JP2023148578A - ダイヤフラムバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム押さえの位置決めが容易でシートリークを抑制することができるダイヤフラムバルブを提供すること。【解決手段】ステム４のダイヤフラム押さえ６と当接する端面は平面であり、ダイヤフラム押さえ６のステム４と当接する端面は円柱の中心が最高部６ａとなる曲面であり、押さえアダプタ５の内周面とダイヤフラム押さえ６の外周面が摺接しており、ボンネット７の内周面とダイヤフラム押さえ６の外周面は接しないようにしている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤフラムバルブに関し、特に半導体製造用プロセスガスの流量制御に適した、ダイヤフラムバルブに関する。

従来、半導体製造用プロセスガスの流量制御用として、ダイヤフラムを備えるダイヤフラムバルブが知られている（特許文献１、２等）。この種のダイヤフラムバルブにおいて、ダイヤフラム押さえの中心軸と弁座の中心軸が一直線となるよう位置決めを行う必要があり、軸ずれが生じている場合は、シートリークの発生、パーティクルの発生、耐久性の低下の原因となる。

国際公開第２０２１／０３９０２７号 国際公開第２０２１／１３１６３１号

特許文献１の一例に示すように、ダイヤフラム押さえをアクチュエータと一体に設ける場合、ダイヤフラム押さえが軸方向に長くなるため、ダイヤフラム押さえの傾きの原因となる。また、特許文献２の一例に示すように、ダイヤフラム押さえとアクチュエータからの推力をダイヤフラム押さえに伝えるステムを別体に設ける場合、ステムの軸ずれがダイヤフラム押さえの軸ずれに影響を与える。ダイヤフラム押さえの軸ずれによって、ダイヤフラムが変形した状態で押圧され、シート状の弁座に対して、片当たりによるシートリークやパーティクルの発生を誘発することとなる。

本発明者等は、ダイヤフラム押さえの位置決めが容易でシートリークを抑制することができるダイヤフラムバルブを提供することを目的とする。

本発明に係るダイヤフラムバルブは、弁座を形成する弁室及び該弁室と連通する流体流路を備えたバルブボディと、前記弁座と当接離間することで前記流体流路を開閉するダイヤフラムと、アクチュエータによって作動するステムと、前記ステムと前記ダイヤフラムとの間に配置され、前記ステムの移動に伴い移動して前記ダイヤフラムを変形する円柱状のダイヤフラム押さえと、前記バルブボディに固定され、前記ステムおよび前記ダイヤフラム押さえが内部に配置される中空のボンネットと、前記ボンネットと前記バルブボディとの間に介在し、前記ダイヤフラムの周縁部を押圧して前記バルブボディに前記ダイヤフラムを固定する円環状の押さえアダプタと、を有するダイヤフラムバルブであって、前記ステムの前記ダイヤフラム押さえと当接する端面は平面であり、前記ダイヤフラム押さえの前記ステムと当接する端面は円柱の中心が最高部となる曲面であり、前記押さえアダプタの内周面と前記ダイヤフラム押さえの外周面が摺接しており、前記ボンネットの内周面と前記ダイヤフラム押さえの外周面は接しない。

前記ダイヤフラム押さえは、側面が前記押えアダプタの内周面と摺接するとともに、一端面が前記ステムと当接する曲面の有底筒状の蓋体と、この蓋体の他端面凹所に嵌合されるダイヤフラム押さえ本体とからなってもよい。

前記ダイヤフラム押さえの材質は、一実施形態においてインバー材とすることができる。

本発明によれば、押さえアダプタの内周面とダイヤフラム押さえの外周面が摺接することで、ダイヤフラム押さえの中心軸と弁座の中心軸が一直線となり、シートリークの発生を防ぐことができる。

また、ステムのダイヤフラム押さえと当接する端面を平面とし、ダイヤフラム押さえのステムと当接する端面を円柱の中心が最高部となる曲面とすることで、ステムからダイヤフラム押さえにかかる力が軸方向のみとなり、ダイヤフラム押さえの押さえアダプタに対する摺動を阻害せず、耐久性の低下やパーティクルの発生を防ぐことができる。

さらに、ボンネットの内周面とダイヤフラム押さえの外周面が接しないことで、ボンネットの軸のずれによりダイヤフラム押さえに周方向の力がかかりダイヤフラム押さえが捻じれることで発生する耐久性の低下やパーティクルの発生の原因となることを防ぐことができる。

本実施形態に係るバルブの内部構造を示した一部切り欠きの断面図である。 同バルブの内部構造の要部を拡大した部分断面図である

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

ダイヤフラムバルブ１は、弁室２１および流体流路２０が形成されたバルブボディ２と、弁室２１に形成された弁座２２と、弁室２１に配置され弁座２２に対して当接又は離反することにより流体流路２０を開閉するダイヤフラム３と、ステム４を移動させることでダイヤフラム３を弁座２２に対して当接又は離間させるアクチュエータと、ステム４の上下方向への移動に伴いダイヤフラム３を変形させる円柱状のダイヤフラム押さえ６と、ステム４やダイヤフラム押さえ６が内部に配置されるボンネットと、ボンネット７によりバルブボディ２に対して押圧されダイヤフラム３の周縁部をバルブボディとの間に挟持することでダイヤフラム３をバルブボディ２に固定する押さえアダプタ５とを備えている。

バルブボディ２は、例えば、ステンレス鋼等の金属で形成され、バルブボディ２に形成された円柱状の凹部である弁室２１が形成される。円柱状凹部の底面には円柱状凹部と中心軸を同じくする円環状の突起である弁座２２が形成されており、弁座２２の内側および外側において入口側流体流路、出口側流体流路が開口している。なお、入口側流体流路および出口側流体流路の開口位置は逆であっても良い。

ダイヤフラム３は、極薄金属板により円形の皿状に形成されている。ダイヤフラム３の母材は、特に限定するものではないが、本実施形態では、スプロン等の金属（合金を含む。）で形成されている。ダイヤフラム３５の大きさも特に限定するものではないが、例えば、直径５～５０ｍｍ、厚さ２０～４００μｍとすることができる。

アクチュエータは、ステム４を上下に作動することができるものであれば、特に限定するものではなく、ソレノイドアクチュエータ等を採用することもできるが、本実施形態ではピエゾアクチュエータを採用している。ピエゾアクチュエータは、ピエゾ素子に電圧を印加することによりピエゾ素子が伸長し、ステム４及びダイヤフラム押さえ６を図例上下に作動させることでダイヤフラム３を変形させる。本実施例はノーマルクローズタイプのダイヤフラムバルブであり、定常状態ではコイルバネによりステム４が下方に押圧されダイヤフラム３が弁座２２に当接して流体流路２０が閉止されている。ピエゾ素子に電圧を印加することでステム４はコイルバネの付勢力に抗して上方に移動させられ、流体流路２０が開放される。なお、ダイヤフラムバルブはノーマルクローズタイプに限るものではなく、定常状態において流体流路が開放されているノーマルオープンタイプでもよい。

ボンネット７は、アクチュエータとバルブボディ２との間に介された中空円筒状の部材であり、ステム４やダイヤフラム押さえ６を内部に配置する。ボンネット７の下部は弁室２１内に挿入されバルブボディ２に対して固定される、図においてはボンネット７のフランジとバルブボディ２の間をボルトにより固定しているが、ボンネット７の下部外周にネジ切りを行いバルブボディ２に対して螺合させることで固定しても良い。ボンネット７の下端には押さえアダプタ５が設けられ、ダイヤフラム３の周縁部が押さえアダプタ５とバルブボディ２の間に挟持される。ここで、押さえアダプタ５の外径はバルブボディ２の円柱状凹部の内径と略同径又は若干小径であり、押さえアダプタ５は周方向への移動が規制され、ボンネット７により上方から押圧されることによりバルブボディ２と一体となっている。

ダイヤフラム押さえ６は円柱状の部材であり、ステム４の移動に伴い移動してダイヤフラム３を押圧する。ダイヤフラム押さえ６の外周面は押さえアダプタ５の内周面と摺接している。ダイヤフラム押さえ６の外径および押さえアダプタの内径は、特に限定するものではないが、本実施形態においては、いずれも約１１ｍｍ程度に設計され、ダイヤフラム押さえと押さえアダプタとの間には、０．０３ｍｍ～０．２ｍｍの隙間が設けられ、所謂、摺動可能な状態となっている。ダイヤフラム押さえ６の材質としては、温度変化による影響を抑えるため、熱膨張係数の小さい材質、例えば、インバー材を用いることが望ましい。

また、ステム４と当接する曲面の有底筒状の蓋体６１と、蓋体の他端面凹所に嵌合されるダイヤフラム押さえ本体６０が組み合わさっている。これは、ダイヤフラム押さえ６の摺動時における固着を防ぐ必要がある側面とダイヤフラム３に対する応力集中を緩和したい下面において材質を変更するためであり、蓋体６１にはインバー材を、ダイヤフラム押さえ本体６０には樹脂材料を用いることもできるが、同じインバー材の組み合わせでもよく、また、同じ材料で一体に形成されていても良い。

ダイヤフラム押さえ６の下面は曲面となっており、ダイヤフラム押圧時においてダイヤフラム３と点接触から面接触に拡大するようになっている。ダイヤフラム押さえ６の上部は押さえアダプタ５から突出しており、ボンネット７の内周面と対向しているが、ボンネット７とダイヤフラム押さえ６の間には隙間が設けられボンネット７とダイヤフラム押さえ６は接することはない。ボンネット７とダイヤフラム押さえ６の間に隙間が設けられることにより、ボンネット７の軸がダイヤフラム押さえ６の軸とずれた場合においても、ボンネット７とダイヤフラム押さえ６は接触せず、ダイヤフラム押さえの動作を阻害しない。本実施形態においては、ダイヤフラム押さえ６の外径が１１ｍｍ程度に対して、ボンネット７の内径との間に０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度の隙間を設け、摺接することがないようになっている。

ステム４は、アクチュエータに接続されてアクチュエータの移動に伴い移動し、ダイヤフラム押さえ６を押圧する円柱部を持つ。ステム４の外径はダイヤフラム押さえ６の外径より大きく、ボンネット７により軸がとられている。ステム４の下端面は平面となっており、ダイヤフラム押さえ６の上端面と対向して押圧される。

ダイヤフラム押さえ６の上端面は、円柱の中心が最高部６aとなる曲面となっており、軸方向と垂直なステム４の下端面と対向している。そのため、ダイヤフラム押さえ６は常にステム４と最高部６aにおいて接触し、ダイヤフラム押さえ６には中心軸方向に沿って力がかかる。なお、ダイヤフラム押さえ６の上端面を平面、ステム４の下端面を円柱の中心が最高部となる曲面とすると、ステム４とボンネット７の間に隙間が設けられているため、ステム４とダイヤフラム押さえ６の接触位置がダイヤフラム押さえ６の中心からずれることがある。ステム４とダイヤフラム３の接触位置がダイヤフラム押さえ６の中心からずれると、押さえアダプタ５やダイヤフラム３に対して力が偏って加えられることとなり、耐久性の低下やパーティクルの発生の原因となるため、ダイヤフラム押さえ６側に曲面を設けることが望ましく、ダイヤフラム３が変形した状態で押圧され、シート状の弁座２２に対して、片当たりによるシートリークの発生を有効に抑制することができる。

本発明の実施形態によるダイヤフラムバルブは、ダイヤフラム押さえの軸ずれを防止し、シートリークやパーティクルの発生を防止することができるから、半導体製造装置用の流量制御装置に好適に用いることができる。

１ ダイヤフラムバルブ
２ バルブボディ
２０ 流体流路
２１ 弁室
２２ 弁座
３ ダイヤフラム
４ ステム
５ 押さえアダプタ
６ ダイヤフラム押さえ
６０ ダイヤフラム押さえ本体
６１ 蓋体
６ａ 最高部
７ ボンネット

Claims (3)

1. 弁座を形成する弁室及び該弁室と連通する流体流路を備えたバルブボディと、
   前記弁座と当接離間することで前記流体流路を開閉するダイヤフラムと、
   アクチュエータによって作動するステムと、
   前記ステムと前記ダイヤフラムとの間に配置され、前記ステムの作動に伴って前記ダイヤフラムを変形する円柱状のダイヤフラム押さえと、
   前記バルブボディに固定され、前記ステム及び前記ダイヤフラム押さえが内部に配置される中空のボンネットと、
   前記ボンネットと前記バルブボディとの間に介在し、前記ダイヤフラムの周縁部を押圧して前記バルブボディに前記ダイヤフラムを固定する円環状の押さえアダプタと、
   を有するダイヤフラムバルブであって、
   前記ステムの前記ダイヤフラム押さえと当接する端面は平面であり、
   前記ダイヤフラム押さえの前記ステムと当接する端面は円柱の中心が最高部となる曲面であり、
   前記押さえアダプタの内周面と前記ダイヤフラム押さえの外周面が摺接しており、
   前記ボンネットの内周面と前記ダイヤフラム押さえの外周面は接しないダイヤフラムバルブ。
2. 前記ダイヤフラム押さえは、側面が前記押えアダプタの内周面と摺接するとともに、一端面が前記ステムと当接する曲面の有底筒状の蓋体と、該蓋体の他端面凹所に嵌合されるダイヤフラム押さえ本体とからなる請求項1に記載のダイヤフラムバルブ。
3. 前記ダイヤフラム押さえの材質が、インバー材である請求項１又は２に記載のダイヤフラムバルブ。
   
   

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