JP2016156397A - 流体制御弁の弁付勢構造 - Google Patents

Abstract

【課題】弁座部に着座する弁部の進退動作時の垂直軸のずれを解消することにより着座部分の材料組織の磨耗に伴うパーティクルの被制御流体への混入を抑制し、被制御流体の高度な清浄度を維持することができる流体制御弁のための弁付勢構造を提供する。【解決手段】被制御流体の流入部２１と、被制御流体の流出部２２と、流入部と流出部の間に弁座部２３を形成した弁室２０を有する弁室ボディ部１１と、弁座部を進退自在にシールするシール部３３を有する弁部３１と、シール部側と逆側に形成され弁室内に装着されたダイヤフラム部４０とを備える弁機構部３０と、弁機構部を進退させることにより弁座部の開閉を制御する進退部９０と、弁機構部を常時弁座部側に付勢するための付勢ばね５０としてコイルドウェーブスプリングとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は流体制御弁の弁付勢構造に関し、特に進退動作時の弁体の軸のずれを抑制してパーティクルの発生を抑制する流体制御弁の弁付勢構造に関する。

半導体の製造等において、シリコンウエハの洗浄用の純水やエッチング処理用の薬液等の流体には極めて高い清浄度が求められる。具体的には、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、２０１５年に３２ｎｍ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（３２ｎｍ）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（２０１５年のプロセスの場合、８ｎｍ）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。

例えば、従前構造の流体制御弁は図５に開示される（特許文献１等参照）。同流体制御弁１００は、被制御流体の流入部１２１及び流出部１２２と、流入部１２１及び流出部１２２の間に弁座部１２３を形成した弁室１２０を有する弁室ボディ部１１１、弁座部１２３を進退自在にシールする弁部１３１と弁室１２０内に装着されたダイヤフラム部１４０とを備える弁機構部１３０を備える。エアポート１９１から流出入する作動エアにより弁機構部１３０を進退させて弁座部１２３の開閉を駆動制御する駆動機構体１９０を弁室ボディ部１１１上のハウジングボディ部１１２内に収容している。駆動機構体１９０は、弁機構部１３０に接続されエアポート１９１から流入する作動エアを受ける受圧部１５６を有するピストン部１５０と、ピストン部１５０を弁座部１２３側に付勢するばね１８０を備える。図中、符号１１４は呼吸穴、１１６はピストン空間部である。

図５の流体制御弁は、弁部が弁座部から離れて被制御流体が流通している状態である。ここで、エアポート１９１からの作動エアの供給圧力を低下することにより、ピストン部１５０の受圧部１５６に加わる圧力が低下する。結果、ばね１８０の付勢力が流入する作動エアの圧力に勝り、ピストン部１５０は降下する。こうして、弁機構部１３０を通じて弁部１３１は弁座部１２３に着座する。

図示の流体制御弁１００において、弁部１３１及び弁座部１２３を含む各部材は、一般にＰＴＦＥ等のフッ素樹脂製であり、切削により所定形状に形成される。ＰＴＦＥは耐薬品性が高く、また、清浄度も高く、半導体製造設備に多く用いられている。流体制御弁１００の構造から理解されるように、被制御流体の流通を完全に停止する場合、弁部１３１は弁座部１２３に着座する。つまり双方は衝突することになる。当該流体制御弁を長時間使用し続ける間に、弁座部及び弁部の双方に磨耗が生じる。弁の構造上、磨耗部分から剥離するパーティクルの発生を完全に回避することは困難である。

特許３５９０５７２号公報

加えて、図示のようなつるまきばねの場合、流体制御弁の長時間の使用に際し、弁座部１２３に着座する弁部１３１の垂直方向の軸にずれが生じやすくなる。進退動作時の垂直軸がずれてしまうと弁座部１２３や弁部１３１は偏って磨耗してしまう。そうすると、パーティクルは生じやすくなると考えられる。

前述のロードマップ等にもあるように、従来の基準よりもさらに微細なパーティクルが問題視され、その対応がより求められるようになった。従って、従来構造の流体制御弁のままでは、新しい基準に対応したパーティクルの発生抑制に対応することには十分とは言い切れない。そこでパーティクル発生の抑制に対応した新しい構造の流体制御弁が求められるに至った。

本発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、弁座部に着座する弁部の進退動作時の垂直軸のずれを解消することにより着座部分の材料組織の磨耗に伴うパーティクルの被制御流体への混入を抑制し、被制御流体の高度な清浄度を維持することができる流体制御弁のための弁付勢構造を提供する。

すなわち、請求項１の発明は、被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座部を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、前記弁座部を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構部と、前記弁機構部を進退させることにより前記弁座部の開閉を制御する進退部と、前記弁機構部を常時前記弁座部側に付勢するための付勢ばねとしてコイルドウェーブスプリングとを備えたことを特徴とする流体制御弁の弁付勢構造に係る。

請求項２の発明は、前記弁座部及び前記シール部がフッ素樹脂により形成されている請求項１に記載の流体制御弁の弁付勢構造に係る。

請求項１の発明に係る流体制御弁の弁付勢構造によると、被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座部を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、前記弁座部を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構部と、前記弁機構部を進退させることにより前記弁座部の開閉を制御する進退部と、前記弁機構部を常時前記弁座部側に付勢するための付勢ばねとしてコイルドウェーブスプリングとを備えたため、弁座部に着座する弁部の進退動作時の垂直軸のずれが解消されて着座部分の材料組織の磨耗に伴うパーティクルの被制御流体への混入が抑制される。

請求項２の発明に係る流体制御弁の弁付勢構造によると、請求項１の発明において、前記弁座部及び前記シール部がフッ素樹脂により形成されているため、材料組織の磨耗の偏りが軽減され、着座部分からのパーティクル発生は有効に抑制される。

本発明の第１実施形態に係る流体制御弁の第１縦断面図である。 本発明の第１実施形態に係る流体制御弁の第２縦断面図である。 従来の付勢手段の変形時の概略側面図である。 本発明における付勢手段の変形時の概略側面図である。 従来の流体制御弁の縦断面図である。

本発明として図示する流体制御弁１０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る。流体制御弁１０は流体管路を流れる純水や薬液等の被制御流体の流れを制御し、作動エアの供給制御に応じて被制御流体の流通を停止し、また再開する操作弁である。開示の流体制御弁１０においては、図１のとおり紙面左側（符号２１）から右側（符号２２）へ（上流側から下流側へ）被制御流体を流通させる配置である。これとは逆に、紙面右側から左側へ被制御流体を流通させる配置とすることも可能である（図示せず）。流体制御弁１０の接続の仕方は、配置場所の管路設計により適宜変更可能である。被制御流体の配管において、流体制御弁１０は上流側と下流側の間に配置される。被制御流体が流体制御弁１０内を通過（流通）する際に被制御流体の圧力は低下する。こうして、被制御流体の流体圧力の制御を通じて、被制御流体の流通流量は制御される。そこで、圧力及び流量の制御全般に使用される弁の意味から、流体制御弁とした。

図１及び図２の全体断面図を用い、第１実施形態の流体制御弁１０と、これに含まれる弁付勢構造Ｓｂを説明する。図１は被制御流体の流通状態であり、図２は被制御流体の流通停止状態である。実施例の流体制御弁１０は、被制御流体を流通させる弁室ボディ部１１と、被制御流体の流通を停止可能とする弁機構部３０と、弁機構部３０の進退動作を行う進退部９０と、進退部９０を収容するハウジングボディ部１２を備える。

弁室ボディ部１１は被制御流体の流入部２１及びその流出部２２を備える。弁室ボディ部１１の流入部２１と流出部２２の間に、弁座部２３を形成した弁室２０が配される。

弁機構部３０は弁部３１（弁体）とダイヤフラム部４０を備える。図示の弁部３１は台形錐形状であり、その下部に弁座部２３を進退自在にシール（密着）するシール部３３が形成される。そして、弁部３１には、弁機構部３０の前進方向（図２の下向き）に被制御流体の流体圧力を受ける受圧部３２が備えられる。受圧部３２が設けられていることにより、弁機構部３０（ダイヤフラム部４０の可動膜部４１）に生じる上向きの力とは逆の下向きの力が発生する。そのため、被制御流体の流体圧力を通じて弁機構部３０を下向きに作用させやすくなる。弁部３１の中心には後出のピストン軸部５２の接続軸部５３に接続される接続穴３４が設けられる。

ダイヤフラム部４０は、ダイヤフラム面となる薄肉の可動膜部４１と、可動膜部４１の外周に配置される外周部４２を有する。図示の例では、弁機構部３０は弁部３１とダイヤフラム部４０を一体物として形成される。むろん、双方を別々に形成して事後的に接続する構成でもよい。外周部４２は、弁室ボディ部１１と弁室ボディ部の直上に配置される中間ボディ部１３との間に挟着されて固定される。中間ボディ部１３の上部にハウジングボディ部１２が重ねられる。ハウジングボディ部１２は内部にピストン空間部１６を有し、エアポートにより作動エアの流出及び流入が可能となる。実施例では、流体制御弁１０の外部とピストン空間部１６は、作動エアの第１エアポート９１と第２エアポート９２により接続される。ダイヤフラム部４０の可動膜部４１上部の空気流通のため、中間ボディ部１３に呼吸路１４が形成される。

エアポート（第１エアポート９１）から流入する作動エアの供給圧力が制御されることにより、弁座部２３の開閉を駆動制御する進退部９０は弁機構部３０を進退させる。進退部９０はハウジングボディ部１２のピストン空間部１６内に進退自在に収容される。細管路１７は第１エアポート９１とハウジングボディ部１２内のピストン空間部１６との間に形成される。細管路１７（絞り部）とすることにより、作動エアの流入量及び流出量を減少させることができる。そこで、作動エア量の変化に伴う進退部９０の急な動作を抑制することができる。第２エアポート９２は通気路１８を経由して、ピストン空間部１６の上部に形成されたばね収容部１５と通じている。第２エアポート９２と通気路１８はピストン空間部の上部の空気の抜け道となる。

進退部９０は、ピストン頭部５１、ピストン軸部５２、接続軸部５３を備え、弁機構部３０の弁部３１と螺着等により接続される。ピストン軸部５２は中間ボディ部１３に形成された挿通穴５６内に挿入され、支持される。従って、進退部９０の上下動作と弁機構部３０の進退動作は連動する。進退部９０の進退動作（上下動作）に際し、図示では、付勢ばね５０がピストン頭部５１のばね接触部５４を弁座部２３側に付勢する部材として使用される。また、弁座部２３には突状部７０が形成される。突状部７０は環状であり、シール部３３と線接触する。

特に本発明において、コイルドウェーブスプリングが付勢ばね５０として使用される。コイルドウェーブスプリング（ＣＷＳと省略する。）とは、主にＪＩＳ Ｂ ０１０３（２０１２），分類３２９０，図９４に開示の特徴を有するばねである。当該付勢ばね５０はハウジングボディ部１２のばね支持部１９に装着される。そこで、ピストン頭部５１は常時ばね接触部５４を通じて図示下向きに付勢される。従って、本発明の弁付勢構造Ｓｂは、作動エアとともにコイルドウェーブスプリングの付勢ばね５０と、その付勢力を受ける進退部９０である。

図示の実施形態の場合、ピストン空間部１６内の作動エアの気密性確保の観点から、パッキン６１，６２，６３が必要箇所に装着される。これらのパッキンはウレタンゴム、ＮＢＲ、ＨＮＢＲ、シリコーンゴム、フッ素樹脂ゴム等の公知の耐久性素材から形成されるＯリング等である。

流体制御弁１０は、超純水の他、フッ酸、過酸化水素水等の被制御流体に曝露される。そのため、耐蝕性及び耐薬品性の高いＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂から形成される。図示の流体制御弁１０では、弁室ボディ部１１、ダイヤフラム部４０、中間ボディ部１３、及びハウジングボディ部１２は、フッ素樹脂においてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から形成される。前記の各種ＰＴＦＥ製の部材は切削により所望の形状に加工される。

ここで、図１及び図２を用い、流体制御弁１０の弁機構部３０の進退動作と弁座部２３の開閉について説明する。なお、各所のパッキンや各部材間に生じる摩擦抵抗の影響については、説明が複雑になるため省略する。図１の被制御流体の流通状態の流体制御弁１０では、第１エアポート９１からハウジングボディ部１２のピストン空間部１６内に作動エアが流入してピストン空間部１６内の作動エアの供給圧力が維持されている。作動エアは、付勢ばね５０（ＣＷＳ）に抗する供給圧力としている。ピストン頭部５１の下面部５５が作動エアの供給圧力を受けることにより、ピストン頭部５１とピストン軸部５２は持ち上げられる。そして、ピストン頭部５１の上昇と同時にピストン軸部５２に接続された弁機構部３０（ダイヤフラム部４０の弁部３１）も上昇する。つまり弁部３１は後退位置となる。弁部３１のシール部３３は弁座部２３から離れるため、弁座部２３のシールは解除され、弁室２０内の被制御流体の流通は確保される。

図２の被制御流体の流通を停止した状態の流体制御弁１０では、第１エアポート９１からピストン空間部１６に供給される作動エアの供給圧力が図１よりも低下している。作動エアの供給圧力が低下したことによって、付勢ばね５０（ＣＷＳ）のばね荷重がピストン頭部５１の下面部５５における作動エアの上昇力よりも大きくなる。結果、ピストン頭部５１とピストン軸部５２が降下する。そして、ピストン頭部５１の降下と同時にピストン軸部５２に接続された弁機構部３０（ダイヤフラム部４０の弁部３１）も降下する。つまり弁部３１は前進位置となる。弁部３１のシール部３３は弁座部２３に接近し、最終的に着座する。こうして弁座部２３はシールされ、弁室２０内の被制御流体の流通は停止される。

図１及び図２の弁機構部３０（弁部３１）の進退動作の図示及び関連する説明から理解されるように、被制御流体の流通停止時においては、弁部３１と弁座部２３（突状部７０）は、常時相互に当接（衝突）する。ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂は金属よりも硬度が低いため、使用による各部材の材料組織の磨耗は不可避である。それゆえ、弁体と弁座部との着座部位の磨耗軽減に大きな意味がある。よって、材料組織の磨耗に伴うパーティクル発生を抑制できれば、被制御流体の清浄度向上に大きく貢献できると考えられる。

弁部３１及び弁座部２３（突状部７０）の材料組織に生じる磨耗原因としては、背景技術のとおり、主に弁機構部３０の進退駆動時、当該弁機構部３０を昇降させる進退部９０の垂直方向の軸ずれに伴う磨耗の偏りが大きく影響すると考えられる。図３及び図４の模式図も加えて比較しながら説明する。

図３（ａ）の側面模式図はつるまきばね（コイルスプリング）の例である。つるまきばね８０においては、当該ばねに必要とされるばね荷重を得るため有効巻き数が規定される。加えて、座巻部８１，８２がつるまきばね８０の上下両端に設けられる。断面円形等の線材から加工されるつるまきばね８０の伸縮する方向を一定にするため、座巻部８１，８２の線材は研磨され平行となる。つるまきばね８０が流体制御弁１０に組み込まれ、荷重が加わっていない状態では、ハウジングボディ部１２のばね収容部１５と、ピストン頭部５１のばね接触部５４との平行は保たれる。従って、ピストン頭部５１直下のピストン軸部５２は垂直となり、弁機構部３０のダイヤフラム部４０、弁部３１のシール部３３も水平に保たれる。

図３（ｂ）のとおり、荷重Ｆがつるまきばね８０に加わる場合、ばねの線材の巻き方向等によりばね中心軸Ａにずれ変形Ａｘが生じると考えられる。つるまきばねは螺旋状の構造であるため、荷重Ｆの押圧に伴う歪みが蓄積されることに起因する。その結果、本来のばね接触部５４の水平が失われてピストン頭部５１及びピストン軸部５２の中心にもずれが生じる。そうすると、ピストン軸部５２と中間ボディ部１３の挿通穴５６との隙間に偏りが生じて接触し相互に想定外の磨耗が生じ摺動性が低下するおそれがある。さらに、ピストン軸部５２に接続された弁機構部３０の弁部３１（弁体）の水平も失われる。

弁部３１が水平でない状態のまま、弁部３１が進退動作を繰り返して弁座部２３に当接（衝突）する回数が増えると、弁部３１（シール部３３）及び弁座部２３（突状部７０）の材料組織の磨耗に偏りが生じる。それゆえ、着座部分からパーティクルは生じやすくなると考えられる。また、材料組織が偏って磨耗することにより当初の想定よりもシール性能（気密性）が早く低下するおそれもある。

加えて、所望のばね荷重のつるまきばねを設計する場合、線材を使用する構造上、有効巻き数を増やす等により大型化せざるを得ない。それゆえ、ばねを収容するハウジング部材等も大きくなり、流体制御弁自体の小型化と相反する。

図４（ａ）は、本発明の付勢ばね５０であるコイルドウェーブスプリング（ＣＷＳ）の側面模式図である。コイルドウェーブスプリングの特徴は、帯状の線材（板金材）を正弦波状に褶曲し、さらに螺旋状に巻いた形状にある。図示からわかるように、コイルドウェーブスプリングの座巻部５７，５８も帯状の線材が現れる。そこで、両端の座巻部は図３のつるまきばねのように研磨による平行加工は省略される。

付勢ばね５０であるコイルドウェーブスプリングが流体制御弁１０に組み込まれ、荷重が加わっていない状態では、ハウジングボディ部１２のばね収容部１５と、ピストン頭部５１のばね接触部５４との平行は保たれる。従って、ピストン頭部５１直下のピストン軸部５２は垂直となり、弁機構部３０のダイヤフラム部４０、弁部３１のシール部３３も水平に保たれる。

図４（ｂ）のとおり、荷重Ｆの押圧がコイルドウェーブスプリングの付勢ばね５０に加わる場合、図３のつるまきばねとは異なり、ばね中心軸Ａを維持したまま収縮可能である。荷重Ｆの押圧が加わった際、その複雑な褶曲構造ゆえに歪みが巻き取り内に吸収されると考えられている。その結果、ばね接触部５４の水平は維持されピストン頭部５１及びピストン軸部５２の中心のずれも最小限に抑えられる。そうすると、ピストン軸部５２と中間ボディ部１３の挿通穴５６との隙間も一定に保たれ、摺動性低下も回避される。さらに、ピストン軸部５２に接続された弁機構部３０の弁部３１（弁体）の水平も維持される。

弁部３１の水平は維持されているため、弁部３１が進退動作を繰り返して弁座部２３に当接（衝突）する回数が増えたとしても、弁部３１（シール部３３）及び弁座部２３（突状部７０）の材料組織の磨耗に偏りは生じ難くなる。それゆえ、着座部分からのパーティクル発生は有効に抑制される。また、材料組織の偏った磨耗は解消できるため、シール性能（気密性）をより長期間保持することができる。

また、コイルドウェーブスプリングに特有の構造から、所望のばね荷重に設計する場合、帯状の線材の褶曲量、巻き数等は最適に調整される。加えて、上下の褶曲の頂点同士が重ねられる。従って、ばね自体の体積増加を抑えつつ容易にばね荷重を増大することができる。そこで、ばねを収容するハウジング部材等を大きくする必要も無く、流体制御弁の小型化に貢献する。

本発明の流体制御弁の弁付勢構造において、当該部位に使用する付勢ばねの種類を改善することにより、パーティクルの発生抑制に有効に作用する。その結果、総じて被制御流体の清浄度向上に貢献する。

１０ 流体制御弁
１１ 弁室ボディ部
１２ ハウジングボディ部
１３ 中間ボディ部
２０ 弁室
２１ 流入部
２２ 流出部
２３ 弁座部
２５ 弁座開口部
３０ 弁機構部
３１ 弁部
３３ シール部
４０ ダイヤフラム部
４１ 可動膜部
５０ 付勢ばね（コイルドウェーブスプリング）
５１ ピストン頭部
５２ ピストン軸部
７０ 突状部
９１ 第１エアポート
９２ 第２エアポート

Claims (2)

1. 被制御流体の流入部と、前記被制御流体の流出部と、前記流入部と前記流出部の間に弁座部を形成した弁室を有する弁室ボディ部と、
   前記弁座部を進退自在にシールするシール部を有する弁部と、前記シール部側と逆側に形成され前記弁室内に装着されたダイヤフラム部とを備える弁機構部と、
   前記弁機構部を進退させることにより前記弁座部の開閉を制御する進退部と、
   前記弁機構部を常時前記弁座部側に付勢するための付勢ばねとしてコイルドウェーブスプリングとを備えた
   ことを特徴とする流体制御弁の弁付勢構造。
2. 前記弁座部及び前記シール部がフッ素樹脂により形成されている請求項１に記載の流体制御弁の弁付勢構造。

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