流量制御弁
【課題】常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保でき、製品間のＣｖ値のバラツキを少なくする流量制御弁を提供すること。
【解決手段】流量制御弁は、入力ポート４１Ｂ及び出力ポート４１Ｃに連通する弁室４４に弁座４２を設けたバルブボディ４１と、弁座４２と接離するメタルダイアフラム４３と、メタルダイアフラム４３の中央部を上下動させるステムと、ステムを駆動させるアクチュエータと、その上部でアクチュエータが連結されたホルダ部５とを備え、ステムは、アクチュエータに連結された第1ステム７１とメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２とに上下分割され、互いに当接、離間できること、メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制することにより、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長をフルストローク長より減少した。
【解決手段】流量制御弁は、入力ポート４１Ｂ及び出力ポート４１Ｃに連通する弁室４４に弁座４２を設けたバルブボディ４１と、弁座４２と接離するメタルダイアフラム４３と、メタルダイアフラム４３の中央部を上下動させるステムと、ステムを駆動させるアクチュエータと、その上部でアクチュエータが連結されたホルダ部５とを備え、ステムは、アクチュエータに連結された第1ステム７１とメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２とに上下分割され、互いに当接、離間できること、メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制することにより、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長をフルストローク長より減少した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として半導体製造装置のガス供給系において使用される流量制御弁に関するものであり、常温時から高温時まで弁のＣｖ値を安定に保持して、流量変動の少ない流量制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高温用ガス弁は最大流量を維持させることに着目して、メタルダイアフラムを熱処理することによって硬度を高くし、高温時（例えば２５０℃位）のダイアフラムの変形量を抑制していた。このような技術は、以下に示す特許文献１に開示されている。
上記特許文献１には、コバルト合金からなるメタルダイアフラムを時効硬化熱処理によって、ビッカース硬度をＨｖ５００以上にすると、高温環境下であっても、メタルダイアフラムの反力の低下や熱膨張が抑えられるので、メタルダイアフラムと弁座との間のギャップを一定に保つことが可能となり、半導体製造装置内に原料ガスを安定して供給できる、と記載されている。
【０００３】
しかし、ダイアフラム弁を大口径にすると、流体受圧面積も大きくなり、高温かつ真空状態で使用されると、負圧の荷重によってダイアフラムが弁座方向に大きく引かれるように落ち込んで、流量の減少に加えて弁が自然に閉塞する恐れもあった。
この問題に対応するため、ダイアフラムを弁座に接離させるための昇降動部材（アクチュエータのステム）に、ダイアフラムを溶着した技術が、特許文献２に開示されている。
【０００４】
一方、硬度を高くしたドーム形状のメタルダイアフラムでは、そのドーム形状の最大膨出高さをストローク長として使用し、弁開閉回数を重ねると、クラックを生じやすく耐久性を低下させる。これには、弁開閉動作時にメタルダイアフラムにかかる歪量や歪応力を少なくするとよく、最大膨出高さの５５〜７０％の寸法（距離）をストローク長とした技術が、特許文献３に開示されている。
確かに、最大膨出高さの５５〜７０％の寸法（距離）をストローク長としたことによって、メタルダイアフラムの開閉耐久性は向上するものの、図４の従来品（１００％）のグラフ１、及び参考品（６６％）のグラフ５に示すように、常温時と高温時とではＣｖ値が大きく変動することが、本発明者等の実験によって判明した。ここで、図４の従来品（１００％）は、メタルダイアフラムの最大膨出高さの１００％の寸法（距離）をストローク長としたものを示し、参考品（６６％）は、メタルダイアフラムの最大膨出高さの６６％の寸法（距離）をストローク長としたものを示す。Ｃｖ値は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ０１００−１９８４）に基づき算出した。測定温度は、２３℃（常温時）、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃（高温時）である。
【０００５】
また、流量制御弁を構成する部品の加工精度や組み付け精度等のバラツキから、流量制御弁一つ一つの製品間でも流量特性にバラツキが生じる。特に、高温環境下で製造される半導体デバイスの製造プロセスにおいて、流量特性（例えば、Ｃｖ値）の機差は、プロセスへの影響が大きい。
そのため、例えば、特許文献３には、メタルダイアフラムのストローク長調整機構として、バルブボディを蓋するボンネット内へアクチュエータの支持用筒部をねじ込み、支持用筒部に螺着したロックナットにて固定することにより、アクチュエータのバルブボディに取り付ける高さを調節する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１５１２７０号公報
【特許文献２】特開２００６−９０３８６号公報
【特許文献３】特開２００７−６４３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、温度変化に伴いバルブのＣｖ値が大きく変化すると、特に、微細化・高集積化した半導体デバイスの成膜プロセスの品質管理に悪影響をもたらすので、温度変化に対するＣｖ値の変動が少ないダイアフラム式の流量制御弁が求められている。
しかし、原料ガスや使用環境の温度が常温（約２０℃位）から高温（約２５０℃位）に変化すると、ダイアフラムの強度が低下して、弁開時にダイアフラムの中央部が下方に落ち込み、弁座に近接することなる。真空状態で使用すると、負圧によりダイアフラムの下方への落ち込みは、一層多くなる。
すなわち、高温時には、ダイアフラムが軟化して、前述のような負圧が作用すると、ダイアフラムの弁開位置が低くなり、流量制御弁のＣｖ値が常温時の４０〜６０％程度にまで減少することが、本発明者等の実験によって判明している。それならば、初期段階で、具体的には、常温時の取り付け状態（負圧も作用させない状態）で、ダイアフラムの高さを高温時の弁開位置まで予め規制して、高温時と常温時とにおける流量制御弁のＣｖ値を測定してみたところ、高温時でのＣｖ値は、当然、略同一でありながら、常温時でのＣｖ値は、なにも規制しなかったときに比べて、約半分の変化に縮まることが判明した。つまり、初めから、高温時でのＣｖ値に対応する弁開位置まで、ダイアフラムのストローク長を規制して使用すると、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動を、ストローク長を規制しないときに比較して、約半分程度に低減でき、しかも、高温時のＣｖ値は、ストローク長を規制しないときと略同一の値を得ることが判明した。
【０００８】
予め、ダイアフラムのストローク長を規制して使用するため、特許文献２に開示された構造のように、ダイアフラムを昇降動部材（ステム）に溶着すると、ダイアフラムは昇降動部材（ステム）と一体となっているので、昇降動部材（ステム）のみを取り外すことができない。そのため、製品ごとにダイアフラムのストローク長を簡便な機構で確実かつ正確に調節することができない。
その際、ステムを第１ステムと第２ステムとに上下分離して、第１ステムを昇降動部材（アクチュエータ）に連結し、第２ステムをダイアフラムに溶着する構造も考えられる。
しかし、第２ステムは、単独でダイアフラムに溶着されているので、高温時にはダイアフラムと一体となって下降し、常温時における弁開時の高さより低くなる。
そのため、常温時に弁開した時、第１ステムと当接する状態であった第２ステムは、高温時に弁開した時には、第１ステムと離間する状態となる場合がある。第１ステムと第２ステムとが、弁開時に離間していると、ダイアフラムのストローク長を一定に規制することができないので、Ｃｖ値が変動して、流量制御が安定しない。
【０００９】
また、特許文献３に開示された構造のように、アクチュエータのバルブボディを蓋するボンネットに取り付ける高さをねじ込み量によって調節する構造では、アクチュエータのボンネットへの取り付け高さが、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化し、ダイアフラムのストローク長を高精度かつ確実に調節することは困難である。
【００１０】
さらに、弁室内を入力ポートから出力ポートに向かって流れる流体によるダイアフラムに作用する負圧は、出力ポート側で強くなる傾向にある。そして、高温時にダイアフラムが軟化すると、弁開時に上方に復元する弾性力が低下する。したがって、高温時には、上記負圧の影響が相対的に高くなり、ダイアフラムの復元姿勢に変化が生じやすくなる。これは、常温時と高温時との間で、Ｃｖ値が変動する要因の一つとなる。
【００１１】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、その主目的は、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保でき、また、製品間のＣｖ値のバラツキを低減するため、ダイアフラムのストローク長の調節を簡便かつ正確に行うことができる流量制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る流量制御弁は、次のような構成を有している。
（１）入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータと、前記メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され前記弁室の底面との間で前記メタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部で前記アクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、
前記ステムは、前記アクチュエータに連結された第１ステムと前記メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、
前記メタルダイアフラムの弁開位置で、前記第１ステムが前記第２ステムの上昇を規制することにより、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とする。
【００１３】
（２）（１）に記載された流量制御弁において、
前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とする。
（３）（２）に記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、
前記エアシリンダ部と前記スプリング部との間にシムを挟むことによって、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を前記規制値の範囲内にしたことを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、
前記メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、前記エアシリンダのケースに設けたことを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記第２ステムは、前記ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このような特徴を有する本発明の流量制御弁は、以下のような作用効果を奏する。
（１）に記載された発明は、入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、弁座の上方に配設されて弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、ステムを駆動させるアクチュエータと、メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され弁室の底面との間でメタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部でアクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、ステムは、アクチュエータに連結された第１ステムとメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、メタルダイアフラムの弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制することにより、メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とするので、以下に説明する作用効果を奏する。
【００１５】
（１）の発明は、メタルダイアフラムの弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制しているので、常温時においては、メタルダイアフラムは強度が高い分、弁開時の復元力が強く、メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムは、高温時における弁開位置より上方へ移動しようとするが、第２ステムはアクチュエータに連結された第１ステムと当接して、上方への移動が規制される。そのため、弁開時における第２ステムの上昇位置を、常温時から高温時まで略一定にでき、メタルダイアフラムの使用ストローク長も常温時から高温時にかけて略一定に制御できる。その結果、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
【００１６】
また、ステムは、アクチュエータに連結された第１ステムとメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できることにしたので、弁開時における第１ステムの上昇端位置を調整してダイアフラムの使用ストローク長を調節するとき、アクチュエータと第１ステムとを一体に組み付けた状態で、アクチュエータをホルダ部から外し第１ステムの取り付け位置等を調節したうえで、また、ホルダ部に連結することによって、ダイアフラムの使用ストローク長の調節を、簡便かつ正確に行うことができる。これによって、Ｃｖ値の調節を簡便かつ正確にできる。
【００１７】
（２）に記載された発明は、（１）に記載された流量制御弁において、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とするので、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
ここで、ダイアフラムの使用ストローク長の下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、ダイアフラムの外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、ダイアフラムの使用ストローク長の上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
すなわち、高温時（２５０℃）には、軟化したダイアフラムは負圧の作用を受けて弁座との隙間が縮まり、それに伴ってＣｖ値が常温時に比べて、４０〜６０％程度まで減少する。この減少したＣｖ値よりも、Ｃｖ値を小さく制限して使用する考え方の下で、初期状態でダイアフラムの使用ストローク長をダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、常温時におけるＣｖ値（常温）に対する高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）の差を０．１９の範囲内にしたので、高温かつ真空状態で使用しても、実用上、ダイアフラムの外径を１ランク落とすことなく、また、流量コントロールシステムを複雑化することなく、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できるのである。
【００１８】
（３）に記載された発明は、（２）に記載された流量制御弁において、アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、エアシリンダ部とスプリング部との間にシムを挟むことによって、メタルダイアフラムの使用ストローク長を規制値の範囲内にしたことを特徴とするので、エアシリンダ部とスプリング部との間に入るシムを複数枚用意しておけば、設定したい使用ストローク長に簡単かつ確実に調節できる。そのため、製品ごとにメタルダイアフラムの使用ストローク長が微妙に異なる場合でも、規制値の範囲内に納める調節を、高精度かつ確実にできる。また、シム調節であるので、アクチュエータをねじ込み量によって調節する構造と違って、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化しないので、ダイアフラムのストローク長を高精度かつ確実に調節することが容易である。
よって、製品ごとのダイアフラムの使用ストローク長の調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。
【００１９】
（４）に記載された発明は、（１）乃至（３）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、エアシリンダのケースに設けたことを特徴とするので、エアシリンダをバルブボディに取り付けた状態で、エアシリンダのケースに設けた貫通孔に計測棒を挿入し、ピストンに当接することによって、メタルダイアフラムのストローク長を測定できる。ピストンは、ピストンロッドを介して第１ステムに連結され、第１ステムはメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムの上昇を規制しているので、メタルダイアフラムの中央部の上下動に連動して上下動するからである。
これによって、製品ごとのダイアフラムのストローク長を簡単に確認できるので、その調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう低減することができる。
【００２０】
（５）に記載された発明は、（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、第２ステムは、ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とするので、高温でメタルダイアフラムの強度が低下して、メタルダイアフラムの復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラムの中央部は、押し当てられた第２ステムの下端面に略沿った形状に保持されたまま第２ステムとともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
結果として、常温時と高温時（２５０℃）との間でＣｖ値の変動を、いっそう低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁開状態を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、上部ホルダから外したときのシリンダ部の組み付け状態Ｓを示す。
【図３】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の下部部分断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。
【図４】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、メタルダイアフラムのストローク長を計測するために、計測棒を貫通孔に挿入した状態を示す。
【図６】本発明の第２実施形態に係る流量制御弁２のシリンダケースの断面図であって、ピストンロッドの上昇端位置を調整する調整つまみを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明に係る流量制御弁の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量制御弁１の全体断面図であって、弁開状態を示す。図２は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、上部ホルダから外したときのシリンダ部の組み付け状態Ｓを示す。図３は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の下部部分断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。図４は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。図５は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、メタルダイアフラムのストローク長を計測するために、計測棒を貫通孔に挿入した状態を示す。
第１実施形態の流量制御弁１は、従来技術と同様、半導体製造装置のガス供給系に組み付けられ、高温ガスの供給を制御する。流量制御弁１は、ノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁である。流量制御弁１は、上方に配設されたアクチュエータ部３と、下方に配設されメタルダイアフラムを有する弁部４と、両者を連結するホルダ部５とから構成されている。アクチュエータ部３は、エアシリンダ部６とスプリング部７とが薄板（シム）５２を介して連結されている。
【００２３】
図１に示すように、エアシリンダ部６は、シリンダベース３１、シリンダケース３２、ピストン３３、中間プレート３４、ピストンロッド３５、Ｏリング３６、加圧室３７を備えている。また、スプリング部７は、スプリングリテーナ６１、圧縮スプリング６２、ロッドガイド６３、押えナット６４、第１ステム７１を備えている。
シリンダベース３１には、上端側に上フランジ３１Ａが張り出し、その外周縁に筒状のシリンダガイド３１Ｂが突設されている。シリンダガイド３１Ｂには、上端を閉じた筒状のシリンダケース３２が上から螺合されている。シリンダケース３２内及びシリンダガイド３１Ｂ内には、上ピストン３３Ａと下ピストン３３Ｂとが、それぞれ摺動自在にはめ込まれている。上下ピストン３３Ａ、３３Ｂの間には、中間プレート３４が配設されている。中間プレート３４には、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂと連結されたピストンロッド３５の上下動を案内するガイド孔３４Ａが、中央に穿設されている。中間プレート３４の外周端は、シリンダケース３２の内壁面に下向きに形成された段付き部３２Ｄに嵌合されている。シリンダケース３２の上端下面とピストンロッド３５に形成された段付き部３５Ｂとが、弁開時に当接し、シリンダストローク長を規制している。
【００２４】
シリンダケース３２の上端中央には、パイロットポート３２Ａと、ピストンロッド３５の上下動を案内するガイド孔３２Ｂとが、上下貫通して形成されている。ピストンロッド３５には、パイロットポート３２Ａから送給される操作エア（圧縮エア）を上ピストン３３Ａと中間プレート３４との間、及び、下ピストン３３Ｂとシリンダベース３１との間に形成された上下の加圧室３７、３７に供給する送給孔３５Ａが穿設されている。したがって、パイロットポート３２Ａに操作エアを送給すると、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５は上方（弁開方向）に駆動する。そして、駆動する上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５には、シリンダケース３２、中間プレート３４、及びシリンダガイド３１Ｂと摺接する箇所に、Ｏリング３６が嵌合されている。
【００２５】
図５に示すように、シリンダケース３２の上端外周側には、メタルダイアフラム４３のストローク長を計測する貫通孔３２Ｃが穿設されている。この貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長を測定できる。上ピストン３３Ａは、ピストンロッド３５を介して第１ステム７１に連結され、第１ステム７１はメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の中央部の上下動に連動して上下動するからである。
【００２６】
また、図１に示すように、シリンダベース３１の下端には、下フランジ３１Ｃが形成されている。下フランジ３１Ｃは、薄板（シム）５２を介して下方（弁閉方向）に付勢する圧縮スプリング６２を保持するスプリングリテーナ６１の上面６１Ａに当接している。
薄板（シム）５２は、略Ｃ字形状に形成されている。薄板（シム）５２は、外径を下フランジ３１Ｃの外径と略程度とし、複数枚用意している中から、適宜選択する。薄板（シム）５２の材質は、例えばＳＵＳ３０４で、厚さは、０．０５ｍｍ程度である。なお、薄板（シム）５２は、厚さの異なるシムと厚さの等しいシムを複数枚用意しておくとよい。組み合わせることによって、最適な寸法に調節できるからである。
下フランジ３１Ｃの下端中央部には、雄ねじが設けられ、スプリングリテーナ６１のボス部６１Ｂに設けた雌ねじに螺合されている。薄板（シム）５２は、そのねじを締め付けることによって、スプリングリテーナ６１の上面６１Ａとシリンダベース３１の下フランジ３１Ｃとの間で挟圧されている。
したがって、下フランジ３１Ｃの下端中央部のねじを緩めて、スプリングリテーナ６１から外すことによって、簡単に薄板（シム）５２を交換できる。
下フランジ３１Ｃの中央部には、ピストンロッド３５が貫通する貫通孔３１Ｄが穿設されている。
【００２７】
スプリングリテーナ６１のボス部６１Ｂの下端には、その中央部をピストンロッド３５が貫通するロッドガイド６３が配設されている。ロッドガイド６３は、スプリング６２Ｂを保持する役割を持っている。
また、貫通したピストンロッド３５の下端部には、雄ねじが設けられ、第１ステム７１の上端中央部７１Ａに設けられた雌ねじに螺合されている。そのため、ピストンロッド３５の上方への駆動力が、第１ステム７１に伝達される。ピストンロッド３５が螺合している第１ステム７１の上端外周部７１Ｂには、圧縮スプリング６２の下端が当接している。そのため、圧縮スプリング６２の弾性力が、第１ステム７１を下方に押圧する。本実施形態では、外径と線径とが異なる２種類の圧縮スプリング６２Ａ，６２Ｂが配設されている。その理由は、必要推力を出し、かつ縦方向に省スペースとするためである。
スプリングリテーナ６１の外周縁には、筒状のスプリングガイド６１Ｃが垂下され、その下端に所定の厚みを有する鍔部６１Ｄが、外向きに形成されている。
【００２８】
次に、図３に示すように、ホルダ部５は、アダプタ５１とホルダ５３とを備えている。
アダプタ５１には、上下に筒状の中空部５１Ｂが形成され、その中には、圧縮スプリング６２とピストンロッド３５に連結されている第１ステム７１とが挿入されている。
アダプタ５１の上部外周面には、第１の雄ねじが設けられ、押えナット６４の内周面に設けた雌ねじと螺合されている。押えナット６４の上端内周縁には、係合部６４Ａが内向きに突設され、スプリングリテーナ６１の鍔部６１Ｄと係合している。押えナット６４のねじを締結することによって、アダプタ５１は、スプリングリテーナ６１と連結されている。
【００２９】
アダプタ５１の下部外周面には、第２の雄ねじが設けられ、弁部４を構成するバルブボディ４１の上部に突設された筒部４１Ａの内周面に設けられた雌ねじに螺合されている。
アダプタ５１の下端には、ホルダ５３の上端が当接している。ホルダ５３の当接部５３Ｂは、鉤型に形成され、アダプタ５１の径方向と上下方向とを規制している。ホルダ５３は、メタルダイアフラム４３の外周縁部４３Ｂの上方に配設され、弁室４４の底面との間でメタルダイアフラム４３を気密状に挟圧している。
ホルダ５３の中央部には、弁開閉時に第２ステム７２の外周縁７２Ａと摺接する連通孔５３Ａが、穿設されている。
【００３０】
次に、図３に示すように、弁部４は、バルブボディ４１、弁座４２、メタルダイアフラム４３、第２ステム７２を備えている。
バルブボディ４１の上部に突設された筒部４１Ａの内面には、入力ポート４１Ｂ及び出力ポート４１Ｃに連通する弁室４４が形成されている。弁室４４の底面には、入力ポート４１Ｂに連通する箇所に弁座４２が設けられている。弁座４２の材質は、耐熱性の優れたＰＩ（ポリイミド）、ＰＦＡ（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体）である。また、弁座４２は、バルブボディ４１にかしめ結合されている。弁座４２の上方には、弁座４２と接離し、その中央部４３Ａが上方に膨出するメタルダイアフラム４３が配設されている。メタルダイアフラム４３は、ニッケル・コバルト合金製の薄膜が複数枚積層され、シート状に圧着されている。メタルダイアフラム４３は、０．１ｍｍ厚の薄膜を３枚積層して、中央部４３Ａの膨出量は、自由状態で０．９ｍｍとして、作製されている。また、メタルダイアフラム４３は、高強度化するため、熱処理を行っているので、硬度は、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上を有している。
メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、その上面にて第２ステム７２の下端７２Ｂが押し当てられている。
第２ステム７２は、略円柱形状で、その下端７２Ｂは、下方になだらかに膨出して湾曲した形状に形成されている。バルブボディ４１に取り付ける段階（初期段階）で、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａを、第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に規制する。弁開時においても、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、押し当てられた第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に保持されている。
【００３１】
本実施形態では、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを該メタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内とした。
以下、図４に基づいて、上記数値限定の根拠を説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。
まず、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長の上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
【００３２】
なお、本実施形態では、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの最適値を、０．４ｍｍとしている。この場合、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長は、フルストローク長（自由状態での高さ０．９ｍｍ）に対して、４４％に規制されていることになる。
本発明者等の実験によると、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔをフルストローク長の４４％に規制したとき、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値は０．３９で、常温時（２３℃）におけるＣｖ値は、０．５７であった。したがって、その場合のＣｖ値の差は、０．１８である。一方、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長を規制しなかったとき、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値は０．４３で、常温時（２３℃）におけるＣｖ値は、０．７９であった。したがって、その場合のＣｖ値の差は、０．３６である。
このように、メタルダイアフラム４３のストローク長をフルストローク長の４４％に規制することによって、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値をあまり低下させることなく（−０．０４）、高温時（２５０℃）から常温時（２３℃）におけるＣｖ値の変動量（０．１８）を、規制しなかった場合のＣｖ値の変動量（０．３６）に対して、約半分に減少させることができた。
なお、Ｃｖ値は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ０１００−１９８４）に基づき算出した。測定温度は、２３℃（常温時）、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃（高温時）である。
【００３３】
図１、図３に示すように、弁開閉時において、第２ステム７２の外周縁７２Ａは、ホルダ５３の連通孔５３Ａに摺接して案内されているので、第２ステム７２の姿勢は、常に一定に保持される。したがって、第２ステム７２の下端に押し当てられたメタルダイアフラム４３の中央部４３Ａの姿勢も、弁開閉に伴って上下動する際、傾斜することなく略一定の形態に保持される。より具体的には、高温でメタルダイアフラム４３の強度が低下して、メタルダイアフラム４３の復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラム４３の中央部は、押し当てられた第２ステム７２の下端面に略沿った形状に保持されたまま第２ステム７２とともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
また、図１に示すように、第２ステム７２の外径Ｑは、少なくとも弁座４２の外径Ｐより大きい。そのため、第２ステム７２の下端面に略沿った形状に保持されたメタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、少なくとも弁座４２と当接する範囲において、略同じ形状が保持されている。
これは、常温時から高温時（２５０℃）に温度が変化しても、弁開時におけるメタルダイアフラム４３と弁座４２との隙間が、より一定に維持され易くしていることを意味する。
【００３４】
第２ステム７２の上端は、第１ステム７１の下端と当接、又は、分離できる。したがって、第１ステム７１は、エアシリンダ部６を構成するシリンダベース３１、シリンダケース３２、ピストン３３、ピストンロッド３５、スプリングリテーナ６１、圧縮スプリング６２を一体に組み付けた状態Ｓ（図２に示す状態）で、第２ステム７２から分離できる。
また、図３に示すように、第２ステム７２の上端中央部には、凹座面７２Ｃが形成され、第１ステム７１の下端中央部には、先端を円錐又は円弧状にした凸座面が下向きに形成されている。したがって、第１ステム７１に多少傾きが生じても第２ステム７２との当接位置には変動が生じ難いので、メタルダイアフラム４３のストローク長を、より正確に規制できる。
【００３５】
＜動作説明＞
図１に示すように、流量制御弁１は、パイロットポート３２Ａに操作エアを送給すると、操作エアが加圧室３７、３７に供給され、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５を上方（弁開方向）に駆動する。第１ステム７１は、ピストンロッド３５と連結されているので、圧縮スプリング６２の弾性力に抗して、上昇端位置まで上昇する。第１ステム７１によって上昇を規制されていた第２ステム７２は、メタルダイアフラム４３の復元力によって上昇する。メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、弁座４２と離間し、弁開状態となる。メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制しているので、メタルダイアフラムの使用ストローク長Ｔは、フルストローク長より減少している。メタルダイアフラム４３が弁開すると、原料ガスが入力ポート４１Ｂから弁室４４を通って出力ポート４１Ｃに供給される。原料ガスの温度や流量制御弁の設置場所の環境温度が高温（２５０℃位）になると、メタルダイアフラム４３の強度が低下し、また、真空状態では原料ガスの負圧が作用するので、高温時（２５０℃位）におけるメタルダイアフラム４３の弁開位置は、常温時の弁開位置より低くなる。
しかし、高温時（２５０℃位）においても、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔは、常温から高温（２５０℃位）に温度が変化しても、略一定に保持される。
一方、流量制御弁１は、パイロットポート３２Ａへの操作エアの送給を停止すると、圧縮スプリング６２の弾性力によって、第１ステム７１を下方（弁閉方向）に駆動する。第１ステム７１は、第２ステム７２の上昇を規制したまま、第２ステム７２とともに下降する。図３に示すように、第２ステム７２の下降に伴いメタルダイアフラム４３は、その中央部４３Ａが、弁座４２と当接し、弁閉状態となる。メタルダイアフラム４３が弁閉すると、原料ガスの出力ポート４１Ｂへの供給が停止される。
【００３６】
＜作用効果＞
メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制しているので、常温時においては、メタルダイアフラム４３は強度が高い分、弁開時の復元力が強く、メタルダイアフラム４３の復元動作によって第２ステム７２は、高温時における弁開位置より上方へ移動しようとするが、第２ステム７２はピストンロッド３５に連結された第１ステム７１と当接して、上方への移動が規制される。そのため、弁開時における第２ステム７２の上昇端位置を、常温時から高温時まで略一定にでき、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔも常温時から高温時にかけて略一定に制御できる。その結果、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
【００３７】
また、ステムは、ピストンロッド３５に連結された第１ステム７１とメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２とに上下分割され、互いに当接、離間できることにしたので、弁開時における第１ステム７１の上昇端位置を調整してメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを調節するとき、第１ステム７１を含むアクチュエータ部３を一体に組み付けた状態Ｓ（図２に示す状態）で、アクチュエータ部３をホルダ部５から外し第１ステム７１の取り付け位置等を調節したうえで、また、ホルダ部５に連結することによって、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの調節を、簡便かつ正確に行うことができる。これによって、Ｃｖ値の調節を簡便かつ正確にできる。
【００３８】
特に、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを該メタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、Ｃｖ値の差を０．１９以内としたので、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
ここで、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
すなわち、高温時（２５０℃）には、軟化したメタルダイアフラム４３は負圧の作用を受けて弁座との隙間が縮まり、それに伴ってＣｖ値が常温時に比べて、４０〜６０％程度まで減少する。この減少したＣｖ値よりも、Ｃｖ値を小さく制限して使用する考え方の下で、初期状態でメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔをメタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、常温時におけるＣｖ値（常温）に対する高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）の差を０．１９の範囲内にしたので、高温かつ真空状態で使用しても、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落とすことなく、また、流量コントロールシステムを複雑化することなく、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できるのである。
【００３９】
エアシリンダ部６とスプリング部７との間に薄板（シム）５２を挟むことによって、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを規制値の範囲内にしたので、エアシリンダ部６とスプリング部７との間に入る薄板（シム）５２を複数枚用意しておけば、設定したい使用ストローク長Ｔに簡単かつ確実に調節できる。そのため、製品ごとにメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔが微妙に異なる場合でも、規制値の範囲内に納める調節を、高精度かつ確実にできる。また、シム調節であるので、アクチュエータをねじ込み量によって調節する構造と違って、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化しないので、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを高精度かつ確実に調節することが容易である。
よって、製品ごとのメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。
なお、薄板（シム）５２の厚さを０．０５ｍｍとすることにより、高温時（２５０℃）における製品間のＣｖ値のバラツキを±８．６％、温度によるバラツキを５℃あたり±１．３％、合わせて約±１０％に抑えることができた。
【００４０】
また、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを計測する貫通孔３２Ｃを、シリンダケース３２の上端外周側に設けたので、エアシリンダ部６をバルブボディ４１に取り付けた状態で、シリンダケース３２に設けた貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを測定できる。上ピストン３３Ａは、ピストンロッド３５を介して第１ステム７１に連結され、第１ステム７１はメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の中央部の上下動に連動して上下動するからである。
これによって、製造装置に使用された流量制御弁１について、製品ごとのメタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを簡単に確認できるので、その調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。また、計測する際、流量制御弁１を製造装置から取り外す必要がないので、ライン停止等を最小限に抑えることができる。
【００４１】
また、第２ステム７２は、ホルダ５３中央に穿設された連通孔５３Ａに摺接して上下動するので、高温でメタルダイアフラム４３の強度が低下して、メタルダイアフラム４３の復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、押し当てられた第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に保持されたまま第２ステム７２とともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
結果として、常温時と高温時（２５０℃）との間でＣｖ値の変動を、いっそう低減できる。
【００４２】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る流量制御弁２のシリンダケース３２の断面図であって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調整する調整つまみ３８を示す。
第２実施形態は、ピストンロッド５３の上昇端位置を調整する調整つまみ３８を、シリンダケース３２上端中央に設けた点が第１実施形態と相違し、その他の点は、第１実施形態と共通している。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、第１実施形態と共通している箇所には、図面に第１実施形態と同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４３】
図６に示すように、調整つまみ３８は、シリンダケース３２の上端中央に配設された頭部３８Ａと、その下端に延びシリンダケース３２内にねじ込まれた脚部３８Ｂとから構成されている。頭部３８Ａは、シリンダケース３２の外側にあって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調節するつまみである。シリンダケース３２内で、脚部３８Ｂの下端は、ピストンロッド３５の上端と当接している。したがって、頭部３８Ａを回すと、脚部３８Ｂのねじ込み深さが変化し、ピストンロッド３５の上昇端位置も連動して変化する。
一方、調整つまみ３８には、頭部３８Ａの上端中央にパイロットポート３２Ａが形成されている。また、調整つまみ３８には、ピストンロッド３５の送給孔３５Ａに連通する第２の送給孔３８Ｃが、頭部３８Ａ上端のパイロットポート３２Ａから脚部３８Ｂの下端まで貫通して形成されている。したがって、パイロットポート３２Ａから送給される操作エアは、第２の送給孔３８Ｃとピストンロッド３５の送給孔３５Ａとを介して、上下の加圧室３７、３７に供給される。
シリンダケース３２の上端外周側には、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを計測する貫通孔３２Ｃが穿設されている。この貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを測定しながら、この調整つまみ３８を回転することによって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調整することができる。メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを、より一層簡便に調節することができる。
【００４４】
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。
（１）例えば、上記実施形態では、流体制御弁１を半導体製造装置に使用したが、使用用途はこれに限定されないことは言うまでもない。
（２）例えば、上記実施形態では、流体制御弁１はノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁であるが、ノーマルオープンタイプのエアオペレイト式開閉弁としてもよい。また、流体制御弁１は、流量調整弁、手動弁、電磁弁等であっても良い。
（３）例えば、上記実施形態では、エアシリンダ部６とスプリング部７とが薄板（シム）５２を介して連結されているが、スプリング部７とホルダ部５とを薄板（シム）５２を介して連結してもよい。その場合、スプリングリテーナ６１の鍔部６１Ｄの下端と、アダプタ５１の上端との間に薄板（シム）５２を挟むことになるので、押えナット６４のねじを外して、簡単に薄板（シム）５２調節ができる。
（４）また、薄板（シム）５２は、略Ｃ字形状に限らず、略Ｕ字形状でも略ドーナツ形状でもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１、２ 流量制御弁
３ アクチュエータ部
４ 弁部
５ ホルダ部
６ エアシリンダ部
７ スプリング部
３１ シリンダベース
３２ シリンダケース
３２Ｃ 貫通孔
３３ ピストン
３４ 中間プレート
３５ ピストンロッド
３６ Ｏリング
３７ 加圧室
３８ 調整つまみ
４１ バルブボディ
４２ 弁座
４３ メタルダイアフラム
４４ 弁室
５１ アダプタ
５２ 薄板（シム）
５３ ホルダ
６１ スプリングリテーナ
６２ 圧縮スプリング
６３ ロッドガイド
６４ 押えナット
７１ 第１ステム
７２ 第２ステム
Ｐ 弁座の外径
Ｑ 第２ステムの外径
Ｓ アクチュエータ部の組み付け状態
Ｔ メタルダイアフラムの使用ストローク長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として半導体製造装置のガス供給系において使用される流量制御弁に関するものであり、常温時から高温時まで弁のＣｖ値を安定に保持して、流量変動の少ない流量制御弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高温用ガス弁は最大流量を維持させることに着目して、メタルダイアフラムを熱処理することによって硬度を高くし、高温時（例えば２５０℃位）のダイアフラムの変形量を抑制していた。このような技術は、以下に示す特許文献１に開示されている。
上記特許文献１には、コバルト合金からなるメタルダイアフラムを時効硬化熱処理によって、ビッカース硬度をＨｖ５００以上にすると、高温環境下であっても、メタルダイアフラムの反力の低下や熱膨張が抑えられるので、メタルダイアフラムと弁座との間のギャップを一定に保つことが可能となり、半導体製造装置内に原料ガスを安定して供給できる、と記載されている。
【０００３】
しかし、ダイアフラム弁を大口径にすると、流体受圧面積も大きくなり、高温かつ真空状態で使用されると、負圧の荷重によってダイアフラムが弁座方向に大きく引かれるように落ち込んで、流量の減少に加えて弁が自然に閉塞する恐れもあった。
この問題に対応するため、ダイアフラムを弁座に接離させるための昇降動部材（アクチュエータのステム）に、ダイアフラムを溶着した技術が、特許文献２に開示されている。
【０００４】
一方、硬度を高くしたドーム形状のメタルダイアフラムでは、そのドーム形状の最大膨出高さをストローク長として使用し、弁開閉回数を重ねると、クラックを生じやすく耐久性を低下させる。これには、弁開閉動作時にメタルダイアフラムにかかる歪量や歪応力を少なくするとよく、最大膨出高さの５５〜７０％の寸法（距離）をストローク長とした技術が、特許文献３に開示されている。
確かに、最大膨出高さの５５〜７０％の寸法（距離）をストローク長としたことによって、メタルダイアフラムの開閉耐久性は向上するものの、図４の従来品（１００％）のグラフ１、及び参考品（６６％）のグラフ５に示すように、常温時と高温時とではＣｖ値が大きく変動することが、本発明者等の実験によって判明した。ここで、図４の従来品（１００％）は、メタルダイアフラムの最大膨出高さの１００％の寸法（距離）をストローク長としたものを示し、参考品（６６％）は、メタルダイアフラムの最大膨出高さの６６％の寸法（距離）をストローク長としたものを示す。Ｃｖ値は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ０１００−１９８４）に基づき算出した。測定温度は、２３℃（常温時）、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃（高温時）である。
【０００５】
また、流量制御弁を構成する部品の加工精度や組み付け精度等のバラツキから、流量制御弁一つ一つの製品間でも流量特性にバラツキが生じる。特に、高温環境下で製造される半導体デバイスの製造プロセスにおいて、流量特性（例えば、Ｃｖ値）の機差は、プロセスへの影響が大きい。
そのため、例えば、特許文献３には、メタルダイアフラムのストローク長調整機構として、バルブボディを蓋するボンネット内へアクチュエータの支持用筒部をねじ込み、支持用筒部に螺着したロックナットにて固定することにより、アクチュエータのバルブボディに取り付ける高さを調節する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１５１２７０号公報
【特許文献２】特開２００６−９０３８６号公報
【特許文献３】特開２００７−６４３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、温度変化に伴いバルブのＣｖ値が大きく変化すると、特に、微細化・高集積化した半導体デバイスの成膜プロセスの品質管理に悪影響をもたらすので、温度変化に対するＣｖ値の変動が少ないダイアフラム式の流量制御弁が求められている。
しかし、原料ガスや使用環境の温度が常温（約２０℃位）から高温（約２５０℃位）に変化すると、ダイアフラムの強度が低下して、弁開時にダイアフラムの中央部が下方に落ち込み、弁座に近接することなる。真空状態で使用すると、負圧によりダイアフラムの下方への落ち込みは、一層多くなる。
すなわち、高温時には、ダイアフラムが軟化して、前述のような負圧が作用すると、ダイアフラムの弁開位置が低くなり、流量制御弁のＣｖ値が常温時の４０〜６０％程度にまで減少することが、本発明者等の実験によって判明している。それならば、初期段階で、具体的には、常温時の取り付け状態（負圧も作用させない状態）で、ダイアフラムの高さを高温時の弁開位置まで予め規制して、高温時と常温時とにおける流量制御弁のＣｖ値を測定してみたところ、高温時でのＣｖ値は、当然、略同一でありながら、常温時でのＣｖ値は、なにも規制しなかったときに比べて、約半分の変化に縮まることが判明した。つまり、初めから、高温時でのＣｖ値に対応する弁開位置まで、ダイアフラムのストローク長を規制して使用すると、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動を、ストローク長を規制しないときに比較して、約半分程度に低減でき、しかも、高温時のＣｖ値は、ストローク長を規制しないときと略同一の値を得ることが判明した。
【０００８】
予め、ダイアフラムのストローク長を規制して使用するため、特許文献２に開示された構造のように、ダイアフラムを昇降動部材（ステム）に溶着すると、ダイアフラムは昇降動部材（ステム）と一体となっているので、昇降動部材（ステム）のみを取り外すことができない。そのため、製品ごとにダイアフラムのストローク長を簡便な機構で確実かつ正確に調節することができない。
その際、ステムを第１ステムと第２ステムとに上下分離して、第１ステムを昇降動部材（アクチュエータ）に連結し、第２ステムをダイアフラムに溶着する構造も考えられる。
しかし、第２ステムは、単独でダイアフラムに溶着されているので、高温時にはダイアフラムと一体となって下降し、常温時における弁開時の高さより低くなる。
そのため、常温時に弁開した時、第１ステムと当接する状態であった第２ステムは、高温時に弁開した時には、第１ステムと離間する状態となる場合がある。第１ステムと第２ステムとが、弁開時に離間していると、ダイアフラムのストローク長を一定に規制することができないので、Ｃｖ値が変動して、流量制御が安定しない。
【０００９】
また、特許文献３に開示された構造のように、アクチュエータのバルブボディを蓋するボンネットに取り付ける高さをねじ込み量によって調節する構造では、アクチュエータのボンネットへの取り付け高さが、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化し、ダイアフラムのストローク長を高精度かつ確実に調節することは困難である。
【００１０】
さらに、弁室内を入力ポートから出力ポートに向かって流れる流体によるダイアフラムに作用する負圧は、出力ポート側で強くなる傾向にある。そして、高温時にダイアフラムが軟化すると、弁開時に上方に復元する弾性力が低下する。したがって、高温時には、上記負圧の影響が相対的に高くなり、ダイアフラムの復元姿勢に変化が生じやすくなる。これは、常温時と高温時との間で、Ｃｖ値が変動する要因の一つとなる。
【００１１】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、その主目的は、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保でき、また、製品間のＣｖ値のバラツキを低減するため、ダイアフラムのストローク長の調節を簡便かつ正確に行うことができる流量制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る流量制御弁は、次のような構成を有している。
（１）入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータと、前記メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され前記弁室の底面との間で前記メタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部で前記アクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、
前記ステムは、前記アクチュエータに連結された第１ステムと前記メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、
前記メタルダイアフラムの弁開位置で、前記第１ステムが前記第２ステムの上昇を規制することにより、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とする。
【００１３】
（２）（１）に記載された流量制御弁において、
前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とする。
（３）（２）に記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、
前記エアシリンダ部と前記スプリング部との間にシムを挟むことによって、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を前記規制値の範囲内にしたことを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、
前記メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、前記エアシリンダのケースに設けたことを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記第２ステムは、前記ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このような特徴を有する本発明の流量制御弁は、以下のような作用効果を奏する。
（１）に記載された発明は、入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、弁座の上方に配設されて弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、ステムを駆動させるアクチュエータと、メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され弁室の底面との間でメタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部でアクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、ステムは、アクチュエータに連結された第１ステムとメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、メタルダイアフラムの弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制することにより、メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とするので、以下に説明する作用効果を奏する。
【００１５】
（１）の発明は、メタルダイアフラムの弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制しているので、常温時においては、メタルダイアフラムは強度が高い分、弁開時の復元力が強く、メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムは、高温時における弁開位置より上方へ移動しようとするが、第２ステムはアクチュエータに連結された第１ステムと当接して、上方への移動が規制される。そのため、弁開時における第２ステムの上昇位置を、常温時から高温時まで略一定にでき、メタルダイアフラムの使用ストローク長も常温時から高温時にかけて略一定に制御できる。その結果、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
【００１６】
また、ステムは、アクチュエータに連結された第１ステムとメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できることにしたので、弁開時における第１ステムの上昇端位置を調整してダイアフラムの使用ストローク長を調節するとき、アクチュエータと第１ステムとを一体に組み付けた状態で、アクチュエータをホルダ部から外し第１ステムの取り付け位置等を調節したうえで、また、ホルダ部に連結することによって、ダイアフラムの使用ストローク長の調節を、簡便かつ正確に行うことができる。これによって、Ｃｖ値の調節を簡便かつ正確にできる。
【００１７】
（２）に記載された発明は、（１）に記載された流量制御弁において、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とするので、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
ここで、ダイアフラムの使用ストローク長の下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、ダイアフラムの外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、ダイアフラムの使用ストローク長の上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
すなわち、高温時（２５０℃）には、軟化したダイアフラムは負圧の作用を受けて弁座との隙間が縮まり、それに伴ってＣｖ値が常温時に比べて、４０〜６０％程度まで減少する。この減少したＣｖ値よりも、Ｃｖ値を小さく制限して使用する考え方の下で、初期状態でダイアフラムの使用ストローク長をダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、常温時におけるＣｖ値（常温）に対する高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）の差を０．１９の範囲内にしたので、高温かつ真空状態で使用しても、実用上、ダイアフラムの外径を１ランク落とすことなく、また、流量コントロールシステムを複雑化することなく、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できるのである。
【００１８】
（３）に記載された発明は、（２）に記載された流量制御弁において、アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、エアシリンダ部とスプリング部との間にシムを挟むことによって、メタルダイアフラムの使用ストローク長を規制値の範囲内にしたことを特徴とするので、エアシリンダ部とスプリング部との間に入るシムを複数枚用意しておけば、設定したい使用ストローク長に簡単かつ確実に調節できる。そのため、製品ごとにメタルダイアフラムの使用ストローク長が微妙に異なる場合でも、規制値の範囲内に納める調節を、高精度かつ確実にできる。また、シム調節であるので、アクチュエータをねじ込み量によって調節する構造と違って、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化しないので、ダイアフラムのストローク長を高精度かつ確実に調節することが容易である。
よって、製品ごとのダイアフラムの使用ストローク長の調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。
【００１９】
（４）に記載された発明は、（１）乃至（３）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、エアシリンダのケースに設けたことを特徴とするので、エアシリンダをバルブボディに取り付けた状態で、エアシリンダのケースに設けた貫通孔に計測棒を挿入し、ピストンに当接することによって、メタルダイアフラムのストローク長を測定できる。ピストンは、ピストンロッドを介して第１ステムに連結され、第１ステムはメタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムの上昇を規制しているので、メタルダイアフラムの中央部の上下動に連動して上下動するからである。
これによって、製品ごとのダイアフラムのストローク長を簡単に確認できるので、その調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう低減することができる。
【００２０】
（５）に記載された発明は、（１）乃至（４）のいずれか１つに記載された流量制御弁において、第２ステムは、ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とするので、高温でメタルダイアフラムの強度が低下して、メタルダイアフラムの復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラムの中央部は、押し当てられた第２ステムの下端面に略沿った形状に保持されたまま第２ステムとともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
結果として、常温時と高温時（２５０℃）との間でＣｖ値の変動を、いっそう低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の全体断面図であって、メタルダイアフラムの弁開状態を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、上部ホルダから外したときのシリンダ部の組み付け状態Ｓを示す。
【図３】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の下部部分断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。
【図４】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、メタルダイアフラムのストローク長を計測するために、計測棒を貫通孔に挿入した状態を示す。
【図６】本発明の第２実施形態に係る流量制御弁２のシリンダケースの断面図であって、ピストンロッドの上昇端位置を調整する調整つまみを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明に係る流量制御弁の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流量制御弁１の全体断面図であって、弁開状態を示す。図２は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、上部ホルダから外したときのシリンダ部の組み付け状態Ｓを示す。図３は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の下部部分断面図であって、メタルダイアフラムの弁閉状態を示す。図４は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。図５は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１の上部部分断面図であって、メタルダイアフラムのストローク長を計測するために、計測棒を貫通孔に挿入した状態を示す。
第１実施形態の流量制御弁１は、従来技術と同様、半導体製造装置のガス供給系に組み付けられ、高温ガスの供給を制御する。流量制御弁１は、ノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁である。流量制御弁１は、上方に配設されたアクチュエータ部３と、下方に配設されメタルダイアフラムを有する弁部４と、両者を連結するホルダ部５とから構成されている。アクチュエータ部３は、エアシリンダ部６とスプリング部７とが薄板（シム）５２を介して連結されている。
【００２３】
図１に示すように、エアシリンダ部６は、シリンダベース３１、シリンダケース３２、ピストン３３、中間プレート３４、ピストンロッド３５、Ｏリング３６、加圧室３７を備えている。また、スプリング部７は、スプリングリテーナ６１、圧縮スプリング６２、ロッドガイド６３、押えナット６４、第１ステム７１を備えている。
シリンダベース３１には、上端側に上フランジ３１Ａが張り出し、その外周縁に筒状のシリンダガイド３１Ｂが突設されている。シリンダガイド３１Ｂには、上端を閉じた筒状のシリンダケース３２が上から螺合されている。シリンダケース３２内及びシリンダガイド３１Ｂ内には、上ピストン３３Ａと下ピストン３３Ｂとが、それぞれ摺動自在にはめ込まれている。上下ピストン３３Ａ、３３Ｂの間には、中間プレート３４が配設されている。中間プレート３４には、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂと連結されたピストンロッド３５の上下動を案内するガイド孔３４Ａが、中央に穿設されている。中間プレート３４の外周端は、シリンダケース３２の内壁面に下向きに形成された段付き部３２Ｄに嵌合されている。シリンダケース３２の上端下面とピストンロッド３５に形成された段付き部３５Ｂとが、弁開時に当接し、シリンダストローク長を規制している。
【００２４】
シリンダケース３２の上端中央には、パイロットポート３２Ａと、ピストンロッド３５の上下動を案内するガイド孔３２Ｂとが、上下貫通して形成されている。ピストンロッド３５には、パイロットポート３２Ａから送給される操作エア（圧縮エア）を上ピストン３３Ａと中間プレート３４との間、及び、下ピストン３３Ｂとシリンダベース３１との間に形成された上下の加圧室３７、３７に供給する送給孔３５Ａが穿設されている。したがって、パイロットポート３２Ａに操作エアを送給すると、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５は上方（弁開方向）に駆動する。そして、駆動する上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５には、シリンダケース３２、中間プレート３４、及びシリンダガイド３１Ｂと摺接する箇所に、Ｏリング３６が嵌合されている。
【００２５】
図５に示すように、シリンダケース３２の上端外周側には、メタルダイアフラム４３のストローク長を計測する貫通孔３２Ｃが穿設されている。この貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長を測定できる。上ピストン３３Ａは、ピストンロッド３５を介して第１ステム７１に連結され、第１ステム７１はメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の中央部の上下動に連動して上下動するからである。
【００２６】
また、図１に示すように、シリンダベース３１の下端には、下フランジ３１Ｃが形成されている。下フランジ３１Ｃは、薄板（シム）５２を介して下方（弁閉方向）に付勢する圧縮スプリング６２を保持するスプリングリテーナ６１の上面６１Ａに当接している。
薄板（シム）５２は、略Ｃ字形状に形成されている。薄板（シム）５２は、外径を下フランジ３１Ｃの外径と略程度とし、複数枚用意している中から、適宜選択する。薄板（シム）５２の材質は、例えばＳＵＳ３０４で、厚さは、０．０５ｍｍ程度である。なお、薄板（シム）５２は、厚さの異なるシムと厚さの等しいシムを複数枚用意しておくとよい。組み合わせることによって、最適な寸法に調節できるからである。
下フランジ３１Ｃの下端中央部には、雄ねじが設けられ、スプリングリテーナ６１のボス部６１Ｂに設けた雌ねじに螺合されている。薄板（シム）５２は、そのねじを締め付けることによって、スプリングリテーナ６１の上面６１Ａとシリンダベース３１の下フランジ３１Ｃとの間で挟圧されている。
したがって、下フランジ３１Ｃの下端中央部のねじを緩めて、スプリングリテーナ６１から外すことによって、簡単に薄板（シム）５２を交換できる。
下フランジ３１Ｃの中央部には、ピストンロッド３５が貫通する貫通孔３１Ｄが穿設されている。
【００２７】
スプリングリテーナ６１のボス部６１Ｂの下端には、その中央部をピストンロッド３５が貫通するロッドガイド６３が配設されている。ロッドガイド６３は、スプリング６２Ｂを保持する役割を持っている。
また、貫通したピストンロッド３５の下端部には、雄ねじが設けられ、第１ステム７１の上端中央部７１Ａに設けられた雌ねじに螺合されている。そのため、ピストンロッド３５の上方への駆動力が、第１ステム７１に伝達される。ピストンロッド３５が螺合している第１ステム７１の上端外周部７１Ｂには、圧縮スプリング６２の下端が当接している。そのため、圧縮スプリング６２の弾性力が、第１ステム７１を下方に押圧する。本実施形態では、外径と線径とが異なる２種類の圧縮スプリング６２Ａ，６２Ｂが配設されている。その理由は、必要推力を出し、かつ縦方向に省スペースとするためである。
スプリングリテーナ６１の外周縁には、筒状のスプリングガイド６１Ｃが垂下され、その下端に所定の厚みを有する鍔部６１Ｄが、外向きに形成されている。
【００２８】
次に、図３に示すように、ホルダ部５は、アダプタ５１とホルダ５３とを備えている。
アダプタ５１には、上下に筒状の中空部５１Ｂが形成され、その中には、圧縮スプリング６２とピストンロッド３５に連結されている第１ステム７１とが挿入されている。
アダプタ５１の上部外周面には、第１の雄ねじが設けられ、押えナット６４の内周面に設けた雌ねじと螺合されている。押えナット６４の上端内周縁には、係合部６４Ａが内向きに突設され、スプリングリテーナ６１の鍔部６１Ｄと係合している。押えナット６４のねじを締結することによって、アダプタ５１は、スプリングリテーナ６１と連結されている。
【００２９】
アダプタ５１の下部外周面には、第２の雄ねじが設けられ、弁部４を構成するバルブボディ４１の上部に突設された筒部４１Ａの内周面に設けられた雌ねじに螺合されている。
アダプタ５１の下端には、ホルダ５３の上端が当接している。ホルダ５３の当接部５３Ｂは、鉤型に形成され、アダプタ５１の径方向と上下方向とを規制している。ホルダ５３は、メタルダイアフラム４３の外周縁部４３Ｂの上方に配設され、弁室４４の底面との間でメタルダイアフラム４３を気密状に挟圧している。
ホルダ５３の中央部には、弁開閉時に第２ステム７２の外周縁７２Ａと摺接する連通孔５３Ａが、穿設されている。
【００３０】
次に、図３に示すように、弁部４は、バルブボディ４１、弁座４２、メタルダイアフラム４３、第２ステム７２を備えている。
バルブボディ４１の上部に突設された筒部４１Ａの内面には、入力ポート４１Ｂ及び出力ポート４１Ｃに連通する弁室４４が形成されている。弁室４４の底面には、入力ポート４１Ｂに連通する箇所に弁座４２が設けられている。弁座４２の材質は、耐熱性の優れたＰＩ（ポリイミド）、ＰＦＡ（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体）である。また、弁座４２は、バルブボディ４１にかしめ結合されている。弁座４２の上方には、弁座４２と接離し、その中央部４３Ａが上方に膨出するメタルダイアフラム４３が配設されている。メタルダイアフラム４３は、ニッケル・コバルト合金製の薄膜が複数枚積層され、シート状に圧着されている。メタルダイアフラム４３は、０．１ｍｍ厚の薄膜を３枚積層して、中央部４３Ａの膨出量は、自由状態で０．９ｍｍとして、作製されている。また、メタルダイアフラム４３は、高強度化するため、熱処理を行っているので、硬度は、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上を有している。
メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、その上面にて第２ステム７２の下端７２Ｂが押し当てられている。
第２ステム７２は、略円柱形状で、その下端７２Ｂは、下方になだらかに膨出して湾曲した形状に形成されている。バルブボディ４１に取り付ける段階（初期段階）で、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａを、第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に規制する。弁開時においても、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、押し当てられた第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に保持されている。
【００３１】
本実施形態では、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを該メタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内とした。
以下、図４に基づいて、上記数値限定の根拠を説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る流体制御弁１を用いて、バルブ温度とＣｖ値との関係を求めたグラフである。
まず、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長の上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
【００３２】
なお、本実施形態では、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの最適値を、０．４ｍｍとしている。この場合、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長は、フルストローク長（自由状態での高さ０．９ｍｍ）に対して、４４％に規制されていることになる。
本発明者等の実験によると、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔをフルストローク長の４４％に規制したとき、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値は０．３９で、常温時（２３℃）におけるＣｖ値は、０．５７であった。したがって、その場合のＣｖ値の差は、０．１８である。一方、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長を規制しなかったとき、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値は０．４３で、常温時（２３℃）におけるＣｖ値は、０．７９であった。したがって、その場合のＣｖ値の差は、０．３６である。
このように、メタルダイアフラム４３のストローク長をフルストローク長の４４％に規制することによって、高温時（２５０℃）におけるＣｖ値をあまり低下させることなく（−０．０４）、高温時（２５０℃）から常温時（２３℃）におけるＣｖ値の変動量（０．１８）を、規制しなかった場合のＣｖ値の変動量（０．３６）に対して、約半分に減少させることができた。
なお、Ｃｖ値は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ０１００−１９８４）に基づき算出した。測定温度は、２３℃（常温時）、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃（高温時）である。
【００３３】
図１、図３に示すように、弁開閉時において、第２ステム７２の外周縁７２Ａは、ホルダ５３の連通孔５３Ａに摺接して案内されているので、第２ステム７２の姿勢は、常に一定に保持される。したがって、第２ステム７２の下端に押し当てられたメタルダイアフラム４３の中央部４３Ａの姿勢も、弁開閉に伴って上下動する際、傾斜することなく略一定の形態に保持される。より具体的には、高温でメタルダイアフラム４３の強度が低下して、メタルダイアフラム４３の復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラム４３の中央部は、押し当てられた第２ステム７２の下端面に略沿った形状に保持されたまま第２ステム７２とともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
また、図１に示すように、第２ステム７２の外径Ｑは、少なくとも弁座４２の外径Ｐより大きい。そのため、第２ステム７２の下端面に略沿った形状に保持されたメタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、少なくとも弁座４２と当接する範囲において、略同じ形状が保持されている。
これは、常温時から高温時（２５０℃）に温度が変化しても、弁開時におけるメタルダイアフラム４３と弁座４２との隙間が、より一定に維持され易くしていることを意味する。
【００３４】
第２ステム７２の上端は、第１ステム７１の下端と当接、又は、分離できる。したがって、第１ステム７１は、エアシリンダ部６を構成するシリンダベース３１、シリンダケース３２、ピストン３３、ピストンロッド３５、スプリングリテーナ６１、圧縮スプリング６２を一体に組み付けた状態Ｓ（図２に示す状態）で、第２ステム７２から分離できる。
また、図３に示すように、第２ステム７２の上端中央部には、凹座面７２Ｃが形成され、第１ステム７１の下端中央部には、先端を円錐又は円弧状にした凸座面が下向きに形成されている。したがって、第１ステム７１に多少傾きが生じても第２ステム７２との当接位置には変動が生じ難いので、メタルダイアフラム４３のストローク長を、より正確に規制できる。
【００３５】
＜動作説明＞
図１に示すように、流量制御弁１は、パイロットポート３２Ａに操作エアを送給すると、操作エアが加圧室３７、３７に供給され、上下ピストン３３Ａ、３３Ｂ及びピストンロッド３５を上方（弁開方向）に駆動する。第１ステム７１は、ピストンロッド３５と連結されているので、圧縮スプリング６２の弾性力に抗して、上昇端位置まで上昇する。第１ステム７１によって上昇を規制されていた第２ステム７２は、メタルダイアフラム４３の復元力によって上昇する。メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、弁座４２と離間し、弁開状態となる。メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステムが第２ステムの上昇を規制しているので、メタルダイアフラムの使用ストローク長Ｔは、フルストローク長より減少している。メタルダイアフラム４３が弁開すると、原料ガスが入力ポート４１Ｂから弁室４４を通って出力ポート４１Ｃに供給される。原料ガスの温度や流量制御弁の設置場所の環境温度が高温（２５０℃位）になると、メタルダイアフラム４３の強度が低下し、また、真空状態では原料ガスの負圧が作用するので、高温時（２５０℃位）におけるメタルダイアフラム４３の弁開位置は、常温時の弁開位置より低くなる。
しかし、高温時（２５０℃位）においても、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔは、常温から高温（２５０℃位）に温度が変化しても、略一定に保持される。
一方、流量制御弁１は、パイロットポート３２Ａへの操作エアの送給を停止すると、圧縮スプリング６２の弾性力によって、第１ステム７１を下方（弁閉方向）に駆動する。第１ステム７１は、第２ステム７２の上昇を規制したまま、第２ステム７２とともに下降する。図３に示すように、第２ステム７２の下降に伴いメタルダイアフラム４３は、その中央部４３Ａが、弁座４２と当接し、弁閉状態となる。メタルダイアフラム４３が弁閉すると、原料ガスの出力ポート４１Ｂへの供給が停止される。
【００３６】
＜作用効果＞
メタルダイアフラム４３の弁開位置で、第１ステム７１が第２ステム７２の上昇を規制しているので、常温時においては、メタルダイアフラム４３は強度が高い分、弁開時の復元力が強く、メタルダイアフラム４３の復元動作によって第２ステム７２は、高温時における弁開位置より上方へ移動しようとするが、第２ステム７２はピストンロッド３５に連結された第１ステム７１と当接して、上方への移動が規制される。そのため、弁開時における第２ステム７２の上昇端位置を、常温時から高温時まで略一定にでき、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔも常温時から高温時にかけて略一定に制御できる。その結果、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
【００３７】
また、ステムは、ピストンロッド３５に連結された第１ステム７１とメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２とに上下分割され、互いに当接、離間できることにしたので、弁開時における第１ステム７１の上昇端位置を調整してメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを調節するとき、第１ステム７１を含むアクチュエータ部３を一体に組み付けた状態Ｓ（図２に示す状態）で、アクチュエータ部３をホルダ部５から外し第１ステム７１の取り付け位置等を調節したうえで、また、ホルダ部５に連結することによって、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの調節を、簡便かつ正確に行うことができる。これによって、Ｃｖ値の調節を簡便かつ正確にできる。
【００３８】
特に、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを該メタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、Ｃｖ値の差を０．１９以内としたので、高温かつ真空状態で使用しても、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できる。
ここで、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの下限をフルストローク長の２０％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）が、０．１２となり、これよりＣｖ値が小さくなると、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落としたものと同等となるため、大きいサイズである意味がないからである。また、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの上限をフルストローク長の４９％にしたのは、その時の高温時（２５０℃）と常温時におけるＣｖ値の差が、０．１９となり、これよりＣｖ値の差が大きくなると、実用上、流量コントロールシステムが複雑となり、安定した流量制御を行い難くなるからである。
すなわち、高温時（２５０℃）には、軟化したメタルダイアフラム４３は負圧の作用を受けて弁座との隙間が縮まり、それに伴ってＣｖ値が常温時に比べて、４０〜６０％程度まで減少する。この減少したＣｖ値よりも、Ｃｖ値を小さく制限して使用する考え方の下で、初期状態でメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔをメタルダイアフラム４３のフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、常温時におけるＣｖ値（常温）に対する高温時（２５０℃）におけるＣｖ値（２５０℃）の差を０．１９の範囲内にしたので、高温かつ真空状態で使用しても、実用上、メタルダイアフラム４３の外径を１ランク落とすことなく、また、流量コントロールシステムを複雑化することなく、常温時と高温時との間でＣｖ値の変動が少なくて安定した流量を確保できるのである。
【００３９】
エアシリンダ部６とスプリング部７との間に薄板（シム）５２を挟むことによって、メタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔを規制値の範囲内にしたので、エアシリンダ部６とスプリング部７との間に入る薄板（シム）５２を複数枚用意しておけば、設定したい使用ストローク長Ｔに簡単かつ確実に調節できる。そのため、製品ごとにメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔが微妙に異なる場合でも、規制値の範囲内に納める調節を、高精度かつ確実にできる。また、シム調節であるので、アクチュエータをねじ込み量によって調節する構造と違って、ねじ山及びねじ溝の加工精度等のバラツキによって微妙に変化しないので、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを高精度かつ確実に調節することが容易である。
よって、製品ごとのメタルダイアフラム４３の使用ストローク長Ｔの調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。
なお、薄板（シム）５２の厚さを０．０５ｍｍとすることにより、高温時（２５０℃）における製品間のＣｖ値のバラツキを±８．６％、温度によるバラツキを５℃あたり±１．３％、合わせて約±１０％に抑えることができた。
【００４０】
また、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを計測する貫通孔３２Ｃを、シリンダケース３２の上端外周側に設けたので、エアシリンダ部６をバルブボディ４１に取り付けた状態で、シリンダケース３２に設けた貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを測定できる。上ピストン３３Ａは、ピストンロッド３５を介して第１ステム７１に連結され、第１ステム７１はメタルダイアフラム４３の中央部上面に押し当てられた第２ステム７２の上昇を規制しているので、メタルダイアフラム４３の中央部の上下動に連動して上下動するからである。
これによって、製造装置に使用された流量制御弁１について、製品ごとのメタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを簡単に確認できるので、その調節を、より簡便かつ正確に行い、製品間のＣｖ値のバラツキをいっそう少なくすることができる。また、計測する際、流量制御弁１を製造装置から取り外す必要がないので、ライン停止等を最小限に抑えることができる。
【００４１】
また、第２ステム７２は、ホルダ５３中央に穿設された連通孔５３Ａに摺接して上下動するので、高温でメタルダイアフラム４３の強度が低下して、メタルダイアフラム４３の復元姿勢に変化が生じやすくなっても、メタルダイアフラム４３の中央部４３Ａは、押し当てられた第２ステム７２の下端７２Ｂの湾曲面に略沿った形状に保持されたまま第２ステム７２とともに上下動し、正しいストローク軌跡を正確に再現できる。
結果として、常温時と高温時（２５０℃）との間でＣｖ値の変動を、いっそう低減できる。
【００４２】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る流量制御弁２のシリンダケース３２の断面図であって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調整する調整つまみ３８を示す。
第２実施形態は、ピストンロッド５３の上昇端位置を調整する調整つまみ３８を、シリンダケース３２上端中央に設けた点が第１実施形態と相違し、その他の点は、第１実施形態と共通している。ここでは、第１実施形態と相違する点を中心に説明し、第１実施形態と共通している箇所には、図面に第１実施形態と同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４３】
図６に示すように、調整つまみ３８は、シリンダケース３２の上端中央に配設された頭部３８Ａと、その下端に延びシリンダケース３２内にねじ込まれた脚部３８Ｂとから構成されている。頭部３８Ａは、シリンダケース３２の外側にあって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調節するつまみである。シリンダケース３２内で、脚部３８Ｂの下端は、ピストンロッド３５の上端と当接している。したがって、頭部３８Ａを回すと、脚部３８Ｂのねじ込み深さが変化し、ピストンロッド３５の上昇端位置も連動して変化する。
一方、調整つまみ３８には、頭部３８Ａの上端中央にパイロットポート３２Ａが形成されている。また、調整つまみ３８には、ピストンロッド３５の送給孔３５Ａに連通する第２の送給孔３８Ｃが、頭部３８Ａ上端のパイロットポート３２Ａから脚部３８Ｂの下端まで貫通して形成されている。したがって、パイロットポート３２Ａから送給される操作エアは、第２の送給孔３８Ｃとピストンロッド３５の送給孔３５Ａとを介して、上下の加圧室３７、３７に供給される。
シリンダケース３２の上端外周側には、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを計測する貫通孔３２Ｃが穿設されている。この貫通孔３２Ｃに計測棒Ｒを挿入し、上ピストン３３Ａに当接することによって、メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを測定しながら、この調整つまみ３８を回転することによって、ピストンロッド３５の上昇端位置を調整することができる。メタルダイアフラム４３のストローク長Ｔを、より一層簡便に調節することができる。
【００４４】
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。
（１）例えば、上記実施形態では、流体制御弁１を半導体製造装置に使用したが、使用用途はこれに限定されないことは言うまでもない。
（２）例えば、上記実施形態では、流体制御弁１はノーマルクローズタイプのエアオペレイト式開閉弁であるが、ノーマルオープンタイプのエアオペレイト式開閉弁としてもよい。また、流体制御弁１は、流量調整弁、手動弁、電磁弁等であっても良い。
（３）例えば、上記実施形態では、エアシリンダ部６とスプリング部７とが薄板（シム）５２を介して連結されているが、スプリング部７とホルダ部５とを薄板（シム）５２を介して連結してもよい。その場合、スプリングリテーナ６１の鍔部６１Ｄの下端と、アダプタ５１の上端との間に薄板（シム）５２を挟むことになるので、押えナット６４のねじを外して、簡単に薄板（シム）５２調節ができる。
（４）また、薄板（シム）５２は、略Ｃ字形状に限らず、略Ｕ字形状でも略ドーナツ形状でもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１、２ 流量制御弁
３ アクチュエータ部
４ 弁部
５ ホルダ部
６ エアシリンダ部
７ スプリング部
３１ シリンダベース
３２ シリンダケース
３２Ｃ 貫通孔
３３ ピストン
３４ 中間プレート
３５ ピストンロッド
３６ Ｏリング
３７ 加圧室
３８ 調整つまみ
４１ バルブボディ
４２ 弁座
４３ メタルダイアフラム
４４ 弁室
５１ アダプタ
５２ 薄板（シム）
５３ ホルダ
６１ スプリングリテーナ
６２ 圧縮スプリング
６３ ロッドガイド
６４ 押えナット
７１ 第１ステム
７２ 第２ステム
Ｐ 弁座の外径
Ｑ 第２ステムの外径
Ｓ アクチュエータ部の組み付け状態
Ｔ メタルダイアフラムの使用ストローク長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータと、前記メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され前記弁室の底面との間で前記メタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部で前記アクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、
前記ステムは、前記アクチュエータに連結された第１ステムと前記メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、
前記メタルダイアフラムの弁開位置で、前記第１ステムが前記第２ステムの上昇を規制することにより、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とする流量制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載された流量制御弁において、
前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項３】
請求項２に記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、
前記エアシリンダ部と前記スプリング部との間にシムを挟むことによって、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を前記規制値の範囲内にしたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、
前記メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、前記エアシリンダのケースに設けたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記第２ステムは、前記ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とする流量制御弁。
【請求項１】
入力ポート及び出力ポートに連通する弁室の底面に弁座を設けたバルブボディと、前記弁座の上方に配設されて前記弁座と接離し、その中央部が上方に膨出するメタルダイアフラムと、前記メタルダイアフラムの中央部を上下動させるステムと、前記ステムを駆動させるアクチュエータと、前記メタルダイアフラムの外周縁部の上方に配設され前記弁室の底面との間で前記メタルダイアフラムを気密状に挟圧すると共に、その上部で前記アクチュエータが連結されたホルダ部とを備えた流量制御弁において、
前記ステムは、前記アクチュエータに連結された第１ステムと前記メタルダイアフラムの中央部上面に押し当てられた第２ステムとに上下分割され、互いに当接、離間できること、
前記メタルダイアフラムの弁開位置で、前記第１ステムが前記第２ステムの上昇を規制することにより、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長より減少したことを特徴とする流量制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載された流量制御弁において、
前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を該メタルダイアフラムのフルストローク長の２０〜４９％に規制することにより、高温時（２５０℃）と常温時とにおけるＣｖ値の差を０．１９以内としたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項３】
請求項２に記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、エアシリンダ部とスプリング部とを有し、
前記エアシリンダ部と前記スプリング部との間にシムを挟むことによって、前記メタルダイアフラムの使用ストローク長を前記規制値の範囲内にしたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記アクチュエータは、ケース内にピストンを有するエアシリンダを備え、
前記メタルダイアフラムのストローク長を計測する貫通孔を、前記エアシリンダのケースに設けたことを特徴とする流量制御弁。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載された流量制御弁において、
前記第２ステムは、前記ホルダ部中央に穿設された連通孔に摺接して上下動することを特徴とする流量制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８９１６５（Ｐ２０１２−１８９１６５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４３９１（Ｐ２０１１−５４３９１）
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００１０６７６０）ＣＫＤ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００１０６７６０）ＣＫＤ株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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