JP2009230259A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性に優れ、かつ高精度・広範囲に流量を制御することができる流量制御装置を提供する。
【解決手段】流量制御装置１０は、圧力調整手段としてのパイロットレギュレータ２０とその下流側に配置されたエアオペレートバルブ４０とを備えている。エアオペレートバルブ４０は、カバー４１、シリンダ４２、ボディ４３からなる。ボディ４３には吸入通路５８と、排出通路５９と、各通路５８，５９を連通する円形溝６７と、吸入通路５８と円形溝６７とを連通する固定オリフィス６４とが形成されている。吸入通路５８の円形溝６７側端部は弁座オリフィス５８ａとなっており、その開口部周囲は弁座６３となっている。ダイアフラム弁体５５は圧縮コイルバネ４８の付勢力により常時弁座６３に着座されており、圧力制御室５１が操作エアにより加圧されると弁座６３から離れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を制御する流量制御装置に関する。

流量制御装置は、半導体製造装置において薬液等の流体の流量を調整するために使用される他、薬品分野・化学分野において流体を適切な比率に混合させる場合にも用いられる。

この種の流量制御装置としてレギュレータの下流側にオリフィスを設けたものが知られている。この場合、レギュレータによってオリフィスの一次側圧力（すなわちレギュレータの二次側圧力）が制御されることにより流体の流量が制御される（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記流量制御装置では流量を高精度に制御しようとすると、開度の小さいオリフィスを用いる必要があるため、制御できる流量の範囲が狭くなる。一方、流量を広範囲にわたって制御しようとすると、開度の大きいオリフィスを用いることとなるため、流量を精度よく制御することが困難となる。したがって、上記流量制御装置では、広範囲の流量制御と高精度の流量制御とを両立させることができないという問題がある。

そこで、上記問題点を解決できるものとして、モータによりオリフィスの弁開度を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、オリフィスの弁開度がモータにより調整されるため、弁開度を大きく設定することにより高範囲に流量を制御することができるとともに、弁開度を小さく設定することにより高精度に流量を制御することができる。
特許第３６２３１２５号公報 特許第３８０１５７０号公報

しかしながら、上記したモータによりオリフィスの弁開度を可変にする技術では、流体の流量を変更する場合、モータによる弁開度の変更に比較的長い時間を要する。そのため、弁開度の変更が完了して流量が安定化するまでに供給される流体は、利用されることなく捨てられる場合がある。その結果、流体として高価な薬液を使用する場合には、経済的な損失が発生するおそれがある。

複数種の液体を混合させて混合液を生成する液体混合ラインにおいて上記技術を用いる場合においても、液体の混合比率を安定化させるのに時間がかかってしまい、同様の問題が生じ得る。

しかも、オリフィスの弁開度に応じてレギュレータ側の制御を複雑に変更しなければならないため、コントローラ側の演算処理にも所定の時間を必要とし、安定化までの時間が短くなる要素はない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、応答性に優れ、かつ高精度に流量を制御したり広範囲に流量を制御したりできる流量制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

上記課題を解決するために、第１の発明の流量制御装置は、供給される流体の圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータの下流側において互いに並列に設けられた複数の絞り通路と、前記各絞り通路のうち所定の絞り通路を開位置と閉位置とに二位置切替する開閉部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レギュレータの下流側において互いに並列に設けられた複数の絞り通路のうち所定の絞り通路を開閉部により開位置と閉位置とに二位置切替することができる。したがって、所定の絞り通路を開閉部により開位置とすれば（絞り通路全体の）流路面積を大きくすることができるため高範囲に流量を制御することができ、所定の絞り通路を開閉部により閉位置とすれば流路面積を小さくすることができるため高精度に流量を制御することができる。また、開閉部は、所定の絞り通路を開位置と閉位置とに二位置切替するものであるため、応答性の面において優れている。よって、応答性に優れ、かつ高精度に流量を制御したり高範囲に流量を制御したりすることができる。

また、この場合、所定の絞り通路を開閉部により開位置と閉位置とに二位置切替するだけだけで流量係数（Ｃｖ値）を変更することができ、その変更前後の流量係数は予め各絞り通路の流路面積の加算によって知ることができるため、コントローラにより流量を広範囲に制御したり高精度に制御したりする際にはその処理を迅速かつ容易とすることができる。

第２の発明の流量制御装置は、供給される流体の圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータの下流側に設けられるとともに、常時開放とされている開放絞り通路と、前記レギュレータの下流側において前記開放絞り通路に並列に設けられるとともに、開閉部によって開位置と閉位置とに二位置切替される開閉絞り通路と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レギュレータの下流側には常時開放とされている開放絞り通路が設けられているため、この開放絞り通路を通じて常時流体を流すことができる。また、レギュレータの下流側には開閉部によって開位置と閉位置とに二位置切替される開閉絞り通路が開放絞り通路に並列に設けられているため、この開閉絞り通路を開閉部により開位置と閉位置とに二位置切替することにより開閉絞り通路を通じて流体を流したり流さないようにしたりすることができる。すなわち、開閉絞り通路を開閉部によって開閉させることにより開放絞り通路及び開閉絞り通路を合わせた絞り通路全体の流路面積を大小に切り替えることができる。したがって、開閉部により開閉絞り通路を開位置とすれば流量を広範囲に制御することができ、開閉部により開閉絞り通路を閉位置とすれば流量を高精度に制御することができる。また、開閉部は、開閉絞り通路を開位置と閉位置とに二位置切替するものであるため、応答性の面において優れている。よって、応答性に優れ、かつ高精度に流量を制御したり高範囲に流量を制御したりすることができる。

第３の発明の流量制御装置は、第１又は第２の発明において、前記レギュレータの下流側には開閉弁が設けられており、その開閉弁には、前記各絞り通路及び開閉部が内蔵されており、更に、前記開閉部を閉位置へ向けて常時付勢する付勢部と、前記付勢部による付勢力に抗して前記開閉部を開位置へ向けて押圧する押圧状態とその押圧状態を解除した解除状態とに切り替えられる押圧部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レギュレータの下流側に設けられた開閉弁において開閉部は、押圧部が押圧状態に切り替えられると付勢部による付勢力に抗して開位置へ向けて押圧されるため所定の絞り通路（開閉絞り通路を含む）を開放させることができ、押圧部が解除状態に切り替えられると押圧状態が解除され、付勢部により閉位置へ向けて付勢されるため所定の絞り通路を閉鎖することができる。これにより、開閉部の開位置と閉位置との二位置切替による所定の絞り通路の開閉を簡易な構成により実現することができる。

また、各絞り通路は開閉弁に内蔵されているため、流路の簡素化を図ることができる。これにより、製造ライン等に組み込む際にはラインの簡素化に寄与することができる。

第４の発明の流量制御装置は、第３の発明において、前記レギュレータは、流体の流入口と流出口との間を連通する流路の途中に設けられた弁座部に着座したり離間したりする弁体と、前記弁体を前記弁座部へ向けて付勢する第二付勢部と、前記第二付勢部による付勢力に抗して前記弁体を前記弁座部から離間する側に押圧するとともに、その押圧力を調整することにより流体の圧力を制御する操作部と、前記流路を前記第二付勢部の収容領域及び前記操作部とそれぞれ区画するとともに前記弁体に一体化されている圧力調整用ダイアフラムと、を備えており、前記開閉弁は、前記各絞り通路を含む流体の流路を前記押圧部側の空間と区画するとともに前記開閉部に一体化されている開閉用ダイアフラムを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レギュレータには流体の流入口と流出口との間を連通する流路の途中に弁座部が設けられており、弁体が弁座部に着座して流路を閉鎖したり弁座部から離間して流路を開放したりすることにより流体の圧力を制御する。具体的には、弁体は第二付勢部により弁座部へ向けて付勢されることにより弁座部に着座し、操作部により第二付勢部による付勢力に抗して弁座部から離間される側に押圧されることにより弁座部から離間する。

弁体には圧力調整用ダイアフラムが一体化されており、圧力調整用ダイアフラムが流路を第二付勢部の収容領域及び操作部とそれぞれ区画している。これにより、弁体の変位に起因して摺動する箇所をなくし又は低減させることができるため、パーティクルが発生する等の流体の純度を低下させる要因をなくし又は減らすことができる。

一方、開閉弁において開閉部には開閉用ダイアフラムが一体化されており、各絞り通路を含む流体の流路を押圧部側の空間と区画している。したがって、開閉弁においてもレギュレータと同様、開閉部の変位に起因して摺動する箇所をなくし又は低減させることができる。その結果、流量制御装置全体としてパーティクルが発生する等、流体の純度を低下させる要因をなくしたり減らしたりすることができる。

第５の発明の流量制御装置は、第３又は第４の発明において、前記レギュレータと前記開閉弁とは連結されて一体化とされているか又は共通のボディを用いた一体物として形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、それぞれ別体として構成されているレギュレータと開閉弁とは連結されることにより一体化とされているか、又はレギュレータと開閉弁とは共通のボディを用いた一体物として形成されているため、流量制御装置をコンパクトに構成することができる。これにより、本発明に係る流量制御装置を製造ライン等に組み込む際にはラインの簡素化に寄与することができる。

第６の発明の流量制御装置は、第３乃至第５のいずれかの発明において、前記レギュレータ及び前記開閉部を制御するコントローラを備え、当該コントローラは、前記レギュレータによる制御流量が小さい場合には前記閉位置となり、制御流量が大きい場合には前記開位置となるように、前記開閉部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、コントローラによりレギュレータ及び開閉部を制御することができる。また、コントローラによりレギュレータによる制御流量が小さい場合には開閉部を閉位置とすることができ、レギュレータによる制御流量が大きい場合には開閉部を開位置とすることができる。これにより、レギュレータによる制御流量の大小に応じて自動的に流路面積を大小切り替えることができ、ひいては流量を自動的に高精度に制御したり広範囲に制御したりすることができる。

以下、半導体製造ラインの薬液供給に用いられる流量制御装置について具現化した一実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、図１は、流量制御装置１０の構成を示す縦断面図である。

図１に示すように、流量制御装置１０は、圧力調整手段としてのパイロットレギュレータ２０と、その下流側に配置されたエアオペレートバルブ４０とを備えており、これらがボルト等の締結部材により一体に組みつけられることにより構成されている。

パイロットレギュレータ２０は、上カバー２１、ボディ２２、下カバー２３の順にこれらがボルト等の締結部材によって一体に組み付けられることにより構成されており、全体としては略直方体状をなしている。なお、ボディ２２は例えばフッ素系合成樹脂により成形され、カバー２１，２３は例えばポリプロピレン樹脂により成形されている。

ボディ２２には、流体を吸入するための吸入ポート２４と、流体をエアオペレートバルブ４０へ供給するための供給ポート２５とが設けられるとともに、吸入ポート２４に通じる吸入通路２６と、供給ポート２５に通じる供給通路２７とが形成されている。吸入ポート２４には、薬液等の流体を流通させるための配管等が接続されるようになっている。

ボディ２２の中央部には、当該ボディ２２を上カバー２１側から下カバー２３側に貫通する流体室２８としての貫通孔が形成されている。流体室２８は、その貫通孔の軸線方向における中央部において孔径が小さくなっている。当該中央部では、流体室２８の内壁面が貫通孔の中心軸線側へ突出しており、その突出された部分の下部が弁座部３６となっている。流体室２８は、この弁座部３６より下カバー２３側が上流側流体室２８ａとなっており、弁座部３６より上カバー２１側が下流側流体室２８ｂとなっている。そして、上流側流体室２８ａには吸入通路２６が連通されており、下流側流体室２８ｂには供給通路２７が連通されている。

流体室２８には、その貫通孔の軸線方向に往復動可能な弁体３０が収容されている。弁体３０は、２つのダイアフラム部材３２，３３を含んで構成されており、これら２つのダイアフラム部材３２，３３が圧入等により連結されて一体化されている。以下、下カバー２３側のダイアフラム部材３２を第１ダイアフラム部材３２、上カバー２１側のダイアフラム部材３３を第２ダイアフラム部材３３という。

第１ダイアフラム部材３２は、ロッド部３４と、そのロッド部３４の下カバー２３側端部において連結されているダイアフラム部３５とからなる。ロッド部３４はその軸線方向の中央部に断面積が拡径された拡径部３４ａを有している。拡径部３４ａは、ダイアフラム部３５に近接するほど断面積が縮小するテーパ形状となっている。つまり、拡径部３４ａは、ダイアフラム部３５と最も離間した端部（すなわち、上カバー２１側の端部）においてその断面積が最大となっている。

ロッド部３４は、基本的にその拡径部３４ａを含む弁体３０下部が上流側流体室２８ａに収容され、それよりも上方の弁体３０上部が下流側流体室２８ｂに収容されている。拡径部３４ａの上カバー２１側端部の外径は、弁座部３６における流体室２８の内径よりも大きく形成されているため、拡径部３４ａの上カバー２１側端部は弁座部３６に当接することができる。したがって、弁体３０が上カバー２１側に移動すると、拡径部３４ａの上カバー２１側端部が弁座部３６に当接し、上流側流体室２８ａと下流側流体室２８ｂとの間が遮断される。他方、弁体３０が下カバー２３側に移動すると、拡径部３４ａの上カバー２１側端部が弁座部３６から離れ、上流側流体室２８ａと下流側流体室２８ｂとの間が連通される。

ダイアフラム部３５の周縁部３５ａは、ボディ２２と下カバー２３とにより挟持されている。下カバー２３にはバネ収容室３７が形成されており、バネ収容室３７には圧縮コイルバネ３８が収容されている。圧縮コイルバネ３８の上カバー２１側の端部は、第１ダイアフラム部材３２の下カバー２３側端部に組み付けられたバネストッパ３９に当接しており、圧縮コイルバネ３８の付勢力により第１ダイアフラム部材３２が上カバー２１側に付勢されるようになっている。つまり、圧縮コイルバネ３８の付勢力により、ロッド部３４の拡径部３４ａの上カバー２１側端部が弁座部３６に当接する状態が保持されるようになっている。

下カバー２３には、バネ収容室３７を大気圧に保持するために大気開放される開放ポート２９が形成されている。開放ポート２９には配管（図示略）が接続されており、半導体製造装置に悪影響のない場所で大気開放されるようになっている。これにより、ダイアフラム部３５の変形に伴うバネ収容室３７内の容積変化が円滑に行われる。

第２ダイアフラム部材３３は、その周縁部３３ａがボディ２２と上カバー２１とにより挟持されている。第２ダイアフラム部材３３の中央板部３３ｂは、ボディ２２の上カバー２１側端面（詳しくは、流体室２８を囲む上端面）に対向しており、これら両部材の間の隙間寸法分だけ第２ダイアフラム部材３３がロッド部３４の軸線方向に変位可能となっている。

上カバー２１にはエア導入ポート５０が形成されている。エア導入ポート５０は連通路３１を通じて、上カバー２１と第２ダイアフラム部材３３との間の空間部（以下、圧力操作室６６という）に連通している。エア導入ポート５０には、圧力供給源より操作エアが供給され、その操作エアの操作圧力に応じて第２ダイアフラム部材３３が変位するようになっている。

以上のように構成されたパイロットレギュレータ２０において、エア導入ポート５０に操作圧力が作用していない初期状態では、圧縮コイルバネ３８の付勢力によりロッド部３４の拡径部３４ａの上カバー２１側端部が弁座部３６に当接している。この状態では、上流側流体室２８ａと下流側流体室２８ｂとの間が遮断され、両流体室２８ａ，２８ｂ間の流体の流通が阻止されている。

これに対し、エア導入ポート５０より圧力操作室６６に操作エアが供給されると、その時の操作圧力に応じて第２ダイアフラム部材３３（ひいては弁体３０）がロッド部３４の軸線方向に沿って下カバー２３側に変位する。この変位により、ロッド部３４の拡径部３４ａの上カバー２１側端部が弁座部３６から離れ、上流側流体室２８ａと下流側流体室２８ｂとが連通される。これにより、流体の流通が許容される。このとき、吸入ポート２４より吸入された流体が上流側流体室２８ａ及び下流側流体室２８ｂを経由して流れ、供給ポート２５からエアオペレートバルブ４０に供給される。

そして、上流側流体室２８ａの圧力が高くなった場合には弁座部３６に対してロッド部３４は閉鎖側へ移動し、逆に上流側流体室２８ａの圧力が低くなった場合には弁座部３６に対してロッド部３４は開放側へ移動して、下流側流体室２８ｂの圧力を一定に保つように動作することとなる。このような動作により、圧力操作室６６に供給される操作圧力を調整することで、下流側流体室２８ｂ内の流体、すなわち供給ポート２５からエアオペレートバルブ４０へ供給される流体の圧力を制御することができる。

次に、エアオペレートバルブ４０の構成の詳細について説明する。

エアオペレートバルブ４０は、カバー４１、シリンダ４２、ボディ４３の順にこれらがボルト等の締結部材によって一体に組みつけられることにより構成されており、全体としては略直方体状をなしている。なお、カバー４１及びシリンダ４２は例えばポリプロピレン樹脂よりなり、ボディ４３は例えばフッ素樹脂よりなる。

シリンダ４２には、カバー４１側からボディ４３側に貫通する円筒状の摺動孔４５が形成されている。摺動孔４５は、いずれも同軸の大径孔部４５ａと小径孔部４５ｂとを有している。摺動孔４５には、ピストンロッド４６が収容されている。ピストンロッド４６は、大径部４６ａと小径部４６ｂとを有しており、大径孔部４５ａに大径部４６ａが摺動可能に収容され、小径孔部４５ｂに小径部４６ｂが摺動可能に収容されている。なお、ピストンロッド４６は、例えばポリプロピレン樹脂により構成してもよいし、ステンレス鋼やアルミニウム等の金属材料により構成してもよい。

ピストンロッド４６の大径部４６ａのボディ４３側端部には、円筒状に形成されたガイド部材４７が連結されている。ガイド部材４７は、小径部４６ｂを取り囲むように形成されており、摺動孔４５の大径孔部４５ａに摺動可能に収容されている。これにより、ピストンロッド４６の大径部４６ａが大径孔部４５ａに対して傾いた状態で収容されるのを防止している。また、ピストンロッド４６の小径部４６ｂにはその軸線方向に垂直な方向に延びるピン４４が小径部４６ｂを貫通して設けられている。

ピストンロッド４６とカバー４１との間にはバネ収容室４８が形成されている。バネ収容室４８には圧縮コイルバネ４９が収容されている。圧縮コイルバネ４９の伸縮方向の一端はピストンロッド４６の大径部４６ａに当接しており、他端はカバー４１に当接している。これにより、圧縮コイルバネ４９の付勢力によってピストンロッド４６が常にその軸線方向に沿ってボディ４３側へ付勢されるようになっている。

ピストンロッド４６とシリンダ４２とにより囲まれた空間部は圧力制御室５１となっている。圧力制御室５１は、エア通路５３を通じてエア導入ポート５２に連通している。エア導入ポート５２に圧力供給源より操作エアが供給されると、圧力制御室５１に操作エアが導入されて圧力制御室５１内のエア圧力が上昇する。これにより、ピストンロッド４６は圧縮コイルバネ４９の付勢力に抗してその軸線方向に沿ってカバー４１側に移動する。なお、ピストンロッド４６の大径部４６ａ及び小径部４６ｂの外周部には、圧力制御室５１の気密性を高めるべく環状のシール部材５４が配設されている。

ピストンロッド４６のボディ４３側端部には、例えばフッ素樹脂よりなるダイアフラム弁体５５が連結されている。ダイアフラム弁体５５は、ピストンロッド４６に連結されるボス部５５ａと、シリンダ４２及びボディ４３に挟持される周縁部５５ｂと、ボス部５５ａと周縁部５５ｂとの間に形成されるダイアフラム膜部５５ｃとを有している。ボス部５５ａには雄ネジ部５５ｄが設けられており、その雄ネジ部５５ｄがピストンロッド４６のネジ孔４６ｃにねじ込まれることにより、ピストンロッド４６とダイアフラム弁体５５とが一体化されている。

ボディ４３には、パイロットレギュレータ２０から供給される流体を吸入するための吸入ポート５６と、流体を排出するための排出ポート５７とが互いに反対側となる側面に形成されているとともに、吸入ポート５６に通じる吸入通路５８と、排出ポート５７に通じる排出通路５９とが形成されている。ボディ４３のシリンダ４２側端部には、摺動孔４５と略同軸でありかつ当該摺動孔４５に連通された円形溝６７が形成されており、この円形溝６７に吸入通路５８及び排出通路５９が連通されている。具体的には、吸入通路５８は円形溝６７の中央部において円形溝６７と連通しており、排出通路５９は円形溝６７の偏心位置において円形溝６７と連通している。

吸入通路５８は、円形溝６７側の通路端では流路径が絞られたオリフィス（以下、弁座オリフィスという）５８ａとなっている。弁座オリフィス５８ａの円形溝６７側の開口部周囲は弁座部６３となっており、ダイアフラム弁体５５のピストンロッド４６とは反対側の端部に形成された弁部５５ｅが当接するようになっている。したがって、ダイアフラム弁体５５がボス部５５ａの軸線方向に沿ってカバー４１から離間される側（閉位置）に移動すると、弁部５５ｅが弁座部６３に当接し、弁座オリフィス５８ａを介しての流体の流通が阻止される。他方、ダイアフラム弁体５５がボス部５５ａの軸線方向に沿ってカバー４１へ向かう側（開位置）に移動すると、弁部５５ｅが弁座部６３から離れ、弁座オリフィス５８ａを介して流体の流通が許容される。そして、本実施形態のダイアフラム弁体５５は、エア導入ポート５２を介して圧力制御室５１へ操作エアが作用しているか否かにより、前記開位置と閉位置との二位置切替が行われる。

ボディ４３には、吸入通路５８（詳細には弁座オリフィス５８ａ）と円形溝６７とを連通するオリフィス（以下、固定オリフィスという）６４が形成されている。これにより、弁座オリフィス５８ａを介しての流体の流通がダイアフラム弁体５５により阻止されている場合であっても、吸入通路５８と排出通路５９とは固定オリフィス６４を介して常時連通されている。

以上のように構成されたエアオペレートバルブ４０において、エア導入ポート５２を介して圧力制御室５１へ操作エアが作用していない場合には、圧縮コイルバネ４９の付勢により弁部５５ｅが弁座部６３に当接した閉位置となっている。この場合、弁座オリフィス５８ａと円形溝６７との間が遮断され、弁座オリフィス５８ａを介しての流体の流通が阻止されている。すなわち、この場合、パイロットレギュレータ２０から供給された流体は固定オリフィス６４のみを介して吸入通路５８から排出通路５９へ流れる。

これに対し、圧力供給源からエア導入ポート５２を介して圧力制御室５１へ操作エアが供給されると、ピストンロッド４６（及びダイアフラム弁体５５）が圧縮コイルバネ４９の付勢力に抗してカバー４１側に移動し、弁部５５ｅが弁座部６３から離れた開位置に切り替えられる。これにより、弁座オリフィス５８ａと円形溝６７とは連通され、弁座オリフィス５８ａを介しての流体の流通が許容される。すなわち、この場合、パイロットレギュレータ２０から供給された流体は固定オリフィス６４だけではなく弁座オリフィス５８ａをも介して吸入通路５８から排出通路５９へ流れる。

以上のように構成されたパイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０とはシール部材としてのＨシール１１をこれらの間に介在させてボルト等により連結されて一体化されている。Ｈシール１１は、その縦断面がＨ形状をなしており全体としては環状に形成されている。Ｈシール１１は、例えばＰＦＡ等のフッ素樹脂よりなる。

Ｈシール１１は、パイロットレギュレータ２０の供給ポート２５の周囲とエアオペレートバルブ４０の吸入ポート５６の周囲との間に介在されている。具体的には、供給ポート２５及び吸入ポート５６の周囲にはそれぞれＨシール１１の凹凸と嵌合する凹凸条６８，６９が形成されており、Ｈシール１１はパイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０との間でこれらの凹凸条６８，６９に嵌合された状態で介在されている。これにより、パイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０とのポート間での位置決めを図りながら、流体がパイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０との間から外部へ漏れるのを防止している。

次に、この流量制御装置１０を使用して薬液を所定の比率で混合して混合液を生成する混合液生成回路について図２又は図３に基づいて説明する。なお、図２は混合液生成回路の全体構成を示す概略図であり、図３は流量制御システムの構成を示す概略図である。

図２に示すように、混合液生成回路には２つの薬液タンクＹ１，Ｙ２が設けられており、各薬液タンクＹ１，Ｙ２にはそれぞれ第１薬液、第２薬液が貯留されている。第１薬液及び第２薬液はそれぞれ成分が相違する薬液である。本回路は、これらの薬液を適切な比率で混合し吐出するためのものである。

本回路は、第１薬液回路Ｌ１及び第２薬液回路Ｌ２よりなる。これらの回路Ｌ１，Ｌ２は同一の構成部品からなる同一の回路であるため、図２では構成部品に同一の符号を付している。

各回路Ｌ１，Ｌ２には、薬液の吸引及び吐出を行うための薬液ポンプ７１が設けられている。薬液ポンプ７１は、例えばダイアフラムポンプやカスケードポンプ等からなる。薬液タンクＹ１，Ｙ２に貯留された各薬液は、それぞれ薬液の吸引通路を構成する吸引配管７３を介して薬液ポンプ７１によって吸引される。

薬液ポンプ７１の吐出側には、薬液の吐出通路を構成する吐出配管７４が接続されている。吐出配管７４には、流量制御手段としての流量制御システム６０が設けられている。薬液ポンプ７１より吐出された薬液はこの流量制御システム６０を介して混合液タンクＸに供給される。したがって、各薬液はそれぞれ流量制御システム６０において所定の流量に制御され、その結果、所定の混合比率で混合液タンクＸに吐出されるようになっている。

図３に示すように、流量制御システム６０には、薬液の流量を検出する流量センサ７２と、その下流側において直列に接続される流量制御装置１０とが備えられている。流量制御装置１０を構成するパイロットレギュレータ２０及びエアオペレートバルブ４０にはそれぞれエア供給手段としての電空レギュレータ７５及び電磁弁７６が接続されている。

電空レギュレータ７５は、パイロットレギュレータ２０のエア導入ポート５０に接続されている。電空レギュレータ７５は操作エア圧力を任意に調整できる構成を有し、その操作エア圧力の調整によりパイロットレギュレータ２０の圧力操作室６６内のエア圧力が調整されるようになっている。

一方、電磁弁７６はエアオペレートバルブ４０のエア導入ポート５２に接続されている。電磁弁７６は、通電に応じて開閉されることによりエアオペレートバルブ４０の圧力制御室５１へのエアの供給又は遮断を行うものである。すなわち、エアオペレートバルブ４０は電磁弁７６の開閉により開閉操作される構成となっている。なお、圧力制御室５１へのエアの供給を停止している場合には、圧力制御室５１内は例えば大気開放されるなど、加圧状態から解放されるものとする。

流量制御システム６０は、さらにコントローラ７０を備えている。コントローラ７０は、ＣＰＵや各種メモリ等からなるマイクロコンピュータを主体として構成される電子制御装置である。コントローラ７０には、本システムを統括して管理する管理コンピュータから混合比率の設定値に基づいた流量設定指令値（目標流量値）が入力される他、流量センサ７２により検出された流体流量が逐次入力される。コントローラ７０は、それら各入力に基づいて電空レギュレータ７５及び電磁弁７６を駆動させて流量フィードバック制御を実施する。

以上の構成において、コントローラ７０は、エアオペレートバルブ４０の二次側圧力Ｐ２及び流体流量Ｑに基づいてエアオペレートバルブ４０の一次側圧力Ｐ１（すなわち、パイロットレギュレータ２０の二次側圧力）を算出することとしており、その算出には次の（１）式が用いられる。

Ｐ１＝Ｐ２＋Ｇ・（Ｑ／４５．１６Ｃｖ）^２ …（１）
なお、Ｃｖは流量係数であり、Ｇは比重である（流体が水であればＧ＝１）。流量係数Ｃｖは、弁開度に基づいて算出される係数である。本実施形態の場合、流量係数Ｃｖは（エアオペレートバルブ４０の）ダイアフラム弁体５５の閉時においては固定オリフィス６４の開度に基づいて算出され、例えばＣｖ＝０．１である。一方、ダイアフラム弁体５５の開時においては固定オリフィス６４及び弁座オリフィス５８ａの開度に基づいて算出され、例えばＣｖ＝０．５である。

ここでは、流体流量Ｑは流量センサ７２により検出され、二次側圧力Ｐ２は大気圧である。

コントローラ７０は、管理コンピュータから入力された流量設定指令値（目標流量値）に基づいて上記（１）式により一次側圧力Ｐ１の目標値（目標圧力）を算出する一方、流量センサ７２により検出された流体流量Ｑ及び二次側圧力Ｐ２（大気圧）に基づいて一次側圧力Ｐ１（実圧力）を算出する。そして、コントローラ７０は、一次側圧力Ｐ１の目標圧力と実圧力との偏差を算出するとともに、その圧力偏差に基づいてＰＩＤ演算等の演算処理を行い、電空レギュレータ７５に対して指令信号を出力する。

電空レギュレータ７５はコントローラ７０からの指令信号に基づいて操作エア圧力を調整する。これにより、パイロットレギュレータ２０において圧力操作室６６の圧力（パイロット圧）が増減調整される。上記一連の処理が繰り返し実行されることにより一次側圧力Ｐ１（すなわち、パイロットレギュレータ２０の二次側圧力）が目標圧力に収束し、ひいては流体流量Ｑが設定指令値に収束する。

また、コントローラ７０は、流量設定指令値（目標流量値）が所定の閾値（例えば、２．５（ｌ／ｍｉｎ））以上である場合には電磁弁７６に対して開放指令信号を出力し、電磁弁７６を開放させる。これにより、エアオペレートバルブ４０の圧力制御室５１へ操作エアが供給され、弁座オリフィス５８ａが開放される。それに対し、流量設定指令値が所定の閾値より小さい場合には電磁弁７６に対して閉鎖指令信号を出力し、電磁弁７６を閉鎖させる。これにより、エアオペレートバルブ４０の圧力制御室５１への操作エアの供給は停止され、弁座オリフィス５８ａは閉鎖される。

以上のような制御手順で各薬液回路Ｌ１，Ｌ２において流体（薬液）の流量が制御される。これにより、設定された混合比率で各薬液を混合液タンクＸに吐出することができる。

次に、本混合液生成回路において薬液の混合比率を変更する場合における混合比率の応答性について従来例と比較しつつ、図４に基づいて説明する。なお、図４は、第１薬液と第２薬液との混合比率を１：１から２：１に変更する場合における混合比率の経時変化を示す図である。

従来は、混合液の生成途中に第１薬液と第２薬液との混合比率を１：１から２：１に変更する場合、薬液回路Ｌ１に設けられた弁の弁開度をモータにより調整することにより第１薬液の流量を倍増させ、混合比率を変更していた（例えば、上述した特許文献２に示す流量制御装置）。しかしながら、モータにより弁開度を調整する場合、第１薬液の流量を倍増させるのに時間を要するため、各薬液の混合比率を２：１に安定化させるのにも時間を要することとなる（図４の破線参照）。したがって、各薬液の混合比率が安定化するまでの間（図４における不定期間）は薬液を捨てざるを得ない状況が想定された。そのため、高価な薬液の場合、経済的な損失が大きかった。

それに対し、本実施形態の流量制御装置１０においては、混合液の生成途中に第１薬液と第２薬液との混合比率を１：１から２：１に変更する場合、薬液回路Ｌ１側のエアオペレートバルブ４０において弁座オリフィス５８ａを開放させることにより流路面積を大きくし制御することができる流量範囲を広くした上で、パイロットレギュレータ２０により流量制御をすることにより各薬液の混合比率を２：１に安定化させることができる。

本実施形態では、第１薬液と第２薬液との混合比率が１：１の場合における第１薬液の流量は上述した所定の閾値（例えば、２．５（ｌ／ｍｉｎ））より小さく設定されている。すなわち、各薬液の混合比率が１：１の場合には弁座オリフィス５８ａを閉鎖することができるため、流量を高精度に制御することができる。一方、第１薬液と第２薬液との混合比率が２：１の場合における第１薬液の流量は所定の閾値以上に設定されている。したがって、第１薬液と第２薬液との混合比率を１：１から２：１に変更する場合、弁座オリフィス５８ａを開放し、第１薬液の流量を高範囲に制御可能な（すなわち所定の閾値以上に設定可能な）状態にし、その上でパイロットレギュレータ２０により各薬液の混合比率が２：１となるように第１薬液の流量を制御する。

以上のように、本実施形態では応答性の面で優れている二位置切替のダイアフラム弁体５５によって弁座オリフィス５８ａを開放することで第１薬液の流量を広範囲に制御可能とすることにより、第１薬液と第２薬液との混合比率を１：１から２：１に変更することができるようにしている。したがって、従来と比べて各薬液の混合比率を２：１に安定化させるのに必要な不定期間を短縮させることができる（図４の実線参照）。これにより、各薬液の混合比率が安定化するまでの間に捨てざるを得ない薬液の流量を従来と比べ低減させることができる。

以上詳述した本実施形態の構成によれば、以下の優れた効果が得られる。

パイロットレギュレータ２０の下流側にはエアオペレートバルブ４０が設けられており、エアオペレートバルブ４０には常時開放の固定オリフィス６４と、ダイアフラム弁体５５の変位により開閉される弁座オリフィス５８ａとが並列に形成されている。したがって、ダイアフラム弁体５５をカバー４１側に移動させることにより弁座オリフィス５８ａを開放すれば流体が固定オリフィス６４と弁座オリフィス５８ａとを介して比較的大きな流量で流れ、弁座オリフィス５８ａを閉鎖すれば流体が固定オリフィス６４のみを介して比較的小流量で流れる。そのため、流量を広範囲に制御するニーズと、高精度に制御するニーズとのいずれのニーズにも対応することができる。

本実施形態のダイアフラム弁体５５は、開位置と閉位置とに二位置切替するものであるため、本エアオペレートバルブ４０は応答性に優れている。したがって、応答性に優れ、かつ高精度又は高範囲に流量を制御することができる。

圧縮コイルバネ４９による付勢力によりダイアフラム弁体５５が弁座部６３に着座されることにより弁座オリフィス５８ａは閉鎖され、また、圧力制御室５１に操作エアが導入されダイアフラム弁体５５が弁座部６３から離間されることにより弁座オリフィス５８ａは開放される。これにより、弁座オリフィス５８ａの開放又は閉鎖を簡易な構成により実現することができる。

パイロットレギュレータ２０は、ダイアフラム部材３２，３３で流路（流体室２８）をバネ収容室３７及び圧力操作室６６と区画しており、ダイアフラム部材３２，３３の変形に伴い流体の流通を許容したり禁止したりしている。また、エアオペレートバルブ４０は、ダイアフラム弁体５５で流路（円形溝６７）を圧力制御室５１側の空間と区画しており、ダイアフラム弁体５５の変形に伴い流体の流通を許容したり禁止したりしている。したがって、パイロットレギュレータ２０、エアオペレートバルブ４０共に流路内に摺動部の無い構成となっている。そのため、上記流量制御装置１０は、パーティクルの発生が抑制されたものとなるため、半導体製造ラインなどの純度の高い流体の取扱いに優れている。

パイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０とはボルト等の締結部材により一体として組み付けられることにより構成されているため、上記流量制御装置１０はコンパクトに構成されている。これにより、製造ライン等に組み込む際にはラインの簡素化に寄与することができる。

流量設定指令値（目標流量値）が所定の閾値（例えば、２．５（ｌ／ｍｉｎ））以上である場合には弁座オリフィス５８ａを開放することができ、流量設定指令値が所定の閾値より小さい場合には弁座オリフィス５８ａを閉鎖することができる。これにより、流量設定指令値（目標流量値）が所定の閾値より大きいか小さいかにより自動的に流路面積を大小切り替えることができ、ひいては流体の流量を自動的に高精度に制御したり広範囲に制御したりすることができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

（１）上記実施形態では、エアオペレートバルブ４０に２つのオリフィス５８ａ，６４を設けたが、オリフィスを３つ以上設けてもよい。この場合、１のみを固定オリフィスとし、残りの複数のオリフィスを２位置切替式（オンオフ式）の弁座オリフィスとするとよい。

（２）上記実施形態では、固定オリフィス６４を常時開放としたが、固定オリフィス６４を弁座オリフィス５８ａと同様にダイアフラム弁による２位置切替式（オンオフ式）の弁座オリフィスとしてもよい。そうすれば、両オリフィス５８ａ，６４を閉鎖することにより、エアオペレートバルブ４０においても流体の供給を停止させることができる。

（３）上記実施形態では、流量制御装置１０を半導体製造ラインの薬液供給に用いる場合を一例として説明したが、これ以外の薬液供給に用いてもよいし、薬液以外の流体の流量制御に用いてもよい。例えば、薬品の製造ラインに用いたり、化学製品の製造ラインに用いたりすることも可能である。

（４）上記実施形態では、それぞれ別体として構成されているパイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０とをボルト等により一体に組み付けることで流量制御装置１０を構成したが、エアオペレートバルブ４０をパイロットレギュレータ２０に付属的に設けてもよい。以下、その例について、上記実施形態との相違点を中心に図５を参照しつつ説明する。なお、図５において、先の図１と対応する部材については便宜上同一の符号を付している。

流量制御装置８０は、圧力制御手段としてのレギュレータ部８１と、その下流側に接続されたバルブ部８２とを備えている。

レギュレータ部８１は、上カバー８３、ボディ８４、下カバー８５の順にこれらがボルト等の締結部材によって一体に組み付けられることにより構成されており、全体としては略直方体状をなしている。ボディ８４は、一側面側においてカバー８５と離間された側に延びる延出部８４ａを有している。そのため、ボディ８４の縦断面は略Ｌ字状をなしている。したがって、レギュレータ部８１は、詳しくはボディ８４のＬ字の内側に上カバー８３が配置され、ボディ８４を挟んだ上カバー８３の反対側に下カバー８５が配置される構成となっている。

バルブ部８２はシリンダ８６とカバー８７とを備えており、ボディ８４の延出部８５ａ側の側面に連結されている。具体的には、ボディ８４，シリンダ８６，カバー８７の順にこれらがボルト等の締結部材により組みつけられることでバルブ部８２はボディ８４に、ひいてはレギュレータ部８１に連結されている。

ボディ８４には、流体を吸入するための吸入ポート８８と、流体を排出するための排出ポート８９とが設けられるとともに、吸入ポート８８に通じる吸入通路９０と、排出ポート８９に通じる排出通路９１とが形成されている。詳しくは、排出ポート８９及び排出通路９１はボディ８４の延出部８４ａに形成されている。また、ボディ８４には、流体を吸入通路９０から排出通路９１へ導く中間通路９２が形成されている。

ボディ８４の中央部には、当該ボディ８４を上カバー８３側から下カバー８５側に貫通する流体室９３としての貫通孔が形成されている。流体室９３は、上記実施形態と同様、その貫通孔の軸線方向における中央部に形成された弁座部９４より下カバー８５側が上流側流体室９３ａとなっており、弁座部９４より上カバー８３側が下流側流体室９３ｂとなっている。そして、上流側流体室９３ａには吸入通路９０が連通されており、下流側流体室９３ｂには中間通路９２が連通されている。

流体室９３には、その貫通孔の軸線方向に往復動可能な弁体３０が収容されている。弁体３０及び弁体３０周辺の構成は上記実施形態と基本的に同様であるため、詳細な説明は省略する。

弁体３０は上記実施形態と同様、圧縮コイルバネ３８の付勢力によりロッド部３４の拡径部３４ａの上カバー８３側端部が弁座部９４に当接した状態が保持されている。これにより、上流側流体室９３ａと下流側流体室９３ｂとの間は常時遮断されている。一方、上カバー８３に形成されたエア導入ポート５０から圧力操作室６６に操作エアが導入されると、その時の操作圧力に応じて第２ダイアフラム部材３３がロッド部３４の軸線方向に沿って下カバー８５側に変位する。この変位により、ロッド部３４の拡径部３４ａの上カバー８３側端部が弁座部９４から離れ、上流側流体室９３ａと下流側流体室９３ｂとが連通されるため流体の流通が許容される。

なお、ダイアフラム部３５の周縁部３５ａはボディ８４と下カバー８５とにより挟持されており、第２ダイアフラム部材３３の周縁部３３ａはボディ８４と上カバー８３とにより挟持されている。

シリンダ８６には、カバー８７側からボディ８４側に貫通する円筒状の摺動孔９６が形成されており、摺動孔９６にはピストンロッド４６が収容されている。摺動孔９６は、上記実施形態と同様、いずれも同軸の大径孔部９６ａと小径孔部９６ｂとを有しており、大径孔部９６ａに大径部４６ａが摺動可能に収容され、小径孔部９６ｂに小径部４６ｂが摺動可能に収容されている。その他ピストンロッド４６周辺の構成は上記実施形態と基本的に同様であるため詳細な説明は省略することとし、構成の概略についてのみ以下に説明する。

ピストンロッド４６とカバー８７との間にはバネ収容室９７が形成されており、バネ収容室９７には圧縮コイルバネ４９が収容されている。ピストンロッド４６は圧縮コイルバネ４９の付勢力（圧縮反発力）により常にその軸線方向に沿ってボディ８４側に付勢されるようになっている。一方、エア導入ポート１０２からエア通路１０３を通じてピストンロッド４６とシリンダ８６とにより囲まれた空間（以下、圧力制御室９８という）に操作エアが導入されると、ピストンロッド４６は圧縮コイルバネ４９の付勢力に抗してピストンロッド４６の軸線方向に沿ってカバー８７側（図５の右方）に移動することができる。

ピストンロッド４６のボディ８４側端部には、ダイアフラム弁体５５が連結されている。ダイアフラム弁体５５の周縁部５５ｂは、ボディ８４とシリンダ８６との間に挟持されている。

ボディ８４のシリンダ８６側端部には摺動孔９６と略同軸であるとともに摺動孔９６と連通された円形溝９９が形成されており、この円形溝９９には中間通路９２及び排出通路９１が連通されている。具体的には、中間通路９２は円形溝９９の中央部において円形溝９９と連通しており、排出通路９１は円形溝９９の円周側端部において円形溝９９と連通している。

中間通路９２は、円形溝９９側の通路端において流路径が小さく絞られており、オリフィス（以下、弁座オリフィスという）９２ａとなっている。円形溝９９の弁座オリフィス９２ａ開口部の周囲は弁座部１００となっており、ダイアフラム弁体５５の弁部５５ｅが当接することができるようになっている。したがって、ダイアフラム弁体５５がボス部５５ａの軸線方向に沿ってカバー８７側とは反対側に移動すると、弁部５５ｅが弁座部１００に当接し、弁座オリフィス９２ａを介しての流体の流通が阻止される。他方、ダイアフラム弁体５５がボス部５５ａの軸線方向に沿ってカバー８７側に移動すると、弁部５５ｅが弁座部１００から離れ、弁座オリフィス９２ａを介して流体の流通が許容される。

ボディ８４には、中間通路９２と排出通路９１とを連通するオリフィス（以下、固定オリフィスという）１０１が形成されている。これにより、弁座オリフィス９２ａを介しての流体の流通がダイアフラム弁体５５により阻止されている場合であっても、固定オリフィス１０１を介して中間通路９２と排出通路９１とは常時連通されているため、流体は固定オリフィス１０１を介して吸入通路９０から排出通路９１へ流れる。これに対し、エア導入ポート５２を介して圧力制御室９８へ操作エアが供給され、ピストンロッド４６（及びダイアフラム弁体５５）が圧縮コイルバネ４９の付勢力に抗してカバー８７側に移動し、弁部５５ｅが弁座部１００から離れる場合、流体は固定オリフィス１０１及び弁座オリフィス９２ａを介して吸入通路９０から排出通路９１へ流れる。

以上説明した流量制御装置８０によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、流量制御装置８０はレギュレータ部８１とバルブ部８２とでボディ８４が共有化されることにより、バルブ部８２がレギュレータ部８１の付属物として一体化されていることから、上記実施形態で用いたＨシール１１やバルブ部８２専用のボディを不要とすることができるとともに、Ｈシール１１を嵌合させるために複雑な加工が必要な形成した凹凸条６８，６９を設けなくて済むという利点がある。

（５）上記実施形態又は上記別例（４）においては、パイロットレギュレータ２０とエアオペレートバルブ４０とを一体化してなる流量制御装置１０や、レギュレータ部８１とバルブ部８２とを一体化してなる流量制御装置８０について例示したが、これらを分離したものとしてもよい。すなわち、パイロットレギュレータ２０の供給ポート２５とエアオペレートバルブ４０の吸入ポート５６とを配管を介して連結して流量制御装置を構成するものであってもよい。

流量制御装置の構成を示す縦断面図。 混合液制御回路の全体構成を示す概略図。 流量制御システムの構成を示す回路図。 薬液の混合比率の経時変化を示す図。 別例における流量制御装置の構成を示す縦断面図。

符号の説明

１０…流量制御装置、１１…Ｈシール、２０…レギュレータとしてのパイロットレギュレータ、３０…弁体、３６…弁座部、４０…開閉弁としてのエアオペレートバルブ、４６…ピストンロッド、５５…ダイアフラム弁体、５８…吸入通路、５８ａ…絞り通路としての弁座オリフィス、６０…流量制御システム、６３…弁座部、６４…絞り通路としての固定オリフィス、７０…コントローラ、７２…流量センサ、７５…電空レギュレータ、７６…電磁弁、８０…流量制御装置。

Claims (6)

1. 供給される流体の圧力を調整するレギュレータと、
   前記レギュレータの下流側において互いに並列に設けられた複数の絞り通路と、
   前記各絞り通路のうち所定の絞り通路を開位置と閉位置とに二位置切替する開閉部と、
   を備えていることを特徴とする流量制御装置。
2. 供給される流体の圧力を調整するレギュレータと、
   前記レギュレータの下流側に設けられるとともに、常時開放とされている開放絞り通路と、
   前記レギュレータの下流側において前記開放絞り通路に並列に設けられるとともに、開閉部によって開位置と閉位置とに二位置切替される開閉絞り通路と、
   を備えていることを特徴とする流量制御装置。
3. 前記レギュレータの下流側には開閉弁が設けられており、
   その開閉弁には、前記各絞り通路及び開閉部が内蔵されており、更に、前記開閉部を閉位置へ向けて常時付勢する付勢部と、前記付勢部による付勢力に抗して前記開閉部を開位置へ向けて押圧する押圧状態とその押圧状態を解除した解除状態とに切り替えられる押圧部と、を備えている請求項１又は２に記載の流量制御装置。
4. 前記レギュレータは、
   流体の流入口と流出口との間を連通する流路の途中に設けられた弁座部に着座したり離間したりする弁体と、
   前記弁体を前記弁座部へ向けて付勢する第二付勢部と、
   前記第二付勢部による付勢力に抗して前記弁体を前記弁座部から離間する側に押圧するとともに、その押圧力を調整することにより流体の圧力を制御する操作部と、
   前記流路を前記第二付勢部の収容領域及び前記操作部とそれぞれ区画するとともに前記弁体に一体化されている圧力調整用ダイアフラムと、
   を備えており、
   前記開閉弁は、前記各絞り通路を含む流体の流路を前記押圧部側の空間と区画するとともに前記開閉部に一体化されている開閉用ダイアフラムを備えている請求項３に記載の流量制御装置。
5. 前記レギュレータと前記開閉弁とは連結されて一体化とされているか又は共通のボディを用いた一体物として形成されている請求項３又は４に記載の流量制御装置。
6. 前記レギュレータ及び前記開閉部を制御するコントローラを備え、当該コントローラは、前記レギュレータによる制御流量が小さい場合には前記閉位置となり、制御流量が大きい場合には前記開位置となるように、前記開閉部を制御する請求項３乃至５のいずれか１項に記載の流量制御装置。

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