(57)【要約】【課題】極めてコンパクトに小型化されたバルブ・ボデーであってもボデーの強度を損なうことなく所望のＣｖ値に応じた最適な流路空間を形成可能とすることで、ハイフロー且つ安定した高Ｃｖ値を発揮できるダイヤフラムバルブを提供することにある。【解決手段】ボデー内の弁室に配設した弁座シートと、弁座シートの外周囲に設けた環状溝と、押圧手段を介して弁座シートに接離可能に設けたダイヤフラムと、弁室に連通した一次側流路とを備えたダイヤフラムバルブにおいて、環状溝に連設させた二次側流路の内径は、環状溝の溝幅の２．０〜４．５倍であり、環状溝と二次側流路との交差断面積は、二次側流路の断面積より小さく、かつ二次側流路の断面積に対して交差断面積を３５％以上に構成して所望のＣｖ値を得るようにしたダイヤフラムバルブである。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボデー内の弁室に配設した弁座シートと、弁座シートの外周囲に設けた環状溝と、押圧手段を介して弁座シートに接離可能に設けたダイヤフラムと、弁室に連通した一次側流路とを備えたダイヤフラムバルブにおいて、前記環状溝に連設させた二次側流路の内径は、前記環状溝の溝幅の２．０〜４．５倍であり、前記環状溝と前記二次側流路との交差断面積は、二次側流路の断面積より小さく、かつ二次側流路の断面積に対して前記交差断面積を３５％以上に構成して所望のＣｖ値を得るようにしたことを特徴とするダイヤフラムバルブ。
【請求項２】
前記二次側流路の内径は、前記環状溝の溝幅の２．８〜４．５倍である請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
【請求項３】
前記二次側流路の内径を前記環状溝に対して直線状に交差させ、前記環状溝の外径に前記二次側流路の半円形部位を連設させた請求項１又は２に記載のダイヤフラムバルブ。
【請求項４】
前記二次側流路を前記環状溝の内径まで到達することなく手前位置まで連設させた半円切欠溝を形成し、この半円切欠溝の突当面は、フラットエンド加工により平坦形状とした請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイヤフラムバルブ。
【請求項５】
前記交差断面積は、前記半円形状部位の面積と前記半円切欠溝の連設面積とを加算した面積である請求項１乃至４の何れか１項に記載のダイヤフラムバルブ。
【請求項６】
前記所望のＣｖ値は、０．７５以上である請求項１に記載のダイヤフラムバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムバルブに関し、特に、極めてコンパクトに小型化されたものでありながら安定したハイフロー（高Ｃｖ値）を発揮することができる、半導体製造装置のガス供給系への使用に極めて好適なダイヤフラムバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体製造プロセスにおけるガス供給系の制御弁等としては、いわゆるダイレクトタッチ型のダイヤフラムバルブの使用が主流である。ダイレクトダイヤフラムバルブは、外部に対する封止材として使用される金属ダイヤフラムで直接シートの閉止も行い、接ガス部に余分な部品を持たない非常にシンプルな流路を構成することができるので、接ガス部内に金属同士の摺動箇所がなく流体のクリーン化に最適な構造とされていることなどがその利点とされる。ただし、確保できるストロークに限度があり、ベローズバルブなど他の弁種と比べて、構造的に大流量は確保し難い。
【０００３】
また、半導体素子などの高度に精密な機器を高品質に製造するためには、上記のようなガス供給系などの半導体製造プロセス設備は、いわゆるクリーンルーム内に全て収容されている必要がある。クリーンルームは、浮遊粒子・微生物が所定の清浄度レベルに管理（コンタミネーションコントロール）されると共に、搬入される材料、薬品、水などのほか、入室する作業者にも所定レベルの清浄度が確保され、必要に応じて温度、湿度、圧力などの環境条件も管理可能な密封空間であり、クリーンルームの導入に際しては、容積に応じて増大する初期設備費のほか、維持管理や常時運転のためのランニングコストが必要であり、生産設備費として大きな負担となる。このためクリーンルームの導入においては用途に応じて最適であって無駄を生じないような容積・構成に設計されなければならない。
【０００４】
このため、上記のようなダイヤフラムバルブは、可能な限りコンパクトに小型化されていることが基本的な要求となっている。例えば、集積化ガスシステムでは、バルブボデーは他の機器類と共に継手を有さないコンパクトなベースブロックに組み込まれて集積化されている。特に近年においては、具体的には例えば、流路径が数ミリ程度であり、かつ１辺が３ｃｍ程度の直方体形状に収まる程度まで著しくコンパクトに小型化されたバルブボデーが用いられることも一般的になってきている。
【０００５】
一方で、近年はスマートフォンなど、半導体を搭載する機器の更なる高性能化や省電力化、パフォーマンス向上等への需要が益々高まり、これに伴って半導体素子には益々微細化・高集積化が要求されると共に、半導体製造プロセスの多様化が著しく進展してきている。このため、製造プロセスに使用される各種のプロセスガスにおいても、個々の用途に応じて高温化・高圧化などを伴うほか、特に、シリコンウェハーの大径化や液晶パネル等の大型化、或は生産システムの大型化や特別なガス供給方式への変更などに応じて、供給流量の更なる増加（ハイフロー）が基本的な需要となってきている。このため、供給ガスの制御弁として使用される上記のようなダイヤフラムバルブにも、個々の用途に最適なバルブ開発が必要とされ、特に大流量化（Ｃｖ値の増大）への要求は益々高まっている。
【０００６】
バルブのＣｖ値は、流体特性等を別とすれば、基本的には流路断面積の大きさや流体抵抗の大きさに応じて定まるので、ハイフロー化のためには、バルブ内において、流体抵抗を増加させることなく、或は減少させるように適切に流路構造を設計しつつ、流路容積を増大させればよいことになる。このため、基本的にはバルブ構造を大型化（或は大型の大容量バルブの適用）して流路設計の自由度を高めた上で適切に流路を形成すれば、比較的容易に必要Ｃｖ値に応じたハイフロー化が実現できることになる。
【０００７】
ところが、ダイヤフラムバルブは上記のように他の機器類と共に可能な限りデッドスペースをなくすように集積化され、しかも通常は複数箇所に設けられるので、これを大型化すると占有スペースも増大するから、コンパクト化への基本的な要求も損なわれるばかりか、ガス供給系全体の占有スペースの最適化も損なわれ、ひいてはこれを収容するクリーンルームの容積も大型化が不可避となる。よって、半導体製造設備費の増大をもたらし、半導体製品の製造コストが悪化する問題が生じる。特に、近年は製造プロセスの多様化・複雑化に伴い、多種のガスの切り替え・制御が必要となる傾向が高く、よって設置すべきバルブの数も増加傾向にあるので、個々のバルブのフットプリントを減少させて設置面積の増大を抑えなければならない必要性が益々高まっている。したがって、半導体製造装置に使用するバルブは、そのサイズを維持、或はさらに小型化し、その上で、流量の安定化と共に流量の増大を図らなければならない。
【０００８】
そこで、バルブボデー（特に数センチ程度のコンパクトなサイズのバルブボデー）のサイズを維持ないしは更なる小型化を図ると同時に、この限られたサイズのボデー内容積において、大容量で高Ｃｖ値を達成可能な流路空間を適切に形成することにより、安定したハイフローを発揮させる手段が考えられる。このような流路構造・形状の最適化によれば、バルブに更に別の部材を用いたり過度にバルブの構成が複雑化することがなく、部品点数が維持され、しかも使用流体を選ぶことなく、最も簡便にハイフロー化を図ることができ、バルブの生産性やコスト性などの各面からも最適だからである。従来より、上記の実情に鑑みて各種のダイヤフラムバルブが提案されており、その例として、特許文献１、２が存在している。
【０００９】
特許文献１には、弁室内面のうちの弁座の周囲に形成された溝部が示されており、この溝部は、溝幅を直径とする円形よりも広い面積で開口する溝出入口を備えている。また、この溝出入口は、少なくともその一部が溝側面に開口している。さらに、溝部は、所定の溝深さ、及び溝底面を有し、この溝底面は、溝出入口に向かって深くなる形状となっている。
【００１０】
特許文献２に示されたメタルダイヤフラム弁は、中央部が上方に膨出されたメタルダイヤフラムを備えており、弁室の下方に形成されて流出路に連通する環状溝と流出路との交差断面積が流出路の断面積より大きい場合であって、環状溝が両側面と底面とを備え流出路が環状溝の両側面と底面とに接続され流出路の直径が環状溝の溝幅より大きくしたような場合、又は、環状溝の溝幅より断面円状を呈する流出路の直径を１．５〜２．５倍大きくした構成であり、このような構成により弁室から流出路に至る流路全体として大きな流量を流すことが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０６６５２８
【特許文献２】特許第４５８７４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１は、流量増大を図ったものではあるものの、基本的にはガス容器弁として提案され、本発明と使用状況が異なるバルブを想定したものであり、真空排気性・パージ性などのガス置換性に主題が置かれている。このため、ガス供給系に使用されるバルブサイズを可能な限りコンパクトに維持したまま安定した高Ｃｖ値を実現しようとするバルブには全く不向きであり、しかも同文献は、具体的な流路構造に関して、極めて単純な形状を示しているに過ぎない。
【００１３】
特に、同文献の流路構造は、安定した高Ｃｖ値の発揮に重要である出口側となる第２流路の構造に関し、図面上において示されているのみであり、具体的には、第２流路の内径は溝部の溝幅より僅かに大きい程度に形成されているが、限られたボデーサイズ内において最大限に流路空間を確保しつつ高Ｃｖ値を実現しようとするためには、出口側の流路内径の大きさが全く不足している。このため、同文献は、特にガス供給系に使用されるようなコンパクトに小型化されたバルブにおいて、ボデー内容積を最適・最大限に活用するという観点が全く考慮されていない。
【００１４】
特許文献２においては、環状溝と流出路との交差断面積が規定され、この交差断面積は、流出路の断面積より大きく形成されている。しかしながら、このような大きな交差断面積を確保しようとした場合、環状溝に向けてかなり深く交差するように２次側流路をボデーに形成しなければならず、この場合、２次側流路がダイヤフラム外周囲を固定する固定部や弁座シートなどの他の部位に接近して形成されることでバルブボデーの強度が損なわれるおそれがあると共に、ボデー形状やバルブの使用状況によっては、ボデーに形成可能な２次側流路の位置や方向が限られたものとなる問題がある。
【００１５】
また、同文献の流路構造においても、断面円状の流出路の直径は、環状溝の溝幅より１．５〜２．５倍の大きさに形成されているが、この程度の直径の大きさであっても、限られたボデー内容積において流路空間の占有スペースを最大限に確保する観点からは、特に近年のコンパクト性と安定したハイフロー性との高い両立要求水準を満たさねばならない観点から、未だ不十分であると言わざるを得ない。
【００１６】
さらに、特許文献１、２は、何れにおいても、２次側流路の先端部（バルブの最深部）は、環状溝の内径位置まで到達しているか、この内径より更に深く進入した位置まで形成されている。通常、ボデーに２次側流路を形成する場合は所定の刃物で切削加工されるが、このように環状溝内径以上の深さまでボデーに２次側流路を形成した場合、切削加工寸法の管理の仕方によっては、切削刃物の先端が弁座シートの直下位置や外側カシメ部付近などの近傍位置まで到達する場合がある。このように切削が弁座シートに対して近すぎる位置まで到達してしまうと、外側カシメ部の強度が偏ってしまい、弁座シートのカシメ工程でカシメ状態が不均一となり、バルブのシール性に悪影響が生じるおそれがある。よって、２次側流路の奥行は弁座シート近傍位置まで到達させることなく最適に流路空間を確保しなければならない。
【００１７】
そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、極めてコンパクトに小型化されたバルブであってもボデーの強度を損なうことなく所望のＣｖ値に応じた最適な流路空間を形成可能とすることで、ハイフロー且つ安定した高Ｃｖ値を発揮できるダイヤフラムバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ボデー内の弁室に配設した弁座シートと、弁座シートの外周囲に設けた環状溝と、押圧手段を介して弁座シートに接離可能に設けたダイヤフラムと、弁室に連通した一次側流路とを備えたダイヤフラムバルブにおいて、環状溝に連設させた二次側流路の内径は、環状溝の溝幅の２．０〜４．５倍であり、環状溝と二次側流路との交差断面積は、二次側流路の断面積より小さく、かつ二次側流路の断面積に対して交差断面積を３５％以上に構成して所望のＣｖ値を得るようにしたダイヤフラムバルブである。
【００１９】
請求項２に係る発明は、二次側流路の内径は、環状溝の溝幅の２．８〜４．５倍であるダイヤフラムバルブである。
【００２０】
請求項３に係る発明は、二次側流路の内径を環状溝に対して直線状に交差させ、環状溝の外径に二次側流路の半円形状部位を連設させたダイヤフラムバルブである。
【００２１】
請求項４に係る発明は、二次側流路を環状溝の内径まで到達することなく手前位置まで連設させた半円切欠溝を形成し、この半円切欠溝の突当面は、フラットエンド加工により平坦形状としたダイヤフラムバルブである。
【００２２】
請求項５に係る発明は、交差断面積は、半円形状部位の面積と半円切欠溝の連設面積とを加算した面積であるダイヤフラムバルブである。
【００２３】
請求項６に係る発明は、所望のＣｖ値は、０．７５以上であるダイヤフラムバルブである。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によると、環状溝に連設させた二次側流路の内径は環状溝の溝幅の２．０〜４．５倍であるから、十分に大きな２次側流路の内径・容積が確保されるので、コンパクトに小型化されたバルブボデー内容積において十分な効率で流路の占有スペースが確保される。
【００２５】
また、環状溝と２次側流路との交差断面積は、２次側流路断面積より小さい面積であって且つ３５％以上の面積としているから、流体が環状溝から２次側流路へ流出する際に、流路断面積が緩やかに順次拡大して絞られることがなく、且つ急激に変化することもなく、しかも２次側流路は極めて大きい流路空間に形成される。このため、コンパクトに小型化されたバルブボデー内容積においても、弁室側から２次側への流体の流量を極めて大きく確保することができ、確実なハイフロー化を図ることができると共に、流体の流れが安定し易くＣｖ値の変動幅も小さく抑えられ乱れることがない。
【００２６】
さらに、２次側流路の加工において大きな交差断面積の形成が不要であるから、環状溝へ向かう過度に深い切削加工が不要となりボデー強度が損なわれることがないと共に、加工が容易であるから様々なタイプのバルブボデーに適用可能である。このため、広汎なバルブボデーにおいて必要となる所望のＣｖ値に応じた最適な流路空間を設計可能となり、その加工作業性も極めて良好である。
【００２７】
請求項２に記載の発明によると、２次側流路の内径は環状溝の溝幅の２．８〜４．５倍であるから、内径サイズが好適化され、特に近年の半導体製造装置のガス供給系などにおいて要求される高いＣｖ値を安定して得ることができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によると、２次側流路の内径を環状溝に対して直線状に交差させたので、ボデー内への２次側流路の加工が極めて簡易化すると共に、環状溝からの流体の抜け・流出も良好となる。これと共に、環状溝の外径に２次側流路の半円形状部位を連設させたから、弁室内の流体は、環状溝の側面に大きく開口した半円形状部位から直接２次側流路へ流出可能となり、直線状の２次側流路形状と相俟って極めて流出効率が向上し、よって、バルブのハイフローと安定した高Ｃｖ値の発揮が可能となる。しかも、半円形状部位は、２次側流路の回転切削刃物をそのまま環状溝に侵入させるのみで形成することができるから、極めて加工容易である。
【００２９】
請求項４に記載の発明によると、２次側流路を環状溝の内径まで到達することなく手前位置まで連設させた半円切欠溝を形成しているから、２次側流路の先端部が環状溝の内径、少なくとも弁座シートの外径位置付近となる深い位置まで加工されることが無い。よって、弁座シートの外側カシメ部の強度が偏ってカシメ工程に悪影響が生ずるおそれがない。また、半円形状部位の突当面は、フラットエンド加工により平坦形状としているので、前記交差断面積を最も大きく確保することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によると、交差断面積は、半円形状部位の面積と半円切欠溝の連設面積とを加算した面積としているから、交差断面積の設計が極めて簡易となると共に、高流量で安定したＣｖ値を確実に得ることが可能となる。
【００３１】
請求項６に記載の発明によると、所望のＣｖ値は０．７５以上であるから、多くの使用条件に安定して対応可能なハイフローバルブの提供が可能となり、コンパクト化と流量の安定性とハイフロー等の目的を一挙に解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本例のダイヤフラムバルブの断面図である。
【図２】図１のバルブ全開状態におけるバブルボデーを拡大して示した要部拡大断面図である。
【図３】模式的に示した本例のバルブボデーの立体的な断面図を、下方から斜視して要部を拡大した要部拡大図である。
【図４】模式的に示した本例のバルブボデーの立体的な断面図を、上方から斜視して要部を拡大した要部拡大図である。
【図５】（ａ）は、模式的に示した本例のバルブボデーの側面図であり、（ｂ）は、模式的に示した本例のバルブボデーの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態の構造を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態（本例）のバルブ用アクチュエータと、これを備えた状態の本例のダイヤフラムバルブの断面図であり、同図中央線の左側半分は本例のバルブの全閉状態を、右側半分は本例のバルブの全開状態をそれぞれ示している。図２は、図１においてバルブのボデー５０の部分を拡大して示した要部拡大断面図である。なお、本例のバルブ用アクチュエータの構造と作用は、図１を用いて後述する。
【００３４】
図１、２において、本例のダイヤフラムバルブは、ボデー５０内の弁室５１に配設した弁座シート５２と、弁座シート５２の外周囲に設けた環状溝５３と、押圧手段５４を介して弁座シート５２に接離可能に設けたダイヤフラム５５と、弁室５１に連通した一次側流路５６とを備えている。なお、本例の押圧手段５４は、ボデー５０に空圧のアクチュエータ本体１００を備え、これによりエア駆動可能なダイヤフラムバルブを構成しているが、押圧手段５４としては、この他、ハンドルを有した手動機構等であってもよく、ダイヤフラム５５を押圧できる手段であれば実施に応じて任意に選択可能である。
【００３５】
ボデー５０は、金属製（SUS316L）で一辺が約３．５センチ程度の略直方体形状を呈しており、両側面には一次側流路５６と二次側流路５７とが、それぞれ略水平方向に延設されている。本例の一次側流路の内径は、二次側流路５７の内径と略同一であり、ボデー５０側面に略水平方向から内部の環状溝５３の軸心位置方向に向けて先端が球状となるように切削加工され、この球状の突当面から、直線状に下へ向かう傾斜部５６ａと、鋭角に鉛直上向きに折り返して弁室５１内へ開口した縦穴部５６ｂとから形成されている。
【００３６】
弁座シート５２は、本例ではＰＣＴＦＥ製であり、内径が略円形の縦穴部５６ｂの開口部６３の外周囲に設けられた環状の装着溝６５に、カシメ固定により固着されており、その上面側は、ダイヤフラム５５の下面側が可撓変形して密着（着座）可能となっている。本例のダイヤフラム５５は、略円形状に形成され、９枚のＣｏ合金製ダイヤフラムを重ねて構成している。ダイヤフラム５５の外周囲は、環状溝５３の外側面５３ａの外周囲に形成された凸部６４と、後述のボンネット３２の下面との間に狭着固定されている。
【００３７】
環状溝５３は、弁座シート５２の外周囲に環状に形成されており、本例では、外側面５３ａ、内側面５３ｂ、底面５３ｃを有した断面略コ字形状となっている。図２において、ｗは、環状溝５３の溝幅（外側面５３ａの径と内側面５３ｂの径との差の半分）を示しており、ｈは、環状溝５３の溝深さ（開口部６３と底面５３ｃとの高低差（距離））である。
【００３８】
環状溝５３の溝幅ｗは、ハイフロー化のため、ボデー５０の構造が許容する限り最大限確保され、弁室５１の容積の最大化が図られる。すなわち、外側面５３ａの最大径は、環状凸部６４の内径と同程度まで確保され、内側面５３ｂの最小径は、所定径を有している環状の弁座シート５２のカシメ部外側程度まで確保されることで、外側面５３ａと内側面５３ｂとの間隙となる溝幅ｗが最大限確保される。
【００３９】
図２において、二次側流路５７の内径は、環状溝５３に対して直線状に交差している。本例では、少なくとも二次側流路５７の上側内周面５７ａがストレート形状であって環状溝５３の軸心位置方向へ向けて形成されていると共に、この内周面５７ａは、環状溝５３の外側面５３ａと略直角方向に交差している。このように直線状に交差させると、環状溝５３側から二次側流路５７側へ流体の抜けがよくなりＣｖ値向上に寄与することができると共に、バルブの加工性も良好である。
【００４０】
また、図３に示すように、環状溝５３の外径には、二次側流路５７の半円形部位５９を連設させている。本例では、断面略円形状の二次側流路５７の上側内周面５７ａが、略筒状に形成されている環状溝５３の外側面５３ａ（外径）と交差した際に形成される略円筒面内の半円形状の開口部位が半円形部位５９であり、図５（ａ）にハッチングを付した領域として示すように、この半円形部位５９の面積をＳ１としている。このような半円形部位５９を連設するようにすると、通常は、環状溝５３に向けて二次側流路５７を穿設加工するだけで弁室５１内に大きな開口面積であって流体抵抗の少ない流路空間を確保できるから好適である。
【００４１】
図２、４において、二次側流路５７を環状溝５３の内径まで到達することなく手前位置まで連設させた半円切欠溝６０を形成している。本例では、二次側流路５７のボデー５０内部における最も深い位置（先端部）は、半円切欠溝６０の突当面６１の位置であるが、この突当面６１は環状溝５３の内側面５３ｂの位置まで達しておらず、その手前位置までとなっており、具体的には、図２において、外側面５３ａの位置から環状溝５３の軸心径方向への侵入深さＬの位置まで連設されている。このように環状溝５３の内径まで到達することがないので、過度な切削により弁座シート５２などの支持構造の剛性・強度が損なわれるおそれがない。
【００４２】
また、突当面６１は、フラットエンド加工により平坦形状としている。二次側流路５７は、ボデー５０の側面から略水平方向に向けて回転刃物によりストレートに刻設加工され、この刻設する際の突当面の形状は、一次側流路５６のような球状の他、円錐形状など、実施に応じて任意に選択可能であるが、本例では、フラットエンド加工による平坦形状としている。このような平坦形状の場合、後述の連設面積Ｓ２を最も大きく形成することができ、交差断面積Ｓも最大限に確保可能となる。
【００４３】
図５（ｂ）においては、本例の半円切欠溝６０の連設面積Ｓ２をハッチングを付した領域として示している。この面積Ｓ２は、図示するように、ボデー５０を真上方向から見降ろして平面視した場合に、二次側流路５７が環状溝５３と交差する領域の面積であり、本例の面積Ｓ２は、概ね突当面６１と外側面５３ａとで包囲された略弓形状の領域となっている。
【００４４】
本発明の交差断面積は、環状溝が形成する空間領域と二次側流路が形成する空間領域とが交差する境界面の面積であり、弁室から二次側へ至る際の流路断面積であるから、その大きさ・形状は、流体のＣｖ値を左右する。基本的には交差断面積が大きければ大きなＣｖ値が安定して得られるが、バルブボデーの構造的制約などから限界があるため、最適に設定する必要があり、この際、２次側流路断面積との関係が重要である。
【００４５】
本例の交差断面積Ｓは、図５（ａ）に示した半円形部位５９の面積Ｓ１と、同図（ｂ）に示した半円切欠溝６０の連設面積Ｓ２とを加算した面積（Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２）としている。交差断面積の定義は厳密には幅が有り、複雑な領域とした場合は面積の計算が複雑となるが、本例のように定義した場合、その意義を保ちながら交差断面積Ｓの計算が単純となり、バルブボデーの簡易かつ最適な設計に寄与する。
【００４６】
図２において、環状溝５３に連設させた二次側流路５７の内径Ｒは、環状溝５３の溝幅ｗの２．０〜４．５倍、好ましくは、２．８〜４．５倍に設定している。同図において、二次側流路５７の中心軸Ｘの位置を固定した上で、この中心軸Ｘから半径方向に二次側流路５７の内径Ｒの大きさを設定してするようにしている。また、二次側流路５７の断面積Ｔは、本例の場合、断面が略円形なので、内径Ｒから算出した円の面積に略等しい。さらに、同図では、後述する高さＨを示しており、本例の高さＨは、二次側流路５７の上側内周面５７ａの最高点位置と環状溝５３の底面５３ｃの位置との高低差（距離）である。この高さＨの調整は、上側内周面５７ａの位置を固定して底面５３ｃの位置を変化させて設定するようにしている。
【００４７】
また、環状溝５３と二次側流路５７との交差断面積Ｓは、二次側流路５７の断面積Ｔより小さく、かつ、二次側流路５７の断面積Ｔに対して交差断面積Ｓを３５％以上に構成して所望のＣｖ値を得るようにしている。このように交差断面積Ｓを二次側流路５７の断面積Ｔに対して調整することで、環状溝５３側から交差領域（交差断面積Ｓ）を経て断面積Ｔの二次側流路５７へ至る際に、流路断面積が過度に絞られることなく順次拡大して流れ・抜けが良好となり、高く安定したＣｖ値を得ることができる。
【００４８】
本発明のバルブは、適切にバルブをハイフロー化するため、予め所望のＣｖ値を設定し、これを満たすことができるボデー５０の流路構造の許容範囲を、所定の流体解析手段に基づいて解析して設定するようにしている。具体的には、環状溝５３の溝幅ｗが、予めボデー５０の構造的制限の範囲内で最大限に確保されていることを前提として、二次側流路５７の内径Ｒの上限は、外部シール部が残る程度まで、すなわち、ボデー５０の強度やシール性等に支障が生じない限度まで大径化され、さらに具体的には、溝幅ｗに対して４．５倍程度の大きさまでであれば、近年における半導体製造プロセス環境の使用に要請される多くのバルブが満たす条件として十分である。
【００４９】
一方、二次側流路５７の内径Ｒの下限は、内径Ｒの変動がバルブのＣｖ値の変動と大小同順に変動することを前提として、適切に設定された目標Ｃｖ値に対して、このＣｖ値以上を満たすことができる径以上の径に設定され、具体的には、溝幅ｗに対して２．０倍以上、更に好適には、２．８倍以上に設定されていれば、近年の半導体製造プロセスにおける高純度ガス供給系に使用されるダイヤフラムバルブに要求される性能（ハイフロー且つコンパクト）をはじめとして、多くの使用環境に用いられるバルブの特性として十分である。二次側流路５７の断面積Ｔに対する交差断面積Ｓの下限も、上記と同様であり、具体的には、断面積Ｔに対して３５％以上に設定されていれば十分である。
【００５０】
また、本発明では、所望のＣｖ値は０．７５以上としている。Ｃｖ値０．７５以上という数値は、近年必要とされるようなハイフロー化に対し、様々な弁種や使用環境において共通的に要求条件を満たすスタンダードな数値であり、特に半導体製造装置に使用されるコンパクトに小型化されたバルブにおいて、達成目標数値として好適だからである。
【実施例】
【００５１】
続いて、本例のダイヤフラムバルブの流体解析を説明する。この流体解析では、目標Ｃｖ値として０．７５を設定し、この条件を満たすようなボデー５０に形成される流路構造の各構成要素の寸法の好適な数値範囲を、所定の３Ｄ−ＣＡＤ流体解析ソフトを用いた解析に基づいて見出したものである。
【００５２】
先ず、環状溝５３の寸法に関して検討すると、当然ながら断面積が大きい方がバルブのＣｖ値を向上させることができるので、バルブの大型化を回避しつつハイフロー化しようとした場合は環状溝５３の断面積を増加させればよいことになるが、ボデー５０の構造上制約がある。例えば外側面５３ａの径は、ダイヤフラム５５の外周囲を狭着固定している凸部６４の径より大きくすることも不可能ではないものの、加工が難しくなるので回避しなければならず、このため、最大でも凸部６４の径と同一程度に採る必要がある。また、本例では、約Φ２５ｍｍのダイヤフラム５５を用いているので、外側面５３ａの径はこのダイヤフラム５５の径よりやや小径のΦ２２．２ｍｍとしている。
【００５３】
内側面５３ｂの径は、一次側流路５６の縦穴部５６ｂの内径をなるべく大きく確保しなければならないことから、弁座カシメ部外側となる装着溝６５外側より小さい径とすることも不可能ではないものの、加工が難しくなるため回避する必要がある。本例では、縦穴部５６ｂ内径を約Φ７ｍｍとしており、その外径側に弁座シート５２を設けていることから、内側面５３ｂの径は、最小でも約Φ１５ｍｍとしている。よって、本例における溝幅ｗは、（外側面５３ａの径−内側面５３ｂの径）／２＝３．６ｍｍに設定される。
【００５４】
環状溝５３の溝深さｈは、浅く設定し過ぎると環状溝５３と２次側流路５７との交差断面積Ｓが小さくなり、逆に、深く設定し過ぎると環状溝５３の底部が一次側流路５６と干渉してしまう。そこで、本例では、溝深さｈを約８．０ｍｍと設定すると共に、このやや深く設定された環状溝５３の下側へ潜るように、一次側流路５６の構造を上記のように傾斜部５６ａと縦穴部５６ｂとで構成して、両者の干渉を回避している。
【００５５】
次に、環状溝５３の高さＨの好適な数値範囲を説明する。この流体解析においては、環状溝５３の溝幅ｗを３．６ｍｍ、二次側流路５７の内径ＲをΦ１０．２ｍｍ（この時断面積Ｔは８１．７ｍｍ２）、侵入深さＬを２．６ｍｍに固定した状態で、環状溝５３の高さＨを変更してＣｖ値解析を行い、目標Ｃｖ値以上を満たす高さＨの下限値を得たものである。この高さＨの変動に伴い、溝深さｈ、交差断面積Ｓも変動することになる。
【００５６】
その結果、目標Ｃｖ値０．７５以上に対する高さＨの下限値は１．９ｍｍであることが判明し、この値を溝深さｈに換算すると約６．０ｍｍとなり、これが溝深さｈの下限値となる。また、環状溝５３の底面５３ｃの位置が、図２において中心軸Ｘより下側となった場合は、一次側流路５６との干渉が生じてくるため、溝深さｈの上限は、この中心軸Ｘの位置となる凡そ９．０ｍｍ程度となる。よって、本例において、溝深さｈの数値範囲は６．０ｍｍ〜９．０ｍｍ程度が好適である。なお、溝幅ｗとの関係では、ｈ／ｗは約１．８〜２．５程度が好適となる。また、この高さＨが上記下限値となる時、交差断面積Ｓは２７．３ｍｍ２であった。
【００５７】
次に、溝幅ｗと内径Ｒとの関係の好適な数値範囲を説明する。この流体解析においても、環状溝５３の溝幅ｗを３．６ｍｍ、溝深さｈを８．０ｍｍ、二次側流路５７の侵入深さＬを２．６ｍｍに固定した状態で、二次側流路５７の内径Ｒを変更してＣｖ値解析を行い、目標Ｃｖ値以上を満たす内径Ｒの下限値を得たものである。この内径Ｒの変動に伴い、高さＨや断面積Ｔ、Ｓも変動することになる。
【００５８】
その結果、目標Ｃｖ値０．７５以上に対する内径Ｒの下限値はΦ７．５ｍｍであることが判明した。なお、内径Ｒの上限値は流体解析していないものの、本例のボデー５０の構造からすれば、外部シール部が残る程度までは大径化可能であることから、約Φ１６ｍｍ程度となる。よって、本例において、二次側流路５７の内径Ｒの数値範囲はΦ７．５ｍｍ〜Φ１６ｍｍ程度が好適である。このため、溝幅ｗとの関係では、Ｒ／ｗは約２．０〜４．５倍程度が好適となる。また、この内径Ｒが上記下限値となる時、交差断面積Ｓは２８．７ｍｍ２であった。
【００５９】
さらに、目標Ｃｖ値としてより好ましい０．８６以上に設定した場合は、内径Ｒの下限値はΦ１０．２ｍｍであった。よって、これに対応するＲ／ｗの数値範囲として約２．８〜４．５を設定すればより好適である。
【００６０】
次に、交差断面積Ｓと断面積Ｔとの関係の好適な数値範囲を説明する。この流体解析においても、環状溝５３の溝幅ｗを３．６ｍｍ、溝深さｈを８．０ｍｍ（この時高さＨは３．９ｍｍ）、二次側流路５７の内径ＲをΦ１０．２ｍｍ（この時断面積Ｔは８１．７ｍｍ２）に固定した状態で、二次側流路５７の侵入深さＬを変更してＣｖ値解析を行い、目標Ｃｖ値以上を満たす侵入深さＬの下限値を得たものである。この侵入深さＬの変動に伴い、交差断面積Ｓも変動することになる。
【００６１】
その結果、目標Ｃｖ値０．７５以上に対する侵入深さＬの下限値は０．６ｍｍであることが判明した。また、この下限値の時、交差断面積Ｓは２５．２ｍｍ２であった。
【００６２】
以上の流体解析結果をまとめると、以下の表１となる。
【００６３】
【表１】
2018123871.tif 000003
【００６４】
また、上記の内、交差断面積Ｓの値に関しては、目標Ｃｖ値０．７５以上の設定に対して最も数値の高かった２８．７ｍｍ２以上に設定することが望ましいと言える。この場合、二次側流路５７の断面積Ｔとの関係では、Ｔが最も大きい値８１．７ｍｍ２を用いて、Ｓ／Ｔ＝約３５％程度以上を確保すれば十分であると考えられる。このため、従来技術に提案されているようなＳ＞Ｔに設定する必要がなく、ボデーの加工性や流体の抵抗性の向上に寄与するものである。
【００６５】
続いて、本例のバルブ用アクチュエータ（押圧手段５４）の構造を説明する。図１において、本例のバルブ用アクチュエータは、アクチュエータ本体１００内に設けた弾発部材８（スプリング８）により付勢されたピストン２と、エア圧によりピストン２を動かすための少なくとも２つのエア室３（３ａ、３ｂ）とを配置すると共に、弁閉方向に増幅された力を発揮させるための倍力機構１を、何れかのエア室３に収納したエア駆動アクチュエータである。
【００６６】
カバー４は、外観略円筒形状を呈し、軸心位置には、外部に設けられた図示しないエア源と接続するための接続部５が設けられ、これに繋がる流路５ａが形成されており、さらに、これに繋がるピストン２と嵌合可能な嵌合部１０が設けられている。カバー４の下端部には、ケーシング６のメネジ部７と螺着可能なオネジ部９が設けられている。また、カバー４の内部には、スプリング８を付勢するための受け部１１が凹設されている。
【００６７】
ケーシング６は、カバー４と略同径の円筒状の外観に形成されており、上端部に前記したメネジ部７が形成され、下端部には、ベース１２のメネジ部１３と螺着可能なオネジ部１４が形成されている。メネジ部１３とオネジ部１４との間をシールするため、Ｏリング１５が介装されている。また、ケーシング６の内周面には、サブベース１６と係合する段部１７が形成されている。
【００６８】
ベース１２は、上部がケーシング６と略同径の筒状に形成され、下部は上部より段状に縮径するように形成されていると共に、ボデー５０のメネジ部６２と螺着可能なオネジ部２０が形成されている。また、中央の軸心位置には、出力部材２１（ディスク部材２１）と嵌合して取り付け可能な取付穴２２が開口しており、この取付穴２２の内周面には、Ｏリング２３が設けられている。
【００６９】
ボンネット３２は、略筒状に形成されており、本例のバルブの組立の際においては、ベース１２とボデー５０との間に設けられ、メネジ部６２をオネジ部２０に螺合する際の締付力によりベース１２の下端面がボンネット３２を押圧し、この押圧力によりボンネット３２の下面と凸部６４との間にダイヤフラム５５の周縁部が狭着されて弁室内に固定される。また、ボンネット３２の内周面は略同一径に形成された筒状空間となっており、この内周面には、略円柱形状のダイヤフラムピース３３が、この内周面とほぼ抵抗なく摺動可能に嵌合している。また、ダイヤフラムピース３３の上面は、取付穴２２に嵌合したディスク部材２１の下端面が当接可能に設けられている。
【００７０】
ピストン２は、ピストン部２ａと延部２ｄ、及び、ピストン部２ｂと延部２ｃを、それぞれを一体に形成し、これら２つの部材を組み合わせて構成するようにしている。具体的には、ピストン部２ａと延部２ｃの場合は、円盤状のピストン部２ａと内部に流路３６を有する円柱状の延部２ｄとを傘状に一体形成し、延部２ｄの円形端面に中心位置となる流路３６の開口部を通るように溝を切り欠いて流路３５を形成しており、ピストン部２ｂと内部に流路３４を有した延部２ｃも同様に傘状に一体形成される。その後、流路３５を切り欠いた延部２ｄの端面を、流路３４、３５が互いに連通するようにピストン部２ｂの中心位置に組み合わせ、２つの部材からピストン２が構成するようにしているが、単一の部材からピストン２全体を一体に構成するようにしてもよい。
【００７１】
また、ピストン部２ａ、２ｂの外周縁部には、Ｏリング３７、３８がそれぞれ設けられ、ケーシング６の内周面との間を摺動しつつシール可能となっている。ピストン部２ａ、２ｂの外径は、ケーシング６の段部１７より上側の内径と下側の内径にそれぞれ適合しており、後述のように、エアの給排に応じて、エア室３ａ、３ｂ内の密封性を維持したままピストン２のアクチュエータ本体１００内におけるバルブストローク動作を可能としている。
【００７２】
上記の構造により、本例のアクチュエータの組立が完了した際は、ピストン部２ａの下面側とベース１２の内周面との間に形成される密封空間は、流路３６からの供給エアが導入される第一のエア室３ａとなり、ピストン部２ｂの下面側とサブベース１６の上面側との間に形成される密封空間は、流路３５からの供給エアが導入される第二のエア室３ｂとなる。このようにして、本例ではエア室３を第一のエア室３ａと第二のエア室３ｂとの２つに増設している。このようなピストン２とケーシング６との構成によりコンパクトに複数のエア室を設けたから、本例では、アクチュエータ本体１００の過度な大型化や部品点数の増加を回避しつつ、確実なエア駆動力が確保可能となる。なお、アクチュエータ本体１００の高さが条件に許容される限りの範囲において、例えばケーシング６を長く設けてピストン２を３段以上の構成としてもよい。
【００７３】
ディスク部材２１は、後述のカム部材４２、４３のカム面４２ｂ、４３ｂとそれぞれ当接する略円板状の大径部３９と、アクチュエータ下部のベース１２に形成された取付穴２２に嵌合可能な略円筒状の小径部４０とから成り、本例ではこれらを一体形成している。具体的には、図１に示すように、本例のアクチュエータに内蔵されたディスク部材２１は、小径部４０が取付穴２２に上下摺動自在に嵌合しており、大径部３９の周縁部は、ベース１２の内部底面に形成され大径部３９の形状と適合するように形成された段部面４１に、上下動自在に係合している。なお、本例のディスク部材２１の材質は、機械構造用鋼（Ｓ４５Ｃ−Ｈ  ＨＲＣ４０）にＭｏＳ２コーティング処理（膜厚約１０μｍ）を施した素材を使用している。
【００７４】
取付穴２２内周面には、Ｏリング２３を装着して小径部４０との間をシールするようにしている。本例の作用において後述のように、ベース１２は静止側部材となると共にディスク部材２１は可動側部材となるので、シール部材をベース１２側に設けるとベース１２の底部の厚みを小さくすることができるので、バルブの小型化に好適である。
【００７５】
図１において、本例の倍力機構１は、一対のカム部材４２、４３を、共通の１本の揺動軸４４（カムシャフト）に枢着すると共に、この一対のカム部材４２、４３を第一のエア室３ａに収納するようにして構成し、これらカム部材４２、４３は、上端部にはピストン２と当接する当接部４２ａ、４３ａがそれぞれ設けられ、一方、下端部にはディスク部材２１と当接する凸状のカム面４２ｂ、４３ｂがそれぞれ形成されている。なお、４７ａはホルダ４７の環状部、４７ｂは、ホルダ４７の支持部である。本例のホルダ４７は、ベース１２の低側面に適合するように環状に形成された環状部４７ａと、この環状部４７ａの内周側にそれぞれ一体形成され対向配置された２つの支持部４７ｂとから成る。
【００７６】
当接部４２ａ、４３ａには、ローラ部４５、４６がそれぞれ設けられている。ローラ部４５、４６は、ローラ４５ａ、４６ａがそれぞれローラシャフト４５ｂ、４６ｂに回動自在に設けられており、本例では、これらのローラ４５ａ、４６ａがピストン部２ａの下面に対して転動可能に当接していることで、当接部４２ａ、４３ａが構成されている。なお、当接部は、上記のようなローラ部を設けず、例えば後述の図４に模式的に示すように、カム部材の上端部に略円弧形状の円弧部を形成して、この円弧部が直接ピストンの下面に当接・摺動するように構成してもよく、このような場合は、アクチュエータの部品点数を削減して簡易に構成できる。
【００７７】
次に、本例のアクチュエータの作用を説明する。先ず、エアを充填した状態のエア室３からエアを抜いていくと、所定の圧力となっていた第１のエア室３ａ、第２のエア室３ｂの内圧は外気圧まで下がっていき、ピストン２がエア室３から受ける圧力が減少していくに伴い、スプリング８の付勢力によって下方に押し下げられていく。押し下げられたピストン２の下面は、倍力機構１の当接部４２ａ、４３ａに当接しながら押圧してカム部材４２、４３をそれぞれ揺動軸４４の回りを回動させていき、この回動に伴い、カム面４２ｂ、４３ｂがディスク部材２１の大径部３９を押圧してディスク部材２１を下方に押し下げていく。
【００７８】
ディスク部材２１の小径部４０下端部は、ダイヤフラムピース３３の上面に当接しているので、ディスク部材２１の押し下げに伴いダイヤフラムピース３３も押し下げられていく。ダイヤフラムピース３３の下面はダイヤフラム５５に当接しているので、ダイヤフラムピース３３が下降すると、その下面でダイヤフラム５５の上面が押圧されて可撓変形していく。ダイヤフラムピース３３の下面がダイヤフラム５５を下側に向けて凹ませるように変形させていき、ダイヤフラム５５の下面が弁座シート５２の上面に所定の圧力で圧着することにより、ダイヤフラムピース３３がバルブストロークの下限位置で係止されると共に、弁室の１次側流路５６と環状溝５３とが隔離されてバルブが全閉状態となる。
【００７９】
次に、この全閉状態において、エア室３にエアを充填して全開状態としていく場合の作用を説明する。エア室３にエアを導入する際は、図示しないエア源から圧入されるエアは、ピストン２の延部２ｃに設けられた流路３４を通り、次いで延部２ｄに設けられた流路３５を通って第２のエア室３ｂに圧入される。同時に、延部２ｄに設けられた流路３６を通って第１のエア室３ａにも圧入される。
【００８０】
ピストン２はスプリング８により下方に向けて付勢されているが、第１のエア室３ａにおいては可動部材は、後述のディスク部材２１を除いて、ピストン部２ａのみであるから、エア室３ａのエア圧が上昇していきスプリング８の付勢力を上回ると、このエア圧はピストン部２ａを上に押し上げるように作用する。同様に、第２のエア室３ｂにおいても、サブベース１６はケーシング６の内周面に固定されているから、可能部材はピストン部２ｂのみであり、エア室３ｂ内のエア圧が上昇してスプリング８の付勢力を上回ると、ピストン部２ｂが上に押し上げられる。よって、ピストン２全体が、ケーシング６の内周面との間の密封シールを維持したまま摺動して上方に押し上げられることになる。
【００８１】
ここで、ピストン２に作用するエア圧はピストン２のエア室３内に向いた面積に比例するが、本例ではエア室３を、第１のエア室３ａに加えて、同一のケーシング６内部に薄く形成したサブベース１６を介してコンパクトに第２のエア室３ｂを２段構成していることにより、アクチュエータの大型化を回避しつつ十分なピストン面積を確保している。
【００８２】
一方で、ダイヤフラム５５は、形状自己復帰力を有しているので、上記のようにエア室３ａ、３ｂ内の昇圧に伴い、カム部材４２、４３の当接部４２ａ、４３ａが、ピストン２による押し下げ付勢から解除されていくと、ダイヤフラム５５は自己復帰反力により、自然状態である上向きに緩やかに湾曲した凸形状に復帰することが可能となり、この自己復帰により弁座シート５２から離座してバルブが全開状態となる。より具体的には、この反力によりダイヤフラムピース３３が押し上げられ、これによりディスク部材２１も押し上げられ、これによりディスク部材２１はカム面４２ｂ、４３ｂを押し上げ、これによりカム部材４２、４３が揺動軸４４の回りを回動することになる。
【００８３】
更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
【符号の説明】
【００８４】
５０  ボデー
５１  弁室
５２  弁座シート
５３  環状溝
５４  押圧手段
５５  ダイヤフラム
５６  一次側流路
５７  二次側流路
５９  半円形部位
６０  半円切欠溝
６１  突当面
Ｒ  内径
ｗ  溝幅
Ｓ  交差断面積
Ｓ１  半円形部位の面積
Ｓ２  半円切欠溝の連設面積
Ｔ  二次側流路の断面積
【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】
2018123871.tif 000008