特開 2025-14385 流体制御弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025014385

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】流体制御弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 7/16 20060101AFI20250123BHJP

【ＦＩ】

F16K7/16 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023116895

(22)【出願日】2023-07-18

(71)【出願人】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】青山 達人

(72)【発明者】

【氏名】高橋 信也

(57)【要約】

【課題】高温条件下でも、環状弁座の変形を抑えることで、シール性能の低下の防止およびダイアフラム部材の疲労破壊の防止が可能な流体制御弁を提供すること。
【解決手段】押圧部材（例えば、第２ステム３２）と、ダイアフラム部材３４と、弁座３３と、を備え、押圧部材（第２ステム３２）が、ダイアフラム部材３４を、押圧して変形させることで、弁座３３に当接させる流体制御弁１において、弁座３３は、同軸上に隣接して位置する、フッ素樹脂からなる第１環状弁座３３１と、耐熱性樹脂からなる第２環状弁座３３２と、を備えること、耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、フッ素樹脂よりも高いこと。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

押圧部材と、ダイアフラム部材と、弁座と、を備え、
前記押圧部材が、前記ダイアフラム部材を、押圧して変形させることで、前記弁座に当接させる流体制御弁において、
前記弁座は、同軸上に隣接して位置する、フッ素樹脂からなる第１環状弁座と、耐熱性樹脂からなる第２環状弁座と、を備えること、
前記耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、前記フッ素樹脂よりも高いこと、
を特徴とする流体制御弁。

【請求項2】

請求項１に記載の流体制御弁において、
前記耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、１２５℃以上であること、
を特徴とする流体制御弁。

【請求項3】

請求項１または２に記載の流体制御弁において、
前記耐熱性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリイミド、高耐熱ポリアミド、のいずれかであること、
を特徴とする流体制御弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、押圧部材と、ダイアフラム部材と、弁座と、を備え、押圧部材が、ダイアフラム部材を、押圧して変形させることで、弁座に当接させる流体制御弁に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体製造工程における成膜処理には複数種のプロセスガスが用いられる。このプロセスガスの流量を制御するために、流体制御弁が用いられる。流体制御弁としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示される流体制御弁が知られている。特許文献１に開示される流体制御弁は、エアオペレイト式開閉弁であり、ダイアフラム部材を弁座に当接離間させて、プロセスガスの流量制御を行うものである。

【0003】

より具体的に、図５－図７を用いて説明する。図５は、従来技術に係る流体制御弁１００の断面図であり、流体制御弁１００の弁開状態を示している。図６は、従来技術に係る流体制御弁１００の断面図であり、流体制御弁１００の弁閉状態を示している。図７は、図６の部分Ｃの部分拡大図である。

【0004】

流体制御弁１００は、図５に示すように、球冠状に形成されたダイアフラム部材３４の頂点部にステム３２が当接されている。そして、アクチュエータ部４（例えばエアシリンダ）の動作や、ばね部５内の圧縮コイルばね５２の付勢力によってステム３２でダイアフラム部材３４を図中の下方に向けて押圧し、変形させて、環状の弁座１０１に当接させる。図６に示すように、ダイアフラム部材３４が弁座１０１に当接した状態が、流体制御弁１００の弁閉状態である。そして、ステム３２によるダイアフラム部材３４の押圧を解除すると、ダイアフラム部材３４は、その自己復帰力で、元の球冠状の形状に戻り、弁座１０１から離間する。図５に示すように、ダイアフラム部材３４が弁座１０１から離間した状態が、流体制御弁１００の弁開状態である。

【0005】

近年普及している成膜技術である原子層堆積法（ＡＬＤ）に用いられるプロセスガスは２５０℃以上の高温であることがあり、この場合、ダイアフラム部材３４と弁座１０１は、耐熱性確保のために、ともに金属製とされる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６－１８０４９０号公報

【特許文献2】特開２０１７－２２３３１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ダイアフラム部材３４と弁座１０１をともに金属製とした場合、ダイアフラム部材３４の弁座３３に対する当接は、金属同士の接触であるため、摩耗が発生しやすい。特にＡＬＤに用いられる流体制御弁は、非常に高頻度に当接離間の動作を繰り返す必要があるため、流体制御弁１００を使用開始してから数カ月で、新たなものに交換が必要になってしまう場合がある。

【0008】

金属同士の接触による摩耗を防ぐために、弁座１０１を、耐薬品性に優れるフッ素樹脂により形成することが考えられる。しかし、フッ素樹脂のＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度は、約５０度であるため、プロセスガスの温度が２５０℃以上という高温条件下において、弁座１０１は変形しやすくなる。したがって、高温条件下において、ダイアフラム部材３４がフッ素樹脂製の弁座１０１に対する当接離間を繰り返すと、弁座１０１は、例えば図７に示すように、ダイアフラム部材３４により設計値以上に押しつぶされ、当接離間の方向の寸法（弁座高さ寸法）が低くなるおそれがある。このように弁座１０１が過剰に押しつぶされると、ダイアフラム部材３４が当接した時の面圧が低下するため、流体制御弁１００のシール性能の低下の原因となる。加えて、弁座１０１の高さ寸法が低くなると、流体制御弁１００を弁開状態から弁閉状態とする際の、ダイアフラム部材３４の弁座１０１に当接するまでの変形量（ストローク量）が設計値よりも大きくなる。ダイアフラム部材３４の変形量が設計値よりも大きくなると、ダイアフラム部材３４に疲労破壊が生じやすくなるおそれがある。

【0009】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高温条件下でも、環状弁座の変形を抑えることで、シール性能の低下の防止およびダイアフラム部材の疲労破壊の防止が可能な流体制御弁を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の一態様における流体制御弁は、次のような構成を有している。

【0011】

（１）押圧部材と、ダイアフラム部材と、弁座と、を備え、前記押圧部材が、前記ダイアフラム部材を、押圧して変形させることで、前記弁座に当接させる流体制御弁において、前記弁座は、同軸上に隣接して位置する、フッ素樹脂からなる第１環状弁座と、耐熱性樹脂からなる第２環状弁座と、を備えること、前記耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、前記フッ素樹脂よりも高いこと、を特徴とする。

【0012】

上記（１）に記載の流体制御弁によれば、弁閉時のシール性能は、主に、フッ素樹脂からなる第１環状弁座により確保される。第１環状弁座は、フッ素樹脂からなるため、ダイアフラム部材が当接したとき、ダイアフラム部材の形状に馴染みやすく、転写性が良いためである。そして、第２環状弁座は、荷重たわみ温度がフッ素樹脂よりも高い耐熱性樹脂からなるため、高温条件下でも、フッ素樹脂よりも変形しにくい。よって、第２環状弁座は、主に、ダイアフラム部材から負荷される荷重を受ける役割を果たす。第２環状弁座が、第１環状弁座に隣接した位置でダイアフラム部材から負荷される荷重を受けることで、当該荷重により第１環状弁座が過剰に押しつぶされてしまうことを防止することができる。これにより、弁座の潰れによるダイアフラム部材の環状弁座に当接するまでの変形量（ストローク量）の拡大を防止し、ひいては、流体制御弁のシール性能の低下と、ダイアフラム部材に疲労破壊の発生と、を防止することができる。なお、フッ素樹脂とは、例えば、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）などが挙げられる。

【0013】

（２）（１）に記載の流体制御弁において、前記耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、１２５℃以上であること、が好ましい。

【0014】

（３）（１）または（２）に記載の流体制御弁において、前記耐熱性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、高耐熱ポリアミド（ＰＡ）、のいずれかであること、が好ましい。

【0015】

上記（２）または（３）に記載の流体制御弁によれば、プロセスガスの温度が２５０℃以上という高温条件下においても、第２環状弁座の変形を防止することができる。よって、第２環状弁座は、ダイアフラム部材から負荷される荷重を確実に受けることができ、第１環状弁座が過剰に押しつぶされてしまうことを確実に防止することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の流体制御弁によれば、高温条件下でも、弁座の変形を抑えることで、シール性能の低下の防止およびダイアフラム部材の疲労破壊の防止が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係る流体制御弁の断面図であり、流体制御弁の弁開状態を示している。

【図2】図１の部分Ａの部分拡大図である。

【図3】本実施形態に係る流体制御弁の断面図であり、流体制御弁の弁閉状態を示している。

【図4】図３の部分Ｂの部分拡大図である。

【図5】従来技術に係る流体制御弁の断面図であり、流体制御弁の弁開状態を示している。

【図6】従来技術に係る流体制御弁の断面図であり、流体制御弁の弁閉状態を示している。

【図7】図６の部分Ｃの部分拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明に係る流体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。なお、説明に用いる図面は、説明のために簡略化しており、形状や寸法等を正確に表すものではない。

【0019】

（流体制御弁の構成について）
本実施形態に係る流体制御弁１の構成について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る流体制御弁１の断面図であり、流体制御弁１の弁開状態を示している。図２は、図１の部分Ａの部分拡大図である。図３は、本実施形態に係る流体制御弁１の断面図であり、流体制御弁１の弁閉状態を示している。図４は、図３の部分Ｂの部分拡大図である。

【0020】

流体制御弁１は、半導体製造装置のガス供給系に配設されるガスバルブであり、高温（例えば２５０℃程度）のプロセスガスの供給を制御するために用いられる。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の開閉弁であり、図１に示すように、駆動部２と、弁部３とを備えている。さらに、駆動部２は、アクチュエータ部４と、スプリング部５とを備えている。

【0021】

まず、アクチュエータ部４について説明する。アクチュエータ部４は、空圧駆動のエアシリンダである。アクチュエータ部４は、円筒状のケース４１と、ケース４１の内部に装填されるピストン（不図示）と、ピストンに結合された円柱状の駆動軸４２と、を備えている。さらに、アクチュエータ部４は、ケース４１のスプリング部５と反対側の端部（図１中の上端部）に操作エアをケース４１内に入力するためのパイロットポート４４を備えている。

【0022】

ピストンは、パイロットポート４４からケース４１内への操作エアの送給またはその停止により、ピストンがケース４１内を上下方向に摺動可能にされている。そして、ピストンの上下動に従って、駆動軸６２が、駆動軸６２の軸方向に沿って進退される。駆動軸６２の軸方向は、図１中の上下方向と平行な方向であり、後述するダイアフラム部材３４が弁座３３に対して当接離間をする方向と一致されている。なお、図中の上側が離間方向であり、下側が当接方向である。

【0023】

駆動軸４２の弁部３側の端部（図１中の下端部）は、アクチュエータ部４から突出し、スプリング部５内に延伸している。そして、駆動軸４２のスプリング部５内の先端には第１ステム４３が設けられている。よって、駆動軸４２の進退するに伴い、第１ステム４３も同方向に進退する。第１ステム４３は、駆動軸４２の側とは反対側の端面で、後述する第２ステム３２に当接している。これにより、第１ステム４３が当接方向に駆動されるとき、第１ステム４３が第２ステム３２を当接方向に押圧するようになっている。

【0024】

次にスプリング部５について説明する。スプリング部５は、内部空間５１に、操作ロッド９と同軸上に位置した圧縮コイルばね５２を備えている。圧縮コイルばね５２は、内部空間５１のアクチュエータ部４側の端面５３と第１ステム４３とに圧縮されている。このため、圧縮コイルばね５２は、第１ステム４３を、常に当接方向（図中の下方向）に付勢している。

【0025】

次に弁部３について説明する。弁部３は、ボディ３１と、第２ステム３２（押圧部材の一例）と、弁座３３と、ダイアフラム部材３４を備えている。ボディ３１は、スプリング部５と接続する筒状部３１５を備えている。また、ボディ３１には、該筒状部３１５の内側に、弁室３１１が穿設されている。

【0026】

弁室３１１の底部の中央に、弁室３１１にプロセスガスを入力するための弁口３１２が設けられている。また、弁室３１１の底面には、弁口３１２の外周側かつ弁口３１２と同軸上に、円環状の弁座３３が固定されている。さらに、弁室３１１は、弁座３３の半径方向外側において、出力流路３１４と連通している。この出力流路３１４は、プロセスガスを弁室３１１から出力するために用いられる。

【0027】

第２ステム３２は、例えばステンレス鋼を材質とする。第２ステム３２は、略円柱形状に形成されており、ダイアフラム部材３４に対向する面（図中の下端面）は、ダイアフラム部材３４の側に膨出した球面３２１である。第２ステム３２は、球面３２１がダイアフラム部材３４に当接した状態、かつ、上下動可能なようにホルダ３５によって保持されている。

【0028】

ダイアフラム部材３４は、例えば、Ｎｉ合金を材質とする。また、ダイアフラム部材３４は、第２ステム３２の側に膨出する球冠状に形成されている。したがって、ダイアフラム部材３４の、第２ステム３２に対向する対向面３４１は球面である。なお、ダイアフラム部材３４の、対向面３４１の反対側の面を裏面３４２とする。また、ダイアフラム部材３４は、外周縁に、当接離間の方向に直交する平面状の縁部３４４を備えている。この縁部３４４が、ホルダ３５とボディ３１とにより挟持されることで、ダイアフラム部材３４が弁室３１１に固定されている。ダイアフラム部材３４は、このように固定されることで、第２ステム３２に押圧されると、中央部が、第２ステム３２の球面３２１に沿って、当接方向に弾性変形される。そして、第２ステム３２による押圧が解除されると、自己復帰力により元の球冠状の形状に戻るようになっている。

【0029】

弁座３３は、フッ素樹脂からなる第１環状弁座３３１と、耐熱性樹脂からなる第２環状弁座３３２と、からなる。第１環状弁座３３１を形成するフッ素樹脂とは、例えば、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）などが挙げられる。第２環状弁座３３２を形成する耐熱性樹脂とは、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度（以下、単に「荷重たわみ温度」という）が、上記フッ素樹脂の荷重たわみ温度の約５０－５５℃よりも高いものであることが好ましく、荷重たわみ温度が１２５℃以上であることがさらに好ましい。具体的には、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、高耐熱ポリアミド（ＰＡ）などが挙げられる。なお、ＰＥＥＫの荷重たわみ温度は１５５℃、ＰＥＫの荷重たわみ温度は１８０℃、ＰＢＩの荷重たわみ温度は４１０℃、ＰＩの荷重たわみ温度は３６０℃、ＰＡの荷重たわみ温度は１２５℃である。

【0030】

第１環状弁座３３１と第２環状弁座３３２とは、ともに円環状に形成され、同軸上に隣接して位置している。より具体的には、第１環状弁座３３１が外周側、第２環状弁座３３２が内周側に位置し、第１環状弁座３３１の内周面と、第２環状弁座３３２の外周面が相互に接触した状態で位置されている。そして、ボディ３１に設けられたかしめ部３１６が、第１環状弁座３３１を外周側から押さえつけることで、第１環状弁座３３１と第２環状弁座３３２とが、弁室３１１の底面に固定されている。

【0031】

また、第１環状弁座３３１と第２環状弁座３３２とが、同軸上に隣接して位置しているため、第１環状弁座３３１の、ダイアフラム部材３４に対向する上端面３３１ａと、第２環状弁座３３２の、ダイアフラム部材３４に対向する上端面３３２ａとが、ダイアフラム部材３４が当接離間をするための、弁座３３の当接面３３ａをなす。したがって、ダイアフラム部材３４が弁座３３に当接する際に、弁座３３に負荷される荷重を、第１環状弁座３３１と第２環状弁座３３２とで受けることができる。

【0032】

なお、本実施形態においては、第１環状弁座３３１を外周側に位置させ、第２環状弁座３３２を内周側に位置させているが、第１環状弁座３３１を内周側に位置させ、第２環状弁座３３２を外周側に位置させても良い。本実施形態において、第１環状弁座３３１を外周側に位置させ、第２環状弁座３３２を内周側に位置させているのは、弁座３３を確実に固定するためである。詳しく説明すると、かしめ部３１６が弁座３３の外周側に位置しているため、かしめ部３１６で弁座３３を押さえつけるとき、より硬度の低い第１環状弁座３３１が外周側に位置している方が、かしめ部３１６が弁座３３に食い込みやすく、弁座３３の固定が確実となるのである。

【0033】

（流体制御弁の動作について）
次に、流体制御弁１の動作について説明する。

【0034】

操作エアが、パイロットポート４４からアクチュエータ部４に送給されると、ケース４１内のピストンが離間方向に移動する。これに伴い、駆動軸６２が同方向に駆動される。第１ステム４３は、駆動軸６２と連結されているので、圧縮コイルばね５２の弾性力に抗して上昇する。これにより、第１ステム４３によって押さえつけられていた第２ステム３２が、ダイアフラム部材３４の復元力によって上昇する。ダイアフラム部材３４は、弁座３３と離間し、流体制御弁１は、図１に示すように、弁開状態となる。この弁開状態で、プロセスガスは、弁口３１２から弁室３１１に流入され、次いで、出力流路３１４に出力される。

【0035】

一方、パイロットポート４４への操作エアの送給が停止されると、圧縮コイルばね５２の弾性力によって、第１ステム４３は当接方向に駆動される。第１ステム４３は、第２ステム３２を押圧することで同方向に移動させる。第２ステム３２の移動に伴い、ダイアフラム部材３４は弁座３３に当接し、流体制御弁１が、図３に示すように、弁閉状態となる。弁閉状態では、プロセスガスの弁口３１２から弁室３１１への流れが遮断される。

【0036】

（作用効果について）
以上説明したように、本実施形態に係る流体制御弁１は、
（１）押圧部材（例えば、第２ステム３２）と、ダイアフラム部材３４と、弁座３３と、を備え、押圧部材（第２ステム３２）が、ダイアフラム部材３４を、押圧して変形させることで、弁座３３に当接させる流体制御弁１において、弁座３３は、同軸上に隣接して位置する、フッ素樹脂からなる第１環状弁座３３１と、耐熱性樹脂からなる第２環状弁座３３２と、を備えること、耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、フッ素樹脂よりも高いこと、を特徴とする。

【0037】

上記（１）に記載の流体制御弁１によれば、弁閉時のシール性能は、主に、フッ素樹脂からなる第１環状弁座３３１により確保される。第１環状弁座３３１は、フッ素樹脂からなるため、ダイアフラム部材３４が当接したとき、ダイアフラム部材３４の形状に馴染みやすく、転写性が良いためである。そして、第２環状弁座３３２は、荷重たわみ温度がフッ素樹脂よりも高い耐熱性樹脂からなるため、高温条件下でも、フッ素樹脂よりも変形しにくい。よって。第２環状弁座３３２は、主に、ダイアフラム部材３４から負荷される荷重を受ける役割を果たす。第２環状弁座３３２が、第１環状弁座３３１に隣接した位置でダイアフラム部材３４から負荷される荷重を受けることで、上記の当接離間の動作が繰り返されたとしても、ダイアフラム部材から負荷される荷重により第１環状弁座３３１が過剰に押しつぶされてしまうことを防止することができる。

【0038】

また、流体制御弁１は、使用される前に、弁閉状態でアニール処理される場合がある。このアニール処理により、当接面３３ａを、弁閉状態におけるダイアフラム部材３４の裏面３４２に馴染ませる。このアニール処理を行う際にも、ダイアフラム部材３４が弁座３３に当接している間、弁座３３に負荷される荷重を、第１環状弁座３３１とともに耐熱性樹脂からなる第２環状弁座３３２が受けるため、第１環状弁座３３１が過剰に潰されてしまうことを防止することができる。

【0039】

以上のように、弁座３３（第１環状弁座３３１）の潰れを防止することで、弁座の潰れによるダイアフラム部材の環状弁座に当接するまでの変形量（ストローク量）の拡大を防止し、ひいては、流体制御弁のシール性能の低下と、ダイアフラム部材に疲労破壊の発生と、を防止することができる。

【0040】

（２）（１）に記載の流体制御弁１において、前記耐熱性樹脂は、ＡＳＴＭ Ｄ－６４８に準拠して測定した、１．８２ＭＰａでの荷重たわみ温度が、１２５℃以上であること、が好ましい。

【0041】

（３）（１）または（２）に記載の流体制御弁１において、前記耐熱性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、高耐熱ポリアミド（ＰＡ）、のいずれかであること、が好ましい。

【0042】

上記（２）または（３）に記載の流体制御弁１によれば、プロセスガスの温度が２５０℃以上という高温条件下においても、第２環状弁座３３２の変形を防止することができる。よって、第２環状弁座３３２は、ダイアフラム部材３４から負荷される荷重を確実に受けることができ、第１環状弁座３３１が過剰に押しつぶされてしまうことを確実に防止することができる。

【0043】

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、本実施形態に係る流体制御弁１においては、駆動部２として、空圧駆動のエアシリンダを用いているが、例えば、直動式のサーボモータを用いる等、その他の駆動源を用いても良い。

【符号の説明】

【0044】

１ 流体制御弁
３２ 第２ステム（押圧部材の一例）
３３ 弁座
３４ ダイアフラム部材
３３１ 第１環状弁座
３３２ 第２環状弁座３３２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】