されているが、図１２に示されるような純水温度を可変とした場合の流量制御を行う純水流量の制御装置２０１があった（例えば、特許文献１参照）。その構成は、純水流量を調整するために操作圧の作用を受けて開度調節される流量調整弁２０２と、流量調整弁２０２に供給される操作圧を調整するための操作圧調整弁２０３と、流量調整弁２０２から出力される純水流量を計測するための流量計測器２０４と、流量計測器２０４を通った純水の流れを許容又は遮断するための開閉弁２０５とを備え、操作圧調整弁２０３により調整される操作圧と、流量調整弁２０２における純水の出力圧力とを均衡させることにより、流量調整弁２０２から出力される純水流量を一定に制御するようにした制御装置２０１であって、流量計測器２０４による計測値が一定となるように、その計測値に基づいて操作圧調整弁２０３から流量調整弁２０２に供給される操作圧をフィードバック制御するための制御回路を設けたことを特徴とするものであった。その効果は、純水の温度変化に伴って流量調整弁２０２における出力圧力が変化したとしても、その変化分に対応して操作圧がリアルタイムに調整されることで、流量調整弁２０２から出力される純水流量が調整されるため、純水流量を高精度に一定値に保つことができるものであった。

また、部品が一つのケーシング内に設けられた電気駆動による流体制御装置として、図１３に示されるような流体を移送する流体回路にインライン接続される流体制御モジュール２０６があった（例えば、特許文献２参照）。その構成は、化学的に不活性な流路を有するハウジング２０７と、流路に接続された調節可能な制御弁２０８と、流路に接続された圧力センサ２０９と、流路内に位置する絞り部２１０とを備え、制御弁２０８と圧力センサ２０９がハウジング２０７内に収容され、さらに制御弁２０８の駆動を電気的に行なう電動モータを具備するドライバ２１１と、制御弁２０８及び圧力センサ２０９に電気的に接続されるコントローラ２１２がハウジング２０７内に収容されているものであった。その効果は、流体回路内で測定された圧力差と絞り部２１０の直径とから流路内の流量を測定し、測定した流量に基いて制御弁２０８をフィードバック制御で駆動することで、流路内の流量を高精度に決定することができるものであった。

特開平１１−１６１３４２号公報 特開２００１−２４２９４０号公報

しかしながら、前記従来の純水流量の制御装置２０１は、流量調整弁２０２における純水の出力圧力とを均衡させることにより、流量調整弁２０２から出力される純水流量を一定に制御するようにしたものであるため、流量を微細にコントロールさせるには不向きであり、流量範囲も広くないため、幅広い流量範囲で流量をコントロールする用途には使いにくいという問題があった。また、構成要素が多く分かれているため、半導体製造装置内などに設置する際に、各構成要素の配管接続作業、電気配線やエア配管作業をそれぞれ行なわなくてはならず、作業が複雑で時間を要するとともに、配管や配線が煩わしくミスが起こる恐れがあるという問題があった。

また、前記従来の流量制御モジュール２０６は、流体制御装置に流入する流体が圧力変動周期の短い脈動した流れであった場合、制御弁２０８は脈動した流体に対して流量を制御しようと作動するが、ハンチングを起こし流量制御ができなくなる問題があり、このまま続けるとドライバ２１１や制御弁２０８が破損してしまうという問題があった。また、流量範囲も広くないため、幅広い流量範囲で流量をコントロールする用途には使いにくいという問題があった。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、流量を幅広い流量範囲で微細にコントロールすることができ、半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができる流体制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の流体制御装置の構成を図１に基づいて説明すると、制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁５と、流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器４と、流量計測器４からの前記電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁５の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁５または該流体制御弁を操作する機器１０３へ出力する制御部８と、開口面積が調節可能な絞り弁６と、を具備する流体制御装置であって、前記流体制御弁５と前記流量計測器４と前記制御部８と前記絞り弁６とが全て一つのケーシング２内へ収納配設されていることを第一の特徴とする。
なお、制御用流体とは、例えば空気、作動油等を言う。

また、前記流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁１０７をさらに具備することを第二の特徴とする。

また、前記流体制御弁５が、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙２４と第二の空隙２４に連通する入口流路２６と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙２４の径よりも大きい径を持つ第一の空隙２５と第一の空隙２５に連通する出口流路２７と第一の空隙２５と第二の空隙２４とを連通し第一の空隙２５の径よりも小さい径を有する連通孔２８とを有し、第二の空隙２４の上面が弁座２９とされた本体１６と、側面あるいは上面に設けられた給気孔３２と排出孔３３とに連通した円筒状の空隙３０を内部に有し、下端内周面に段差部３１が設けられたボンネット１７と、ボンネット１７の段差部３１に嵌挿され中央部に貫通孔３４を有するバネ受け１８と、下端部にバネ受け１８の貫通孔３４より小径の第一接合部３９を有し上部に鍔部３７が設けられボンネット１７の空隙３０内部に上下動可能に嵌挿されたピストン１９と、ピストン１９の鍔部３７下端面とバネ受け１８の上端面で挟持支承されているバネ２０と、周縁部が本体１６とバネ受け１８との間で挟持固定され、本体１６の第一の空隙２５に蓋する形で第一の弁室４６を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム４２と、上面中央にピストン１９の第一接合部３９にバネ受け１８の貫通孔３４を貫通して接合固定される第二接合部４４と、下面中央に本体１６の連通孔２８と貫通して設けられた第三接合部４５とを有する第一弁機構体２１と、本体の第二の空隙２４内部に位置し本体の連通孔２８より大径に設けられた弁体４７と、弁体４７上端面に突出して設けられ第一弁機構体２１の第三接合部４５と接合固定される第四接合部４９と、弁体４７下端面より突出して設けられたロッド５０と、ロッド５０下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム５２とを有する第二弁機構体２２と、本体１６の下方に位置し第二弁機構体２２の第二ダイヤフラム５２周縁部を本体１６との間で挟持固定する突出部５４を上部中央に有し、突出部５４の上端部に切欠凹部５５が設けられると共に切欠凹部５５に連通する呼吸孔５６が設けられているベースプレート２３とを具備し、ピストン１９の上下動に伴って第二弁機構体２２の弁体４７と本体１６の弁座２９とによって形成される流体制御部５７の開口面積が変化するように構成されていることを第三の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００４−３８５７１に開示されているものである。

また、前記絞り弁６が、上部に設けられた弁室６０の底面に弁座面５９が形成され、弁座面５９の中心に設けられた連通口６１に連通する第一流路６２と弁室６０に連通する第二流路６３を有する本体５８と、ステムの軸方向の進退移動により連通口６１に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体６８と弁座面５９に接離可能にされ第一弁体６８から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体６９と第二弁体６９から径方向へ連続して形成された薄膜部７０とが一体的に設けられた隔膜６７と、上部にハンドル８９が固着され下部内周面に雌ネジ部８５と外周面に雌ネジ部８５のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部８６を有する第一ステム８４と、内周面に第一ステム８４の雄ネジ部８６と螺合する雌ネジ部９２を有する第一ステム支持体９１と、上部外周面に第一ステム８４の雌ネジ部８５に螺合される雄ネジ部７７を有し下端部に隔膜６７が接続される第二ステム７６と、第一ステム支持体９１の下方に位置し第二ステム７６を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ７８と、第一ステム８４と隔膜押さえ７８を固定するボンネット９５とを具備することを第四の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００５−１５５８７８に開示されているものである。

また、前記流量計測器４が、超音波流量計または超音波渦流量計であることを第五の特徴とする。

本発明において流体制御弁５は、制御用流体の圧力操作により圧力制御ができるものであれば特に限定されるものではないが、図２に示すような本発明の流体制御弁５の構成を有しているものが好ましい。これは安定した流体制御を行なうことができ、脈動した流体が流れたとしても流体制御弁５によって圧力を一定圧に安定させることができ、流体制御弁５のみで流路の遮断を行うことができ、コンパクトな構成であり流体制御装置１を小さく設けることができるため好適である。

本発明において絞り弁６は、流路開度を可変調節すると共に流路を絞って流量を安定させる構成であれば特に限定されるものではないが、図３に示すような本発明の絞り弁６の構成を有しているものが好ましい。これは幅広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、絞り弁６の微小な開度を容易に且つ精密に調整できるので開度の微調整を短時間で行なうことができると共に、コンパクトな構造であり流体制御装置１を小さく設けることができるため好適である。

また、図３において絞り弁６の第一ステム８４の外周面に設けられた雄ネジ部８６と下部内周面に設けられた雌ネジ部８５のピッチ差は、雄ネジ部８６のピッチの６分の１になるように形成されているが、ピッチ差は雄ねじピッチの２０分の１から５分の１の範囲に設けるのが望ましい。弁体は全閉から全開までに一定範囲のリフト量を得るので、ハンドル８９のストロークが大きくなり過ぎて弁高が大きくならないようするためにピッチ差を雄ねじピッチの２０分の１より大きくすると良く、弁を細かいオーダーで精度の良い調節を行うためにピッチ差を雄ねじピッチの５分の１より小さくすると良い。

また、図４において第一弁体６８の直線部７４の外径Ｄ１は、連通口６１の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定されているが、直線部７４の外径Ｄ１は連通口６１の内径Ｄに対して０．９５Ｄ≦Ｄ１≦０．９９５Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体６８と連通口６１とを摺接させないためにＤ１≦０．９９５Ｄが良く、流量調節をスムースに行うために０．９５Ｄ≦Ｄ１が良い。

また、第一弁体６８のテーパ部７５のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定されているが、１２°〜２８°の範囲内であることが望ましい。弁を大きくさせずに広い流量範囲を調節ずるために１２°以上が良く、開度に対して流量を急激に変化させないために２８°以下が良い。また、第二弁体６９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口６１の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されているが、第二弁体６９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口６１の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ２≦２Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体６８と第二弁体６９の間には環状溝部７２を確実に設け環状溝部７２に流体の流れを抑制させる空間部分を得るためには１．１Ｄ≦Ｄ２が良く、開度に対して第二弁体６９と弁座面５９とで形成される開口面積の増加率を抑えるためにＤ２≦２Ｄが良い。

本発明において流量計測器４は、計測した流量を電気信号に変換して制御部８に出力されるものなら特に限定されないが、超音波流量計、超音波式渦流量計であることが好ましい。特に図１や図９に示すような超音波流量計の場合、微小流量に対して精度良く流量測定ができるため、微小流量の流体制御に好適である。また図１０に示すような超音波式渦流量計の場合、大流量に対して精度良く流量測定ができるため、大流量の流体制御に好適である。このように、流体の流量に応じて超音波流量計と超音波式渦流量計を使い分けることで精度の良い流体制御を行うことができる。

本発明の流体制御装置１０４は、図７に示すような開閉弁１０７を設けても良い。これは、開閉弁１０７を設けることにより、開閉弁１０７を遮断することで流体制御装置１０４のメンテナンス、修理、部品交換（以下、メンテナンス等と記す）を容易に行なうことができるため好適である。また、流体制御装置１０４に開閉弁１０７を備えておけば、例えば流体制御装置１０４から離れた流路を遮断してメンテナンス等のために流体制御装置１０４を分解したときに、流路内に残った流体が分解した部分から漏れ出ることを最小限に抑えることができる、さらに流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁１０７で流体の緊急遮断を行なうことができるので好適である。

また、開閉弁１０７は流体の流れを開放又は遮断する機能を有していれば、その構成は特に限定されるものでなく、手動によるものであっても良く、エア駆動、電気駆動、磁気駆動などの自動によるものであっても良い。自動の場合、制御回路を設けて流体制御装置１０４の流体制御弁１０９や流量計測器１０８とリンクさせ、流体制御弁１０９の状態や流量に応じて開閉弁１０７を駆動させるようにしても良く、流体制御装置１０４から独立して駆動させても良い。流体制御装置１０４とリンクさせて駆動させる場合、流体制御装置１０４内で一括制御を行なうことができるので好適である。流体制御装置１０４から独立して駆動させる場合、流体制御装置１０４にトラブルが発生した際に、開閉弁１０７で流路を緊急遮断させる場合に流体制御装置１０４のトラブルに影響せずに駆動を行うことができるため好適である。

また、開閉弁１０７の設置位置は、メンテナンス等を行うためには他の弁および流量計測器より上流側に設置することが望ましい。さらに開閉弁１０７を他の弁および流量計測器より下流側にも設けて他の弁および流量計測器を２つの開閉弁１０７で挟んだ構成にしても良い。このとき、２つの開閉弁１０７を閉止することで、メンテナンス等を行う特に流体の漏れが確実に防止されるために好適である。また、開閉弁１０７は流体流入口３や流体流出口７の外部すなわちケーシング２の壁の上流側や下流側に設けても良い。

本発明の流体制御装置１に、必要に応じて流入する流体の圧力変動を一定圧に調整して流出させる圧力調整弁を設けても良い。圧力制御弁は流体制御弁５と同じ構造のものを用いてもかまわない。

本発明の流体制御装置１は、１つのケーシング２内に設置してなる構成であることが好ましい。これは、１つのケーシング２内に設置してなることにより、流体制御装置１が一つのモジュールとなるため、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮できるため好適である。また、ケーシング２によって各弁および流量計測器が保護されると共に、流体制御装置１をブラックボックス化することで、本発明のようなフィードバック制御を行なうために調整された流体制御装置１を半導体製造装置などに設置したときに、半導体製造装置の利用者が流体制御装置１を安易に分解することにより不具合が生じることを防止することができるため好適である。

さらに、本発明の流体制御装置１は、ケーシング２の外部に絞り弁６のハンドル部８９が露出していても露出していなくてもかまわないが、露出していることが望ましい。操作者が手動等によりハンドル部８９を操作することが、容易に可能となるからである。

本発明の流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６、開閉弁１０７の設置の順番は、どのような順番に設けても良く特に限定されないが、絞り弁６が流体制御弁５及び流量計測器４の下流側に位置することが望ましい。

また、本発明の流体制御装置は、流体の流量を任意の値で一定に制御させる必要のある用途であれば、いずれに使用しても良いが、半導体製造装置内へ配置されることが好適である。半導体製造工程の前工程では、フォトレジスト工程、パターン露光工程、エッチング工程や平坦化工程などが挙げられ、これらの洗浄水の濃度を、純水と薬液の流量比で管理する際に本発明の流体制御装置を用いることが好適である。

また、本発明の流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６、開閉弁１０７の各部品の材質は、樹脂製であれば塩化ビニル、ポリプロピレン（以下、ＰＰと記す）、ポリエチレンなどいずれでも良いが、特に流体に腐食性流体を用いる場合はポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）、ポリビニリデンフルオロライド（以下、ＰＶＤＦと記す）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（以下、ＰＦＡと記す）などのフッ素樹脂であることが好ましく、フッ素樹脂製であれば腐食性流体に用いることができ、また腐食性ガスが透過しても各弁および流量計測器の腐食の心配がなくなるため好適である。

本発明は以上のような構造をしており、以下の優れた効果が得られる。
（１）流体制御装置に流入した流体は、流体制御弁で一定圧に制御された後に絞り弁で一定流量に調節されて流出され、さらに絞り弁の開度を変化させることにより流量を変化させて幅広い流量範囲で流量を制御することができる。
（２）開閉弁を設けることにより、開閉弁を閉状態にすることで流体制御装置のメンテナンス、修理、部品交換を、流体が漏れ出ることなく容易に行なうことができると共に、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁で流体の緊急遮断を行なうことができる。
（３）流体制御装置が１つのケーシング内に設置してなることにより、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮でき、各弁および流量計測器がケーシングにより保護されると共に、フィードバック制御を行なうために調整された流体制御装置をブラックボックス化することで、安易に流体制御装置を分解させることを防ぎ、不慣れな利用者が流体制御装置を分解することにより不具合が生じることを防止することができる。
（４）本発明の構成の流体制御弁を用いることにより、安定した流体制御を行なうことができ、脈動した流体が流れたとしても流体制御弁によって圧力を一定圧に安定させることができ、流体制御弁のみで流路の遮断を行うことができ、コンパクトな構成であり流体制御装置を小さく設けることができる。
（５）本発明の構成の絞り弁を用いることにより、広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、絞り弁の微小な開度を容易に且つ精密に調整できるので開度の微調整を短時間で行なうことができると共に、コンパクトな構造であるため流体制御装置を小さく設けることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に示す実施例を参照して説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の第一の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図２は図１の流体制御弁の拡大図である。図３は図１の絞り弁の拡大図である。図４は図３の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。図５は図３の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。図６は図３の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。図７は本発明の第二の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図８は図１の開閉弁の拡大図である。図９は本発明の第三の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１０は本発明の第四の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１１は図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下、図１乃至図６に基づいて本発明の第一の実施例である流体制御装置について説明する。

１は半導体製造のエッチング工程を行う半導体製造装置内に設置された流体制御装置である。流体制御装置１は、ケーシング２、流体流入口３、流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６、流体流出口７、制御部８から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

２はＰＶＤＦ製のケーシングである。ケーシング２内には、ケーシング２の底面に流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６がボルト、ナット（図示せず）にて固定されており、流体流入口３、流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６、流体流出口７の順で連続して接続された状態で設置されている。また、制御部８は流量計測器４の上方にケーシング２の上部に固定設置されている。

３はＰＦＡ製の流体流入口である。流体流入口３は後記流量計測器４の入口流路９に連通している。

４は流体の流量を計測する流量計測器である。流量計測器４は、流体流入口３に連通する入口流路９と、入口流路９から垂設された第一立上り流路１０と、第一立上り流路１０に連通し入口流路９軸線に略平行に設けられた直線流路１１と、直線流路１１から垂設された第二立上り流路１２と、第二立上り流路１２に連通し入口流路９軸線に略平行に設けられた出口流路１３とを有し、第一、第二立上り流路１０、１２の側壁の直線流路１１の軸線と交わる位置に、超音波振動子１４、１５が互いに対向して配置されている。超音波振動子１４、１５はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１４、１５から伸びた配線は後記制御部８の演算部１０１に繋がっている。なお、流量計測器４の超音波振動子１４、１５以外はＰＦＡ製である。

５は制御用流体の圧力操作に応じて流体圧力を制御する流体制御弁である。流体制御弁５は本体１６、ボンネット１７、バネ受け１８、ピストン１９、バネ２０、第一弁機構体２１、第二弁機構体２２、ベースプレート２３で形成される。

１６はＰＴＦＥ製の本体であり、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙２４と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙２４の径よりも大きい径を持つ第一の空隙２５を有し、側面には第二の空隙２４と連通している入口流路２６と、入口流路２６と対向する面に第一の空隙２５と連通している出口流路２７と、さらに、第一の空隙２５と第二の空隙２４とを連通し第一の空隙２５の径よりも小さい径を有する連通孔２８とが設けられている。第二の空隙２４の上面部は弁座２９とされている。また、入口流路２６は前記流量計測器４の出口流路１３に連通し、出口流路２７は後記絞り弁６に連通している。

１７はＰＶＤＦ製のボンネットであり、内部に円筒状の空隙３０と下端内周面に空隙３０より拡径された段差部３１が設けられ、側面には空隙３０内部に圧縮された不活性ガスや空気を供給するために空隙３０と外部とを連通する給気孔３２および給気孔３２より導入された不活性ガスや空気を微量に排出するための微孔の排出孔３３が設けられている。なお、給気孔３２と排出孔３３は一つの孔で兼用してもかまわない。

１８はＰＶＤＦ製で平面円形状のバネ受けであり、中央部に貫通孔３４を有し、略上半分がボンネット１７の段差部３１に嵌挿されている。バネ受け１８の側面部には環状溝３５が設けられ、Ｏ−リング３６を装着することによりボンネット１７から外部への不活性ガスや空気の流出を防いでいる。

１９はＰＶＤＦ製のピストンであり、上部に円盤状の鍔部３７と、鍔部３７の中央下部より円柱状に突出して設けられたピストン軸３８と、ピストン軸３８の下端に設けられた雌ネジ部からなる第一接合部３９を有する。ピストン軸３８はバネ受け１８の貫通孔３４より小径に設けられており、第一接合部３９は後記第一弁機構体２１の第二接合部４４と螺合により接合されている。

２０はＳＵＳ製のバネであり、ピストン１９の鍔部３７下端面とバネ受け１８の上端面とで挟持されている。ピストン１９の上下動にともなってバネ２０も伸縮するが、そのときの荷重の変化が少ないよう、自由長の長いものが好適に使用される。

２１はＰＴＦＥ製の第一弁機構体であり、外周縁部より上方に突出して設けられた筒状部４０を有した膜部４１と肉厚部を中央部に有する第一ダイヤフラム４２と、第一ダイヤフラム４２の中央上面より突出して設けられた軸部４３の上端部に設けられた小径の雄ネジからなる第二接合部４４、および同中央下面より突出して設けられ下端部に形成された雌ネジ部からなる後記第二弁機構体２２の第四接合部４９と螺合される第三接合部４５を有する。第一ダイヤフラム４２の筒状部４０は、本体１６とバネ受け１８との間で挟持固定されることで、第一ダイヤフラム４２下面より形成される第一の弁室４６が密封して形成されている。また、第一ダイヤフラム４２上面、ボンネット１７の空隙３０はＯ−リング３６を介して密封されており、ボンネット１７の給気孔３２より供給される圧縮された不活性ガスや空気が充満している気室を形成している。

２２はＰＴＦＥ製の第二弁機構体であり、本体１６の第二の空隙２４内部に配設され連通孔２８より大径に設けられた弁体４７と、弁体４７上端面から突出して設けられた軸部４８と、その上端に設けられた第三接合部４５と螺合により接合固定される雄ネジ部からなる第四接合部４９と、弁体４７下端面より突出して設けられたロッド５０と、ロッド５０下端面より径方向に延出して設けられ周縁部より下方に突出して設けられた筒状突部５１を有する第二ダイヤフラム５２とから構成されている。第二ダイヤフラム５２の筒状突部５１は後記ベースプレート２３の突出部５４と本体１６との間で挟持されることにより、本体１６の第二の空隙２４と第二ダイヤフラム５２とで形成される第二の弁室５３を密閉している。

２３はＰＶＤＦ製のベースプレートであり、上部中央に第二弁機構体２２の第二ダイヤフラム５２の筒状突部５１を本体１６との間で挟持固定する突出部５４を有し、突出部５４の上端部に切欠凹部５５が設けられると共に、側面に切欠凹部５５に連通する呼吸孔５６が設けられており、ボンネット１７との間で本体１６を通しボルト、ナット（図示せず）にて挟持固定している。

６は開口面積が調節可能な絞り弁である。絞り弁は本体５８、隔膜６７、第二ステム７６、隔膜押さえ７８、第一ステム８４、第一ステム支持体９１、ボンネット９５で形成される。

５８はＰＴＦＥ製の本体である。本体５８の上部に後記隔膜６７とで形成される略すり鉢形状の弁室６０を有しており、弁室６０の底面には後記第二弁体６９の圧接によって流路の全閉シールを行う弁座面５９が形成され、弁座面５９の中心に設けられた連通口６１に連通する第一流路６２と弁室６０に連通する第二流路６３を有している。弁室６０の上方には後記隔膜押さえ７８の嵌合部８０を受容する凹部６５が設けられていて、その底面には後記隔膜６７の環状係止部７１が嵌合する環状凹部６４が設けられている。また本体５８の上部外周面には、後記ボンネット９５が螺着される雄ネジ部６６が設けられている。

６７はＰＴＦＥ製の隔膜であり、隔膜６７の下部に接液面の中心から垂下突設された第一弁体６８と、第一弁体６８から径方向へ隔離した位置に形成された先端が断面円弧状の円環状凸条の第二弁体６９と、第二弁体６９から径方向へ連続して形成された薄膜部７０と、薄膜部７０の外周に断面矩形状の環状係止部７１と、隔膜６７の上部に後記第二ステム７６の下端部に接続される接続部７３が一体的に設けられている。第一弁体６８は、下方に向かって直線部７４とテーパ部７５とが連続して設けられており、第一弁体６８と第二弁体６９の間には環状溝部７２が形成されている。環状溝部７２は、その空間部で流体の流れを抑制させるために、全閉時に環状溝部７２と弁座面５９とで形成される空間部分の体積が、全閉時に第一弁体６８の直線部７４と連通口６１とで形成される空間部分の体積の２倍以上に設定される。また、第一弁体６８の直線部７４の外径Ｄ１は、連通口６１の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定され、第一弁体６８のテーパ部７５のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定され、第二弁体６９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口６１の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されている。隔膜６７は、環状係止部７１を本体５８の環状凹部６４に嵌合された状態で本体５８と後記隔膜押さえ７８とで挟持固定される。

７６はＰＰ製の第二ステムである。第二ステム７６の上部外周面には後記第一ステム８４の雌ネジ部８５に螺合される雄ネジ部７７が設けられ、下部外周は六角形状に形成され、下端部には隔膜６７の接続部７３が螺着により接続されている。

７８はＰＰ製の隔膜押さえである。隔膜押さえ７８の上部には外周が六角形状の挿入部７９が、下部には外周が六角形状の嵌合部８０がそれぞれ設けられており、中央部外周には鍔部８１が設けられている。隔膜押さえ７８の内周には六角形状の貫通孔８２が設けられ、下端面から貫通孔８２に向かって縮径するテーパ部８３が設けられている。挿入部７９は後記第一ステム支持体９１の中空部９３に回動不能に嵌合され、嵌合部８０は本体５８の凹部６５に回動不能に嵌合される。貫通孔８２には第二ステム７６を挿通させ、第二ステム７６を上下移動自在かつ回動不能に支承している。

８４はＰＰ製の第一ステムである。第一ステム８４の下部内周面には第二ステム７６の雄ネジ部７７が螺合するピッチが１．２５ｍｍの雌ネジ部８５と、外周面にはピッチが１．５ｍｍの雄ネジ部８６が設けられており、雄ネジ部８６と雌ネジ部８５のピッチ差は０．２５ｍｍであり、雄ネジ部８６のピッチの６分の１になるように形成されている。第一ステム８４の下部外周には径方向に突出して設けられたストッパー部８７が設けられ、上部には後記把持部９０を有するハンドル８９が固着されている。

９１はＰＰ製の第一ステム支持体である。第一ステム支持体９１の上部内周面には第一ステム８４の雄ネジ部８６に螺合される雌ネジ部９２が設けられており、下部内周には後記隔膜押さえ７８の挿入部７９を回動不能に嵌合する六角形状の中空部９３が設けられており、下部外周には後記ボンネット９５によって固定される鍔部９４が設けられている。

９５はＰＰ製のボンネットである。ボンネット９５の上部には第一ステム支持体９１の鍔部９４の外径より小さい内径を有する係止部９６が設けられ、下部内周面には本体５８の雄ネジ部６６に螺着される雌ネジ部９７が設けられている。ボンネット９５は、第一ステム支持体９１の鍔部９４と隔膜押さえ７８の鍔部８１を、係止部９６と本体５８の間で挟持した状態で本体５８に螺着していることで各部品を固定することができる。

７はＰＦＡ製の流体流出口である。

８は制御部である。制御部８は前記流量計測器４から出力された信号から流量を演算する演算部１０１と、フィードバック制御を行なうコントロール部１０２を有している。演算部１０１には、送信側の超音波振動子１４に一定周期の超音波振動を出力する発信回路と、受信側の超音波振動子１５からの超音波振動を受信する受信回路と、各超音波振動の伝播時間を比較する比較回路と、比較回路から出力された伝播時間差から流量を演算する演算回路とを備えている。コントロール部１０２には、演算部１０１から出力された流量に対して設定された流量になるように後記電空変換器１０３における制御用流体の圧力操作を制御する制御回路を有している。

１０３は不活性ガスや空気等の制御用流体の操作圧を調整する電空変換器である。電空変換器１０３は操作圧を比例的に調整するために電気的に駆動する電磁弁から構成され、前記制御部８からの制御信号に応じて流体制御弁５の操作圧を調整する。

次に、本発明の第一の実施例である流体制御装置の作動について説明する。

流体制御装置１の流体流入口３から流入した流体は、まず流量計測器４に流入する。流量計測器４に流入した流体は、直線流路１１で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子１４から下流側に位置する超音波振動子１５に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１５で受信された超音波振動は電気信号に変換され、制御部８の演算部１０１へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子１４から下流側の超音波振動子１５へ伝播して受信されると、瞬時に演算部１０１内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子１５から上流側に位置する超音波振動子１４に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１４で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部８内の演算部１０１へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路１１内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部１０１内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部１０１で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部１０２に出力される。

次に流量計測器４を通過した流体は流体制御弁５に流入する。制御部８のコントロール部１０２では、任意の設定流量に対して、リアルタイムに計測された流量との偏差から、偏差をゼロにするように信号を電空変換器１０３に出力し、電空変換器１０３はそれに応じた操作圧を流体制御弁５に供給し駆動させる。流体制御弁５から流出する流体の流量は、流体制御弁５で調圧された圧力と、流体制御弁５以降の圧力損失との関係で決定されており、調圧された圧力が高いほど流量は大きくなり、逆に圧力が低いほど流量は小さくなる。このため流体は、流量を設定流量で一定値となるように、つまり設定流量と計測された流量の偏差がゼロに収束されるように流体制御弁５で制御される。

ここで、電空変換器１０３から供給される操作圧に対する流体制御弁５の作動について説明する（図２参照）。第二弁機構体２２の弁体４７は、ピストン１９の鍔部３７とバネ受け１８とに挟持されているバネ２０の反発力と、第一弁機構体２１の第一ダイヤフラム４２下面の流体圧力により上方に付勢する力が働き、第一ダイヤフラム４２上面の操作圧の圧力により下方に付勢する力が働いている。さらに厳密には、弁体４７下面と第二弁機構体２２の第二ダイヤフラム５２上面が流体圧力を受けているが、それらの受圧面積はほぼ同等とされているため力はほぼ相殺されている。したがって、第二弁機構体２２の弁体４７は、前述の３つの力が釣り合う位置にて静止していることとなる。

電空変換機１０３から供給される制御用流体の操作圧力を増加させると第一ダイヤフラム４２を押し下げる力が増加することにより、第二弁機構体２２の弁体４７と弁座２９との間で形成される流体制御部５７の開口面積が増加するため、第一の弁室４６の圧力を増加させることができる。逆に、操作圧力を減少させると流体制御部５７の開口面積は減少し圧力も減少する。そのため、操作圧力を調整することで任意の圧力に設定することができる。

この状態で、上流側の流体圧力が増加した場合、瞬間的に第一の弁室４６内の圧力も増加する。すると、第一ダイヤフラム４２の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム４２の下面が流体から受ける力のほうが大きくなり、第一ダイヤフラム４２は上方へと移動する。それにともなって、弁体４７の位置も上方へ移動するため、弁座２９との間で形成される流体制御部５７の開口面積が減少し、第一の弁室４６内の圧力を減少させる。最終的に、弁体４７の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。このときバネ２０の荷重が大きく変わらなければ、空隙３０内部の圧力、つまり、第一ダイヤフラム４２上面が受ける力は一定であるため、第一ダイヤフラム４２下面が受ける圧力はほぼ一定となる。したがって、第一ダイヤフラム４２下面の流体圧力、すなわち、第一の弁室４６内の圧力は、上流側の圧力が増加する前とほぼもとの圧力と同じになっている。

上流側の流体圧力が減少した場合、瞬間的に第一の弁室４６内の圧力も減少する。すると、第一ダイヤフラム４２の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム４２の下面が流体から受ける力のほうが小さくなり、第一ダイヤフラム４２は下方へと移動する。それにともなって、弁体４７の位置も下方へ移動するため、弁座２９との間で形成される流体制御部５７の開口面積が増加し、第一の弁室４６の流体圧力を増加させる。最終的に、弁体４７の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。したがって、上流側圧力が増加した場合と同様に、第一の弁室４６内の流体圧力はほぼもとの圧力と同じになっている。

このことから、流入された流体は流体制御弁５によって一定の流体圧力に制御される。さらに、流体制御装置１に流入する流体の上流側圧力が変動しても流体制御弁５の作動により流量は自立的に一定に保たれるためポンプの脈動など瞬間的な圧力変動が発生しても安定して流量を制御することができる。

次に流体制御弁５を通過した流体は絞り弁６に流入する。流体制御弁５で一定圧に制御された流体は、絞り弁６で精密に開口面積が調製された連通口６１によって、一定流量に調節されて流出される。絞り弁６の開度を変化させることにより、流量を変化させることができ、流体制御装置１を幅広い流量範囲で流量を制御することができる。また、絞り弁６は微小な開度の調整を容易に行なうことができる構成であるため、開度の微調整を精密且つ短時間で行なうことができる。

ここで絞り弁６が微小な開度の調整を行なう作動について説明する。まず、本実施例の絞り弁６が全閉状態（図５の状態）において、第一流路から流入してきた流体は、弁座面５９に圧接された第二弁体６９によって閉止される。

ハンドル８９を弁が開放する方向に回動させると、ハンドル８９の回動に伴なって第一ステム８４が外周面の雄ネジ部８６のピッチ分だけ上昇し、逆に第一ステム８４の内周面の雌ネジ部８５に螺合された第二ステム７６は第一ステム８４の雌ネジ部８５のピッチ分だけ下降する。ただし、第二ステム７６は回動不能の状態で隔膜押さえ７８の貫通孔８２に収容されており上下方向のみに移動可能であるため、第二ステム７６は本体５８に対して第一ステム８４外周面の雄ネジ部８６と内周面の雌ネジ部８５のピッチ差分、本実施例では第一ステム８４の雄ネジ部８６のピッチが１．５ｍｍ、第一ステム８４の雌ネジ部８５のピッチが１．２５ｍｍにしているので、第一ステム８４に連動したハンドル８９を１回転させることによって第二ステム７６は０．２５ｍｍ（雄ネジ部８６のピッチの６分の１）上昇する。これに伴って、第二ステム７６と接続された隔膜６７が上昇することで最初に本体５８の弁座面５９に圧接されていた第二弁体６９が弁座面５９から離間し、第一弁体６８は隔膜の上昇に伴なって上昇し、絞り弁６が半開状態となる（図６の状態）。流体は第一流路６２から弁室６０へと流れ込み、第二流路６３を通過して排出される。

次に上記流量調節弁が半開状態（図６の状態）から、さらにハンドル８９を開方向に回動させると第一ステム８４の下部外周のストッパー部８７が第一ステム支持体９１の天井面１００に圧接して回動は停止される。ハンドル８９、第一ステム８４および第二ステム７６の回動と連動して隔膜６７が上昇し、第一弁体６８と第二弁体６９は隔膜６７の上昇に伴なって上昇し、弁は全開状態となる（図３、図４の状態）。なお、第一弁体６８は、全開状態でも連通口６１から抜けることはないので、絞り弁６は全閉から全開まで流量調節が行われる。

上記作用において、流量調節弁が全閉から全開に至るまで、開度によって第一弁体６８と連通口６１とで形成される第一流量調節部９８の開口面積Ｓ１と、第二弁体６９と弁座面５９とで形成される第二流量調節部９９の開口面積Ｓ２は変化するが、Ｓ１とＳ２の大小関係によって流量を調節する作用がそれぞれ異なる。以下に流量調節弁の開度の全閉から全開に至るまでのＳ１とＳ２の関係と流量の調節の仕組みを図４乃至図６に基づいて説明する。

Ｓ１＞Ｓ２の場合、流量調節弁の開度は全閉から微開の時であり、流量は第二流量調節部９９によって、つまりＳ２の大小によって調節される。Ｓ１＞Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部９８は、第一弁体６８の直線部７４と連通口６１で流量を一定に調節することができ、流体は第一流量調節部９８によって流量を一定にされた後、第二流量調節部９９に至る前にまず環状溝部７２により形成される空間部分に流れ込む。流体は環状溝部７２の底面に当たり、径方向へ広がって第二弁体６９の内周面に当たり、さらに流れの向きを変えて第二流量調節部９９に至るため、空間部分で流体の流れが一旦停滞される。そのため流体は、空間部分で流れが抑制されて急激な流量の増加を抑えることができ、第二流量調節部９９で十分制御可能な流れで第二流量調節部９９に至り、第二流量調節部９９で精度良く流量が調節されるため、流量調節弁が微開時の微小流量の調節が可能となる。このとき、第二弁体６９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口６１の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ２≦２Ｄの範囲内で設けられているため、流量の増加を抑制するのに効果的な環状溝部７２を第一弁体６８と第二弁体６９の間に形成することができ、環状溝部７２により形成される空間部分で第一流量調節部９８からの流体の流れを抑制することができる。

Ｓ１＝Ｓ２の場合、第一流量調節部９８の開口面積Ｓ１と第二流量調節部９９の開口面積Ｓ２が同一となり、この時点を境に流量を調節する部分が第二流量調節部９９から第一流量調節部９８へと切り替わる。つまりＳ１の大小によって流量は調節される。

Ｓ１＜Ｓ２の場合、流量調節弁の開度は微開から大きくして全開に至るまでであり、第二流量調節部９９では細かい流量調節が困難となり、第一流量調節部９８によって、つまりＳ１の大小によって調節される。Ｓ１＜Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部９８は第一弁体６８のテーパ部７５と連通口６１で流量を調節しており、第一弁体６８のテーパ部７５は、流量調節弁の開度に対して開口面積Ｓ１が比例して増加するように設定されているため、流量調節弁の開度を大きくするにつれて流量は線形に比例して増加するように調節することができる。

このことから、本発明の流量調節弁は、開度が微小なときには第二流量調節部９９によって流量調節を行い、開度を大きくすると第二流量調節部９９から第一流量調節部９８に切り替わって流量調節を行うので、全閉から全開に至るまで開度に対して流量が良好な比例関係を得ることができ、微小な流量から大きな流量まで確実な流量の調節が可能となり、幅広い流量範囲で流量調節を行うことができる。

次に、流量調節弁が全開状態からハンドル８９を逆に閉方向に回動させた場合は、開方向に回動させた場合とは逆の作動で弁体が降下し、流量調節弁の開度に応じて流量調節が行われる。ハンドル８９を閉方向に回動させて全閉状態にした時には第二弁体６９と弁座面５９とが線接触によって確実な全閉シールを行うことができる。なお、第一ステム８４の下部外周のストッパー部８７が隔膜押さえ７８の挿入部７９の上端面に接触することで回動を停止させる構造にしても良く、この場合、全閉シール時に弁座面５９や第二弁体６９に過剰な負荷がかかるのを防ぐことができる。

さらに流量調節弁が全閉状態のとき、第一弁体６８は常に連通口６１とは非接触であるため、流量調節弁の長期的な使用により、弁体や弁座面５９が摩耗などによって変形することがなく、長期間の使用によって流量調節特性が安定できなくなることを防止するとともに、摺動時のパーティクルの発生を抑制することができる。

以上の作動により、流体制御装置１の流体流入口３に流入する流体は、流量計測器４、流体制御弁５、絞り弁６によって、フィードバック制御されると共に流量の微調整が行なわれることにより設定流量になるように微細に調節され、流量が一定になるように制御され、流体流出口７から流出される。また、絞り弁６の開度を変化させることで幅広い流量範囲で流量をコントロールすることができる。さらに、１つのケーシング２内に設置されて流体制御装置１が一つのモジュールとなるため、設置が容易になり、設置作業の作業時間が短縮でき、各部品がケーシング２によって保護されると共に、流体制御装置１をブラックボックス化することで安易に流体制御装置１を分解させることを防ぎ、不慣れな利用者が流体制御装置を分解することにより不具合が生じることを防止することができる。

次に、図７、図８に基づいて本発明の第二の実施例である流体制御装置について説明する。

１０４は流体制御装置である。流体制御装置１０４は、ケーシング１０５、流体流入口１０６、開閉弁１０７、流量計測器１０８、流体制御弁１０９、絞り弁１１０、流体流出口１１１、制御部１１２から形成され、その各々の構成は以下の通りである。

１０７は開閉弁である。開閉弁１０７は弁本体１１３、駆動部１１４、ピストン１１５、ダイヤフラム押さえ１１６、弁体１１７で形成される。

１１３は弁本体であり、軸線方向上端の中央に弁室１１８と、弁室１１８と連通した入口流路１１９と出口流路１２０とを有している。また、弁本体１１３の上面における弁室１１８の外側には環状溝１２１が設けられている。

１１４は駆動部であり、内部に円筒状のシリンダ部１２２が設けられ、前記弁本体１１３の上部にボルト・ナットで固定されている。駆動部１１４の側面にはシリンダ部１２２の上側及び下側にそれぞれ連通された一対の作動流体供給口１２３、１２４が設けられている。

１１５はピストンであり、駆動部１１４のシリンダ部１２２内に密封状態且つ軸線方向に上下動自在に嵌挿されており、底面中央にロッド部１２５が垂下して設けられている。

１１６はダイヤフラム押さえであり、中央部にピストン１１５のロッド部１２５が貫通する貫通孔１２６を有しており、弁本体１１３と駆動部１１４の間に挟持されている。

１１７は弁室１１８に収容されている弁体であり、ダイヤフラム押さえ１１６の貫通孔１２６を貫通し且つダイヤフラム押さえ１１６の下面から突出した前記ピストン１１５のロッド部１２５の先端に螺着されており、ピストン１１５の上下動に合わせて軸線方向に上下するようになっている。弁体１１７は外周にダイヤフラム１２７を有しており、ダイヤフラム１２７の外周縁は弁本体１１３の環状溝１２１内に嵌挿されており、ダイヤフラム押さえ１１６と弁本体１１３との間に挟持さている。第二の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第二の実施例である流体制御装置の作動について説明する。

流体制御装置１０４の流体流入口１０６から流入した流体は、まず開閉弁１０７に流入する。開閉弁１０７が開状態の場合、流体は開閉弁１０７を通過して流量計測器１０８に流入する。流量計測器１０８、流体制御弁１０９、絞り弁１１０、制御部１１２の作動は第一の実施例と同様なので説明を省略する。開閉弁１０７が閉状態の場合、流体は開閉弁１０７で遮断され、流体は開閉弁１０７から下流には流れなくなる。これにより、流体制御装置１０４内の流量計測器１０８、流体制御弁１０９、絞り弁１１０、制御部１１２のメンテナンス等を行なうことができる。また、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁１０７を閉状態にすることで流体の緊急遮断することができ、例えば腐食性流体が漏れ出ることで半導体製造装置内の部品を腐食させるなどの二次災害を防止することができる。

ここで、開閉弁１０７の作動を説明する。作動流体供給口１２４から外部より作動流体として圧縮空気が注入されると、圧縮空気の圧力でピストン１１５が押し上げられるためこれと接合されているロッド部１２５は上方へ引き上げられ、ロッド部１２５の下端部に接合された弁体１１７も上方へ引き上げられ弁は開状態となる。

一方、作動流体供給口１２３から圧縮空気が注入されると、ピストン１１５が押し下げられるのにともなって、ロッド部１２５とその下端部に接合された弁体１１７も下方へ押し下げられ、弁は閉状態となる。

以上の作動により、流体制御装置１０４の流体流入口１０６に流入する流体は、フィードバック制御されると共に流量の微調整が行なわれることにより設定流量になるように微細に調節され、流量が一定になるように制御され、流体流出口１１１から流出される。さらに、開閉弁１０７を閉状態にすることにより、流体制御装置１０４のメンテナンス等を容易に行なうことができ、また流体の緊急遮断を行なうことが可能である。

次に、図９に基づいて本発明の第三の実施例である流量計測器が他の超音波流量計である場合の流体制御装置について説明する。

３０３は流体制御装置のケーシング３０２内に設置された流量計測器である。流量計測器３０３は、入口流路３０７と、入口流路３０７から垂設された直線流路３０８と、直線流路３０８から垂設され入口流路３０７と同一方向に平行して設けられた出口流路３０９とを有し、入口、出口流路３０７、３０９の側壁の直線流路８の軸線と交わる位置に、超音波振動子３１０、３１１が互いに対向して配置されている。超音波振動子３１０、３１１はフッ素樹脂で覆われており、該振動子３１０、３１１から伸びた配線は後記制御部３０４の演算部３０５に繋がっている。なお、流量計測器３０３の超音波振動子３１０、３１１以外はＰＦＡ製である。第三の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様であるので説明を省略する。

流体制御装置３０１に流入した流体は、まず流量計測器３０３に流入し、直線流路３０８で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子３１０から下流側に位置する超音波振動子３１１に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子３１１で受信された超音波振動は電気信号に変換され、制御部３０４の演算部３０５へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子３１０から下流側の超音波振動子３１１へ伝播して受信されると、瞬時に演算部３０５内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子３１１から上流側に位置する超音波振動子３１０に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子３１０で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部３０４内の演算部３０５へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路３０８内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部３０５内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部３０５で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部３０６に出力される。第三の実施例のその他の作動は、第一の実施例と同様であるので説明を省略する。

次に、図１０、図１１に基づいて本発明の第四の実施例である流量計測器が超音波式渦流量計である場合の流体制御装置について説明する。

１３０は流体制御装置のケーシング１２９内に設置された流量計測器である。流量計測器１３０は、入口流路１３１と、入口流路１３１内に垂設されたカルマン渦を発生させる渦発生体１３２と、出口流路１３３とを備える直線流路１３４を有し、直線流路１３４の渦発生体１３２の下流側の側壁に、超音波振動子１３５、１３６が流路軸線方向に直交する位置に互いに対向して配置されている。超音波振動子１３５、１３６はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１３５、１３６から伸びた配線は制御部１３７の演算部に繋がっている。流量計測器１３０の超音波振動子１３５、１３６以外はＰＴＦＥ製である。第四の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様であるので説明を省略する。

次に、本発明の第四の実施例である流体制御装置の作動について説明する。

流体制御装置１２８に流入した流体は、まず流量計測器１３０に流入し、直線流路１３４で流量が計測される。直線流路１３４内を流れる流体に対して超音波振動子１３５から超音波振動子１３６に向かって超音波振動を伝播させる。渦発生体１３２の下流に発生するカルマン渦は、流体の流速に比例した周期で発生し、渦巻き方向が異なるカルマン渦が交互に発生するため、超音波振動はカルマン渦の渦巻き方向によってカルマン渦を通過する際に進行方向に加速、または減速される。そのため、超音波振動子１３６で受信される超音波振動は、カルマン渦によって周波数（周期）が変動する。超音波振動子１３５、１３６で送受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部１３７の演算部１３８へ出力される。演算部１３８では、送信側の超音波振動子１３５から出力された超音波振動と受信側の超音波振動子１３６から出力された超音波振動との位相差から得られたカルマン渦の周波数に基づいて直線流路１３４を流れる流体の流量が演算される。演算部１３８で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部１３９に出力される。第四の実施例のその他の部分の作動は、第一の実施例と同様であるので説明を省略する。

以上の作動により、超音波式渦流量計は、流量が大きいほどカルマン渦は多く発生するため大流量でも正確に流量を計測でき、大流量の流体制御に優れた効果を発揮する。

本発明の第一の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。 図１の流体制御弁の拡大図である。 図１の絞り弁の拡大図である。 図３の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。 図３の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。 図３の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。 本発明の第二の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。 図１の開閉弁の拡大図である。 本発明の第三の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。 本発明の第四の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。 図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 従来の純水流量の制御装置を示す概念構成図である。 従来の流体制御モジュールを示す部分断面図である。

符号の説明

１ 流体制御装置
３ 流体流入口
４ 流量計測器
５ 流体制御弁
６ 絞り弁
７ 流体流出口
８ 制御部
１０４ 流体制御装置
１０６ 流体流入口
１０７ 開閉弁
１０８ 流量計測器
１０９ 流体制御弁
１１０ 絞り弁
１１１ 流体流出口
１１２ 制御部
３０１ 流体制御装置
３０３ 流量計測器
３０４ 制御部

Claims (5)

1. 制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁（５）と、
   流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器（４）と、
   流量計測器（４）からの前記電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁（５）の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁（５）または該流体制御弁を操作する機器（１０３）へ出力する制御部（８）と、
   開口面積が調節可能な絞り弁（６）と、を具備する流体制御装置であって、
   前記流体制御弁（５）と前記流量計測器（４）と前記制御部（８）と前記絞り弁（６）とが全て一つのケーシング（２）内へ収納配設されていることを特徴とする流体制御装置。
2. 前記流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁（１０７）をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記流体制御弁（５）が、
   下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙（２４）と第二の空隙（２４）に連通する入口流路（２６）と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙（２４）の径よりも大きい径を持つ第一の空隙（２５）と第一の空隙（２５）に連通する出口流路（２７）と第一の空隙（２５）と第二の空隙（２４）とを連通し第一の空隙（２５）の径よりも小さい径を有する連通孔（２８）とを有し、第二の空隙（２４）の上面が弁座（２９）とされた本体（１６）と、
   側面あるいは上面に設けられた給気孔（３２）と排出孔（３３）とに連通した円筒状の空隙（３０）を内部に有し、下端内周面に段差部（３１）が設けられたボンネット（１７）と、ボンネット（１７）の段差部（３１）に嵌挿され中央部に貫通孔（３４）を有するバネ受け（１８）と、下端部にバネ受け（１８）の貫通孔（３４）より小径の第一接合部（３９）を有し上部に鍔部（３７）が設けられボンネット（１７）の空隙（３０）内部に上下動可能に嵌挿されたピストン（１９）と、
   ピストン（１９）の鍔部（３７）下端面とバネ受け（１８）の上端面で挟持支承されているバネ（２０）と、
   周縁部が本体（１６）とバネ受け（１８）との間で挟持固定され、本体（１６）の第一の空隙（２５）に蓋する形で第一の弁室（４６）を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム（４２）と、上面中央にピストン（１９）の第一接合部（３９）にバネ受け（１８）の貫通孔（３４）を貫通して接合固定される第二接合部（４４）と、下面中央に本体（１６）の連通孔（２８）と貫通して設けられた第三接合部（４５）とを有する第一弁機構体（２１）と、
   本体の第二の空隙（２４）内部に位置し本体の連通孔（２８）より大径に設けられた弁体（４７）と、弁体（４７）上端面に突出して設けられ第一弁機構体（２１）の第三接合部（４５）と接合固定される第四接合部（４９）と、弁体（４７）下端面より突出して設けられたロッド（５０）と、ロッド（５０）下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム（５２）とを有する第二弁機構体（２２）と、
   本体（１６）の下方に位置し第二弁機構体（２２）の第二ダイヤフラム（５２）周縁部を本体（１６）との間で挟持固定する突出部（５４）を上部中央に有し、突出部（５４）の上端部に切欠凹部（５５）が設けられると共に切欠凹部（５５）に連通する呼吸孔（５６）が設けられているベースプレート（２３）と、を具備し、
   ピストン（１９）の上下動に伴って第二弁機構体（２２）の弁体（４７）と本体（１６）の弁座（２９）とによって形成される流体制御部（５７）の開口面積が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体調節装置。
4. 前記絞り弁（６）が、
   上部に設けられた弁室（６０）の底面に弁座面（５９）が形成され、弁座面（５９）の中心に設けられた連通口（６１）に連通する第一流路（６２）と弁室（６０）に連通する第二流路（６３）を有する本体（５８）と、
   ステムの軸方向の進退移動により連通口（６１）に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体（６８）と弁座面（５９）に接離可能にされ第一弁体（６８）から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体（６９）と第二弁体（６９）から径方向へ連続して形成された薄膜部（７０）とが一体的に設けられた隔膜（６７）と、
   上部にハンドル（８９）が固着され下部内周面に雌ネジ部（８５）と外周面に雌ネジ部（８５）のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部（８６）を有する第一ステム（８４）と、
   内周面に第一ステム（８４）の雄ネジ部（８６）と螺合する雌ネジ部（９２）を有する第一ステム支持体（９１）と、
   上部外周面に第一ステム（８４）の雌ネジ部（８５）に螺合される雄ネジ部（７７）を有し下端部に隔膜（６７）が接続される第二ステム（７６）と、
   第一ステム支持体（９１）の下方に位置し第二ステム（７６）を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ（７８）と、
   第一ステム（８４）と隔膜押さえ（７８）を固定するボンネット（９５）とを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体調節装置。
5. 前記流量計測器（３）が、超音波流量計または超音波式渦流量計であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の流体調節装置。

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