CN111207241A - 压电致动器、流体控制阀和流体控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供压电致动器、流体控制阀和流体控制装置。即使发生了绝缘破坏，压电致动器动作也不会完全停止，还能够仅在被限制的可动范围内继续暂定的运转，为了提供该压电致动器，其包括：多个压电模块，将压电陶瓷层和电极层交替层叠而形成；以及驱动电路，与多个所述压电模块连接，多个所述压电模块分别沿伸缩方向排列设置，所述驱动电路包括：供给电流的电源部，与多个所述压电模块分别并联；以及多个限制电阻，相对于多个所述压电模块分别串联设置。

Description

压电致动器、流体控制阀和流体控制装置
技术领域
本发明涉及一种例如用于流体控制阀的压电致动器。
背景技术
在半导体制造工序中使用质量流量控制器，该质量流量控制器用于控制向室(chamber)内供给的各种气体的流量。这种质量流量控制器包括具备压电致动器的流体控制阀，通过控制压电致动器的伸缩量来调节流体控制阀的开度。其结果，实现所希望的流量。
并且，用于流体控制阀的压电致动器为了使位移量变大，层叠形成有多个压电元件(参照专利文献1)。此外，相对于一个电源部例如并联各压电元件，并且分别施加相同的电压。
在以上述方式构成的压电致动器中，如果在压电元件的一个中发生绝缘破坏，则该部分短路而不能向其他压电元件充分施加驱动所需要的电压。即，压电致动器仅因一个压电元件的故障而不能伸缩。由于压电元件的绝缘破坏突发性地发生，所以如果是质量流量控制器，则在工序中流量控制紧急停止。
这种流量控制的紧急停止导致半导体制造工序中的严重问题，并且直到更换压电致动器为止不能再次开始质量流量控制器的流量控制。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2010-190430号
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种压电致动器，即使发生了绝缘破坏，动作也不会完全停止，还能够仅在被限制的可动范围内继续暂定的运转。
即，本发明提供一种压电致动器，其特征在于包括：多个压电模块，将压电陶瓷层和电极层交替层叠而形成；以及驱动电路，与多个所述压电模块连接，多个所述压电模块分别沿伸缩方向排列设置，所述驱动电路包括：电源部，与多个所述压电模块分别并联；以及多个限制电阻，相对于多个所述压电模块分别串联设置。
按照这种方式，即使在多个所述压电模块中的任意一个中发生了绝缘破坏，也能够通过所述限制电阻来限制在发生了绝缘破坏的压电模块中流动的电流，防止向其他未发生绝缘破坏的压电模块供给的电压下降。
因此，能够继续驱动未发生绝缘破坏的压电模块，并且即使限制了压电致动器的可动范围也能够暂定性地继续运转。因此，能够防止压电致动器因突发的绝缘破坏而紧急停止，并且能够在成为即使停止也没有问题的状态后停止并进行更换等。
如上所述，按照本发明的压电致动器，例如能够满足在半导体制造工序中所需要的运转的持续性。
为了即使在多个所述压电模块中的一个中发生了绝缘破坏，也能够可靠地继续驱动其他压电模块，可以是多个所述限制电阻的电阻值设定为在多个所述压电模块中发生了绝缘破坏时使在所述驱动电路中流动的电流值成为所述电源部的电流供给能力以下。
本发明还提供一种流体控制阀，其包括：上述的压电致动器；以及阀体，由所述压电致动器驱动，相对于阀座离合，按照该流体控制阀，即使发生绝缘破坏，也能够继续流体的控制。
本发明还提供一种流体控制装置，其包括：上述的流体控制阀；流体传感器，测量流体的压力或流量；以及阀控制部，控制所述电源部输出的电压，使由流体传感器测量的测量值成为预先设定的目标值，按照该流体控制装置，例如在半导体工序中，能够在进行成膜等的期间防止因绝缘破坏导致的紧急停止并以暂定的运转使工序继续。因此，能够直到成膜等完成为止持续进行气体的供给，并且能够在规定的计划更换时机等更换压电致动器，从而能够将对工序的影响抑制为最小限度。
本发明的流体控制装置为了利用即使压电致动器发生了绝缘破坏、向正常的压电模块施加的电压也不会大幅度变化的特点，而能够自诊断各压电模块的故障的有无，其包括：基准关系存储部，存储基准关系，所述基准关系是多个所述压电模块正常时的流体的压力或流量与从所述电源部输出的电压的关系；电压监测器，检测所述电源部输出的电压；以及故障判断部，基于由所述流体传感器测量的测量值或设定于阀控制部的目标值、由所述电压监测器检测的电压、以及所述基准关系，判断多个所述压电模块中的故障的有无。
为了即使在任意一个压电模块中发生了绝缘破坏，也尽可能地大幅度地保持压电致动器整体的可动范围，可以是多个所述压电模块各自的伸缩方向的长度尺寸相同。此外，通过增加构成一个压电致动器的压电模块的个数或增加压电模块的分割数，也能够得到同样的效果。
例如为了能够使与各压电模块的伸缩相关的分辨率不同来进行精确的定位，或者按照压电模块使发生绝缘破坏时出现的变化不同，能够由所述故障判断部判断在哪一个压电模块中发生了故障，可以是多个所述压电模块的至少一个的伸缩方向的长度尺寸与其他所述压电模块不同。
由此，按照本发明的压电致动器，由于相对于与电源部并联的各压电模块分别串联设置限制电阻，所以即使在任意一个压电模块中发生了绝缘破坏，也能够防止过大的电流在该部分中流动。因此，由于即使在发生绝缘破坏时也能够进行电源部的电流供给能力内的驱动，所以能够向其余的正常的压电模块施加足以进行驱动的电压，从而能够继续暂定的运转。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的压电致动器以及使用该压电致动器的流体控制阀和流体控制装置的示意图。
图2是表示第一实施方式的压电致动器的电路构成的示意图。
图3是表示第一实施方式的压电致动器的电路构成的电路图。
图4是表示本发明第二实施方式的压电致动器以及使用该压电致动器的流体控制阀和流体控制装置的示意图。
图5是表示本发明的另一种实施方式的流体控制阀的示意图。
图6是表示本发明的又一种实施方式的流体控制装置的示意图。
附图标记说明
100···流体控制装置
1···主体
2···流量传感器
3···流体控制阀
4···箱体
5···阀控制部
61···阀座
62···阀体
7···压电致动器
71···压电模块
72···驱动电路
PS···电源部
R···限制电阻
具体实施方式
参照图1至图3，说明本发明第一实施方式的压电致动器7以及使用该压电致动器7的流体控制阀3和流体控制装置100。
第一实施方式的流体控制装置100是所谓的质量流量控制器，例如用于控制向室内供给的气体的流量。另外，流体控制装置100不仅可以控制气体，还可以控制液体。
如图1所示，流体控制装置100包括：在内部形成流道C的主体1、流量传感器2、流体控制阀3和掌管控制等的控制板B。流量传感器2和流体控制阀3安装在主体1的上表面，控制板和驱动电路72等收容在覆盖主体1的上表面的罩内。由此，流体控制装置100使流量控制所需要的传感器、控制器和致动器封装化。
流量传感器2是热式流量传感器，由如下部件构成：设置于流道C的分流元件21；细管22，从分流元件21的上游分路并在该分流元件的下游合流；两个电热线圈23，缠绕于细管22，以分别保持为一定温度的方式被施加电压；检测电路24，检测向各电热线圈23施加的电压差；以及流量计算部25，基于检测电路24的输出来计算在流道C内流动的气体的流量。另外，在第一实施方式中使用热式流量传感器，但是也可以使用例如压力式流量传感器。
流体控制阀3是根据施加的电压来控制其开度的压电阀。具体地说，流体控制阀3包括：阀机构，由收容在形成于主体1上表面的凹部内的阀座61和阀体62构成；压电致动器7，发挥改变阀体62相对于阀座61的位置的驱动力；以及柱塞8，连接阀机构和压电致动器7之间。
压电致动器7包括：压电陶瓷层和电极层交替层叠而形成的多个压电模块71、以及对各压电模块71进行电压驱动的驱动电路72。
压电模块71由夹着压电陶瓷层的一对电极层形成多个压电元件。各压电模块71未电连接，但是以各压电元件的伸缩方向一致的方式重叠设置。在第一实施方式中，各压电模块71相对于附图所示的长边方向伸缩，将阀体62向下方按压。另外，如果压电致动器7的伸长量变小，则被压下的阀体62利用弹簧的反弹力向阀座61按压。此外，在第一实施方式中，压电致动器7由三个独立的压电模块71构成，将各压电模块71的长边方向的长度尺寸设定为分别相同。即，各压电模块71相对于施加的电压的伸缩量具有相同的特性。
如图2和图3所示，驱动电路72包括：电源部PS，与各压电模块71并联；限制电阻R，分别相对于各压电模块71串联设置；以及放电用电阻RA，分别相对于各压电模块71并联设置，用于释放积存于各压电模块71的电荷。在本实施方式中，由于压电模块71为三个，所以限制电阻R和放电用电阻RA也分别各设置有三个。
电源部PS输出与从控制板B输出的指令电压对应的电压。在此，由于各压电模块71相对于电源部PS并联，所以在各限制电阻R的电阻值相同的情况下分别被施加相同的电压。
各限制电阻R的电阻值设定为在各压电模块71的任意一个中发生了绝缘破坏时使在驱动电路72中流动的电流值成为电源部PS的电流供给能力以下。因此，即使各压电模块71中的任意一个绝缘破坏而导致该部分短路，也能够防止发生如下事态：过大的电流流动而不能向其他正常的压电模块71施加电压。
控制板B是包括CPU、存储器、A/D转换器、D/A转换器和各种输入输出装置的计算机，执行存储于存储器的质量流量控制器用程序，通过与各种设备协同动作来实现作为控制器的功能。即，控制板B至少发挥作为所述的流量计算部25和阀控制部5的功能。
阀控制部5基于从外部输入的指令流量和由流量传感器2测量的测量流量来控制阀3的开度。更具体地说，阀控制部5控制流体控制阀3的开度，使指令流量与测量流量的偏差变小。具体地说，对指令流量与测量流量的偏差进行PID运算，并且将与其结果对应的指令电压向驱动电路72中的电源部PS输出。电源部PS向各压电模块71施加与输入的指令电压对应的电压。
按照以上述方式构成的第一实施方式的流体控制装置100，即使在构成压电致动器7的任意一个压电模块71中发生了绝缘破坏，通过限制电阻R不使过大的电流流向发生了绝缘破坏的压电模块71，并且向正常的压电模块71供给能够驱动的电压。
因此，即使在任意一个压电模块71中发生了绝缘破坏，压电模块71也不会立即变得不能驱动，尽管可动范围变小但能够继续运转。
因此，即使发生绝缘破坏时，流体控制装置100也能够例如在小流量的范围内继续流量控制，能够防止异常流量的气体向室等供给。
因此，使用了第一实施方式的压电致动器7的流体控制阀3即使例如压电致动器7以外的结构与以往的流体控制阀结构相同，作为流体控制装置100也能够与以往相比提高故障时的可靠性。
接着，参照图4对本发明的第二实施方式进行说明。
第二实施方式的流体控制装置100与第一实施方式相比还包括用于判断在流体控制阀3中使用的压电致动器7的故障有无的功能。
具体地说，第二实施方式的流体控制装置100还包括：监测从电源部PS输出的电压的电压监测器81、由控制板B实现其功能的基准关系存储部82、以及故障判断部83。
电压监测器81例如是设置在驱动电路72中的电压检测电路，监测电源部PS根据指令电压而输出的电压。在此，电压监测器81并不单独检测向各压电模块71施加的电压而检测向压电致动器7整体施加的电压。
基准关系存储部82存储基准关系，该基准关系是各压电模块71正常时的流体的流量与该流量流动时从电源部PS输出的电压的关系。该基准关系可以是将流量与电压成对存储的数据表，也可以是表示多项式等的数据，该多项式表示流量与电压之间的关系。其中，正常时是指流体控制装置100的各压电模块71进行所希望的动作的状态，例如是流体控制装置100出厂的时点的状态。另外，也可以将对流体控制装置100进行了校准时的流量和电源部PS输出的电压作为正常时的基准关系。
故障判断部83基于由流量传感器2测量的测量流量、由电压监测器81检测的电压以及基准关系，判断在各压电模块71中是否发生了绝缘破坏。具体地说，故障判断部83基于测量流量和基准关系来获取基准电压，该基准电压是正常时应当从电源部PS输出的电压。并且，故障判断部83对基准电压与由电源监测器检测的检测电压进行比较。例如在基准电压与检测电压的差为规定值以上的情况下，故障判断部83判断为在压电模块71的任意一个中发生了故障。
设想在一个压电模块71中发生了绝缘破坏的情况，对能够进行这种故障判断的理由进行说明。
在一个压电模块71中发生了绝缘破坏的情况下，由于各压电模块71的伸缩方向的长度分别设定为相同，所以相对于正常时压电致动器7整体的伸长大约成为2/3倍。接着，由于流体控制装置100即使向压电致动器7施加与正常时相同的电压，测量流量与指令流量的偏差也不变小，所以进一步改变指令电压来施加电压。因此，在发生了绝缘破坏的情况下，流体控制装置100向各压电模块71施加与正常时相比更大的电压来使伸长量变大，想要实现与正常时相同的开度。
由于第二实施方式的流体控制装置100以上述方式动作，所以如果在某流量流动的状态下对电源部PS输出的电压进行比较，则故障判断部83能够判断在各压电模块71的任意一个中是否发生了故障。
此外，由于能够进行这种故障判断，所以能够在例如工序结束的时点更换压电致动器7。
对其他实施方式进行说明。
如图5所示，压电致动器7的各压电模块71的伸缩方向的长度尺寸可以不一致，在一部分或全部的压电模块71中长度尺寸可以不同。即，可以构成为即使向各压电模块71施加了相同的电压，伸长量也不同。按照这种方式，由于压电致动器7整体的伸长量的变化根据哪一个压电模块71绝缘破坏而不同，所以故障判断部83能够判断在哪一个压电模块71中发生了故障。
此外，如图5所示，可以在因暴露于高温而容易发生绝缘破坏等劣化的部分配置长度尺寸最短的压电模块71，而在温度不会成为那么高温的部分配置长的压电模块71。具体地说，可以在最接近与高温的气体或液体接触的阀体62的位置配置最短的长度尺寸的压电模块71，而在最远离阀体62的位置配置长度尺寸最长的压电模块71。由此，通过使容易暴露于高温而容易发生故障的部分的压电模块71的长度尺寸短，能够使故障时的伸长下降的影响变小。
此外，为了提高相对于高温的耐受性，在层叠的压电模块71中，可以在与高温环境的距离最短的部分配置树脂材料等具有隔热性的间隔件9。具体地说，可以在最靠近阀体62侧的压电模块71的阀体62侧配置间隔件9，防止压电模块71的劣化因气体等的热量而进展。
流体控制阀和流体控制装置可以不仅用于控制流体的流量，还可以用于控制流体的压力。此外，在第一实施方式中，说明了作为流体控制装置100使用了热式流量传感器的热式质量流量控制器，但是本发明也可以构成为如图6所示使用压力式流量传感器的压力式质量流量控制器。具体地说，图6的流体控制装置100在安装了具备多个压电模块71的压电致动器7的阀2的下游设置有压力式流量传感器2。该流量传感器2包括：设置于内部流道C的层流元件26；以及分别设置于层流元件26的上游和下游的上游压力传感器27和下游压力传感器28。流量计算部25基于由各压力传感器27、28测量的层流元件26的上游和下游的压力来计算流量。即，流量计算部25从各压力传感器27、28分别接收表示上游压力和下游压力的信号，根据这些信号表示的各压力值并基于已知的运算式来计算在内部流道C中流动的流量值。
故障判断部可以不基于作为测量值的测量流量、而基于作为目标值的指令流量和检测电压来判断压电致动器的故障。
限制电阻和放电用电阻并不限定于设置在连接电源部和各压电模块之间的连接线上，也可以设置在构成电源部的电路内。即，限制电阻只要与压电模块为串联的关系即可，放电用电阻只要与压电模块为并联的关系即可。
此外，只要不违反本发明的宗旨，可以对各种实施方式的一部分进行组合或变形。

Claims (7)

1.一种压电致动器，其特征在于包括：
多个压电模块，将压电陶瓷层和电极层交替层叠而形成；以及
驱动电路，与多个所述压电模块连接，
多个所述压电模块分别沿伸缩方向排列设置，
所述驱动电路包括：
电源部，与多个所述压电模块分别并联；以及
多个限制电阻，相对于多个所述压电模块分别串联设置。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，多个所述限制电阻的电阻值设定为在多个所述压电模块中发生了绝缘破坏时使在所述驱动电路中流动的电流值成为所述电源部的电流供给能力以下。
3.一种流体控制阀，其特征在于包括：
如权利要求1所述的压电致动器；以及
阀体，由所述压电致动器驱动，相对于阀座离合。
4.一种流体控制装置，其特征在于包括：
如权利要求3所述的流体控制阀；
流体传感器，测量流体的压力或流量；以及
阀控制部，控制所述电源部输出的电压，使由流体传感器测量的测量值成为预先设定的目标值。
5.根据权利要求4所述的流体控制装置，其特征在于包括：
基准关系存储部，存储基准关系，所述基准关系是多个所述压电模块正常时的流体的压力或流量与从所述电源部输出的电压的关系；
电压监测器，检测所述电源部输出的电压；以及
故障判断部，基于由所述流体传感器测量的测量值或设定于阀控制部的目标值、由所述电压监测器检测的电压、以及所述基准关系，判断多个所述压电模块中的故障的有无。
6.根据权利要求5所述的流体控制装置，其特征在于，多个所述压电模块各自的伸缩方向的长度尺寸相同。
7.根据权利要求5所述的流体控制装置，其特征在于，多个所述压电模块的至少一个的伸缩方向的长度尺寸与其他所述压电模块不同。
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