JP2017053405A

JP2017053405A - アクチュエータ付きバルブ

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Publication number: JP2017053405A
Application number: JP2015176867A
Authority: JP
Inventors: 岩渕　俊昭; Toshiaki Iwabuchi; 俊昭岩渕
Original assignee: Kitz SCT Corp
Current assignee: Kitz SCT Corp
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: JP6632274B2

Abstract

【課題】高Ｃｖ値で高耐久化、高速動作に優れ、弁体のリフト量の調整が容易に行えるバルブと、小型で高温対策、高耐久性に優れたアクチュエータとから成り、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置で使用するのに好適なアクチュエータ付きバルブを提供することにある。
【解決手段】ボデー内に設けた弁体と弁座との間に設けたカーテン面積を有する弁座開口面積をボデー内の流路の最小流路面積と同等又は同等以下に設定し、前記弁座の弁座シール径を前記最小流路面積から求めた最小径の１．５倍以上に設定するとともに、前記弁体のリフト量を最小に設定するようにしたアクチュエータ付きバルブである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ付きバルブに関し、特に、原子層堆積法（ＡＬＤ法）を用いた半導体製造装置で使用するのに好適なアクチュエータ付きバルブに関するものである。

近年、半導体素子の小型化及び素子構造の微細化が進み、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）法と呼ばれる成膜手法が製造プロセスにおいて主流になってきている。ＡＬＤ法では、高温に加熱された半導体製造ガス（原料ガス）を供給配管に取り付けた供給バルブを介して半導体製造装置のプロセスチャンバへ供給し、「原料ガス原子の基板表面へ吸着」、「反応による成膜」、「パージによる余剰分子の取り除き」のサイクルを繰り返し行うことによって、チャンバ内に設置した基板上に原子層又は分子層を１層毎に積み上げることを成層の原理としている。このため、成膜の均一性に優れ、しかも高品質の膜の形成が可能であり、このサイクルを数十回から数千回繰り返すことにより、基板上に所望の厚さの薄膜を形成することができる。

このため、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置に原料ガスを供給するバルブには、高速開閉動作が可能なこと、開閉動作回数の大幅な増加に耐えられることと、並びに安定した流量特性で原料ガスを供給できることが求められる。

このＡＬＤ法を用いた半導体製造装置用のバルブとしては、メタルダイヤフラムバルブが使用されることが多い。従来の半導体製造装置に比べ、ＡＬＤ法を採用した半導体製造装置では、弁の開閉動作回数が大幅に増加するため、メタルダイヤフラムバルブではダイヤフラムに金属疲労によるクラックが生じ易く、耐久性に劣る問題がある。また、バルブを構成する部品の加工精度や組付け精度等のバラツキにより、同一規格のバルブ間でも流量特性に差異が生じ、バルブの流量特性が安定しないという問題があり、特に、流体が高温である半導体製造装置においては、流量特性（Ｃｖ値）のバルブによるバラツキは影響が大きい。

そこで、この様な問題の解決策として、ダイヤフラムの耐久性を向上させるとともに、バルブの流量特性のバラツキを少なくしたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１においては、従来と同一の構成のメタルダイヤフラムバルブのボンネット部の外側にストローク調整機構を設け、最大バルブストロークをメタルダイヤフラムの最大膨出高さよりも小さく（最大膨出高さの５５〜７０％の寸法）制限することにより、バルブの開閉操作時にメタルダイヤフラムにかかる歪量や歪応力をより小さくし、メタルダイヤフラムの耐久性を向上させている。具体的には、流体通路内径が６．３５〜９．５２ｍｍ、メタルダイヤフラムの外径が２０ｍｍ〜２６ｍｍのダイレクトタッチ型メタルダイヤフラムバルブにおいて、バルブストロークを最大値の０．６５〜０．７（メタルダイヤフラムの外径が２６ｍｍのバルブで０．７ｍｍ程度）に制限することにより、所要のＣｖ値である０．５〜０．６を得ながら、約５０００万回の連続開閉作動回数を達成した実施例が記載されている。

また、このストローク調整機構は、ボンネットの上面にねじ込み固定したアクチュエータの支持用筒部に螺着したロックナットと、支持筒部の外周面に設けたロックナットの螺着用ネジ等から構成されており、支持用筒部のボンネット内へのねじ込み高さ位置を調整することにより、バルブストロークの大きさを調整するとともに、バルブによるＣｖ値のバラツキを解消しようとするものである。

特開２００７−６４３３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁では、ストローク調整機構によりバルブストロークを最大値の０．６５〜０．７位に制限して所要のＣｖ値（０．５〜０．６）を得ながら、バルブの開閉操作時にメタルダイヤフラムにかかる歪量や歪応力をより小さくすることにより、メタルダイヤフラムの耐久性を獲得しているが、半導体製造装置に供給する原料ガスの量が多量である場合には、よりＣｖ値が大きいバルブを使用する必要が生じ、バルブ及びアクチュエータの大型化を招くことになる。

また、特許文献１に記載された構造の様に、ボンネットの上面にねじ込み固定したアクチュエータの支持用筒部に螺着したロックナットにより支持用筒部のボンネット内へのねじ込み高さ位置を調整し、支持用筒部のボンネット内へのねじ込み高さ位置を調整する構造では、アクチュエータの取付け高さがネジ部の加工精度等のバラツキによって微妙に変化するため、バルブ毎に流量を調べながらアクチュエータ取付け高さを調整する必要があるので作業性が悪い。

これに加え、従来、半導体製造装置に供給する原料ガスの加温温度は２００℃程度であったが、近年は３００℃程度に加温した大容量の原料ガスを流せるＡＬＤ用バルブへの要求があり、大流量が流せ、かつ流量が安定し、更に小型、高耐久化、高速動作できるバルブと、高温対策を施したアクチュエータとから成るアクチュエータ付きバルブの新規な構造が求められていた。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、高Ｃｖ値で高耐久化、高速動作に優れ、弁体のリフト量の調整が容易に行えるバルブと、小型で高温対策、高耐久性に優れたアクチュエータとから成り、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置で使用するのに好適なアクチュエータ付きバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー内に設けた弁体と弁座との間に設けたカーテン面積を有する弁座開口面積をボデー内の流路の最小流路面積と同等又は同等以下に設定し、前記弁座の弁座シール径を前記最小流路面積から求めた最小径の１．５倍以上に設定するとともに、前記弁体のリフト量を最小に設定するようにしたアクチュエータ付きバルブである。

請求項２に係る発明は、前記弁座面の下方側に前記弁体を位置させ、この弁体をアクチュエータの駆動源で昇降行動可能に設けた逆座シール構造とするとともに、前記弁体のリフトによって得られる前記弁座面との間の円筒状の開口部の流路面積を弁座開口面積としたアクチュエータ付きバルブである。

請求項３に係る発明は、前記弁体と一体に連結されたステムの上部に規制部材を螺着するとともに、その下方に前記規制部材を係止して前記弁体のリフト量を制限する弁開ストッパーを配し、前記弁体の着座時に前記規制部材の前記ステムに対するねじ込み高さ位置を調整することにより、前記規制部材と前記弁開ストッパーとの間隔を調整し、前記弁体のリフト量を設定するようにしたアクチュエータ付きバルブである。

請求項４に係る発明は、アクチュエータに樹脂製ベローズを用いたアクチュエータ付きバルブである。

請求項１に記載の発明によると、弁体と弁座との間の弁座開口面積をボデー内の流路の最小流路面積と同等又は同等以下に設定することによって、同一のＣｖ値のバルブと比較して弁体のリフト量を最小にすることできるため、弁開閉のための作動時間が短くなって高速動作が可能となり、バルブの高耐久性化のみならずアクチュエータの小型化にも寄与し、例えば、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置用のバルブに好適である。

請求項２に記載の発明によると、弁座面の下方側に弁体を位置させて逆座シール構造としているため、流体をバルブのどちらの側から流しても弁閉用スプリングの荷重が小さくて済むので、弁閉用スプリングに小型のスプリングを使用することができ、もってアクチュエータを小型化することができる。

請求項３に係る発明によると、弁体着座時に規制部材のステムに対するねじ込み高さ位置を調整することにより、規制部材と弁開ストッパーとの間の間隔を調整するだけで弁体のリフト量を一定に設定することができるため、ボデーやボンネットの寸法に加工精度等のバラツキがあっても、バルブ毎に簡単な作業で弁体のリフト量を一定に設定して所期のＣｖ値を得ることができる。このため、流量確認などの複雑な作業によりバルブのＣｖ値を設定する必要がないので、作業性が大幅に向上するとともに、流量の安定化を図ることができる。

請求項４に記載された発明によると、アクチュエータに樹脂製ベローズを用いているため、ベローズに疲労破壊が起きにくく、アクチュエータの耐久性が大幅に向上する。また、合成樹脂製のベローズは安価であるため、耐高温性、高耐久性に優れたアクチュエータを安価に得ることができる。

本発明のアクチュエータ付きバルブの一実施形態の全開状態を示した正面縦断面図である。（ａ）は、キャップの断面図である。（ｂ）は、樹脂ベローズの断面図である。（ｃ）は、キャップ、樹脂ベローズを取り外した状態のアクチュエータ付きバルブの正面縦断面である。弁開状態の弁座付近の部分拡大断面図である。本発明のアクチュエータ付きバルブの他の実施形態の全閉状態を示した正面縦断面図である。

以下に、本発明におけるアクチュエータ付きバルブの常時閉構造とした場合の実施形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本実施形態のアクチュエータ付きバルブの全開状態を示した正面縦断面図であり、図２の（ａ）はキャップの正面断面図、（ｂ）は樹脂ベローズの正面断面図、（ｃ）はキャップ、樹脂ベローズを取り外した状態のアクチュエータ付きバルブの正面縦断面である。

図１において、アクチュエータ付きバルブ１は、バルブ２と、バルブ２の上部に搭載されたアクチュエータ３とから構成されている。

先ず、バルブ２の構成について説明する。バルブ２は、ボデー２１、弁体２２、ステム２３、閉鎖部材２４、環状部材２５、ガスケット２６から構成されている。なお、ステム２３は、後述するアクチュエータ３の構成にも含まれる。

バルブ２のボデー２１は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、ボデー２１の両側面からは流路２７及び流路２８が水平方向に形成されるとともに、ボデー２１の上部には鉛直方向にアクチュエータ挿入孔３０が形成され、下部には鉛直方向に弁体取付け孔３１が形成されている。流路２７とアクチュエータ挿入孔３０とは、アクチュエータ挿入孔３０の底面３０ａの中心に垂直に形成された垂直連通路３２を介して連通しており、この垂直連通路３２の下端には平坦な弁座３３が形成されている。また、流路２８とアクチュエータ挿入孔３０とは、斜めに形成された傾斜連通路３４により連通している。以上の通り、流路２７と流路２８とは、垂直連通路３２、アクチュエータ挿入孔３０、傾斜連通路３４を介して連通しており、ステム２３による昇降作動可能に設けた弁体２２を弁座３３に着座又は離座させて垂直連通路３２を開閉することにより、流路２７と流路２８との間の流体の流れを制御することができる。

ボデー２１上部に鉛直方向に形成されたアクチュエータ挿入孔３０の上方には、アクチュエータ挿入孔３０よりも拡径された収容孔３５が形成され、アクチュエータ挿入孔３０と収容孔３５の間には段部３６が形成されている。また、収容孔３５の上方には、収容孔３５よりも拡径されたアクチュエータ取付孔３７が形成され、このアクチュエータ取付孔３７の内周には、ボデー２１にアクチュエータ３を取り付けるためのメネジ部３７ａが形成されている。

ボデー２１下部に鉛直方向に形成された弁体取付孔３１の下方には、弁体取付孔３１よりも拡径された閉鎖部材装着孔３８が形成され、弁体取付孔３１と閉鎖部材装着孔３８の間には段部３９が形成されている。また、閉鎖部材装着孔３８の下方には、閉鎖部材装着孔３８よりも拡径された環状部材装着孔４０が形成され、この環状部材装着孔４０の内周には環状部材２５を取付けるためのメネジ部４０ａが形成されている。

弁体２２は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、ボデー２１の垂直連通路３２の下端に形成された弁座３３面の下方側に配設され、アクチュエータ３の駆動源で昇降行動可能な逆座シール構造となっている。このため、流体が弁体２２側から流れる場合には、流体圧力が弁体２２の背面に加わって弁座シール圧力として作用するので、弁閉用スプリングの荷重を最小に設定することができるとともに、弁体２２が弁座３３に着座するまでの時間を短縮し、高速動作させることができる。また、その反対側（ベローズ５４側）から流体が流れる場合には、後述するように、弁体２２、ステム２３、ベローズ５４は一体に連結されているため、弁体シール面積とベローズの有効面積が略同等であれば、流体圧力による弁体とベローズが受ける流体からの荷重は略バランスされ、流体圧力による荷重は増えないので、やはり弁閉用スプリングの荷重は小さくて済む。従って、逆座シール構造としたことにより、バルブのどちらの側から流体が流れても、弁閉用スプリングの荷重が小さくて済むため、小型のスプリングを使用することができるので、アクチュエータを小型化することができる。

弁体２２の上面２２ａには環状の弁座シール４１を装着するための溝２２ｂを形成されるとともに、上面２２ａの中央部にはステム２３を装着するためのステム装着孔２２ｃが穿孔され、その内周にはメネジ部２２ｄが形成されている。

弁座シール４１は、耐食性、シール性、耐熱性及び耐摩耗性に優れるとともに、熱変形が小さい樹脂により形成される。２００℃仕様では、例えば、ＰＦＡ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂、３００℃仕様では、例えば、ＰＩ樹脂（ポリイミド樹脂）又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂により形成することが好ましい。
弁座シール４１は、弁座シール径Ｓをボデー２１内に形成した流路の最小流路面積Ａから求めた最小流路径Ｄの１．５倍以上に設定され、弁体２２の上面２２ａに形成された溝２２ｂに加締めて装着される。一般に、大きなＣｖ値を得るために弁座シール径Ｓを大きくすると流体圧力により荷重が大きくなり、弁体の締め切りに必要な荷重が増えてアクチュエータが大型化するが、本発明におけるアクチュエータ付きバルブでは、前述のとおり逆座シール構造としたことにより、バルブのどちらの側から流体が流れても、弁閉用スプリングの荷重が小さくて済むため、弁座シール径Ｓを大きくしてもアクチュエータを小型化することができる。

また、本発明におけるアクチュエータ付きバルブにおいて、弁座シール４１の弁座シール径Ｓをボデー内に形成した流路の最小流路面積Ａから求めた最小流路径Ｄの１．５倍以上に設定する理由は、バルブのＣｖ値を決める最大の要素はバルブの最小流路面積であるところ、弁体の高速動作を可能とするために弁体のリフト量を最小に設定しても、弁体を開位置とした際に弁体と弁座との間に形成される弁座開口面積をボデー内の流路の最小流路面積Ａと同等又は同等以下に設定することにより、バルブのＣｖ値が大きく損なわれることがないようにするためである。

最小流路面積Ａと最小流路径Ｄの関係は、以下の数１として表わせる。

また、弁座シール径をＳとし、弁体のリフト量をＬとした時の弁座開口面積Ｖは、図３に示す様に、弁座３３の下方に形成される直径Ｓで高さがＬである円柱の側面部面積（カーテン面積）となるので、Ｖ＝πＳＬとなる。弁座開口面積Ｖが最小流路面積Ａと等しくなる弁体のリフト量Ｌは、最小流路面積ＡはＡ＝π（Ｄ／２）^２で表せることから、πＳＬ＝π（Ｄ／２）^２の関係となり、最終的にはＬ＝Ｄ^２／４Ｓとなる。ここで、弁座シール径Ｓを最小流路径Ｄのｎ倍に設定すると、Ｓ＝ｎＤであり、弁体のリフト量Ｌは、Ｌ＝Ｄ／４ｎとなる。
従って、ｎの値を大きく設定して弁座シール径Ｓを最小流路径Ｄよりも大きくすると、弁座開口面積Ｖをボデー内に形成した流路の最小流路面積Ａと同等又は同等以下に設定し、弁体２２のリフト量Ｌを小さくすることができる。例えば、ｎ＝１．５に設定した場合には、弁体２２のリフト量は最小流路径Ｄの１／６となる。弁体２２のリフト量Ｌを小さく設定すると、弁体２２の開閉動作を高速化することができるとともに、弁体動作量（リフト量Ｌ）が最小化されるのでバルブの耐久性を向上させることができる。このため、弁体のリフト量Ｌを小さくするためには、弁座開口面積Ｖはボデー内の流路の最小流路面積Aの同等以下であることが好ましいが、同等であっても良い。

なお、弁体の開閉動作の高速化を図るため、リフト量Ｌを小さくして弁座開口面積Ｖを最小流路面積Ａよりも極端に小さく設定すると、バルブのＣｖ値を低下させてしまうので、リフト量の設定にあたっては、Ｃｖ値の確保とバルブ開閉動作の高速化とのトレードオフが必要となる。また、弁座シール径Ｓの設定にあたっても、バルブの内部構造による制約、弁体のリフト量の最小化のトレードオフが必要であり、実際のバルブへの適用においては、弁座シール径Ｓは、最小流路径Ｄの１．５倍から２倍程度の範囲とすることが適当である。

ステム２３は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、アクチュエータ３から垂直連通路３２の下方に垂設され、その下端部にオネジ部２３ａが形成されており、このオネジ部２３ａを弁体２２のステム装着孔２２ｃの内周に形成したメネジ部２２ｄに螺合させて弁体２２と一体とし、弁体２２の昇降行動可能にしている。

閉鎖部材２４は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、上端が開口した略円筒状に形成され、上端部外周には鍔部２４ａを有している。鍔部２４ａの上面２４ｂの外周側にはガスケット収容溝２４ｃが形成されている。

環状部材２５は、例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなり、中央に前記閉鎖部材２４を収納する収納孔２５ａを備えた環状に形成され、下端部にはスパナかけ部２５ｂが形成されている。また、環状部材２５の上面２５ｃの外周部には環状の突設部２５ｄが形成され、側面２５ｅの略上半分には前記環状部材装着孔４０に設けたメネジ部４０ａと螺合させるオネジ部２５ｆが形成されている。

ガスケット２６は、例えば、耐熱性、高耐食性を有するステンレス鋼、ニッケル鋼などからなり、閉鎖部材２４の鍔部２４ａの上面２４ｂ外周に形成されたガスケット収容溝２４ｃに装着される。

以上のように形成されているボデー２１内に挿入したステム２３に弁体２２を取付けて一体にした後、ガスケット収容溝２４ｃにガスケット２６を装着した閉塞部材２４を閉鎖部材装着孔３８内に装着する。その後、環状部材２５を環状部材装着孔４０に螺着してトルクをかけると、環状部材２５の上面２５ｃ外周部に形成された環状の突設部２５ｄにより閉鎖部材２４の鍔部２４ａを介してガスケット２６が強く段部３９に押圧され、ボデー２１と閉鎖部材２４との間を確実にシールすることができる。

次に、アクチュエータ３の構成について説明する。図１、図２において、アクチュエータ３は、キャップ４５、ハウジング４６、樹脂ベローズ４７、ピストンアジャスタ４８、バネ機構４９、ボンネット５０、軸受５１、弁閉用スプリング５２、ステム２３、ベローズ５４を有し、バルブ２の上部に搭載される。

キャップ４５は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）やアルミ、樹脂等の適宜な材質からなり、下端が開口した略円筒状に成形され、内部には樹脂ベローズ４７等を収納可能に設けられる。キャップ４５の上面４５ａの中央には継手５６が設けられ、この継手５６に設けられた吸排気孔５６ａを介してエアーが吸排気される。キャップ４５の内周面４５ｂの下方には、樹脂ベローズ４７を圧接するための段部４５ｃが形成されるとともに、下端開口部の内周には、ハウジング４６と螺合させるためのメネジ部４５ｄが形成されている。

ハウジング４６は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、略円筒状の上部ハウジング５７と上部ハウジング５７よりも径が細い略円筒状の下部ハウジング５８を上下に連結した形状に形成され、上下端が開口している。このハウジング４６の上端面４６ａは弁開ストッパーとしての機能を有しており、弁体２２のリフト量を設定する際に用いられる。

上部ハウジング５７は、略円筒状に形成され、内部には弁閉用スプリング５２等を収納可能に設けられる。上部ハウジング５７の外周面５７ａには、鍔部５７ｂが形成され、この鍔部５７ｂの上面には、バネ機構４９を収容する収容溝５７ｃが形成されている。この鍔部５７ｂの外周には、キャップ４５の下端開口部の内周に形成されたメネジ部４５ｄと螺合させるためのオネジ部５７ｄが形成されている。

下部ハウジング５８は、略円筒状に形成され、内部中央にはボンネット５０挿入用の貫通孔５８ａが形成されている。下部ハウジング５８の外周面５８ｂには、弁本体２のボデー２１上部に形成されたアクチュエータ取付け孔３７内周に形成されたメネジ部３７ａと螺合させるためのオネジ部５８ｃが形成されている。また、下部ハウジング５８の下面５８ｄの外周部には環状の突設部５８ｅが形成されている。

樹脂ベローズ４７は、例えば、耐熱性、耐食性を有するＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂からなり、内部にはピストンアジャスタ４８等を収納可能に設けられる。樹脂ベローズ４７は伸縮可能に設けられ、一般的な圧縮バネと同様に、圧縮された時の元の状態に戻ろうとする力を発揮可能に設けられる。樹脂ベローズ４７の下端にはフランジ部４７ａが設けられ、このフランジ部４７ａの上面４７ｂにはＯリング６１を装着可能になっている。フッ素樹脂製のベローズは、金属製溶接ベローズに比較して疲労破壊を起こしにくいため、安価に耐高温、高耐久性を備えたアクチュエータを構成することができる。

ピストンアジャスタ４８は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなり、略円柱状に成形され、下面側から弁閉用スプリング５２を収容する円周状の収容溝４８ａが上面近くまで穿設されるとともに、中央には下面側からステム２３の上端部と螺合するネジ孔４８ｂが形成され、このネジ孔４８ｂの内周にはメネジ部４８ｃが形成されている。また、ピストンアジャスタ４８の上面４８ｄの中央には、このピストンアジャスタ４８とステム２３とを固定するボルト６２の頭部を収納する収納孔４８ｅが形成されるとともに、この収納孔４８ｅの底面４８ｆ中央には、このボルト６２を挿入するための貫通孔４８ｇが穿孔されている。また、ステム２３の上端部に取付けられた状態のピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈは、ハウジング４６の上端面４６ａ（弁開ストッパー）に係止されるとステム２３の下方向への作動（弁開動作）を制限し、弁体２２のリフト量を一定に制限する規制部材としての機能を有している。

バネ機構４９は、金属バネ４９ａとリテーナ部材４９ｂを有し、ハウジング４６の上部ハウジング５７の鍔部５７ｂに形成された収容溝５７ｃ内に収容される。金属バネ４９ａは、高荷重を発揮しつつコンパクト化を図るため、本実施例では皿バネにより設けられ、その材質は、高温でも使用可能な例えばＳＵＳ３０４−ＣＳＰ等のバネ用ステンレス鋼からなり、へたりを考慮した上で形成される。金属バネ４９ａは本実施例の皿バネに限定されるものではなく、コイルスプリングを収容溝５７ｃ内に等間隔に配置するものであって良い。バネ機構４９は、金属バネ４９ａの上部にリテーナ部材４９ｂを配置し、金属バネ４９ａの荷重を樹脂ベローズ４７のフランジ部４７ａの下面４７ｃに均等に負荷できるようにしている。また、このリテーナ部材４９ｂも耐熱性、耐食性を有するＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から形成される。

ボンネット５０は、例えば、高耐食性を有するＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼からなり、上下端が開口した略円筒状に形成され、内部に軸受５１、ステム２３が装着可能に設けられる。ボンネット５０の下端部には鍔部５０ａが形成され、鍔部５０ａの下面５０ｂの外周にはガスケット収容部５０ｃが形成されている。ボンネット５０の内部には、軸受５１を収容する収容孔６３とステムのストッパー部２３ｄを収容する収容孔６４が形成され、両収容孔６３、６４は中央にステム２３の挿入孔を有するストッパー部６５により隔てられている。

軸受５１は、例えば、低摩擦性、耐摩耗性を有するとともに耐熱性に優れるバネ用ベリリウム銅又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂からなり、略円筒状に形成されている。軸受５１の内部には、ステム挿入用の貫通孔５１ａが形成され、この貫通孔５１ａに対してステム２３が昇降自在に設けられる。このように簡単な構成により形成された軸受５１は、３００℃の高温でも無給油でスムーズにステム２３を支持して摺動させること可能となるので、シンプルな構造で高耐久性を有するアクチュエータを構成することができる。

弁閉用スプリング５２は、例えば、ＳＵＳ６３１−ＷＰＣやＳＷＯＳＣ−Ｖからなり、上部ハウジング５７とピストンアジャスタ４８の間に圧縮された状態で収納されるため、常にピストンアジャスタ４８を上方向に弾発付勢している。この結果、ピストンアジャスタ４８、ステム２３と一体になっている弁体２２は常に弁座３３方向に向けて付勢され、弁座シール４１が弁座３３に当接しているため、バルブ２は常時閉状態に維持される。

ステム２３の上端部には、ピストンアジャスタ４８とステム２３を固定するボルト６２をねじ込むためのネジ穴２３ｂが形成され、ステム２３の上部外周には、ピストンアジャスタ４８のネジ孔４８ｂの内周に形成されたメネジ部４８ｃと螺合させるためのオネジ部２３ｃが形成されている。このオネジ部２３ｃにピストンアジャスタ４８のメネジ部４８ｃを螺合させることにより隙間調整ネジが構成され、ステム２３上部へのピストンアジャスタ４８の上下方向の取付け位置（取付高さ）を調整することができる。ピストンアジャスタ４８の取付け位置を調整した後、ネジ穴２３ｂにボルト６２を締め込むことにより、ステム２３とピストンアジャスタ４８との位置関係を固定することができる。

ステム２３の中程にはストッパー２３ｄが設けられており、ストッパー２３ｄがボンネット５０の収容部６４の上部に設けられたストッパー部６５に当接し、ステム２３の上方への動作が規制されることで、弁座シール４１に必要以上の荷重が作用することを防止している。また、ステム２３の下端部には、前述のとおりオネジ部２３ａが形成され、弁体２２のステム装着孔２２ｃの内周に形成したメネジ部２２ｄに螺着することで、ステム２３を弁体２２に取付け一体とすることができる。

ベローズ５４は、例えば、使用温度３００℃の耐熱性を有するコバルト合金で形成され、伸縮可能に設けられている。ベローズ５４は、ステム２３に溶接され、弁体２２、ステム２３、ベローズ５４は一体に構成されることになる。このため、前述したように、流体がベローズ５４側から流れる場合には、弁体２２とステム２３とベローズ５４は一体に連結されているため、弁体シール面積とベローズの有効面積が略同等であれば、流体圧力による荷重はバランスがとれ、流体圧力による荷重は増えないため、弁閉用のスプリング荷重は小さくて済み、アクチュエータを小型化することができる。

以上のように構成されたアクチュエータ付きバルブ１を組み立てるにあたっては、ベローズ５４を溶接したステム２３を上端側からボンネット５０の内部に装着された軸受５１の貫通孔５１ａに挿入し、ステム２３のストッパー２３ｄがボンネット５０の収容部６４の上部に設けられたストッパー部６５に当接するまで挿入する。

次いで、ボンネット５０の鍔部５０ａのガスケット収容部５０ｃに、ガスケット２６と同様にステンレス鋼、ニッケル鋼などにより形成されたガスケット６６を装着した後、ステム２３の下端側からボデー２１のアクチュエータ挿入孔３０に挿入し、ボンネット５０の鍔部５０ａを収容孔３５内に挿入するとともに、ガスケット６６を段部３６に当接させる。この後、下部ハウジング５８の貫通孔５８ａにボンネット５０を挿通させながらハウジング４６をアクチュエータ取付け孔３７内周のメネジ部３７ａに螺着する。このとき、ハウジング４６は一定のトルクを掛けて確実にボデー２１に螺着させるため、ボデー２１の弁座３３面からハウジング４６の上端面４６ａまでの距離Ｈは固定される。

次に、ボデー２１下部の弁体取付け孔３１から弁体２２を挿入し、ステム２３下端部に形成されたオネジ部２３ａに弁体２２を螺着した後、ガスケット２６を装着した閉鎖部材２４を閉鎖部材装着孔３８に挿入し、環状部材２５を環状部材装着孔４０に螺着する。

その後、ハウジング４６の内部に開閉用スプリング５２の下端部を収納し、開閉用スプリング５２の上端部をピストンアジャスタ４８の収容溝４８ａに収納しながらピストンアジャスタ４８のネジ孔４８ｂ内周に形成されたメネジ部４８ｃをステム２３の上端部外周に形成されたオネジ部２３ｃに螺合させる。ピストンアジャスタ４８のメネジ部４８ｃとステム２３のオネジ部２３ｃを螺合させると隙間調整ネジが構成されるので、この段階で、弁体２２のリフト量Ｌを調整することができる。

リフト量Ｌの調整にあたっては、図２（ｃ）に示す様に、ハウジング４６の上端面４６ａ（弁開ストッパー）とピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈ（規制部材）との間に隙間ゲージ６８を挿入し、ハウジング４６の上端面４６ａとピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈが各々隙間ゲージ（リフト設定用シム）６８に当接するまでピストンアジャスタ４８をステム２３のオネジ部２３ｃにねじ込み、その係合を維持した状態でボルト６２を締め込んでステム２３に対するピストンアジャスタ４８のねじ込み高さ位置を固定した後、隙間ゲージ６８を抜き取るだけで良い。図に示されているように、ピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈの径はハウジング４６の上端面４６ａの径と略同一であるため、弁体２２を離座させる方向（弁開方向）に動作するステム２３の動きは、ピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈがハウジング４６の上端面４６ａに当接すると、ハウジング４６の上端面４６ａが弁開ストッパーとして作用して係止されるので、隙間ゲージ（リフト設定用シム）６８の厚みがそのまま弁体２２のリフト量Ｌとなる。この調整方法によると、バルブのボデーやボンネットの寸法に加工精度等によるバラツキがあっても、ピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈ（規制部材）とハウジング４６の上端面４６ａ（弁開ストッパー）との隙間を調整し、バルブ毎にリフト量を一定に設定するだけで所定のＣｖ値を得ることができるため、従来のバルブのように流量を調べてリフト量を調整するなどの複雑な作業によりバルブのＣｖ値の設定をする必要がないので、作業性が大幅に向上するだけでなく、流量の安定化を図ることもできる。また、各Ｃｖ値に対応して厚さの異なる隙間ゲージ（例えば、０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ程度）を事前に準備しておけば、バルブのＣｖ値を所要の値に簡単に設定することも可能である。
なお、ハウジング４６の上端面４６ａとピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈとの間の隙間（間隔）の調整は、上記の隙間ゲージ（リフト設定用シム）を使用する方法が一番簡単かつ確実ではあるが、この他にもノギス等を使用して隙間を計測して隙間を調整することもできる。

次に、ハウジング４６の上部ハウジング５７の鍔部５７ｂに形成された収容溝５７ｃにバネ機構４９を収容し、ピストンアジャスタ４８の外部に樹脂ベローズ４７を被せた後、キャップ４５をハウジング４６の鍔部５７ｂ外周に形成されたオネジ部５７ｄに螺着すると、キャップ４５の内側と樹脂ベローズ４７との間は樹脂ベローズ４７の外側に装着されたＯリング６１によりシールされるとともに、樹脂ベローズ４７のフランジ部４７ａとバネ機構４９とリテーナ部材４９ｂと間は、バネ機構４９の金属バネ４９ａの弾発力によりリテーナ部材４９ｂが樹脂ベローズ４７のフランジ部４７ａの下面４７ｃを押圧することによりシールされる。この結果、キャップ４５の内側と樹脂ベローズ４７の外側には密閉された空間Ｂが形成される。

継手５６を介して図示しないエアー源から空間Ｂ内にエアーが供給されると、空間Ｂ内の気圧が上昇して樹脂ベローズ４７の上面を下方に押圧する。このエアーの押圧力がピストンアジャスタ４８を介してピストンアジャスタ４８を内側から押圧する弁閉用スプリング５２の弾発力に打ち勝つと、ピストンアジャスタ４８にボルト６２により固定されたステム２３は、ピストンアジャスタ４８の下端面４８ｈが弁開ストッパー部として機能するハウジング４６の上端面４６ａに当接するまで押し下げられ、弁体２２が弁座３３から所定のリフト量だけ離座してカーテン面積を有する弁座開口部を形成し、所定のＣｖ値で流体を供給することができる。エアー源からのエアーの供給を停止すると、弁閉用スプリング５２の弾発力がピストンアジャスタ４８を介して弁体２２を押し上げ、弁座シール４１が弁座３３に着座する。

高温の原料ガスを供給した結果アクチュエータが高温になると、金属製のキャップ４５と合成樹脂製の樹脂ベローズ４７とでは熱膨張率が異なるため、キャップ４５と樹脂ベローズ４７との間をシールするＯリング６１によるシール効果は２００〜２５０℃が限界であるが、それ以上の高温では、樹脂ベローズ４７のフランジ部４７ａの下面４７ｃをバネ機構４９の金属バネ４９ａの弾発力を受けたリテーナ部材４９ｂが押圧することによりシール性を維持することができる。

次に他の実施形態について図４に基づいて説明する。なお、図１に示した実施形態と共通する部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
他の実施形態においては、樹脂ベローズに変えて、コバルト合金ベローズ６９を使用している。コバルト合金ベローズ６９は、板厚０．２ｍｍ〜０．３ｍｍのコバルト合金で形成され、キャップ４５の内周面４５ｂの下端に溶接シール構造で取り付ける構成としているため、極めて耐熱性に優れ、３００℃までの高温状態で使用可能であるとともに、外部リークの心配がない利点があるが、樹脂ベローズよりも高コストとなる。
なお、この他の実施形態では、樹脂ベローズに変えてコバルト合金ベローズ６９を使用し、コバルト合金ベローズ６９をキャップ４５の内周面４５ｂの下端に溶接する構成とした以外は図１に示した実施形態と同じであるため、それ以外の部分の構成、作用、効果は、図１に示した実施形態と同じである。

〔実施例〕
次に、実施例により本発明におけるアクチュエータ付きバルブの効果を説明する。実施例では、図１に示した実施形態と同一の構造のバルブを使用したので、本説明においては、図１〜３の符号をそのまま使用する。実施例の流路２６、２７の径は１０．２ｍｍ、垂直連通路３２の径は１０．９ｍｍ、傾斜連通路３４の径は８．５ｍｍであるため、最小流路面積となるのは傾斜連通路３４の部分であり、最小流路径は８．５ｍｍ、最小流路面積は５６．７ｍｍ^２となる。

本発明におけるアクチュエータ付きバルブでは、弁座シール径は最小流路径の１．５倍以上に設定するが、本実施例ではバルブの内部構造も考慮し、弁座シール径を最小流路径の１．５倍である１２．７５ｍｍより若干大きい値である１４ｍｍに設定した。弁座シール径を１４ｍｍとしたときに、弁座開口面積が最小流路面積と同等又は同等以下となる弁体リフト量を求めるにあたり、弁座開口面積は、弁座シール径にπ（円周率）と弁体リフト量を乗じたものであり、また、最小流路面積と同等又は同等以下であるから、最小流路面積（５６．７ｍｍ^２）を弁座シール径（１４ｍｍ）とπで除した値である１．２９ｍｍよりも小さな値の１．２ｍｍをリフト量とし、弁座開口面積を最小流路面積の同等以下の５２．８ｍｍ^２になるようにした。

以上の通り設定した本実施例において、弁体リフト量１．２ｍｍにおけるバルブのＣｖ値を計測した結果、Ｃｖ値は１．２であった。従来のメタルダイヤフラムバルブでは、メタルダイヤフラムのリフト量を制限してメタルダイヤフラムの耐久性を確保しているため、Ｃｖ値は最大でも０．６程度である。これに対し、本実施例のＣｖ値は１．２であるから、本発明におけるアクチュエータ付きバルブは、従来のメタルダイヤフラムバルブに比して約２倍の大流量を供給可能である。また、同時にバルブの動作速度を計測した結果、弁体の開閉動作は約１０ｍｓという短時間に高速で行われており、弁体リフト量を最小に設定した効果が顕著に表れている。

以上説明したように、本発明におけるアクチュエータ付きバルブでは、ボデー内の流路の最小流路面積と同等又は同等以下に弁座開口面積を設定した弁体において、弁座シール面積を最小流路径から求めた最小径の１．５倍以上に設定することにより、弁体のリフト量を最小化することができ、高いＣｖ値を確保しながら弁体の高速開閉動作を可能とするとともに、バルブの耐久性を向上させることができる。また、バルブのボデーやボンネットの寸法にバラツキがあっても、隙間ゲージを使用してバルブ毎にリフト量を一定値に調整することにより所期のＣｖ値に容易に設定することができるために極めて作業性に優れるとともに、流量の安定化を図ることができる。

本発明におけるアクチュエータ付きバルブは、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置用に好適であるだけでなく、化学産業や薬品産業においても適用できるものである。

１アクチュエータ付きバルブ
２バルブ
３アクチュエータ
２１ボデー
２２弁体
２３ステム
３３弁座
４１弁座シール
４６ハウジング
４６ａ上端面（弁開ストッパー）
４７樹脂ベローズ
４７ａフランジ部
４８ピストンアジャスタ
４８ｈ下端面（規制部材）
４９ａ金属バネ
５１軸受
６８隙間ゲージ（リフト設定用シム）
Ａ最小流路面積
Ｂ空間
Ｄ最小流路径
Ｌリフト量
Ｓ弁座シール径
Ｖ弁座開口面積

Claims

ボデー内に設けた弁体と弁座との間に設けたカーテン面積を有する弁座開口面積をボデー内の流路の最小流路面積と同等又は同等以下に設定し、前記弁座の弁座シール径を前記最小流路面積から求めた最小径の１．５倍以上に設定するとともに、前記弁体のリフト量を最小に設定するようにしたアクチュエータ付きバルブ。
前記弁座面の下方側に前記弁体を位置させ、この弁体をアクチュエータの駆動源で昇降行動可能に設けた逆座シール構造とするとともに、前記弁体のリフトによって得られる前記弁座面との間の円筒状の開口部の流路面積を弁座開口面積とした請求項１に記載のアクチュエータ付きバルブ。
前記弁体と一体に連結されたステムの上部に規制部材を螺着するとともに、その下方に前記規制部材を係止して前記弁体のリフト量を制限する弁開ストッパーを配し、前記弁体の着座時に前記規制部材の前記ステムに対するねじ込み高さ位置を調整することにより、前記規制部材と前記弁開ストッパーとの間隔を調整し、前記弁体のリフト量を設定するようにした請求項１又は２に記載のアクチュエータ付きバルブ。
アクチュエータに樹脂製ベローズを用いた請求項１乃至３の何れか１項に記載のアクチュエータ付きバルブ。