TW202210981A - 流體控制閥和流體控制裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供流體控制閥和流體控制裝置，不犧牲閥體的驅動區域就能實現擴大接觸面，而且在由樹脂層形成所述接觸面的基礎上能夠實現提高量產性，流體控制閥（V）將來自致動器（30）的動力透過柱塞（40）傳遞到閥體（20），透過閥體（20）的接觸面（21）相對於閥座（10）的閥座面（11）接觸分離來控制流體的流動，閥體（20）與柱塞（40）分開，接觸面（21）由樹脂層（20b）形成。
Description
本發明涉及流體控制閥和流體控制裝置。
如專利文獻1所示，作為以往的流體控制閥，存在有如下的流體控制閥，其構成為：來自致動器的動力傳遞到閥體，透過閥體的接觸面相對於閥座的閥座面接觸分離來控制流體的流動。
在所述的構成中，為了提高閥座與閥體之間的密封性，存在由氟系樹脂等的樹脂層形成閥體的接觸面的情況。
這樣，在由樹脂層形成接觸面的情況下，如果要關閉閥座與閥體之間，則如圖7所示，變成樹脂層陷入閥座面的狀態。由於該陷入的部分，為了關閉閥座與閥體之間，與由金屬形成接觸面的構成相比，致動器產生的閥體的行程量被額外地奪取。
但是，上述的專利文獻1的閥體在接觸面的周圍一體地設置有隔板。由此，如果為了提高密封性而擴大接觸面，則隔板的面積對應地變窄。如果這樣做，則根據隔板的面積，閥體的驅動區域變窄，因此在由樹脂層形成接觸面的構成中，有可能無法得到上述的陷入部分的行程量，接觸面的擴大存在限度。
另外，對於在接觸面的周圍一體地設置有隔板的閥體，如果要由樹脂層形成該接觸面，則需要有針對一個一個的閥體黏貼切取的片狀的氟系樹脂等的工序，也存在量產性變差的問題。
現有技術文獻
專利文獻1：日本專利公開公報特開2016-192243號
於是，本發明是為了一舉解決上述的問題而做出的，本發明的主要目的在於不犧牲閥體的驅動區域就能夠實現擴大接觸面，而且在由樹脂層形成所述接觸面的基礎上也能夠提高量產性。
即，本發明的流體控制閥，將來自致動器的動力透過柱塞傳遞到閥體，透過所述閥體的接觸面相對於閥座的閥座面接觸分離來控制流體的流動，所述閥體與所述柱塞分開，所述接觸面由樹脂層形成。
如果是這樣的流體控制裝置，則由於使閥體與柱塞分開，所以如果將隔板設置在柱塞上，則不使隔板的面積變小亦即不犧牲隔板對閥體的驅動區域就能夠實現擴大接觸面。
此外，由於使閥體與柱塞分開，所以例如能夠將一個片狀的氟系樹脂貼附到多個閥體上等，能夠針對多個閥體一舉形成由樹脂層構成的接觸面，也能夠實現提高量產性。
作為更顯著地發揮上述作用效果的方式，可以舉出如下的方式：流體控制閥是所謂的常開型的，即，在未對所述致動器施加電壓的狀態下，在所述接觸面與所述閥座面之間形成有間隙，若對所述致動器施加電壓，則所述閥體利用所述致動器的動力靠近所述閥座，使流量減少。
這樣的常開型的流體控制閥與所謂的常閉型的流體控制閥相比，關閉狀態的閥座洩漏的問題更顯著，因此本方式能夠更顯著地發揮由上述的樹脂層形成的接觸面提高密封性的效果。
作為常開型的更具體的實施方式，所述接觸面是所述閥體的下表面。
另外，作為另外的實施方式，可以舉出如下的方式：流體控制閥是所謂的常閉型的，即，在未對所述致動器施加電壓的狀態下，所述閥體與所述閥座接觸，若對所述致動器施加電壓，則所述閥體利用所述致動器的動力從所述閥座離開，使流量增大。
作為所述樹脂層優選的是交聯改性氟系樹脂。
交聯改性氟系樹脂透過在特定的條件下對氟系樹脂照射電離放射線等而使其交聯來得到，交聯時本身與金屬化學結合，能夠與金屬基體直接黏接，因此，不需要成為污染的主要原因的底膠等黏接層。另外，在此的交聯的意思是指樹脂彼此的交聯，不是指金屬與樹脂的交聯。
為了實現提高樹脂層的加工性，優選的是，在所述閥體的朝向所述閥座的面上形成有凹陷部，所述樹脂層設置在所述凹陷部。
但是，在以往的流體控制閥中，採用使閥體以及柱塞面接觸的結構。在這樣的構成中，容易受到閥體以及閥座的機械加工產生的公差的影響，伴隨閥體以及閥座的接觸而產生的該閥體的傾斜會導致柱塞傾斜，因此在各部件的製作工序、各部件的安裝工序中要求高精度。另外，如果維持閥體以及柱塞面接觸的狀態，則流體滯留在它們的間隙，由於該滯留的流體有時導致閥體以及柱塞劣化。
因此優選的是，所述閥體以及所述柱塞透過傾斜抑制突起接觸，所述傾斜抑制突起抑制伴隨所述閥座以及所述閥體的接觸而產生的所述柱塞的傾斜。
如果是這樣的流體控制裝置，由於閥體以及柱塞透過傾斜抑制突起接觸，所以伴隨閥體以及閥座的接觸而產生的該閥體的傾斜的影響變得難以傳遞給柱塞。由此，變得容易將柱塞相對於閥座的傾斜保持為恆定。此外，流體變得難以滯留在閥體以及柱塞之間的間隙，即使維持閥體以及柱塞接觸的狀態，閥體以及柱塞也變得難以劣化。
另外，本發明的流體控制裝置具備上述的流體控制閥，如果是這樣的流體控制裝置，也能夠實現與上述的流體控制閥相同的作用效果。
按照這樣構成的本發明，不犧牲閥體的驅動區域就能夠實現擴大接觸面，而且在由樹脂層形成所述接觸面的基礎上能夠實現提高量產性。
以下，參照圖式對本發明的流體控制閥以及使用該流體控制閥的流體控制裝置的一個實施方式進行說明。
本實施方式的流體控制裝置是在半導體製造過程中使用的所謂的質量流量控制器。另外，本發明的流體控制裝置不僅可以在半導體控制過程中使用，也可以在其它過程中使用。
如圖1所示，這裡的流體控制裝置MFC為壓力式的。具體地說，流體控制裝置MFC具備：塊體B，在其內部設置有流道L；流體控制閥V，設置於塊體B；一對的壓力感測器PS1、PS2，設置在塊體B的比流體控制閥V靠下游側；以及控制部C，以使根據由一對的壓力感測器PS1、PS2測量的壓力值計算出的流道L的流量值接近預先確定的目標值的方式對流體控制閥V進行反饋控制。
另外，本實施方式的流體控制裝置MFC的特徵在於流體控制閥V，所以首先對流體控制閥V的周圍結構進行說明。
塊體B例如為長方體形狀，在其規定面上設置有流體控制閥V以及一對的壓力感測器PS1、PS2。另外，在塊體B上設置有用於在其規定面上設置流體控制閥V的凹狀的收容部B1，由該收容部B1將流道L分割成上游側流道L1與下游側流道L2。而且，上游側流道L1的一端在收容部B1的底面開口，並且下游側流道L2的一端在收容部B1的側面開口。
一對的壓力感測器PS1、PS2分別與流道L中的層流元件S1的上游側以及下游側連接，都與根據一對的壓力感測器PS1、PS2的輸出計算流量的流量計算部S2連接。一對的壓力感測器PS1、PS2與流體控制閥V一起相對於塊體B的規定面排成一列地安裝。
控制部C具有具備CPU、儲存器、A/D、D/A轉換器等的所謂的電腦，執行儲存在所述儲存器中的程序，透過各種設備協作實現所述各功能。具體地說，以使由流量計算部S2計算出的流量值接近預先儲存在儲存器中的目標值的方式對流體控制閥V的閥開度進行反饋控制。
接著對本實施方式的流體控制閥V進行說明。
本實施方式的流體控制閥V是所謂的常開型的。具體地說，如圖1以及圖2所示，該流體控制閥V具備：閥座10，嵌入於塊體B的收容部B1；閥體20，設置成能夠相對於閥座10向接觸分離的方向移動；致動器30，使閥體20移動；柱塞40，介於閥體20與致動器30之間，將致動器30的動力向閥體20傳遞；以及薄膜狀的隔板50，與柱塞40一體地設置，構成閥室VR。而且，流體控制閥V利用該隔板50的彎曲，邊保持閥室VR的氣密性邊將致動器30的動力透過柱塞40向閥體20傳遞。
閥座10為嵌入於塊體B的收容部B1的例如金屬制的塊狀部件。而且，閥座10在嵌入於塊體B的收容部B1的狀態下，與該塊體B的規定面朝向相同方向的面成為閥座面11，該閥座面11構成閥室VR的內表面的一部分。另外，在閥座10的內部設置有：第一流道L3，與上游側流道L1連通；以及多個第二流道L4，與下游側流道L2連通。
第一流道L3的一端在閥座面11的中央開口，並且另一端在與收容部B1的底面相對的面上開口。另外，第二流道L4的一端在以閥座面11的中央為中心的同心圓上開口，並且另一端在與收容部B1的內側面相對的外側面開口。而且，閥座10的外側面為臺階狀，閥座面11側與收容部B1的內側面貼緊，並且與閥座面11相反的面側與收容部B1的內側面隔開間隙12相對。由此，在閥座10嵌入於塊體B的收容部B1的狀態下，第一流道L3與上游側流道L1連通，並且第二流道L4透過間隙12與下游側流道L2連通。
在閥座面11上形成有以其中央為中心的同心圓狀的多個流通槽13。而且，在各流通槽13上等間隔地配置有與第二流道L4連通的多個導通孔14。由此，滯留在閥室VR內的流體均勻地向第二流道L4導出。
閥體20是具有與閥座面11相對的平坦的接觸面21的例如呈旋轉體形狀的薄板狀的部件。而且，在閥體20上，在與接觸面21相反側的面即與隔板50相對的面上設置有曲面狀（具體地說球面狀）的傾斜抑制突起22。另外，傾斜抑制突起22設置成與連接於隔板50的柱塞40相對。另外，傾斜抑制突起22設置成其頂點位於閥體20的中心軸（圖2中用雙點鏈線表示）上，另外，配置成其頂點位於柱塞40的軸（圖2中用雙點鏈線表示）上。另外，閥體20透過環狀的板彈簧24（彈性體）支承在閥座面11上，所述板彈簧24放置在設置於該閥座面11的支承環23上。由此，閥體20相對於針對閥座10側的按壓力，利用板彈簧24進行反抗。
致動器30具備透過層疊多個壓電元件而構成的壓電堆31、以及用於對壓電堆31施加電壓的端子，利用透過端子施加的電壓，壓電堆31伸長。
柱塞40是一端側與隔板50一體形成且另一端側向致動器30側延伸的棒狀的部件，在該實施方式中，另一端側形成為向致動器30側鼓出的鼓出部41，該鼓出部41與致動器30直接接觸。
隔板50發揮邊保持閥室VR的氣密性邊將柱塞40的動作向閥體20傳遞的作用。
而且，如圖3所示，本實施方式的流體控制閥V的特徵在於，上述的閥體20與柱塞40分開，閥體20的接觸面21由樹脂層20b形成。
如果更詳細地進行說明，則如圖3所示，在本實施方式中，在柱塞40的朝向閥體20的面上設置有凹部42，該凹部42形成為上述的閥室VR。
本實施方式的閥體20收容在上述的凹部42內，其下表面作為接觸面21起作用。
具體地說，該閥體20具備金屬制的基體20a以及覆蓋該基體20a的一部分的樹脂層20b。
基體20a與柱塞40直接接觸，致動器30的動力透過該柱塞40傳遞至基體20a。在此的基體20a在朝向柱塞40的面上設置有上述的傾斜抑制突起22。另一方面，在基體20a的朝向閥座10的面上形成有凹陷部20c。換句話說，在基體20a的朝向閥座10的面的外周上設置有環狀的條形突起部20d，該條形突起部20d的內側形成為凹陷部20c。
樹脂層20b例如是交聯改性氟系樹脂，具體地說是改性PFA。該樹脂層20b設置在上述的凹陷部20c，作為其形成方法的一個例子，可以舉出如下的方法：將片狀的氟系樹脂貼附到上述的基體20a上，在特定的條件下照射電子線等，使氟系樹脂交聯。另外，在此的交聯的意思是指樹脂彼此的交聯，不是金屬與樹脂的交聯。另外，在此，如圖4所示，針對多個閥體20一舉形成由樹脂層20b構成的接觸面21，將其中的一個閥體20用於本實施方式的流體控制閥V。
接著對本實施方式的流體控制閥V的動作進行說明。
所述流體控制閥V被設定為在未對致動器30施加電壓的狀態下閥開度（閥座10的閥座面11與閥體20的接觸面21之間的距離）成為規定值。另外，該閥開度成為規定值的狀態成為流體控制閥V的全開狀態。
接著，如果變成對致動器30施加電壓的狀態，則致動器30伸長。而且，伴隨該致動器30的伸長的動力透過柱塞40向閥體20傳遞，閥體20以對抗板彈簧24的按壓的方式朝向與閥座10接觸的方向（接近的方向）移動。由此，閥開度變成比規定值小的值。另外，施加的電壓值變得越大，致動器30的伸長變得越大，因此透過調節電壓值的大小，能夠控制閥開度。
如果對致動器30施加的電壓變成規定值以上，則閥座10的閥座面11與閥體20的接觸面21接觸。此時，由於閥座10以及閥體20的公差，閥體20有時傾斜，但是閥體20以及柱塞40透過傾斜抑制突起22接觸，因此該傾斜導致的柱塞40的傾斜受到抑制。
接著，如果對致動器30施加的電壓變小，則致動器30收縮。而且，伴隨該致動器30的收縮，閥體20透過板彈簧24的按壓，朝向與閥座10離開的方向（遠離的方向）移動。由此，閥開度變成更大的值。
按照這樣構成的流體控制閥V，使閥體20與設置有隔板50的柱塞40分開，因此不使隔板50的面積變窄亦即不犧牲隔板50對閥體20的驅動區域，就能夠擴大接觸面21。由此，能夠由樹脂層20b形成接觸面21，並且能夠確保密封性。
此外，由於使閥體20與柱塞40分開，所以例如將一個片狀的氟系樹脂貼附到多個閥體20上等，能夠針對多個閥體20一舉形成利用樹脂層20b的接觸面21，也能夠實現提高量產性。
另外，本實施方式的流體控制閥V為常開型的，與常閉型的相比，關閉狀態的閥座洩漏的問題更顯著，因此本實施方式的流體控制閥V更顯著地發揮由上述的樹脂層20b形成的接觸面21帶來的密封性的提高效果。
此外，樹脂層20b為交聯改性氟系樹脂，該交聯改性氟系樹脂由於在交聯時與金屬制的基體20a共價結合，所以能夠與基體20a直接黏接，因此能夠不需要也成為污染的主要原因的底膠等黏接層。
而且，共價結合與配位結合、離子結合、分子間力等相比是更強的結合，因此利用強結合力能夠穩定地黏接交聯改性氟系樹脂與金屬制的基體20a。
而且，交聯改性氟系樹脂與改性前相比，提高了彈性，因此接觸面21能夠與閥座面11無黏連地接觸分離，也能夠期待提高流體控制閥V的響應性這樣的效果。
另外，在基體20a的朝向閥座10的面上形成有凹陷部20c，樹脂層20b設置在該凹陷部20c，因此能夠實現提高切削、研磨樹脂層20b的工序中的加工性。
此外，閥體20以及柱塞40透過傾斜抑制突起22接觸，因此伴隨閥體20以及閥座10的接觸而產生的該閥體20的傾斜的影響變得難以傳遞給柱塞40。由此，變得容易將柱塞40相對於閥座10的傾斜保持為恒定。此外，流體變得難以滯留在閥體20以及柱塞40之間的間隙，即使維持閥體20以及柱塞40接觸的狀態，閥體20以及柱塞40也變得難以劣化。
＜其它實施方式＞
另外，本發明不限於所述實施方式。
例如，在所述實施方式中，在柱塞40的朝向閥體20的面上設置有凹部42，閥體20收容在該凹部42中，但是如圖4所示，也可以透過比所述實施方式更深地形成塊體B的收容部B1，將閥體20收容在該收容部B1中。按照該方式，由於無需在柱塞40形成凹部42，所以可以使用例如以往的構成的柱塞40。
另外，在所述實施方式中，以流體控制裝置MFC為壓差式的進行了說明，但是如圖5所示，流體控制裝置MFC也可以是熱式的。具體地說，該流體控制裝置MFC具備：細管T，與流道L並聯連接，在流道L內流動的流體中的規定比例的流體被導入所述細管T；以及設置在該細管T上的加熱器H及在其前後設置的一對的溫度感測器TS1、TS2。而且，如果流體流過所述細管T，則在兩個溫度感測器TS1、TS2之間產生與其質量流量對應的溫度差，因此基於該溫度差測量流量。
此外，如圖6所示，作為流體控制裝置MFC也可以具備多個流體控制閥V1、V2。具體地說，該流體控制裝置MFC具備：阻力體R，流體通過該阻力體R；設置在塊體B的外表面的一次側壓力感測器P0、第一壓力感測器P1、第二壓力感測器P2、上游側流體控制閥V1及下游側流體控制閥V2；以及控制部C，控制上游側流體控制閥V1以及下游側流體控制閥V2。另外，在該圖6中，上游側流體控制閥V1為本發明的構成，但是也可以使下游側流體控制閥V2為本發明的構成，還可以使上游側流體控制閥V1以及下游側流體控制閥V2雙方都為本發明的構成。
另外，樹脂層20b不限於交聯改性氟系樹脂，也可以是各種各樣的樹脂，例如可以是聚醯胺、聚碳酸酯、PBT等聚酯樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等。在這些的情況下，由於不需要黏接劑，所以例如預先使用特定的試劑等在金屬制的基體20a的表面形成反應性官能基，透過對該反應性官能基與樹脂進行加熱等而使它們化學結合。
作為氟系樹脂，可以使用從四氟乙烯系共聚物、四氟乙烯-全氟（烷基乙烯基醚）系共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯系共聚物、四氟乙烯-乙烯系共聚物、聚三氟氯乙烯系共聚物中選擇的1種或將2種以上混合而得到的。
此外，作為樹脂層20b的形成方法，也可以在基體20a上形成樹脂層20b之前，對基體20a的表面進行噴射加工而實施粗糙面化來增加表面積，更容易形成樹脂層20b與基體20a之間的化學結合。另外，在此的化學結合不限於上述的共價結合，也包括配位結合、離子結合、或以分子間力形成的結合等。
在所述實施方式中，例示常開型的流體控制閥V對本發明進行了說明，但是本發明也可以應用於常閉型的流體控制閥。
在所述實施方式中，使用壓電元件（壓電堆）作為流體控制閥V的致動器30，但是也可以使用螺線管等。
此外，本發明不限於所述各實施方式，在不脫離本發明宗旨的範圍內當然可以進行各種各樣的變形。
MFC:流體控制裝置
V:流體控制閥
10:閥座
11:閥座面
20:閥體
21:接觸面
22:傾斜抑制突起
20b:樹脂層
30:致動器
40:柱塞
50:隔板
20a:基體
20c:凹陷部
20d:條形突起部
41:鼓出部
42:凹部
VR:閥室
圖1是表示一個實施方式的流體控制裝置的整體構成的示意圖。
圖2是表示同實施方式的流體控制閥的局部構成的示意圖。
圖3是表示同實施方式的柱塞以及閥體的示意圖。
圖4是表示另外的實施方式的流體控制閥的局部構成的示意圖。
圖5是表示另外的實施方式的流體控制裝置的整體構成的示意圖。
圖6是表示另外的實施方式的流體控制裝置的整體構成的示意圖。
圖7是表示形成接觸面的樹脂層陷入閥座面的狀態的示意圖。
20:閥體
21:接觸面
22:傾斜抑制突起
20b:樹脂層
40:柱塞
50:隔板
20a:基體
20c:凹陷部
20d:條形突起部
41:鼓出部
42:凹部
VR:閥室
Claims (8)
- 一種流體控制閥，其中，將來自致動器的動力透過柱塞傳遞到閥體，透過所述閥體的接觸面相對於閥座的閥座面接觸分離來控制流體的流動，所述閥體與所述柱塞分開，所述接觸面由樹脂層形成。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，在未對所述致動器施加電壓的狀態下，在所述接觸面與所述閥座面之間形成有間隙，若對所述致動器施加電壓，則所述閥體利用所述致動器的動力靠近所述閥座，使流量減少。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，在未對所述致動器施加電壓的狀態下，所述閥體與所述閥座接觸，若對所述致動器施加電壓，則所述閥體利用所述致動器的動力從所述閥座離開，使流量增大。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，所述接觸面是所述閥體的下表面。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，所述樹脂層是交聯改性氟系樹脂。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，所述樹脂層設置在形成於所述閥體的凹陷部。
- 如請求項1所述的流體控制閥，其中，所述閥體以及所述柱塞透過傾斜抑制突起接觸，所述傾斜抑制突起抑制伴隨所述閥座以及所述閥體的接觸而產生的所述柱塞的傾斜。
- 一種流體控制裝置，其中，所述流體控制裝置包括如請求項1所述的流體控制閥。
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