JP2022095226A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能な流量制御弁を提供すること。【解決手段】薬液の流量制御を行うニードル弁において、ロッド６０が間隙を持って挿通され、ロッド６０の移動をガイドするガイド部１２１を備えること、ロッド６０は、ガイド部１２１に挿通されている部分の外周面に、Ｏリング７７を備え、ガイド部１２１に対して、摺動可能に保持されていること、ロッド６０は、少なくとも間隙により、Ｏリング７７を支点に、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度を備えること、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節され、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合に、自由度により、ロッド６０が傾斜することで、片当たりによりニードル弁体４１に負荷される接触圧が緩和されること、を特徴とする。【選択図】図２

Description

駆動装置と、前記駆動装置の動作によって移動が行われるロッドと、ロッドに接続され、ロッドの移動により環状弁座に対して進退するニードル弁体と、を備え、ニードル弁体の環状弁座に対する開度の調節を行うことで、制御流体の流量制御を行う流量制御弁に関するものである。

半導体製造工程中のウエハ洗浄には、薬液（例えば、塩酸、アンモニア、フッ酸等）を希釈した洗浄液が用いられる。薬液の濃度管理のため、薬液の流量制御が行われており、この流量制御を行う流量制御弁として、例えば特許文献１に開示されるニードル弁が知られている。

このニードル弁は、駆動装置（特許文献１に開示されるモータ１１０）と、駆動装置の動作によって直動するロッド（特許文献１に開示されるロッド６０）と、ロッドの先端に接続されたニードル弁体（特許文献１に開示される弁体４１）と、を備えている。また、ロッドは、ガイド部（特許文献１に開示される第１収容部３１）に挿通されており、該ガイド部によりロッドの直動がガイドされる。そして、ロッドの直動により、ニードル弁体が環状弁座（特許文献１に開示される弁座部２４）に対して進退する。

このようなニードル弁は、ニードル弁体の環状弁座に対する開度の調節を行うことで、制御流体の流量制御を行う。例えば、薬液を所定の微少流量（例えば、１～１０ｍｌ／ｍｉｎ）に制御する場合には、ニードル弁体の環状弁座に対する開度が、ニードル弁体と環状弁座との隙間が数十μｍ以下という微小な開度に調節される。

特許第５１５０００９号公報

上記したようなニードル弁は、ニードル弁体の中心軸線と環状弁座の中心軸線とが同心同軸上にあることが理想的であり、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節された場合には、ニードル弁体の全周において、環状弁座との間に均一な隙間が形成されていることが望ましい。しかし、実際には、製造公差等により、ニードル弁体の中心軸線と環状弁座の中心軸線との間に、環状弁座の径方向に微小な位置ずれが生じる。そうすると、微小な開度に調節された場合に、ニードル弁体の全周において環状弁座との間に均一な隙間が形成されず、ニードル弁体の一部が環状弁座と接触（すなわち片当たり）するおそれがある。ニードル弁は、流量制御を行っている間、微小な開度の調節を繰り返しているため、ニードル弁体に片当たりが発生すると、片当たりしている箇所が環状弁座と摩擦し、片当たりしている箇所で摩耗が発生するおそれがある。

特に、従来のニードル弁は、上記のような摩耗が発生しやすかった。これは、ロッドの直進性の確保や、流体圧によるニードル弁体の軸心のぶれ防止を目的として、ロッドとガイド部との間の間隙が可能な限り小さく設定されているためである。ロッドとガイド部との間の間隙を可能な限り小さくすると、ロッドおよびニードル弁体を動作させようとするモータの推力（約５０Ｎ以上）が、逃げることが出来ず、片当たりした箇所に負荷される。そうすると、ニードル弁体に対する環状弁座による接触圧が過剰となり、上記した摩耗が発生しやすくなるのである。

上記のようにニードル弁体に摩耗が発生すると、その摩耗粉がパーティクルとして薬液に混入するおそれがある。パーティクルが薬液に混入すると、ウエハの洗浄液へのパーティクルの混入につながる。

また、上記摩耗の大きさは、ニードル弁体の中心軸線と環状弁座の中心軸線との間の位置ずれ量によっては、大きくなり、ニードル弁体の形状の変形が大きくなるおそれがある。そうすると、ニードル弁が同一の開度に調節されていても、ニードル弁体に摩耗が生じる前と後では薬液の流量が変化してしまい、ウエハの洗浄液における薬液の濃度が変動するおそれがある。

洗浄液のパーティクルの混入や薬液濃度の変動は、ウエハの製造不良を招き、半導体の製造効率に悪影響を与えるおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能な流量制御弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の流量制御弁は、次のような構成を有している。
（１）駆動装置と、駆動装置の動作によって移動が行われるロッドと、ロッドに接続され、ロッドの移動により環状弁座に対して進退するニードル弁体と、を備え、ニードル弁体の環状弁座に対する開度の調節を行うことで、制御流体の流量制御を行う流量制御弁において、ロッドが間隙を持って挿通され、ロッドの移動をガイドするガイド部を備えること、ロッドは、ガイド部に挿通されている部分の外周面に、環状の弾性体を備え、ガイド部に対して、摺動可能に保持されていること、ロッドは、少なくとも間隙により、弾性体を支点に、環状弁座の中心軸線に対して傾斜可能な自由度を備えること、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節され、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合に、自由度により、ロッドが傾斜することで、片当たりによりニードル弁体に負荷される接触圧が緩和されること、を特徴とする。

（１）に記載の流量制御弁によれば、ロッドは、ガイド部に間隙を持って挿通されており、少なくとも当該間隙により、環状弁座の中心軸線に対して傾斜可能な自由度を備えている。この自由度により、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節され、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合でも、ロッドが傾斜することができる。ロッドが傾斜することができれば、片当たりが発生したとしても、ロッドおよびニードル弁体を動作させようとする駆動装置の推力を逃がすことが可能となり、片当たりによって環状弁座からニードル弁体に負荷される接触圧が緩和される。よって、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。

摩耗の発生を抑えることができれば、摩耗粉の発生を抑えることができ、例えば薬液等の制御流体にパーティクルが混入することを防ぐことができる。 さらに、従来は、摩耗によるニードル弁体の変形が大きくなると、ニードル弁体が同一の開度に調整されていても、ニードル弁体に摩耗が生じる前と後で薬液の流量が変化し、薬液の濃度が変動してしまうおそれがあったが、摩耗の発生を抑えることができれば、このおそれも低減される。薬液へのパーティクルの混入防止や薬液濃度の変動のおそれの低減は、ウエハの製造不良の発生を防止することが出来る。

なお、ロッドが傾斜することができるということは、流体圧によりニードル弁体の軸心がぶれてしまい、流量制御に悪影響があると考えられるが、出願人は実験により、（１）に記載の流量制御弁は、従来の流量制御弁と同等の精度で流体制御を行うことができることを確認した。

（２）（１）に記載の流量制御弁において、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合の、自由度によるロッドの傾斜は、２度以上６度以下の範囲内であること、を特徴とする。

（２）に記載の流量制御弁によれば、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。例えば、ニードル弁体が環状弁座に片当たりした場合のロッドの傾斜が２度より小さい角度（例えば１度）であると、駆動装置の推力を逃がしきれず、片当たりによって環状弁座２４からニードル弁体に負荷される接触圧により、ニードル弁体に摩耗が発生するおそれがある。また、６度よりも大きい角度で傾斜をすると、流体圧（９０ｋＰａ）によるニードル弁体のぶれが過剰となり、振動や異音が発生する原因となるおそれがある。よって、自由度によるロッドの傾斜は、２度以上６度以下の範囲内であることが望ましい。

（３）（１）または（２）に記載の流量制御弁において、駆動装置は、駆動軸を有するモータであること、駆動軸には、駆動軸の回転動作を直動動作に変換する送りねじ部材が接続されており、ロッドは、送りねじ部材に遊びを持って螺着されていること、自由度は、間隙と遊びとにより確保されること、を特徴とする。

（３）に記載の流量制御弁によれば、ロッドは、送りねじ部材が駆動軸の回転動作を直動動作に変換することにより、移動可能となっている。そして、ロッドは、送りねじ部材に遊びを持って螺着されている。つまり、当該遊びにより、ロッドは送りねじ部材に対して、自由度を持って結合されている。したがって、ロッドが環状弁座の中心軸線に対して傾斜可能な自由度は、ロッドとガイド部の間隙による自由度と、上記の遊びによる自由度とにより確保されることになる。ロッドが環状弁座の中心軸線に対して傾斜可能な自由度が確保されることで、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。

本発明の流量制御弁によれば、ニードル弁体が環状弁座に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。

本実施形態に係る流量制御弁（ニードル弁）の断面図である。 図１の部分Ａの部分拡大図であり、ニードル弁体の中心軸線と環状弁座の中心軸線との間に、環状弁座の径方向の位置ずれが生じ、ニードル弁体が環状弁座に片当たりしている状態を示す図である 本実施形態に係るニードル弁と従来品のパーティクル数について、５０００サイクル目以降の平均値を表したグラフである。 本実施形態に係るニードル弁と従来品において、モータのステップ数（ニードル弁体の開度）と、Ｃｖ値の関係を比較したグラフである。 図４のステップ数３８０からステップ数４００までを拡大したグラフである。 （ａ）は、ニードル弁体の摩耗の発生具合を評価するための試験回路を表す図である。（ｂ）は、評価対象のニードル弁の動作シーケンスを表す図である。

本発明に係る流量制御弁の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る流量制御弁（ニードル弁）の断面図である。図２は、図１の部分Ａの部分拡大図であり、ニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２との間に、環状弁座２４の径方向の位置ずれが生じ、ニードル弁体４１が環状弁座２４に片当たりしている状態を示す図である。

本実施形態に係る流量制御弁は、例えば、半導体製造工程において洗浄液に用いられる薬液（制御流体の一例）の流量を調整するニードル弁１である。 薬液は、例えば、塩酸、アンモニア、フッ酸等であり、その流量は、ニードル弁１において所定の微少流量（例えば、１～１０ｍｌ／ｍｉｎ）に制御される。そして、微少流量に制御された薬液は、希釈され、ウエハの洗浄液として用いられる。

ニードル弁１は、バルブボディ２０と、駆動部３０と、から構成されている。バルブボディ２０は、射出成型または削り出し加工により形成され、その材質は、耐薬品性に優れたフッ素樹脂（例えば、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アーテル共重合体（ＰＦＡ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））である。

バルブボディ２０は、薬液が流入する入力ポート２５と、薬液が流出する出力ポート２６と、を備えている。また、バルブボディ２０は、その内部に、入力ポート２５に接続された入力側流路２１と、出力ポート２６に接続された出力側流路２３と、入力側流路２１と出力側流路２３とを接続する弁室２２と、を備えている。弁室２２は、バルブボディ２０の駆動部３０側の端面（図１中の上端面）に開口した円柱状の空間として形成されており、入力ポート２５から入力される所定圧力の薬液が流入される。また、バルブボディ２０は、入力側流路２１と弁室２２ との接続部に、環状弁座２４を備えている。

バルブボディ２０において弁室２２が開口する上端面には、駆動部３０が固定されている。駆動部３０は、第１シリンダ部材１２０と、第２シリンダ部材５０と、モータ１１０（駆動装置の一例）と、が積み重なるようにしてなり、内部には、送りねじ部材８０と、ロッド６０と、を有する。

第１シリンダ部材１２０は、射出成型または削り出し加工により円柱状に形成されており、その材質は、例えば、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＶＤＦ等の樹脂である。第１シリンダ部材１２０の第２シリンダ部材５０側の端面（図１中の上端面）には、円柱状の空間である第１収容部１２４が穿設されている。さらに、第１シリンダ部材１２０は、第１収容部１２４とバルブボディ２０側の端面とを貫通する、円柱状のガイド部１２１が形成されている。このガイド部１２１は、ガイド部１２１の中心軸線が、弁室２２の中心軸線と略一致するように形成されている。

第１シリンダ部材１２０の上端面には第２シリンダ部材５０が結合されている。第２シリンダ部材５０は、射出成型または削り出し加工により形成され、その材質は、例えば、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＶＤＦ等の樹脂である。第２シリンダ部材５０は、モータ１１０側の端面（図１中の上端面）から第１シリンダ部材１２０側の端面（図１中の下端面）までを貫通する、円柱状の空間である第２収容部５５を有する。この第２収容部５５は、第１シリンダ部材１２０の第１収容部１２４と互いに連通しており、これらの中心軸線はガイド部１２１の中心軸線と略一致している。また、第２収容部５５の、第１シリンダ部材１２０側の端部（下端部）は、内周面が内側に張り出すことにより、円環状の張出部５１が設けられている。この張出部５１が第１収容部１２４と第２収容部５５との境界をなしている。

第２シリンダ部材５０の上端面には、モータ１１０（例えば、ステッピングモータ）が固定されている。モータ１１０ は、駆動軸１１１を備えている。駆動軸１１１は、第２シリンダ部材５０の第２収容部５５内に挿入されており、その先端には、例えばステンレスにより直方体状に形成された係合部材９０が結合されている。なお、係合部材９０の図１中の左右方向の両端面は、互いに平行な面となっている。

また、モータ１１０は、駆動回路１１２を備えている。駆動回路１１２ は信号線１３２により、ニードル弁１が備える制御回路（不図示）と接続されており、制御回路から出力される駆動軸１１１の回転量（ステップ数）が、信号線１３２を介して駆動回路１１２に入力される。そして、駆動回路１１２は入力されるステップ数に基づき、駆動軸１１１の回転量を制御する。なお、ステップ数は、制御回路が、外部の制御装置（不図示）から制御回路に入力される指令に基づいて設定するものである。

モータ１１０の下方、第２シリンダ部材５０の第２収容部５５には、送りねじ部材８０が収容されている。送りねじ部材８０の材質は、例えばステンレスが用いられる。

送りねじ部材８０の、モータ１１０側の端面（図中上端面）には、溝部８３が穿設されている。この溝部８３の図中左右方向の両端の内面は、互いに平行な面となっている。溝部８３の幅は、モータ１１０の駆動軸１１１に結合されている係合部材９０の幅よりも微少に大きくされており、溝部８３には、駆動軸１１１の中心軸線と送りねじ部材８０の中心軸線とが略一致された状態で、係合部材９０が挿入されている。これにより、係合部材９０と送りねじ部材８０とは、駆動軸１１１の軸線方向に相対移動可能であるとともに、モータ１１０の回転力を送りねじ部材８０に伝達可能となっている。そして、モータ１１０の回転力が伝達された送りねじ部材８０は、駆動軸１１１の中心軸線ＣＬ４を中心に回転される。なお、送りねじ部材８０と張出部５１との間には、ラジアル軸受７６が設けられているため、このラジアル軸受７６により、送りねじ部材８０の回転軸が規制されるとともに、回転が滑らかにされている。また、送りねじ部材８０の、モータ１１０とは反対側の端面（図１中の下端面）には、雄ねじの切られた雄ねじ部８２が突設されている。

送りねじ部材８０の下方には、ガイド部１２１と第１収容部１２４とに渡って、送りねじ部材８０の雄ねじ部８２に螺着されるロッド６０が収容されている。ロッド６０ は、射出成型または削り出し加工により円柱状に形成されており、その材質は、例えば、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＶＤＦ等の樹脂である。

ロッド６０は、ガイド部１２１に間隙を持って挿通された第１ロッド部６１と、第１収容部１２４に収容された第２ロッド部６２とを備えている。第２ロッド部６２の径は、第１ロッド部６１の径よりも大きくなっている。

ロッド６０は、第１ロッド部６１がガイド部１２１に挿通されていることで、ガイド部１２１にガイドされて、その軸線方向に移動可能となっている。なお、ロッド６０の第２ロッド部６２には、外径方向へ延びるピン７２が設けられており、このピン７２が第１シリンダ部材１２０の溝１２２に挿入されているため、ロッド６０は、その中心軸線ＣＬ１を中心とした回転が規制されている。

また、第１ロッド部６１の外周面には、円環状の溝部６５が設けられており、溝部６５には、シール部材としてＯリング７７（弾性体の一例）が嵌合されている。Ｏリング７７によって、ガイド部１２１の内周面と第１ロッド部６１の外周面との間がシールされるとともに、ロッド６０がガイド部１２１に対して滑らかに摺動可能とされている。

また、Ｏリング７７は、ロッド６０が環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜する場合の支点として作用する。この傾斜とは、第１ロッド部６１はガイド部１２１に間隙を持って挿通されているためにロッド６０が備える自由度のことである。例えば、図２に示すように、ロッド６０は、ガイド部１２１の中で、Ｏリング７７を支点として、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能となっている。なお、第２ロッド部６２の外周面と第１収容部１２４の内周面との間には十分な間隙が設定されており、第２ロッド部６２の外周面と第１収容部１２４の内周面とが干渉してロッド６０の傾斜を妨げることがないようにされている。

第２ロッド部６２のモータ１１０側の端面には、スプリング７１の一端（図１中の下端）が当接されている。また、スプリング７ １ の他端（図１中の上端）は張出部５１に接している。スプリング７１は、ロッド６０と張出部５１とに弾性力を作用させており、ロッド６０が張出部５１から離れる方向、すなわちニードル弁体４１が環状弁座２４に近付く方向へ、ロッド６０を付勢している。

ロッド６０のモータ１１０側の端面には、内周に雌ねじが切られた雌ねじ部６４が、ロッド６０の軸線方向に穿設されており、この雌ねじ部６４が、送りねじ部材８０の雄ねじ部８２にかみ合うことで、ロッド６０は、送りねじ部材８０に遊びを持って螺着されている。これにより、送りねじ部材８０がモータ１１０により回転されると、ロッド６０は ねじ送りされ、図中上下方向に移動可能である。なお、雌ねじ部６４と雄ねじ部８２との間には、上記螺着のための遊びが設けられているため、ロッド６０は、送りねじ部材８０の中心軸線に対して傾斜可能な自由度を備えている。この自由度により、送りねじ部材８０がロッド６０のガイド部１２１の中での傾斜を妨げることがないようにされている。

ロッド６０のバルブボディ２０側の端部には、ニードル弁体４１が連結されており、図１に示すように、ロッド６０の中心軸線ＣＬ１とニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３は一致されている。ニードル弁体４１は、射出成型または削り出し加工により円柱状に形成されており、その材質は、摺動性および耐薬品性に優れたフッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または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アーテル共重合体（ＰＦＡ））である。

ニードル弁体４１の外周縁には、薄膜部４２が設けられている。この薄膜部４２によって、弁室２２が ガイド部１２１の空間と環状弁座２４側の空間とに区画されており、弁室２２内の液体がガイド部１２１へ流入することが防止されている。また、薄膜部４２の外周縁には、円環状の固定部４３が設けられており、この固定部４３がバルブボディ２０と第１シリンダ部材１２０とに挟持されることで、ニードル弁体４１が固定されている。さらにまた、ニードル弁体４１は、ロッド６０側とは反対側の端部に向かってニードル弁体４１の径を縮小させる縮径部４１ａを備えている。この縮径部４１ａは、バルブボディ２０の環状弁座２４に対向するように位置している。

ニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２とは、図１に示すように、同心同軸上に位置されることが望ましいが、製造公差により、ニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２との間には、環状弁座２４の径方向に、微小な（例えば、０コンマ数ｍｍ程度）の位置ずれが生じ得る。このとき、上述したロッド６０の第１ロッド部６１とガイド部１２１との間隙は、製造公差によって考えられるニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２の最大の位置ずれ量よりも大きく設定されている。つまり、第１ロッド部６１とガイド部１２１との間隙を、ガイド部１２１の内径Ｄ１２から第１ロッド部６１の直径Ｄ１１を減じた値の半分の値（（Ｄ１２－Ｄ１１）／２）であるとして、その間隙が上記最大の位置ずれ量よりも大きく設定されていることを意味する。

以上のようなニードル弁１は以下のように動作する。図１に示すニードル弁１は、ニードル弁体４１の環状弁座２４に対する開度（以下、単に開度と言う）が最小にされた状態、すなわち、ニードル弁体４１が環状弁座２４に当接した閉弁状態にある。この閉弁状態から開度を大きくする動作について説明する。

モータ１１０の駆動軸１１１は、上述の通り、駆動回路１１２に入力されるステップ数に基づき、制御される。駆動軸１１１が中心軸ＣＬ４を中心に図１の矢印Ｘの方向に回転されると、係合部材９０から送りねじ部材８０へ回転力が伝達され、送りねじ部材８０が矢印Ｘの方向に回転する。送りねじ部材８０の回転は、すなわち雄ねじ部８２の回転であり、雄ねじ部８２が矢印Ｘの方向に回転されることにより、雄ねじ部８２とかみ合っているロッド６０の雌ねじ部６４が駆動軸１１１に近付く方向へねじ送りされる。つまり、ロッド６０が、図１中の上方に移動し、ロッド６０と送りねじ部材８０とが近付くことになる。ロッド６０が上方に移動するに伴ってニードル弁体４１が環状弁座２４から離れる方向に移動する。このため、環状弁座２４とニードル弁体４１との距離、すなわち開度が調節され、出力側流路２３へ流出する薬液の流量が調整される。なお、係合部材９０と送りねじ部材８０とは駆動軸１１１の軸線方向に相対移動可能となっているため、ロッド６０がねじ送りされる際に、その力の反作用が駆動軸１１１に対して軸線方向に作用することが抑制されている。

次に、ニードル弁１において、開度を小さくする動作について説明する。

モータ１１０の駆動軸１１１は、開度を大きくする場合と同様に、駆動回路１１２に入力されるステップ数に基づき、制御される。駆動軸１１１が中心軸ＣＬ４を中心に図１の矢印Ｙの方向に回転されると、係合部材９０から送りねじ部材８０へ回転力が伝達され、送りねじ部材８０（雄ねじ部８２）が矢印Ｙの方向に回転する。この場合には、雄ねじ部８２とかみ合っているロッド６０の雌ねじ部６４が駆動軸１１１から離れる方向へねじ送りされる。つまり、ロッド６０が、図１中の下方に移動し、ロッド６０と送りねじ部材８０とが離れることになる。ロッド６０が下方に移動するに伴ってニードル弁体４１が環状弁座２４に近づく方向に移動する。このため、環状弁座２４とニードル弁体４１との距離、すなわち開度が調節され、出力側流路２３へ流出する薬液の流量が調整される。

開度の調節を行う際、駆動軸１１１の回転位置は、モータ１１０のステップ数に基づいて精密に制御されるため、ニードル弁１は、開度を数μｍの精度で精密に制御することができる。例えば、薬液を所定の微少流量（例えば、１～１０ｍｌ／ｍｉｎ）に制御する場合には、ニードル弁体４１の環状弁座２４に対する開度が、ニードル弁体４１と環状弁座２４との隙間が数十μｍ以下という微小な開度に調節される。

このような微少な開度に調節される場合、ニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２とが、同心同軸上に位置され、ニードル弁体４１の縮径部４１ａの全周において、環状弁座２４との間に均一な隙間が形成されていることが望ましい。しかし、実際には、製造公差等により、ニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２との間には、環状弁座２４の径方向に微少な（例えば、０コンマ数ｍｍ程度）の位置ずれが生じ得る。そうすると、微小な開度に調節された場合に、縮径部４１ａの全周において環状弁座２４との間に均一な隙間が形成されず、縮径部４１ａの一部が環状弁座２４と接触（すなわち片当たり）するおそれがある。ニードル弁１は、流量制御を行っている間、微小な開度の調節を繰り返しているため、片当たりが発生すると、片当たりしている箇所が環状弁座２４と摩擦し、片当たりしている箇所で摩耗が発生するおそれがある。

しかし、本実施形態に係るニードル弁１は、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。以下に詳しく説明する。

第１ロッド部６１とガイド部１２１との間隙および雌ねじ部６４と雄ねじ部８２との間の遊びを有するため、ロッド６０は、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度を備えている。ロッド６０が自由度を備えているため、ニードル弁体４１に、上記した片当たりが発生した場合、図２に示すように、ロッド６０およびニードル弁体４１が、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜することができる。この傾斜したときの、ロッド６０の中心軸線ＣＬ１の、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対する傾斜角度θは、２度以上６度以下であることが望ましく、３度以上５度以下とすることがさらに望ましい。この傾斜角度θは、ロッド６０の第１ロッド部６１とガイド部１２１との間隙を、製造公差によって考えられるニードル弁体４１の中心軸線ＣＬ３と環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２の最大の位置ずれ量よりも大きく設定することで確保されている。

ロッド６０およびニードル弁体４１が、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜することにより、ロッド６０およびニードル弁体４１を動作させようとするモータ１１０の推力を逃がすことが可能となり、片当たりによって環状弁座２４からニードル弁体４１に負荷される接触圧が緩和される。もし、ロッド６０の自由度が非常に小さく、傾斜角度θが非常に小さい（１度以下）状態であるか、ロッド６０の自由度が全くなく、傾斜できない状態である場合には、片当たりによって環状弁座２４からニードル弁体４１に負荷される接触圧は、モータ１１０の推力により５０Ｎ以上となることが考えられるが、ロッド６０の傾斜により、接触圧は、弾性変形している薄膜部４２の反力程度、すなわち２～３Ｎ程度まで緩和される。以上のように、上記接触圧を、薄膜部４２の反力程度にまで緩和することが出来れば、ニードル弁体４１は摺動性の高いフッ素樹脂からなるため、片当たりが発生したとしても、ニードル弁体４１と環状弁座２４との摩擦による摩耗の発生を防止することが可能である。

以下に、本実施形態に係るニードル弁１と、従来のニードル弁とにおいて、ニードル弁体の摩耗の発生具合を比較評価した結果について説明する。従来のニードル弁とは、従来品Ａおよび従来品Ｂである（図３参照）。従来品Ａは、ロッドの自由度が非常に小さく、傾斜角度θが非常に小さくされた（１度以下）ニードル弁である。従来品Ｂは、ロッドがリジットに固定されるなどして自由度が無く、傾斜することができないニードル弁である。

ニードル弁体の摩耗の発生具合を評価するために、図６（ａ）に示す試験回路を用いた。この試験回路は以下のように構成されている。上流側の超純水供給源２００から順に、超純水供給源２００から超純水を試験回路に供給するためのポンプ２０１と、超純水の流量を２５０ｍｌ／ｍｉｎに制御する流量制御装置２０２と、１０ｎｍ以上のパーティクルをろ過するフィルタ２０３と、が直列に接続されている。そして、フィルタ２０３の下流側には、評価対象のニードル弁２０４Ａ（サンプル１）およびニードル弁２０４Ｂ（サンプル２）が並列に接続されている。なお、ニードル弁２０４Ａとニードル弁２０４Ｂは同一のニードル弁である。例えば、ニードル弁１の評価を行う場合には、ニードル弁２０４Ａおよびニードル弁２０４Ｂは、ともにニードル弁１であり、従来品Ａの評価を行う場合には、ニードル弁２０４Ａおよびニードル弁２０４Ｂは、ともに従来品Ａである。ニードル弁２０４Ａおよびニードル弁２０４Ｂの下流側には液中パーティクルカウンタ（ＬＰＣ）２０５が接続されており、ニードル弁２０４Ａおよびニードル弁２０４Ｂを通過した超純水に含まれる４０ｎｍ以上の大きさのパーティクルを検出できるようになっている。ＬＰＣ２０５には、流量制御装置２０６が接続されており、ＬＰＣ２０５から排出される超純水の流量を５ｍｌ／ｍｉｎに制御している。

以上のような試験回路を用い、超純水を供給した状態で、ニードル弁２０４Ａ（サンプル１）およびニードル弁２０４Ｂ（サンプル２）を、図６（ｂ）に示すように、２秒につき１サイクル（弁開動作を１秒，弁閉動作を１秒）で動作させ、液中パーティクルカウンタ２０５が検出するパーティクルの個数に基づき、ニードル弁体４１の摩耗の発生具合を判断する。つまり、液中パーティクルカウンタ２０５が検出するパーティクルの個数が多いほど、ニードル弁体４１に摩耗が発生しており、パーティクルの個数が少ないほど、ニードル弁体４１の摩耗が抑えられていると判断する。なお、ここで、図６（ｂ）に記載の弁閉との文言は、ニードル弁体４１の縮径部４１ａが環状弁座２４に当接した完全弁閉状態を意味するのではなく、ニードル弁体４１と環状弁座２４との隙間が数十μｍ以下という微小な開度に調節し、超純水の流量を、４ｍｌ／ｍｉｎという微少流量に制御した状態を意味する。また、図６（ｂ）に記載の弁開との文言は、ニードル弁体４１が上限位置にある完全弁開状態を意味する。

以上の条件により試験を行った結果、ニードル弁１は、動作開始時点（０サイクル）から３００００サイクルまでの間において、５０００サイクル毎に数回程度、数個のパーティクルを検出するに止まった。

また、従来品Ａは、動作開始時点（０サイクル）から３００００サイクルまでの間において、ニードル弁１よりも頻度高く５～１０個のパーティクルが検出されたことに加え、５０００サイクル毎に数回程度は、１０個または２０個を超えた個数のパーティクルが検出された。

さらにまた、従来品Ｂは、動作開始時点（０サイクル）から３００００サイクルまでの間において、ほぼ常に５個以上のパーティクルが検出されており、３０個，４０個，５０個を超えるケースも確認できた。

図３は、本実施形態に係るニードル弁１と従来品Ａ，Ｂのパーティクル数について、５０００サイクル目以降の平均値を表したグラフである。このグラフから、ニードル弁１は平均値が１個以下、従来品Ａは平均値が約２個、従来品Ｂは、平均値が約１６個となっていることが分かる。ニードル弁１は、従来品Ａと比べて半分以下の個数であるとともに、従来品Ｂと比べて１６分の１以下の個数となっており、ニードル弁体４１の摩耗が、従来品Ａおよび従来品Ｂに比べて格段に抑えられていることが分かる。

以上の試験結果から、ロッドの自由度が低いほど、検出されるパーティクルの個数が多いことが分かる。これは、ニードル弁１、従来品Ａ、従来品Ｂにおいて、ニードル弁体と環状弁座との隙間が数十μｍ以下という微小な開度に調節された時に（すなわち、図６（ｂ）に言う弁閉の状態にされた時に）、上記した片当たりが生じていることが想定されるところ、ロッドの自由度が低いほど、片当たりによってニードル弁体に摩耗が生じやすいためである。

つまり、ニードル弁１は、ロッド６０が環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度を備えているために、ロッド６０およびニードル弁体４１を動作させようとするモータ１１０の推力を逃がすことが可能であり、片当たりによって環状弁座２４からニードル弁体４１に負荷される接触圧が緩和され、ニードル弁体４１の摩耗が抑えられている。一方で、従来品Ａは、ロッドの自由度がニードル弁１よりも小さいため、モータ１１０の推力を逃がしきれず、片当たりによりニードル弁体に摩耗が発生していると考えられる。また、従来品Ｂは、ロッドが自由度を有しないため、モータ１１０の推力がニードル弁体の片当たりした箇所に負荷され、従来品Ａよりもさら大きい摩耗が発生していると考えられる。

従来品Ａ，従来品Ｂのロッドの自由度が小さくされているのは、ロッドの直進性を高めることを目的とする他、流体圧によりロッドおよびニードル弁体の中心軸線がぶれてしまわないようにすることが目的となっている。これは、流体圧によりロッドおよびニードル弁体の中心軸線がぶれると、流量制御に悪影響があると考えられていたためである。とすれば、本実施形態に係るニードル弁１は、ロッド６０が傾斜可能な自由度を備えているため、流体圧によりロッド６０およびニードル弁体４１の中心軸線がぶれてしまい、流量制御に悪影響があると懸念される。しかし、出願人は実験により、ニードル弁１は、従来のニードル弁と同等の精度で流体制御を行うことができることを確認した。

図４は、本実施形態に係るニードル弁１と従来品Ａにおいて、モータのステップ数（ニードル弁体の開度）と、Ｃｖ値の関係を比較したグラフである。このグラフは、完全弁開状態（ステップ数０）から、完全弁閉状態（ステップ数４００）までのＣｖ値を示している。このグラフを見るに、ニードル弁１は、完全弁開状態（ステップ数０）から、完全弁閉状態（ステップ数４００）に向かって、従来品Ａと同等の直線性を持って、滑らかにＣｖ値が下降していることが分かる。

図５は、図４のステップ数３８０からステップ数４００までを拡大したグラフである。このグラフを見るに、ステップ数３８０からステップ数４００までの間、すなわちニードル弁体が微小な開度に制御されている場合も、ニードル弁１は、従来品Ａと同等の直線性を持って、滑らかにＣｖ値が下降していることが分かる。

以上のように、ニードル弁１は、完全弁開状態（ステップ数０）から、完全弁閉状態（ステップ数４００）に向かって、Ｃｖ値が乱れることなく、従来品Ａと同等の直線性を持って、滑らかにＣｖ値が下降しているため、ニードル弁１は、従来のニードル弁と同等の精度で流体制御を行うことができると言える。

以上説明したように、本実施形態の流量制御弁（ニードル弁１）によれば、
（１）駆動装置（例えば、モータ１１０）と、駆動装置の動作によって移動が行われるロッド６０と、ロッド６０に接続され、ロッド６０の移動により環状弁座２４に対して進退するニードル弁体４１と、を備え、ニードル弁体４１の環状弁座２４に対する開度の調節を行うことで、制御流体（例えば、薬液）の流量制御を行う流量制御弁（ニードル弁１）において、ロッド６０が間隙（（Ｄ１２－Ｄ１１）／２）を持って挿通され、ロッド６０の移動をガイドするガイド部１２１を備えること、ロッド６０は、ガイド部１２１に挿通されている部分の外周面に、環状の弾性体（例えば、Ｏリング７７）を備え、ガイド部１２１に対して、摺動可能に保持されていること、ロッド６０は、少なくとも間隙により、弾性体（Ｏリング７７）を支点に、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度を備えること、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節され、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合に、自由度により、ロッド６０が傾斜することで、片当たりによりニードル弁体４１に負荷される接触圧が緩和されること、を特徴とする。

（１）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）によれば、ロッド６０は、ガイド部１２１に間隙を持って挿通されており、少なくとも当該間隙により、環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度を備えている。この自由度により、制御流体を所定の微少流量に制御するために開度が微小な開度に調節され、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合でも、ロッド６０が傾斜することができる。ロッド６０が傾斜することができれば、片当たりが発生したとしても、ロッド６０およびニードル弁体４１を動作させようとする駆動装置の推力を逃がすことが可能となり、片当たりによって環状弁座２４からニードル弁体４１に負荷される接触圧が緩和される。よって、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。

摩耗の発生を抑えることができれば、摩耗粉の発生を抑えることができ、例えば薬液等の制御流体にパーティクルが混入することを防ぐことができる。さらには、従来は、ニードル弁体が同一の開度に調整されていても、ニードル弁体に摩耗が生じる前と後で薬液の流量が変化し、薬液の濃度が変動してしまうおそれがあったが、摩耗の発生を抑えることができれば、このおそれも低減される。薬液へのパーティクルの混入防止や薬液濃度の変動のおそれの低減は、ウエハの製造不良の発生を防止することが出来る。

なお、ロッド６０が傾斜することができるということは、流体圧によりニードル弁体４１の軸心がぶれてしまい、流量制御に悪影響があると考えられるが、出願人は実験により、（１）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）は、従来の流量制御弁と同等の精度で流体制御を行うことができることを確認した。

（２）（１）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）において、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合の、自由度によるロッド６０の傾斜は、２度以上６度以下の範囲内であること、を特徴とする。

（２）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）によれば、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。例えば、上記従来品Ａのように、ニードル弁体４１が環状弁座２４に片当たりした場合のロッド６０の傾斜が２度より小さい角度（例えば１度）であると、駆動装置の推力を逃がしきれず、ニードル弁体４１に負荷される接触圧により、ニードル弁体４１に摩耗が発生するおそれがある。また、６度よりも大きい角度で傾斜をすると、流体圧（９０ｋＰａ）によるニードル弁体４１のぶれが過剰となり、振動や異音が発生する原因となるおそれがある。よって、自由度によるロッド６０の傾斜は、２度以上６度以下の範囲内であることが望ましい。

（３）（１）または（２）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）において、駆動装置は、駆動軸１１１を有するモータ１１０であること、駆動軸１１１には、駆動軸１１１の回転動作を直動動作に変換する送りねじ部材８０が接続されており、ロッド６０は、送りねじ部材８０に遊びを持って螺着されていること、自由度は、間隙と遊びとにより確保されること、を特徴とする。

（３）に記載の流量制御弁（ニードル弁１）によれば、ロッド６０は、送りねじ部材８０が駆動軸１１１の回転動作を直動動作に変換することにより、移動可能となっている。そして、ロッド６０は、送りねじ部材８０に遊びを持って螺着されている。つまり、当該遊びにより、ロッド６０は送りねじ部材８０に対して、自由度を持って結合されている。したがって、ロッド６０が環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度は、ロッド６０とガイド部１２１の間隙による自由度と、上記の遊びによる自由度とにより確保されることになる。ロッド６０が環状弁座２４の中心軸線ＣＬ２に対して傾斜可能な自由度が確保されることで、ニードル弁体４１が環状弁座２４に対して片当たりした場合であっても、摩耗の発生を抑えることが可能である。

なお、上記の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、駆動装置としてモータ１１０を例示しているが、これに限定されるものではなく、ハンドル等により手動で動作させることが可能な駆動装置とし、流量制御弁を手動弁としても良い。

また、環状の弾性体として、Ｏリング７７を例示しているが、Ｙ型パッキンや角型パッキンなどのシール部材を用いても良い。さらには、環状の弾性体は、ロッド６０とガイド部１２１との間をシールすることを目的とする部材に限定されるものでなく、ロッド６０をガイド部１２１に対して摺動可能に保持することのみを目的とする部材を用いることとしても良い。

さらにまた、制御流体として、希釈して用いる薬液を例示しているが、希釈用途でない薬液（例えば、ウエハ乾燥用の有機溶剤（例えば、イソプロピルアルコール））などを制御することとしても良い。

１ ニードル弁（流量制御弁の一例）
２４ 環状弁座
４１ ニードル弁体
６０ ロッド
７７ Ｏリング（弾性体の一例）
１１０ モータ（駆動装置の一例）
１２１ ガイド部
ＣＬ２ 環状弁座の中心軸線

Claims (3)

1. 駆動装置と、前記駆動装置の動作によって移動が行われるロッドと、前記ロッドに接続され、前記ロッドの移動により環状弁座に対して進退するニードル弁体と、を備え、前記ニードル弁体の前記環状弁座に対する開度の調節を行うことで、制御流体の流量制御を行う流量制御弁において、
   前記ロッドが間隙を持って挿通され、前記ロッドの移動をガイドするガイド部を備えること、
   前記ロッドは、前記ガイド部に挿通されている部分の外周面に、環状の弾性体を備え、前記ガイド部に対して、摺動可能に保持されていること、
   前記ロッドは、少なくとも前記間隙により、前記弾性体を支点に、前記環状弁座の中心軸線に対して傾斜可能な自由度を備えること、
   前記制御流体を所定の微少流量に制御するために前記開度が微小な開度に調節され、前記ニードル弁体が前記環状弁座に対して片当たりした場合に、前記自由度により、前記ロッドが傾斜することで、前記片当たりにより前記ニードル弁体に負荷される接触圧が緩和されること、
   を特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁において、
   前記ニードル弁体が前記環状弁座に対して片当たりした場合の、前記自由度による前記ロッドの傾斜は、２度以上６度以下の範囲内であること、
   を特徴とする流量制御弁。
3. 請求項１または２に記載の流量制御弁において、
   前記駆動装置は、駆動軸を有するモータであること、
   前記駆動軸には、前記駆動軸の回転動作を直動動作に変換する送りねじ部材が接続されており、
   前記ロッドは、送りねじ部材に遊びを持って螺着されていること、
   前記自由度は、前記間隙と前記遊びとにより確保されること、
   を特徴とする流量制御弁。

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