JP2020079606A - 流体制御弁及び流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開閉動作を繰り返しても、ダイアフラムにクラックが生じ難い構造の流体制御弁を提供する。【解決手段】 弁座面に対して接離方向へ変位可能に設置された弁体と、前記弁体を変位させるアクチュエータと、前記弁体と前記アクチュエータとの間に配置され、前記弁体側を向く面から突出して当該弁体に接触する第１プランジャを有するダイアフラムと、前記アクチュエータと前記ダイアフラムとの間に介在し、前記アクチュエータの変位を前記ダイアフラムへ伝達する第２プランジャとを具備し、前記ダイアフラム及び前記第２プランジャが突起を介して接触させる。【選択図】図２

Description

本発明は、流体制御弁及び流体制御装置に関するものである。

従来から流体制御装置（所謂マスフローコントローラ）に用いられる流体制御弁として、特許文献１には、弁座面に対して接離方向へ変位可能に設置された弁体と、弁体を変位させるアクチュエータと、弁体とアクチュエータとの間に介在するプランジャと、プランジャの周囲に接続されるダイアフラムと、を備えたものが開示されている。

ところで、前記従来の流体制御弁においては、アクチュエータの変位をプランジャ介して弁体へ伝達した場合に、流体制御弁を構成する各部材の加工精度や組付精度、或いは、経年劣化等の影響によって生じる公差により、ダイアフラムの厚み方向に対してプランジャの移動方向が傾斜することがある。このため、開閉動作を繰り返すと、プランジャとダイアフラムとの接続箇所に応力が集中し、これに伴ってダイアフラムにクラックが発生して製品寿命が短くなることがあった。

特開２０１３−５０１５８

そこで、本発明は、開閉動作を繰り返しても、ダイアフラムにクラックが生じ難い構造の流体制御弁を提供することを主な課題とするものである。

すなわち、本発明に係る流体制御弁は、弁座面に対して接離するように変位可能に設置された弁体と、前記弁体を変位させるアクチュエータと、前記弁体と前記アクチュエータとの間に配置され、前記弁体側を向く面から突出して当該弁体に接触する第１プランジャを有するダイアフラムと、前記アクチュエータと前記ダイアフラムとの間に介在し、前記アクチュエータの変位を前記ダイアフラムへ伝達する第２プランジャとを具備し、前記ダイアフラム及び前記第２プランジャが突起を介して接触していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、アクチュエータと弁体との間に介在するプランジャを、ダイアフラムから弁体へ延びる第１プランジャと、アクチュエータとダイアフラムとの間に介在する第２プランジャとに分割し、かつ、ダイアフラムと第２プランジャとを突起を介して接触させたので、ダイアフラムよりもアクチュエータ側で生じる公差（傾き）が突起によって吸収され、当該公差の影響がダイアフラムよりも弁体側へ伝わり難くなる。これにより、アクチュエータの動作に伴って変位する第１プランジャの移動方向がダイアフラムの厚み方向に対して傾き難くなる。その結果、ダイアフラムと第１プランジャとの接続箇所にクラックが生じ難くなり、製品寿命が延びる。

具体的には、前記第２プランジャが、先端曲面状の前記突起を有しており、前記ダイアフラムが、前記突起と接触する平坦面を有しているものにすればよい。

このようなものであれば、第２プランジャが点接触してダイアフラムを押圧するようになる。これにより、第２プランジャがダイアフラムの平坦面に対して傾くように接触したとしても、第２プランジャの押圧力のうちで略ダイアフラムの厚み方向と直交する方向へ向く成分がダイアフラムを介して第１プランジャへ伝達され難くなる。これにより、ダイアフラムよりもアクチュエータ側で生じる公差が第１プランジャへ伝達され難くなる。

また、前記アクチュエータ及び前記第２プランジャが、前記アクチュエータ及び前記第２プランジャの接触に伴う前記第２プランジャの傾斜を抑制する第２の突起を介して接触しているものであってもよい。

このようなものであれば、アクチュエータで生じる公差が二つの突起によって吸収されるようになり、ダイアフラムよりもアクチュエータ側で生じる公差がより第１プランジャへ伝達され難くなる。

また、この場合、前記弁体が前記弁座面に着座していない状態において、前記第２プランジャを前記アクチュエータ側へ付勢する付勢部材をさらに具備しているものであってもよい。

このようなものであれば、弁体が弁座面に着座した状態になった場合に、第２プランジャがダイアフラムの復元力だけでなく付勢部材に付勢されてアクチュエータ側へ移動する。これにより、第２プランジャをアクチュエータ側へ移動させる場合に生じるダイアフラムへの負担が軽減し、ダイアフラムと第１プランジャとの接続箇所にクラックが生じ難くなる。

また、前記第２プランジャが前記アクチュエータに固定されているものであってもよい。

このようなものであれば、弁体が弁座面に着座した状態になった場合に、第２プランジャがアクチュエータと共に移動する。これにより、第２プランジャをアクチュエータ側へ移動させる場合に生じるダイアフラムへの負担が軽減し、ダイアフラムと第１プランジャとの接続箇所にクラックが生じ難くなる。

また、本発明に係る流体制御弁は、弁座面に対して接離するように弾性変形可能な弁体たるダイアフラムと、前記ダイアフラムを変形させるアクチュエータと、前記ダイアフラムと前記アクチュエータとの間に介在し、前記アクチュエータの変位を前記ダイアフラムへ伝達する第２プランジャとを具備し、前記ダイアフラム及び前記第２プランジャが突起を介して接触していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、アクチュエータと弁体との間に介在するプランジャを、ダイアフラムから分離して当該ダイアフラムと別体の第２プランジャとし、かつ、ダイアフラムと第２プランジャとを突起を介して接触させたので、ダイアフラムよりもアクチュエータ側で生じる公差（傾き）が突起によって吸収され、当該公差の影響がダイアフラムへ伝わり難くなる。その結果、ダイアフラムにクラックが生じ難くなり、製品寿命が延びる。

また、本発明は、前記いずれかの流体体制御弁を備えた流体制御装置である。

このように構成した流体制御弁によれば、開閉動作を繰り返しても、ダイアフラムにクラックが生じ難くなり、製品寿命が延びる。

実施形態１に係る流体制御装置の全体構成を示す模式図である。 実施形態１に係る流体制御弁の構成を示す部分模式図である。 実施形態１に係る流体制御弁の弁体、ダイアフラム及び第２プランジャを示す断面分解斜視図である。 実施形態２に係る流体制御弁の構造を示す部分模式図である。 その他の実施形態に係る流体制御弁の構造を示す部分模式図である。 その他の実施形態に係るダイアフラム及び第２プランジャを示す断面分解斜視図である。

以下に、本発明に係る流体制御弁及び当該流体制御弁を用いた流体制御装置を図面に基づいて説明する。

本発明に係る流体制御装置は、半導体製造プロセスに使用される所謂マスフローコントローラである。なお、本発明に係る流体制御装置は、半導体制御プロセスだけでなく、その他のプロセスにおいても使用することができる。

＜実施形態１＞ 本実施形態に係る流体制御装置ＭＦＣは、図１に示すように、圧力式のものである。具体的には、流体制御装置ＭＦＣは、内部に流路Ｌが設けられたブロック体Ｂと、ブロック体Ｂに設置される流体制御弁Ｖと、ブロック体Ｂの流体制御弁Ｖよりも下流側に設置される一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２と、一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２で測定される圧力値に基づき算出される流路Ｌの流量値が予め定められた目標値に近づくように流体制御弁Ｖをフィードバック制御する制御部Ｃと、を備えている。

前記ブロック体Ｂは、矩形状のものであり、所定面に流体制御弁Ｖ及び一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２が設置されている。また、ブロック体Ｂには、所定面に流体制御弁Ｖを設置するための凹状の収容部Ｂ１が設けられており、収容部Ｂ１によって流路Ｌが上流側流路Ｌ１と下流側流路Ｌ２とに分断されている。そして、収容部Ｂ１には、底面に上流側流路Ｌ１の一端が開口していると共に、内側面に下流側流路Ｌ２の一端が開口している。

前記一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２は、下流側流路Ｌ２の途中に設置された層流素子Ｓ１の上流側と下流側にそれぞれ接続されており、一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２の出力に基づいて流量を算出する流量算出部Ｓ２に接続されている。一対の圧力センサＰＳ１，ＰＳ２は、ブロック体Ｂの所定面に対して流体制御弁Ｖと共に一列に並べて取り付けてある。

前記流体制御弁Ｖは、所謂ノーマルクローズタイプのものである。具体的には、流体制御弁Ｖは、図２に示すように、弁座部材１０と、弁座部材１０の弁座面１１に対して着座面２１を接離するように変位可能に設置された弁体２０と、弁体２０を押圧して変位させるアクチュエータ３０と、弁体２０とアクチュエータ３０との間に設置されるダイアフラム４０と、アクチュエータ３０の変位をダイアフラム４０へ伝達する第２プランジャ５０と、を備えている。

前記弁座部材１０は、外側面が下流側流路Ｌ２と対向するようにブロック体Ｂの収容部Ｂ１に収容されている。そして、弁座部材１０は、収容部Ｂ１の底側を向く底面が弁座面１１をなしている。なお、弁座部材１０は、弁座面１１から当該弁座面１１と反対面へと貫通する貫通孔１２を有している。また、弁座部材１０には、弁座面１１と反対面に環状凹部１３が設けられていると共に、環状凹部１３から外側面へと貫通し下流側流路Ｌ２と連通する連通孔１４が形成されている。

前記弁体２０は、ブロック体Ｂの収容部Ｂ１における弁座部材１０よりも底面側に収容された支持部材６０によって支持されている。支持部材６０は、一端側が上流側流路Ｌ１と連通し、他端側が弁座面１１によって塞がれた弁室６１を形成しており、弁室６１内に弁体２０が着座面２１を弁座面１１側へ向けた状態で支持されている。具体的には、弁室６１には、内周面に支持棚６２が設けられており、支持棚６２に弁体２０を支持する板バネ６３が設置されている。そして、弁体２０は、アクチュエータ３０による押圧力が加わっていない状態、言い換えれば、着座面２１を弁座面１１に着座させた状態において、板バネ６３によって弁座面１１に対して付勢された状態で支持されている。

前記アクチュエータ３０は、ピエゾ素子を複数枚積層してなるピエゾスタックである。なお、アクチュエータ３０は、ブロック体Ｂの所定面に対し、収容部Ｂ１に被さるように設置された略筒状の筐体７０内に収容されている。また、アクチュエータ３０は、筐体７０の一端側（図１中、上端側）に保持されており、印加される電圧によって筐体７０の他端側（図１中、下端側）に向かって伸長するように構成されている。なお、本実施形態の筐体７０は、組立を考慮して複数の部品に分割されており、各部品は、ネジ止め或いはカシメ等によって連結される。

前記ダイアフラム４０は、筐体７０と弁座部材１０との間に設置されるダイアフラム部材４１に設けられている。具体的には、ダイアフラム部材４１は、筐体７０と弁座部材１０との間に挟持される枠部４２を有している。そして、ダイアフラム４０は、ダイアフラム部材４１の枠部４２における弁座部材１０側の開口を塞ぐように設けられている。よって、ダイアフラム４０は、弁座部材１０の環状凹部１３を塞ぐように設置されている。なお、ダイアフラム４０は、第２プランジャ５０との接触面が平坦状に形成されている。

これにより、前記流体制御弁Ｖには、弁室６１、貫通孔１２、環状凹部１３、及び、連通孔１４によって内部流路Ｌ３が形成され、当該内部流路Ｌ３によって上流側流路Ｌ１及び下流側流路Ｌ２が連通した状態となる。そして、流体制御弁Ｖは、弁座面１１に対する弁体２０の距離（言い換えれば、弁開度）を変更することにより、上流側流路Ｌ１から下流側流路Ｌ２へ流れる流体の流量を調節できる構造になっている。

また、前記ダイアフラム４０には、弁座部材１０の貫通孔１３を通過して弁体２０側へ延びる第１プランジャ４３が一体に設けられている。なお、第１プランジャ４３は、弁体２０の着座面２１に接触できる長さになっている。具体的には、第１プランジャ４３は、アクチュエータ３０に電圧が印加されていない全閉状態において、弁体２０の着座面２１に対して先端が僅かに離間し、また、アクチュエータ３０に電圧が印加された開弁状態において、弁体２０の着座面２１に対して先端が接触するような長さになっている。また、第１プランジャ４３は、弁体２０の着座面２１に対して面接触するように構成されている。

前記第２プランジャ５０は、アクチュエータ３０とダイアフラム４０との間に介在するように配置されている。なお、第２プランジャ５０は、ダイアフラム部材４１と筐体７０とによって挟持された環状の付勢部材８０によって支持されている。これにより、第２プランジャ５０は、アクチュエータ３０によって押圧された場合に、付勢部材８０によってアクチュエータ３０側へ付勢されるように構成されている。なお、付勢部材８０は、例えば、環状の板バネである。

また、前記第２プランジャ５０は、一端側がダイアフラム４０に接触していると共に、他端側がアクチュエータ３０に接触している。具体的には、図２に示すように、第２プランジャ５０は、ダイアフラム４０と接触する一端側に先端曲面状の第１突起５１を有している。そして、第２プランジャ５０は、第１突起５１をダイアフラム４０と点接触した状態になっている。ここで、点接触とは、ダイアフラム４０及び第２プランジャ５０が点で接触している状態の他、経年劣化によってダイアフラム４０及び第２プランジャ５０の接触点が変形して厳密には点で接触していないような状態や、第２プランジャ５０の製造において生じる誤差（組付誤差、加工誤差）等によって厳密には点で接触していないような状態も含まれる。また、第２プランジャ５０は、アクチュエータ３０に接触する他端側に先端曲面状の第２突起５２を有している。そして、第２プランジャ５０は、第２突起５２をアクチュエータ３０に形成された円錐状の凹部３１に嵌め込むことにより、アクチュエータ３０と線接触した状態になっている。なお、本実施形態においては、第２プランジャ５０の第２突起５２をアクチュエータ３０と線接触させているが、点接触するように構成してもよい。

また、前記第１突起５１及び前記第２突起５２は、先端曲面状のものを採用しているが、例えば、球面状としてもよく、その他円錐状、角錐状等としてもよい。但し、第１突起５１及び第２突起５２を曲面状又は球面状とした方が、その先端が接触によって潰れ難くなる。

そして、前記第１プランジャ４３は、中心軸がダイアフラム４０の中心と一致すると共に、弁体２０の着座面２１の中心に接触するように構成されている。また、前記第２プランジャ５０は、第１突起５１の頂点又はその近傍がダイアフラム４０の中心又はその近傍に接触するように構成されている。

前記制御部Ｃは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等を備えた所謂コンピュータを有し、前記メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協働することによって前記各機能が実現されるようにしてある。具体的には、流量算出部Ｓ３で算出された流量値が予めメモリに記憶された目標値に近づくように流体制御弁Ｖの弁開度をフィードバック制御するものである。

次に、本実施形態に係る流体制御弁Ｖの動作について説明する。

前記流体制御弁Ｖは、アクチュエータ３０に電圧が印加されていない場合には、弁体２０が板バネ６３に付勢されて弁座面１１に着座した状態、言い換えれば、全閉状態となるように設定されている。

次に、アクチュエータ３０に電圧が印加されると、アクチュエータ３０が伸びる。そして、アクチュエータ３０の伸びに伴う押圧力が第２プランジャ５０、ダイアフラム４０、第１プランジャ４３、弁体２０の順番で伝達され、弁体２０が板バネ６３の付勢に抗して変位し、弁座部材１０から離間する方向（遠ざかる方向）へ移動する。これにより、開弁状態となる。なお、アクチュエータ３０は、印加される電圧値が大きくなるほどその伸びが大きくなるため、電圧値の大きさを調節することにより、弁開度を制御できるようになっている。

なお、この場合、各部品の組付精度や加工精度或いは経年劣化等が原因となり、アクチュエータ３０の伸長方向がダイアフラム４０の厚み方向に対して傾くことがある。しかし、第２プランジャ５０とダイアフラム４０とが第１突起５１を介して接触していることにより、アクチュエータ４０の傾きがダイアフラム４０へ伝達され難くなる。

＜実施形態２＞ 前記実施形態１に係る流体制御弁Ｖの変形例である。本実施形態に係る流体制御弁Ｖは、所謂ノーマルオープンタイプのものである。具体的には、図４に示すように、流体制御弁Ｖは、弁座部材１０と、弁座部材１０の弁座面１１に対して着座面４０ａを接離するように弾性変形可能な弁体たるダイアフラム４０と、ダイアフラム４０を変形させるアクチュエータ３０と、ダイアフラム４０とアクチュエータ３０との間に介在し、アクチュエータ３０の変位をダイアフラム４０へ伝達する第２プランジャ５０と、を備えている。

前記弁座部材１０は、外側面が下流側流路Ｌ２と対向するようにブロック体Ｂの収容部Ｂ１に収容されている。そして、弁座部材１０は、収容部Ｂ１の底側を向く底面と反対面が弁座面１１をなしている。なお、弁座部材１０は、弁座面１１から底面へと貫通する貫通孔１５を有している。また、弁座部材１０には、弁座面１１の貫通孔１５周囲に多重の円環状有底溝１６が形成されており、いずれかの有底溝１６から外側面へと貫通して下流側流路Ｌ２と連通する連通孔１４が形成されている。

前記ダイアフラム４０は、前記実施形態１と同様にダイアフラム部材４１に設けられている。そして、ダイアフラム４０は、弁座部材１０の弁座面１１と離間して配置されている。なお、ダイアフラム４０は、弾性変形することによって弁座面１１に着座（密着）する着座面４０ａを有している。すなわち、ダイアフラム４０は、弁体をなしている。また、ダイアフラム４０は、外力が加わっていない状態において着座面４０ａが弁座面４１から離間した状態となる。よって、ダイアフラム４０は、着座面４０ａ及び第２プランジャ５２との接触面がいずれも平坦状になっている。

なお、前記ダイアフラム４０に対してアクチュエータ３０側は、前記実施形態１と同様の構造になっているため詳細な説明を省略する。

これにより、前記流体制御弁Ｖには、貫通孔１５、有底溝１６、及び、連通孔１４によって内部流路Ｌ３が形成され、当該内部流路Ｌ３によって上流側流路Ｌ１及び下流側流路Ｌ２が連通した状態となる。そして、流体制御弁Ｖは、弁座面１１に対するダイアフラム４０の距離（言い換えれば、弁開度）を変更することにより、上流側流路Ｌ１から下流側流路Ｌ２へ流れる流体の流量を調節できる構造になっている。

このようなものであれば、ダイアフラム４０よりもアクチュエータ３０側で生じる公差（傾き）が第１突起５１によって吸収され、当該公差の影響がダイアフラム４０へ伝わり難くなる。その結果、ダイアフラム４０にクラックが生じ難くなる。このように、第１突起５１は、アクチュエータ３０によって生じる公差（傾き）がダイアフラム４０へ伝達させることを抑制する傾斜抑制突起ともいえる。

＜その他の実施形態＞ 前記実施形態１においては、第２プランジャ５０をアクチュエータ３０と線接触させた構成を採用しているが、これに限定されることなく、図５に示すように、第２プランジャ５０をアクチュエータ３０に固定するように接続した構成を採用してもよい。

また、前記実施形態においては、第２プランジャ５０側に第１突起５１を設けたが、図６に示すように、ダイアフラム４０側に第１突起５１を設けてもよい。また、第２プランジャ５０及びダイアフラム４０の両方に突起５１を設け、これらの突起５１を点接触させるようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、流体制御弁Ｖのアクチュエータ３０としてピエゾ素子（ピエゾスタック）を使用しているが、ソレノイド等を使用してもよい。

また、前記実施形態においては、流体制御装置ＭＦＣの流量センサとして、圧力式流量センサを使用しているが、熱式の流量センサを使用してもよい。この場合には、流体制御弁Ｖに対して上流側に熱式の流量センサを設置すればよい。

また、流量制御装置ＭＦＣとしては、圧力式及び熱式のものに限らず、流体制御弁Ｖに弁座面１１と着座面２１との相対位置を測定する位置センサを設け、当該位置センサの測定値に基づき弁開度をフィードバック制御するポジション式のものであってもよい。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

ＭＦＣ 流体制御装置
Ｂ ブロック体
Ｖ 流体制御弁
１０ 弁座部材
１１ 弁座面
２０ 弁体
２１（４０ａ） 着座面
３０ アクチュエータ
４０ ダイアフラム
４３ 第１プランジャ
５０ 第２プランジャ
５１ 第１突起
５２ 第２突起
８０ 付勢部材

Claims (7)

1. 弁座面に対して接離するように変位可能に設置された弁体と、
   前記弁体を変位させるアクチュエータと、
   前記弁体と前記アクチュエータとの間に配置され、前記弁体側を向く面から突出して当該弁体に接触する第１プランジャを有するダイアフラムと、
   前記アクチュエータと前記ダイアフラムとの間に介在し、前記アクチュエータの変位を前記ダイアフラムへ伝達する第２プランジャとを具備し、
   前記ダイアフラム及び前記第２プランジャが突起を介して接触していることを特徴とする流体制御弁。
2. 前記第２プランジャが、先端曲面状の前記突起を有しており、
   前記ダイアフラムが、前記突起と接触する平坦面を有している請求項１記載の流体制御弁。
3. 前記アクチュエータ及び前記第２プランジャが第２の突起を介して接触している請求項１又は２のいずれかに記載の流体制御弁。
4. 前記弁体が前記弁座面に着座していない状態において、前記第２プランジャを前記アクチュエータ側へ付勢する付勢部材をさらに具備している請求項１乃至３のいずれかに記載の流体制御弁。
5. 前記第２プランジャが、前記アクチュエータに固定されている請求項１又は２のいずれかに記載の流体制御弁。
6. 弁座面に対して接離するように弾性変形可能な弁体たるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムを変形させるアクチュエータと、
   前記ダイアフラムと前記アクチュエータとの間に介在し、前記アクチュエータの変位を前記ダイアフラムへ伝達する第２プランジャとを具備し、
   前記ダイアフラム及び前記第２プランジャが突起を介して接触していることを特徴とする流体制御弁。
7. 前記請求項１乃至６のいずれかに記載の流体制御弁を備えた流体制御装置。