JPWO2018221398A1 - バルブ装置および流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化されるとともに、曲げモーメントに対する耐力が改善したバルブ装置を提供する。【解決手段】ブロック状のバルブボディ（３０）と、流路を開閉する弁体を駆動する駆動機構を内蔵するとともにバルブボディ（３０）に接続されて当該バルブボディ（３０）の上面（３０ｔ）から上方に向けて延在する筒状のケーシング（１１）と、筒状のケーシング（１１）とバルブボディ（３０）とに当接し、ケーシング（１０）に外力として曲げモーメントが作用した際のケーシング（１０）の根元部分に位置するケーシング部材（１２）とバルブボディ（３０）との間に生じる応力集中を抑制するための保護部材（５０）とを有する。

Description

本発明は、バルブ装置およびこのバルブ装置を含む流体機器が集積化された流体制御装置に関する。

例えば、半導体製造装置等のチャンバへ各種のプロセスガスを供給するために使用される流体制御装置としては、下記の引用文献１等に開示されたものが知られている。

特開２０１５−１７５５０２号公報

上記のような流体制御装置の分野においては、プロセスガスの供給制御により高い応答性が求められており、このためには流体制御装置をできるだけ小型化、集積化して、流体の供給先であるチャンバのより近くに設置する必要がある。
また、半導体ウエハの大口径化等の処理対象物の大型化が進んでおり、これに合わせて流体制御装置からチャンバ内へ供給する流体の供給流量も増加あるいは維持させる必要がある。
このため、上記のような流体制御装置に用いるバルブ装置では、ブロック状のバルブボディの寸法や、バルブボディ上に設置される弁体を駆動する駆動機構を内蔵するケーシングの外径がますます縮小されている。一方で、流量を確保するためには、バルブを開閉する際のダイヤフラム等の弁体のリフト量を確保する必要等の理由から、バルブ装置は全体的に細長くなる。
バルブ装置が小型化されて相対的に細長くなると、オペレータの接触などによりバルブ装置に曲げモーメントが作用した際に、バルブボディとケーシングとの接続部に集中する応力が過大となりやすいという問題がある。

本発明の一の目的は、小型化されるとともに、曲げモーメントに対する耐力が改善したバルブ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のバルブ装置を含む小型化、集積化された流体制御装置を提供することにある。

本発明のバルブ装置は、対向する底面及び上面を画定するとともに流体流路を画定するブロック状のバルブボディと、
前記流路を開閉する弁体を駆動する駆動機構を内蔵するとともに、前記バルブボディに接続されて当該バルブボディの上面から上方に向けて延在する筒状のケーシングと、
前記ケーシングと前記バルブボディとのに当接し、前記ケーシングに外力として曲げモーメントが作用した際の前記ケーシングの根元部分と前記バルブボディとの間に生じる応力集中を抑制するための保護部材と、を有することを特徴とする。

好適には、前記保護部材は、前記ケーシングの根元部分の外周に固定される環状部材を有し、
前記環状部材は、前記ケーシングの根元部分の外周に固定されつつ前記バルブボディの上面に当接する当接端面を有する、構成を採用できる。
さらに好適には、前記ケーシングの外周にはねじ部が形成され、
前記ケーシングは、前記バルブボディに形成されたねじ穴に螺合することにより、前記バルブボディに接続され、
前記環状部材は、前記ケーシングのねじ部へ螺合する、構成を採用できる。

代替的には、前記保護部材は、前記接続部に隣接する前記ケーシングの根元部分の外周に嵌合する嵌合部と、前記バルブボディの上面に固定可能な固定部とを有する、構成を採用できる。

本発明の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、上記構成のバルブ装置を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ケーシングとバルブボディとの間に保護部材を設けることで、小型化されて相対的に細長く構成されるバルブ装置の曲げモーメントに対する耐力を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るバルブ装置の正面図。 図１Ａのバルブ装置の上面図。 図１Ａのバルブ装置の底面図。 図１Ａの流体制御装置の一部を抽出した組立体の外観斜視図。 図１Ａのバルブ装置から保護部材を取り外した状態の図。 本発明の一実施形態に係る保護部材の上面図。 図３Ａの３Ｃ−３Ｃ線の断面図 保護部材の作用を説明するための要部拡大図。 保護部材の取付け工程について示す図。 保護部材の取付け工程について示す図。 治具の斜視図。 図７Ａの治具の平面図。 図７Ａの治具の正面図。 本発明の他の実施形態に係るバルブ装置の断面を含む正面図。 本発明の他の実施形態に係る保護部材の上面図。 図９Ａの６Ｂ−６Ｂ線の断面図。 本発明が適用される流体制御装置の一例を示す斜視図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
先ず、図１０を参照して、本発明が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図１０に示す流体制御装置は、金属製のベースプレートＢＳ上には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる５本のレール部材５００が設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。各レール部材５００には、複数の流路ブロック２００を介して各種流体機器１１０Ａ〜１１０Ｅが設置され、複数の流路ブロック２００によって、上流側から下流側に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）１１０Ａ、レギュレータ１１０Ｂ、プレッシャーゲージ１１０Ｃ、開閉弁（３方弁）１１０Ｄ、マスフローコントローラ１１０Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管３１０は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
流体機器を小型化、集積化していくと、図１０から分かるように、全体的に細長く形成される。

本発明は、上記した開閉弁１１０Ａ、１１０Ｄ、レギュレータ１１０Ｂ等の種々のバルブ装置に適用可能であるが、本実施形態では、開閉弁に適用する場合を例に挙げて説明する。
図１Ａ〜図１Ｄは本発明の一実施形態に係るバルブ装置を示す図、図２は図１Ａのバルブ装置から保護部材を取り外した状態の図、図３Ａ，３Ｂは保護部材の構造を示す図、図４は保護部材の作用を説明するための図である。
バルブ装置１は、ケーシング１０と、バルブボディ３０と、保護部材５０とを有する。なお、図中の矢印Ａ１，Ａ２は上下方向であってＡ1が上方向、Ａ２が下方向を示すものとする。矢印Ｂ１，Ｂ２は、バルブ装置１のバルブボディ３０の長手方向であって、Ｂ１が一端側、Ｂ２が他端側を示すものとする。Ｃ１，Ｃ２は、バルブボディ３０の長手方向Ｂ１，Ｂ２に直交する幅方向を示し、Ｃ１が前面側、Ｃ２が背面側を示すものとする。

バルブボディ３０は、ブロック状に形成され、その底面３０ｂで開口するガス等の流路３１，３２を画定している。流路３１，３２の底面３０ｂにおける開口の周囲には、図示しないシール部材を保持する凹状の保持部３１ａ，３２ａが形成されている。流路３１，３２は、バルブボディ３０の上側部に形成された弁室で互いに連通している。
図１Ａ，１Ｂに示すように、バルブボディ３０は、上面視において、長方形状を有し、バルブボディ３０の上面は、ケーシング１０が設けられる最も高い位置ある上面３０ｔ、上面３０ｔよりも下方向Ａ２に位置する上面３０ｔ１、上面３０ｔ１よりもさらに下方向Ａ２に位置する上面３０ｔ２から構成され、段差を有する構造となっている。貫通孔３０ｈは、長手方向Ｂ１，Ｂ２の一端側および他端側の両方において、上面３０ｔ２から底面３０ｂに向けて形成されている。貫通孔３０ｈは、図１０に示したような流路ブロック２００上にバルブボディ３０を固定するための締結ボルトが挿入される。
図１Ｃから分かるように、ケーシング１０および保護部材５０の外輪郭は、上面視において、前記バルブボディの上面の内に収まっている。

バルブシート４１は、図１Ｄに示すように、バルブボディ３０の弁室内の流路３１の周囲に設けられている。バルブシート４１は、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂で弾性変形可能に形成されている。
ダイヤフラム４０は、弁体として機能し、バルブシート４１よりも大きな直径を有し、ステンレス、ＮｉＣｏ系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。ダイヤフラム４０は、押えアダプタ４２を介して後述するケーシング部材１２の下端面によりバルブボディ３０に向けて押し付けられることによりバルブシート４１に対して当接離隔可能にバルブボディ３０に支持されている。
図１Ｄにおいて、ダイヤフラム４０はダイヤフラム押え１６により押圧されて弾性変形し、バルブシート４１に押し付けられている状態にある。ダイヤフラム押え１６による押圧を開放すると、球殻状に復元する。ダイヤフラム４０がバルブシート４１に押し付けられている状態では、流路３１が閉鎖され、ダイヤフラム押え１６が上方向Ａ１に移動されると、ダイヤフラム４０がバルブシート４１から離れ、流路３１は開放され、流路３２と連通する。

ケーシング１０は、円筒状のケーシング部材１１とケーシング部材１１の下端側に接続されたケーシング部材１２で構成され、内部に図示しないアクチュエータや手動により弁体を駆動する機構などの駆動機構を内蔵している。アクチュエータは、例えば、圧縮エアで駆動されるピストン等であるが、これに限定されるわけではなく、圧電アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ等種々のアクチュエータを採用できる。
駆動機構を内蔵しているケーシング部材１２は、駆動機構の一部を構成しても良く、駆動機構とは別体であっても良い。

ケーシング部材１２内には、ケーシング１０に内蔵された駆動機構により上下方向Ａ１，Ａ２に駆動される可動部１３とこれに軸部１４を介して連結された押圧部材１５が設けられ、軸部１４とケーシング部材１２との間にはＯリングＯＲが設けられ、弁室側と駆動機構側との間をシールしている。押圧部材１５が下方向Ａ２に駆動されると、ダイヤフラム押え１６を介してダイヤフラム４０が押圧される。

図１Ｄに示すように、ケーシング部材１２の外周には、ねじ部１２ａが形成されている。バルブボディ３０には、上面３０ｔから底面３０ｂに向けてねじ穴３０ａが形成されており、ケーシング部材１２のねじ部１２ａがねじ穴３０ａに螺合することにより、ケーシング部材１２の先端部分は、バルブボディ３０に接続されており、先端部で押さえアダプタ４２を押圧している。図２に示すように、ねじ部１２ａの上面３０ｔよりも上方の部分は、ケーシング１０の根元部分としてバルブボディ３０から外部に露出している。本実施形態では、ケーシング部材１２のねじ部１２ａのバルブボディ３０から外部に露出した部分に後述する保護部材５０が設けられる。

ここで、図２に示すように、ケーシング部材１２の外周に保護部材５０が設けられていない状態では、ケーシング１０の曲げモーメントＭ１が作用すると、ケーシング部材１２の根元部分とバルブボディ３０のねじ穴３０ａの開口端との間に応力が集中する。特に、ケーシング１０の外径およびバルブボディ３０の寸法を縮小したにもかかわらず、ケーシング１０の全長が相対的に長いと、上記した応力集中が耐力を超えてしまう可能性がある。
このため、本実施形態では、ケーシング部材１２の根元部分の外周に保護部材５０を固定する。

図３Ａおよび３Ｂに示すように、保護部材５０は、金属製の円環状部材からなるとともに、上下対称な形状を有する。保護部材５０の内周には、ケーシング部材１２のねじ部１２ａに螺合するねじ部５０ａが形成されている。また、保護部材５０の両端面は、平面からなる当接端面５０ｔとなっており、後述するように、当接端面５０ｔの一方がバルブボディ３０の上面３０ｔに当接可能となっている。当接端面５０ｔは平面で構成されるため、当接端面５０ｔは全面的にバルブボディ３０の上面３０ｔに当接可能である。保護部材５０の側面には複数の凹部５１（図５及び６参照）が開けられており、後述するように治具７０を取り付けることにより、スパナを用いて回すことができる。この凹部５１は、保護部材５０を貫通していても良く、治具７０に設けられた突起７２が当接しない程度の深さに底を有していても良い。
図３Ａおよび３Ｂに示される保護部材５０には、端面円周角部に面取りが施されているが、当接端面５０ｔの面積を大きくし、上面３０ｔと当接する面積を大きくするために、面取りの大きさは小さい方が好ましい。

図4に示すように、保護部材５０は、ケーシング部材１２の外周のねじ部１２ａに螺合しつつバルブボディ３０の上面３０ｔに当接することにより、ケーシング部材１２とバルブボディ３０との間に固定される。なお、バルブボディ３０は貫通孔３０ｈを通じて流路ブロック２００上に固定されているものとする。
この状態で、上記したように、ケーシング１０に対して曲げモーメントＭ１が作用すると、ケーシング部材１２の根元部分とバルブボディ３０のネジ穴３０ａの開口端３０ＥＧには応力が集中するが、同時に、バルブボディ３０の上面３０ｔに当接している保護部材５０の当接端面５０ｔには、バルブボディ３０の上面３０ｔから反力Ｒ１を受ける。この反力Ｒ１のおかげで、ケーシング部材１２の根元部分とバルブボディ３０のネジ穴３０ａの開口端３０ＥＧとの間に生じる応力集中は緩和されて過大になることが抑制される。この結果、ケーシング部材１２の根元部分とバルブボディ３０のネジ穴３０ａの開口端３０ＥＧとの間の応力が耐力を超えにくくなる。すなわち、バルブ装置１の曲げモーメントＭ１に対する耐性が向上する。

図５及び図６は、保護部材５０の取付け工程の一例について示す図である。まず図５に示されるように、まずステップＳ１１において、ケーシング１０、バルブボディ３０、及び保護部材５０を用意し、ステップＳ１２において保護部材５０を、ケーシング部材１２のねじ部１２ａに螺合させる。ステップＳ１３において、ねじ部１２ａをバルブボディ３０のねじ穴３０ａに螺合させ、ケーシング１０とバルブボディ３０をしっかりと固定する。次に図６のステップＳ１４において、ねじ部１２ａに螺合した保護部材５０を回し、保護部材５０をバルブボディ３０の上面３０ｔに接触するまで下げた後、治具７０を用意する。
図７Ａ〜７Ｃには、それぞれ治具７０の斜視図、平面図及び正面図が示されている。これらの図に示されるように、治具７０は全体としてナットを半分に切断したような形状であり、内周面にねじ溝はなく、内周面には所定の間隔で配置された一対の突起７２を有している。突起７２は、治具本体７１に開けられた穴にピンを嵌めることにより形成されるものであってもよい。この際、突起７２の外径寸法を凹部５１の内径寸法よりも十分に小さくして、治具７０が保護部材５０に容易に嵌合するように構成する。
図７Ａ〜７Ｃのように、突起７２を２つ設ける場合は、治具７０の使用状態において、それぞれの突起７２の軸の延長線が保護部材５０の円環状部材の中心で、９０度の角度で、交差する位置に設けられることが望ましい。
図６に戻り、ステップＳ１５において、保護部材５０の凹部５１に治具７０の突起７２が嵌るように、治具７０を取り付ける。ステップＳ１６及びＳ１７において、スパナ７６で治具７０と共に保護部材５０を回転させ、保護部材５０をバルブボディ３０の上面３０ｔに対して強く接触させて固定する。
また、治具７０とスパナ７６の使用に替えて突起７２と同径の軸状部材を直接凹部５１に嵌合して保護部材５０を回転させることもできる。

本実施形態では、保護部材５０を円環状としたが、環状であれば外形は円形に限定されない。ただし、保護部材５０の外輪郭がバルブボディ３０の上面３０ｔの内に収まっている必要がある。
また、保護部材５０を螺合により固定する構成を採用したが、加締めや溶接等の他の代替手段を採用することもできる。

第２実施形態
図８に本発明の第２実施形態に係るバルブ装置１Ａを示す。なお、上記した実施形態と同様の構成部分については同一の符号を使用している。
本実施形態においては、保護部材１５０の構造が上記の保護部材５０と異なる。
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、保護部材１５０は上面視で長方形状の外形を有し、長手方向Ｂ１，Ｂ２のほぼ中央に貫通孔からなる、ケーシング部材１２の根元部分の外周に嵌合する嵌合部１５０ａを有する。また、保護部材１５０は、バルブボディの上面３０ｔ、３０ｔ１，３０ｔ２に当該保護部材１５０を固定するための固定部１５０ｂを長手方向の一端側および他端側に備え、この２つの固定部には、貫通孔１５０ｈが形成されている。貫通孔１５０ｈは、図８に示したように、バルブボディ３０の貫通孔３０ｈに位置合わせされ、図示しない共通の締結ボルトが貫通孔３０ｈ，１５０ｈに挿通可能となっている。さらに、保護部材１５０は、バルブボディ３０の上面３０ｔ，３０ｔ１，３０ｔ２で形成される上面の外形状と略一致するように形成されている。加えて、保護部材１５０の下面１５０ｃ側の形状は、バルブボディ３０の上面の段差形状に適合するように形成されている。

図８に示す状態で、上記実施形態で説明したような曲げモーメントがケーシング１０に作用すると、保護部材１５０の嵌合部１５０ａの内周面からケーシング部材１２に曲げモーメントに抗する反力が作用する。この結果、ケーシング部材１２の根元部分とバルブボディ３０との間に集中する応力の大きさが緩和される。すなわち、バルブ装置１Ａの曲げモーメントに対する耐性が向上する。

本実施形態では、保護部材１５０をバルブボディ３０の貫通孔３０ｈを利用して固定する構造としたが、保護部材１５０をバルブボディ３０に直接固定することも可能である。

上記実施形態では、流体制御装置として複数の流路ブロック２００にバルブ装置を搭載したものを例示したが、分割タイプの流路ブロック２００以外にも、一体型の流路ブロックや流路プレートに対しても本発明のバルブ装置は適用可能である。

上記実施形態では、本発明のバルブ装置としてアクチュエータをなにより自動開閉するものを例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は手動弁にも適用可能である。

１ バルブ装置
１０ ケーシング
１１、１２ ケーシング部材（ケーシング）
３０ バルブボディ
５０ 保護部材
５０ｔ 当接端面
５１ 凹部
１５０ 保護部材
１５０ａ 嵌合部
１５０ｂ 固定部
１５０ｈ 貫通孔
１１０Ａ 開閉弁（２方弁）（バルブ装置）
１１０Ｂ レギュレータ（バルブ装置）
１１０Ｃ プレッシャーゲージ（流体機器）
１１０Ｄ 開閉弁（３方弁）（バルブ装置）
１１０Ｅ マスフローコントローラ（流体機器）

Claims (9)

1. 対向する底面及び上面を画定するとともに流体流路を画定するブロック状のバルブボディと、
   前記流路を開閉する弁体を駆動する駆動機構を内蔵し、前記バルブボディに接続されて当該バルブボディの上面から上方に向けて延在する筒状のケーシングと、
   前記ケーシングと前記バルブボディとに当接し、前記ケーシングに外力として曲げモーメントが作用した際の前記ケーシングの根元部分と前記バルブボディとの間に生じる応力集中を抑制するための保護部材と、を有することを特徴とするバルブ装置。
2. 前記保護部材は、前記ケーシングの根元部分の外周に固定される環状部材を有し、
   前記環状部材は、前記ケーシングの根元部分の外周に固定されつつ前記バルブボディの上面に当接する当接端面を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のバルブ装置。
3. 前記ケーシングおよび保護部材の外輪郭は、上面視において、前記バルブボディの上面の内に収まっている、ことを特徴とする請求項２に記載のバルブ装置。
4. 前記ケーシングの外周にはねじ部が形成され、
   前記ケーシングは、前記バルブボディに形成されたねじ穴に螺合することにより、前記バルブボディに接続され、
   前記環状部材は、前記ケーシングのねじ部へ螺合する、ことを特徴とする請求項３に記載のバルブ装置。
5. 前記保護部材は、前記ケーシングの根元部分の外周に嵌合する嵌合部と、前記バルブボディの上面に固定可能な固定部とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
6. 前記ケーシングおよび保護部材の外輪郭は、上面視において、前記バルブボディの上面の内に収まっている、ことを特徴とする請求項５に記載のバルブ装置。
7. 前記バルブボディは、長手方向の一端側および他端側に当該バルブボディを他の部材に締結するための締結ボルト用の貫通孔を有し、
   前記保護部材の固定部は、前記嵌合部が前記ケーシングの根元部分の外周に嵌合した状態で前記貫通孔と位置合わせされる貫通孔を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のバルブ装置。
8. 前記保護部材は、前記環状部材の側面に凹部を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のバルブ装置。
9. 上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
   前記複数の流体機器は、請求項１ないし７のいずれかに記載のバルブ装置を含むことを特徴とする流体制御装置。
   
   
   

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