JPH10318385A - 金属ダイアフラム式流量調節弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】全閉時の締め切り性能の良い金属ダイアフラム
式流量調節弁で、小さな力で大きな変位の取れるものを
提供する。 【解決手段】シート４２と、このシート４２に直接接離
する金属ダイアフラム７と、この金属ダイアフラム７を
駆動するための駆動源２１とを有する金属ダイアフラム
式流量調節弁において、前記金属ダイアフラム７のシー
ト４２と当接する部分の周辺部外側に弾性変形部分７１
があるとともに、そのシート４２と当接する部分７２
は、ここに金属ダイアフラム７と同材質の板を複数枚貼
り付けるなどして周辺部よりも剛性を高めたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体や液晶など
の製造装置に用いるガス等を精密に流量調節するのに用
いる流量調節弁に関するもので、特に弁として金属製の
ダイアフラム（以下、金属ダイアフラムという。）を用
いるもので全閉時の締め切り性能に優れた金属ダイアフ
ラム式流量調節弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】弁として金属ダイアフラムを用いる流量
調節弁は、弁自体にばね機能が付いているのでノーマリ
ーオープンでもノーマリークローズであっても、簡便な
構造をしており取り扱いに便利なものである。金属ダイ
アフラムを弁として用いている場合、その反対側に駆動
源として電磁ソレノイドあるいは積層圧電体等が用いら
れている。このような駆動源では印加する電圧に比例し
た変位が取れるので、流量を調節しやすいものである。

【０００３】図３に金属ダイアフラム式流量調節弁を備
えたマスフローコントローラの一例を断面図で、またそ
のバルブ部２の拡大した断面図を図４に示している。こ
こで、１はセンサー部で主流路から分岐した細い導管の
上流側と下流側に電熱線コイルが巻かれていて、ガス
（以下ガスを例に説明する。）の質量流量を計測するよ
うになっている。２はバルブ部で弁室５を覆っている金
属ダイアフラム６の上部にダイアフラムスペーサー５
１、その上に鋼球５２を介して駆動源２１が設けられて
おり、駆動源２１の伸び縮みに応じて、金属ダイアフラ
ム６が上下動して移動させられる。３はブロック状の金
属製バルブ本体で、その空洞３１内に金属製あるいは樹
脂製のシートブロック４が嵌入組み立てられている。

【０００４】ブロック状のバルブ本体３はその端部に流
入口３２と流出口３４を持っており、空洞３１と流入口
３２とを結んでいる流入側通路３３と、空洞３１と流出
口３４とを結んでいる流出側通路３５とがこの図では水
平に直線的に設けられている。流入側通路３３内にはセ
ンサー部１の細い導管と分岐した流路に、前記細い導管
と同じ導管を所定数詰めたバイパス３３１が設けられて
いて、センサー部の細い導管内を流れるガスとバイパス
３３１を流れるガスの流量が所定の比率になるようにな
っている。

【０００５】シートブロック４の弁室５に臨んでいる面
に流入側通路の開口４１が設けられており、この開口４
１からシートブロック４の中央を通って前記の水平に設
けられた流入側通路３３とを連絡する流入側通路４３が
設けられている。弁室５に臨んでいる開口４１の周囲は
シート４２を形成しており、シート４２の周囲に開口４
１と同心円状に流出側開口４４が形成されている。そし
て、この流出側開口４４の底面の一部に垂直方向の流路
が設けられ、流出側通路３５と連絡している。

【０００６】金属ダイアフラム６は、ばね材等でできた
円板状で、図３、図４に示すように外周辺部で挟持さ
れ、その内周側に環状の弾性変形部分６１が形成されて
おり、その内側の金属ダイアフラムの略中央部分にシー
トと当接する部分６２がある。金属ダイアフラム６がシ
ート４２から乖離したときに、金属ダイアフラム６とシ
ート４２の間隙からガスが流れる。また、金属ダイアフ
ラム６は中央部分の周辺外側に弾性変形する弾性変形部
分６１を設け自己の弾性力で復元する自己弾性復元力を
有している。駆動源２１に電圧を掛けることによって金
属ダイアフラム６は駆動源とともに動くので、シート４
２と金属ダイアフラム６との間隙を変化させることがで
き流れるガスの流量を調整することができる。

【０００７】駆動源２１として、電磁ソレノイドが用い
られた場合、それに印加する電圧に応じて流れる電流が
変わるので電磁ソレノイドの変位が変わる。また、駆動
源２１として、積層圧電体素子が用いられた場合、それ
に印加する電圧によって積層圧電体素子の変位が変わ
る。この印加する電圧と変位は図５に示すように一次の
関係にあるが同時に荷重のパラメーターでもある。この
ために、駆動源にある荷重が掛かっているときの変位は
一次で示されるが、加わる荷重が大きくなると同じ変位
を得るのにより大きな電圧をかける必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】金属ダイアフラム６
は、駆動源２１で押したときに変位するが、そのとき周
辺の環状の弾性変形部分６１で主に変形をする。ところ
が、現実には金属ダイアフラム６の中央部分も変形して
中央が突出した弧状の変位（図４参照）も起こることが
わかった。

【０００９】金属ダイアフラム６と駆動源２１の間に平
板状のダイアフラムスペーサー５１をかませている場合
でもダイアフラムスペーサー５１の周縁部は金属ダイア
フラム６に当接するが、金属ダイアフラム６の中央は、
依然凸状に突出した弧状に変形し、ダイアフラムスペー
サー５１から浮いたような状態になる。このようになっ
た金属ダイアフラム６をシート４２に当接させて全閉さ
せようとすると、金属ダイアフラム６の一部分がまずシ
ート４２にあたり、さらに駆動源２１から金属ダイアフ
ラム６に力が加わると、金属ダイアフラム６はシート４
２の形に習って変形する。このときシート面に傷が付く
ことがありこれが漏れの原因となる。

【００１０】またダイアフラム６を通常の変位をさせる
のに必要な力よりも大きな力が必要となる。例えば通常
６０Ｋｇの力で変位させるものであっても、金属ダイア
フラム６をシート４２に完全に密着させるには８０Ｋｇ
程度の力がかかって初めて密着シールするということに
なる。このように駆動源にかかる力が６０Ｋｇから８０
Ｋｇに増える間、金属ダイアフラム６の正常な変位はな
く、シートに習った変形をするだけである。すなわち、
変位と電圧の関係を示した図５によると、当初積層圧電
体素子は６０Ｋｇの荷重の関係線の上で駆動して、ＤＣ
１１０Ｖの電圧が印加されると２４μｍの変位をし、こ
こで金属ダイアフラムはシートに当たるが、さらに締め
切るためにそこから印加する電圧をＤＣ１５０Ｖになる
まで上げる。しかし、このとき金属ダイアフラムはシー
トに習って変形するだけで荷重は８０Ｋｇまで増えるが
金属ダイアフラムは変位しない。

【００１１】例えば６０Ｋｇの荷重で変位する金属ダイ
アフラムを用いたとき、その変位荷重のままかそれより
も少し大きな荷重で、金属ダイアフラムがシートを密封
的に締め切って良好なシール性能を得ることができるの
であれば、上記の例では３２μｍの変位まで利用するこ
とができる。即ちその変位量の差分だけ全開時の流量を
多くすることができる。しかもこのときの荷重は少なく
て済む。

【００１２】そこで、本発明は少ない荷重で、しかも全
閉時の締め切り性能に優れ、大きな変位が取れて大流量
を流すことが出来る金属ダイアフラム式流量調節弁を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、シートと、こ
のシートに直接接離（当接と離間）する金属ダイアフラ
ムと、この金属ダイアフラムを駆動するための駆動源と
を有する金属ダイアフラム式流量調節弁において、前記
金属ダイアフラムは、シートと当接する部分の周辺部外
側に弾性変形部分があるとともに、そのシートと当接す
る部分は周辺部よりも剛性を高めた金属ダイアフラム式
流量調節弁である。

【００１４】上記シートと当接する部分は周辺部よりも
厚くなっている、あるいは周辺部よりも硬くなっている
ことによって剛性を高めることができる。また、そのシ
ートと当接する部分の面（シート面）あるいはこの面と
は反対側の面に、金属ダイアフラムと同じ材質の板、あ
るいはこの金属ダイアフラムと近似した熱膨張係数を持
つ材質の板を貼り付けることによって剛性を高めること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の金属ダイアフラム式流量
調節弁を図１、２、３を参照しながら説明する。図３は
本発明の金属ダイアフラム式流量調節弁の一実施例の断
面図でマスフローコントローラの構成について従来例の
説明に用いた図面と同じであるがここでは金属ダイアフ
ラムの参照番号を７と読み替える。このように本発明の
金属ダイアフラム式流量調節弁はマスフローコントロー
ラの質量流量調節弁に適している。図１はそのバルブ部
の拡大断面図であり、図２は本発明に使用することので
きる金属ダイアフラムの一例の断面図である。ここで従
来例（図４）と同じ部品は同じ参照番号で示しその説明
は省略する。

【００１６】ここで使用している金属ダイアフラム７
は、金属ダイアフラムの上側の面（シート面ではない
面）にこの金属ダイアフラムと同じ材料の板を、環状で
断面半円形の弾性変形部分７１の内側にスポット溶接を
して貼り付けている。まず金属ダイアフラム７として
は、例えば厚さ０．０５ｍｍのＣｏ基合金やＮｉ- Ｃｏ
合金からなる高弾性材料の合金板を３枚重ね、環状の弾
性変形部分７１を金型で成形して作製する。尚、これは
別々に成形した金属ダイアフラムを重ねるようにしても
良い。次ぎに金属ダイアフラム７の環状弾性変形部分７
１の内径の部分に入り込む直径をした同材質の円形板７
３（０．０５ｍｍ厚さ）を５枚用意し、それらを金属ダ
イアフラムの弾性変形部分７１の内側に積み重ね、その
中央部の円周均等に８ヶ所、その外側周辺部に同じく円
周均等に８ヶ所の合計１６ヶ所スポット溶接をして一体
の金属ダイアフラム７としたものである。尚、ここでス
ポット溶接に限ることはなく、電子ビーム溶接等の融接
式の溶接や抵抗溶接等の圧接式の溶接を場合によっては
用いても良い。あるいは接着剤によって貼り付けること
もできる。以上により板を貼り合わせている部分の一方
の面にダイアフラムスペーサー５１等が乗り、他方の面
がシート４２と当接する部分（シート面）７２であり、
これらの部分は周辺部よりも剛性が高くなっている。

【００１７】このようにシート４２と当接する部分７２
を厚くして剛性を上げた金属ダイアフラム７を用いるこ
とによって、駆動源２１によってダイアフラムスペーサ
ー５１を介して金属ダイアフラム７の中央部分が押され
たとき、この金属ダイアフラム７の中央部分は、中央が
突出した弧状に変形しないで平坦なまま、金属ダイアフ
ラム全体を下方に引っ張るように作用し金属ダイアフラ
ム７の周辺部の環状弾性変形部分７１のみが変形するこ
とになる。さらに、駆動源の変位が大きくなっても金属
ダイアフラム７の中央部分７２は変形することなく周辺
部の環状弾性変形部分７１の変形が大きくなっていき平
坦な面を保ったままシート４２に当接する。よってシー
ト４２に当接した後は、金属ダイアフラムを変形させる
ことはなく、例えば６０Ｋｇの荷重の金属ダイアフラム
を使用した場合でも、その荷重でシートに金属ダイアフ
ラムを正常に密着させ優れた締め切りシール性能を得る
ことができる。

【００１８】このように金属ダイアフラムをシートに密
着させるときに大きな荷重をかける必要がないので、当
初の荷重で可能なだけ大きな変位を得ることができる。
例えば、ＤＣ１５０Ｖの印加電圧で得られる最大の変位
である３２μｍまでの変位を使うことができ、それだけ
大流量を流すことが出来る。また、金属ダイアフラムの
中央部分、即ちシートと当接する部分は、シート面に対
して平坦で且つ平行度を保ったまま上下動するので、よ
り精密な流量調節を行うことができる。

【００１９】上記実施例において用いた金属ダイアフラ
ム及び板の材質は、重量％でＮｉ１３〜１８％、Ｃｒ１
８〜２３％、Ｍｏ５〜９％、Ｃｏ３８〜４４％、残部Ｆ
ｅおよび不純物からなるＮｉ−Ｃｏ合金であったがこれ
に限定されることはなく、ばね性のある高弾性材料であ
れば良いし、その方が望ましい。また上記では複数枚の
薄板を用いて貼り合わせたが、厚目の板を一枚あるいは
数枚貼り付けても良い。また板の材質は金属ダイアフラ
ムと同じであることが望ましいが、熱膨張係数が近似し
たものであれば剥離したりする可能性が低い。例えば上
記実施例の金属ダイアフラムの熱膨張係数は１２．７×
１０^-6／℃であるが、これが同じ桁内であれば良い。次
ぎに板を貼り付けない場合は、切削加工による機械的な
手段やエッチングによる化学的な手段によって図２に示
すような金属ダイアフラムに製作しても良い。また部分
的に熱処理をすることで周辺よりも中央部を硬くし剛性
のバランスをとって実施することもできる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の金属ダイ
アフラム式流量調節弁は、駆動源の能力一杯までの変位
を利用することができるので大流量の流量調節弁を提供
することができる。さらに不要に大きな荷重を駆動源や
ダイアフラム／シートなどに掛けることなく、良好な締
め切りシール性能を得ることができ、しかもその寿命も
長くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属ダイアフラム式流量調節弁の一実
施例のバルブ部の拡大断面図である。

【図２】本発明の金属ダイアフラム式流量調節弁に使用
することのできる金属ダイアフラムの一例の断面図であ
る。

【図３】金属ダイアフラム式流量調節弁の断面図であ
る。尚、図面上はマスフローコントローラも含んでい
る。

【図４】従来の金属ダイアフラム式流量調節弁の一例を
示すバルブ部の拡大断面図である。

【図５】金属ダイアフラムの変位と電圧の関係を示す説
明図である。

【符号の説明】

１ センサー部 ２ バルブ部 ２１ 積層圧電体素子（駆動源） ３ バルブ本体 ３１ 空洞 ３２ 流入口 ３３ 流入側通路 ３３１ バイパス ３４ 流出口 ３５ 流出側通路 ４ シートブロック ４１ 流入側通路の開口 ４２ シート ４３ 流入側通路 ４４ 流出側開口 ５ 弁室 ５１ ダイアフラムスペーサー ５２ 鋼球 ６、７ 金属ダイアフラム ６１、７１ 弾性変形部分 ６２、７２ シートと当接する部分 ７３ 貼り付けている板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シートと、このシートに直接接離する金
   属ダイアフラムと、この金属ダイアフラムを駆動するた
   めの駆動源とを有する金属ダイアフラム式流量調節弁に
   おいて、前記金属ダイアフラムは、前記シートと当接す
   る部分の周辺部外側に弾性変形部分があるとともに、そ
   のシートと当接する部分は周辺部よりも剛性を高めたも
   のであることを特徴とする金属ダイアフラム式流量調節
   弁。
2. 【請求項２】 そのシートと当接する部分は周辺部より
   も厚くなっていることを特徴とする請求項１記載の金属
   ダイアフラム式流量調節弁。
3. 【請求項３】 そのシートと当接する部分は周辺部より
   も硬くなっていることを特徴とする請求項１記載の金属
   ダイアフラム式流量調節弁。
4. 【請求項４】 そのシートと当接する部分の面あるいは
   この面とは反対側の面に、金属ダイアフラムと同じ材質
   の板を貼り付けていることを特徴とする請求項１または
   ２記載の金属ダイアフラム式流量調節弁。
5. 【請求項５】 そのシートと当接する部分の面あるいは
   この面とは反対側の面に、金属ダイアフラムと近似した
   熱膨張係数を持つ材質の板を貼り付けていることを特徴
   とする請求項１または２記載の金属ダイアフラム式流量
   調節弁。