JP3796437B2 - マスフローコントローラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば、半導体製造工程において用いられるマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置に用いられるプロセスガス及び液体材料等の流体を制御するマスフローコントローラは、フィルタや開閉バルブと共に流体供給系を構成するものである。流体供給系では、脱ガスの低減等の高性能化や、半導体製造装置のコストダウンのために、より小型軽量のものが求められている。
【０００３】
従来、小型化の手段としては、流体供給系の各構成部品の接続方法を従来の配管継ぎ手による接続方式から、各構成部品のベース部分を共通の接続方法にて取り付けるフランジによる方法が採用されつつある。しかしながら、この方式による接続を行った場合の問題は、小型化を図ることができても、流体制御系の部品実装密度が上がる一方で、その重量に変化が殆どなく、取付フランジを多用するために流体供給系が金属の塊と化して、全体とすると返って重量が増加する場合もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また従来の配管継ぎ手を用いる場合であっても、マスフローコントローラのベース部分が金属の切削加工品であるため、重量が重い上に大量生産が困難であり、コストダウン上の問題点となっていた。
【０００５】
本発明は上記のようなマスフローコントローラにおける従来の問題点を解決せんとしてなされたもので、その目的は小型軽量であって、しかも、流体の流路がシンプルであり、コンタミネーションを生じやすい流体滞留部を備えない高性能なマスフローコントローラを安価に実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマスフローコントローラは、流体の質量流量を流量センサで検出し、前記流量の値が所要値となるよう制御バルブを駆動して、所望の質量流量に制御するマスフローコントローラにおいて、制御バルブがソレノイドで駆動されるソレノイドバルブであって、円筒状の導管内の一端側に前記導管の内径とほぼ等しい径の層流素子を配し、前記導管内の他端側に前記導管の内径とほぼ等しい径のプランジャと、前記プランジャの移動により開度が調整される弁部とを配置し、前記層流素子と前記プランジャとの間に前記導管の内径とほぼ等しい径のヨークを配し、前記層流素子及び前記ヨークの表面に、前記導管の軸に平行な流路用の溝が設けられており、前記プランジャの表面には、前記導管の軸に平行な断面形状がほぼＵ字状の溝であって、当該溝を流れる流体の乱流の発生を防止し、安定したプランジャの動作を可能とする溝が形成されており、前記プランジャを前記導管の軸方向に駆動するソレノイドを前記導管外周部に設けて制御バルブを構成し、流体通路を導管の円筒軸方向としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、コンタミネーションの発生を防ぐために、前記プランジャとして高耐食性の磁性合金を用いたこと特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、前記プランジャの一部に球状の弁頭を設け、オリフィスをすり鉢状にし、前記プランジャの側面を流体が流れても、前記プランジャの軸がずれにくく、常に安定した閉動作を可能としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、ヨークの一部を分離可能とし、プランジャとヨークの間の間隙及び、弁頭の初期位置を微妙に調整可能としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量センサには熱式の質量流量センサを用い、プランジャの一端側から前記熱式流量センサへの流体導入流路を設けると共に、前記プランジャの片側に前記熱式流量センサからの流体導出流路を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、プランジャの片側に球状の弁頭を設け、すり鉢状の弁座と弁頭をソレノイドの内側で対向する構成とし、ソレノイドが非通電時に開動作となることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、ドーナツ状の永久磁石を導管の外部に設け、プランジャをソレノイド非通電時の軸方向の初期位置を保持させると共に前記ドーナツ状の永久磁石の導管上の位置を任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに、バイパスに直線的に連結された熱式の質量流量センサを用いることにより、導管中の流体の流れを直線的にしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに圧力計を用いる圧力検出方式のセンサを用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに圧力計を用いた圧力検出方式のセンサを用い、圧力検出用の導圧路をバルブプランジャの流体導入側に設けたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るマスフローコントローラを説明する。各図において同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。第１の実施の形態に係るマスフローコントローラは、図１に側断面図を、図２に平面図を、図３に底面図を示すように構成されている。
【００１９】
つまり、円筒状の導管１の一端に流体の導入部であるフランジ１１を設け、他端に流体の導出部であるフランジ１２を設けると共に、導入部であるフランジ１１側に熱式質量流量計２を設け、導出部であるフランジ１２側にソレノイドバルブ３を設けている。
【００２０】
導管１内の導入部であるフランジ１１側に層流素子であるバイパス芯１０を配し、導管１内の導出部であるフランジ１２側にソレノイドバルブ３のプランジャ３０と、プランジャ３０の移動により開度が調整される弁部４と配置し、導管１内を一方向に流体が流れるように構成されている。
【００２１】
導入部であるフランジ１１は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み１３が形成され、この窪み１３の中央から流体が流れる穴１４が穿設されている。穴１４は導入部であるフランジ１１の中央にて直角（図１では、右方向）方向に向きを変えられて形成されている。導入部であるフランジ１１の上面から底面まで貫いて、ボルトが貫通される穴１５が２つ設けられ、導入部であるフランジ１１を流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００２２】
導出部であるフランジ１２は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み１６が形成され、この窪み１６の中央から流体が流れる穴１７が穿設されている。穴１７は導出部であるフランジ１２の中央にて直角（図１では、左方向）方向に向きを変えられて径が細くされて形成され、図４（ｃ）に正面方向からの図が示されるように、出口が略すり鉢状に切削されて弁座１８が形成されている。導出部であるフランジ１２の上面から底面まで貫いて、ボルトが貫通される穴１９が２つ設けられ、導入部であるフランジ１２を流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００２３】
導管１内のバイパス芯１０とプランジャ３０の間には、磁性体のヨーク２０が設けられている。ヨーク２０が設けられた部分の導管１の外周には、ソレノイド２１が設けられている。
【００２４】
プランジャ３０が位置する導管１の外周部には、ドーナツ状の永久磁石２２が同心に設けられている。永久磁石２２の内径は導管１の外径よりも数ｍｍ程度大きく形成され、両サイドを円板状の磁性体からなるリング２３、２４により挟持されている。リング２３、２４内径は導管１の外径に等しい。
【００２５】
プランジャ３０の大径部は磁性体であり、図７に示すように先端側は小径のドラム状をなした非磁性体であり、内部にディスク状の永久磁石２５を有する。この永久磁石２５とドーナツ状の永久磁石２２との間の磁力によりプランジャ３０が軸心のセンタを移動するように保持される。プランジャ３０は最先端に円筒状の支持部を備え、この支持部内に球状の弁頭２６を挟持している。また、プランジャ３０の大径部の側壁には、軸方向に数条の溝２７が形成されており、流体が導管１の内壁と溝２７の間を流れるようにされ、流体の流量が多いときにも流体の動圧により振動して不安定とならぬようにされている。
【００２６】
ソレノイド２１はボビン状であり、図６に示すように、筒状であって一端側に壁部分から中央部へ延びたストッパ部２８を有するソレノイドケース２９に収容され、ドーナツ板状のケース蓋３１により蓋がなされ固定される。
【００２７】
導管１の導入部であるフランジ１１側であってバイパス芯１０が設けられる部分の壁面には図４、図５に示されるように、穴３２、３３が穿設され、図８に示される板状に構成されたセンサユニット８を装着したときにセンサ管８２に接続されるようになされており、センサユニット８はボルト１１３によって導管１の上面に固定される。この固定のために２本のＵ字状のセンサ固定具６１、６１が導管１の下方から導管１を包み、センサユニット８を上記ボルト１１３にて取り付ける構成となっている。
【００２８】
次にセンサユニット８について図８、図９を参照して説明する。センサユニット８は、板状金属片８０の四隅にボルト１１３を貫通させる穴８１が穿設されており、中央部にセンサ管８２を設ける長穴状の室８３が形成され、この室８２の両サイドに、室８３と連通する円筒状の有底空洞８４が形成されている。
【００２９】
室８３の手前方向には、センサ管８２に巻回される発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が接続されるリード８５が設けられる凹部８６が形成されている。発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が巻回されたセンサ管８２は、図９に示すように側壁から中央部へ向かう穴９１と円端面から中央部へ向かう穴９２が形成された円柱片９０における穴９１へ両端において挿入され固定される。有底空洞８４に上記円柱片９０を挿入してボルト１１３によって図４、図５に示されるように、センサ固定具６１、６１に固定される。穴９２と穴３２、３３が、Ｏリング３４を介して封止されて連通する。
【００３０】
バイパス芯１０は、図４（ａ）端面が示されているように、側壁に数条の溝４１が軸方向に平行に形成され、この部分を流体が流れる。また、正面部および底面部にはＶ字状の溝が形成され流体がラジアル方向へ拡散し、またラジアル方向からの流体が中央に集まり易くしている。また、図４（ｂ）に端面が示されているように、ヨーク２０にも数条の溝４２が軸方向に平行に形成され、この部分を流体が流れる。
【００３１】
以上の構成のマスフローコントローラは、図４に示されるように各部品が揃えられ、導管１内の導入部であるフランジ１１側所定位置にバイパス芯１０が圧入固定されて、導出部であるフランジ１２側の所定位置にヨーク２０が圧入固定され、さらにプランジャ３０が挿入される。
【００３２】
ソレノイドケース２９に収容され、ケース蓋３１により蓋がなされたソレノイド２１に導管１が挿入されて固定される。また、リング２３、２４により挟持された永久磁石２２が導管１の外周に摺動されてネジ４８により固定される。永久磁石２２は軸方向へ着磁されており、永久磁石２２の一方から出た磁束はリング２３を通り導管１内のプランジャ３０を通ってリング２４から他方の極へと戻る。この結果、プランジャ３０は、導管１の軸方向における永久磁石２２の中央で保持される。
【００３３】
ソレノイドケース２９の永久磁石２２側は、ストッパ部２８を有することから、外周部がそのままリング２３に延びる構造となっておらず、リング２３の手前において内周側へ折れてリングの内周部分に磁気結合する。この構造により、ソレノイド２１が非通電状態のときに、永久磁石２２の磁束がソレノイド側に漏れてプランジャ３０が導入部であるフランジ１１方向へ力を受けることを防止できている。導入部であるフランジ１１と導出部であるフランジ１２とは導管１の端部に接続される。
【００３４】
以上の構成により、プランジャ３０はバネに依らずに導管１の軸方向における永久磁石２２の中央で保持され、導出部であるフランジ１２方向へ付勢された状態とされ、弁座１８の穴を弁頭２６が塞ぎ流体の流れを阻止した状態となる。
【００３５】
そこで、ソレノイド２１に通電を行うとソレノイド２１による磁束はプランジャ３０を導入部であるフランジ１１方向へ吸引するように働き、所定量の流体を流すことができる。なお、本願発明のマスフローコントローラの機能ブロックとしては、特願２０００−３７０７１３号に記載のものを用いることができ、質量流量センサの回路構成としては、特願２０００−３５６７２６号などに記載のものを用いることができる。
【００３６】
以上の通り、上記実施の形態では、センサおよびバルブを円筒状の導管１に設けたことにより、小型軽量化が可能となった。また、金属ブロックを切削して構成する流体ベースを用いないので、安価なマスフローコントローラを実現できる。また、流体通路を導管１の円筒軸方向としたことにより、コンタミネーションの原因となる滞留部を備えないマスフローコントローラが可能となる。
【００３７】
更に、導管１の外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時に、プランジャ３０を軸方向の初期位置に保持させているので、プランジャの運動方向の動作保持用のメインスプリングを無くして長寿命化を図り、従来のソレノイドバルブで常に問題点となっていた寿命問題を解決することが可能となる。
【００３８】
また、ドーナツ状の永久磁石２２の導管１上の位置をネジ４８にて調整可能とし、プランジャ３０の初期位置において弁頭２６が弁座１８を押圧する力を導管１の外から容易に調整することが可能となり、バルブ部の製作が容易となる。また、流体通路をプランジャ３０と導管１の間で、プランジャ３０の表面に軸方向に溝が形成されており、流体の流量が多いときでも、流体の動圧の影響でプランジャ３０が不安定となることを防止できる。
【００３９】
図１０に、第２の実施の形態に係るマスフローコントローラを示す。このマスフローコントローラは、図１０（ａ）に示す側断面図に示すようにプランジャ３０Ａの内部に永久磁石が設けられない。その代わりに、ヨーク２０とプランジャ３０Ａの間にスプリング５１を介装し、弁座１８とプランジャ３０Ａの間にスプリング５２（平面図は図１０（ｂ））を介装する。これらのスプリング５１、５２は、プランジャ３０Ａを軸心のセンタに位置付ける。係る構成によっても、永久磁石２５によりプランジャ３０を軸心のセンタに位置付けた第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図１１に、第３の実施の形態に係るマスフローコントローラを示す。このマスフローコントローラは、第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、導管１の端部に設けていた直方体状のブロック状の導入部であるフランジ１１と導出部であるフランジ１２に代えて配管継ぎ手６０、６２を設けたものである。配管継ぎ手６２のプランジャ３０側の内部に、導出部であるフランジ１２におけるプランジャ３０側の内部と同様の弁座１８Ａが形成されており、第１の実施の形態と同様にプランジャ３０の初期位置において弁頭２６が弁座１８を押圧する。
【００４１】
図１２に、第４の実施の形態に係るマスフローコントローラの要部構成を示す。このマスフローコントローラは、プランジャ３０とヨーク２０とを軸６３により接続する。或いは、プランジャ３０Ｂを導入部であるフランジ１１方向に延長し、導管１中のヨーク２０を兼ねるように構成する。プランジャ３０Ｂの導入部であるフランジ１１側端部の位置がコイルケース２９の導入部であるフランジ１１側の近くとするように長さを調整することにより、ソレノイド２１の通電時に、プランジャ３０Ｂを弁座１８から離れる方向に移動させることができる。この場合、プランジャ３０Ｂがソレノイド２１の内部にあるから、プランジャ３０Ｂの吸引力は第１の実施の形態の場合よりも小さくなるが、プランジャ３０Ｂの移動距離を多くする場合の構成に適する。
【００４２】
図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図を示し、図１４にその組立断面図を示す。このマスフローコントローラでは、筒状のソレノイドケース２９における穴部に、ヨーク２０Ａと薄肉管状のバルブ導管１００を溶接して一体化した部材を、ネジ１０１により螺合し上記バルブ導管１００内部に弁体であるプランジャ１０２を配置した構成を有する。この実施の形態におけるプランジャ１０２を含め、以降の実施の形態に用いられるプランジャには磁石が内包されていない。
【００４３】
ヨーク２０Ａには、一端面の中心から軸方向に他端面に透通せずに流路１０３が穿設され、流路１０３の底部においてラジアル方向へ非透通の流路１０４が形成されている。プランジャ１０２の側部には軸方向へ向けて流路となる数条の溝１０５が形成されている。また、プランジャ１０２の背面部（ヨーク２０Ａ側）には、すり鉢状に湾曲した渦巻スプリング１０６が貼着されており、ヨーク２０Ａの一面に渦巻スプリング１０６が当接してプランジャ１０２を、流体が流入するフランジ１２側へ付勢している。このため、プランジャ１０２の先端に設けられた球状の弁頭１０７をすり鉢状に形成された弁座１８が当接して、ノーマリークローズ形のマスフローコントローラが実現されている。
【００４４】
また、この実施の形態における導管１Ａは、基本的に既に述べた導管１と基本的に同一の構造であるが、一端側にフランジ１０８が形成され、複数のネジ１０９によりソレノイドケース２９と結合される。上記フランジ１０８の端面にはＯリング１０９Ａが設けられ、ヨーク２０Ａとの間をシールしている。
【００４５】
その他の構成は、第１の実施の形態と変わらない。つまり、コンタミネーションの発生を防ぐために、プランジャ１０２には高耐食性の磁性合金を用いている。プランジャ１０２の一部に球状の弁頭１０７を設け、オリフィスをすり鉢状にしたことにより、プランジャ１０２の側壁を流体が流れても、プランジャ１０２の軸がずれにくく、常に安定した閉動作を可能としている。そして、ソレノイド２１に通電されると、ソレノイド２１による磁束は、ソレノイドケース２９の片側からバルブ導管１００を介してプランジャ１０２を通り、プランジャ１０２とヨーク１０１の間隙を通過してヨーク１０２からソレノイドケース２９の片側に戻る。このとき、プランジャ１０２は、渦巻スプリング１０６に抗して、ヨーク１０１側へ吸引される。ソレノイド２１の通電電流の大きさに応じて、プランジャ１０２はヨーク１０１側に吸引され、弁頭１０７とオリフィスとの距離が変わるので、任意の流量を流すことができる制御弁として作用する。
【００４６】
次に上記第５の実施の形態において、ヨーク２０Ａを２個のパーツである調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂに分離可能に構成されたものを用いた構成例を図１５、図１６に示す。調整用ヨーク１１０Ａは、その側面図を図１６（ａ）に示し、正面図を図１６（ｂ）に示し、その平面図を図１６（ｃ）に示してあり、固定用ヨーク１１０Ｂにおいてはその断面図を図１６（ｄ）に示してある。この構成においては、プランジャ１０２に対向する側の調節ヨーク１１０Ａを流体流出側の固定ヨーク１１０Ｂにバネ１１３を介してネジ１１１Ａ、１１１Ｂで螺合させて固定する。そして、流路１０３を介して流出側からドライバを挿入し、調節ヨーク１１０Ａの切欠部１１２へ合わせ回転することにより、調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂの間隔を変化させて、プランジャ１０２の初期位置の調整を可能にしたものである。この調整は、バルブ導管１００の溶接後でも可能であるため、所要の流量制御範囲が正確に得られると共に、プランジャ１０２の初期位置が制御範囲に大きく影響する小流量用途バルブを構成するときに極めて有用である。つまり、ヨークを調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂに分離可能とし、プランジャ１０２と一体化されたヨーク２０Ａとの間の間隙及び、弁頭１０７の初期位置を微妙に調整可能としたものである。
【００４７】
図１７に第６の実施の形態の断面図を示し、図１８にその要部を示す。図１８（ａ）はプランジャ１２０の側断面図、図１８（ｂ）はその正面図、図１８（ｃ）はヨーク２０Ｂの正面図、図１８（ｄ）はその側断面図である。この第６の実施の形態に係るマスフローコントローラは、ノーマリーオープン型の構成を有するもので、フランジ１０８から流体が流出するフランジ１１までの構成は第５の実施の形態のものと変わらない。
【００４８】
このマスフローコントローラにおいては、筒状のソレノイドケース２９における穴部に設けられたヨーク２０Ｂの一端側にすり鉢状の弁座（オリフィス）１２１が形成されており、この弁座１２１に対応する部分に弁頭１２２を備えるプランジャ１２０が上記のソレノイドケース２９における穴部に設けられている。ヨーク２０Ｂの弁座１２１は凹部に設けられ、この凹部から軸方向へ流体の流路１２１Ａが貫通して形成されている。
【００４９】
流体が流入するフランジ１２Ａは、基本的に流体が流出するフランジ１１と同一の構成となっている。プランジャ１２０の底部には、プランジャ１２０の軸を中心に位置付けるスプリング１２４が貼着されている。また、プランジャ１２０のヨーク２０Ｂ側の正面には、中央部に弁頭１２２を回避する穴を有する卍状のスプリング１２３が貼着されており、ヨーク２０Ｂの隔壁部に当接してプランジャ１２０をフランジ１２Ａ側へ付勢して、ソレノイド２１に通電しない状態においてオリフィスが開状態とされる。プランジャ１２０の側壁には流体の流路となる数条の溝１２５が形成されている。
【００５０】
ソレノイド２１が通電されると、プランジャ１２０は、弁頭１２２の近傍に設けられたスプリング１２３に抗してヨーク２０Ｂ側に引き寄せられ、オリフィスを閉じるよう動作する。オリフィスの開度は、ソレノイド２１への通電電流により任意に制御できるので、通常開の制御バルブとして動作する。つまり、プランジャ１２０の片側に球状の弁頭１２２を設け、すり鉢状の弁座１２１と弁頭１２２をソレノイド２１の内側で対向する構成とし、ソレノイド２１が非通電時に開動作となることを特徴とする。
【００５１】
半導体用製造用装置に使用できるソレノイド方式の通常開のバルブは、一般に、ステムロッドを用い動作を反転させているため、構造が複雑で、かつ流路に大きなデッドスペースができる欠点があり、通常閉のバルブに比べあまり使用されていないが、本例によりこれらの欠点が解消される。
【００５２】
図１９に第７の実施の形態の断面図を示す。この構成例は、流体の流入する側のフランジ１２からソレノイドケース２９までの構成は、第５の実施の形態と同様の構成を有し、フランジ１０８から流体が流出するフランジ１１までの構成が異なっている。つまり、流体がフランジ１１へ流れ込む入口部には、流体を所要量ずつ流出させるノズル１２７が設けられており、導管１の側壁部には、半導体ゲージ方式の圧力計１２６が設置されている。
【００５３】
上記圧力計１２６としては、例えばピエゾ抵抗型半導体圧力センサ（勿論、薄膜型半導体式や容量型半導体式や機械式の圧力センサを用いることもできる。）を適用することができる。このセンサは、ダイヤフラムの中央に２つのゲージ抵抗ｒ２、ｒ４を設け、ダイヤフラムの周囲端にゲージ抵抗ｒ１を設け、ゲージ抵抗ｒ２、ｒ４を介してゲージ抵抗ｒ１と対象な位置にゲージ抵抗ｒ３を設けたものであり、ダイヤフラムが圧力を受けて撓むと各ゲージ抵抗ｒ１〜ｒ４は撓み量に応じた応力を受けて抵抗を変化させる。ゲージ抵抗ｒ１〜ｒ４にてホイートストンブリッジを形成シ、電圧や電流を加えて上記圧力に応じた電気信号を取り出すものである。この方式では、検出精度が２次側圧力の影響を受けたものとなるが、２次側が高真空となる用途に用いる場合には、実用上十分な精度をもって質量流量の検出が可能である。この構成によれば、流体の滞留部（デッドスペース）を更に小型化したマスフローコントローラを構成することが可能である。
【００５４】
図２０には、第８の実施の形態に係るマスフローコントローラの断面図が示されている。この実施の形態においは、図１に示した第１の実施の形態と基本的に同一の構成であるが、第１の実施の形態におけるプランジャ３０に変えて、図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラに用いたプランジャ１０２を用いている。
【００５５】
そして、第１の実施の形態と同様にドーナツ状の永久磁石２２が設けられ、この永久磁石２２の位置をネジ２２Ａにて適宜変更することにより、プランジャ１０２の初期位置を導管１の外部から調整可能となっている。ソレノイド２１の非通電のときには、プランジャ１０２の弁頭がオリフィスに圧接するようにドーナツ状の永久磁石２２の位置が調整されて、導管１上で固定される。流体を流す場合には、ソレノイド２１に通電して、任意の位置までプランジャ１０２をオリフィスと反対方向に移動させる。このように導管外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時にプランジャ１０２を軸方向の所定初期位置に保持させると共にドーナツ状の永久磁石２２の導管上の位置をネジ２２Ａにて任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００５６】
図２１には、第９の実施の形態に係るマスフローコントローラの断面図が示されている。この実施の形態においは、図１１に示した実施の形態と基本的に同一の構成であるが、図１１の実施の形態におけるプランジャ３０に変えて、図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラに用いたプランジャ１０２を用いている。この実施の形態においても導管外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時にプランジャ１０２を軸方向の所定初期位置に保持させると共にドーナツ状の永久磁石２２の導管上の位置をネジ２２Ａにて任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００５７】
ソレノイド２１の非通電のときには、プランジャ１０２の弁頭がオリフィスに圧接するようにドーナツ状の永久磁石２２の位置が調整されて、導管１上で固定される。流体を流す場合には、ソレノイド２１に通電して、任意の位置までプランジャ１０２をオリフィスと反対方向に移動させる。この実施の形態の構成により導管中の流体の流れを直線的にしたことを特徴とする。
【００５８】
図２２には、図１３に示した第５の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、流体の流れを逆方向に（フランジ１１側からフランジ１２側へ流すように）した場合の側断面図が示されている。この例においては、マスフローコントローラの構成自体は全く第５の実施の形態に係るマスフローコントローラと変わらないものである。
【００５９】
図２３には、第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図が示されている。一端に流体の導入部であるフランジ２１１を備え、他端に流体の導出部であるフランジ２１２を備えている。フランジ２１１とフランジ２１２との間は、筒状の導管２０１と流路ブロック２０２により結合されている。
【００６０】
フランジ２１１は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み２１３が形成され、この窪み２１３の中央から流体が流れる穴２１４が穿設されている。穴２１４は導入部であるフランジ２１１の中央にて直角（図２３では、右方向）方向に向きを変えられて形成されている。フランジ２１１は図示せぬボルト等により流体供給系の他の部品に結合可能とされている。穴２１４が折れ曲がった部分の先には、出口が略すり鉢状に切削された弁座２１８が埋設されている。
【００６１】
導出部であるフランジ２１２は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み２１６が形成され、この窪み２１６の中央から流体が流れる穴２１７が穿設されている。穴２１７は導出部であるフランジ２１２の中央にて直角（図２３では、左方向）方向に向きを変えられて径が太くされて形成されており、また、フランジ２１２は流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００６２】
フランジ２１１の導管２０１側には弁部２０４が位置する部屋を構成する穴部が形成されている。弁部２０４は、円筒状のプランジャ１３０の先端側に小円柱を有し、その最先端に円筒状の支持部を備えたものであり、この支持部内に球状の弁頭２２６を挟持している。また、プランジャ１３０の大径部の側壁には、軸方向に数条の溝２２７が形成されており、流体が円筒状の導管２０１における内壁と溝２２７の間を流れるようにされ、流体の流量が多いときにも流体の動圧により振動して不安定とならぬようにされている。
【００６３】
プランジャ１３０の背面部（流路ユニット２０２側）には、すり鉢状に湾曲した渦巻スプリング２０６が貼着されており、流路ユニット２０２の一面に渦巻スプリング２０６が当接してプランジャ２３０を、流体が流入するフランジ２１２側へ付勢している。このため、プランジャ２３０の先端に設けられた球状の弁頭２０７をすり鉢状に形成された弁座２１８が当接して、ノーマリークローズ形のマスフローコントローラが実現されている。
【００６４】
流路ブロック２０２は円筒状の形状を有し軸方向には、フランジ２１２の図２３における横穴と同径で始まり、途中から小径となる穴部２１９が形成されており、この穴部は終端部分においてラジアル方向へ穿設された穴部２１５と連通している。流路ブロック２０２の外径は先端部（プランジャ２３０側）において小径となり、導管２０１との間に間隙が生じるようになされている。従って、溝２２７を介して流れた流体は、上記間隙から穴部２１５を介して穴部２１９へ到りフランジ２１２の穴２１７から排出される。
【００６５】
導管２０１と流路ブロック２０２の外周には、ソレノイド２２１を内包した円筒状のソレノイドケース２２９が設けられ、ネジ２２８により流路ブロック２０２へ固着される。フランジ２１１のプランジャ２３０側には、穴２１４とは反対方向（図２３では上方向）に向かって小孔２２２が形成されており、フランジ２１２の流路ブロック２０２側には、穴２１７とは反対方向（図２３では上方向）に向かって小孔２２３が形成されている。
【００６６】
上記小孔２２２、２２３は、図９にて説明した円柱片９０、９０にて蓋をされた状態とされ、円柱片９０、９０の間を結ぶセンサ管８２に連通する。センサ管８２には発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が巻回され、発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２からリードが外に配線されている。円柱片９０、９０やセンサ管８２は板状金属片８０にセットされた状態で、板状金属片８０がフランジ２１１、２１２に固定される。
【００６７】
係る構成のマスフローコントローラでは、センサ部分がソレノイドケース２２９の外周部に取り付けられた状態とされ、流体はプランジャ２３０の一端部分においてセンサ管８２へ向かい、プランジャ２３０の他端部分においてプランジャ２３０を通過した流体と合流するように流れ、適切な流量計測が保証され、しかも長手方向の長さを短くできる利点がある。
【００６８】
図２４には第１１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図が示されている。この実施の形態は基本的に第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラと同一の構成であるが、フランジ２１１Ａに穿設された小孔２２２の先端部に圧力センサユニット３００との連結部２５０を備えている。また、フランジ２１２には小孔２２３は形成されていない。
【００６９】
この構成により、流体はプランジャ２３０の一端部分において小孔２２２へ向かい圧力センサユニット３００にて適切な流量計測が保証され、しかも長手方向の長さを短くできる利点がある。なお、圧力センサユニット３００に採用される圧力センサ３１０は、図１９に示した第７の実施の形態にて説明したピエゾ抵抗型半導体圧力センサとする。勿論、薄膜型半導体式や容量型半導体式や機械式の圧力センサを用いることもできる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、円筒状の導管の一端に流体の導入部を設け、他端に流体の導出部を設けると共に、前記導入部側に熱式質量流量計を設け、前記導出部側にソレノイドバルブを設け、前記導管内の導入部側に層流素子を配し、前記導管内の導出部側にソレノイドバルブのプランジャと、前記プランジャの移動により開度が調整される弁部と配置し、前記導管内を一方向に流体を流すようにしたので、流体が導管内に滞留することなく流れ、また、導管内を利用しているため、構成を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの底面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの組立断面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図８】本発明に係るマスフローコントローラのセンサユニットの構成例を示す図であり、（ｂ）が平面図、（ａ）が（ｂ）の１−１断面図。
【図９】本発明に係るマスフローコントローラのセンサユニットの要部構成例を示す斜視図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の側断面図。
【図１３】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１４】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの組立断面図
【図１５】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの変形例の側断面図。
【図１６】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの変形例の要部構成図。
【図１７】第６の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１８】第６の実施の形態に係るマスフローコントローラの要部構成図。
【図１９】第７の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２０】第８の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２１】第９の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２２】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、流体の流れを逆方向にした場合の側断面図。
【図２３】第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２４】第１１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【符号の説明】
１ 導管
２ 熱式質量流量計
３ ソレノイドバルブ
４ 弁部
１０ バイパス芯
１１ フランジ
１２ フランジ
２０ ヨーク
２１ ソレノイド
２２ 永久磁石
２３、２４ リング
２５ 永久磁石
２６ 弁頭
３０ プランジャ
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば、半導体製造工程において用いられるマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置に用いられるプロセスガス及び液体材料等の流体を制御するマスフローコントローラは、フィルタや開閉バルブと共に流体供給系を構成するものである。流体供給系では、脱ガスの低減等の高性能化や、半導体製造装置のコストダウンのために、より小型軽量のものが求められている。
【０００３】
従来、小型化の手段としては、流体供給系の各構成部品の接続方法を従来の配管継ぎ手による接続方式から、各構成部品のベース部分を共通の接続方法にて取り付けるフランジによる方法が採用されつつある。しかしながら、この方式による接続を行った場合の問題は、小型化を図ることができても、流体制御系の部品実装密度が上がる一方で、その重量に変化が殆どなく、取付フランジを多用するために流体供給系が金属の塊と化して、全体とすると返って重量が増加する場合もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また従来の配管継ぎ手を用いる場合であっても、マスフローコントローラのベース部分が金属の切削加工品であるため、重量が重い上に大量生産が困難であり、コストダウン上の問題点となっていた。
【０００５】
本発明は上記のようなマスフローコントローラにおける従来の問題点を解決せんとしてなされたもので、その目的は小型軽量であって、しかも、流体の流路がシンプルであり、コンタミネーションを生じやすい流体滞留部を備えない高性能なマスフローコントローラを安価に実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマスフローコントローラは、流体の質量流量を流量センサで検出し、前記流量の値が所要値となるよう制御バルブを駆動して、所望の質量流量に制御するマスフローコントローラにおいて、制御バルブがソレノイドで駆動されるソレノイドバルブであって、円筒状の導管内の一端側に前記導管の内径とほぼ等しい径の層流素子を配し、前記導管内の他端側に前記導管の内径とほぼ等しい径のプランジャと、前記プランジャの移動により開度が調整される弁部とを配置し、前記層流素子と前記プランジャとの間に前記導管の内径とほぼ等しい径のヨークを配し、前記層流素子及び前記ヨークの表面に、前記導管の軸に平行な流路用の溝が設けられており、前記プランジャの表面には、前記導管の軸に平行な断面形状がほぼＵ字状の溝であって、当該溝を流れる流体の乱流の発生を防止し、安定したプランジャの動作を可能とする溝が形成されており、前記プランジャを前記導管の軸方向に駆動するソレノイドを前記導管外周部に設けて制御バルブを構成し、流体通路を導管の円筒軸方向としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、コンタミネーションの発生を防ぐために、前記プランジャとして高耐食性の磁性合金を用いたこと特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、前記プランジャの一部に球状の弁頭を設け、オリフィスをすり鉢状にし、前記プランジャの側面を流体が流れても、前記プランジャの軸がずれにくく、常に安定した閉動作を可能としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、ヨークの一部を分離可能とし、プランジャとヨークの間の間隙及び、弁頭の初期位置を微妙に調整可能としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量センサには熱式の質量流量センサを用い、プランジャの一端側から前記熱式流量センサへの流体導入流路を設けると共に、前記プランジャの片側に前記熱式流量センサからの流体導出流路を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、プランジャの片側に球状の弁頭を設け、すり鉢状の弁座と弁頭をソレノイドの内側で対向する構成とし、ソレノイドが非通電時に開動作となることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、ドーナツ状の永久磁石を導管の外部に設け、プランジャをソレノイド非通電時の軸方向の初期位置を保持させると共に前記ドーナツ状の永久磁石の導管上の位置を任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに、バイパスに直線的に連結された熱式の質量流量センサを用いることにより、導管中の流体の流れを直線的にしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに圧力計を用いる圧力検出方式のセンサを用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載のマスフローコントローラは、請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、流量検出センサに圧力計を用いた圧力検出方式のセンサを用い、圧力検出用の導圧路をバルブプランジャの流体導入側に設けたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るマスフローコントローラを説明する。各図において同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。第１の実施の形態に係るマスフローコントローラは、図１に側断面図を、図２に平面図を、図３に底面図を示すように構成されている。
【００１９】
つまり、円筒状の導管１の一端に流体の導入部であるフランジ１１を設け、他端に流体の導出部であるフランジ１２を設けると共に、導入部であるフランジ１１側に熱式質量流量計２を設け、導出部であるフランジ１２側にソレノイドバルブ３を設けている。
【００２０】
導管１内の導入部であるフランジ１１側に層流素子であるバイパス芯１０を配し、導管１内の導出部であるフランジ１２側にソレノイドバルブ３のプランジャ３０と、プランジャ３０の移動により開度が調整される弁部４と配置し、導管１内を一方向に流体が流れるように構成されている。
【００２１】
導入部であるフランジ１１は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み１３が形成され、この窪み１３の中央から流体が流れる穴１４が穿設されている。穴１４は導入部であるフランジ１１の中央にて直角（図１では、右方向）方向に向きを変えられて形成されている。導入部であるフランジ１１の上面から底面まで貫いて、ボルトが貫通される穴１５が２つ設けられ、導入部であるフランジ１１を流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００２２】
導出部であるフランジ１２は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み１６が形成され、この窪み１６の中央から流体が流れる穴１７が穿設されている。穴１７は導出部であるフランジ１２の中央にて直角（図１では、左方向）方向に向きを変えられて径が細くされて形成され、図４（ｃ）に正面方向からの図が示されるように、出口が略すり鉢状に切削されて弁座１８が形成されている。導出部であるフランジ１２の上面から底面まで貫いて、ボルトが貫通される穴１９が２つ設けられ、導入部であるフランジ１２を流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００２３】
導管１内のバイパス芯１０とプランジャ３０の間には、磁性体のヨーク２０が設けられている。ヨーク２０が設けられた部分の導管１の外周には、ソレノイド２１が設けられている。
【００２４】
プランジャ３０が位置する導管１の外周部には、ドーナツ状の永久磁石２２が同心に設けられている。永久磁石２２の内径は導管１の外径よりも数ｍｍ程度大きく形成され、両サイドを円板状の磁性体からなるリング２３、２４により挟持されている。リング２３、２４内径は導管１の外径に等しい。
【００２５】
プランジャ３０の大径部は磁性体であり、図７に示すように先端側は小径のドラム状をなした非磁性体であり、内部にディスク状の永久磁石２５を有する。この永久磁石２５とドーナツ状の永久磁石２２との間の磁力によりプランジャ３０が軸心のセンタを移動するように保持される。プランジャ３０は最先端に円筒状の支持部を備え、この支持部内に球状の弁頭２６を挟持している。また、プランジャ３０の大径部の側壁には、軸方向に数条の溝２７が形成されており、流体が導管１の内壁と溝２７の間を流れるようにされ、流体の流量が多いときにも流体の動圧により振動して不安定とならぬようにされている。
【００２６】
ソレノイド２１はボビン状であり、図６に示すように、筒状であって一端側に壁部分から中央部へ延びたストッパ部２８を有するソレノイドケース２９に収容され、ドーナツ板状のケース蓋３１により蓋がなされ固定される。
【００２７】
導管１の導入部であるフランジ１１側であってバイパス芯１０が設けられる部分の壁面には図４、図５に示されるように、穴３２、３３が穿設され、図８に示される板状に構成されたセンサユニット８を装着したときにセンサ管８２に接続されるようになされており、センサユニット８はボルト１１３によって導管１の上面に固定される。この固定のために２本のＵ字状のセンサ固定具６１、６１が導管１の下方から導管１を包み、センサユニット８を上記ボルト１１３にて取り付ける構成となっている。
【００２８】
次にセンサユニット８について図８、図９を参照して説明する。センサユニット８は、板状金属片８０の四隅にボルト１１３を貫通させる穴８１が穿設されており、中央部にセンサ管８２を設ける長穴状の室８３が形成され、この室８２の両サイドに、室８３と連通する円筒状の有底空洞８４が形成されている。
【００２９】
室８３の手前方向には、センサ管８２に巻回される発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が接続されるリード８５が設けられる凹部８６が形成されている。発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が巻回されたセンサ管８２は、図９に示すように側壁から中央部へ向かう穴９１と円端面から中央部へ向かう穴９２が形成された円柱片９０における穴９１へ両端において挿入され固定される。有底空洞８４に上記円柱片９０を挿入してボルト１１３によって図４、図５に示されるように、センサ固定具６１、６１に固定される。穴９２と穴３２、３３が、Ｏリング３４を介して封止されて連通する。
【００３０】
バイパス芯１０は、図４（ａ）端面が示されているように、側壁に数条の溝４１が軸方向に平行に形成され、この部分を流体が流れる。また、正面部および底面部にはＶ字状の溝が形成され流体がラジアル方向へ拡散し、またラジアル方向からの流体が中央に集まり易くしている。また、図４（ｂ）に端面が示されているように、ヨーク２０にも数条の溝４２が軸方向に平行に形成され、この部分を流体が流れる。
【００３１】
以上の構成のマスフローコントローラは、図４に示されるように各部品が揃えられ、導管１内の導入部であるフランジ１１側所定位置にバイパス芯１０が圧入固定されて、導出部であるフランジ１２側の所定位置にヨーク２０が圧入固定され、さらにプランジャ３０が挿入される。
【００３２】
ソレノイドケース２９に収容され、ケース蓋３１により蓋がなされたソレノイド２１に導管１が挿入されて固定される。また、リング２３、２４により挟持された永久磁石２２が導管１の外周に摺動されてネジ４８により固定される。永久磁石２２は軸方向へ着磁されており、永久磁石２２の一方から出た磁束はリング２３を通り導管１内のプランジャ３０を通ってリング２４から他方の極へと戻る。この結果、プランジャ３０は、導管１の軸方向における永久磁石２２の中央で保持される。
【００３３】
ソレノイドケース２９の永久磁石２２側は、ストッパ部２８を有することから、外周部がそのままリング２３に延びる構造となっておらず、リング２３の手前において内周側へ折れてリングの内周部分に磁気結合する。この構造により、ソレノイド２１が非通電状態のときに、永久磁石２２の磁束がソレノイド側に漏れてプランジャ３０が導入部であるフランジ１１方向へ力を受けることを防止できている。導入部であるフランジ１１と導出部であるフランジ１２とは導管１の端部に接続される。
【００３４】
以上の構成により、プランジャ３０はバネに依らずに導管１の軸方向における永久磁石２２の中央で保持され、導出部であるフランジ１２方向へ付勢された状態とされ、弁座１８の穴を弁頭２６が塞ぎ流体の流れを阻止した状態となる。
【００３５】
そこで、ソレノイド２１に通電を行うとソレノイド２１による磁束はプランジャ３０を導入部であるフランジ１１方向へ吸引するように働き、所定量の流体を流すことができる。なお、本願発明のマスフローコントローラの機能ブロックとしては、特願２０００−３７０７１３号に記載のものを用いることができ、質量流量センサの回路構成としては、特願２０００−３５６７２６号などに記載のものを用いることができる。
【００３６】
以上の通り、上記実施の形態では、センサおよびバルブを円筒状の導管１に設けたことにより、小型軽量化が可能となった。また、金属ブロックを切削して構成する流体ベースを用いないので、安価なマスフローコントローラを実現できる。また、流体通路を導管１の円筒軸方向としたことにより、コンタミネーションの原因となる滞留部を備えないマスフローコントローラが可能となる。
【００３７】
更に、導管１の外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時に、プランジャ３０を軸方向の初期位置に保持させているので、プランジャの運動方向の動作保持用のメインスプリングを無くして長寿命化を図り、従来のソレノイドバルブで常に問題点となっていた寿命問題を解決することが可能となる。
【００３８】
また、ドーナツ状の永久磁石２２の導管１上の位置をネジ４８にて調整可能とし、プランジャ３０の初期位置において弁頭２６が弁座１８を押圧する力を導管１の外から容易に調整することが可能となり、バルブ部の製作が容易となる。また、流体通路をプランジャ３０と導管１の間で、プランジャ３０の表面に軸方向に溝が形成されており、流体の流量が多いときでも、流体の動圧の影響でプランジャ３０が不安定となることを防止できる。
【００３９】
図１０に、第２の実施の形態に係るマスフローコントローラを示す。このマスフローコントローラは、図１０（ａ）に示す側断面図に示すようにプランジャ３０Ａの内部に永久磁石が設けられない。その代わりに、ヨーク２０とプランジャ３０Ａの間にスプリング５１を介装し、弁座１８とプランジャ３０Ａの間にスプリング５２（平面図は図１０（ｂ））を介装する。これらのスプリング５１、５２は、プランジャ３０Ａを軸心のセンタに位置付ける。係る構成によっても、永久磁石２５によりプランジャ３０を軸心のセンタに位置付けた第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図１１に、第３の実施の形態に係るマスフローコントローラを示す。このマスフローコントローラは、第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、導管１の端部に設けていた直方体状のブロック状の導入部であるフランジ１１と導出部であるフランジ１２に代えて配管継ぎ手６０、６２を設けたものである。配管継ぎ手６２のプランジャ３０側の内部に、導出部であるフランジ１２におけるプランジャ３０側の内部と同様の弁座１８Ａが形成されており、第１の実施の形態と同様にプランジャ３０の初期位置において弁頭２６が弁座１８を押圧する。
【００４１】
図１２に、第４の実施の形態に係るマスフローコントローラの要部構成を示す。このマスフローコントローラは、プランジャ３０とヨーク２０とを軸６３により接続する。或いは、プランジャ３０Ｂを導入部であるフランジ１１方向に延長し、導管１中のヨーク２０を兼ねるように構成する。プランジャ３０Ｂの導入部であるフランジ１１側端部の位置がコイルケース２９の導入部であるフランジ１１側の近くとするように長さを調整することにより、ソレノイド２１の通電時に、プランジャ３０Ｂを弁座１８から離れる方向に移動させることができる。この場合、プランジャ３０Ｂがソレノイド２１の内部にあるから、プランジャ３０Ｂの吸引力は第１の実施の形態の場合よりも小さくなるが、プランジャ３０Ｂの移動距離を多くする場合の構成に適する。
【００４２】
図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図を示し、図１４にその組立断面図を示す。このマスフローコントローラでは、筒状のソレノイドケース２９における穴部に、ヨーク２０Ａと薄肉管状のバルブ導管１００を溶接して一体化した部材を、ネジ１０１により螺合し上記バルブ導管１００内部に弁体であるプランジャ１０２を配置した構成を有する。この実施の形態におけるプランジャ１０２を含め、以降の実施の形態に用いられるプランジャには磁石が内包されていない。
【００４３】
ヨーク２０Ａには、一端面の中心から軸方向に他端面に透通せずに流路１０３が穿設され、流路１０３の底部においてラジアル方向へ非透通の流路１０４が形成されている。プランジャ１０２の側部には軸方向へ向けて流路となる数条の溝１０５が形成されている。また、プランジャ１０２の背面部（ヨーク２０Ａ側）には、すり鉢状に湾曲した渦巻スプリング１０６が貼着されており、ヨーク２０Ａの一面に渦巻スプリング１０６が当接してプランジャ１０２を、流体が流入するフランジ１２側へ付勢している。このため、プランジャ１０２の先端に設けられた球状の弁頭１０７をすり鉢状に形成された弁座１８が当接して、ノーマリークローズ形のマスフローコントローラが実現されている。
【００４４】
また、この実施の形態における導管１Ａは、基本的に既に述べた導管１と基本的に同一の構造であるが、一端側にフランジ１０８が形成され、複数のネジ１０９によりソレノイドケース２９と結合される。上記フランジ１０８の端面にはＯリング１０９Ａが設けられ、ヨーク２０Ａとの間をシールしている。
【００４５】
その他の構成は、第１の実施の形態と変わらない。つまり、コンタミネーションの発生を防ぐために、プランジャ１０２には高耐食性の磁性合金を用いている。プランジャ１０２の一部に球状の弁頭１０７を設け、オリフィスをすり鉢状にしたことにより、プランジャ１０２の側壁を流体が流れても、プランジャ１０２の軸がずれにくく、常に安定した閉動作を可能としている。そして、ソレノイド２１に通電されると、ソレノイド２１による磁束は、ソレノイドケース２９の片側からバルブ導管１００を介してプランジャ１０２を通り、プランジャ１０２とヨーク１０１の間隙を通過してヨーク１０２からソレノイドケース２９の片側に戻る。このとき、プランジャ１０２は、渦巻スプリング１０６に抗して、ヨーク１０１側へ吸引される。ソレノイド２１の通電電流の大きさに応じて、プランジャ１０２はヨーク１０１側に吸引され、弁頭１０７とオリフィスとの距離が変わるので、任意の流量を流すことができる制御弁として作用する。
【００４６】
次に上記第５の実施の形態において、ヨーク２０Ａを２個のパーツである調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂに分離可能に構成されたものを用いた構成例を図１５、図１６に示す。調整用ヨーク１１０Ａは、その側面図を図１６（ａ）に示し、正面図を図１６（ｂ）に示し、その平面図を図１６（ｃ）に示してあり、固定用ヨーク１１０Ｂにおいてはその断面図を図１６（ｄ）に示してある。この構成においては、プランジャ１０２に対向する側の調節ヨーク１１０Ａを流体流出側の固定ヨーク１１０Ｂにバネ１１３を介してネジ１１１Ａ、１１１Ｂで螺合させて固定する。そして、流路１０３を介して流出側からドライバを挿入し、調節ヨーク１１０Ａの切欠部１１２へ合わせ回転することにより、調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂの間隔を変化させて、プランジャ１０２の初期位置の調整を可能にしたものである。この調整は、バルブ導管１００の溶接後でも可能であるため、所要の流量制御範囲が正確に得られると共に、プランジャ１０２の初期位置が制御範囲に大きく影響する小流量用途バルブを構成するときに極めて有用である。つまり、ヨークを調整用ヨーク１１０Ａと固定用ヨーク１１０Ｂに分離可能とし、プランジャ１０２と一体化されたヨーク２０Ａとの間の間隙及び、弁頭１０７の初期位置を微妙に調整可能としたものである。
【００４７】
図１７に第６の実施の形態の断面図を示し、図１８にその要部を示す。図１８（ａ）はプランジャ１２０の側断面図、図１８（ｂ）はその正面図、図１８（ｃ）はヨーク２０Ｂの正面図、図１８（ｄ）はその側断面図である。この第６の実施の形態に係るマスフローコントローラは、ノーマリーオープン型の構成を有するもので、フランジ１０８から流体が流出するフランジ１１までの構成は第５の実施の形態のものと変わらない。
【００４８】
このマスフローコントローラにおいては、筒状のソレノイドケース２９における穴部に設けられたヨーク２０Ｂの一端側にすり鉢状の弁座（オリフィス）１２１が形成されており、この弁座１２１に対応する部分に弁頭１２２を備えるプランジャ１２０が上記のソレノイドケース２９における穴部に設けられている。ヨーク２０Ｂの弁座１２１は凹部に設けられ、この凹部から軸方向へ流体の流路１２１Ａが貫通して形成されている。
【００４９】
流体が流入するフランジ１２Ａは、基本的に流体が流出するフランジ１１と同一の構成となっている。プランジャ１２０の底部には、プランジャ１２０の軸を中心に位置付けるスプリング１２４が貼着されている。また、プランジャ１２０のヨーク２０Ｂ側の正面には、中央部に弁頭１２２を回避する穴を有する卍状のスプリング１２３が貼着されており、ヨーク２０Ｂの隔壁部に当接してプランジャ１２０をフランジ１２Ａ側へ付勢して、ソレノイド２１に通電しない状態においてオリフィスが開状態とされる。プランジャ１２０の側壁には流体の流路となる数条の溝１２５が形成されている。
【００５０】
ソレノイド２１が通電されると、プランジャ１２０は、弁頭１２２の近傍に設けられたスプリング１２３に抗してヨーク２０Ｂ側に引き寄せられ、オリフィスを閉じるよう動作する。オリフィスの開度は、ソレノイド２１への通電電流により任意に制御できるので、通常開の制御バルブとして動作する。つまり、プランジャ１２０の片側に球状の弁頭１２２を設け、すり鉢状の弁座１２１と弁頭１２２をソレノイド２１の内側で対向する構成とし、ソレノイド２１が非通電時に開動作となることを特徴とする。
【００５１】
半導体用製造用装置に使用できるソレノイド方式の通常開のバルブは、一般に、ステムロッドを用い動作を反転させているため、構造が複雑で、かつ流路に大きなデッドスペースができる欠点があり、通常閉のバルブに比べあまり使用されていないが、本例によりこれらの欠点が解消される。
【００５２】
図１９に第７の実施の形態の断面図を示す。この構成例は、流体の流入する側のフランジ１２からソレノイドケース２９までの構成は、第５の実施の形態と同様の構成を有し、フランジ１０８から流体が流出するフランジ１１までの構成が異なっている。つまり、流体がフランジ１１へ流れ込む入口部には、流体を所要量ずつ流出させるノズル１２７が設けられており、導管１の側壁部には、半導体ゲージ方式の圧力計１２６が設置されている。
【００５３】
上記圧力計１２６としては、例えばピエゾ抵抗型半導体圧力センサ（勿論、薄膜型半導体式や容量型半導体式や機械式の圧力センサを用いることもできる。）を適用することができる。このセンサは、ダイヤフラムの中央に２つのゲージ抵抗ｒ２、ｒ４を設け、ダイヤフラムの周囲端にゲージ抵抗ｒ１を設け、ゲージ抵抗ｒ２、ｒ４を介してゲージ抵抗ｒ１と対象な位置にゲージ抵抗ｒ３を設けたものであり、ダイヤフラムが圧力を受けて撓むと各ゲージ抵抗ｒ１〜ｒ４は撓み量に応じた応力を受けて抵抗を変化させる。ゲージ抵抗ｒ１〜ｒ４にてホイートストンブリッジを形成シ、電圧や電流を加えて上記圧力に応じた電気信号を取り出すものである。この方式では、検出精度が２次側圧力の影響を受けたものとなるが、２次側が高真空となる用途に用いる場合には、実用上十分な精度をもって質量流量の検出が可能である。この構成によれば、流体の滞留部（デッドスペース）を更に小型化したマスフローコントローラを構成することが可能である。
【００５４】
図２０には、第８の実施の形態に係るマスフローコントローラの断面図が示されている。この実施の形態においは、図１に示した第１の実施の形態と基本的に同一の構成であるが、第１の実施の形態におけるプランジャ３０に変えて、図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラに用いたプランジャ１０２を用いている。
【００５５】
そして、第１の実施の形態と同様にドーナツ状の永久磁石２２が設けられ、この永久磁石２２の位置をネジ２２Ａにて適宜変更することにより、プランジャ１０２の初期位置を導管１の外部から調整可能となっている。ソレノイド２１の非通電のときには、プランジャ１０２の弁頭がオリフィスに圧接するようにドーナツ状の永久磁石２２の位置が調整されて、導管１上で固定される。流体を流す場合には、ソレノイド２１に通電して、任意の位置までプランジャ１０２をオリフィスと反対方向に移動させる。このように導管外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時にプランジャ１０２を軸方向の所定初期位置に保持させると共にドーナツ状の永久磁石２２の導管上の位置をネジ２２Ａにて任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００５６】
図２１には、第９の実施の形態に係るマスフローコントローラの断面図が示されている。この実施の形態においは、図１１に示した実施の形態と基本的に同一の構成であるが、図１１の実施の形態におけるプランジャ３０に変えて、図１３に第５の実施の形態に係るマスフローコントローラに用いたプランジャ１０２を用いている。この実施の形態においても導管外部に設けたドーナツ状の永久磁石２２により、ソレノイド２１の非通電時にプランジャ１０２を軸方向の所定初期位置に保持させると共にドーナツ状の永久磁石２２の導管上の位置をネジ２２Ａにて任意に調整可能としたことを特徴とする。
【００５７】
ソレノイド２１の非通電のときには、プランジャ１０２の弁頭がオリフィスに圧接するようにドーナツ状の永久磁石２２の位置が調整されて、導管１上で固定される。流体を流す場合には、ソレノイド２１に通電して、任意の位置までプランジャ１０２をオリフィスと反対方向に移動させる。この実施の形態の構成により導管中の流体の流れを直線的にしたことを特徴とする。
【００５８】
図２２には、図１３に示した第５の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、流体の流れを逆方向に（フランジ１１側からフランジ１２側へ流すように）した場合の側断面図が示されている。この例においては、マスフローコントローラの構成自体は全く第５の実施の形態に係るマスフローコントローラと変わらないものである。
【００５９】
図２３には、第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図が示されている。一端に流体の導入部であるフランジ２１１を備え、他端に流体の導出部であるフランジ２１２を備えている。フランジ２１１とフランジ２１２との間は、筒状の導管２０１と流路ブロック２０２により結合されている。
【００６０】
フランジ２１１は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み２１３が形成され、この窪み２１３の中央から流体が流れる穴２１４が穿設されている。穴２１４は導入部であるフランジ２１１の中央にて直角（図２３では、右方向）方向に向きを変えられて形成されている。フランジ２１１は図示せぬボルト等により流体供給系の他の部品に結合可能とされている。穴２１４が折れ曲がった部分の先には、出口が略すり鉢状に切削された弁座２１８が埋設されている。
【００６１】
導出部であるフランジ２１２は直方体状のブロックからなる取付フランジであり、その一面に円形の窪み２１６が形成され、この窪み２１６の中央から流体が流れる穴２１７が穿設されている。穴２１７は導出部であるフランジ２１２の中央にて直角（図２３では、左方向）方向に向きを変えられて径が太くされて形成されており、また、フランジ２１２は流体供給系の他の部品に結合可能とされている。
【００６２】
フランジ２１１の導管２０１側には弁部２０４が位置する部屋を構成する穴部が形成されている。弁部２０４は、円筒状のプランジャ１３０の先端側に小円柱を有し、その最先端に円筒状の支持部を備えたものであり、この支持部内に球状の弁頭２２６を挟持している。また、プランジャ１３０の大径部の側壁には、軸方向に数条の溝２２７が形成されており、流体が円筒状の導管２０１における内壁と溝２２７の間を流れるようにされ、流体の流量が多いときにも流体の動圧により振動して不安定とならぬようにされている。
【００６３】
プランジャ１３０の背面部（流路ユニット２０２側）には、すり鉢状に湾曲した渦巻スプリング２０６が貼着されており、流路ユニット２０２の一面に渦巻スプリング２０６が当接してプランジャ２３０を、流体が流入するフランジ２１２側へ付勢している。このため、プランジャ２３０の先端に設けられた球状の弁頭２０７をすり鉢状に形成された弁座２１８が当接して、ノーマリークローズ形のマスフローコントローラが実現されている。
【００６４】
流路ブロック２０２は円筒状の形状を有し軸方向には、フランジ２１２の図２３における横穴と同径で始まり、途中から小径となる穴部２１９が形成されており、この穴部は終端部分においてラジアル方向へ穿設された穴部２１５と連通している。流路ブロック２０２の外径は先端部（プランジャ２３０側）において小径となり、導管２０１との間に間隙が生じるようになされている。従って、溝２２７を介して流れた流体は、上記間隙から穴部２１５を介して穴部２１９へ到りフランジ２１２の穴２１７から排出される。
【００６５】
導管２０１と流路ブロック２０２の外周には、ソレノイド２２１を内包した円筒状のソレノイドケース２２９が設けられ、ネジ２２８により流路ブロック２０２へ固着される。フランジ２１１のプランジャ２３０側には、穴２１４とは反対方向（図２３では上方向）に向かって小孔２２２が形成されており、フランジ２１２の流路ブロック２０２側には、穴２１７とは反対方向（図２３では上方向）に向かって小孔２２３が形成されている。
【００６６】
上記小孔２２２、２２３は、図９にて説明した円柱片９０、９０にて蓋をされた状態とされ、円柱片９０、９０の間を結ぶセンサ管８２に連通する。センサ管８２には発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２が巻回され、発熱抵抗体Ｒ１、Ｒ２からリードが外に配線されている。円柱片９０、９０やセンサ管８２は板状金属片８０にセットされた状態で、板状金属片８０がフランジ２１１、２１２に固定される。
【００６７】
係る構成のマスフローコントローラでは、センサ部分がソレノイドケース２２９の外周部に取り付けられた状態とされ、流体はプランジャ２３０の一端部分においてセンサ管８２へ向かい、プランジャ２３０の他端部分においてプランジャ２３０を通過した流体と合流するように流れ、適切な流量計測が保証され、しかも長手方向の長さを短くできる利点がある。
【００６８】
図２４には第１１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図が示されている。この実施の形態は基本的に第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラと同一の構成であるが、フランジ２１１Ａに穿設された小孔２２２の先端部に圧力センサユニット３００との連結部２５０を備えている。また、フランジ２１２には小孔２２３は形成されていない。
【００６９】
この構成により、流体はプランジャ２３０の一端部分において小孔２２２へ向かい圧力センサユニット３００にて適切な流量計測が保証され、しかも長手方向の長さを短くできる利点がある。なお、圧力センサユニット３００に採用される圧力センサ３１０は、図１９に示した第７の実施の形態にて説明したピエゾ抵抗型半導体圧力センサとする。勿論、薄膜型半導体式や容量型半導体式や機械式の圧力センサを用いることもできる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、円筒状の導管の一端に流体の導入部を設け、他端に流体の導出部を設けると共に、前記導入部側に熱式質量流量計を設け、前記導出部側にソレノイドバルブを設け、前記導管内の導入部側に層流素子を配し、前記導管内の導出部側にソレノイドバルブのプランジャと、前記プランジャの移動により開度が調整される弁部と配置し、前記導管内を一方向に流体を流すようにしたので、流体が導管内に滞留することなく流れ、また、導管内を利用しているため、構成を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの底面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの組立断面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の組立断面図。
【図８】本発明に係るマスフローコントローラのセンサユニットの構成例を示す図であり、（ｂ）が平面図、（ａ）が（ｂ）の１−１断面図。
【図９】本発明に係るマスフローコントローラのセンサユニットの要部構成例を示す斜視図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るマスフローコントローラにおける要部の側断面図。
【図１３】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１４】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの組立断面図
【図１５】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの変形例の側断面図。
【図１６】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラの変形例の要部構成図。
【図１７】第６の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図１８】第６の実施の形態に係るマスフローコントローラの要部構成図。
【図１９】第７の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２０】第８の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２１】第９の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２２】第５の実施の形態に係るマスフローコントローラにおいて、流体の流れを逆方向にした場合の側断面図。
【図２３】第１０の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【図２４】第１１の実施の形態に係るマスフローコントローラの側断面図。
【符号の説明】
１ 導管
２ 熱式質量流量計
３ ソレノイドバルブ
４ 弁部
１０ バイパス芯
１１ フランジ
１２ フランジ
２０ ヨーク
２１ ソレノイド
２２ 永久磁石
２３、２４ リング
２５ 永久磁石
２６ 弁頭
３０ プランジャ
Claims (10)
- 流体の質量流量を流量センサで検出し、前記流量の値が所要値となるよう制御バルブを駆動して、所望の質量流量に制御するマスフローコントローラにおいて、制御バルブがソレノイドで駆動されるソレノイドバルブであって、
円筒状の導管内の一端側に前記導管の内径とほぼ等しい径の層流素子を配し、前記導管内の他端側に前記導管の内径とほぼ等しい径のプランジャと、前記プランジャの移動により開度が調整される弁部とを配置し、前記層流素子と前記プランジャとの間に前記導管の内径とほぼ等しい径のヨークを配し、
前記層流素子及び前記ヨークの表面に、前記導管の軸に平行な流路用の溝が設けられており、
前記プランジャの表面には、前記導管の軸に平行な断面形状がほぼＵ字状の溝であって、当該溝を流れる流体の乱流の発生を防止し、安定したプランジャの動作を可能とする溝が形成されており、
前記プランジャを前記導管の軸方向に駆動するソレノイドを前記導管外周部に設けて制御バルブを構成し、
流体通路を導管の円筒軸方向としたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
コンタミネーションの発生を防ぐために、前記プランジャとして高耐食性の磁性合金を用いたこと特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
前記プランジャの一部に球状の弁頭を設け、オリフィスをすり鉢状にし、前記プランジャの側面を流体が流れても、前記プランジャの軸がずれにくく、常に安定した閉動作を可能としたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
ヨークの一部を分離可能とし、プランジャとヨークの間の間隙及び、弁頭の初期位置を微妙に調整可能としたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
流量センサには熱式の質量流量センサを用い、プランジャの一端側から前記熱式流量センサへの流体導入流路を設けると共に、前記プランジャの片側に前記熱式流量センサからの流体導出流路を設けたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
プランジャの片側に球状の弁頭を設け、すり鉢状の弁座と弁頭をソレノイドの内側で対向する構成とし、ソレノイドが非通電時に開動作となることを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
ドーナツ状の永久磁石を導管の外部に設け、プランジャをソレノイド非通電時の軸方向の初期位置を保持させると共に前記ドーナツ状の永久磁石の導管上の位置を任意に調整可能としたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
流量検出センサに、バイパスに直線的に連結された熱式の質量流量センサを用いることにより、導管中の流体の流れを直線的にしたことを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
流量検出センサに圧力計を用いる圧力検出方式のセンサを用いることを特徴とするマスフローコントローラ。 - 請求項１に記載のマスフローコントローラにおいて、
流量検出センサに圧力計を用いた圧力検出方式のセンサを用い、圧力検出用の導圧路をバルブプランジャの流体導入側に設けたことを特徴とするマスフローコントローラ。
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