JP4217965B2

JP4217965B2 - 真空調圧用バルブ

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Publication number: JP4217965B2
Application number: JP2003310608A
Authority: JP
Inventors: 昌生梶谷
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: US7011295B2; JP2005076830A; US20050092960A1

Description

本発明は、理化学機械等において化学反応用の真空チャンバの減圧などに使用する真空調圧用バルブに関するものである。

例えば半導体の製造装置においては、エッチングなどの化学処理が真空チャンバ内で行われるが、このとき真空チャンバの減圧には真空ポンプが使用され、これらの真空ポンプと真空チャンバとを結ぶ外部流路の開閉に調圧用バルブが用いられている。

この種の調圧用バルブは、例えば特許文献１に記載されているように、弁孔を有するハウジングと、該ハウジングの一端にバルブの軸線方向に開口する第１ポートと、該ハウジングの側面にこの第１ポートとは９０度異なる向きに開口する第２ポートと、これらのポートを結ぶ内部流路中に設けられた弁座と、該弁座を開閉するディスク形の弁部材と、この弁部材を開閉操作する操作機構と、この操作機構と上記弁部材とを相互に連結する弁シャフトと、上記弁部材の背後において該弁シャフトの回りを気密に取り囲む伸縮自在のベローズとを有している。そして、上記２つのポートの一方を真空チャンバに接続し、他方を真空ポンプに接続して使用される。

上記従来のバルブは、通常、図５に点線で示すような流量特性を有していて、開弁後の排気流量の立ち上がりが早い。これは、ハウジングの内径に比べて上記弁部材が比較的小径であることや、上記ベローズとハウジング内壁面との間の空隙が広いことなどから、開弁と共に流体が、上記弁部材の周囲や、ベローズ外周とバルブハウジング内壁面との間の空隙部分等を通って排出されるためであると考えられる。しかし、真空チャンバ内の流体を急激に排気すると、該真空チャンバ内や流路内にあるパーティクルの巻き上げが発生し易いとか、真空度の制御が行いにくいといったような問題があるため、流量の立ち上がりが緩やかで精密な流量制御を行うことができるバルブが要求されるケースは多い。

このような流量の立ち上がりが緩やかなバルブを得るには、例えば上記ベローズを大径化してハウジング内壁面との間の空隙を狭くすれば良いように思われるが、該ベローズは弁部材の開閉と共に伸縮し、その伸縮時には振動を伴うため、ハウジング内壁面に接触して摩耗したり発塵したりするおそれがある。従って、このベローズ外周面とハウジング内壁面との間には十分大きな空隙を確保しておく必要がある。

一方、特許文献２には、ベローズの回りを取り囲む円筒状の部材（付着防止板）を弁部材に取り付けたバルブが記載されている。このバルブは、ハウジングの軸線方向に開口する第１ポートを真空ポンプに、ハウジングの側面に開口する第２ポートを真空チャンバに接続して使用するタイプのもので、減圧時に、真空チャンバ内に発生した反応生成物が第２ポートから吸引され、ベローズの外面に衝突して付着するのを上記付着防止板で防止しようとするものである。従って上記付着防止板は、付着防止効果を高める必要からハウジングの内壁面よりはベローズ側に近接させて設けられており、このため、この付着防止板とハウジング内壁面との間の空隙は大きく、減圧時に流体がこの空隙内に回り込むのを十分に防止し得るだけの機能は備えていない。しかも、このバルブにおいては、上記ベローズ及び付着防止板が収容されている弁孔の内径は一定ではなく、その端部が小径化しているため、上記付着防止板の先端が開弁ストローク端でこの小径部分にぶつからないようにしなければならず、このため上記付着防止板は、ハウジング内壁面から十分に離して設ける必要があった。
特開平８−１７８１２６号公報特開平９−１３３２３８号公報

本発明の技術的課題は、弁部材が弁座を開放したときの流体流量の立ち上がりが緩やかで精密な流量制御が可能な真空調圧用バルブを提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の真空調圧用バルブは、軸線方向に延びる円形の弁孔を有するバルブハウジングと、このバルブハウジングの一端に軸線方向に設けられて第１開口により上記弁孔に連通する第１ポートと、上記バルブハウジングの側面に軸線と直交する方向に設けられて第２開口により上記弁孔に連通する第２ポートと、上記第１開口の回りに設けられた弁座と、この弁座を開閉する円盤形の弁部材と、この弁部材の背面から弁孔内を軸線方向に延びる弁シャフトと、この弁シャフトを介して上記弁部材を開閉操作する開閉操作部と、上記弁孔内において該弁シャフトの回りを気密に取り囲む伸縮自在のベローズと、上記弁部材の背後にこのベローズの外周を取り囲むように配設されて該弁部材と一緒に変位する円筒形のブラインドとを有し、上記弁孔は、少なくとも弁部材が閉弁位置からストッパにより決まる最大開放位置に至る間に弁部材及びブラインドが移動する範囲にわたって一定の孔径を有しており、上記ブラインドは、全長にわたって一定の直径を有していて、基端部が上記弁部材に取り付けられ、先端部は自由端となっており、また、このブラインドの軸方向長さは、上記弁部材の閉弁時に上記第２開口全体を覆い隠し得る長さであり、更に、上記ブラインドの外周面と上記弁孔の内周面との隙間が、これら両面が相互に非接触の状態を保ち得る範囲内でこの隙間を通じてのベローズ外周部への流体の回り込みを防止可能な程度に可及的に小さく形成され、また、上記ブラインドの内周面と上記ベローズの外周面との間の間隔が上記隙間よりも大きく形成されており、上記ブラインドが、その基端部に内周側に張り出す円環状の取付部を有し、この取付部を上記弁部材の背面に固定することにより、該弁部材に取り付けられており、円盤形をした上記弁部材の外径が、上記ブラインドの外径と等しいことを特徴とするものである。

上記構成を有する調圧用バルブは、上記開閉操作部により弁シャフトを駆動し、上記弁部材を変位させて弁座を開放することにより真空チャンバを減圧する。このとき、開弁と共に一方のポートから流体が弁孔内に流入し、開放した弁座を通って他方のポートから流出するが、上記弁部材の背後には、ベローズを取り囲む円筒状のブラインドが、上記弁孔の内周面に近接させて取り付けられているため、このブラインドによってベローズ外周部への流体の回り込みが規制され、それによって流体流量も規制されることになる。このため、弁開度の増大に伴って大量の流体がベローズの外周を迂回して急激に弁座から流出するといったようなことがなく、流体流量の立ち上がりが緩やかになると共に、精密な流量制御が可能になる。また、上記ブラインドの内周面と上記ベローズの外周面との間の間隔を上記隙間よりも大きく形成しているため、該ベローズが伸縮時に若干振動しても、ブラインドの内面に接触するおそれはない。

本発明において好ましくは、上記第１ポートを真空チャンバに接続し、第２ポートを真空ポンプに接続することである。このように接続して使用することにより、上記ブラインドによる流体の回り込み防止効果がより顕著になる。

また、本発明においては、上記ブラインドが、外周の一部に軸線方向に延びる切れ目を有していても良い。

本発明によれば、弁部材の背後に、ベローズを取り囲む円筒状のブラインドを、弁孔の内周面に近接させて取り付けるという簡単な構成により、ベローズ外周部への流体の回り込みが規制されて流体流量が規制されるため、弁開度の増大に伴って大量の流体がベローズの外周を迂回して急激に弁座から流出するのが防止され、流体流量の立ち上がりが緩やかになると共に、精密な流量制御が可能になる。
また、上記ブラインドの内周面と上記ベローズの外周面との間の間隔を上記隙間よりも大きく形成したことにより、該ベローズが伸縮時に若干振動しても、ブラインドの内面に接触するのを確実に防止することができる。

図１から図３は、本発明に係る真空調圧用バルブの好ましい代表的な一実施形態を示すものである。このバルブは、弁部材１５で流体流路を開閉するように構成された弁主体部１と、上記弁部材１５を開閉操作するための開閉操作部２とを備えている。

上記弁主体部１は、実質的に円柱状又は四角柱状に形成されたバルブハウジング１０を有している。このバルブハウジング１０は、該バルブハウジング１０の内部を軸線Ｌ方向に延びる円形の弁孔１１と、該バルブハウジング１の第１端１０ａ側に上記軸線Ｌに沿うように設けられた真空チャンバ接続用の第１ポート１２と、上記バルブハウジング１０の側面に上記軸線Ｌと直交する方向に設けられた真空ポンプ接続用の第２ポート１３と、上記弁孔１１内において上記両ポートを結ぶ流路中に設けられた弁座１４とを備えている。上記弁孔１１は、少なくとも弁部材１５が閉弁位置から後記ストッパにより決まる最大開放位置に至る間に弁部材１５及びブラインド２２が移動する範囲にわたり一定の孔径を有すると共に、その内壁面が凹凸のない滑らかな面に形成されている。また、上記第１ポート１２は、該第１ポート１２の基端側の大径化された円形の第１開口１２ａを通じて上記弁孔１１と連通し、一方の第２ポート１３は、該第２ポート１３の基端側に設けられた円形の第２開口１３ａにより上記弁孔１１と連通している。そして、上記弁座１４は、上記第１開口１２ａの回りを取り囲むように形成されている。

上記バルブハウジング１０の内部には、上記弁座１４を開閉するポペット式の上記弁部材１５が、上記弁座１４と同軸状に設けられている。この弁部材１５は、全体として円盤状をしていて、その前面の外周端寄りの位置に、上記弁座１４に接離する円環状をしたゴム製の弁シール部材１６が取り付けられている。また、この弁部材１５の前面の該弁シール部材１６の内側には、上記第１ポート１２の第１開口１２ａ内に嵌入する凸部１５ａが一体に設けられ、弁部材１５の開度が小さい段階における流体の流量の制御性を高めるようにしている。

なお、上記凸部１５ａには、図１において破線で示すように、次第に先細り状をした流量調整用の円形のノーズ１５ｂを設けても良く、これにより、弁部材１５の開放時に該ノーズ１５ｂによって弁開度を徐々に増大させることができるため、流体の初期流量を一層制御し易くなる。

上記弁部材１５の背面中央部には、弁シャフト１７の基端部が取り付けられている。この弁シャフト１７は、バルブハウジング１０の内部を上記軸線Ｌに沿って延び、その先端部は、弁主体部１と開閉操作部２とを区画する隔壁３１を貫通して該開閉操作部２の内部に延出し、ピストン３２に連結されている。

上記弁シャフト１７の基端部寄りの周囲には、弁部材１５の最大開放位置を規定するための円筒形をしたストッパ１８が取り付けられている。このストッパ１８は、上記弁部材１５の背面から弁シャフト１７に沿って一定長さ延びていて、上記弁部材１５の最大開放位置でその先端が上記隔壁３１の当接部３１ａに当たるようになっている。さらに、上記弁部材１５の背面にはばね座１５ｃが設けられ、このばね座１５ｃと上記隔壁３１との間に、上記弁部材１５を閉鎖方向に弾発するコイル状の復帰ばね１９が設けられている。

また、上記弁部材１５の背面には、上記弁孔１１内おいて弁シャフト１７とストッパ１８及び復帰ばね１９の回りを気密に取り囲む伸縮自在のベローズ２０が設けられている。このベローズ２０は、金属等の気密性素材で形成されていて、その一端が上記弁部材１５の背面に取り付けられ、他端は、バルブハウジング１０の端部と上記隔壁３１との間に設けられた支持プレート２１に取り付けられ、上記弁部材１５の開閉に伴って伸縮する。

さらに、上記弁部材１５の背面側には、上記ベローズ２０の外周を取り囲む円筒形のブラインド２２が取り付けられ、弁部材１５の開閉時にこのブラインド２２が該弁部材１５と一緒に変位するようになっている。このブラインド２２は、図４に示すように、ステンレスなどの耐食性を有する金属板を円筒状に丸めて形成したもので、その基端部には、内周側に張り出す円環状の取付部２３を有し、この取付部２３を、該取付部２３に設けた複数の取付穴２３ａを用いて上記弁部材１５にねじ２４で固定することにより、該弁部材１５の背面に取り付けられ、その先端２２ａは自由端となっている。図示した例では、上記ブラインド２２の外周の一部に軸線方向に延びる切れ目２５が設けられているが、この切れ目２５は必ずしも設ける必要はなく、省略することができる。

上記ブラインド２２は、全長にわたって実質的に一定の直径を有しており、また、その軸方向長さは、上記弁部材１５の閉弁時に、該ブラインド２２の先端２２ａが上記第２開口１３ａの外側に位置することによって該第２開口１３ａ全体を覆い隠し得る長さに形成されている。更に、該ブラインド２２は、上記弁孔１１の内周面に近接させて設置することにより、該ブラインド２２の外周面と上記弁孔１１の内周面との間の隙間Ｗ１を、これらブラインド外周面と弁孔内周面とが相互に非接触の状態を保ち得る範囲内で、この隙間Ｗ１を通じての上記ベローズ２０の外周部への流体の回り込みを防止できる程度に可及的に小さく形成している。

なお、上記弁部材１５の直径は、ブラインド２２の直径と必ずしも同じである必要はなく、該ブラインド２２より僅かに小さくても良いが、該ブラインド２２の直径と等しく形成することが望ましい。このように弁部材１５をブラインド２２と同じ大きさに形成すると、該弁部材１５の外周面と弁孔１１の内周面との間の隙間も、上記ブライド２２の外周面と弁孔１１の内周面との間も隙間Ｗ１と同じ大きさとなるため、これらの弁部材１５とブラインド２２との協同作用によってベローズ外周部への流体の回り込みをより効果的に防止することができる。

一方で、上記ブラインド２２の内周面と上記ベローズの外周面との間の間隔Ｗ２は、上記隙間Ｗ１よりも大きく形成され、上記弁部材１５の開閉に伴うベローズ２０の伸縮時に該ベローズ２０が若干振動しても、該ベローズ２０がブラインド２２の内面に接触しないように構成されている。

上記開閉操作部２は、流体圧シリンダとしての構成を有するもので、上記バルブハウジング１０の第２端１０ｂ側に同軸状に結合されたシリンダハウジング３０を有している。このシリンダハウジング３０は、上記バルブハウジング１０と同じ円柱状又は四角柱状をしていて、軸線方向の一端側にこのバルブハウジング１０との間を区画する上記隔壁３１を有すると共に、内部にシリンダ孔３３を有し、このシリンダ孔３３の内部に上記ピストン３２が、シール部材３４とウ流体リング３５とを介して摺動自在に収容されている。そして、上述したように弁シャフト１７が上記隔壁３１を摺動自在に貫通してシリンダ孔３３内に延出し、その先端部が上記ピストン３２に連結されている。

また、上記ピストン３２の一側には、該ピストン３２と上記隔壁３１とで区画された圧力室３６が形成され、この圧力室３６がシリンダハウジング３０の側面に開口する操作ポート３７に接続されている。一方、上記ピストン３２の他端側には、シリンダハウジング３０に取り付けられた蓋板３８と該ピストン３２で区画された呼吸室３９が形成され、この呼吸室３９は、上記蓋板３７又はシリンダハウジング３０に形成された呼吸孔３９ａを通じて外部に開放している。

したがって、図１に示すように、上記操作ポート３７を通じて圧力室３６を外部に開放すると、復帰ばね１９の力で上記弁部材１５が前進させられ、弁シール部材１６が弁座１４に当接して該弁座１４が閉鎖される。この状態においては、上記第１及び第２ポート１２，１３と接続された真空チャンバ及び真空ポンプは互いに遮断されている。

また、図３に示すように、上記操作ポート３７から圧力室３６に流体等の圧力流体を供給すると、上記ピストン３２が後退し、弁シャフト１７を介して上記弁部材１５を後退させるため、該弁部材１５の弁シール部材１６が弁座１４から離れてこの弁座１４を開放する。そして、上記弁部材１５は、ストッパ１８が隔壁３１の当接部３１ａに当接する位置で停止する。

上記構成を有する真空調圧用バルブで真空チャンバの減圧を行うときは、上記ピストン３２により弁シャフト１７を駆動し、弁部材１５を後退させて弁座１４を開放する。これにより、真空チャンバからのエアなどの流体が第１ポート１２から開放した上記弁座１４を通して弁孔１１内に流入し、第２ポート１３から真空ポンプに向けて流出する。このときの流体流量は、弁座１４の開度が増大するにつれて増大し、図５に実線で示す特性曲線のようになる。これによると、ブラインド２２を持たない従来のバルブの流量特性（点線）に比べて流量の立ち上がりが緩やかである。

このように流量の立ち上がりが緩やかになるのは、上記弁部材１５の背後に、ベローズ２０を取り囲む円筒状の上記ブラインド２２が、弁孔１１の内周面に近接させて取り付けられていることによるものであると考えられる。即ち、第１ポート１２から弁座１４を通して弁孔１１内に流入した流体は、上記ブラインド２２によってベローズ２０外周部への回り込みが防止され、それによって流体流量が規制されるため、公知のバルブのように弁開度の増大と共に大量の流体がベローズ２０の外周を迂回して急激に弁座から流出するといったようなことがなく、この結果、上述したように流体流量の立ち上がりが緩やかになると推測される。そして、このように流体流量の立ち上がりが緩やかになることにより、精密な流量制御が可能になる。しかも、上記ブラインド２２によってベローズ２０外周部への流体の回り込みが防止される結果、第１ポート１２から第２ポート１３に向かう流体の流れは安定し、乱流が生じにくくなる。従って上記ブラインド２２は、一種の整流機能をも有するものである。

更に、上述したようにベローズ外周部への流体の回り込みが防止される結果、真空チャンバ内に発生した反応生成物が弁孔１１内に吸引されても、それがベローズ２０の外面に付着して該ベローズ２０を劣化させるといった不都合も防止される。

また、上記弁部材１５の開閉と共に上記ベローズ２０が伸縮し、その時該ベローズ２０は若干の振動を伴うこともあるが、上記ブラインド２２によって流体の流れが整流化されているため、この流れがベローズ２０に作用して振動を助長するようなことがなく、従って、たとえベローズ２０が振動したとしてもその振動幅は非常に小さい。しかも、上記ブラインド２２の内周面と上記ベローズ２０の外周面との間の間隔Ｗ２が上記隙間Ｗ１よりも大きく形成されているため、該ベローズ２０が振動してもブラインド２２の内面に接触するおそれがなく、摩耗や発塵も防止される。

なお、上記実施例では、第１ポート１２を真空チャンバに接続し、第２ポート１３を真空ポンプに接続しているが、その逆に、第１ポート１２を真空ポンプに接続し、第２ポート１３を真空チャンバに接続しても、同様の効果が得られる。
また、開閉操作部２が流体圧シリンダとしての構成を備えているが、この開閉操作部２は、電動モーターで上記弁シャフト１７を駆動して弁部材１５を開閉する方式のものであっても良い。

本発明に係る調圧用バルブの閉弁状態での断面図である。上記調圧用バルブの開弁状態及び閉弁状態を示す側面図である。本発明に係る調圧用バルブの開弁状態での断面図である。本発明の整流用ブラインドを示す斜視図である。本発明のバルブと従来のバルブとの流量特性を比較した図である。ただし、破線は従来のバルブを、実線は本発明のバルブの特性を示す。

符号の説明

２開閉操作部
１０バルブハウジング
１１弁孔
１２第１ポート
１２ａ第１開口
１３第２ポート
１４弁座
１５弁部材
１７弁シャフト
２０ベローズ
２２整流用ブラインド
２２ａ先端
２３取付部
２５切れ目
Ｌ軸線
Ｗ１隙間
Ｗ２間隔

Claims

軸線方向に延びる円形の弁孔を有するバルブハウジングと、このバルブハウジングの一端に軸線方向に設けられて第１開口により上記弁孔に連通する第１ポートと、上記バルブハウジングの側面に軸線と直交する方向に設けられて第２開口により上記弁孔に連通する第２ポートと、上記第１開口の回りに設けられた弁座と、この弁座を開閉する円盤形の弁部材と、この弁部材の背面から弁孔内を軸線方向に延びる弁シャフトと、この弁シャフトを介して上記弁部材を開閉操作する開閉操作部と、上記弁孔内において該弁シャフトの回りを気密に取り囲む伸縮自在のベローズと、上記弁部材の背後にこのベローズの外周を取り囲むように配設されて該弁部材と一緒に変位する円筒形のブラインドとを有し、
上記弁孔は、少なくとも弁部材が閉弁位置からストッパにより決まる最大開放位置に至る間に弁部材及びブラインドが移動する範囲にわたって一定の孔径を有しており、
上記ブラインドは、全長にわたって一定の直径を有していて、基端部が上記弁部材に取り付けられ、先端部は自由端となっており、また、このブラインドの軸方向長さは、上記弁部材の閉弁時に上記第２開口全体を覆い隠し得る長さであり、
更に、上記ブラインドの外周面と上記弁孔の内周面との隙間が、これら両面が相互に非接触の状態を保ち得る範囲内でこの隙間を通じてのベローズ外周部への流体の回り込みを防止可能な程度に可及的に小さく形成され、また、上記ブラインドの内周面と上記ベローズの外周面との間の間隔が上記隙間よりも大きく形成されており、
上記ブラインドが、その基端部に内周側に張り出す円環状の取付部を有し、この取付部を上記弁部材の背面に固定することにより、該弁部材に取り付けられており、
円盤形をした上記弁部材の外径が、上記ブラインドの外径と等しい、
ことを特徴とする真空調圧用バルブ。
上記第１ポートが真空チャンバに接続され、第２ポートが真空ポンプに接続されることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
上記ブラインドが、外周の一部に軸線方向に延びる切れ目を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブ。