(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入流路と、所定の流量比に設定されたバイパス流路と、所定の流量が分流されるセンサ流路と、該センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサと、前記バイパス流路とセンサ流路の流体が合流して流れる中間流路と、中間流路と流出流路の間に設けた弁座と、この弁座のシール面に直接接離する平坦部を有し、この平坦部の外側に弾性変形部を形成すると共に外周縁を挟着した金属製ダイアフラムと、該金属製ダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させる圧電アクチュエータとを有する流量制御弁と、前記流量センサと流量制御弁を制御する制御回路部とからなるマスフローコントローラにおいて、
前記弁座はシール部が径方向外側に拡がった弁座を前記流出流路の入口端に装着し、前記金属ダイアフラムで仕切られる弁室に前記中間流路を連通して、流体を中間流路から弁室を介して弁座上部より流出流路に導き出し、
前記弁室側に面した金属製ダイアフラムの受圧面積を流出流路側に面した非受圧面積より小さくしたことを特徴とするマスフローコントローラ。
【請求項２】
前記金属ダイアフラムの上面には、前記弁座のシール部に対向する位置に押さえ面を形成したダイアフラムスペーサを配置したことを特徴とする請求項１記載のマスフローコントローラ。
【請求項３】
前記弁座のシール部はテーパ状に金属製ダイアフラムの弾性変形部の近傍まで拡がっていることを特徴とする請求項１または２記載のマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガス等の流体の質量流量を精密にかつ大流量まで制御することができるマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造過程において成膜処理やエッチング処理等を精度よく行って半導体製品を製造するためには微量のプロセスガスを精度よく制御しながら流す必要がある。このときの流量制御機器としては一般にマスフローコントローラが用いられている。
【０００３】
現在このようなマスフローコントローラは、１ＳＣＣＭ（１分間当たり1ｃｃ）の極微少流量用から１００ＳＬＭ（１分間当たり１００ｌ）以上の大流量用のものまで使用されている。しかしながら、これらは一様にダウンサイジングと極小デットスペースが叫ばれ、同じサイズ／面間寸法でもデットスペースがなく且つ大流量まで流せるマスフローコントローラが望まれている。
【０００４】
そこで、本願発明者らは先に特願平９−２１６０５８号の発明において図４に示すマスフローコントローラを提案している。このマスフローコントローラ８は、流入流路８１の途中から分岐しセンサパイプ内を流れる微量流体（通常ガス体である。）の質量流量を検出する熱式質量流量計センサ２と、前記センサパイプと同一のパイプを所定数だけ詰めて所定の流量比率に設定したバイパス流路８２と、これら両流路が合流し逆Ｌ字状となった中間流路８３と、この中間流路８３の端部に装着した弁座８５と、弁座の周りに形成した弁室を介して連通した流出流路８４と、積層型圧電アクチュエータ８７を駆動源とする流量制御弁８８と、これらを制御する制御回路部３（詳細は図示せず）とから構成されている。
【０００５】
ここで、流量制御弁８８は、前記弁座８５のシール部８９に対向する中央を平坦となしその外側に半円環状の弾性変形部９０を備え周縁を挟持した金属製ダイアフラム８６（以下、金属ダイアフラムという。）と、ダイアフラム押さえ９１、ダイアフラムスペーサ９３、硬球９４、ピエゾスペーサ９５等を介して立設した缶入りの圧電アクチュエータ８７とからなり、この圧電アクチュエータ８７は通常（非通電時）は、ばね９６によって上方に押圧された開弁状態となっている。この流量制御弁の特徴の一つは、金属ダイアフラムを上下に変位させて弁座シール面との間隙を直接調節するようになした極小デットスペース構造と、弁座上部のシール部をテーパ状に拡げ実シール長さを長くして流量の拡大を図った点であった。尚、この例はノーマリオープン形であるが、同様にノーマリークローズ形のマスフローコントローラもある。
【０００６】
ところで通常、圧電アクチュエータは圧縮状態で使用されるが、その荷重−変位特性は図３に示すように反比例の関係にある。即ち、最大約８０Ｋｇｆ（７８４Ｎ）の発生力に対して４０μｍ程度の伸張（ここではバルブストローク）しか得ることが出来ないのである。一方で上記した例のように金属ダイアフラムを弁座シール面に直接接離（当接と離間をいう。）させるものでは、金属ダイアフラムの剛性が比較的低いために接触シール面がうねる等して閉め切り時のシール性が充分でない。そのため金属ダイアフラムを弁座シール面に当接させた後、さらに押圧力を与えてシール面圧を上げることが行われる。このときの押圧力を予圧と言っているが、例えば従来のマスフローコントローラで約４０μｍの伸張を発生する圧電アクチュエータを用いた場合、全変位量のうち約３２μｍ（８０％）程度は弁座に当接するまでのバルブストローク、即ち流量制御に利用され、残りの約８μｍ（２０％）程度が弁座当接後の予圧発生のための伸張（実際はこのときは既に弁座にダイアフラムが当接しており変位なしで弁座に押し付けるだけ）に利用されているのが実状である。これを図３の線図で示せばａ線の軌跡となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した図４のマスフローコントローラの流量制御弁では、さらに弁座のシール部口径が拡がっていることから流入側流体の受圧面積が大きくなった。その為、差圧が大きくなると金属ダイアフラムを押し上げる力が大きくなり、圧電アクチュエータからの押圧力、すなわち予圧がさらに必要となる。実際、バルブストロークを犠牲にして予圧を増やす結果となり大流量化の効果が十分発揮できないということが分かってきた。特に弁座シール部の口径がφ３０ｍｍを超え５０ＳＬＭ以上の流量を流すようなマスフローコントローラでは、予圧の増加分が大きくなり無視できない阻害要因となっている。これを図３の例で示せばストロークが約７μｍ減少し、予圧が約１４Ｋｇｆ増えたｂ線の軌跡となる。また、長い間圧力を受けているとダイアフラム平坦部のシール面に変形やうねりが生じて流量制御の精度やシール性能に悪影響を及ぼすことになっていた。
【０００８】
以上のことから、本発明は図４に示したマスフローコントローラの改良に関し、弁座と金属ダイアフラムを直接接離させる流量制御弁を備えたマスフローコントローラにおいて、予圧を増加させることなく圧電アクチュエータの伸張をバルブストロークに有効利用して大流量化を達成できるマスフローコントローラを提供することを目的とする。
【０００９】
【発明を解決するための手段】
本発明は、流体の流入流路と、所定の流量比に設定されたバイパス流路と、所定の流量が分流されるセンサ流路と、該センサ流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサと、前記バイパス流路とセンサ流路の流体が合流して流れる中間流路と、中間流路と流出流路の間に設けた弁座と、この弁座のシール面に直接接離する平坦部を有し、この平坦部の外側に弾性変形部を形成すると共に外周縁を挟着した金属製ダイアフラムと、該金属製ダイアフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させる圧電アクチュエータとを有する流量制御弁と、前記流量センサと流量制御弁を制御する制御回路部とからなるマスフローコントローラにおいて、前記弁座はシール部が径方向外側に拡がった弁座を前記流出流路の入口端に装着し、前記金属ダイアフラムで仕切られる弁室に前記中間流路を連通して、流体を中間流路から弁室を介して弁座上部より流出流路に導き出し、前記弁室側に面した金属製ダイアフラムの受圧面積を流出流路側に面した非受圧面積より小さくなしたマスフローコントローラである。
【００１０】
そして、上記マスフローコントローラにおいて前記金属ダイアフラムの上面には、前記シール部に対向する位置に押さえ面を形成したダイアフラムスペーサを配置すること。また、弁座のシール部はテーパ状に金属製ダイアフラムの弾性変形部の近傍まで拡げることは望ましいことである。
【００１１】
以上のようにこのマスフローコントローラでは、弁座周りの流体の流れの経路を従来と逆にしている。これによって流入流体の圧力がかかる受圧部は金属ダイアフラムの外周部（挟着部の近傍）ということになる。この部分は中央部よりも剛性が高く金属ダイアフラムの変形やうねりは少ないからシール性能に与える影響は少なく圧電アクチュエータの押圧力を余分に必要としない。即ち、予圧が余分に必要でなくなりその分をバルブストローク側に回して大流量化が達成できる。また、弁座内径側の非受圧面積を拡げると共に金属ダイアフラム外径側の受圧面積をより小さくすることにより流量の確保と共に流量制御弁の小型コンパクト化が図られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明のマスフローコントローラの一実施例を示す縦断面図である。図２は、弁座周りの拡大図である。
先ず、図１のマスフローコントローラの全体構成について説明する。マスフローコントローラ１は、ステンレス材（SUS316L）等からなりブロック状の本体１０と流入側継手部２０と流出側継手部３０をそれぞれメタルＯリングを介してボルト部材１８で締結している。本体１０には流入流路１１とバイパス流路１２、中間流路１３、弁座４及び流出流路１４がそれぞれ形成され、流入流路１２と中間流路１３の間に流量センサ部２が構成され、中間流路１３の下流に流量制御弁６が構成されている。バイパス流路１２は、バイパス部材１５に下記するセンサパイプと同一のパイプを所定数詰め込んで所定の流量比を流すようにしたもので流路内に嵌入されている。本例ではこのバイパス部材１５の上部からセンサー流路（センサーパイプ）が分岐し再び中間流路１３側に開口している。センサパイプ２０は、例えば内径０．５ｍｍ程度のステンレス管を略Ｕ字状に形成したもので、パイプの上流側と下流側にはそれぞれ感熱コイル２２、２３が巻回されており、さらに他の抵抗体と組み合わせてブリッジ回路を構成し、これらによってセンサ部２を構成している。このセンサの感熱コイル２２、２３はガス温度より高い一定温度に加熱されるのであるが、上流側の感熱コイル２２は、ガスが流れることによって熱が奪われて温度が下がり、他方の下流側コイル２３は上流側で温まったガスが流れるために逆に温度が上がることになり温度勾配が生じる。このような熱移動はブリッジ回路の不平衡電圧として検出され、この電位差は質量流量に比例することから質量流量センサとして機能する。
【００１３】
さらに、上記した熱式質量流量センサ２からの流量信号は、増幅回路によって増幅され比較制御回路へ入力される。ここで予め設定された設定流量信号と比較され、その差分を無くすような駆動信号（バルブ駆動電圧）がアクチュエータ駆動部に入力され、その結果、流量制御弁６の開度を調節してガス流量を制御することができる。これらの制御は制御回路部３（図示せず）によって行われている。
【００１４】
ステンレス（SUS316L）材等からなる金属製弁座４は流出流路１４の入口端の隔壁１７にかしめ手段により装着されている。そして弁座４に対向して金属製ダイアフラム５（以下、金属ダイアフラムという。）が配置されており、この金属ダイアフラム５は弁座４のシール面４２に直接接離して中間流路１３と流出流路１４とが仕切られる。また、この金属ダイアフラム５に仕切られた弁座４の周囲に弁室４０を形成し、この弁室４０に通路１３１部分で中間流路１３が連通している。
【００１５】
弁座４は、図示のように上部に向けて外方に拡がるテーパ内面４１となし外周側に拡がった弁座シール面４２を形成している。尚、これは必ずしもテーパ内面である必要はなく平行面であっても外周側に拡がったシール面を形成していれば良い。また、同時に本体の上面１６と弁座シール面４２の高さ位置は同一面に形成し、弁座取付け後、弁座シール面４２と本体上面１６とを同時にラップ仕上げが可能なようにしている。尚、このラップ仕上げは、結果的にマスフローコントローラ本体１０の上面１６の全体が０．２Ｓ程度の鏡面に仕上げられるので流量制御弁およびセンサ部のメタルＯリングのシール面にも良好で加工上また組立上きわめて効率的である。
【００１６】
流量制御弁６は、鏡面仕上げされた本体上面１６に対してメタルＯリング６７とスペーサ６６を介して金属ダイアフラム５を載置し、ダイアフラム押さえ６２によって金属ダイアフラム５の外周縁部を挟着シールしボルト１８により本体１０に締結している。また、ハウジング６４を押さえ部材６３とボルト１８によってダイアフラム押さえ６２に立設している。一方、金属ダイアフラム５の上面には円盤状で下部の弁座シール面４２に対向する位置に押さえ面６１１を形成したダイアフラムスペーサ６１を配置しており、その上部に缶入りの圧電アクチュエータ６０を設け、両者は調芯作用のある凹凸６００と６１０及びベアリング６８を介して圧電アクチュエータ６０の押圧力を伝達するようにしている。圧電アクチュエータ６０は、望ましくは熱膨張係数が極めて小さい金属材料からなるケース内に積層型圧電素子体を密封したもので、その上部はハウジングキャップ６５とナットによってハウジング６４に対し軸芯を合わせた状態で螺合し組み付けられている。
【００１７】
このマスフローコントローラ１は、通常は金属ダイアフラム５の自己の弾性力によりダイアフラムスペーサ６１と圧電アクチュエータ６０は押し上げられており、シール面が開放された開弁状態となっている。そして、通電による圧電アクチュエータ６０の伸張をダイアフラムスペーサ６１に伝達してこれを下方に押し下げ、両者の間隙を調節して流量制御を行うノーマリーオープン形のマスフローコントローラである。尚、これは従来と同様にノーマリークローズ形のマスフローコントローラに構成することも可能である。
【００１８】
ところで上記した各部材は基本的にはステンレス材（SUS316Lなど）で形成されているが、金属ダイアフラム５については、Ｃｏ基合金やＮｉ−Ｃｏ合金、例えば本実施例では、重量％でＮｉ１３〜１８％、Ｃｒ１８〜２３％、Ｍｏ５〜９％、Ｃｏ３８〜４４％、残部Ｆｅおよび不純物からなる高弾性金属材料から構成し、耐食性と耐久性が高く、ばね性と自己復元力を有するものとしている。そして厚さ約０．１〜０．３ｍｍ程度の円形薄板で、中央部に平坦部５０とその外側に環状で断面半円形の弾性変形部５１を、更にその外側に挟着周縁部５２を形成したものである。この金属ダイアフラムでは剛性の低い平坦部がほとんどを占めているので剛性をアップするために平坦部に同材料の円形薄板をスポット溶接又は接着剤などで一体的に貼り付けたものを使用することもできる。
【００１９】
次ぎに図２を参照してこのマスフローコントローラ１をさらに説明する。
先ず、このマスフローコントローラの流体の流れ経路は、矢印で示すように流体は中間流路１３の通路１３１から弁室４０内に入り込み弁座４の周囲に拡がって弁座シール面４２の全周から入り下方に向かって流れ、そのまま流出流路１４側に導かれて流出する。すなわちこの経路は従来のマスフローコントローラとは逆の流れ方向となっている。これによって流入流体圧は矢印Ｐで示すように金属ダイアフラム５の外周部分にのみ作用する。この部分は弾性変形部５１と挟着部５２があるところで比較的剛性が高く変形やうねりが生じ難い所であるし、変形があっても流量制御の精度やシール性能に影響を与えない。逆に、金属ダイアフラムのシール面である平坦部５０に与える悪影響がなくシール性能が安定する。従って、圧電アクチュエータに目を向ければ余分な押圧力、すなわち予圧が小さくなり、その分バルブストロークを多くとれる。
【００２０】
また、差圧を一定としたときの流れ易さという面を考えると、弁座と金属ダイアフラムで仕切られたシール部に対して上流側である弁室４０の大きさが影響を与えることは少なく、シール面長さが長いことと下流側の部屋が大きいことが流れ易さに利いてくる。本例では弁座の上部シール部の口径を拡げシール長さを長くすると共に金属ダイアフラム５の外径を出来る限り小さくして受圧面積に差を付けて流れ易くすると共に小型コンパクト化を達成した。また、弁座のシール部の両側にある中間流路１３と流出流路１４も大きくしてコンパクトでありながら流れ易い構造としている。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマスフローコントローラによれば、流体圧力を押し下げる力及び流体圧力による金属ダイアフラムの変形やうねりが減少するので、シール性能に悪影響がなく圧電アクチュエータの力は少ない押圧力で足りる。よって、圧電アクチュエータの伸張の多くをバルブストローク側に利用して大流量を流すことができる。また、金属ダイアフラムの全体外径を小さくしてコンパクト化ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示すマスフローコントローラの縦断面図である。
【図２】  図１の弁座部分の拡大断面図である。
【図３】  圧電アクチュエータの荷重−変位の一例を示す特性線図である。
【図４】  大流量マスフローコントローラの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：マスフローコントローラ                    ２：センサー部
３：制御回路部                                ４：弁座
５：金属ダイアフラム                          ６：流量制御弁
１０：マスフローコントローラ本体            １１：流入流路
１２：バイパス流路                          １３：中間流路
１４：流出流路                              １５：バイパス部材
１６：本体の上面                            １７：隔壁
１８：締結部材（ボルト）                    １９：カバー
２０：流入側継手部材                        ３０：流出側継手部材
２１：センサパイプ                          ２２：上流側コイル
２３：下流側コイル                          ４０：弁室
４１：テーパ内面                            ４２：弁座シール面
５０：金属ダイアフラムの平坦部              ５１：弾性変形部
５２：金属ダイアフラムの周縁挟着部
６０：缶入り圧電アクチュエータ              ６１：ダイアフラムスペーサ
６２：ダイアフラム押さえ                    ６３：ハウジング押さえ
６４：ハウジング                            ６５：ハウジングキャップ
６６：外径スペーサ                          ６７：メタルＯリング
６８：ベアリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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