(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路端に設けた弁座と、この弁座に接離する弁体と、弁体の上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の弁体との接離面を前記流量制御弁本体の上面と略同一面に形成したことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項２】
前記弁体は、前記弁座に接離する平坦部を有するダイアフラムであることを特徴とする請求項１記載のマスフローコントローラ。
【請求項３】
センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路に連通する弁座流入口を有する弁座と、この弁座に接離する平坦部を有するダイアフラムと、このダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の上部には前記ダイアフラムの平坦部の最外周まで拡がった弁座流出口が形成され、前記弁座の外周部は流出方向に連続的に縮径されて、前記弁座の周りに一部が前記流出側流路に通ずる環状の空間が形成されることを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項４】
センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路に連通する弁座流入口を有する弁座と、この弁座に接離する平坦部を有するダイアフラムと、このダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の上部は前記ダイアフラムの平坦部の最外周まで拡がった弁座流出口が形成され、前記弁座の外周部は段付きの形状をしており、前記弁座の周りに流出方向に沿って断面積が急拡大し、かつ一部が前記流出側流路に通ずる環状の空間が形成されることを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項５】
弁座の周りの空間に通ずる前記流出側流路は、流体の流出方向に沿って下り勾配に形成された部分を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のマスフローコントローラ。
【請求項６】
前記弁座の流入口径をｄ０、前記弁座流出口の口径をｄとしたとき、２＜ｄ／ｄ０＜４の関係を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【請求項７】
前記弁座の軸心から流出側流路の弁座取付け壁までの最短距離をＹとしたとき、ｄ／２＞Ｙの関係を有することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【請求項８】
前記ダイアフラムは金属製ダイアフラムであり、かつ前記アクチュエータは圧電素子からなる駆動手段を有するとともに、前記弁座流出口の口径ｄは、前記金属ダイアフラムの平坦部の直径Ｄに対し、０．７Ｄ＜ｄ＜Ｄの関係を有することを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【請求項９】
前記弁座のダイアフラムとの接離面を前記流量制御弁本体の上面と略同一面に形成したことを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガス等の流体の質量流量を精密に制御することができ、かつ面間寸法が短くコンパクトでありながら大流量まで流せるマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
成膜処理やエッチング処理等を精度よく行って半導体製品を製造するためには微量のプロセスガスを精度よく制御しながら流す必要がある。このときの流量制御機器としては一般にマスフローコントローラが用いられている。
【０００３】
従来のマスフローコントローラＭは、図６に示すように微量流体（以下ガスを例にとって説明する。）の質量流量を検出するセンサ部２と、アクチュエータ部８０を備えた流量制御弁８と、これらを制御する制御回路部３（詳細は図示せず）とにより主に構成されている。このマスフローコントローラＭでは、まず流入口（流入側継手）７１から流入したガスは流入流路７２ａの途中でセンサパイプ２０と、このパイプと同一のパイプを所定数だけ詰めて所定の流量比率に設定したバイパス管路７５とに分岐して流れ、これらは再び流入流路７２ｂ部分で合流し流入流路７２ｃまで流れるようになっている。
【０００４】
ここでセンサパイプ２０は、例えば内径０．５ｍｍ程度のステンレス管を略Ｕ字状に形成したもので、両端は上記流入流路７２に開口している。センサパイプ２０の上流側と下流側にはそれぞれ感熱コイル２１、２２が巻回されており、さらに他の抵抗体と組み合わせてブリッジ回路を構成し、これらによってセンサ部２を構成している。このセンサの感熱コイル２１、２２はガス温度より高い一定温度に加熱されるのであるが、上流側の感熱コイル２１は、ガスが流れることによって熱が奪われて温度が下がり、他方の下流側コイル２２は上流側で温まったガスが流れるために逆に温度が上がることになり温度勾配が生じる。このような熱移動はブリッジ回路の不平衡電圧として検出され、この電位差は質量流量に比例することから質量流量センサとして機能する。尚、このような質量流量センサの種類としては、定電流センサ（特公昭５６−２３０９４号）や定温度センサ（特公平４−４９８９３号）及び定温度差センサ（特開平１−１５０８１７号）等があり、これらのセンサを適宜利用することができる。
【０００５】
次に、上記した質量流量センサ２からの流量信号は、増幅回路によって増幅され、その後比較制御回路へ入力される。ここで予め設定された設定流量信号と比較され、その差分を無くすような駆動信号（バルブ駆動電圧）がアクチュエータ部に入力され、その結果、流量制御弁８の開度を調節してガス流量を制御することができる。これらの制御は制御回路部３（図示せず）によって行われている。また、弁開度を精密に制御するには、数１０μｍ程度のストローク範囲内で制御をすることが必要となるためアクチュエータ部８０としては、小さなストロークではあるが大きな推力を発生することができる積層型圧電素子体が通常用いられている。
【０００６】
図６の流量制御弁８のアクチュエータ部も積層型圧電素子体８０（以下、圧電アクチュエータという）を用いており、金属製のダイアフラム（以下、金属ダイアフラムという）を直接上下動させて流量制御する流量制御弁である。この流量制御弁は、流入流路７２ｃの端部に設けられた金属製弁座８１と、この弁座８１に対向してダイアフラム押さえ８３によって周縁を挟持され、中央に平坦部を有しその外側に半円環状の弾性変形部を形成した金属ダイアフラム８２と、内部に積層型圧電素子体８０を収容し、金属ダイアフラム８２を押圧するようになした弁棒８４と、この弁棒８４を常時弁座８１に当接させて閉弁状態におくためのバネ部材８８等から構成されている。ここで積層型圧電素子体８０の上端は調節部材８９に係止されており、一方の下端は弁棒８４を貫通してブロック状本体７に載置されたブリッジ部材８５に支持されている。
【０００７】
従って、電圧印可によって積層型圧電素子体８０が伸張すると、その推力の方向は、ブリッジ部材８５によって反転しバネ部材８８に抗して弁棒８４を押し上げる方向に作用する。その結果、金属ダイアフラム８２は自身の復元力によって弁座８１から離間して流量が調節されるものである。尚、この例はノーマリークローズ型の流量制御弁を示しているが、ブリッジ部材やバネ部材の構造を変更したノーマリーオープン型の流量制御弁も従来より用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
現在このようなマスフローコントローラは、１０ＳＣＣＭ（１分間当たり１０ｃｃ）の微少流量用から５０ＳＬＭ（１分間当たり５０ｌ）以上の大流量用のものまで使用されているが、これらは一様にダウンサイジングと低コスト化が叫ばれ、同じサイズ／面間寸法でも大流量まで流せるマスフローコントローラが望まれている。ところが、コンパクトでかつ大流量のマスフローコントローラを得るには以下のような問題点があった。
【０００９】
（１）まず大流量用のマスフローコントローラを得る手段としては、流量制御弁のいわゆるストロークを拡大することが考えられるが、上記積層型圧電素子体のストロークは４０〜５０μｍ程度しか得ることが出来ずストロークには限界がある。また弁座の口径を大きくすることも考えられるが、口径を大きくすればそれだけ本体側の取付け寸法も大きくなる。しかしマスフローコントローラを含む配管系を集約してシリンダーキャビネット内等にまとめる必要があることから面間寸法には制約がある。またストロークがμオーダと極めて微少なことから弁座の口径だけを単に大きくしても期待するほどの流量拡大は望めない。その一つの要因として図６の矢印で示すように、流体は流出側流路の開口に近い弁座流出口の一部分のみに集中して流れ出すだけで、その他大部分の弁座流出口は流れに利用されていないことが考えられる。
【００１０】
（２）また、弁座の金属ダイアフラムとの接離面、いわゆるシール面は鏡面研磨のラップ仕上げを施しているが、従来この弁座は、ラップ仕上げ後にねじやカシメ手段によってマスフロコントローラ本体詳しくは流量制御弁の本体に組み付けている。従って、せっかくラップ仕上げをしても寸法誤差や取付け時のばらつきによりその効果が発揮できない。また流量制御弁本体に対して傾いて取り付けられることもあり、弁座のシール面と本体側の平面度がでていないことがある。よって、弁座に対して傾いた状態でダイアフラム押さえ８２やブリッジ部材８５等が積み重ねられていくことから、金属ダイアフラムと弁座の当たり面が均一にならず、かつ積層型圧電素子体８０のストロークが有効に利用できない。ここでのストロークはμオーダの極微小なものであるからそれだけ影響は大きかった。
一方で、弁座のシール面と金属ダイアフラムのシール面との平行度が悪いことから流量精度にも悪影響を与えていた。
【００１１】
（３）次ぎに、金属ダイアフラムを金属製弁座に直接接離（当接と離間をいう。）させる流量制御弁では、金属ダイアフラムの剛性が低いために接離面（以下、シール面という。）がうねって閉め切り時のシール性が比較的悪い。そのため金属ダイアフラムを弁座に当接させた後、さらに押圧力を与えてシール面圧を上げることが行われる。このときの押圧力を予圧と言っているが、例えばおよそ４０μｍの変位を発生する圧電アクチュエータを用いた場合、全変位量の内約３２μｍ（８０％）程度は弁座に当接するまでのストロークに利用され、残りの約８μｍ（２０％）程度が弁座当接後の予圧発生のための変位（実際はこのときは既に弁座にダイアフラムが当接しており変位なしで弁座に押し付けるだけ）に利用されているのが実情である。以上のことから、締め切り時のシール性能を保つためには予圧が必要であり、その結果、圧電アクチュエータのストロークが犠牲になるという問題がある。
【００１２】
以上のことより、本発明は上記（１）、（２）、（３）の問題を解決し、面間寸法を小さくすることが可能で、よりコンパクトなものでありながら大流量を流すことができ、尚かつ流量制御の精度や応答性が向上したマスフローコントローラを提供するものである。
【００１３】
【発明を解決するための手段】
本発明は、センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路端に設けた弁座と、この弁座に接離する弁体と、この弁体の上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の弁体との接離面を前記流量制御弁本体の上面と略同一面に形成したマスフローコントローラである。
ここで前記弁体は、弁座に接離する平坦部を有したダイアフラム、特に金属製ダイアフラムとすることが望ましい。また、上記流量制御弁本体は通常マスフローコントローラ本体の一部であり一体的なブロック形状である。従って、上記において流量制御弁本体の上面というのはマスフローコントローラ本体の上面と言い換えることもできる。
【００１４】
この構成によれば、弁座をマスフローコントローラの本体、詳しくは流量制御弁本体に組み付けた後、この本体の上面と弁座のシール面とを同時にラップ仕上げすることが可能となる。よって、部品の寸法誤差や組立時のばらつきを吸収して両者を同一面に仕上げることが出来る。またラップ仕上げした面に例えば金属製のダイアフラムとダイアフラム押さえ等を積み重ねていくので、弁座のシール面に対してアクチュエータが傾いて組み立てられることがなく軸芯が一致し、アクチュエータのストロークを正確に伝達できると共に、ダイアフラムと弁座のシール面間の平行度が良いので精密な流量制御を行うことができる。
【００１５】
また、本発明においては、弁座の取り付け位置（面間寸法）は従来と同様であっても、弁座上部の流出口を上記本体の上面まで延ばす（弁座の流出口を拡げる）構造とすることにより、大流量の流体を流すことができる。
すなわち、本発明は、センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路に連通する弁座流入口を有する弁座と、この弁座に接離する平坦部を有するダイアフラムと、このダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の上部には前記ダイアフラムの平坦部の最外周まで拡がった弁座流出口が形成され、前記弁座の外周部は流出方向に連続的に縮径されて、前記弁座の周りに一部が前記流出側流路に通ずる環状の空間が形成されてもよい。この構造によれば、流体は弁座の上部、すなわち弁座の上部全周にわたって形成された弁座流出口より弁座の周りに連続した前記空間に流れ出て、その空間に通ずる前記流出側流路に流れ出る。さらに、弁座は外周部を抉るようにして設けることなどにより、弁座流出口の全周から流体が滑らかに流れ出るようになり、もって大流量化が達成される。
また、本発明は、センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、前記流入側流路に連通する弁座流入口を有する弁座と、この弁座に接離する平坦部を有するダイアフラムと、このダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュエータとからなり、前記弁座の上部は前記ダイアフラムの平坦部の最外周まで拡がった弁座流出口が形成され、前記弁座の外周部は段付きの形状をしており、前記弁座の周りに流出方向に沿って断面積が急拡大し、かつ一部が前記流出側流路に通ずる環状の空間が形成されてもよい。この構造とすることによっても大流量のマスフローコントローラとすることができる。
さらに、前記流出側流路を流体の流出方向に沿って下り勾配に形成された部分を有する構成とすることによっても、大流量のマスフローコントローラとすることができる。
【００１６】
ここで、上記ダイアフラムは金属製のダイアフラムとすることができる。また、弁座の流入口径をｄ０、流出口径をｄとしたとき、両者の比は、２≦ｄ／ｄ０≦４の範囲とすることが望ましい。これは弁座口径の拡がりの程度を示しているが、通常ｄ０寸法が大きい程流量の増加が見込まれる。しかし数１０μｍのストローク程度ではその影響は少なく、むしろｄ０寸法は面間寸法の長さに影響し、ｄ寸法の方が流量に直接利いてくる。しかしながら、ｄ／ｄ０の値が２以下では大流量化の効果が少なく、４以上ではコンパクト化を阻害する影響が出てくる。また、大流量を得るためのｄ０の下限寸法としては通常φ２ｍｍ程度は必要となる。
【００１７】
また、大流量化のためには、上記構成に加えて、弁座の軸芯から流出側流路の弁座取付け壁までの最短距離をＹとしたとき、弁座流出口の位置は、ｄ／２＞Ｙの関係となるようにすることがより好ましい。
【００１８】
ところでこのような流量制御弁における流量Ｑは一般に次式▲１▼で表される。
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｌ・（２ｇ（Ｐ１−Ｐ２）／γ）１／２  ………▲１▼
尚、Ｋ：流量係数、Ｓ：シール長さ（Ｓ＝πｄ）、ｌ：ストローク、ｇ：重力加速度、Ｐ１：一次側圧力、Ｐ２：二次側圧力、γ：流体の比重量である。
【００１９】
この流量制御弁のようにストロークが数10μと極微小なものでは、弁座の流入口径を大きくするよりも弁座流出口のシール長さを長くする方が流量拡大に直接利いてくる。上記した構成によれば、弁座の流入口の口径φｄ0や取付け寸法及びストロークｌを従来と同じとしても、例えば金属製のダイアフラムに対向する弁座流出口径φｄは可能な限り拡がっているので、シール長さＳが拡大されて流量Ｑが大きくなる。さらに、弁座口から流出方向には環状の空間が通じているので、弁座流出口の全周から流体が環状の空間を介して流出側流路に流れ出すことができる。尚かつ弁座の外周部が流出方向に連続的に縮径されており、環状空間の一部は弁座口よりも内側に入り込むような形に形成されているから流過抵抗が減少する。その結果、上記流量係数Ｋが向上してより大流量をスムーズに流すことが出来るようになる。
【００２０】
また、本発明においては、前記ダイアフラムは耐食性と耐久性が大である金属製ダイアフラムであり、かつ前記アクチュエータは圧電素子からな駆動手段を有するとともに、前記弁座流出口の口径ｄは、前記金属ダイアフラムの平坦部の直径Ｄに対し、０．７Ｄ＜ｄ＜Ｄの関係を有することが、さらに好ましく、０．７Ｄ＜ｄ＜０．９５Ｄの関係を有することが特に好ましい。
【００２１】
この構成によれば、金属ダイアフラムに加える予圧を減らし、応答性と流量特性が改善される。すなわち上記の寸法関係を有する金属ダイアフラムは、上部より荷重を加えると、中央部分が突出した円弧状に変形し、またダイアフラムスペーサ等の剛体を介した場合でも同様に円弧状に変形することから、閉弁時のシール部の違いによって予圧が異なることが推察される。つまり、外周側よりも内周側の部分が大きく撓み、その分だけ余分に弁座シール面に押し付けられるので、必要以上に予圧が高くなる。したがって弁座のシール部位置は、金属ダイヤフラムの外側でより外周縁に近い位置にした方が予圧が高くならず、それだけ流量の立ち上がりが早くなり、応答性が向上する。尚、弁座の直径ｄが０．７Ｄより小さいと、バルブ電圧を高くしてもシール面に接触したままの状態となり、予圧が解除されるまでに時間が掛かり応答速度が鈍くなるし、また大流量化を達成できない。一方、弁座流出口の口径ｄが大きすぎると、弾性変形部の領域になり、この部分は変位を重ねる度に硬化して残留歪みが残るのでシール部としては好ましくない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明のマスフローコントローラの一実施例を示す縦断面図である。図２は、弁座周りの拡大図である。図３は他の実施例を示すマスフローコントローラの縦断面図である。尚、ここで図６と同一の構成については同一符号を付している。
【００２３】
先ず、図１のマスフローコントローラ１Ａの全体構成について説明する。マスフローコントローラ本体１は、ステンレス材（SUS316L）等からなり流出側継手部を備えた本体１ａと流入側継手部を備えた本体１ｂとから構成されている。本体１ａは流量制御弁本体部分と継手部分とを含む一体的なブロック状で、その流路は流入口１１と繋がる流入側流路１２ａ、バイパス流路１５、流入側流路１２ｂ、流入側流路１２ｃと流れ、流路１２ｃの端部にはステンレス（SUS316L）材等からなる金属製の弁座４がかしめ手段により装着されている。そして弁座４に対向して金属製のダイアフラム５（以下、金属ダイアフラムという。）が配置されており、この金属ダイアフラム５によって流入側流路１２と流出側流路１３（流出側流路１３は環状の空間１３aと流出側流路１３ｂにより構成されている。）とが仕切られており、金属ダイアフラム５は弁座４のシール面に直接接離するようになっている。さらにこの金属ダイアフラム５に仕切られた弁座４の周囲に環状の空間１３ａが直接拡がっている。そして、環状の空間１３ａの一部は９０度折れ曲がった流出側流路１３ｂと流出口１４に繋がっている。従って、上記流入側流路１２ｃから流出側流路１３ｂまでは流量制御弁の部分であり、以下この部分はマスフローコントローラ本体の中でも特に流量制御弁本体という。また、上記金属ダイアフラム５はいわゆる弁体の働きをするものであるが、これは本例のような薄板状のダイアフラムに限定されるものではなく、例えばコマ状、円盤状あるいはこれらの一部を薄く削り出し加工してダイアフラム機能を持たせたものを用いても良い。
【００２４】
さらに本体１ａは、従来と同様に流出側継手部分を別体としたものでも良いが、一体の方が流入側流路１２ｂ、１２ｃと流出側流路１３ｂ及び流入側流路１２ｃと本体１ａの上部の空間１３ａを同芯加工する上で効率的である。また、弁座４を本体１ａに取り付けるにはねじ込み手段でも良く、あるいは弁座４は本体１ａと一体もので本体１ａから削り出しで成形することもできる。ただし取付部分の寸法は従来とほぼ同じとし、弁座流入口４１の口径ｄ０は肉厚強度上可能な限り大きくとることが好ましい。そして流入口４１の途中からは外方に拡がるテーパ内面４２となし出来る限り外周側に拡がった弁座口４３を形成している。また同時に少なくとも流量制御弁本体部分の上面１６と弁座流出口の接離面４４（以下シール面４４という。）の高さ位置は同一面に形成し、弁座取付け後、弁座シール面４４と本体上面１６とを同時にラップ仕上げが可能なようにしている。尚、このラップ仕上げは、結果的にマスフローコントローラ本体１ａの上面１６の全体が０．２Ｓ程度の鏡面に仕上げられるのでセンサ部のメタルＯリングのシール面にも良好で加工上また組立上きわめて効率的である。
【００２５】
その後、この鏡面仕上げされた本体上面１６に対して、メタルＯリング６９ｂとスペーサ６９ａ、弁座スペーサ（８０μｍ程度）６９ｃを介して金属製ダイアフラム５を載置し、ダイアフラム押さえ６２によって金属製ダイアフラム５の周縁部を挟着し、その上にハウジング６３とフタ６４をボルトを用いて本体１ａに締結している。一方、金属ダイアフラム５の上面には円盤状のダイアフラムスペーサ６１が乗せられており、これは調芯作用のある硬球６５とピエゾスペーサ６６及びベアリング６６ａを介して圧電アクチュエータ６０の押圧力を伝達するようにしている。圧電アクチュエータ６０は、ステンレス等の金属製、望ましくは熱膨張係数が極めて小さい金属材料からなるケース内に積層型圧電素子体を密封したもので、その上部はハウジングキャップ６８ａとナット６８ｂによってハウジング６３に対し軸芯を合わせた状態で螺合し組み付けられている。このマスフローコントローラは、通常はばね６７によって圧電アクチュエータ６０は押し上げられており、よって金属ダイアフラム５は自己の弾性力により離座した開弁状態となっている。そして、通電によってばね力に抗してダイアフラムスペーサ６１を下方に押し下げ、金属ダイアフラム５の移動量を調節して流量制御を行うノーマリーオープン型のマスフローコントローラである。尚、これは従来と同様にノーマリークローズ型のマスフローコントローラに構成することも可能である。
【００２６】
ところで上記した各部材は基本的にはステンレス材（ＳＵＳ３１６Ｌなど）で形成されているが、金属ダイアフラム５については、Ｃｏ基合金やＮｉ−Ｃｏ合金、例えば本実施例では、重量％でＮｉ１３〜１８％、Ｃｒ１８〜２３％、Ｍｏ５〜９％、Ｃｏ３８〜４４％、残部Ｆｅおよび不純物からなる高弾性金属材料から構成し、耐食性と耐久性が高く、自己復元力を有するものとしている。そして厚さ約０．１５ｍｍ程度の円形薄板で、中央部にφＤの平坦部５１とその外側に環状で断面半円形の弾性変形部５２を、更にその外側に挟着周縁部５３を形成したものである。この金属ダイアフラムは複数枚の薄板を重ねて金型により成形されるが、さらに剛性をアップするために平坦部に同材料の円形薄板をスポット溶接又は接着剤などで一体的に貼り付けたものを使用することもできる。
【００２７】
次ぎに図２を参照してこのマスフローコントローラ１Ａの特徴を説明する。
まず、上述した通り弁座４のシール面４４と少なくとも流量制御弁本体の上面１６とは同一面になるように組み付け、その後ラップ仕上げを行っている。これによって弁座のシール面４４と金属ダイアフラム５とダイアフラム押さえ６２等を積み重ねていく面との平面度が一致し、またアクチュエータの軸芯と弁座や金属ダイアフラムの軸芯が一致する。よって、圧電アクチュエータの変位が正確に伝わり全ストロークを無駄なく有効に利用できる。また弁座のシール面と金属ダイアフラムの平坦部が常に平面を保って移動するのでより精密な流量制御ができるようになる。一方、構造的には弁座４と金属ダイアフラム５及びダイアフラム押さえ６２等の全体位置が上方に移動するので、図６に示す従来弁室と呼ばれた部分Ｓが無くなり、ここにスペース上の余裕が生まれるので余分な部分を削除して面間寸法を小さくすることが可能となった。本例では、弁座口を拡げた弁座４とした上で面間寸法Ｌ＝１０６ｍｍとすることが出来た。これは、従来の第４図のものがＬ＝１２４ｍｍであったから面間寸法として約１５％のコンパクト化が達成できたものである。
【００２８】
次に、この弁座４の内面４２はテーパ状に拡がっており、端部の弁座流出口４３は金属ダイアフラムの平坦部５１の最外周領域に位置し、さらに幅ｗのシール面４４が形成されている。そして、弁座４の上部弁座口の周りには環状の空間１３ａがすり鉢状に抉るように広がり、弁座４の軸芯から内壁１３ｗまでの最短距離Ｙに対して弁座流出口部分が出っ張っている。逆に言えば環状の空間１３ａは、弁座流出口よりも内側に入り込んだ構造となっているので、常にｄ／２＞Ｙの関係が成立する。
本実施例では、例えば、弁座の取付部の外径は、従来と同様にφｄ１＝７．２ｍｍ、弁座流入口４１の口径φｄ０＝４．０ｍｍ、弁座流出口４３の口径φｄ＝１２．０ｍｍ、シール面４４の幅ｗ＝０．２ｍｍ、弁座４の中心から弁座４の取付け壁１３ｗまでの距離Ｙ＝４．４５ｍｍ、流出側流路１３ｂの口径φＸ＝４．５ｍｍ、弁座口と内壁の重なり長さｚ＝２．５５ｍｍである。一方、従来のマスルフローコントローラにおいては、弁座流入口４１の口径はその全長にわたってφｄ’＝５．０ｍｍであったことから、単純に弁座流出口の口径を比較しても従来の２．４倍の流量が得られることがわかるが、実験で実際の流量を測定すると、従来の約４倍にもなることが確認された。このような大流量化は、弁座４のシール面長さが拡張されて流出口径が増大することに加えて、図１に点線で示すように弁座流出口の全周から流体が滑らかに流れ出ることにより達成できたものである。
【００２９】
また、本実施例では弁座口４３の流出口径φｄは金属ダイアフラムの平坦部５１の径φＤ＝１３．５ｍｍに対し０．８９Ｄという外側位置に設けている。これによって金属ダイアフラムに生じる円弧状変位が少ない外周側部分でシール部を構成することになり、結果的にこのシール面４４は少ない予圧でシール性がよい。例えば図４は金属ダイアフラムの変形を模式的に示す図であるが、このようにこの金属ダイアフラムの変形は、点線で示すダイアフラム押さえに沿ってつまり平坦な面を保って変位するのではなく円弧状に撓んで変形する。従って、ａ点の高さにシール部を置いたとするとφｃのシール部の位置では変位量ｇで示す分の予圧が余分にシール面に加わることになる。これを図５に示す流量特性の結果から見ると、φｃのシール部位置では予圧が高い分バルブ電圧を印可しても予圧が解除される（弁座シール面から離れる）までに時間が掛かり流量の立ち上がりが遅れて応答性が悪く流量特性も好ましくないということになる。一方φａのシール部位置では適正な予圧だけが掛かっているので立ち上がりが早く、応答性が改善されより大流量の流量特性が得られる。尚、図５は差圧１．０ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇのときのおよその流量特性を示すもので縦軸は流量（リッター／分）、横軸はバルブ電圧（ボルト）を示し、シール部の位置φｄがａは約０．９Ｄ、ｂは約０．７５Ｄ、ｃは約０．６Ｄのそれぞれに相当する位置に設けた場合の流量特性線図である。
この場合例えばａはバルブ電圧が約２０Ｖでバルブが開き始めるのに対してｃの場合のそれは約８０Ｖも必要としそれだけ応答速度の遅れがみられる。またｃの場合は流量も最大で２０Ｌ／ｍｉｎもとることが出来ず大流量化が見込めない。
【００３０】
ところで上記した技術手段の内、弁座流出口を拡げて外側に位置させることとシール部の位置を数値的に限定することは結果的に同じに見えるが、前者は、シール周長さＳの拡張と流過抵抗の低減から大流量化を計るというものである。一方後者は、金属ダイアフラムの変形を考察し、予圧を必要最小限になし流量の立ち上がりを早めて大流量の特性を得るものである。よって、両者は全く別の作用、効果を有しているのである。また、弁座のシール面と本体の上面を同一面に形成するということは、シール面の平行度や平面度が向上することにつながり、結果的に圧電アクチュエータの限られたストロークを無駄なく有効利用できることに効果がある。
【００３１】
図３は、本発明の他の実施例を示すマスフローコントローラ１Ｂの縦断面図である。図３のマスフローコントローラは、弁座の形状と流出側流路の形状を変更した以外は、図１に示すマスフローコントローラと同様の構造を有するもので、図１と同一部分は同一の参照符号で示し、その詳細な説明を省略する。
上記のマスフローコントローラは、弁座９のシール面がマスフローコントローラの本体の上面と一致するような位置にあり、さらに平面からみて弁座流出口９３は径方向に拡がり金属ダイアフラム５の平坦部の最外周部に存在する構成を有する。弁座４の外周部は段付きの形状をしており、弁座４の周りに流出方向に沿って断面積が急拡大し、かつ一部が前記流出側流路に通ずる環状の空間１３ａが形成される。流出側流路１３ｂは環状の空間１３ａから流体の流出方向に沿って下り勾配に形成することにより、流れ易い流路となる。また、弁座流出口の口径φｄの位置は、金属ダイアフラム５の平坦部の径φＤに対し、０．９０Ｄとなるように設定されている。このような構成により、図３のマスフローコントローラは図１と同様の理由で、大流量でしかもコンパクトな装置とすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマスフローコントローラによれば、
（１）弁座のシール面を少なくとも流量制御弁本体部分の上面とほぼ同一面に形成した。これによって、本体上面と弁座シール面を同時にラップ仕上げすることができ、弁座口のシール面と本体側の平行度が向上し、かつアクチュエータの軸芯と周りの部品の軸芯が一致してアクチュエータのストロークを有効に利用して大流量化が計られる。
【００３３】
（２）弁座の流出口は、金属ダイアフラムの平坦部の外側まで拡がったものとなし、かつ流出流路の一端は弁座の周りに直接拡がっている。これによって、シール長さが長くなると共に、弁座流出口を通過してからの流過抵抗が減少し大流量をスムーズに流すことが出来るようになる。
【００３４】
（３）弁座の流出口の直径φｄは、金属ダイアフラムの平坦部の直径φＤに対し０．７Ｄ≦ｄ≦Ｄ（望ましくは０．９５Ｄ）となし、この範囲内にシール部を形成した。これによって、シール部は金属ダイアフラムに生じる円弧状変形部を避けて設けられることになり、少ない予圧でシール性が良くなる。また予圧が減る分、応答性が改善され大流量化ができる。
【００３５】
以上のことから本発明は、面間寸法を小さくしたコンパクトなものでありながら大流量の流体を流すことができ、しかも流量制御の応答性が向上したマスフローコントローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すマスフローコントローラの縦断面図である。
【図２】図１の弁座部分の拡大断面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示すマスフローコントローラの縦断面図である。
【図４】金属製ダイアフラムの変形状態を示す説明図である。
【図５】シール部の位置をそれぞれ変えたときの流量特性線図である。
【図６】従来のマスフローコントローラの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ：マスフローコントローラ ２：センサー部
３：制御回路部 ４、９：弁座
５：金属ダイアフラム ６：流量制御弁
１１：流入口 １２（ａ、ｂ、ｃ）：流入側流路
１３：流出側流路（１３ａ：環状の空間、１３ｂ：流出側流路） １４：流出口
１５：バイパス流路 ２０：センサパイプ
２１：上流側コイル ２２：下流側コイル
４１：弁座の流入口 ４２：テーパ内面
４３：弁座口 ４４：弁座のシール面
５１：金属ダイアフラムの平坦部 ５２：弾性変形部
５３：金属ダイアフラムの周縁部
６０：圧電アクチュエータ ６１：ダイアフラムスペーサ
６２：ダイアフラム押さえ ６３：ハウジング
６４：フタ ６５：硬球
６６：ピエゾスペーサ ６６ａ：ベアリング
６７：ばね ６８ａ：ハウジングキャップ
６８ｂ：ナット ６９ａ：外径スペーサ
６９ｂ：メタルＯリング ６９ｃ：弁座スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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