JPH11264484A - カム作動弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 低流量・高精度ガス弁を自動的かつ電子的に
制御する方法を提供することにある。 【解決手段】 カムを駆動する電子制御型ステッパモー
タ１２を用いた、カム作動型弁の制御方法および装置。
ダイアフラム型低流量・高精度ダイアフラム弁が、カム
軸線２６から外れた位置に配置されている。トランスミ
ッションは、カムのリニア運動を弁ダイアフラム２２に
伝達する。トランスミッションには、弁および弁ダイア
フラム内の圧力により予荷重が作用しているため、高精
度が維持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体弁を電子的に
制御する方法および装置に関する。より詳細には、小流
量・高精度用途でのガス流弁を正確に制御する方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高精度・小流量の弁が種々の用途で使用
されている。このような用途としては、高圧ガスクロマ
トグラフィ、分留および半導体ウェーハの製造がある。
半導体ウェーハの製造では、今日の半導体製品を製造す
るエピタキシャルリアクタ内でのガス流管理に特有の問
題がある。当業者には良く知られているように、半導体
デバイス用シリコンウェーハは、一般に二酸化ケイ素か
ら製造される半導体ウェーハ基板から層状に作られる。
二酸化ケイ素が電界の存在下で電気を伝導する度合い
は、基板面に打ち込まれる「不純物」の量によって決定
される。これらの「不純物」は実際は必要な元素であ
り、これらの不純物の存在または不存在を入念に制御し
なくてはならない。また、半導体ウェーハ中に埋込まれ
る回路は、基板の頂部の層に蒸着させられる。最終メタ
ライゼーション層を含む引き続いて行なわれるエッチン
グおよび再蒸着工程によって、複雑な回路が半導体ウェ
ーハ中に埋込まれる。

【０００３】上記全ての蒸着工程は、一般に、エピタキ
シャルリアクタとして良く知られた高温オーブン内で化
学蒸着（ＣＶＤ）により行なわれる。あらゆる場合にお
いて、種々の層が、ガス状材料から蒸着により堆積され
る。蒸着を制御するため、そして、基板表面上に形成さ
れる層の成長をより正確に制御するためには、次の変
数、すなわちリアクタの温度、基板上を流れる選択ガス
の流量、および暴露時間を入念に制御しなければならな
い。上記工程を迅速かつ正確に達成できる度合いが、歩
留りを大幅に向上させ、これにより半導体製品の製造コ
ストが低減されることが良く知られている。本発明が開
発される前は、加圧シリンダのような適当なガス発生器
に連結された弁を回転させることにより、エピタキシャ
ルリアクタを通るガス流を手動で制御する必要があっ
た。オペレータの変動性を考慮する手動システムに固有
の不正確さに加え、ガス流弁を調節している間はエピタ
キシャルリアクタを「停止」しなければならないことも
知られている。時間を消費し、労働集約的で固有の変動
性をもつこの方法は、半導体製造業における非効率性の
１つの大きな原因である。

【０００４】したがって、上記欠点を解消するため、電
子制御すなわちコンピュータ制御で作動する高精度自動
ガス流量制御弁が要望されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低流
量・高精度ガス弁を自動的かつ電子的に制御する方法を
提供することにある。本発明のもう１つの目的は、高精
度・低流量のダイアフラム型ガス流弁を作動できる装置
を用いて上記目的を達成することにある。本発明のもう
１つの目的は、電子ステッパモータを従来の高精度・低
流量のダイアフラム型ガス流弁に連結するトランスミッ
ションを用いて上記目的を達成することにある。本発明
のさらにもう１つの目的は、ステッパモータをガス流弁
に連結するトランスミッションを調節する方法を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、リニア作動低
流量・高精度弁を用いたカム作動型弁を提供することに
より、これらの目的および下記説明から明らかになる他
の目的および長所を達成する。電子制御の回転装置が、
リニア作動弁を作動すべく配置されたカム面を備えた回
転カムを作動させる。回転装置は、コンピュータ制御に
よりまたは適当な手動制御装置を用いて電子的に作動さ
れる。本発明の好ましい実施形態では、トランスミッシ
ョンが、回転カムとリニア作動弁との間に介在される。
トランスミッションは、カムと接触する低摩擦支持面
と、弁を作動させる作用面とを形成する。トランスミッ
ションは、弁を作動すべくハウジング内で往復運動する
往復動ピストンまたはプランジャを有している。ハウジ
ングは、回転装置を弁と相互連結させるに使用される。
別の好ましい実施形態では、トランスミッションの調節
およびキャリブレーションを行なう機構が提供される。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１および図２には、本発明の原
理によるカム作動弁の全体が参照番号１０で示されてい
る。本発明は３つの主要部品、すなわち、電子制御ステ
ッパモータ１２と、全体を参照番号１４で示すトランス
ミッションと、好ましい実施形態でのダイアフラム低流
量・高精度弁１６とを有している。弁１６は、入口ポー
ト１８および出口ポート２０を有し、これらのポートに
は、それぞれ、ガス供給機器およびガス使用機器のホー
ス等に連結するための適当なカプラが設けられているの
が示されている。ガス使用機器としては、エピタキシャ
ルリアクタを含む種々の機器がある。弁１６は、ガスの
流れに対する弁内部の制限を制御する外部ダイアフラム
２２を有している。適当な弁として、日本で製造されか
つFujikin of America社（カリフォルニア州 サンタク
ララ）により販売されているダイアフラム弁Fujikin モ
デルFUDDFM-71G-6.35 がある。弁は、一般的には、５０
ポンド／平方インチの源圧力で毎分０〜３０標準リット
ルの流量範囲であるが、後述するように毎分３〜３０標
準リットルの範囲に調整されている。

【０００８】本発明１０は、モータハウジング２３内に
収容された電子ステッパモータ１２を使用して弁１６を
制御する。このモータ１２は、当業者に良く知られた方
法で、駆動軸線すなわちカム回転軸線２６の回りで回転
する駆動軸２４を有している。適当なモータとして、日
本で製造されかつかつOriental Motor USA社（カリフォ
ルニア州 サンタクララ）により販売されているステッ
プ２相ステッッピングモータモデルPH243M、200 があ
る。この形式のモータの作動は、当業者には良く知られ
ている。本願の開示の目的のためには、このようなモー
タは、コンピュータ電子制御または手動電子制御の下で
位置／失敗検出を目的のためモータ駆動軸２４に連結さ
れたロータリエンコーダ２７を備えたモータとして説明
すれば充分である。この形式のモータは、本件出願人の
所有する「リニア運動する微小位置決め装置および方
法」という名称の米国特許出願第08/544,309号において
完全に開示および説明されており、この米国特許出願を
本願に援用する。従って、当業者ならば、本願に開示さ
れた思想と矛盾することなく他の形式の回転駆動モータ
を使用できることがわかる。

【０００９】モータ１２の駆動軸２４にはキャップ２８
が設けられており、キャップ２８の前面にはカム面３０
が形成されている。キャップ２８は、嫌気性接着剤（Lo
ctite 635 Part Bonder)のような従来の接着剤で駆動軸
２４に接着されているのがよい。カム面３０は、カム回
転軸線を形成する軸線２６にほぼ垂直である。しかしな
がら、図６に示すように、カム面３０は回転軸線２６に
対して1.5 °だけ傾斜している。この面は実質的に平坦
であり、約１３０μｍの最大ピッチ３２（カム面の「下
端」と「上端」との間の距離）を呈している。キャップ
２８は、硬度Rc６２まで硬化されたＡ２工具鋼(tool st
eel)で作るのが好ましい。上記モータ１６は、カム面３
０の軸線方向移動量がモータの基準ステップ当たり約1.
3 μｍとなるような小さい角度増分でキャップ２８を移
動させることができる。

【００１０】モータ１６には、ボンネットすなわちトラ
ンスミッションハウジング４６を受け入れるためのねじ
付き円形開口４４を備えたアダプタ４０が設けられてい
る。トランスミッションハウジング４６の外面４７に
は、アダプタ４０のねじと螺合する協働ねじが設けられ
ている。外面４７のねじはLoctite のようなロッキング
剤で処理し、螺合が緩むことを防止するのが好ましい。
トランスミッションハウジングは第１内部キャビティ４
８を有し、このキャビティ４８は、ほぼ円筒状の形状お
よびカム回転軸線２６と一致する軸線を有している。第
１内部キャビティ４８の内径はキャップ２８の外径より
大きく、キャップ２８が自由に回転できるように構成さ
れている。トランスミッションハウジング４６はまた第
２内部キャビティ５０を形成し、このキャビティ５０
も、ほぼ円筒状の内部形状および弁作動軸線５２とほぼ
一致する軸線を有している。弁作動軸線５２は、弁ダイ
アフラム２２に対してほぼ垂直でありかつダイアフラム
に力を付与することを意図した方向にある。第１および
第２キャビティの軸線はほぼ平行であるが、後述する目
的のため、参照番号５４で示すように約0.10インチだけ
オフセットしている。

【００１１】第２内部キャビティ５０は、往復運動可能
なプランジャすなわちピストン５６を受け入れ、このピ
ストン５６の遠位端にはダイアフラム２２と接触する作
用面５８が設けられている。ピストンの他端には、ボー
ルベアリング６２を受け入れるためのテーパ状ボア６０
が設けられている。ボールベアリング６２は、好ましく
は硬質クロムめっき鋼から作られかつ0.25インチの直径
を有している。ボールベアリングは、ピストン５６に固
定されるように、圧嵌めによりテーパ状ボア６０内に受
け入れられる。ボア６０の直径は、摩擦嵌めされるよう
に、ボールベアリングの直径より僅かに小さいのが好ま
しい。また、トランスミッションハウジング４６にはね
じ付きカラー６４が設けられており、このカラー６４
は、トランスミッションハウジング４６の半径方向に延
びた周方向リップ６８と係合する、半径方向内方に延び
たフランジ６６を有している。カラー６４は、弁１６の
対応するねじと螺合し、ハウジングを圧縮により弁に対
して保持する。カラー６４は、トランスミッション１４
に適正な予荷重を付与しかつ弁１６に対してダイアフラ
ム２２をシールするため、５２フィート−ポンド（７０
N-m)のトルクまで締められるのが好ましい。

【００１２】図２から明らかなように、ボールベアリン
グ６２は、接触点７０でカム面３０の外周部と接触して
いる。カム面３０は、約0.280 インチ（約7.2mm)の外径
を有している。接触点７０は、カムの回転軸線２６から
約0.10インチ（約2.54mm）半径方向に変位している。従
って、参照番号７２で示す方向に駆動軸２４を１８０°
回転させると、ボールベアリング６２およびピストン５
６が図２の位置から上方に移動される。駆動軸２４を１
８０°を超えて回転させると、ベアリング６０は下方に
移動し始める。このように、ピストン５６の作用端５８
は、駆動軸２４の回転方向および回転度合いに従って、
ダイアフラム２２を押圧しまたは押圧力を低下させる。
カム面３０の回転により、ダイアフラム２２を最大撓み
量で移動させるのに必要なことは駆動軸２４を１８０°
回転させることだけであることは、当業者には明らかで
あろう。ダイアフラム２２の応力を最小にするには、ピ
ストンの作用面５８は、0.984 インチ（約25mm）の曲率
半径をもつ球形であるのが好ましい。上記開示に従って
構成された本発明の実施形態を使った試験では、カム面
３０の約１３０μｍに亘るリニア変位により、弁１６が
リニア態様で実質的に開閉することが実証されている。
上記本発明はモータの基準ステップ当たり約1.3 μｍの
分解能（resolution) を有することを考慮すると、弁１
６を制御するとき高い精度が得られる。コンピュータ制
御の下で予測できかつ反復できる態様で、弁１６の作動
を全体的に自動化するように本発明の原理に従がう弁１
６を操作することが可能であることがわかる。弁内の圧
力およびダイアフラム２２内のばね荷重がトランスミッ
ション１４に予荷重を付与するため、本発明の精度およ
び反復可能性が維持される。

【００１３】図３には別の実施形態によるトランスミッ
ション１４′が示されている。この実施形態では、調節
カム８２を受け入れるための半径方向を向いた孔８０が
アダプタ４０′に設けられている。調節カム８２は、溝
付き頭部８４と、偏心した長手方向シャンク８６とを有
している。シャンク８６は、トランスミッションハウジ
ング１４′のボア８８内に受け入れられるように構成さ
れている。また、トランスミッションハウジングの外面
４７′は、アダプタの接触内面と同様に、滑らかでかつ
ねじが形成されていない。この変形例の構造の目的は、
ロータリエンコーダ２７からの割出しパルスを、弁１６
を通る所定のガス流量と相関付けることである。これを
行なうため、２つの主要な段階がある。第１に、カム面
３０上の高点をエンコーダ割出しパルスと相関付ける必
要がある。カム面上の高点は、弁ダイアフラム２２を最
小流量位置に押圧するカム面上の点として定められる。
第２に、エンコーダ２７とカム２８との間の既知の相対
位置にある弁を介して所望の流量が達成されるように、
トランスミッション１４をアダプタ４０′に対して位置
決めしなければならない。

【００１４】第１段階は、外部の加工基準面に対してカ
ムを割り出すためにカム面３０に垂直な機械加工表面９
０を、カム２８に位置決めすることにより達成される。
このようにして、カム面上の高点は、同じ加工基準面上
の外界に対して既知の角度位置に位置決めされる。次
に、モータ１２およびエンコーダ２７が（ロータリエン
コーダ２７の割出しパルスにより求められる）割出し位
置まで電子的に駆動される。次に、モータ１２およびエ
ンコーダ２７がカムの加工基準面に対して角度方向（回
転方向）に配向される。この操作の結果は、カム面上の
高点およびエンコーダ割出しパルスが、これらの間に既
知角度方向の配きをもつようになることである。最後
に、カムは、その角度位置を変えることなくモータ軸に
接合される。第２段階は、アダプタ４０′に対するトラ
ンスミッション１４′の長手方向位置を、弁に固定する
ことにより達成される。これは、トランスミッション上
で（モータが取付けられている）アダプタを摺動させる
ことにより行なわれる。かくして、カム／モータ組立体
は、カム面３０の高点がボールベアリング６２の中心線
と同軸になるように角度的に配向される。次に、調節カ
ム８２がアダプタの孔８０に挿入されかつトランスミッ
ション取付け孔９２内に支承される。スロット付きヘッ
ド８４を時計回り方向または反時計回り方向に回転させ
ることにより、モータ／カム組立体が弁２２およびトラ
ンスミッション１４′に対して並進される。カム面３０
がボール６２と接触しているとき、調節カムを回転させ
ると、弁２２が開かれまたは閉じられる。次に、弁が、
ガス流量計に連結されたガス源に取り付けられ、所望の
流量が得られるまで調節カムが回転される。カムの高点
は既にボール６２と接触しているため、この流量は弁が
達成できる最小流量である。ひとたび所定位置に設定さ
れると、アダプタ４０とトランスミッション１４の外面
４７との間の嫌気性接着剤がこの調節位置を永久的に固
定する。モータ１２（従って、カム２８）を時計回り方
向または反時計回り方向に回転させると、ボール６２が
カム面３０の高点から移動するため、弁２２が開かれ
る。

【００１５】当業者ならば、好ましい実施形態に関して
上述した原理を利用して、他の実施形態を考えることが
できるであろう。例えば、好ましい実施形態はカムの回
転軸線２６に対してほぼ垂直（垂直から1.5 °だけオフ
セットしている）なカム面を開示しているが、当業者な
らば、モータ１２および駆動軸の軸線を図２の平面内に
（または該平面から）９０°回転させることにより、カ
ム面がカム回転軸線２６に対してほぼ平行になる構成を
考えることができよう。従って、本発明の範囲は上記開
示に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に
よってのみ限定すべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の環境図である。

【図２】図１に示す好ましい実施形態の作動部品を示す
拡大部分側面図である。

【図３】本発明のトランスミッションハウジングの別の
実施形態を示す拡大部分側面図である。

【図４】図３の４−４線に沿う断面図である。

【図５】別の好ましい実施形態を示す分解側面図であ
る。

【図６】本発明のカムを示す拡大側面図である。

【符号の説明】

１０ カム作動弁 １２ ステッパモータ １４ トランスミッション １６ ダイアフラム型低流量・高精度弁 ２２ ダイアフラム ２４ モータ駆動軸 ２６ 駆動軸線（カム回転軸線） ２８ キャップ ３０ カム面 ６２ ボールベアリング（ボール）

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ほぼ垂直な弁作動軸線を形成する弁作動
   面を備えたリニア作動型弁と、 カム回転軸線を形成しかつ前記弁作動面を押圧するよう
   に位置決めされたカム面を有する回転可能なカムと、を
   備え、前記カム面は、前記カム回転軸線に対してほぼ垂
   直に配向されたほぼ平らな表面を形成しており、更に、 前記カムを前記カム回転軸線の回りで３６０°より小さ
   い角度で回転させる回転手段とを有することを特徴とす
   るカム作動型弁。
2. 【請求項２】 前記ほぼ平らな表面が前記カム回転軸線
   に対する垂線から約1.5 °だけオフセットされており、
   前記カム面の最大全移動量が約１３０μｍであることを
   特徴とする請求項１に記載のカム作動型弁。
3. 【請求項３】 前記弁作動軸線およびカム回転軸線が互
   いに平行でかつオフセットしていることを特徴とする請
   求項１に記載のカム作動型弁。
4. 【請求項４】 前記カム面と弁作動面との間に介在され
   たトランスミッションを有することを特徴とする請求項
   １に記載のカム作動型弁。
5. 【請求項５】 前記トランスミッションはカム面と接触
   しているベアリングを有し、該ベアリングは往復運動可
   能なピストン内に受け入れられ、該ピストンは、弁作用
   面と接触しているピストンの作用面を位置決めするガイ
   ド手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の
   カム作動型弁。
6. 【請求項６】 前記ベアリングはボールベアリングであ
   り、ピストンおよびボールベアリングが、作動軸線と一
   致する作用軸線を形成することを特徴とする請求項５に
   記載のカム作動型弁。
7. 【請求項７】 前記作用面は球形の一部であることを特
   徴とする請求項５に記載のカム作動型弁。
8. 【請求項８】 前記回転手段は、電子エンコーディング
   ステッパモータであることを特徴とする請求項９に記載
   のカム作動型弁。
9. 【請求項９】 前記回転手段に対してトランスミッショ
   ンの長手方向位置を調節する長手方向調節手段を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載のカム作動型弁。
10. 【請求項１０】 ほぼ垂直な弁作動軸線を形成する弁作
    動面を備えたリニア作動型弁と、 前記弁作動軸線に対してほぼ平行でかつ弁作動軸線から
    オフセットしているカム回転軸線を形成する回転可能な
    カムとを有し、該カムは前記カム回転軸線に対してほぼ
    垂直なカム面を備え、該カム面は、これと弁作動面との
    間に介在されたトランスミッションを介して前記弁作動
    面を押圧するように位置決めされており、 カムをカム回転軸線の回りで３６０°より小さい角度で
    回転させる回転手段を更に有することを特徴とするカム
    作動型弁。
11. 【請求項１１】 前記カム面はカム軸線に対する垂線か
    ら約1.5 °だけオフセットされており、カム面の最大全
    移動量が約１３０μｍであることを特徴とする請求項１
    ０に記載のカム作動型弁。
12. 【請求項１２】 前記トランスミッションはカム面と接
    触しているボールベアリングを有し、該ボールベアリン
    グは往復運動可能なピストン内に受け入れられ、該ピス
    トンは、弁作動面と接触しているピストンの湾曲作用面
    を位置決めするガイド手段を備えていることを特徴とす
    る請求項１０に記載のカム作動型弁。
13. 【請求項１３】 前記回転手段に対してトランスミッシ
    ョンの長手方向位置を調節する長手方向調節手段を有す
    ることを特徴とする請求項１２に記載のカム作動型弁。