JP4597912B2 - 薬液弁 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工程等で使用される樹脂製の薬液弁に関し、さらに詳細には、薬液弁の外部漏れを防止するためのシール構造に関する発明である。

半導体製造工程においては、腐食性の高い薬液等が使用されている。薬液の供給を制御するための薬液弁は、腐食性の高い薬液に対応するため、フッ素樹脂等の樹脂で形成されている。また、薬液と弁操作機構とを遮断するため、樹脂製のダイアフラム弁体が多く使用されている。
ダイアフラム弁体を挟んで保持する弁本体と弁上体とを樹脂製とした場合、樹脂同士をシールこととなるが、クリープや温度変化による寸法変化により、シール力が低下する問題があり、確実なシール力が確保できない問題があった。
その問題を解決するために、特許文献１に従来技術として記載の発明では、ダイアフラム弁体の下面に環状凸部を形成し、その環状凸部を挿入するための挿入溝を、樹脂製弁本体上面に形成している。そして、ダイアフラム弁体の環状凸部の幅を、弁本体の挿入溝の幅より大きくすることにより、環状凸部を挿入溝に挿入するときに、圧入状態となるようにしている。
また、特許文献２に記載の発明では、ダイアフラム弁体と弁本体とを溶着することにより、シールを行っている。

特開2003-247650号公報 図９ 特開2005-163877号公報

しかしながら、従来技術には以下のような問題があった。
（１）半導体製造工程において、半導体の集積度の高まりと共に、より危険性の高いふっ酸等の高浸透性の薬液が使用されるようになったため、従来以上のシール力の安定性が要求されている。
特許文献１に記載された発明では、シール力を上げるためには、圧入代を増加させなければならない。しかし、圧入代を増加させると挿入が難しくなる問題があり、さらに、圧入代を増加させて無理に挿入すると、ダイアフラム周縁突出部が折れ曲がり座屈する場合があった。
また、高温の薬液を制御するときに、弁本体と弁上体のクリープ現象により、シール力の低下が発生するため、今後開発が進むと思われる薬液の高温化、高浸透化に対応することができなくなる可能性があった。

（２）上記の問題を解決する手段として、特許文献２に記載された発明は、有効である。しかし、特許文献２に記載された発明では、溶着に適した材料が限定されていること、局所的に加熱できる構造を必要とすること、温度管理・部品管理等の工程管理が困難なことにより、製造コストが上昇する問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、コストアップすることなく、シール性能を向上させることのできる薬液弁を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明の薬液弁は、次のような構成を有している。
（１）弁座が形成された樹脂製弁本体と、ダイアフラム弁体と、該樹脂製弁本体と共に該ダイアフラム弁体を挟んで保持する樹脂製上体とを有する薬液弁において、前記ダイアフラム弁体の挟み込まれる部分に、環状凸部が形成され、前記樹脂製弁本体が、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が挿入される挿入溝を形成する内側環状シール部と外側環状シール部を有し、前記内側環状シール部の内面に圧入部が形成され、前記挿入溝に前記環状凸部を挿入するときに、前記環状凸部が前記圧入部と当接して外向きに弾性変形し、前記環状凸部に押されて、前記外側環状シール部が外向きに弾性変形すること、前記外側環状シール部の外側に、前記樹脂製上体に押されて、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部を、前記内側環状シール部の前記圧入部に押圧する樹脂製弁本体傾斜部が形成されていること、を特徴とする。

（２）（１）に記載する薬液弁において、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が、前記内側環状シール部と当接し始めたときには、前記外側環状シール部の前記傾斜部が前記樹脂製上体と当接していないことを特徴する。
（３）弁座が形成された樹脂製弁本体と、ダイアフラム弁体と、該樹脂製弁本体と共に該ダイアフラム弁体を挟んで保持する樹脂製上体とを有する薬液弁において、前記ダイアフラム弁体の挟み込まれる部分に、環状凸部が形成され、前記樹脂製弁本体が、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が挿入される挿入溝を形成する内側環状シール部と外側環状シール部を有し、前記内側環状シール部の内面に圧入部が形成され、前記挿入溝に前記環状凸部を挿入するときに、前記環状凸部が前記圧入部と当接して外向きに弾性変形し、前記環状凸部に押されて、前記外側環状シール部が外向きに弾性変形すること、前記ダイアフラム弁体の、前記環状凸部の内周に、前記内側環状シール部を、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部側に押圧するダイアフラム傾斜部が形成されていることを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）の薬液弁のいずれか１つにおいて、前記ダイアフラム弁体と前記樹脂製弁本体とを締結する締結ネジの座面に弾性部材を装着するか、または、前記樹脂製弁本体と前記薬液弁が取り付けられる基板との間に弾性部材を装着することを特徴とする。

次に、上記構成を有する薬液弁の作用・効果について説明する。
ダイアフラム弁体に形成された環状凸部を、樹脂製弁本体に形成された挿入溝に挿入するときに、内側環状シール部の圧入部に圧入しながら入るため、ダイアフラム弁体の環状凸部は外向きに弾性変形して外側環状シール部と当接し、外側環状シール部が環状凸部に押されて弾性変形する。挿入されたダイアフラム弁体の環状凸部の幅は、樹脂製弁本体に形成された挿入溝の幅より広いため、ダイアフラム弁体の環状凸部は、樹脂製弁本体の中で圧縮され、内側環状シール部に形成された圧入代に押圧するので、強いシール力を安定して得ることができる。
さらに、外側環状シール部の外側に樹脂製弁本体傾斜部が形成されており、樹脂製上体に形成された樹脂製上体傾斜部が、樹脂製弁本体傾斜部と当接して、外側環状シール部を内側方向に押圧するので、さらに強いシール力を安定して得ることができる。

さらに、ダイアフラム弁体の環状凸部が、内側環状シール部と当接し始めたときには、外側環状シール部の樹脂製弁本体傾斜部が樹脂製上体の樹脂製上体傾斜部と当接しておらず、環状凸部が挿入溝に所定の深さ入ったときに始めて、本体傾斜部が上体傾斜部と当接するので、当接するまでの間、内側への力は働かないため、環状凸部が内側環状シール部と強く当接せず、容易に挿入できる。そして、環状凸部が挿入溝に所定の深さ入った後、外側環状シール部の本体傾斜部が上体傾斜部と当接されるので、環状凸部が内側環状シール部に押圧され強いシール力を得ることができる。
さらに、ダイアフラム弁体の、環状凸部の内周に、内側環状シール部を、ダイアフラム弁体の環状凸部側に押圧するダイアフラム傾斜部形成されているので、内側環状シール部が内側に弾性変形することを防止できるため、強いシール力をより安定して得ることができる。

本発明の一実施の形態である薬液弁について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、薬液弁の断面図であり、図２は、図１の薬液弁の分解断面図である。図２に示すように、薬液弁は大きく、フッ素樹脂製の弁本体１２と、樹脂製の弁上体１１が締結ネジ１３により締結されて構成されている。
図３に図１の下面図を示す。４本の締結ネジ１３は、図面に示す位置で弁上体１１と弁本体１２とを締結している。
弁本体１２には、第１ポート４２、第２ポート４３、弁孔の外周に形成された弁座４１が形成されている。
弁上体１１は、シリンダ構造を備えている。樹脂製のシリンダ本体２１に、樹脂製の蓋部材２２が取り付けられてシリンダ室を構成している。シリンダ本体２１や蓋部材２２は、樹脂の中でも強度の高く温度特性に優れたＰＰＳ材等で構成される。シリンダ室は、ピストン２３により、上シリンダ室２６と下シリンダ室２７とに分割されている。ピストンは、シリンダ本体２１に摺動可能に保持されており、摺動部には、Ｏリング２９がシール部材として装着されている。

上シリンダ室２６には、上ポート２５が連通されている。下シリンダ室２７には、下ポート２８が連通されている。ピストンの下部には、フッ素樹脂製のダイアフラム弁体の本体部が固設されている。ダイアフラム弁体の外周部は、弁本体１２と、弁上体１１を構成するシリンダ本体２１とで挟んで保持されている。その構造については、後で説明する。ダイアフラム弁体の本体部は、弁座４１と当接または離間可能である。ピストン２３は、一端がピストン２３に当接し他端が蓋部材２２に当接して取り付けられている圧縮バネ２４により、ダイアフラム弁体３０が弁座４１に当接する方向に付勢されている。

このような構造の薬液弁では、薬液は通常、第１ポート４２から弁座４１の中心に形成されている弁孔を通って第２ポート４３へ流れるだけであり、ダイアフラム弁体３０がシールを行っているので、弁上体等に薬液が漏れることはない。
しかし、今後開発が進むと思われる薬液の高温化、高浸透化に対応することができなくなる可能性があり、外部シールに対する更なる安全性の確保が望まれている。本発明は、従来より強くかつ安定したシール力を発揮しえるシール構造を提供するものである。

次に、図１のＡ部の拡大断面図を図４に示す。図５、図６、図７に図４の組立工程図を示す。
ダイアフラム弁体３０が、弁本体１２と弁上体１１のシリンダ本体２１とで挟み込まれる部分に、下向きに凸で外周全周に渡って環形状の環状凸部３６が形成されている。環状凸部３６は、一定の厚みで構成され、先端内周部に挿入のためのガイドの役割をする面取りがなされている。
弁本体１２の上面には、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が挿入される挿入溝３３が形成されている。挿入溝３３は、上向きに凸で全周に渡って環形状の内側環状シール部３１と、同じく上向きに凸で全周に渡って環形状の外側環状シール部３２とで囲まれ形成されている。

内側環状シール部３１の内面には、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が押圧されてシールされる圧入部３４が形成されている。
外側環状シール部３２の外周面には、本体傾斜面３２ａが全周に渡って形成されている。
一方、シリンダ本体２１の下面には、下向きに凸で全周に渡って環形状の環状上体凸部２１ａが形成されている。環状上体凸部２１ａの内周面には、上体傾斜面２１ｂが形成されている。本体傾斜面３２ａと上体傾斜面２１ｂとは、反対向きのほぼ同じ傾斜角を備える傾斜であり、楔として機能する。

次に、図５、図６、図７を用いて、図２の状態から図１の状態へと組み立てる場合について説明する。
図５に示すように、分解された状態において、ダイアフラム弁体３０は、ピストン２３の下部に固設されており、ピストン２３が圧縮バネ２４により下向きに付勢されているので、ダイアフラム弁体３０は、シリンダ本体２１から所定距離だけ離れた位置にある。
次に、図６に示すように、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が、弁本体１２の挿入溝３３に挿入するように、弁上体１１を弁本体１２に対して押し付けて挿入する。外側環状シール部３２の高さは、内側環状シール部３１の高さの１．５倍程度高い。外側環状シール部の内径は、ダイアフラム弁体の外径と同じかまたは小さい。環状凸部３６は、挿入溝３３に挿入され始める前に、外側環状シール部３２の内面によりガイドされる。

挿入溝３３に環状凸部３６を挿入され始めるときには、図６に示すように、環状上体凸部２１ａの上体傾斜面２１ｂと外側環状シール部３２の本体傾斜面３２ａとの間には、所定の隙間が形成されている。そのため、環状凸部３６が圧入部３４と当接して外向きに弾性変形し、環状凸部３６に押されて外側環状シール部３２が外向きに弾性変形する。
挿入溝３３の幅は、環状凸部３６の幅より少し狭く形成されているが、上体傾斜面２１ｂと本体傾斜面３２ａとの間には隙間があるため、内側に押圧されることなく、容易に挿入することができる。

次に、環状凸部３６がさらに挿入溝３３に進入すると、図７に示すように、環状上体凸部２１ａの上体傾斜面２１ｂと外側環状シール部３２の本体傾斜面３２ａとが当接し始める。
これにより、環状凸部３６が挿入溝３３に挿入されつつ、弾性変形していた外側環状シール部３２が、上体傾斜面２１ｂにより本体傾斜面３２ａを介して内側に向かって戻されるので、環状凸部３６が内側環状シール部３１に強く押圧される。そして、図４に示すように、完全に挿入された段階では、環状凸部３６が内側環状シール部３１に強く押圧されるので、強くかつ安定したシール力を得ることができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態の薬液弁によれば、弁座４１が形成された樹脂製の弁本体１２と、ダイアフラム弁体３０と、弁本体１２と共にダイアフラム弁体３０を挟んで保持する樹脂製の弁上体１１とを有する薬液弁であって、ダイアフラム弁体３０の挟み込まれる部分に環状凸部３６が形成され、弁本体１２がダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が挿入される挿入溝３３を形成する内側環状シール部３１と外側環状シール部３２とを有し、内側環状シール部３１の内面に圧入部３４が形成され、挿入溝３３に環状凸部３６を挿入するときに環状凸部３６が圧入部３４と当接して外向きに弾性変形し、環状凸部３６に押されて外側環状シール部３２が外向きに弾性変形する。挿入初期には上体傾斜面２１ｂと本体傾斜面３２ａとが当接しないため、環状凸部３６を挿入溝３３に挿入しやすくできる。

さらに、外側環状シール部３２の外側に、弁上体１１のシリンダ本体２１に押されて、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６を、内側環状シール部３１の圧入部３４に押圧する本体傾斜面３２ａが形成されているので、外側環状シール部３２の弾性変形を戻すことにより、環状凸部３６を圧入部３４に対してより強く安定して押圧できるため、強く安定したシール力を得ることができる。
さらに、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が、内側環状シール部３１と当接し始めたときには、外側環状シール部３２の本体傾斜面３２ａが弁上体１１のシリンダ本体２１と当接していないので、環状凸部３６が挿入溝３３に所定の深さ入った後、外側環状シール部３２の本体傾斜面３２ａが上体傾斜面２１ｂと当接されるので、環状凸部３６が内側環状シール部３１に押圧され強いシール力を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態の薬液弁について説明する。第２の実施形態の薬液弁は、ほとんどの構成が第１の実施形態と同じであるので、異なる部分のみ説明して、同じ部分の説明を割愛する。
図１０に図４と対応した図面を示し、図８、図９に、図６、図７に対応した図面を示す。図１０において、内側環状シール部３１の先端内側に本体内側傾斜面３１ａが全周に渡って形成されている。また、ダイアフラム弁体３０の下面には、ダイアフラム傾斜面３５が形成されている。
図８及び図９に示すように、ダイアフラム傾斜面３５は、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６が挿入溝３３に入り切る寸前まで、本体内側傾斜面３１ａに当接しない。そして、図１０に示すように、ダイアフラム弁体３０が完全に保持される少し前に、ダイアフラム傾斜面３５が本体内側傾斜面３１ａに当接して、少し弾性変形している内側環状シール部３１を環状凸部３６に押し付ける方向に力を加える。これにより、強く安定したシール力を得ることができる。また、薬液弁に高温流体を流すときに、クリープや熱変形により内側環状シール部３１が変形するのを防止することができる。

以上説明したように、第２の実施の形態の薬液弁によれば、ダイアフラム弁体３０の、環状凸部３６の内周に、内側環状シール部３１を、ダイアフラム弁体３０の環状凸部３６側に押圧するダイアフラム傾斜面３５が形成されているので、内側環状シール部が内側に弾性変形することを防止できるため、強いシール力をより安定して得ることができる。

弁本体１２とダイアフラム弁体３０は、耐食性に優れたフッ素樹脂で構成されており、シリンダ本体２１と基板４４に挟まれ、ネジ１３により締結されている。温度が上がると、膨張することにより、シリンダ本体２１と基板４４に挟まれている弁本体１２とダイアフラム弁体３０の圧縮応力が高くなる。樹脂の特徴であるクリープ現象により、その圧縮応力を緩和すべく変形し、常温に戻ったときには、隙間が形成される。
この隙間により、ネジの締結力が弱まり、ダイアフラムの周縁部でのシール力が低下する。樹脂の中でも、フッ素樹脂はクリープ現象を起こしやすく、締結力の低下は顕著である。
その防止策として、図１１に示すように、締結ネジ１３に皿バネ座金５１を使用すると良い。皿バネ座金５１が、締結ネジ１３と弁本体１２・弁上体１１との間で発生する温度変化に伴う伸びの違いを吸収するからである。
皿バネ座金５１は、蓋部材２２とシリンダ本体２１とを締結する上締結ネジ５２に取り付けても良い。

また、図１２に示すように、弁本体１２と基板４４との間に波ワッシャを装着して締結ネジ１３で締結しても良い。
また、図１３に示すように、上締結ネジ５２のみとして、基板４４にインサート成形したナットに止める構造とし、弁本体１２と基板４４との間に圧縮バネを装着しても良い。

なお、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば、本実施の形態では、弁本体１２等の材質として、フッ素樹脂について説明したが、他の樹脂であっても同様である。

本発明の第１実施形態の薬液弁の構成を示す断面図である。 図１の薬液弁の分解図である。 図１の薬液弁の上面図である。 図１のＡ部拡大図である。 薬液弁組立工程を示す第１工程図である。 薬液弁組立工程を示す第２工程図である。 薬液弁組立工程を示す第３工程図である。 第２実施の形態の薬液弁組立工程を示す第１工程図である。 第２実施の形態の薬液弁組立工程を示す第２工程図である。 第２実施の形態の薬液弁組立工程を示す第３工程図である。 クリープ対策を示す第１実施例の部分断面図である。 クリープ対策を示す第２実施例の部分断面図である。 クリープ対策を示す第３実施例の部分断面図である。

符号の説明

１１ 弁上体
１２ 弁本体
２１ シリンダ本体
２１ａ 環状上体凸部
２１ｂ 上体傾斜面
３０ ダイアフラム弁体
３１ 内側環状シール部
３２ 外側環状シール部
３２ａ 本体傾斜面
３３ 挿入溝
３５ ダイアフラム傾斜面
３６ 環状凸部
４１ 弁座

Claims (4)

1. 弁座が形成された樹脂製弁本体と、ダイアフラム弁体と、該樹脂製弁本体と共に該ダイアフラム弁体を挟んで保持する樹脂製上体とを有する薬液弁において、
   前記ダイアフラム弁体の挟み込まれる部分に、環状凸部が形成され、
   前記樹脂製弁本体が、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が挿入される挿入溝を形成する内側環状シール部と外側環状シール部を有し、
   前記内側環状シール部の内面に圧入部が形成され、
   前記挿入溝に前記環状凸部を挿入するときに、前記環状凸部が前記圧入部と当接して外向きに弾性変形し、前記環状凸部に押されて、前記外側環状シール部が外向きに弾性変形すること、
   前記外側環状シール部の外側に、前記樹脂製上体に押されて、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部を、前記内側環状シール部の前記圧入部に押圧する樹脂製弁本体傾斜部が形成されていること、を特徴とする薬液弁。
2. 請求項１に記載する薬液弁において、
   前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が、前記内側環状シール部と当接し始めたときには、前記外側環状シール部の前記傾斜部が前記樹脂製上体と当接していないことを特徴とする薬液弁。
3. 弁座が形成された樹脂製弁本体と、ダイアフラム弁体と、該樹脂製弁本体と共に該ダイアフラム弁体を挟んで保持する樹脂製上体とを有する薬液弁において、
   前記ダイアフラム弁体の挟み込まれる部分に、環状凸部が形成され、
   前記樹脂製弁本体が、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部が挿入される挿入溝を形成する内側環状シール部と外側環状シール部を有し、
   前記内側環状シール部の内面に圧入部が形成され、
   前記挿入溝に前記環状凸部を挿入するときに、前記環状凸部が前記圧入部と当接して外向きに弾性変形し、前記環状凸部に押されて、前記外側環状シール部が外向きに弾性変形すること、
   前記ダイアフラム弁体の、前記環状凸部の内周に、前記内側環状シール部を、前記ダイアフラム弁体の前記環状凸部側に押圧するダイアフラム傾斜部が形成されていることを特徴とする薬液弁。
4. 請求項１乃至請求項３の薬液弁のいずれか１つにおいて、
   前記ダイアフラム弁体と前記樹脂製弁本体とを締結する締結ネジの座面に弾性部材を装着するか、または、前記樹脂製弁本体と前記薬液弁が取り付けられる基板との間に弾性部材を装着することを特徴とする薬液弁。

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