JPH11194833A - マスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量制御の精度や応答性、シール性能を向上
させることで、全開流量を増大させ応答時間を早くした
マスフローコントローラを提供する。 【解決手段】 センサ流路内を流れる流体の流量を検出
する流量センサ部２と、流体の流量を制御する流量制御
弁６と、制御回路部３とを有するマスフローコントロー
ラにおいて、前記流量制御弁６は、流入側流路１２およ
び流出側流路１３を有する流量制御弁本体と、前記流入
側流路端に設けた弁座４と、この弁座に接離する平坦部
を有した金属ダイアフラム５と、この金属ダイアフラム
５の上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるアクチュ
エータ６０と、からなり、前記アクチュエータ６０の下
部に金属ダイアフラム５を押圧するダイアフラムスペー
サ６１を設け、前記弁座４と金属ダイアフラム５との接
触面を除くダイアフラムスペーサ６１の押圧面に凹部６
１ａを設けたマスフローコントローラである。

Description

【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】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】従来のマスフローコントローラＭは、図４
に示すように微量流体（以下ガスを例にとって説明す
る。）の質量流量を検出するセンサ部２と、アクチュエ
ータ部８０を備えた流量制御弁８と、これらを制御する
制御回路部３（詳細は図示せず）とにより主に構成され
ている。このマスフローコントローラＭでは、まず流入
口（流入側継手）７１から流入したガスは流入流路７２
aの途中でセンサパイプ２０と、このパイプと同一のパ
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
パス管路７５とに分岐して流れ、これらは再び流入流路
７２b部分で合流し流入流路７２ｃまで流れるようにな
っている。

【０００４】ここでセンサパイプ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、両端は上記流入流路７２に開口している。センサ
パイプ２０の上流側と下流側にはそれぞれ感熱コイル２
１、２２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２１、２２
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２１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２２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。尚、このような質量流量センサの種類としては、定
電流センサ（特公昭56-23094号）や定温度センサ（特公
平4-49893号）及び定温度差センサ（特開平1-150817
号）等があり、これらのセンサを適宜利用することがで
きる。

【０００５】次に、上記した質量流量センサ２からの流
量信号は、増幅回路によって増幅され、その後比較制御
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）がアクチュエータ部に入力され、その結果、
流量制御弁８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。また、弁開度を精密に制御するに
は、数10μｍ程度のストローク範囲内で制御をすること
が必要となるためアクチュエータ部８０としては、小さ
なストロークではあるが大きな推力を発生することがで
きる積層型圧電素子体が通常用いられている。

【０００６】図４の流量制御弁８のアクチュエータ部も
積層型圧電素子体８０（以下、圧電アクチュエータとい
う）を用いており、金属製のダイアフラム（以下、金属
ダイアフラムという）を直接上下動させて流量制御する
流量制御弁である。この流量制御弁は、流入流路７２c
の端部に設けられた金属製弁座８１と、この弁座８１に
対向してダイアフラム押さえ８３によって周縁を挟持さ
れ、中央に平坦部を有しその外側に半円環状の弾性変形
部を形成した金属ダイアフラム８２と、内部に積層型圧
電素子体８０を収容し、金属ダイアフラム８２を押圧す
るようになした弁棒８４と、この弁棒８４を常時弁座８
１に当接させて閉弁状態におくためのバネ部材８８等か
ら構成されている。ここで積層型圧電素子体８０の上端
は調節部材８９に係止されており、一方の下端は弁棒８
４を貫通してブロック状本体７に載置されたブリッジ部
材８５に支持されている。又、金属ダイアフラム５と金
属弁座８１との間を押圧させるために、上部からダイア
フラムに圧をかけるよう押圧部分８６が本例では弁棒と
一緒に設置されている。この他にはダイアフラムスペー
サ部材を別体で設けることがある。

【０００７】従って、電圧印可によって積層型圧電素子
体８０が伸張すると、その推力の方向は、ブリッジ部材
８５によって反転しバネ部材８８に抗して弁棒８４を押
し上げる方向に作用する。その結果、金属ダイアフラム
８２は自身の復元力によって弁座８１から離間して流量
が調節されるものである。尚、この例はノーマリークロ
ーズ型の流量制御弁を示しているが、ブリッジ部材やバ
ネ部材の構造を変更したノーマリーオープン型の流量制
御弁も従来より用いられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように金属ダイ
アフラムを金属製弁座に直接接離（当接と離間をい
う。）させる流量制御弁では、金属ダイアフラムの剛性
が低いために接触面（以下、シール面という。）がうね
って閉め切り時のシール性が比較的悪いことがある。そ
のため金属ダイアフラムを弁座に当接させた後、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、例えばおよそ４
０μｍの変位を発生する圧電アクチュエータを用いた場
合、全変位量の内約３２μｍ（８０％）程度は弁座に当
接するまでの流量調節のストロークに利用され、残りの
約８μｍ（２０％）程度が弁座当接後のシール面圧発生
のための変位（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。

【０００９】しかしながら、 （１）従来、弁棒の下端部やダイアフラムスペーサの押
圧面が平面であったため、金属ダイアフラムのほぼ全面
に押圧力が分散してしまい、弁座とのシール性能低下の
原因となっていた。また、ダイアフラムにうねりや偏変
形を与える原因とも考えられた。 （２）また、ダイアフラムスペーサの押圧面は加工上フ
ライス盤で切削するため、面の中央部に切削されきれな
い凸部が残る。よってダイアフラムスペーサが金属ダイ
アフラムを押し下げ弾性変形させる際、凸部が原因とな
って金属ダイアフラムが予想と異なる変位を起こし、シ
ール性能が悪化してしまう。 以上のことよりシール性能が悪化すると応答時間が遅く
なり、全開流量も少なくなってしまうという問題があっ
た。

【００１０】以上のことより、本発明は上記の問題を解
決するもので、流量制御のシール性能を向上させること
で、全開流量を増大させ応答時間を早くしたマスフロー
コントローラを提供するものである。

【００１１】

【発明を解決するための手段】本発明は、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部と、流体の
流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有するマ
スフローコントローラにおいて、前記流量制御弁は、流
入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体と、
前記流入側流路端に設けた弁座と、この弁座に接離する
平坦部を有した金属製ダイアフラムと、この金属製ダイ
アフラムの上部に位置し弁座側に押圧力を発生させるア
クチュエータと、からなり、前記アクチュエータの下部
に前記金属製ダイアフラムを押圧するダイアフラムスペ
ーサを設け、前記弁座と金属製ダイアフラムとの接触面
を除くダイアフラムスペーサの押圧面に凹部を設けたマ
スフローコントローラである。ここで、弁座と金属ダイ
アフラムとのシール性を高めるためには、ダイアフラム
スペーサのダイアフラムと接触する部分が同一平面上に
なるよう設定し、均等に圧力がかけられる状態にするこ
とが望ましい。

【００１２】この発明によれば、凹部を設けたことによ
り金属ダイアフラムを押しつけるダイアフラムスペーサ
との押圧面積が小さくなり、弁座と金属ダイアフラムと
のシール部に集中して圧力をかけることが出来るので、
ガスに対するシール性能を上げることが出来る。また、
ダイアフラムスペーサの中央部に凹部を設けることにな
るから、従来生じていた凸部を同時に取り去ることにな
り金属ダイアフラムの変位、変形に悪影響を与えること
がなくなる。以上のことより、従来シール面圧を上げる
ために用いていた圧電アクチュエータの変位を流量調節
のストローク側にまわして利用できる。よって、制御可
能な流量範囲が拡大するし、バルブ駆動電圧も小さくて
すむことになる。尚、このダイアフラムスペーサの接触
部の形状は、通常円環状であるがダイアフラムや弁座の
形状・寸法、及びガスの種類等の関係から選択されるも
のであり、例えば入り組んで湾曲した閉曲線などでもよ
い。また、接触面がダイアフラムスペーサの上下移動方
向に垂直でなくともかまわない。

【００１３】

【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。尚、ここで図４と同一の構成につい
ては同一符号を付している。先ず、図１のマスフローコ
ントローラ１Ａの全体構成について説明する。マスフロ
ーコントローラ本体１は、ステンレス材（SUS316L）等
からなり流出側継手部を備えた本体１ａと流入側継手部
を備えた本体１ｂとから構成されている。本体１ａは流
量制御弁本体部分と継手部分とを含む一体的なブロック
状で、その流路は流入口１１と繋がる流入流路１２ａ、
バイパス流路１５、流入流路１２ｂ、流入流路１２ｃと
流れ、流路１２ｃの端部にはステンレス（SUS316L）材
等からなる金属製の弁座４がかしめ手段により装着され
ている。そして弁座４に対向して金属製のダイアフラム
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によって流入側流路１２と
流出側流路１３とが仕切られ、金属ダイアフラム５は弁
座４のシール面に直接接離するようになっている。さら
にこの金属ダイアフラム５に仕切られた弁座４の周囲に
流出流路１３ａが直接拡がっており、流出流路１３ａの
内壁１３ｗは弁座の取付け部となっている。そして、流
出流路１３ａは９０度折れ曲がって流出流路１３ｂと流
出口１４に繋がっている。従って、上記流入側流路１２
ｃから流出流路１３ｂまでは流量制御弁の部分であり、
以下この部分はマスフローコントローラ本体の中でも特
に流量制御弁本体という。

【００１４】さらに本体１ａは、従来と同様に流出側継
手部分を別体としたものでも良いが、一体の方が流入側
流路１２ｂ、１２ｃと流出側流路１３ｂ及び上部開口の
流路１３ａを同芯加工する上で効率的である。また、弁
座４を本体１ａに取り付けるにはねじ込み手段でも良
く、あるいは弁座４は本体１ａと一体もので本体１ａか
ら削り出しで成形することもできる。ただし取付部分の
寸法は従来とほぼ同じとし、弁座流入口４１の口径は肉
厚強度上可能な限り大きくとることが好ましい。そして
流入口４１の途中からは外方に拡がるテーパ内面４２と
なし出来る限り外周側に拡がった弁座口４３を形成して
いる。また同時に少なくとも流量制御弁本体部分の上面
１６と弁座流出口の接触面４４（以下シール面４４とい
う。）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４４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１ａの上面１６の全
体が０．２Ｓ程度の鏡面に仕上げられるのでセンサ部の
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。

【００１５】その後、この鏡面仕上げされた本体上面１
６に対して、メタルＯリング６９ｂとスペーサ６９ａ、
弁座スペーサ（８０μｍ程度）６９ｃを介して金属製ダ
イアフラム５を載置し、ダイアフラム押さえ６２によっ
て金属製ダイアフラム５の周縁部を挟着し、その上にハ
ウジング６３とフタ６４をボルトを用いて本体１ａに締
結している。一方、金属ダイアフラム５の上面には円盤
状のダイアフラムスペーサ６１が乗せられており、先に
述べたように金属ダイアフラム５とのシール面４４を除
く中央部に凹部６１ａが設けてある。通常金属ダイアフ
ラム５は弁座のシール面４４の形に合うように円形状な
為、押付け面圧が金属ダイアフラムに均等にかかるよう
にダイアフラムスペーサ６１の凹部６１ａも接触面に対
し円形状に設ける方がよい。ダイアフラムスペーサ６１
は調芯作用のある硬球６５とピエゾスペーサ６６及びベ
アリング６６ａ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。

【００１６】圧電アクチュエータ６０は、ステンレス等
の金属製、望ましくは熱膨張係数が積層圧電体素子のそ
れに近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６８
ａとナット６８ｂによってハウジング６３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。このマスフ
ローコントローラは、通常はばね６７によって圧電アク
チュエータ６０は押し上げられており、よって金属ダイ
アフラム５は自己の弾性力により離座した開弁状態とな
っている。そして、通電によってばね力に抗してダイア
フラムスペーサ６１を下方に押し下げ、金属ダイアフラ
ム５の移動量を調節して流量制御を行うノーマリーオー
プン型のマスフローコントローラである。尚、これは上
述した従来と同様のノーマリークローズ型のマスフロー
コントローラに構成することも可能である。

【００１７】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、自己復元力を有するものと
している。そして厚さ約０．１５ｍｍ程度の円形薄板
で、中央部に平坦部５１とその外側に環状で断面半円形
の弾性変形部５２を、更にその外側に挟着周縁部５３を
形成したものである。さらに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。

【００１８】次に図２を参照してこのマスフローコント
ローラ１Ａをさらに説明する。まず、上述した通り弁座
４のシール面４４と少なくとも流量制御弁本体の上面１
６とは同一面になるように組み付け、その後ラップ仕上
げを行っている。これによって弁座のシール面４４と金
属ダイアフラム５とダイアフラム押さえ６２等を積み重
ねていく面との平面度が一致し、またアクチュエータの
軸芯と弁座や金属ダイアフラム、ダイアフラムスペーサ
の軸芯が一致する。よって、圧電アクチュエータの全ス
トロークを無駄なく有効に利用できる。また弁座のシー
ル面と金属ダイアフラムの平坦部が常に平面を保って移
動するのでより精密な流量制御ができるようになる。

【００１９】次に、この弁座４の内面４２はテーパ状に
拡がっており、端部の弁座流出口４３は金属ダイアフラ
ムの平坦部５１の最外周領域に位置し、シール面４４が
形成されている。本実施例ではシール面４４よりダイア
フラムスペーサ６１の外径の方を若干大きくなるように
し、また内側は凹部６１ａを設けて面圧を上げると共に
金属ダイアフラムの中央のうねりや変形を無視できるよ
うにしてシール性能を向上させている。この際ダイアフ
ラムスペーサ６１に設ける凹部６１ａの幅、深さなどは
ダイアフラムスペーサ６１の剛性を損わないよう設定し
なければならない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明のマスフロー
コントローラは、 （１）ダイアフラムスペーサに凹部を設けたことにより
金属ダイアフラムとの接触面積が小さくなることでシー
ル面圧がダイアフラムと弁座との間で十分にかかり、弁
座とのシール性能が向上した。 （２）切削加工上残ってしまうダイアフラムスペーサの
金属ダイアフラムとの接触面の凸部を無くすことにより
金属ダイアフラムの中心を対称に変形させることがで
き、ガスに対する弁座とのシール性能が高まった。

【００２１】このシール性能を向上させることによっ
て、シール面圧を上げるために用いていた変位（予圧）
が少なくてすみ、その分を流量調節のためのストローク
側に利用できる。よって図３に示すとおり、 （１）全開流量が増大した（Ｑ₁＜Ｑ₂）。 （２）流れだし電圧が小さくなり（Ｖ₂＜Ｖ₁）、これに
より制御の面から無駄時間が減少され、応答時間の短縮
に繋がった。 以上のようにシール性能を向上させることで、全開流量
を増大させ応答時間を早くしたマスフローコントローラ
を提供することができた。

【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。

【図２】 図１の弁座部分の拡大断面図。

【図３】 流量−バルブ電圧の関係の模式図

【図４】 従来のマスフローコントローラの一例を示す
縦断面図。

【符号の説明】

１Ａ、Ｍ：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 １１：流入口 １２
（ａ、ｂ、ｃ）：流入流路 １３（ａ、ｂ）：流出流路 １４：
流出口 １５：バイパス流路 ２０：
センサパイプ ２１：上流側コイル ２２：
下流側コイル ４１：弁座の流入口 ４２：
テーパ内面 ４３：弁座口 ４４：
弁座のシール面 ５１：金属ダイアフラムの平坦部 ５２：
弾性変形部 ５３：金属ダイアフラムの周縁部 ６０：圧電アクチュエータ ６１：
ダイアフラムスペーサ ６１ａ：ダイアフラムスペーサ凹部 ６２：
ダイアフラム押さえ ６３：ハウジング ６４：
フタ ６５：硬球 ６６：
ピエゾスペーサ ６６ａ：ベアリング ６７：
ばね ６８ａ：ハウジングキャップ ６８
ｂ：ナット ６９ａ：外径スペーサ ６９
ｂ：メタルＯリング ６９ｃ：弁座スペーサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ流路内を流れる流体の流量を検出
   する流量センサ部と、流体の流量を制御する流量制御弁
   と、制御回路部とを有するマスフローコントローラにお
   いて、前記流量制御弁は、 流入側流路および流出側流路を有する流量制御弁本体
   と、 前記流入側流路端に設けた弁座と、 この弁座に接離する平坦部を有した金属製ダイアフラム
   と、 この金属製ダイアフラムの上部に位置し、弁座側に押圧
   力を発生させるアクチュエータと、 からなり、前記アクチュエータの下部に前記金属製ダイ
   アフラムを押圧するダイアフラムスペーサを設け、前記
   弁座と金属製ダイアフラムとの接触面を除くダイアフラ
   ムスペーサの押圧面に凹部を設けたことを特徴とするマ
   スフローコントローラ。