JPH01105080A - 圧電式流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造装置あるいはＣＶＤ装置等のプロ
セスガスの流量を制御するマスフローコントローラ（以
下Ｍ、Ｆ、Ｃ，と言う）に係り、特に、Ｍ、Ｆ、Ｃ，の
構成部品の一つである流量制御弁に関する。

〔従来の技術〕

Ｍ、Ｆ、Ｃ，は、半導体製造装置やＣＶＤ装置において
、必ず使用される機器の一つであって、各種プロセスガ
スの流量を自動的に調節する自己制御機能を持っ゛てい
る。構造的には大きく分けて、流量センサ、バイパス、
流ｉ制御弁、電気回路部により構成されている。

従来、Ｍ、Ｆ、Ｃ，用の流量制御弁として代表的なもの
には′、熱弁方式と電磁弁方式および圧電式方式がある
。

１）熱弁方式は、膨張軸に巻かれたヒータに流す電流を
制御することによって軸の膨張量、即ち弄の開度を制御
するものである。（特開昭５７−９０４７３号公報参照
） ２）電磁弁方式はソレノイドのコイルに流す電流を制御
することによって弁の開度を制御讐るものである。（特
開昭５８−６８５７１号公報参照）３）圧電弁方式は、
上記熱弁方式の膨張軸に替えて、圧電素子を使用し、こ
の圧電素子に印加する電圧によって、圧電素子の変位量
を制御し弁の開度を制御するものである。　（特開昭６
１−２３６９７４　’号公報参照） 而して本発明は、上記の内、圧電弁方式の流量制御弁に
関している。

第３図に従来の圧電式流量制御弁の要部縦断面図の一例
を示す。図中１は弁体で円板状金属円板の中央部に円板
４に圧電セラミツレ体１２を貼り着けた構成である。前
記弁体１の周縁部は本体７に設けた支持面１３と０リン
グ３によって決着支持され、圧電セラミック体に電圧を
印加すると圧電セラミック体が変位し、それによって、
弁体１が屈曲変位するものである。弁座２はガス流入口
５とガス流出口６との間で本体と一体に加工成形されて
いる。ここで、流量は弁座２の流路断面積と、上記屈曲
変位に伴う弁体、弁座間の隙間長さを乗じた体積値によ
って決定される。

ところで、この種の弁にはノーマリオープン型とノーマ
リクローズ型があり比較的小流量域（数ｌ／ｌｌｌ１ｎ
〜数百４！／ｌｌ１ｉｎ）のガス流量を制御している。

そして、ノーマリオーブン型では使用前に弁体・弁座間
の隙間を変えて、初期流量の設定を行う必要がある。

図中４はその為の調整ねじて強制的に弁体１の中央上部
を押圧してたわませて上記初期隙間の設定を行っていた
。ところが微小流！制御において〕弁体と弁座のシール
面の面平行度の良否カン、性能の良否を決定する要因の
一つとなる。この点、第３図の場合弁座２と本体７が一
体加工の為、弁座と弁体とのシール面牟行度は比較的容
易に達成できる。ところが弁体に外部から強制的な応力
がかかる為、第４図に示すように印加電圧に対する流量
値が一定でなくなり履歴が生じる。即ち、初期流量４０
００ｃｃ／ｍｉｎあった流量が電圧印加に伴って減少し
、電圧２００ｖで流量０となる。ところが再び電圧を下
げて流量を得ようとしても図示の通り流量が増加せず初
期設定位置において、およそ１６００　ｃｃ／ｌ１ｌｉ
ｎのずれが生じ、その流量特性の再現性に大きな影響を
与える。

一方、第５図に別の、圧電式流量制御弁の要部縦断面図
を示す。第３図と同様に弁体１は金属円板に圧電セラミ
ック体を貼り付けたもので、その周縁部は本７＊７とＯ
リング３によ、て挟着支持されており、弁体１の屈曲変
位が可能となっている。

ところで、ここでは初期流量の設定は図示の通り、本体
と別体ム構成した弁座部材２を調整ねじ４の進退に伴っ
て移動させて、弁体−弁座間の初期隙間の設定を行って
いた。

また、本体と弁座部材を別体で構成し、かつ、両者にね
じ螺合の関係を持たせ、直接弁座部材をねじ螺合によっ
て進退させ、初期隙間を設定するものもある。（実開昭
６０−７５７７６号公報参照）〔発明が一決しようとす
る問題点〕 しかしながら第５図の場合や実開昭６０−７５７７６号
に示された発明の場合は、第３図で示した機構と異なり
弁体には機械的な歪や応力が発生していない為、第６図
に示すようにその流量特性は比較的安定したものになる
。しかし、弁座と本体は機械的な嵌合や螺合によってい
るので、両者の間にすきま（０，１ｎ程度）が出来る。

その為、流体圧が負荷されると弁座に傾きが生じ、これ
により、弁体・弁座のシール面平行度が悪くなりよって
シール性が悪くなることが見出された。その為、第５図
中では、弾性体１０（厚さ０．５〜１．Ｑｎ＋程度）を
用いて、その傾きによるシール性の劣化を補償している
が、弾性体を厚くせざるをえないので、弾性体の復元に
遅れを生じ弁体の変位に対し機敏に応答できない。従っ
て第６図に示すように、微少流量設定時の流量特性に非
線形な特性が表れ、それがひいては再現性にまで影響を
与える。よってこのようなシール材は極薄いものが良い
。

本発明の目的は、上記の問題点を解決すべく、機械的履
歴が少なく、直線的な流量特性をもつ圧電式流量制御弁
を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、円板状金属薄板の少なくとも一方の面の中央
部に円板状圧電セラミック体を固着してなる弁体と、該
弁体の周縁部を支持するための支持面を具備する弁本体
と、前記弁体の中央部に対向するように配設された弁座
とを有する圧電式流量制御弁において、前記弁座は前記
弁本体に嵌合して形成し、該嵌合によるすきまを径で３
０μｍ以内にしたものである。

弁座と弁本体は、いわゆるすきまばめの関係にあって、
ＪＩＳ表示で言うＦ７／ｆｑによる穴基準のはめあいを
行うとよい。また、すきまが３０μｍ以内であると、弁
本体と弁座間の弾性体によるシール性を保ちつつ、弁体
・弁座間のシール面平行度にも悪影響を及ぼさない。こ
れ以上であると、平行度が１５μｍ以上ずれ、弾性体の
厚さが０．５１１程度必要となり初期の目的を達成する
ことができない。

〔実施例〕

本発明の圧電式流量制御弁の一実施例を第１図に示す。

ＰＺＴ系の圧電セラミック体１２　（φ１４ｗｅ、ｔ＝
ｏ、３ｉｍ）と、ステンレス製の薄板１４（φｌ　５ｗ
、　ｔ＝０．２ｍ５）を貼り合せた弁体ｌを弁本体７の
周縁支持面１３に配置し、０リング３を介して上ぶた１
５を固着し弁体１の周縁部を挟着支持している。また弁
体のもう一方の面には弁座開孔部の対向位置にテフロン
シール材９　（ｔ＝０．１關）を塗布している。

次に第７図及び第８図を用いて説明する。

弁本体７には、貫通孔７２が明けられており、その貫通
孔の上部７３はＪＩＳで言うＦ７精度の加工が施されて
おり、また中央部はガス流入口５とガス流出口６が接続
ロア４まで一体的に加工されている。一方弁座部材２の
上部２１はＪＩＳで言うｒｑ精度の加工が施されており
、０リング３１を介して、前記弁本体に最大２０〜３０
μｍのすきまをもって嵌合装着されている。また弁座部
材の上部側面２１と、同じく弁座部材の先端シール面の
面垂直度２２は５μｍ程度に保って形成されている。弁
座部材２は、その下部より調整ねじ４によって進退可能
となっており、調整ねしはＯリング３２を介して弁本体
に固着された下ぶた１６に螺合している。ばね８は弁座
部材を弾圧しており、弁座部材の位置精度の安定化を促
している。

以上の圧電式流量制御弁を用いてＮ２ガスの流量制御を
行った結果を第２図に示す。図の通り、機械的履歴が少
なく、かつ直線的な流量制御特性を示した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電セラミック体を用いた圧電式流量
制御弁において、弁本体と弁座の嵌合すきまを径で３０
．ｃｒｍ以内に規制したので、不充分であった機械的履
歴および低流量シール時の非直線を大幅に改善し、流量
特性の優れた圧電式流量制御弁を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流量制御弁や一実施例を示す要部
の縦断面図、第２図は本発明に係る一実施例の流量特性
図、第３図は従来の流量制御弁の要部の縦断面図、第４
図は第３図における流量制御弁の流量特性図、第５図は
従来の流量制御弁の要部の縦断面図、第６図は第５図に
おける流量制御弁の流量特性図、第７図は第１図におけ
る弁本体を示す縦断面図、第８図は第１図における弁座
を示す縦断面図である。 １：圧電素子、２：弁座、３：０リング、４：調整ねじ
、５：ガス流入口、６：ガス流出口、７：本体、８：ば
ね、９：テフロンシール、１０：弾性体。 −へ０寸−〇トの０へ一〇−Ｎ ｙ−ｖ−−（’）　（”ｋ 塞 印加電圧ｏ、ｃ、　［ｖ、１ 第２図 Ｕ］ 敢 へ −Ｎ（’Ｑ％Ｓ−〇さへｎ 印加電圧　Ｄ、Ｃ，（Ｖ） 第４図 −−ＮＣＱ寸−〇トｏへ− ｙ＋　ｙ＋　（”ｋ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円板状金属薄板の少なくとも一方の面の中央部に円板
   状圧電セラミック体を固着してなる弁体と、該弁体の周
   縁部を支持するための支持面を具備する弁本体と、前記
   弁体の中央部に対向するよう配設された弁座とを有する
   圧電式流量制御弁において、前記弁座は前記弁本体に嵌
   合して形成し、該嵌合によるすきまが径で３０μｍ以内
   であることを特徴とする圧電式流量制御弁。