流量控制阀和使用该流量控制阀的质量流量控制装置的制作方法

本发明是一种与流量控制阀相关的发明，特别是涉及一种组装于质量流量控制装置来使用的流量控制阀。

背景技术：

质量流量控制装置(质量流量控制器)是一种控制设备，由如下部件、即至少包括用于测量流体的流量的流量计、用于控制流体的流量的流量控制阀以及用于控制流量计和流量控制阀的控制回路的部件形成。质量流量控制装置被广泛用于例如在半导体的制造工艺中控制被供给到腔室内的气体的质量流量等目的。

对于质量流量控制装置所使用的流量控制阀，存在各种形式的流量控制阀。用于在半导体的制造工艺中控制气体的质量流量的用途的质量流量控制装置使用具有如下构造的流量控制阀，即：构成用于开闭气体流路的阀的部分和具有对阀进行驱动的功能的部分利用金属制的膜片彼此气密地隔离开。采用具有这样的构造的流量控制阀，与气体接触的构件能够全部由耐腐蚀性优良的不锈钢等金属形成，因此，即使在控制腐蚀性气体的流量的情况下，也能够有效地防止因与气体接触的构件的腐蚀导致的气体泄漏。

例如，在专利文献1中公开了一种流量控制阀的构造，该流量控制阀包括：阀座，其具有封闭面；阀芯，其被弹簧向远离阀座的封闭面的方向赋予弹性力；以及压电驱动器，其抵抗弹簧的弹性力地向将阀芯朝阀座的封闭面推回的方向驱动该阀芯，阀芯和压电驱动器利用膜片彼此气密地隔离开。在该流量控制阀的情况下，进行与阀座的封闭面垂直的开闭动作的阀芯由刚性体形成，因此，与向阀座的封闭面直接推压可弹性变形的膜片的构造的流量控制阀相比，耐久性优良。该流量控制阀是压电驱动器未驱动阀芯时阀打开的常开型流量控制阀。

另外，例如，在专利文献2中公开了一种流量控制阀的构造，该流量控制阀包括：阀座，其具有封闭面；阀芯，其被弹簧向靠近阀座的封闭面的方向赋予弹性力；以及驱动器，其抵抗弹簧的弹性力地向使阀芯远离阀座的封闭面的方向驱动该阀芯，阀芯和驱动器利用膜片彼此气密地隔离开。该流量控制阀是驱动器未驱动阀芯时阀关闭的常闭型流量控制阀。

但是，在半导体的制造工艺中，有时要求相比以往而言精确地控制较少的流量范围内的气体的流量。在这样的情况下，即使在阀座的封闭面同与其相对的位置处的阀芯的表面之间的间隙较小时，也需要将该间隙的大小精确地控制为任意值。为此，优选的是，对阀座的封闭面和阀芯的表面均以表面粗糙度尽可能小的方式进行加工以使它们平滑，并且以保持相互平行的位置关系的方式配置。

图3是表示被设计为满足上述要求的阀座的构造的例子的示意图。图3中例示的阀座20的内筒部20a和外筒部20b构成为一体。从底部进行观察所看到的外筒部20b的高度比内筒部20a的高度高。在内筒部20a的上端部形成有阀座20的封闭面20c。在外筒部20b的内周侧且是比内筒部20a的封闭面20c高的位置组装有阀芯3。阀芯3被弹性部件4向远离封闭面20c的方向赋予弹性力。

封闭面20c和外筒部20b的上端面被加工为保持相互平行的位置关系。因而，通过使外筒部20b的上端面与膜片5抵接进行固定，能够使封闭面20c与膜片5分开恒定的距离，并且使封闭面20c与膜片5保持为平行的位置关系。另外，阀芯3的上表面和下表面被加工为保持相互平行的位置关系。因而，通过使阀芯3的上表面与膜片5抵接，能够使阀芯3的下表面与膜片5分开恒定的距离，并且使阀芯3的下表面与膜片5保持为平行的位置关系。像这样，封闭面20c和阀芯3的下表面分别与膜片5平行地配置。结果，封闭面20c和阀芯3的下表面彼此分开恒定的距离，并且保持为平行的位置关系。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8－105551号公报

专利文献2：日本特开2014－190452号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在图3所示的阀座20中，封闭面20c配置在外筒部20b的内周侧且是比外筒部20b的上端面低的位置。因而，在为了使封闭面20c平滑而想要利用研磨机等对封闭面20c进行研磨加工时，会被外筒部20b妨碍而无法使工具的加工面与封闭面20c接触。因此，存在这样的问题：无法通过研磨机等对封闭面20c进行加工以使其平滑。

作为应对该问题的解决对策，可以考虑例如利用车床等对封闭面20c进行粗加工之后，用手拿着具有比外筒部20b的内径小的研磨部的抛光机使研磨部与封闭面20c贴紧，从而对封闭面20c进行精密加工以使其平滑。但是，该加工方法无法对封闭面20c均匀地加工。因而，无法满足流量控制阀所要求的封闭面20c的平滑度、平面度及平行度的要求标准。

本发明是鉴于以往技术的流量控制阀所具有的上述问题而做成的，其目的在于提供一种具有平滑的封闭面并且相比以往而言能够在较少的流量范围精确地控制气体的流量的流量控制阀。

用于解决问题的方案

本发明的流量控制阀具有阀座、阀芯、弹性部件和阀芯的驱动部件，阀座具有：外筒构件，其具有流体的流出通路，该流体的流出通路包括将内周侧与外周侧连通的一个或两个以上的孔、以及与孔连通且形成在外周侧的槽部；以及内筒构件，其配置在外筒构件的内周侧，在内周侧具有流体的流入通路，在上端部具有封闭面(阀座面)，外筒构件的下部与内筒构件的下部气密地嵌合在一起。

在本发明的结构中，能够在使构成阀芯的内筒构件与外筒构件分离开的状态下将形成于内筒构件的上端部的封闭面(阀座面)载置于研磨机等的研磨面进行精密加工。由此，能够容易地满足流量控制阀所需要的封闭面的平滑度、平面度及平行度的要求标准。并且，通过使已完成封闭面的精密加工的内筒构件与外筒构件相互嵌合，能够构成具有平滑的封闭面的阀座。因而，采用本发明的流量控制阀，能够比以往更精确地控制流量较少的区域中的气体的流量。

本发明的质量流量控制装置具有本发明的流量控制阀。在本发明的结构中，能够提供一种相比以往而言能够精确地控制流量较少的区域中的气体的流量的质量流量控制装置。

发明的效果

采用本发明，能够提供一种具有平滑的封闭面且相比以往而言能够精确地控制流量较少的区域中的气体的流量的流量控制阀。

附图说明

图1是表示本发明的流量控制阀的构造的例子的示意图。

图2是表示本发明的流量控制阀的阀座的构造的例子的剖视立体图。

图3是表示以往技术的流量控制阀的构造的例子的示意图。

具体实施方式

利用附图详细地说明用于实施本发明的方式。另外，这里要说明的实施方式只不过是用于例示本发明的实施方式，本发明的实施方式并不局限于这里要例示的方式。另外，在本说明书中，“上”、“下”这样的用语是指申请书所附带的附图中的上方或下方，与流量控制阀实际使用时的重力方向无关。

图1是表示本发明的流量控制阀的构造的例子的示意图。流量控制阀1具有：阀座2；阀芯3，其沿着与阀座2的封闭面21e垂直的方向进行开闭动作；弹性部件4，其对阀芯3向远离封闭面21e的方向赋予弹性力；以及驱动部件，其抵抗弹性部件4的弹性力地向将阀芯3朝封闭面21e推回的方向(即，与弹性部件4的弹性力相反的方向)驱动该阀芯3。

图1所例示的流量控制阀1构成为提升阀、即具有封闭构件的截止装置，该封闭构件的至少一个构成要素进行与封闭面垂直的开闭动作。图1中的阀芯3相当于这里所说的封闭构件。阀芯3沿着与封闭面21e垂直的方向进行开闭动作，该封闭面21e形成于构成阀座2的内筒构件21的上端部。即，封闭面21e相当于所谓的“阀座面”。

作为驱动部件，能够使用例如压电元件和螺线管等电气部件。驱动部件能够包括用于向阀芯3传递由电气部件产生的驱动力的阀杆(stem)6。作为弹性部件4，能够使用例如螺旋弹簧等。

在想要关闭流量控制阀1的情况下，利用驱动部件克服弹性部件4的弹性力地将阀芯3向图1中的下方下压，从而使阀芯3的下表面与阀座2的封闭面21e抵接而将流入通路封闭。在想要打开流量控制阀1的情况下，减少驱动部件的驱动力，利用弹性部件4的弹性力将阀芯3向图1中的上方上推，从而使阀芯3的下表面离开阀座2的封闭面21e。由此，能够在阀芯3与封闭面21e之间形成间隙，因此流体会从流入通路流出。

阀座2、阀芯3及弹性部件4与驱动部件利用膜片5彼此气密地隔离开。通过将流量控制阀1设为这样的结构，能够使与气体接触的构件全部由耐腐蚀性较高的不锈钢等金属形成。因而，即使在控制腐蚀性气体的流量的情况下，也能够有效地防止因与气体接触的构件的腐蚀导致的气体泄漏。

流量控制阀1例如组装于在质量流量控制装置的主体形成的腔内来使用。质量流量控制装置的尺寸存在限制，因此组装于该质量流量控制装置的流量控制阀1需要尽可能紧凑地设计。图1所例示的流量控制阀1为这样的构造：在腔内组装有阀座2、弹性部件4、阀芯3及膜片5，膜片5被夹在膜片按压件7与外筒构件22之间并被紧密固定。

为了保持膜片5与腔之间的气密，能够使用膜片密封件8。并且，为了保持阀座2与腔之间的气密，能够使用金属密封件9。阀座2的内筒构件21所具有的流入通路与初级侧流路10连通。外筒构件22所具有的由孔和槽部形成的流出通路与次级侧流路11连通。

图2是表示本发明的流量控制阀的阀座的构造的例子的剖视立体图。在该图中，利用将阀座2的中心轴线包含在内的面剖切阀座2后的截面由阴影示出。

阀座2包括：外筒构件22，其具有流体的流出通路，该流体的流出通路由将内周侧与外周侧连通的一个或两个以上的孔22h和与孔22h连通的形成于外周侧的槽部22i形成；以及内筒构件21，其配置在外筒构件22的内周侧，在内周侧具有流体的流入通路21d，在上端部具有封闭面21e。在内筒构件21的封闭面21e的上方载置阀芯3，在阀座2与阀芯3之间设置弹性部件4。

在流量控制阀1打开时，流体从图1中的初级侧流路10进入流入通路21d，经由阀座2与阀芯3之间的间隙流入内筒构件21与外筒构件22之间的空间。之后，经由由孔22h和槽22i形成的流出通路向图1中的次级侧流路11流出。在流量控制阀1关闭时，阀座2和阀芯3在封闭面21e处没有间隙地紧密接触，由此流体的流动被完全阻断。

外筒构件22的上端部22j成为与膜片5抵接的面。在图1所示的例子中，外筒构件22的上端部22j的位置构成为比内筒构件21的上端部(即，封闭面21e)的位置高，且两者的高度差大于阀芯3的厚度。由此，能够确保在外筒构件22的上端部22j与膜片5抵接时在外筒构件22的内周侧且是比内周构件21的封闭面21e靠上方的位置具有供阀芯3组装的空间。该空间的高度构成为比阀芯3的厚度高，因此会产生使阀芯3沿着与封闭面21e垂直的方向进行开闭动作所需要的空间余量。但是，对于外筒构件22的上端部22j的位置、内筒构件21的上端部的位置以及阀芯3的厚度的关系，只要不妨碍阀芯3的开闭动作及与之相伴的膜片5的变形，则不限定于上述那样。即，外筒构件22的上端部22j的位置也可以构成为比内筒构件21的上端部的位置高，且两者的高度差小于阀芯3的厚度，或者，外筒构件22的上端部22j的位置也可以构成为比内筒构件21的上端部的位置高与阀芯3的厚度相同的高度。

阀座2是通过使外筒构件22的下部与内筒构件21的下部气密地嵌合而构成的。由此，在使内筒构件21与外筒构件22分离开的状态下，能够不受外筒构件22的上端部22j妨碍地进行内筒构件21的封闭面21e的加工。在对封闭面21e进行加工以使其平滑之后，使内筒构件21与外筒构件22嵌合，从而能够构成包括内筒构件21和外筒构件22的阀座2，将封闭面21e精确地保持在与膜片5平行的位置。因而，能够同时且容易地达成封闭面21e的平滑度、平面度及平行度，能够容易地提高流量控制阀1的流量控制的精度。

在本发明中，优选外筒构件22的下部和内筒构件21的下部的尺寸被调整为在内筒构件21与外筒构件22嵌合在一起时彼此的位置不偏移、没有间隙地气密地固定。由此，组装后的阀座2的尺寸精度提高，并且能够防止流体从外筒构件22与内筒构件21之间的间隙泄漏。

在本发明的优选的实施方式中，内筒构件21的下部例如如图2所示那样具有朝向外侧延伸的凸缘部21f，外筒构件22的下部与凸缘部21f的外周气密地嵌合。在图2所示的例子中，凸缘部21f具有这样的功能：将内筒构件21的下部与外筒构件22的下部气密地连结起来，并且支承弹性部件4的下端。

能够在凸缘部21f的一部分设置向下方呈圆周状突出的棱部21g。棱部21g具有这样的功能：在流量控制阀1集成时与相对的面抵接，从而保持阀座2与腔之间的气密，防止流体在封闭面21e关闭时从初级侧流路10向次级侧流路11泄漏。设置棱部21g的位置并不局限于凸缘部21f，也可以设于内筒构件21的下部或外筒构件22的下部的一部分。并且，也可以如上述那样在棱部21g与腔之间还设置金属密封件9。

在本发明的与图2所示的实施方式不同的另一优选的实施方式中，外筒构件22的下部具有朝向内侧延伸的凸缘部，内筒构件21的下部与凸缘部的内周气密地嵌合。在本实施方式中，凸缘部构成为外筒构件22的一部分而不是内筒构件21的一部分，在这一点上与上述的实施方式不同。但是，本实施方式的凸缘部所具有的功能与图2所示的实施方式的凸缘部21f所具有的功能相同。

再次返回到图2，在本发明的优选的实施方式中，流量控制阀1还具有金属制的膜片5，该膜片5被设为分别与外筒构件22的上端部22j和阀芯3的上表面接触，驱动部件被设为同膜片5的与阀芯3的上表面接触的面的相反侧的面接触，驱动部件对阀芯3的驱动隔着膜片5地进行。根据该结构，由构成用于开闭气体流路的阀的阀座2、阀芯3及弹性部件4构成的部分与具有对阀进行驱动的功能的驱动部件利用金属制的膜片5彼此气密地隔离开。因而，即使在控制腐蚀性气体的流量的情况下，也能够有效地防止因与气体接触的构件的腐蚀导致的气体泄漏。

在本发明的优选的实施方式中，阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度为100纳米以下。这里，“算术平均粗糙度(ra)”是指如例如日本工业标准jisb0601：2013中定义的那样与粗糙度曲线的基准长度的平均值之差的绝对值的平均。阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度例如能够利用触针式表面粗糙度测量器等测量设备测量。在本发明中，阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度越小越好，因此算术平均粗糙度的下限并不特别设定。

对于阀座2的封闭面21e，为了达成100纳米以下的算术平均粗糙度，能够采用例如如下方法等，即：在将阀座2分离成内筒构件21和外筒构件22的状态下，在利用车床等对内筒构件21的封闭面21e进行机械加工之后，利用研磨机进行镜面研磨。在本发明中，在使内筒构件21与外筒构件22分离开的状态下，能够不受外筒构件22的上端部22j妨碍地将内筒构件21的封闭面21e贴在研磨机的加工面上进行研磨。因而，与以往技术的流量控制阀相比，本发明的流量控制阀能够提高封闭面21e的平滑度及平面度。

如果阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度为100纳米以下，那么与算术平均粗糙度超过100纳米的情况相比封闭面21e的平滑度较高，因此形成在封闭面21e与阀芯3的下表面之间的间隙的尺寸较均匀。并且，能够抑制产生由封闭面21e的凹凸引起的紊流。根据这些效果，采用阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度被调整为100纳米以下的流量控制阀1，与不是这样的流量控制阀1的流量控制阀相比，能够精确地且再现性良好地进行特别是流量较少的区域中的流量控制。阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度更优选为50纳米以下，进一步优选为25纳米以下。阀座2的封闭面21e的算术平均粗糙度例如能够通过改变研磨所使用的磨粒的大小和/或加工条件等来进行调整。

在本发明中，优选的是，不仅阀座2的封闭面21e，对于与该封闭面21e相对的阀芯3的下表面，也将算术平均粗糙度设为100纳米以下。由此，流量控制阀1的进行开闭动作的阀座2的封闭面21e和阀芯3的下表面这两者均为理想的平滑面，因此能够进一步提高本发明的效果。对于阀芯3的下表面，也更优选算术平均粗糙度为50纳米以下，进一步优选为25纳米以下。

阀芯3通常具有圆盘形状等板状形状，不具有会对研磨其下表面产生障碍那样的形状。但是，假设为了特別的目的而需要采用会对研磨产生障碍那样的形状，在该情况下，通过与阀座2同样地利用两个以上的可分离开的构件构成阀芯3，能够得到与本发明同样的效果。

在本发明中，优选阀座2的封闭面21e的平面度为20微米以下。在该情况下，表面不仅平滑而且平面度也高，因此能够可靠地防止在流量控制阀1关闭后流体泄漏。并且，能够更精确地进行流量较少的区域中的流量控制。

在图3所示的内筒部20a和外筒部20b一体地构成的阀座20的情况下，内筒部20a的封闭面20c的研磨必须依靠手工作业进行，因此将封闭面20c的平面度加工至20微米以下是非常困难的。相对于此，在本发明的阀座2的情况下，能够使内筒构件21与外筒构件22分离开之后进行研磨，因此将封闭面21e的平面度设为20微米以下并不困难。而且，更优选的是，对于阀芯3的下表面的平面度，也为20微米以下。

在本发明中，优选阀座2的封闭面21e相对于基准面的平行度为50微米以下。对于该情况下的基准面，能够采用与棱部21g接触的面或内筒构件21的嵌入外筒构件22的面等。通过将平行度设为50微米以下，能够使关闭流量控制阀1时的封闭面21e的间隙均匀，能够提高流量控制的精度。此外，外筒构件22的上端部与下部的平行度、阀芯3的上表面与下表面的平行度也都优选为50微米以下。

对于上述“平面度”和“平行度”，例如能够利用平板和接触式微测仪测量。并且，平面度和平行度也能够通过使用非接触式激光的测量等求出。在本发明的优选的实施方式中，封闭面21e的平面度和平行度越小越好，因此下限并不特别设定。

本发明还是一种质量流量控制装置的发明，该质量流量控制装置具有：流量计，其用于测量流体的流量；流量控制阀，其用于控制流体的流量；以及控制回路，其基于来自流量计的流量信号控制流量控制阀的阀开度，其中，流量控制阀是本发明的流量控制阀1。流量计和控制回路能够使用被组装于以往的质量流量控制装置来使用的采用了公知技术的流量计和控制回路。在本发明的质量流量控制装置中，流量控制阀采用了本发明的流量控制阀1，因此会取得利用本发明的流量控制阀1达成的“能够精确地控制流量较少的区域中的气体的流量的效果”。

本发明的流量控制阀1能够通过在图1中阴影所示的设于质量流量控制装置的主体的腔的内部组装阀座2和阀芯3等构成。在这样的构成的情况下，能够省略用于收纳阀座2及阀芯3等的阀箱，因此能够使流量控制阀1及质量流量控制装置整体的尺寸减小。

此外，在图3所示的内筒部20a和外筒部20b一体地构成的阀座20的情况下，如上述那样，内筒部20a的封闭面20c的研磨必须依靠使用例如抛光机等的手工作业进行。因而，封闭面20c的棱(在实施倒角的情况下与倒角的棱线相当的棱)经常会略微地变钝变圆。相对于此，在本发明的阀座2的情况下，如上述那样，能够使内筒构件21与外筒构件22分离开之后进行研磨。因而，封闭面20c的棱(在实施倒角的情况下与倒角的棱线相当的棱)难以变钝变圆，能够形成尖锐的棱。这也被认为是能够可靠地防止在本发明的流量控制阀1关闭后流体泄漏并且能够更精确地进行流量较少的区域中的流量控制的主要原因之一。

此外，本发明的流量控制阀1所具有的阀座2如上述那样是通过使外筒构件22的下部与内筒构件21的下部气密地嵌合而构成的。因而，通过仅更换内筒构件21，就能够容易地构成形成有如下这样的流入通路21d的阀座2，即：该流入通路21d具有例如与作为控制对象的流体的流量范围(bin尺寸)相对应的内径(截面积)。即，能够不受bin尺寸影响地将同一外筒构件22作为共用部件来使用，因此会取得例如阀座2的制造成本降低以及构成部件的在库管理变得容易等效果。

另外，在上述说明中，对本发明的流量控制阀1具有弹性部件4和驱动部件的情况进行了说明，该弹性部件4对阀芯3向远离封闭面21e的方向赋予弹性力，该驱动部件抵抗弹性部件4的弹性力地向将阀芯3朝封闭面21e推回的方向驱动该阀芯3。即，上述流量控制阀1是常开型流量控制阀。但是，本发明也能够应用于常闭型流量控制阀。即，本发明的流量控制阀也可以是如下这样的流量控制阀，即：该流量控制阀具有：弹性部件，其将靠近封闭面去的方向的弹性力赋予阀芯；以及驱动部件，其抵抗弹性部件的弹性力地向将阀芯从封闭面拉离的方向(即，与弹性部件的弹性力相反的方向)驱动该阀芯。

另外，在上述说明中，对阀座2进行了说明，该阀座2包括：外筒构件22，其为大致圆筒形；以及内筒构件21，其为大致圆筒形，与外筒构件22呈同心圆状(同轴状)地配置在外筒构件22的内周侧。但是，只要对流量控制阀的动作和功能等没有特别的障碍，则外筒构件和内筒构件并非一定要呈同心圆状(同轴状)配置，外筒构件和内筒构件的中心(轴线)的位置可以不一致。另外，外筒构件和内筒构件并非一定要具有大致圆筒形的形状，例如，也可以是，分别具有大致椭圆筒形或大致多棱筒形等形状。此外，外筒构件和内筒构件并非一定要具有相同(相似)的形状，也可以是，分别为具有不同截面形状的大致筒状的形状。

此外，在上述说明中，对如下构成进行了说明，即：在流量控制阀1打开时，流体从初级侧流路10进入流入通路21d，经由阀座2与阀芯3之间的间隙流入内筒构件21与外筒构件22之间的空间，经由由孔22h和槽22i形成的流出通路向次级侧流路11流出。但是，流体流动的方向也可以与上述相反。即，还能够采用如下这样的构成，即：在流量控制阀1打开时，流体从次级侧流路11经由槽22i和孔22h流入内筒构件21与外筒构件22之间的空间，经由阀座2与阀芯3之间的间隙进入流入通路21d，从初级侧流路10流出。

附图标记说明

1、流量控制阀；2、阀座；20、阀座(一体型)；20a、内筒部；20b、外筒部；20c、封闭面(阀座面)；21、内筒构件；21d、流入通路；21e、封闭面；21f、凸缘部；21g、棱部；22、外筒构件；22h、孔(流出通路)；22i、槽(流出通路)；22j、上端部(膜片抵接面)；3、阀芯；4、弹性部件；5、膜片；6、阀杆(stem)；7、膜片按压件；8、膜片密封件；9、金属密封件；10、初级侧流路；11、次级侧流路。