JP2018092622A - Piezoelectric drive type valve and flow rate control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置に関し、特に、半導体製造装置や化学プラント等において利用される流量制御装置が備える圧電駆動式バルブに関する。 The present invention relates to a piezoelectrically driven valve and a flow rate control device including the same, and more particularly to a piezoelectrically driven valve provided in a flow rate control device used in a semiconductor manufacturing apparatus, a chemical plant, or the like.
圧力式流量制御装置は、ピエゾ（圧電）素子駆動型の圧力制御バルブと絞り部（例えばオリフィスプレート）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので、半導体製造装置や化学プラントにおいて広く利用されている（例えば、特許文献１）。 The pressure type flow rate control device can control the flow rate of various fluids with high accuracy by a relatively simple mechanism combining a piezoelectric (piezoelectric) element drive type pressure control valve and a throttle (for example, an orifice plate). It is widely used in semiconductor manufacturing equipment and chemical plants (for example, Patent Document 1).
特許文献２および３には、圧電素子を用いたアクチュエータ（以下、「圧電アクチュエータ」と記すこともある）で弁体（例えば、金属ダイヤフラム）を開閉させるように構成された圧電駆動式制御バルブ（以下、「制御バルブ」と記すこともある）が開示されている。圧電駆動式制御バルブには、ノーマルオープン型とノーマルクローズ型とがあり、それぞれの型式に対応して、圧電アクチュエータの伸長を弁体の開閉動作に変換するための機構が設けられている。 In Patent Documents 2 and 3, a piezoelectrically driven control valve configured to open and close a valve body (for example, a metal diaphragm) by an actuator using a piezoelectric element (hereinafter also referred to as “piezoelectric actuator”) ( Hereinafter, it may be referred to as “control valve”). Piezoelectric drive type control valves are classified into a normal open type and a normal close type, and a mechanism for converting the expansion of the piezoelectric actuator into the opening / closing operation of the valve body is provided corresponding to each type.
しかし、流量制御装置は、近年、例えばＡＬＤ（Atomic layer deposition）などへの適用が求められており、このような用途では、高速な（周期が非常に短い）パルス状の制御信号によって制御バルブを開閉することが要求される。この場合、圧電駆動式制御バルブの開閉速度、変位量および開閉頻度は、格段に増加する。 However, in recent years, the flow control device has been required to be applied to, for example, ALD (Atomic layer deposition), and in such applications, the control valve is controlled by a high-speed (very short cycle) pulse-like control signal. It is required to open and close. In this case, the opening / closing speed, displacement amount, and opening / closing frequency of the piezoelectrically driven control valve are remarkably increased.
これにより、圧電アクチュエータは、絶縁抵抗の低下等による経年劣化が生じやすくなり、高精度な流量・圧力の制御ができなくなるという問題が生じることがあった（例えば、特許文献４）。 As a result, the piezoelectric actuator is likely to deteriorate over time due to a decrease in insulation resistance and the like, and there is a problem that the flow rate and pressure cannot be controlled with high accuracy (for example, Patent Document 4).
すなわち、上記のような用途にあっては、従来想定している圧電駆動式バルブの耐久年数よりも早い段階で不具合が生じる場合がある。この場合、圧電アクチュエータに所定の駆動電圧を印加すると、以前とは異なる、精度を大きく逸脱した流量で流体が流れる可能性があった。 In other words, in the above-described applications, there may be a problem at an earlier stage than the expected life of a piezoelectrically driven valve that has been conventionally assumed. In this case, when a predetermined drive voltage is applied to the piezoelectric actuator, there is a possibility that the fluid flows at a flow rate greatly deviating from the accuracy, which is different from before.
また、このような課題のある従来の圧電駆動式制御バルブを備えた流量制御装置を半導体製造プロセスにおいて使用すると、動作不良の要因が圧電駆動式制御バルブに起因するものなのか否かを、迅速かつ確実に判断することが困難な場合がある。そのために、動作不良状態下で半導体製造プロセスを継続し、多大な損失を被るおそれがあった。 In addition, when a flow control device having a conventional piezoelectric drive control valve having such a problem is used in a semiconductor manufacturing process, it is possible to quickly determine whether the cause of the malfunction is due to the piezoelectric drive control valve. And it may be difficult to make a reliable judgment. For this reason, there has been a risk that the semiconductor manufacturing process is continued under a malfunctioning state and a great loss is incurred.
さらに、従来、圧力式流量制御装置において制御バルブの駆動電圧は、圧力センサの出力からフィードバック制御されており、流量制御のために駆動電圧の絶対値はさほど問題ではなかった。つまり、実際の弁の開閉度と駆動電圧との関係性が、経年劣化などによって変動していたとしても、流量制御の観点からは大きな問題が生じていなかった。 Further, conventionally, in the pressure type flow rate control device, the drive voltage of the control valve is feedback-controlled from the output of the pressure sensor, and the absolute value of the drive voltage is not a problem for flow rate control. In other words, even if the relationship between the actual valve opening / closing degree and the drive voltage fluctuates due to aging degradation, no major problem has occurred from the viewpoint of flow rate control.
このため、制御バルブの開度を検出することまでは特に必要とされていなかったが、本願発明者は、駆動電圧のみしか参照していないと、動作不良が生じたときに発見や予測が適切に行えない場合がある、という事を見出した。 For this reason, it was not particularly necessary to detect the opening degree of the control valve. However, the present inventor, when referring only to the drive voltage, is suitable for discovery and prediction when a malfunction occurs. I found out that there is a case that can not be done.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、動作不良の発見や予測の性能が向上した圧電駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its main object to provide a piezoelectric drive valve with improved performance in finding and predicting malfunctions and a flow control device including the same. .
本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、流路が設けられた弁本体と、前記流路上に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記支持筒体が移動し、前記支持筒体によって前記弁体が移動するように構成された圧電駆動式バルブであって、平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、前記ギャップセンサの前記平面センサおよび前記対向部材のうちのいずれか一方は前記弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出する。 A piezoelectrically driven valve according to an embodiment of the present invention is configured to move a valve body provided with a flow path, a valve seat provided on the flow path, a valve body that is attached to and detached from the valve seat, and the valve body. And a support cylinder body that accommodates the piezoelectric element, wherein the support cylinder body is moved by extension of the piezoelectric element, and the valve body is moved by the support cylinder body. A gap sensor comprising a planar sensor and a facing member having a surface facing the planar sensor, wherein one of the planar sensor and the facing member of the gap sensor is stationary with respect to the valve body. The other end is fixed to the support cylinder, and a change in the distance between the planar sensor and the opposing member is detected as a movement amount of the support cylinder.
ある実施形態において、前記対向部材の前記対向する面は、導電体によって形成されている。 In one embodiment, the opposing surfaces of the opposing member are formed of a conductor.
ある実施形態において、前記対向部材の、前記平面センサと対向する面と反対側の面において、前記平面センサと同じ構成を有する温度補償用センサが設けられている。 In one embodiment, a temperature compensation sensor having the same configuration as the planar sensor is provided on a surface of the facing member opposite to the surface facing the planar sensor.
ある実施形態において、前記平面センサは発振回路を有しており、前記ギャップセンサは、前記平面センサと前記対向面との距離の変化を発振周波数の変化として検出する。 In one embodiment, the planar sensor includes an oscillation circuit, and the gap sensor detects a change in the distance between the planar sensor and the facing surface as a change in oscillation frequency.
ある実施形態において、前記平面センサの出力値と前記支持筒体の移動量との関係を示すテーブルを格納する記憶装置を備え、前記テーブルを用いて前記支持筒体の移動量が検出される。 In one embodiment, the apparatus includes a storage device that stores a table indicating a relationship between the output value of the flat sensor and the amount of movement of the support cylinder, and the amount of movement of the support cylinder is detected using the table.
ある実施形態において、前記圧電素子に電圧が印加されていない状態において、前記平面センサと前記対向部材の前記対向する面との間の距離が３０μｍ以上３００μｍ以下である。 In one embodiment, in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element, a distance between the planar sensor and the facing surface of the facing member is 30 μm or more and 300 μm or less.
ある実施形態において、前記弁本体に固定され、前記支持筒体の下部を覆うように設けられたガイド部材を有し、前記平面センサは前記ガイド部材に固定され、前記対向部材は前記支持筒体に固定されている。 In one embodiment, a guide member is provided that is fixed to the valve body and covers a lower portion of the support cylinder, the planar sensor is fixed to the guide member, and the opposing member is the support cylinder. It is fixed to.
ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、ノーマルクローズ型の制御バルブである。 In one embodiment, the piezoelectrically driven valve is a normally closed control valve.
ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、可変オリフィス装置として用いられ、前記ギャップセンサによってオリフィス開度を検出し開度位置を制御するように構成されている。 In one embodiment, the piezoelectric drive type valve is used as a variable orifice device, and is configured to detect an orifice opening degree by the gap sensor and control the opening position.
ある実施形態において、前記ギャップセンサによる移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子と前記支持筒体とを含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断する。 In one embodiment, the amount of movement by the gap sensor is monitored and compared with a normal state to determine whether there is an abnormality in the piezoelectric actuator including the piezoelectric element and the support cylinder.
本発明の実施形態による流量制御装置は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上記いずれかの圧電駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電駆動式バルブとの間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記圧電駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算制御部とを備える。 A flow control device according to an embodiment of the present invention includes a throttle unit, any one of the piezoelectric drive valves provided on the upstream side of the throttle unit, and a gas pressure between the throttle unit and the piezoelectric drive valve. And a calculation control unit that determines a drive voltage of the piezoelectric drive valve based on an output of the pressure sensor.
本発明の実施形態によれば、圧電駆動式バルブにおける動作不良の発見や予測をより確実に行うことができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to more reliably detect and predict malfunctions in a piezoelectrically driven valve.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments.
図１は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置８（以下、単に流量制御装置８と称することがある）の構成を示す図である。流量制御装置８は、流体Ｇが通過する流路（ガス供給路）１に介在する絞り部２（例えばオリフィスプレート）と、絞り部２の上流側に設けられた第１圧力センサ３および温度センサ５と、絞り部２の下流側に設けられた第２圧力センサ４と、第１圧力センサ３の上流側に設けられた圧電駆動式バルブである制御バルブ６とを備えている。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pressure type flow rate control device 8 (hereinafter sometimes simply referred to as a flow rate control device 8) according to an embodiment of the present invention. The flow control device 8 includes a throttle part 2 (for example, an orifice plate) interposed in a flow path (gas supply path) 1 through which the fluid G passes, a first pressure sensor 3 and a temperature sensor provided on the upstream side of the throttle part 2. 5, a second pressure sensor 4 provided on the downstream side of the throttle unit 2, and a control valve 6 that is a piezoelectric drive valve provided on the upstream side of the first pressure sensor 3.
第１圧力センサ３は、制御バルブ６と絞り部２との間の流路の圧力である上流圧力Ｐ1を測定することができ、第２圧力センサ４は、絞り部２と下流バルブ９との間の流路の圧力である下流圧力Ｐ2を測定することができる。 The first pressure sensor 3 can measure the upstream pressure P 1 that is the pressure in the flow path between the control valve 6 and the throttle unit 2, and the second pressure sensor 4 includes the throttle unit 2 and the downstream valve 9. The downstream pressure P 2 , which is the pressure of the flow path between, can be measured.
流量制御装置８はまた、第１圧力センサ３および第２圧力センサ４の出力に基づいて制御バルブ６の開閉動作を制御する演算処理回路７を備えている。演算処理回路７は、外部制御装置１２から受け取った設定流量と、第１および第２圧力センサ３、４の出力から演算した流量とを比較し、演算流量が設定流量に近づくように制御バルブ６の駆動機構６Ｂおよび弁機構６Ａを駆動する。 The flow control device 8 also includes an arithmetic processing circuit 7 that controls the opening / closing operation of the control valve 6 based on the outputs of the first pressure sensor 3 and the second pressure sensor 4. The arithmetic processing circuit 7 compares the set flow rate received from the external control device 12 with the flow rate calculated from the outputs of the first and second pressure sensors 3 and 4 and controls the control valve 6 so that the calculated flow rate approaches the set flow rate. The drive mechanism 6B and the valve mechanism 6A are driven.
流量制御装置８は、図示する態様とは異なり、第２圧力センサ４を備えていなくてもよく、この場合、演算処理回路７は、第１圧力センサ３の出力に基づいて流量を演算する。また、演算処理回路７は、好適な態様において、温度センサ５が検出した流体温度に基づいて、演算流量を補正するように構成されている。 Unlike the illustrated embodiment, the flow control device 8 may not include the second pressure sensor 4. In this case, the arithmetic processing circuit 7 calculates the flow rate based on the output of the first pressure sensor 3. In a preferred embodiment, the arithmetic processing circuit 7 is configured to correct the arithmetic flow rate based on the fluid temperature detected by the temperature sensor 5.
絞り部２としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ〜５００μｍに設定される。下流バルブ９としては、例えば、電磁弁によって圧縮空気の供給が制御される公知の流体動作弁を用いることができる。なお、オリフィス部材を開閉弁の近傍に配置したオリフィス内蔵弁が知られており、これを絞り部２および下流バルブ９を一体化した構成として流量制御装置８に組み込んでもよい。 As the throttle portion 2, a critical nozzle or a sonic nozzle can be used in addition to an orifice member such as an orifice plate. The diameter of the orifice or nozzle is set to, for example, 10 μm to 500 μm. As the downstream valve 9, for example, a known fluid operation valve in which the supply of compressed air is controlled by an electromagnetic valve can be used. An orifice built-in valve in which an orifice member is disposed in the vicinity of the on-off valve is known, and this may be incorporated in the flow control device 8 as a configuration in which the throttle portion 2 and the downstream valve 9 are integrated.
流量制御装置８の流路１は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。第１および第２圧力センサ３、４は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。 The flow path 1 of the flow control device 8 may be constituted by a pipe or may be constituted by a flow path hole formed in a metal block. The first and second pressure sensors 3 and 4 may include, for example, a silicon single crystal sensor chip and a diaphragm.
本実施形態において、制御バルブ６は、例えば金属ダイヤフラムを含む弁機構６Ａを、圧電アクチュエータで構成された駆動機構６Ｂを用いて開閉する圧電駆動型制御バルブである。制御バルブ６の詳細な構成については後述する。 In the present embodiment, the control valve 6 is a piezoelectric drive type control valve that opens and closes a valve mechanism 6A including, for example, a metal diaphragm by using a drive mechanism 6B configured by a piezoelectric actuator. The detailed configuration of the control valve 6 will be described later.
このように構成された流量制御装置８を含む流体供給システムにおいて、制御バルブ６の上流側は、原料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどのガス供給源に接続され、第２圧力センサ４の下流側は、下流バルブ９を介して半導体製造装置のプロセスチャンバ１０に接続されている。プロセスチャンバ１０には真空プロセスを行うための真空ポンプ１１が接続されており、ガス供給時にはプロセスチャンバ１０の内部が真空引きされる。 In the fluid supply system including the flow rate control device 8 configured as described above, the upstream side of the control valve 6 is connected to a gas supply source such as a source gas, an etching gas, or a carrier gas, and is downstream of the second pressure sensor 4. Is connected to a process chamber 10 of a semiconductor manufacturing apparatus via a downstream valve 9. A vacuum pump 11 for performing a vacuum process is connected to the process chamber 10, and the inside of the process chamber 10 is evacuated when supplying gas.
本実施形態の流量制御装置８は、圧力式の流量制御装置であり、臨界膨張条件Ｐ1／Ｐ2≧約２（Ｐ1：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、Ｐ2：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力））を満たすとき、絞り部を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力Ｐ2によらず上流圧力Ｐ1によって決まるという原理を利用して流量制御を行っている。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ1・Ｐ1（Ｋ1は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられ、流量Ｑは上流圧力Ｐ1に比例する。また、第２圧力センサ４を備える場合、上流圧力Ｐ1と下流圧力Ｐ2との差が小さく、臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力Ｐ1および下流側圧力Ｐ2に基づいて、所定の計算式Ｑ＝Ｋ2・Ｐ2 m（Ｐ1−Ｐ2）n（ここでＫ2は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。 The flow rate control device 8 of the present embodiment is a pressure type flow rate control device, and the critical expansion condition P 1 / P 2 ≧ about 2 (P 1 : gas pressure (upstream pressure) on the upstream side of the throttle part, P 2 : throttle When the gas pressure on the downstream side (downstream pressure) is satisfied, the flow velocity of the gas passing through the throttle is fixed at the sonic velocity, and the flow rate is determined by the upstream pressure P 1 regardless of the downstream pressure P 2. Flow control is performed. When the critical expansion condition is satisfied, the flow rate Q downstream of the throttle is given by Q = K 1 · P 1 (K 1 is a constant that depends on the type of fluid and the fluid temperature), and the flow rate Q is equal to the upstream pressure P 1 . Proportional. Further, when the second pressure sensor 4 is provided, the flow rate can be calculated even when the difference between the upstream pressure P 1 and the downstream pressure P 2 is small and the critical expansion condition is not satisfied, and is measured by each pressure sensor. Based on the determined upstream pressure P 1 and downstream pressure P 2 , a predetermined calculation formula Q = K 2 · P 2 m (P 1 −P 2 ) n (where K 2 depends on the type of fluid and the fluid temperature) The flow rate Q can be calculated from the constants m and n are indices derived based on the actual flow rate.
流量制御を行うために、外部制御装置１２において設定された設定流量が、外部制御装置１２から演算処理回路７に送られる。演算処理回路７は、第１圧力センサ３の出力（上流圧力Ｐ1）、第２圧力センサ４の出力（下流圧力Ｐ2）、および、温度センサ５の出力（ガス温度Ｔ1）などに基づいて、臨界膨張条件または非臨界膨張条件における流量計算式を用いて、上記のＱ＝Ｋ1・Ｐ1またはＱ＝Ｋ2・Ｐ2 m（Ｐ1−Ｐ2）nから演算により流量を求める。そして、絞り部２を通過する流体の流量が設定流量に近づくように制御バルブ６を制御する。また、演算した流量を外部制御装置１２に出力するとともにこれを流量出力値として表示してもよい。 In order to perform flow rate control, the set flow rate set in the external control device 12 is sent from the external control device 12 to the arithmetic processing circuit 7. The arithmetic processing circuit 7 is based on the output of the first pressure sensor 3 (upstream pressure P 1 ), the output of the second pressure sensor 4 (downstream pressure P 2 ), the output of the temperature sensor 5 (gas temperature T 1 ), and the like. The flow rate is calculated from the above Q = K 1 · P 1 or Q = K 2 · P 2 m (P 1 −P 2 ) n using the flow rate calculation formula under the critical expansion condition or the non-critical expansion condition. . Then, the control valve 6 is controlled so that the flow rate of the fluid passing through the throttle unit 2 approaches the set flow rate. Further, the calculated flow rate may be output to the external control device 12 and displayed as a flow rate output value.
以下、本実施形態における制御バルブ６について詳細に説明する。 Hereinafter, the control valve 6 in the present embodiment will be described in detail.
図２は、制御バルブ６の構成を示す断面図である。制御バルブ６は、圧電素子２０を用いて弁体２２の開閉動作を行うノーマルクローズ型の圧電駆動式バルブである。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the control valve 6. The control valve 6 is a normally closed piezoelectric drive valve that uses the piezoelectric element 20 to open and close the valve body 22.
図２に示すように、制御バルブ６は、流路１が設けられた弁本体２１と、流路上に設けられた弁座２１ａおよびこれに近接して離着座可能に配置された弁体２２と、弁体２２に接する弁体押さえ２５と、圧電素子２０と、圧電素子２０を収容する支持筒体２３とを備えている。圧電素子２０および支持筒体２３は、制御回路基板７’とともに保護ケース１６内に配置されている。本実施形態において、弁体押さえ２５は、支持筒体２３の先端に固定されており、支持筒体２３と一体的に移動する。なお、離着座とは、弁体が弁座に対して当接および離間することを意味する。 As shown in FIG. 2, the control valve 6 includes a valve main body 21 provided with the flow path 1, a valve seat 21 a provided on the flow path, and a valve body 22 disposed so as to be able to be separated and seated in the vicinity thereof. , A valve body presser 25 in contact with the valve body 22, a piezoelectric element 20, and a support cylinder body 23 that accommodates the piezoelectric element 20. The piezoelectric element 20 and the support cylinder 23 are disposed in the protective case 16 together with the control circuit board 7 '. In the present embodiment, the valve body presser 25 is fixed to the tip of the support cylinder 23 and moves integrally with the support cylinder 23. In addition, separation seat means that a valve body contact | abuts and leaves | separates with respect to a valve seat.
制御バルブ６において、圧電素子２０には、コネクタ１５を介して、制御回路基板７’に設けられた演算処理回路７（図１参照）により制御された駆動電圧が印加され、駆動電圧の大きさに応じて圧電素子２０が伸長する。圧電素子２０としては、積層された複数の圧電素子（ピエゾスタックともいう）を用いることもできる。単数または複数の圧電素子２０が金属ケース内に密封されたものが圧電アクチュエータとして知られており、圧電アクチュエータとしては、例えば株式会社NTKセラテック等から販売されているものを使用することができる。以下、圧電素子２０を用いて構成されたアクチュエータを、圧電アクチュエータ２０と称して説明することがある。 In the control valve 6, a drive voltage controlled by the arithmetic processing circuit 7 (see FIG. 1) provided on the control circuit board 7 ′ is applied to the piezoelectric element 20 via the connector 15. Accordingly, the piezoelectric element 20 expands. As the piezoelectric element 20, a plurality of stacked piezoelectric elements (also referred to as piezo stacks) can be used. One or a plurality of piezoelectric elements 20 sealed in a metal case is known as a piezoelectric actuator, and as the piezoelectric actuator, for example, one sold by NTK Ceratech Co., Ltd. can be used. Hereinafter, an actuator configured using the piezoelectric element 20 may be referred to as a piezoelectric actuator 20.
弁本体２１はステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部及び流体入口、流体出口、流路、弁室及び弁座２１ａ等を備えている。本実施形態では、一次接続部２１ｂおよびオリフィス取付部２１ｃを介して、弁本体２１の両側に入口継手および出口継手が接続されている。一次接続部２１ｂは、例えば、接続ガイドやガスケットから構成されていてよく、オリフィス取付部２１ｃは、図１に示した絞り部２としてのオリフィスプレート、オリフィスガイド、ガスケット等から構成されていてよい。 The valve body 21 is made of stainless steel, and includes a hole part forming a part of the valve chamber, a fluid inlet, a fluid outlet, a flow path, a valve chamber, a valve seat 21a, and the like. In this embodiment, the inlet joint and the outlet joint are connected to both sides of the valve body 21 via the primary connection portion 21b and the orifice mounting portion 21c. The primary connection part 21b may be constituted by, for example, a connection guide or a gasket, and the orifice mounting part 21c may be constituted by an orifice plate, an orifice guide, a gasket or the like as the throttle part 2 shown in FIG.
また、図２に示す態様では、弁本体２１の下面側において、図１に示した第１圧力センサ３が取り付けられている。ただし、これに限られず、第１圧力センサ３は、弁本体の上面側に取り付けられていてもよい。また、図２には示していないが、第２圧力センサ４（図１参照）が、オリフィス取付部２１ｃの下流側に設けられていてもよいことは言うまでもない。 In the embodiment shown in FIG. 2, the first pressure sensor 3 shown in FIG. 1 is attached on the lower surface side of the valve body 21. However, it is not restricted to this, The 1st pressure sensor 3 may be attached to the upper surface side of the valve main body. Moreover, although not shown in FIG. 2, it goes without saying that the second pressure sensor 4 (see FIG. 1) may be provided on the downstream side of the orifice mounting portion 21c.
本実施形態における弁体２２は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムである。金属ダイヤフラムは、例えばニッケルクロム合金鋼等の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている。尚、金属ダイヤフラムの形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。更に、金属ダイヤフラム２２は、１枚のダイヤフラムを使用するか、或いは、２〜３枚のダイヤフラムを積層したダイヤフラム弁体とすることもある。 The valve body 22 in the present embodiment is a self-elastic return type metal diaphragm. The metal diaphragm is formed of a thin plate such as nickel chrome alloy steel, for example, and is formed in an inverted dish shape with a central portion slightly bulging upward. The shape of the metal diaphragm may be a flat plate shape, and the material may be stainless steel, Inconel alloy or other alloy steel. Further, the metal diaphragm 22 may use a single diaphragm or may be a diaphragm valve body in which two to three diaphragms are laminated.
金属ダイヤフラム２２は、前記弁座２１ａと対向状に弁室内へ配設されている。金属ダイヤフラム２２の外周縁は、押えアダプター２５ａ、割りベース２６及びガイド部材２４を介設して取付けボルトを弁本体２１へ締め込むことにより、弁本体２１側へ気密に保持固定されている。なお、押えアダプター２５ａ、ガイド部材２４、割りベース２６等はステンレス鋼等の金属製であってよい。ガイド部材２４は、支持筒体２３の下部を覆うように設けられた中空の部材であり、弁本体２１に対してネジなどの固定部材によって固定されている。また、ガイド部材２４と支持筒体２３との間にはＯリング２７が設けられている。 The metal diaphragm 22 is disposed in the valve chamber so as to face the valve seat 21a. The outer peripheral edge of the metal diaphragm 22 is airtightly held and fixed to the valve main body 21 side by tightening a mounting bolt to the valve main body 21 through a presser adapter 25a, a split base 26 and a guide member 24. The presser adapter 25a, the guide member 24, the split base 26 and the like may be made of a metal such as stainless steel. The guide member 24 is a hollow member provided so as to cover the lower portion of the support cylinder 23, and is fixed to the valve body 21 by a fixing member such as a screw. An O-ring 27 is provided between the guide member 24 and the support cylinder 23.
支持筒体２３は、例えば熱膨脹率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、図３（ａ）に示すように、圧電アクチュエータ２０を収納する太径部２３ｃと、下部受台２９や弾性部材２８等を収納する縮径部２３ｄとを有している。また、支持筒体２３の最下端部には、弁体押さえ２５を嵌着するための嵌着部２３ｅが形成されている。嵌着部２３ｅは、本実施形態では、弁体押さえ２５が挿入固定される凹所であるが、これに限られず、弁体押さえ２５を固定できる限り種々の態様を有していてよい。また、支持筒体２３と弁体押さえ２５とは一体的に設けられていてもよい。 The support cylinder 23 is formed in a cylindrical shape by, for example, an invar material having a small coefficient of thermal expansion, and as shown in FIG. 3A, a large diameter portion 23c that houses the piezoelectric actuator 20, a lower cradle 29, and an elastic And a reduced diameter portion 23d for accommodating the member 28 and the like. A fitting portion 23 e for fitting the valve body presser 25 is formed at the lowermost end portion of the support cylinder 23. In this embodiment, the fitting portion 23e is a recess into which the valve body presser 25 is inserted and fixed. However, the fitting portion 23e is not limited to this, and may have various modes as long as the valve body presser 25 can be fixed. Moreover, the support cylinder 23 and the valve body presser 25 may be provided integrally.
図３（ａ）は、支持筒体２３の縦断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。支持筒体２３の太径部２３ｃと縮径部２３ｄとの境界近傍において、支持筒体２３の中心軸を挟んで対向するように配置された一対の孔部２３ａが設けられている。孔部２３ａには、図４に示す一対の割りベース片２６ａが両側から対向して挿入され、挿入された割りベース片２６ａが組合せられる。組合せられた割りベース片２６ａは、ガイド部材２４によって、割りベース２６として一体的に保持固定される。なお、割りベース片２６ａを組付ける前に、縮径部２３ｄの底部２３ｂには、図２に示す弾性部材２８が予め挿着される。 3A is a longitudinal sectional view of the support cylinder 23, and FIG. 3B is a sectional view taken along line AA in FIG. 3A. In the vicinity of the boundary between the large diameter portion 23c and the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23, a pair of hole portions 23a are provided so as to face each other across the central axis of the support cylinder 23. A pair of split base pieces 26a shown in FIG. 4 are inserted into the hole 23a so as to face each other, and the inserted split base pieces 26a are combined. The combined split base piece 26 a is integrally held and fixed as the split base 26 by the guide member 24. Note that before assembling the split base piece 26a, the elastic member 28 shown in FIG. 2 is inserted in advance into the bottom 23b of the reduced diameter portion 23d.
図４（ａ）は、割りベース２６を示す平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４（ａ）および（ｂ）からわかるように、割りベース２６は、割りベース片２６ａを組み合わせたとき、上壁２６ｂを備えた短円筒体の下端外周に鍔部２６ｃが形成された形状を有する。上壁２６ｂには、支持筒体２３の縮径部２３ｄが貫通する挿通孔２６ｄが設けられている。また、上壁２６ｂの中心部には、下部受台２９を支持する嵌合部２６ｅが形成されている。 4A is a plan view showing the split base 26, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4A. 4A and 4B, when the split base piece 26a is combined, the split base 26 has a shape in which a flange 26c is formed on the outer periphery of the lower end of the short cylindrical body having the upper wall 26b. Have. The upper wall 26b is provided with an insertion hole 26d through which the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23 passes. A fitting portion 26e that supports the lower pedestal 29 is formed at the center of the upper wall 26b.
図２に示すように、割りベース２６の鍔部２６ｃは、ガイド部材２４の下端により押圧力を受けることによって押えアダプター２５ａを押圧する。また、挿通孔２６ｄは、支持筒体２３の縮径部２３ｄの壁体（一対の孔部２３ａの間の部分）を挿通させることができ、割りベース２６を支持筒体２３の外側から組み付けることを可能にしている。 As shown in FIG. 2, the flange portion 26 c of the split base 26 presses the presser adapter 25 a by receiving a pressing force from the lower end of the guide member 24. The insertion hole 26 d can be inserted through the wall of the reduced diameter portion 23 d of the support cylinder 23 (a portion between the pair of holes 23 a), and the split base 26 is assembled from the outside of the support cylinder 23. Is possible.
制御バルブ６の組立ての手順を説明すると、まず、弁本体２１に設けられた取り付け凹部内（弁座２１ａが形成された取り付け凹部）内へ、金属ダイヤフラム２２、押えアダプター２５ａ、弁体押さえ２５を固定した支持筒体２３、弾性部材２８、割りベース２６の順に組み付け、ガイド部材２４を介して支持筒体２３を弁本体２１へ挿着する。次に、支持筒体２３内へ、下部受台２９、ボールや半球体、圧電アクチュエータ２０などを挿着し、位置決め材１７を形成する袋ナットの締込量を調整することにより、圧電アクチュエータ２０による金属ダイヤフラム２２の作動ストロークを設定値に微調整する。 The procedure for assembling the control valve 6 will be described. First, the metal diaphragm 22, the presser adapter 25 a, and the valve body retainer 25 are placed in the mounting recess provided in the valve body 21 (the mounting recess in which the valve seat 21 a is formed). The fixed support cylinder 23, the elastic member 28, and the split base 26 are assembled in this order, and the support cylinder 23 is inserted into the valve body 21 via the guide member 24. Next, the lower cradle 29, a ball or hemisphere, the piezoelectric actuator 20 or the like is inserted into the support cylinder 23, and the piezoelectric nut 20 is adjusted by adjusting the tightening amount of the cap nut forming the positioning member 17. The operating stroke of the metal diaphragm 22 is finely adjusted to the set value.
以上に説明した制御バルブ６において、圧電アクチュエータ（圧電素子）２０の下面に接する半球体が設けられており、この半球体は下部受台２９によって支持されている。また、下部受台２９は、図４（ａ）および（ｂ）に示す割りベース２６によって支持されており、割りベース２６は、ガイド部材２４によって弁本体２１に固定されている。なお、図２に示した例では、下部受台９と圧電アクチュエータ２０との間に別途に形成した半球体を介挿するようにしているが、圧電アクチュエータ２０の下端面の中央に先端が球面状の突起体を一体的に形成し、これを半球体として下部受台９へ接当させる構成とすることもある。 In the control valve 6 described above, a hemispherical body in contact with the lower surface of the piezoelectric actuator (piezoelectric element) 20 is provided, and this hemispherical body is supported by the lower pedestal 29. The lower pedestal 29 is supported by a split base 26 shown in FIGS. 4A and 4B, and the split base 26 is fixed to the valve body 21 by a guide member 24. In the example shown in FIG. 2, a hemisphere formed separately is inserted between the lower cradle 9 and the piezoelectric actuator 20, but the tip is spherical at the center of the lower end surface of the piezoelectric actuator 20. In some cases, the protrusions are integrally formed and contacted with the lower cradle 9 as a hemisphere.
この構成において、演算制御回路７から、上部に設けられたコネクタ１５を介して開弁信号が入力（例えば入力電圧０〜１２０ｖ）されると、圧電アクチュエータ２０は設定値（例えば０〜４５μｍ）だけ伸長する。これにより、例えば約４０〜８０ｋｇｆの押し上げ力が支持筒体２３に働き、ガイド部材２４のＯリング２７により軸芯を保持された状態で、支持筒体２３が弾性部材２８の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、弁体押さえ２５から金属ダイヤフラム２２への押圧力が低下し、金属ダイヤフラム２２がその弾性力によって弁座２１ａから離座し、開弁される。なお、弾性部材２８としては、例えば、皿ばねを積み重ねたものを用いることができる。 In this configuration, when a valve opening signal is input from the arithmetic control circuit 7 via the connector 15 provided in the upper portion (for example, input voltage 0 to 120 v), the piezoelectric actuator 20 is set by a set value (for example, 0 to 45 μm). Elongate. Accordingly, for example, a pushing force of about 40 to 80 kgf acts on the support cylinder 23, and the support cylinder 23 resists the elastic force of the elastic member 28 in a state where the shaft core is held by the O-ring 27 of the guide member 24. Increase by the set value. As a result, the pressing force from the valve body holder 25 to the metal diaphragm 22 is reduced, and the metal diaphragm 22 is separated from the valve seat 21a by its elastic force and opened. In addition, as the elastic member 28, what laminated | stacked the disc spring can be used, for example.
また、開弁入力がｏｆｆになると、圧電アクチュエータ２０が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、弾性部材２８の弾性力により圧電アクチュエータ２０の支持筒体２３の底部が下方向へ押し下げられ、弁体押さえ２５により金属ダイヤフラム２２が弁座２１ａへ当座し、閉弁状態となる。 When the valve opening input is turned off, the piezoelectric actuator 20 returns to the original length, and as a result, the bottom of the support cylinder 23 of the piezoelectric actuator 20 is pushed downward by the elastic force of the elastic member 28. Then, the metal diaphragm 22 comes into contact with the valve seat 21a by the valve body presser 25, and the valve is closed.
以上の説明からわかるように、制御バルブ６は、圧電素子２０への電圧印加時において、支持筒体２３が移動し、支持筒体２３に接続された弁体押さえ２５から弁体（金属ダイヤフラム）２２に付与される力が変化するように構成されている。そこで、本実施形態の制御バルブ６では、支持筒体２３の移動量を測定するためのギャップセンサ３０を設け、測定した支持筒体２３の移動量から、弁体２２の開度を検出するようにしている。 As can be seen from the above description, the control valve 6 moves from the valve body holder 25 connected to the support cylinder 23 to the valve body (metal diaphragm) when the voltage is applied to the piezoelectric element 20. It is comprised so that the force provided to 22 may change. Therefore, in the control valve 6 of the present embodiment, a gap sensor 30 for measuring the movement amount of the support cylinder 23 is provided, and the opening degree of the valve body 22 is detected from the measured movement amount of the support cylinder 23. I have to.
以下、制御バルブ６に設けられたギャップセンサ３０について説明する。 Hereinafter, the gap sensor 30 provided in the control valve 6 will be described.
図２および図５に示すように、ギャップセンサ３０は、平面センサ３１と、これに対向して配置される対向部材３２とを用いて構成されている。平面センサ３１および対向部材３２は、弁本体２１と重畳するように配置されることが好ましく、これにより、流量制御装置８の幅方向のサイズが大きくなることが防止される。なお、図５に示す流量制御装置８では、制御バルブ６の上流側に、ガス供給圧を測定するための流入圧力センサ１３が設けられている。流入圧力センサ１３は、接続されたガス供給装置（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力を測定することができ、ガス供給量または供給圧を制御するために用いることができる。 As shown in FIGS. 2 and 5, the gap sensor 30 is configured by using a flat sensor 31 and a facing member 32 arranged to face the flat sensor 31. The planar sensor 31 and the opposing member 32 are preferably arranged so as to overlap the valve body 21, thereby preventing the size of the flow rate control device 8 from increasing in the width direction. In the flow control device 8 shown in FIG. 5, an inflow pressure sensor 13 for measuring the gas supply pressure is provided on the upstream side of the control valve 6. The inflow pressure sensor 13 can measure the pressure of gas supplied from a connected gas supply device (for example, a raw material vaporizer), and can be used to control the gas supply amount or supply pressure.
平面センサ３１としては、例えば、日本システム開発社製の超小型変位センサＤＳ２００１シリーズを用いることが出来る。この超小型変位センサは、コイルを有する基板上に発振回路などが形成された構成を有しており、対向する導電体との距離変化に応じて発振（共振）周波数が変化し、その積算値（カウント値）をデジタル出力することができる。ここで、カウント値は、具体的には発振周波数×測定時間によって与えられ、発振周波数ｆは、ｆ＝１／２π（Ｌ・Ｃ）1/2（Ｌはインダクタンス、Ｃは静電容量）で与えられるものである。 As the flat sensor 31, for example, a micro displacement sensor DS2001 series manufactured by Nippon System Development Co., Ltd. can be used. This ultra-compact displacement sensor has a configuration in which an oscillation circuit and the like are formed on a substrate having a coil. The oscillation (resonance) frequency changes according to a change in the distance from the opposing conductor, and its integrated value (Count value) can be digitally output. Here, the count value is specifically given by oscillation frequency × measurement time, and the oscillation frequency f is f = 1 / 2π (L · C) 1/2 (L is inductance, C is capacitance). Is given.
また、対向部材３２は、平面センサ３１に対向する導電体面３２ｓを有する、典型的には平板状の金属部材である。本実施形態では、対向部材３２の全体が導電体（実施例ではアルミニウム板）によって形成されているが、これに限られず、対向部材３２の表面に導電体膜が形成されたものを用いてもよい。対向部材３２の導電体面３２ｓは、磁性体、非磁性体にかかわらず、任意の導電体（例えば、アルミニウム、銅、鉄、金、銀、ステンレス鋼など）から形成されていてよい。 The facing member 32 is typically a flat metal member having a conductor surface 32 s facing the flat sensor 31. In the present embodiment, the entire opposing member 32 is formed of a conductor (in the example, an aluminum plate). However, the present invention is not limited to this, and a member in which a conductor film is formed on the surface of the opposing member 32 may be used. Good. The conductor surface 32s of the opposing member 32 may be formed of any conductor (for example, aluminum, copper, iron, gold, silver, stainless steel, etc.) regardless of whether it is a magnetic body or a non-magnetic body.
図５に固定例を示すように、制御バルブ６において、平面センサ３１は、弁本体２１に固定されたガイド部材２４に対してネジ留めによって固定されている。この構成において、ガイド部材２４は弁本体２１に対して不動の状態にあるため、ガイド部材２４に固定されている平面センサ３１は、弁本体２１に対して不動の位置に固定されていることになる。一方で、対向部材３２は、支持筒体２３に対してネジ留めによって固定されている。 As shown in FIG. 5, in the control valve 6, the flat sensor 31 is fixed to the guide member 24 fixed to the valve body 21 by screwing. In this configuration, since the guide member 24 is in an immobile state with respect to the valve body 21, the flat sensor 31 fixed to the guide member 24 is fixed to an immobile position with respect to the valve body 21. Become. On the other hand, the opposing member 32 is fixed to the support cylinder 23 by screwing.
ただし、他の態様において、平面センサ３１を支持筒体２３に取り付け、対向部材３２をガイド部材２４に取り付けてもよい。平面センサ３１および対向部材３２は、一方が弁本体２１に対して直接的または間接的に固定されて、他方が支持筒体２３に対して直接的または間接的に固定されている限り、種々の態様で取り付けられてよいことは言うまでもない。 However, in another aspect, the planar sensor 31 may be attached to the support cylinder 23 and the opposing member 32 may be attached to the guide member 24. As long as one of the planar sensor 31 and the opposing member 32 is fixed directly or indirectly to the valve main body 21 and the other is fixed directly or indirectly to the support cylinder 23, various kinds of members can be used. It goes without saying that it may be mounted in a manner.
また、図５に示すように、本実施形態の制御バルブ６において、対向部材３２の、平面センサ３１と対向する面と反対側の面には、平面センサ３１と同じ構成を有する温度補償用の基準平面センサ３３が設けられている。この基準平面センサ３３は、温度変化などによって変動し得る平面センサ３１の出力を補償するために設けられている。具体的には、基準平面センサ３３の出力変化をバックグラウンドの変化として読み取り、その変化分を平面センサ３１の出力から差し引くことで、温度変化等による変動を補償することができる。 Further, as shown in FIG. 5, in the control valve 6 of the present embodiment, the surface of the facing member 32 on the side opposite to the surface facing the flat sensor 31 has the same configuration as the flat sensor 31 for temperature compensation. A reference plane sensor 33 is provided. The reference flat sensor 33 is provided to compensate for the output of the flat sensor 31 that may fluctuate due to a temperature change or the like. Specifically, a change due to a temperature change or the like can be compensated by reading an output change of the reference flat sensor 33 as a background change and subtracting the change from the output of the flat sensor 31.
ギャップセンサ３０において、平面センサ３１と対向部材３２との距離の変化は、支持筒体２３の移動量として検出される。より具体的には、上記のように、本実施形態の平面センサ３１は発振回路を有しており、平面センサ３１と対面する導電体面（対向部材３２）との距離の変化を発振周波数（ここではカウント値）の変化として検出する。このような平面変位センサを用いれば、例えば１０μｍ〜１００μｍの距離の変化を精度よく読み取ることができる。したがって、変位量が例えば０〜５０μｍ程度である圧電アクチュエータ２０の移動量および弁開閉度を精度よく検出することが可能である。なお、ノーマルクローズ型の本実施形態の制御バルブ６において、初期状態（電圧無印加状態）での平面センサ３１と対向部材３２との間の距離は、例えば３０〜３００μｍ、より具体的には、３０〜７０μｍ程度に設定されていてよく、印加した駆動電圧の大きさに応じて上記距離が増加（発振周波数は減少）する。 In the gap sensor 30, a change in the distance between the flat sensor 31 and the facing member 32 is detected as the movement amount of the support cylinder 23. More specifically, as described above, the planar sensor 31 of the present embodiment has an oscillation circuit, and changes in the distance between the planar sensor 31 and the conductor surface (facing member 32) facing the oscillation frequency (here) Is detected as a change in the count value. If such a plane displacement sensor is used, a change in distance of, for example, 10 μm to 100 μm can be accurately read. Therefore, it is possible to accurately detect the movement amount and valve opening / closing degree of the piezoelectric actuator 20 whose displacement amount is, for example, about 0 to 50 μm. In the normally closed control valve 6 of the present embodiment, the distance between the planar sensor 31 and the opposing member 32 in the initial state (no voltage applied state) is, for example, 30 to 300 μm, more specifically, The distance may be set to about 30 to 70 μm, and the distance increases (oscillation frequency decreases) according to the magnitude of the applied drive voltage.
図６は、圧電素子の駆動電圧（ピエゾ電圧）と平面センサ３１の出力であるカウント値との関係を示すグラフである。駆動電圧が０のとき、ノーマルクローズ型の制御バルブ６は閉じた状態にあり、このとき、平面センサ３１と対向部材３２とのギャップが最も小さい。これに対応して、平面センサ３１が検出したカウント値が最も大きい値をとる。図において矢印で示すように、０Ｖから１５０Ｖに圧電素子への駆動電圧を増加させると、制御バルブ６の開度が増加するとともに、平面センサ３１と対向部材３２との間のギャップが増加してカウント値が減少する。また、図において逆向きの矢印で示すように、１５０Ｖから０Ｖに駆動電圧を減少させると、制御バルブ６の開度が減少するとともに、平面センサ３１と対向部材３２との間のギャップが減少してカウント値が増加する。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the drive voltage (piezo voltage) of the piezoelectric element and the count value that is the output of the flat sensor 31. When the drive voltage is 0, the normally closed control valve 6 is in a closed state. At this time, the gap between the flat sensor 31 and the opposing member 32 is the smallest. Correspondingly, the count value detected by the flat sensor 31 takes the largest value. As shown by the arrows in the figure, when the drive voltage to the piezoelectric element is increased from 0 V to 150 V, the opening of the control valve 6 increases and the gap between the flat sensor 31 and the opposing member 32 increases. The count value decreases. Further, as shown by the arrow in the reverse direction in the figure, when the drive voltage is reduced from 150 V to 0 V, the opening degree of the control valve 6 is reduced and the gap between the flat sensor 31 and the facing member 32 is reduced. Count value increases.
また、図７には、圧電素子の駆動電圧（それぞれ図における矢印の方向に電圧を増加および減少させたとき）と、レーザ変位計で測定した実際の圧電アクチュエータの移動量（ストローク）との関係を示す。レーザ変位計による圧電アクチュエータの移動量は、圧電アクチュエータの上端に固定した反射板にレーザ光を照射するとともに、反射板からのレーザ光をＣＭＯＳイメージセンサなどで検出することによって光学的に測定している。 Also, FIG. 7 shows the relationship between the driving voltage of the piezoelectric element (when the voltage is increased and decreased in the direction of the arrows in the figure) and the actual movement amount (stroke) of the piezoelectric actuator measured with a laser displacement meter. Indicates. The amount of movement of the piezoelectric actuator by the laser displacement meter is measured optically by irradiating the reflecting plate fixed to the upper end of the piezoelectric actuator with laser light and detecting the laser light from the reflecting plate with a CMOS image sensor or the like. Yes.
図６からわかるように、平面センサの出力は、駆動電圧に対して概ねリニアな関係を有している。同様に、図７からわかるように、駆動電圧と圧電アクチュエータの移動量との関係も、概ねリニアな関係を有している。 As can be seen from FIG. 6, the output of the flat sensor has a substantially linear relationship with the drive voltage. Similarly, as can be seen from FIG. 7, the relationship between the drive voltage and the amount of movement of the piezoelectric actuator also has a substantially linear relationship.
しかし、図８において実線で示すように、平面センサの出力（カウント値）と実際のギャップセンサの変位量とは、若干の曲線的な特性を有している場合がある。そこで、レーザー変位計で測定された圧電アクチュエータの変位出力、及び、平面センサによって測定された変位出力に対してそれぞれ直線補正を行い（すなわち、図８において破線で示すような直線的な関係を求め）、最終的に平面センサの出力と圧電アクチュエータの変位との変換テーブルを作成して、記憶装置に記憶させるようにしてもよい。 However, as indicated by a solid line in FIG. 8, the output (count value) of the flat sensor and the actual displacement amount of the gap sensor may have some curvilinear characteristics. Therefore, linear correction is performed on the displacement output of the piezoelectric actuator measured by the laser displacement meter and the displacement output measured by the flat sensor (that is, a linear relationship as indicated by a broken line in FIG. 8 is obtained). ) Finally, a conversion table between the output of the flat sensor and the displacement of the piezoelectric actuator may be created and stored in the storage device.
このように予め作成した変換テーブルを用いることによって、平面センサの出力値から、弁体の開度をより精度よく検出することができる。変換テーブルは、例えば、演算処理回路７に設けられたメモリなどの記憶装置に予め格納されており、ギャップ検出時には、この変換テーブルを読み出し、これを用いて平面センサの出力値から支持筒体の移動量、ひいては弁の開度を検出することができる。 By using the conversion table created in advance in this way, the opening degree of the valve body can be detected with higher accuracy from the output value of the flat sensor. For example, the conversion table is stored in advance in a storage device such as a memory provided in the arithmetic processing circuit 7. When the gap is detected, the conversion table is read out and is used to calculate the support cylinder from the output value of the flat sensor. The amount of movement, and thus the opening of the valve, can be detected.
以上に説明したように、本実施形態の制御バルブ６では、ギャップセンサ３０を用いて支持筒体２３または圧電アクチュエータ２０の移動量を直接測定しているので、駆動電圧などから推定する場合に比べて、より精度よく、弁体２２の開閉度を検出することが可能である。このようにして弁体２２の開閉度を精度よく検出できれば、後述するように制御バルブ６を、可変オリフィス装置のように用いることも可能である。 As described above, in the control valve 6 of the present embodiment, the movement amount of the support cylinder 23 or the piezoelectric actuator 20 is directly measured using the gap sensor 30, so that it is compared with the case where it is estimated from the drive voltage or the like. Thus, the opening / closing degree of the valve body 22 can be detected with higher accuracy. If the opening / closing degree of the valve body 22 can be accurately detected in this manner, the control valve 6 can be used like a variable orifice device as will be described later.
弁体２２の開閉度をギャップセンサ３０を用いて直接的に検出しているので、上流側のガス圧力などが変動したときにも、開閉度を高い精度で検出することが可能である。そして、測定した圧電アクチュエータ２０の移動量をモニタし、正常な状態と比較して、例えば全開の状態における移動量が予め設定していた閾値よりも下回った時や、圧電アクチュエータに駆動電圧が供給されているにもかかわらず移動量が予定の値に達しない時など、異常の傾向が見受けられた時、圧電アクチュエータ２０に異常が発生した（使用限界に達した）ものと判断し、制御バルブ６、もしくは、内部の圧電アクチュエータ２０を交換する。これによって、圧電アクチュエータ２０が完全に故障する前に交換する事ができ、故障した状態のバルブを使用することなく、多大な損失の発生を防ぐ事が出来る。 Since the degree of opening / closing of the valve body 22 is directly detected using the gap sensor 30, the degree of opening / closing can be detected with high accuracy even when the upstream gas pressure or the like fluctuates. Then, the measured amount of movement of the piezoelectric actuator 20 is monitored, and compared with a normal state, for example, when the amount of movement in the fully open state falls below a preset threshold, or when the drive voltage is supplied to the piezoelectric actuator When an abnormal tendency is observed, such as when the amount of movement does not reach a predetermined value even though it is being operated, it is determined that an abnormality has occurred in the piezoelectric actuator 20 (the use limit has been reached), and the control valve 6 or the internal piezoelectric actuator 20 is replaced. As a result, the piezoelectric actuator 20 can be replaced before it completely fails, and a great loss can be prevented without using the failed valve.
また、圧電アクチュエータ２０の移動量を正確に測定できる事から、上記のように構成された制御バルブ６は、流量制御バルブとして用いる他にも、例えば、可変オリフィス装置として利用することができる。本明細書において可変オリフィス装置とは、オリフィス部材のように流体が通過する流路に絞られた開口部を設ける装置であって、開口部における開度（流路断面積）が変更可能に構成された種々の装置を意味する。可変オリフィス装置は、オリフィス部材の代わりに、開度調整可能な弁機構を備えていてよい。 Further, since the moving amount of the piezoelectric actuator 20 can be accurately measured, the control valve 6 configured as described above can be used as, for example, a variable orifice device in addition to being used as a flow rate control valve. In this specification, the variable orifice device is a device that provides an aperture that is constricted in a flow path through which fluid passes, such as an orifice member, and is configured so that the opening degree (the cross-sectional area of the flow path) in the opening can be changed. Means various devices. The variable orifice device may be provided with a valve mechanism capable of adjusting the opening degree instead of the orifice member.
制御バルブ６と同様の構成の圧電駆動式バルブを可変オリフィス装置として利用する場合、ギャップセンサ３０によってオリフィス開度（弁開度）を検出するとともに、圧電素子２０への駆動電圧を制御することにより、開度位置を制御することができる。また、ギャップセンサ３０によって検出された弁体２２の開閉度から、流路断面積を求めることができる。このため、圧電駆動式バルブは、所望の流路断面積を有した可変オリフィス装置として好適に用いることができる。 When a piezoelectric drive valve having the same configuration as that of the control valve 6 is used as a variable orifice device, the gap opening of the orifice (valve opening) is detected by the gap sensor 30 and the drive voltage to the piezoelectric element 20 is controlled. The position of the opening can be controlled. Further, the flow passage cross-sectional area can be obtained from the degree of opening and closing of the valve body 22 detected by the gap sensor 30. For this reason, the piezoelectric drive type valve can be suitably used as a variable orifice device having a desired flow path cross-sectional area.
例えば、上記の流量制御装置８の絞り部２を、圧電駆動式バルブによって構成することができる。このように構成された流量制御装置８においては、圧力センサ３によって検出される上流圧力Ｐ1が一定になるように絞り部２上流側の制御バルブを制御するとともに、絞り部２として設けた圧電駆動式バルブ（可変オリフィス装置）の弁開度を調整することによって流量を制御することができる。また、絞り部２として設けた圧電駆動式バルブの開度は一定にしたまま、上記と同様に上流圧力Ｐ1を制御バルブによって制御することによって流量を制御することができる。この場合にも、可変オリフィス装置として設けられた圧電駆動式バルブの開度を切り替えれば、流量制御レンジを変更することが出来るので有利である。なお、上記の２つの流量制御動作を組み合わせて行ってもよいことは言うまでもない。 For example, the throttle unit 2 of the flow rate control device 8 can be constituted by a piezoelectric drive valve. In the flow control device 8 configured in this way, the control valve on the upstream side of the throttle unit 2 is controlled so that the upstream pressure P 1 detected by the pressure sensor 3 is constant, and the piezoelectric unit provided as the throttle unit 2 The flow rate can be controlled by adjusting the valve opening of the drive valve (variable orifice device). Further, the flow rate can be controlled by controlling the upstream pressure P 1 by the control valve in the same manner as described above, while keeping the opening degree of the piezoelectric drive valve provided as the throttle unit 2 constant. Also in this case, if the opening degree of the piezoelectric drive valve provided as the variable orifice device is switched, it is advantageous because the flow rate control range can be changed. Needless to say, the above two flow control operations may be combined.
また、例えば、特開平１１−２６５２１７号公報には、ニードルバルブを圧電素子で制御する可変オリフィス装置が開示されている。このような可変オリフィス装置にも、本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを適用することができ、ギャップセンサ３０を設けることによってニードルバルブの開度検出を行うことができる。具体的には、ニードルバルブと接する弁体押さえに接続された圧電アクチュエータなどの可動部に平面センサおよび対向部材のうちの一方を固定し、弁本体などの固定部に所定の間隙を設けて他方を固定することによって、バルブ開度を精度よく検出することができる。 Further, for example, JP-A-11-265217 discloses a variable orifice device that controls a needle valve with a piezoelectric element. The piezoelectric orifice type valve according to the embodiment of the present invention can also be applied to such a variable orifice device, and the opening degree of the needle valve can be detected by providing the gap sensor 30. Specifically, one of the planar sensor and the opposing member is fixed to a movable part such as a piezoelectric actuator that is connected to a valve body presser that is in contact with the needle valve, and a predetermined gap is provided in the fixed part such as a valve body. By fixing the valve opening, the valve opening can be detected with high accuracy.
以上、本発明の実施形態について説明したが種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては圧力制御式の流量制御装置について説明したが、本発明は、圧力制御式以外の制御方式、例えば、熱式センサを用いて流量を制御する熱式流量制御装置にも適用可能である。また、上記実施形態においては自己弾性による弾性復帰型の金属ダイヤフラム弁体を備える圧電駆動式バルブについて説明したが、金属ダイヤフラム以外の弁体についても適用可能であることは当業者であれば自明である。 While the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made. For example, although the pressure control type flow control device has been described in the above embodiment, the present invention is also applied to a control method other than the pressure control type, for example, a thermal flow control device that controls the flow rate using a thermal sensor. Applicable. Further, in the above-described embodiment, the piezoelectric drive type valve having the elastic return type metal diaphragm valve body by self-elasticity has been described. is there.
また、本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、ノーマルオープン型であってもよく、この場合にも、圧電素子の伸長により弁本体に対して下方に移動する支持筒体において平面センサまたは対向部材を取り付けてギャップを測定することによって、弁の開度を精度よく検出することができる。 In addition, the piezoelectric drive valve according to the embodiment of the present invention may be a normally open type, and in this case as well, a planar sensor or an opposing surface is provided in a support cylinder that moves downward with respect to the valve body due to extension of the piezoelectric element. By attaching the member and measuring the gap, the opening degree of the valve can be accurately detected.
本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、特に流量制御装置において用いられ、弁体の実際の開閉度を検出することに好適に利用することができる。 The piezoelectrically driven valve according to the embodiment of the present invention is particularly used in a flow control device, and can be suitably used for detecting the actual opening / closing degree of a valve body.
１ 流路
２ 絞り部
３ 第１圧力センサ
４ 第２圧力センサ
５ 温度センサ
６ 制御バルブ （圧電駆動式バルブ）
７ 演算処理回路
８ 流量制御装置
９ 下流バルブ
１０ プロセスチャンバ
１１ 真空ポンプ
１２ 外部制御装置
２０ 圧電素子 （圧電アクチュエータ）
２１ 弁本体
２１ａ 弁座
２２ 弁体
２３ 支持筒体
２４ ガイド部材
２５ 弁体押さえ
２６ 割りベース
２７ Ｏリング
２８ 弾性部材
２９ 下部受台
３０ ギャップセンサ
３１ 平面センサ
３２ 対向部材
３３ 基準平面センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow path 2 Restriction part 3 1st pressure sensor 4 2nd pressure sensor 5 Temperature sensor 6 Control valve (piezoelectric drive type valve)
7 Arithmetic Processing Circuit 8 Flow Control Device 9 Downstream Valve 10 Process Chamber 11 Vacuum Pump 12 External Control Device 20 Piezoelectric Element (Piezoelectric Actuator)
21 Valve body 21a Valve seat 22 Valve body 23 Support cylinder 24 Guide member 25 Valve body presser 26 Split base 27 O-ring 28 Elastic member 29 Lower pedestal 30 Gap sensor 31 Planar sensor 32 Opposing member 33 Reference plane sensor
Claims (11)
平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、
前記ギャップセンサの前記平面センサおよび前記対向部材のうちのいずれか一方は前記弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出する、圧電駆動式バルブ。 A valve body provided with a flow path; a valve seat provided on the flow path; a valve body that is attached to and detached from the valve seat; and a support cylinder that houses a piezoelectric element for moving the valve body. A piezoelectrically driven valve configured to move the support cylinder by extension of the piezoelectric element, and to move the valve body by the support cylinder,
A gap sensor comprising a planar sensor and a facing member having a surface facing the planar sensor;
One of the planar sensor and the opposing member of the gap sensor is fixed at a position that does not move with respect to the valve body, the other is fixed to the support cylinder, and the planar sensor and the opposing member A piezoelectrically driven valve that detects a change in distance as the amount of movement of the support cylinder.
前記平面センサは前記ガイド部材に固定され、前記対向部材は前記支持筒体に固定されている、請求項１から６のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。 A guide member fixed to the valve body and provided to cover a lower portion of the support cylinder;
The piezoelectric drive valve according to any one of claims 1 to 6, wherein the planar sensor is fixed to the guide member, and the opposing member is fixed to the support cylinder.
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