(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁において、
前記パッキンは、
径方向内側に設けられた接触部と、
前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、
前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、
前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、
前記接触部は、前記凹溝の底面と接する内周部の両側に切欠溝が形成されていること
を特徴とする真空弁。
【請求項２】
弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁において、
前記パッキンは、
径方向内側に設けられた接触部と、
前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、
前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、
前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、
前記弁体は、弁座側に位置する端面から突出するように弾性シール部材が装着されていること、
前記パッキンは、前記摺接部が前記凹溝の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座にシールさせる弁閉位置と前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座から離間させる位置との間の距離以上であること
を特徴とする真空弁。
【請求項３】
請求項１に記載する真空弁において、
前記弁体は、弁座側に位置する端面から突出するように弾性シール部材が装着されていること、
前記パッキンは、前記摺接部が前記凹溝の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座にシールさせる弁閉位置と前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座から離間させる位置との間の距離以上であること
を特徴とする真空弁。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載する真空弁において、
前記ピストンを弁座方向に付勢する圧縮バネと、
前記ピストンの弁座側に設けられて前記操作流体が給排気される操作室とを有すること、
前記摺接部の軸線方向の第１肉厚が前記接触部の軸線方向の第２肉厚と同じであること、
前記第２肉厚が前記凹溝の軸線方向の溝幅より小さくされていること、
を特徴とする真空弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する真空弁と、
供給用電磁弁と、排気用電磁弁と、前記供給用電磁弁と排気用電磁弁をデューティ制御する操作指令部と、前記真空弁に出力する前記操作圧力を測定する操作圧力測定手段とを有し、前記真空弁に給排気する前記操作流体を制御する電空レギュレータと、
前記真空容器の圧力を測定する真空圧力測定手段から真空圧力測定値を入力し、前記真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差に基づいて操作圧力設定値を前記操作指令部に出力するコントローラと、を有すること、
前記操作指令部は、前記操作圧力測定手段が測定した操作圧力測定値と前記操作圧力設定値との偏差に基づいて前記供給用電磁弁に出力する第１パルス信号と前記排気用電磁弁に出力する第２パルス信号を１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で生成し、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁に出力すること、
を特徴とする真空圧力制御システム。
【請求項６】
弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁を有し、
前記パッキンは、
径方向内側に設けられた接触部と、
前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、
前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、
前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、
更に、供給用電磁弁と、排気用電磁弁と、前記供給用電磁弁と排気用電磁弁をデューティ制御する操作指令部と、前記真空弁に出力する前記操作圧力を測定する操作圧力測定手段とを有し、前記真空弁に給排気する前記操作流体を制御する電空レギュレータと、
前記真空容器の圧力を測定する真空圧力測定手段から真空圧力測定値を入力し、前記真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差に基づいて操作圧力設定値を前記操作指令部に出力するコントローラと、を有すること、
前記操作指令部は、前記操作圧力測定手段が測定した操作圧力測定値と前記操作圧力設定値との偏差に基づいて前記供給用電磁弁に出力する第１パルス信号と前記排気用電磁弁に出力する第２パルス信号を１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で生成し、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁に出力すること、
を特徴とする真空圧力制御システム。
【請求項７】
請求項６に記載する真空圧力制御システムにおいて、
前記真空弁は、
前記ピストンを弁座方向に付勢する圧縮バネと、
前記ピストンの弁座側に設けられて前記操作流体が給排気される操作室とを有すること、
前記摺接部の軸線方向の第１肉厚が前記接触部の軸線方向の第２肉厚と同じであること、
前記第２肉厚が前記凹溝の軸線方向の溝幅より小さくされていること、
を特徴とする真空圧力制御システム。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７の何れか１つに記載する真空圧力制御システムにおいて、
前記操作指令部は、前記弁開度を維持する場合に、前記偏差が無くなった状態で、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁を微小パルスで同時に開閉させ続けること
を特徴とする真空圧力制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器と真空ポンプとの間に配置される真空弁及びそれを用いた真空圧力制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一般の真空産業や半導体産業などでは、真空容器と真空ポンプとの間に真空弁を配置し、真空容器の真空圧力を制御する。真空弁は、パーティクルの発生を抑制するために、シリンダに収容したピストンを操作流体の操作圧力により動かして弁開度を調整する。真空ポンプを駆動して真空容器内のガスを排気し、真空容器を所定の真空圧力まで減圧する場合、真空弁は、まず排気ガスを微小流量に制御し、真空容器の圧力をパーティクルを巻き上げない程度まで減圧してから、排気ガスを大流量に制御し、排気時間を短縮する。例えば、第１従来例の真空弁は、ピストンとシリンダとの間の摺動抵抗を小さくして、低ヒステリシス・高応答性を実現し、真空圧力を精密に制御するために、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間に形成される隙間をベロフラムで密閉し、ベロフラムがピストンに追従して転動するようにしている（例えば特許文献２、特許文献１参照）。
【０００３】
尚、第２従来例の真空弁は、シリンダに装填されたピストンに結合するロッドの下端部に弁体が結合され、シリンダに圧縮エアを給排気してピストンに作用する操作圧力を変化させることにより、弁体を弁座に当接又は離間させる。第２従来例の真空弁は、ピストンの外周面に凹溝が形成され、その凹溝にＯリングが装着されている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７３８３８号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４３２１７号公報
【特許文献３】特開２００８−１２１８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、第１従来例の真空弁は、ベロフラムをシリンダに内蔵するため、バルブサイズが大きくなってしまっていた。例えば半導体製造分野では、装置をコンパクトにするために、良好な制御性能を持ちつつ真空弁を小型化することが望まれている。また、第１従来例の真空弁は、ベロフラムなどが特殊設計されるため、高価であった。
【０００６】
一方、第２従来例の真空弁は、ピストンが移動する際にＯリングとシリンダとの間に摺動抵抗が発生するため、操作圧力だけで弁開度を精密に調整することができなかった。かかる第２従来例の真空弁は、弁開度を制御する場合、弁開度をフィードバック制御するためのポテンショメータが必要になり、大型でコスト高になってしまっていた。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、小型且つ安価で制御性が良い真空弁及びそれを用いた真空圧力制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、次のような構成を有している。
【０００９】
（１）弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁において、前記パッキンは、径方向内側に設けられた接触部と、前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、前記接触部は、前記凹溝の底面と接する内周部の両側に切欠溝が形成されていることを特徴とする。
（２）弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁において、前記パッキンは、径方向内側に設けられた接触部と、前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、前記弁体は、弁座側に位置する端面から突出するように弾性シール部材が装着されていること、前記パッキンは、前記摺接部が前記凹溝の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座にシールさせる弁閉位置と前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座から離間させる位置との間の距離以上であることを特徴とする。
（３）（１）に記載する真空弁において、前記弁体は、弁座側に位置する端面から突出するように弾性シール部材が装着されていること、前記パッキンは、前記摺接部が前記凹溝の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座にシールさせる弁閉位置と前記弁体が前記弾性シール部材を前記弁座から離間させる位置との間の距離以上であることが好ましい。
【００１０】
上記構成では、例えば、真空弁を弁閉状態から弁開するためにピストンの弁座側に操作流体を供給して操作圧力を上昇させた場合、パッキンがピストンと一体的に反弁座方向へ動こうとする。しかし、パッキンは、接触部の径方向外側に設けられた摺接部とシリンダの内周面との間に、静止摩擦力が発生する。パッキンは、接触部と摺接部との間の肉厚が薄いので、摺接部が接触部に対して軸線方向に撓むように変形できる。そのため、摺接部とシリンダとの間に静止摩擦力が発生しても、ピストンは反弁座方向に加圧されると直ぐに摺接部を接触部に対して軸線方向に撓ませて変形させながら動き始めることができる。この間、摺接部とシリンダとの間に発生する摺動抵抗がゼロになる。よって、上記構成の真空弁によれば、ピストンが摺接部を変形させながら動く変形領域において、ベロフラムを備える真空弁と同様の低ヒステリシス、高応答性を実現でき、制御性が良い。また、上記構成の真空弁は、接触部と摺接部の間の肉厚を薄くしたパッキンをピストンの凹溝に装着するだけの構造なので、ベロフラムを備える真空弁より小型化且つ安価にできる。また、上記構成の真空弁は、ピストンがパッキンを変形させながら動く領域において、弁開度と操作圧力とがリニアな関係になり、操作圧力のみで弁開度を調整できるので、弁開度をフィードバック制御するためのセンサを必要とせず、小型且つ安価に制御性を向上させることができる。
また、上記（１）の構成では、摺接部が変形する際に接触部も変形するので、ピストンが操作圧力に応じてパッキンを変形させながら円滑に動き、制御性が良い。
また、真空容器と真空ポンプとの間に配置される真空弁は、通常、排気開始時に、排気ガスを微小流量に制御し、真空容器の圧力がパーティクルを巻き上げない程度まで減圧されると、排気ガスを大流量に制御する。よって、真空容器内でパーティクルを巻き上げないように真空容器の圧力を制御するために、真空弁は、弁閉に近い微小な弁開度を精密に調整することが重要である。上記（２）（３）の構成の真空弁は、弁閉時に弾性シール部材を弁体と弁座との間で押し潰して弁座にシールさせており、弾性シール部材の潰し量を緩和することで、真空容器内のガスが弾性シール部材と弁座との間から漏れ、真空ポンプ側へ微小流量で流れる。上記（２）（３）の構成の真空弁は、パッキンの摺接部が凹溝の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、弁体が弾性シール部材を弁座にシールさせる弁閉位置と弁体が弾性シール部材を弁座から離間させる位置との間の距離以上であるので、ピストンがパッキンとシリンダとの間で摺動抵抗を発生させずに動く変形領域において、弾性シール部材の潰し量を調整できる。よって、上記（２）（３）の構成の真空弁によれば、ピストンが摺接部を変形させながら動く変形領域で、弾性シール部材の潰し量を変化させる微小な弁開度を操作圧力により精密に調整でき、制御性が良い。
【００１１】
尚、真空弁は、ピストンが摺接部をシリンダに摺接させながら動くようになると、摺動抵抗が発生する。しかし、この摺動抵抗は、ピストンと弁体が大きく動いている最中に発生するため、弁開度を調整する上で問題になりにくい。
【００１２】
（４）（１）乃至（３）の何れか１つに記載の真空弁において、前記ピストンを弁座方向に付勢する圧縮バネと、前記ピストンの弁座側に設けられて前記操作流体が給排気される操作室とを有すること、前記摺接部の軸線方向の第１肉厚が前記接触部の軸線方向の第２肉厚と同じであること、前記第２肉厚が前記凹溝の軸線方向の溝幅より小さくされていることが好ましい。
【００１３】
上記構成では、操作室に供給される操作流体の操作圧力によりパッキンが凹溝の反弁座側に位置する内側面に接触する位置でオフセットされる。そのため、パッキンと凹溝の弁座側に位置する内側面との間には、隙間が形成される。この隙間を利用して、パッキンは、ピストンが操作室の操作圧力に加圧されて圧縮バネに抗して反弁座方向へ移動する場合に、摺接部の先端部をシリンダに接触させたまま、摺接部を接触部に対して撓ませるように変形させる。よって、上記構成によれば、弁閉状態から弁開する場合に、パッキンの摺接部とシリンダとの間に摩擦抵抗を発生させることなく、ピストンが反弁座方向へ移動でき、制御性が向上する。
【００１８】
（５）（１）乃至（４）の何れか一つに記載する真空弁と、供給用電磁弁と、排気用電磁弁と、前記供給用電磁弁と排気用電磁弁をデューティ制御する操作指令部と、前記真空弁に出力する前記操作圧力を測定する操作圧力測定手段とを有し、前記真空弁に給排気する前記操作流体を制御する電空レギュレータと、前記真空容器の圧力を測定する真空圧力測定手段から真空圧力測定値を入力し、前記真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差に基づいて操作圧力設定値を前記操作指令部に出力するコントローラと、を有すること、前記操作指令部は、前記操作圧力測定手段が測定した操作圧力測定値と前記操作圧力設定値との偏差に基づいて前記供給用電磁弁に出力する第１パルス信号と前記排気用電磁弁に出力する第２パルス信号を１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で生成し、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁に出力すること、を特徴とする真空圧力制御システムである。
（６）弁座を備えるボディと、前記弁座に当接又は離間する弁体と、前記ボディに連結され、操作流体が給排気されるシリンダと、前記シリンダに収容され、凹溝が前記シリンダの内周面側に開口するように環状に設けられたピストンと、環状に形成されて前記凹溝に装着されるパッキンと、前記ピストンと前記弁体とを連結するロッドとを備えており、真空容器と真空ポンプとの間に配置され、前記シリンダが前記操作流体を給排気されることにより前記ピストンに作用する操作圧力を制御され、前記弁体と前記弁座との間の距離である弁開度を調整する真空弁を有し、前記パッキンは、径方向内側に設けられた接触部と、前記接触部の径方向外側に設けられた摺接部とを有し、前記接触部と前記摺接部との間の肉厚が薄いこと、前記ピストンが前記弁体の全閉から全開の位置に関わらず事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、前記摺接部が前記接触部に対して撓み変形すること、更に、供給用電磁弁と、排気用電磁弁と、前記供給用電磁弁と排気用電磁弁をデューティ制御する操作指令部と、前記真空弁に出力する前記操作圧力を測定する操作圧力測定手段とを有し、前記真空弁に給排気する前記操作流体を制御する電空レギュレータと、前記真空容器の圧力を測定する真空圧力測定手段から真空圧力測定値を入力し、前記真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差に基づいて操作圧力設定値を前記操作指令部に出力するコントローラと、を有すること、前記操作指令部は、前記操作圧力測定手段が測定した操作圧力測定値と前記操作圧力設定値との偏差に基づいて前記供給用電磁弁に出力する第１パルス信号と前記排気用電磁弁に出力する第２パルス信号を１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で生成し、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁に出力すること、を特徴とする真空圧力制御システムである。
（７）（６）に記載する真空圧力制御システムにおいて、前記真空弁は、前記ピストンを弁座方向に付勢する圧縮バネと、前記ピストンの弁座側に設けられて前記操作流体が給排気される操作室とを有すること、前記摺接部の軸線方向の第１肉厚が前記接触部の軸線方向の第２肉厚と同じであること、前記第２肉厚が前記凹溝の軸線方向の溝幅より小さくされていること、が好ましい。
【００１９】
上記構成では、電空レギュレータが真空弁に供給する操作圧力を操作圧力測定手段が測定している。また、真空圧力測定手段が真空容器の圧力を測定している。コントローラは、真空圧力測定手段が測定する真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差に基づいて操作圧力設定値を電空レギュレータの操作指令部に出力する。操作指令部は、操作圧力設定値と操作圧力測定手段が測定した操作圧力測定値との偏差に基づいて第１及び第２パルス信号を生成し、供給用電磁弁と排気用電磁弁をデューティ制御する。操作指令部は、従来の周波数（例えば１００ｋＨｚ）より高い１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で第１及び第２パルス信号を生成するので、真空弁に供給される操作流体は、操作圧力が細かく調整される。真空弁は、ピストンが摺接部を変形させながら動く変形領域で操作圧力が細かく制御されるので、分解能が小さい。よって、上記構成の真空圧力制御システムによれば、真空弁の弁開度を応答性良く調整できる。
【００２０】
（８）（５）乃至（７）の何れか１つに記載する真空圧力制御システムにおいて、前記操作指令部は、前記弁開度を維持する場合に、前記偏差が無くなった状態で、前記供給用電磁弁と前記排気用電磁弁を微小パルスで同時に開閉させ続けることが好ましい。
【００２１】
上記構成では、真空弁の弁開度を維持する場合に、供給用電磁弁と排気用電磁弁が連続的に流量を流し続ける。そのため、偏差が無い状態から偏差がある状態になったときに、供給用電磁弁と排気用電磁弁の双方を弁閉して真空弁の弁開度を維持する場合より、供給用電磁弁と排気用電磁弁の動き出しが良い。よって、上記構成によれば、応答性の分解能が向上した状態で真空弁の弁開度を調整できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型且つ安価で制御性が良い真空弁及びそれを用いた真空圧力制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る真空弁の断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大断面図である。
【図３】パッキンの平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】実施例の弁開度特性を調べた結果を示し、縦軸に弁体の弁開度（ｍｍ）を示し、横軸に操作圧力（ｋＰａ）を示す。
【図６】比較例の弁開度特性を調べた結果を示し、縦軸に弁体の弁開度（ｍｍ）を示し、横軸に操作圧力（ｋＰａ）を示す。
【図７】図１に示す真空弁を使用した真空圧力制御システムの概略構成図である。
【図８】電空レギュレータの回路図である。
【図９】図７に示す真空圧力制御システムにおける微小偏差制御を示す模式図である。
【図１０】図７に示す真空圧力制御システムにおける供給開始制御を示す模式図である。
【図１１】図７に示す真空圧力制御システムにおける安定制御を示す模式図である。
【図１２】従来の真空圧力制御システムにおける微小偏差制御を示す模式図である。
【図１３】従来の真空圧力制御システムにおける安定制御を示す模式図である。
【図１４】図７に示す真空圧力制御システムの実施例に関する分解能試験の結果であって、変形領域を示す。
【図１５】図７に示す真空圧力制御システムの実施例に関する分解能試験の結果であって、摺動領域を示す。
【図１６】図７に示す真空圧力制御システムの実施例に関する真空圧力制御試験の結果を示すグラフである。
【図１７】図７に示す真空圧力制御システムの比較例に関する真空圧力制御試験の結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る真空弁のパッキン付近の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明に係る真空弁及び真空圧力制御システムの実施形態について図面に基づいて説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る真空弁２の断面図である。図７は、真空圧力制御システム１の概略構成図である。図７に示す真空圧力制御システム１は、例えば半導体の蒸着プロセスを行う真空容器８の圧力を制御するのに使用される。真空圧力制御システム１は、真空容器８と真空ポンプ９との間に配置される真空弁２が、排気流量を微小制御した後、大流量制御することによって、真空容器８の圧力をパーティクルを巻き上げないように短時間で制御する。本実施形態は、主として、図１に示す真空弁２のパッキン２７により制御性の向上が図られ、図７に示す真空圧力制御システム１の制御により真空弁２の応答性の向上が図られている。そこで、まず、真空弁２の概略構成、パッキン２７の構成、真空弁２の動作、真空弁２の弁開度特性を調べる試験について説明し、真空弁２の特徴を明らかにする。その後、真空圧力制御システム１の全体構成、供給用電磁弁と排気用電磁弁の駆動方法、真空圧力制御システム１の動作、真空圧力制御システム１の分解能試験、真空圧力制御試験について説明し、真空圧力制御システム１の特徴を明らかにする。
【００２６】
＜真空弁の概略構成＞
図１に示すように、真空弁２は、ボディ１０にアクチュエータ３８をボルトＨで連結することにより外観が構成されている。真空弁２は、アクチュエータ３８に供給される操作流体の操作圧力により弁開し、圧縮バネ３３により弁閉状態に復帰する単動式のバルブである。
【００２７】
ボディ１０は、アクチュエータ３８との間に弁室１３が形成されている。ボディ１０は、第１ポート形成部材１１と第２ポート形成部材１２が直交するように設けられ、第１ポート１１ａと第２ポート１２ａが弁室１３を介して連通している。ボディ１０には、第１ポート１１ａと弁室１３が同軸上に設けられ、第１ポート１１ａと弁室１３との間に設けられた弁孔１０ａの外周に沿って弁座１４が平坦に形成されている。弁体１５は、弁座１４に当接又は離間するように弁室１３に収容されている。
【００２８】
アクチュエータ３８は、ピストン２５がシリンダ２０に収容されている。シリンダ２０は、筒状に設けられたシリンダ本体２１の下端開口部がロッド保持部材２２によって閉止されている。ロッド保持部材２２は、ロッド３０を支持するガイド部２２ａが弁室１３内に突き出して配置されている。ロッド３０の軸芯を出すために、ロッド３０とガイド部２２ａとの間にシールパッキン３６と軸受３７が配置されている。このロッド３０を介してピストン２５と弁体１５が連結されている。
【００２９】
ピストン２５は、略円柱形状をなし、ロッド３０の上端部に結合されている。ピストン２５は、ロッド３０の上端部に円形の支持プレート２５２と、シール部材２８と、取付リング２５３と、パッキン２７と、ピストン本体２５１を積層配置し、第１取付ネジ３１をロッド３０の上端部に締結することにより組み立てられている。ピストン２５の外周面２５ａには、凹溝２６がシリンダ２０の内周面２４側に向かって開口するように環状に設けられ、この凹溝２６に環状のパッキン２７（後述）が装着されている。かかるピストン２５によりシリンダ２０のシリンダ室２３が区画され、ピストン２５の弁座側に操作室２３ａが形成されている。シリンダ２０は、操作ポート３４が連通路３５を介して操作室２３ａに連通し、操作室２３ａに操作流体が給排気される。
【００３０】
弁体１５は、円板形をなし、ロッド３０の下端部に結合されている。弁体１５は、ロッド３０の下端部にベローズ１９の下端プレート１９ｂと弾性シール部材１８と保持プレート１７とを積層配置し、第２取付ネジ３２をロッド３０の下端部に締結することにより組み立てられている。弾性シール部材１８は、下端プレート１９ｂと保持プレート１７との間に環状に設けられたアリ溝１６に弾性変形可能に収容されている。弾性シール部材１８は、弁体１５の弁座側に位置する端面から突出し、弁座１４と弁体１５との間で押し潰される。
【００３１】
圧縮バネ３３は、ロッド保持部材２２の段差部２２ｂと弁体１５との間に縮設され、弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせるシール荷重を弁体１５に付与する。ベローズ１９は、圧縮バネ３３を覆うように弁室１３内に伸縮可能に配置され、弁室１３を流れる流体がアクチュエータ３８側に漏れたり、圧縮バネ３３が発生するパーティクルが弁室１３を流れる流体に混入したりすることを防いでいる。
【００３２】
＜パッキンの構成について＞
図２は、図１のＡ部拡大断面図である。図３は、パッキン２７の平面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。尚、図２及び図４は、説明の便宜上、図中一点鎖線で示す第１変形姿勢Ｄ１と第２変形姿勢Ｄ２に示す摺接部２７２の変形や、第１肉厚Ｗ１と第２肉厚Ｗ３との差が強調して記載されている。図３に示すように、パッキン２７は、ゴム又は樹脂等の弾性材料を環状に成形したものである。図３及び図４に示すように、パッキン２７は、径方向内側に接触部２７１が設けられ、径方向外側に摺接部２７２が設けられている。
【００３３】
図４に示すパッキン２７は、内周部２７１ａの内径が凹溝２６の底面２６ｃの直径より小さく、先端部２７２ａの外径がシリンダ２０の内周面２４の内径より大きくされており、内周部２７１ａから先端部２７２ａまでの平均幅寸法Ｗ４が、底面２６ｃから内周面２４までの平均距離Ｗ５（図２参照）より若干大きく設けられている。そのため、パッキン２７は、図２に示すようにピストン２５の凹溝２６に装着された場合に、径方向に圧縮されてピストン２５とシリンダ２０との間をシールする。
【００３４】
図４に示すように、接触部２７１の軸線方向の平均第２肉厚Ｗ３は、凹溝２６の軸線方向の溝幅（上内側面２６ａと下内側面２６ｂとの間の距離）Ｗ２（図２参照）とほぼ同じにされている。そのため、パッキン２７は、図２に示すようにピストン２５の凹溝２６に装着された場合に、軸線方向にがたつきにくい。
【００３５】
図４に示すように、摺接部２７２は、軸線方向の平均第１肉厚Ｗ１が接触部２７１の第２肉厚Ｗ３（図２に示す凹溝２６の溝幅Ｗ２）より小さくされている。そのため、図２に示すように、パッキン２７は、ピストン２５とシリンダ２０との間に配置された場合に、凹溝２６の下内側面２６ｂと摺接部２７２との間に第１隙間Ｓ１が形成され、凹溝２６の上内側面２６ａと摺接部２７２との間に第２隙間Ｓ２が形成される。これにより、摺接部２７２は、図２の第１及び第２変形姿勢Ｄ１，Ｄ２に示すように、凹溝２６内で変形できる。パッキン２７は、接触部２７１と摺接部２７２との間の肉厚が薄く、摺接部２７２が接触部２７１に対して軸線方向に撓むように変形しやすい。すなわち、パッキン２７には、凹部２７２ｂが、摺接部２７２の上下に位置する端面のそれぞれに、摺接部２７２と接触部２７１との接続部分に沿って環状に設けられ、摺接部２７２と接触部２７１との間に肉厚の薄い薄肉部２７３が設けられている。しかも、接触部２７１は、切欠溝２７１ｂが内周部２７１ａの図中上側と図中下側に環状に設けられている。そのため、ピストン２５が動き始める際に、パッキン２７が先端部２７２ａをシリンダ２０に接触させる位置を変えないように変形しやすい。
【００３６】
ここで、摺接部２７２の軸線方向への最大変形量、すなわち、摺接部２７２が第１変形姿勢Ｄ１から第２変形姿勢Ｄ２まで変形する変形量は、弁体１５が弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせる弁閉位置と弁体１５が弾性シール部材１８を弁座１４から離間させる位置との間の距離以上にされている。例えば、本実施形態では、弁体１５が弁閉位置から約５０μｍ上昇すると、弾性シール部材１８が弁座１４から離間し、パッキン２７は、摺接部２７２の第１変形姿勢Ｄ１から第２変形姿勢Ｄ２までの変形量も約５０μｍにされている。これにより、真空弁２は、摺接部２７２を変形させながらピストン２５が動く変形領域において、弾性シール部材１８が弁座１４と弁体１５との間で押し潰される潰し量を調整できるようになる。
【００３７】
＜真空弁の動作について＞
図１に示す真空弁２は、操作流体が操作室２３ａから排気されている場合には、ピストン２５が反弁座方向に加圧されない。そのため、真空弁２は、弁体１５が圧縮バネ３３のシール荷重により弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせ、弁閉状態になる。
【００３８】
真空弁２は、操作ポート３４に操作流体が供給されると、操作室２３ａの操作圧力が上昇し、ピストン２５に反弁座方向の荷重が作用する。ピストン２５は、操作室２３ａの操作圧力が圧縮バネ３３のバネ力より大きくなると、反弁座方向へ動こうとする。
【００３９】
図２に示すパッキン２７は、接触部２７１が凹溝２６に装着され、ピストン２５と一体的に反弁座方向へ動こうとする。一方、パッキン２７は、摺接部２７２がシリンダ２０の内周面２４に接しており、摺接部２７２の先端部２７２ａとシリンダ２０の内周面２４との間に静止摩擦力が発生する。パッキン２７は、接触部２７１と摺接部２７２との間の肉厚が凹部２７２ｂ，２７２ｂによって薄くされているので、摺接部２７２の薄肉部２７３が接触部２７１に対して軸線方向に撓み変形できる。そのため、摺接部２７２とシリンダ２０との間に静止摩擦力が発生していても、ピストン２５は、反弁座方向に加圧されると直ぐに摺接部２７２の薄肉部２７３を変形させながら反弁座方向へ動き始めることができる。この間、パッキン２７の摺接部２７２とシリンダ２０の内周面２４との間の摺動抵抗がゼロになる。よって、真空弁２は、ピストン２５がパッキン２７の摺接部２７２を変形させながら動く変形領域において、弁開度を操作流体の操作圧力に応じて応答性良く制御できるので、例えば第１従来例のベロフラムを備える真空弁と同様の低ヒステリシス・高応答性を実現でき、制御性が良い。また、真空弁２は、接触部２７１と摺接部２７２の間の肉厚を薄くしたパッキン２７をピストン２５の凹溝２６に装着するだけの構造なので、ベロフラムを備える第１従来例の真空弁より、小型化且つ安価にできる。また、真空弁２は、ピストン２５がパッキン２７を変形させながら動く領域において、弁開度と操作圧力とがリニアな関係になり、操作圧力のみで弁開度を調整できるので、弁開度をフィードバック制御するためのセンサを必要とせず、小型且つ安価に制御性を向上させることができる。
【００４０】
しかも、真空弁２は、接触部２７１が凹溝２６の底面２６ｃと接する内周部２７１ａの両側に切欠溝２７１ｂ，２７１ｂを形成されているので、摺接部２７２の薄肉部２７３が変形する際に接触部２７１も変形する。よって、真空弁２は、ピストン２５が操作圧力に応じてパッキン２７を変形させながら円滑に動き、制御性が良い。
【００４１】
真空弁２は、図２の第１変形姿勢Ｄ１に示すように、摺接部２７２が凹溝２６の弁座側に位置する下内側面２６ｂに当接して変形を制限されると、ピストン２５が、摺接部２７２をシリンダ２０の内周面２４に摺接させながら反弁座方向へ動き、弁開度を大きくする。この場合、摺接部２７２とシリンダ２０の内周面２４との間に摺動抵抗が発生する。しかし、この摺動抵抗は、ピストン２５と弁体１５が反弁座方向に大きく動いている最中に発生するため、弁開度を調整する上で問題になりにくい。
【００４２】
真空弁２を弁閉する場合には、操作室２３ａから操作流体が排気される。ピストン２５は、操作室２３ａの操作圧力が降下すると、圧縮バネ３３のバネ力により弁座側へ動き始める。このとき、ピストン２５は、パッキン２７が図２に示す第１変形姿勢Ｄ１から第２変形姿勢Ｄ２に変形させるように弁座方向へ動いた後、摺接部２７２をシリンダ２０に摺接させながら弁座方向へ移動する。真空弁２は、ピストン２５が弁体１５の弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせることにより、弁閉する。
【００４３】
次に弁開する場合には、真空弁２は、ピストン２５が摺接部２７２を図２の第２変形姿勢Ｄ２から第１変形姿勢Ｄ１に変形させながら、摺接部２７２をシリンダ２０に摺接させながら反弁座方向に動く。よって、真空弁２は、弁を開き始めるときの摺接部２７２の変形領域が広く、操作室２３ａの操作圧力に応じて弁開度を精密に調整できる範囲が広くなる。また、真空弁２は、弁体１５の弁閉から弁開の位置にかかわらず、事前の移動方向に対して反対方向へ移動し始める場合に、摺接部２７２が接触部２７１に対して撓み変形する。
【００４４】
ここで、図７に示すように真空容器８と真空ポンプ９との間に配置される真空弁２は、通常、排気開始時に、排気ガスを微小流量に制御し、真空容器８の圧力がパーティクルを巻き上げない程度まで減圧されると、排気ガスを大流量に制御する。よって、真空容器８内でパーティクルを巻き上げないように真空容器８の圧力を制御するために、真空弁２は、弁閉に近い微小な弁開度を精密に調整することが重要である。本実施形態の真空弁２は、図１に示すように、弁閉時に弾性シール部材１８を弁体１５と弁座１４との間で押し潰して弁座１４にシールさせており、弾性シール部材１８の潰し量を緩和することで、真空容器８（図７参照）内のガスが弾性シール部材１８と弁座１４との間から漏れ、真空ポンプ９（図７参照）側へ微小流量で流れる。図１に示す真空弁２は、パッキン２７の摺接部２７２が凹溝２６の内部で軸線方向に変形する最大変形量が、弁体１５が弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせる弁閉位置と弁体１５が弾性シール部材１８を弁座１４から離間させる位置との間の距離以上であるので、ピストン２５がパッキン２７とシリンダ２０との間で摺動抵抗を発生させずに動く変形領域において、弾性シール部材１８の潰し量を調整できる。よって、本実施形態の真空弁２によれば、ピストン２５が摺接部２７２を変形させながら動く変形領域で、弾性シール部材１８の潰し量を変化させる微小な弁開度を操作圧力により精密に調整でき、制御性が良い。
【００４５】
＜真空弁の弁開度特性を調べる試験について＞
発明者らは、真空弁２の実施例と比較例について弁開度特性を調べる試験を行った。実施例は、阪上製作所株式会社製が製造・販売するＰＳＤパッキン（商品名）をピストンの凹溝に装着した真空弁である。比較例は、断面が円形状のＯリングパッキンをピストンの凹溝に装着した真空弁である。実施例と比較例は、ＰＳＤパッキンとＯリングパッキンを除き、同様に構成されている。試験では、実施例と比較例について、操作圧力を変化させて弁開度を測定した。
【００４６】
図５は、実施例の弁開度特性を調べた結果を示し、縦軸に弁体の弁開度（ｍｍ）を示し、横軸に操作圧力（ｋＰａ）を示す。実施例は、操作圧力が約０．５ｋＰａ以上１．５ｋＰａ以下の範囲Ｂ１で、弁開度が０ｍｍから約５０μｍまでリニアに増加している。操作圧力が１．５ｋＰａを超える範囲Ｂ２では、操作圧力が約０．５ｋＰａ増加する毎に弁開度が約０．１ｍｍ増加し、弁開度が操作圧力に対して階段状に変化する（スティックスリップ現象）。
【００４７】
図６は、比較例の弁開度特性を調べた結果を示し、縦軸に弁体の弁開度（ｍｍ）を示し、横軸に操作圧力（ｋＰａ）を示す。操作圧力が２ｋＰａ以下の範囲Ｃ１では、弁体１５の弁開度が０ｍｍである。そして、比較例は、操作圧力が２ｋＰａになると、弁開度が一気に０．２ｍｍ増加する。その後、操作圧力が２ｋＰａを超える範囲Ｃ２では、操作圧力が約１ｋＰａ増加する毎に弁開度が約０．２ｍｍ増加し、弁開度が操作圧力に対して階段状に変化する（スティックスリップ現象）。
【００４８】
よって、実施例は、図５の範囲Ｂ１に示すように、弁を開き始めるときに操作圧力と弁開度が比例するので、操作圧力だけで弁開度を制御できるが、比較例は、図６に示すように、操作圧力と弁開度が比例しないので、操作圧力だけで弁開度を制御できない。よって、実施例は、弁を開き始める時の制御性が比較例より優れている。これは、比較例は、ピストンの弁座側に位置する端面に作用する操作圧力が、Ｏリングとシリンダとの間に発生する最大静止摩擦力以上にならないと、ピストンが動き始めないのに対し、実施例は、ピストンの弁座側に位置する端面に作用する操作圧力が、摺接部とシリンダとの間に発生する最大静止摩擦力より小さくても、ピストンが操作圧力に応じて摺接部を撓み変形させながら動くことができるという違いに起因すると考えられる。
【００４９】
また、実施例は、図５の範囲Ｂ２に示すように、摺接部とシリンダとの間に摺動摩擦が発生する場合に、不感帯Ｂ３を発生するが、その不感帯Ｂ３は、図６に示す比較例の不感帯Ｃ３より狭い。よって、実施例は、摺動抵抗を発生する領域でも、比較例より、操作圧力の変動に対する弁開度の応答性が高く、制御性が優れている。これは、実施例のパッキンは比較例のＯリングより反発力が小さく、実施例の方が比較例より摺動抵抗が小さくなるためと考えられる。
【００５０】
＜真空圧力制御システムの全体構成について＞
図７に示すように、真空圧力制御システム１は、上述した真空弁２と、電空レギュレータ３と、コントローラ４とを備える。
【００５１】
真空弁２は、真空容器８と真空ポンプ９との間に配置され、真空容器８と真空ポンプ９を接続する流路Ｌの遮断や、真空容器８から真空ポンプ９へ流れる排気ガスの流量制御を行う。真空弁２の側面には電空レギュレータ３が取り付けられている。
【００５２】
コントローラ４は、周知のマイクロコンピュータであって、電源５から外部電力を供給されて駆動する。コントローラ４は、上位装置６、パソコン７、真空容器８の圧力を測定する真空圧力センサ８ａ（真空圧力測定手段の一例）等に接続される。また、コントローラ４は、ケーブル４６を介して電空レギュレータ３に接続されている。コントローラ４は、真空圧力センサ８ａが測定した真空圧力測定値と、上位装置６又はパソコン７から入力した真空容器８の真空圧力設定値との偏差に基づいて電空レギュレータ３に印加すべき指令電圧（操作圧力設定値の一例）を計算し、電空レギュレータ３に出力する。よって、真空容器８の真空圧力はフィードバック制御される。
【００５３】
図８は、電空レギュレータ３の回路図である。電空レギュレータ３は、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅと緊急排気弁３ｆと操作指令部３ｊと操作圧力センサ３ｋ（操作圧力測定手段の一例）を備える。電空レギュレータ３は、操作指令部３ｊが、周知のデューティ制御方式によりコントローラ４から入力した指令電圧に応じて供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅの開動作を制御し、真空弁２に供給する操作圧力を制御する。
【００５４】
電空レギュレータ３は、第１ポート３ａと第２ポート３ｂと第３ポート３ｃを備える。第１ポート３ａは、操作流体を供給する供給源に接続される。第２ポート３ｂは大気開放される。第３ポート３ｃは真空弁２の操作ポート３４（図１参照）に接続される。
【００５５】
図８に示すように、第１ポート３ａと第２ポート３ｂとの間には、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅが直列に配置され、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅとの間に第３ポー３ｃが連通している。これにより、電空レギュレータ３は、供給用電磁弁３ｄが開き、排気用電磁弁３ｅを閉じることにより、第１ポート３ａと第３ポート３ｃが連通する。また、電空レギュレータ３は、排気用電磁弁３ｅが開き、供給用電磁弁３ｄを閉じることにより、第３ポート３ｃと第２ポート３ｂが連通する。緊急排気弁３ｆは、緊急時に排気流量を増加させて真空弁２を瞬時に弁閉するために、排気用電磁弁３ｅに対して並列に設けられている。
【００５６】
操作圧力センサ３ｋは、第３ポート３ｃに接続している。第３ポート３ｃは真空弁２の操作室２３ａに連通しており、操作圧力センサ３ｋは、真空弁２の現在の操作圧力を測定して操作圧力検出電圧（操作圧力測定値の一例）を出力する。
【００５７】
操作指令部３ｊは、減算器３ｇと偏差増幅回路３ｈとＰＷＭ回路３ｉを備える。減算器３ｇは、コントローラ４から入力した指令電圧と、操作圧力センサ３ｋから入力した操作圧力検出電圧との偏差を求める。偏差増幅回路３ｈは、減算器３ｇから入力した偏差を増幅する。ＰＷＭ回路３ｉは、偏差増幅回路３ｈで増幅された偏差に基づいて供給用電磁弁３ｄの開時間を制御する第１パルス信号と排気用電磁弁３ｅの開時間を制御する第２パルス信号とを生成し、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅにそれぞれ出力する。ＰＷＭ回路３ｉは、１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で第１及び第２パルス信号を出力し、操作圧力を細かく制御する。
【００５８】
かかる電空レギュレータ３は、供給用電磁弁３ｄの開時間を長くし、排気用電磁弁３ｅの開時間を短くすることによって、真空弁２に設けられた操作室２３ａ（図１参照）の操作圧力を上昇させ、真空弁２の弁開度を大きくすることができる。また、電空レギュレータ３は、供給用電磁弁３ｄの開時間を短くし、排気用電磁弁３ｅの開時間を長くすることによって、真空弁２に設けられた操作室２３ａ（図１参照）の操作圧力を降下させ、真空弁２の弁開度を小さくすることができる。
【００５９】
＜供給用電磁弁と排気用電磁弁の駆動方法について＞
真空圧力制御システム１では、操作指令部３ｊが微小偏差制御と、供給開始制御と、安定制御により供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅを駆動させる。
【００６０】
図９は、図７に示す真空圧力制御システム１における微小偏差制御を示す模式図である。微小偏差制御とは、真空弁２の弁開度を微小増加させるように、供給用電磁弁３ｄを短い開時間Ｔ２で開閉し、排気用電磁弁３ｅを弁閉する制御をいう。
【００６１】
図１０は、図７に示す真空圧力制御システム１における供給開始制御を示す模式図である。供給開始制御とは、真空弁２の弁開度を大増加させるように、供給用電磁弁３ｄを長い開時間Ｔ４で弁開し、排気用電磁弁３ｅを弁閉する制御をいう。
【００６２】
図１１は、図７に示す真空圧力制御システム１における安定制御を示す模式図である。安定制御とは、真空弁２の弁開度を維持するために、真空圧力測定値と真空圧力設定値との偏差がない状態で、電空レギュレータ３の供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅを微小パルスで同時に開閉させ続ける制御をいう。
【００６３】
＜真空圧力制御システムの動作について＞
例えば、真空容器８の圧力を大気圧から真空圧力設定値（例えば１０-5Ｐａ）まで減圧する場合、図７に示す真空圧力制御システム１は、微小偏差制御を行うことにより、真空弁２を微小な弁開度で弁開させ、弾性シール部材１８の潰し量を緩和させる。これにより、真空容器８のガスがパーティクルを巻き上げないように微小流量で排気され始める。
【００６４】
微小偏差制御について本実施形態のものと従来のものとを比較しながら説明する。本実施形態の微小偏差制御は、従来の微小偏差制御と、第１及び第２パルス信号の周波数が相違する。すなわち、図１２に示す従来の微小偏差制御では、１００Ｈｚの周波数で供給用電磁弁３ｄを短時間弁開させ、排気用電磁弁３ｅを弁閉していた。これに対して、図９に示す本実施形態の微小偏差制御では、１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で供給用電磁弁３ｄを短時間弁開する一方、排気用電磁弁３ｅを弁閉する。つまり、本実施形態の真空圧力制御システム１は、従来の約１．５倍の周波数で供給用電磁弁３ｄを弁開する。そのため、図９に示す本実施形態の第１パルス信号の周期Ｔ１が、図１２に示す従来の第１パルス信号の周期Ｔ１１より短く、本実施形態の微小偏差制御の方が従来の微小偏差制御より真空弁２の操作圧力を細かく調整できる。本実施形態の真空弁２は、パッキン２７の摺接部２７２を変形させながらピストン２５が動く変形領域で操作圧力が細かく制御されるので、分解能が小さくなる。よって、本実施形態の真空圧力制御システム１によれば、コントローラ４が電空レギュレータ３に出力する指令電圧に応じて、真空弁２の弁開度を応答性良く調整できる。また、図９に示す本実施形態の微小偏差制御は、周期Ｔ１が図１２に示す従来の微小偏差制御の周期Ｔ１１より短いので、開時間Ｔ２が図１２に示す従来の開時間Ｔ１２と同じでも、真空弁２の操作圧力を素早く操作圧力設定値に制御し、弁開度を微小調整できる。
【００６５】
真空圧力制御システム１は、操作圧力センサ３ｋが検出する操作圧力が設定圧力に達すると、微小偏差制御状態から安定制御状態になり、弁開度を維持する。これにより、真空容器８は、ガスが微小流量で排気され、内部圧力がパーティクルを巻き上げないようにゆっくり降下する。
【００６６】
安定制御について本実施形態のものと従来のものとを比較しながら説明する。本実施形態の安定制御は、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅの駆動方法が従来の安定制御と相違する。すなわち、図１３に示す従来の安定制御では、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅとを弁閉していた。そのため、従来の安定制御では、例えば、真空容器８の真空圧力が外乱により僅かに変動し、真空圧力の実測値と真空圧力の目標値との偏差が無い状態からある状態になり、コントローラ４の指令電圧が変化した場合に、供給用電磁弁３ｄ（排気用電磁弁３ｅ）が動き出すのに時間がかかる。そのため、従来の真空圧力制御システムでは、指令電圧に追従して真空弁２の弁開度を調整するのが困難だった。これに対して、図１１に示す本実施形態の安定制御では、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅを同時に弁開する第１及び第２パルス信号を、操作指令部３ｊが供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅのそれぞれに微小パルスを出力し続ける。そのため、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅは、同じ周期Ｔ５，Ｔ７で同じ開時間Ｔ６，Ｔ８ずつ微小に弁が開閉される。これにより、真空弁２は、供給用電磁弁３ｄによる供給流量と排気用電磁弁３ｅによる排気流量とが相殺され、操作室２３ａの操作圧力が維持される。これによれば、例えば、真空容器８の真空圧力が外乱により僅かに変動し、真空圧力の実測値と真空圧力の目標値との偏差が無い状態からある状態になり、コントローラ４の指令電圧が変化した場合に、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅが直ちに指令電圧に従って開時間を調整される。そのため、本実施形態の真空圧力制御システム１は、指令電圧に追従して真空弁２の弁開度を調整できる。よって、本実施形態の真空圧力制御システム１は、従来と比べ、応答性の分解能が向上した状態で真空弁２の弁開度を調整できる。
【００６７】
その後、例えば、真空容器８の圧力がパーティクルを巻き上げにくい低真空（例えば１０-3Ｐａ）まで降下すると、真空圧力制御システム１は、供給開始制御を行う。この場合、電空レギュレータ３は、操作指令部３ｊが１４０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の周波数で供給用電磁弁３ｄに第１パルス信号を出力する。つまり、操作指令部３ｊは、図１０に示す第１パルス信号の周期Ｔ３が図９に示す微小偏差制御の第１パルス信号の周期Ｔ１と同じで、図１０に示す開時間Ｔ４が図９に示す微小偏差制御の開時間Ｔ２より長くされる。このとき、排気用電磁弁３ｅは、弁閉されている。これにより、真空弁２は、操作圧力が上昇し、弁開度が大きくなる。そのため、真空容器８は、ガスの排気流量が増加し、真空圧力設定値（例えば１０-5Ｐａ）まで短時間で減圧される。
【００６８】
尚、従来の真空圧力制御システムは、本実施形態の真空圧力制御システム１と同様に供給用電磁弁の開時間を長くして真空弁の弁開度を大きくするが、第１及び第２パルス信号の周波数が本実施形態より低い（例えば１００ｋＨｚ）。よって、本実施形態の真空圧力制御システム１は、従来と比べ、短時間で操作圧力を操作圧力設定値に制御し、弁開度を大きくできる。
【００６９】
ここで、真空容器８はパーティクルを巻き上げない程度まで十分に減圧されているので、真空圧力制御システム１は、真空容器８から大流量排気する場合、真空容器８から微小排気する場合と比べ、真空弁２の弁開度を精密に制御する必要がない。そのため、真空弁２は、弁開度を大変位させる場合に摺動抵抗が発生しても、その摺動抵抗が真空容器８の圧力制御の問題にならない。
【００７０】
その後、真空容器８の圧力が真空圧力設定値（例えば１０-5Ｐａ）に達すると、真空圧力制御システム１のコントローラ４が真空弁２を弁閉するための指令電圧を出力する。電空レギュレータ３の操作指令部３ｊは、供給用電磁弁３ｄを弁閉し、排気用電磁弁３ｅを弁開する第１及び第２パルス信号を生成して、供給用電磁弁３ｄと排気用電磁弁３ｅに出力する。これにより、電空レギュレータ３は、第２ポート３ｂと第３ポート３ｃが導通し、真空弁２の操作室２３ａから操作流体を大気に排出する。真空弁２は、操作室２３ａの圧力低下に従って圧縮バネ３３のバネ力により弁体１５がピストン２５と一体的に弁座方向に押し下げられる。そして、真空弁２は、圧縮バネ３３のシール荷重により弁体１５の弾性シール部材１８が弁座１４に密着し、弁閉状態に戻る。その後、真空容器８で蒸着プロセスが完了すると、真空圧力制御システム１は、上記と同様にして真空容器８のガスを排気して真空容器８の圧力を制御する。
【００７１】
＜真空圧力制御システムの分解能試験について＞
発明者らは、真空圧力制御システム１の実施例について分解能を調べる試験を行った。実施例は、阪上製作所株式会社が製造・販売するＰＳＤパッキン（商品名）をピストンの凹溝に装着した単動式の真空弁を使用した。
【００７２】
試験では、コントローラ４が出力する弁開動作用の指令電圧（Ｖ）を増加させることにより、操作圧力を上昇させ、リニアゲージにより真空弁２の弁開度を測定した。また、コントローラ４が出力する弁閉動作用の指令電圧（Ｖ）を増加させることにより、操作圧力を降下させ、リニアゲージにより真空弁２の弁開度を測定した。図１４は、図７に示す真空圧力制御システム１の実施例に関する分解能試験の結果であって、変形領域Ｅ１を示す。図１５は、図７に示す真空圧力制御システム１の実施例に関する分解能試験の結果であって、変形領域Ｅ１の一部と摺動領域Ｅ２を示す。図１４及び図１５は、共に、縦軸に弁開度（ｍｍ）を示し、横軸に指令電圧（Ｖ）を示す。尚、図１４は、弁開方向と弁閉方向の両方を示すが、図１５は、弁開方向のみを示す。
【００７３】
図１４に示すように、ＰＳＤパッキンを歪ませながら真空弁２が動作する変形領域（歪み範囲）Ｅ１内で弁開動作と弁閉動作を行う場合は、弁開方向でも弁閉方向でも、指令電圧と弁開度とがリニアな関係になり、弁開度変化の分解能が向上する。
【００７４】
一方、図１５に示すように、ＰＳＤパッキンをシリンダに摺動させる摺動領域Ｅ２で真空弁が動作する場合は、ＰＳＤパッキンとシリンダの内周面との間に生じる摺動抵抗により、弁開度が指令電圧に対して階段状に変化する（スティックスリップ現象）。よって、摺動領域Ｅ２の分解能は変形領域Ｅ１の分解能より大きい。
【００７５】
尚、Ｏリングパッキンをピストンの凹溝に装着した真空弁を使用する真空圧力制御システムは、真空弁の弁開度調整時に常に摺動抵抗を発生するので、図１５に示す摺動領域Ｅ２と同じようなスティックスリップ現象が発生し、分解能が大きくなる。
【００７６】
よって、ＰＳＤパッキンを使用する真空弁は、変形領域Ｅ１における分解能が小さいので、弁閉に近い微小な弁開度を操作圧力により細かく制御できる。
【００７７】
＜真空圧力制御試験について＞
発明者らは、本実施形態の真空圧力制御システムの実施例と比較例に関する真空圧力制御試験を行った。試験装置は、上流側から順にレギュレータ、マスフローコントローラ、開閉弁、タンク、電空レギュレータ付き真空弁、真空ポンプを直列に接続した。そして、タンクの圧力を測定する圧力センサと真空弁の電空レギュレータにコントローラを接続した。
【００７８】
実施例は、阪上製作所株式会社が製造・製売するＰＳＤパッキンをピストンに装着した真空弁を使用する。真空弁のオリフィス径は直径２５ｍｍとする。一方、比較例は、断面円形状のＯリングパッキンをピストンに到着した真空弁を使用する。比較例の真空弁は、Ｏリングパッキン以外は実施例の真空弁と同様に構成されている。
【００７９】
試験では、ＰＩＤ制御によりタンクの圧力を２５Ｐａから８５Ｐａに昇圧制御した。ＰＩＤ制御のパラメータは、ステップ応答法により、オーバーシュートを極力無くした最適波形になるよう調整した。具体的には、実施例は、比例制御パラメータを１．６、微分制御パラメータを０．０７、積分制御パラメータを０．０２とした。一方、比較例は、比例制御パラメータを０．４、微分制御パラメータを０．０７、積分制御パラメータを０．０とした。
【００８０】
真空圧力制御試験の結果を、図１６及び図１７に示す。図１６は、図７に示す真空圧力制御システムの実施例に関する真空圧力制御試験の結果を示すグラフである。図１７は、図７に示す真空圧力制御システムの比較例に関する真空圧力制御試験の結果を示すグラフである。図１６及び図１７は、左側縦軸にはタンクの圧力（Ｐａ）を示し、右側縦軸には指令電圧（Ｖ）を示し、横軸には時間（ｓｅｃ）を示す。そして、図１６及び図１７は、図中実線がタンク圧力の変動を示す圧力波形を示し、図中点線が指令電圧の変動を示す指令波形を示す。
【００８１】
図１６のＦ１に示すように、実施例では、タンクの圧力が、オーバーシュートを発生することなく、２５Ｐａから８５Ｐａに到達した。そして、コントローラが電空レギュレータに弁開を指示する指令電圧を出力してからタンクの圧力が８５Ｐａに安定するまでの応答時間Ｆ２は、約３．５秒であった。
【００８２】
図１７のＧ１に示すように、比較例では、タンクの圧力が８５Ｐａに到達する付近で、オーバーシュートが発生した。そして、図中Ｇ３に示すように、指令波形には、オーバーシュートを収束させるために、発振（ハンチング）が発生した。コントローラが電空レギュレータに弁開を指示する指令電圧を出力してからタンクの圧力が８５Ｐａに安定するまでの応答時間Ｇ２は、約６秒であった。
【００８３】
よって、実施例は、比較例と比べ、オーバーシュートが発生せず、応答時間Ｆ２が比較例の応答時間Ｇ２の６０％に短縮できた。
【００８４】
オーバーシュートを改善できた理由は、分解能の違いにあると考えられる。すなわち、比較例の真空弁は、Ｏリングパッキンをシリンダに摺接させながら弁開度を微小制御するため、分解能が大きい。よって、比較例は、指令電圧に応じて弁開度を精密に調整できず、真空圧力設定値（８５Ｐａ）付近でオーバーシュートが発生する。これに対して、実施例の真空弁は、パッキンの変形領域で摺動抵抗が発生しないので、分解能が小さい。よって、実施例は、指令電圧に応じて弁開度を精密に調整でき、オーバーシュートが発生しない。
【００８５】
また、応答時間を短縮できた理由は、指令波形の違いにあると考えられる。すなわち、比較例は、図１７のＧ１に示すオーバーシュートをなくそうと、コントローラが応答性を上げるように指令電圧を調整しても、真空弁がその指令電圧に追従して弁開度を変化させることができないため、図中Ｇ３に示すように指令波形に発振（ハンチング）が発生し、応答時間が長くなる。これに対して、実施例は、指令電圧に追従して真空弁の弁開度を細やかに調整でき、オーバーシュートが発生しないので（図１６のＦ１参照）、指令波形にハンチングが発生せず、応答時間が短くなる。
【００８６】
（第２実施形態）
続いて、本発明の真空弁及び真空圧力制御システムの第２実施形態について説明する。図１８は、本発明の第２実施形態に係る真空弁２Ａのパッキン２７Ａ付近の拡大断面図である。図１３では、図面を見やすくするために、隙間Ｓ３やパッキン２７Ａの変形を誇張して記載している。真空弁２Ａは、主に、パッキン２７Ａの形状が第１実施形態の真空弁２と相違する。そこで、ここでは、パッキン２７Ａを中心に説明し、第１実施形態と共通する構成には、図面と説明に第１実施形態と同じ符号を使用し、説明を適宜省略する。
【００８７】
パッキン２７Ａは、摺接部２７２Ａの第１肉厚Ｗ１１と接触部２７１Ａの第２肉厚Ｗ３１が同じ寸法にされている。第１肉厚Ｗ１１と第２肉厚Ｗ３１は、凹溝２６の溝幅Ｗ２より小さくされ、パッキン２７Ａが凹溝２６に装着された場合に軸線方向（上下方向、又は、弁座方向と反弁座方向）に動く設計になっている。本実施形態では、第１肉厚Ｗ１１と第２肉厚Ｗ３１は、溝幅Ｗ２より０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度小さくされている。真空弁２Ａは、単動式シリンダ構造で使用される。そのため、パッキン２７Ａは、図１８に実線で記載するように、凹溝２６の上内側面２６ａに押し付けられる。これにより、パッキン２７Ａは、凹溝２６の軸線方向の中心位置より反弁座側（図中上側）にオフセットされ、凹溝２６の下内側面２６ｂとの間に隙間Ｓ３を形成する。この隙間Ｓ３の幅Ｗ４１は、ピストン２５が弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせる位置から弾性シール部材１８を弁座１４から離間させる位置までの距離より大きい。本実施形態では、ピストン２５が弾性シール部材１８を弁座１４にシールさせる位置から弾性シール部材１８を弁座１４から離間させる位置までの距離が５μｍ程度であるのに対し、隙間Ｓ３の幅Ｗ４１は０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度にされている。
【００８８】
また、真空弁２Ａは、第１実施形態のように圧縮バネ３３をベローズ１９内に配置せず、シリンダ２０内に圧縮バネ４１を配置している。圧縮バネ４１は、ピストン２５の反弁座側に縮設され、ピストン２５を弁座方向に常時付勢する。そのため、真空弁２Ａは、ピストン２５が圧縮バネ４１のバネ力と操作室２３ａの内圧とのバランスに応じてシリンダ２０内を摺動することにより、弁開度を調整される。
【００８９】
このような真空弁２Ａは、例えば、真空容器８のガスを微小流量で排気させ始める場合、操作室２３ａに操作流体が供給される。操作室２３ａの内圧が圧縮バネ４１のバネ力より大きくなると、ピストン２５が反弁座方向（図中上方向）に加圧される。パッキン２７Ａは、操作室２３ａから隙間Ｓ３に流入した操作流体により上内側面２６ａに押し付けられ、ピストン２５と一体的に反弁座方向（図中上方向）に移動しようとする。しかし、パッキン２７Ａは、摺接部２７２Ａの先端部２７２ａとシリンダ２０の内周面２４との間に静止摩擦力が発生する。パッキン２７Ａは、下内側面２６ｂとの間に隙間Ｓ３が形成され、摺接部２７２Ａが薄肉部２７３を介して接触部２７１Ａに対して撓み変形できる（図１８の第３変形姿勢Ｄ３参照）。そのため、ピストン２５は、反弁座方向に加圧されると直ぐに摺接部２７２Ａを接触部２７１Ａに対して撓み変形させながら反弁座方向（図中上方向）に動き始める（上昇し始める）。このような真空弁２Ａは、ピストン２５がパッキン２７Ａを変形させながら移動（上昇）する変形領域では、摺接部２７２Ａとシリンダ２０との間に発生する摺動抵抗がゼロであるので、第１実施形態と同様に弾性シール部材１８の潰し量を操作圧力だけで精密に制御できる。よって、第２実施形態の真空弁２Ａも、第１実施形態と同様に制御性を向上させることができる。また、真空弁２Ａは、パッキン２７Ａを凹溝２６に装着するだけの構造なので、第１実施形態と同様に小型且つ安価である。
【００９０】
真空弁２Ａは、真空容器８のガスを微小流量から大流量に切り換えて排気する場合、操作室２３ａの操作圧力が上昇する。ピストン２５は、第３変形姿勢Ｄ３の摺接部２７２Ａをシリンダ２０に摺接させながら、弾性シール部材１８を弁座１４から離間させるように弁体１５を反弁座方向に引き上げる。ピストン２５は、摺動抵抗がゼロの状態で動き始めた後、摺動抵抗を発生しながら上昇するので、摺動抵抗が弁開度の調整に与える影響が小さい。
【００９１】
真空容器８の真空圧力が真空圧力設定値になると、真空弁２Ａは、操作室２３ａの操作流体が排気され、弁閉する。この場合、パッキン２７Ａは、摺接部２７２Ａとシリンダ２０との間に生じる静止摩擦力により、ピストン２５の弁座方向への移動（下降）に従って摺接部２７２Ａが図１８の実線に示すように変形し、接触部２７１Ａと摺接部２７２Ａが上内側面２６ａに押し付けられた状態に戻る。よって、真空弁２Ａは、弁閉状態のときには、常に、パッキン２７Ａが上内側面２６ａに押し付けられた状態になり、弁開動作開始時の弁開度を安定して制御できる。
【００９２】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
【００９３】
例えば、接触部２７１は、断面Ｔ字形状に形成され、凹溝２６の底面２６ｃと上下内側面２６ａ，２６ｂに接するようにしても良い。また、接触部２７１と摺接部２７２を断面円形状に形成し、パッキン２７の断面形状をだるま形状にしても良い。この場合、摺接部２７２の軸線方向の最大肉厚を凹溝２６の軸線方向の溝幅Ｗ３より小さくし、摺接部２７２が接触部２７１に対して変形しやすくすると良い。
【００９４】
コントローラ４は、各種パラメータの設定又は変更や真空弁２の弁開度調整をパソコン７から手動で行っても良い。
【００９５】
コントローラ４は、電空レギュレータ３や上位装置６等と無線通信するようにしても良い。
【００９６】
真空弁２は、複動式のバルブでも良い。
【符号の説明】
【００９７】
１  真空圧力制御システム
２，２Ａ  真空弁
３  電空レギュレータ
３ｄ  供給用電磁弁
３ｅ  排気用電磁弁
４  コントローラ（第１入力手段、第２入力手段、制御設定手段）
８  真空容器
９  真空ポンプ
１０  ボディ
１４  弁座
１５  弁体
１８  弾性シール部材
２０  シリンダ
２５  ピストン
２６  凹溝
２７，２７Ａ  パッキン
３０  ロッド
２７１，２７１Ａ  接触部
２７１ａ  内周部
２７１ｂ  切欠溝
２７２，２７２Ａ  摺接部
Ｗ１１  第１肉厚
Ｗ３１  第２肉厚
Ｗ２    溝幅
Ｓ３    隙間
【図１】
0006630236.tif 000002
【図２】
0006630236.tif 000003
【図３】
0006630236.tif 000004
【図４】
0006630236.tif 000005
【図５】
0006630236.tif 000006
【図６】
0006630236.tif 000007
【図７】
0006630236.tif 000008
【図８】
0006630236.tif 000009
【図９】
0006630236.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0006630236.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0006630236.tif 000016
【図１６】
0006630236.tif 000017
【図１７】
0006630236.tif 000018
【図１８】
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