JP2015114966A - 流量制御弁及びこれを用いた流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の清浄度をより高い状態で一定流量を維持し、しかも流体流量域の設定変更可能とする流量制御弁と、流量制御装置を提供する。【解決手段】流量制御弁１０１は、本体流入部１１と流入側チャンバ１３と中間流出部１２を備える流入側ブロック１０と、中間流入部３１と流出側チャンバ３３と弁座３７と本体流出部３２を備える流出側ブロック３０と、流入側ブロックと流出側ブロックを接続する接続ブロック５０と、中間流出部と中間流入部を接続する接続流路７０と、絞り部７５と、常時一定圧力が加わる第１ダイヤフラム２０と、弁座に対し進退動する弁体４７を備えた第２ダイヤフラム４０を備え、接続ブロックは接続チャンバを有しダイヤフラムの変動を他に伝達する伝達部材５５を収容し、絞り部の前後の圧力変動による両ダイヤフラムの進退動により弁体を弁座に対し進退動させて被制御流体の流量を一定に保持する。【選択図】図１

Description

本発明は流量制御弁及びこれを用いた流量制御装置に関し、特に所定の流体流量に一定化または可変後の流体流量を一定化する機能を備えた流量制御弁と、当該流量制御弁を備えた流量制御装置に関する。

半導体の製造工程では、シリコンウエハ（基板）表面を希釈した薬液で洗浄する処理等が行われる。これは、パーティクルや金属汚染物、酸化膜等を除去することを目的としており、複数種の薬液や純水を適当な比率で混合した処理液が使用される。処理液には、ＡＰＭ（アンモニアと過酸化水素水と純水）、ＨＰＭ（塩酸と過酸化水素水と純水）、ＤＨＦ（フッ酸と純水）、ＳＰＭ（硫酸と過酸化水素水）等が挙げられる。例えば、この洗浄処理が枚葉式の装置で実施される場合、水平に保持されて回転しているウエハの表面に処理液等が供給される。

枚葉式の洗浄装置では、混合された処理液がタンクに貯蔵されておりその処理液をウエハへ供給するキャビネット方式と、ウエハ直前で混合した処理液を直接供給するインラインミキシング方式がある。装置には流体の混合部があり、高濃度の薬液（原液）や純水が流通する配管が接続され、混合液の生成が行われる。ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の装置によるとウエハ表面に供給される混合液は少量であり、インライン方式を用いる場合、混合部への供給される薬液は微少量となる。例えば、ＤＨＦの生成では、フッ酸と純水の流量比は１：１００であり、純水の流量が２．０Ｌ／ｍｉｎに設定されていると、必要なフッ酸の流量は０．０２Ｌ／ｍｉｎとなる。このような微少量の薬液を制御する必要がある処理では、わずかな流量変化によりその洗浄効果に大きなばらつきが生じてしまう。そのため、混合部に対し薬液や純水を高精度に供給することができる定流量弁が必要となる。

また、半導体製造における大規模集積化、加工の微細化が進み、国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）において、２０１４年に２４ｎｍプロセスとなることが定められている。プロセスで表される数字（２４ｎｍ）は、ＭＰＵにおける最下層の最も狭い配線のピッチ（線幅＋線間隔）の半分（ハーフピッチ）として定義されている。このように配線幅が定められる中にあっては、半導体製造工程内における流体の流通経路に微細なゴミ（パーティクル）の混入は、製品の歩留まりに大きな影響を与える。パーティクルは、配線ピッチの４分の１（２０１４年のプロセスの場合、１２ｎｍ）以下とする必要があることから、流体の清浄度を維持しながら流通させる部材は大きな意味を持つ。

特許文献１に開示の定流量弁では、同軸上に配置された複数のダイヤフラムが被制御流体の圧力に対し一体に変動するように構成されている。流入部側に存在する弁座には、各ダイヤフラムと一体に変動する弁体がバルブの開閉動作を行う。これらにより、定流量弁内における差圧が調節されることで被制御流体の流出量を所定の流量に制御することが可能となる。また、流路構造は被制御流体を滞留させることがなく、差圧調節を簡単にできて応答性がよい。

しかし、微少流量域で制御を行う場合は、狭い開度で弁体を進退させる必要がある。この定流量弁では、複数のダイヤフラムが軸部で連結され、弁座が形成される流路内に前記軸部を挿通した構成である。このため、制御時の弁体の動作により、弁座と弁体が摺動するおそれがある。

特許文献２に開示の流量制御装置では、一次側流体に圧力変動が発生した場合に、第１圧力制御弁部によって第１圧力制御弁部の二次側が所定圧力に維持されて流量が制御される。一方、二次側流体に圧力変動が発生した場合に、第２圧力制御弁部によって第２圧力制御弁部の一次側が所定圧力に維持されて流量が制御される。従って、流量制御装置の一次側または二次側において圧力変動が発生した場合であっても、流体流量の安定化を高精度で実現することが可能である。

しかしながら、上記の流量制御装置では、二次側において流体の流出が停止される等により、流量制御装置内の流体圧力が上昇する。その際、第１圧力制御弁部が急激な閉動作を行うことによって、第１圧力制御弁部の弁座に対して弁体が強く衝突するおそれがある。

従来の定流量弁や流量制御装置にあっては、それぞれ上記のような作動により弁座と弁体等とが想定外の接触をして発塵する可能性も懸念される。そのため、微少流量を高精度で供給することが可能であり、さらに高い清浄度を維持することが可能な装置が求められている。

さらに、上記の要求を満たすとともに、所望の流量に設定を変更することができ、しかも当該変更後においても一定流量を維持することができれば、装置の集約も進む。特に、微少流量域における定流量化及び流量自体の制御を実現する装置があれば、これまで以上に流体供給の利便性が高まり、また、流体の清浄度をより保つことができる。そこで、流体流量の定流量化及び流量自体の制御を一括して実現する新たな装置が望まれていた。

特許第４０２２４３８号公報 （対応特許：ＵＳ ６８０５１５６Ｂ２，ＥＰ １３２１８４１０２１） 特開２００７−１０２７５４号公報 （対応特許：ＵＳ ２００７／００５６６４０Ａ１）

本発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、弁座と弁体等との想定外の接触を抑制して流体の清浄度をより高い状態で一定流量を維持する流量制御弁と、これを用いた流量制御装置を提供する。

すなわち、請求項１の発明は、被制御流体の本体流入部と、前記本体流入部に接続された流入側チャンバと、前記流入側チャンバに接続された中間流出部を備える流入側ブロックと、中間流入部と、前記中間流入部に接続された流出側チャンバと、前記流出側チャンバに形成された弁座と、前記流出側チャンバに接続された被制御流体の本体流出部を備える流出側ブロックと、前記流入側ブロック及び前記流出側ブロックを接続する接続ブロックと、前記中間流出部及び前記中間流入部を接続する接続流路とを備え、かつ、前記流入側チャンバ、前記流出側チャンバ、または前記接続流路の少なくともいずれかに絞り部を備えており、前記流入側ブロックと前記接続ブロックの間に第１ダイヤフラムが介装され、前記第１ダイヤフラムは、前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第１チャンバと該第１チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第２チャンバに区画し、前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ加圧手段によって常時一定圧力で前記第１チャンバ側に加圧し、前記流出側ブロックと前記接続ブロックの間に第２ダイヤフラムが介装され、前記第２ダイヤフラムは、前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第３チャンバと該第３チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第４チャンバに区画し、前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記弁座に対し進退動する弁体を備え、前記接続ブロックは前記第２チャンバから前記第４チャンバへ貫通する接続チャンバを有し、前記接続チャンバは前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムと係合して一のダイヤフラムの変動を他のダイヤフラムに伝達する伝達部材を収容しており、前記絞り部の前後の圧力変動による前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対し進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにしたことを特徴とする流量制御弁に係る。

請求項２の発明は、前記加圧手段がばねである請求項１に記載の流量制御弁に係る。

請求項３の発明は、前記加圧手段が加圧気体である請求項１に記載の流量制御弁に係る。

請求項４の発明は、前記絞り部が可変オリフィスである請求項１に記載の流量制御弁に係る。

請求項５の発明は、前記接続流路に流量検知部が備えられる請求項１に記載の流量制御弁に係る。

請求項６の発明は、請求項１に記載の流量制御弁と、被制御流体の流量検知部と、演算部とを備えるとともに前記流量制御弁の絞り部が可変オリフィスであり、前記流量制御弁が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続され、前記可変オリフィスを制御する信号を生成する制御部が設けられていることを特徴とする流量制御装置に係る。

請求項７の発明は、前記演算部が前記流量検知部の流量計測値に基づいたフィードバック制御を行う請求項６に記載の流量制御装置に係る。

請求項１の発明に係る流量制御弁によると、被制御流体の本体流入部と、前記本体流入部に接続された流入側チャンバと、前記流入側チャンバに接続された中間流出部を備える流入側ブロックと、中間流入部と、前記中間流入部に接続された流出側チャンバと、前記流出側チャンバに形成された弁座と、前記流出側チャンバに接続された被制御流体の本体流出部を備える流出側ブロックと、前記流入側ブロック及び前記流出側ブロックを接続する接続ブロックと、前記中間流出部及び前記中間流入部を接続する接続流路とを備え、かつ、前記流入側チャンバ、前記流出側チャンバ、または前記接続流路の少なくともいずれかに絞り部を備えており、前記流入側ブロックと前記接続ブロックの間に第１ダイヤフラムが介装され、前記第１ダイヤフラムは、前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第１チャンバと該第１チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第２チャンバに区画し、前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ加圧手段によって常時一定圧力で前記第１チャンバ側に加圧し、前記流出側ブロックと前記接続ブロックの間に第２ダイヤフラムが介装され、前記第２ダイヤフラムは、前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第３チャンバと該第３チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第４チャンバに区画し、前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記弁座に対し進退動する弁体を備え、前記接続ブロックは前記第２チャンバから前記第４チャンバへ貫通する接続チャンバを有し、前記接続チャンバは前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムと係合して一のダイヤフラムの変動を他のダイヤフラムに伝達する伝達部材を収容しており、前記絞り部の前後の圧力変動による前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対し進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにしたため、弁座と弁体等との想定外の接触を抑制して流体の清浄度をより高い状態で一定流量を維持することができる。

請求項２の発明に係る流量制御弁によると、請求項１の発明において、前記加圧手段がばねであるため、安価かつ簡易な構成で第１ダイヤフラムを付勢することができる。

請求項３の発明に係る流量制御弁によると、請求項１の発明において、前記加圧手段が加圧気体であるため、第１ダイヤフラムの第１チャンバ側への加圧を加圧気体の供給圧力に応じて適時変化可能である。

請求項４の発明に係る流量制御弁によると、請求項１の発明において、前記絞り部が可変オリフィスであるため、比較的容易に流量係数を変化させることができ、より幅広く流量域の可変調整が可能となる。

請求項５の発明に係る流量制御弁によると、請求項１の発明において、前記接続流路に流量検知部が備えられるため、接続流路の配管を活かして管路配置を簡素化することができる。

請求項６の発明に係る流量制御装置によると、請求項１に記載の流量制御弁と、被制御流体の流量検知部と、演算部とを備えるとともに前記流量制御弁の絞り部が可変オリフィスであり、前記流量制御弁が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続され、前記可変オリフィスを制御する信号を生成する制御部が設けられているため、被制御流体と接触する部材数は抑制され、被制御流体の清浄度が維持されやすい。

請求項７の発明に係る流量制御装置によると、請求項６の発明において、前記演算部が前記流量検知部の流量計測値に基づいたフィードバック制御を行うため、流量制御弁の二次側（下流側）に生じた流量変化に直ちに応答して、被制御流体の流量の増減を行い、常時一定の流量で被制御流体を流通させることができる。

第１実施例に係る流量制御弁の縦断面図である。 第１実施例の弁体が前進した状態の縦断面図である。 第１実施例の弁体が後退した状態の縦断面図である。 本発明の第２実施例に係る流量制御弁の縦断面図である。 本発明の第３実施例に係る流量制御弁の縦断面図である。 本発明の第４実施例に係る流量制御弁の縦断面図である。 本発明の第５実施例に係る流量制御弁の縦断面図である。 本発明の流量制御装置を組み入れた基板処理装置の概略図である。

本発明に規定し、各図に示す各実施例の流量制御弁１０１、１０２、１０３、１０４、及び１０５は、主に半導体製造工場や半導体製造装置等の流体管路に配設され、流体の流通制御に用いられる。具体的には、当該流量制御弁は、シリコンウエハの洗浄等に用いる超純水や、フッ酸、過酸化水素水、アンモニア水、塩酸等の各種処理に用いる薬液の流通流量を一定化する機能を備えた弁である。

図１の縦断面図に基づいて、第１実施例の流量制御弁１０１の構造から説明する。流量制御弁１０１は３つのブロックの組み合わせからなる。被制御流体が当該流量制御弁１０１に流入する側に流入側ブロック１０は配置され、被制御流体が当該流量制御弁１０１から流出する側に流出側ブロック３０は配置される。そして、流入側ブロック１０と流出側ブロック３０を接続する接続ブロック５０が備えられ、流入側ブロック１０、接続ブロック５０、及び流出側ブロック３０の順に組み合わせられる。

流入側ブロック１０には、被制御流体の本体流入部１１と、本体流入部１１に接続された流入側チャンバ１３と、この流入側チャンバ１３に接続された中間流出部１２が設けられる。流出側ブロック３０には、流入側ブロック１０の中間流出部１２から流出した被制御流体が流入する中間流入部３１と、中間流入部３１に接続された流出側チャンバ３３と、流出側チャンバ３３に形成された弁座３７と、流出側チャンバ３３に接続された被制御流体の本体流出部３２が設けられる。

流量制御弁１０１では、中間流出部１２と中間流入部３１を接続する接続流路７０が備えられる。いったん、流入側ブロック１０の流入側チャンバ１３に流入した被制御流体は中間流出部１２から出て接続流路７０を通過する。そして、流出側ブロック３０の流出側チャンバ３３に流入する。そして、図示の例では、流入側チャンバ１３、流出側チャンバ３３、接続流路７０の中から当該接続流路７０に絞り部７５（オリフィス）が備えられる。

接続ブロック５０は流入側ブロック１０と流出側ブロック３０の間に配置され、両ブロック１０，３０を互いに接続する。被制御流体の流入側となる第１ダイヤフラム２０は流入側ブロック１０と接続ブロック５０の間に介装される。第１ダイヤフラム２０にはダイヤフラム面となる肉薄の可動膜部２１と外周部２２が備えられる。流入側ブロック１０と接続ブロック５０の間に外周部２２が挟持され第１ダイヤフラム２０は固定される。

第１ダイヤフラム２０の介装に伴い流入側チャンバ１３は第１チャンバ１４と第２チャンバ１５の２つに区画される。第１チャンバ１４は流入側チャンバ１３に配置されるとともに被制御流体と接する区画である。第２チャンバ１５は第１チャンバ１４の背面側、つまり第１ダイヤフラム２０の反対面となり、被制御流体と接しない区画であり、接続ブロック５０の接続チャンバ５２と接する区画である。第２チャンバ１５は空気室となることから、接続ブロック５０に第２チャンバ１５と接続された呼吸路５８が形成される。

また、被制御流体の流出側となる第２ダイヤフラム４０は接続ブロック５０と流出側ブロック３０の間に介装される。第２ダイヤフラム４０にもダイヤフラム面となる肉薄の可動膜部４１と外周部４２が備えられる。接続ブロック５０と流出側ブロック３０の間に外周部４２が挟持され第２ダイヤフラム４０は固定される。

第２ダイヤフラム４０の介装に伴い流出側チャンバ３３は第３チャンバ３４と第４チャンバ３５の２つに区画される。第３チャンバ３４は流出側チャンバ３３に配置されるとともに被制御流体と接する区画である。第４チャンバ３５は第３チャンバ３４の背面側、つまり第２ダイヤフラム４０の反対面となり、被制御流体と接しない区画であり、接続ブロック５０の接続チャンバ５２と接する区画である。第４チャンバ３５も空気室となることから、接続ブロック５０に第４チャンバ３５と接続された呼吸路５９が形成される。

接続ブロック５０の内部には、第２チャンバ１５から第４チャンバ３５へ貫通する接続チャンバ５２が形成される。接続チャンバ５２の内部に伝達部材５５が進退自在に収容される。第１ダイヤフラム２０及び第２ダイヤフラム４０は伝達部材５５と係合しており、一のダイヤフラムの変動は他のダイヤフラムに伝達部材５５を介して直接伝達される。図示の伝達部材５５は柱段部５３を備えた円筒の柱状体５６である。第１ダイヤフラム２０と伝達部材５５との係合は面接触による当接である。第２ダイヤフラム４０と伝達部材５５との係合では、第２ダイヤフラム４０の中心部分に設けられたねじ部４６が伝達部材５５と螺合し、双方は機械的に接続される。従って、第２ダイヤフラム４０と伝達部材５５の進退動は常時同じとなる。

第１実施例の流量制御弁１０１の場合、ばね６１（コイルばね）が加圧手段６０として接続チャンバ５２内に備えられる。ばね６１は伝達部材５５の柱段部５３に挿入され、接続ブロック５０のブロック段部５１と当接する。そこで、加圧手段６０（図示のばね６１）の付勢力（ばね弾性）が作用することにより、常時伝達部材５５は第１ダイヤフラム２０側に押される。加圧手段６０としてばね６１を採用していることにより、付勢のための機構は簡便となりその分安価にすることができる。

第１ダイヤフラム２０は第１チャンバ１４内に流入する被制御流体の流体圧力を受圧する。そしてこの受圧と同時に、第１ダイヤフラム２０は前述の加圧手段６０（ばね６１）の作用によって常時一定の力で第１チャンバ１４側に加圧（付勢）される。

第２ダイヤフラム４０は接続流路７０を経由して第３チャンバ３４内に流入する被制御流体の流体圧力を受圧する。そして、流出側チャンバ３３に形成された弁座３７に対して進退動する弁体４７を備える。第１実施例の流量制御弁１０１の弁体４７はほぼ円錐形状のテーパーであり、第２ダイヤフラム４０の中心部から弁座３７方向に突出する。前述のばね６１の弾性により弁体４７には常時弁座３７から離れる作用が生じ、弁体４７は弁座３７に対して接触して弁座開口３６を閉鎖（閉弁）することはなく、常時適度な間隙を形成する。

従って、第２ダイヤフラム４０（弁体４７）が弁座３７に対して接近または離隔することにより、弁座開口３６の開口量が変化し、当該弁座開口３６を通過する被制御流体の流量は増減する。なお、第２ダイヤフラム４０に形成される弁体３７は図示の形状に限定されず円柱等の形状としてもよい。

図２の縦断面図は弁体４７の前進時の流量制御弁１０１である。流量制御弁１０１の一次側（上流側）の圧力上昇により、第１ダイヤフラム２０側の被制御流体の流体圧力は上昇する。このため、第１ダイヤフラム２０は図１から比較して後退する。図示では上昇となる。この動きに連動して第１ダイヤフラム２０と接触している伝達部材５５も後退する。図示では上向きとなる。そこで、伝達部材５５と接続された第２ダイヤフラム４０は前進し、第２ダイヤフラム４０に形成された弁体４７も弁座３７の方向に前進する。こうして、弁座開口３６の開口量は弁体４７により縮小される。

図示の流量制御弁１０１は絞り部７５に可変オリフィス７６を用いた例である。当該流量制御弁は、流通する流体流量を所望の流量域に可変するとともに一定流量に安定化できる弁である。

図３の縦断面図は弁体４７の後退時の流量制御弁１０１である。流量制御弁１０１の二次側（下流側）の圧力上昇により、第２ダイヤフラム４０側の被制御流体の流体圧力は上昇する。この場合、第２ダイヤフラム４０側に第１ダイヤフラム２０からの荷重を押し戻す方向の作用が生じる。そこで、第２ダイヤフラム４０及び伝達部材５５は弁体４７とともに弁座３７から後退し、弁座開口３６の開口量が多くなる。そして、伝達部材５５と係合する第１ダイヤフラム２０にも動作が伝達され、伝達部材５５を通じて第１ダイヤフラム２０は前進する。

図３の流量制御弁１０１は接続流路７０に流量検知部７７を備える。流量検知部７７は、公知の差圧式流量計、超音波流量計等である。このため、接続流路の配管を活かして管路配置を簡素化することができる。

このように、第１ダイヤフラム２０及び第２ダイヤフラム４０は絞り部７５前後の被制御流体の圧力変動を受ける。そして、各ダイヤフラムに生じた変動は伝達部材５５を介してそれぞれのダイヤフラムに伝達される。この結果、生じた変動は第２ダイヤフラム４０と弁体４７の進退動作に正確に反映され、弁体４７は弁座３７に対して進退動する。そこで、弁座開口３６の開度（開口量）は調整され、結果的に流量制御弁１０１を通過する被制御流体の流量は一定流量に維持される。

第１実施例の流量制御弁１０１における流入側ブロック１０、第１ダイヤフラム２０、流出側ブロック３０、第２ダイヤフラム４０等の主要部材には、前記の被制御流体による腐食、あるいは被制御流体の清浄度に影響を与えない性質が求められる。このため、流量制御弁１０１の主要構成部材は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ等のフッ素樹脂、またはステンレス鋼等の耐食性金属、もしくはこれらの組み合わせ等、その他の耐食性及び耐薬品性の高い材料によって形成される。特に、被制御流体と接触する部位の部材には前記の樹脂素材が用いられる。

図示の流量制御弁１０１では、フッ素樹脂のブロックから切削により加工、形成される。後出の第２ないし第４実施例の流量制御弁１０２，１０３，１０４も被制御流体の清浄度に影響を与えない点を考慮して流量制御弁１０１と同様のフッ素樹脂のブロックから構成される。

続いて流量制御弁１０１における被制御流体の流量と流体圧力の関係について、前出の図１を参照して説明する。以下の説明に際し、第１ダイヤフラム２０に加わる流体圧力を「Ｐ１」、第２ダイヤフラム４０に加わる流体圧力を「Ｐ２」、第２ダイヤフラム４０に加わる本体流出部３２側の流体圧力を「Ｐ３」、加圧手段６０により第１ダイヤフラムに加わる荷重（図示のばね６１のばね荷重）を「ＳＰ」、第１ダイヤフラム２０の有効受圧面積を「Ｓ１」、第２ダイヤフラム４０の有効受圧面積を「Ｓ２」、弁座３７の弁座開口３６の面積を「Ｓ３」とする。そして、被制御流体の流量を「Ｑ」、絞り部７５の開度面積により設定される流量係数を「Ａ」、絞り部７５の前後に生じる差圧（Ｐ１−Ｐ２）を「ΔＰ」として表す。なお、第１ダイヤフラム２０の有効受圧面積Ｓ１と第２ダイヤフラム４０の有効受圧面積Ｓ２は等しい（Ｓ１＝Ｓ２）とする。また、ダイヤフラムにおける有効受圧面積とは、その可動部である薄肉の膜部からなるダイヤフラム面の可動膜部が有効に圧力を受ける面積である。

第１ダイヤフラム２０を後退させる力（Ｆ１）、第２ダイヤフラム４０を後退させる力（Ｆ２）は、それぞれ下記の式で表される。
Ｆ１＝Ｓ１×Ｐ１
Ｆ２＝（Ｓ２−Ｓ３）×Ｐ２＋Ｓ３×Ｐ３＋ＳＰ

ここで、弁座３７の弁座開口３６の面積Ｓ３をごく小さくすることにより、第２ダイヤフラム４０に加わる本体流出部３２側の流体圧力Ｐ３は無視可能となる。これらから、バランス式（Ｆ１＝Ｆ２）は、下記のとおりである。
Ｓ１×Ｐ１＝Ｓ１×Ｐ２＋ＳＰ
Ｓ１（Ｐ１−Ｐ２）＝ＳＰ
ΔＰ＝ＳＰ／Ｓ１

上記の式から理解されるように、流量制御弁１０１の絞り部７５による差圧（ΔＰ）は、加圧手段６０の荷重（ＳＰ）及び第１ダイヤフラム２０、第２ダイヤフラム４０の有効受圧面積（Ｓ１＝Ｓ２）により決定される。そこで、流体の流量（Ｑ）は、差圧（ΔＰ）によって決定されることから、下記の式で表すことができる。
Ｑ＝Ａ×√（ΔＰ） … （ｉ）
＝Ａ×√（ＳＰ／Ｓ１）

従って、流量制御弁１０１では、加圧手段６０の荷重（ＳＰ）を可変とすることで差圧（ΔＰ）を変化させて、流体の流量（Ｑ）を変更させることが可能となる。なお、加圧手段６０の加圧量を変化させる方法としては、ばね自体の交換等によりばね荷重を変化させる方法がある。

さらに、開示の流量制御弁１０１をはじめとする各実施例の流量制御弁にあっては、絞り部７５として流路の開度を調整可能な可変オリフィス７６が採用される（図２等参照）。図８にて後述する流量制御装置への組み込みを前提とした場合、流量制御は容易になる。可変オリフィス７６は被制御流体の流量変化をより容易にするためである。この可変オリフィス７６には公知の進退動作可能な弁機構が採用される。そして、可変オリフィス７６の弁機構（図示せず）の進退量の制御に際し、公知のステッピングモータ、サーボモータ、超音波モータ等、さらには、電空変換器から供給される加圧気体が用いられ、外部からの制御信号に基づいて流量が調整される。

ここで、絞り部に可変オリフィスを採用する利点を説明する。流体の流量（Ｑ）と差圧（ΔＰ）の関係は、前述の式（ｉ）として示される。同式（ｉ）において、差圧（ΔＰ）を変化させて流量（Ｑ）を増減させようとする場合、流量（Ｑ）は差圧（ΔＰ）の「１／２乗倍」変化することになる。このため、差圧（ΔＰ）の変化量を変化させたとしても、差圧（ΔＰ）の変化に見合う分の流量（Ｑ）を変化させることは難しい。また、差圧（ΔＰ）の調整はばねの調整等を伴うため必ずしも簡単ではない。

しかし、式（ｉ）において、流量（Ｑ）は流量係数（Ａ）に対しては単純な比例関係である。そうすると、流量係数（Ａ）を変化させることによって、効果的に流量（Ｑ）を変化させることができる。すなわち、同式における流量係数（Ａ）の増減に相当する事項は、可変オリフィスの開度量である。

このように、流量制御弁において絞り部に可変オリフィスを備えることによって、比較的容易に流量係数を変化させることができる。よって、より幅広く流量域の可変調整が可能となる。また、可変オリフィスの開度調節は外部からの制御信号に基づいて制御されるため、容易に目的とする流量域への変更が可能となる。

図４は第２実施例の流量制御弁１０２の縦断面図である。第２実施例の流量制御弁１０２の加圧手段６０は加圧気体６２である。電空変換器６３（電空レギュレータ）から供給される加圧気体６２は接続ブロック５０の流入口６４から接続ブロック５０を通過して第２チャンバ１５内に流入する。そして、第１ダイヤフラム２０は背面側から常時一定圧力により第１チャンバ１４側に加圧される。加圧手段に加圧気体を用いる場合、第１ダイヤフラム２０の第１チャンバ１４側への加圧を加圧気体の供給圧力に応じて適時変化可能である。

第２チャンバ１５内の気密を維持するため、伝達部材５５（柱状体５６）の胴部にパッキン５７が配される。また、第１ダイヤフラム２０の中心部分に設けられたねじ部２６が伝達部材５５と螺合し、双方は機械的に接続される。そこで、第１ダイヤフラム２０、伝達部材５５、及び第２ダイヤフラム４０の進退動は一体化される。図中、符号７３は連結部材、７４は封止栓である。

さらに、第２実施例の流量制御弁１０２によると、接続流路７０ｂが接続ブロック５０の内部に形成される。被制御流体は流入側ブロック１０の中間流出部１２から直接接続ブロック５０の接続流路７０ｂに流入し、ここから流出側ブロック３０の中間流入部３１に流入する。このように、流量制御弁の外部の流路を用いないため、清浄度の点で優れている。当該構造の流量制御弁１０２では、中間流入部３１の終端付近に絞り部７５が形成され、第１ダイヤフラム２０側と第２ダイヤフラム４０側との間に差圧が生じる構造である。

従って、加圧手段の変更、接続流路、絞り部の配置に関わらず、流量制御弁１０２においても、第１ダイヤフラム２０と第２ダイヤフラム４０の進退動は伝達部材５５を通じて相互に伝達される。被制御流体の一定化の作用は前述の流量制御弁１０１と同様となる。

図５の縦断面図は第３実施例の流量制御弁１０３である。流量制御弁１０３では、被制御流体の本体流入部１１と本体流出部３２が直線上に配置される。図６の縦断面図は第４実施例の流量制御弁１０４である。流量制御弁１０４では、被制御流体の本体流入部１１と逆方向に本体流出部３２が配置される。両実施例の流量制御弁１０３及び１０４における本体流入部１１と本体流出部３２の配置は、流入側ブロック１０及び流出側ブロック３０の加工により自由である。例えば、本体流入部１１と本体流出部３２の向きを流量制御弁の上方から見て１８０°とする他、９０°や適宜の角度に形成することもできる。従って、流量制御弁を接続する流体配管の構成に自在に対応した設計が可能であり、しかも、性能上に差異はない。

図７の縦断面図は第５実施例の流量制御弁１０５である。流量制御弁１０５の場合、接続流路７０ｃは流量制御弁１０５の側面に接続された流路ブロック７９の内部に形成される。接続に際して連結部材７３，７８が介在される。被制御流体は流入側ブロック１０の中間流出部１２から流路ブロック７９内のＶ字状の接続流路７０ｃに流入し、ここを経由して流出側ブロック３０の中間流入部３１に流入する。当該構造の流量制御弁１０５では、流入側チャンバ１３の終端付近に相当する連結部材７８の内部に絞り部７５が形成され、第１ダイヤフラム２０側と第２ダイヤフラム４０側との間に差圧が生じる構造である。

これまでに図示し説明した第１実施例ないし第５実施例の流量制御弁１０１ないし１０５において、加圧手段、絞り部、流量検知部、または、本体流入部もしくは本体流出部の配置等は、適宜組み替えることができる。例えば、流量制御弁１０１において絞り部を可変オリフィスとし加圧手段を加圧気体とすることができる。さらに、本発明の流量制御弁は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の一部を適宜に変更して実施することができる。

次に、本発明の流量制御装置について説明する。当該流量制御装置に使用する流量制御弁は、絞り部に可変オリフィスを備えるとともに当該可変オリフィスに対し外部信号の制御下で流路の開度を調整し流量を可変する。以下、流量制御弁１００として図示し説明する。流量制御弁１００は、既述の第１ないし第５実施例の流量制御弁１０１ないし１０５からの選択またはそれらの組み合わせにより得ることができる。

図８の概略図はシリコンウエハＷを１枚ずつ処理する枚葉方式の基板処理装置である。シリコンウエハＷはスピンチャック１の回転盤に載置される。シリコンウエハＷの直上に処理液を放出する処理液ノズル２が備えられる。シリコンウエハの洗浄等の処理液は流体配管３を通じて処理液ノズル２に供給される。

処理液は流量制御弁にて説明済みの被制御流体であり、超純水や、フッ酸、過酸化水素水、アンモニア水、塩酸等である。各被制御流体は種類毎に供給部９Ａ，９Ｂ，９Ｃに貯蔵され、それぞれの供給部に対応した流体配管３ａ，３ｂ，３ｃを通じて流体混合部４に供給される。供給された被制御流体は流体混合部４において均一に混合され、流体配管３を通じて処理液ノズル２に供給される。そして被制御流体の供給を制御する流量制御装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、図示のとおり、被制御流体の供給部９Ａ，９Ｂ，９Ｃと流体混合部４の間の流体配管３ａ，３ｂ，３ｃの管路中に接続される。各流量制御装置は種類毎の被制御流体の供給部に対応する。

流量制御装置５Ａ，５Ｂ，５Ｃには、流量制御弁１００、被制御流体の流量検知部６、演算部７が備えられる。さらに、流量制御弁に付属する可変オリフィスを制御する信号を生成する制御部８も備えられる。流量制御弁１００、流量検知部６、演算部７、及び制御部８は信号線ｓにより接続されている。流量制御装置５Ａを例にとると、流量制御弁１００及び流量検知部６は、被制御流体の供給部９Ａと被制御流体の流体混合部４との間の流体配管３ａに接続されている。図示の流量制御装置のように、被制御流体と接触する部材数は抑制され、被制御流体の清浄度は維持されやすい。

流量検知部６は流量制御弁１００の二次側（下流側）の流量を検知する公知の流量計である。例えば、差圧式流量計、超音波式流量計等である。なお、流量検知部６の設置を接続流路７０とすることもできる。図３の流量検知部７７が参照される。演算部７はマイクロコンピュータやＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）等の公知の演算装置である。外部からの指示、または流量検知部６により検出した被制御流体の流量計測値の変化に応じて流量制御弁１００の流量制御のための信号を生成する。

制御部８は、絞り部となる可変オリフィス内に備えられる弁機構体（図示せず）の進退量制御ためのステッピングモータ、サーボモータ等の駆動に必要なパルス発信器、コントローラ、ドライバ等である。可変オリフィスの進退制御が加圧気体の場合、制御部８は電空変換器であり、所定圧力に調整された加圧気体が当該制御部から可変オリフィスに供給される。制御部８は、可変オリフィス内の流量調整に不可欠である。特に、モータの回転量の円滑な制御、または加圧気体の供給圧力の調整等の具体的な動作制御において重要である。

流量検知部６から流量制御弁１００に至る信号の流れの一例を挙げると、概ね次のとおりである。流体配管中の被制御流体の流量変化は流量検知部６を通じて計測され、その信号は演算部７に送信される。演算部７では、最適な可変オリフィスの開度とするべく内部の弁機構体の進退位置が算出される。併せて、可変オリフィス内のモータの動作のための動作信号が生成される。そして、動作信号が演算部７から制御部８に送信される。制御部８においては、具体的にモータを駆動させるためのパルス信号が生成され、このパルス信号はモータ駆動電流に変換される。そして、モータ駆動電流は可変オリフィス内のモータに送信され、モータは規定量回転する。モータの回転量や位置制御のため、必要により、エンコーダ等（図示せず）も備えられる。

流量検知部６から流量制御弁１００に至る信号の流れから理解されるように、演算部７は、流量検知部６の流量計測値に基づいてフィードバック制御を実行する。従って、流量制御弁１００の二次側（下流側）に生じた流量変化に直ちに応答して、被制御流体の流量の増減を行い、常時一定の流量で被制御流体を流通させることができる。なお、演算部７と制御部８を集約して演算制御ユニットとしてもよい。

本発明に開示する流量制御弁は、流通する流体の圧力変化に対して鋭敏に反応して定流量化を実現することができ、しかも、流体の清浄度をより高い状態で維持することができる。同時に、被制御流体の流体流量域を変更する機能も備える。従って、半導体製造分野、燃料電池等の極めて精密な流量制御、かつ高清浄度を求められる用途に好都合である。

５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 流量制御装置
６，７７ 流量検知部
７ 演算部
８ 制御部
１０ 流入側ブロック
１１ 本体流入部
１２ 中間流出部
１３ 流入側チャンバ
１４ 第１チャンバ
１５ 第２チャンバ
２０ 第１ダイヤフラム
３０ 流出側ブロック
３１ 中間流入部
３２ 本体流出部
３３ 流出側チャンバ
３４ 第３チャンバ
３５ 第４チャンバ
３６ 弁座開口
３７ 弁座
４０ 第２ダイヤフラム
４７ 弁体
５０ 接続ブロック
５５ 伝達部材
６０ 加圧手段
６１ ばね
６２ 加圧気体
７０，７０ｂ 接続流路
７５ 絞り部
７６ 可変オリフィス
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ 流量制御弁

Claims (7)

1. 被制御流体の本体流入部と、前記本体流入部に接続された流入側チャンバと、前記流入側チャンバに接続された中間流出部を備える流入側ブロックと、
   中間流入部と、前記中間流入部に接続された流出側チャンバと、前記流出側チャンバに形成された弁座と、前記流出側チャンバに接続された被制御流体の本体流出部を備える流出側ブロックと、
   前記流入側ブロック及び前記流出側ブロックを接続する接続ブロックと、
   前記中間流出部及び前記中間流入部を接続する接続流路とを備え、かつ、
   前記流入側チャンバ、前記流出側チャンバ、または前記接続流路の少なくともいずれかに絞り部を備えており、
   前記流入側ブロックと前記接続ブロックの間に第１ダイヤフラムが介装され、
   前記第１ダイヤフラムは、前記流入側チャンバに配置され該流入側チャンバを被制御流体と接する第１チャンバと該第１チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第２チャンバに区画し、前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ加圧手段によって常時一定圧力で前記第１チャンバ側に加圧し、
   前記流出側ブロックと前記接続ブロックの間に第２ダイヤフラムが介装され、
   前記第２ダイヤフラムは、前記流出側チャンバに配置され該流出側チャンバを被制御流体と接する第３チャンバと該第３チャンバの背面側となり被制御流体と接しない第４チャンバに区画し、前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧しかつ前記弁座に対し進退動する弁体を備え、
   前記接続ブロックは前記第２チャンバから前記第４チャンバへ貫通する接続チャンバを有し、前記接続チャンバは前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムと係合して一のダイヤフラムの変動を他のダイヤフラムに伝達する伝達部材を収容しており、
   前記絞り部の前後の圧力変動による前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムの進退動により前記弁体を前記弁座に対し進退動させて被制御流体の流量を一定に保持するようにした
   ことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記加圧手段がばねである請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記加圧手段が加圧気体である請求項１に記載の流量制御弁。
4. 前記絞り部が可変オリフィスである請求項１に記載の流量制御弁。
5. 前記接続流路に流量検知部が備えられる請求項１に記載の流量制御弁。
6. 請求項１に記載の流量制御弁と、被制御流体の流量検知部と、演算部とを備えるとともに前記流量制御弁の絞り部が可変オリフィスであり、
   前記流量制御弁が、被制御流体の供給部と被制御流体の流体混合部との間の流体配管に接続され、前記可変オリフィスを制御する信号を生成する制御部が設けられていることを特徴とする流量制御装置。
7. 前記演算部が前記流量検知部の流量計測値に基づいたフィードバック制御を行う請求項６に記載の流量制御装置。

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