JP2687213B2 - 流体粉体制御バルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微少流量領域の制御性に優れ、また制御範
囲の広い流体粉体制御バルブに関する。 特にガスソースMBE装置や分子層エピタキシャル成長
装置などの超高真空成長室へのソースガス導入に好適な
流体粉体バルブに関する。 （従来の技術及び発明が解決しようとする問題点） 第９図（ａ）、（ｂ）は従来の流量調整用バルブの一
例を示す。アクチュータとしてソレノイド95の励磁によ
って円錐形のピストン部91がスプリング96の反発力とバ
ランスして上昇・下昇する構造となっている。流量制御
は弁座92とピストン部91の間隙の大きさを調整すること
によって行い、流体は流体入口93より流入し、流体出口
94より流出する。流体を完全に遮断し、全閉状態とする
には、ピストン部に取り付けたゴムなどの弾性材97を弁
座92に押し付け、いわゆる面接触の状態で行う。しか
し、弾性材によって気密を保つためには、それに必要な
充分な歪を弾性材に与えなければならないため、遮断直
前の微少流量領域は弾性材の歪の状態に依存した、極め
て不安定で再現性の悪い流量しか制御できない欠点があ
った。第９図は（ｂ）は微少流量用の例で互いに円錐形
のピストン部91と弁座92とからなる面接触型間隙を有す
るものであり、第９図（ａ）よりも微少な流量を制御で
きるが、遮断直前の微少流量領域は（ａ）と同様再現性
が悪く、また最終的な全閉状態は弾性材97の歪を用い面
接触で遮断するものである。また第９図（ｂ）は（ａ）
に比して流体のコンダクタンスが小さい分だけ流量制御
範囲が小さい。すなわち制御可能なダイナミックレンジ
が小さく、精々１桁程度の流量制御範囲しか得られない
という欠点があった。 特に最近は分子層エピタキシャル成長装置や、ガスソ
ースMBE装置などの超高真空のチャンバーにガスを導入
するバルブが要求されているが、従来のバルブでは微少
流量が制御できず、またダイナミックレンジ（流量制御
範囲）が小さいため、大気圧のボンベから直接超高真空
の成長室（チャンバー）にガスを導入することは不可能
であり、チャンバー導入前に予備室を作って10^-1〜10^-3
Pa程度にソースガスを減圧してから導入する複雑な構成
を余儀なく取らざるを得なかった。 （発明の目的） 本発明の目的は叙上の欠点を解決し高精度、高分解
能、広範囲（ダイナミックレンジ）の流体粉体制御バル
ブを提供することにある。 本発明の別の目的は、特に微少流量の制御性に優れた
流体粉体制御バルブを提供することにある。 （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するため、本発明においては次のよ
うな技術手段を講じている。 即ち、駆動部によって変化する間隙を有したノズル
部、該ノズル部は少なくとも一部がリング形状ないしは
その一部の形状を有する部材により構成される弁座部、
弁座部と密着ないしは間隔を変化し流量を変化させるピ
ストン部より成り、流量調整部に磁界を印加するソレノ
イドとで構成し、ソレノイドに電流を流すことにより弁
座部とピストン部との間隙を線接触状態を基礎として制
御し流量を制御する。 （実施例） 第１図に本発明の一実施例を示す。流入口21より流入
した流体はノズル部26を通過しここで流量を制御されて
流出口22より流出する。ノズル部26は磁歪磁性体24の一
部または直接連結されることにより構成され、その外周
は密閉容器27によって密閉される。ノズル部の間隙の制
御は密閉容器27の外側に設置した電磁コイル23に制御部
25より供給される制御電流にて行われる。制御部25より
電磁コイル23に電流を供給すると磁歪磁性体24を通過す
る電磁界が発生し、これにより磁歪効果によりその長さ
方向が変化しノズル部26の間隙が制御される。 従って、流入口21より流入した流体は制御部25より出
力される制御電流により制御される。制御電流は制御部
25内の電流制御回路により制御され、電気的回路におい
ては数千〜数万分の一の分解能を得ることができ、その
分解能に基づいてノズルの間隙を制御することができ
る。 ノズル部は磁歪物質である純ニッケル、アルフェロパ
イパーコ、クロマール、フェライト等を用途によって使
い分けることができ、また、他の材料を直接結合しても
よく、流体の化学的作用により侵されない物質を選択す
ることができる。 また、上記磁歪物質は剛性が非常に大きいため流体の
入力圧力が高圧であっても形状変化が起こらず精度の高
い制御が可能であり、また前記の利点から流体の間隙部
通過の際の流量制御が従来の通過抵抗損失型ではなく完
全スリット制御型で行うことができる。このことは電子
回路的にはトランジスタ特性におけるFET型特性とSIT型
特性との相違と全く同様であり、SIT型ノズル形状にし
た場合、バルブ内の流量抵抗損失を極限まで減少させる
ことが可能となる特徴を有している。 第10図（ａ）はFET型ドレイン電流Id対ドレイン電圧V
d特性（リニアスケール）を示し、第10図（ｂ）はSIT型
ドレイン電流Id対ドレイン電圧Vd特性（リニアスケー
ル）を示す。FET型はドレイン電流Idが、ある値で飽和
し、それ以上ドレイン電圧を増加してもドレイン電流が
増大せず、飽和型の電流・電圧特性を示し、定電流特性
である。一方SIT型はドレイン電流は飽和せず、不飽和
型電流・電圧特性を示し、定電圧特性である。SITはFET
のチャンネルを極めて短くした極限であり、言い換えれ
ば従来の面接触型のバルブの接触部（ノズル部）の面積
を極めて小さくし（流体の流れ方向の長さを極限まで短
くし）線接触部のノズル部としたのが本発明のバルブで
ある。電流を流体の流量におきかえれば、従来の面接触
の間隙制御型のバルブはFET型であり、本発明の線接触
の間隙制御型のバルブはSIT型ということになる。つま
り従来のバルブは定量型で流量制御範囲（ダイナミック
レンジ）が狭いが、本発明のバルブは定圧力型であり、
流量制御範囲は極めて広い。 第11図はSITのドレイン電流Id対ドレイン電圧Vd特性
を片対数グラフで示したものであるが、電流Idは４〜５
桁の範囲で指数関数則に乗った広いダイナミックレンジ
を示している。本発明のバルブも同様に４桁程度の流量
制御範囲が可能である。 第２図は本発明のノズル部の一実施例である。第２図
（ａ）は弁座部13にリング形状を有する部材12（以下、
リング部と呼ぶ）が密着され、この部分に対して可動部
（図示せず）に連結されたピストン部11−ａが可動しノ
ズルを構成する。ピストン部11−ａは球面もしくは球面
の一部によって構成され、全開状態ではリング部12と線
接触し、また、この線接触の間隙が変化することにより
流体粉体の流量を制御する。第２図（ｂ）はリング部材
を固定する固定シール14を使用した例である。流体粉体
の粘性等によりリング部材の位置が変化するような場
合、固定シール14により弁座13に固定する。第２図
（ｃ）はピストン部11−ｂが逆球面構造によって構成さ
れたノズル部構造を有する例である。第２図（ｄ）はピ
ストン部を球面構造の組合せにより構成したノズル部の
例である。第２図（ｅ）は弁座部13−ｅ及びピストン部
11−ｅ両方共に逆球面の組合せにより構成したノズル部
であり、片方が平面あるいは球面形状でも構わない。第
２図（ｆ）は、ピストン部11−ｆ及び弁座部13−ｆ球面
の一部で構成した例である。各々の球面あるいは球面の
一部の曲率半径は異なったものを使用しても良く、ま
た、流体粉体の入口及び出口が第２図（ｅ）及び（ｆ）
に示されるごとく逆構造15になっても良い。また、第２
図（ｇ）に示されるようにピストン部11−ｇが球面ある
いは球面の一部、弁座部13−ｇがテーパー形状にて構成
しても良く、また、その逆であっても構わない。 以上、ノズル形状について説明したが、これらの構造
はリング部材12とピストン部11−ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、
ｆとが線接触しノズルと弁座との滑りを極めて少なくで
き、また、押しつけ力を大きくとれるため、流体粉体の
ノズル部での漏れを極めて少なくでき、流量制御にも優
れた特徴を有している。 第３図は、第１図におけるノズル部26の別の実施例で
ある。第３図（ａ）はノズル部が閉じた状態を示し、
（ｂ）はノズル部が開いた状態を示す。このノズル部の
特徴はノズル部が閉じた時、ピストン部34と弁座となる
シリンダ部31の密着が良く流体の漏れを完全に止めるこ
とができる。これは弁座部（シリンダ部）31〜33が湾曲
できるバネ構造となっているためで、閉じた状態の時に
は、常にシリンダ部がピストン部に対してバネ力に押し
つけられており、振動等の外部の力により漏れが生じる
ことがない等の特徴を有する。また、流体が逆流状態に
なり逆の圧力が加わった場合、バネ力を強める方向に力
が働き逆流防止弁としての効果がある。 第４図は前記したノズル部を使用した電磁制御バルブ
の実施例であり、第４図（ａ）は流出力口方向に対し押
圧力により流量を制御する電磁制御バルブを示す。即
ち、ピストン部34はバネ35の一端に結合され、前記バネ
35の他端は磁歪磁性体36に結合されてその磁歪効果によ
る押圧力は前記バネ35をとおして前記ピストン部34と弁
座となるシリンダ部31との間隙が制御される。前記磁歪
磁性体36は密閉容器或いは固定部37に固定され、前記密
閉容器37の一部と前記シリンダ部31とにより流入口38が
形成され、流入した流体は矢印で示すように前記シリン
ダ部31の流出口39より流出される。 第４図（ｂ）は流入口方向に対し引圧力により流量を
制御する電磁制御バルブを示し、流入する流体は矢印で
示すように前記シリンダ部31の下部の流入口38より流入
し 流出口39より流出され、基本的構成は第４図（ａ）
と同様である。 第４図（ｃ）および（ｄ）は流体の圧力に対し自動制
御するためにダイヤフラム301を設け、それぞれ押圧力
および引圧力により流量を制御する電磁制御バルブを示
し、基本的構成はそれぞれ第４図（ａ）および（ｂ）と
同様である。 第５図は自動調圧式の電磁バルブの実施例を示し、流
体は流体入口41より流入し、ノズル部44において流量を
調整し流体出口42より流出する。前記ノズル部44は第２
図に示したように弁座部とピストン部とが線接触するよ
うに構成され、バネ43と磁歪物質47により圧力が変化す
るバネ48とにより間隙が調整される。バネ43とバネ48と
の間にはダイヤフラム45があり、このダイヤフラム45に
対し流体の圧力が加わるように構成されている。従っ
て、流体の圧力が上がると共に前記ダイヤフラム45はバ
ネ48を縮める方向に押すこととなり、その結果、前記ノ
ズル部44の間隙は減少し流体の圧力上昇による流量増加
を防ぐことができる。また、当然前記作用の逆も生じる
ことから常に圧力一定の流体を供給することができる。
流量調整は電磁コイル46により制御されて流す電流によ
り磁歪物質47の歪量を変化して行い、第１図の実施例と
同様に高精度高分解能の流量調整を行うことができる。
また、前記ノズル部として第３図に示した実施例を適用
すれば、さらに効果を高めることができる。 第６図は電磁石を使用した電磁バルブの実施例を示
す。電磁コイル54によりノズル部を兼ねたポールピース
55は磁化され、ダイヤフラム58に接着された磁性体57を
吸引する。バネ59は磁石と逆の方向に引き合うため、磁
力とバネの力の釣り合いによりノズル部56の間隙は制御
される。前記ノズル部56は第２図に示したようにピスト
ン部と弁座部とが線接触するように構成されている。流
入口51より流入された流体は前記ノズル部56にて流量調
整され流出口より流出される。流体の圧力が変化する
と、前記ダイヤフラム58に加わる圧力の変化が起こり、
前記バネ59と前記ポールピース55の磁力により釣り合っ
ている位置が変化し、その結果、前記ノズル部56の間隙
が変化し自動的に流量が制御され一定なる。また、密閉
容器53やダイヤフラム58を透磁率の大きい材質により形
成すると、磁束が前記ポールピース55と前記磁性体57に
集中し、より制御が高精度、高能率となる。この実施例
においてはバネ定数と電磁力によりノズルの間隙が決定
されるので、制御範囲が極めて大きく、また、電流を安
定させることや、電流の制御も高精度に行えることから
その利点は大きい。 第７図は第６図の実施例に対し、バネの圧力を変化さ
せるように構成したものである。この実施例においては
磁歪物質63の伸縮によりバネ59の圧力を変化させ、第６
図の実施例で説明した電磁石による制御をより広範囲
に、また、より高精度に行うことができる。電磁コイル
62に制御された電流を流すことにより磁歪物質63は伸縮
を制御され、その結果、連結されているバネ59の力と電
磁力との釣り合いの位置を変えることができる。従っ
て、流体の圧力が大きければ、バネ力を強める方向に、
また、低ければ、弱める方向に電磁コイル62の電流を制
御すれば、電磁力で制御するノズル56の間隙の制御範囲
は常に最大の範囲を得ることができ、流体の広範囲な圧
力に使用できる特徴を有する。 第８図は温度変化による熱膨張の影響を打消す構造を
有する流体制御バルブの実施例を示す。ピストン制御用
磁歪物質83はピストン部86に結合し他方の固定部81に結
合する。また、弁座部85は熱膨張係数がピストン部とほ
ぼ同一の材質により形成され、支持枠82により固定部81
に結合される。この支持枠82はピストン制御用磁歪物質
83と同一物質、同一長さにて形成する。或いは、磁歪物
質83とほぼ同一熱膨張係数を有する材質により形成す
る。第８図（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図であ
る。このような構成により周囲温度の変化等により、各
部材の寸法が変化しても、ノズル部の弁座部85とピスト
ン部86の間隙は変化しない特徴を有し、また、支持部の
温度変化による伸び縮みも補正することができる。この
ことはバルブの密閉時においてもノズル部が開いたり、
また、逆に力が加わりノズル部が破壊するなどの現象を
完全に防ぐことができる特徴を有し、ノズル部の制御は
磁歪物質83に対し、磁気発生部84により磁界印加するこ
とによりできる優れた特徴を有している。 （発明の効果） 第12図に本発明のバルブの流量とソレノイドの磁力と
の関係を実線で示し、従来のバルブの流量と磁力との関
係を破線で示した。本発明によれば、SIT型の制御をし
ているので、極めて大きなダイナミックレンジ、即ち、
４桁程度以上の流量制御範囲が得られる。また、本発明
によれば、バルブの一次側は大気圧にしても10^-9Atmcc/
sec Heの超微少流量の制御等が極めて容易に実現でき
る。従って、本発明によれば、超高真空のチャンバに大
気圧のボンベのガスを流量制御して直接導入することも
極めて容易となる。 以上説明したように、本発明は従来得られなかった高
精度、高分解能、高圧力範囲での使用等、種々の優れた
特徴を有し、また、構造が簡単であり、工業的に非常に
高い価値を有するものである。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第８図は本発明の電磁制御バルブの実施例、
第９図（ａ）及び（ｂ）は従来のバルブの一例、第10図
（ａ）はFETのソースとドレイン間の電流（Id）と電圧
（Vd）の関係を示すグラフ、（ｂ）はSITのソースとド
レイン間の電流（Id）と電圧（Vd）の関係を示すグラ
フ、第11図はSITの微少電流領域での電流不飽和特性を
示すグラフであり、ゲート電圧（Vg）をパラメータとし
て採取したデータ、第12図は本発明による微少流量制御
バルブの特性を示すグラフである。 11−ａ、ｂ、ｃ……ピストン部、12……リング部、13…
…弁座部、24、36、47、83……磁歪物質、23、46、54、
84……電磁コイル、26、44、56……ノズル部、35、43、
48、59……バネ、55……ポールピース、57……磁性体、
301、45、58……ダイヤフラム、81……固定部、82……
支持枠、83……磁歪物質、84……磁気発生部、85……弁
座部、86……ピストン部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−15167（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−245885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−106673（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−171976（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−16060（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−68869（ＪＰ，Ｕ) 「真空技術講座６ 超高真空」日刊工 業新聞社発行［昭39．10．20］Ｐ259〜 271

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．流体粉体の流入および流出する開口部を有する弁座
   部と、前記開口部の周縁部に設けられたリング部材と、
   前記リング部材と線接触するように形成された先端部を
   有すると共に、磁歪駆動体を有するピストン部と、前記
   磁歪駆動体を駆動する磁気駆動手段とを具備し、 前記磁歪駆動体の磁歪効果により前記ピストン部の前記
   先端部と前記リング部材との間の間隙を変化させて流体
   粉体の微少流量を制御することを特徴とする流体粉体制
   御バルブ。 ２．流体粉体の流入および流出する開口部を有する弁座
   部と、前記弁座部を支持する支持枠と、前記開口部と線
   接触するように形成された先端部を有するピストン部
   と、前記ピストン部に結合された磁歪駆動体と、前記支
   持枠および前記磁歪駆動体とを固定する固定部と、前記
   磁歪駆動体を駆動する磁気駆動手段とを具備し、 前記弁座部は前記ピストン部とほぼ同一の熱膨張係数を
   有する材料で形成されると共に、前記支持枠は前記磁歪
   駆動体とほぼ同一の熱膨張係数を有する材料で形成さ
   れ、前記弁座部と前記ピストン部との温度変化による相
   対的間隙変化を打ち消し、流体粉体の超微少流量を制御
   するすことを特徴とする流体粉体制御バルブ。 ３．前記支持枠は前記磁歪駆動体と同一の材料により形
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   流体粉体制御バルブ。 ４．前記支持枠と前記磁歪駆動体とは同一の長さを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の流体粉
   体制御バルブ。 ５．前記弁座部の前記開口部の周縁部にリング部材が設
   けられ、前記ピストン部の前記先端部と前記リング部材
   とが線接触することを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の流体粉体制御バルブ。