KR102639337B1 - 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브 - Google Patents

상시 폐쇄형 유량 제어 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 영향 없이 피에조 소자의 길이 변화를 정확하고 신속하게 전달할 수 있는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브를 제공하는 것으로, 유량 제어 밸브(A)는 베이스 블록(1)과 밸브 개폐 기구부(10)를 구비한다. 베이스 블록(1)은 액체 원료(L)가 통류하는 밸브 시트(3)와, 상기 밸브 시트(3)에 접리하여 상기 밸브 시트(3)를 개폐하는 다이어프램(5)이 설치된 밸브실(4)을 구비한다. 상기 밸브 개폐 기구부(10)는 슬라이드 베어링부(20), 지주부(30), 피에조 액추에이터부(40), 밸브 작동부(50)를 구비한다. 슬라이드 베어링부(20)는 베이스 블록(1)에 설치되고 베어링(24)을 구비한다. 지주부(30)는 베어링(24)에 슬라이드 가능하게 삽입되고, 다이어프램 방향으로 상하 이동하는 지주(31)를 구비한다. 피에조 액추에이터부(40)는 지주부(30)를 다이어프램(5)으로부터 이간하는 방향으로 밀어 올리는 피에조 소자(45)를 장비하고 있다. 밸브 작동부(50)는 지주부(30)의 상하 움직임에 의해 상기 다이어프램(5)을 개폐 구동한다. 지주(31)는 저열 팽창 부재로 구성되어 있다.

Description

상시 폐쇄형 유량 제어 밸브
본 발명은, 반도체의 제조 공정에서, 액체 원료를 기화하는데 사용되는 기화 장치에 설치되고, 피에조 소자를 사용한 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브에 관한 것이다.
액체 원료의 유량 제어를 행하는 유량 제어 밸브는, 최근, 예를 들면 ALD(Atomic Layer Deposition) 등으로의 적용이 요구되고 있다. 이러한 용도에서는, 고속인(주기가 매우 짧은) 펄스 형상의 제어 신호에 의해 제어 밸브를 개폐하여, 유량의 전환을 단시간 내에 고속으로 행하는 것이 요구된다. 이러한 펄스 유량 제어에 대응 가능하고 응답성이 뛰어난 밸브 개폐 구동 부품으로서 전압의 온·오프와 동시에 신축하는 피에조 소자가 있다.
이 피에조 소자를 밸브 구동부에 사용한 액체 원료의 유량 제어 밸브는 「상시 개방형」이 일반적이었다. 상시 개방형의 유량 제어 밸브에서는, 밸브 구동용의 피에조 소자에 인가되는 전압이 0일 때에 밸브가 개방되어, 다음 기화기에 제공된 기화실에 액체 원료가 공급되도록 구성되어 있기 때문에, 피에조 액추에이터의 고장이나 정전 등에 의해 전압이 인가되지 않게 되었을 때에는, 기화실에 액체 원료가 공급되어 버린다. 그리고, 피에조 액추에이터의 수리 후 또는 정전 회복 후에 운전을 재개하면, 기화실로 흘러 들어간 액체 원료가 가스화되어 반응로에 단번에 공급되어, 반도체 웨이퍼 등이 손상될 우려가 있었다.
따라서, 피에조 소자를 사용한 「상시 폐쇄형」의 유체 제어 밸브가 제안되었다(특허문헌 1). 특허문헌 1에 기재된 「상시 폐쇄형」의 유체 제어 밸브는 밸브 본체의 상면에 고정된 원통 형상 부재 내에 중공의 밸브봉을 제공하고, 상기 원통 형상 부재의 천정면과 밸브봉의 상단 단부 사이에 압압 스프링을 개재시켜 상기 밸브봉을 밸브 본체에 제공된 다이어프램을 통해서 밸브 시트 측으로 압압시켜 「폐쇄 상태」로 하고, 밸브봉 내의 공간 내에 피에조 소자를 제공하여, 상기 소자의 상면은 밸브봉의 공간의 상부 내면에 당접시키는 동시에 소자의 하면을 밸브 본체에 고정하고, 피에조 소자의 길이 변화의 기준이 되는 브릿지에 당접시켜, 상기 소자에 전압을 인가함으로써 밸브봉을 상방으로 밀어 올림으로써 다이어프램을 밸브 시트로부터 이간시켜 「개방 상태」로 하는 것이다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개평1-55487호
이 밸브에서는 상기와 같이, 피에조 소자의 온·오프로 다이어프램을 구동하고, 온으로 「상시 폐쇄 상태」에서 「개방 상태」로, 오프로 「개방 상태」에서 「폐쇄 상태」로 하는 것이지만, 피에조 소자의 길이 변화는 근소한 것이기 때문에, 피에조 소자의 길이 변화를 전달하는 밸브봉이나 이것을 내포하는 원통 형상 부재의 열 팽창이 매우 중요해진다. 특허문헌 1에서는, 밸브봉과 원통 형상 부재가 통상의 금속 부재(예를 들면, 스테인리스)로 형성되어 있기 때문에, 밸브 본체나 주위로부터 열이 전해지면, 밸브봉과 원통 형상 부재 그 자체의 길이가 변화하여, 피에조 소자의 길이 변화를 다이어프램에 정확하게 전달할 수 없다.
또한, 밸브봉에 의한 밸브 시트로의 다이어프램의 압압력은 밸브 시트의 폐쇄 성능(압압력이 약하면 액 누출을 발생시키고, 너무 강하면 밸브 시트를 손상시킨다)에 영향을 주기 때문에, 압압 스프링의 최적화로의 조정 기능도 이러한 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브에는 불가결한 기능이지만, 특허문헌 1에 기재된 밸브에는 그러한 조정 기능이 결여되어 있다.
본 발명은 상기 종래예의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 것 중 제 1은 열 영향을 받지 않고, 피에조 소자의 길이 변화를 정확하고 신속하게 전달할 수 있고, 제 2는 밸브 시트로의 다이어프램의 압압력을 적정하게 조절할 수 있는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브를 제공하는 것이다.
청구항 1에 기재된 액체 원료 기화 장치의 유량 제어 밸브(A)는,
액체 원료(L)가 통류하는 밸브 시트(3)와, 상기 밸브 시트(3)에 접리(接離)하여 상기 밸브 시트(3)를 개폐하는 다이어프램(5)이 설치된 밸브실(4)을 구비하는 베이스 블록(1)과, 상기 다이어프램(5)을 개폐 구동하는 밸브 개폐 기구부(10)를 구비하는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브(A)로서,
상기 밸브 개폐 기구부(10)는,
상기 베이스 블록(1)에 설치되고, 베어링(24)을 구비한 슬라이드 베어링부(20)와,
상기 베어링(24)에 슬라이드 가능하게 삽입(揷通)되고, 다이어프램 방향으로 상하 이동하는 지주(31)를 구비한 지주부(30)와,
상기 슬라이드 베어링부(20)와 상기 지주부(30) 사이에 배치되고, 전압의 인가에 의해 신장하여, 상기 슬라이드 베어링부(20)를 기준으로 해서 상기 지주부(30)를 다이어프램(5)으로부터 이간하는 방향으로 밀어 올리는 피에조 소자(45)를 장비한 피에조 액추에이터부(40)와,
상기 지주부(30)로부터 상기 다이어프램(5)을 향하여 제공되고, 상기 지주부(30)의 상하 움직임에 의해 상기 다이어프램(5)을 개폐 구동하는 밸브 작동부(50)로 구성되고,
상기 지주부(30)의 지주(31)가 저열 팽창 부재로 구성되고,
상기 슬라이드 베어링부(20)는 상면이 개구되고 바닥을 갖는 베어링 하부(25)와, 상기 베어링 하부(25)에 전후 이동(螺進螺退) 가능하게 나사 결합되고, 상기 지주(31)가 삽입된 베어링(24)이 제공된 베어링 상부(21)로 구성되고,
상기 지주부(30)는 상기 지주(31)와, 상기 지주(31)의 상단에 제공되어 상기 피에조 액추에이터부(40)의 상단이 당접하는 상단 지지 부재(33), 및 상기 베어링 상부(21)와 상기 베어링 하부(25) 사이에 배치된 하단 지지 부재(37)로 구성되고,
상기 베어링 상부(21)와 상기 하단 지지 부재(37) 사이에 탄발 부재(60)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 2는, 청구항 1에 기재된 액체 원료 기화 장치의 유량 제어 밸브(A)에 있어서,
상기 베이스 블록(1)은 밸브실(4)이 형성되어 있는 베이스 블록 하부(1a)와 상기 슬라이드 베어링부(20)가 제공되어 있는 베이스 블록 상부(1b)로 구성되고,
상기 베이스 블록 상부(1b)에는 냉각용 공간(R)과 냉각 핀(8) 중 적어도 어느 하나가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 3은, 청구항 1 또는 2에 기재된 액체 원료 기화 장치의 유량 제어 밸브(A)에 있어서,
상기 밸브 작동부(50)는 상기 지주부(30)로부터 상기 다이어프램(5)을 향해서 제공된 플런저(51)와, 다이어프램(5)의 상면에 평면 형상으로 접하는 보호 플레이트(52), 및 상기 플런저(51)와 상기 보호 플레이트(52) 사이에 배치된 강구(P3)로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
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본 발명은 상기 구성에 의해 피에조 소자(45)를 사용한 「상시 폐쇄형」의 유량 제어 밸브(A)이며, 지주(31)를 저열 팽창 부재로 구성함으로써, 상시 폐쇄형의 유량 제어 밸브(A)에 있어서, 주위의 온도 변화에 영향을 받지 않고 피에조 소자(45)의 신축을 밸브 작동부(50)에 정확하게 전달할 수 있어, 다이어프램(5)의 밸브 개폐를 정확하게 행할 수 있다. 또한, 베이스 블록 상부(1b)에 냉각용 공간(R)과 냉각 핀(8) 중 적어도 어느 하나를 설치함으로써, 베이스 블록 하부(1a) 측의 열이 지주부(30) 측으로 전달되는 것을 차단하여, 지주부(30) 측의 피에조 소자(45)의 길이 변화(Δt) 그 자체 및 그 전달에 열 영향이 발생하지 않도록 할 수 있었다.
또한, 베어링 상부(21)와 하단 지지 부재(37) 사이에 탄발 부재(60)가 설치되고, 베어링 상부(21)가 베어링 하부(25)에 전후 이동 가능하게 나사 결합되어 있으므로, 다이어프램(5)의 폐쇄시 탄발 부재(60)의 압압력(F)을 적정하게 조정할 수 있게 되었다.
보호 플레이트(52)에 의해, 강구(P3)에 의한 다이어프램(5)에 대한 점 접촉을 배제하고 면 접촉으로 할 수 있었기 때문에, 강구(P3)에 의한 다이어프램(5)의 손상을 없앨 수 있었다. 또한, 보호 플레이트(52)와 플런저(51) 사이에 강구(P3)를 개재시킴으로써, 플런저(51)의 압압력(F)이 보호 플레이트(52), 나아가서는 다이어프램(5)에 수직으로 가해질 수 있어, 다이어프램(5)에 대한 보호 플레이트(52)의 면 접촉을 완전한 것으로 할 수 있었다.
도 1은, (a) 본 발명의 일 실시예의 전압 비인가시의 종단면도, (b) 동 전압 인가시의 종단면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 본 발명의 일 실시예에서, 탄성 부재가 무부하의 조립 초기 상태의 종단면도이다.
도 3은, (a) 도 1(b)의 W-W 화살표 시야 도면, (b) 동 도면의 X-X 화살표 시야 도면, (c) 동 도면의 Y-Y 화살표 시야 도면, (d) 동 도면의 Z-Z 화살표 시야 도면이다.
도 4는, (a) 도 1의 다이어프램이 닫힌 상태의 밸브실의 부분 확대도, (b) 동 다이어프램이 열린 상태의 밸브실의 부분 확대도이다.
이하, 본 발명을 도시 실시예에 따라 상술한다. 액체 원료 기화 장치의 유량 제어 밸브(A)는 베이스 블록(1)과 밸브 개폐 기구부(10)로 구성되어 있다.
베이스 블록(1)은, 본 실시예에서는, 베이스 블록 하부(1a) 및 베이스 블록 상부(1b)의 2블록으로 구성되어 있다.
그리고, 베이스 블록 하부(1a)는 제 1 하부(1a1)와 그 위에 장착된 제 2 하부(1a2)로 구성되어 있다.
밸브실(4)은 제 1 하부(1a1)와 제 2 하부(1a2) 사이에 제공된 평면에서 볼 때 원형의 공간 부분이다. 이 밸브실(4)은 후술하는 다이어프램(5)으로 액밀 형상으로 상하로 분할되어 있고, 다이어프램(5)을 경계로 아래의 제 1 하부(1a1) 측의 부분을 밸브실 하부(4a), 위의 제 2 하부(1a2) 측의 부분을 밸브실 상부(4b)로 한다. 상기와 같이 액밀 형상으로 상하로 분할되어 있기 때문에, 밸브실 하부(4a)로부터 밸브실 상부(4b)로 액체 원료(L)가 새는 일이 없다.
제 1 하부(1a1)에는 저장 탱크(도시하지 않음)로부터 보내진 액체 원료(L)가 통과하는 액체 원료 도입로(6)가 천설(穿設)되어 있고, 본 실시예에서는, 밸브실 하부(4a)의 바닥부에 오목하게 설치된 밸브 시트 수납 구멍(4s)을 통해서, 상기 밸브 시트 수납 구멍(4s)에 수납된 밸브 시트(3)와 연통하고 있다. 평면에서 볼 때 원형의 밸브 시트 수납 구멍(4s)은 밸브 시트(3)의 대좌 부분(3a)이 꼭 맞는 깊이로 형성되어 있다. 밸브 시트 수납 구멍(4s)의 주위에는 링 형상 볼록 릿지부(4t)가 돌설(突設)되어 있다. 밸브 시트 수납 구멍(4s)의 바닥부는 링 형상 볼록 릿지부(4t)보다 1단 낮게 형성되어 있다.
이 유량 제어 밸브(A)가 접속되어 있는 기화기(도시하지 않음)의 기화실(100)에 밸브실(4)의 밸브실 하부(4a)로 흘러든 액체 원료(L)를 공급하는 액체 원료 공급로(9)가 밸브실 하부(4a)의 바닥부로부터 제 1 하부(1a1)의 측면을 향해서 천설되어 있다. 본 실시예에서는, 액체 원료 도입로(6)는 밸브 시트 수납 구멍(4s)으로부터 밸브 시트(3)와 연통하고, 액체 원료 공급로(9)는 밸브실 하부(4a)의 바닥부에 개구하도록 되어 있다. 도시하고 있지 않지만, 반대로, 밸브실 하부(4a)의 바닥부에 개구하는 통로를 액체 원료 도입로로 하고, 밸브 시트(3)에 연통하는 통로를 액체 원료 공급로로 하여, 기화실에 접속하도록 해도 좋다.
제 2 하부(1a2)에는 밸브실 상부(4b)가 제공되어 있다. 밸브실 상부(4b)의 천장 부분에는 플런저 가이드 구멍(4h)이 천설되어, 밸브 개폐 기구부(10)를 구성하는 플런저(51)가 가이드되어 상하로 슬라이드하도록 되어 있다.
다이어프램(5)은 동심원의 돌출 릿지가 형성된 원판 형상의 탄발성이 풍부한 박판으로 형성되고, 중앙 부분이 평판 형상으로 밸브 시트(3)에 접리하는 밸브 부분(5a)으로 되어 있고, 그 외주 부분이 제 1 하부(1a1)와 제 2 하부(1a2) 사이에 액밀 형상으로 끼워 넣어져 있다. 밸브 부분(5a)에 압압력이 가해져 있지 않은 상태에서는, 다이어프램(5)의 장력으로 그 중앙의 밸브 부분(5a)은 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)로부터 이간된 상태가 되고, 이 상태로 조립된다. 후술하는 바와 같이, 밸브 개폐 기구부(10)의 일부인 밸브 작동부(50)에 의해 밸브 부분(5a)이 압압되면, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)에 접촉하여 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)를 폐색한다. 폐색시의 압압력(F)은 후술하는 바와 같이, 슬라이드 베어링부(20)의 베어링 하부(25)에 대한 베어링 상부(21)의 나입(螺入)량에 의한 당해 부분에 배치되어 있는 탄발 부재(60)의 휨량으로 조정된다. 밸브 시트(3)의 폐색 해제는 피에조 소자(45)의 신장 작동(전압 인가)에 의해 플런저(51)로부터의 압압력(F)이 없어지고, 이에 수반하여 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)로부터 다이어프램(5)의 중앙의 밸브 부분(5a)이 그 복귀 장력으로 이간하여 이것을 개구함으로써 실행된다.
베이스 블록 상부(1b)는 베이스 블록 하부(1a) 위에 탑재되어 있다. 본 실시예의 베이스 블록 상부(1b)는 간격을 두고 세워서 설치된 복수(여기서는 3개)의 기둥 부재로 구성되고, 그 중간 부분에 원판 형상의 냉각 핀(8)이 설치되어 있다. 기둥 부재 사이의 공간이 냉각용 공간(R)이다. 기둥 부재의 단면적은 제 2 하부(1a2)보다 작기 때문에, 제 2 하부(1a2)로부터의 열의 전도는 이 부분에서 억제된다. 추가로, 냉각 핀(8)은 베이스 블록 하부(1a) 측으로부터의 열을 방열하는 동시에 베이스 블록 하부(1a) 측으로부터의 방사열을 억제하고 있다. 이로써, 냉각용 공간(R)과 함께 베이스 블록 하부(1a) 측으로부터의 밸브 개폐 기구부(10)로의 열 영향을 억제하고 있다.
냉각 핀(8)의 중앙에는 밸브 작동부(50)의 일부인 플런저(51)가 삽입되는 통공(通孔)(8h)이 천설되어 있다. 냉각핀(8)의 외경은 적어도 베이스 블록 하부(1a)의 제 2 하부(1a2)보다 크게 형성되어 있어, 베이스 블록 하부(1a) 측으로부터 밸브 개폐 기구부(10)로의 방사열을 차단하고 있다.
밸브 개폐 기구부(10)는 슬라이드 베어링부(20), 지주부(30), 피에조 소자(45)를 구비하는 피에조 액추에이터부(40), 밸브 작동부(50), 및 탄발 부재(60)로 구성되어 있다. 밸브 개폐 기구부(10)는 피에조 소자(45)의 신축을 정확하고 신속하게 전달하여 다이어프램(5)의 개폐를 정확하고 신속하게 행하게 하는 역할을 하므로, 본 발명의 유량 제어 밸브(A)의 밸브 개폐 기구부(10)는 열 영향에 의한 오차의 발생을 최대한 억제하는 구조로 되어 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 단열 구조와 함께 저선팽창률의 지주(31)를 사용하는 동시에 피에조 소자(45)의 신축을 다이어프램(5)에 직접 전달함으로써, 정확하고 신속한 밸브 개폐를 행할 수 있도록 했다.
슬라이드 베어링부(20)는 베어링 상부(21)와 베어링 하부(25)로 구성되어 있다.
베어링 하부(25)는 상면이 개구되고 바닥을 갖는 통 형상 부재로, 상부 내주면에 암나사산이 각설(刻設)되고, 바닥부 중앙에 통공(25h)이 천설되어 있다. 베어링 하부(25)는 베이스 블록 상부(1b) 위에 탑재되어 있다.
베어링 상부(21)는, 원주 형상 블록으로, 중앙에 상면 개구의 소자 수납 구멍(22)이 천설되고, 그 주위에 복수(본 실시예에서는 3개소)의 지주 유지 구멍(23)이 상하로 관통하여 제공되어 있다. 지주 유지 구멍(23)은 본 실시예에서는 동일 원주 위에서 등각도의 위치에 형성되고, 내부에 베어링(24)이 세트되어 있다. 이 베어링(24)에 지주(31)가 삽입되어 있다. 이 베어링 상부(21)의 외주 하부에는 수나사산이 각설되어, 베어링 하부(25)에 전후 이동 가능하게 나사장착(螺裝)되어, 베어링 하부(25)로의 삽입 허용값(insertion allowance)을 조절할 수 있도록 되어 있다.
이 베어링 상부(21)의 소자 수납 구멍(22)의 바닥부에는 후술하는 피에조 소자(45)의 바닥부에 점 접촉하여 피에조 소자(45)의 신축의 기준이 되는 제 2 강구(P2)가 꼭 맞는 강구 고정 구멍(21k)이 천설되어 있고, 소자 수납 구멍(22)의 바닥부의 반대 측(하면)에는 스프링 상부 유지 구멍(21h)이 오목하게 설치되어 있다.
지주부(30)는 복수개(본 실시예에서는 3개)의 지주(31)와, 상기 지주(31)의 상부에 장착된 상단 지지 부재(33), 및 하부에 장착된 하단 지지 부재(37)로 구성되어 있다.
지주(31)는 선팽창률이 0에 가까운 금속(예를 들면, 철-니켈 합금: 앰버)을 사용한 원주 형상 부재이다. 이 지주(31)는 슬라이드 베어링부(20)의 베어링(24)에 삽입되어 있고, 상하 방향으로 부드럽게 슬라이드한다.
상단 지지 부재(33)는 원판 형상의 상단 지지 플레이트(34)와, 지주(31)에 맞추어 상단 지지 플레이트(34)의 하면에 수직 설치된 보조 기둥(35)으로 구성되고, 보조 기둥(35)의 하단에 지주(31)의 상단이 나사 고정되어 있다. 상단 지지 플레이트(34)의 중앙에는 고정 나사(36)용의 암나사 구멍(34h)이 나설(螺設)되어 있다. 지주(31)의 길이는 보조 기둥(35)보다 상당히 길어, 보조 기둥(35)의 길이 방향의 열팽창을 무시할 수 있도록 되어 있다. (또한, 도시하지 않지만, 보조 기둥(35)을 생략하여 지주(31)를 상단 지지 플레이트(34)에 직접, 나사 고정해도 좋다.)
하단 지지 부재(37)는, 원판 형상의 부재로, 상단 지지 플레이트(34)와 마찬가지로, 지주(31)에 맞추어 장착 구멍이 천설되어 있고, 이 장착 구멍에 지주(31)의 하단이 나사 고정되어 있다. 하단 지지 부재(37)의 하면 중앙에는 플런저(51)를 압압하는 돌기(37t)가 돌설되어 있다. 이 돌기(37t)는 상기 베어링 하부(25)의 통공(25h)에 삽입되어 있다. 또한, 하단 지지 부재(37)의 상면 중앙에는 베어링 상부(21)의 스프링 상부 유지 구멍(21h)에 대응하여 스프링 하부 유지 구멍(37h)이 오목하게 설치되어 있다. 이 스프링 상부 유지 구멍(21h)과 스프링 하부 유지 구멍(37h) 사이에 탄발 부재(60)가 배치되어 있고, 소정의 탄발력이 되도록 베어링 하부(25)에 대한 베어링 상부(21)의 나입 허용량(screwing allowance)이 조정된다. 이 탄발력은 후술하는 바와 같이 다이어프램(5)의 밸브 시트 폐쇄력(압압력(F))과 관계된다. (상기 스프링 상부 유지 구멍(21h) 및 스프링 하부 유지 구멍(37h)은 탄발 부재(60)의 위치를 확정하기 위한 것이지만, 없어도 상관없다.)
피에조 액추에이터부(40)는 피에조 소자(45), 피에조 소자(45)의 상단에 부착된 볼 가이드(41)로 구성되어 있다.
피에조 소자(45)는 인가 전압의 크기에 따라 그 길이가 순간적으로 변화하는 것으로, 인가 전압이 0일 때에는, 신장 길이는 0이며, 인가 전압이 커질수록 신장 길이는 길어진다. 피에조 소자(45)에 대한 인가 전압이 0일 때의 길이를 T로 하고, 전압이 인가되었을 때의 피에조 소자(45)의 연신을 Δt로 한다. 여기서 피에조 소자(45)의 연신 측정의 기준면(M)을 피에조 소자(45)의 바닥면으로 한다.
피에조 소자(45)의 상기 기준면(M)의 위치는, 후술하는 바와 같이, 피에조 소자(45)의 신장 길이(Δt)가 0(즉, 인가 전압이 0)일 때, 상기 탄발 부재(60)가 최적의 탄발력으로 다이어프램(5)을 압압하고, 이것에 의해 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)가 확실하고 적정한 압압력(F)으로 폐쇄될 수 있도록 조정된다.
또한, 피에조 소자(45)는 인가 전압에 대한 응답 속도가 매우 빠르고, 피에조 소자(45)에 인가하는 전압을 펄스 형상으로 미소 시간 간격으로 설정한 경우라도, 인가 전압에 따라 신장 길이(Δt)를 순간적으로 변화시킬 수 있다.
이 피에조 소자(45)의 하단면(기준면(M))과 베어링 상부(21)의 소자 수납 구멍(22)의 바닥면 사이에 양자의 점 접촉용의 제 2 강구(P2)가 강구 고정 구멍(21k)에 끼워 넣어진 상태로 설치되어 있다.
볼 가이드(41)는 피에조 소자(45)의 상단에 부착된 원주 형상의 부재로, 그 중앙에 제 1 강구(P1)가 꼭 맞는 위치 결정용 구멍(42)이 천설되어 있다. 그리고, 상단 지지 플레이트(34)의 중앙의 암나사 구멍(34h)에 고정 나사(36)가 나입되어 있다. 고정 나사(36)의 삽입 하단에 부착되어 있는 제 1 강구(P1)는 상기 위치 결정용 구멍(42)의 바로 위에 위치하고, 고정 나사(36)는 후술하는 베어링 상부(21)의 나입량보다도 큰 클리어런스(G)를 갖고 상단 지지 플레이트(34)의 중앙의 암나사 구멍(34h)에 나입되어 있다. 상기 클리어런스(G)는 제 1 강구(P1)와 위치 결정용 구멍(42)의 접촉점 사이의 거리로 표시된다. 장착되어 있는 탄발 부재(60)는 자유 길이이며, 그 길이를 S1로 한다(도 2).
상기와 같이 구성된 유량 제어 밸브(A)의 초기 상태는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 탄발 부재(60)의 길이가 자유 길이(S1)의 상태이며, 이 상태에서 베어링 상부(21)의 스프링 상부 유지 구멍(21h)과 하단 지지 부재(37)의 스프링 하부 유지 구멍(37h) 사이에 배치되어 있다. 이 시점에서 베어링 상부(21)는 상기한 바와 같이 베어링 하부(25)에 나입되어 있다. 한편, 다이어프램(5)은 변형되지 않고, 그 장력으로 밸브 시트(3)의 좌면으로부터 이간하여, 개폐구(3k)는 「개방 상태」로 되어 있다.
밸브 작동부(50)는 다이어프램(5)에 당접하여 이것을 개폐 작동시키는 것으로, 본 실시예에서는, 플런저(51)와 제 3 강구(P3), 및 보호 플레이트(52)가 이것에 해당한다.
제 3 강구(P3)는 플런저(51)의 하단에 고정되고, 보호 플레이트(52)에 당접하고 있다.
보호 플레이트(52)는 원형의 금속 플레이트로 상면 중앙에 제 3 강구(P3)의 하부가 꼭 맞는 반구 형상의 오목부가 형성되고, 하면은 평탄하여 다이어프램(5)의 중앙의 밸브 부분(5a)에 면 접촉하도록 배치되어 있다. 오목부의 깊이는 제 3 강구(P3)의 반경보다 작고, 플런저(51)의 하면과 보호 플레이트(52)의 상면 사이에는 틈이 있어, 플런저(51)에 가해진 압압력(F)은 제 3 강구(P3)를 통해서 보호 플레이트(52)에 수직으로 가해지도록 되어 있다. 또한, 보호 플레이트(52)의 하면은 평탄하여 다이어프램(5)의 중앙의 밸브 부분(5a)에 면 접촉하기 때문에 면압은 낮고, 상기 밸브 부분(5a)은 보호 플레이트(52)에 의해 보호되어 변형되지 않는다.
플런저(51)의 상단은 하단 지지 부재(37)의 돌기(37t)에 당접하고 있고, 돌기(37t)의 상하 움직임에 맞추어 상하로 움직인다. 이 플런저(51)는 냉각 핀(8)의 통공(8h)과 제 2 하부(1a2)의 플런저 가이드 구멍(4h)에 삽입되어 있다.
탄발 부재(60)는, 본 실시예에서는, 압축 코일 스프링이 사용되고 있다. 그 이외의 스프링 부재의 사용도 가능하다.
이 초기 상태로부터 탄발 부재(60)를 휘게 하여 다이어프램(5)에 의한 적정한 밸브 폐지력(압압력(F))을 얻도록 한다. 즉, 이 초기 상태(도 2)로부터 베어링 상부(21)를 밀어 넣어 베어링 하부(25) 내를 아래를 향해서 나진시키면, 탄발 부재(60)를 통해서 하단 지지 부재(37)가 밀려 내려가고, 하단 지지 부재(37)의 돌기(37t)가 플런저(51)를 밀어 내린다. 플런저(51)는 제 3 강구(P3) 및 보호 플레이트(52)를 통해서 「개방 상태」의 다이어프램(5)과 접촉하고 있기 때문에, 다이어프램(5)이 밀려 넣어져, 다이어프램(5)은 밸브 시트(3)를 향해 휘어지게 된다.
베어링 상부(21)의 나입을 계속하면, 최종적으로는 다이어프램(5)이 밸브 시트(3)에 접촉하는 상태까지 휘어지게 되고, 이 상태에서 다이어프램(5)의 휘어짐은 정지한다. 이 시점에서는 다이어프램(5)이 밸브 시트(3)에 단순히 접촉하고 있을 뿐이기 때문에, 액체 원료 도입로(6)로부터의 압력을 받으면 액 누출이 발생한다. 따라서, 이 상태에서 베어링 상부(21)의 나입을 추가로 계속하게 된다. 베어링 상부(21)의 나입을 추가로 계속하면, 탄발 부재(60)만이 휘어져, 다이어프램(5)의 밸브 시트(3)를 누르는 압압력(F)이 점증한다. 그리고 다이어프램(5)이 밸브 시트(3)의 액 누출을 저지할 수 있는 압압력(F)으로 폐색하는 상태가 됐을 때 베어링 상부(21)의 나입을 멈추고, 더블 너트, 또는 나사 부분을 예를 들면 접착제로 고정한다. 이로써 베어링 상부(21)와 베어링 하부(25)는 일체가 되어, 탄발 부재(60)의 휨량의 설정이 종료된다. 이때의 탄발 부재(60)의 길이를 S2로 표시한다(도 1(a)).
베어링 상부(21)의 베어링 하부(25)로의 나입 중, 고정 나사(36)의 제 1 강구(P1)는 볼 가이드(41)의 위치 결정용 구멍(42)에 대하여 충분한 클리어런스(G)로 떨어져 있기 때문에, 탄발 부재(60)의 휨량의 설정 종료 시점에서도 접촉하고 있지 않다.
그리고, 이 휨량의 설정이 끝난 후에, 고정 나사(36)의 제 1 강구(P1)가 볼 가이드(41)와 접촉할 때까지 조인다. 이때, 너무 조여서 탄발 부재(60)의 휨량을 변화시키면 액이 누출되어 버리기 때문에, 조임량은 어디까지나 접촉시킬 만큼으로 고정한다.
이로써 본 유량 제어 밸브(A)는 「상시 폐쇄형」으로서 기능한다. 즉, 다이어프램(5)은 탄발 부재(60)의 탄발력(압압력(F))으로 휘어져, 밸브 시트(3)가 상시 폐색되는 상태가 된다.
다음으로, 본 유량 제어 밸브(A)의 작용에 대하여 설명한다. 본 유량 제어 밸브(A)는 공지의 예를 들면 반도체 제조 시스템에 편입되어 사용된다. 본 유량 제어 밸브(A)는 저장 탱크(도시하지 않음)에 접속되어, 저장 탱크로부터 액체 원료(L)의 공급을 받는다. 공급된 액체 원료(L)는 액체 원료 도입로(6)를 통해 밸브 시트(3)에 이른다.
밸브 시트(3)는, 도 1(a)의 「상시 폐쇄 상태」에서는, 다이어프램(5)에 의해 폐색되어, 개폐구(3k)에서 멈춰져 있다. 액체 원료(L)의 기화 작업이 시작되면, 피에조 소자(45)에 전압이 인가된다. 인가 전압에 맞추어 피에조 소자(45)가 기준면(M)으로부터 상방으로 순간적으로 연신하여, 고정 나사(36)를 통해서 상단 지지 플레이트(34)가 연신분만큼 위로 밀어 올려진다. 이 연신을 Δt로 한다. 이로써 지주(31)와, 그 하단에 제공된 하단 지지 부재(37)가 그 몫(연신 Δt)만큼 위로 순간적으로 이동하고, 상기와 같이 베어링 하부(25)에 고정된 베어링 상부(21)에 압압되어 탄발 부재(60)가 (연신 Δt)만큼 압축된다. 압축된 탄발 부재(60)의 길이를 S3으로 한다(도 1(b)).
플런저(51)를 압압하고 있던 하단 지지 부재(37)의 돌기(37t)가 피에조 소자(45)의 신장에 맞추어 상승하면, 이 상승에 맞추어 다이어프램(5)의 휘어짐이 복귀 방향으로 변형되어, 플런저(51)를 밀어 올려 밸브 시트(3)의 개폐구(3k)를 연다. 이때, 탄발 부재(60)의 하단은 하단 지지 부재(37)에 유지되어 있기 때문에, 그 탄발력은 지주(31)를 통해서 연신된 피에조 소자(45)에 가해지지만, 다이어프램(5)에는 가해지지 않는다. 따라서, 다이어프램(5)은 자신의 복귀 방향의 장력으로 복귀하여, 밸브 시트(3)로부터 이간된다. 그러므로, 그 이간 폭은 상기 Δt와 일치한다. 그리고, 열린 개폐구(3k)로부터 액체 원료(L)가 밸브실 하부(4a)로 유입되고, 그 바닥부에 개구된 액체 원료 공급로(9)를 통해 기화기의 기화실(100)로 흘러든다.
이 상태로부터 밸브 시트(3)를 「폐쇄」로 하는 경우에는, 피에조 소자(45)로의 인가 전압을 0으로 한다. 인가 전압이 0이 되면, 피에조 소자(45)는 순간적으로 원래의 길이(T)로 되돌아온다. 이 수축에 추종하여 지주부(30)의 하단 지지 부재(37)는 아래로 내려가, 플런저(51)를 통해서 다이어프램(5)을 밀어 내린다. 다이어프램(5)은 상기와 같이 탄발 부재(60)의 압압력(F)으로 밀려 내려가 밸브 시트(3)를 닫는다. 이로써, 지령된 유량의 액체 원료(L)가 타임 러그 없이 정확하게 기화실(100)에 보내진다.
상기의 밸브 개폐 동작에 있어서, 본 발명의 유량 제어 밸브(A)는 베이스 블록 하부(1a)와 밸브 개폐 기구부(10)가 베이스 블록 상부(1b)로 분할되고, 또한 냉각용 공간(R)과 냉각 핀(8)이 베이스 블록 상부(1b)에 제공되어 있기 때문에, 베이스 블록 하부(1a) 측으로부터 전해진 열은 냉각 핀(8)에서 방열되는 동시에 냉각용 공간(R)에서 베이스 블록 상부(1b)가 공냉되어, 밸브 개폐 기구부(10)가 밸브실(4)을 구비한 베이스 블록 하부(1a)의 열 영향을 받지 않는다. 또한, 베이스 블록 상부(1b)가 단면이 가는 복수개의 기둥 부재로 구성되어 있기 때문에, 베이스 블록 하부(1a)로부터의 열 전도가 억제된다.
또한, 밸브 개폐 기구부(10) 측에서는 피에조 소자(45)의 선팽창률이 0에 가깝고, 지주(31)에 이용되고 있는 합금의 선팽창률과 거의 일치하기 때문에, 피에조 소자(45)의 치수 변화(Δt)는, 정확하고 순간적으로 다이어프램(5)으로 전달된다.
또한, 본 실시예에서는 플런저(51)와 제 3 강구(P3)를 밸브 작동부(50)로 했지만, 하단 지지 부재(37)의 돌기(37t)를 길게 하여 플런저(51) 대신으로 하고, 상기 돌기(37t)와 제 3 강구(P3)를 밸브 작동부(50)로 해도 좋다.
A: 유량 제어 밸브, F: 압압력, G: 클리어런스, L: 액체 원료, M: 기준면, P1 내지 P3: 제 1 내지 제 3 강구, R: 냉각용 공간, S: 자유 길이, T: 피에조 소의 초기 길이, Δt: 연신
1: 베이스 블록, 1a: 베이스 블록 하부, 1a1: 제 1 하부, 1a2: 제 2 하부, 1b: 베이스 블록 상부, 3: 밸브 시트, 3a: 대좌 부분, 3k: 개폐구, 4: 밸브실, 4a: 밸브실 하부, 4b: 밸브실 상부, 4h: 플런저 가이드 구멍, 4s: 밸브 시트 수납 구멍, 4t: 링 형상 볼록 릿지부, 5: 다이어프램, 5a: 밸브 부분, 6: 액체 원료 도입로, 8: 냉각 핀, 8h: 통공, 9: 액체 원료 공급로, 10: 밸브 개폐 기구부, 20: 슬라이드 베어링부, 21: 베어링 상부, 21h: 스프링 상부 유지 구멍, 21k: 강구 고정 구멍, 22: 소자 수납 구멍, 23: 지주 유지 구멍, 24: 베어링, 25: 베어링 하부, 25h: 통공, 30: 지주부, 31: 지주, 33: 상단 지지 부재, 34: 상단 지지 플레이트, 34h: 암나사 구멍, 35: 보조 기둥, 36: 고정 나사, 37: 하단 지지 부재, 37h: 스프링 하부 유지 구멍, 37t: 돌기, 40: 피에조 액추에이터부, 41: 볼 가이드, 42: 위치 결정용 구멍, 45: 피에조 소자, 50: 밸브 작동부, 51: 플런저, 52: 보호 플레이트, 60: 탄발 부재, 100: 기화실

Claims (4)

  1. 액체 원료가 통류하는 밸브 시트와, 상기 밸브 시트에 접리하여 상기 밸브 시트를 개폐하는 다이어프램이 설치된 밸브실을 구비하는 베이스 블록과, 상기 다이어프램을 개폐 구동하는 밸브 개폐 기구부를 구비하는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브에 있어서,
    상기 밸브 개폐 기구부는,
    상기 베이스 블록에 설치되고, 베어링을 구비한 슬라이드 베어링부와,
    상기 베어링에 슬라이드 가능하게 삽입되고, 다이어프램 방향으로 상하 이동하는 지주를 구비한 지주부와,
    상기 슬라이드 베어링부와 상기 지주부 사이에 배치되고, 전압의 인가에 의해 신장하여, 상기 슬라이드 베어링부를 기준으로 해서 상기 지주부를 다이어프램으로부터 이간하는 방향으로 밀어 올리는 피에조 소자를 장비한 피에조 액추에이터부와,
    상기 지주부로부터 상기 다이어프램을 향하여 제공되고, 상기 지주부의 상하 움직임에 의해 상기 다이어프램을 개폐 구동하는 밸브 작동부로 구성되고,
    상기 지주부의 지주가 저열 팽창 부재로 구성되고,
    상기 슬라이드 베어링부는 상면이 개구되고 바닥을 갖는 베어링 하부와, 상기 베어링 하부에 전후 이동 가능하게 나사 결합되고 상기 지주가 삽입되는 베어링이 제공된 베어링 상부로 구성되고,
    상기 지주부는 상기 지주와, 상기 지주의 상단에 제공되어 상기 피에조 액추에이터부의 상단이 당접하는 상단 지지 부재, 및 상기 베어링 상부와 상기 베어링 하부 사이에 배치된 하단 지지 부재로 구성되고,
    상기 베어링 상부와 상기 하단 지지 부재 사이에 탄발 부재(elastic member)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 블록은 밸브실이 형성되어 있는 베이스 블록 하부와 상기 슬라이드 베어링부가 제공되어 있는 베이스 블록 상부로 구성되고,
    상기 베이스 블록 상부에는 냉각용 공간과 냉각 핀 중 적어도 어느 하나가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 밸브 작동부는, 상기 지주부로부터 상기 다이어프램을 향해 제공된 플런저와, 다이어프램의 상면에 평면 형상으로 접하는 보호 플레이트, 및 상기 플런저와 상기 보호 플레이트 사이에 배치된 강구로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 상시 폐쇄형 유량 제어 밸브.
  4. 삭제
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