圧電素子駆動式制御弁
【課題】 圧電アクチュエータ１６が縮む時に圧電素子に掛かる引っ張り力を緩和し、高温環境下に於いても安定した流量制御を行えるようにする。
【解決手段】 弁座８ｄを有するボディ８と、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、ボディ８側に昇降自在に支持されたアクチュエータボックス１３と、ボディ８側に固定された割りベース１１と、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢して金属ダイヤフラム９を弁座８ｄへ当座させる皿バネ１５と、アクチュエータボックス１３内に収容され、電圧の印加により上方へ伸長してアクチュエータボックス１３を皿バネ１５の弾性力に抗して押し上げる圧電アクチュエータ１６とから成る圧電素子駆動式制御弁１に於いて、割りベース１１と圧電アクチュエータ１６との間に、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０を介設する。
【解決手段】 弁座８ｄを有するボディ８と、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、ボディ８側に昇降自在に支持されたアクチュエータボックス１３と、ボディ８側に固定された割りベース１１と、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢して金属ダイヤフラム９を弁座８ｄへ当座させる皿バネ１５と、アクチュエータボックス１３内に収容され、電圧の印加により上方へ伸長してアクチュエータボックス１３を皿バネ１５の弾性力に抗して押し上げる圧電アクチュエータ１６とから成る圧電素子駆動式制御弁１に於いて、割りベース１１と圧電アクチュエータ１６との間に、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０を介設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体製造設備等のガス制御ラインに介設される圧力式流量制御装置の制御弁やマスフローコントローラの流量制御部の制御弁として用いられる圧電素子駆動式制御弁の改良に係り、特に圧電アクチュエータが縮む時に圧電素子に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子の破壊を防止すると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにした圧電素子駆動式制御弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造設備や化学品製造設備等に於いては、マスフローコントローラに替えて圧力式流量制御装置が広く利用されている。この圧力式流量制御装置には、耐食性が高いこと、発塵が少ないこと、ガスの置換性が良いこと、開閉速度が速いこと等の点から所謂金属ダイヤフラム型制御弁が多く使用されている。又、圧力式流量制御装置の駆動装置としては、推力が大きくて応答性やコントロール特性に優れている圧電素子駆動式の駆動装置（圧電アクチュエータ）が多く使用されている。
【０００３】
従来、駆動装置に圧電アクチュエータ（ピエゾポジショナ）を用いた金属ダイヤフラム型制御弁としては、例えば特開２００３−１２０８３２号公報（特許文献１）等に開示された構造のものが知られている。
【０００４】
即ち、前記制御弁３０は、図１１に示す如く、弁室３１ａ及び弁座３１ｂ等を形成したボディ３１と、弁室３１ａ内に配設され、弁座３１ｂに当離座する金属ダイヤフラム３２と、金属ダイヤフラム３２の外周縁部をボディ３１側へ気密状に押圧する押えアダプター３３と、押えアダプター３３をボディ３１側へ押圧する半割り構造の割りベース３４と、押えアダプター３３及び割りベース３４をボディ３１側へ固定するベース押え３５と、ベース押え３５に昇降自在に支持されたアクチュエータボックス３６と、アクチュエータボックス３６の下端に挿着され、金属ダイヤフラム３２に当接するダイヤフラム押え３７と、割りベース３４とアクチュエータボックス３６との間に介設され、アクチュエータボックス３６を下方へ押圧附勢する皿バネ３８と、アクチュエータボックス３６内に収容され、下端側がボール受け３９を介して割りベース３４に支持された圧電アクチュエータ４０（ピエゾポジショナ）と、アクチュエータボックス３６の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ４０の上端側をベアリング受け４１及びベアリング４２を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット４３等から成り、電圧の印加によって圧電アクチュエータ４０が伸長すると、アクチュエータボックス３６がベース押え３５に支持された状態で皿バネ３８の弾性力に抗して上昇し、これに伴って金属ダイヤフラム３２がその弾性力により弁座３１ｂから離座して開弁状態となり、又、圧電アクチュエータ４０への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ４０が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、アクチュエータボックス３６が皿バネ３８の弾性力により押し下げられ、これに伴って金属ダイヤフラム３２がダイヤフラム押え３７により下方へ押圧されて弁座３１ｂへ当座して閉弁状態となるノーマルクローズ型の圧電素子駆動式制御弁に構成されている。
【０００５】
この圧電素子駆動式制御弁３０は、各部材の軸心の一致を自動的に図ることができ、組み付け精度が大幅に向上して組み付け精度のバラツキやヒステリシス現象が減少する等の利点を有する。
【０００６】
ところで、前記圧電素子駆動式制御弁３０に用いる圧電アクチュエータ４０（ピエゾポジショナ）には、図１２に示す如く、金属製のケーシング４０ａ内に積層型の圧電素子４０ｂを密封状に収容した積層型の圧電アクチュエータ４０が使用されている。この積層型の圧電アクチュエータ４０は、圧電素子４０ｂの伸縮に伴ってケーシング４０ａの先端部に設けた半球状の変位部４０ｃが圧電アクチュエータ４０の軸心に沿って往復移動するようになっている。
【０００７】
ところが、前記積層型の圧電アクチュエータ４０は、伸縮を行う際に変位部４０ｃよりも圧電素子４０ｂの伸縮スピードが速いため、縮む際に圧電素子４０ｂ間に引っ張り力が掛かって圧電素子４０ｂ自体が破壊されてしまい、製品寿命を短くしてしまうという問題がある。そのため、積層型の圧電アクチュエータ４０を実際に動作させるためには、引っ張り力に弱い圧電素子４０ｂに圧縮方向の予圧荷重を与えておき、圧電素子４０ｂ間に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子４０ｂの破壊を防止する構造にする必要がある。
【０００８】
図１１に示す従来の圧電素子駆動式制御弁３０に於いては、アクチュエータボックス３６を皿バネ３８の弾性力により下方へ押圧附勢しているため、圧電アクチュエータ４０には皿バネ３８の弾性力により予圧が掛けられた状態になっている。
しかし、この圧電素子駆動式制御弁３０に使用されている皿バネ３８は、アクチュエータボックス３６を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え３７により金属ダイヤフラム３２を弁座３１ｂへ当座させるためのものであるため、あまり強い弾性力を有する皿バネ３８を使用した場合には、金属ダイヤフラム３２や弁座３１ｂが損傷してしまうことになる。そのため、圧電素子駆動式制御弁３０の皿バネ３８には、あまり強い弾性力を有する皿バネ３８を使用することができない。その結果、圧電アクチュエータ４０にも、あまり大きな予圧荷重を掛けることができず、圧電素子４０ｂに大きな引っ張り応力が作用したときに圧電素子４０ｂが破壊されてしまうと云う問題があった。
【０００９】
又、従来の圧電素子駆動式制御弁３０に於いては、当該制御弁３０を温度が１００℃以上のような高温環境下に於いて使用する場合には、圧電アクチュエータ４０を収容するアクチュエータボックス３６の熱膨張によって、圧電アクチュエータ４０の上端部とアクチュエータボックス３６の上端部に螺着した調整用袋ナット４３との間に隙間が発生し、圧電アクチュエータ４０の伸長時にその発生力がアクチュエータボックス３６へ確実且つ良好に伝わらず、高精度な流量制御が困難になると云う問題があった。特に、圧電アクチュエータ４０の変位量が極僅かであるため、制御弁３０を構成する各部材（アクチュエータボックス３６等）の僅かの熱膨張でも、その流量制御特性に大きな影響を与えることになる。
この問題（アクチュエータボックス３６の熱膨張による隙間の発生）を解決するためには、制御弁３０自体を予め圧電アクチュエータ４０に外部から２００Ｎ程度の圧縮力を加えられるような構造の制御弁とすることが好ましいが、このような制御弁は未だ開発されていないのが現状である。
【特許文献１】特開２００３−１２０８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電アクチュエータが縮む時に圧電素子に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子の破壊を防止すると共に、高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにした圧電素子駆動式制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、上方が開放された弁室の底面に弁座を形成したボディと、弁室内に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座から離座する金属ダイヤフラムと、ボディ側に昇降自在に支持され、下端に金属ダイヤフラムの上面に当接するダイヤフラム押えを設けた有底筒状のアクチュエータボックスと、ボディ側に固定され、アクチュエータボックスの下端部周壁に形成した縦長のガイド穴に挿入されてアクチュエータボックスの底壁上面に対向する上壁を有する割りベースと、アクチュエータボックスの底壁と割りベースの上壁との間に介設され、アクチュエータボックスを下方へ押圧附勢してダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムを弁座へ当座させる皿バネと、アクチュエータボックス内に収容され、上端がアクチュエータボックスの上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端が割りベースの上壁側に支持された圧電アクチュエータとから成り、圧電アクチュエータの圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータが上方へ伸長してアクチュエータボックスを皿バネの弾性力に抗して上方へ押し上げ、金属ダイヤフラムがその弾性力により弁座から離座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記割りベースの上壁と圧電アクチュエータの下端との間に、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を介設したことに特徴がある。
【００１２】
本発明の請求項２の発明は、上方が開放された弁室の底面に弁座を形成したボディと、弁室内に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座から離座する金属ダイヤフラムと、弁室の上方に配設され、下端部がボディ側に固定された筒状のアクチュエータボックスと、アクチュエータボックスの下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラムの上面に当接するダイヤフラム押えを設けたステムと、アクチュエータボックス内に収容され、上端がアクチュエータボックスの上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端がステム側に支持される圧電アクチュエータと、ステムの上端と圧電アクチュエータの下端との間に介設され、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに圧電アクチュエータの伸長を吸収して弁座及び金属ダイヤフラムの弁座に接触する部分から成るシート部へ所定の押圧力を印加する緩衝用皿バネとから成り、圧電アクチュエータの圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータが下方へ伸長して緩衝用皿バネを介してステム及びダイヤフラム押えを押し下げ、これにより金属ダイヤフラムが弁座へ当座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記圧電アクチュエータの下端と緩衝用皿バネとの間に、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を介設したことに特徴がある。
【００１３】
本発明の請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が割りベースの上壁に当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔部とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が割りベースの上壁に当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成ることに特徴がある。
【００１４】
本発明の請求項４の発明は、請求項２の発明に於いて、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネに当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が緩衝用皿バネに当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成ることに特徴がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を備えているため、圧電アクチュエータが縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、引っ張り力による圧電アクチュエータの圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータの延命化を図れると共に、圧電アクチュエータの信頼性を確保することができる。
又、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を備えているため、例えば、当該制御弁を高温環境下に於いて使用する場合に、圧電アクチュエータを収容するアクチュエータボックスが熱膨張により伸びても、予圧機構を介して圧電アクチュエータの圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子の伸長時にその発生力をアクチュエータボックスへ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
更に、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が割りベースの上壁又は緩衝用皿バネに当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔部とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が割りベースの上壁又は緩衝用皿バネに当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成るため、予圧用の皿バネの枚数を変えることにより圧電アクチュエータの圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができる。然も、予圧機構の組み立て時には、割りベースの上壁又は緩衝用皿バネと圧電アクチュエータの下端面との間に予圧パーツ及び予圧用の皿バネを入れるだけで良く、組み立ても比較的簡単且つ容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁１を圧力式流量制御装置用の制御弁として用いたものであり、前記圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式制御弁１と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に設けた流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側に設けられてオリフィス４の上流側圧力を検出する圧力センサー５と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式制御弁１を制御する制御回路７等から構成されており、オリフィス４の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式制御弁１の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。
【００１７】
前記圧電素子駆動式制御弁１は、図２に示す如く、弁室８ａ′及び弁座８ｄ等を形成したボディ８と、弁室８ａ′内に配設され、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧する押えアダプター１０と、押えアダプター１０をボディ８側へ押圧する割りベース１１と、押えアダプター１０及び割りベース１１をボディ８側へ固定するベース押え１２と、ベース押え１２に昇降自在に支持された有底筒状のアクチュエータボックス１３と、アクチュエータボックス１３の下端に挿着され、金属ダイヤフラム９に当接するダイヤフラム押え１４と、割りベース１１とアクチュエータボックス１３との間に介設され、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢する皿バネ１５と、アクチュエータボックス１３内に収容され、下端側が予圧機構２０の予圧パーツ２１を介して割りベース１１に支持された圧電アクチュエータ１６（ピエゾポジショナ）と、アクチュエータボックス１３の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ１６の上端側をベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット１９と、割りベース１１の上壁１１ｂと圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設され、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０等から成り、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止できると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにしたものである。この例では、圧電素子駆動式制御弁１は、ノーマルクローズ型の制御弁に構成されている。
【００１８】
具体的には、ボディ８は、図１及び図２に示す如く、ステンレス材によりブロック状に形成されており、上方が開放された弁室８ａ′を形成する凹部８ａと、凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂと、弁室８ａ′に連通する入口通路８ｃと、弁室８ａ′の底面に形成した環状の弁座８ｄと、弁室８ａ′に連通する出口通路８ｅと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴８ｆと、ガスケットフィルター６が挿着されるフィルター挿着孔８ｇと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔８ｈ等を備えている。
このボディ８の上流側には、ボディ８の入口通路８ｃに連通する導入通路２ａと、導入通路２ａの出口側に形成されたフィルター挿着孔２ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート２ｃとを夫々備えたステンレス材製の入口側ブロック２が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。又、ボディ８の下流側には、ボディ８の出口通路８ｅに連通する排出通路３ａと、排出通路３ａの入口側に形成されたオリフィス挿着孔３ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート３ｃとを夫々備えたステンレ材製の出口側ブロック３が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。
【００１９】
金属ダイヤフラム９は、図１及び図２に示す如く、コバルト、ニッケルを基ベースにタングステン、モリブデン、チタン、クローム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（例えば、スプロン１００）製の極薄板材により中央部が上方へ膨出した逆皿形に形成されている。
この金属ダイヤフラム９は、弁座８ｄと対向するように凹部８ａ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定されており、下方への押圧により弁座８ｄへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座８ｄから離座するようになっている。
尚、金属ダイヤフラム９の材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、又、複数枚の金属ダイヤフラム９を積層した金属ダイヤフラム９であっても良い。
【００２０】
押えアダプター１０は、図１及び図２に示す如く、ステンレス材により環状に形成されており、ボディ８の凹部８ａ内に挿入されて金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧固定するものである。
【００２１】
割りベース１１は、図１、図２、図４及び図５に示す如く、半割り状の一対の割りベース片１１′から成り、各割りベース片１１′をアクチュエータボックス１３の下端部に両側から対向状に組み付け、この状態で各割りベース片１１′とアクチュエータボックス１３の下端部とをボディ８の凹部８ａ内に挿入し、当該凹部８ａ内にベース押え１２の下端部を捩じ込むことによって、アクチュエータボックス１３に保持固定されている。
割りベース１１を構成する各割りベース片１１′は、短い円筒部１１ａの上端にアクチュエータボックス１３の下端部周壁に形成したガイド穴１３ｃに挿入されてアクチュエータボックス１３の底壁１３ａ上面に対向する上壁１１ｂを、又、円筒部１１ａの下端にボディ８の凹部８ａ内に挿入される鍔部１１ｃを夫々形成したものを中央部で二つ割することにより形成されている。
そして、割りベース１１の上壁１１ｂとアクチュエータボックス１３の底壁１３ａとの間には、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え１４を介して金属ダイヤフラム９の中央部分を弁座８ｄへ当座させる複数枚の皿バネ１５が介設されている。
【００２２】
ベース押え１２は、図１及び図２示す如く、ステンレス材により筒状に形成されており、下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂに螺合する雄ネジ１２ａが形成されていると共に、内周面には、複数本のＯリング２３が一定間隔毎に嵌着されている。
このベース押え１２は、ボディ８の凹部８ａ内に起立姿勢で螺着固定されており、アクチュエータボックス１３をボディ８側へ昇降自在に支持すると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部、押えアダプター１０及び割りベース１１の鍔部１１ｃをボディ８側へ押圧固定するためのものである。
【００２３】
アクチュエータボックス１３は、図２、図６及び図７に示す如く、熱膨張率の小さなインバー材により有底筒状に形成されており、その下半部側がベース押え１２にＯリング２３を介して昇降自在に支持されている。
このアクチュエータボックス１３は、その内部空間に皿バネ１５、圧電アクチュエータ１６及び予圧機構２０を収容すると共に、金属ダイヤフラム９の中央部を下方へ押し下げる作用をするものであり、当該アクチュエータボックス１３の底壁１３ａ下面には、金属ダイヤフラム９の上面側中央部に当接する合成樹脂製のダイヤフラム押え１４が挿着される下向きの挿着穴１３ｂが形成されている。
又、アクチュエータボックス１３の下端部周壁には、割りベース１１の上壁１１ｂが挿入される縦長のガイド穴１３ｃが対向状に形成されていると共に、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の割りベース１１の上壁１１ｂよりも高い位置には、予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２を支持載置するための段部１３ｄが形成されている。
更に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面には、調整用袋ナット１９及びロックナット２４が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１３ｅが形成されている。
【００２４】
圧電アクチュエータ１６（ピエゾアクチュエータ）は、金属製のケーシング内に積層型の圧電素子を密封状に収容して成り、圧電素子の伸縮に伴ってケーシングの先端部に設けた半球状の変位部１６ａが圧電アクチュエータ１６の軸心に沿って往復移動する積層型の圧電アクチュエータ１６に構成されている。
この圧電アクチュエータ１６は、図１及び図２に示す如く、その半球状の変位部１６ａが下を向く状態でアクチュエータボックス１３内に収容されており、その下端が割りベース１１の上壁１１ｂに予圧機構２０の予圧パーツ２１を介して支持されていると共に、その上端がアクチュエータボックス１３の上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット１９にベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持されている
従って、この圧電アクチュエータ１６は、電圧の印加により上方へ伸長してアクチュエータボックス１３を皿バネ１５の弾性力に抗して上方へ押し上げるようになっている。
【００２５】
予圧機構２０は、割りベース１１の上壁１１ｂと圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸縮に拘わらず圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加え、圧電素子が縮む際に圧電素子間に掛かる引っ張り力を緩和すると共に、アクチュエータボックス１３が熱膨張により伸びても、圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができるように構成されている。
【００２６】
即ち、予圧機構２０は、図１及び図２に示す如く、アクチュエータボックス１３内の圧電アクチュエータ１６の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ１６の下端面に設けた変位部１６ａに当接すると共に、下端面が割りベース１１の上壁１１ｂに当接可能な鍔２１ａ付の軸状の予圧パーツ２１と、予圧パーツ２１の鍔２１ａとアクチュエータボックス１３の下端部内周面に形成した段部１３ｄとの間に介設され、予圧パーツ２１の下端面が割りベース１１の上壁１１ｂに当接したときに予圧パーツ２１を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ１６の圧電素子を常時加圧する複数枚の予圧用の皿バネ２２とから成り、予圧用の皿バネ２２の枚数を変えることによって、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができるように構成されている。
又、予圧パーツ２１は、ステンレス材により形成されており、その上端面中心部には、圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ａが支持載置される円錐状の受け溝２１ｂが形成されている。
【００２７】
上述した圧電素子駆動式制御弁１の組み立てに際しては、先ず、ボディ８の凹部８ａ内に金属ダイヤフラム９、押えアダプター１０、ダイヤフラム押え１４を挿着したアクチュエータボックス１３、皿バネ１５、割りベース１１の順に組み付け、ベース押え１２を介してアクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、ベース押え１２の下端部をボディ８の凹部８ａの内周面へ捩じ込む。これにより、押えアダプター１０及び割りベース１１がボディ８側へ保持固定されると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定される。又、アクチュエータボックス１３がベース押え１２にＯリング２３を介して昇降自在に支持される。
【００２８】
次に、アクチュエータボックス１３内に予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２、予圧機構２０の予圧パーツ２１、圧電アクチュエータ１６を順次収容する。このとき、予圧パーツ２１は、図３に示す如く、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の段部１３ｄに支持載置された予圧用の皿バネ２２に支持されており、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間には、所定の隙間が設けられている。
【００２９】
最後に、圧電アクチュエータ１６の上端部にベアリング受け１７及びベアリング１８を装着すると共に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面に調整用袋ナット１９及びロックナット２４を螺着し、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整して予圧パーツ２１の下端面を割りベース１１の上壁１１ｂの上面に当接させると共に、圧電アクチュエータ１６による金属ダイヤフラム９の作動ストロークを設定値に調整する。このとき、予圧用の皿バネ２２が撓み、圧電アクチュエータ１６には常時圧縮力が掛かることになる。
【００３０】
前記圧電素子駆動式制御弁１に於いては、バネ定数が２１５Ｎ／ｍｍ、最大撓み量が２．４ｍｍの予圧用の皿バネ２２を１２枚使用し、金属ダイヤフラム９のストローク調整前には、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間に１．４ｍｍの隙間を設けるようにしているため、金属ダイヤフラム９のストロークの調整後（予圧パーツ２１の下端面が割りベース１１の上壁１１ｂの上面に当接した後）には、予圧用の皿バネ２２が１．４ｍｍ撓み、圧電アクチュエータ１６には約３００Ｎ（２１５Ｎ／ｍｍ×１．４ｍｍ）の予圧が掛かることになる。
又、この圧電素子駆動式制御弁１は、組み立てる際に押えアダプター１０、割りベース１１、アクチュエータボックス１３、ベース押え１２、予圧機構２０の予圧パーツ２１及び予圧用の皿バネ２２、圧電アクチュエータ１６等は全て所定の位置に整然と自動的に固定されると共に、各部材の軸心は極めて高精度に一致されることになる。その結果、圧電素子駆動式制御弁１は、組み付け精度が大幅に向上して組み付け精度のバラツキやヒステリシス現象が減少するだけでなく、作動の安定性及び応答性の向上が可能となる。
【００３１】
而して、前記圧電素子駆動式制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクター２５を介して圧電アクチュエータ１６に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ１６は印加電圧に応じて設定値だけ上方へ伸長する。
これにより、大きな押し上げ力がベアリング受け１７、ベアリング１８及び調整用袋ナット１９を介してアクチュエータボックス１３に働き、当該アクチュエータボックス１３がベース押え１２にその軸心を保持された状態で皿バネ１５の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、金属ダイヤフラム９がその弾性力によって弁座８ｄから離座し、圧電素子駆動式制御弁１は開弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、例えば、圧電素子駆動式制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電アクチュエータ１６を収容するアクチュエータボックス１３等が熱膨張により伸びても、圧電アクチュエータ１６の上端部と調整用袋ナット１９との間に隙間が生じることがなく、予圧機構２０を介して圧電アクチュエータ１６に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の伸長時にその発生力をアクチュエータボックス１３へ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
【００３２】
一方、圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、皿バネ１５の弾性力によりアクチュエータボックス１３が押し下げられ、アクチュエータボックス１３の下端に設けたダイヤフラム押え１４により金属ダイヤフラム９の中央部分が弁座８ｄ側へ押し下げられて弁座８ｄへ当座し、圧電素子駆動式制御弁１は閉弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６が縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構２０の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータ１６の延命化を図れると共に、圧電アクチュエータ１６の信頼性を確保することができる。
【００３３】
図８は予圧機構２０を組み込んだ圧電素子駆動式制御弁１のアクチュエータボックス１３の変位量を確認するため、圧電素子駆動式制御弁１に最大変位量が９６μｍ以上（１５０Ｖ印加時）、ヒステリシスが１５％以内の圧電アクチュエータ１６を使用し、当該圧電アクチュエータ１６にピエゾドライバ（図示省略）により０〜１４０Ｖ（１０Ｖ毎）の電圧を印加し、アクチュエータボックス１３の変位量をデプスゲージ（図示省略）により測定したアクチュエータボックス１３の電圧と変位の関係をグラフ化したものである。
図８のグラフからも明らかなように、圧電アクチュエータ１６の特性は十分に確保できていることが確認された。
【００３４】
図９は本発明の第２の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁１を圧力式流量制御装置用の制御弁として用いたものであり、前記圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式制御弁１と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に設けた流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側に設けられてオリフィス４の上流側圧力を検出する圧力センサー５と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式制御弁１を制御する制御回路７等から構成されており、オリフィス４の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式制御弁１の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。
【００３５】
前記圧電素子駆動式制御弁１は、図１０に示す如く、弁室８ａ′及び弁座８ｄ等を形成したボディ８と、弁室８ａ′内に配設され、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧する押えアダプター１０と、下端部がボディ８側へ固定され、押えアダプター１０をボディ８側へ押圧する筒状のアクチュエータボックス１３と、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３の下端部をボディ８側へ固定してアクチュエータボックス１３を支持するベース押え１２と、アクチュエータボックス１３の下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラム９の上面に当接するダイヤフラム押え１４を設けたステム２６と、アクチュエータボックス１３内に収容された圧電アクチュエータ１６（ピエゾポジショナ）と、ステム２６と圧電アクチュエータ１６との間に介設され、金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座したときに圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収する緩衝用皿バネ２７と、アクチュエータボックス１３の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ１６の上端側をベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット１９と、圧電アクチュエータ１６の下端と緩衝用皿バネ２７との間に介設され、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０等から成り、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止できると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにしたものである。この例では、圧電素子駆動式制御弁１は、ノーマルオープン型の制御弁に構成されている。
【００３６】
具体的には、ボディ８は、図９及び図１０に示す如く、ステンレス材によりブロック状に形成されており、上方が開放された弁室８ａ′を形成する凹部８ａと、凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂと、弁室８ａ′に連通する入口通路８ｃと、弁室８ａ′の底面に形成した環状の弁座８ｄと、弁室８ａ′に連通する出口通路８ｅと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴８ｆと、ガスケットフィルター６が挿着されるフィルター挿着孔８ｇと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔８ｈ等を備えている。
このボディ８の上流側には、ボディ８の入口通路８ｃに連通する導入通路２ａと、導入通路２ａの出口側に形成されたフィルター挿着孔２ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート２ｃとを夫々備えたステンレス材製の入口側ブロック２が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。又、ボディ８の下流側には、ボディ８の出口通路８ｅに連通する排出通路３ａと、排出通路３ａの入口側に形成されたオリフィス挿着孔３ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート３ｃとを夫々備えたステンレ材製の出口側ブロック３が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。
【００３７】
金属ダイヤフラム９は、図９及び図１０に示す如く、コバルト、ニッケルを基ベースにタングステン、モリブデン、チタン、クローム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（例えば、スプロン１００）製の極薄板材により中央部が上方へ膨出した逆皿形に形成されている。
この金属ダイヤフラム９は、弁座８ｄと対向するように凹部８ａ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定されており、下方への押圧により弁座８ｄへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座８ｄから離座するようになっている。
尚、金属ダイヤフラム９の材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、又、複数枚の金属ダイヤフラム９を積層した金属ダイヤフラム９であっても良い。
【００３８】
押えアダプター１０は、図９及び図１０に示す如く、ステンレス材により環状に形成されており、ボディ８の凹部８ａ内に挿入されて金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧固定するものである。
【００３９】
アクチュエータボックス１３は、図９及び図１０に示す如く、熱膨張率の小さなインバー材により筒状に形成されており、アクチュエータボックス１３の下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａに挿入されてベース押え１２により下方へ押圧される外側段部１３ｆが形成されている。
このアクチュエータボックス１３は、その内部空間にステム２６、圧電アクチュエータ１６、緩衝用皿バネ２７及び予圧機構２１を収容するものであり、当該アクチュエータボックス１３の下端部内周面には、予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２を支持載置するための段部１３ｄが形成されている。
又、アクチュエータボックス１３の上端部外周面には、調整用袋ナット１９及びロックナット２４が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１３ｅが形成されている。
【００４０】
ベース押え１２は、図９及び図１０示す如く、ステンレス材により筒状に形成されており、下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂに螺合する雄ネジ１２ａが形成されていると共に、内周面には、複数本のＯリング２３が一定間隔毎に嵌着されている。
このベース押え１２は、ボディ８の凹部８ａ内に起立姿勢で螺着固定されており、アクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３の外側段部１３ｆをボディ８側へ押圧固定するためのものである。
【００４１】
ステム２６は、図９及び図１０示す如く、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により段付きの軸状に形成されており、アクチュエータボックス１３の下端部に昇降自在に挿入されている。
このステム２６の下端には、金属ダイヤフラム９の上面側中央部に当接する合成樹脂製のダイヤフラム押え１４が挿着されている。
【００４２】
圧電アクチュエータ１６（ピエゾアクチュエータ）は、金属製のケーシング内に積層型の圧電素子を密封状に収容して成り、圧電素子の伸縮に伴ってケーシングの先端部に設けた半球状の変位部１６ａが圧電アクチュエータ１６の軸心に沿って往復移動する積層型の圧電アクチュエータ１６に構成されている。
この圧電アクチュエータ１６は、図９及び図１０に示す如く、その半球状の変位部１６ａが下を向く状態でアクチュエータボックス１３内に収容されており、その上端がアクチュエータボックス１３の上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット１９にベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持されていると共に、その下端が予圧機構２０及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６側に支持された格好になっている。
又、この圧電アクチュエータ１６は、電圧の印加により下方へ伸長して予圧機構２０及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６を下方へ押し下げるようになっている。
【００４３】
緩衝用皿バネ２７は、ステム２６の上端と圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸長によりステム２６が押し下げられて金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座したときに圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収すると共に、圧電素子駆動式制御弁１のシート部（弁座８ｄ及び金属ダイヤフラム９の弁座８ｄに接触する部分から成る）へ所定の押圧力を印加するものである。この例では、緩衝用皿バネ２７は、ステム２６の上面に複数枚積層状に支持載置されている。
【００４４】
予圧機構２０は、圧電アクチュエータ１６の下端と緩衝用皿バネ２７との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸縮に拘わらず圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加え、圧電素子が縮む際に圧電素子間に掛かる引っ張り力を緩和すると共に、アクチュエータボックス１３が熱膨張により伸びても、圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができるように構成されている。
【００４５】
即ち、予圧機構２０は、図９及び図１０に示す如く、アクチュエータボックス１３内の圧電アクチュエータ１６の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ１６の下端面に設けた変位部１６ａに当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネ２７に当接可能な鍔２１ａ付の軸状の予圧パーツ２１と、予圧パーツ２１の鍔２１ａとアクチュエータボックス１３の下端部内周面に形成した段部１３ｄとの間に介設され、予圧パーツ２１の下端面が緩衝用皿バネ２７に当接したときに予圧パーツ２１を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ１６の圧電素子を常時加圧する複数枚の予圧用の皿バネ２２とから成り、予圧用の皿バネ２２の枚数を変えることによって、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができるように構成されている。
又、予圧パーツ２１は、ステンレス材により形成されており、その上端面中心部には、圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ａが支持載置される円錐状の受け溝２１ｂが形成されている。
【００４６】
上述した図９及び図１０に示す圧電素子駆動式制御弁１の組み立てに際しては、先ず、ボディ８の凹部８ａ内に金属ダイヤフラム９、押えアダプター１０、ステム２６及び緩衝用皿バネ２７を挿入したアクチュエータボックス１３の順に組み付け、ベース押え１２を介してアクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、ベース押え１２の下端部をボディ８の凹部８ａの内周面へ捩じ込む。これにより、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３がボディ８側へ保持固定されると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定される。
【００４７】
次に、アクチュエータボックス１３内に予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２、予圧機構２０の予圧パーツ２１、圧電アクチュエータ１６を順次収容する。このとき、予圧パーツ２１は、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の段部１３ｄに支持載置された予圧用の皿バネ２２に支持されており、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間には、所定の隙間が設けられている。
【００４８】
最後に、圧電アクチュエータ１６の上端部にベアリング受け１７及びベアリング１８を装着すると共に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面に調整用袋ナット１９及びロックナット２４を螺着し、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整して予圧パーツ２１の下端面を緩衝用皿バネ２７の上面に当接させると共に、圧電アクチュエータ１６による金属ダイヤフラム９の作動ストロークを設定値に調整する。このとき、予圧用の皿バネ２２が撓み、圧電アクチュエータ１６には常時圧縮力が掛かることになる。この例では、圧電アクチュエータ１６には、約３００Ｎの予圧が掛けられた状態になっている。
【００４９】
而して、図９及び図１０に示す圧電素子駆動式制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクター２５を介して圧電アクチュエータ１６に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ１６は印加電圧に応じて設定値だけ下方へ伸長する。
そうすると、予圧パーツ２１及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６が押し下げられると共に、ステム２６の下端に設けたダイヤフラム押え１４により金属ダイヤフラム９の中央部分が弁座８ｄ側へ押し下げられて弁座８ｄへ当座し、圧電素子駆動式制御弁１は閉弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、例えば、圧電素子駆動式制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電アクチュエータ１６を収容するアクチュエータボックス１３等が熱膨張により伸びても、圧電アクチュエータ１６の上端部と調整用袋ナット１９との間に隙間が生じることがなく、予圧機構２０を介して圧電アクチュエータ１６に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の伸長時にその発生力をアクチュエータボックス１３へ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
【００５０】
そして、金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座した後は、ステム２６と予圧パーツ２１との間に介設した緩衝用皿バネ２７が圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収し、シート部（弁座８ｄ及び金属ダイヤフラム９の弁座８ｄに接触する部分から成る）には緩衝用皿バネ２７の変位量に応じた反発力が印加される。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の大きな発生力が直にシート部に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム９及び弁座８ｄの損傷を防止することができる。
【００５１】
一方、圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、金属ダイヤフラム９に加わっていた押圧力が喪失し、これにより金属ダイヤフラム９がその弾性力により元の状態に復帰して弁座８ｄから離座し、圧電素子駆動式制御弁１は開弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６が縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構２０の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータ１６の延命化を図れると共に、圧電アクチュエータ１６の信頼性を確保することができる。
又、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６の重量が金属ダイヤフラム９に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム９に掛かる重量はダイヤフラム押え１４とステム２６と緩衝用皿バネ２７の重さとなる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、金属ダイヤフラム９に掛かる重量を制限することができ、金属ダイヤフラム９がその弾性力により弁座８ｄから離座するときに金属ダイヤフラム９に掛かる負担が小さくなって金属ダイヤフラム９の延命化を図れる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る圧電素子駆動式制御弁１は、主として半導体製造設備等のガス制御ラインに於いて利用されるが、その利用対象は上記半導体製造装置等に限定されるものではなく、化学産業や薬品産業、食品産業等の各種装置に於けるガス供給ラインに於いても利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁を用いた圧力式流量制御装置の縦断正面図である。
【図２】同じく圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図３】同じく圧電素子駆動式制御弁の要部を示し、圧電アクチュエータに予圧を掛ける前の縦断側面図である。
【図４】割りベースの平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】アクチュエータボックスの縦断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】予圧機構を組み込んだ圧電素子駆動式制御弁のアクチュエータボックスの電圧と変位との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁を用いた圧力式流量制御装置の縦断正面図である。
【図１０】図９に示す圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図１１】従来の圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図１２】圧電アクチュエータ（ピエゾポジショナ）の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１は圧電素子駆動式制御弁、８はボディ、８ａ′は弁室、８ｄは弁座、９は金属ダイヤフラム、１１は割りベース、１１ｂは割りベースの上壁、１３はアクチュエータボックス、１３ａはアクチュエータボックスの底壁、１３ｃはアクチュエータボックスのガイド穴、１３ｄはアクチュエータボックスの段部、１４はダイヤフラム押え、１５は皿バネ、１６は圧電アクチュエータ、１６ａは圧電アクチュエータの変位部、２０は予圧機構、２１は予圧パーツ、２１ａは予圧パーツの鍔、２２は予圧用の皿バネ、２６はステム、２７は緩衝用皿バネ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体製造設備等のガス制御ラインに介設される圧力式流量制御装置の制御弁やマスフローコントローラの流量制御部の制御弁として用いられる圧電素子駆動式制御弁の改良に係り、特に圧電アクチュエータが縮む時に圧電素子に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子の破壊を防止すると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにした圧電素子駆動式制御弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造設備や化学品製造設備等に於いては、マスフローコントローラに替えて圧力式流量制御装置が広く利用されている。この圧力式流量制御装置には、耐食性が高いこと、発塵が少ないこと、ガスの置換性が良いこと、開閉速度が速いこと等の点から所謂金属ダイヤフラム型制御弁が多く使用されている。又、圧力式流量制御装置の駆動装置としては、推力が大きくて応答性やコントロール特性に優れている圧電素子駆動式の駆動装置（圧電アクチュエータ）が多く使用されている。
【０００３】
従来、駆動装置に圧電アクチュエータ（ピエゾポジショナ）を用いた金属ダイヤフラム型制御弁としては、例えば特開２００３−１２０８３２号公報（特許文献１）等に開示された構造のものが知られている。
【０００４】
即ち、前記制御弁３０は、図１１に示す如く、弁室３１ａ及び弁座３１ｂ等を形成したボディ３１と、弁室３１ａ内に配設され、弁座３１ｂに当離座する金属ダイヤフラム３２と、金属ダイヤフラム３２の外周縁部をボディ３１側へ気密状に押圧する押えアダプター３３と、押えアダプター３３をボディ３１側へ押圧する半割り構造の割りベース３４と、押えアダプター３３及び割りベース３４をボディ３１側へ固定するベース押え３５と、ベース押え３５に昇降自在に支持されたアクチュエータボックス３６と、アクチュエータボックス３６の下端に挿着され、金属ダイヤフラム３２に当接するダイヤフラム押え３７と、割りベース３４とアクチュエータボックス３６との間に介設され、アクチュエータボックス３６を下方へ押圧附勢する皿バネ３８と、アクチュエータボックス３６内に収容され、下端側がボール受け３９を介して割りベース３４に支持された圧電アクチュエータ４０（ピエゾポジショナ）と、アクチュエータボックス３６の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ４０の上端側をベアリング受け４１及びベアリング４２を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット４３等から成り、電圧の印加によって圧電アクチュエータ４０が伸長すると、アクチュエータボックス３６がベース押え３５に支持された状態で皿バネ３８の弾性力に抗して上昇し、これに伴って金属ダイヤフラム３２がその弾性力により弁座３１ｂから離座して開弁状態となり、又、圧電アクチュエータ４０への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ４０が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、アクチュエータボックス３６が皿バネ３８の弾性力により押し下げられ、これに伴って金属ダイヤフラム３２がダイヤフラム押え３７により下方へ押圧されて弁座３１ｂへ当座して閉弁状態となるノーマルクローズ型の圧電素子駆動式制御弁に構成されている。
【０００５】
この圧電素子駆動式制御弁３０は、各部材の軸心の一致を自動的に図ることができ、組み付け精度が大幅に向上して組み付け精度のバラツキやヒステリシス現象が減少する等の利点を有する。
【０００６】
ところで、前記圧電素子駆動式制御弁３０に用いる圧電アクチュエータ４０（ピエゾポジショナ）には、図１２に示す如く、金属製のケーシング４０ａ内に積層型の圧電素子４０ｂを密封状に収容した積層型の圧電アクチュエータ４０が使用されている。この積層型の圧電アクチュエータ４０は、圧電素子４０ｂの伸縮に伴ってケーシング４０ａの先端部に設けた半球状の変位部４０ｃが圧電アクチュエータ４０の軸心に沿って往復移動するようになっている。
【０００７】
ところが、前記積層型の圧電アクチュエータ４０は、伸縮を行う際に変位部４０ｃよりも圧電素子４０ｂの伸縮スピードが速いため、縮む際に圧電素子４０ｂ間に引っ張り力が掛かって圧電素子４０ｂ自体が破壊されてしまい、製品寿命を短くしてしまうという問題がある。そのため、積層型の圧電アクチュエータ４０を実際に動作させるためには、引っ張り力に弱い圧電素子４０ｂに圧縮方向の予圧荷重を与えておき、圧電素子４０ｂ間に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子４０ｂの破壊を防止する構造にする必要がある。
【０００８】
図１１に示す従来の圧電素子駆動式制御弁３０に於いては、アクチュエータボックス３６を皿バネ３８の弾性力により下方へ押圧附勢しているため、圧電アクチュエータ４０には皿バネ３８の弾性力により予圧が掛けられた状態になっている。
しかし、この圧電素子駆動式制御弁３０に使用されている皿バネ３８は、アクチュエータボックス３６を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え３７により金属ダイヤフラム３２を弁座３１ｂへ当座させるためのものであるため、あまり強い弾性力を有する皿バネ３８を使用した場合には、金属ダイヤフラム３２や弁座３１ｂが損傷してしまうことになる。そのため、圧電素子駆動式制御弁３０の皿バネ３８には、あまり強い弾性力を有する皿バネ３８を使用することができない。その結果、圧電アクチュエータ４０にも、あまり大きな予圧荷重を掛けることができず、圧電素子４０ｂに大きな引っ張り応力が作用したときに圧電素子４０ｂが破壊されてしまうと云う問題があった。
【０００９】
又、従来の圧電素子駆動式制御弁３０に於いては、当該制御弁３０を温度が１００℃以上のような高温環境下に於いて使用する場合には、圧電アクチュエータ４０を収容するアクチュエータボックス３６の熱膨張によって、圧電アクチュエータ４０の上端部とアクチュエータボックス３６の上端部に螺着した調整用袋ナット４３との間に隙間が発生し、圧電アクチュエータ４０の伸長時にその発生力がアクチュエータボックス３６へ確実且つ良好に伝わらず、高精度な流量制御が困難になると云う問題があった。特に、圧電アクチュエータ４０の変位量が極僅かであるため、制御弁３０を構成する各部材（アクチュエータボックス３６等）の僅かの熱膨張でも、その流量制御特性に大きな影響を与えることになる。
この問題（アクチュエータボックス３６の熱膨張による隙間の発生）を解決するためには、制御弁３０自体を予め圧電アクチュエータ４０に外部から２００Ｎ程度の圧縮力を加えられるような構造の制御弁とすることが好ましいが、このような制御弁は未だ開発されていないのが現状である。
【特許文献１】特開２００３−１２０８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電アクチュエータが縮む時に圧電素子に掛かる引っ張り力を緩和して圧電素子の破壊を防止すると共に、高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにした圧電素子駆動式制御弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、上方が開放された弁室の底面に弁座を形成したボディと、弁室内に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座から離座する金属ダイヤフラムと、ボディ側に昇降自在に支持され、下端に金属ダイヤフラムの上面に当接するダイヤフラム押えを設けた有底筒状のアクチュエータボックスと、ボディ側に固定され、アクチュエータボックスの下端部周壁に形成した縦長のガイド穴に挿入されてアクチュエータボックスの底壁上面に対向する上壁を有する割りベースと、アクチュエータボックスの底壁と割りベースの上壁との間に介設され、アクチュエータボックスを下方へ押圧附勢してダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムを弁座へ当座させる皿バネと、アクチュエータボックス内に収容され、上端がアクチュエータボックスの上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端が割りベースの上壁側に支持された圧電アクチュエータとから成り、圧電アクチュエータの圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータが上方へ伸長してアクチュエータボックスを皿バネの弾性力に抗して上方へ押し上げ、金属ダイヤフラムがその弾性力により弁座から離座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記割りベースの上壁と圧電アクチュエータの下端との間に、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を介設したことに特徴がある。
【００１２】
本発明の請求項２の発明は、上方が開放された弁室の底面に弁座を形成したボディと、弁室内に配設され、下方への押圧により弁座へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座から離座する金属ダイヤフラムと、弁室の上方に配設され、下端部がボディ側に固定された筒状のアクチュエータボックスと、アクチュエータボックスの下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラムの上面に当接するダイヤフラム押えを設けたステムと、アクチュエータボックス内に収容され、上端がアクチュエータボックスの上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端がステム側に支持される圧電アクチュエータと、ステムの上端と圧電アクチュエータの下端との間に介設され、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに圧電アクチュエータの伸長を吸収して弁座及び金属ダイヤフラムの弁座に接触する部分から成るシート部へ所定の押圧力を印加する緩衝用皿バネとから成り、圧電アクチュエータの圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータが下方へ伸長して緩衝用皿バネを介してステム及びダイヤフラム押えを押し下げ、これにより金属ダイヤフラムが弁座へ当座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記圧電アクチュエータの下端と緩衝用皿バネとの間に、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を介設したことに特徴がある。
【００１３】
本発明の請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が割りベースの上壁に当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔部とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が割りベースの上壁に当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成ることに特徴がある。
【００１４】
本発明の請求項４の発明は、請求項２の発明に於いて、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネに当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が緩衝用皿バネに当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成ることに特徴がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を備えているため、圧電アクチュエータが縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、引っ張り力による圧電アクチュエータの圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータの延命化を図れると共に、圧電アクチュエータの信頼性を確保することができる。
又、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構を備えているため、例えば、当該制御弁を高温環境下に於いて使用する場合に、圧電アクチュエータを収容するアクチュエータボックスが熱膨張により伸びても、予圧機構を介して圧電アクチュエータの圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、圧電アクチュエータの圧電素子の伸長時にその発生力をアクチュエータボックスへ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
更に、本発明の圧電素子駆動式制御弁は、予圧機構が、アクチュエータボックス内の圧電アクチュエータの直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータの下端面に設けた変位部に当接すると共に、下端面が割りベースの上壁又は緩衝用皿バネに当接可能な鍔付の軸状の予圧パーツと、予圧パーツの鍔部とアクチュエータボックスの下端部内周面に形成した段部との間に介設され、予圧パーツの下端面が割りベースの上壁又は緩衝用皿バネに当接したときに予圧パーツを弾性的に押し上げて圧電アクチュエータの圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネとから成るため、予圧用の皿バネの枚数を変えることにより圧電アクチュエータの圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができる。然も、予圧機構の組み立て時には、割りベースの上壁又は緩衝用皿バネと圧電アクチュエータの下端面との間に予圧パーツ及び予圧用の皿バネを入れるだけで良く、組み立ても比較的簡単且つ容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁１を圧力式流量制御装置用の制御弁として用いたものであり、前記圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式制御弁１と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に設けた流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側に設けられてオリフィス４の上流側圧力を検出する圧力センサー５と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式制御弁１を制御する制御回路７等から構成されており、オリフィス４の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式制御弁１の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。
【００１７】
前記圧電素子駆動式制御弁１は、図２に示す如く、弁室８ａ′及び弁座８ｄ等を形成したボディ８と、弁室８ａ′内に配設され、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧する押えアダプター１０と、押えアダプター１０をボディ８側へ押圧する割りベース１１と、押えアダプター１０及び割りベース１１をボディ８側へ固定するベース押え１２と、ベース押え１２に昇降自在に支持された有底筒状のアクチュエータボックス１３と、アクチュエータボックス１３の下端に挿着され、金属ダイヤフラム９に当接するダイヤフラム押え１４と、割りベース１１とアクチュエータボックス１３との間に介設され、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢する皿バネ１５と、アクチュエータボックス１３内に収容され、下端側が予圧機構２０の予圧パーツ２１を介して割りベース１１に支持された圧電アクチュエータ１６（ピエゾポジショナ）と、アクチュエータボックス１３の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ１６の上端側をベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット１９と、割りベース１１の上壁１１ｂと圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設され、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０等から成り、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止できると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにしたものである。この例では、圧電素子駆動式制御弁１は、ノーマルクローズ型の制御弁に構成されている。
【００１８】
具体的には、ボディ８は、図１及び図２に示す如く、ステンレス材によりブロック状に形成されており、上方が開放された弁室８ａ′を形成する凹部８ａと、凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂと、弁室８ａ′に連通する入口通路８ｃと、弁室８ａ′の底面に形成した環状の弁座８ｄと、弁室８ａ′に連通する出口通路８ｅと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴８ｆと、ガスケットフィルター６が挿着されるフィルター挿着孔８ｇと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔８ｈ等を備えている。
このボディ８の上流側には、ボディ８の入口通路８ｃに連通する導入通路２ａと、導入通路２ａの出口側に形成されたフィルター挿着孔２ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート２ｃとを夫々備えたステンレス材製の入口側ブロック２が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。又、ボディ８の下流側には、ボディ８の出口通路８ｅに連通する排出通路３ａと、排出通路３ａの入口側に形成されたオリフィス挿着孔３ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート３ｃとを夫々備えたステンレ材製の出口側ブロック３が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。
【００１９】
金属ダイヤフラム９は、図１及び図２に示す如く、コバルト、ニッケルを基ベースにタングステン、モリブデン、チタン、クローム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（例えば、スプロン１００）製の極薄板材により中央部が上方へ膨出した逆皿形に形成されている。
この金属ダイヤフラム９は、弁座８ｄと対向するように凹部８ａ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定されており、下方への押圧により弁座８ｄへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座８ｄから離座するようになっている。
尚、金属ダイヤフラム９の材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、又、複数枚の金属ダイヤフラム９を積層した金属ダイヤフラム９であっても良い。
【００２０】
押えアダプター１０は、図１及び図２に示す如く、ステンレス材により環状に形成されており、ボディ８の凹部８ａ内に挿入されて金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧固定するものである。
【００２１】
割りベース１１は、図１、図２、図４及び図５に示す如く、半割り状の一対の割りベース片１１′から成り、各割りベース片１１′をアクチュエータボックス１３の下端部に両側から対向状に組み付け、この状態で各割りベース片１１′とアクチュエータボックス１３の下端部とをボディ８の凹部８ａ内に挿入し、当該凹部８ａ内にベース押え１２の下端部を捩じ込むことによって、アクチュエータボックス１３に保持固定されている。
割りベース１１を構成する各割りベース片１１′は、短い円筒部１１ａの上端にアクチュエータボックス１３の下端部周壁に形成したガイド穴１３ｃに挿入されてアクチュエータボックス１３の底壁１３ａ上面に対向する上壁１１ｂを、又、円筒部１１ａの下端にボディ８の凹部８ａ内に挿入される鍔部１１ｃを夫々形成したものを中央部で二つ割することにより形成されている。
そして、割りベース１１の上壁１１ｂとアクチュエータボックス１３の底壁１３ａとの間には、アクチュエータボックス１３を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え１４を介して金属ダイヤフラム９の中央部分を弁座８ｄへ当座させる複数枚の皿バネ１５が介設されている。
【００２２】
ベース押え１２は、図１及び図２示す如く、ステンレス材により筒状に形成されており、下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂに螺合する雄ネジ１２ａが形成されていると共に、内周面には、複数本のＯリング２３が一定間隔毎に嵌着されている。
このベース押え１２は、ボディ８の凹部８ａ内に起立姿勢で螺着固定されており、アクチュエータボックス１３をボディ８側へ昇降自在に支持すると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部、押えアダプター１０及び割りベース１１の鍔部１１ｃをボディ８側へ押圧固定するためのものである。
【００２３】
アクチュエータボックス１３は、図２、図６及び図７に示す如く、熱膨張率の小さなインバー材により有底筒状に形成されており、その下半部側がベース押え１２にＯリング２３を介して昇降自在に支持されている。
このアクチュエータボックス１３は、その内部空間に皿バネ１５、圧電アクチュエータ１６及び予圧機構２０を収容すると共に、金属ダイヤフラム９の中央部を下方へ押し下げる作用をするものであり、当該アクチュエータボックス１３の底壁１３ａ下面には、金属ダイヤフラム９の上面側中央部に当接する合成樹脂製のダイヤフラム押え１４が挿着される下向きの挿着穴１３ｂが形成されている。
又、アクチュエータボックス１３の下端部周壁には、割りベース１１の上壁１１ｂが挿入される縦長のガイド穴１３ｃが対向状に形成されていると共に、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の割りベース１１の上壁１１ｂよりも高い位置には、予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２を支持載置するための段部１３ｄが形成されている。
更に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面には、調整用袋ナット１９及びロックナット２４が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１３ｅが形成されている。
【００２４】
圧電アクチュエータ１６（ピエゾアクチュエータ）は、金属製のケーシング内に積層型の圧電素子を密封状に収容して成り、圧電素子の伸縮に伴ってケーシングの先端部に設けた半球状の変位部１６ａが圧電アクチュエータ１６の軸心に沿って往復移動する積層型の圧電アクチュエータ１６に構成されている。
この圧電アクチュエータ１６は、図１及び図２に示す如く、その半球状の変位部１６ａが下を向く状態でアクチュエータボックス１３内に収容されており、その下端が割りベース１１の上壁１１ｂに予圧機構２０の予圧パーツ２１を介して支持されていると共に、その上端がアクチュエータボックス１３の上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット１９にベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持されている
従って、この圧電アクチュエータ１６は、電圧の印加により上方へ伸長してアクチュエータボックス１３を皿バネ１５の弾性力に抗して上方へ押し上げるようになっている。
【００２５】
予圧機構２０は、割りベース１１の上壁１１ｂと圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸縮に拘わらず圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加え、圧電素子が縮む際に圧電素子間に掛かる引っ張り力を緩和すると共に、アクチュエータボックス１３が熱膨張により伸びても、圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができるように構成されている。
【００２６】
即ち、予圧機構２０は、図１及び図２に示す如く、アクチュエータボックス１３内の圧電アクチュエータ１６の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ１６の下端面に設けた変位部１６ａに当接すると共に、下端面が割りベース１１の上壁１１ｂに当接可能な鍔２１ａ付の軸状の予圧パーツ２１と、予圧パーツ２１の鍔２１ａとアクチュエータボックス１３の下端部内周面に形成した段部１３ｄとの間に介設され、予圧パーツ２１の下端面が割りベース１１の上壁１１ｂに当接したときに予圧パーツ２１を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ１６の圧電素子を常時加圧する複数枚の予圧用の皿バネ２２とから成り、予圧用の皿バネ２２の枚数を変えることによって、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができるように構成されている。
又、予圧パーツ２１は、ステンレス材により形成されており、その上端面中心部には、圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ａが支持載置される円錐状の受け溝２１ｂが形成されている。
【００２７】
上述した圧電素子駆動式制御弁１の組み立てに際しては、先ず、ボディ８の凹部８ａ内に金属ダイヤフラム９、押えアダプター１０、ダイヤフラム押え１４を挿着したアクチュエータボックス１３、皿バネ１５、割りベース１１の順に組み付け、ベース押え１２を介してアクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、ベース押え１２の下端部をボディ８の凹部８ａの内周面へ捩じ込む。これにより、押えアダプター１０及び割りベース１１がボディ８側へ保持固定されると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定される。又、アクチュエータボックス１３がベース押え１２にＯリング２３を介して昇降自在に支持される。
【００２８】
次に、アクチュエータボックス１３内に予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２、予圧機構２０の予圧パーツ２１、圧電アクチュエータ１６を順次収容する。このとき、予圧パーツ２１は、図３に示す如く、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の段部１３ｄに支持載置された予圧用の皿バネ２２に支持されており、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間には、所定の隙間が設けられている。
【００２９】
最後に、圧電アクチュエータ１６の上端部にベアリング受け１７及びベアリング１８を装着すると共に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面に調整用袋ナット１９及びロックナット２４を螺着し、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整して予圧パーツ２１の下端面を割りベース１１の上壁１１ｂの上面に当接させると共に、圧電アクチュエータ１６による金属ダイヤフラム９の作動ストロークを設定値に調整する。このとき、予圧用の皿バネ２２が撓み、圧電アクチュエータ１６には常時圧縮力が掛かることになる。
【００３０】
前記圧電素子駆動式制御弁１に於いては、バネ定数が２１５Ｎ／ｍｍ、最大撓み量が２．４ｍｍの予圧用の皿バネ２２を１２枚使用し、金属ダイヤフラム９のストローク調整前には、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間に１．４ｍｍの隙間を設けるようにしているため、金属ダイヤフラム９のストロークの調整後（予圧パーツ２１の下端面が割りベース１１の上壁１１ｂの上面に当接した後）には、予圧用の皿バネ２２が１．４ｍｍ撓み、圧電アクチュエータ１６には約３００Ｎ（２１５Ｎ／ｍｍ×１．４ｍｍ）の予圧が掛かることになる。
又、この圧電素子駆動式制御弁１は、組み立てる際に押えアダプター１０、割りベース１１、アクチュエータボックス１３、ベース押え１２、予圧機構２０の予圧パーツ２１及び予圧用の皿バネ２２、圧電アクチュエータ１６等は全て所定の位置に整然と自動的に固定されると共に、各部材の軸心は極めて高精度に一致されることになる。その結果、圧電素子駆動式制御弁１は、組み付け精度が大幅に向上して組み付け精度のバラツキやヒステリシス現象が減少するだけでなく、作動の安定性及び応答性の向上が可能となる。
【００３１】
而して、前記圧電素子駆動式制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクター２５を介して圧電アクチュエータ１６に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ１６は印加電圧に応じて設定値だけ上方へ伸長する。
これにより、大きな押し上げ力がベアリング受け１７、ベアリング１８及び調整用袋ナット１９を介してアクチュエータボックス１３に働き、当該アクチュエータボックス１３がベース押え１２にその軸心を保持された状態で皿バネ１５の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、金属ダイヤフラム９がその弾性力によって弁座８ｄから離座し、圧電素子駆動式制御弁１は開弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、例えば、圧電素子駆動式制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電アクチュエータ１６を収容するアクチュエータボックス１３等が熱膨張により伸びても、圧電アクチュエータ１６の上端部と調整用袋ナット１９との間に隙間が生じることがなく、予圧機構２０を介して圧電アクチュエータ１６に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の伸長時にその発生力をアクチュエータボックス１３へ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
【００３２】
一方、圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、皿バネ１５の弾性力によりアクチュエータボックス１３が押し下げられ、アクチュエータボックス１３の下端に設けたダイヤフラム押え１４により金属ダイヤフラム９の中央部分が弁座８ｄ側へ押し下げられて弁座８ｄへ当座し、圧電素子駆動式制御弁１は閉弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６が縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構２０の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータ１６の延命化を図れると共に、圧電アクチュエータ１６の信頼性を確保することができる。
【００３３】
図８は予圧機構２０を組み込んだ圧電素子駆動式制御弁１のアクチュエータボックス１３の変位量を確認するため、圧電素子駆動式制御弁１に最大変位量が９６μｍ以上（１５０Ｖ印加時）、ヒステリシスが１５％以内の圧電アクチュエータ１６を使用し、当該圧電アクチュエータ１６にピエゾドライバ（図示省略）により０〜１４０Ｖ（１０Ｖ毎）の電圧を印加し、アクチュエータボックス１３の変位量をデプスゲージ（図示省略）により測定したアクチュエータボックス１３の電圧と変位の関係をグラフ化したものである。
図８のグラフからも明らかなように、圧電アクチュエータ１６の特性は十分に確保できていることが確認された。
【００３４】
図９は本発明の第２の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁１を圧力式流量制御装置用の制御弁として用いたものであり、前記圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式制御弁１と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式制御弁１の下流側に設けた流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側に設けられてオリフィス４の上流側圧力を検出する圧力センサー５と、圧電素子駆動式制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式制御弁１を制御する制御回路７等から構成されており、オリフィス４の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式制御弁１の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。
【００３５】
前記圧電素子駆動式制御弁１は、図１０に示す如く、弁室８ａ′及び弁座８ｄ等を形成したボディ８と、弁室８ａ′内に配設され、弁座８ｄに当離座する金属ダイヤフラム９と、金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧する押えアダプター１０と、下端部がボディ８側へ固定され、押えアダプター１０をボディ８側へ押圧する筒状のアクチュエータボックス１３と、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３の下端部をボディ８側へ固定してアクチュエータボックス１３を支持するベース押え１２と、アクチュエータボックス１３の下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラム９の上面に当接するダイヤフラム押え１４を設けたステム２６と、アクチュエータボックス１３内に収容された圧電アクチュエータ１６（ピエゾポジショナ）と、ステム２６と圧電アクチュエータ１６との間に介設され、金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座したときに圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収する緩衝用皿バネ２７と、アクチュエータボックス１３の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ１６の上端側をベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット１９と、圧電アクチュエータ１６の下端と緩衝用皿バネ２７との間に介設され、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構２０等から成り、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止できると共に、高温の反応ガス等を使用する高温環境下に於いても、高精度な安定した流量制御を行えるようにしたものである。この例では、圧電素子駆動式制御弁１は、ノーマルオープン型の制御弁に構成されている。
【００３６】
具体的には、ボディ８は、図９及び図１０に示す如く、ステンレス材によりブロック状に形成されており、上方が開放された弁室８ａ′を形成する凹部８ａと、凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂと、弁室８ａ′に連通する入口通路８ｃと、弁室８ａ′の底面に形成した環状の弁座８ｄと、弁室８ａ′に連通する出口通路８ｅと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴８ｆと、ガスケットフィルター６が挿着されるフィルター挿着孔８ｇと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔８ｈ等を備えている。
このボディ８の上流側には、ボディ８の入口通路８ｃに連通する導入通路２ａと、導入通路２ａの出口側に形成されたフィルター挿着孔２ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート２ｃとを夫々備えたステンレス材製の入口側ブロック２が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。又、ボディ８の下流側には、ボディ８の出口通路８ｅに連通する排出通路３ａと、排出通路３ａの入口側に形成されたオリフィス挿着孔３ｂと、流体の漏洩を検査するためのリークポート３ｃとを夫々備えたステンレ材製の出口側ブロック３が複数本のボルト（図示省略）により接続されている。
【００３７】
金属ダイヤフラム９は、図９及び図１０に示す如く、コバルト、ニッケルを基ベースにタングステン、モリブデン、チタン、クローム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（例えば、スプロン１００）製の極薄板材により中央部が上方へ膨出した逆皿形に形成されている。
この金属ダイヤフラム９は、弁座８ｄと対向するように凹部８ａ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定されており、下方への押圧により弁座８ｄへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座８ｄから離座するようになっている。
尚、金属ダイヤフラム９の材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、又、複数枚の金属ダイヤフラム９を積層した金属ダイヤフラム９であっても良い。
【００３８】
押えアダプター１０は、図９及び図１０に示す如く、ステンレス材により環状に形成されており、ボディ８の凹部８ａ内に挿入されて金属ダイヤフラム９の外周縁部をボディ８側へ気密状に押圧固定するものである。
【００３９】
アクチュエータボックス１３は、図９及び図１０に示す如く、熱膨張率の小さなインバー材により筒状に形成されており、アクチュエータボックス１３の下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａに挿入されてベース押え１２により下方へ押圧される外側段部１３ｆが形成されている。
このアクチュエータボックス１３は、その内部空間にステム２６、圧電アクチュエータ１６、緩衝用皿バネ２７及び予圧機構２１を収容するものであり、当該アクチュエータボックス１３の下端部内周面には、予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２を支持載置するための段部１３ｄが形成されている。
又、アクチュエータボックス１３の上端部外周面には、調整用袋ナット１９及びロックナット２４が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１３ｅが形成されている。
【００４０】
ベース押え１２は、図９及び図１０示す如く、ステンレス材により筒状に形成されており、下端部外周面には、ボディ８の凹部８ａの内周面に形成した雌ネジ８ｂに螺合する雄ネジ１２ａが形成されていると共に、内周面には、複数本のＯリング２３が一定間隔毎に嵌着されている。
このベース押え１２は、ボディ８の凹部８ａ内に起立姿勢で螺着固定されており、アクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３の外側段部１３ｆをボディ８側へ押圧固定するためのものである。
【００４１】
ステム２６は、図９及び図１０示す如く、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により段付きの軸状に形成されており、アクチュエータボックス１３の下端部に昇降自在に挿入されている。
このステム２６の下端には、金属ダイヤフラム９の上面側中央部に当接する合成樹脂製のダイヤフラム押え１４が挿着されている。
【００４２】
圧電アクチュエータ１６（ピエゾアクチュエータ）は、金属製のケーシング内に積層型の圧電素子を密封状に収容して成り、圧電素子の伸縮に伴ってケーシングの先端部に設けた半球状の変位部１６ａが圧電アクチュエータ１６の軸心に沿って往復移動する積層型の圧電アクチュエータ１６に構成されている。
この圧電アクチュエータ１６は、図９及び図１０に示す如く、その半球状の変位部１６ａが下を向く状態でアクチュエータボックス１３内に収容されており、その上端がアクチュエータボックス１３の上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット１９にベアリング受け１７及びベアリング１８を介して位置調整可能に支持されていると共に、その下端が予圧機構２０及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６側に支持された格好になっている。
又、この圧電アクチュエータ１６は、電圧の印加により下方へ伸長して予圧機構２０及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６を下方へ押し下げるようになっている。
【００４３】
緩衝用皿バネ２７は、ステム２６の上端と圧電アクチュエータ１６の下端との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸長によりステム２６が押し下げられて金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座したときに圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収すると共に、圧電素子駆動式制御弁１のシート部（弁座８ｄ及び金属ダイヤフラム９の弁座８ｄに接触する部分から成る）へ所定の押圧力を印加するものである。この例では、緩衝用皿バネ２７は、ステム２６の上面に複数枚積層状に支持載置されている。
【００４４】
予圧機構２０は、圧電アクチュエータ１６の下端と緩衝用皿バネ２７との間に介設されており、圧電アクチュエータ１６の伸縮に拘わらず圧電アクチュエータ１６の圧電素子に常時圧縮力を加え、圧電素子が縮む際に圧電素子間に掛かる引っ張り力を緩和すると共に、アクチュエータボックス１３が熱膨張により伸びても、圧電素子に常時一定の圧縮力を加えることができるように構成されている。
【００４５】
即ち、予圧機構２０は、図９及び図１０に示す如く、アクチュエータボックス１３内の圧電アクチュエータ１６の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ１６の下端面に設けた変位部１６ａに当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネ２７に当接可能な鍔２１ａ付の軸状の予圧パーツ２１と、予圧パーツ２１の鍔２１ａとアクチュエータボックス１３の下端部内周面に形成した段部１３ｄとの間に介設され、予圧パーツ２１の下端面が緩衝用皿バネ２７に当接したときに予圧パーツ２１を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ１６の圧電素子を常時加圧する複数枚の予圧用の皿バネ２２とから成り、予圧用の皿バネ２２の枚数を変えることによって、圧電アクチュエータ１６の圧電素子に加わる圧縮力を自由に調整することができるように構成されている。
又、予圧パーツ２１は、ステンレス材により形成されており、その上端面中心部には、圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ａが支持載置される円錐状の受け溝２１ｂが形成されている。
【００４６】
上述した図９及び図１０に示す圧電素子駆動式制御弁１の組み立てに際しては、先ず、ボディ８の凹部８ａ内に金属ダイヤフラム９、押えアダプター１０、ステム２６及び緩衝用皿バネ２７を挿入したアクチュエータボックス１３の順に組み付け、ベース押え１２を介してアクチュエータボックス１３をボディ８側へ支持すると共に、ベース押え１２の下端部をボディ８の凹部８ａの内周面へ捩じ込む。これにより、押えアダプター１０及びアクチュエータボックス１３がボディ８側へ保持固定されると共に、金属ダイヤフラム９の外周縁部が押えアダプター１０等によりボディ８側へ気密状に保持固定される。
【００４７】
次に、アクチュエータボックス１３内に予圧機構２０の予圧用の皿バネ２２、予圧機構２０の予圧パーツ２１、圧電アクチュエータ１６を順次収容する。このとき、予圧パーツ２１は、アクチュエータボックス１３の下端部内周面の段部１３ｄに支持載置された予圧用の皿バネ２２に支持されており、予圧パーツ２１の下端面と割りベース１１の上壁１１ｂの上面との間には、所定の隙間が設けられている。
【００４８】
最後に、圧電アクチュエータ１６の上端部にベアリング受け１７及びベアリング１８を装着すると共に、アクチュエータボックス１３の上端部外周面に調整用袋ナット１９及びロックナット２４を螺着し、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整して予圧パーツ２１の下端面を緩衝用皿バネ２７の上面に当接させると共に、圧電アクチュエータ１６による金属ダイヤフラム９の作動ストロークを設定値に調整する。このとき、予圧用の皿バネ２２が撓み、圧電アクチュエータ１６には常時圧縮力が掛かることになる。この例では、圧電アクチュエータ１６には、約３００Ｎの予圧が掛けられた状態になっている。
【００４９】
而して、図９及び図１０に示す圧電素子駆動式制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクター２５を介して圧電アクチュエータ１６に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ１６は印加電圧に応じて設定値だけ下方へ伸長する。
そうすると、予圧パーツ２１及び緩衝用皿バネ２７を介してステム２６が押し下げられると共に、ステム２６の下端に設けたダイヤフラム押え１４により金属ダイヤフラム９の中央部分が弁座８ｄ側へ押し下げられて弁座８ｄへ当座し、圧電素子駆動式制御弁１は閉弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、例えば、圧電素子駆動式制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電アクチュエータ１６を収容するアクチュエータボックス１３等が熱膨張により伸びても、圧電アクチュエータ１６の上端部と調整用袋ナット１９との間に隙間が生じることがなく、予圧機構２０を介して圧電アクチュエータ１６に常時一定の圧縮力を加えることができる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の伸長時にその発生力をアクチュエータボックス１３へ確実且つ良好に伝達することができ、高精度な流量制御を行うことができる。
【００５０】
そして、金属ダイヤフラム９が弁座８ｄへ当座した後は、ステム２６と予圧パーツ２１との間に介設した緩衝用皿バネ２７が圧電アクチュエータ１６の伸長を吸収し、シート部（弁座８ｄ及び金属ダイヤフラム９の弁座８ｄに接触する部分から成る）には緩衝用皿バネ２７の変位量に応じた反発力が印加される。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、圧電アクチュエータ１６の大きな発生力が直にシート部に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム９及び弁座８ｄの損傷を防止することができる。
【００５１】
一方、圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、金属ダイヤフラム９に加わっていた押圧力が喪失し、これにより金属ダイヤフラム９がその弾性力により元の状態に復帰して弁座８ｄから離座し、圧電素子駆動式制御弁１は開弁状態となる。
このとき、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６が縮む際に圧電素子間に引っ張り力が掛かっても、予圧機構２０の圧縮力により圧電素子間に掛かる引っ張り力が緩和されることになる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、引っ張り力による圧電アクチュエータ１６の圧電素子の破壊を防止することができ、圧電アクチュエータ１６の延命化を図れると共に、圧電アクチュエータ１６の信頼性を確保することができる。
又、圧電アクチュエータ１６には、予圧機構２０により圧電アクチュエータ１６を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電アクチュエータ１６の重量が金属ダイヤフラム９に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム９に掛かる重量はダイヤフラム押え１４とステム２６と緩衝用皿バネ２７の重さとなる。その結果、この圧電素子駆動式制御弁１は、金属ダイヤフラム９に掛かる重量を制限することができ、金属ダイヤフラム９がその弾性力により弁座８ｄから離座するときに金属ダイヤフラム９に掛かる負担が小さくなって金属ダイヤフラム９の延命化を図れる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る圧電素子駆動式制御弁１は、主として半導体製造設備等のガス制御ラインに於いて利用されるが、その利用対象は上記半導体製造装置等に限定されるものではなく、化学産業や薬品産業、食品産業等の各種装置に於けるガス供給ラインに於いても利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁を用いた圧力式流量制御装置の縦断正面図である。
【図２】同じく圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図３】同じく圧電素子駆動式制御弁の要部を示し、圧電アクチュエータに予圧を掛ける前の縦断側面図である。
【図４】割りベースの平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】アクチュエータボックスの縦断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】予圧機構を組み込んだ圧電素子駆動式制御弁のアクチュエータボックスの電圧と変位との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る圧電素子駆動式制御弁を用いた圧力式流量制御装置の縦断正面図である。
【図１０】図９に示す圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図１１】従来の圧電素子駆動式制御弁の要部の縦断正面図である。
【図１２】圧電アクチュエータ（ピエゾポジショナ）の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１は圧電素子駆動式制御弁、８はボディ、８ａ′は弁室、８ｄは弁座、９は金属ダイヤフラム、１１は割りベース、１１ｂは割りベースの上壁、１３はアクチュエータボックス、１３ａはアクチュエータボックスの底壁、１３ｃはアクチュエータボックスのガイド穴、１３ｄはアクチュエータボックスの段部、１４はダイヤフラム押え、１５は皿バネ、１６は圧電アクチュエータ、１６ａは圧電アクチュエータの変位部、２０は予圧機構、２１は予圧パーツ、２１ａは予圧パーツの鍔、２２は予圧用の皿バネ、２６はステム、２７は緩衝用皿バネ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方が開放された弁室（８ａ′）の底面に弁座（８ｄ）を形成したボディ（８）と、弁室（８ａ′）内に配設され、下方への押圧により弁座（８ｄ）へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座（８ｄ）から離座する金属ダイヤフラム（９）と、ボディ（８）側に昇降自在に支持され、下端に金属ダイヤフラム（９）の上面に当接するダイヤフラム押え（１４）を設けた有底筒状のアクチュエータボックス（１３）と、ボディ（８）側に固定され、アクチュエータボックス（１３）の下端部周壁に形成した縦長のガイド穴（１３ｃ）に挿入されてアクチュエータボックス（１３）の底壁（１３ａ）上面に対向する上壁（１１ｂ）を有する割りベース（１１）と、アクチュエータボックス（１３）の底壁（１３ａ）と割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）との間に介設され、アクチュエータボックス（１３）を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え（１４）を介して金属ダイヤフラム（９）を弁座（８ｄ）へ当座させる皿バネ（１５）と、アクチュエータボックス（１３）内に収容され、上端がアクチュエータボックス（１３）の上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）側に支持された圧電アクチュエータ（１６）とから成り、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータ（１６）が上方へ伸長してアクチュエータボックス（１３）を皿バネ（１５）の弾性力に抗して上方へ押し上げ、金属ダイヤフラム（９）がその弾性力により弁座（８ｄ）から離座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）と圧電アクチュエータ（１６）の下端との間に、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構（２０）を介設したことを特徴とする圧電素子駆動式制御弁。
【請求項２】
上方が開放された弁室（８ａ′）の底面に弁座（８ｄ）を形成したボディ（８）と、弁室（８ａ′）内に配設され、下方への押圧により弁座（８ｄ）へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座（８ｄ）から離座する金属ダイヤフラム（９）と、弁室（８ａ′）の上方に配設され、下端部がボディ（８）側に固定された筒状のアクチュエータボックス（１３）と、アクチュエータボックス（１３）の下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラム（９）の上面に当接するダイヤフラム押え（１４）を設けたステム（２６）と、アクチュエータボックス（１３）内に収容され、上端がアクチュエータボックス（１３）の上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端がステム（２６）側に支持される圧電アクチュエータ（１６）と、ステム（２６）の上端と圧電アクチュエータ（１６）の下端との間に介設され、金属ダイヤフラム（９）が弁座（８ｄ）へ当座したときに圧電アクチュエータ（１６）の伸長を吸収して弁座（８ｄ）及び金属ダイヤフラム（９）の弁座（８ｄ）に接触する部分から成るシート部へ所定の押圧力を印加する緩衝用皿バネ（２７）とから成り、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータ（１６）が下方へ伸長して緩衝用皿バネ（２７）を介してステム（２６）及びダイヤフラム押え（１４）を押し下げ、これにより金属ダイヤフラム（９）が弁座（８ｄ）へ当座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記圧電アクチュエータ（１６）の下端と緩衝用皿バネ（２７）との間に、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構（２０）を介設したことを特徴とする圧電素子駆動式制御弁。
【請求項３】
予圧機構（２０）は、アクチュエータボックス（１３）内の圧電アクチュエータ（１６）の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ（１６）の下端面に設けた変位部（１６ａ）に当接すると共に、下端面が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）に当接可能な鍔（２１ａ）付の軸状の予圧パーツ（２１）と、予圧パーツ（２１）の鍔（２１ａ）とアクチュエータボックス（１３）の下端部内周面に形成した段部（１３ｄ）との間に介設され、予圧パーツ（２１）の下端面が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）に当接したときに予圧パーツ（２１）を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネ（２２）とから成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式制御弁。
【請求項４】
予圧機構（２０）は、アクチュエータボックス（１３）内の圧電アクチュエータ（１６）の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ（１６）の下端面に設けた変位部（１６ａ）に当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネ（２７）に当接可能な鍔（２１ａ）付の軸状の予圧パーツ（２１）と、予圧パーツ（２１）の鍔（２１ａ）とアクチュエータボックス（１３）の下端部内周面に形成した段部（１３ｄ）との間に介設され、予圧パーツ（２１）の下端面が緩衝用皿バネ（２７）に当接したときに予圧パーツ（２１）を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネ（２２）とから成ることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子駆動式制御弁。
【請求項１】
上方が開放された弁室（８ａ′）の底面に弁座（８ｄ）を形成したボディ（８）と、弁室（８ａ′）内に配設され、下方への押圧により弁座（８ｄ）へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座（８ｄ）から離座する金属ダイヤフラム（９）と、ボディ（８）側に昇降自在に支持され、下端に金属ダイヤフラム（９）の上面に当接するダイヤフラム押え（１４）を設けた有底筒状のアクチュエータボックス（１３）と、ボディ（８）側に固定され、アクチュエータボックス（１３）の下端部周壁に形成した縦長のガイド穴（１３ｃ）に挿入されてアクチュエータボックス（１３）の底壁（１３ａ）上面に対向する上壁（１１ｂ）を有する割りベース（１１）と、アクチュエータボックス（１３）の底壁（１３ａ）と割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）との間に介設され、アクチュエータボックス（１３）を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え（１４）を介して金属ダイヤフラム（９）を弁座（８ｄ）へ当座させる皿バネ（１５）と、アクチュエータボックス（１３）内に収容され、上端がアクチュエータボックス（１３）の上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）側に支持された圧電アクチュエータ（１６）とから成り、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータ（１６）が上方へ伸長してアクチュエータボックス（１３）を皿バネ（１５）の弾性力に抗して上方へ押し上げ、金属ダイヤフラム（９）がその弾性力により弁座（８ｄ）から離座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）と圧電アクチュエータ（１６）の下端との間に、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構（２０）を介設したことを特徴とする圧電素子駆動式制御弁。
【請求項２】
上方が開放された弁室（８ａ′）の底面に弁座（８ｄ）を形成したボディ（８）と、弁室（８ａ′）内に配設され、下方への押圧により弁座（８ｄ）へ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座（８ｄ）から離座する金属ダイヤフラム（９）と、弁室（８ａ′）の上方に配設され、下端部がボディ（８）側に固定された筒状のアクチュエータボックス（１３）と、アクチュエータボックス（１３）の下端部内に昇降自在に配設され、下端に金属ダイヤフラム（９）の上面に当接するダイヤフラム押え（１４）を設けたステム（２６）と、アクチュエータボックス（１３）内に収容され、上端がアクチュエータボックス（１３）の上端部側に位置調整可能に支持されていると共に、下端がステム（２６）側に支持される圧電アクチュエータ（１６）と、ステム（２６）の上端と圧電アクチュエータ（１６）の下端との間に介設され、金属ダイヤフラム（９）が弁座（８ｄ）へ当座したときに圧電アクチュエータ（１６）の伸長を吸収して弁座（８ｄ）及び金属ダイヤフラム（９）の弁座（８ｄ）に接触する部分から成るシート部へ所定の押圧力を印加する緩衝用皿バネ（２７）とから成り、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子への電圧の印加により圧電アクチュエータ（１６）が下方へ伸長して緩衝用皿バネ（２７）を介してステム（２６）及びダイヤフラム押え（１４）を押し下げ、これにより金属ダイヤフラム（９）が弁座（８ｄ）へ当座するようにした圧電素子駆動式制御弁に於いて、前記圧電アクチュエータ（１６）の下端と緩衝用皿バネ（２７）との間に、圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子に常時圧縮力を加える予圧機構（２０）を介設したことを特徴とする圧電素子駆動式制御弁。
【請求項３】
予圧機構（２０）は、アクチュエータボックス（１３）内の圧電アクチュエータ（１６）の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ（１６）の下端面に設けた変位部（１６ａ）に当接すると共に、下端面が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）に当接可能な鍔（２１ａ）付の軸状の予圧パーツ（２１）と、予圧パーツ（２１）の鍔（２１ａ）とアクチュエータボックス（１３）の下端部内周面に形成した段部（１３ｄ）との間に介設され、予圧パーツ（２１）の下端面が割りベース（１１）の上壁（１１ｂ）に当接したときに予圧パーツ（２１）を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネ（２２）とから成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式制御弁。
【請求項４】
予圧機構（２０）は、アクチュエータボックス（１３）内の圧電アクチュエータ（１６）の直下位置に上下動自在に配設され、上端面が圧電アクチュエータ（１６）の下端面に設けた変位部（１６ａ）に当接すると共に、下端面が緩衝用皿バネ（２７）に当接可能な鍔（２１ａ）付の軸状の予圧パーツ（２１）と、予圧パーツ（２１）の鍔（２１ａ）とアクチュエータボックス（１３）の下端部内周面に形成した段部（１３ｄ）との間に介設され、予圧パーツ（２１）の下端面が緩衝用皿バネ（２７）に当接したときに予圧パーツ（２１）を弾性的に押し上げて圧電アクチュエータ（１６）の圧電素子を常時加圧する予圧用の皿バネ（２２）とから成ることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子駆動式制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２４９００２（Ｐ２００８−２４９００２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９００８２（Ｐ２００７−９００８２）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
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