JP2022073596A - 定流量弁 - Google Patents

Abstract

【課題】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に保つとともに、流体を一定流量に維持する定流量弁を提供する【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動する第１可動部４０とが配置され、流出側チャンバ５０に第２ダイアフラム６０と、第２ダイアフラムに設けられてともに進退動する弁体６５及び第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、接続流路１５の絞り部１６前後の圧力変動により第１及び第２ダイアフラムの進退動が伝達部材を介して互いのダイアフラムに伝達されて、被制御流体の流量を一定に保持するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、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定流量弁に関する。

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に開示の定流量弁では、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、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。

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場合がある。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 特開２００７－１０２７５４号公報

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に保つとともに、流体を一定流量に維持する定流量弁を提供する。

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とともに絞り部を有する接続流路とを備えた定流量弁であって、前記流入側チャンバには、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、前記流出部との接続部に弁座が形成され、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ダイアフラムの前記第３チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第２ダイアフラムとともに進退動する弁体と、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ダイアフラムが弾性部材からなる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、前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動が、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合する前記伝達部材を介して互いのダイアフラムに伝達されて、前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動を通じて前記弁体を前記弁座に対して進退動させ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定流量弁に係る。

請求項２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に記載の定流量弁に係る。

請求項３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に記載の定流量弁に係る。

請求項４の発明は、前記流入側チャンバ側に前記第１ダイアフラムを加圧気体によって前記第１チャンバ側へ加圧する調圧手段が配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の定流量弁に係る。

請求項５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４のいずれか１項に記載の定流量弁に係る。

請求項１の発明に係る定流量弁によると、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とともに絞り部を有する接続流路とを備えた定流量弁であって、前記流入側チャンバには、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、前記流出部との接続部に弁座が形成され、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ダイアフラムの前記第３チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第２ダイアフラムとともに進退動する弁体と、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ダイアフラムが弾性部材からなる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、前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動が、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合する前記伝達部材を介して互いのダイアフラムに伝達されて、前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動を通じて前記弁体を前記弁座に対して進退動させ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に保つとともに、流体を一定流量に維持することができる。

請求項２の発明に係る定流量弁によると、請求項１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３の発明に係る定流量弁によると、請求項１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４の発明に係る定流量弁によると、請求項１ないし３において、前記流入側チャンバ側に前記第１ダイアフラムを加圧気体によって前記第１チャンバ側へ加圧する調圧手段が配置されているため、流量を変化させる際に加圧手段の加重を調整することなく調圧手段の制御によって容易に流量を調整することができる。

請求項５の発明に係る定流量弁によると、請求項１ないし４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実施例に係る定流量弁の縦断面図である。 図１の定流量弁の第１ダイアフラムが後退した状態を表す縦断面図である。 図１の定流量弁の第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１実施例に係る定流量弁の第１ダイアフラム近傍の拡大断面図である。 第１実施例に係る定流量弁の第２ダイアフラム近傍の拡大断面図である。 第２実施例に係る定流量弁の第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実施例に係る定流量弁の第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実施例に係る定流量弁の第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３実施例に係る定流量弁の第１ダイアフラムが前進した状態を表す縦断面図である。 他の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実施例に係る定流量弁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。この定流量弁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。

定流量弁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、定流量弁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。図示の定流量弁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り、絞り部１６を有する。絞り部１６は、接続流路１５の流路径を縮小させた部位であり、流路内の流体圧力を損失させて流入側チャンバ２０と流出側チャンバ５０の流体圧力に差圧を生じさせる。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１３と流出側チャンバ５０との接続部、１５ａは接続流路１５と流入側チャンバ２０との接続部、１５ｂ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、第１ダイアフラム３０と、第１可動部４０とが配置される。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２１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。

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に接続されてその接続部１３ａに弁座５５が形成されるとともに、第２ダイアフラム６０と、弁体６５と、第２可動部７０とが配置される。弁座５５は、流出側チャンバ５０内から流出部１３へ流出する被制御流体のための開口部であって、後述の弁体６５が当接される部位である。

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。

弁体６５は、第２ダイアフラム６０の第３チャンバ５１側に設けられて弁座５５に対して第２ダイアフラム６０とともに進退動する部位であり、進退動により弁座５５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６５は、円錐形状の突出部である。なお、弁体６５の形状は弁座５５の開閉を適切に行うことが可能であれば円錐形状に限定されるものではなく、適宜の形状とすることができる。

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実施例に係る定流量弁１０Ａでは、絞り部１６前後の圧力変動により生じた第１ダイアフラム３０及び第２ダイアフラム６０の進退動が、第１ラック部材４５及び第２ラック部材７５と歯合する伝達部材８５を介して互いのダイアフラムに伝達されて、第１ダイアフラム３０及び第２ダイアフラム６０の進退動を通じて弁体６５を弁座５５に対して進退動させ被制御流体の流量を一定に保持するように構成される。そこで、伝達部材８５による各ダイアフラム３０，６０の進退動の伝達について説明する。

例えば、図２に示すように、定流量弁１０Ａの一次側圧力（流入部１２側圧力）の上昇により第１ダイアフラム３０側の流体圧力が高まると、第１ダイアフラム３０が後退する。この時、第１ダイアフラム３０に接続された第１可動部４０、さらに第１可動部４０に接続された第１ラック部材４５が、それぞれ第１ダイアフラム３０とともに後退する。

ここで、第１ラック部材４５は歯部４６が歯車部材８５ａである伝達部材８５と歯合しており、第１ラック部材４５と対向する第２ラック部材７５も歯部７６が伝達部材８５と歯合している。そのため、第１ラック部材４５の後退により、歯合する伝達部材８５が一側へ回動（図の例では時計回り方向）されて、第２ラック部材７５を前進（第３チャンバ５１側への移動）させる。このように、第１ダイアフラム３０の後退動が伝達部材８５を介して第２ラック部材７５に伝達されて前進させるため、第２ラック部材７５と接続された第２可動部７０、さらに第２可動部７０と接続された第２ダイアフラム６０が、一体に前進する。これにより、第１ダイアフラム３０から第２ダイアフラム６０へ前進方向（弁座５５方向）への荷重が加わり、第２ダイアフラム６０及び弁体６５は弁座５５に対して前進し、流出部１３との接続部１３ａの開度が縮小される。その際、弁体６５は、弁座５５に着座して流出部１３の接続部１３ａを閉鎖することが可能である。なお、弁体６５が弁座５５に着座する際には、第２可動部７０のピストン部７１は第２ダイアフラム６０の固定ブロック６３に接触しないように構成されている。

また、図３に示すように、定流量弁１０Ａの二次側圧力（流出部１３側圧力）の上昇により第２ダイアフラム６０側の流体圧力が高まると、第２ダイアフラム６０に第１ダイアフラム３０からの荷重を押し戻す方向に圧力が加わる。第２ダイアフラム６０及び第２可動部７０は弁体６５とともに弁座５５から後退し、流出部１３との接続部１３ａの開度は拡大される。この時、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。なお、第１ダイアフラム３０の前進動は、第１可動部４０のピストン部４１が第１ダイアフラム３０の固定ブロック３３の上面３３ａに当接することによって停止されて、流入部１２の接続部１２ａを閉鎖しないように構成される。

上記のように、各ダイアフラム３０，６０は絞り部１６前後の被制御流体の圧力変動を受けて、第１ダイアフラム３０及び第２ダイアフラム６０の変動が伝達部材８５を介してそれぞれに伝達される。この結果、生じた変動は第２ダイアフラム６０と弁体６５の進退動作に正確に反映され、定差圧、定流量を維持するように、流出部１３との接続部１３ａの開度は調整される。また、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１ラック部材４５と接続された第１ダイアフラム３０及び第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、互いのダイアフラムに対して無駄なく伝達することができる。

次に、第１実施例に係る定流量弁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（一次側）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（二次側）の流体圧力）をＰ２、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。また、第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２は、第２ダイアフラム６０の全体の面積から、弁体６５の部分を除いた部分（ドーナツ状の部分）の面積である。

第１ダイアフラム３０に作用する力（一次側の力）をＦ１、第２ダイアフラム６０に作用する力（二次側の力）をＦ２、加圧手段９０の加圧力をＦｋとして、一次側の力Ｆ１と二次側の力Ｆ２は、それぞれ下記の式で表される。なお、各ダイアフラムが流体から受ける圧力は、圧力（Ｐ）×受圧面積（Ｓ）である。
Ｆ１＝Ｐ１×Ｓ１
Ｆ２＝Ｐ２×Ｓ２＋Ｆｋ

当該定流量弁１０Ａの構造では、一次側の力Ｆ１と二次側の力Ｆ２とがバランスをとる（Ｆ１＝Ｆ２）ように自動調整される。そこで、バランス式（Ｆ１＝Ｆ２）は、下記の通り表される。
Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２＋Ｆｋ

弁座５５のオリフィス径（流出部１３との接続部１３ａの開口径）が第２ダイアフラム６０の受圧面積Ｓ２に対して相対的に極小の場合、第１ダイアフラムの受圧面積Ｓ１と第２ダイアフラムの受圧面積Ｓ２とをほぼ同一（Ｓ１≒Ｓ２）とみなすことができる。したがって、上記バランス式は下記の通りとなる。
Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ１＋Ｆｋ
（Ｐ１－Ｐ２）×Ｓ１＝Ｆｋ
Ｐ１－Ｐ２＝Ｆｋ／Ｓ１

上記の（Ｐ１－Ｐ２）は一次側の流体圧力Ｐ１と二次側の流体圧力Ｐ２の差圧であり、加圧手段９０の加圧力Ｆｋとの関係式から理解されるように、一次側流体と二次側流体の差圧は加圧手段９０の加圧力に比例する値で一定に制御されることを表す。そして、当該定流量弁１０Ａの構造による被制御流体の流量Ｑを数式で表すと、下記のとおりである。なお、下記流量の式のａはオリフィス面積に依存する係数である。
Ｑ＝ａ×√（Ｐ１－Ｐ２）＝ａ×√（Ｆｋ／Ｓ１）

上記流量（Ｑ）の関係式から理解されるように、差圧（Ｐ１－Ｐ２）が加圧手段９０の加圧力に比例した値（Ｆｋ／Ｓ１）で一定に制御されることから、当該定流量弁１０Ａでは、加圧手段９０の加圧力に応じて流量（Ｑ）を一定に制御することができる。なお、加圧手段９０が実施例の弾性部材（ばね部材）である場合、ばね自体の交換、手動あるいはモータ駆動等によりばね荷重を変化させる方法等により、ばね荷重（加圧手段９０の加圧力）が調整可能である。

図６，７は、本発明の第２実施例に係る定流量弁１０Ｂである。この定流量弁１０Ｂでは、第１実施例に係る定流量弁１０Ａに対して、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。

加圧手段９０ａは、第２チャンバ２２内の第１ダイアフラム３０の背面側と、第１ダイアフラム３０の固定ブロック３３の接続チャンバ側に形成されたばね受け部３４との間に配置されて、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実施例に係る定流量弁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ダイアフラム３０とその固定ブロック３３と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。

図８，９は、本発明の第３実施例に係る定流量弁１０Ｃである。この定流量弁１０Ｃでは、第１実施例に係る定流量弁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、流出側チャンバ５０の第４チャンバ内のばね部材からなる加圧手段９０の他に流入側チャンバ２０側に第１ダイアフラム３０を加圧気体（調圧気体）によって第１チャンバ２１側へ加圧する調圧手段９５が配置されている。

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。

調圧手段９５は、第２チャンバ２２内の第１ダイアフラム３０の背面側に加圧気体（調圧気体）を供給して第１ダイアフラム３０を第１チャンバ側へ所定圧力で加圧するように構成される。調圧手段９５は、例えば、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等が好適に使用される。調圧手段９５による加圧気体は、供給圧力に応じて第１ダイアフラム３０に対する加圧量を適時変化可能である。図において、符号９６は加圧気体の流入口である。

第３実施例に係る定流量弁１０Ｃでは、第１実施例に係る定流量弁１０Ａと同様に、第１ダイアフラム３０及び第２ダイアフラム６０の進退動を通じて弁体６５を弁座５５に対して進退動させ被制御流体の流量を一定に保持することができる。また、定流量弁１０Ｃでは、調圧手段９５により第１ダイアフラム３０に対する加圧量を適時変化可能であるとともに前述の流量Ｑの関係式が成立するため、流量を変化させる際には加圧手段９０の加重を調整することなく調圧手段９５の制御によって容易に流量を調整することができる。

以上図示し説明したように、本発明の定流量弁は、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絞り部前後の圧力変動により生じた第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの進退動を互いのダイアフラムに対して伝達して、弁体を弁座に対して進退動させ被制御流体の流量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。

なお、本発明の定流量弁は、前述の実施例のみ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。例えば、第２実施例に係る定流量弁の流入側チャンバ側に第２チャンバに加圧気体を供給して第１ダイアフラムを第１チャンバ側へ加圧する調圧手段を配置してもよい。この定流量弁では、第３実施例に係る定流量弁と同様に、流量を変化させる際に加圧手段の加重を調整することなく調圧手段の制御によって容易に流量を調整することができる。

また、実施例１～３に係る定流量弁では、第１ラック部材及び第２ラック部材と歯合する伝達部材を単一の歯車部材としたが、伝達部材を分割可能な複数の歯車部材で構成してもよい。例えば、図１０に示す定流量弁Ｄの接続チャンバ８０の横断面図に示す伝達部材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、定流量弁Ｄ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。

以上のとおり、本発明の定流量弁は、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、従来の定流量弁の代替として有望である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 定流量弁
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 接続流路
１５ａ 接続流路と流入側チャンバとの接続部
１５ｂ 接続流路と流出側チャンバとの接続部
１６ 絞り部
２０，２０Ａ 流入側チャンバ
２１ 第１チャンバ
２２ 第２チャンバ
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
３３ａ 第１ダイアフラムの固定ブロックの上面
３４ ばね受け部
４０ 第１可動部
４１ ピストン部
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
５５ 弁座
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 弁体
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
９５ 調圧手段
９６ 加圧気体の流入口
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

Claims (5)

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とともに絞り部を有する接続流路とを備えた定流量弁であって、
   前記流入側チャンバには、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、前記流出部との接続部に弁座が形成され、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ダイアフラムの前記第３チャンバ側に設けられて前記弁座に対して前記第２ダイアフラムとともに進退動する弁体と、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ダイアフラムが弾性部材からなる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、
   前記絞り部前後の圧力変動により生じた前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動が、前記第１ラック部材及び前記第２ラック部材と歯合する前記伝達部材を介して互いのダイアフラムに伝達されて、前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムの進退動を通じて前記弁体を前記弁座に対して進退動させ被制御流体の流量を一定に保持するようにした
   ことを特徴とする定流量弁。
2. 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に記載の定流量弁。
3. 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に記載の定流量弁。
4. 前記流入側チャンバ側に前記第１ダイアフラムを加圧気体によって前記第１チャンバ側へ加圧する調圧手段が配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の定流量弁。
5. 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４のいずれか１項に記載の定流量弁。

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