JP4074017B2 - カム作動弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体弁を電子的に制御する方法および装置に関する。より詳細には、小流量・高精度用途でのガス流弁を正確に制御する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度・小流量の弁が種々の用途で使用されている。このような用途としては、高圧ガスクロマトグラフィ、分留および半導体ウェーハの製造がある。半導体ウェーハの製造では、今日の半導体製品を製造するエピタキシャルリアクタ内でのガス流管理に特有の問題がある。当業者には良く知られているように、半導体デバイス用シリコンウェーハは、一般に二酸化ケイ素から製造される半導体ウェーハ基板から層状に作られる。二酸化ケイ素が電界の存在下で電気を伝導する度合いは、基板面に打ち込まれる「不純物」の量によって決定される。これらの「不純物」は実際は必要な元素であり、これらの不純物の存在または不存在を入念に制御しなくてはならない。また、半導体ウェーハ中に埋込まれる回路は、基板の頂部の層に蒸着させられる。最終メタライゼーション層を含む引き続いて行なわれるエッチングおよび再蒸着工程によって、複雑な回路が半導体ウェーハ中に埋込まれる。
【０００３】
上記全ての蒸着工程は、一般に、エピタキシャルリアクタとして良く知られた高温オーブン内で化学蒸着（ＣＶＤ）により行なわれる。あらゆる場合において、種々の層が、ガス状材料から蒸着により堆積される。蒸着を制御するため、そして、基板表面上に形成される層の成長をより正確に制御するためには、次の変数、すなわちリアクタの温度、基板上を流れる選択ガスの流量、および暴露時間を入念に制御しなければならない。上記工程を迅速かつ正確に達成できる度合いが、歩留りを大幅に向上させ、これにより半導体製品の製造コストが低減されることが良く知られている。
本発明が開発される前は、加圧シリンダのような適当なガス発生器に連結された弁を回転させることにより、エピタキシャルリアクタを通るガス流を手動で制御する必要があった。オペレータの変動性を考慮する手動システムに固有の不正確さに加え、ガス流弁を調節している間はエピタキシャルリアクタを「停止」しなければならないことも知られている。時間を消費し、労働集約的で固有の変動性をもつこの方法は、半導体製造業における非効率性の１つの大きな原因である。
【０００４】
したがって、上記欠点を解消するため、電子制御すなわちコンピュータ制御で作動する高精度自動ガス流量制御弁が要望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低流量・高精度ガス弁を自動的かつ電子的に制御する方法を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、高精度・低流量のダイアフラム型ガス流弁を作動できる装置を用いて上記目的を達成することにある。
本発明のもう１つの目的は、電子ステッパモータを従来の高精度・低流量のダイアフラム型ガス流弁に連結するトランスミッションを用いて上記目的を達成することにある。
本発明のさらにもう１つの目的は、ステッパモータをガス流弁に連結するトランスミッションを調節する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リニア作動低流量・高精度弁を用いたカム作動型弁を提供することにより、これらの目的および下記説明から明らかになる他の目的および長所を達成する。電子制御の回転装置が、リニア作動弁を作動すべく配置されたカム面を備えた回転カムを作動させる。回転装置は、コンピュータ制御によりまたは適当な手動制御装置を用いて電子的に作動される。
本発明の好ましい実施形態では、トランスミッションが、回転カムとリニア作動弁との間に介在される。トランスミッションは、カムと接触する低摩擦支持面と、弁を作動させる作用面とを形成する。トランスミッションは、弁を作動すべくハウジング内で往復運動する往復動ピストンまたはプランジャを有している。ハウジングは、回転装置を弁と相互連結させるに使用される。別の好ましい実施形態では、トランスミッションの調節およびキャリブレーションを行なう機構が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１および図２には、本発明の原理によるカム作動弁の全体が参照番号１０で示されている。本発明は３つの主要部品、すなわち、電子制御ステッパモータ１２と、全体を参照番号１４で示すトランスミッションと、好ましい実施形態でのダイアフラム低流量・高精度弁１６とを有している。弁１６は、入口ポート１８および出口ポート２０を有し、これらのポートには、それぞれ、ガス供給機器およびガス使用機器のホース等に連結するための適当なカプラが設けられているのが示されている。ガス使用機器としては、エピタキシャルリアクタを含む種々の機器がある。弁１６は、ガスの流れに対する弁内部の制限を制御する外部ダイアフラム２２を有している。適当な弁として、日本で製造されかつFujikin of America社（カリフォルニア州 サンタクララ）により販売されているダイアフラム弁Fujikin モデルFUDDFM-71G-6.35 がある。弁は、一般的には、５０ポンド／平方インチの源圧力で毎分０〜３０標準リットルの流量範囲であるが、後述するように毎分３〜３０標準リットルの範囲に調整されている。
【０００８】
本発明１０は、モータハウジング２３内に収容された電子ステッパモータ１２を使用して弁１６を制御する。このモータ１２は、当業者に良く知られた方法で、駆動軸線すなわちカム回転軸線２６の回りで回転する駆動軸２４を有している。適当なモータとして、日本で製造されかつかつOriental Motor USA社（カリフォルニア州 サンタクララ）により販売されているステップ２相ステッッピングモータモデルPH243M、200 がある。この形式のモータの作動は、当業者には良く知られている。本願の開示の目的のためには、このようなモータは、コンピュータ電子制御または手動電子制御の下で位置／失敗検出を目的のためモータ駆動軸２４に連結されたロータリエンコーダ２７を備えたモータとして説明すれば充分である。この形式のモータは、本件出願人の所有する「リニア運動する微小位置決め装置および方法」という名称の米国特許出願第08/544,309号において完全に開示および説明されており、この米国特許出願を本願に援用する。従って、当業者ならば、本願に開示された思想と矛盾することなく他の形式の回転駆動モータを使用できることがわかる。
【０００９】
モータ１２の駆動軸２４にはキャップ２８が設けられており、キャップ２８の前面にはカム面３０が形成されている。キャップ２８は、嫌気性接着剤（Loctite 635 Part Bonder)のような従来の接着剤で駆動軸２４に接着されているのがよい。カム面３０は、カム回転軸線を形成する軸線２６にほぼ垂直である。しかしながら、図６に示すように、カム面３０は回転軸線２６に対して1.5 °だけ傾斜している。この面は実質的に平坦であり、約１３０μｍの最大ピッチ３２（カム面の「下端」と「上端」との間の距離）を呈している。キャップ２８は、硬度Rc６２まで硬化されたＡ２工具鋼(tool steel)で作るのが好ましい。上記モータ１６は、カム面３０の軸線方向移動量がモータの基準ステップ当たり約1.3 μｍとなるような小さい角度増分でキャップ２８を移動させることができる。
【００１０】
モータ１６には、ボンネットすなわちトランスミッションハウジング４６を受け入れるためのねじ付き円形開口４４を備えたアダプタ４０が設けられている。トランスミッションハウジング４６の外面４７には、アダプタ４０のねじと螺合する協働ねじが設けられている。外面４７のねじはLoctite のようなロッキング剤で処理し、螺合が緩むことを防止するのが好ましい。トランスミッションハウジングは第１内部キャビティ４８を有し、このキャビティ４８は、ほぼ円筒状の形状およびカム回転軸線２６と一致する軸線を有している。第１内部キャビティ４８の内径はキャップ２８の外径より大きく、キャップ２８が自由に回転できるように構成されている。トランスミッションハウジング４６はまた第２内部キャビティ５０を形成し、このキャビティ５０も、ほぼ円筒状の内部形状および弁作動軸線５２とほぼ一致する軸線を有している。弁作動軸線５２は、弁ダイアフラム２２に対してほぼ垂直でありかつダイアフラムに力を付与することを意図した方向にある。第１および第２キャビティの軸線はほぼ平行であるが、後述する目的のため、参照番号５４で示すように約0.10インチだけオフセットしている。
【００１１】
第２内部キャビティ５０は、往復運動可能なプランジャすなわちピストン５６を受け入れ、このピストン５６の遠位端にはダイアフラム２２と接触する作用面５８が設けられている。ピストンの他端には、ボールベアリング６２を受け入れるためのテーパ状ボア６０が設けられている。ボールベアリング６２は、好ましくは硬質クロムめっき鋼から作られかつ0.25インチの直径を有している。ボールベアリングは、ピストン５６に固定されるように、圧嵌めによりテーパ状ボア６０内に受け入れられる。ボア６０の直径は、摩擦嵌めされるように、ボールベアリングの直径より僅かに小さいのが好ましい。また、トランスミッションハウジング４６にはねじ付きカラー６４が設けられており、このカラー６４は、トランスミッションハウジング４６の半径方向に延びた周方向リップ６８と係合する、半径方向内方に延びたフランジ６６を有している。カラー６４は、弁１６の対応するねじと螺合し、ハウジングを圧縮により弁に対して保持する。カラー６４は、トランスミッション１４に適正な予荷重を付与しかつ弁１６に対してダイアフラム２２をシールするため、５２フィート−ポンド（７０N-m)のトルクまで締められるのが好ましい。
【００１２】
図２から明らかなように、ボールベアリング６２は、接触点７０でカム面３０の外周部と接触している。カム面３０は、約0.280 インチ（約7.2mm)の外径を有している。接触点７０は、カムの回転軸線２６から約0.10インチ（約2.54mm）半径方向に変位している。従って、参照番号７２で示す方向に駆動軸２４を１８０°回転させると、ボールベアリング６２およびピストン５６が図２の位置から上方に移動される。駆動軸２４を１８０°を超えて回転させると、ベアリング６０は下方に移動し始める。このように、ピストン５６の作用端５８は、駆動軸２４の回転方向および回転度合いに従って、ダイアフラム２２を押圧しまたは押圧力を低下させる。カム面３０の回転により、ダイアフラム２２を最大撓み量で移動させるのに必要なことは駆動軸２４を１８０°回転させることだけであることは、当業者には明らかであろう。ダイアフラム２２の応力を最小にするには、ピストンの作用面５８は、0.984 インチ（約25mm）の曲率半径をもつ球形であるのが好ましい。上記開示に従って構成された本発明の実施形態を使った試験では、カム面３０の約１３０μｍに亘るリニア変位により、弁１６がリニア態様で実質的に開閉することが実証されている。上記本発明はモータの基準ステップ当たり約1.3 μｍの分解能（resolution) を有することを考慮すると、弁１６を制御するとき高い精度が得られる。コンピュータ制御の下で予測できかつ反復できる態様で、弁１６の作動を全体的に自動化するように本発明の原理に従がう弁１６を操作することが可能であることがわかる。弁内の圧力およびダイアフラム２２内のばね荷重がトランスミッション１４に予荷重を付与するため、本発明の精度および反復可能性が維持される。
【００１３】
図３には別の実施形態によるトランスミッション１４′が示されている。この実施形態では、調節カム８２を受け入れるための半径方向を向いた孔８０がアダプタ４０′に設けられている。調節カム８２は、溝付き頭部８４と、偏心した長手方向シャンク８６とを有している。シャンク８６は、トランスミッションハウジング１４′のボア８８内に受け入れられるように構成されている。また、トランスミッションハウジングの外面４７′は、アダプタの接触内面と同様に、滑らかでかつねじが形成されていない。この変形例の構造の目的は、ロータリエンコーダ２７からの割出しパルスを、弁１６を通る所定のガス流量と相関付けることである。これを行なうため、２つの主要な段階がある。第１に、カム面３０上の高点をエンコーダ割出しパルスと相関付ける必要がある。カム面上の高点は、弁ダイアフラム２２を最小流量位置に押圧するカム面上の点として定められる。第２に、エンコーダ２７とカム２８との間の既知の相対位置にある弁を介して所望の流量が達成されるように、トランスミッション１４をアダプタ４０′に対して位置決めしなければならない。
【００１４】
第１段階は、外部の加工基準面に対してカムを割り出すためにカム面３０に垂直な機械加工表面９０を、カム２８に位置決めすることにより達成される。このようにして、カム面上の高点は、同じ加工基準面上の外界に対して既知の角度位置に位置決めされる。次に、モータ１２およびエンコーダ２７が（ロータリエンコーダ２７の割出しパルスにより求められる）割出し位置まで電子的に駆動される。次に、モータ１２およびエンコーダ２７がカムの加工基準面に対して角度方向（回転方向）に配向される。この操作の結果は、カム面上の高点およびエンコーダ割出しパルスが、これらの間に既知角度方向の配きをもつようになることである。最後に、カムは、その角度位置を変えることなくモータ軸に接合される。第２段階は、アダプタ４０′に対するトランスミッション１４′の長手方向位置を、弁に固定することにより達成される。これは、トランスミッション上で（モータが取付けられている）アダプタを摺動させることにより行なわれる。かくして、カム／モータ組立体は、カム面３０の高点がボールベアリング６２の中心線と同軸になるように角度的に配向される。次に、調節カム８２がアダプタの孔８０に挿入されかつトランスミッション取付け孔９２内に支承される。スロット付きヘッド８４を時計回り方向または反時計回り方向に回転させることにより、モータ／カム組立体が弁２２およびトランスミッション１４′に対して並進される。カム面３０がボール６２と接触しているとき、調節カムを回転させると、弁２２が開かれまたは閉じられる。次に、弁が、ガス流量計に連結されたガス源に取り付けられ、所望の流量が得られるまで調節カムが回転される。カムの高点は既にボール６２と接触しているため、この流量は弁が達成できる最小流量である。ひとたび所定位置に設定されると、アダプタ４０とトランスミッション１４の外面４７との間の嫌気性接着剤がこの調節位置を永久的に固定する。モータ１２（従って、カム２８）を時計回り方向または反時計回り方向に回転させると、ボール６２がカム面３０の高点から移動するため、弁２２が開かれる。
【００１５】
当業者ならば、好ましい実施形態に関して上述した原理を利用して、他の実施形態を考えることができるであろう。例えば、好ましい実施形態はカムの回転軸線２６に対してほぼ垂直（垂直から1.5 °だけオフセットしている）なカム面を開示しているが、当業者ならば、モータ１２および駆動軸の軸線を図２の平面内に（または該平面から）９０°回転させることにより、カム面がカム回転軸線２６に対してほぼ平行になる構成を考えることができよう。従って、本発明の範囲は上記開示に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ限定すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の環境図である。
【図２】図１に示す好ましい実施形態の作動部品を示す拡大部分側面図である。
【図３】本発明のトランスミッションハウジングの別の実施形態を示す拡大部分側面図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。
【図５】別の好ましい実施形態を示す分解側面図である。
【図６】本発明のカムを示す拡大側面図である。
【符号の説明】
１０ カム作動弁
１２ ステッパモータ
１４ トランスミッション
１６ ダイアフラム型低流量・高精度弁
２２ ダイアフラム
２４ モータ駆動軸
２６ 駆動軸線（カム回転軸線）
２８ キャップ
３０ カム面
６２ ボールベアリング（ボール）

Claims (9)

1. 垂直な弁作動軸線を構成する弁作動面を備えたリニア作動弁と、カム回転軸線を形成しかつ前記弁作動面を押圧するように位置決めされた平らなカム面を有する回転可能なカムと、を備え、
   前記カム回転軸線が、前記弁作動軸線に平行であり、更に、
   前記カムを前記カム回転軸線の回りで３６０°より小さい角度で回転させる回転手段を備え、
   前記平らなカム面が前記カム回転軸線に対する垂線から所定角度だけ傾斜しており、前記平らなカム面は、上端と下端の距離が約１３０μｍであり、
   前記回転手段は、ステッパモータであり、さらに、
   前記平らなカム面と前記弁作動面との間に介在されたトランスミッションを有し、
   該トランスミッションは、前記平らなカム面と接触しているベアリングを有し、
   該ベアリングは往復運動可能なピストン内に受け入れられ、
   該ピストンは、前記弁作動面と接触しているピストンの作用面を位置決めするガイド手段を備えている、
   ことを特徴とするカム作動弁。
2. 前記平らなカム面が前記カム回転軸線に対する垂線から約1.5 °だけ傾斜している、
   請求項１に記載のカム作動弁。
3. 前記弁作動軸線およびカム回転軸線が互いに平行でかつオフセットしている、
   請求項１または２に記載のカム作動弁。
4. 前記ベアリングはボールベアリングであり、
   前記ピストンおよびボールベアリングが、前記弁作動軸線と一致する作用軸線を形成している、
   請求項３に記載のカム作動弁。
5. 前記作用面は球面の一部である、
   請求項１に記載のカム作動弁。
6. 前記回転手段は、電子エンコーディングステッパモータである、
   請求項１に記載のカム作動弁。
7. 前記回転手段に対してトランスミッションの長手方向位置を調節する長手方向調節手段を有する、
   請求項６に記載のカム作動弁。
8. 垂直な弁作動軸線を形成する弁作動面を備えたリニア作動弁と、
   前記弁作動軸線に対して平行でかつ弁作動軸線からオフセットしているカム回転軸線を形成する回転可能なカムとを有し、
   該カムは前記カム回転軸線に対して垂直なカム面を備え、該カム面は、これと弁作動面との間に介在されたトランスミッションを介して前記弁作動面を押圧するように位置決めされ、
   カムをカム回転軸線の回りで３６０°より小さい角度で回転させる回転手段を更に有し、
   前記カム面はカム軸線に対する垂線から約1.5 °だけオフセットされており、該カム面は、上端と下端の距離が約１３０μｍであり、
   前記回転手段は、電子エンコーディングステッパモータであり、
   前記トランスミッションはカム面と接触しているボールベアリングを有し、該ボールベアリングは往復運動可能なピストン内に受け入れられ、該ピストンは、弁作動面と接触しているピストンの湾曲作用面を位置決めするガイド手段を備えている、
   ことを特徴とするカム作動弁。
9. 前記回転手段に対してトランスミッションの長手方向位置を調節する長手方向調節手段を有する、
   請求項８に記載のカム作動弁。

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