(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができ、幅広い流量範囲で微細に流量を制御することができる流体制御装置を提供することにある。【解決手段】  本発明に係る流体制御装置は、制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁４と、流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器３と、該流量計測器３からの前記電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁４の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁４または該流体制御弁を操作する機器５６へ出力する制御部６と、を具備することを特徴としている。【選択図】      図１
2007058337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁（４）と、
流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器（３）と、
該流量計測器（３）からの前記電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁（４）の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁（４）または該流体制御弁を操作する機器（５６）へ出力する制御部（６）と、
を具備することを特徴とする流体制御装置。
【請求項２】
前記流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁（６１）をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の流体制御装置。
【請求項３】
開口面積が調節可能な絞り弁（８５）をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体制御装置。
【請求項４】
前記弁（４、６１、８５）および前記流量計測器（３）が、独立した接続手段を用いずに直接接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【請求項５】
前記弁（４、６１、８５）および前記流量計測器（３）が、一つのベースブロック（１４７）に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【請求項６】
前記流体制御弁（４）が、
下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙（２０）と第二の空隙（２０）に連通する入口流路（２２）と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙（２０）の径よりも大きい径を持つ第一の空隙（２１）と第一の空隙（２１）に連通する出口流路（２３）と第一の空隙（２１）と第二の空隙（２０）とを連通し第一の空隙（２１）の径よりも小さい径を有する連通孔（２４）とを有し、
第二の空隙（２０）の上面が弁座（２５）とされた本体（１２）と、
側面あるいは上面に設けられた給気孔（２８）と排出孔（２９）とに連通した円筒状の空隙（２６）を内部に有し、下端内周面に段差部（２７）が設けられたボンネット（１３）と、
ボンネット（１３）の段差部（２７）に嵌挿され中央部に貫通孔（３０）を有するバネ受け（１４）と、下端部にバネ受け（１４）の貫通孔（３０）より小径の第一接合部（３５）を有し上部に鍔部（３３）が設けられボンネット（１３）の空隙（２６）内部に上下動可能に嵌挿されたピストン（１５）と、
ピストン（１５）の鍔部（３３）下端面とバネ受け（１４）の上端面で挟持支承されているバネ（１６）と、
周縁部が本体（１２）とバネ受け（１４）との間で挟持固定され、本体（１２）の第一の空隙（２１）に蓋する形で第一の弁室（４２）を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム（３８）と、上面中央にピストン（１５）の第一接合部（３５）にバネ受け（１４）の貫通孔（３０）を貫通して接合固定される第二接合部（４０）と、下面中央に本体（１２）の連通孔（２４）と貫通して設けられた第三接合部（４１）とを有する第一弁機構体（１７）と、
本体の第二の空隙（２０）内部に位置し本体の連通孔（２４）より大径に設けられた弁体（４３）と、弁体（４３）上端面に突出して設けられ第一弁機構体（１７）の第三接合部（４１）と接合固定される第四接合部（４５）と、弁体（４３）下端面より突出して設けられたロッド（４６）と、ロッド（４６）下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム（４８）とを有する第二弁機構体（１８）と、
本体（１２）の下方に位置し第二弁機構体（１８）の第二ダイヤフラム（４８）周縁部を本体（１２）との間で挟持固定する突出部（５０）を上部中央に有し、突出部（５０）の上端部に切欠凹部（５１）が設けられると共に切欠凹部（５１）に連通する呼吸孔（５２）が設けられているベースプレート（１９）と、を具備し、
ピストン（１５）の上下動に伴って第二弁機構体（１８）の弁体（４３）と本体（１２）の弁座（２５）とによって形成される流体制御部（５３）の開口面積が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【請求項７】
前記流体制御弁（１６９）が、
流体の入口流路（１９４）、出口流路（２０１）及び、入口流路（１９４）と出口流路（２０１）が連通するチャンバ（１７６）から形成された本体部（１７０）と、弁体（２１４）と第一ダイヤフラム部（１８６）を有する弁部材（１８５）と、弁部材（１８５）の下部及び上部に位置し第一ダイヤフラム部（１８６）より有効受圧面積が小さい第二ダイヤフラム（１８７）部及び第三ダイヤフラム部（１８８）を有し、弁部材（１８５）及び各ダイヤフラム部（１８６、１８７、１８８）が各ダイヤフラム部（１８６、１８７、１８８）の外周部が本体部（１７０）に固定されることによりチャンバ（１７６）内に取りつけられ、かつ各ダイヤフラム部（１８６、１８７、１８８）によってチャンバ（１７６）を第一加圧室（１７７）、第二弁室（１７８）、第一弁室（１７９）、及び第二加圧室（１８０）に区分し、第一加圧室（１７７）は第二ダイヤフラム部（１８７）に対して常時内向きの一定の力を加える手段を有し、第一弁室（１７９）は入口流路（１９４）と連通しており、第二弁室（１７８）は、弁部材（１８５）の弁体（２１４）に対応する弁座（１９９）を有し、また弁座（１９９）に対して第一ダイヤフラム部（１８６）側に位置し第一ダイヤフラム部（１８６）に設けられた連通孔（２１１）にて第一弁室（１７９）と連通している下部第二弁室（１８１）と、第二ダイヤフラム部（１８７）側に位置し出口流路（２０１）と連通して設けられた上部第二弁室（１８２）とに分かれて形成され、弁部材（１８５）の上下動により弁体（２１４）と弁座（１９９）との間の開口面積が変化して下部第二弁室（１８１）の流体圧力が制御される流体制御部（２１７）を有し、第二加圧室（１８０）は、第三ダイヤフラム部（１８９）に対して常時内向きの一定の力を加える手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【請求項８】
前記絞り弁（８５）が、
上部に設けられた弁室（９０）の底面に弁座面（８９）が形成され、弁座面（８９）の中心に設けられた連通口（９１）に連通する入口流路（９２）と弁室（９０）に連通する出口流路（９３）を有する本体（８８）と、
ステムの軸方向の進退移動により連通口（９１）に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体（９８）と弁座面（８９）に接離可能にされ第一弁体（９８）から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体（９９）と第二弁体（９９）から径方向へ連続して形成された薄膜部（１００）とが一体的に設けられた隔膜（９７）と、
上部にハンドル（１１９）が固着され下部内周面に雌ネジ部（１１５）と外周面に雌ネジ部（１１５）のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部（１１６）を有する第一ステム（１１４）と、
内周面に第一ステム（１１４）の雄ネジ部（１１６）と螺合する雌ネジ部（１２２）を有する第一ステム支持体（１２１）と、
上部外周面に第一ステム（１１４）の雌ネジ部（１１５）に螺合される雄ネジ部（１０７）を有し下端部に隔膜（９７）が接続される第二ステム（１０６）と、
第一ステム支持体（１２１）の下方に位置し第二ステム（１０６）を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ（１０８）と、第一ステム（１１４）と隔膜押さえ（１０８）を固定するボンネット（１２５）とを具備することを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【請求項９】
前記流量計測器（３）が、超音波流量計または超音波式渦流量計であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の流体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の制御が必要とされる流体輸送配管に使用される流体制御装置に関するものである。さらに詳しくは、主として半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができ、幅広い流量範囲で微細に流量を制御することができる流体制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工程の一工程として、フッ酸等の薬液を純水で希釈した洗浄水を用いてウェハ表面をエッチングする湿式エッチングが用いられている。これら湿式エッチングの洗浄水の濃度は高い精度をもって管理する必要があるとされている。近年では、洗浄水の濃度を、純水と薬液の流量比で管理する方法が主流となってきており、そのために、純水や薬液の流量を高い精度をもって管理する流体制御装置が適用されている。
【０００３】
流体制御装置として種々提案されているが、図１８に示されるような純水温度を可変とした場合の流量制御を行う純水流量の制御装置３０１があった（例えば、特許文献１参照）。その構成は、純水流量を調整するために操作圧の作用を受けて開度調節される流量調整弁３０２と、流量調整弁３０２に供給される操作圧を調整するための操作圧調整弁３０３と、流量調整弁３０２から出力される純水流量を計測するための流量計測器３０４と、流量計測器３０４を通った純水の流れを許容又は遮断するための開閉弁３０５とを備え、操作圧調整弁３０３により調整される操作圧と、流量調整弁３０２における純水の出力圧力とを均衡させることにより、流量調整弁３０２から出力される純水流量を一定に制御するようにした制御装置３０１であって、流量計測器３０４による計測値が一定となるように、その計測値に基づいて操作圧調整弁３０３から流量調整弁３０２に供給される操作圧をフィードバック制御するための制御回路を設けたことを特徴とするものであった。その効果は、純水の温度変化に伴って流量調整弁３０２における出力圧力が変化したとしても、その変化分に対応して操作圧がリアルタイムに調整されることで、流量調整弁３０２から出力される純水流量が調整されるため、純水流量を高精度に一定値に保つことができるものであった。
【０００４】
また、部品が一つのケーシング内に設けられた電気駆動による流体制御装置として、図１９に示されるような流体を移送する流体回路にインライン接続される流体制御モジュール３０６があった（例えば、特許文献２参照）。その構成は、化学的に不活性な流路を有するハウジング３０７と、流路に接続された調節可能な制御弁３０８と、流路に接続された圧力センサ３０９と、流路内に位置する絞り部３１０とを備え、制御弁３０８と圧力センサ３０９がハウジング３０７内に収容され、さらに制御弁３０８の駆動を電気的に行なう電動モータを具備するドライバ３１１と、制御弁３０８及び圧力センサ３０９に電気的に接続されるコントローラ３１２がハウジング３０７内に収容されているものであった。その効果は、流体回路内で測定された圧力差と絞り部３１０の直径とから流路内の流量を測定し、測定した流量に基いて制御弁３０８をフィードバック制御で駆動することで、流路内の流量を高精度に決定することができるものであった。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６１３４２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の純水流量の制御装置３０１は、流量調整弁３０２における純水の出力圧力とを均衡させることにより、流量調整弁３０２から出力される純水流量を一定に制御するようにしたものであるため、微細に流量を制御させるには不向きであり、流量範囲も広くないため、幅広い流量範囲で流量を制御する用途には使いにくいという問題があった。また、構成要素が多く分かれているため、半導体製造装置内などに設置する際に、各構成要素の配管接続作業、電気配線やエア配管作業をそれぞれ行なわなくてはならず、作業が複雑で時間を要するとともに、配管や配線が煩わしくミスが起こる恐れがあるという問題があった。
【０００７】
また、前記従来の流量制御モジュール３０６は、流体制御装置に流入する流体が圧力変動周期の短い脈動した流れであった場合、制御弁３０８は脈動した流体に対して流量を制御しようと作動するが、ハンチングを起こし流量制御ができなくなる問題があり、このまま続けるとドライバ３１１や制御弁３０８が破損してしまうという問題があった。また、流量を制御する流量範囲があまり広くないため、幅広い流量範囲で流量を制御する用途には使いにくいという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、半導体製造装置内などへの設置、配管及び配線接続が容易であり、脈動した流体が流れても問題なく流量制御することができ、幅広い流量範囲で微細に流量を制御することができる流体制御装置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】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の流体制御装置の構成を図１乃至１７に基づいて説明する。本発明の流体制御装置１は、制御用流体の圧力操作により流体の圧力を制御する流体制御弁４と、流体の流量を計測し該流量の計測値を電気信号に変換し出力する流量計測器３と、流量計測器３からの電気信号と設定流量との偏差に基づいて、前記流体制御弁４の開口面積を制御するための指令信号を、前記流体制御弁４または該流体制御弁を操作する機器５６へ出力する制御部６とを具備することを第一の特徴とする。
なお、制御用流体とは、例えば空気、作動油等を言う。
【００１０】
また、流体の流れを開放又は遮断するための開閉弁６１をさらに具備することを第二の特徴とする。
【００１１】
また、開口面積が調節可能な絞り弁８５をさらに具備することを第三の特徴とする。
【００１２】
また、前記弁４、６１、８５および前記流量計測器３が、独立した接続手段を用いずに直接接続されていることを第四の特徴とする。独立した接続手段とは、別体のチューブや接続管等のことを言う。
【００１３】
また、前記弁４、６１、８５および前記流量計測器３が、一つのベースブロック１４７に配設されていることを第五の特徴とする。
【００１４】
また、前記流体制御弁４が、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙２０と第二の空隙２０に連通する入口流路２２と上部に上面が開放して設けられ第二の空隙２０の径よりも大きい径を持つ第一の空隙２１と第一の空隙２１に連通する出口流路２３と第一の空隙２１と第二の空隙２０とを連通し第一の空隙２１の径よりも小さい径を有する連通孔２４とを有し、第二の空隙２０の上面が弁座２５とされた本体１２と、側面あるいは上面に設けられた給気孔２８と排出孔２９とに連通した円筒状の空隙２６を内部に有し、下端内周面に段差部２７が設けられたボンネット１３と、ボンネット１３の段差部２７に嵌挿され中央部に貫通孔３０を有するバネ受け１４と、下端部にバネ受け１４の貫通孔３０より小径の第一接合部３５を有し上部に鍔部３３が設けられボンネット１３の空隙２６内部に上下動可能に嵌挿されたピストン１５と、ピストン１５の鍔部３３下端面とバネ受け１４の上端面で挟持支承されているバネ１６と、周縁部が本体１２とバネ受け１４との間で挟持固定され、本体１２の第一の空隙２１に蓋する形で第一の弁室４２を形成する中央部が肉厚とされた第一ダイヤフラム３８と、上面中央にピストン１５の第一接合部３５にバネ受け１４の貫通孔３０を貫通して接合固定される第二接合部４０と、下面中央に本体１２の連通孔２４と貫通して設けられた第三接合部４１とを有する第一弁機構体１７と、本体の第二の空隙２０内部に位置し本体の連通孔２４より大径に設けられた弁体４３と、弁体４３上端面に突出して設けられ第一弁機構体１７の第三接合部４１と接合固定される第四接合部４５と、弁体４３下端面より突出して設けられたロッド４６と、ロッド４６下端面より径方向に延出して設けられた第二ダイヤフラム４８とを有する第二弁機構体１８と、本体１２の下方に位置し第二弁機構体１８の第二ダイヤフラム４８周縁部を本体１２との間で挟持固定する突出部５０を上部中央に有し、突出部５０の上端部に切欠凹部５１が設けられると共に切欠凹部５１に連通する呼吸孔５２が設けられているベースプレート１９とを具備し、ピストン１５の上下動に伴って第二弁機構体１８の弁体４３と本体１２の弁座２５とによって形成される流体制御部５３の開口面積が変化するように構成されていることを第六の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００４−３８５７１に開示されているものである。
【００１５】
また、前記流体制御弁１６９が、流体の入口流路１９４、出口流路２０１及び、入口流路１９４と出口流路２０１が連通するチャンバ１７６から形成された本体部１７０と、弁体２１４と第一ダイヤフラム部１８６を有する弁部材１８５と、弁部材１８５の下部及び上部に位置し第一ダイヤフラム部１８６より有効受圧面積が小さい第二ダイヤフラム１８７部及び第三ダイヤフラム部１８８を有し、弁部材１８５及び各ダイヤフラム部１８６、１８７、１８８が各ダイヤフラム部１８６、１８７、１８８の外周部が本体部１７０に固定されることによりチャンバ１７６内に取りつけられ、かつ各ダイヤフラム部１８６、１８７、１８８によってチャンバ１７６を第一加圧室１７７、第二弁室１７８、第一弁室１７９、及び第二加圧室１８０に区分し、第一加圧室１７７は第二ダイヤフラム部１８７に対して常時内向きの一定の力を加える手段を有し、第一弁室１７９は入口流路１９４と連通しており、第二弁室１７８は、弁部材１８５の弁体２１４に対応する弁座１９９を有し、また弁座１９９に対して第一ダイヤフラム部１８６側に位置し第一ダイヤフラム部１８６に設けられた連通孔２１１にて第一弁室１７９と連通している下部第二弁室１８１と、第二ダイヤフラム部１８７側に位置し出口流路２０１と連通して設けられた上部第二弁室１８２とに分かれて形成され、弁部材１８５の上下動により弁体２１４と弁座１９９との間の開口面積が変化して下部第二弁室１８１の流体圧力が制御される流体制御部２１７を有し、第二加圧室１８０は、第三ダイヤフラム部１８９に対して常時内向きの一定の力を加える手段を有することを第七の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００４−１７６８１２に開示されているものである。
【００１６】
また、前記絞り弁８５が、上部に設けられた弁室９０の底面に弁座面８９が形成され、弁座面８９の中心に設けられた連通口９１に連通する入口流路９２と弁室９０に連通する出口流路９３を有する本体８８と、ステムの軸方向の進退移動により連通口９１に挿入可能で接液面の中心から垂下突設された第一弁体９８と弁座面８９に接離可能にされ第一弁体９８から径方向へ隔離した位置に形成された円環状凸条の第二弁体９９と第二弁体９９から径方向へ連続して形成された薄膜部１００とが一体的に設けられた隔膜９７と、上部にハンドル１１９が固着され下部内周面に雌ネジ部１１５と外周面に雌ネジ部１１５のピッチより大きいピッチを有する雄ネジ部１１６を有する第一ステム１１４と、内周面に第一ステム１１４の雄ネジ部１１６と螺合する雌ネジ部１２２を有する第一ステム支持体１２１と、上部外周面に第一ステム１１４の雌ネジ部１１５に螺合される雄ネジ部１０７を有し下端部に隔膜９７が接続される第二ステム１０６と、第一ステム支持体１２１の下方に位置し第二ステム１０６を上下移動自在かつ回動不能に支承する隔膜押さえ１０８と、第一ステム１１４と隔膜押さえ１０８を固定するボンネット１２５とを具備することを第八の特徴とする。
なお、本制御弁の基本的構成は、特開２００５−１５５８７８に開示されているものである。
【００１７】
さらに、前記流量計測器３が、超音波流量計または超音波式渦流量計であることを第九の特徴とする。
【００１８】
本発明において流体制御弁４は、制御用流体の圧力操作により流体の圧力制御ができるものであれば特に限定されるものではないが、図２に示すような流体の圧力制御を行なう本発明の流体制御弁４や、図１３に示すような流体の流量制御を行なう本発明の流体制御弁１６９の構成を有しているものが好ましい。これは安定した流体制御を行なうことができ、脈動した流体が流れたとしても流体制御弁４、１６９によって圧力または流量を一定圧に安定させることができ、流体制御弁４、１６９のみで流路の遮断を行うことができ、コンパクトな構成であり流体制御装置１を小さく設けることができるため好適である。
【００１９】
本発明において流量計測器３は、計測した流量を電気信号に変換して制御部６に出力されるものなら特に限定されないが、超音波流量計、超音波式渦流量計であることが好ましい。特に図１や図１５に示すような超音波流量計の場合、微小流量に対して精度良く流量測定ができるため、微小流量の流体制御に好適である。また図１６に示すような超音波式渦流量計の場合、大流量に対して精度良く流量測定ができるため、大流量の流体制御に好適である。このように、流体の流量に応じて超音波流量計と超音波式渦流量計を使い分けることで精度の良い流体制御を行うことができる。
【００２０】
また、本発明は図３に示すように、流体制御装置５９に開閉弁６１を設けても良い。これは、開閉弁６１を設けることにより、開閉弁６１を遮断することで流体制御装置５９のメンテナンス、修理、部品交換（以下、メンテナンス等と記す）を容易に行なうことができるため好適である。また、流体制御装置５９に開閉弁６１を備えておけば、流路を遮断してメンテナンス等のために流体制御装置５９を分解したときに、流路内に残った流体が分解した部分から漏れ出ることを最小限に抑えることができる、さらに流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁６１で流体の緊急遮断を行なうことができるので好適である。
【００２１】
また、開閉弁６１は流体の流れを開放又は遮断する機能を有していれば、その構成は特に限定されるものでなく、手動によるものでも良く、エア駆動、電気駆動、磁気駆動などの自動によるものであっても良い。自動の場合、制御回路を設けて流体制御装置５９の流体制御弁６３や流量計測器６２とリンクさせ、流体制御弁６３の状態や流量に応じて開閉弁６１を駆動させるようにしても良く、流体制御装置５９から独立して駆動させても良い。流体制御装置５９とリンクさせて駆動させる場合、流体制御装置５９内で一括制御を行なうことができるので好適である。流体制御装置５９から独立して駆動させる場合、流体制御装置５９にトラブルが発生した際に、開閉弁６１で流路を緊急遮断させる場合に流体制御装置５９のトラブルに影響せずに駆動を行うことができるため好適である。
【００２２】
また、開閉弁６１の設置位置は、メンテナンス等を行うためには他の弁６３および流量計測器６２より上流側に設置することが望ましい。さらに複数の開閉弁６１を他の弁６３および流量計測器６２より上流側と下流側の両方に設けた構成にしても良い。このとき、両方の開閉弁６１を閉止することで、流体制御装置５９の上流側と下流側の流れを止めることで流体の逆流などが防止され、メンテナンス等を行うときに流体の漏れが確実に防止されるために好適である。
【００２３】
また、本発明は図５に示すように、流体制御装置８１に絞り弁８５を設けても良い。これは、特に圧力制御を行なう流体制御弁８４において、絞り弁８５を設けることにより、流体制御弁８４で一定圧に制御された後に絞り弁８５で一定流量に調節されて流出され、さらに絞り弁８５の開度を変化させることにより流量を変化させて幅広い流量範囲で流量を制御することができるため好適である。絞り弁８５は、流路開度を可変調節すると共に流路を絞って流量を安定させる構成であれば特に限定されるものではないが、図６に示すような本発明の絞り弁８５の構成を有しているものが好ましい。これは幅広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、絞り弁８５の微小な開度を容易に且つ精密に調節できるので開度の微調節を短時間で行なうことができると共に、高さ方向の場所をとらずにコンパクトな構造であり流体制御装置８１を小さく設けることができるため好適である。
【００２４】
また、図６において絞り弁８５の第一ステム１１４の外周面に設けられた雄ネジ部１１６と下部内周面に設けられた雌ネジ部１１５のピッチ差は、雄ネジ部１１６のピッチの６分の１になるように形成されているが、ピッチ差は雄ネジピッチの２０分の１から５分の１の範囲に設けるのが望ましい。弁体は全閉から全開までに一定範囲のリフト量を得るので、ハンドル１１９のストロークが大きくなり過ぎて弁高が大きくならないようするためにピッチ差を雄ネジピッチの２０分の１より大きくすると良く、弁を細かいオーダーで精度の良い調節を行うためにピッチ差を雄ネジピッチの５分の１より小さくすると良い。
【００２５】
また、図７において第一弁体９８の直線部１０４の外径Ｄ１は、連通口９１の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定されているが、直線部１０４の外径Ｄ１は連通口９１の内径Ｄに対して０．９５Ｄ≦Ｄ１≦０．９９５Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体９８と連通口９１とを摺接させないためにＤ１≦０．９９５Ｄが良く、流量調節をスムースに行うために０．９５Ｄ≦Ｄ１が良い。
【００２６】
また、第一弁体９８のテーパ部１０５のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定されているが、１２°〜２８°の範囲内であることが望ましい。弁を大きくさせずに広い流量範囲を調節するために１２°以上が良く、開度に対して流量を急激に変化させないために２８°以下が良い。また、第二弁体９９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口９１の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されているが、第二弁体９９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口９１の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ２≦２Ｄの範囲内であることが望ましい。第一弁体９８と第二弁体９９の間には環状溝部１０２を確実に設け環状溝部１０２に流体の流れを抑制させる空間部分を得るためには１．１Ｄ≦Ｄ２が良く、開度に対して第二弁体９９と弁座面８９とで形成される開口面積の増加率を抑えるためにＤ２≦２Ｄが良い。
【００２７】
本発明の流体制御装置１は、必要に応じて流入する流体の圧力変動を一定圧に調整して流出させる圧力調整弁を設けても良い。圧力調整弁は流体制御弁４、１６９と同じ構造のものを用いてもかまわない。
【００２８】
本発明の流体制御装置は、図１、図３、図５、図１０に示すように、隣り合う弁４、６１、８５および流量計測器３が、チューブや接続管等の独立した接続手段を用いずに直接接続されていることが好ましい。これは、各構成要素がチューブや接続管を用いずに直接接続されることにより、流体制御装置１をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体制御装置１内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができるため好適である。このとき、弁４、６１、８５および流量計測器３の本体は、同一のベースブロックを用いた構成でも良く、別個の部材を流路のシールおよび流路の方向転換を行なうための接続部材５７、５８を介在させて直接接続しても良い。この構成の場合、特に流量計測器３のメンテナンスが容易になるので好適である。
【００２９】
本発明の流体制御装置は、図１１に示すように、弁１４１、１４３、１４４および流量計測器１４２が、流路の形成された一つのベースブロック１４７に配設されていることが好ましい。これは、各構成要素が一つのベースブロック１４７に配設されることにより、流体制御装置１３９をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体制御装置１３９内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体制御装置１３９の組み立てを容易にすることができるため好適である。
【００３０】
本発明の流量計測器３、流体制御弁４、開閉弁６１、絞り弁８５の設置の順番は、どのような順番に設けても良く特に限定されないが、絞り弁８５が流体制御弁４及び流量計測器３の下流側に位置することが好ましい。
【００３１】
また、本発明の流体制御装置は、流体の流量を任意の値で一定に制御させる必要のある用途であれば、いずれに使用しても良いが、半導体製造装置内へ配置されることが好適である。半導体製造工程の前工程では、フォトレジスト工程、パターン露光工程、エッチング工程や平坦化工程などが挙げられ、これらの洗浄水の濃度を、純水と薬液の流量比で管理する際に本発明の流体制御装置を用いることが好適である。
【００３２】
また、本発明の流量計測器３、流体制御弁４、開閉弁６１、絞り弁８５の各部品の材質は、樹脂製であれば塩化ビニル、ポリプロピレン（以下、ＰＰと記す）、ポリエチレンなどいずれでも良いが、特に流体に腐食性流体を用いる場合はポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）、ポリビニリデンフルオロライド（以下、ＰＶＤＦと記す）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（以下、ＰＦＡと記す）などのフッ素樹脂であることが好ましく、フッ素樹脂製であれば腐食性流体に用いることができ、また腐食性ガスが透過しても弁４、６１、８５および流量計測器３の腐食の心配がなくなるため好適である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は以上のような構造をしており、以下の優れた効果が得られる。
（１）流体制御装置でフィードバック制御を行なうことにより、流体の流量を応答性良く設定流量になるように安定させることができる。
（２）流体制御装置の構成要素がチューブや接続管等の独立した接続手段を用いずに直接接続されているため、流体制御装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体制御装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができる。
（３）流体制御装置が流路の形成された一つのベースブロックに配設されていることにより、流体制御装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができ、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体制御装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体制御装置の組み立てを容易にすることができる。
（４）本発明の構成の流体制御弁を用いることにより、安定した流体制御を行なうことができ、脈動した流体が流れたとしても流体制御弁によって圧力または流量を一定圧に安定させることができ、流体制御弁のみで流路の遮断を行うことができ、コンパクトな構成であるため流体制御装置を小さく設けることができる。
（５）流体制御装置に開閉弁を設けることにより、開閉弁を閉状態にすることで流体制御装置のメンテナンス、修理、部品交換を、流体が漏れ出ることなく容易に行なうことができると共に、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁で流体の緊急遮断を行なうことができる。
（６）流体制御装置に絞り弁を設けることにより、流体制御弁で一定圧に制御された後に絞り弁で一定流量に調節されて流出され、さらに絞り弁の開度を変化させることにより幅広い流量範囲で流量を制御することができる。
（７）本発明の構成の絞り弁を用いることにより、広い流量範囲で流量調節を行なうことができ、さらに絞り弁の微小な開度を容易に且つ精密に調節できるので開度の微調節を短時間で行なうことができると共に、高さ方向の場所をとらずにコンパクトな構造であるため流体制御装置を小さく設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面に示す実施例を参照して説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の第一の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図２は図１の流体制御弁の拡大図である。図３は本発明の第二の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図４は図２の開閉弁の拡大図である。図５は本発明の第三の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図６は図５の絞り弁の拡大図である。図７は図６の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。図８は図６の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。図９は図６の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。図１０は本発明の第四の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１１は本発明の第五の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１２は本発明の第六の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１３は図１２の流体制御弁の拡大図である。図１４は図１３に他の表示を追加した図１３と同一の図である。図１５は本発明の第七の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１６は本発明の第八の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。図１７は図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【実施例１】
【００３５】
以下、図１、図２に基づいて本発明の第一の実施例である流体制御装置について説明する。
【００３６】
１は半導体製造のエッチング工程を行う半導体製造装置内に設置された流体制御装置である。流体制御装置１は、流体流入口２、流量計測器３、流体制御弁４、流体流出口５、制御部６から形成され、その各々の構成は以下の通りである。
【００３７】
２はＰＦＡ製の流体流入口である。流体流入口２は後記流量計測器３の入口流路７に連通している。
【００３８】
３は流体の流量を計測する流量計測器である。流量計測器３は、入口流路７と、入口流路７から垂設された直線流路８と、直線流路８から垂設され入口流路７と同一方向に平行して設けられた出口流路９とを有し、入口、出口流路７、９の側壁の直線流路８の軸線と交わる位置に、超音波振動子１０、１１が互いに対向して配置されている。出口流路９は後記流体制御弁４の入口流路２２に連通している。超音波振動子１０、１１はフッ素樹脂で覆われており、該振動子１０、１１から伸びた配線は後記制御部６の演算部５４に繋がっている。なお、流量計測器３の超音波振動子１０、１１以外はＰＦＡ製である。また、入口流路７と流体流入口２とは接続部材５７を介して流路の方向転換が行なわれて直接接続され、出口流路９と後記流体制御弁４の入口流路２２とは接続部材５８を介して流路の方向転換が行なわれて直接接続されて連通している。
【００３９】
４は操作圧に応じて流体圧力を制御する流体制御弁である。流体制御弁４は本体１２、ボンネット１３、バネ受け１４、ピストン１５、バネ１６、第一弁機構体１７、第二弁機構体１８、ベースプレート１９で形成される。
【００４０】
１２はＰＴＦＥ製の本体であり、下部中央に底部まで開放して設けられた第二の空隙２０と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙２０の径よりも大きい径を持つ第一の空隙２１を有し、側面には第二の空隙２０と連通している入口流路２２と、入口流路２２と対向する面に第一の空隙２１と連通している出口流路２３と、さらに、第一の空隙２１と第二の空隙２０とを連通し第一の空隙２１の径よりも小さい径を有する連通孔２４とが設けられている。第二の空隙２０の上面部は弁座２５とされている。また、出口流路２３は後記流体流出口５に連通している。
【００４１】
１３はＰＶＤＦ製のボンネットであり、内部に円筒状の空隙２６と下端内周面に空隙２６より拡径された段差部２７が設けられ、側面には空隙２６内部に圧縮空気を供給するために空隙２６と外部とを連通する給気孔２８および給気孔２８より導入された圧縮空気を微量に排出するための微孔の排出孔２９が設けられている。なお、排出孔２９は圧縮空気の供給において必要ない場合は設けなくてもかまわない。
【００４２】
１４はＰＶＤＦ製で平面円形状のバネ受けであり、中央部に貫通孔３０を有し、略上半分がボンネット１３の段差部２７に嵌挿されている。バネ受け１４の側面部には環状溝３１が設けられ、Ｏ−リング３２を装着することによりボンネット１３から外部への圧縮空気の流出を防いでいる。
【００４３】
１５はＰＶＤＦ製のピストンであり、上部に円盤状の鍔部３３と、鍔部３３の中央下部より円柱状に突出して設けられたピストン軸３４と、ピストン軸３４の下端に設けられた雌ネジ部からなる第一接合部３５を有する。ピストン軸３４はバネ受け１４の貫通孔３０より小径に設けられており、第一接合部３５は後記第一弁機構体１７の第二接合部４０と螺合により接合されている。
【００４４】
１６はＳＵＳ製のバネであり、ピストン１５の鍔部３３下端面とバネ受け１４の上端面とで挟持されている。ピストン１５の上下動にともなってバネ１６も伸縮するが、そのときの荷重の変化が少ないよう、自由長の長いものが好適に使用される。
【００４５】
１７はＰＴＦＥ製の第一弁機構体であり、外周縁部より上方に突出して設けられた筒状部３６を有した膜部３７と肉厚部を中央部に有する第一ダイヤフラム３８と、第一ダイヤフラム３８の中央上面より突出して設けられた軸部３９の上端部に設けられた小径の雄ネジからなる第二接合部４０、および同中央下面より突出して設けられ下端部に形成された雌ネジ部からなる後記第二弁機構体１８の第四接合部４５と螺合される第三接合部４１を有する。第一ダイヤフラム３８の筒状部３６は、本体１２とバネ受け１４との間で挟持固定されることで、第一ダイヤフラム３８下面より形成される第一の弁室４２が密封して形成されている。また、第一ダイヤフラム３８上面、ボンネット１３の空隙２６はＯ−リング３２を介して密封されており、ボンネット１３の給気孔２８より供給される圧縮空気が充満している気室を形成している。
【００４６】
１８はＰＴＦＥ製の第二弁機構体であり、本体１２の第二の空隙２０内部に配設され連通孔２４より大径に設けられた弁体４３と、弁体４３上端面から突出して設けられた軸部４４と、その上端に設けられた第三接合部４１と螺合により接合固定される雄ネジ部からなる第四接合部４５と、弁体４３下端面より突出して設けられたロッド４６と、ロッド４６下端面より径方向に延出して設けられ周縁部より下方に突出して設けられた筒状突部４７を有する第二ダイヤフラム４８とから構成されている。第二ダイヤフラム４８の筒状突部４７は後記ベースプレート１９の突出部５０と本体１２との間で挟持されることにより、本体１２の第二の空隙２０と第二ダイヤフラム４８とで形成される第二の弁室４９を密閉している。
【００４７】
１９はＰＶＤＦ製のベースプレートであり、上部中央に第二弁機構体１８の第二ダイヤフラム４８の筒状突部４７を本体１２との間で挟持固定する突出部５０を有し、突出部５０の上端部に切欠凹部５１が設けられると共に、側面に切欠凹部５１に連通する呼吸孔５２が設けられており、ボンネット１３との間で本体１２を通しボルト、ナット（図示せず）にて挟持固定している。なお、本実施例ではバネ１６がボンネット１３の空隙２６内に設けてピストン１５、第一弁機構体１７、第二弁機構体１８を上方へ付勢するような構成であるが、バネ１６をベースプレート１９の切欠凹部５１に設けてピストン１５、第一弁機構体１７、第二弁機構体１８を上方へ付勢するような構成にしても良い。
【００４８】
５はＰＦＡ製の流体流出口である。
【００４９】
６は制御部である。制御部６は前記流量計測器３から出力された信号から流量を演算する演算部５４と、フィードバック制御を行なうコントロール部５５を有している。演算部５４には、送信側の超音波振動子１０に一定周期の超音波振動を出力する発信回路と、受信側の超音波振動子１１からの超音波振動を受信する受信回路と、各超音波振動の伝播時間を比較する比較回路と、比較回路から出力された伝播時間差から流量を演算する演算回路とを備えている。コントロール部５５には、演算部５４から出力された流量に対して設定された流量になるように後記電空変換器５６の操作圧を制御する制御回路を有している。なお、本実施例では制御部６は別の場所で集中コントロールを行なうために流体制御装置１と別体で設けられた構成であるが、流体制御装置１と一体的に設けても良い。
【００５０】
５６は圧縮空気の操作圧を調整する電空変換器である。電空変換器５６は操作圧を比例的に調整するために電気的に駆動する電磁弁から構成され、前記制御部６からの制御信号に応じて流体制御弁４の操作圧を調整する。
【００５１】
次に、本発明の第一の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【００５２】
流体制御装置１の流体流入口２に流入した流体は、まず流量計測器３に流入し、直線流路８で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子１０から下流側に位置する超音波振動子１１に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１１で受信された超音波振動は電気信号に変換され、制御部６の演算部５４へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子１０から下流側の超音波振動子１１へ伝播して受信されると、瞬時に演算部５４内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子１１から上流側に位置する超音波振動子１０に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子１０で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部６内の演算部５４へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路８内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部５４内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部５４で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部５５に出力される。
【００５３】
次に流量計測器３を通過した流体は流体制御弁４に流入する。制御部６のコントロール部５５では、任意の設定流量に対して、リアルタイムに計測された流量との偏差から、偏差をゼロにするように信号を電空変換器５６に出力し、電空変換器５６はそれに応じた操作圧を流体制御弁４に供給し駆動させる。流体制御弁４から流出する流体の流量は、流体制御弁４で調圧された圧力と、流体制御弁４以降の圧力損失との関係で決定されており、調圧された圧力が高いほど流量は大きくなり、逆に圧力が低いほど流量は小さくなる。このため流体は、流量を設定流量で一定値となるように、つまり設定流量と計測された流量の偏差がゼロに収束されるように流体制御弁４で制御される。
【００５４】
ここで、電空変換器５６から供給される操作圧に対する流体制御弁４の作動について説明する（図２参照）。第二弁機構体１８の弁体４３は、ピストン１５の鍔部３３とバネ受け１４とに挟持されているバネ１６の反発力と、第一弁機構体１７の第一ダイヤフラム３８下面の流体圧力により上方に付勢する力が働き、第一ダイヤフラム３８上面の操作圧の圧力により下方に付勢する力が働いている。さらに厳密には、弁体４３下面と第二弁機構体１８の第二ダイヤフラム４８上面が流体圧力を受けているが、それらの受圧面積はほぼ同等とされているため力はほぼ相殺されている。したがって、第二弁機構体１８の弁体４３は、前述の３つの力が釣り合う位置にて静止していることとなる。
【００５５】
電空変換機５６から供給される操作圧力を増加させると第一ダイヤフラム３８を押し下げる力が増加することにより、第二弁機構体１８の弁体４３と弁座２５との間で形成される流体制御部５３の開口面積が増加するため、第一の弁室４２の圧力を増加させることができる。逆に、操作圧力を減少させると流体制御部５３の開口面積は減少し圧力も減少する。そのため、操作圧力を調整することで任意の圧力に設定することができる。
【００５６】
この状態で、上流側の流体圧力が増加した場合、瞬間的に第一の弁室４２内の圧力も増加する。すると、第一ダイヤフラム３８の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム３８の下面が流体から受ける力のほうが大きくなり、第一ダイヤフラム３８は上方へと移動する。それにともなって、弁体４３の位置も上方へ移動するため、弁座２５との間で形成される流体制御部５３の開口面積が減少し、第一の弁室４２内の圧力を減少させる。最終的に、弁体４３の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。このときバネ１６の荷重が大きく変わらなければ、空隙２６内部の圧力、つまり、第一ダイヤフラム３８上面が受ける力は一定であるため、第一ダイヤフラム３８下面が受ける圧力はほぼ一定となる。したがって、第一ダイヤフラム３８下面の流体圧力、すなわち、第一の弁室４２内の圧力は、上流側の圧力が増加する前とほぼもとの圧力と同じになっている。
【００５７】
上流側の流体圧力が減少した場合、瞬間的に第一の弁室４２内の圧力も減少する。すると、第一ダイヤフラム３８の上面が操作圧による圧縮空気から受ける力より、第一ダイヤフラム３８の下面が流体から受ける力のほうが小さくなり、第一ダイヤフラム３８は下方へと移動する。それにともなって、弁体４３の位置も下方へ移動するため、弁座２５との間で形成される流体制御部５３の開口面積が増加し、第一の弁室４２の流体圧力を増加させる。最終的に、弁体４３の位置が前記３つの力が釣り合う位置まで移動し静止する。したがって、上流側圧力が増加した場合と同様に、第一の弁室４２内の流体圧力はほぼもとの圧力と同じになっている。
【００５８】
以上の作動により、流体制御装置１に流入する流体は、流量計測器３、流体制御弁４、制御部６によって、フィードバック制御されて設定された流体圧力に制御される。一定の流体圧力になることにより流体流量も一定となり、流体は、流量が制御されて流体流出口５から流出する。流量計測器３である超音波流量計は、流体の流れ方向に対する伝播時間差から流量を計測するため微小流量でも正確に流量を計測でき、また、流体制御弁４は上記構成によりコンパクトで安定した流体圧力制御が得られるため、微小流量の流体制御に優れた効果を発揮する。また、流体制御装置１に流入する流体の上流側圧力が変動しても流体制御弁４の作動により流量は自立的に一定に保たれるためポンプの脈動など瞬間的な圧力変動が発生しても安定して流量を制御することができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、図３、図４に基づいて本発明の第二の実施例である流体制御装置について説明する。
【００６０】
５９は流体制御装置である。流体制御装置５９は、流体流入口６０、開閉弁６１、流量計測器６２、流体制御弁６３、流体流出口６４、制御部６５から形成され、その各々の構成は以下の通りである。
【００６１】
６１は開閉弁である。開閉弁６１は本体６６、駆動部６７、ピストン６８、ダイヤフラム押さえ６９、弁体７０で形成される。
【００６２】
６６はＰＴＦＥ製の本体であり、軸線方向上端の中央に弁室７１と、弁室７１と連通した入口流路７２と出口流路７３とを有しており、入口流路７２は流体流入口６０に連通し、出口流路７３は流量計測器６２に連通している。また、本体６６の上面における弁室７１の外側には環状溝７４が設けられている。
【００６３】
６７はＰＶＤＦ製の駆動部であり、内部に円筒状のシリンダ部７５が設けられ、前記本体６６の上部にボルト・ナット（図示せず）で固定されている。駆動部６７の側面にはシリンダ部７５の上側及び下側にそれぞれ連通された一対の作動流体供給口７６、７７が設けられている。
【００６４】
６８はＰＶＤＦ製のピストンであり、駆動部６７のシリンダ部７５内に密封状態且つ軸線方向に上下動自在に嵌挿されており、底面中央にロッド部７８が垂下して設けられている。
【００６５】
６９はＰＶＤＦ製のダイヤフラム押さえであり、中央部にピストン６８のロッド部７８が貫通する貫通孔７９を有しており、本体６６と駆動部６７の間に挟持されている。
【００６６】
７０は、弁室７１に収容されているＰＴＦＥ製の弁体であり、ダイヤフラム押さえ６９の貫通孔７９を貫通し且つダイヤフラム押さえ６９の下面から突出した前記ピストン６８のロッド部７８の先端に螺着されており、ピストン６８の上下動に合わせて軸線方向に上下するようになっている。弁体７０は外周にダイヤフラム８０を有しており、ダイヤフラム８０の外周縁は本体６６の環状溝７４内に嵌挿されており、ダイヤフラム押さえ６９と本体６６との間に挟持されている。第二の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様なので説明を省略する。
【００６７】
次に、本発明の第二の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【００６８】
流体制御装置５９の流体流入口６０に流入した流体は、まず開閉弁６１に流入する。開閉弁６１が閉状態の場合、流体は開閉弁６１で遮断され、開閉弁６１から下流には流体が流れなくなる。これにより、流体制御装置５９内の流量計測器６２、流体制御弁６３、制御部６４のメンテナンス等を容易に行なうことができる。また、流路内で何らかのトラブルが発生した際に、開閉弁６１を閉状態にすることで流体の緊急遮断することができ、例えば腐食性流体が漏れ出ることで半導体製造装置内の部品を腐食させるなどの二次災害を防止することができる。また開閉弁６１が開状態の場合、流体は開閉弁６１を通過して流量計測器６２に流入し、流量計測器６２、流体制御弁６３、制御部６５によって、フィードバック制御されて設定流量になるように制御されて流体流出口６４から流出される。
【００６９】
ここで、開閉弁６１の作動を説明する。作動流体供給口７７から外部より作動流体として圧縮空気が注入されると、圧縮空気の圧力でピストン６８が押し上げられるためこれと接合されているロッド部７８は上方へ引き上げられ、ロッド部７８の下端部に接合された弁体７０も上方へ引き上げられ弁は開状態となる。
【００７０】
一方、作動流体供給口７６から圧縮空気が注入されると、ピストン６８が押し下げられるのにともなって、ロッド部７８とその下端部に接合された弁体７０も下方へ押し下げられ、弁は閉状態となる。
【００７１】
以上の作動により、流体制御装置５９の流体流入口６０に流入する流体は、開閉弁６１を閉状態にすることにより、流体制御装置５９のメンテナンス等を容易に行なうことができ、流体の緊急遮断を行なうことができる。第二の実施例のその他の作動は第一の実施例と同様なので説明を省略する。
【実施例３】
【００７２】
次に、図５乃至図９に基づいて本発明の第三の実施例である流体制御装置について説明する。
【００７３】
８１は流体制御装置である。流体制御装置８１は、流体流入口８２、流量計測器８３、流体制御弁８４、絞り弁８５、流体流出口８６、制御部８７から形成され、その各々の構成は以下の通りである。
【００７４】
８５は開口面積が調節可能な絞り弁である。絞り弁８５は本体８８、隔膜９７、第二ステム１０６、隔膜押さえ１０８、第一ステム１１４、第一ステム支持体１２１、ボンネット１２５で形成される。
【００７５】
８８はＰＴＦＥ製の本体である。本体８８の上部に後記隔膜９７とで形成される略すり鉢形状の弁室９０を有しており、弁室９０の底面には後記第二弁体９９の圧接によって流路の全閉シールを行う弁座面８９が形成され、弁座面８９の中心に設けられた連通口９１に連通する入口流路９２と弁室９０に連通する出口流路９３を有している。弁室９０の上方には後記隔膜押さえ１０８の嵌合部１１０を受容する凹部９５が設けられていて、その底面には後記隔膜９７の環状係止部１０１が嵌合する環状凹部９４が設けられている。また本体８８の上部外周面には、後記ボンネット１２５が螺着される雄ネジ部９６が設けられている。なお、本実施例では絞り弁８５の本体８８は、流体制御弁８４の本体と同一のベースブロックに設けられている。
【００７６】
９７はＰＴＦＥ製の隔膜であり、隔膜９７の下部に接液面の中心から垂下突設された第一弁体９８と、第一弁体９８から径方向へ隔離した位置に形成された先端が断面円弧状の円環状凸条の第二弁体９９と、第二弁体９９から径方向へ連続して形成された薄膜部１００と、薄膜部１００の外周に断面矩形状の環状係止部１０１と、隔膜９７の上部に後記第二ステム１０６の下端部に接続される接続部１０３が一体的に設けられている。第一弁体９８は、下方に向かって直線部１０４とテーパ部１０５とが連続して設けられており、第一弁体９８と第二弁体９９の間には環状溝部１０２が形成されている。環状溝部１０２は、その空間部で流体の流れを抑制させるために、全閉時に環状溝部１０２と弁座面８９とで形成される空間部分の体積が、全閉時に第一弁体９８の直線部１０４と連通口９１とで形成される空間部分の体積の２倍以上に設定される。また、第一弁体９８の直線部１０４の外径Ｄ１は、連通口９１の内径Ｄに対して０．９７Ｄで設定され、第一弁体９８のテーパ部１０５のテーパ角度は軸線に対して１５°で設定され、第二弁体９９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口９１の内径Ｄに対して１．５Ｄで設定されている。隔膜９７は、環状係止部１０１を本体８８の環状凹部９４に嵌合された状態で本体８８と後記隔膜押さえ１０８とで挟持固定される。
【００７７】
１０６はＰＰ製の第二ステムである。第二ステム１０６の上部外周面には後記第一ステム１１４の雌ネジ部１１５に螺合される雄ネジ部１０７が設けられ、下部外周は六角形状に形成され、下端部には隔膜９７の接続部１０３が螺着により接続されている。
【００７８】
１０８はＰＰ製の隔膜押さえである。隔膜押さえ１０８の上部には外周が六角形状の挿入部１０９が、下部には外周が六角形状の嵌合部１１０がそれぞれ設けられており、中央部外周には鍔部１１１が設けられている。隔膜押さえ１０８の内周には六角形状の貫通孔１１２が設けられ、下端面から貫通孔１１２に向かって縮径するテーパ部１１３が設けられている。挿入部１０９は後記第一ステム支持体１２１の中空部１２３に回動不能に嵌合され、嵌合部１１０は本体８８の凹部９５に回動不能に嵌合される。貫通孔１１２には第二ステム１０６を挿通させ、第二ステム１０６を上下移動自在かつ回動不能に支承している。
【００７９】
１１４はＰＰ製の第一ステムである。第一ステム１１４の下部内周面には第二ステム１０６の雄ネジ部１０７が螺合するピッチが１．２５ｍｍの雌ネジ部１１５と、外周面にはピッチが１．５ｍｍの雄ネジ部１１６が設けられており、雄ネジ部１１６と雌ネジ部１１５のピッチ差は０．２５ｍｍであり、雄ネジ部１１６のピッチの６分の１になるように形成されている。第一ステム１１４の下部外周には径方向に突出して設けられたストッパー部１１７が設けられ、上部には後記把持部１２０を有するハンドル１１９が固着されている。
【００８０】
１２１はＰＰ製の第一ステム支持体である。第一ステム支持体１２１の上部内周面には第一ステム１１４の雄ネジ部１１６に螺合される雌ネジ部１２２が設けられており、下部内周には後記隔膜押さえ１０８の挿入部１０９を回動不能に嵌合する六角形状の中空部１２３が設けられており、下部外周には後記ボンネット１２５によって固定される鍔部１２４が設けられている。
【００８１】
１２５はＰＰ製のボンネットである。ボンネット１２５の上部には第一ステム支持体１２１の鍔部１２４の外径より小さい内径を有する係止部１２６が設けられ、下部内周面には本体８８の雄ネジ部９６に螺着される雌ネジ部１２７が設けられている。ボンネット１２５は、第一ステム支持体１２１の鍔部１２４と隔膜押さえ１０８の鍔部１１１を、係止部１２６と本体８８の間で挟持した状態で本体８８に螺着していることで各部品を固定することができる。第三の実施例のその他の構成は第一の実施例と同様なので説明を省略する。
【００８２】
次に、本発明の第三の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【００８３】
流体制御装置８１の流体流入口８２に流入し、流量計測器８３と流体制御弁８４を通過した流体はフィードバック制御により一定圧に制御された後、絞り弁８５に流入する。絞り弁８５に流入した流体は、精密に調節された開口面積によって、絞り弁８５で設定されて一定流量に調節されて流出される。
【００８４】
ここで絞り弁８５が微小な開度の調節を行なう作動について説明する。まず、本実施例の絞り弁８５が全閉状態（図８の状態）において、入口流路９２から流入してきた流体は、弁座面８９に圧接された第二弁体９９によって閉止される。
【００８５】
ハンドル１１９を弁が開放する方向に回動させると、ハンドル１１９の回動に伴なって第一ステム１１４が外周面の雄ネジ部１１６のピッチ分だけ上昇し、逆に第一ステム１１４の内周面の雌ネジ部１１５に螺合された第二ステム１０６は第一ステム１１４の雌ネジ部１１５のピッチ分だけ下降する。ただし、第二ステム１０６は回動不能の状態で隔膜押さえ１０８の貫通孔１１２に収容されており上下方向のみに移動可能であるため、第二ステム１０６は本体８８に対して第一ステム１１４外周面の雄ネジ部１１６と内周面の雌ネジ部１１５のピッチ差分、本実施例では第一ステム１１４の雄ネジ部１１６のピッチが１．５ｍｍ、第一ステム１１４の雌ネジ部１１５のピッチが１．２５ｍｍにしているので、第一ステム１１４に連動したハンドル１１９を１回転させることによって第二ステム１０６は０．２５ｍｍ（雄ネジ部１１６のピッチの６分の１）上昇する。これに伴って、第二ステム１０６と接続された隔膜９７が上昇することで最初に本体８８の弁座面８９に圧接されていた第二弁体９９が弁座面８９から離間し、第一弁体９８は隔膜の上昇に伴なって上昇し、絞り弁８５が半開状態となる（図９の状態）。流体は入口流路９２から弁室９０へと流れ込み、出口流路９３を通過して排出される。
【００８６】
次に上記絞り弁８５が半開状態（図９の状態）から、さらにハンドル１１９を開方向に回動させると第一ステム１１４の下部外周のストッパー部１１７が第一ステム支持体１２１の天井面１３０に圧接して回動は停止される。ハンドル１１９、第一ステム１１４および第二ステム１０６の回動と連動して隔膜９７が上昇し、第一弁体９８と第二弁体９９は隔膜９７の上昇に伴なって上昇し、弁は全開状態となる（図６、図７の状態）。なお、第一弁体９８は、全開状態でも連通口９１から抜けることはないので、絞り弁８５は全閉から全開まで流量調節が行われる。
【００８７】
上記作用において、絞り弁８５が全閉から全開に至るまで、開度によって第一弁体９８と連通口９１とで形成される第一流量調節部１２８の開口面積Ｓ１と、第二弁体９９と弁座面８９とで形成される第二流量調節部１２９の開口面積Ｓ２は変化するが、Ｓ１とＳ２の大小関係によって流量を調節する作用がそれぞれ異なる。以下に絞り弁８５の開度の全閉から全開に至るまでのＳ１とＳ２の関係と流量の調節の仕組みを図７乃至図９に基づいて説明する。
【００８８】
Ｓ１＞Ｓ２の場合、絞り弁８５の開度は全閉から微開の時であり、流量は第二流量調節部１２９によって、つまりＳ２の大小によって調節される。Ｓ１＞Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部１２８は、第一弁体９８の直線部１０４と連通口９１で流量を一定に調節することができ、流体は第一流量調節部１２８によって流量を一定にされた後、第二流量調節部１２９に至る前にまず環状溝部１０２により形成される空間部分に流れ込む。流体は環状溝部１０２の底面に当たり、径方向へ広がって第二弁体９９の内周面に当たり、さらに流れの向きを変えて第二流量調節部１２９に至るため、空間部分で流体の流れが一旦停滞される。そのため流体は、空間部分で流れが抑制されて急激な流量の増加を抑えることができ、第二流量調節部１２９で十分制御可能な流れで第二流量調節部１２９に至り、第二流量調節部１２９で精度良く流量が調節されるため、絞り弁８５が微開時の微小流量の調節が可能となる。このとき、第二弁体９９の円環状凸条の径Ｄ２は、連通口９１の内径Ｄに対して１．１Ｄ≦Ｄ２≦２Ｄの範囲内で設けられているため、流量の増加を抑制するのに効果的な環状溝部１０２を第一弁体９８と第二弁体９９の間に形成することができ、環状溝部１０２により形成される空間部分で第一流量調節部１２８からの流体の流れを抑制することができる。
【００８９】
Ｓ１＝Ｓ２の場合、第一流量調節部１２８の開口面積Ｓ１と第二流量調節部１２９の開口面積Ｓ２が同一となり、この時点を境に流量を調節する部分が第二流量調節部１２９から第一流量調節部１２８へと切り替わる。つまりＳ１の大小によって流量は調節される。
【００９０】
Ｓ１＜Ｓ２の場合、絞り弁８５の開度は微開から大きくして全開に至るまでであり、第二流量調節部１２９では細かい流量調節が困難となり、第一流量調節部１２８によって、つまりＳ１の大小によって調節される。Ｓ１＜Ｓ２の範囲内では、第一流量調節部１２８は第一弁体９８のテーパ部１０５と連通口９１で流量を調節しており、第一弁体９８のテーパ部１０５は、絞り弁８５の開度に対して開口面積Ｓ１が比例して増加するように設定されているため、絞り弁８５の開度を大きくするにつれて流量は線形に比例して増加するように調節することができる。
【００９１】
このことから、本発明の絞り弁８５は、開度が微小なときには第二流量調節部１２９によって流量調節を行い、開度を大きくすると第二流量調節部１２９から第一流量調節部１２８に切り替わって流量調節を行うので、全閉から全開に至るまで開度に対して流量が良好な比例関係を得ることができ、微小な流量から大きな流量まで確実な流量の調節が可能となり、幅広い流量範囲で流量調節を行うことができる。
【００９２】
次に、絞り弁８５が全開状態からハンドル１１９を逆に閉方向に回動させた場合は、開方向に回動させた場合とは逆の作動で弁体が降下し、絞り弁８５の開度に応じて流量調節が行われる。ハンドル１１９を閉方向に回動させて全閉状態にした時には第二弁体９９と弁座面８９とが線接触によって確実な全閉シールを行うことができる。絞り弁８５が全閉状態のとき、第一弁体９８は常に連通口９１とは非接触であるため、絞り弁８５の長期的な使用により、弁体や弁座面８９が摩耗などによって変形することがなく、長期間の使用によって流量調節特性が安定できなくなることを防止できる。
【００９３】
以上の作動により、流体制御装置８１の流体流入口８２に流入する流体は、流量計測器８３、流体制御弁８４、絞り弁８５によって、フィードバック制御されると共に流量の微調節が行なわれることにより設定流量になるように微細に制御される。また絞り弁８５の開度を変化させることにより、流体制御装置８１を幅広い流量範囲で流量を制御することができる。さらに、絞り弁８５は微小な開度の調節を容易に行なうことができる構成であるため、開度の微調節を精密且つ短時間で行なうことができる。
【実施例４】
【００９４】
次に、図１０に基づいて本発明の第四の実施例である流体制御装置について説明する。
【００９５】
１３１は流体制御装置である。流体制御装置１３１は、流体流入口１３２、開閉弁１３３、流量計測器１３４、流体制御弁１３５、絞り弁１３６、流体流出口１３７、制御部１３８から形成されている。第四の実施例の各々の構成および作動は実施例１乃至実施例３と同様なので説明を省略する。第四の実施例では、フィードバック制御が行なわれると共に、絞り弁１３６により幅広い流量範囲での微細な流量制御ができ、開閉弁１３３により流体制御装置１３１のメンテナンス等を容易に行なうことができ、流体の緊急遮断を行なうことができる。
【００９６】
ここで、実施例１乃至実施例４において、隣り合う弁および流量計測器がチューブや接続管を用いずに直接接続されているため、流体制御装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができる。また、設置作業が容易になり作業時間が短縮することができ、流体制御装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができる。
【実施例５】
【００９７】
次に、図１１に基づいて本発明の第五の実施例の流体制御装置について説明する。
【００９８】
１３９は流体制御装置である。流体制御装置１３９は、流体流入口１４０、開閉弁１４１、流量計測器１４２、流体制御弁１４３、絞り弁１４４、流体流出口１４５、制御部１４６から形成され、その各々の構成は以下の通りである。
【００９９】
１４７は流体制御装置１３９のベースブロックである。ベースブロック１４７は、開閉弁１４１、流量計測器１４２、流体制御弁１４３、絞り弁１４４のそれぞれの本体が単一に形成されている。開閉弁１４１の本体としては、ベースブロック１４７の上部に弁室１４８と、弁室１４８と連通した入口流路１４９と出口流路１５０とが形成されており、入口流路１４９は流体流入口１４０に連通している。流量計測器１４２としては、入口流路１５１と、入口流路１５１から垂設された直線流路１５２と、直線流路１５２から垂設され入口流路１５１と同一方向に平行して設けられた出口流路１５３とを有し、入口、出口流路１５１、１５３の側壁の直線流路１５２の軸線と交わる位置に、超音波振動子１５４、１５５が互いに対向して配置されており、入口流路１５１は開閉弁１４１の出口流路１５０に連通している。流体制御弁１４３の本体としては、ベースブロック１４７の下部に底部まで開放して設けられた第二の空隙１５６と、上部に上面開放して設けられた第二の空隙１５６の径よりも大きい径を持つ第一の空隙１５７を有し、第二の空隙１５６と連通している入口流路１５８と、入口流路１５８と対向する方向に第一の空隙１５７と連通している出口流路１５９、さらに、第一の空隙１５７と第二の空隙１５６とを連通し第一の空隙１５７の径よりも小さい径を有する連通孔１６０とが設けられており、入口流路１５８は流量計測器１４２の出口流路１５３に連通している。絞り弁１４４の本体としては、ベースブロック１４７の上部に略すり鉢形状の弁室１６１を有しており、弁室１６１の底面には弁座面１６２が形成され、弁座面１６２の中心に設けられた連通口１６３に連通する入口流路１６４と弁室１６１に連通する出口流路１６５を有している。弁室１６１の上方には隔膜押さえ１６６を受容する凹部１６７が設けられていて、その底面には環状凹部１６８が設けられている。また、入口流路１６４は流体制御弁１４３の出口流路１５９に連通し、出口流路１６５は流体流出口１４５と連通している。第五の実施例のその他の構成は、本体が単一で形成されている以外は第四の実施例と同様なので説明を省略する。
【０１００】
本発明の第五の実施例である流体制御装置の作動は、第四の実施例と同様なので説明を省略する。第五の実施例では、フィードバック制御が行なわれると共に、絞り弁１４４により幅広い流量範囲での微細な流量制御ができ、開閉弁１４１により流体制御装置１３９のメンテナンス等を容易に行なうことができ、流体の緊急遮断を行なうことができる。
【０１０１】
ここで第五の実施例は、第四の実施例の流体制御装置の弁および流量計測器が流路の形成された一つのベースブロックに配設されている構成であるが、第一の実施例乃至第三の実施例の流体制御装置の弁および流量計測器が流路の形成された一つのベースブロックに配設されている構成であっても良く、各実施例と同様の作動が行なわれる。このとき、流体制御装置が流路の形成された一つのベースブロックに配設されているため、流体制御装置をコンパクトにして設置場所のスペースを少なくすることができる。また、設置作業が容易になり作業時間が短縮でき、流体制御装置内の流路を必要最小限に短くさせることができるので流体抵抗を抑えることができ、さらに部品点数を少なくすることができるので流体制御装置の組み立てを容易にすることができる。
【実施例６】
【０１０２】
次に、図１２乃至図１４に基づいて本発明の第六の実施例である他の流体制御弁を用いた流体制御装置について説明する。
【０１０３】
１６９は流体制御弁である。流体制御弁１６９は本体部１７０、弁部材１８５、第一ダイヤフラム部１８６、第二ダイヤフラム部１８７、第三ダイヤフラム部１８８、第四ダイヤフラム部１８９で形成される。
【０１０４】
本体部１７０は、内部に後記第一加圧室１７７、第二弁室１７８、第一弁室１７９及び第二加圧室１８０に区切られるチャンバ１７６と、流体が外部からチャンバ１７６へ流入するための入口流路１９４及びチャンバ１７６から流体流出口２３０へと流出するための出口流路２０１とを有し、上から本体Ｄ１７４、本体Ｃ１７３、本体Ｂ１７２、本体Ａ１７１、本体Ｅ１７５に分かれており、これらを一体に組みつけて構成されている。
【０１０５】
１７１は本体部１７０の内側に位置するＰＴＦＥ製の本体Ａであり、上部に平面円形状の段差部１９０が設けられ、段差部１９０の中央には段差部１９０より小径で、下部第一弁室１８３となる開孔部１９１が、また、開孔部１９１の下には開孔部１９１の径より大径の平面円形状の下部段差部１９２が連続して設けられている。本体Ａ１７１の上面部、すなわち段差部１９０の周縁部には環状凹溝１９３が設けられ、また、側面から本体Ａ１７１の開孔部１９１に連通する入口流路１９４が設けられている。入口流路１９４は流量計測器２３１に連通している。
【０１０６】
１７２は本体Ａ１７１の上面に係合固定されているＰＴＦＥ製の本体Ｂであり、上部に平面円形状の段差部１９５が設けられ、段差部１９５の中央には段差部１９５より小径の上部第二弁室１８２となる開孔部１９６が設けられている。また、開孔部１９６の下には開孔部１９６の径より小径の開口部１９７と、本体Ａ１７１の段差部１９０と同じ径の平面円形状の下部段差部１９８が連続して設けられている。開口部１９７の下端周囲は弁座１９９となっている。本体Ｂ１７２の下面部すなわち下部段差部１９８の周縁部には本体Ａ１７１の環状凹溝１９３と相対する位置に環状凹溝２００が設けられ、また、本体Ａ１７１の入口流路１９４と反対側に位置する本体Ｂ１７２の側面から開孔部１９６に連通する出口流路２０１が設けられている。出口流路２０１は流体流出口２３０に連通している。
【０１０７】
１７３は本体Ｂ１７２の上部に嵌合固定されているＰＴＦＥ製の本体Ｃであり、中央に本体Ｃ１７３の上下端面を貫通し上部で拡径した平面円形状のダイヤフラム室２０２と、ダイヤフラム室２０２と外部とを連通する呼吸孔２０３、及び下端面に本体Ｂ１７２の段差部１９５に嵌合される環状突部２０４がダイヤフラム室２０２を中心として設けられている。
【０１０８】
１７４は本体Ｃ１７３の上部に位置するＰＴＦＥ製の本体Ｄであり、下部に気室２０５と、中央に上面を貫通して設けられ、外部から気室２０５へと圧縮空気を導入するための給気孔２０６が設けられている。また、側面を貫通して設けられる微孔の排出孔２２９が設けられている。なお、排出孔２２９は圧縮空気の供給において必要ない場合は設けなくてもかまわない。
【０１０９】
１７５は本体Ａ１７１の底部に嵌合固定されるＰＶＤＦ製の本体Ｅであり、中央部には上面に開口した、第二加圧室１８０となる開孔部２０７が設けられ、開孔部２０７上面の周囲には、本体Ａ１７１の下部段差部１９２に嵌合固定される環状突部２０８が設けられている。また、本体Ｅ１７５の側面には、そこから開孔部２０７に連通する小径の呼吸孔２０９が設けられている。
【０１１０】
以上説明した本体部１７０を構成する５つの本体Ａ１７１、本体Ｂ１７２、本体Ｃ１７３、本体Ｄ１７４、本体Ｅ１７５はボルト・ナット（図示せず）で挟持固定されている。
【０１１１】
１８５はＰＴＦＥ製の弁部材であり、中央に鍔状に設けられた肉厚部２１０と肉厚部２１０を貫通して設けられた連通孔２１１、肉厚部２１０の外周面から径方向に延出して設けられた円形状の薄膜部２１２及び薄膜部２１２の外周縁部に上下に突出して設けられた環状リブ部２１３を有する第一ダイヤフラム部１８６と、第一ダイヤフラム部１８６の上部中央に設けられ逆すり鉢状の弁体２１４と、弁体２１４の上部より上方に突出して設けられ、上端部が略半球状に形成された上部ロッド２１５び肉厚部２１０下端面中央部より下方に突出して設けられ、下端部が略半球状に形成された下部ロッド２１６有し、かつ、一体的に形成されている。第一ダイヤフラム部１８６の外周縁部に設けられた環状リブ部２１３は本体Ａ１７１と本体Ｂ１７２に設けられた両環状凹溝１９３、２００に嵌合され、本体Ａ１７１と本体Ｂ１７２に挟持固定されている。また、弁体２１４の傾斜面と本体Ｂ１７２の開口部１９７の下端面周縁部との間に形成される空間は流体制御部２１７になっている。
【０１１２】
１８７はＰＴＦＥ製の第二ダイヤフラム部であり、中央に円柱状の肉厚部２１８と肉厚部２１８の下端面から径方向に延出して設けられた円形状の薄膜部２１９、及び薄膜部２１９の外周縁部に設けられた環状シール部２２０を有し、かつ一体的に形成されている。また、薄膜部２１９の周縁部の環状シール部２２０は本体Ｂ１７２の上部の段差部１９５と、本体Ｃ１７３の環状突部２０４とに挟持固定されている。なお、第二ダイヤフラム部１８７の受圧面積は、第一ダイヤフラム部１８６のそれよりも小さく設ける必要がある。
【０１１３】
１８８はＰＴＦＥ製の第三ダイヤフラム部で、形状は第二ダイヤフラム部１８７と同一になっており、上下逆にして配置されている。肉厚部２２１の上端面は弁部材１８５の下部ロッド２１６と接触しており、また、薄膜部２２２の周縁部の環状シール部２２３は本体Ａ１７１の下部段差部１９２と本体Ｅ１７５の環状突部２０８とに挟持固定されている。なお、第三ダイヤフラム部１８８の受圧面積も上記と同様に第一ダイヤフラム部１８６のそれよりも小さく設ける必要がある。
【０１１４】
１８９は第四ダイヤフラム部であり、周縁部に外径が本体Ｃ１７３のダイヤフラム室２０２と略同径の円筒形リブ２２４と、中央に円柱部２２５、及び円筒形リブ２２４の下端面内周と円柱部２２５の上端面外周とをつないで設けられた膜部２２６を有する。円筒形リブ２２４は本体Ｃ１７３のダイヤフラム室２０２に嵌合固定されるとともに、本体Ｂ１７２と本体Ｃ１７３の間で挟持固定され、円柱部２２５はダイヤフラム室２０２の中で上下動自在となっている。また、円柱部２２５の下部は、第二ダイヤフラム部１８７の肉厚部２１８が嵌合されている。
【０１１５】
２２７および２２８は本体Ｅ１７５の開孔部２０７に配置されたＰＶＤＦ製のバネ受けとＳＵＳ製のバネである。両者は第三ダイヤフラム部１８８を内向き（図では上向き）に加圧している。
【０１１６】
以上説明した各構成により本体部の内部に形成されたチャンバ１７６は上から、第四ダイヤフラム部１８９及び本体Ｄ１７４気室２０５から形成された第一加圧室１７７、第一ダイヤフラム部１８６と本体Ｂ１７２の下部段差部１９８との間に形成された下部第二弁室１８１と第二ダイヤフラム部１８７と本体Ｂ１７２の開孔部１９６とから形成された上部第二弁室１８２の両者からなる第二弁室１７８、第三ダイヤフラム部１８８と本体Ａ１７１の開孔部１９１とで形成された下部第一弁室１８３と第一ダイヤフラム部１８６と本体Ａ１７１の段差部１９０とで形成された上部第一弁室１８４からなる第一弁室１７９、及び第三ダイヤフラム部１８８と本体Ｅ１７５の開孔部２０７とで形成された第二加圧室１８０に区分されていることがわかる。第六の実施例のその他の構成は第二の実施例と同様なので説明を省略する。
【０１１７】
次に、本発明の第六の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【０１１８】
流量計測器２３１を通過した流体は流体制御弁１６９に流入する。制御部２３２では任意の設定流量に対して、リアルタイムに計測された流量との偏差から、偏差をゼロにするように信号を電空変換器２３３に出力し、電空変換器２３３はそれに応じた操作圧を流体制御弁１６９に供給し駆動させる。流体制御弁１６９から流出する流体は、流量を設定流量で一定値となるように、つまり設定流量と計測された流量の偏差がゼロに収束されるように流体制御弁１６９で制御される。
【０１１９】
ここで、電空変換器２３３から供給される操作圧に対する流体制御弁１６９の作動について説明する。流体制御弁１６９の本体Ａ１７１の入口流路１９４より第一弁室１７９に流入した流体は、弁部材１８５の連通孔２１１を通ることで減圧され下部第二弁室１８１に流入する。さらに、流体は、下部第二弁室１８１から流体制御部２１７を通り上部第二弁室１８２に流入する際に流体制御部２１７での圧力損失により再度減圧され出口流路２０１から流体流出口２３０へ流出する。ここで、連通孔２１１の直径は充分小さく設けてあるため、弁を流れる流量は連通孔２１１前後の圧力差によって決まっている。
【０１２０】
このとき、各ダイヤフラム部１８６、１８７、１８８が流体から受ける力を見ると、第一ダイヤフラム部１８６は第一弁室１７９と下部第二弁室１８１内の流体圧力差により上方向の、第二ダイヤフラム部１８７は上部第二弁室１８２の流体圧力により上方向の、第三ダイヤフラム部１８８は第一弁室１７９内の流体圧力により下方向の力を受けている。ここで、第一ダイヤフラム部１８６の受圧面積は、第二ダイヤフラム部１８７及び第三ダイヤフラム部１８８の受圧面積よりも充分大きく設けてあるため、第二、第三ダイヤフラム部１８７、１８８に働く力は、第一ダイヤフラム部１８６に働く力に比べてほとんど無視することができる。したがって、弁部材１８５が、流体から受ける力は、第一弁室１７９と下部第二弁室１８１内の流体圧力差による上方向の力となる。
【０１２１】
また、弁部材１８５は、第一加圧室１７７の加圧手段により下方へ付勢されており、同時に第二加圧室１８０の加圧手段により上方へ付勢されている。第一加圧室１７７の加圧手段の力を第二加圧室１８０の加圧手段の力より大きく調整しておけば、弁部材１８５が各加圧手段から受ける合力は下方向の力となる。ここで第一加圧室１７７の加圧手段とは、電空変換機２３３から供給される操作圧によるものであり、第二加圧室１８０の加圧手段とは、バネ２２８の反発力によるものである。
【０１２２】
したがって、弁部材１８５は、各加圧手段による下方向の合力と、第一弁室１７９と下部第二弁室１８１内の流体圧力差による上方向の力とが釣り合う位置に安定する。つまり、各加圧手段による合力と流体圧力差による力が釣り合うように、下部第二弁室１８１の圧力が流体制御部２１７の開口面積により自立的に調整される。そのため、第一弁室１７９と下部第二弁室１８１内の流体圧力差は一定となり、連通孔２１１の前後の差圧は一定と保たれることにより、弁を流れる流量は常に一定に保たれる。
【０１２３】
ここで、流体制御弁１６９は、弁部材１８５に働く各加圧手段の合力と、第一弁室１７９と下部第二弁室１８１との圧力差による力とが釣り合って作動するため、弁部材１８５に働く各加圧手段の合力を調整変更すれば、第一弁室１７９と下部第二弁室１８１との流体圧力差はそれに対応した値となる。つまり第一加圧室の加圧手段による下方向への力、すなわち電空変換機２３３から供給される操作圧力を調整することにより、連通孔２１１前後の差圧を変更調整することができるため、バルブを分解することなく流量を任意の流量に設定することができる。
【０１２４】
また、第一加圧室１７７の加圧手段による力を第二加圧室１８０の加圧手段による力より小さく調整すれば、弁部材１８５に働く合力は上方向のみとなり、弁部材１８５の弁体２１４を本体Ｂ１７２の開口部１９７の弁座１９９に押圧するかたちとなり、流体を遮断することができる。すなわち、電空変換器２３３を調整して操作圧をかけなければ流体制御弁１６９は閉塞状態となる。
【０１２５】
以上の作動により、流体制御装置に流入する流体は、流体制御弁１６９により設定流量で一定になるように制御されて流体流出口２３０で流出される。さらに、流体制御装置に流入する流体の上流側圧力や下流側圧力が変動しても流体制御弁１６９の作動により流量は自立的に一定に保たれるためポンプの脈動など瞬間的な圧力変動が発生しても安定して流量を制御することができる。また、流体制御弁１６９は背圧変動の影響を受けない構成であるため、背圧が変動するような用途において好適に使用することができる。また、操作圧の調整により流体制御弁１６９は開閉弁として使用することができるため、別途流体遮断用のバルブを接続しなくても良い。第六の実施例のその他の作動は第二の実施例と同様なので説明を省略する。
【実施例７】
【０１２６】
次に、図１５に基づいて本発明の第七の実施例である流量計測器が他の超音波流量計である場合の流体制御装置について説明する。
【０１２７】
２３４は流体の流量を計測する流量計測器である。流量計測器２３４は、入口流路２３５と、入口流路２３５から垂設された第一立上り流路２３６と、第一立上り流路２３６に連通し入口流路２３５軸線に略平行に設けられた直線流路２３７と、直線流路２３７から垂設された第二立上り流路２３８と、第二立上り流路２３８に連通し入口流路２３５軸線に略平行に設けられた出口流路２３９とを有し、第一、第二立上り流路２３６、２３８の側壁の直線流路２３７の軸線と交わる位置に、超音波振動子２４０、２４１が互いに対向して配置されている。超音波振動子２４０、２４１はフッ素樹脂で覆われており、該振動子２４０、２４１から伸びた配線は後記制御部２４４の演算部２４５に繋がっている。なお、流量計測器２３４の超音波振動子２４０、２４１以外はＰＦＡ製である。入口流路２３５は開閉弁２４２に連通し、出口流路２３９は流体制御弁２４３に連通する。第七のの実施例のその他の構成は第四の実施例と同様であるので説明を省略する。
【０１２８】
次に、本発明の第七の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【０１２９】
流体制御装置に流入した流体は、開閉弁２４２を通過して流量計測器２３４に流入する。流量計測器２３４に流入した流体は、直線流路２３７で流量が計測される。流体の流れに対して上流側に位置する超音波振動子２４０から下流側に位置する超音波振動子２４１に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子２４１で受信された超音波振動は電気信号に変換され、制御部２４４の演算部２４５へ出力される。超音波振動が上流側の超音波振動子２４０から下流側の超音波振動子２４１へ伝播して受信されると、瞬時に演算部２４５内で送受信が切換えられて、下流側に位置する超音波振動子２４１から上流側に位置する超音波振動子２４０に向かって超音波振動を伝播させる。超音波振動子２４０で受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部２４４内の演算部２４５へ出力される。このとき、超音波振動は直線流路２３７内の流体の流れに逆らって伝播していくので、上流側から下流側へ超音波振動を伝播させるときに比べて流体中での超音波振動の伝播速度が遅れ、伝播時間が長くなる。出力された相互の電気信号は演算部２４５内で伝播時間が各々計測され、伝播時間差から流量が演算される。演算部２４５で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部２４６に出力される。第七の実施例のその他の作動は、第四の実施例と同様であるので説明を省略する。
【実施例８】
【０１３０】
次に、図１６、図１７に基づいて本発明の第八の実施例である流量計測器が超音波式渦流量計である場合の流体制御装置について説明する。
【０１３１】
２４７は流量計測器である。流量計測器２４７は、入口流路２４８と、入口流路２４８内に垂設されたカルマン渦を発生させる渦発生体２４９と、出口流路２５０とを備える直線流路２５１を有し、直線流路２５１の渦発生体２４９の下流側の側壁に、超音波振動子２５２、２５３が流路軸線方向に直交する位置に互いに対向して配置されている。超音波振動子２５２、２５３はフッ素樹脂で覆われており、該振動子２５２、２５３から伸びた配線は制御部２５６の演算部に繋がっている。流量計測器２４７の超音波振動子２５２、２５３以外はＰＴＦＥ製である。入口流路２４８は開閉弁２５４に連通し、出口流路２５０は流体制御弁２５５に連通する。第八の実施例のその他の構成は第四の実施例と同様であるので説明を省略する。
【０１３２】
次に、本発明の第八の実施例である流体制御装置の作動について説明する。
【０１３３】
流体制御装置に流入した流体は、開閉弁２５４を通過して流量計測器２４７に流入する。流量計測器２４７に流入した流体は、直線流路２５１で流量が計測される。直線流路２５１内を流れる流体に対して超音波振動子２５２から超音波振動子２５３に向かって超音波振動を伝播させる。渦発生体２４９の下流に発生するカルマン渦は、流体の流速に比例した周期で発生し、渦巻き方向が異なるカルマン渦が交互に発生するため、超音波振動はカルマン渦の渦巻き方向によってカルマン渦を通過する際に進行方向に加速、または減速される。そのため、超音波振動子２５３で受信される超音波振動は、カルマン渦によって周波数（周期）が変動する。超音波振動子２５２、２５３で送受信された超音波振動は、電気信号に変換され、制御部２５６の演算部２５７へ出力される。演算部２５７では、送信側の超音波振動子２５２から出力された超音波振動と受信側の超音波振動子２５３から出力された超音波振動との位相差から得られたカルマン渦の周波数に基づいて直線流路２５１を流れる流体の流量が演算される。演算部２５７で演算された流量は電気信号に変換されてコントロール部２５８に出力される。第八の実施例のその他の作動は、第四の実施例と同様であるので説明を省略する。
【０１３４】
以上の作動により、超音波式渦流量計は、流量が大きいほどカルマン渦は多く発生するため大流量でも正確に流量を計測でき、大流量の流体制御に優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の第一の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図２】図１の流体制御弁の拡大図である。
【図３】本発明の第二の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図４】図２の開閉弁の拡大図である。
【図５】本発明の第三の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図６】図５の絞り弁の拡大図である。
【図７】図６の絞り弁が開状態を示す要部拡大図である。
【図８】図６の絞り弁が閉状態を示す要部拡大図である。
【図９】図６の絞り弁が半開状態を示す要部拡大図である。
【図１０】本発明の第四の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図１１】本発明の第五の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図１２】本発明の第六の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図１３】図１２の流体制御弁の拡大図である。
【図１４】図１３に他の表示を追加した図１３と同一の図である。
【図１５】本発明の第七の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図１６】本発明の第八の実施例を示す流体制御装置の縦断面図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図１８】従来の純水流量の制御装置を示す概念構成図である。
【図１９】従来の流体制御モジュールを示す部分断面図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１    流体制御装置
２    流体流入口
３    流量計測器
４    流体制御弁
５    流体流出口
６    制御部
５９    流体制御装置
６０    流体流入口
６１    開閉弁
６２    流量計測器
６３    流体制御弁
６４    流体流出口
６５    制御部
８１    流体制御装置
８２    流体流入口
８３    流量計測器
８４    流体制御弁
８５    絞り弁
８６    流体流出口
８７    制御部
１３１    流体制御装置
１３２    流体流入口
１３３    開閉弁
１３４    流量計測器
１３５    流体制御弁
１３６    絞り弁
１３７    流体流出口
１３８    制御部
１３９    流体制御装置
１４０    流体流入口
１４１    開閉弁
１４２    流量計測器
１４３    流体制御弁
１４４    絞り弁
１４５    流体流出口
１４６    制御部
１４７    ベースブロック
１６９    流体制御弁
２３４    流量計測器
２４７    流量計測器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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