JP7259839B2 - ダイアフラム弁及びそれを用いた質量流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイアフラム弁及びそれを用いた質量流量制御装置に関する。

質量流量制御装置は、流量センサ及び流量制御弁を備え、流量センサによって測定されるガスの流量が目標値と一致するように流量制御弁の開度を調整する装置である。質量流量制御装置は、成膜材料としてのガスを半導体製造装置に定量供給することを目的として広く用いられている。半導体の製造に用いられるガスの中には腐食性を有するものがある。このため、質量流量制御装置においては、ガスの流路と弁の駆動機構とが金属製の隔膜（即ち、ダイアフラム）によって気密に分離されたダイアフラム弁が流量制御弁として用いられることが一般的である。

ダイアフラム弁のダイアフラムは、典型的には、ステンレス鋼等の耐腐食性金属によって構成された円形状の薄板である。ダイアフラム弁の開閉動作は、弁の一次側流路と二次側流路とを隔てる弁座の着座面に、ダイアフラムの表面を接触させたり乖離させたりすることによって行われる。ダイアフラムの変位は、ダイアフラムを挟んでガスの流路とは反対側に設けられた押圧部材によって行われる。

ダイアフラム弁の最大流量は、弁の一次側圧力Ｐ_１と二次側圧力Ｐ_２との圧力差ΔＰ１及び弁座の着座面とダイアフラムの表面との間に形成されるギャップの断面積Ｓに依存する。典型的には、弁座は円筒状の形状を有し、そのダイアフラム側の環状の端面が着座面となる。従って、圧力差ΔＰ１が一定の場合、最大流量を増やすためには、弁座の着座面の周長ｌを長くするか、或いは弁座の着座面とダイアフラムの表面との距離ｄを拡げるか、の何れかの手段によって、ギャップの断面積Ｓ（＝ｌ×ｄ）を増やすことが有効である。後者の手段における距離ｄは、ダイアフラムの押圧部材の可動域の大きさによって決まる。押圧部材を駆動する駆動機構が圧電素子である場合、押圧部材の可動域はたかだか５０μｍであり、距離ｄを拡げることは困難である。

一方、前者の手段を採用して最大流量を増やした流量制御弁として、例えば、特許文献１には、弁座の着座面をダイアフラムの平坦部の周縁の近傍まで拡大した流量制御弁が記載されている。この構成によれば、一定の大きさの平坦部を有するダイアフラムに対して単一の着座面を有する弁座としては着座面の周長ｌが最も長くなる。

ところで、近年、半導体製造技術の進歩に伴って成膜材料としてのガスの種類も増えており、従来使われることの無かった特殊なガスが用いられるようになってきている。例えば、特許文献２には、原子層堆積法（ＡＬＤ）に用いられる成膜材料として、例えば有機金属化合物及び／又は金属ハロゲン化物等の前駆体を含むガスが記載されている。これらの前駆体を最初に基板上に化学吸着させて単層を形成し、その後に他のガスと反応させることによって、金属又は金属酸化物等の原子層が形成される。

特開平１１－６５６７０号公報 国際公開第２００６／１０１８５７号 特開２０１４－４７８４３ 米国特許出願公開第２００８／０１４２０９１号明細書

上述した有機金属化合物及び金属ハロゲン化物等の前駆体は、一般に分子量が大きく、常温常圧において液体（又は固体）である。また、加熱によって気化させても、平衡蒸気圧が低いために、冷却又は圧力上昇によって容易に液化（又は固化）する。従って、これらのガスの液化（又は固化）を防ぎながら流量を制御して半導体製造装置に供給するためには、温度Ｔを高温に維持すると共に、一次側圧力Ｐ_１及び二次側圧力Ｐ_２が温度Ｔにおける平衡蒸気圧Ｐ（Ｔ）を超えない状態を維持しつつ流量制御を行う必要がある。このことは、（平衡蒸気圧Ｐ（Ｔ）が低いため）一次側圧力Ｐ_１と二次側圧力Ｐ_２の圧力差ΔＰ１を大きくすることができないことを意味する。従って、平衡蒸気圧の低いガスの流量制御において所期の流量を達成するためには、質量流量制御装置が備えるダイアフラム弁のギャップの断面積Ｓを増やす必要がある。

特許文献１に記載された、弁座の着座面をダイアフラムの平坦部の周縁の近傍まで拡大した流量制御弁においては、一定の大きさの平坦部を有するダイアフラムに対して単一の着座面を有する弁座としては着座面の周長ｌ及びギャップの断面積Ｓが最大である。しかしながら、二次側流路の形状が複雑であるため、流体抵抗が大きく、容量係数（Ｃ_ｖ値）が小さくなる。このため、ギャップの断面積Ｓは大きいにも拘わらず流量を大きくすることができないという課題がある。

そこで、ガスを流す方向を逆にして、一次側流路を弁座の外側に設け、二次側流路を弁座の内側に設けることが考えられる。しかしながら、その場合は二次側流路が半導体製造装置と接続されるために真空に近い圧力となる。即ち、半導体製造装置に供給されるガスの二次側圧力Ｐ_２が低い。一方、ダイアフラム弁において、ダイアフラムの押圧部材が設けられている側は外部と連通しているので、その部分の圧力Ｐ_０は大気圧に等しい。このため、押圧部材が設けられている側の圧力Ｐ_０とその反対側の二次側圧力Ｐ_２との間の圧力差ΔＰ２によってダイアフラムの中心部が二次側流路に向かって変形（膨張）し、その影響によりギャップの距離ｄが縮まってガスの流量が低下するという新たな課題が生ずる。

図１０は、従来技術に係るダイアフラム弁（以降、「従来弁」と称呼される場合がある）の構成の一例を示す模式的な断面図である。また、図１１は、従来弁１０における上述した圧力差ΔＰ２の大きさによるダイアフラム２の状態の違いを説明するためのダイアフラム２近傍の模式的な部分拡大断面図である。何れの図においても、ハッチングが施された部分は、従来弁１０を構成する部材の断面を表す。但し、ダイアフラム２の断面だけは太い線によって表されている。線及びハッチングの無い部分は、ガスの流路又は部材間の間隙を表す。

ダイアフラム２の押圧部材６が設けられている側の圧力Ｐ_０とその反対側の二次側圧力Ｐ_２との間の圧力差ΔＰ２が十分に小さいとき、図１１に示す太い実線のように、ダイアフラム２の平坦部は本来の平坦な形状を維持している。しかしながら、圧力差ΔＰ２が大きいときは、図１１に示す太い破線のように、ダイアフラム２は二次側流路に向かって変形する（二次側流路側が凸になるようにダイアフラム２が撓む）場合がある。ダイアフラム２は、その外周部が他の部材に固定されているので、ダイアフラム２の中央に比べると、着座面５ａに対応する位置における変形は小さい。それでも、図１１に例示するように、圧力差ΔＰ２が十分に小さいとき（太い実線）と比べて、太い破線で示されたダイアフラム２と弁座５の着座面５ａとのギャップの距離ｄは小さくなる。このようなダイアフラム２の変形の結果、ギャップの断面積Ｓが小さくなり、ガスの流量が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ダイアフラムの平坦部の周縁の近傍まで拡大された着座面を有する弁座を備えるダイアフラム弁及びそれを用いた質量流量制御装置において、ダイアフラムの両側の圧力差ΔＰ２が大きい場合においても大流量にてガスを流すことができるようにすることを１つの目的とする。

本発明に係るダイアフラム弁（以降、「本発明弁」と称呼される場合がある。）は、円形のダイアフラムと、弁座と、弁座の外側に位置する空間である一次側流路と、弁座の内側に位置する空間である二次側流路と、ダイアフラムを着座面に近付ける方向に押圧するように構成された押圧部材と、を備える。弁座は、ダイアフラムと同軸状に配置された筒状部材によって構成され且つダイアフラムが着座する環状の形状を有する平面である着座面が筒状部材のダイアフラム側の端面に形成されている。ダイアフラムの外周部は着座面を含む平面である着座平面に対して所定の距離だけ離れた基準位置に固定されており、押圧部材はダイアフラムを押圧することによりダイアフラムと着座面との距離を変更して弁開度を変更するように構成されている。

本発明弁は、その弁開度の全開から全閉までの範囲である全開度範囲のうちの少なくとも一部の弁開度の範囲である第１開度範囲においてダイアフラムと接触して二次側流路側へのダイアフラムの変形を妨げるように構成された支持部材を更に備える。支持部材は、着座面を含む平面である着座平面への垂直投影図において、第１開度範囲においてダイアフラムと接触する支持部材の面である支持面が、着座面の環状の形状の中心である着座中心と着座面との間の領域に位置するように構成されている。

また、本発明に係る質量流量制御装置（以降、「本発明装置」と称呼される場合がある。）は、流量センサ及び本発明弁を備える質量流量制御装置である。

本発明によれば、二次側流路の径を拡大して流体抵抗を少なくすることができる。加えて、ダイアフラムの押圧部材が設けられている側の圧力Ｐ０とその反対側の二次側圧力Ｐ２との間の圧力差ΔＰ２が大きいときであってもダイアフラム弁のギャップの距離ｄの縮小を低減することができる。従って、本発明弁を備える質量流量制御装置を用いて、平衡蒸気圧の低いガスを大流量にて半導体製造装置等に安定的に供給することができる。

本発明の第１実施形態に係るダイアフラム弁（第１弁）の構成の一例を示す模式的な断面図である。 第１弁における圧力差ΔＰ２の大きさによるダイアフラムの状態の違いを説明するためのダイアフラム近傍の模式的な部分拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係るダイアフラム弁（第３弁）のダイアフラム近傍の構成の一例を示す模式的な部分拡大断面図である。 本発明に係る支持部材の１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る支持部材のもう１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る支持部材の更にもう１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る付勢部材を備える支持部材の１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る付勢部材を備える支持部材のもう１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る質量流量制御装置（第５装置）の構成の一例を示す模式的なブロック図である。 従来技術に係るダイアフラム弁（従来弁）の構成の一例を示す断面図である。 従来弁における圧力差ΔＰ２の大きさによるダイアフラムの状態の違いを説明するためのダイアフラム近傍の模式的な部分拡大断面図である。

本発明を実施するための形態につき、図を参照しながら以下に詳細に説明する。尚、ここに記載された実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明を実施するための形態はここに記載された形態に限定されない。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係るダイアフラム弁（以降、「第１弁」と称呼される場合がある。）の構成の一例を示す模式的な断面図である。ハッチングが施された部分は、第１弁１を構成する部材の断面を表す。但し、ダイアフラム２の断面だけは太い線によって表されている。線及びハッチングの無い部分は、ガスの流路又は部材間の間隙を表す。また、図２は、第１弁１における圧力差ΔＰ２の大きさによるダイアフラム２の状態の違いを説明するためのダイアフラム２近傍の模式的な部分拡大断面図である。

第１弁１は、円形のダイアフラム２を有する。ダイアフラム２は、円形の形状を有する金属製の薄板によって構成された隔膜である。ダイアフラム２の２つの主面の一方はガスの流路に面しており、他方は外気と連通する空間に面している。従って、ガスと外気とはダイアフラム２によって隔離される。ダイアフラム２の外周部は着座面を含む平面である着座平面に対して所定の距離だけ離れた基準位置に固定されている。具体的には、ダイアフラム２は、その外周部が他の部材に隙間無く固定されている。ダイアフラム２と他の部材との固定部分は、ガスケットその他の手段によってガスが漏洩しないように気密に保たれていることが好ましい。ダイアフラム２の固定部分よりも少し内側に、ダイアフラム２の変形による第１弁１の開閉動作及び弁開度の調整（増減）を容易にするための屈曲部２ａが設けられていることが好ましい。

ダイアフラム２は、ステンレス鋼等の耐腐食性金属の薄板によって構成されることが好ましい。これにより、第１弁１を用いて金属に対する腐食性を有するガスの流量を制御することが可能となる。ダイアフラム２を構成する金属製の薄板の厚さは、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。ダイアフラム２の厚さが０．２ｍｍ以上のときはダイアフラム２の強度が十分となり、０．５ｍｍ以下のときは押圧部材によるダイアフラム２の変形（駆動）が容易となる。ダイアフラム２のより好ましい厚さは、０．３ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下である。

第１弁１は、ダイアフラム２と同軸状に配置された筒状部材によって構成され且つダイアフラム２が着座する環状の形状を有する平面である着座面５ａが筒状部材のダイアフラム２側の端面に形成されている弁座５を備える。弁座５を構成する筒状部材の形状は、着座面５ａが環状の形状を有する平面である限り特に限定されない。例えば、筒状部材の形状は円筒形又は円錐台筒形であってもよい。或いは、図１に示すように、円筒状部材と円錐台筒状部材との組み合わせによって筒状部材が構成されていてもよい。

弁座５の外側にはガスの一次側流路４となる空間が画定されており、弁座５の内側には二次側流路３となる空間が画定されている。ガスは、一次側流路４を通って第１弁１に流入し、二次側流路３を通って第１弁１から外部に流出する。一次側流路４及び二次側流路３の形状は、何れもガスの流体抵抗が少なくなるように、流路面積をできるだけ広くし、屈曲部のできるだけ少ない形状であることが好ましい。一次側流路４及び二次側流路３は、例えば、第１弁１を構成する部材に機械加工によって穿たれた孔によって構成することができる。

第１弁１の開閉動作は、ダイアフラム２の表面を弁座５の着座面５ａに接触させたり弁座５の着座面５ａから乖離させたりすることによって行われる。ダイアフラム２の表面が弁座５の着座面５ａから乖離しているときは、ダイアフラム２の表面と環状の着座面５ａとの間にはほぼ一定の距離ｄのギャップが形成される。第１弁１の一次側圧力Ｐ_１と二次側圧力Ｐ_２との圧力差ΔＰ１が一定であるとき、第１弁１を流れるガスの流量は、ギャップの距離ｄと着座面５ａの周長ｌとの積、即ちギャップの断面積Ｓ（＝ｌ×ｄ）に依存する。

前述したように、ギャップの距離ｄは、ダイアフラム２の押圧部材６の可動域の大きさによって決まるので、距離ｄを拡げることは容易ではない。第１弁１の弁座５の着座面５ａは環状の形状を有する。着座面５ａの形状を環状とすることによって、第１弁１の確実な開閉動作が可能となる。また、弁座５の着座面５ａをダイアフラム２の平坦部（屈曲部２ａよりも中心側の平坦な部分）の周縁の近傍まで拡大することが好ましい。これにより、着座面５ａの周長ｌ及びギャップの断面積Ｓを最大にすることができる。

ダイアフラム２の表面が弁座５の着座面５ａに接触しているときは、一次側流路４と二次側流路３とは着座面５ａの位置において遮断され、ガスは流れない。このときの着座面５ａよりも上流側のガスの流路を一次側流路４と称呼し、着座面５ａよりも下流側のガスの流路を二次側流路３と称呼する。図１に例示されるように、一次側流路４は、第１弁１を構成する部材に機械加工によって穿たれた孔だけでなく、弁座５を構成する筒状部材の外側表面によっても形成され得る。また、二次側流路３は、第１弁１を構成する部材に機械加工によって穿たれた孔だけでなく、弁座５を構成する筒状部材の内側の空間（孔）によっても形成され得る。

図１に例示されるように、弁座５の着座面５ａは、弁座５を構成する筒状部材のダイアフラム２側の端面に設けることができる。着座面５ａは、ダイアフラム２との密着性を確保するために、単一の平面上に設けられる。

第１弁１は、ダイアフラム２を着座面５ａに近付ける方向に押圧するように構成された押圧部材６を備える。押圧部材６は、駆動機構によって駆動されてダイアフラム２を着座面５ａに近付ける方向に押圧する作用を有するものであれば、どのような構成のものであってもよい。例えば、図１に例示されるように、押圧部材６は、弁座５の着座面５ａの形状に対応する環状の凸部６ａを有していてもよい。このような形状を有する押圧部材６は、凸部６ａによってダイアフラム２を弁座５の着座面５ａに確実に押し当てることができるので好ましい。押圧部材６を駆動する駆動機構は、例えば、電圧信号によって駆動される圧電素子又は電流信号によって駆動されるソレノイドの何れかの手段を含むことができる。これらの手段は、信号の強度に応じてギャップの距離ｄを制御することができるので好ましい。

前述したように、ダイアフラム２の外周部は、着座面５ａを含む平面である着座平面に対して所定の距離だけ離れた基準位置に固定されている。着座平面からの基準位置の距離は、例えば第１弁１の弁開度が全開であるときに求められるガスの流量等に応じて適宜定めることができる。押圧部材６は、ダイアフラム２を押圧することによりダイアフラム２と着座面５ａとの距離を変更して、第１弁１の弁開度を変更するように構成されている。

第１弁１は、第１弁１の弁開度の全開から全閉までの範囲である全開度範囲のうちの少なくとも一部の弁開度の範囲である第１開度範囲においてダイアフラム２と接触して二次側流路３側へのダイアフラム２の変形を妨げるように構成された支持部材７を更に備える。支持部材７は、着座平面への垂直投影図において、第１開度範囲においてダイアフラム２と接触する支持部材７の面である支持面７ａが、着座面５ａの環状の形状の中心である着座中心と着座面５ａとの間の領域に位置するように構成されている。

前述したように、二次側流路３は半導体製造装置と接続されるために真空に近い圧力となる場合がある。そのような場合、従来技術に係るダイアフラム弁（従来弁）においては、押圧部材６が設けられている側の圧力Ｐ_０（例えば、大気圧）と、二次側流路３側のガスの圧力Ｐ_２との圧力差ΔＰ２によって、ダイアフラム２の中心部が二次側流路３側に凸となるように変形（膨張）する。その影響により、図１０及び図１１を参照しながら説明したように、ギャップの距離ｄが縮まり、ガスの流量が想定外に低下する。

一方、第１弁１によれば、上述したダイアフラム２の二次側流路側への変形（膨張）が支持部材７によって妨げられるため、ギャップの距離ｄの減少及びガスの流量の低下を低減することができる。第１弁１における支持部材７の作用について、図２に示す部分拡大断面図を用いて更に詳細に説明する。ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２が大きくない（十分に小さい）ときは、図２において太い実線によって示されるようにダイアフラム２の形状は平坦である。このときのダイアフラム２の表面と弁座５の着座面５ａとのギャップの距離は記号ｄで示された距離となる。また、環状の形状を有する着座面５ａの半径をｒとすると、着座面５ａの周長ｌは２πｒに等しい。従って、ギャップの断面積Ｓは２πｒ×ｄとなる。図示しない駆動機構によって押圧部材６を駆動してダイアフラム２を弁座５の着座面５ａに近付けるように押圧することにより、ダイアフラム２の平坦な形状を保ったまま、ギャップの距離ｄを変化させることができる。

一方、例えば二次側流路３の圧力Ｐ_２の低下等によって押圧部材６側の圧力Ｐ_０と二次側流路３の圧力Ｐ_２との差が大きくなると（圧力差ΔＰ２が大きくなると）、ダイアフラム２は図２において太い破線で示されるように変形して膨張する。しかしながら、第１弁１においては、変形して膨張したダイアフラム２の表面が支持部材７の先端（支持面７ａ）に接触すると、ダイアフラム２はそれ以上変形することができなくなる。その結果、圧力差ΔＰ２が大きいときの第１弁１におけるギャップの距離ｄは、圧力差ΔＰ２が大きいときの従来弁１０におけるギャップの距離ｄよりも大きい（図２及び図１１における太い破線を参照）。即ち、第１弁１によれば、ギャップの距離ｄの減少及びそれに伴うガスの流量の低下を低減することができる。

ところで、当該技術分野においては、ダイアフラムの過度の変形を防止することを目的として、ダイアフラムの押圧部材とは反対側の表面の中央部に接触するように配設された突出部が設けられたダイアフラム弁が知られている（例えば、特許文献３を参照）。また、全開状態から全閉状態へとダイアフラムが変形する過程の後半において押圧部材による押圧力に抗する復帰力を大きくすることを目的として、ダイアフラムの押圧部材とは反対側の表面の中央部に接触するように配設された止め具が設けられたダイアフラム弁が知られている（例えば、特許文献４を参照）。

上記のようにダイアフラム２の中央部に接触するように支持部材を設けることによっても、ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形をある程度妨げることは可能であると考えられる。しかしながら、ダイアフラムの中央部のみに支持部材を接触させてダイアフラムを支持しても、圧力差ΔＰ２が大きい場合、ダイアフラムの中央部と周縁部との間においてダイアフラムが撓んでしまい、ギャップの距離ｄの減少を低減することが困難となる虞がある。この問題は、ダイアフラム弁の最大流量の増大を目的として弁座の着座面が大径化されている場合により顕著となる。

しかしながら、第１弁１が備える支持部材７は、着座平面への垂直投影図において、第１開度範囲においてダイアフラム２と接触する支持部材７の面である支持面７ａが、着座面５ａの環状の形状の中心である着座中心と着座面５ａとの間の領域に位置するように構成されている。これにより、ダイアフラム２の中心と周縁部との間においてダイアフラム２が撓むことを確実に防止して、ギャップの距離ｄの減少を確実に低減することができる。

《第２実施形態》
上述したように、第１弁１においては、二次側流路側に凸になるように変形（膨張）したダイアフラム２の表面を支持部材７の支持面７ａに接触させることにより、ダイアフラム２の更なる変形を防止して、ギャップの距離ｄの減少及びそれに伴うガスの流量の低下を低減する。

しかしながら、支持面７ａが着座面５ａを含む平面である着座平面よりもダイアフラム２に近い位置にあると、ダイアフラム弁１を閉じようとしたときに、支持面７ａが弁座５の着座面５ａよりもダイアフラム２に過度に先に接触してしまう。このため、例えば、ダイアフラム２の着座面５ａへの着座が妨げられたり、ダイアフラム２に想定外の屈曲が起こったりして、ガスの流量に意図せぬ影響を与えてしまう。逆に、支持面７ａが着座面５ａよりもダイアフラム２から遠い位置（即ち、二次側流路側）にあると、ダイアフラム２の変形を妨げる効果を十分に発揮することができない。よって、ダイアフラム２に接触し得る支持部材７の支持面７ａの位置は、弁座５の着座面５ａと同一平面上に位置することが好ましい。

そこで、本発明の第２実施形態に係るダイアフラム弁（以降、「第２弁」と称呼される場合がある。）においては、支持面７ａが着座平面に含まれている。換言すれば、第２弁においては、図２に示したように、ダイアフラム２に接触し得る支持部材７の支持面７ａは、弁座５の着座面５ａと同一平面上に位置する。尚、図２に示す例においては、位置２ｂが支持部材７の支持面７ａと接触し得るダイアフラム２の位置である。

第２弁によれば、支持面７ａが弁座５の着座面５ａよりも過度に先にダイアフラム２に接触してガスの流量に意図せぬ影響を与えることを回避しつつ、ダイアフラム２の変形を妨げる効果を十分に発揮して、ギャップの距離ｄの減少を確実に低減することができる。

尚、本発明において「同一平面上」とは、必ずしも幾何学的に完全に同一平面上に位置することを意味するのではなく、本発明の実施における部材の製造工程において避けることができない寸法公差は許容される。

《第３実施形態》
ところで、第２弁においては、上述したように、ダイアフラム２に接触し得る支持部材７の支持面７ａが弁座５の着座面５ａと同一平面上に位置する。これにより、支持面７ａが弁座５の着座面５ａよりも過度に先にダイアフラム２に接触してガスの流量に意図せぬ影響を与えることを回避しつつ、圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形を妨げる効果を十分に発揮して、ギャップの距離ｄの減少を確実に低減することができる。

しかしながら、支持面７ａが着座面５ａと同一平面上に位置することから、第２弁が全閉状態にある場合を除き、支持面７ａに接触するまではダイアフラム２が二次側流路側に凸となるように変形することができる。従って、ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形に伴うギャップの距離ｄの減少をより確実に低減するためには、全閉状態以外の状態におけるダイアフラム２の変形をより確実に低減する必要がある。

そこで、本発明の第３実施形態に係るダイアフラム弁（以降、「第３弁」と称呼される場合がある。）においては、少なくとも支持面に対向する領域の表面である対向面が着座面に対向する領域の表面と同一平面上に位置するように押圧部材が構成されている。このような押圧部材の具体的な形状は特に限定されないが、例えば、押圧部材のダイアフラム側の表面がダイアフラムの表面に平行に対向する平面となっていてもよい。或いは、押圧部材が上述したような弁座の着座面の形状に対応する環状の凸部を有する場合は、当該凸部のダイアフラムに対向する面と同一平面上に頂面を有する更なる凸部が押圧部材のダイアフラム側の表面に設けられていてもよい。

更に、支持部材は、押圧部材側へと支持面を付勢する付勢部材を備え、付勢部材による付勢力により支持面と対向面との間にダイアフラムを挟むように構成されている。付勢部材の構成は、ダイアフラムが支持面を押圧する力（押圧力）に抗して押圧部材側へと支持面を付勢して支持面と対向面との間にダイアフラムを挟むことが可能である限り特に限定されない。例えば、付勢部材は、弾性材料によって構成され、支持部材の押圧部材とは反対側の端面を押圧することにより、支持部材の全体を押圧部材側へ付勢するように構成されていてもよい。この場合、支持部材は、弁座の内部空間において、前述した着座中心において前述した着座平面に直交する軸である着座軸の方向（即ち、押圧部材によるダイアフラム弁の開閉動作の方向）に変位可能に構成される。付勢部材の具体的な構成の他の例については、本発明の他の実施形態に関する説明において後述する。

図３は第３弁のダイアフラム近傍の構成の一例を示す模式的な部分拡大断面図である。この例に示す押圧部材６においては、支持部材７の支持面７ａに対向する押圧部材６の表面に対向面６ｂが設けられている。この対向面６ｂの頂面は、弁座５の着座面５ａに対向する押圧部材６の表面に設けられた凸部６ａの頂面と同一平面上に位置するように構成されている。一方、支持部材７は、弁座５の内部空間である二次側流路の内壁に沿って着座軸８の方向に変位可能に構成されている。更に、支持部材７の押圧部材６とは反対側には付勢部材７ｂとしてのバネが配設されており、これにより（支持部材７の）支持面７ａは押圧部材６に近付くように付勢されている。

上記のような構成により、第３弁においては、弁開度の如何に拘わらず、付勢部材７ｂによる付勢力により、支持面７ａと対向面６ｂとの間にダイアフラム２が挟まれ保持される。従って、従来技術に係るダイアフラム弁（従来弁）のみならず、上述した第１弁又は第２弁と比べても、ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の二次側流路側への変形に伴うギャップの距離ｄの減少をより確実に低減することができる。

《第４実施形態》
上述したように、第１弁１が備える支持部材７は、着座平面への垂直投影図において、第１開度範囲においてダイアフラム２と接触する支持部材７の面である支持面７ａが、着座面５ａの環状の形状の中心である着座中心と着座面５ａとの間の領域に位置するように構成されている。これにより、ダイアフラム２の中心と周縁部との間においてダイアフラム２が撓むことを確実に防止して、ギャップの距離ｄの減少を確実に低減することができる。

本発明者は更なる検討を続けた結果、着座平面への垂直投影図における着座中心と着座面５ａとの間の領域の所定の範囲に支持面７ａが位置するように支持部材７を構成することにより、ダイアフラム２の中心と周縁部との間においてダイアフラム２が撓むことをより確実に防止することができることを見出した。

そこで、本発明の第４実施形態に係るダイアフラム弁（以降、「第４弁」と称呼される場合がある。）においては、上述した着座平面への垂直投影図において、着座面の環状の形状の外半径と内半径との平均である平均半径をｒとする場合、上述した着座中心からの距離が０．５ｒ以上、０．８ｒ以下の領域に、着座面の環状の形状の径方向における支持面の中心（支持面中心）が位置するように、支持部材が構成されている。

上述した第１弁１の説明において参照した図２には、上述した平均半径ｒ並びに着座中心（図２においては着座軸８）からの各距離（０．５ｒ及び０．８ｒ）がそれぞれ両矢印によって示されている。着座平面への垂直投影図における着座中心から上記「支持面中心」までの距離（支持距離）が０．５ｒ以上であるときは、上述した圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形をより効果的に防止することができる。逆に、当該距離が０．５ｒ未満であるときは、支持部材７と接触する支持面７ａの位置がダイアフラム２の中心（着座中心、着座軸８）に近いため、ダイアフラム２の中心と周縁部との間の部分が撓んで変形する虞がある。

また、支持距離が０．８ｒよりも大きいときは、支持面７ａの位置が弁座５の着座面５ａに近いため、一次側流路４からギャップを通過して二次側流路３に流れ込んできたガスの流れが支持部材７の存在によって妨げられたり乱されたりして流体抵抗が高まって容量係数（Ｃｖ値）が大きくなる虞が高い。一方、支持距離が０．８ｒ以下であるときは、上記に比べて支持面７ａの位置が弁座５の着座面５ａから遠いため、上記問題が軽減される。従って、上述した支持距離は、０．５ｒ以上、０．８ｒ以下の範囲にあることが好ましい。より好ましくは、当該範囲は０．６ｒ以上、０．７ｒ以下である。

尚、本発明において「着座面の平均半径ｒ」とは、上述したように、着座面５ａの環状の形状の外半径と内半径との平均である。換言すれば、平均半径ｒは、着座面５ａが半径方向に幅を有する場合には、その幅の中央における半径を指す。「支持面中心」についても同様に、支持面７ａが半径方向に幅を有する場合には、着座面５ａの環状の形状の径方向における支持面の中心を指す。

《支持部材》
ここで、本発明の種々の実施形態に係るダイアフラム弁（本発明弁）が備える支持部材７の好ましい実施形態につき、図面を参照しながら以下に詳しく説明する。

〈支持部材の構成例１〉
本発明の１つの好ましい実施形態において、支持部材は、上述した着座中心において上述した着座平面に直交する軸である着座軸を含む１又は２以上の平板状部材によって構成されている。

図４は、上記実施形態における支持部材７の形状を示す模式的な斜視図である。この斜視図に示す例において、支持部材７は、隣接する平板状部材同士が９０度の角度を成すように４枚の平板状部材が共通の軸を中心として放射状に接続された形状を有する。即ち、支持部材７を構成する４つの平板状部材は共通の軸を含んでおり、この軸が上述した着座軸８と一致するように、支持部材７が弁座５の二次側流路３における所定の位置に組み込まれる。支持部材７の弁座５への固定及び位置決めは、例えば、切り欠き部７ｃを弁座５の内径に嵌め込む等の公知の手法によって行うことができる。

図４に例示する支持部材７は、その４つの平面状部材の端部７ａがダイアフラム２と接触し得るように構成されている。また、各々の平板状部材は着座軸８を含むように配置されるので、ギャップから二次側流路３に流れ込んだガスの流れ方向に対して平板状部材は平行であり、当該ガスの流れを大きく妨げることは無い。即ち、このような構成を有することにより、一次側流路４からギャップを通過して二次側流路３に流れ込んできたガスの流れが支持部材７の存在によって妨げられたり乱されたりして流体抵抗が高まって容量係数（Ｃ_ｖ値）が大きくなる虞を低減することができる。

尚、図４に示した例においては支持部材７を構成する４つの平板状部材のダイアフラム２側の端部の着座軸８側の領域（ダイアフラム２の中心側の領域）が切除されている。これにより、着座平面への垂直投影図において、第１開度範囲においてダイアフラム２と接触する支持部材７の面である支持面７ａが、着座面５ａの環状の形状の中心である着座中心と着座面５ａとの間の領域に位置するように構成することができる。

また、上記のように４つの平板状部材のダイアフラム２側の端部の着座軸８側の領域が切除されていることにより、一次側流路４からギャップを通過して二次側流路３へと流れ込んだ直後のガスと接触する支持部材の表面積が減少することができる。その結果、支持部材７による流体抵抗の増大に伴う当該ダイアフラム弁の容量係数（Ｃ_ｖ値）の減少を低減することができる。

更に、図４に示した例においては隣接する平板状部材同士が９０度の角度を成すように４枚の平板状部材が共通の軸を中心として放射状に接続されている。しかしながら、支持部材７を構成する平板状部材の数及び配置は、ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形を低減することが可能である限り上記に限定されない。

〈支持部材の構成例２〉
支持部材の構成は、図４に例示したような構成に限定されるものではなく、ダイアフラム２の両側の圧力差ΔＰ２に起因するダイアフラム２の変形を有効に妨げることが可能である限り、支持部材は多種多様な構成を有することができる。例えば、支持部材の支持面は、着座平面への垂直投影図において、着座面と同軸状に形成された環状の形状を有することができる。

例えば、弁座を構成する筒状部材がダイアフラムと同軸状に配置された円筒状部材及び／又は円錐台筒状部材によって構成されている場合、筒状部材と同軸状に配置された円筒状部材及び／又は円錐台筒状部材によって支持部材が構成されていてもよい。この場合、ギャップから二次側流路に流れ込んだガスの流れが大きく妨げられないように、支持部材を構成する円筒状部材又は円錐台筒状部材の側面には貫通孔が形成されていることが好ましい。

図５は、上記実施形態に係る支持部材７の形状を示す模式的な斜視図である。この斜視図において、支持部材７は、逆円錐台筒状部材７ｄ及び円筒状部材７ｅによって構成されており、逆円錐台筒状部材７ｄの一方の端部がダイアフラム２と接触し得る支持面７ａとして機能するように構成されている。逆円錐台筒状部材７ｄの側面には、ギャップから二次側流路３に流れ込んだガスの流れが大きく妨げられないように、複数の貫通孔７ｆが形成されている。また、円筒状部材７ｅは、逆円錐台筒状部材７ｄの支持面７ａとは反対側の端部に連続的に設けられており、図示しない弁座５の二次側流路３の所定の位置に組み込むことができるように構成されている。

尚、支持部材７の主要部分は、図５に例示したような逆円錐台筒状部材７ｄと円筒状部材７ｅとの組み合わせによって構成されていてもよく、或いは弁座５の二次側流路３と同一の径を有する円筒状部材によって構成されていてもよい。このような実施形態に係る支持部材７は、全体が一体に形成されているため、ダイアフラム２の変形をより強固に防止することができる。

〈支持部材の構成例３〉
図５に例示した支持部材７は、逆円錐台筒状部材７ｄの側面の貫通孔７ｆが形成されていない部分によって、支持面７ａを有する逆円錐台筒状の部分が支持されている。しかしながら、ダイアフラム２の変形を有効に防止することが可能である限り、支持面７ａを有する部分を支持するための構造は上記に限定されない。

例えば、図６は、本発明の更にもう１つの実施形態に係る支持部材の構成の一例を示す模式的な斜視図である。図６に例示する支持部材７においては、ダイアフラム２に対向する支持面７ａを有する円筒状部材７ｇともう１つの円筒状部材７ｅとが、これら２つの円筒状部材７ｇ及び７ｅの間に円錐台筒状に配置された複数の線状部材７ｈ（太い実線）によって連結されている。これらの線状部材７ｈは、円筒状部材７ｇを支持してダイアフラム２の変形を有効に防止することが可能な材料によって構成される。このような線状部材７ｈの具体例としては、例えば条鋼等の鋼材を挙げることができる。

上記構成によれば、大きい貫通孔７ｆを確保することができるので、ギャップから二次側流路に流れ込んだガスの流れが妨げられたり乱されたりして流体抵抗が高まって容量係数（Ｃ_ｖ値）が大きくなる虞を有効に低減することができる。このような構成を有する支持部材７もまた、円筒状部材及び／又は円錐台筒状部材によって構成された支持部材の一例に該当する。

〈支持部材の構成例４〉
ところで、前述したように、本発明に係るダイアフラム弁（本発明弁）が備える支持部材は、押圧部材側へと支持面を付勢する付勢部材を備えることができる。この付勢部材は、本発明の第３実施形態に係るダイアフラム弁（第３弁）に関して図３を参照しながら説明したように、支持部材の押圧部材とは反対側に配設された付勢部材としての弾性体（例えば、バネ等）によって構成することができる。しかしながら、付勢部材を備える支持部材の構成は、押圧部材に近付くように支持面を付勢することが可能である限り、上記に限定されない。

例えば、図４に例示した構成例１において、支持部材７を構成する複数の平板状部材を弾性変形可能なバネ鋼等の材料によって形成してもよい。この場合、平板状部材が弾性的に撓むことにより、押圧部材に近付くように支持面７ａを付勢することができる。また、図６に例示した構成例３においては、線状部材７ｈを弾性変形可能なバネ鋼等の材料によって形成してもよい。この場合、支持面７ａが押圧されて線状部材７ｈが弾性的に撓むことにより、押圧部材に近付くように支持面７ａを付勢することができる。

〈支持部材の構成例５〉
図７は、本発明に係る付勢部材を備える支持部材の１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。図７に例示する支持部材７は、逆円錐台筒状部材７ｄの側面に形成された複数の貫通孔７ｆから支持面７ａへと通じる隙間７ｊを複数の箇所に設けることにより環状の支持面７ａが複数の部分に分割されている点を除き、図５に例示した支持部材７と同様の構成を有する。また、逆円錐台筒状部材７ｄの側面は、上述したような弾性変形可能なバネ鋼等の材料によって形成されていることが好ましい。上記構成によれば、支持面７ａが押圧されたときに逆円錐台筒状部材７ｄの側面が弾性的に撓むことにより、押圧部材に近付くように支持面７ａを付勢することができる。

〈支持部材の構成例６〉
図８は、本発明に係る付勢部材を備える支持部材のもう１つの実施形態を示す模式的な斜視図である。図８に例示する支持部材７は、ダイアフラム２に対向する支持面７ａを有する円筒状部材７ｇと円筒状部材７ｅとを連結する複数の線状部材７ｈ（太い実線）の形状及び配置が異なる点を除き、図６に例示した支持部材７と同様の構成を有する。具体的には、図６に例示した支持部材７においては、円筒状部材７ｇと円筒状部材７ｅとの間の円錐台筒状の形状の母線に相当する直線状の形状を線状部材７ｈが有していた。これに対し、図８に例示した支持部材７を構成する線状部材７ｈは、上記母線に対して傾斜している曲線状の形状を有する。また、線状部材７ｈは、上述したような弾性変形可能なバネ鋼等の材料によって形成されていることが好ましい。

上記のように線状部材７ｈを構成することにより、図６に示した線状部材７ｈの構成に比べて、支持面７ａが押圧されたときに線状部材７ｈをより容易且つ円滑に弾性変形させることできる。かかる構成によれば、支持面７ａが押圧されたときに線状部材７ｈが弾性的に撓むことにより、押圧部材に近付くように支持面７ａを付勢することができる。

《第５実施形態》
冒頭において述べたように、本発明は、ダイアフラム弁のみならず、本発明に係るダイアフラム弁を用いた質量流量制御装置にも関する。本発明の第５実施形態に係る質量流量制御装置（以降、「第５装置」と称呼される場合がある。）は、流量センサと、上述した本発明の種々の実施形態の何れかに係るダイアフラム弁（本発明弁）と、を備える質量流量制御装置である。

図９は、第５装置の構成の一例を示す模式的なブロック図である。図９は、第５装置１００の構成要素の論理的な関係を示す概念図であり、各構成要素の物理的な位置関係を表すものではない。図９に示すように、第５装置１００は、本発明弁１１０と、流量センサ１２０と、を備える。図９に例示する第５装置１００は、上記に加えて、質量流量制御の対象となるガスが流れる流路１３０と、本発明弁１１０が備える図示しない押圧部材を駆動するように構成された駆動機構１４０と、流量センサ１２０によって検出されるガスの流量に基づいて駆動機構１４０を制御する制御部１５０と、を更に備える。

流量センサ１２０は、流路１３０を流れるガスの質量流量を検出することが可能である限り、特に限定されない。このような流量センサ１２０の具体例としては、例えば、熱式流量センサ、圧力式流量センサ及び差圧式流量センサ等を挙げることができる。これらの流量センサの構成及び作動については、当該技術分野において公知であるので、ここでの説明は省略する。

駆動機構１４０は、押圧部材を駆動して本発明弁１１０の弁開度を制御することが可能である限り特に限定されない。このような駆動機構１４０の具体例としては、前述したように、例えば、電圧信号によって駆動される圧電素子及び電流信号によって駆動されるソレノイド等を挙げることができる。

制御部１５０は、流量センサ１２０から出力される検出信号Ｓｄに基づいて計測されるガスの質量流量が目標値として設定される設定流量と一致するように、駆動機構１４０に制御信号Ｓｃを出力して本発明弁１１０の弁開度を制御するように構成されている。このような制御部１５０としての機能は、例えば、電子制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）によって実現することができる。ＥＣＵは、マイクロコンピュータを主要部として備え、流量センサ１２０からの検出信号Ｓｄを受信するための入力ポート及び駆動機構１４０への制御信号Ｓｃを送信するための出力ポート等を備える。

前述したように、本発明弁１１０によれば、図示しないダイアフラムの二次側流路側への変形（膨張）が支持部材によって妨げられるため、ダイアフラムの両側の圧力差ΔＰ２が大きい場合であってもギャップの距離ｄの減少及びガスの流量の低下を低減することができる。

従って、例えば、前述したように一次側流路のガスの圧力Ｐ_１と二次側流路のガスの圧力Ｐ_２が共に低く、ダイアフラムの駆動機構側の圧力Ｐ_０が大気圧に等しい場合であっても、ガスの流量の低下を防止することができる。その結果、第５装置１００によれば、二次側流路が半導体製造装置のチャンバに直結されているような状況においても、平衡蒸気圧の低いガスを大流量にて半導体製造装置に安定的に供給することができる。

１ ダイアフラム弁（本発明）
２ ダイアフラム
２ａ 屈曲部
２ｂ 支持部材の支持面と接触し得る位置
３ 二次側流路
４ 一次側流路
５ 弁座
５ａ 着座面
６ 押圧部材
６ａ 凸部
６ｂ 対向面
７ 支持部材
７ａ 支持面
７ｂ 付勢部材
７ｃ 弁座との接合部（切り欠き部）
７ｄ 逆円錐台筒状部材
７ｅ 円筒状部材
７ｆ 貫通孔
７ｇ 円筒状部材
７ｈ 線状部材
７ｊ 隙間
８ 着座軸
１０ ダイアフラム弁（従来技術）
１００ 質量流量制御装置（本発明）
１１０ ダイアフラム弁（本発明）
１２０ 流量センサ
１３０ 流路
１４０ 駆動機構
１５０ 制御部
ｄ ギャップの距離
ｒ 着座面の平均半径
Ｓｄ 検出信号
Ｓｃ 制御信号

Claims (8)

1. 円形のダイアフラムと、
   前記ダイアフラムと同軸状に配置された筒状部材によって構成され且つ前記ダイアフラムが着座する環状の形状を有する平面である着座面が前記筒状部材の前記ダイアフラム側の端面に形成されている弁座と、
   前記弁座の外側に位置する空間である一次側流路と、
   前記弁座の内側に位置する空間である二次側流路と、
   前記ダイアフラムを前記着座面に近付ける方向に押圧するように構成された押圧部材と、
   を備え、
   前記ダイアフラムの外周部は着座面を含む平面である着座平面に対して所定の距離だけ離れた基準位置に固定されており、
   前記押圧部材は、前記ダイアフラムを押圧することにより前記ダイアフラムと前記着座面との距離を変更して弁開度を変更するように構成されている、
   ダイアフラム弁であって、
   前記ダイアフラム弁の弁開度の全開から全閉までの範囲である全開度範囲のうちの少なくとも一部の弁開度の範囲である第１開度範囲において前記ダイアフラムと接触して前記二次側流路側への前記ダイアフラムの変形を妨げるように構成された支持部材を更に備え、
   前記支持部材は、前記着座平面への垂直投影図において、前記第１開度範囲において前記ダイアフラムと接触する前記支持部材の面である支持面が、前記着座面の環状の形状の中心である着座中心と前記着座面との間の領域に位置するように構成されている、
   ダイアフラム弁。
2. 請求項１に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記支持面は、前記着座平面に含まれている、
   ダイアフラム弁。
3. 請求項１に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記押圧部材は、少なくとも前記支持面に対向する領域の表面である対向面が前記着座面に対向する領域の表面と同一平面上に位置するように構成されており、
   前記支持部材は、
   前記押圧部材側へと前記支持面を付勢する付勢部材を備え、
   前記付勢部材による付勢力により前記支持面と前記対向面との間に前記ダイアフラムを挟むように構成されている、
   ダイアフラム弁。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記支持部材は、前記着座平面への垂直投影図において、前記着座面の環状の形状の外半径と内半径との平均である平均半径をｒとする場合、前記着座中心からの距離が０．５ｒ以上、０．８ｒ以下の領域に、前記着座面の環状の形状の径方向における前記支持面の中心が位置するように構成されている、
   ダイアフラム弁。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記支持部材は、前記着座中心において前記着座平面に直交する軸である着座軸を含む１又は２以上の平板状部材によって構成されている、
   ダイアフラム弁。
6. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記支持面は、前記着座平面への垂直投影図において、前記着座面と同軸状に形成された環状の形状を有する、
   ダイアフラム弁。
7. 請求項６に記載されたダイアフラム弁であって、
   前記弁座を構成する前記筒状部材は、前記ダイアフラムと同軸状に配置された円筒状部材及び／又は円錐台筒状部材によって構成されており、
   前記支持部材は、前記筒状部材と同軸状に配置された円筒状部材及び／又は円錐台筒状部材によって構成されており、
   前記支持部材を構成する前記円筒状部材又は前記円錐台筒状部材の側面には貫通孔が形成されている、
   ダイアフラム弁。
8. 流量センサと、
   請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載されたダイアフラム弁と、
   を備える、
   質量流量制御装置。

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