KR102109146B1

KR102109146B1 - 유체제어밸브 및 매스 플로우 콘트롤러

Info

Publication number: KR102109146B1
Application number: KR1020130164122A
Authority: KR
Inventors: 시게유키 하야시
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: US9328826B2; CN103912690A; KR20140090081A; US20140190578A1; CN103912690B; JP2014132188A; JP6081800B2

Abstract

유체제어밸브의 내부에서의 용적을 작게 하는데 적합한 구성의 유체제어밸브 및 그것을 이용하여 유체제어밸브가 전폐했을 때에 측정되는 측정유량값이 단시간에 제로가 되도록, 밸브체부재(6)과 함께 유체제어밸브(V)를 구성하는 것이며, 내부에 형성된 밸브내 유로(51)와, 상기 밸브체부재(6)의 착좌면(62)과 접리하는 밸브시트면(58)을 구비하는 밸브시트블록(5)으로서 하류측 유로와 연통하도록 돌출부의 일부에 노치(541)를 형성했다.

Description

유체제어밸브 및 매스 플로우 콘트롤러 {FLUID CONTROL VALVE AND MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은, 예를 들면 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller) 등에 이용되는 것이고, 밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브에 관한 것이다.

유체제어밸브란, 상류측 유로와 하류측 유로와의 사이에 개재(介在)하여 이들에 흐르는 유체의 유량이나 압력을 제어하거나, 각 유로 사이에 유체가 흐르지 않도록 전폐(全閉)하거나 하는 것이다.

예를 들면, 상류측으로부터 차례로 열식(熱式)의 유량센서와, 이와 같은 유체제어밸브를 구비한 열식의 매스 플로우 콘트롤러가 반도체 제조 프로세스에 이용되고 있다.

최근, 반도체 제조 프로세스에서는 종래보다도 고정밀도의 유량제어 성능이 요구되고 있고, 열식의 매스 플로우 콘트롤러로부터 열식의 유량센서보다도 측정 정밀도나 응답성이 좋은 압력식의 유량센서를 구비한 압력식의 매스 플로우 콘트롤러로 치환되는 것이 있다.

그런데, 압력식의 매스 플로우 콘트롤러(100A)에서는, 특허문헌 1 및 도 8의 (a)에 나타내는 바와 같이 상류로부터 차례로 유체제어밸브(V)와, 압력식의 유량센서(FS)를 구성하는 제1 압력센서(P1), 유체저항(L) 및 제2 압력센서(P2)가 마련된 것이 있다.

상술한 유체제어밸브 측이 유량센서보다도 하류측에 있는 열식의 매스 플로우 콘트롤러로부터, 이와 같은 유체제어밸브(V)가 압력식의 유량센서(FS)보다도 상류측에 마련된 압력식의 매스 플로우 콘트롤러(100A)로 치환을 행한 경우, 유체제어밸브(V)를 전폐상태로 했을 때에 유량센서(FS)로부터 출력되는 측정유량값의 나타나는 방법의 차이가 문제가 되는 경우가 있다.

즉, 상술한 열식의 매스 플로우 콘트롤러의 구성인 경우는, 유체제어밸브가 전폐되면 대략 동시에 측정유량값이 제로로서 출력되는데 대하여, 도 8의 (a)과 같은 구성의 압력식의 매스 플로우 콘트롤러(100A)인 경우는, 유체제어밸브(V)가 전폐되어도 소정 시간이 걸려 측정유량값이 저하해 가서 제로로 점근(漸近)해 가게 된다. 유체제어밸브(V)를 전폐했을 때의 측정유량값의 거동에 차이가 있으면, 측정유량값을 트리거(trigger)로서 각종 시퀀스(sequence)가 구성되어 있는 반도체 제조 프로세스에서는 문턱값의 설정 등을 다시 하는 등의 필요가 있어, 매스 플로우 콘트롤러의 치환을 행하기 어려워지는 경우가 있다.

이와 같이 도 8의 (a)과 같은 구성의 매스 플로우 콘트롤러(100A)에 있어서, 유체제어밸브(V)가 전폐되어도 순간적으로 측정유량값이 제로가 되지 않는 현상이 발생하는 것은, 유체제어밸브(V)를 전폐한 시점에서, 유체제어밸브(V)로부터 유체저항(L)까지의 용적에 남아 있는 유체가 하류측으로 흐르기 때문이다.

따라서, 유체제어밸브(V)로부터 유체저항(L)까지의 용적을 가능한 한 작게 구성하면, 상기의 압력식의 매스 플로우 콘트롤러(100A)에서도 유체제어밸브(V)가 전폐되고 나서 측정유량값이 제로 또는 그 근방의 값까지 저하하는데 걸리는 시간을 짧게 할 수 있고, 실질적으로 열식의 매스 플로우 콘트롤러의 유체제어밸브를 전폐시켰을 때와 동일한 거동을 시킬 수 있게 된다.

그렇지만, 상술한 용적에 대해서는 특히 유체제어밸브(V)를 소형화하여, 그 용적을 작게 하는 것은 어렵다.

보다 구체적으로는, 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이 유체제어밸브(V)는 밸브시트블록(5A)과, 밸브체부재(6A)와, 상기 밸브체부재(6A)를 구동하는 피에조 스택(piezo stack, 압전적층)(31A)을 구비하는 액추에이터(3A)와, 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서 피에조 스택(31A)을 초기 위치의 위쪽으로 되돌리기 위한 코일 스프링(SP)을 구비한 것이다. 그리고, 상기 밸브시트블록(5A)은, 도 9에 나타내는 바와 같이 개략 원통 형상을 이루고, 저면부(52A)와 상면부(53A)에 개구(開口)하고, 상류측 유로와 연통하도록 내부에 형성된 제1 밸브내 유로(51a)와, 상면부(53A)와 외측 둘레면(59A)의 저부 측에 개구하고, 하류측 유로(23)와 연통하도록 내부에 형성된 'L'자 형상의 제2 밸브내 유로(51b)와, 상면부(53A)에서 상기 제1 밸브내 유로(51a)의 유출 개구와 상기 제2 밸브내 유로(51b)의 유입 개구를 틈새 없이 둘러싸도록 돌출시키고 있고, 조립시에 저면부(52A) 측으로 가압되는 가압면(55A)을 상부에 구비하는 원환(圓環) 모양의 돌출부(54A)를 구비한 것이다. 도 8의 (b) 및 도 9의 이점쇄선(二点鎖線)에 의한 화살표로부터 알 수 있는 바와 같이, 상류측 유로(22)로부터 흘러나오는 유체는 상기 제1 밸브내 유로(51a), 상면부(53A)에서의 돌출부(54A)의 내측 부분, 상기 제2 밸브내 유로(51b), 외측 둘레면과 매스 플로우 콘트롤러의 보디와의 틈새, 하류측 유로(23)의 순서로 흐르게 된다.

이와 같은 구조의 밸브시트블록(5A)을 동일한 형상 그대로 소형화하여, 내부의 용적을 작게 하려고 하면, 제1 밸브내 유로(51a)와 제2 밸브내 유로(51b)의 양쪽을 내부에 형성하는 것은 스페이스의 관계상 어렵다. 또, 만일 소형화하면서 양쪽의 밸브내 유로를 형성할 수 있었다고 해도, 이들 2개의 밸브내 유로가 있으면 그만큼 내부의 용적을 작게 할 수 없고, 결과적으로 전폐시에 압력식의 매스 플로우 콘트롤러(100A)에서 측정되는 측정유량값을 단시간에 제로가 되도록 하는 것은 어렵다.

[특허문헌 1] 일본국 특개2010-230159호 공보

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 밸브시트블록이 내부에서의 용적을 작게 하는데 적합한 구성을 가지고 있는 유체제어밸브 및 그것을 이용하여 유체제어밸브가 전폐했을 때에 측정되는 측정유량값이 단시간에 제로가 되는 매스 플로우 콘트롤러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 유체제어밸브는, 밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브이고, 상기 밸브시트블록이, 내부에 형성된 밸브내 유로와, 상기 밸브체부재의 착좌면(着座面)과 접리(接離)하는 밸브시트면을 구비하는 것으로서, 상기 밸브시트블록이, 상기 밸브내 유로의 상류단이고, 상류측 유로와 접속되는 유입 개구가 형성된 일단면부와, 상기 밸브내 유로의 하류단이고, 상기 유입 개구로부터 유입된 유체가 상기 밸브시트블록의 외부로 유출되는 유출 개구가 형성된 타단면부와, 상기 타단면부에서 상기 유출 개구의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출시켜 형성되어 있으며, 그 상부에 일단면부측으로 가압되는 가압면을 구비하는 돌출부와, 하류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부의 일부에 형성된 노치(notch)를 구비한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것으로 하면, 상기 돌출부의 일부에 노치가 형성되어 있으므로, 상류측 유로로부터 상기 밸브내 유로로 유입된 유체는 유출 개구로부터 상기 노치를 통하여 하류측 유로로 흐르게 할 수 있다.

따라서, 상기 밸브시트블록의 내부에 1개만 밸브내 유로를 형성하는 것만으로 상류측 유로와 하류측 유로와의 사이에 상기 밸브체부재와 함께 유체제어밸브를 구성할 수 있어, 1개밖에 내부유로를 형성할 필요가 없으므로, 밸브시트블록 자체를 소형화하기 쉽고, 유체제어밸브 내에서의 용적도 작게 하기 쉽다.

이것으로부터, 본 발명의 유체제어밸브를 매스 플로우 콘트롤러에 이용했을 경우에는, 상기 유체제어밸브에서 밸브체부재로부터 하류측 유로의 개구까지의 용적을 작게 형성할 수 있으므로, 예를 들면 상류측에 배치된 유체제어밸브로부터 상기 유체제어밸브의 하류측에 있는 유량센서까지의 용적도 작게 할 수 있다. 이 때문에, 전폐시에 유체제어밸브와 유량센서와의 사이에 남아 있는 유체의 양을 줄일 수 있으므로, 상기 유체제어밸브를 전폐하고 나서 유량센서에서 측정되는 측정유량값이 단시간에 제로에 가까워지도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 유체제어밸브에 의해서, 전폐시에서의 측정유량값의 변화 특성을, 기존의 반도체 제조 프로세스에서서 이용되고 있는 매스 플로우 콘트롤러와 대략 동일하게 할 수 있어, 치환하기 쉬워진다.

상기 노치를 복수 형성했을 경우에도, 한 번 각 노치를 통과한 유체를 모은 후에 하류측 유로로 흐르게 하는 것이 가능하게 되고, 유체제어밸브로서 흐르게 할 수 있는 유량을 소정량만큼 확보하기 쉽게 하려면, 상기 유출 개구로부터 유출된 유체가 상기 노치를 지나, 상기 밸브시트블록의 외측 둘레면을 거쳐 하류측 유로로 흐르도록 구성한 것이면 된다.

조립시에 상기 가압면으로부터 가해지는 힘에 의한 상기 밸브체 블록의 변형을 대칭인 것으로 하고, 밸브체부재의 착좌면과 접촉하는 밸브시트면의 평면도를 유지할 수 있도록 하려면, 상기 돌출부가 원환 모양으로 형성되어 있으며, 상기 노치가 둘레방향으로 등간격으로 3개 형성되어 있는 것이면 된다.

조립상태에서 하류측 유로가 밸브체 블록의 일단면부측에 있고, 상기 노치를 통과한 유체를 일단면부측으로 외측 둘레면을 거쳐 흐르게 하는데 적합한 형상으로서는, 상기 외측 둘레면이, 상기 타단면부측이 대경(大徑), 상기 일단면부측이 소경(小徑)인 2단 원통 형상의 측면을 이루고 있고, 상기 외측 둘레면의 상기 타단면부측에서 상기 노치부 근방이 축방향으로 잘려나간 잘림부가 형성되어 있으면 된다.

상기 밸브체부재가 초기 위치에 있는 상태에서, 상기 착좌면과 상기 밸브시트면이 접촉하고 있는 노말 클로즈 타입의 유체제어밸브를 구성하는데 적합한 구성으로서는, 상기 일단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 밸브시트면이 형성되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 일단면부에 형성되어 있는 밸브시트면이, 조립시에 상기 타단면부에 형성되어 있는 상기 가압면으로부터의 가압력에 의해서 변형하는 것을 방지하고, 조립된 상태에서도 밸브시트면의 평면도를 유지할 수 있도록 하려면, 상기 일단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 돌출부보다도 외경 치수가 작은 원환 모양의 오목홈이 형성되어 있으면 된다. 이와 같은 것으로 하면, 상기 가압면으로부터의 가압력에 의한 변형은 상기 오목홈의 외측 부분에서 대략 발생하게 되며, 일단면부에서 상기 오목홈보다도 내측에서는 대략 변형이 생기지 않고 밸브시트면의 평면도를 유지할 수 있다.

상기 밸브체부재가 초기 위치에 있는 상태에서, 상기 착좌면과 상기 밸브시트면이 이간(離間)하고 있는 노말 오픈 타입의 유체제어밸브를 구성하는데 적합한 구성으로서는, 상기 타단면부에서 상기 돌출부보다도 내측에서 상기 유출 개구의 주위를 둘러쌈과 아울러 상기 가압면보다도 낮은 높이까지 돌출시켜 상기 밸브시트면이 형성되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 유체제어밸브의 소형화에 적절하고, 상류측 유로로부터의 유체가 상기 밸브시트블록의 외측 둘레면으로부터 노치를 지나, 상기 밸브내 유로의 유입 개구로 유입되며, 그 후, 유출 개구로부터 하류측 유로로 유출되도록 구성하려면, 밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브이고, 상기 밸브시트블록이 내부에 형성된 밸브내 유로와, 상기 밸브체부재의 착좌면과 접리하는 밸브시트면을 구비하는 것으로서, 상기 밸브시트블록이, 상기 밸브내 유로의 하류단이고, 하류측 유로와 접속되는 유출 개구가 형성된 일단면부와, 상기 밸브내 유로의 상류단이고, 상기 밸브시트블록의 외부로부터 유체가 유입되는 유입 개구가 형성된 타단면부와, 상기 타단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출해 있으며, 일단면부측으로 가압되는 가압면을 구비하는 돌출부와, 상류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부의 일부에 형성된 노치를 구비한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브이면 된다.

본 발명의 유체제어밸브와, 상기 유체제어밸브의 하류측에 마련된 유량센서를 구비한 매스 플로우 콘트롤러로 하면, 유체제어밸브로부터 유량센서까지의 용적을 매우 작게 구성할 수 있어, 유체제어밸브를 전폐했을 때로부터 단시간에 측정유량값의 값이 제로 또는 제로 근방의 값이 되도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명으로 하면, 상기 타단면부에서 상기 밸브내 유로의 유출 개구를 둘러싸도록 돌출시켜 형성되는 가압면을 가진 돌출부의 일부에 노치를 형성하는 것에 의해, 밸브내 유로를 1개만 마련하는 것만으로, 상류측 유로, 밸브시트블록, 하류측 유로로 유체를 흐르게 할 수 있게 된다. 따라서, 복수의 밸브내 유로를 마련할 필요가 없는 신규의 유로 구성으로 되어 있으므로, 밸브시트블록으로서의 기능을 유지하면서 소형화를 실현할 수 있고, 나아가서는 유체제어밸브로서의 용적을 작게 할 수 있다. 이와 같이 용적을 작게 할 수 있으므로, 유체제어밸브를 전폐한 후에 흐르는 유체의 양을 줄일 수 있어, 후단에 있는 유량센서에서 측정되는 측정유량값이 제로 또는 제로 근방이 될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 그리고, 본 발명의 유체제어밸브를 이용한 매스 플로우 콘트롤러로 하면, 유체제어밸브를 전폐했을 때의 특성을 종래부터 이용되고 있는 것과 거의 동일한 특성으로 할 수 있어, 기존의 매스 플로우 콘트롤러로부터의 치환을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 밸브시트블록 및 매스 플로우 콘트롤러를 나타내는 모식도.
도 2는 제1 실시형태에서의 유체제어밸브를 구성하는 밸브시트블록의 주변을 확대한 모식적 단면 확대도.
도 3은 제1 실시형태에서의 밸브시트블록의 모식적 상면도 및 노치 주변을 확대한 모식적 확대도.
도 4는 제1 실시형태에서의 밸브시트블록 및 유체의 흐름을 나타내는 모식적 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 유체제어밸브를 구성하는 밸브시트블록을 나타내는 모식적 단면 확대도.
도 6은 제2 실시형태에서의 밸브시트블록 및 유체의 흐름을 나타내는 모식적 사시도.
도 7은 그 외의 실시형태에서의 밸브시트블록 및 오목부의 구성을 나타내는 모식도.
도 8은 종래의 매스 플로우 콘트롤러의 구성 및 이용되고 있는 밸브시트블록의 형상을 나타내는 모식도.
도 9는 종래의 밸브시트블록 및 유체의 흐름을 나타내는 모식적 사시도.

<제1 실시형태>

본 발명의 제1 실시형태에 관한 유체제어밸브(V) 및 매스 플로우 콘트롤러(100)에 대해서 도 1 내지 4를 참조하면서 설명한다.

제1 실시형태의 매스 플로우 콘트롤러(100)는, 반도체 제조장치에 이용되는 것으로서, 도 1에 나타내는 바와 같이 측정대상이 되는 유체가 흐르는 유로(2)를 내부에 형성한 보디(1)와, 이 유로(2)를 흐르는 유체가 보디(1) 내로 유입된 시점 또는 보디(1)로 들어가기 전의 상류측에서의 압력을 측정하기 위한 초단(初段) 압력센서(P)와, 유로(2)를 흐르는 유체의 유량을 제어하기 위한 유체제어밸브(V)와, 이 유로(2)를 흐르는 유체의 유량을 측정하기 위한 유량센서(FS)와, 목표 유량값과 상기 유량센서(FS)에서 측정되는 측정유량값과의 편차가 작아지도록 상기 유체제어밸브(V)의 개도(開度)를 피드백 제어하는 제어부(도시생략)를 구비한 것이다.

여기서, 상기 초단 압력센서(P), 상기 유체제어밸브(V), 상기 유량센서(FS)는 이 순서로 상류로부터 차례로 마련되어 있다. 즉, 상기 유량센서(FS)는 상기 유체제어밸브(V)보다도 하류측에 마련되어 있다.

각 부에 대해서 상세히 설명한다.

상기 보디(1)는 상술한 유로(2)가 내부를 관통하는 블록 모양을 이루는 것이고, 당해 유로(2)의 상류단이 인렛 포트(IP, inlet port)로서 외부 유입 배관(도시생략)에 접속되어 있음과 아울러, 하류단이 아울렛 포트(OP, outlet port)로서 외부 유출 배관(도시생략)에 접속되어 있다. 또, 상기 보디(1)의 내부에 형성되어 있는 유로(2)는 상기 인렛 포트(IP)와 초단 압력센서(P)를 접속하는 제1 유로(21), 상기 초단 압력센서(P)와 상기 유체제어밸브(V)를 접속하는 제2 유로(22), 상기 유체제어밸브(V)와 후술하는 층류(層流)소자(L)를 접속하는 제3 유로(23), 상기 층류소자(L)와 후술하는 제2 압력센서(P2)를 접속하는 제4 유로(24), 상기 제2 압력센서(P2)로부터 아울렛 포트(OP)까지를 접속하는 제5 유로(25)로 구성되어 있다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 유체제어밸브(V)와 상기 층류소자(L)와의 사이를 접속하는 상기 제3 유로(23)의 지름은 적어도 상류측에 있는 제1 유로(21) 및 제2 유로(22)보다도 가늘게 형성되어 있고, 상기 유체제어밸브(V)로부터 상기 층류소자(L)까지의 용적이 작아지도록 되어 있다.

또한, 이하의 설명에 있어서, 특히 상기 유체제어밸브(V)에 관한 사항을 설명하는 경우에는, 상기 제2 유로(22)를 상류측 유로, 상기 제3 유로(23)를 하류측 유로라고도 부르는 것으로 한다.

상기 초단 압력센서(P)는 상기 외부 유입 배관으로부터 유입되는 유체의 상류측에서의 압력변화를 측정하기 위해서 마련되어 있으며, 예를 들면, 이 초단 압력센서(P)에서 측정되는 측정 압력값에 근거하여 상기 제어부는 피드백 제어를 위한 제어칙을 전환하도록 구성하고 있다.

상기 유량센서(FS)로서는, 여러 가지 것을 이용할 수 있지만, 여기에서는 유량의 측정 정밀도 및 응답성이 좋은, 이른바 압력식의 유량센서(FS)를 채용하고 있다. 이 압력식의 유량센서(FS)는 상류로부터 차례로 상기 유체제어밸브(V)의 하류의 압력을 측정하는 제1 압력센서(P1)와, 유체저항인 층류소자(L)와, 층류소자(L)의 하류측의 압력을 측정하는 제2 압력센서(P2)로 이루어지는 것이다. 상기 층류소자(L)에 의해서, 그 전후에서 압력차가 생기고, 상기 제1 압력센서(P1)와, 상기 제2 압력센서(P2)에서 측정되는 각각의 압력에 근거하여 유량은 측정된다. 또, 제1 실시형태에서는, 예를 들면 층류소자(L)를 보디(1)의 높이 치수에서 개략 중앙이 되도록 보디(1)의 내부에 배치되어 있고, 보디(1)의 상면 측에 있는 상기 유체제어밸브(V)로부터 상기 층류소자(L)까지의 거리를 짧게 하여, 이들 사이를 잇는 제3 유로(23)의 용적이 작아지도록 되어 있다.

상기 유체제어밸브(V)는 상류측 유로인 제2 유로(22)와 하류측 유로인 제3 유로(23)와의 사이를 접속하도록 마련되어 있고, 밸브시트블록(5)과 밸브체부재(6)의 이간거리에 의해서 통과할 수 있는 유체의 유량을 제어하는 것이다. 즉, 상기 유체제어밸브(V)는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 위쪽으로부터 차례로, 액추에이터(3), 플런저(4), 밸브시트블록(5), 밸브체부재(6), 판스프링(7), 지지부재(8)를 구비한 것이다. 보다 구체적으로는 밸브시트블록(5)과 밸브체부재(6)의 이간거리는 상기 액추에이터(3)의 움직임이 상기 플런저(4)에 의해 상기 밸브체부재(6)로 전달되어 조절된다. 또, 상기 판스프링(7)은 도 2에 나타내는 바와 같이 중앙부의 관통구멍과 유체를 통과시키기 위한 슬릿이 복수 형성되어 있는 것이고, 상기 지지부재(8)로부터 상기 밸브체부재(6)를 액추에이터(3) 측으로 밀어 올려, 초기 상태에서는 상기 밸브체부재(6)와 상기 밸브시트블록(5)이 계속 접촉하도록 하여 노말 클로즈 타입인 것이 되도록 되어 있다.

상기 액추에이터(3)는, 예를 들면, 피에조 소자를 복수 매 적층하여 형성되는 피에조 스택(31)을 구비한 것이다. 이 피에조 스택(31)이 수용되는 케이싱 부재(32)는 상기 보디(1)에 대해서 장착되는 플랜지부와, 상기 피에조 스택(31)이 수용되는 원통부가 일부재로서 형성되어 있다. 상기 케이싱은 열팽창율이 작은 인바(invar) 등의 부재로 형성되어 있으며, 거의 열변형이 생기지 않도록 되어 있다. 따라서, 주위 온도나 유체의 온도 등의 영향을 상기 케이싱은 거의 받지 않으므로, 온도에 관계없이 상기 피에조 스택(31)에 인가되는 전압에 따른 변위량으로 할 수 있어, 전압-변위 특성에서의 히스테리시스(hysteresis)를 작게 할 수 있다.

상기 플런저(4)는 외주부에서 형성되어 조립시에 상기 케이싱 부재(32)의 플랜지 부분이 고정되는 것에 의해 후술하는 상기 밸브시트블록(5)의 가압면(55)을 저면 측으로 가압하는 원환 모양부(41)와, 중앙부에 형성되어 상기 피에조 스택(31)의 변위를 상기 밸브체부재(6)로 전달하는 막대 모양부(42)와, 상기 원환 모양부(41)와 상기 막대 모양부(42)를 접속하는 다이어프램부(43)로 구성되어 있다. 이 플런저(4)는 상기 액추에이터(3)에 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서 초기 위치에 피에조 스택(31)을 되돌리는 반발력이 다이어프램부(43)에서 발생하도록 알루미늄 등의 탄성이 좋은 재료로 형성되어 있다. 따라서, 도 8에서의 종래예의 유체제어밸브(V)와 같이 상기 피에조 스택(31)을 초기 위치로 되돌리기 위한 코일 스프링(SP) 등이 필요없어, 상기 유체제어밸브(V)의 구성을 간략화함과 아울러 소형화하는데 공헌하고 있다.

상기 밸브시트블록(5)은, 도 2 내지 4에 나타내는 바와 같이, 그 일단면부인 저면부(52)에 상기 밸브체부재(6)의 착좌면(61)과 접촉하는 밸브시트면(58)이 형성되어 있고, 저면 측을 소경, 상면 측을 대경으로 한 개략 2단 원통 형상을 이루는 것이며, 중앙부에 축방향으로 연장하는 밸브내 유로(51)가 형성되어 있다.

보다 구체적으로는, 상기 밸브시트블록(5)은 상기 밸브내 유로(51)의 상류단이고, 상류측 유로와 접속되는 유입 개구(511)가 형성된 일단면부인 저면부(52)와, 상기 밸브내 유로(51)의 하류단이고, 상기 유입 개구(511)로부터 유입된 유체가 상기 밸브시트블록(5)의 외부로 유출되는 유출 개구(512)가 형성된 타단면부인 상면부(53)와, 상기 상면부(53)에서 상기 유출 개구(512)의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출시켜 형성되어 있고, 그 상부에 조립시에 저면부(52) 측으로 가압되는 가압면(55)을 구비하는 돌출부(54)와, 하류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부(54)의 일부에 형성된 노치(541)를 구비한 것을 특징으로 한다. 여기서, 저면부(52) 및 상면부(53)는 도시하고 있는 바와 같이 연직방향에만 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 보디(1)의 오목부(11) 내에 상기 밸브시트블록(5)이 조립된 상태에서, 내부측이 되는 측을 저면부(52), 외부로 향하고 있는 측을 상면부(53)로 정의할 수 있다.

상기 상면부(53)에는 최외주 부분에 개략 원환 모양의 돌출부(54)가 축방향으로 돌출되어 있다. 바꾸어 말하면, 상기 상면부(53)는, 도 3의 (a)의 상면에서 보는 것과 같이, 내측에 유출 개구(512)가 개구하는 개략 원 모양의 유출 평면(56)과, 상기 유출 평면(56)의 외측에 인접하여 원환 띠 모양의 가압면(55)이 형성되어 있으며, 상기 유출 평면(56)에 대해서 가압면(55)이 높아지도록 되어 있다. 이 돌출부(54)는 상기 액추에이터(3)에 의해 밀려 상기 플런저(4)의 다이어프램부(43)가 변형했을 때에 상면부(53)의 유출 평면(56)과 간섭하지 않도록 하기 위한 스페이서로서의 기능을 발휘한다. 또한 상면부(53)에서 최외주부에 마련된 원환 모양의 돌출부(54)의 상면으로만 가압면이 형성되게 되므로, 가압되었을 때에 밸브시트블록(5)의 변형이 저면부(52)에 형성되어 있는 밸브시트면(58)까지 도달하기 어려워져, 당해 밸브시트면(58)의 평면도를 유지할 수 있다. 또 다른 표현을 하면, 상기 돌출부(54)의 가압면(55)은 조립시에 상측에 있는 플런저(4)의 원환 모양부(41)로부터 가압되어 있음과 아울러, 그 반력에 의해서 당해 가압면(55)은 상기 플런저(4)의 원환 모양부(41)를 가압하도록 구성되어 있다.

상기 돌출부(54)에는, 도 4에 나타내는 바와 같이 원주방향으로 120° 마다 등간격으로 3개의 노치(541)가 형성되어 있다. 또, 도 3의 (b)의 확대도에 나타내는 바와 같이 노치(541)의 근방에서는 외측 둘레면(59)의 상기 상면부(53) 측에서 상기 노치(541) 근방이 축방향으로 잘려나간 잘림부(542)가 형성되어 있다.

상기 저면부(52)에는, 상기 저면부(52)에서 상기 유입 개구(511)의 주위를 둘러싸도록 상기 밸브시트면(58)이 형성되어 있음과 아울러, 그 외 측에는, 상기 유입 개구(511)의 주위를 둘러싸도록 상기 돌출부(54)보다도 외경 치수가 작은 원환 모양의 오목홈(57)을 형성되어 있다. 이 오목홈(57)이 있는 것에 의해, 조립시에 상기 가압면(55)이 가압되어도, 상기 밸브시트블록(5)의 저면부(52) 측에서의 변형은 대략 외주 측에만 한정되는 것에 의해, 상기 밸브시트면(58)의 평면도를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 밸브체부재(6)의 착좌면(61)과 항상 바람직한 접촉 정도를 유지할 수 있어, 밸브로서의 씰 기능을 발휘시킬 수 있다.

그리고, 밸브시트블록(5)은 보디(1)에 마련한 원기둥 모양의 오목부(11)에 끼워넣어져 조립되어 있다. 상기 오목부(11)는 보디(1)의 제2 유로(22)와 제3 유로(23)를 분단(分斷)하도록 배치되어 있고, 상류측 유로인 제2 유로(22)는 상기 오목부(11)의 저면 중앙부에 개구함과 아울러, 하류측 유로인 제3 유로(23)는 상기 오목부(11)의 외측 둘레면(59) 중앙부이며, 상기 밸브시트블록(5)의 소경부분에 대응하는 위치에 개구하도록 되어 있다.

그리고, 상기 밸브시트블록(5)을 상기 오목부(11)에 끼워넣은 상태에서는 당해 밸브시트부재의 상면부(53) 측의 대경 부분에서의 상기 잘림부(542) 이외의 부분은 상기 오목부(11)의 내측 둘레면과 대략 틈새 없이 끼워맞춤하는 한편, 당해 밸브시트블록(5)의 저면부(52) 측의 소경부분에 대해서는 상기 오목부(11)의 내측 둘레면과의 사이에 틈새가 형성되도록 되어 있다.

따라서, 도 4에 나타내는 바와 같이 상류측 유로로부터 상기 밸브내 유로(51)로 유입된 유체는, 축방향으로 밸브시트블록(5)의 상면부(53)로 진행하고, 상기 유출 개구(512)로부터 유출되면 반경방향으로 방사상으로 흘러, 상기 돌출부(54)에 형성된 노치(541)에 이른다. 그리고, 노치(541)에 이른 유체는, 노치(541)에 인접하는 잘림부(542)와 상기 오목부(11)의 내측 둘레면과의 사이를 지나, 상기 밸브시트블록(5)의 외측 둘레면(59)을 거쳐, 당해 밸브시트블록(5)의 소경부분과 상기 오목부(11)의 내측 둘레면과의 틈새까지 도달한다. 마지막으로 유체는 이 틈새로 개구하고 있는 하류측 유로로 흘러 가게 된다.

즉, 유체는 밸브시트블록(5)의 내부의 밸브내 유로(51)로부터 상면부(53)로 취출하며, 그 후 외측 둘레면(59)을 거쳐, 하류측 유로로 흐르도록 되어 있다.

이와 같이 제1 실시형태의 밸브시트블록(5)에 의하면, 종래 2개 필요했던 밸브내 유로(51)를 1개로 하여 유체제어밸브(V)로서의 기능을 발휘시킬 수 있어, 1개만 밸브내 유로(51)를 형성하면 되므로 소형화가 용이하다.

따라서, 유체제어밸브(V)로서의 용적도 작게 할 수 있으므로, 상기 유체제어밸브(V)로부터 상기 층류소자(L)까지의 용적을 종래보다도 매우 작게 할 수 있으므로, 당해 유체제어밸브(V)를 전폐한 후에 상기 유량센서(FS)로 흐르는 유체의 양을 줄일 수 있다.

이 때문에, 유체제어밸브(V)의 하류에 유량센서(FS)가 마련되어 있는 구성의 매스 플로우 콘트롤러(100)라도, 상기 유체제어밸브(V)를 전폐한 시점으로부터 상기 유량센서(FS)에서 측정되는 측정유량값이 단시간에 제로 또는 제로 근방의 값이 되도록 할 수 있다.

즉, 기존의 반도체 제조 프로세스에서 이용되고 있는 매스 플로우 콘트롤러의 유체제어밸브의 전폐시에서의 특성과 매우 가까운 특성으로 할 수 있으므로, 기존의 매스 플로우 콘트롤러로부터 제1 실시형태의 매스 플로우 콘트롤러(100)로의 치환도 용이하게 행할 수 있다.

또, 2개째의 밸브내 유로(51)를 형성하는 대신에 형성되는 상기 노치(541)는 상기 가압면(55)이 형성되는 돌출부(54)에 대해서 회전 대칭이 되도록 3개의 형성되어 있으므로, 상기 가압면(55)에 대해서 가압되었을 때의 상기 밸브시트블록(5)의 변형을 균일한 것으로 할 수 있어, 밸브시트면(58)의 평면도 등에 악영향을 주지 않도록 할 수 있다.

따라서, 소형화에 수반하는 밸브시트블록(5)에서의 유로(2) 구성의 변경에 의해 유체제어밸브(V)로서의 씰성 등의 기본 기능이 손상되지 않도록 할 수 있다.

<제2 실시형태>

다음으로 제2 실시형태에 대해서 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다. 또한, 제1 실시형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 붙이는 것으로 한다.

제2 실시형태의 매스 플로우 콘트롤러(100)는 제1 실시형태와 비교하여 상기 유체제어밸브(V), 특히 밸브시트블록(5)의 구성이 다르다.

보다 구체적으로는, 제2 실시형태의 유체제어밸브(V)는 노말 오픈 타입인 것으로 하여 구성되어 있고, 도 5에 나타내는 바와 같이 상측으로부터 액추에이터(3), 밸브체부재(6), 밸브시트블록(5)으로 이루어진다.

상기 밸브체부재(6)는 상기 제1 실시형태에서의 플런저(4)에 상당하는 형상을 가지는 것이고, 저면을 동일면에 형성하여 착좌면(61)으로 한 다이어프램 구조를 가진 것이다. 상기 액추에이터(3)에 전압이 인가되어 변위가 발생하여 중앙부가 밀리는 것에 의해, 상기 밸브시트블록(5) 측으로 다이어프램 부분(62)이 탄성변형하여 착좌면(61)과 밸브시트면(58)의 이간거리를 조절할 수 있도록 되어 있다. 또, 상기 액추에이터(3)에 전압이 인가되어 있지 않은 경우에는 도 5에 나타내는 바와 같이 착좌면(61)과 밸브시트면(58)은 이간하고 있으며, 초기 상태에서는 오픈 상태가 유지되게 된다.

상기 밸브시트블록(5)은, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이 상기 상면부(53)에서 상기 돌출부(54)보다도 내측에서 상기 유출 개구(512)의 주위를 둘러쌈과 아울러 상기 가압면(55)보다도 낮은 높이까지 돌출시켜 상기 밸브시트면(58)이 형성되어 있다.

이와 같은 것으로서 도 6에 나타내는 바와 같이 제1 실시형태와 대략 동일한 유체의 흐름을 형성할 수 있어, 제1 실시형태와 대략 동일한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명의 밸브시트블록(5)은 노말 클로즈 타입, 노말 오픈 타입 중 어느 유체제어밸브(V)에서도 이용할 수 있다.

그 외의 실시형태에 대해서 설명한다.

상기 실시형태에서는, 상기 밸브시트블록(5)은 노치(541) 근방의 외측 둘레면(29)에 잘림부(542)가 형성되어 있고, 상기 오목부(11)와의 사이에 유체가 통과하는 틈새를 형성하고 있었지만, 도 7의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이 상기 밸브시트블록의 상면부(53) 측의 외측 둘레면이 완전한 원통 측면을 이루고 있고, 상기 오목부(11) 측의 형상을 연구함으로써 틈새가 형성되어 있어도 된다. 즉, 도 7의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이 오목부(11)의 내측 둘레면에서, 반경방향 외측으로 돌출하여 축방향으로 연장하는 세로홈(543)을 형성하여 상기 밸브시트블록(5)의 외측 둘레면(29)과의 사이에서 틈새가 형성되도록 해도 된다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이 밸브시트블록(5)의 외측 둘레면(59)과 오목부(11)의 내측 둘레면과의 사이에 틈새를 형성하기 위해서 세로홈(543)을 형성했을 경우, 조립시에는 상기 노치(541)와 세로홈(543)의 위치가 합치(合致)하도록 위치맞춤을 행할 필요가 있다. 이것에 대해서, 상기 실시형태와 같이 밸브시트블록(5)이 노치(541)의 근방의 외측 둘레면(59)에 잘림부(542)를 가지고 있고, 상기 오목부(11)를 원통 형상으로 형성하고 있는 경우에는, 상술한 바와 같은 위치맞춤이 필요 없어 조립이 매우 용이하다.

또, 상기 실시형태에서는 상기 유체제어밸브에서 상류측 유로, 밸브내 유로, 상면부, 노치, 외측 둘레면, 하류측 유로의 순서로 유체가 흐르도록 구성하고 있었지만, 유체의 흐름을 반대로 해도 마찬가지로 소형화를 도모할 수 있다. 즉, 밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브이고, 상기 밸브시트블록이 내부에 형성된 밸브내 유로와, 상기 밸브체부재의 착좌면과 접리하는 밸브시트면을 구비하는 것으로서, 상기 밸브시트블록이, 상기 밸브내 유로의 하류단이고, 하류측 유로와 접속되는 유출 개구가 형성된 일단면부와, 상기 밸브내 유로의 상류단이고, 상기 밸브시트블록의 외부로부터 유체가 유입되는 유입 개구가 형성된 타단면부와, 상기 타단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출해 있으며, 일단면부측으로 가압되는 가압면을 구비하는 돌출부와, 상류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부의 일부에 형성된 노치를 구비한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브라도 상관없다.

상기 실시형태에서는, 상기 밸브시트블록에서, 돌출부는 상면부로부터 돌출시켜 형성시키고 있고, 일체인 것으로 하여 성형되어 있지만, 예를 들면, 돌출 부분만 다른 부재로서 구성해도 상관없다. 이와 같은 것이라도, 밸브시트블록이 저면부측으로 가압되어 조립되는 경우에 스페이서로서의 기능과, 가압면으로의 가압력에 의한 밸브시트블록의 변형이 밸브시트면으로 도달되는 것을 방지하여, 평면도를 유지한다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이 돌출부만을 별체로 했을 경우에는, 밸브시트블록의 조립시에서의 변형을 대칭인 형태로 하기 위해서 조립시에 상면부에서의 돌출부와 노치의 위치를 예를 들면 도 3이나 도 7에 나타내는 배치로 하려고 하면, 엄밀한 위치맞춤이나 어떠한 치구(治具)를 이용할 필요가 있다. 이것에 대해서, 상기 실시형태와 같이 돌출부도 본체부에 대해서 일체가 된 밸브시트블록이면 특별히 위치맞춤을 하지 않고, 상면부에서의 돌출부 및 노치의 위치를 소망의 것으로 할 수 있어, 밸브시트블록에서의 변형을 대칭형의 바람직한 형태로 할 수 있다. 따라서, 소형화해도 밸브시트면의 평면도를 내기 쉽고, 유량제어밸브로서의 씰 기능 등을 얻기 쉽다.

상기 각 실시형태에서는, 돌출부에 형성된 노치는 3개였지만, 1개라도 그 외의 수라도 상관없다. 가압면으로서의 기능을 유지할 수 있도록 노치와 가압면의 밸런스를 고려하여 설정하면 된다.

또, 잘림부에 대해서는, 상기 오목부에 개구하는 하류측 유로의 위치에 의해서는 마련하지 않아도 된다. 예를 들면, 조립 상태에서 노치에 대응하는 위치에 오목부에 대해서 하류측 유로가 개구하도록 하면 된다.

상기 실시형태에서는 밸브시트블록의 형상은 개략 원통 형상이었지만, 예를 들면 사각기둥 등의 그 외의 형상으로서 형성해도 상관없다.

상기 실시형태에서는 유체제어밸브의 하류측에 압력식의 유량센서가 마련된 매스 플로우 콘트롤러를 나타냈지만, 상기 유량센서는 열식의 유량센서라도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또, 유체제어밸브를 전폐했을 때의 측정유량값의 변화 특성을 소망의 것으로 하기 위해서 본 발명의 밸브시트블록을 이용할 뿐만 아니라, 유체제어밸브 단체(單體)를 소형화하고자 하는 경우에도 본 발명의 밸브시트블록을 이용해도 상관없다. 예를 들면, 유체제어밸브의 상류에 유량센서가 마련되어 있는 매스 플로우 콘트롤러에서 매스 플로우 콘트롤러 전체를 소형화하기 위해서 본 발명의 밸브시트블록을 이용해도 상관없다. 요컨데, 본 발명의 밸브시트블록은 유체제어밸브로서의 기능을 실현하면서 소형화하는 목적으로도 이용할 수 있다.

상기 실시형태에서는 유체제어밸브는 유체의 유량을 제어하기 위해서 이용하고 있었지만, 유체의 압력을 제어하기 위해서 이용해도 상관없다. 제어하는 유체로서는 액체, 기체 중 어느 것이라도 상관없다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에서 여러 가지 변형이나 실시형태의 조합을 행해도 상관없다.

100 … 매스 플로우 콘트롤러 5 … 밸브시트블록
51 … 밸브내 유로 511 … 유입 개구
512 … 유출 개구 52 … 저면부
53 … 상면부 54 … 돌출부
541 … 노치 542 … 잘림부
55 … 가압면 57 … 오목홈
58 … 밸브시트면 59 … 외측 둘레면
6 … 밸브체부재 61 … 착좌면
V … 유체제어밸브

Claims

밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브이고, 상기 밸브시트블록이 내부에, 형성된 밸브내 유로와, 상기 밸브체부재의 착좌면(着座面)과 접리(接離)하는 밸브시트면을 구비하는 것으로서,
상기 밸브시트블록이,
상기 밸브내 유로의 상류단이고, 상류측 유로와 접속되는 유입 개구(開口)가 형성된 일단면부와,
상기 밸브내 유로의 하류단이고, 상기 유입 개구로부터 유입된 유체가 상기 밸브시트블록의 외부로 유출되는 유출 개구가 형성된 타단면부와,
상기 타단면부에서 상기 유출 개구의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출해 있고, 일단면부측으로 가압되는 가압면을 구비하는 돌출부와,
하류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부의 일부에 형성된 노치(notch)를 구비한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 유출 개구로부터 유출된 유체가 상기 노치를 지나, 상기 밸브시트블록의 외측 둘레면을 거쳐 상기 하류측 유로로 흐르도록 구성한 유체제어밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 돌출부가 원환(圓環) 모양으로 형성되어 있고,
상기 노치가 둘레방향으로 등간격으로 3개 형성되어 있는 유체제어밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 밸브시트블록의 외측 둘레면이, 상기 타단면부측이 대경(大徑), 상기 일단면부측이 소경(小徑)인 2단 원통 형상의 측면을 이루고 있고,
상기 밸브시트블록의 외측 둘레면의 상기 타단면부측에서 상기 노치 근방이 축방향으로 잘려나간 잘림부가 형성되어 있는 유체제어밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 일단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 밸브시트면이 형성되어 있는 유체제어밸브.
청구항 5에 있어서,
상기 일단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 상기 돌출부보다도 외경 치수가 작은 원환 모양의 홈이 형성되어 있는 유체제어밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 타단면부에서 상기 돌출부보다도 내측에서 상기 유출 개구의 주위를 둘러쌈과 아울러 상기 가압면보다도 낮은 높이까지 돌출시켜 상기 밸브시트면이 형성되어 있는 유체제어밸브.
밸브시트블록 및 밸브체부재로 구성되는 유체제어밸브이고, 상기 밸브시트블록이 내부에 형성된 밸브내 유로와, 상기 밸브체부재의 착좌면과 접리하는 밸브시트면을 구비하는 것으로서,
상기 밸브시트블록이,
상기 밸브내 유로의 하류단이고, 하류측 유로와 접속되는 유출 개구가 형성된 일단면부와,
상기 밸브내 유로의 상류단이고, 상기 밸브시트블록의 외부로부터 유체가 유입되는 유입 개구가 형성된 타단면부와,
상기 타단면부에서 상기 유입 개구의 주위를 둘러싸도록 소정 높이만큼 돌출해 있고, 일단면부측으로 가압되는 가압면을 구비하는 돌출부와,
상류측 유로와 연통하도록 상기 돌출부의 일부에 형성된 노치를 구비한 것을 특징으로 하는 유체제어밸브.
청구항 1에 기재한 유체제어밸브와,
상기 유체제어밸브의 하류측에 마련된 유량센서를 구비한 매스 플로우 콘트롤러.