JP5096864B2

JP5096864B2 - 流体機器ユニット構造

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Publication number: JP5096864B2
Application number: JP2007265586A
Authority: JP
Inventors: 裕規五十嵐
Original assignee: Surpass Industry Co Ltd
Current assignee: Surpass Industry Co Ltd
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: KR20100080531A; US20100252134A1; EP2196711A4; EP2196711A1; JP2009092191A; KR101527392B1; US8707997B2; EP2196711B1; WO2009048020A1

Description

本発明は、バルブや圧力スイッチ等の流体機器類を一体化した流体機器ユニット構造に関する。

従来、薬品等の流体（薬液）を取り扱う装置においては、構成要素となる各種の流体機器類（バルブ類、レギュレータ、圧力センサ等の各種センサ類及び圧力スイッチ等の各種スイッチ類など）を配管で接続して一体化した流体機器ユニット構造（集積構造）とされる。このような流体機器ユニット構造においては、スラリ状の薬液供給を行う流体主流路と、流体主流路から分岐させたリターン流路とを備え、それぞれの流路にバルブを設けて流路を切り替える用途のものがある。
また、たとえば半導体製造装置のように複数の薬液用流体機器を使用する場合、配管を用いることなく薬液用流体機器どうしの連結を可能とする集積構造が提案されており、配管が不要になるため装置全体のコンパクト化が可能になるとされる。（たとえば、特許文献１参照）
特開２０００−１２０９０３号公報（図１参照）

ところで、流体主流路のバルブを開とし、かつ、リターン流路のバルブを閉として薬液（スラリ）供給を行う場合と、流体主流路のバルブを閉とし、かつ、リターン流路のバルブを開として薬液をリターンさせる場合との流路切替が可能な流体機器ユニット構造においては、薬液をリターンさせる場合に薬液滞留部の形成が問題となっている。すなわち、液体主流路に設けた全閉のバルブからリターン流路の分岐部までの間は、薬液の流れがほとんどない液溜まりを生じる薬液滞留部となるため、この薬液滞留部に滞留した薬液が凝固するという不具合が指摘されている。

たとえば半導体製造工程のウエハ研磨工程（ＣＭＰ工程）に用いられる二酸化シリコン分散水溶液（砥液）等のように、凝固しやすいスラリ状の薬液を取り扱う流体機器ユニット構造の場合、上述した薬液滞留部内で薬液が凝固すると、液体主流路を塞いで薬液供給ができなくなったり、流路断面積の減少により薬液供給量が減少するので、半導体製造工程に悪影響を及ぼすこととなる。このような背景から、液体主流路のバルブとリターン流路の分岐部との間に形成される薬液滞留部を最小限とし、薬液の凝固が生じにくい流体機器ユニット構造の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体主流路のバルブとリターン流路の分岐部との間に形成される薬液滞留部を最小限とし、薬液の凝固が生じにくい流体機器ユニット構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１は、流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材に集積して一体化され、前記ベース部材に形成された流体主流路及びリターン流路にそれぞれ流路切替用の第１バルブ及び第２バルブが設けられている流体機器ユニット構造において、お椀形状とした弁室の最も低い底面中心部分に前記流体主流路の鉛直流路部を開口させるとともに前記鉛直流路部の上端部に前記第１バルブを配置し、前記リターン流路が前記流体主流路から分岐する位置を前記鉛直流路部の前記第１バルブの上流側近傍とし、かつ、前記リターン流路が前記流体主流路から分岐する前記第１バルブの上流側近傍は、前記第１バルブがプラグ型の弁体を上下動させて前記流体主流路の上向き開口部分を開閉するタイプとされ、前記第１バルブの弁座となる前記ベース部材の肉厚に弁座剛性を確保した位置としたことを特徴とするものである。

このような本発明によれば、お椀形状とした弁室の最も低い底面中心部分に流体主流路の鉛直流路部を開口させるとともに鉛直流路部の上端部に前記第１バルブを配置し、リターン流路が流体主流路から分岐する位置を鉛直流路部の第１バルブの上流側近傍とし、かつ、リターン流路が流体主流路から分岐する第１バルブの上流側近傍は、第１バルブがプラグ型の弁体を上下動させて流体主流路の上向き開口部分を開閉するタイプとされ、第１バルブの弁座となるベース部材の肉厚に弁座剛性を確保した位置としたので、リターン流路の分岐部から第１バルブの上流側までの間に形成されて薬液等の液体が滞留する空間容積（薬液滞留部）を最小にすることができる。
また、弁体が弁座に押圧される全閉状態において、第１バルブに充分なシール性を確保しながら薬液滞留部を最小とすることができる。

上記の発明において、前記第２バルブは、ダイヤフラムに液体圧力を受けるとともに開閉操作機構によりプラグ型の弁体を上下動させて前記リターン流路を開閉し、前記弁体の先端部側径に対して根元側径を小さくしたものが好ましく、これにより、高背圧対応型の第２バルブとなる。すなわち、弁体の根元側径とともにダイヤフラム径を小さくすることにより、全閉時に弁体を開く方向（上向き）に作用する液体の圧力（背圧）を小さくすることができるので、弁体を閉じる方向に押圧する力の低減が可能となる。なお、この場合の開閉操作機構としては、空気圧による操作や電磁石による操作等がある。

上述した本発明の流体機器ユニット構造によれば、液体主流路のバルブとリターン流路の分岐部との間に形成される薬液滞留部を最小限とし、薬液の凝固が生じにくい流体機器ユニット構造の提供が可能になる。従って、取り扱う液体が凝固しやすいスラリ性の薬液等であっても、液体主流路を塞いで薬液供給ができなくなったり、あるいは、流路断面積の減少により薬液供給量が減少するようなこともないので、半導体製造工程の信頼性向上に大きな効果を奏する。

以下、本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図３に示す流体機器ユニット構造は、流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材１０に集積して一体化したものである。図示の構成例では、流体として薬液を流すことから、流体機器ユニットＦＵの主要部（接液部等）が耐薬品性のフッ素樹脂製とされる。そして、この流体機器ユニットＦＵは、流体機器類として二つの空気圧操作弁２０，４０を使用し、これらの流体機器類をベース部材１０に集積して一体化したものである。
以下の説明では、ベース部材１０に形成された流体主流路１１の空気圧操作弁を第１バルブ２０と呼び、同じくベース部材１０に形成されたリターン流路１２の空気圧操作弁を第２バルブ４０と呼ぶが、第１バルブ２０及び第２バルブ４０が空気圧操作弁に限定されることはない。なお、図中の符号１３はベース固定板である。

図３は、流体機器ユニットＦＵの流路（回路）構成例を示している。この流路構成例では、薬液供給源に連結される入口接続口１１ａから薬液供給先に連結される出口接続口１１ｂに至る流体主流路１１を形成し、この流体主流路１１の途中にノーマルクローズタイプの第１バルブ２０が設けられている。
リターン流路１２は、流体主流路１１の途中から分岐して設けられ、薬液を流体機器ユニットＦＵの外部（たとえば薬液供給源）へ戻すための流路である。このリターン流路１２は、分岐入口１２ａで液体主流路１１から分岐してリターン出口接続口１２ｂに至り、その途中にはノーマルオープンタイプの第２バルブ４０が設けられている。

上述した流体機器ユニットＦＵの流路構成において、第１バルブ２０を開とし、かつ、第２バルブ４０を閉とした状態では、薬液供給源から入口接続口１１ａに導入された薬液が流体主流路１１を通って出口接続口１１ｂから薬液供給先に流出する。このとき、リターン流路１２の第２バルブ４０が閉じているので、薬液の全量が薬液供給先へ流れてリターン出口接続口１２ｂ側から流出することはない。以下では、このようなバルブの開閉状態を選択して形成された流路を「薬液供給モード」と呼ぶことにする。
一方、第２バルブ４０を開とし、かつ、第１バルブ２０を閉とした状態では、薬液供給源から入口接続口１１ａに導入された薬液が流体主流路１１を通り、第１バルブ２０の上流側からリターン流路１２へ流入することにより、リターン出口接続口１２ｂから薬液供給源に戻される。このとき、流体主流路１１の第１バルブ２０が閉じているので、薬液の全量が薬液供給源へ流れて出口接続口１１ｂ側から流出することはない。以下では、このようなバルブの開閉状態を選択して形成された流路を「薬液リターンモード」と呼ぶことにする。

上述した流体主流路１１及びリターン流路１２は、たとえば図１に示すよう、ベース部材１０を貫通して設けられている。
流体主流路１１は、ベース部材１０の側面に設けられた入口接続口１１ａから水平流路部１１ｃが横向きに延び、さらに、水平流路部１１ｃの端部から鉛直流路部１１ｄが鉛直方向上向きに延びている。鉛直流路部１１ｄの上端部には、第１バルブ２０の弁体２１が配設されて上下方向に開閉動作する弁室２２を設けてある。この弁室２２は、底面に液溜まりを生じないようにするため、鉛直流路部１１が開口する底面中心部分を最も低くしたお椀形状とされる。

さらに、上述した流体主流路１１は、弁室２２から下向きに傾斜して設けられている傾斜流路部１１ｅを経て、出口接続口１１ｂが開口する水平流路部１１ｆに連通している。すなわち、流体主流路１１は、入口接続口１１ａから出口接続口１１ｂへ向けて連続する水平流路部１１ｃ、鉛直流路部１１ｄ、傾斜流路部１１ｅ及び水平流路部１１ｆにより構成され、その途中に設けられている第１バルブ２０の弁室２２を通るものとなる。換言すれば、流体主流路１１は、鉛直流路部１１ｄ及び傾斜流路部１１ｅの間に配設された第１バルブ２０を備えた流路となる。

リターン流路１２は、流体主流路１１を構成する鉛直流路部１１ｄと交差するように連通する傾斜流路部１２ｃを備えている。この傾斜流路部１２ｃは、鉛直流路部１１ｄに開口する分岐入口１２ａから斜め上向きに分岐する流路であり、第２バルブ４０の弁体４１が配設されて上下方向に開閉動作する弁室４２へ連通している。そして、弁室４２の下面中央には、鉛直方向下向きに鉛直流路部１２ｄが延び、さらに、その下端部から水平方向へ延びてリターン出口接続口１２ｂが開口する水平流路部１２ｅに連通している。すなわち、リターン流路１２は、分岐入口１２ａからリターン出口接続口１２ｂへ向けて連続する傾斜流路部１２ｃ、鉛直流路部１２ｄ及び水平流路部１２ｅにより構成され、その途中に設けられている第２バルブ４０の弁室４２を通るものとなる。換言すれば、リターン流路１２は、傾斜流路部１２ｃ及び鉛直流路部１２ｄの間に配設された第２バルブ４０を備えた流路となる。

このように、流体主流路１１及びリターン流路１２を介して接続され、流体主流路１１及びリターン流路１２に設けられて流路の選択切替を行う第１バルブ２０及第２バルブ４０がベース部材１０に集積して一体化された流体機器ユニットＦＵにおいて、リターン流路１２を流体主流路１１から分岐させる位置は、第１バルブ２０の上流側近傍となる分岐入口１２ａになる。この分岐入口１２ａは、第１バルブ２０の弁室２２にできるだけ近い位置に設けることで、薬液リターンモードのバルブ開閉状態及び流路が選択された場合、分岐入口１２ａから弁室２２までの鉛直流路部１１ｄを最短距離としている。すなわち、
リターン流路１２が流体主流路１１から分岐する位置を第１バルブ２０の上流側近傍としたことにより、リターン流路１２の分岐入口１２ａから第１バルブ２０までの間に形成され、薬液が滞留する空間容積（薬液滞留部）となる鉛直流路部１１ｄの長さを最小とすることができる。

上述した薬液滞留部は、薬液リターンモードの場合に形成されるものであり、薬液供給源から導入されて入口接続口１１ａから流体主流路１１に流れ込む薬液が鉛直流路部１１ｄの途中に開口する分岐入口１２ａからリターン流路１２へ流路を変更することにより、薬液の主流からはずれる凹部となってほとんど流れを生じない部分である。しかし、分岐入口１２ａから弁室２２までの鉛直流路部１１ｄを最短距離とし、薬液滞留部の空間容積を最小にしたので、薬液リターンモードで滞留する薬液量も最小となる。このため、主流の影響を受けやすくなり、薬液滞留部内での凝固が生じにくくなる。従って、薬液供給モードを選択して切り替えた際、薬液滞留部で凝固した薬液が液体主流路１１を塞いで薬液供給を妨げたり、あるいは、流体主流路１１の流路断面積を減少させて薬液供給量を所定値より低減させることもない。

ところで、リターン流路１２が流体主流路１１から分岐する分岐入口１２ａの位置については、下記の理由により第１バルブ２０の上流側近傍が望ましい。すなわち、分岐入口１２ａの位置は、分岐入口１２ａから弁室２２まで鉛直流路部１１ｄの長さが全くないことが理想であるが、現実には流路を形成するベース部材１０に第１バルブ２０の弁座２３となる肉厚を確保する必要があり、第１バルブ２０の弁体２１に十分なシール性を得るためには弁座２３の剛性が重要である。

ここで、第１バルブ２０の構成を説明する。この第１バルブ２０は、図示省略の付勢手段（コイルバネ等）により、下向きの押圧を受けて閉じられるノーマルクローズタイプである。この第１バルブ２０は、空気圧操作部２６に供給する空気圧をＯＮ・ＯＦＦしてプラグ型の弁体２１を弁室２２内で上下動させ、液体主流路１１を開閉する。プラグ型の弁体２１は、鉛直流路部１１ｄの上端開口部を塞いで流体主流路１１を閉じるため、流体主流路１１ｄの上端開口部周辺に弁体２１を押圧してシールする弁座２３が必要となる。
また、上述した弁室２２の内部は、薬液の流れる流路部分がダイヤフラム２４により分離されている。さらに、弁室２２の底面をお椀形状にしたので、弁室２２内に液溜まりが生じないため薬液の置換性は良好である。なお、図中の符号２５は弁体２１と一体の軸部であり、空気圧操作部２６や付勢手段の押圧力により弁体２１を上下動させる。

このように、第１バルブ２０がプラグ型の弁体２１を上下動させて流体主流路１１の上向き開口部分を開閉するタイプであることから、第１バルブ２０の弁座２３となるベース部材１０には、弁座２３に十分な剛性を与えるための肉厚が必要となる。従って、分岐入口１２ａは、弁座２３の剛性確保に必要な肉厚を確保するため、鉛直流路部１１ｄの分岐入口１２ａから弁室２２まで必要最小限の長さを設けた位置に開口している。すなわち、分岐入口１２ａは、弁体２１が弁座２３に押圧される全閉状態において、第１バルブ２０に充分なシール性を確保しながら薬液滞留部を最小とする位置にある。

一方、上述した流体機器ユニットＦＵの第２バルブ４０は、ノーマルオープンタイプの空気圧操作弁であり、空気圧操作部４６や付勢手段の押圧力が作用する方向を逆にした以外は実質的に第１バルブ２０と同じ構成となる。なお、図中の符号４３は弁座、４４はダイヤフラム、４５は軸部である。
ところで、上述した第２バルブ４０は、弁体４２の先端部側径が軸部４５まで一定の略円柱形状とされる。そして、第２バルブ４０を閉じた薬液供給モードでは、リターン流路１２の傾斜流路部１２ｃを介して、液体主流路１１を流れる薬液からダイヤフラム４４に対して開弁方向となる上向きの圧力が作用する。このような薬液（液体）の圧力は背圧と呼ばれ、ダイヤフラム４４の面積が大きいほど大きな力となる。このため、背圧に対抗して弁体４２が開となるのを阻止するためには、弁体４２を閉状態に維持する空気圧操作部４６の空気圧も大きくする必要がある。

上述した第２バルブ４０のように、大きな背圧に対応して開閉操作用の空気圧が大きくなる高背圧対応型バルブにおいては、たとえば図４に示す空気圧操作弁５０のように、弁体５１の先端部側径ｄ１に対して根元側径ｄ２を小さく（ｄ１＞ｄ２）設定したものが好ましい。なお、図中の符号５２は弁室、５３は弁座、５４はダイヤフラム、５５は軸部、５６は空気圧操作部であり、薬液流れ方向が矢印で示されている。
このような空気圧操作弁５０は、弁体５１の根元側径ｄ２が小さくなった分だけダイヤフラム５４の小径化が可能となる。このため、ダイヤフラム５４の受圧面積を小さくすることができるようになり、空気圧操作部５６の空気圧を低減可能な高背圧対応型のバルブとなる。

このように、上述した高背圧対応型の空気圧操作弁５０を第２バルブ４０に採用することにより、すなわち弁体５１の根元側径ｄ２とともにダイヤフラム５４の径を小さくしたことにより、全閉時に弁体５１を開く方向（上向き）に作用する液体の圧力（背圧）が小さくなるので、空気圧操作部５４により弁体５１を閉じる方向に押圧する力の低減が可能となる。従って、空気圧操作弁５０は、空気圧操作部５６の耐圧を低く抑えることができるようになり、小型化や低コスト化に有利になる。また、このような高背圧対応型の空気圧操作弁５０を第２バルブ４０に採用すれば、上述した流体機器ユニットＦＵの小型化や低コスト化にも貢献できる。
さらに、空気圧操作弁５０の外形寸法を略同じにすれば、ダイヤフラム５４を小径化した分だけケーシング部分の肉厚を増すことができるので、流量特性に影響する弁座ポート径（鉛直流路部１２ｄの入口径）を維持しながら、使用圧力（弁の耐圧）を高めることも可能になる。
なお、上述した説明では、空気圧操作部５６により弁体５１を閉じるノーマルオープン型の高圧対応型バルブとしたが、弁体５１の径を変化させる構造は、空気圧操作部５６に代えて電磁石等の開閉操作機構を採用したものにも適用可能である。

上述したように、本発明の流体機器ユニットＦＵによれば、液体主流路１１の第１バルブ２０とリターン流路１２の分岐入口（分岐部）１２ａとの間に形成される薬液滞留部を最小限とし、薬液の凝固が生じにくいものとなる。従って、取り扱う液体が凝固しやすいスラリ性の薬液等であっても、液体主流路１１を塞いで薬液供給ができなくなったり、あるいは、流路断面積の減少により薬液供給量が減少するようなこともないので、これを半導体製造工程に採用すれば、装置の信頼性を大きく向上させることができる。

ところで、上述した実施形態においては、２つの空気圧操作弁２０，４０をベース部材１０に設置した構成としたが、本発明の流体機器ユニットＦＵはこれに限定されることはなく、たとえば流量調整弁や圧力センサ等のように、空気圧操作弁２０，４０の前後にユニット化する他の流体機器類を備えていてもよい。また、流体主流路１１やリターン流路１２に設置される空気圧操作弁２０，４０についても、たとえば電磁弁に変更するなど、上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態として、ベース部材に形成された流路を示す要部の断面図である。本発明に係る流体機器ユニット構造の一実施形態として、外観を示す平面図である。図１の流体機器ユニット内に形成された流路構成例を示す系統図である。第２バルブの弁体形状例を示す要部断面図である。

符号の説明

ＦＵ流体機器ユニット
１０ベース部材
１１流体主流路
１１ｄ鉛直流路部
１２リターン流路
１２ｃ分岐入口
２０第１バルブ（空気圧操作弁）
２１，４１，５１弁体
２２，４２，５２弁室
２３，４３，５３弁座
２４，４４，５４ダイヤフラム
４０第２バルブ（空気圧操作弁）
５０空気圧操作弁（高背圧対応型バルブ）

Claims

流路を介して接続される複数の流体機器類をベース部材に集積して一体化され、前記ベース部材に形成された流体主流路及びリターン流路にそれぞれ流路切替用の第１バルブ及び第２バルブが設けられている流体機器ユニット構造において、
お椀形状とした弁室の最も低い底面中心部分に前記流体主流路の鉛直流路部を開口させるとともに前記鉛直流路部の上端部に前記第１バルブを配置し、
前記リターン流路が前記流体主流路から分岐する位置を前記鉛直流路部の前記第１バルブの上流側近傍とし、かつ、
前記リターン流路が前記流体主流路から分岐する前記第１バルブの上流側近傍は、前記第１バルブがプラグ型の弁体を上下動させて前記流体主流路の上向き開口部分を開閉するタイプとされ、前記第１バルブの弁座となる前記ベース部材の肉厚に弁座剛性を確保した位置としたことを特徴とする流体機器ユニット構造。
前記第２バルブは、ダイヤフラムに液体圧力を受けるとともに開閉操作機構によりプラグ型の弁体を上下動させて前記リターン流路を開閉し、前記弁体の先端部側径に対して根元側径を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の流体機器ユニット構造。