圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁
【課題】 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と共に、金属ダイヤフラム８に加わる圧縮力を調整できるようにする。
【解決手段】 圧電素子１３の伸長によりダイヤフラム押え１２を介して弁座７ｃへ当座又は弁座７ｃから離座する金属ダイヤフラム８を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子１３と金属ダイヤフラム８との間に配設される皿バネ機構１４を、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間２２ｂを形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、圧電素子１３の下方に位置して圧電素子１３の伸長を皿バネ２３へ伝達するボール受け２４と、皿バネ２３の反発力を調整すると共にボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー２２に螺着されたバネ調整用ナット２５とから構成する。
【解決手段】 圧電素子１３の伸長によりダイヤフラム押え１２を介して弁座７ｃへ当座又は弁座７ｃから離座する金属ダイヤフラム８を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子１３と金属ダイヤフラム８との間に配設される皿バネ機構１４を、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間２２ｂを形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、圧電素子１３の下方に位置して圧電素子１３の伸長を皿バネ２３へ伝達するボール受け２４と、皿バネ２３の反発力を調整すると共にボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー２２に螺着されたバネ調整用ナット２５とから構成する。
【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ノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の改良に係り、特に、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ノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型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が多く使用されている。
【０００３】
従来、圧電素子駆動式の駆動装置を用いた金属ダイヤフラム型制御弁としては、特開平７−３１０８４２号公報（特許文献１）や特開２００４−１９７７５４号公報（特許文献２）等に開示された構造のものが知られている。
【０００４】
即ち、特許文献１に開示された制御弁（図示省略）は、電圧の印加によって圧電素子（ピエゾアクチュエータ）が伸長すると、金属ダイヤフラムが下部受台、ボール及びダイヤフラム押えを介して弁座側へ押圧され、これにより金属ダイヤフラムが弁座に当座して閉弁状態となり、又、圧電素子への印加電圧を解除すると、圧電素子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がその弾性力により元の状態に復帰し、弁座から離座して開弁状態となるノーマルオープン型の制御弁である。
【０００５】
この制御弁は、圧電素子の発生力を下部受台、ボール及びダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムへ伝達しているため、圧電素子の伸長によりダイヤフラムが弁座に接触した後は圧電素子の発生力が直にシート部（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）に印加されることになる。その結果、制御弁のシート部に印加される力は、圧電素子の発生力のみに依存し、その調整が困難になるうえ、圧電素子の大きな発生力がシート部に掛かって金属ダイヤフラム及び弁座等が損傷する等の問題があった。
【０００６】
一方、特許文献２に開示された制御弁（図示省略）は、電圧の印加によって圧電素子（ピエゾアクチュエータ）が伸長すると、圧電素子の変位量が梃子構造の変位拡大機構により拡大され、弁棒及びダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムが弁座側へ押圧されて弁座にして閉弁状態となり、又、圧電素子への印加電圧を解除すると、圧電素子が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、変位拡大機構がこれに設けた復帰弾性体により元の形態に復帰し、これにより金属ダイヤフラムに加わっていた押圧力が喪失して金属ダイヤフラムがその弾性力により元の状態に復帰し、弁座から離座して開弁状態となるノーマルオープン型の制御弁である。
【０００７】
この制御弁は、圧電素子の発生力を金属ダイヤフラムへ伝達する変位拡大機構が金属ダイヤフラムの弁座への当座時に圧電素子の伸長を吸収する定圧弾性体（緩衝用の皿バネ）を備えているため、金属ダイヤフラムが弁座に当座した後は定圧弾性体が圧電素子の伸長を吸収し、これによりシート部には定圧弾性体の変位量に応じた反発力が印加されることになる。その結果、制御弁のシート部に印加される力は、定圧弾性体の反発力となり、金属ダイヤフラムを弁座へ緩衝させながら当座させることができ、金属ダイヤフラム及び弁座に圧電素子の大きな発生力が掛かることがなく、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
【０００８】
ところで、緩衝用の皿バネ無しの制御弁に於いては、例えば、圧電素子の印加電圧１Ｖ当たりの変位量を０．３３３μｍ、圧電素子の印加電圧１Ｖ当たりの発生力を約５Ｎとすると、圧電素子の変位量に対する発生力は、５／０．３３３≒１５Ｎ／μｍとなる。又、緩衝用の皿バネを備えた制御弁に於いては、皿バネの変位量に対する発生力は、皿バネのバネ定数により約０．２６７Ｎ／μｍとなる。よって、緩衝用の皿バネを備えた制御弁のシート部に印加される力は、緩衝用の皿バネ無しの制御弁のシート部に印加される力の約１／５６となる。その結果、皿バネを備えた制御弁は、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
図６は制御弁のシート部への負荷と圧電素子に印加する電圧との関係をグラフ化したものであり、図６のグラフからも明らかなように皿バネ付の制御弁の方が皿バネ無しの制御弁に比べてシート部への負荷が極めて小さいことが判る。
【０００９】
しかし、皿バネ付の制御弁に於いても、解決すべき問題点が残されている。
即ち、制御弁を温度が１００℃以上のような高温環境下に於いて使用する場合には、圧電素子を収容する支持筒体（アクチュエータボックス）の熱膨張によって、圧電素子の上端部と支持筒体の上端部に螺着した調整用袋ナットとの間に隙間が発生し、圧電素子の伸長時にその発生力が金属ダイヤフラム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、圧電素子の変位量が極僅かであるため、制御弁を構成する各部材（支持筒体等）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（支持筒体の熱膨張による隙間の発生）を解決するためには、制御弁自体を予め圧電素子に外部から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。
【００１０】
尚、特開２００４−１９７７５４号公報（特許文献２）に開示された制御弁及び特開平２−２０３０８７号公報（特許文献３）に開示された制御弁には、圧電素子を加圧できるようにした復帰弾性体や荷重ばねが開示されている。
しかし、これらの制御弁に使用されている復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の部材（変位拡大機構や弁棒）を元の位置に復帰させるためのものである。又、復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の内部に配設されているため、大きな弾性力を有する復帰弾性体や荷重ばねを使用した場合には、復帰弾性体や荷重ばねが大きいために制御弁自体が大型化すると云う問題があった。然も、内部に復帰弾性体や荷重ばねを配設した制御弁に於いては、その弾性力を調整したい場合には、制御弁を分解して内部の復帰弾性体や荷重ばねを別のものと交換したりしなければならず、制御弁の分解及び組立に極めて手数が掛かると云う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３１０８４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７７５４号公報
【特許文献３】特開平２−２０３０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、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と共に、制御弁自体を分解することなく、圧電素子に加わる圧縮力を簡単且つ容易に調整できるようにしたノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム制御弁を提供することにある。また、本発明は、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに、金属ダイヤフラムへ所定の押圧力を印加する皿バネの弾性力を調整できるようにした皿バネ機構を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム制御弁を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電素子１３の伸長によりダイヤフラム押え１２を介して弁座７ｃへ当座又は弁座７ｃから離座する金属ダイヤフラム８を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子１３と金属ダイヤフラム８との間に配設される皿バネ機構１４を、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間２２bを形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、圧電素子１３の下方に位置して圧電素子１３の伸長を皿バネ２３へ伝達するボール受け２４と、皿バネ２３の反発力を調整すると共にボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー２２に螺着されたバネ調整用ナット２５とから構成したことを特徴とするとから構成したことに特徴がある。
【００１４】
又、請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、圧電素子１３と皿バネ機構１４との間に配設され、圧電素子１３に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構２１を備えた構成としたことに特徴がある。
【００１５】
更に、請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、予圧機構２１は、圧電素子１３の直下位置に配設され、圧電素子１３の下端面にボール１６を介してバネの弾性力により上向きの圧縮力を加える構成としたことに特徴がある。
また、請求項４の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に於いて、予圧機構２１は、圧電素子１３に加える上向きの圧縮力を調整可能な構成としたことに特徴がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、次のような優れた効果を発揮することができる。
（１）即ち、本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構を備えているため、例えば、制御弁を高温環境下に於いて使用する場合に、圧電素子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金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラム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える。
（２）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構により圧電素子を常時上方へ圧縮しているため、圧電素子の重量が金属ダイヤフラムに掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラムに掛かる重量を軽減することができ、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ときに金属ダイヤフラムに掛かる負担が小さくなり、金属ダイヤフラムの延命化を図れる。
（３）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子を常時加圧する予圧機構の予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設すると共に、アクチュエータボックスの外側に位置する第２予圧治具に螺着した予圧調整用ナットにより圧電素子に加わる圧縮力を調整できるようにしているため、大きな弾性力を有する予圧バネを使用した場合でも、アクチュエータボックス等が大型化すると云うことがなく、又、制御弁自体を分解することなく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。
（４）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構の第２予圧治具、予圧調整用ナット及び予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
（５）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、金属ダイヤフラムの上面側に配設したダイヤフラム押えと圧電素子との間に、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに圧電素子の伸長を吸収すると共に、弁座及び金属ダイヤフラムの弁座に接触する部分（シート部）へ所定の押圧力を印加する皿バネ機構を介設しているため、金属ダイヤフラムが弁座に当座した後は皿バネ機構が圧電素子の伸長を吸収することになり、圧電素子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、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
（６）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、皿バネ機構が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダーと、ダイヤフラム押えホルダーの収納空間に配設された複数枚の皿バネと、最上位の皿バネの上面に載置されたボール受けと、ダイヤフラム押えホルダーに上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネの反発力を調整すると共に、ボール受け及び皿バネを抜け止めするバネ調整用ナットとから成り、バネ調整用ナットの締め込み量を調整することによって、皿バネの反発力を調整できる構成としているため、皿バネを別の皿バネと交換することなく、皿バネの反発力を自由に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係るノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型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】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の縦断正面図である。
【図３】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の縦断側面図である。
【図４】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の横断平面図である。
【図５】本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁と予圧機構を備えていない通常の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の使用温度と変位量との関係を示すグラフである。
【図６】制御弁のシート部への負荷と圧電素子に印加する電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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は本発明の実施の形態に係るノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１を制御する制御回路（図示省略）等から構成されており、オリフィス４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金属ダイヤフラム型制御弁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。
【００１９】
前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、図１に示す如く、ボディ７、金属ダイヤフラム８、押えアダプター９、アクチュエータボックス１０、ベース押え１１、ダイヤフラム押え１２、圧電素子１３（ピエゾアクチュエータ）、皿バネ機構１４、下側のボール１５、上側のボール１６、ベアリング受け１７、ベアリング１８、調整用袋ナット１９、ロックナット２０及び予圧機構２１等から構成されており、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ノーマルオープン型の制御弁である。
【００２０】
具体的には、ボディ７は、図１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７ａ′を形成する凹部７ａと、弁室７ａ′に連通する入口通路７ｂと、弁室７ａ′の底面に形成された環状の弁座７ｃと、弁室７ａ′に連通する出口通路７ｄと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴７ｅ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７ｆと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔７ｇ等を備えている。
このボディ７の上流側には、ボディ７の入口側通路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７の下流側には、ボディ７の出口通路７ｄ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。
【００２１】
金属ダイヤフラム８は、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−ム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（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おり、弁座７ｃと対向するように凹部７ａ内へ配置され、凹部７ａ内に夫々挿入した筒状の押えアダプター９、アクチュエータボックス１０の下端部及びベース押え１１を複数本のボルト３１によりボディ７側へ締め込み固定することによって、金属ダイヤフラム８の外周縁部が押えアダプター９等によりボディ７側へ気密状に保持固定されている。
尚、金属ダイヤフラム８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８を積層した金属ダイヤフラム８であっても良い。
【００２２】
アクチュエータボックス１０は、図２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１０の下端部外周面には、ベース押え１１により下方へ押圧される段部１０ａが形成されていると共に、アクチュエータボックス１０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２０が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１０ｂが形成されている。又、アクチュエータボックス１０の下端部周壁には、予圧機構２１の構成部材である二本の連結ピン２８が遊嵌状態で挿通される縦長のガイド孔１０ｃが貫通状に形成されている。
【００２３】
圧電素子１３（ピエゾアクチュエータ）は、図１に示す如く、アクチュエータボックス１０内に配設されており、金属ダイヤフラム８を押圧するものである。この圧電素子１３は、その上端部側がアクチュエータボックス１０の上端部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を介して支持されており、電圧の印加により下方へ伸長して上側のボール１６、予圧機構２１の第１予圧治具２６、下側のボール１５、皿バネ機構１４及びダイヤフラム押え１２を介して金属ダイヤフラム８の中央部を弁座７ｃ側へ押圧するようになっている。
尚、圧電素子１３には、使用温度範囲が−２０℃〜１５０℃の積層タイプのものが使用されている。
【００２４】
皿バネ機構１４は、金属ダイヤフラム８の上面側に配設したダイヤフラム押え１２と圧電素子１３の直下位置に配設された予圧機構２１の第１予圧治具２６との間に介設されており、圧電素子１３の伸長により金属ダイヤフラム８が弁座７ｃへ当座したときに圧電素子１３の伸長を吸収すると共に、制御弁１のシート部（弁座７ｃ及び金属ダイヤフラム８の弁座７ｃ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。
【００２５】
即ち、皿バネ機構１４は、図２に示す如く、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着される下向きの挿着穴２２ａを有すると共に、上端部に上方が開放された収納空間２２ｂを備え、中間部に隔壁２２ｃを形成した筒状のダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに収納されて隔壁２２ｃに支持載置された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、上面中心部に上側のボール１６が支持載置される円錐状のボール受け溝２４ａを有すると共に、下端部外周面に鍔部２４ｂを備えたボール受け２４と、ダイヤフラム押えホルダー２２の上端部外周面に形成した雄ネジ２２ｄに上下方向へ移動調整自在に螺着され、ボール受け２４の鍔部２４ｂが係止されてボール受け２４及び皿バネ２３をダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂから抜け止めすると共に、皿バネ２３の反発力を調整するバネ調整用ナット２５とから成り、バネ調整用ナット２５の締め込み量を調整することによって、皿バネ２３の反発力を自由に調整できるように構成されている。
尚、ダイヤフラム押えホルダー２２、ボール受け２４及びバネ調整用ナット２５は、熱膨張率の小さなインバー材により夫々形成されている。又、ダイヤフラム押え１２は、ポリイミドや熱膨張率の小さなインバー材により形成されている。
【００２６】
予圧機構２１は、圧電素子１３の下端部と皿バネ機構１４との間及びアクチュエータボックス１０の周囲に配設されており、圧電素子１３に常時上向きの圧縮力を加えると共に、圧電素子１３に加わる圧縮力を外部から調整できるように構成されている。
【００２７】
即ち、予圧機構２１は、図２乃至図４に示す如く、圧電素子１３の直下位置に昇降自在に配設され、圧電素子１３の下端面に上側のボール１６を介して当接する円盤状の第１予圧治具２６と、アクチュエータボックス１０の外周面に上下動自在に嵌合された筒状の第２予圧治具２７と、第１予圧治具２６及び第２予圧治具２７に貫通状に挿着され、第１予圧治具２６と第２予圧治具２７とを連結すると共に、アクチュエータボックス１０に形成した縦長のガイド孔１０ｃに沿って上下動する二本の平行な連結ピン２８と、第２予圧治具２７の上端部外周面に上下方向へ移動調整自在に螺着された予圧調整用ナット２９と、上端部が予圧調整用ナット２９に当接する状態でアクチュエータボックス１０の周囲に配設され、第１予圧治具２６と連結ピン２８と第２予圧治具２７と予圧調整用ナット２９とを押し上げて圧電素子１３を常時加圧する予圧バネ３０とから成り、予圧バネ３０の反発力を予圧調整用ナット２９、第２予圧治具２７、連結ピン２８及び第１予圧治具２６を介して圧電素子１３に印加することによって、圧電素子１３を常時加圧し、又、予圧調整用ナット２９の締め込み量を変えることによって、圧電素子１３に加えられる圧縮力を自由に調整できるようになっている。
【００２８】
具体的には、第１予圧治具２６は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により円盤状に形成されており、圧電素子１３の下端部と皿バネ機構１４との間に昇降自在に配設されている。この第１予圧治具２６の上面中心部には、圧電素子１３の下端面に設けた上側のボール１６が支持載置される円錐状のボール受け溝２６ａが形成されていると共に、第１予圧治具２６の下面中心部には、ボール受け２４に支持載置された下側のボール１５が挿入される逆円錐状のボール受け溝２６ｂが形成されている。又、第１予圧治具２６には、二本の連結ピン２８が水平姿勢で且つ平行状態で挿着される二つの挿着孔２６ｃが第１予圧治具２６の軸心を中心にして左右対称状に形成されている。この二つの挿着孔２６ｃは、アクチュエータボックス１０の縦長のガイド孔１０ｃに対向するように形成されている。
【００２９】
第２予圧治具２７は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、アクチュエータボックス１０の外周面に上下方向へ摺動自在に嵌合されている。この第２予圧治具２７の下端部には、第１予圧治具２６の挿着孔２６ｃに挿着された二本の平行な連結ピン２８の両端部が夫々挿着される挿着孔２７ａが形成されていると共に、第２予圧治具２７の上端部外周面には、予圧調整用ナット２９が螺着される雄ネジ２７ｂが形成されている。
【００３０】
二本の連結ピン２８は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により軸状に形成されており、第１予圧治具２６及び第２予圧治具２７に貫通状に挿着されて第１予圧治具２６と第２予圧治具２７とを連結するものである。このとき、両連結ピン２８は、アクチュエータボックス１０の縦長のガイド孔１０ｃに遊嵌状態で挿通されてガイド孔１０ｃに沿って上下動できるようになっていると共に、ベース押え１１の上面に形成した窪み部１１ａに収納された状態になっている。
【００３１】
予圧調整用ナット２９は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により形成されており、第２予圧治具２７の上端部外周面に形成した雄ネジ２７ｂに上下方向へ移動調整自在に螺着されている。
【００３２】
予圧バネ３０は、上端部が予圧調整用ナット２９の下面に、又、下端部がベース押え１１の上面に夫々当接する状態でアクチュエータボックス１０の周囲に配設されており、その反発力により第１予圧治具２６と連結ピン２８と第２予圧治具２７と予圧調整用ナット２９とを押し上げて圧電素子１３を常時加圧するものである。この予圧バネ３０には、圧縮コイルスプリングが使用されている。又、予圧バネ３０は、予圧調整用ナット２９の締め込み量を調整することによって、圧電素子１３に加わる圧縮力を自由にすることができるようになっている。
【００３３】
尚、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整することにより、圧電素子１３による金属ダイヤフラム８の作動ストロークが設定値になるように調整されている。又、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、予圧調整用ナット２９の締め込み量を調整することにより、予圧バネ３０による圧電素子１３への圧縮力が設定値になるように調整されている。この例では、圧電素子１３に常時２００Ｎ程度の圧縮力が加わるように設定されている。更に、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、組み立てた後にはダイヤフラム押え１２、皿バネ機構１４の各部材、下側のボール１５、第１予圧治具２６、上側のボール１６、圧電素子１３等の軸心は高精度に一致した状態となっている。
【００３４】
而して、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクターを介して圧電素子１３に駆動電圧が印加されると、圧電素子１３は印加電圧に応じて設定値だけ伸長する。
このとき、圧電素子１３には、予圧機構２１により圧電素子１３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、制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電素子１３を収容するアクチュエータボックス１０等が熱膨張により伸びても、圧電素子１３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２１を介して圧電素子１３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金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラム８側へ確実且つ良好に伝達することができる。
【００３５】
図５のグラフは予圧機構２１の効果を確認するため、予圧機構２１を備えた本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１と予圧機構２１を備えていない通常の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の使用温度と変位量との関係をグラフ化したものであり、図５のグラフからも明らかなように、予圧機構２１を備えた本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の方が予圧機構２１を備えていない圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁に比べて圧電素子１３の発生力を金属ダイヤフラム８へ確実に伝達することができる。
【００３６】
圧電素子１３への電圧の印加により圧電素子１３が伸長すると、圧電素子１３の発生力により上側のボール１６、第１予圧治具２６、下側のボール１５及び皿バネ機構１４を介してダイヤフラム押え１２が押し下げられ、これにより金属ダイヤフラム８が弁座７ｃ側へ押し下げられて弁座７ｃに当座して閉弁状態となる。
金属ダイヤフラム８が弁座７ｃへ当座した後は、圧電素子１３の下端部とダイヤフラム押え１２との間に介設した皿バネ機構１４が圧電素子１３の伸長を吸収し、シート部（弁座７ｃ及び金属ダイヤフラム８の弁座７ｃに接触する部分から成る）には皿バネ２３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金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３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８及び弁座７ｃの損傷を防止することができる。
【００３７】
一方、圧電素子１３への印加電圧を解除すると、圧電素子１３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８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８がその弾性力により元の状態に復帰し、弁座７ｃから離座して開弁状態となる。
このとき、圧電素子１３には、予圧機構２１により圧電素子１３を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電素子１３の重量が金属ダイヤフラム８に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム８に掛かる重量はダイヤフラム押え１２と皿バネ機構１４の重さとなる。その結果、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、金属ダイヤフラム８に掛かる重量を軽減することができ、金属ダイヤフラム８がその弾性力により弁座７ｃから離座するときに金属ダイヤフラム８に掛かる負担が小さくなって金属ダイヤフラム８の延命化を図れる。
【００３８】
尚、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３を常時加圧する予圧機構２１の予圧バネ３０をアクチュエータボックス１０の周囲に配設すると共に、アクチュエータボックス１０の外側に位置する第２予圧治具２７に螺着した予圧調整用ナット２９により圧電素子１３に加わる圧縮力を調整できるようにしているため、大きな弾性力を有する予圧バネ３０を使用した場合でも、アクチュエータボックス等が大型化すると云うことがなく、又、制御弁自体を分解することなく圧電素子１３に加わる圧縮力を自由に調整することができる。
又、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、予圧機構２１の第２予圧治具２７、予圧調整用ナット２９及び予圧バネ３０をアクチュエータボックス１０の周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
更に、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、皿バネ機構１４が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間に配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置されたボール受け２４と、ダイヤフラム押えホルダー２２に上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネ２３の反発力を調整すると共に、ボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするバネ調整用ナット２５とから成り、バネ調整用ナット２５の締め込み量を調整することによって、皿バネ２３の反発力を調整できる構成としているため、皿バネ２３を別の皿バネ２３と交換することなく、皿バネ２３の反発力を自由に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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。
【符号の説明】
【００４０】
１は圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁、７はボディ、７ａ′は弁室、７ｃは弁座、８は金属ダイヤフラム、１０はアクチュエータボックス、１０ｃはガイド孔、１２はダイヤフラム押え、１３は圧電素子、１４は皿バネ機構、１５は下側のボール、１６は上側のボール、２１は予圧機構、２２はダイヤフラム押えホルダー、２２ｂは収納空間、２３は皿バネ、２４はボール受け、２５はバネ調整用ナット、２６は第１予圧治具、２７は第２予圧治具、２８は連結ピン、２９は予圧調整用ナット、３０は予圧バネ。
【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ノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の改良に係り、特に、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ノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型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が多く使用されている。
【０００３】
従来、圧電素子駆動式の駆動装置を用いた金属ダイヤフラム型制御弁としては、特開平７−３１０８４２号公報（特許文献１）や特開２００４−１９７７５４号公報（特許文献２）等に開示された構造のものが知られている。
【０００４】
即ち、特許文献１に開示された制御弁（図示省略）は、電圧の印加によって圧電素子（ピエゾアクチュエータ）が伸長すると、金属ダイヤフラムが下部受台、ボール及びダイヤフラム押えを介して弁座側へ押圧され、これにより金属ダイヤフラムが弁座に当座して閉弁状態となり、又、圧電素子への印加電圧を解除すると、圧電素子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がその弾性力により元の状態に復帰し、弁座から離座して開弁状態となるノーマルオープン型の制御弁である。
【０００５】
この制御弁は、圧電素子の発生力を下部受台、ボール及びダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムへ伝達しているため、圧電素子の伸長によりダイヤフラムが弁座に接触した後は圧電素子の発生力が直にシート部（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）に印加されることになる。その結果、制御弁のシート部に印加される力は、圧電素子の発生力のみに依存し、その調整が困難になるうえ、圧電素子の大きな発生力がシート部に掛かって金属ダイヤフラム及び弁座等が損傷する等の問題があった。
【０００６】
一方、特許文献２に開示された制御弁（図示省略）は、電圧の印加によって圧電素子（ピエゾアクチュエータ）が伸長すると、圧電素子の変位量が梃子構造の変位拡大機構により拡大され、弁棒及びダイヤフラム押えを介して金属ダイヤフラムが弁座側へ押圧されて弁座にして閉弁状態となり、又、圧電素子への印加電圧を解除すると、圧電素子が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、変位拡大機構がこれに設けた復帰弾性体により元の形態に復帰し、これにより金属ダイヤフラムに加わっていた押圧力が喪失して金属ダイヤフラムがその弾性力により元の状態に復帰し、弁座から離座して開弁状態となるノーマルオープン型の制御弁である。
【０００７】
この制御弁は、圧電素子の発生力を金属ダイヤフラムへ伝達する変位拡大機構が金属ダイヤフラムの弁座への当座時に圧電素子の伸長を吸収する定圧弾性体（緩衝用の皿バネ）を備えているため、金属ダイヤフラムが弁座に当座した後は定圧弾性体が圧電素子の伸長を吸収し、これによりシート部には定圧弾性体の変位量に応じた反発力が印加されることになる。その結果、制御弁のシート部に印加される力は、定圧弾性体の反発力となり、金属ダイヤフラムを弁座へ緩衝させながら当座させることができ、金属ダイヤフラム及び弁座に圧電素子の大きな発生力が掛かることがなく、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
【０００８】
ところで、緩衝用の皿バネ無しの制御弁に於いては、例えば、圧電素子の印加電圧１Ｖ当たりの変位量を０．３３３μｍ、圧電素子の印加電圧１Ｖ当たりの発生力を約５Ｎとすると、圧電素子の変位量に対する発生力は、５／０．３３３≒１５Ｎ／μｍとなる。又、緩衝用の皿バネを備えた制御弁に於いては、皿バネの変位量に対する発生力は、皿バネのバネ定数により約０．２６７Ｎ／μｍとなる。よって、緩衝用の皿バネを備えた制御弁のシート部に印加される力は、緩衝用の皿バネ無しの制御弁のシート部に印加される力の約１／５６となる。その結果、皿バネを備えた制御弁は、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
図６は制御弁のシート部への負荷と圧電素子に印加する電圧との関係をグラフ化したものであり、図６のグラフからも明らかなように皿バネ付の制御弁の方が皿バネ無しの制御弁に比べてシート部への負荷が極めて小さいことが判る。
【０００９】
しかし、皿バネ付の制御弁に於いても、解決すべき問題点が残されている。
即ち、制御弁を温度が１００℃以上のような高温環境下に於いて使用する場合には、圧電素子を収容する支持筒体（アクチュエータボックス）の熱膨張によって、圧電素子の上端部と支持筒体の上端部に螺着した調整用袋ナットとの間に隙間が発生し、圧電素子の伸長時にその発生力が金属ダイヤフラム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、圧電素子の変位量が極僅かであるため、制御弁を構成する各部材（支持筒体等）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（支持筒体の熱膨張による隙間の発生）を解決するためには、制御弁自体を予め圧電素子に外部から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。
【００１０】
尚、特開２００４−１９７７５４号公報（特許文献２）に開示された制御弁及び特開平２−２０３０８７号公報（特許文献３）に開示された制御弁には、圧電素子を加圧できるようにした復帰弾性体や荷重ばねが開示されている。
しかし、これらの制御弁に使用されている復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の部材（変位拡大機構や弁棒）を元の位置に復帰させるためのものである。又、復帰弾性体や荷重ばねは、何れも制御弁の内部に配設されているため、大きな弾性力を有する復帰弾性体や荷重ばねを使用した場合には、復帰弾性体や荷重ばねが大きいために制御弁自体が大型化すると云う問題があった。然も、内部に復帰弾性体や荷重ばねを配設した制御弁に於いては、その弾性力を調整したい場合には、制御弁を分解して内部の復帰弾性体や荷重ばねを別のものと交換したりしなければならず、制御弁の分解及び組立に極めて手数が掛かると云う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３１０８４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７７５４号公報
【特許文献３】特開平２−２０３０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、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と共に、制御弁自体を分解することなく、圧電素子に加わる圧縮力を簡単且つ容易に調整できるようにしたノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム制御弁を提供することにある。また、本発明は、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに、金属ダイヤフラムへ所定の押圧力を印加する皿バネの弾性力を調整できるようにした皿バネ機構を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム制御弁を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電素子１３の伸長によりダイヤフラム押え１２を介して弁座７ｃへ当座又は弁座７ｃから離座する金属ダイヤフラム８を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子１３と金属ダイヤフラム８との間に配設される皿バネ機構１４を、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間２２bを形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、圧電素子１３の下方に位置して圧電素子１３の伸長を皿バネ２３へ伝達するボール受け２４と、皿バネ２３の反発力を調整すると共にボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー２２に螺着されたバネ調整用ナット２５とから構成したことを特徴とするとから構成したことに特徴がある。
【００１４】
又、請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、圧電素子１３と皿バネ機構１４との間に配設され、圧電素子１３に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構２１を備えた構成としたことに特徴がある。
【００１５】
更に、請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、予圧機構２１は、圧電素子１３の直下位置に配設され、圧電素子１３の下端面にボール１６を介してバネの弾性力により上向きの圧縮力を加える構成としたことに特徴がある。
また、請求項４の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に於いて、予圧機構２１は、圧電素子１３に加える上向きの圧縮力を調整可能な構成としたことに特徴がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、次のような優れた効果を発揮することができる。
（１）即ち、本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構を備えているため、例えば、制御弁を高温環境下に於いて使用する場合に、圧電素子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金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラム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える。
（２）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構により圧電素子を常時上方へ圧縮しているため、圧電素子の重量が金属ダイヤフラムに掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラムに掛かる重量を軽減することができ、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ときに金属ダイヤフラムに掛かる負担が小さくなり、金属ダイヤフラムの延命化を図れる。
（３）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、圧電素子を常時加圧する予圧機構の予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設すると共に、アクチュエータボックスの外側に位置する第２予圧治具に螺着した予圧調整用ナットにより圧電素子に加わる圧縮力を調整できるようにしているため、大きな弾性力を有する予圧バネを使用した場合でも、アクチュエータボックス等が大型化すると云うことがなく、又、制御弁自体を分解することなく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。
（４）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、予圧機構の第２予圧治具、予圧調整用ナット及び予圧バネをアクチュエータボックスの周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
（５）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、金属ダイヤフラムの上面側に配設したダイヤフラム押えと圧電素子との間に、金属ダイヤフラムが弁座へ当座したときに圧電素子の伸長を吸収すると共に、弁座及び金属ダイヤフラムの弁座に接触する部分（シート部）へ所定の押圧力を印加する皿バネ機構を介設しているため、金属ダイヤフラムが弁座に当座した後は皿バネ機構が圧電素子の伸長を吸収することになり、圧電素子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、金属ダイヤフラム及び弁座の損傷を防止することができる。
（６）本発明の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁は、皿バネ機構が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダーと、ダイヤフラム押えホルダーの収納空間に配設された複数枚の皿バネと、最上位の皿バネの上面に載置されたボール受けと、ダイヤフラム押えホルダーに上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネの反発力を調整すると共に、ボール受け及び皿バネを抜け止めするバネ調整用ナットとから成り、バネ調整用ナットの締め込み量を調整することによって、皿バネの反発力を調整できる構成としているため、皿バネを別の皿バネと交換することなく、皿バネの反発力を自由に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係るノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型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】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の縦断正面図である。
【図３】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の縦断側面図である。
【図４】圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の要部の横断平面図である。
【図５】本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁と予圧機構を備えていない通常の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の使用温度と変位量との関係を示すグラフである。
【図６】制御弁のシート部への負荷と圧電素子に印加する電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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は本発明の実施の形態に係るノーマルオープン型の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の上流側に接続された入口側ブロック２と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の下流側に接続された出口側ブロック３と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の上流側に設けたガスケットフィルター６と、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１を制御する制御回路（図示省略）等から構成されており、オリフィス４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金属ダイヤフラム型制御弁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。
【００１９】
前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、図１に示す如く、ボディ７、金属ダイヤフラム８、押えアダプター９、アクチュエータボックス１０、ベース押え１１、ダイヤフラム押え１２、圧電素子１３（ピエゾアクチュエータ）、皿バネ機構１４、下側のボール１５、上側のボール１６、ベアリング受け１７、ベアリング１８、調整用袋ナット１９、ロックナット２０及び予圧機構２１等から構成されており、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ノーマルオープン型の制御弁である。
【００２０】
具体的には、ボディ７は、図１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７ａ′を形成する凹部７ａと、弁室７ａ′に連通する入口通路７ｂと、弁室７ａ′の底面に形成された環状の弁座７ｃと、弁室７ａ′に連通する出口通路７ｄと、圧力センサー５が挿着されるセンサー挿着穴７ｅ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７ｆと、オリフィス４が挿着されるオリフィス挿着孔７ｇ等を備えている。
このボディ７の上流側には、ボディ７の入口側通路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７の下流側には、ボディ７の出口通路７ｄ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。
【００２１】
金属ダイヤフラム８は、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−ム等を加えた耐久性、耐食性、耐熱性に優れた高弾性合金（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おり、弁座７ｃと対向するように凹部７ａ内へ配置され、凹部７ａ内に夫々挿入した筒状の押えアダプター９、アクチュエータボックス１０の下端部及びベース押え１１を複数本のボルト３１によりボディ７側へ締め込み固定することによって、金属ダイヤフラム８の外周縁部が押えアダプター９等によりボディ７側へ気密状に保持固定されている。
尚、金属ダイヤフラム８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８を積層した金属ダイヤフラム８であっても良い。
【００２２】
アクチュエータボックス１０は、図２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１０の下端部外周面には、ベース押え１１により下方へ押圧される段部１０ａが形成されていると共に、アクチュエータボックス１０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２０が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１０ｂが形成されている。又、アクチュエータボックス１０の下端部周壁には、予圧機構２１の構成部材である二本の連結ピン２８が遊嵌状態で挿通される縦長のガイド孔１０ｃが貫通状に形成されている。
【００２３】
圧電素子１３（ピエゾアクチュエータ）は、図１に示す如く、アクチュエータボックス１０内に配設されており、金属ダイヤフラム８を押圧するものである。この圧電素子１３は、その上端部側がアクチュエータボックス１０の上端部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を介して支持されており、電圧の印加により下方へ伸長して上側のボール１６、予圧機構２１の第１予圧治具２６、下側のボール１５、皿バネ機構１４及びダイヤフラム押え１２を介して金属ダイヤフラム８の中央部を弁座７ｃ側へ押圧するようになっている。
尚、圧電素子１３には、使用温度範囲が−２０℃〜１５０℃の積層タイプのものが使用されている。
【００２４】
皿バネ機構１４は、金属ダイヤフラム８の上面側に配設したダイヤフラム押え１２と圧電素子１３の直下位置に配設された予圧機構２１の第１予圧治具２６との間に介設されており、圧電素子１３の伸長により金属ダイヤフラム８が弁座７ｃへ当座したときに圧電素子１３の伸長を吸収すると共に、制御弁１のシート部（弁座７ｃ及び金属ダイヤフラム８の弁座７ｃ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。
【００２５】
即ち、皿バネ機構１４は、図２に示す如く、下端部にダイヤフラム押え１２が挿着される下向きの挿着穴２２ａを有すると共に、上端部に上方が開放された収納空間２２ｂを備え、中間部に隔壁２２ｃを形成した筒状のダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂに収納されて隔壁２２ｃに支持載置された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置され、上面中心部に上側のボール１６が支持載置される円錐状のボール受け溝２４ａを有すると共に、下端部外周面に鍔部２４ｂを備えたボール受け２４と、ダイヤフラム押えホルダー２２の上端部外周面に形成した雄ネジ２２ｄに上下方向へ移動調整自在に螺着され、ボール受け２４の鍔部２４ｂが係止されてボール受け２４及び皿バネ２３をダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間２２ｂから抜け止めすると共に、皿バネ２３の反発力を調整するバネ調整用ナット２５とから成り、バネ調整用ナット２５の締め込み量を調整することによって、皿バネ２３の反発力を自由に調整できるように構成されている。
尚、ダイヤフラム押えホルダー２２、ボール受け２４及びバネ調整用ナット２５は、熱膨張率の小さなインバー材により夫々形成されている。又、ダイヤフラム押え１２は、ポリイミドや熱膨張率の小さなインバー材により形成されている。
【００２６】
予圧機構２１は、圧電素子１３の下端部と皿バネ機構１４との間及びアクチュエータボックス１０の周囲に配設されており、圧電素子１３に常時上向きの圧縮力を加えると共に、圧電素子１３に加わる圧縮力を外部から調整できるように構成されている。
【００２７】
即ち、予圧機構２１は、図２乃至図４に示す如く、圧電素子１３の直下位置に昇降自在に配設され、圧電素子１３の下端面に上側のボール１６を介して当接する円盤状の第１予圧治具２６と、アクチュエータボックス１０の外周面に上下動自在に嵌合された筒状の第２予圧治具２７と、第１予圧治具２６及び第２予圧治具２７に貫通状に挿着され、第１予圧治具２６と第２予圧治具２７とを連結すると共に、アクチュエータボックス１０に形成した縦長のガイド孔１０ｃに沿って上下動する二本の平行な連結ピン２８と、第２予圧治具２７の上端部外周面に上下方向へ移動調整自在に螺着された予圧調整用ナット２９と、上端部が予圧調整用ナット２９に当接する状態でアクチュエータボックス１０の周囲に配設され、第１予圧治具２６と連結ピン２８と第２予圧治具２７と予圧調整用ナット２９とを押し上げて圧電素子１３を常時加圧する予圧バネ３０とから成り、予圧バネ３０の反発力を予圧調整用ナット２９、第２予圧治具２７、連結ピン２８及び第１予圧治具２６を介して圧電素子１３に印加することによって、圧電素子１３を常時加圧し、又、予圧調整用ナット２９の締め込み量を変えることによって、圧電素子１３に加えられる圧縮力を自由に調整できるようになっている。
【００２８】
具体的には、第１予圧治具２６は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により円盤状に形成されており、圧電素子１３の下端部と皿バネ機構１４との間に昇降自在に配設されている。この第１予圧治具２６の上面中心部には、圧電素子１３の下端面に設けた上側のボール１６が支持載置される円錐状のボール受け溝２６ａが形成されていると共に、第１予圧治具２６の下面中心部には、ボール受け２４に支持載置された下側のボール１５が挿入される逆円錐状のボール受け溝２６ｂが形成されている。又、第１予圧治具２６には、二本の連結ピン２８が水平姿勢で且つ平行状態で挿着される二つの挿着孔２６ｃが第１予圧治具２６の軸心を中心にして左右対称状に形成されている。この二つの挿着孔２６ｃは、アクチュエータボックス１０の縦長のガイド孔１０ｃに対向するように形成されている。
【００２９】
第２予圧治具２７は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、アクチュエータボックス１０の外周面に上下方向へ摺動自在に嵌合されている。この第２予圧治具２７の下端部には、第１予圧治具２６の挿着孔２６ｃに挿着された二本の平行な連結ピン２８の両端部が夫々挿着される挿着孔２７ａが形成されていると共に、第２予圧治具２７の上端部外周面には、予圧調整用ナット２９が螺着される雄ネジ２７ｂが形成されている。
【００３０】
二本の連結ピン２８は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により軸状に形成されており、第１予圧治具２６及び第２予圧治具２７に貫通状に挿着されて第１予圧治具２６と第２予圧治具２７とを連結するものである。このとき、両連結ピン２８は、アクチュエータボックス１０の縦長のガイド孔１０ｃに遊嵌状態で挿通されてガイド孔１０ｃに沿って上下動できるようになっていると共に、ベース押え１１の上面に形成した窪み部１１ａに収納された状態になっている。
【００３１】
予圧調整用ナット２９は、ステンレス材や熱膨張率の小さなインバー材により形成されており、第２予圧治具２７の上端部外周面に形成した雄ネジ２７ｂに上下方向へ移動調整自在に螺着されている。
【００３２】
予圧バネ３０は、上端部が予圧調整用ナット２９の下面に、又、下端部がベース押え１１の上面に夫々当接する状態でアクチュエータボックス１０の周囲に配設されており、その反発力により第１予圧治具２６と連結ピン２８と第２予圧治具２７と予圧調整用ナット２９とを押し上げて圧電素子１３を常時加圧するものである。この予圧バネ３０には、圧縮コイルスプリングが使用されている。又、予圧バネ３０は、予圧調整用ナット２９の締め込み量を調整することによって、圧電素子１３に加わる圧縮力を自由にすることができるようになっている。
【００３３】
尚、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、調整用袋ナット１９の締め込み量を調整することにより、圧電素子１３による金属ダイヤフラム８の作動ストロークが設定値になるように調整されている。又、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、予圧調整用ナット２９の締め込み量を調整することにより、予圧バネ３０による圧電素子１３への圧縮力が設定値になるように調整されている。この例では、圧電素子１３に常時２００Ｎ程度の圧縮力が加わるように設定されている。更に、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、組み立てた後にはダイヤフラム押え１２、皿バネ機構１４の各部材、下側のボール１５、第１予圧治具２６、上側のボール１６、圧電素子１３等の軸心は高精度に一致した状態となっている。
【００３４】
而して、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１によれば、制御回路（図示省略）からコネクターを介して圧電素子１３に駆動電圧が印加されると、圧電素子１３は印加電圧に応じて設定値だけ伸長する。
このとき、圧電素子１３には、予圧機構２１により圧電素子１３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、制御弁１を高温環境下に於いて使用した場合に、圧電素子１３を収容するアクチュエータボックス１０等が熱膨張により伸びても、圧電素子１３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２１を介して圧電素子１３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金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３の伸長時にその発生力を金属ダイヤフラム８側へ確実且つ良好に伝達することができる。
【００３５】
図５のグラフは予圧機構２１の効果を確認するため、予圧機構２１を備えた本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１と予圧機構２１を備えていない通常の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁の使用温度と変位量との関係をグラフ化したものであり、図５のグラフからも明らかなように、予圧機構２１を備えた本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１の方が予圧機構２１を備えていない圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁に比べて圧電素子１３の発生力を金属ダイヤフラム８へ確実に伝達することができる。
【００３６】
圧電素子１３への電圧の印加により圧電素子１３が伸長すると、圧電素子１３の発生力により上側のボール１６、第１予圧治具２６、下側のボール１５及び皿バネ機構１４を介してダイヤフラム押え１２が押し下げられ、これにより金属ダイヤフラム８が弁座７ｃ側へ押し下げられて弁座７ｃに当座して閉弁状態となる。
金属ダイヤフラム８が弁座７ｃへ当座した後は、圧電素子１３の下端部とダイヤフラム押え１２との間に介設した皿バネ機構１４が圧電素子１３の伸長を吸収し、シート部（弁座７ｃ及び金属ダイヤフラム８の弁座７ｃに接触する部分から成る）には皿バネ２３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金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３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８及び弁座７ｃの損傷を防止することができる。
【００３７】
一方、圧電素子１３への印加電圧を解除すると、圧電素子１３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８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８がその弾性力により元の状態に復帰し、弁座７ｃから離座して開弁状態となる。
このとき、圧電素子１３には、予圧機構２１により圧電素子１３を常時上方へ圧縮する圧縮力が加えられているため、圧電素子１３の重量が金属ダイヤフラム８に掛かると云うことがなく、金属ダイヤフラム８に掛かる重量はダイヤフラム押え１２と皿バネ機構１４の重さとなる。その結果、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、金属ダイヤフラム８に掛かる重量を軽減することができ、金属ダイヤフラム８がその弾性力により弁座７ｃから離座するときに金属ダイヤフラム８に掛かる負担が小さくなって金属ダイヤフラム８の延命化を図れる。
【００３８】
尚、前記圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、圧電素子１３を常時加圧する予圧機構２１の予圧バネ３０をアクチュエータボックス１０の周囲に配設すると共に、アクチュエータボックス１０の外側に位置する第２予圧治具２７に螺着した予圧調整用ナット２９により圧電素子１３に加わる圧縮力を調整できるようにしているため、大きな弾性力を有する予圧バネ３０を使用した場合でも、アクチュエータボックス等が大型化すると云うことがなく、又、制御弁自体を分解することなく圧電素子１３に加わる圧縮力を自由に調整することができる。
又、圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、予圧機構２１の第２予圧治具２７、予圧調整用ナット２９及び予圧バネ３０をアクチュエータボックス１０の周囲に配設しているため、組立も比較的簡単且つ容易に行える。
更に、この圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁１は、皿バネ機構１４が、上方が開放された収納空間を形成したダイヤフラム押えホルダー２２と、ダイヤフラム押えホルダー２２の収納空間に配設された複数枚の皿バネ２３と、最上位の皿バネ２３の上面に載置されたボール受け２４と、ダイヤフラム押えホルダー２２に上下方向へ移動調整自在に螺着され、皿バネ２３の反発力を調整すると共に、ボール受け２４及び皿バネ２３を抜け止めするバネ調整用ナット２５とから成り、バネ調整用ナット２５の締め込み量を調整することによって、皿バネ２３の反発力を調整できる構成としているため、皿バネ２３を別の皿バネ２３と交換することなく、皿バネ２３の反発力を自由に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁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。
【符号の説明】
【００４０】
１は圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁、７はボディ、７ａ′は弁室、７ｃは弁座、８は金属ダイヤフラム、１０はアクチュエータボックス、１０ｃはガイド孔、１２はダイヤフラム押え、１３は圧電素子、１４は皿バネ機構、１５は下側のボール、１６は上側のボール、２１は予圧機構、２２はダイヤフラム押えホルダー、２２ｂは収納空間、２３は皿バネ、２４はボール受け、２５はバネ調整用ナット、２６は第１予圧治具、２７は第２予圧治具、２８は連結ピン、２９は予圧調整用ナット、３０は予圧バネ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子（１３）の伸長によりダイヤフラム押え（１２）を介して弁座（７ｃ）へ当座又は弁座（７ｃ）から離座する金属ダイヤフラム（８）を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子（１３）と金属ダイヤフラム（８）との間に配設される皿バネ機構（１４）を、下端部にダイヤフラム押え（１２）が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間（２２ｂ）を形成したダイヤフラム押えホルダー（２２）と、ダイヤフラム押えホルダー（２２）の収納空間（２２ｂ）に配設された複数枚の皿バネ（２３）と、最上位の皿バネ（２３）の上面に載置され、圧電素子（１３）の下方に位置して圧電素子（１３）の伸長を皿バネ（２３）へ伝達するボール受け（２４）と、皿バネ（２３）の反発力を調整すると共にボール受け（２４）及び皿バネ（２３）を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー（２２）に螺着されたバネ調整用ナット（２５）とから構成したことを特徴とする圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項２】
圧電素子（１３）と皿バネ機構（１４）との間に配設され、圧電素子（１３）に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構（２１）を備えた請求項１に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項３】
予圧機構（２１）は、圧電素子（１３）の直下位置に配設され、圧電素子（１３）の下端面にボール（１６）を介してバネの弾性力により上向きの圧縮力を加える構成のものとした請求項１又は請求項２に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項４】
予圧機構（２１）は、圧電素子（１３）に加える上向きの圧縮力を調整可能な構成のものとした請求項１、請求項２又は請求項３に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項１】
圧電素子（１３）の伸長によりダイヤフラム押え（１２）を介して弁座（７ｃ）へ当座又は弁座（７ｃ）から離座する金属ダイヤフラム（８）を備えた圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁において、圧電素子（１３）と金属ダイヤフラム（８）との間に配設される皿バネ機構（１４）を、下端部にダイヤフラム押え（１２）が挿着されると共に上端部に上方が開放された収納空間（２２ｂ）を形成したダイヤフラム押えホルダー（２２）と、ダイヤフラム押えホルダー（２２）の収納空間（２２ｂ）に配設された複数枚の皿バネ（２３）と、最上位の皿バネ（２３）の上面に載置され、圧電素子（１３）の下方に位置して圧電素子（１３）の伸長を皿バネ（２３）へ伝達するボール受け（２４）と、皿バネ（２３）の反発力を調整すると共にボール受け（２４）及び皿バネ（２３）を抜け止めするようダイヤフラム押えホルダー（２２）に螺着されたバネ調整用ナット（２５）とから構成したことを特徴とする圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項２】
圧電素子（１３）と皿バネ機構（１４）との間に配設され、圧電素子（１３）に常時上向きの圧縮力を加える予圧機構（２１）を備えた請求項１に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項３】
予圧機構（２１）は、圧電素子（１３）の直下位置に配設され、圧電素子（１３）の下端面にボール（１６）を介してバネの弾性力により上向きの圧縮力を加える構成のものとした請求項１又は請求項２に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【請求項４】
予圧機構（２１）は、圧電素子（１３）に加える上向きの圧縮力を調整可能な構成のものとした請求項１、請求項２又は請求項３に記載の圧電素子駆動式金属ダイヤフラム型制御弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１９０４３０（Ｐ２０１０−１９０４３０Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２３００９（Ｐ２０１０−１２３００９）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【分割の表示】特願２００６−９６２５（Ｐ２００６−９６２５）の分割
【原出願日】平成１８年１月１８日（２００６．１．１８）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【分割の表示】特願２００６−９６２５（Ｐ２００６−９６２５）の分割
【原出願日】平成１８年１月１８日（２００６．１．１８）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【Ｆターム（参考）】
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