JP2022043963A - 定圧弁 - Google Patents

Abstract

【課題】微少流量の被制御流体を高精度で供給しかつ流体の清浄度をより高い状態で維持することが可能な定圧弁を提供する。【解決手段】流入側チャンバ２０に第１ダイアフラム３０と、第１ダイアフラムに設けられてともに進退する弁体３５及び第１可動部４０が配置され、流出側チャンバ５０に第２ダイアフラム６０と、第２ダイアフラムを第３チャンバ５１側に加圧する調圧手段６５と、第２ダイアフラムに設けられてともに進退する第２可動部７０とが配置され、第１ダイアフラムが加圧手段９０によって第１チャンバ側に加圧され、接続チャンバ８０に第１可動部とともに進退する第１ラック部材４５と、第２可動部とともに進退する第２ラック部材７５と、各ラック部材と歯合する伝達部材８５とが配置され、伝達部材を介して第２ダイアフラムの進退動を第１ダイアフラムへ伝達して流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持する機能を備えた定圧弁に関する。

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に開示の定圧弁（圧力制御弁）では、同軸上に配置された複数のダイア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、各ダイア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、一次側の流体の圧力変動に対応して二次側の流体の圧力を所定状態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。この定圧弁では、複数のダイア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。また、半導体製造工程等の微少量の薬液等の被制御流体を制御制御する必要がある処理においては、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る。そこで、微少流量の被制御流体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。

特開２００３－８４８４１号公報

本発明は、前記の点に鑑みなされたものであり、微少流量の被制御流体を高精度で供給しかつ流体の清浄度をより高い状態で維持することが可能な定圧弁を提供する。

すなわち、請求項１の発明は、被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、前記流入側チャンバには、前記流入部との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにしたことを特徴とする定圧弁に係る。

請求項２の発明は、前記第２ダイアフラムの受圧面積と前記第１ダイアフラムの受圧面積との差に対する前記接続部の断面積の割合が１％以下である請求項１に記載の定圧弁に係る。

請求項３の発明は、被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、前記流入側チャンバには、前記接続流路との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられ前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する後側に前記流入部側の流体圧力を受圧する膨出状の受圧部を有する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにしたことを特徴とする定圧弁に係る。

請求項４の発明は、前記第１ダイアフラムの有効受圧面積と前記弁体の前記受圧部の有効受圧面積とが等しく構成されている請求項３に記載の定圧弁に係る。

請求項５の発明は、前記加圧手段が前記流出側チャンバの前記第４チャンバ内に前記第２可動部を前記接続チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記伝達部材を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の定圧弁に係る。

請求項６の発明は、前記加圧手段が前記流入側チャンバの前記第２チャンバ内に前記第１可動部を前記第１チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記第１可動部を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の定圧弁に係る。

請求項７の発明は、前記伝達部材が分割可能な複数の歯車部材で構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の定流量弁に係る。

請求項１の発明に係る定圧弁によると、被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、前記流入側チャンバには、前記流入部との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにしたため、微少流量の被制御流体であっても高精度で供給しかつ流体の清浄度をより高い状態で維持することが可能となる。

請求項２の発明に係る定圧弁によると、請求項１において、前記第２ダイアフラムの受圧面積と前記第１ダイアフラムの受圧面積との差に対する前記接続部の断面積の割合が１％以下であるため、流出部側の被制御流体の流体圧力の制御が容易となる。

請求項３の発明に係る定圧弁によると、被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、前記流入側チャンバには、前記接続流路との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられ前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する後側に前記流入部側の流体圧力を受圧する膨出状の受圧部を有する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにしたため、微少流量の被制御流体であっても高精度で供給しかつ流体の清浄度をより高い状態で維持することが可能となる。

請求項４の発明に係る定圧弁によると、請求項３において、前記第１ダイアフラムの有効受圧面積と前記弁体の前記受圧部の有効受圧面積とが等しく構成されているため、流出部側の被制御流体の流体圧力の制御が容易となる。

請求項５の発明に係る定圧弁によると、請求項１ないし４において、前記加圧手段が前記流出側チャンバの前記第４チャンバ内に前記第２可動部を前記接続チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記伝達部材を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢するため、装置の小型化を図ることができる。

請求項６の発明に係る定圧弁によると、請求項１ないし４において、前記加圧手段が前記流入側チャンバの前記第２チャンバ内に前記第１可動部を前記第１チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記第１可動部を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢するため、装置の小型化を図ることができる。

請求項７の発明に係る定流量弁によると、請求項１ないし６において、前記伝達部材が分割可能な複数の歯車部材で構成されているため、メンテナンスや組み立て作業等が容易となる。

本発明の第１実施例に係る定圧弁の縦断面図である。 図１の定圧弁の第１ダイアフラムが前進した状態を表す縦断面図である。 図１の定圧弁の第１ダイアフラムが後退した状態を表す縦断面図である。 第１実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラム近傍の拡大断面図である。 第１実施例に係る定圧弁の第２ダイアフラム近傍の拡大断面図である。 第２実施例に係る定圧弁の縦断面図である。 図４の定圧弁の第１ダイアフラムが前進した状態を表す縦断面図である。 図４の定圧弁の第１ダイアフラムが後退した状態を表す縦断面図である。 第２実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラム近傍の拡大断面図である。 第３実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラムが前進した状態を表す縦断面図である。 第３実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラムが後退した状態を表す縦断面図である。 第４実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラムが前進した状態を表す縦断面図である。 第４実施例に係る定圧弁の第１ダイアフラムが後退した状態を表す縦断面図である。 第５実施例に係る定流量弁の接続チャンバの横断面図である。

図１～図３に示す本発明の第１実施例に係る定圧弁１０Ａ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、超純水、フッ酸、過酸化水素水、アンモニア水、塩酸等の各種の被制御流体の流通流量を一定化することができる装置であって、特にシリコンウエハの枚葉方式による洗浄に対応した被制御流体の制御を可能とする。この定圧弁１０Ａは、弁本体部１１と、接続流路１５と、流入側チャンバ２０と、流出側チャンバ５０と、接続チャンバ８０と、加圧手段９０とを備える。

定圧弁１０Ａでは、各部を構成する部材が、被制御流体からの腐食、あるいは被制御流体の清浄度に影響を与えない性質を有することが求められる。このため、定圧弁１０Ａの各部は、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、耐食性及び耐薬品性の高い材料によって形成される。図示の定圧弁１０Ａ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。

弁本体部１１は、被制御流体の流入部１２と被制御流体の流出部１３とを有するブロック状の部材であり、内部に接続流路１５、流入側チャンバ２０、流出側チャンバ５０、接続チャンバ８０等が設けられる。接続流路１５は、流入側チャンバ２０と流出側チャンバ５０とを接続して連通させる流路である。実施例の弁本体部１１は、複数のブロック体の組合せにより形成される。図において、符号１２ａは流入部１２と流入側チャンバ２０との接続部、１３ａは流出部１３ａと流出側チャンバ５０との接続部、１６は接続流路１５と流入側チャンバ２０との接続部、１７は接続流路１５と流出側チャンバ５０との接続部である。

流入側チャンバ２０は、被制御流体の流入部１２に接続されてその接続部１２ａに弁座２５が形成されるとともに、第１ダイアフラム３０と、弁体３５と、第１可動部４０とが配置される。弁座２５は、流入部１２から流入する被制御流体のための開口部であって、後述の弁体３５が当接される部位である。実施例の弁座２５は、流入側チャンバ２０の下面側に接続された流入部１２から流入側チャンバ２０内へ突出して形成される。

第１ダイアフラム３０は、被制御流体と接する第１チャンバ２１と該第１チャンバ２１の背面側となり被制御流体と接しない第２チャンバ２２とに区画し、第１チャンバ内の流体圧力を受圧する部材である。実施例の第１ダイアフラム３０は、ダイアフラム面となる肉薄の可動膜部３１と、可動膜部３１の外周に配置される外周部３２を有する。図において、符号３３は第１ダイアフラム３０の外周部３２を固定する固定ブロックである。

弁体３５は、第１ダイアフラム３０の第１チャンバ２１側に設けられて弁座２５に対して第１ダイアフラム３０とともに進退動する部位であり、進退動により弁座２５の開口量を調整又は閉鎖するように構成される。実施例の弁体３５は、弁座２５の開口径より大径の平面形状に形成される。平面形状の弁体３５は、加工が容易であるとともに、第１チャンバ２１内に突出して形成された弁座２５の開閉に好適な形状である。なお、弁体３５の形状は弁座２５の開閉を適切に行うことが可能であれば平面形状に限定されるものではなく、例えば円錐形状の突出部等としてもよい。

第１可動部４０は、第１ダイアフラム３０の第２チャンバ２２側に設けられて、第１ダイアフラム３０とともに進退動する部材である。実施例の第１可動部４０は、第２チャンバ２２内に摺動自在に嵌挿されたピストン部４１を有し、第１ダイアフラム３０と一体に連結されている。

流出側チャンバ５０は、被制御流体の流出部１３に接続され、第２ダイアフラム６０と、調圧手段６５と、第２可動部７０とが配置される。第２ダイアフラム６０は、被制御流体と接する第３チャンバ５１と該第３チャンバ５１の背面側となり被制御流体と接しない第４チャンバ５２とに区画して、第３チャンバ５１内の流体圧力を受圧する部材である。実施例の第２ダイアフラム６０は、ダイアフラム面となる肉薄の可動膜部６１と、可動膜部６１の外周に配置される外周部６２を有する。図において、符号６３は第２ダイアフラム６０の外周部６２を固定する固定ブロックである。

調圧手段６５は、第２ダイアフラム６０を第３チャンバ５１側に所定圧力で加圧するように構成される。調圧手段６５は、ばね等の弾性部材や、加圧気体（調圧気体）等が適宜に用いられる。実施例の調圧手段６５は、電空レギュレータ等の電空変換器（図示せず）から供給される加圧気体である。加圧気体は、流入口６６から第３チャンバ５１内に流入されて、第２ダイアフラム６０を第３チャンバ５１側へ加圧する。また、加圧気体は、供給圧力に応じて第２ダイアフラム６０に対する加圧量を適時変化可能である。

第２可動部７０は、第２ダイアフラム６０の第４チャンバ５２側に設けられて、第２ダイアフラム６０とともに進退動する部材である。実施例の第２可動部７０は、第４チャンバ５２内に摺動自在に嵌挿されたピストン部７１を有し、第２ダイアフラム６０と一体に連結されている。

接続チャンバ８０は、流入側チャンバ２０の第２チャンバ２２及び流出側チャンバ５０の第４チャンバ５２と、その後部側で隣接するように形成され、第１ラック部材４５と、第２ラック部材７５と、伝達部材８５とが配置される。第１ラック部材４５は、第１可動部４０に連結されて第１可動部４０とともに進退する棒状部材であり、複数の歯部４６が形成される。第２ラック部材７５は、第２可動部７０に連結されて第２可動部７０とともに進退する棒状部材であり、複数の歯部７６が形成される。第１ラック部材４５と第２ラック部材７５は、互いに歯部４６，７６が対向するように配置されている。

また、伝達部材８５は、第１ラック部材４５及び第２ラック部材７５の各歯部４６，７６と歯合して各ラック部材４５，７５の進退動を伝達する歯車状の部材である。歯車状の伝達部材８５は、円形状の一般的な歯車の他、第１ラック部材４５と第２ラック部材７５の双方と歯合して揺動又は回動可能な適宜の形状とすることができる。実施例の伝達部材８５は、円形状の歯車部材８５ａである。

加圧手段９０は、第１ダイアフラム３０を常時一定圧力で第１チャンバ２１側に加圧する部材である。この加圧手段９０は、ばね等の弾性部材が好適に用いられる。加圧手段９０は、第１ダイアフラム３０を第１チャンバ２１側へ加圧可能であれば、弁本体部１１内のどこに配置しても構わない。実施例の加圧手段９０は、流出側チャンバ５０の第４チャンバ５２内に第２可動部７０を接続チャンバ８０側へ加圧するように配置されて、伝達部材８５を介して第１ダイアフラム３０を第１チャンバ２１側に付勢するように構成される。すなわち、加圧手段９０は、第４チャンバ５２内の接続チャンバ８０側に位置する第２可動部７０のばね受け部７２と、第４チャンバ５２内の第２ダイアフラム６０側に位置する第２ダイアフラム６０の固定ブロック６３に形成されたばね受け部６４との間に配置される。第２可動部７０が設けられる第４チャンバ５２の空間を利用して加圧手段９０を配置することにより、装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１実施例に係る定圧弁１０Ａでは、伝達部材８５を介して第２ダイアフラム６０の進退動を第１ダイアフラム３０へ伝達して流出部１３側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するように構成される。そこで、伝達部材８５による第２ダイアフラム６０の進退動の伝達について説明する。

図２に示すように、伝達部材８５が第２ダイアフラム６０の後退動（接続チャンバ８０側への移動）を伝達する場合、まず第２ダイアフラム６０が後退する。この時、第２ダイアフラム６０に接続された第２可動部７０、さらに第２可動部７０に接続された第２ラック部材７５が、それぞれ第２ダイアフラム６０とともに後退する。

ここで、第２ラック部材７５は歯部７６が歯車部材８５ａである伝達部材８５と歯合しており、第２ラック部材７５と対向する第１ラック部材４５も歯部４６が伝達部材８５と歯合している。そのため、第２ラック部材７５の後退により、歯合する伝達部材８５が一側へ回動（図の例では反時計回り方向）されて、第１ラック部材４５を前進（第１チャンバ２１側への移動）させる。このように、第２ダイアフラム６０の後退動が伝達部材８５を介して第１ラック部材４５に伝達されて前進させるため、第１ラック部材４５と接続された第１可動部４０、さらに第１可動部４０と接続された第１ダイアフラム３０が、一体に前進する。

また、図３に示すように、伝達部材８５が第２ダイアフラム６０の前進動（第３チャンバ５１側への移動）を伝達する場合、第２ダイアフラム６０とともに第２可動部７０及び第２ラック部材７５が前進するため、第２ラック部材７５の歯部７６と歯合する伝達部材８５は他側へ回動（図の例では時計回り方向）されて、第１ラック部材４５を後退（接続チャンバ８０側への移動）させる。このように、第２ダイアフラム６０の前進動が伝達部材８５を介して第１ラック部材４５に伝達されて後退させるため、第１ラック部材４５と接続された第１可動部４０、さらに第１可動部４０と接続された第１ダイアフラム３０が、一体に後退する。

上記のように、伝達部材８５（歯車部材８５ａ）は、第１ラック部材４５及び第２ラック部材７５とそれぞれ歯合していることから、第２ラック部材７５と接続された第２ダイアフラム６０の進退動を、第１ラック部材４５と接続された第１ダイアフラム３０に対して無駄なく伝達することができる。

次に、第１実施例に係る定圧弁１０Ａの構造と被制御流体の流体圧力の関係について説明する。以下の説明では、図４，５に示すように、第１ダイアフラム３０に加わる流体圧力（流入部１２側の流体圧力）をＰ１、第２ダイアフラム６０に加わる流体圧力（流出部１３側の流体圧力）をＰ２、調圧手段６５の設定圧力をＰ３、流入部１２と流入側チャンバ２０との接続部１２ａ（弁座２５）の断面積をＳ０、第１ダイアフラム３０の流体圧力Ｐ１に対する受圧面積をＳ１、第２ダイアフラム６０の流体圧力Ｐ２に対する受圧面積をＳ２、第２ダイアフラム６０の設定圧力Ｐ３に対する受圧面積をＳ３とする。なお、各ダイアフラムにおける受圧面積とは、その可動部である薄肉の膜部からなるダイアフラム面の可動膜部が有効に圧力を受ける面積である。

弁体３５の開弁方向の力（第１ダイアフラム３０を前進させる力）をＦｏ、弁体３５の閉弁方向の力（第１ダイアフラム３０を後退させる力）をＦｃ、加圧手段９０の加圧力をＦｓとして、開弁方向の力Ｆｏと閉弁方向の力Ｆｃは、それぞれ下記の式で表される。なお、流体から受ける圧力は、圧力（Ｐ）×受圧面積（Ｓ）で表される。
Ｆｏ＝（Ｐ１×Ｓ０）＋（Ｐ２×Ｓ１）＋（Ｐ３×Ｓ３）
Ｆｃ＝（Ｐ２×Ｓ２）＋Ｆｓ

当該定圧弁１０Ａの構造では、開弁方向の力Ｆｏと閉弁方向の力Ｆｃとがバランスをとる（Ｆｏ＝Ｆｃ）ように自動調整される。そこで、バランス式（Ｆｏ＝Ｆｃ）は、下記の通り表される。
（Ｐ１×Ｓ０）＋（Ｐ２×Ｓ１）＋（Ｐ３×Ｓ３）＝（Ｐ２×Ｓ２）＋Ｆｓ

上記の関係式から、第２ダイアフラム６０に加わる流体圧力Ｐ２は、下記の通り表される。
Ｐ２＝
Ｓ３／（Ｓ２－Ｓ１）×Ｐ３－１／（Ｓ２－Ｓ１）×Ｆｓ＋Ｓ０／（Ｓ２－Ｓ１）×Ｐ１

ここで、接続部１２ａの断面積Ｓ０と第１ダイアフラム３０の受圧面積Ｓ１とが第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２に対して相対的に極小の場合、例えば、第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２と第１ダイアフラム３０の受圧面積Ｓ１との差に対する接続部１２ａの断面積Ｓ０の割合｛Ｓ０／（Ｓ２－Ｓ１）｝が１％以下である場合、上記流体圧力Ｐ２の式において無視可能となる。したがって、流体圧力Ｐ２は、下記の通り表される。
Ｐ２＝Ｓ３／（Ｓ２－Ｓ１）×Ｐ３－１／（Ｓ２－Ｓ１）×Ｆｓ

当該定圧弁１０Ａは、第２ダイアフラム６０に加わる流体圧力Ｐ２の関係式から理解されるように、加圧手段（弾性部材）９０の加圧力Ｆｓが一定であることから、流体圧力Ｐ２を調圧手段６５の設定圧力Ｐ３に応じて容易に制御することができる。したがって、調圧手段６５の設定圧力Ｐ３を一定に設定することによって、流出部１３側の流体圧力Ｐ２を一定に制御することができる。

図６～図８は、本発明の第２実施例に係る定圧弁１０Ｂであって、弁本体部１１に、流入側チャンバ２０Ａと、流出側チャンバ５０と、流入側チャンバ２０Ａと流出側チャンバ５０とを接続する接続流路１５Ａと、接続チャンバ８０と、加圧手段９０とを備え、伝達部材８５を介して第２ダイアフラム６０の進退動を第１ダイアフラム３０へ伝達して流出部１３側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するように構成される。なお、以下の説明において、第１実施例と同一の符号は同一の構成を表すものとして説明を省略する。

流入側チャンバ２０Ａは、接続流路１５Ａとの接続部１６ａに弁座２５ａが形成され、第１ダイアフラム３０Ａと、弁体３５Ａと、第１可動部４０とが配置される。弁体３５Ａは、第１ダイアフラム３０Ａの第１チャンバ２１側に設けられ弁座２５ａに対して第１ダイアフラム３０Ａとともに進退動する部位であって、特に、図９に示すように後側に流入部１２側の流体圧力を受圧する膨出状の受圧部３６を有する。この弁体３５Ａは、例えば、ポペット弁等が好適に用いられる。図９において、符号３１ａは第１ダイアフラム３０Ａのダイアフラム面となる肉薄の可動膜部、３７は弁体３５Ａと第１ダイアフラム３０Ａとを接続する軸部である。

ここで、第２実施例に係る定圧弁１０Ｂの構造と被制御流体の流体圧力の関係について説明する。以下の説明では、図９に示すように、第１ダイアフラム３０Ａの可動膜部３１ａの中央部の直径をＤ１、第１ダイアフラム３０Ａの可動膜部３１ａの外周部の直径をＤ２、弁体（ポペット弁）３５Ａの軸部３７の直径をＤ３、弁座２５ａの直径をＤ４、第１ダイアフラム３０Ａの流体圧力Ｐ１に対する受圧面積（第１ダイアフラム３０Ａの有効受圧面積）をＳ５、弁体３５Ａの膨出状の受圧部３６の流体圧力Ｐ１に対する受圧面積（弁体３５Ａの受圧部３６の有効受圧面積）をＳ６、接続流路１５Ａと流入側チャンバ２０Ａとの接続部１６ａ（弁座２５ａ）の断面積をＳ７とする。なお、流出側チャンバ５０側（第２ダイアフラム６０側）の構造は第１実施例の定圧弁１０Ａと同様である。

まず、受圧部３６の流体圧力Ｐ１に対する受圧面積Ｓ５と、第１ダイアフラム３０Ａの流体圧力Ｐ１に対する受圧面積Ｓ６は、それぞれ下記の式で表される。なお、可動膜部３１ａの中央部の直径Ｄ１は、｛（Ｄ２－Ｄ３）／２｝＋Ｄ３である。
Ｓ５＝（Ｄ４／２）²π－（Ｄ３／２）²π
Ｓ６＝（Ｄ１／２）²π－（Ｄ３／２）²π

開弁方向の力Ｆｏと閉弁方向の力Ｆｃは、それぞれ下記の式で表される。
Ｆｏ＝（Ｐ１×Ｓ５）＋（Ｐ２×Ｓ７）＋（Ｐ３×Ｓ３）
Ｆｃ＝（Ｐ１×Ｓ６）＋（Ｐ２×Ｓ２）＋Ｆｓ

当該定圧弁１０Ｂの構造では、開弁方向の力Ｆｏと閉弁方向の力Ｆｃとがバランスをとる（Ｆｏ＝Ｆｃ）ように自動調整される。そこで、バランス式（Ｆｏ＝Ｆｃ）は、下記の通り表される。
（Ｐ１×Ｓ５）＋（Ｐ２×Ｓ７）＋（Ｐ３×Ｓ３）
＝（Ｐ１×Ｓ６）＋（Ｐ２×Ｓ２）＋Ｆｓ

受圧部３６の流体圧力Ｐ１に対する受圧面積Ｓ５と、第１ダイアフラム３０Ａの流体圧力Ｐ１に対する受圧面積Ｓ６が等しく構成されている場合、（Ｐ１×Ｓ５）＝（Ｐ１×Ｓ６）となって相殺される。したがって、流体圧力Ｐ２は、下記の通り表される。
Ｐ２＝Ｓ３／（Ｓ２－Ｓ７）×Ｐ３－１／（Ｓ２－Ｓ７）×Ｆｓ

当該定圧弁１０Ｂは、第２ダイアフラム６０に加わる流体圧力Ｐ２の関係式から理解されるように、第１実施例の定圧弁１０と同様に、流体圧力Ｐ２を調圧手段６５の設定圧力Ｐ３に応じて容易に制御することができるため、調圧手段６５の設定圧力Ｐ３を一定に設定することによって、流出部１３側の流体圧力Ｐ２を一定に制御することができる。また、この定圧弁１０Ｂは、接続部１６ａ（弁座２５ａ）のオリフィス径が第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２に対して相対的に大きい場合に好適である。

図１０，１１は、本発明の第３実施例に係る定圧弁１０Ｃであって、第１実施例に係る定圧弁１０Ａに対して、伝達部材８５が揺動可能な帯形状の歯車部材８５ｂであり、流入側チャンバ２０の第２チャンバ２２内に加圧手段９０ａが第１可動部４０を第１チャンバ２１側へ加圧するように配置されている。

帯形状の歯車部材８５ｂは、左右両端部の歯部が各ラック部材４５，７５とそれぞれ歯合して揺動可能に構成される。この歯車部材８５ｂは、円形状の歯車部材８５ａと同様に、第１ラック部材４５及び第２ラック部材７５とそれぞれ歯合することにより、第２ラック部材７５と接続された第２ダイアフラム６０の進退動を、第１ラック部材４５と接続された第１ダイアフラム３０に対して無駄なく伝達することができる。

加圧手段９０ａは、第２チャンバ２２内の接続チャンバ８０側に位置する弁本体部１１のばね受け部１８と、第２チャンバ２２内の第１ダイアフラム３０側に位置する第１可動部４０のばね受け部４２との間に配置されて、第１可動部４０を介して第１ダイアフラム３０を第１チャンバ２１側に付勢するように構成される。加圧手段９０ａは、第１実施例に係る定圧弁１０Ａの加圧手段９０と設置位置が異なるものの、同様に第１ダイアフラム３０を付勢することができる。また、第１可動部４０が設けられる第２チャンバ２２の空間を利用して加圧手段９０ａを配置することにより、装置の小型化を図ることができる。

第３実施例に係る定圧弁１０Ｃでは、第１実施形態に係る定圧弁１０Ａと同様に、伝達部材８５である歯車部材８５ｂを介して第２ダイアフラム６０の進退動を第１ダイアフラム３０へ伝達して流出部１３側の被制御流体の流体圧力を一定に保持することができる。また、その際、加圧手段９０ａの加圧力が定圧弁１０Ａの加圧手段９０と同様に一定に作用することから、前述の定圧弁１０Ａにおける流体圧力Ｐ２の関係式が成立する。したがって、同様に調圧手段６５の設定圧力Ｐ３を一定に設定することによって、流出部１３側の流体圧力Ｐ２を一定に制御することができる。

図１２，１３は、本発明の第４実施例に係る定圧弁１０Ｄであって、第２実施例に係る定圧弁１０Ｂに対して、伝達部材８５が揺動可能な帯形状の歯車部材８５ｂであり、流入側チャンバ２０の第２チャンバ２２内に加圧手段９０ａが第１可動部４０を第１チャンバ２１側へ加圧するように配置されている。

第４実施例に係る定圧弁１０Ｄでは、第２実施例に係る定圧弁１０Ｂと同様に、流出部１３側の被制御流体の流体圧力を一定に保持することができる。またその際、前述の定圧弁１０Ｂにおける流体圧力Ｐ２の関係式が成立し、調圧手段６５の設定圧力Ｐ３を一定に設定することによって、流出部１３側の流体圧力Ｐ２を一定に制御することができる。なお、定圧弁１０Ｄは、定圧弁１０Ｂと同様に、接続部１６ａ（弁座２５ａ）のオリフィス径が第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２に対して相対的に大きい場合に好適である。

図１４は、本発明の第５実施例に係る定圧弁１０Ｅの接続チャンバ８０の横断面図であって、伝達部材８５Ａが分割可能な複数の歯車部材８５ｃ，８５ｄで構成される。図示の伝達部材８５Ａは、第１ラック部材４５と歯合する第１歯車部材８５ｃと、第２ラック部材７５と歯合する第２歯車部材８５ｄとが、直列状に連結されて形成されている。伝達部材８５Ａが第１歯車部材８５ｃと第２歯車部材８５ｄに分割可能であることにより、分割された歯車部材８５ｃ，８５ｄと対応するラック部材４５，７５とを個別に歯合させて組み立てることができるため、メンテナンスや組み立て作業等が容易となる。

さらに、定圧弁Ｅでは、第１ラック部材４５と第２ラック部材７５とがそれぞれ異なる歯車部材（８５ｃ，８５ｄ）と歯合することにより、第１ラック部材４５と第２ラック部材７５とが並列されない。すなわち、第１ラック部材４５と連結する第１ダイアフラム３０と第２ラック部材７５と連結する第２ダイアフラム６０とを、並列以外の位置関係で配置することが可能となる。そのため、各ダイアフラムの配置の自由度が高められる。

以上図示し説明したように、本発明の定圧弁は、第１ダイアフラムと接続された第１ラック部材と、第２ダイアフラムと接続された第２ラック部材とが、それぞれ伝達部材に歯合しており、この伝達部材を介して第２ダイアフラムの進退動を無駄なく第１ダイアフラムに対して伝達して、流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するように構成される。そのため、微少流量の被制御流体であっても高精度で供給しかつ流体の清浄度をより高い状態で維持することが可能となる。

以上のとおり、本発明の定圧弁は、微少流量の被制御流体を高精度で供給しかつ高い清浄度を維持することが可能である。従って、従来の定圧弁の代替として有望である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 定圧弁
１１ 弁本体部
１２ 被制御流体の流入部
１２ａ 流入部と流入側チャンバとの接続部
１３ 被制御流体の流出部
１３ａ 流出部と流出側チャンバとの接続部
１５，１５Ａ 接続流路
１６，１６ａ 接続流路と流入側チャンバとの接続部
１７ 接続流路と流出側チャンバとの接続部
１８ ばね受け部
２０，２０Ａ 流入側チャンバ
２１ 第１チャンバ
２２ 第２チャンバ
２５，２５ａ 弁座
３０，３０Ａ 第１ダイアフラム
３１，３１ａ 第１ダイアフラムの可動膜部
３２ 第１ダイアフラムの外周部
３３ 第１ダイアフラムの固定ブロック
３５ 弁体
３５Ａ 弁体（ポペット弁）
３６ 膨出状の受圧部
３７ 弁体の軸部
４０ 第１可動部
４１ ピストン部
４２ ばね受け部
４５ 第１ラック部材
４６ 第１ラック部材の歯部
５０ 流出側チャンバ
５１ 第３チャンバ
５２ 第４チャンバ
６０ 第２ダイアフラム
６１ 第２ダイアフラムの可動膜部
６２ 第２ダイアフラムの外周部
６３ 第２ダイアフラムの固定ブロック
６４ ばね受け部
６５ 調圧手段
６６ 加圧気体の流入口
７０ 第２可動部
７１ ピストン部
７２ ばね受け部
７５ 第２ラック部材
７６ 第２ラック部材の歯部
８０ 接続チャンバ
８５，８５Ａ 伝達部材
８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，８５ｄ 歯車部材
９０，９０ａ 加圧手段
Ｄ１ 第１ダイアフラムの可動膜部の中央部の直径
Ｄ２ 第１ダイアフラムの可動膜部の外周部の直径
Ｄ３ 弁体（ポペット弁）の軸部の直径
Ｄ４ 弁座の直径
Ｓ０ 流入部と流入側チャンバとの接続部の断面積
Ｓ１ 第１ダイアフラムの流体圧力に対する受圧面積
Ｓ２ 第２ダイアフラムの流体圧力に対する受圧面積
Ｓ３ 第２ダイアフラムの設定圧力に対する受圧面積

Claims (7)

1. 被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、
   前記流入側チャンバには、前記流入部との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、
   前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、
   前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、
   前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、
   前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにした
   ことを特徴とする定圧弁。
2. 前記第２ダイアフラムの受圧面積（Ｓ２）と前記第１ダイアフラムの受圧面積（Ｓ１）との差に対する前記接続部の断面積（Ｓ０）の割合が１％以下である請求項１に記載の定圧弁。
3. 被制御流体の流入部と被制御流体の流出部とを有する弁本体部に、前記流入部に接続された流入側チャンバと、前記流出部に接続された流出側チャンバと、前記流入側チャンバと前記流出側チャンバとを接続する接続流路とを備えた定圧弁であって、
   前記流入側チャンバには、前記接続流路との接続部に弁座が形成され、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チャンバとに区画し前記第１チャンバ内の流体圧力を受圧する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムの前記第１チャンバ側に設けられ前記弁座に対して前記第１ダイアフラムとともに進退動する後側に前記流入部側の流体圧力を受圧する膨出状の受圧部を有する弁体と、前記第１ダイアフラムの前記第２チャンバ側に設けられて前記第１ダイアフラムとともに進退動する第１可動部とが配置され、
   前記流出側チャンバには、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チャンバとに区画して前記第３チャンバ内の流体圧力を受圧する第２ダイアフラムと、前記第２ダイアフラムを前記第３チャンバ側に所定圧力で加圧する調圧手段と、前記第２ダイアフラムの前記第４チャンバ側に設けられて前記第２ダイアフラムとともに進退動する第２可動部とが配置され、
   前記第１ダイアフラムが加圧手段によって常時一定圧力で第１チャンバ側に加圧されており、
   前記弁本体部に前記第２チャンバ及び前記第４チャンバとその後部側で隣接する接続チャンバが形成され、該接続チャンバには、前記第１可動部とともに進退する第１ラック部材と、前記第２可動部とともに進退する第２ラック部材と、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合して各ラック部材の進退動を伝達する歯車状の伝達部材とが配置されていて、
   前記伝達部材を介して前記第２ダイアフラムの進退動を前記第１ダイアフラムへ伝達して前記流出部側の被制御流体の流体圧力を一定に保持するようにした
   ことを特徴とする定圧弁。
4. 前記第１ダイアフラムの有効受圧面積（Ｓ５）と前記弁体の前記受圧部の有効受圧面積（Ｓ６）とが等しく構成されている請求項３に記載の定圧弁。
5. 前記加圧手段が前記流出側チャンバの前記第４チャンバ内に前記第２可動部を前記接続チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記伝達部材を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の定圧弁。
6. 前記加圧手段が前記流入側チャンバの前記第２チャンバ内に前記第１可動部を前記第１チャンバ側へ加圧するように配置されて、前記第１可動部を介して前記第１ダイアフラムを第１チャンバ側に付勢する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の定圧弁。
7. 前記伝達部材が分割可能な複数の歯車部材で構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の定流量弁。

Images