JP2024005306A - 半導体製造装置用バルブ及びそのダイヤフラムバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも耐久性に優れかつ安定した弁閉性能を発揮し、コンパクト化を図ると共に性能評価が容易な半導体製造装置用バルブ及びそのダイヤフラムバルブを提供すること。【解決手段】半導体製造装置用バルブは、ピストン７から入力された軸方向の垂直荷重を螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体１６のピッチ差を利用して増力する増力機構８を備えた高圧用自動弁のアクチュエータ部３と弁体を有するボデー部２とを連結した。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体製造工程の装置に用いられるバルブ、特に、高圧流体が流れる流路を弁閉する荷重を増力する増力装置を備えた半導体製造装置用バルブ及びそのダイヤフラムバルブに関する。

従来、半導体製造工程の装置に用いられるバルブには外部からの空圧によってアクチュエータを動作させ、内蔵されたピストン等の動作を利用して弁の開閉を行う自動弁が使用されている。

特に高圧ガスに使用するこの種のバルブには、流路を流れる高圧ガスに対して弁閉して流路を封止するためには、強い締め付け力が必要になる。そのため半導体製造工程で使用される高圧用バルブには、流路を流れる高圧ガスに対して、十分余裕を持った荷重で弁閉状態とするため、スプリングなどからの荷重を機械的な増力機構（倍力機構など）で増幅することでガスの圧力に負けない高い荷重（締付荷重）を発生させて弁閉する増力装置を備えている。

増力装置は一般的にスプリングなどの圧縮荷重を梃子（テコ）の原理を利用して増幅することで、高い出力荷重が得られる装置で、ローラーやボールにピストンに設けた平面や傾斜面を利用し、シーソーの様に動作するカムなどを組み合わせた構造となっている。

例えば、特許文献１の図１４に開示されるように、スプリングによって押下げられたニードルが鋼鉄製のボールなどにより、筒状部材の傾斜面の角度比等によって入力された荷重を増力するボール式の倍力機構が知られている。
また、特許文献１の図１などに開示されるように、スプリングの入力荷重を、鋼鉄製のボールとシャフトに連結するプレートの傾斜面及びピストンのテーパ面の角度比等によって出力荷重を増力するボール式の倍力機構が知られている。

他には、特許文献２の図１１に開示されるように、梃子の原理を利用し、スプリングの圧縮荷重を略Ｌ字形状のカムにより伝達して圧縮荷重を増幅したカム式の倍力機構が知られている。

特開２０１２－３７０４８号公報 国際公開第２０１５／０２０２０９号

しかしながら、特許文献１のボール式の倍力機構は、ボールを押圧するとボールが摺動する構造であるから、ボールの移動方向とボールが回転しようとする方向が異なることで摩擦が生じる。また、複数のボールが同時に協調動作しないことによっても摩擦が生じる。このため生じた摩擦によって、伝達ロスが大きくなったり、伝達された出力荷重にバラつきが生じたりする問題があった。
そして、ボールの摺動によって伝達する荷重がバラつき弁閉の際の締付荷重が変化して、設計時の出力荷重とは異なっていた。加えて、荷重のバラつきや摩擦により、特定の部位に摩耗が集中して耐久性に問題があった。

また、特許文献２のカム式の倍力機構においても、梃子の原理によって高い荷重が掛かる部位（作用点にあたる部分）が摺動する構造であり、相手部品と線接触した状態でスライドするため摩擦による伝達ロスが大きく、荷重の集中により生じる摩耗によって短期間でカムの寸法が変わり、倍率が低下することで出力荷重が低下する。
また、カムの倒れた角度によって変換比率が曲線的に変動するため、弁閉となるピストン位置で、設計当初の出力荷重が発生しているのかが分かりづらく、実機を製作して性能試験しないと分からないため設計時に性能予測が難しかった。

高い変換比率が必要な場合は、梃子の原理でいうところの支点から力点の距離と、支点から作用点までの距離の比を大きく設計することが必要となることから、比を大きくすると、カムそのものが長く大きくなり、アクチュエータを大型化しなければ、アクチュエータの動作ストロークを確保できないため、結果バルブが大型化してしまう。

いずれの構造も、弁開状態と弁閉状態の間で荷重の作用する方向や変換比率の変化が直線的になっていない為、弁閉位置が変わってしまうような場合に出力荷重（締付荷重）がどれだけ変わるのかが把握しづらく、複雑な機構によって出力された締付荷重がバラついて不安定となるほか、強い摩耗によって締付荷重が低下しやすく設計当初の弁閉性能が低下して、バルブの製品寿命が短くなるなどの問題があった。

また、高圧向け自動弁に内蔵される増力装置の構造的な問題によって、製品サイズが大きくなりがちとなり、バルブの小型化の要望により増力装置を大きくできない場合には、充分なストローク量を確保できないため、充分な弁閉性能を発揮できない。

よって、高圧流体用バルブの小型化を図ると共に、高圧流体の流路を弁閉する増力機構に必要な増幅量の計算や設計が容易な増力機構と、この増力機構を備えた半導体製造装置用バルブの開発が望まれていた。

本発明は、従来の課題を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、従来よりも耐久性に優れかつ安定した弁閉性能を発揮し、コンパクト化を図ると共に性能評価が容易な半導体製造装置用バルブ及びそのダイヤフラム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、ピストンから入力された軸方向の垂直荷重を螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構を備えた高圧用自動弁のアクチュエータ部と弁体を有するボデー部とを連結した半導体製造装置用バルブである。

請求項２に係る発明は、高圧用自動弁のアクチュエータであり、このアクチュエータの軸方向に沿って発生した垂直荷重を伝達するピストンと、このピストンと同軸に配置された回転子とを連結して垂直荷重を回転トルクに変換し、回転子に連結された螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構で軸力として回転トルクを垂直荷重に変換するようにした半導体製造装置用バルブである。

請求項３に係る発明は、回転子は、円筒回転体に設けた螺旋状の溝を介してピストンと同軸に設けたプッシュロッドの垂直荷重を回転トルクに変換するようにした半導体製造装置用バルブである。

請求項４に係る発明は、ネジのセルフロック現象を利用して、弁閉時に増力機構によって発生した軸力を超えた弁閉方向に掛かる流路からの逆圧力に抗して弁閉状態を維持できるようにした半導体製造装置用バルブである。

請求項５に係る発明は、ネジの回転により発生した軸力を用いて直接あるいは間接的にボデー内に設けたダイヤフラムを押下させて弁の開閉を行う半導体製造装置用ダイヤフラムバルブである。

請求項６に係る発明は、螺合体の溝のピッチ角あるいは回転子の回転量を任意に設定して弁機構の開閉ストローク量や弁機構の締め付け荷重を適宜設定するようにした半導体製造装置用バルブである。

請求項１に係る発明によると、ピストンから入力された軸方向の荷重を螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構を備えた高圧用自動弁のアクチュエータ部と弁体を有するボデー部とを連結したことにより、ピッチ差を利用して荷重を増幅した螺合体の推進力により、弁体を弁座シートに密着させる締付荷重を発生させることができる。
しかも、出力荷重は、直線的な締付荷重でありかつ移動方向の荷重（リニア的荷重）であるから、入力された荷重の伝達ロスなどによるバラつきがなく、安定した締付荷重を発生することができる。

特に、回転部品の回転量を変えるだけでアクチュエータの弁の開閉ストローク量を増やしたり締付荷重を変更することも可能なので、バルブ径を大きく設計する必要が無いため、決められた面積に多数のバルブを配置する様な用途にも適した省スペースに対応した製品を提供する事が可能となる。
また、ピッチ差を利用しているので、出力荷重の計算が容易であり、出力荷重の変換倍率を自由に設計できる。ピッチ差を利用して必要な締付荷重を生じさせているから、可動部材の特定の部位に荷重が集中することがなく、可動部材の摩耗を低減することができ耐久性を高めることができる。
さらには、ピッチ差を利用して必要な締付荷重を生じさせることができるから、必要な荷重を得るために、増力機構を大きくする必要がなくコンパクト化を図ることができる。

請求項２に係る発明によると、アクチュエータの軸方向に沿って発生した垂直荷重を伝達するピストンと、このピストンと同軸に配置された回転子とを連結して垂直荷重を回転トルクに変換し、回転子に連結された螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構で軸力として回転トルクを垂直荷重に変換するようにしたことにより、ピストンからの入力荷重を、一旦、回転運動に変換した後に回転運動により生じた回転トルクを推進力に変換して、増幅された垂直荷重として出力して、弁閉するための締付荷重を発生させることができる。
特に、本発明によれば、入力荷重を回転する方向に変換して利用する増力機構を採用したことにより、従来製品に比べてコンパクトで長寿命の半導体向け高圧ガスバルブを提供することが可能となる。

また、ピッチ差を利用して垂直荷重とすることで、出力荷重が不均一とならず、安定した締付荷重を発生させることができる。加えて、可動部位の特定の部位に荷重が集中することがないから摩耗を低減して耐久性を高めることができる。

また、ピッチ差を利用しているので、出力荷重の計算が容易であり、出力荷重の変換倍率を自由に設計できる。
さらには、ピッチ差を利用して必要な締付荷重を生じさせることができるから、必要な荷重を得るために、増力機構を大きくする必要がなくコンパクト化を図ることができる。

請求項３に係る発明によると、回転子は、円筒回転体に設けた螺旋状の溝を介してピストンと同軸に設けたプッシュロッドの垂直荷重を回転トルクに変換するようにしたことにより、従来のカム式やボール式の増力機構と比較すると、構造を複雑にすることなく増力機構をアクチュエータに内蔵することができると共に、垂直荷重を確実にかつ高精度に回転トルクに変換可能となる。
このため、垂直荷重と回転トルクの変換倍率などを大きくするために増力機構を大きくする必要がないのでアクチュエータ並びにバルブのコンパクト化を図ることができる。

請求項４に係る発明によると、ネジのセルフロック現象を利用して、弁閉時に増力機構によって発生した軸力を超えた弁閉方向に掛かる流路からの逆圧力に抗して弁閉状態を維持することにより、仮に弁閉状態で過剰な内圧が発生したとしても、ネジが反転して、弁開方向に動くことがないから、安定した弁閉状態を保持できバルブ製品の安全性を高めることができる。

換言すると、一般的なダイヤフラムバルブでは設計された弁閉荷重よりも大きな反力を受けるような事故が起こった場合、簡単にバルブが弁開状態となってしまうが、本発明では、ウォームギヤの様に、ネジ山に対して直交に近い軸方向からの荷重に対しては、高い摩擦力によってセルフロックが掛かるので、弁閉動作によって発生した締付け荷重を大きく超えた反力が無いとネジが逆転しないため、結果として事故等によってバルブに過剰な内圧が掛かっても、意図せず開いてしまうというようなリスクを低減することができ、より安全性の高いバルブ製品を提供することが可能となる。

請求項５に係る発明によると、ネジの回転により発生した軸力を用いて直接あるいは間接的にボデー内に設けたダイヤフラムを押下させて弁の開閉を行うことにより、耐久性が向上し、安定した弁閉状態を維持可能な半導体製造装置用ダイヤフラムバルブを提供することができ、また、バルブ径を大きくすることなくアクチュエータをコンパクト化したことにより、省スペースに多数のバルブを配置することができるので、半導体製造装置のコンパクト化に寄与する。

請求項６に係る発明によると、スプリングによって発生した荷重を、一旦、回転運動に変換した後、回転によって生じるトルクを、構造的に直結したネジの軸力（推進力）に再変換することで、リニアな出力荷重を得ることができ、回転径やネジ山の送りピッチの設計だけで出力荷重の変換倍率を自由に設計できるほか、ピストンのストロークと回転子の回転角度を設定することによって、弁を開閉するためのストローク量も個別に設計できるため、直感的にバルブの設計に必要な部品の可動量を計算することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体製造装置用バルブの弁開状態の断面図である。 同バルブの弁閉状態の断面図である。 同バルブの増力機構の半断面図であり、（ａ）は同バルブの弁開状態の半断面図であり、（ｂ）は同バルブの弁閉状態の半断面図である。 増力機構の分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置用バルブの弁開状態の断面図である。図２は、同バルブの弁閉状態の断面図である。図３は、同バルブの増力機構の半断面図であり、（ａ）は同バルブの弁開状態の半断面図であり、（ｂ）は同バルブの弁閉状態の半断面図である。図４は、同バルブの増力機構の分解斜視図である。

本発明の実施形態に係る半導体製造装置用バルブ（半導体製造装置用ダイヤフラムバルブ）は、半導体製造装置などの流路に設けられ、流路内の高圧流体の流路を遮断したり、連通したりするために使用される。

本例の半導体製造装置用バルブは高圧用自動弁のアクチュエータ３を備え、外部からのエアー供給により弁体（ダイヤフラム）２３を開閉動作する自動弁であり、エアーポート４よりエアー供給がされると弁開状態となり、エアー供給を停止すると弁閉状態となる、いわゆるノーマリークローズ（ＮＣ型）の自動弁である。
なお、本例ではノーマリークローズの構造を前提に説明を行うが、エアーで駆動する部位とスプリングで駆動する部位の構造を入れ替えれば逆の動作タイプであるノーマリーオープン（ＮＯ型）の製品でも荷重の発生源がエアーかスプリングかの違いだけなので応用可能である。

図１及び図２に示すように、半導体製造装置用バルブは、弁体（ダイヤフラム）２３を有するボデー（ボデー部）２と増力機構８を内蔵したアクチュエータ（アクチュエータ部）３とを連結して構成している。

（ボデー部２について）
ボデー部２内の流路２１は、ダイヤフラム押さえ２５により支持されているダイヤフラムピース２４が弁座シート２２に向かって押下げられて、ダイヤフラム２３を押圧することで、ダイヤフラム２３が押下げられて弁座シート２２に密着して高圧流体の流路２１を遮断可能に構成している。

（アクチュエータ部３について）
アクチュエータ部３は、ベース体３３とシリンダ体３２とキャップ体３１により構成しており、ベース体３３とシリンダ体３２は雌ネジと雄ネジにより螺着し、シリンダ体３２とキャップ体３１は、雌ネジと雄ネジにより螺着している。
ベース体３３は、止めねじ（図示なし）により回転抑制され、ベース体３３の雄ネジは、ボデー２の雌ネジに螺着することで、アクチュエータ３とボデー２を連結して、バルブ本体を構成している。

アクチュエータ３の内部には、弁封止するための荷重を発生させるスプリング（弾発部材）５とスプリング５の弾発力を伝達するスプリング受け６を内蔵しており、スプリング受け６からの入力荷重を伝達するピストン７の下には、ピストン７から入力されたアクチュエータ３の軸方向の垂直荷重を増幅する増力機構８を内蔵している。

（増力機構８について）
図４に示すように、増力機構８は、プッシュロッド（押圧部材）１１、回転子１２、ガイド部材（ガイドスリーブ）１３を含んで構成している。増力機構８は、ベース体３３の所定の空間内にコンパクトに収容されており、ピストン７からの入力荷重を増幅する。
本例の増力機構８は、アクチュエータ３の軸方向に沿って発生した垂直荷重を伝達する際に、ピストン７と同軸に配置された回転子１２に連結された螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体１６のピッチ差を利用して増力する。
すなわち、ピストンからの入力荷重を一旦回転運動に変換し、発生した回転トルクにより螺合体１６を推進させて、この螺合体１６の軸力（推進力）を出力荷重（垂直荷重）として、弁体（ダイヤフラム）２３を押下げる締付荷重を発生させている。

（プッシュロッド１１について）
プッシュロッド１１は、ピストン７の直径と略同程度の長さを有する長尺状のピン形状を呈しており、プッシュロッド１１の両端には回転自在なブッシュが１４装着されている。
プッシュロッド１１は、回転子１２の螺旋部１８とガイド部材１３のガイド溝１３ａに上下動自在に挿通状態で、ピストン７の延伸部７Ａに形成した貫通穴７ａに挿通して装着される。このため、プッシュロッド１１は、ピストン７と一体に昇降動して、ピストン７から入力された垂直荷重を回転子１２に伝達する。

（回転子１２について）
回転子１２は、プッシュロッド１１の垂直運動（直線運動）を回転運動に変換して、螺合体１６を推進させて、出力部１７により垂直荷重を伝達して弁体２３に締付荷重を発生させる。

回転子（円筒回転体）１２は中空で略筒状形状の外観を呈しており、外周には螺旋状の一対の溝（螺旋部）１８を有しており、回転体１２の下端は、ネジ又は螺旋構造を有する螺合体１６が連結している。螺旋部１８の角度（ピッチ角）は特に限定はないが、本例では、４０°～６０°において適宜設定することができる。螺旋部１８の角度が４５°の場合には、設計段階において回転子１２の回転量と推進力の関係が計算しやすくなるため好ましい。
螺旋部１８に挿通したプッシュロッド１１がピストン７による垂直荷重により上下動すると、螺旋部１８を介してプッシュロッド１１からの垂直荷重が回転子１２の回転力を発生させるので、プッシュロッド１１の上下動に伴って回転子１２が回転運動する。これにより、ピストンから入力された軸方向の垂直荷重を、一旦、回転運動に変換して回転トルクを発生することができる。
回転子１２の下端に螺合体１６を連結して一体とすることで、高精度な回転トルクを発生させることができる。

（螺合体１６について）
螺合体１６は、外周表面に螺旋構造１６ａを有しており、この螺旋構造１６ａがアクチュエータ３のベース体３３の雌ねじ部３３ａと螺合しており、螺合体１６の下端は出力部１７に連結している。
螺旋構造１６ａは、特に限定はないが、雄ねじのネジ山を有するネジ（ネジ部）により形成することができ、雄ねじがベース体の雌ねじ部３３ａに螺合して、螺合状態で固着している。螺旋構造１６ａは、切欠によりネジ山のような螺旋溝により形成してもよい。

螺合体１６は、螺合状態でベース体３３に固着しているので、セルフロック機能を発揮することができる。螺合体１６のネジ山に対して直交に近い軸方向からの荷重に対しては、高い摩擦力によってセルフロックが掛かるので、弁閉動作によって発生した締付荷重を大きく超えた反力が無いとネジ１６ａが反転することがない。

螺旋構造１６ａのネジ山は多条としてもよく、ネジ山のピッチ角などは、実施形態に合わせて適宜設定することができ、上記の螺旋部１８のピッチ角と異なる角度にすることができ、螺旋構造１６ａのネジ山を異なるピッチ角とすることで、ピッチ差として利用することが可能となり、螺合体１６の送り出し量を適宜設定することができる。
このため、例えば垂直荷重と回転トルクの変換倍率などを大きくする場合には、所定のピッチ差や回転量を調整することで締付荷重（出力荷重）に必要な送り出し量を定めればよく、増力機構の各部品を大きくすることなくそのままの大きさで調整可能となり、増力機構８をアクチュエータ３の内部にコンパクトに収容可能となる。

（出力部１７について）
出力部（出力軸）１７の先端は、ダイヤフラムピース２４に当接しておりダイヤフラム２３を押下げ可能に設けている。また、出力軸１７には、Ｏリング１０が装着されている。
回転子１２が回転運動すると螺合体１６に回転トルクが伝達され、回転子１２の回転によって螺合体１６に推進力が生じ、螺合体１６の垂直荷重の軸力となる。このため、螺合体１６の出力部１７がダイヤフラム２３を押圧する方向に推進することで、弁体（ダイヤフラム）２３を封止する締付荷重を発生させて弁封止する。
なお、本例では、出力部はダイヤフラムピースを介して間接的にダイヤフラムを押圧しているが、出力部が直接押圧してダイヤフラムを押下げてもよい。

（ベアリング部材９について）
回転子１２とベース体３３の間には、ベアリング部材９を配置しており、回転子１２の回転運動を滑らかにするとともに、回転子１２とベース体３３の間に生じる摩擦を低減している。

（ガイド部材１３について）
ガイド部材（ガイドスリーブ）１３は、中空の円筒状の外観であり、垂直方向のガイド溝１３ａを有している。このガイド溝１３ａにプッシュロッド１１が挿入されて、ピストン７の上下動と同軸方向のガイド溝１３ａにより、プッシュロッド１１の直線運動が高精度に案内される。

（バルブの動作について）
続けて、バルブ（ダイヤフラムバルブ）の動作及び増力機構の動作とその作用について説明する。図３（ａ）はバルブの弁開状態を示しており、図３（ｂ）はバルブの弁閉状態を示している。

外部からエアーポート４へのエアー供給が停止すると、エアー室の内圧よりもスプリング５の弾発力が大きくなり、スプリング５の弾発力によりスプリング受け６が垂直方向に押下げられる。スプリング５の垂直荷重はスプリング受け６に連結するピストン７を押下げて、スプリング５の垂直荷重がピストン７に伝達される。

ピストン７の下降に伴って、ピストン７の貫通穴７ａに挿入されているプッシュロッド１１がガイド部材１３のガイド溝１３ａに沿ってアクチュエータ３の軸方向と同方向に直線運動（垂直運動）する（矢印Ａ）。

このとき、プッシュロッド１１は、回転子１２の螺旋部１８を押圧しながら下降して、回転子１２を右周りに回転させる（矢印Ｂ）。
回転子１２の回転運動により回転トルクが発生して、回転子１２に連結した螺合体１６が回転して（矢印Ｃ）、螺合体１６のネジ（ネジ山）１６ａのピッチ角に従って推進力が働き、螺合体１６が下降する。

螺合体１６に連結した出力部１７が下降して（矢印Ｄ）、出力部１７の先端に当接するダイヤフラムピース２４を押圧して、ダイヤフラムピース２４から締付荷重が伝達されて弁体（ダイヤフラム）２３が押下げられて弁体２３が弁座シート２２に密着して、弁閉状態となる。

螺合体１６の推進力は、螺旋部１８のピッチ角と螺合体１６のピッチ角のピッチ差を利用して、螺合体１６が移動する。また、アクチュエータの軸方向の直線的な移動であり、かつ、直線的な軸力の荷重を付加して、リニア的な荷重により弁閉に必要な締付荷重を発生させて、弁封止することが可能となる。

よって、ピストン７から入力された軸方向の垂直荷重を螺合状態のネジ又は螺旋構造１６ａからなる螺合体１６のピッチ差を利用して増力する増力機構８を備えた高圧用自動弁のアクチュエータ部３と弁体２３を有するボデー部２とを連結したことにより、ピッチ差を利用して荷重を増幅した螺合体１６の推進力により、弁体２３を弁座シート２２に密着させる締付荷重を発生させることができる。
しかも、出力荷重は、直線的な締付荷重でありかつ移動方向の荷重（リニア的荷重）であるから、直線的な負荷荷重を伝達し、締付荷重を発生させているので従来のボール式やカム式の増力機構よりも、入力された荷重の伝達ロスや荷重のバラツキを低減して安定した締付荷重を発生することができる。
加えて、バルブ設置後でも、設計時の出力荷重が変化することがないので、安定した弁閉性能を発揮することができる。

また、ピッチ差を利用しているので、出力荷重の計算が容易であり、設計段階から容易に出力荷重を計算することができ、変換倍率を自由に設計できる。
特に、回転部品の回転量を変えるだけでアクチュエータの弁の開閉ストローク量を増やしたり締付荷重を変更することも可能なので、バルブ径を大きく設計する必要が無いため、決められた面積に多数のバルブを配置する様な用途にも適した省スペースに対応した製品を提供する事が可能となる。
すなわち、ネジの回転径やネジ山の送りピッチなどの設計だけで出力荷重の変換倍率を計算可能で自由に設計できるほか、ピストンのストロークと回転子の回転角度を設定することによって、弁を開閉するためのストローク量も個別に設計できるため、直感的にバルブの設計に必要な部品の可動量を計算することが可能となる。

また、ピッチ差を利用して必要な締付荷重を生じさせているから、可動部材の特定の部位に荷重が集中することがなく、可動部材の摩耗を低減することができ耐久性を高めることができる。
すなわち、可動部材にボールを採用した製品やローラーを採用した従来の増力機構と比べると、可動部材の接触面積が点接触や線接触ではなく、ねじ山の噛み合い部の広い接触面が分担して荷重を受けるため、接触部位の面圧が低下するので、過度な摩擦や摩耗を低減して耐久性が向上し製品寿命を延長することができる。

さらには、ピッチ差を利用して必要な締付荷重を生じさせることができるから、必要な荷重を得るために、増力機構を大きくする必要がなくコンパクト化を図ることができる。

本実施形態は、回転子１２は、螺旋状の溝（螺旋部）１８を介してピストンと同軸に設けたプッシュロッド１１の垂直荷重を回転トルクに変換するようにしたことにより、従来のカム式やボール式の増力機構と比較すると、増力機構８の構造を複雑にすることなく増力機構８をアクチュエータに内蔵することができると共に、垂直荷重を確実にかつ高精度に回転トルクに変換可能となる。
このため、垂直荷重と回転トルクの変換倍率などを大きくするために増力機構を大きくする必要がないのでアクチュエータ並びにバルブのコンパクト化を図ることができる。

本実施形態は、螺合体１６は螺合状態でピストンから入力された軸方向の荷重を螺合体１６のピッチ差を利用して増力している。螺合体１６は、ベース体３３の雌ねじ部３３ａと螺合状態であることにより、螺合体１６のネジ１６ａとベース体３３の雌ねじ部３３ａのかみ合わせにより、セルフロック現象を利用して、弁閉時に増力機構８によって発生した軸力を超えた弁閉方向に掛かる流路からの逆圧力に抗して弁閉状態を維持することができる。

従来のダイヤフラムバルブでは弁閉状態で内部流路に、設計時の弁閉荷重よりも大きな反力が発生した場合、ダイヤフラムが押し返されてバルブが弁開状態となってしまうが、本発明では、ウォームギヤの様に、ネジ山に対して直交に近い軸方向からの荷重に対しては、高い摩擦力によってセルフロックが掛かるので、弁閉動作によって発生した締付荷重を大きく超えた反力が無いとネジが逆転しないため、弁閉状態を保持することができる。
よって、バルブに過剰な内圧が掛かっても意図せず開いてしまうおそれがなく、従来よりも安全性の高いバルブ製品を提供することが可能となる。

本実施形態によると、ネジの回転により発生した軸力を用いて直接あるいは間接的にボデー２内に設けたダイヤフラム２３を押下させて弁の開閉を行うことにより、耐久性が向上し、安定した弁閉状態を維持可能な半導体製造装置用ダイヤフラムバルブを提供することができる、また、バルブ径を大きくすることなくアクチュエータをコンパクト化したことにより、省スペースに多数のバルブを配置することができるので、半導体製造装置のコンパクト化に寄与する。

よって、本実施形態は、スプリングによって発生した荷重を、一旦、回転運動に変換した後、回転によって生じるトルクを、構造的に直結したネジの軸力（推進力）に再変換することで、リニアな出力荷重を得ることができ、回転径やネジ山の送りピッチの設計だけで出力荷重の変換倍率を自由に設計できるほか、ピストンのストロークと回転子の回転角度を設定することによって、弁を開閉するためのストローク量も個別に設計できるため、直感的にバルブの設計に必要な部品の可動量を計算することが可能となる。

次に、本発明に係る増力機構の実施例（設計例）を説明する。本発明の実施形態の一例を説明するものであり、本発明を限定するものではない。

・螺合体のネジ部の設計について
本発明に係る増力機構８の設計する際に、最終段のネジによってバルブを締め付けたときに、高圧ガスによる反発力によってダイヤフラム２３が押し返され、ネジ１６ａが破壊されるリスクがあるので、まずは螺合体１６のネジの強度を検討する。
一般的な金属材料のメートルねじの締め付け時の軸力は大きく、（株）東日製作所の技術資料よれば、一般的な鉄鋼材のネジでは、Ｍ５サイズで２９８０Ｎ、Ｍ１０サイズでは１２２００Ｎである。このため、一般的な金属材料は、非常に大きな荷重に耐える強度を有している。

高圧ガスに対して弁体（ダイヤフラム）２３を弁閉させるために必要なピストンの推力を、仮に２０００～３０００Ｎ（例えば２０ＭＰａ程度の弁閉能力のバルブの場合）とすると、最低でもＭ５相当以上でかつ十分な余裕を持ったサイズとした上で、必要な軸力が出力できるようなネジ山の設計にすれば、強度としては問題がない。

・回転子の設計について
次に、弁を開閉するために必要なアクチュエータのストロークを０．５ｍｍとした場合の回転子の設計を検討する。
回転子１２がピストン７によって押下げられたときに力が伝達される理論上の直径を「設計直径」として、目標とする製品サイズやピストン周辺部品の大きさに合わせて決める。
このとき、サイズやストローク量に設計上の制約がない場合には、回転子１２の螺旋状の溝（螺旋部）１８はピッチ角４５°とする。この場合、スプリングからの垂直運動を１：１で回転運動に変換することが設計上簡便になるため、機械的ロスについて考慮してもバランスが良く都合が良い。

螺旋部１８のピッチ角が４５°の場合、ピストンの垂直ストローク量と、上面から見た見かけ上の回転子が回転するときの回転量が設計直径の円周上での道のり距離としては比率が１：１で同じになるので、円周上の回転距離を利用して設計直径から求められる全周長（直径×π）との比で計算すれば必要な回転角を求めることができる。

本例では、螺旋部１８は２つの対称形状の溝が対になって構成されているので、２条ネジと同等の構造と考えてよく、設計直径を２８ｍｍとすると、ネジのピッチ角４５°の螺旋溝の送りピッチは、周長÷２に相当するので（２８×π）÷２≒４４ｍｍとなる。つまり、この場合の螺旋溝は一回転で４４ｍｍの送り量のネジ山を持ったネジに例える事ができる。
上記の計算例では、ピストンがフルストローク（ピストンのストローク＋回転子の開閉ストローク）した時の回転子１２の回転角θは、次の式で表すことができる。

θ＝３６０°÷ 送りピッチ４４ｍｍ × フルストローク長さ

この時、仮にピストンのストロークを５ｍｍ、回転子の端部のネジのストローク（弁の開閉ストローク）を０．５ｍｍとすると、θ＝３６０°÷４４×（５＋０．５）＝４５°となる。つまり、ピストンの５．５ｍｍのフルストロークによって回転子が４５°回転する。
よって、回転子１２の下部先端のネジ１６ａの設計は回転子が４５°回転した時に０．５ｍｍのストローク量となるピッチにすればよい。

次に回転子の先端部のネジ（螺合体１６のネジ１６ａ）の設計を行う。ネジのピッチＰは次のような式で計算できる。

Ｐ＝３６０°÷４５°×ストローク（０．５）＝ ４ｍｍ

ここで、例えばネジを２条ネジとする場合はリードが４ｍｍとなるので、ネジピッチＰは４÷２条＝２ｍｍとなる。つまり強度面ではＭ５サイズ以上で十分大きなネジを設計し、ネジのネジ山ピッチＰが４ｍｍ（２条ネジの場合は２ｍｍ）のネジを設計すればストローク量０．５ｍｍとなる。

・スプリングの設計について
最後に、設計した増力機構を駆動させるために必要なスプリング５の荷重を求める。このときの計算例を下記に示す。

一般にトルクとネジの軸力の関係は次の式１で表される。

Ｆｏ ＝ Ｔ ÷ （ｋ×Ｄ２） ・・・・・（式１）

Ｆｏ［Ｎ］ 最終的に出力される荷重(軸力)
Ｔ［Ｎ・ｍ］ 回転子のトルク
Ｄ２［ｍ］ 回転子のネジ直径
ｋ トルク係数（一般的には０．１５～０．２、本例は０．２とする）

ピストン７の推力によって生じる回転子のトルクは次の式２で表される。

Ｔ ＝ （Ｄ１÷２） × Ｆｉ × Ｌ ・・・・・（式２）

Ｆｉ［Ｎ］ ピストンの荷重（スプリングの初期たわみ荷重）
Ｄ１［ｍ］ 回転子の計算直径
Ｌ 変換比（本例ではピッチ角４５°なので１）

式１及び式２より再終段で出力される軸力（弁閉に必要な荷重）は、

Ｆｏ ＝（Ｄ１÷２）×Ｆｉ×Ｌ÷（ｋ×Ｄ２）

となる。

必要なスプリングの荷重Ｆｉは上記の式を変形して、

Ｆｉ ＝Ｆｏ÷（Ｄ１÷２）×（ｋ×Ｄ２）÷Ｌ

という式より求めることができる。

よって、仮に弁閉に必要な荷重Ｆｏを２５００Ｎとした場合、回転子の計算直径Ｄ１＝０．０２８m、回転子の螺合体のネジ径をＤ２＝０．０１０ｍとすると、

Ｆｉ ＝２５００÷（０．０２８÷２）×（０．２×０．０１）÷１ ≒３６０Ｎ

となる。したがって、計算値の３６０Ｎに、摩擦などによるロス等のマージンを加えた値を、初期たわみ荷重としてスプリング５の荷重（弾発力）を設計すればよい。

上記の実施例より、本発明による構造では力の伝達方法が単純であるため、簡便な計算で弁閉時の性能を推測できるため、設計段階で正確な検討ができる。
加えて、本発明では、構造が単純化され、コンパクト化が可能であると共に、機械的なバラつきや強い摩擦による摩耗を低減して製品寿命を延長することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更ができるものである。

上記の実施形態は、ＮＣ型の自動弁について説明したが、ノーマリーオープン（ＮＯ型）の自動弁においても適用可能である。
エアーで駆動する部位とスプリングで駆動する部位の構造を入れ替えれば逆の動作タイプでも荷重の発生源がエアーかスプリングかの違いだけなので、ＮＯ型の自動弁では、エアー供給によるピストンにより弁閉方向に押圧して、上記の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記の実施形態は、ピストンにより垂直荷重を伝達しているが、ピストンの数に限定はなく、２以上の複数のピストンにより構成してもよい。

２ ボデー（ボデー部）
３ アクチュエータ（アクチュエータ部）
４ エアーポート
５ スプリング（弾発部材）
６ スプリング受け
７ ピストン
７Ａ 延伸部
７ａ 貫通穴
８ 増力機構
９ ベアリング部材
１０ Oリング
１１ プッシュロッド（押圧部材）
１２ 回転子（円筒回転体）
１３ ガイド部材（ガイドスリーブ）
１３ａ ガイド溝
１４ ブッシュ
１６ 螺合体
１６ａ 螺旋構造（ネジ）
１７ 出力部（出力軸）
１８ 螺旋部
２１ 流路
２２ 弁座シート
２３ 弁体（ダイヤフラム）
２４ ダイヤフラムピース
２５ ダイヤフラム押さえ
３１ キャップ体
３２ シリンダ体
３３ ベース体
３３ａ 雌ねじ部

Claims (6)

1. ピストンから入力された軸方向の垂直荷重を螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構を備えた高圧用自動弁のアクチュエータ部と弁体を有するボデー部とを連結したことを特徴とする半導体製造装置用バルブ。
2. 高圧用自動弁のアクチュエータであり、このアクチュエータの軸方向に沿って発生した垂直荷重を伝達するピストンと、このピストンと同軸に配置された回転子とを連結して垂直荷重を回転トルクに変換し、前記回転子に連結された螺合状態のネジ又は螺旋構造からなる螺合体のピッチ差を利用して増力する増力機構で軸力として回転トルクを垂直荷重に変換するようにしたことを特徴とする半導体製造装置用バルブ。
3. 前記回転子は、円筒回転体に設けた螺旋状の溝を介して前記ピストンと同軸に設けたプッシュロッドの垂直荷重を回転トルクに変換するようにした請求項２に記載の半導体製造装置用バルブ。
4. 前記ネジのセルフロック現象を利用して、弁閉時に増力機構によって発生した軸力を超えた弁閉方向に掛かる流路からの逆圧力に抗して弁閉状態を維持できるようにした請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置用バルブ。
5. 前記ネジの回転により発生した軸力を用いて直接あるいは間接的に前記ボデー内に設けたダイヤフラムを押下させて弁の開閉を行う請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置用ダイヤフラムバルブ。
6. 前記螺合体の溝のピッチ角あるいは前記回転子の回転量を任意に設定して弁機構の開閉ストローク量や弁機構の締め付け荷重を適宜設定するようにした請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置用バルブ。

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