(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２つの開口部を備えてなるエアー室と、
上記エアー室の各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる２つのダイヤフラムと、
上記２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、
上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、
上記エアー室の外側に設けられ、流体が通流する内部流路と、
上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、
上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、
上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記一方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記他方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していること
を特徴とする流量制御弁。
【請求項２】
上下２つの開口部を備えてなるエアー室と、
上記エアー室の上下各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる上下２つのダイヤフラムと、
上記上下２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、
上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、
上記エアー室の外側に設けられ、流体が通流する内部流路と、
上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、
上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、
上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記上側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記下側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していること
を特徴とする流量制御弁。
【請求項３】
上記連結軸および上記支持手段は上記エアー室内に配置されていること
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の流量制御弁。
【請求項４】
上記弁体は、上記２つのダイヤフラムのうちいずれか一方のダイヤフラムの外面に取り付けられ、
上記内部流路は、上記弁体が取り付けられている上記一方のダイヤフラムの外面を通るように構成されること
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の流量制御弁。
【請求項５】
上記一方のダイヤフラムの外面は、フッ素樹脂等による腐食防止手段で保護されていること
を特徴とする請求項４に記載の流量制御弁。
【請求項６】
流体を供給する管路と、
上記管路の途中に設置された流量制御弁と、
上記管路を流れる流体の流量を計測する流量計と、
上記流量計で計測した流量計測値と流量設定値に基づき上記流量制御弁を制御することにより上記管路を流れる流体の流量を上記流量設定値と等しくなるように調整する制御部とを具備し、
上記流量制御弁は、
対向する２つの開口部を備えてなるエアー室と、
上記エアー室の各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる２つのダイヤフラムと、
上記２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、
上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、
上記エアー室の外側に設けられ、上記管路に連通するとともに、該管路を流れる流体が通流する内部流路と、
上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、
上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、
上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記一方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記他方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していること
を特徴とする流量制御装置。
【請求項７】
流体を供給する管路と、
上記管路の途中に設置された流量制御弁と、
上記管路を流れる流体の流量を計測する流量計と、
上記流量計で計測した流量計測値と流量設定値に基づき上記流量制御弁を制御することにより上記管路を流れる流体の流量を上記流量設定値と等しくなるように調整する制御部とを具備し、
上記流量制御弁は、
上下２つの開口部を備えてなるエアー室と、
上記エアー室の上下各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる上下２つのダイヤフラムと、
上記上下２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、
上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、
上記エアー室の外側に設けられ、上記管路に連通するとともに、該管路を流れる流体が通流する内部流路と、
上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、
上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、
上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記上側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記下側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していること
を特徴とする流量制御装置。
【請求項８】
上記流量計は、超音波流量計からなるとともに、上記流量制御弁の下流側に設置されること
を特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項９】
上記連結軸および上記支持手段は上記エアー室内に配置されていること
を特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項１０】
上記弁体は、上記２つのダイヤフラムのうちいずれか一方のダイヤフラムの外面に取り付けられ、
上記内部流路は、上記弁体が取り付けられている上記一方のダイヤフラムの外面を通るように構成されること
を特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項１１】
上記一方のダイヤフラムの外面は、フッ素樹脂等による腐食防止手段で保護されていること
を特徴とする請求項１０に記載の流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の流量を適量に制御して供給する各種装置、例えば半導体製造装置における流量制御ユニット等として用いられる、流量制御装置とこれを構成する流量制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流量制御弁としては、例えば特許文献１に開示されているダイヤフラムバルブがある。同文献１のダイヤフラムバルブは、図６に示したように上下２つのダイヤフラム５０、５１をリンク棒５２によって連結し、さらに上側ダイヤフラム５０にピストン５３を連結してなる構造であって、ピストン５３がエアー供給配管５４からのエアーの圧力で上方へ移動すると、このピストン５３の移動に引きずられて上側ダイヤフラム５０が変形し弁座部５５から離れて、流体の通流する流路５６が開放されるというものである。
【０００３】
しかし、上記特許文献１のダイヤフラムバルブによると、エアー供給配管５４からのエアーの圧力をピストン５３に作用させて上側ダイヤフラム５０を変形させる構造であるため、エアーの圧力を変化させたときの圧力変化分がダイレクトに上側ダイヤフラム５０の変形量と弁座部５５からの離間量に反映されてしまい、上側ダイヤフラム５０の弁座部からの離間量を微調整するのが難しく、高精度な流量調整を行うことができない。このようなダイヤフラムバルブ自身の流量調整精度が低いから、かかるダイヤフラムバルブを用いた流量制御装置において高精度な流体の流量制御は期待できない。
【０００４】
従来の他の流量制御弁としては、例えば、特許文献２に開示されている純水の流量制御装置において用いられているパイロットレギュレータがある。このパイロットレギュレータは、ダイヤフラムに弁体が連結されていて、ダイヤフラムが操作圧の作用を受けて上下に変位すると、ダイヤフラムと一体に弁体が上下方向に移動する構造になっている。このため、同パイロットレギュレータでは、ダイヤフラムを上下に変位させるための操作圧の変化分がダイレクトにダイヤフラムの変位量と弁体の上下移動量に反映されてしまうから、このパイロットレギュレータもまた前述した特許文献１の流量制御弁と同様に、高精度な流量調整を行うことができない。このようにパイロットレギュレータ自身の流量調整精度が低いから、かかるパイロットレギュレータを用いた流量制御装置において高精度な流体の流量制御は期待できない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１８５０５３号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平１１−１６１３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度な流体の流量制御を可能とするのに好適な流量制御弁と流量制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の流量制御弁は、対向する２つの開口部を備えてなるエアー室と、上記エアー室の各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる２つのダイヤフラムと、上記２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、上記エアー室の外側に設けられ、流体が通流する内部流路と、上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記一方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記他方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の流量制御弁にあっては、エアー室が上下２つの開口部を備え、この上下各開口部に２つのダイヤフラムが配置される構造、つまり、２つのダイヤフラムが上下に対向する構造のものを含むが、このような２つのダイヤフラムの位置関係だけに限定されることはない。
【００１０】
たとえば、本発明の流量制御弁においては、２つの開口部を同エアー室の左右方向に対向形成し、この左右２つの開口部のそれぞれに１つずつダイヤフラムを取り付けることにより、ダイヤフラムが左右方向で対向する構造を採ってもよく、これら以外の方向で上記２つのダイヤフラムが対向するように構成してもよい。
【００１１】
以上の本発明の流量制御弁では、エアー室に供給されるエアーの圧力が受圧面積の異なる２つのダイヤフラムに作用する。このとき、両ダイヤフラムは各受圧面の面積が相違するため、両ダイヤフラムに加わる力に差が生じる。この差の力、すなわち、受圧面積の大きいダイヤフラムに加わる力から受圧面積の小さいダイヤフラムに加わる力を差し引いた分の力が、上下両ダイヤフラムと連結軸とからなる連結構造体に作用し、その連結構造体が変形変位する。この変形変位動作は、受圧面積の大きいダイヤフラムがエアー室の外側に向かって張り出すように変形変位し、このダイヤフラムの変形に引きずられるようにして連結軸がスライドし、さらに連結軸を介して受圧面積の小さいダイヤフラムがエアー室の内側に向かって変形変位するというものである。そして、このような変形変位動作と同時に、連結軸のスライド動作に連動して弁体がスライド移動して内部流路を流れる流体の流量を増減調整する。
【００１２】
以上のように、本発明の流量制御弁にあっては、２つのダイヤフラムに加わる力の差により弁体をスライド動作させる構造であるため、弁体のスライドストロークの分解能が高まり、高精度な流量調整を行うことが可能となる。
【００１３】
また、本発明の流量制御弁によると、通常のエアー弁等のようにＯリング等による隔壁をエアー室に形成せず、エアー室内のすべり軸受でダイヤフラムの連結軸を支持するというシンプルな構造で低コストである。
【００１４】
本発明の流量制御弁にあっては、受圧面積の異なる２つのダイヤフラムを対向させて使用するが、このうち受圧面積の小さいダイヤフラムの外面側が内部流路に面するように設置される構成を採用することもできる。このような構成によると、流体からの圧力は、受圧面積の小さいダイヤフラムの受圧面に作用することになるから、同一受圧面積のダイヤフラムを使用するものと比較して、流体からの圧力の影響を軽減することが可能となるという利点がある。
【００１５】
上述した目的を達成するために、本発明の流量制御装置は、流体を供給する管路と、上記管路の途中に設置された流量制御弁と、上記管路を流れる流体の流量を計測する流量計と、上記流量計で計測した流量計測値と流量設定値に基づき上記流量制御弁を制御することにより上記管路を流れる流体の流量を上記流量設定値と等しくなるように調整する制御部とを具備し、上記流量制御弁は、対向する２つの開口部を備えてなるエアー室と、上記エアー室の各開口部にそれぞれ取り付けられるとともに、そのエアー室の圧力を受ける受圧面の面積が異なる２つのダイヤフラムと、上記２つのダイヤフラムを連結する連結軸と、上記連結軸をその軸心方向にスライド可能に支持する支持手段と、上記エアー室の外側に設けられ、上記管路に連通するとともに、該管路を流れる流体が通流する内部流路と、上記連結軸のスライド動作に連動してスライド移動することにより上記内部流路を流れる流体の流量を増減調整する弁体と、上記エアー室内に圧力制御または流量制御されたエアーを供給するエアー供給路とを有し、上記エアー供給路は、その一端部側が分岐して２つの分岐管路になり、この２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上記一方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、上記他方のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口していることを特徴とする。
【００１６】
本発明の流量制御装置にあっては、前述した本発明の流量制御弁を用いるものであるから、高精度な流体の流量制御が可能となることは勿論であり、これに加えて更に、本発明の流量制御装置によると、管路を流れる流体の現在の流量計測値に基づき流量制御弁を制御して流体の流量を流量設定値と等しくなるように一定に調整するものだから、流量以外の他の要因で流体の流量が変化しても、その変化に十分対応することができるという利点がある。
【００１７】
本発明の流量制御装置を構成する流量制御弁もまた、２つのダイヤフラムが上下に対向する構造のものを含むが、このような２つのダイヤフラムの位置関係だけに限定されることはない。尚、２つのダイヤフラムが上下に対向する構造を採る場合にあっては、上記エアー供給路の一端側が分岐してなる２つの分岐管路のうち、一方の分岐管路の出口側が、上側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口し、他方の分岐管路の出口側が、下側のダイヤフラムの受圧面に近接して対向するように開口する。
【００１８】
上記本発明の流量制御弁または流量制御装置において、２つのダイヤフラムと連結軸は一体成形品として構成したり、別部品として構成したりすることもできる。また、このダイヤフラムや連結軸はフッ素樹脂や他の樹脂若しくは金属等で形成することができる。
【００１９】
上記本発明の流量制御弁または流量制御装置において、連結軸をスライド可能に支持する支持手段としては、例えば、すべり軸受、ころがり軸受等の軸受を適用することができる。また、軸受という一般的な概念に含まれない支持手段、例えば、連結軸を筒のような形態の部品に挿入し、その筒形態の部品でスライド可能に連結軸を支持してもよい。
【００２０】
上記支持手段としてすべり軸受を採用したものは、連結軸の摺動抵抗が少なく、微小なエアー圧力による高精度な弁体の位置制御が可能となり、高精度な流量調整を行うのに好適である。
【００２１】
さらに、この支持手段は、磁気軸受等のように非接触で軸を支持する手段も含む。従って、磁気軸受等のような非接触軸支持手段でスライド可能に連結軸を支持してもよい。
【００２２】
上記本発明の流量制御弁または流量制御装置において、上記「弁体」については、２つのダイヤフラムのうち、いずれか一方のダイヤフラム、例えば２つのダイヤフラムが上下に配置される構造の場合は、その下側ダイヤフラムの外面に直接一体に取り付けられるように構成し、上記「内部流路」については、上記のように弁体が取り付けられている下側ダイヤフラムの外面を通るように構成してもよい。
【００２３】
このような構成によると、内部流路を流れる流体と接するのは一方の下側ダイヤフラムの外面だけである。従って、その下側ダイヤフラムが金属等、腐食のおそれのある材料で形成される場合でも、下側ダイヤフラムの外面だけに腐食防止手段としてフッ素樹脂コーティング等を施すだけでよい。下側ダイヤフラムの内面や上側ダイヤフラムの内外両面については、たとえこれらが金属で形成されていたとしても、流体と接触するおそれはないので、かかる腐食防止手段を施す必要性はないから、この点で、この種の流量制御弁の製造工数や製造コストの低減を図ることができる。
【００２４】
上記フッ素樹脂は腐食防止手段の一例として用いられるものであり、それ以外の腐食防止手段としての腐食防止材でダイヤフラム外面を保護してもよい。
【００２５】
上記本発明の流量制御装置において、「上記流量計で計測した流量計測値と流量設定値に基づき上記流量制御弁を制御することにより上記管路を流れる流体の流量を上記流量設定値と等しくなるように調整する」ことには、流量計で計測した現在の流量計測値がコントローラ部に入力され、同コントローラ部において、その流量計測値と流量設定値を比較し、その偏差に対しＰＩＤ演算処理を行ってエアー制御部に制御信号を出力し、この制御信号に基づきエアー制御部がエアーの圧力または流量を制御してエアー室に供給するもの、が含まれるものとしてもよい。
【００２６】
また、上記本発明の流量制御装置においては、上記「流量計」を超音波流量計とし、この超音波流量計を流量制御弁の下流側に設置してもよい。この場合、流量制御弁下流側の管路の一部が超音波流量計の超音波伝播経路となるものとしてよい。
【００２７】
このように構成すると、例えば、内部流路が下側ダイヤフラムの外面を通る場合において、その下側ダイヤフラムが万一破損したときに、このダイヤフラムの破損を早期に検出することができるという利点がある。これは、超音波流量計には計測不可となったときに計測異常の警告を発する機能があり、この機能を利用するものである。すなわち、下側ダイヤフラムが破損し、破損部からエアー室のエアーが内部流路に漏れ、漏れ出たエアーの気泡が流量計測対象の流体中に混入する。そうすると、この気泡のため、超音波流量計では超音波の伝播ができず、計測不可となり、計測異常の警告が出るから、ダイヤフラムの異常を直ちに検知することができる。
【００２８】
さらに、上記「流量計」については超音波流量計以外の、他の方式の流量計を採用することもできる。
【００２９】
上記本発明の流量制御装置において、上記「流体を供給する管路」については、ＰＦＡ等のフッ素樹脂、塩化ビニル、ゴム等からなるチューブ、鋼管、または、これら以外の材質の管からなる管路として構成してもよい。
【００３０】
本発明を例えば半導体製造装置で使用する場合、本発明の流量制御弁や流量制御装置は洗浄液、洗浄液と混合する純水、液状化学薬品等の流体の流量を一定に制御するものとして用いられる。また、本発明を例えば化学、薬品製造分野で使用する場合、本発明の流量制御弁や流量制御装置は薬液等の流体の流量を一定に制御するものとして用いられる。
【００３１】
本発明の流量制御弁は、また流体の濃度、抵抗、圧力、温度等、流体の性状をコントロールする用途に用いることができる。例えば、薬液の原液とその希釈液とを混合槽に供給して所定濃度の薬液を生成しようとする場合には、その混合槽において混合液の濃度をセンサで検出するとともに、このセンサの検出値に基づき本発明の流量制御弁を駆動して、混合槽への供給原液あるいは供給希釈液の供給量を調整すればよい。
【発明の効果】
【００３２】
流量制御弁の本発明によると、以下の作用効果が得られる。
（１）高精度な流量調整を可能にする流量制御弁を提供しうる。
（２）シンプルな構造で低コストの流量制御弁を提供しうる。
【００３３】
流量制御装置の本発明によると、以下の作用効果が得られる。
（１）高精度な流体の流量制御を行える。
（２）流量以外の他の要因で流体の流量が変化しても、その変化に十分対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
図１に示す流量制御弁Ｖは、バルブハウジング１内に弁体２等のバルブ構成部品が収容されている。本実施形態における上記バルブハウジング１は、下部に配置されるバルブベース３と、上部に配置されるバルブキャップ５と、バルブベース３とバルブキャップ５の間に介在する筒状の中間ハウジング４とにより構成されている。
【００３６】
中間ハウジング４の筒内側空間はエアー室６として設けられている。このエアー室６は上下に対向する２つの開口部７−１、７−２を有し、このエアー室６の上側開口部７−１に第１のダイヤフラム８が取り付けられ、同エアー室６の下側開口部７−２に第２のダイヤフラム９が取り付けられ、この上下２つのダイヤフラム８、９によりエアー室６の上下の開口部７−１、７−２はそれぞれ塞がれている。
【００３７】
以下の説明では、エアー室６の上側開口部７−１を塞いでいる第１のダイヤフラム８のことを「上側ダイヤフラム」といい、同エアー室６の下側開口部７−２を塞いでいる第２のダイヤフラム９のことを「下側ダイヤフラム」という。
【００３８】
上側ダイヤフラム８と下側ダイヤフラム９ではその径が異なり、本実施形態の流量制御弁Ｖでは上側ダイヤフラム８の方が下側ダイヤフラム９よりも大径に形成されている。
【００３９】
具体的には、上側ダイヤフラム８は、バルブキャップ５の内径と略同じ径となるように形成されている。また、この上側ダイヤフラム８が取り付けられているエアー室６上端の開口部７−１も、上側ダイヤフラム８の径に合わせて、バルブキャップ５の内径と略同じ径で大きく開口する構造となっている。
【００４０】
一方、下側ダイヤフラム９は、上側ダイヤフラム８より小径に形成されている。この下側ダイヤフラム９が取り付けられているエアー室６下端の開口部７−２も、下側ダイヤフラム９の径に合わせて、エアー室６上端の開口部７−１より小径に開口する構造となっている。
【００４１】
従って、上下両ダイヤフラム８、９は、いずれも上下に対向する内側対向面がエアー室６の圧力を受ける受圧面となるが、その両受圧面の面積は異なる。すなわち、上下両ダイヤフラム８、９のそれぞれの径を比較すると、上側ダイヤフラム８の方が大径であり、また各ダイヤフラム８、９が取り付けられている開口部７−１、７−２の各径を比較すると、上側ダイヤフラム８が取り付けられている開口部７−１の方が大径であるため、本実施形態の流量制御弁Ｖでは、上側ダイヤフラム８の受圧面積の方が下側ダイヤフラム９の受圧面積より大きくなるように構成されている。
【００４２】
上側ダイヤフラム８と下側ダイヤフラム９はエアー室６の略中央に配置される連結軸１０で一体に連結されている。連結軸１０による上下両ダイヤフラム８、９の連結構造については各種考えられるが、本実施形態では、連結軸１０の下端外周部に下側ダイヤフラム９を一体成形するとともに、その連結軸１０の上端部側に上側ダイヤフラム８の略中央部を固定することで、連結軸１０による上下両ダイヤフラム８、９の一体化が図られている。
【００４３】
また、この連結軸１０は、エアー室６に支持手段として設けたすべり軸受１１によりその軸心方向にスライド可能に支持されている。すべり軸受１１はエアー室６内壁に設けた軸受固定部１２に取り付け固定されている。
【００４４】
上記エアー室６には圧力制御または流量制御されたエアーが供給される。このエアーの供給系を説明すると、本実施形態の流量制御弁Ｖにおいては、中間ハウジング４の一部に、エアー室６に連通するエアー供給路１３を形成し、このエアー供給路１３を通じて外部からエアー室６内に圧力制御または流量制御されたエアーが供給されるように構成している。また、エアー室６内に供給されたエアーは、オリフィス部１４を介して外部に抜けるように構成している。尚、オリフィス部１４は、エアー室６と外部とを結ぶエアー抜き通路１５の途中に設けられている。
【００４５】
バルブキャップ５の周面には貫通孔１６が設けられており、バルブキャップ５の内側空間はこの貫通孔１６を介して外部に連通している。また、バルブキャップ５の内側空間にはバネ１７が収容されている。このバネ１７の下端部側は、バルブキャップ５内側空間の底部面を構成している上側ダイヤフラム８の上面に、バネ受け１８を介して取り付けられている。同バネ１７の上端部側は、バルブキャップ５内側空間の上部面に当接するようにセットされている。
【００４６】
上記バネ１７は、上側ダイヤフラム８を下方へ、すなわち下側ダイヤフラム９の方向に向かって常時付勢している。また、上側ダイヤフラム８と下側ダイヤフラム９は連結軸１０を介して一体に連結されているため、下側ダイヤフラム９も、このバネ１７の力により下方へ常時付勢される。
【００４７】
エアー供給路１３を通じてエアー室６内に例えば圧力制御されたエアーが供給されると、そのエアーの圧力が上下両ダイヤフラム８、９の各受圧面にそれぞれ等しく作用する。これにより、上側ダイヤフラム８は、エアー室６外側上方に向かって押圧される。一方、下側ダイヤフラム９は、上側ダイヤフラム８とは反対にエアー室６外側下方に向かって押圧される。
【００４８】
このとき、下側ダイヤフラム９の受圧面積に比べて上側ダイヤフラム８の受圧面積の方が広いので、それぞれのダイヤフラム全体をエアー室６外側に向かって押圧する力は、下側ダイヤフラム９よりも上側ダイヤフラム８の方が大きい。このため、上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体には、上側ダイヤフラム８に加わる力から下側ダイヤフラム９に加わる力を差し引いた分の力（以下「差分の力」という。）が作用するものとなる。
【００４９】
そして、上記のような差分の力がバネ１７の力を上回ると、上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体が、バネ１７の力に逆らって上方に向かって変形変位する。すなわち、上側ダイヤフラム８がエアー室６外側上方へ向かって張り出すように変形変位し、これに引きずられるようにして連結軸１０と下側ダイヤフラム９が上方へ引き上げられ、連結軸１０はすべり軸受１１で支持されながら上方へスライド移動し、下側ダイヤフラム９はエアー室６の内側へ入り込むように上方へ変形変位する。
【００５０】
上記エアー室６の外側には内部流路１９が設けられている。この内部流路１９は、流量制御の対象となる流体が通流する通路であって、バルブハウジング１を構成するバルブベース３側に穿孔形成されている。また、この内部流路１９は、下側ダイヤフラム９の外面９ａを通るように構成されている。
【００５１】
ここで、上記内部流路１９をさらに詳しく説明する。本実施形態の内部流路１９は、弁体２が設置される弁室２０と、この弁室２０に連通する上流側通路２１および下流側通路２２から構成されている。
【００５２】
上記弁室２０は、バルブベース３上面に形成された凹部３−１と、この凹部３−１の表面側を塞いでいる下側ダイヤフラム９とにより仕切り形成され、下側ダイヤフラム９の外面９ａが直に弁室２０に面する構造となっている。
【００５３】
図２に示したように、上記弁室２０に連通している上流側通路２１の一端２１ａは、弁室２０の下部側から該弁室２０の底面に開口するとともに、連結軸１０の軸心延長線上に位置するように形成されている。そして、この上流側通路２１の一端開口縁に、弁体２の弁座部２３が形成されている。尚、この上流側通路２１の他端側２１ｂは、図示しない流体供給系の上流側、すなわち流体を供給する流体供給装置側に連通接続される。
【００５４】
上記弁室２０に連通している下流側通路２２の一端２２ａは、弁室２０の下部側から該弁室２０の底面に開口するように形成されている。また、この下流側通路２２の他端側２２ｂは、図示しない流体供給系の下流側、すなわち流体を使用する流体使用装置側に連通接続される。尚、下流側通路２２の一端２２ａは、例えば弁室２０の側面等のように、弁室２０の底面以外の面に開口形成してもよい。
【００５５】
上記弁室２０内の弁体２は、その外周に２段のテーパ部２−１、２−２を有する柱形状であって、連結軸１０と同軸に配置されている。また、この弁体２は、連結軸１０下端の直下に位置し、その後端部が下側ダイヤフラム９の外面９ａに直接一体に取り付けられている。弁体２の取り付け固定構造として、本実施形態では、下側ダイヤフラム９の外面９ａ側から弁体２の後端部側を連結軸１０下端面にねじ込み固定している。従って、連結軸１０が上下方向にスライド動作すると、これに連動して弁体２も一緒に連結軸１０の延長軸心線上に沿って上下にスライド移動する。
【００５６】
また、この弁体２の上段側テーパ部２−１は、前記弁座部２３に当接してシール部を構成し、下段側テーパ部２−２は、弁座部２３より下方の上流側通路２１内に入り込むように構成されている。
【００５７】
図１、図２のように弁体２外周の上段側テーパ部２−１が弁座部２３に当接している状態から当該弁体２が上方へスライド移動すると、弁体２外周の上段側テーパ部２−１が弁座部２３から離れ、内部流路１９が開となる。このとき、弁体２のスライド移動量に比例して内部流路１９を流れる流体の流量が増減される。これは弁体２が上方へスライド移動した分だけ弁体２の周囲にできる隙間が大きくなるためである。
【００５８】
図１に示した流量制御弁Ｖは、内部流路１９が下側ダイヤフラム９の外面を通る構造であって、下側ダイヤフラム９の外面９ａしか流体と接触しない。従って、流体により腐食のおそれがあるのは下側ダイヤフラム９の外面９ａのみであるため、下側ダイヤフラム９の外面９ａだけに腐食防止手段を施せば足りる。
【００５９】
上側ダイヤフラム８の内外面はエアーが接するだけで流体による腐食のおそれがないから、比較的安価なゴム等でも構成することができる。下側ダイヤフラム９と連結軸１０には、フッ素樹脂、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で構成されるが、これ以外の樹脂または金属で構成することもできる。
【００６０】
下側ダイヤフラム９を金属等、腐食のおそれがある材質で構成する場合は、下側ダイヤフラム外面９ａが流体との接触で腐食するのを防止するために、下側ダイヤフラム外面９ａをフッ素樹脂でコーティングしてもよい。
【００６１】
次に、上記の如く構成された本実施形態の流量制御弁の動作について図１を用いて説明する。
【００６２】
本実施形態の流量制御弁Ｖによると、エアー室６内のエアー圧力が大気圧であるとき若しくは大気圧より高いが所定値以下であるときは、上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体全体が、バネ１７の力で下方に押圧されて、図１のような位置に配置される。このとき、弁体２は弁座部２３に密着し内部流路１９を閉鎖している。
【００６３】
そして、所定値以上の圧力のエアー、すなわち、バネ１７の力より上記差分の力の方を大きくするのに必要十分な圧力のエアーが、エアー供給路１３からエアー室６内へ供給されると、その差分の力とバネ１７の力とが釣り合うまで、該差分の力により上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体が、バネ１７の力に逆らって上方に向かって変形変位する。すなわち、上側ダイヤフラム８はエアー室６の外側上方へ向かって張り出すように変形変位し、これに引きずられるようにして連結軸１０と下側ダイヤフラム９は上方へ引き上げられ、連結軸１０はすべり軸受１１で支持されながら上方へスライド移動し、そして、下側ダイヤフラム９はエアー室６の内側へ入り込むように上方へ変形変位する。また、連結軸１０の上方スライド動作に連動して弁体２も一緒に上方にスライド移動して弁座部２３から離れ、これにより内部流路１９が開となる。
【００６４】
エアー供給路１３からエアー室６内へ供給されるエアーの圧力を更に高めると、上記差分の力がより一層大きくなり、上下両ダイヤフラム８、９の変形量と、連結軸１０とこれに連動して移動する弁体２の上方向へのスライド移動量が増え、弁体２がより一層弁座部２３から離れ、弁体２周囲の隙間が増大する。これにより、内部流路１９を流れる流体の流量が増える。尚、内部流路１９を流れる流体の流量を減らすには、エアー供給路１３からエアー室６内へ供給されるエアーの圧力を低くなるように制御すればよい。
【００６５】
以上のように、図１の流量制御弁Ｖによると、上下２つのダイヤフラム８、９に加わる力の差により弁体２をスライド動作させるものであるから、弁体２のスライドストロークの分解能が高まり、高精度な流量調整を行うことが可能となる。
【００６６】
また、図１の流量制御弁Ｖにあっては、通常のエアー弁等のようにＯリング等による隔壁をエアー室に形成せず、エアー室６内のすべり軸受１１で上下両ダイヤフラム８、９の連結軸１０を摺動可能に支持するというシンプルな構造で低コストであり、また、この連結軸１０はすべり軸受１１にて支持され摺動するので、摺動抵抗が少なく、微小なエアー圧力による高精度な弁体２の位置制御が可能となり、高精度な流量調整を行うのに好適である。
【００６７】
図１の流量制御弁Ｖにあっては、受圧面積の異なる２つのダイヤフラム８、９うち、受圧面積の小さい下側ダイヤフラム９の外面側が内部流路１９に面するように設置される構成を採用した。このため、流体からの圧力は、受圧面積の小さい下側ダイヤフラム９の受圧面に作用することになるから、同一受圧面積のダイヤフラムを使用するものと比較して、流体からの圧力の影響を軽減することが可能となるという利点もある。
【００６８】
図３は、図１の流量制御弁Ｖを用いて構成した流量制御装置１００の説明図である。この図３の流量制御装置１００は、液体供給装置１０１から液体使用装置１０２へ液体を供給する管路１０３の途中に、図１の流量制御弁Ｖと超音波流量計１０４を設けたものであり、特に、本実施形態では超音波流量計１０４を流量制御弁Ｖの上流側に設置した。
【００６９】
すなわち、図３の流量制御装置１００は、流量制御弁Ｖに設けられている内部流路１９の上流側通路２１（図１参照）を液体供給装置１０１側に接続し、同内部流路１９の下流側通路２２（図１参照）を液体使用装置１０２側に接続するとともに、さらに、その液体供給装置１０１と流量制御弁Ｖとを結ぶ管路１０３に超音波流量計１０４を設置したものである。
【００７０】
上記液体供給装置１０１は、流量制御弁Ｖを介して液体使用装置１０２に液体を供給する。また、上記液体使用装置１０２は、例えば半導体製造工程における洗浄装置等のように、適切に制御された流量の液体を使用して作業を行う装置と考えてよい。
【００７１】
上記超音波流量計１０４は超音波を使って液体の流量を計測する方式であって、その基本原理は、管路１０３内の流体の流れ方向に伝播される超音波（以下「正方向超音波」という。）の伝達時間と、その流体の流れとは逆方向に伝播される超音波（以下「逆方向超音波」という。）の伝達時間とが変わることを利用して、それぞれの伝播時間を計測し、その伝播時間差より流体の流速を算出するというものである。
【００７２】
上記基本原理に基づき液体の流量を計測する超音波流量計１０４は、概略的には図５のように構成される。同図の超音波流量計１０４は、互いに対向して配置される２つの振動子１０４−１、１０４−２を有し、流量制御弁Ｖと液体供給装置１０１側とを接続する管路１０３の一部は、この２つの振動子１０４−１、１０４−２どうしを結ぶ直線の線分上に配置される。
【００７３】
そして、この超音波流量計１０４では、上流側の振動子１０４−１から送信されてくる正方向超音波を下流側の振動子１０４−２で受信し、この正方向超音波が上流側の振動子１０４−１から下流側の振動子１０４−２に到達するするまでの時間を計測する。さらに下流側の振動子１０４−２から送信されてくる逆方向超音波を上流側の振動子１０４−１で受信し、この逆方向超音波が下流側の振動子１０４−２から上流側の振動子１０４−１に到達するまでの時間を計測する。最後に、その２つの時間計測値の差分である超音波の伝播時間差から流体の流速を算出して流量を求めている。
【００７４】
また、図３の流量制御装置１００は、流量制御弁Ｖを制御するための制御系を有している。この制御系は、超音波流量計１０４で計測した流量計測値とユーザにより任意に設定される流量設定値とに基づき流量制御弁Ｖを制御して管路１０３を流れる流体の流量を流量設定値と等しくなるように制御するものであり、このような流量制御を実現する手段として、かかる制御系は、数値演算処理を行えるコントローラ部１０５と、電空レギュレータあるいは比例電磁弁等からなるエアー制御部１０６を具備する。
【００７５】
コントローラ部１０５には、超音波流量計１０４で計測した現在の流量計測値が流量信号Ｓ１として入力されるとともに、ユーザ設定の流量設定値が外部設定信号Ｓ０として入力される。そして、このコントローラ部１０５では、２つの入力信号、すなわち流量信号Ｓ０（現在の流量計測値）と外部設定信号Ｓ１（流量設定値）とを比較し、その偏差に対しＰＩＤ演算処理を行ってエアー制御部１０６へ制御信号を出力する。尚、外部設定信号Ｓ１についてはコントローラ部１０５の図示しない入力部を介して入力されてもよい。
【００７６】
エアー制御部１０６は、エアー供給源１０８と流量制御弁Ｖのエアー供給路１３（図１参照）とを結ぶエアー供給配管１０９の途中に設けられ、かつ、エアー供給源１０８からのエアーの圧力若しくは流量を調節して流量制御弁Ｖのエアー室６に供給されるエアーの圧力を制御する。このエアーの圧力制御はコントローラ部１０５からの制御信号に基づいて行われる。
【００７７】
エアー制御部１０６によるエアーの圧力制御を具体的に説明する。まず、管路１０３を流れる流体の流量が所望の流量設定値より少ない場合、すなわち超音波流量計１０４で計測した現在の流量計測値が流量設定値を下回るときは、コントローラ部１０５からエアー制御部１０６に対して、流量制御弁Ｖのエアー室６内のエアー圧力を所定量高めるような制御信号が出力される。そのエアー圧力が高まれば、流量制御弁Ｖにおいて、上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体が制御信号出力前の状態より全体的に上方へ変形変位し、これに連動して弁体２も上方へスライド移動するので、弁体２の周囲にできる隙間が大きくなって、流量制御弁Ｖより下流の流体の流量が増加して流量設定値に近づくためである。
【００７８】
逆に、管路１０３を流れる流体の流量が所望の流量設定値より多い場合、すなわち超音波流量計１０４で計測した現在の流量計測値が流量設定値を上回るときは、コントローラ部１０５からエアー制御部１０６に対して、流量制御弁Ｖのエアー室６内のエアー圧力を所定量低下させるような制御信号が出力される。そのエアーの圧力が低下すれば、流量制御弁Ｖにおいて、上下両ダイヤフラム８、９と連結軸１０とからなる連結構造体が制御信号出力前の状態より全体的に下方へ変形変位し、これにより弁体２が下方へスライド移動し、弁体２の周囲にできる隙間が小さくなって、流量制御弁Ｖより下流の流体の流量が減少して流量設定値に近づくためである。
【００７９】
以上のように、本実施形態の流量制御装置１００では、管路１０３を流れる流体の現在の流量計測値に基づき流量制御弁Ｖを制御して流体の流量を流量設定値と等しくなるように一定に調整するものであるから、流量以外の他の要因で流体の流量が変化した場合においてもその流量を一定とすることに十分対応できる。
【００８０】
図３の流量制御装置においては流量制御弁Ｖの上流側に超音波流量計１０４を設置したが、図４に示したように、この超音波流量計１０４を流量制御弁Ｖの下流側に設置するように構成してもよい。このように構成すると、例えば下側ダイヤフラムが万一破損したときに、このダイヤフラムの破損を早期に検出することができるという利点がある。
【００８１】
すなわち、超音波流量計には計測不可となったときに計測異常の警告を発する機能がある。図４の流量制御装置を構成している図１の流量制御弁Ｖにおいて下側ダイヤフラム９が破損し、破損部からエアー室６のエアーが内部流路１９に漏れ、漏れ出たエアーの気泡が内部流路１９を流れる流体、すなわち流量計測対象の流体中に混入する。そうすると、この気泡のため、超音波流量計１０４では、超音波の伝播ができず、計測不可となり、前記計測異常の警告が出る。このことから下側ダイヤフラム９に何らかの異常が発生したことを直ちに検知することができる。
【００８２】
図３、図４の流量制御装置１００は、液体供給装置１０１から液体使用装置１０２へ液体を供給する管路１０３の途中に、図１の流量制御弁Ｖを設置した例であるが、これとは別に、半導体製造分野における洗浄装置等のように、その洗浄装置等の内部に図１の流量制御弁または図３、図４の流量制御装置１００がユニットとして組み込まれる場合もある。この場合は、その洗浄装置等の内部において薬液を洗浄工程へ供給する管路、すなわち薬液供給ラインの途中に、流量制御弁Ｖまたは流量制御装置１００がユニットとして設置され、このユニットを経由して当該薬液の使用工程側へ薬液が定量送液されるように構成される。
【００８３】
上記実施形態では下側ダイヤフラム９と連結軸１０を一体成形した例について説明したが、下側ダイヤフラム９と連結軸１０を別部品として形成し、両者をネジ等の締結固定手段で一体的に接続するように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の流量制御装置とこれを構成する流量制御弁は、液体の流量を適量に制御して供給する各種装置、例えば半導体製造装置の流量制御ユニット等として用いられる。半導体製造装置には、洗浄工程以外にも液体を取り扱う各種の工程が存在するが、かかる洗浄工程以外で液体を取り扱う工程において本発明の流量制御装置を適用することができる。また、本発明の流量制御装置とこれを構成する流量制御弁は、かかる半導体製造分野のみならず、化学分野や薬品分野等を含め、流体の流量を適切に制御することが要求される各種分野で広く利用される。
【００８５】
また、本発明の流量制御装置を化学、薬品メーカー等にて使用する際は、コントローラ１０５等の電気的構成部を防爆ライン等以外に設置する構成も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施形態である流量制御弁の断面図。
【図２】図１中の弁体周囲の拡大図。
【図３】図１の流量制御弁を用いて構成した流量制御装置の説明図。
【図４】図１の流量制御弁を用いて構成した他の流量制御装置の説明図。
【図５】図１および図２の流量制御装置で用いられている超音波流量計の概略構成図。
【図６】従来の流量制御弁の説明図。
【符号の説明】
【００８７】
１  バルブハウジング
２  弁体
２−１  上段側テーパ部
２−２  下段側テーパ部
３  バルブベース
３−１  凹部
４  中間ハウジング
５  バルブキャップ
６  エアー室
７−１、７−２  開口部
８  第１のダイヤフラム（上側ダイヤフラム）
９  第２のダイヤフラム（下側ダイヤフラム）
１０  連結軸
１１  すべり軸受
１２  軸受固定部
１３  エアー供給路
１４  オリフィス部
１５  エアー抜き通路
１６  貫通孔
１７  バネ
１８  バネ受け
１９  内部流路
２０  弁室
２１  上流側通路
２２  下流側通路
２３  弁座部
５０、５１  ダイヤフラム
５２  リンク棒
５３  ピストン
５４  エアー供給配管
５５  弁座部
５６  流路
１００  流量制御装置
１０１  液体供給装置
１０２  液体使用装置
１０３  管路
１０４  超音波流量計
１０４−１、１０４−２  振動子
１０５  コントローラ部
１０６  エアー制御部
１０８  エアー供給源
１０９  エアー供給配管
Ｖ  流量制御弁
【要約】
【課題】高精度な流体の流量制御を可能とするのに好適な流量制御弁と流量制御装置を提供する。
【解決手段】エアー室６の上下各開口部にそれぞれ一つずつダイヤフラム８、９が取り付けられる。この上下両ダイヤフラム８、９は、連結軸１０で連結されるとともに、エアー室６の圧力を受ける受圧面の面積が異なるものとする。これにより、２つのダイヤフラム８、９に加わる力に差が生じ、この力の差により連結軸１０と下側ダイヤフラム９の外面に取り付けられている弁体２がスライドして弁座部５５から離れるものとする。
【選択図】図１
【図１】
0003583123.tif 000002
【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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