JP6893362B2 - オリフィス内蔵弁および圧力式流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、オリフィス内蔵弁に関し、特に圧力式流量制御装置などにおいて用いられるオリフィス内蔵弁に関する。

半導体製造装置や化学プラントにおいて、原料ガスやエッチングガス等の流体を制御するための種々のタイプの流量計や流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、例えばピエゾ素子駆動型のコントロール弁と絞り部（オリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。

圧力式流量制御装置には、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（Ｐ１：絞り部上流側のガス圧力、Ｐ２：絞り部下流側のガス圧力）を満足するとき、流量は下流側ガス圧力Ｐ２によらず上流側ガス圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行っているものがある。この種の圧力式流量制御装置では、圧力センサとコントロール弁とを用いて上流圧力Ｐ１を制御するだけで、絞り部下流側に流れるガスの流量を高精度に制御することができる。

特許文献１には、前記圧力式流量制御装置において、絞りとしてのオリフィスを内蔵する開閉弁（オリフィス内蔵弁）を有する圧力式流量制御装置が開示されている。この圧力式流量制御装置において、コントロール弁によってオリフィス上流側の圧力が制御されるとともに、オリフィス内蔵弁によりガスの流出の有無が制御されるので、立ち上がりおよび立ち下がり特性高く流量制御されたガスを供給することができる。

近年では、ＡＬＤ（原子層堆積）プロセスまたはＡＬＥ（原子層エッチング）プロセスにおいて、プロセスチャンバに短期間だけガスを供給することが望まれており、前記特徴を備えたオリフィス内蔵弁が設けられた圧力式流量制御装置の活用が望まれている。

オリフィス内蔵弁の具体的な構造については様々な態様が考えられるが、従来、例えば特許文献２の図４に記載された金属ダイヤフラム弁が用いられていた。特許文献２の図４においては、レーザー溶接によりホルダに固定されたオリフィスプレートが、弁座体に形成した窪所に収容されて弁座体とホルダとの間に挾持され固定されている。弁座体は、流体を流通するための通孔を有するインナーディスクにより押圧固定されている。

ただし、上記のように、溶接によりホルダ等に固定されたオリフィスプレートを用いる場合（特に、薄いオリフィスプレートを用いる場合）には、溶接熱の影響によりクラックの発生や耐食性の低下が生じるおそれがある。

特許第３５２２５３５号 特許第４１３７２６７号 特開２０１６−２４７０８号公報 特許第４６９０８２７号

近年、半導体製造装置等の分野においてはガス供給系の小型化が求められており、オリフィス内蔵弁についても小型化の要求があった。

例えば、特許文献２には、弁座体の裏面に設けた凹部においてホルダおよびオリフィスプレートを収容する構成が記載されているが、弁座体のサイズが大きくなり、その上部に配置される弁機構の高さが高くなりやすいという問題があった。また、特許文献２には、弁座体自体にオリフィスを設ける構成も記載されているが、この場合には、小型化はなし得るもののオリフィスの形状精度を高くすることが困難であった。

本発明は、上記要求や問題点を鑑みてなされたオリフィス内蔵弁およびそれを備えた圧力式流量制御装置に関するものである。

本発明の実施形態によるオリフィス内蔵弁は、内部にオリフィスを備えたオリフィス内蔵弁であって、上面開口の収容凹部と、前記収容凹部の壁面に開口する第１ガス流路と、前記収容凹部の底面に開口する第２ガス流路とを有する基部と、環状の弁座および前記弁座の内側に形成された貫通孔を有する弁座体と、前記弁座体を保持固定するインナーディスクと、前記弁座に当接離間可能な弁体と、前記オリフィスを含む貫通孔を有するオリフィス体とを備え、前記収容凹部は、拡径部と前記拡径部の底面に開口する狭径部とを有する階段状の凹部であり、前記拡径部において前記弁座体、前記インナーディスク、および、前記弁体によって弁室が形成され、前記狭径部には前記オリフィス体が挿入され、前記弁座体は前記オリフィス体に載置され、前記インナーディスクにより押圧されることにより前記オリフィス体の上に保持固定されており、前記第１ガス流路は、前記狭径部の壁面と前記オリフィス体との間の空間を経由して前記弁室に連通し、前記第２ガス流路は、前記オリフィス体の貫通孔および前記弁座体の貫通孔を経由して前記弁室に連通する。

ある実施形態において、前記基部は、前記収容凹部の壁面に開口する第３ガス流路をさらに有する。

ある実施形態において、前記オリフィス体の側面に、前記オリフィス体の貫通孔と連通する通路が設けられている。

ある実施形態において、前記オリフィス体は、貫通孔を有する第１の金属部材と、貫通孔を有する第２の金属部材と、前記オリフィスが設けられ前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とによって挟持されるオリフィスプレートとを含み、前記第１の金属部材は、前記第２の金属部材と対向する側に凹部または凸部を有し、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材の凹部または凸部と嵌合する形状の凸部または凹部を有し、前記第１の金属部材の凹部または凸部と前記第２の金属部材の凸部または凹部との間に前記オリフィスプレートが気密に挟持されている。

ある実施形態において、前記第１の金属部材の前記第２の金属部材との対向面、および、前記第２の金属部材の前記第１の金属部材との対向面のうちの少なくとも一方に環状の突起部が設けられている。

ある実施形態において、上記のオリフィス内蔵弁は、前記オリフィス体と前記狭径部の底部との間をシールする環状のシール部材をさらに備える。

ある実施形態において、前記オリフィス体の上端面には、段差上面と、前記段差上面よりも低く形成された段差下面とが形成されており、前記インナーディスクと前記オリフィス体の上端面とは当接しない。

ある実施形態において、前記オリフィス体の上端面と前記拡径部底面が略同じ高さである。

ある実施形態において、前記インナーディスクが前記拡径部の底面に載置されている。

ある実施形態において、前記弁体が金属ダイヤフラムであり、前記金属ダイヤフラムは、前記インナーディスクと前記インナーディスクを上方から押圧する押圧部材とによって挟持固定されている。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置は、コントロール弁と、圧力センサと、演算制御部と、上記のいずれかのオリフィス内蔵弁とを備える。

本発明の実施形態によれば、サイズを大きくすることなく、シール性、オリフィス保持性が良好なオリフィス内蔵弁およびそれを備えた圧力式流量制御装置が提供される。

本発明の実施形態１によるオリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置の一例を示す模式的な図である。 本発明の実施形態１によるオリフィス内蔵弁の部分拡大図である。 本発明の実施形態１による弁本体を取り付けていない状態のオリフィス内蔵弁を示す平面図である。 図２に示したオリフィス内蔵弁のインナーディスク、弁座体、オリフィス体を模式的に示す図である。 本発明の実施形態１によるオリフィス内蔵弁において、オリフィス体を構成する部材に環状の突起部を設ける構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態２によるオリフィス内蔵弁の部分拡大図である。 本発明の実施形態２の変形例によるオリフィス内蔵弁の部分拡大図である。 本発明の実施形態３によるオリフィス内蔵弁の部分拡大図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１によるオリフィス内蔵弁１０を備えた圧力式流量制御装置１の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、圧力式流量制御装置１の基部２にはガスの流路２０が形成されており、圧力式流量制御装置１は、流路２０に設けられたコントロール弁３、コントロール弁３の下流側に設けられた圧力センサ４、圧力センサ４の下流側に設けられたオリフィス内蔵弁１０、演算制御部５を備えている。圧力式流量制御装置１の上流側は、例えばガス供給源（図示せず）に接続されており、下流側は例えば半導体製造装置のプロセスチャンバ（図示せず）に接続されている。

演算制御部５は、圧力センサ４によって検出された圧力に基づいてコントロール弁３をフィードバック制御することができるように構成されており、オリフィス内蔵弁１０の上流側のガス圧力を所望の圧力に制御することができる。オリフィス内蔵弁１０の弁を解放した状態において、オリフィス内蔵弁１０に設けられたオリフィスを介して、制御された流量のガスがプロセスチャンバへと供給される。

他の態様において、圧力式流量制御装置１は、オリフィス上流側のガスの温度を測定するための温度センサや、オリフィス内蔵弁１０の下流側の圧力を測定する下流側圧力センサなどを備えていてもよい。この場合、演算制御部５は、温度センサの出力、オリフィス上流側および下流側に設けられた各圧力センサの出力に基づいて、コントロール弁３をフィードバック制御することができる。演算制御部５は、例えば、回路基板上に設けられたプロセッサやメモリなどを用いて構成されていてよく、入力信号に基づいて所定の演算を実行するコンピュータプログラムを含み、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現され得る。演算制御部５は、オリフィス内蔵弁１０の弁の開閉を制御するように構成されていてもよい。

図２は、本実施形態のオリフィス内蔵弁１０の要部断面図である。図２に示すように、オリフィス内蔵弁１０は、基部２に設けられた上面開口の収容凹部２Ａに設置されている。基部２には、上記の収容凹部２Ａとともに、コントロール弁３（図１参照）に連通するガス流入路２１と、プロセスチャンバに連通するガス流出路２２とが形成されている。ガス流入路２１は収容凹部２Ａの壁面に開口しており、ガス流出路２２は収容凹部２Ａの底面に開口している。

なお、図２には、流体はガス流入路２１から流入し、ガス流出路２２から流出する態様が示されているが、ガス流出路２２から流入し、ガス流入路２１から流出するように圧力式流量制御装置１が構成されていてもよい。本明細書において、ガス流入路およびガス流出路のいずれか一方を第１ガス流路と称し、他方を第２ガス流路と称することがある。本実施形態では第１ガス流路としてガス流入路２１が設けられ、第２ガス流路としてガス流出路２２が設けられているが、上記のようにオリフィス内蔵弁におけるガスの流れが反対の場合には、第１ガス流路としてガス流出路が設けられ、第２ガス流路としてガス流入路が設けられる。また、実施形態２として後述するように、さらに他の流路が設けられている場合には、第１ガス流路および第２ガス流路の双方がガス流入路であってもよく、あるいは、第１ガス流路および第２ガス流路の双方がガス流出路であってもよい。

収容凹部２Ａには弁本体１１が挿着されている。弁本体１１は、例えば、弁体１１ａ（例えば金属ダイアフラム）と、これを駆動する弁駆動部（例えば空圧アクチュエータ）とを備えた公知の弁本体であってよい。

弁本体１１の下方には、弁体１１ａと当接および離間可能に配置された樹脂製の弁座体１２および弁座体１２を保持するインナーディスク１３と、弁座体１２の下方に配置されたオリフィス体１４とが収容されている。本実施形態において、オリフィス体１４は、金属製の部材であり、樹脂製（例えば、ＰＣＴＦＥ製）の弁座体１２とは別体として設けられたものである。

本実施形態において、収容凹部２Ａは、階段状の凹部形状をなしており、上方の拡径部２Ｗと、拡径部２Ｗの底面に設けられた下方の狭径部２Ｎとを有している。弁座体１２およびインナーディスク１３は拡径部２Ｗに収容され、オリフィス体１４は狭径部２Ｎに挿入されている。オリフィス体１４の上面（後述する第１の金属部材１５の上面）と、拡径部２Ｗの底面とは略同じ高さに設定されている。この構成において、インナーディスク１３は拡径部２Ｗの底面上に載置されており、インナーディスク１３、弁体１１ａおよび弁座体１２によって囲まれるようにして弁室１０ａが拡径部２Ｗに形成されている。

インナーディスク１３は、弁座体１２を保持すると共に、上方から押圧する押圧部材９によって拡径部２Ｗの底面に押圧されている。インナーディスク１３と、押圧部材９との間には、金属ダイヤフラムである弁体１１ａの周縁部が挟持固定されている。

図３は、弁本体１１が取り付けられていない状態における収容凹部２Ａの平面図である。図３に示すように、インナーディスク１３は、中央に弁座体１２を保持するための開口部１３ａを有し、また、開口部１３ａの周囲に複数のガス流入孔１３ｂを有している。他方、弁座体１２の中央部には、ガス流路を形成する貫通孔１２ａが設けられており、この貫通孔１２ａの周りを囲むようにして環状の弁座１２ｂ（弁体１１ａとの接触部）が設けられている。

再び図２を参照して、オリフィス体１４は、保持部材として設けられた第１の金属部材１５および第２の金属部材１６と、第１の金属部材１５と第２の金属部材１６とが挟持する金属製のオリフィスプレート１７とを有している。オリフィスプレート１７の中央部にはオリフィス１８が形成されている。オリフィスプレート１７の厚さは例えば１０μｍ〜５００μｍであり、オリフィス１８の口径は例えば１０μｍ〜５００μｍである。

また、図２および図４からわかるように、第１の金属部材１５の中心軸に沿って、弁座体１２の貫通孔１２ａと連通する貫通孔１５ａが形成されている。同様に、第２の金属部材１６の中心軸に沿って、基部２に形成されたガス流出路２２に連通する貫通孔１６ａが形成されている。オリフィスプレート１７において、オリフィス１８は、第１および第２の金属部材１５、１６の貫通孔１５ａ、１６ａを連通するように形成されている。本明細書において、第１および第２の金属部材１５、１６の貫通孔１５ａ、１６ａならびにオリフィス１８を含む経路を、オリフィス体１４の貫通孔として説明することがある。

この構成において、オリフィス内蔵弁１０が開状態のとき、ガス流入路２１からインナーディスク１３のガス流入孔１３ｂを通って弁室１０ａに流入したガスが、弁体１１ａと弁座１２ｂとの隙間を通って弁座体１２の貫通孔１２ａに流れる。また、弁座体１２の貫通孔１２ａを通過したガスは、オリフィス体１４において、第１の金属部材１５の貫通孔１５ａ、オリフィス１８、第２の金属部材１６の貫通孔１６ａの順に通って（すなわち、オリフィス体１４の貫通孔を通って）ガス流出路２２へと流れる。

本実施形態のオリフィス内蔵弁１０において、オリフィス体１４を構成する第１の金属部材１５と第２の金属部材１６とは、互いに適合する形状を有する凹部１５ｂと凸部１６ｂとをそれぞれ有している。そして、凹部１５ｂと凸部１６ｂとの間にオリフィスプレート１７を挟んだ状態で嵌合させた上で外側から圧力を加えることにより、あるいは、圧入により互いにカシメ固定されている。カシメ固定を強固に維持するために、凹部１５ｂの内周面および凸部１６ｂの外周面の少なくとも一方に、突起や嵌合溝等を設けることが好適である。なお、他の態様において、第１の金属部材１５が凸部を有し、第２の金属部材１６が嵌合する凹部を有していてもよいことは言うまでもない。

第１の金属部材１５、第２の金属部材１６およびオリフィスプレート１７は、同じ金属材料（例えばステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ−Ｐ（Ｗメルト））など）から形成されていてもよいし、異なる金属材料から形成されていてもよい。

凹部１５ｂおよび凸部１６ｂの対向面において、図５に示すように、環状の突起部１５ｘ、１６ｘが形成され、突起部１５ｘ、１６ｘによりシールが行われてもよい。突起部１５ｘ、１６ｘは、オリフィス体１４を一体固定する際に圧潰され、シール性を向上させるものであってもよい。突起部１５ｘ、１６ｘは、図５に示したように、オリフィスプレートの貫通孔（オリフィス）を囲みオリフィスプレート１７を挟持するように設けられても良いし、オリフィスプレート１７の周囲を囲むようにオリフィスプレート１７の外側に設けられても良い。また、上記の突起部は、凹部１５ｂおよび凸部１６ｂのいずれか一方のみに設けられていてもよい。

本実施形態では、オリフィスプレート１７を含むオリフィス体１４を金属部材同士のカシメ固定により一体化させている（すなわち、一体固定している）ので、オリフィスプレート１７を溶接した場合に生じるオリフィスへの溶接熱の影響、例えば、クラックの発生や耐食性の低下といった問題が発生しない。そして、極めて薄いオリフィスプレートであっても、気密性を保ちながら適切に流路上に配置させることができる。

また、弁座体１２、インナーディスク１３、オリフィス体１４が、基部２に設けられた収容凹部２Ａに収容された態様であるので、その上方に配置される弁本体１１の高さを高くすることなくオリフィス内蔵弁１０を構成することができ、省スペース化を実現することができる。

なお、オリフィスプレート１７を保持部材（オリフィスベース）にカシメ固定する構成については、例えば、特開２０１６−２４７０８号公報（特許文献３）や特許第４６９０８２７号（特許文献４）に記載されている。本発明の実施形態においても、従来のカシメ固定方式を利用して、第１の金属部材１５と第２の金属部材１６との間にオリフィスプレート１７が固定されたオリフィス体１４を作製することができる。

また、図４において拡大して示すように、本実施形態のオリフィス内蔵弁１０において、オリフィス体１４を構成する第１の金属部材１５の端面には、段差上面１５ｃと、これよりも低く形成された段差下面１５ｄとが設けられている。段差上面１５ｃは、第１の金属部材１５の端面における貫通孔１５ａ寄りの内側部において形成されており、段差下面１５ｄは、段差上面１５ｃの外側の周縁部において形成されている。

そして、弁座体１２は、第１の金属部材１５の端面上に載置されており、より具体的には、弁座体１２の裏面に段差上面１５ｃが当接し、段差下面１５ｄが当接しないように載置されている。ここで、第１の金属部材１５の外径は、典型的には、弁座体１２の裏面の外径よりも大きく設計されており、弁座体１２は第１の金属部材１５の外側側面１５ｓを覆うことなく端面（特に段差上面１５ｃ）上に配置されている。

本実施形態において、弁座体１２は、端面に弁座１２ｂが設けられた栓部１２ｃと、栓部１２ｃよりも拡径の鍔部１２ｄとを有しており、インナーディスク１３に形成された適合形状の開口部に好適には気密に挿着されている。この構成において、弁座体１２の鍔部１２ｄは、インナーディスク１３と、第１の金属部材１５の段差上面１５ｃとによって挟持されている。また、インナーディスク１３は、概ね段差上面１５ｃの外側を覆うように配置されており、インナーディスク１３の下面は、図４に示す状態では、わずかな間隙を開けて段差下面１５ｄと面している。この構成において、インナーディスク１３の下面と第１の金属部材１５の上側端面とは当接しないように配置される。

上記の態様において、収容凹部２Ａにオリフィス体１４を収容した後、その上にインナーディスク１３に保持された弁座体１２を配置するとき、弁座体１２の裏面が第１の金属部材１５の段差上面１５ｃに接する。さらに、弁本体１１のねじ込みなどにより押圧部材９を介してインナーディスク１３を上方から押さえつけることで、弁座体１２の鍔部１２ｄが第１の金属部材１５の段差上面１５ｃに向けて押圧され、段差上面１５ｃと弁座体１２の裏面との密着性が高められる。これによって、弁体１１の入口側と出口側とのシール性を高く維持することができる。上記の固定態様において、弁座体１２が配置された時点ではインナーディスク１３の下面と第１の金属部材１５の段差下面１５ｄとは当接していないが、インナーディスク１３が押圧されることで、インナーディスク１３の周縁部の変形が生じ、インナーディスク１３の下面と第１の金属部材１５の段差下面１５ｄとが当接し得る。このことにより弁座体１２が適切に変形され、シール性が高められる。インナーディスク１３は例えば金属製の部材であってよく、押圧部材９は例えば樹脂製の部材であってよい。ただし、これに限られず、いずれも金属製の部材であってもよい。なお、本構成においては、弁座体１２を比較的小さい部材として形成することができるので、高さ方向のサイズを縮めることができるという利点が得られる。

次に、収容凹部２Ａにおけるガスの流路やシール構造について、より詳細に説明する。図２に示すように、基部２に設けられたガス流入路（第１ガス流路）２１より上方において、収容凹部２Ａの狭径部２Ｎ（オリフィス体１４の収容部分）の壁面と、オリフィス体１４（第１の金属部材１５）の外側側面の少なくとも一部との間には間隙ｇが設けられている。一方で、ガス流入路２１より下方において、狭径部２Ｎの壁面とオリフィス体１４（第２の金属部材１６）の外側側面の少なくとも一部とが間隙なく配置されている。図示する態様において、ガス流入路２１の開口部２１ａは、第１の金属部材１５の側面および第２の金属部材１６の側面に面しているが、第１の金属部材１５の側面のみに面していてもよいし、第２の金属部材１６の側面のみに面していてもよい。

本実施形態では、第１の金属部材１５と第２の金属部材１６の径が同一であるとともに、ガス流入路２１の上方で狭径部２Ｎがわずかに拡径していることによって上記の間隙ｇが形成されている。ただし、これに限られず、狭径部２Ｎの径を一定に形成すると共に、第１の金属部材１５の径を第２の金属部材１５の径よりも小さく設計することによって、狭径部２Ｎの壁面とオリフィス体１４との間に隙間ｇを形成してもよい。

また、狭径部２Ｎの底面側においてガス流入路２１とガス流出路２２との連通を防止するために、第２の金属部材１６のガス流出路２２側の端面に環状のシール部材１９が設けられている。シール部材１９は、例えば、樹脂製やゴム製の環状部材（Ｏ−リングなど）であってよい。

上記の構成において、ガス流入路２１から流入したガスは、第１の金属部材１５および第２の金属部材１６の外側側面と接した流路（狭径部２Ｎの壁面と第１の金属部材１５との間の間隙ｇ）を通ってインナーディスク１３の複数のガス流入孔１３ｂへと流れ、弁室１０ａへと流入する。第１の金属部材１５と第２の金属部材１６とは好適には図５に示した環状の突起部１５ｘ、１６ｘを用いて気密に固定され、外側側面と貫通孔１５ｂ、１６ｂとのシール性が高く保たれているので、弁室１０ａの上流側と下流側とでリークが生じることは防止されている。

また、狭径部２Ｎの下方において第２の金属部材１６を密接して隙間なく収容するとともに、狭径部２Ｎの底面においてシール部材１９を設けているので、収容凹部２Ａの底面部におけるリークも防止される。このようにオリフィス内蔵弁１０では、カシメ固定により作製したオリフィス体１４を用いた場合においても十分なリーク対策が施されており、流量制御を適切に行うことができる。

（実施形態２）
以下、図６および図７を参照しながら、実施形態２のオリフィス内蔵弁を説明する。なお、以下の説明において、実施形態１と同様の部材には同じ参照符号を付すとともに詳細な説明を省略することがある。

図６は、実施形態２のオリフィス内蔵弁１０Ｂを示す。実施形態２のオリフィス内蔵弁１０Ｂは、３方弁として用いられるものであり、収容凹部２Ａ（特に狭径部２Ｎ）に連通する、第１ガス流路３１、第２ガス流路３２、および、第３ガス流路３３の３つのガス流路が基部３に設けられている。

オリフィス内蔵弁１０Ｂにおいて、第１ガス流路３１は第１ガスの流入路として用いられ、第２ガス流路３２は第２ガスの流入路として用いられる。また、第３ガス流路３３は、プロセスチャンバなどに接続されており、ガス流出路として用いられる。この態様において、第１ガスを、第１ガス流路３１から第３ガス流路３３へと流すことができ、第２ガスを、第２ガス流路３２から第３ガス流路３３へと流すことができる。

本実施形態においても、実施形態１と同様に、基部３に設けられた収容凹部２Ａは、階段状の凹部形状をなしており、上方の拡径部２Ｗと、拡径部２Ｗの底面に開口する下方の狭径部２Ｎとを有している。弁座体１２およびインナーディスク１３は拡径部２Ｗに収容され、オリフィス体１４は狭径部２Ｎに挿入されている。弁座体１２およびインナーディスク１３の上方には、弁体１１ａを備える弁本体１１が配置され、弁体１１ａとインナーディスク１３および弁座体１２との間に弁室１０ａが形成されている。また、オリフィス体１４の上面と、拡径部２Ｗの底面とは略同じ高さに設定されている。なお、オリフィス内蔵弁１０Ｂにおけるオリフィス体１４、弁座体１２、インナーディスク１３の構成は、実施形態１のオリフィス内蔵弁１０と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

第１ガス流路３１および第３ガス流路３３は収容凹部２Ａの壁面に開口しており、一方で、第２ガス流路２２は収容凹部２Ａの底面に開口している。より具体的には、第１ガス流路３１の開口部３１ａおよび第３ガス流路３３の開口部３３ａは、収容凹部２Ａの狭径部２Ｎ（オリフィス体１４の収容部）の壁面とオリフィス体１４の外側側面との間の間隙ｇに連通するように狭径部２Ｎの壁面に設けられており、第２ガス流路３２の開口部３２ａは、収容凹部２Ａの狭径部２Ｎの底面に設けられている。

以上に説明した構成において、第１ガス流路３１と、第３ガス流路３３とは、間隙ｇを介して常に連通している。このため、弁本体１１の開閉状態によらず、オリフィス体１４の周囲を回り込ませて第１ガス流路３１から第３ガス流路３３へと第１ガスを流すことができる。なお、第１ガスの流量は、第１ガス流路３１の上流側に設けた任意の態様の流量制御装置によって制御することができ、この流量制御装置を用いて第１ガスの供給を停止することができる。

一方、第２ガス流路３２は、弁本体１１が開状態のときのみ第３ガス流路３３と連通し、図６に示すような閉状態の時には第３ガス流路３３と連通しない。このため、弁本体１１の開閉によって第２ガスの供給を制御することができる。弁本体１１が開状態のとき、第２ガスは、第２ガス流路３２からオリフィス体１４の貫通孔および弁座体１２の貫通孔を通って弁室１０ａに流入し、弁室１０ａからインナーディスク１３に設けられた複数のガス流入孔１３ｂを通って上記の間隙ｇに流れ込み、そして第３ガス流路３３へと流れる。

第２ガスの流量は、第２ガス流路３２の上流側に設けた流量制御装置を用いて制御することができるが、第２ガスは、オリフィス１８を介して供給される。このため、第２ガス流路３２の上流側の流量制御装置を、コントロール弁と、圧力センサと、演算制御部とを備えた圧力式流量制御装置とし、オリフィス１８の上流側の圧力に基づいてコントロール弁を制御することにより、オリフィス１８を介して供給される第２ガスの流量を適切に制御することができる。

以上説明したように、図６に示したオリフィス内蔵弁１０Ｂによれば、弁本体１１を制御することによって立ち上げ、立ち下げ特性よく第２ガスを第１ガスに導入することができ、混合したガスを適切に第３流路３３へと流すことができる。

なお、オリフィス内蔵弁１０Ｂにおいては、第１流路３１と第３流路３３とを連通させるためにギャップｇが比較的大きく設計されている。また、オリフィス体１４は、実施形態１のオリフィス内蔵弁１０と同様に、第１および第２の金属部材１５、１６と、オリフィスプレート１７とによって構成されているが、第２の金属部材１６は、狭径部２Ｎのうちでもより狭い下方部分にシール性高く挿入されている。このため、本実施形態では、狭径部２Ｎが、上部で径が大きく下部で径が小さくなるように比較的大きな段差を有して設計されている。ただし、本実施形態においても、第１の金属部材１５の径を第２の金属部材１６の径よりも小さくすることなどによって、狭径部２Ｎの径を均一にしながら、ギャップｇを大きく確保するとともにシール性を高く保つことが可能である。

図７は、実施形態２の変形例のオリフィス内蔵弁１０Ｃを示す。変形例のオリフィス内蔵弁１０Ｃも、図６に示したオリフィス内蔵弁１０Ｂと同様に、３方弁として用いられるものであり、収容凹部２Ａに連通する、第１ガス流路３１、第２ガス流路３２、および、第３ガス流路３３を備えている。

ただし、オリフィス内蔵弁１０Ｃでは、オリフィス体１４’が、単一の金属部材１５’とオリフィスプレート１７とによって構成されている。また、オリフィスプレート１７は、金属部材１５’の下方に設けられた突出部１５ｂ’と、基部３の収容凹部２Ａの底面との間に挟持されている。

本変形例では、狭径部２Ｎの底面において、オリフィス体１４’の突出部１５ｂ’とオリフィスプレート１７とを収容することができる底凹部２ｂが設けられている。底凹部２ｂの径は、突出部１５ｂ’の外径に適合するように設計されている。オリフィス体１４’の突出部１５ｂ’は、気密に嵌合するようにして底凹部２ｂに圧入されており、突出部１５ｂ’と底凹部２ｂとの間でシール面が形成されている。

これにより、オリフィス内蔵弁１０Ｃでは、図２および図６に示したオリフィス内蔵弁１０、１０Ｂが備えるシール部材１９を用いることなく、部品点数を削減しながら第２流路３２と第１、第３流路３１、３３とのシール性を確保することができる。

ただし、本変形例においてもシール部材１９を設けてより確実にシールするようにしてもよい。また、実施形態１のオリフィス内蔵弁１０において、本変形例と同様に、狭径部の底面に設けた底凹部にオリフィスプレートを載置し、その上から突出部を有する単一の金属部材をはめ込むようにしてオリフィスプレートの固定を行ってもよい。また、上記にはオリフィス体１４’の突出部１５ｂ’を基部３に設けた底凹部２ｂにはめ込む態様を説明したが、オリフィス体１４’の底に設けた凹部に、基部３に設けた底凸部をはめ込むようにしてもよい。

（実施形態３）
図８は、実施形態３のオリフィス内蔵弁１０Ｄを示す。オリフィス内蔵弁１０Ｄが、実施形態１のオリフィス内蔵弁１０と異なる点は、オリフィス体１４において、半径方向に沿って延びる小径の横穴（通路）１４ａが設けられていることである。その他の構成は、実施形態１のオリフィス内蔵弁１０と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

図８に示すように、横穴１４ａは、ガス流入路１２とオリフィス１８の上流側とが連通するように、第１金属部材１５の外周側面から中央の貫通孔まで貫通するように設けられていてもよいし、ガス流入路２１とオリフィス１８の下流側とが連通するように、第２金属部材１６の外周側面から中央部の貫通孔まで貫通するように設けられていてもよい。あるいは、ガス流入路１２と、オリフィス１８の上流側および下流側の両方とが連通するように、上記の２つの位置の双方において横穴１４ａが設けられていてもよい。また、図示する態様では、横穴１４ａは、ガス流入路１２の側に設けられているが、オリフィス体１４の外周側面の任意の箇所に設けられていてよく、オリフィス１８の上流側と連通する複数の横穴１４ａや、オリフィス１８の下流側と連通する複数の横穴１４ａが設けられていてもよい。

上記の横穴１４ａを設けることによって、弁体１１ａが閉じているときにも、ガス流入路１２からガス流出路２２への小流量のリークが生じ、リークバルブとして用いることができる。この構成において、弁体１１ａが閉じているときには、横穴１４ａを通って少流量のガスが流れ、弁体１１ａが開いているときには、弁室１０ａを通る本来の流路を通って、より大流量のガスを流すことができる。

なお、オリフィス上流側に通じる横穴１４ａを設けるときには、横穴１４ａの径をオリフィス１８の径よりも小さくしておく必要がある。このようにすれば、弁体１１ａが閉じているときには、オリフィス径よりも小さい横穴１４ａの径によって決定される小流量のガスが流れ、弁体１１ａが開いているときには、オリフィス径によって決定される流量のガスが流れる。一方、オリフィス下流側に通じる横穴１４ａを設けるときには、その径は任意であって良く、弁体１１ａが閉じているときには、横穴１４ａを通るガスのみが流れ、弁体１１ａが開いているときには、オリフィス１８と横穴１４ａとの両方を通ってガスが流れる。

以上のように、リークバルブとして用いて、弁の開閉によって流量を変化させることで、例えば、流量可変型の圧力式流量制御装置として機能させることができる。流量可変型の圧力式流量制御装置としては、２つ以上の分流路のそれぞれにオリフィスプレートを配置して、弁の切り替えにより流路を選択することで、制御流量を変化させるものが知られているが、上記の本実施形態のオリフィス内蔵弁１０Ｄにおいても、同様に弁の切り替えにより、制御流量を変化させることができる。

本発明の実施形態によるオリフィス内蔵弁は、特に、圧力式流量制御装置において好適に利用される。

１ 圧力式流量制御装置
２ 基部
２Ａ 収容凹部
２Ｎ 狭径部
２Ｗ 拡径部
３ コントロール弁
４ 圧力センサ
５ 演算制御部
９ 押圧部材
１０ オリフィス内蔵弁
１０ａ 弁室
１１ 弁本体
１１ａ 弁体
１２ 弁座体
１２ａ 貫通孔
１２ｂ 弁座
１３ インナーディスク
１４ オリフィス体
１５ 第１の金属部材
１５ａ 貫通孔
１５ｂ 凹部
１５ｘ 突起部
１６ 第２の金属部材
１６ａ 貫通孔
１６ｂ 凸部
１６ｘ 突起部
１７ オリフィスプレート
１８ オリフィス
１９ シール部材
２０ 流路
２１ ガス流入路（第１ガス流路）
２２ ガス流出路（第２ガス流路）
３１ 第１ガス流路
３２ 第２ガス流路
３３ 第３ガス流路

Claims (11)

1. 内部にオリフィスを備えたオリフィス内蔵弁であって、
   上面開口の収容凹部と、前記収容凹部の壁面に開口する第１ガス流路と、前記収容凹部の底面に開口する第２ガス流路とを有する基部と、
   環状の弁座および前記弁座の内側に形成された貫通孔を有する弁座体と、
   前記弁座体を保持固定するインナーディスクと、
   前記弁座に当接離間可能な弁体と、
   前記オリフィスを含む貫通孔を有するオリフィス体と
   を備え、
   前記収容凹部は、拡径部と前記拡径部の底面に開口する狭径部とを有する階段状の凹部であり、前記拡径部において前記弁座体、前記インナーディスク、および、前記弁体によって弁室が形成され、前記狭径部には前記オリフィス体が挿入され、
   前記弁座体は前記オリフィス体に載置され、前記インナーディスクにより押圧されることにより前記オリフィス体の上に保持固定されており、
   前記第１ガス流路は、前記狭径部の壁面と前記オリフィス体との間の空間を経由して前記弁室に連通し、前記第２ガス流路は、前記オリフィス体の貫通孔および前記弁座体の貫通孔を経由して前記弁室に連通する、オリフィス内蔵弁。
2. 前記基部は、前記収容凹部の壁面に開口する第３ガス流路をさらに有する、請求項１に記載のオリフィス内蔵弁。
3. 前記オリフィス体の側面に、前記オリフィス体の貫通孔と連通する通路が設けられている、請求項１または２に記載のオリフィス内蔵弁。
4. 前記オリフィス体は、貫通孔を有する第１の金属部材と、貫通孔を有する第２の金属部材と、前記オリフィスが設けられ前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とによって挟持されるオリフィスプレートとを含み、
   前記第１の金属部材は、前記第２の金属部材と対向する側に凹部または凸部を有し、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材の凹部または凸部と嵌合する形状の凸部または凹部を有し、前記第１の金属部材の凹部または凸部と前記第２の金属部材の凸部または凹部との間に前記オリフィスプレートが気密に挟持されている、請求項１から３のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁。
5. 前記第１の金属部材の前記第２の金属部材との対向面、および、前記第２の金属部材の前記第１の金属部材との対向面のうちの少なくとも一方に環状の突起部が設けられている、請求項４に記載のオリフィス内蔵弁。
6. 前記オリフィス体と前記狭径部の底部との間をシールする環状のシール部材をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁。
   
7. 前記オリフィス体の上端面には、段差上面と、前記段差上面よりも低く形成された段差下面とが形成されており、前記インナーディスクと前記オリフィス体の上端面とは当接しない、請求項１から６のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁。
8. 前記オリフィス体の上端面と前記拡径部底面が略同じ高さである、請求項１から７のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁。
9. 前記インナーディスクが前記拡径部の底面に載置されている、請求項１から８のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁。
10. 前記弁体が金属ダイヤフラムであり、前記金属ダイヤフラムは、前記インナーディスクと前記インナーディスクを上方から押圧する押圧部材とによって挟持固定されている、請求項９に記載のオリフィス内蔵弁。
11. コントロール弁と、圧力センサと、演算制御部と、請求項１から１０のいずれかに記載のオリフィス内蔵弁とを備えた圧力式流量制御装置。

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