JP6738617B2 - サーマルアクチュエータ、サーマルバルブ、およびマスフローコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置等に使用されるサーマルアクチュエータ、サーマルバルブ、およびマスフローコントローラに関する。

従来より、ヒータ線に電流を流して発熱させ、ヒータ線が巻かれた金属素子を変形させて機器を制御する構成が提案されている。例えば、特許文献１には、円柱状のバイメタルの外周に絶縁テープを巻き、絶縁テープに対し螺旋状にヒータ線を巻き付けて、ヒータ線に電流を流すことにより、バイメタルを湾曲させる構成が開示されている。

特開２００６−７３４０５号公報

ところで、特許文献１に開示された構成を、ステムをヒータ線により加熱して熱膨張させて弁体を駆動させることにより流体通路の開閉を行うサーマルバルブのサーマルアクチュエータに適用した場合、ステムの外周の全体に絶縁被膜が形成されることとなる。このため、ヒータ線によりステムを加熱しても、ステムが熱膨張し難く、弁体が駆動するまでに時間を要してしまい、サーマルバルブの応答性が悪くなってしまう。また、所望のストロークを得るのも困難となる。

そこで本発明は、応答性がよく、所望のストロークを得ることが可能なサーマルアクチュエータ、サーマルバルブ、およびマスフローコントローラを提供することを目的とする。

上記目的を解決するために、本発明の一態様であるサーマルアクチュエータは、弁体を駆動するためのサーマルアクチュエータであって、一端に前記弁体が取り付けられるステムと、絶縁材料により構成され前記ステムの外周面に螺旋状に形成された絶縁部と、前記絶縁部のみに当接して、螺旋状の前記絶縁部に沿って、前記ステムに巻き付けられたヒータ線と、前記ヒータ線に接続されたリード線とを備える。

また、本発明の一態様であるサーマルバルブは、弁室および前記弁室に連通する流体通路が形成された流路形成部と、アクチュエータ支持部と、を有するバルブボディと、前記弁室内に配置され、前記流体通路を開閉可能な弁体と、一端に前記弁体が取り付けられるステムと、絶縁材料により構成され前記ステムの外周面に螺旋状に形成された絶縁部と、前記絶縁部のみに当接して螺旋状の前記絶縁部に沿って前記ステムに巻き付けられたヒータ線と、前記ヒータ線に接続されたリード線と、前記ステムの他端側に設けられ前記アクチュエータ支持部に固定される固定部と、を有するサーマルアクチュエータと、を備える。

また、本発明の一態様であるマスフローコントローラは、流体の流量を計測する流量センサと、前記流量センサの下流側に設けられた上記のサーマルバルブと、前記流量センサの計測結果に基づき前記サーマルバルブを制御する制御部と、を備える。

本発明によれば、応答性がよく、所望のストロークを得ることが可能なサーマルアクチュエータ、サーマルバルブ、およびマスフローコントローラを提供することができる。

本実施形態に係るサーマルバルブが開状態にあるマスフローコントローラの全体構成図を示す。 サーマルアクチュエータの全体構成図を示す。 サーマルバルブが閉状態にあるマスフローコントローラの全体構成図を示す。 サーマルアクチュエータの製造工程の説明図を示す。

本発明の実施形態に係るサーマルアクチュエータ２０、サーマルバルブ１０、およびマスフローコントローラ１について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るサーマルバルブ１０が開状態にあるマスフローコントローラ１の全体構成図を示している。

図１に示すように、マスフローコントローラ１は、ボディ２と、流量センサ３と、制御部４と、サーマルバルブ１０とを主に備える。

ボディ２は、ステンレス鋼材等により構成されている。ボディ２には、流入路２ａと、バイパス流路２ｂと、センサ流入路２ｃと、センサ流出路２ｄと、合流路２ｅと、弁室２ｆと、流出路２ｇとが形成されている。ボディ２の合流路２ｅと弁室２ｆとが連通する箇所の周縁は、弁座２Ｈを構成する。

バイパス流路２ｂへは、流入路２ａを通過した流体が流入する。センサ流入路２ｃは、バイパス流路２ｂから分岐し流量センサ３へ流体を流す。センサ流出路２ｄは、流量センサ３を通過した流体を流出させる。合流路２ｅでは、バイパス流路２ｂを通過した流体とセンサ流出路２ｄを通過した流体とが合流する。

また、バイパス流路２ｂおよびセンサ流入路２ｃは、所定の流量比（例えば、１：２〜１：１０００）で流体が流れるように構成されている。バイパス流路２ｂ内には、複数の抵抗素子２Ｉが配置されている。

流量センサ３は、サーマル式流量センサであり、図示せぬ細管および発熱コイル等を有して、流体の流量を計測し、計測結果を制御部４へ出力する。

制御部４は、流量センサ３による流体の流量の計測結果等に基づき、サーマルバルブ１０の開閉を制御する。

サーマルバルブ１０は、ノーマルオープンバルブであり、ボディ２（流路形成部）と、アクチュエータ支持部１１と、弁体１２と、サーマルアクチュエータ２０とから構成される。ボディ２の弁室２ｆ、合流路２ｅおよび流出路２ｇを形成する部分とアクチュエータ支持部１１とにより、バルブボディが構成される。ボディ２の弁室２ｆ、合流路２ｅおよび流出路２ｇを形成する部分は、流路形成部に相当する。

アクチュエータ支持部１１は、筒状をなし、ボディ２に固定され、その上端部の内周に雌ねじが形成されている。

弁体１２は、弁室２ｆ内に位置し、環状溝１２ａが形成された略円柱状の基部１２Ｂと、基部１２Ｂの下面１２ｃから下方へ突出しテーパ状（円錐状）をなす突起部１２Ｄとを有する。基部１２Ｂの環状溝１２ａには、Ｏリング１３が装着されている。

図２は、サーマルアクチュエータ２０の全体構成図を示している。

サーマルアクチュエータ２０は、ステム２１と、絶縁被膜２２、固定部２３と、ヒータ線２４と、第１、第２リード線２５、２６と、第１、第２接着部２７、２８とを備える。

ステム２１は、例えばステンレス鋼により構成され、丸棒状をなし、基部１２Ｂから上方へ延びるように、基部１２Ｂに取り付けられている。ステム２１の外周面２１ａには、樹脂材料等により構成される絶縁被膜２２（図４（Ｃ）を参照。）が、ステム２１の上下にわたって螺旋状にコーティングされている。絶縁被膜２２は絶縁部に相当する。

固定部２３は、略円柱状をなし、外周に雄ねじ２３Ａが形成され、当該雄ねじ２３Ａがアクチュエータ支持部１１の雌ねじに螺合することによりアクチュエータ支持部１１に固定されている。固定部２３には、ステム２１の上端が取り付けられている。また、固定部２３には、上下方向に延びる二本の貫通孔２３ｂが形成されている。

ヒータ線２４は、絶縁被膜２２のみに当接して、螺旋状の絶縁被膜２２に沿って、ステム２１に対し巻き付けられている。すなわち、絶縁被膜２２は、ステム２１とヒータ線２４との間に介在して、ヒータ線２４からステム２１への電流の導通を防止している。

第１リード線２５は、固定部２３の一方の貫通孔２３ｂに貫通され、その下端はステム２１に巻き付けられたヒータ線２４の上端付近に位置している。ヒータ線２４の上端は、第１リード線２５に対し溶接されている。

第２リード線２６は、固定部２３の他方の貫通孔２３ｂに貫通され、その下端はステム２１に巻き付けられたヒータ線２４の下端付近に位置している。ヒータ線２４の下端は、第２リード線２６に対し溶接されている。

第１接着部２７は、例えば樹脂系接着剤により構成され、第１リード線２５およびヒータ線２４の溶接部分と、ステム２１の当該溶接部分近傍とを覆っている。

第２接着部２８は、例えば樹脂系接着剤により構成され、第２リード線２６およびヒータ線２４の溶接部分と、ステム２１の当該溶接部分近傍とを覆っている。

このように構成されたサーマルアクチュエータ２０において、制御部４の制御信号に基づき、第１、第２リード線２５、２６を介してヒータ線２４に電流を流すことにより、ヒータ線２４が発熱する。ヒータ線２４の熱は、絶縁被膜２２を介して、ステム２１に伝わり、ステム２１が熱膨張して伸びる。この結果、図３に示すように、弁体１２の突起部１２Ｄが、ボディ２の弁座２Ｈに当接して、ボディ２の流体通路が閉状態となる。

次に、サーマルアクチュエータ２０の製造方法について、図３を参照して説明する。

図４は、サーマルアクチュエータ２０の製造工程の説明図を示している。

図４（ａ）に示すように、弁体１２に対し、ステム２１を溶接等により固定する。図４（ｂ）に示すように、ステム２１に対し、その外周面２１ａに螺旋状の露出領域２１ｂが形成されるように、マスキングテープ２９等によりマスキングを行う。ステム２１の外周面２１ａの螺旋状の露出領域２１ｂに、樹脂材料等の絶縁材料を塗布・硬化させて、マスキングテープ２９を剥離し、図４（ｃ）に示すように、螺旋状の絶縁被膜２２を形成する。

図４（ｄ）に示すように、ヒータ線２４を、絶縁被膜２２のみに当接させ、絶縁被膜２２に沿ってステム２１に対し巻き付ける。弁体１２にＯリング１３を装着する。図４（ｅ）に示すように、第１、第２リード線２５、２６が取り付けられた固定部２３を、ステム２１の上端に対し溶接等により固定する。ヒータ線２４の上端と第１リード線２５の下端とを溶接し、ヒータ線２４の下端と第２リード線２６の下端とを溶接する。

図４（ｆ）に示すように、第１リード線２５およびヒータ線２４の溶接部分と、ステム２１の当該溶接部分近傍とを覆うように、樹脂系接着剤を塗布・硬化させて、第１接着部２７を形成する。第２リード線２６およびヒータ線２４の溶接部分と、ステム２１の当該溶接部分近傍とを覆うように、樹脂系接着剤を塗布・硬化させて、第２接着部２８を形成する。

このように、サーマルアクチュエータ２０が製造される。

以上のように、本実施形態のサーマルバルブ１０のサーマルアクチュエータ２０では、ステム２１の外周面２１ａに螺旋状に絶縁被膜２２が形成され、ヒータ線２４が絶縁被膜２２のみに当接して螺旋状の絶縁被膜２２に沿って、ステム２１に巻き付る。

かかる構成により、ステム２１の外周面２１ａの全体ではなく、ステム２１に対し必要な箇所にのみ絶縁被膜２２を形成しているので、サーマルアクチュエータ２０の応答性を向上させることができ、所望のストロークを得ることが可能となる。また、マスフローコントローラ１はサーマルバルブ１０を有しているので、安価で、微小流量、高磁場対応のマスフローコントローラ１を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、サーマルバルブ１０は、ノーマルオープンであったが、ノーマルクローズであってもよい。絶縁被膜２２に代えて、絶縁テープをステム２１に巻くようにしてもよい。弁座２Ｈは、ボディ２とは材質等の異なる別体で形成しても良い。また、アクチュエータ支持部１１は、筒状に限らず、中空の立方体（図示せず）でも良い。

１：マスフローコントローラ
２：ボディ
２ｅ：合流路
２ｆ：弁室
２ｇ：流出路
３：流量センサ
１０：サーマルバルブ
１１：アクチュエータ支持部
１２：弁体
２０：サーマルアクチュエータ
２１：ステム
２１ａ：外周面
２２：絶縁被膜
２４：ヒータ線
２５：第１リード線
２６：第２リード線

Claims (3)

1. 弁体を駆動するためのサーマルアクチュエータであって、
   一端に前記弁体が取り付けられるステムと、
   絶縁材料により構成され、前記ステムの外周面に螺旋状の露出領域が形成されるように螺旋状に形成された絶縁部と、
   前記絶縁部のみに当接して、螺旋状の前記絶縁部に沿って、前記ステムに巻き付けられたヒータ線と、
   前記ヒータ線に接続されたリード線と、を備える、サーマルアクチュエータ。
2. 弁室および前記弁室に連通する流体通路が形成された流路形成部と、アクチュエータ支持部と、を有するバルブボディと、
   前記弁室内に配置され、前記流体通路を開閉可能な弁体と、
   一端に前記弁体が取り付けられるステムと、絶縁材料により構成され前記ステムの外周面に螺旋状の露出領域が形成されるように螺旋状に形成された絶縁部と、前記絶縁部のみに当接して螺旋状の前記絶縁部に沿って前記ステムに巻き付けられたヒータ線と、前記ヒータ線に接続されたリード線と、前記ステムの他端側に設けられ前記アクチュエータ支持部に固定される固定部と、を有するサーマルアクチュエータと、を備える、サーマルバルブ。
3. 流体の流量を計測する流量センサと、
   前記流量センサの下流側に設けられた請求項２に記載のサーマルバルブと、
   前記流量センサの計測結果に基づき前記サーマルバルブを制御する制御部と、を備える、マスフローコントローラ。

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