JP2021055768A - バルブ装置及びバルブ装置を用いたマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】二つの圧電アクチュエータを用いたバルブ装置を小型化する。【解決手段】バルブ装置３０は、流路が形成されたボディ１０と、流路を流れる流体の流れを制御する弁体部３７と、一端がボディ１０の外面に設けられた底面部３２ａに保持される第１圧電アクチュエータ３５ａと、第１圧電アクチュエータ３５ａの内側に配置され、一端が弁体部３７と当接する第２圧電アクチュエータ３５ｂと、弁体部３７に設けられ第２圧電アクチュエータ３５ｂを開弁方向に付勢するベローズ３７ａと、第１圧電アクチュエータ３５ａの他端と第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端との間に亘って設けられるシリンダ機構３６と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、バルブ装置及びバルブ装置を用いたマスフローコントローラに関する。

特許文献１には、圧電アクチュエータを備えたバルブ装置が開示されている。

特開２０１６−５０６４５号公報

特許文献１に記載されたバルブ装置では、二つの圧電アクチュエータを一直線上に配置している。これにより、一つの圧電アクチュエータを用いた場合に比べて弁体のストローク量を大きくすることができる。

しかしながら、特許文献１に記載されたバルブ装置では、二つの圧電アクチュエータを一直線上に配置しているので、その分バルブ装置が大きくなってしまう。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、二つの圧電アクチュエータを用いたバルブ装置を小型化することを目的とする。

本発明のある態様に係るバルブ装置は、流路が形成されたボディと、流路を流れる流体の流れを制御する弁体部と、一端がボディの外面に設けられた載置部に保持される第１圧電アクチュエータと、第１圧電アクチュエータの内側に配置され、一端が弁体部と当接する第２圧電アクチュエータと、弁体部に設けられ第２圧電アクチュエータを開弁方向に付勢する付勢部材と、前記第１圧電アクチュエータの他端と前記第２圧電アクチュエータの他端との間に亘って設けられる伸縮量増幅機構であって、第１圧電アクチュエータが伸長したとき、伸長量を増幅して第２圧電アクチュエータを介して弁体部を閉弁方向に移動させ、または第１圧電アクチュエータが収縮したとき、収縮量を増幅して第２圧電アクチュエータを介して弁体部を開弁方向に移動させる伸縮量増幅機構と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、第２圧電アクチュエータが第１圧電アクチュエータの内側に配置されているので、バルブ装置を小型化することができる。

本発明の実施形態に係るバルブ装置が搭載されたマスフローコントローラの断面図である。 本発明の実施形態に係るバルブ装置の断面図である。 保持部材の平面図である。 シリンダチューブの底面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態のバルブ装置３０は、例えば、マスフローコントローラ１００に搭載される。マスフローコントローラ１００は、例えば、半導体製造装置（ＣＶＤ装置、スパッタリング装置、エッチング装置など）における流体としてのプロセスガス及びパージガスの流量を制御する流量制御装置として用いられる。

マスフローコントローラ１００は、内部に流路が形成されるボディ１０と、流量を検出する流量センサ２０と、流量を制御するためのバルブ装置３０と、バルブ装置３０の動作を制御する制御部４０と、ボディ１０に取り付けられ流量センサ２０、バルブ装置３０、及び制御部４０を覆うカバー５０と、を備える。

ボディ１０は、流量センサ２０及びバルブ装置３０が取り付けられる本体部１１と、本体部１１の側面１１ａに接続され、流路形成ブロック（図示せず）に接続される第１継手部１２と、本体部１１の側面１１ａと反対側の側面１１ｂに接続され、流路形成ブロック（図示せず）に接続される第２継手部１３と、を有する。本体部１１、第１継手部１２、及び第２継手部１３は、それぞれステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）などの金属材料などによって形成される。本体部１１と第１継手部１２、及び、本体部１１と第２継手部１３とは、それぞれ図示しないボルトなどによって接続される。

本体部１１は、複数枚のバイパスシート６０を収容し、側面１１ａに開口し、円筒状に形成された収容凹部１１ｄと、バルブ装置３０の後述する弁体部３７を収容し、流量センサ２０及びバルブ装置３０が取り付けられる端面１１ｃに開口する凹部１１ｅと、収容凹部１１ｄと凹部１１ｅを連通する連通部１１ｆと、収容凹部１１ｄ内のガスを流量センサ２０に導くためのセンサ流入路１１ｇと、流量センサ２０から流出したガスを連通部１１ｆに導くためのセンサ流出路１１ｈと、一端が凹部１１ｅに開口し他端が側面１１ｂに開口する流路１１ｉと、を備える。

収容凹部１１ｄから連通部１１ｆに直接ガスを導く流路は、バイパス流路を構成する。センサ流入路１１ｇは、バイパス流路から分岐する、具体的には、収容凹部１１ｄから分岐するように形成され、センサ流出路１１ｈは、バイパス流路に合流する、具体的には、連通部１１ｆに合流するように形成される。

流路１１ｉの凹部１１ｅ側開口部分には、弁体部３７の弁部３７ｃが着座可能な弁座部材１４が開口部分を覆うようにして設けられる。弁座部材１４の中央付近には、弁座部材１４を貫通するオリフィス１４ａが設けられる。凹部１１ｅと流路１１ｉとはオリフィス１４ａを通じて連通する。

第１継手部１２には、一端が収容凹部１１ｄの開口に連通し、他端が流路形成ブロック（図示せず）に形成された流路に連通する連通路１２ａが形成される。第２継手部１３には、一端が流路１１ｉに連通し、他端が流路形成ブロック（図示せず）に形成された流路に連通する連通路１３ａが形成される。

バイパスシート６０は、収容凹部１１ｄから連通部１１ｆに直接流れるガスの流量（バイパス流路のガスの流量）を制限する。バイパスシート６０は、収容凹部１１ｄから連通部１１ｆに直接流れるガスの流量Ｑ１と、収容凹部１１ｄからセンサ流入路１１ｇ、流量センサ２０内に設けられた細管２２、及びセンサ流出路１１ｈを通じて連通部１１ｆに導かれる流量Ｑ２と、の比が、例えば、１：２〜１：１０００の範囲で適宜設定された比になるような、特性や枚数をもって設けられる。

流量センサ２０は、所謂サーマル式流量センサである。流量センサ２０は、本体２１と、細管２２と、一対の発熱コイル２３と、を有する。流量センサ２０は、細管２２を通過するガスの流量を計測する。

制御部４０は、流量センサ２０により計測された流量に基づき、マスフローコントローラ１００を通過するガスの流量が所定の流量となるようにバルブ装置３０を制御する。

次に、図１から図４を参照しながら、バルブ装置３０の具体的な構成について説明する。

バルブ装置３０は、ボンネット３１と、ケース３２と、キャップ３３と、保持部材３４と、アクチュエータ部３５と、伸縮量増幅機構としてのシリンダ機構３６と、弁体部３７と、を備える。

ボンネット３１は、凹部１１ｅの開口を覆うように本体部１１に取り付けられる。ボンネット３１と本体部１１との間には、外部へのガスの流出を防止するガスケット３８が設けられる。ボンネット３１の本体部１１への取付面と反対側の端面には、凹部３１ａが設けられる。凹部３１ａの底面３１ｂにはボンネット３１を貫通する貫通孔３１ｃが形成される。

ケース３２は、略有底円筒状に形成され、内部にアクチュエータ部３５（具体的には、アクチュエータ部３５の一部）を収容する。ケース３２の底面部３２ａには、底面部３２ａを貫通する貫通孔３２ｂが形成される。ケース３２は、例えばねじ締めなどによって、ボンネット３１に取り付けられる。

キャップ３３は、略有底円筒状に形成され、ケース３２の開口３２ｆを閉塞する。キャップ３３には、凹部３３ａが設けられる。キャップ３３は、例えばねじ締めなどによって、ケース３２に取り付けられる。キャップ３３の凹部３３ａには、保持部材３４及びシリンダ機構３６が収容される。

保持部材３４は、環状に形成され（図３参照）、アクチュエータ部３５の後述する第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの他端（図１及び図２の上側）を保持する。保持部材３４には、アクチュエータ部３５に対向する一方端面（図１及び図２の下側）から突出する環状の突起３４ａが設けられる。図３に示すように、保持部材３４の中心を円心とする同一円周上には複数（ここでは、四つ）の第１貫通孔３４ｂが所定間隔を空けて形成され、保持部材３４の中心には第２貫通孔３４ｃが形成される。

アクチュエータ部３５は、円筒状の第１圧電アクチュエータ３５ａと、第１圧電アクチュエータ３５ａの内部に配置される円柱状の第２圧電アクチュエータ３５ｂと、を備える。第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、同軸上に配置され、ケース３２内に収容される。第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、それぞれピエゾ素子を複数枚積層して形成される。第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂのリード線（図示せず）は、制御部４０に接続される。第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、制御部４０から印加される電圧に応じて伸長または収縮する。なお、本実施形態では、印加電圧として、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂを伸張させる電圧を「正の電圧」といい、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂを収縮させる電圧を「負の電圧」という。正の電圧と負の電圧とは、互いに極性が異なる電圧である。

第１圧電アクチュエータ３５ａの一端（図１及び図２の下側）は、載置部としてのケース３２の底面部３２ａに形成された段差部３２ｃの内周面に微小な移動が許容されるようにして保持される。第１圧電アクチュエータ３５ａの他端（図１及び図２の上側）は、保持部材３４に形成された突起３４ａの外周面に嵌るようにして保持される。また、第１圧電アクチュエータ３５ａの他端側の端面は、シリンダ機構３６の後述する第１ピストン３６２の先端面（図１及び図２の下側）及び保持部材３４の一方端面の両方と当接する。

第２圧電アクチュエータ３５ｂの一端（図１及び図２の下側）は、弁体部３７の後述するロッド３７ｂと当接する。第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端（図１及び図２の上側）は、保持部材３４の第２貫通孔３４ｃの内周面に摺動可能に保持される。また、第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端側の端面は、シリンダ機構３６の後述する第２ピストン３６３の先端面（図１及び図２の下側）と当接する。

シリンダ機構３６は、第１圧電アクチュエータ３５ａの他端（図１及び図２の上側）と第２圧電アクチュエータ３５ｂ（図１及び図２の上側）の他端との間に亘って設けられる。シリンダ機構３６は、第１圧電アクチュエータ３５ａが伸長したとき、伸長量を増幅して第２圧電アクチュエータ３５ｂを介して弁体部３７を閉弁方向に移動させ、または第１圧電アクチュエータ３５ａが収縮したとき、収縮量を増幅して第２圧電アクチュエータ３５ｂを介して弁体部３７を開弁方向に移動させる。シリンダ機構３６は、凹部３３ａに収容されるようにキャップ３３に取り付けられているが、これに限らず、凹部３３ａに収容されるようにケース３２に取り付けられてもよい。

シリンダ機構３６は、シリンダチューブ部材３６１と、複数（ここでは、四つ）の第１ピストン３６２と、第２ピストン３６３と、を有する。シリンダチューブ部材３６１は、略中空円柱状のシリンダチューブ３６４と、略円板のシール材位置決め部３６５と、から構成される。

シリンダチューブ３６４は、キャップ３３の頂壁と当接するように設けられ、その内部に流体収容部３６４ａが形成される。流体収容部３６４ａには、オイル等の液体が収容される。シリンダチューブ３６４のシール材位置決め部３６５に対向する端壁３６４ｂ（図１及び図２の下側）には、複数（ここでは、四つ）の第３貫通孔３６４ｃ及び第４貫通孔３６４ｄが形成される。具体的には、図４に示すように、複数の第３貫通孔３６４ｃは、シリンダチューブ３６４の端壁３６４ｂの中心を円心とする同一円周上に所定間隔を空けて形成され、第４貫通孔３６４ｄは、シリンダチューブ３６４の端壁３６４ｂの中心に形成される。

シール材位置決め部３６５は、例えば、ねじ締めによってシリンダチューブ３６４の端壁に取り付けられる。シール材位置決め部３６５の中心を円心とする同一円周上には複数（ここでは、四つ）の第５貫通孔３６５ａが所定間隔を空けて形成され、シール材位置決め部３６５の中心には第６貫通孔３６５ｂが形成される。なお、複数の第５貫通孔３６５ａの位置及び第６貫通孔３６５ｂの位置は、それぞれ複数の第３貫通孔３６４ｃの位置及び第４貫通孔３６４ｄの位置に対応する。複数の第３貫通孔３６４ｃ及び複数の第５貫通孔３６５ａは、複数（ここでは、四つ）の第１開口部３６６を構成する。第１開口部３６６の数は、第１貫通孔３４ｂの数及び第１ピストン３６２の数と同じである。第４貫通孔３６４ｄ及び第６貫通孔３６５ｂは、第２開口部３６７を構成する。

シリンダチューブ３６４とシール材位置決め部３６５との接合箇所には、複数（ここでは、四つ）の第１シール材３６８及び第２シール材３６９が配置される。具体的には、複数の第１シール材３６８は、それぞれ複数の第３貫通孔３６４ｃの外周側に配置される円環状のＯリングである。なお、第１シール材３６８の数は、第１開口部３６６の数と同じである。第２シール材３６９は、第４貫通孔３６４ｄの外周側に配置される円環状のＯリングである。複数の第１シール材３６８及び第２シール材３６９は、シリンダチューブ３６４とシール材位置決め部３６５との間に挟持されることによって位置決めされる。

複数の第１ピストン３６２は、それぞれ第１開口部３６６の内周面を摺動可能に設けられ、その先端（図１及び図２の下側）が保持部材３４の第１貫通孔３４ｂを貫通して第１圧電アクチュエータ３５ａの他端と当接する。第２ピストン３６３は、第２開口部３６７の内周面を摺動可能に設けられ、その先端（図１及び図２の下側）が保持部材３４の第２貫通孔３４ｃを挿入して第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端と当接する。なお、複数の第１ピストン３６２は、第２ピストン３６３に対し対称的に配置される。これにより、第１圧電アクチュエータ３５ａとシリンダ機構３６との間の力の伝達を均一にすることができるので、第１圧電アクチュエータ３５ａが傾くことが防止される。

複数の第１ピストン３６２の断面積の合計Ａ１（以下、単に第１ピストン３６２の断面積Ａ１と称する。）は、第２ピストン３６３の断面積Ａ２よりも大きい。したがって、第１ピストン３６２の変位量をＳ１、第２ピストン３６３の変位量をＳ２としたとき、パスカルの原理によって、Ａ１×Ｓ１＝Ａ２×Ｓ２という関係が成立する。これにより、第１ピストン３６２が変位したときは、第１ピストン３６２の変位量を増幅して第２圧電アクチュエータ３５ｂに伝達する。これに対し、第２ピストン３６３が変位したときは、第２ピストン３６３の変位量を増減衰して第１圧電アクチュエータ３５ａに伝達する。

弁体部３７は、バルブ装置３０内の流路、具体的には、凹部１１ｅからオリフィス１４ａに向かうガスの流量を制御する。弁体部３７は、付勢部材としてのベローズ３７ａと、ベローズ３７ａ内に設けられるロッド３７ｂと、を備える。ベローズ３７ａは、金属材料により形成される。ベローズ３７ａは、弾性を有するように蛇腹状に形成される。ベローズ３７ａの開口側外縁部は、ボンネット３１の底面３１ｂに溶接などによって固定される。これにより、ベローズ３７ａは、流路（凹部１１ｅ及びオリフィス１４ａ）が設けられる空間と第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂが設けられる空間とを仕切る仕切り部として機能する。

ベローズ３７ａは、弁座部材１４に着座した場合にオリフィス１４ａを閉塞する弁としての機能する弁部３７ｃをさらに有する。バルブ装置３０では、弁部３７ｃとオリフィス１４ａとの距離を調整することで、凹部１１ｅからオリフィス１４ａに向かうガスの流量を制御することができる。

ロッド３７ｂは、第２圧電アクチュエータ３５ｂとベローズ３７ａとの間に設けられる。ロッド３７ｂは、円柱状に形成され、ボンネット３１の貫通孔３１ｃに挿通される。ロッド３７ｂは、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電状態において、ベローズ３７ａを自然長から若干伸長させるような長さであって、弁部３７ｃと弁座部材１４とが所定間隔をもって離間するような長さに形成される。さらに、ロッド３７ｂがこのような長さで形成されることにより、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電状態においては、弁部３７ｃは半開状態に維持される。なお、半開状態とは、全開状態と全閉状態の中間の状態をいう。半開状態における弁部３７ｃの位置（開度）は、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電状態において求められるガス流量に応じて設定される。

次に、バルブ装置３０の具体的な制御方法について説明する。以下では、弁部３７ｃや保持部材３４が弁座部材１４から離間する方向、具体的には、図１及び図２における上方向を、開弁方向または単に上方向とし、弁部３７ｃや保持部材３４が弁座部材１４に接近する方向、具体的には、図１及び図２における下方向を、閉弁方向とまたは下方向とする。なお、上下方向は、説明のために設定した方向であって天地方向を意味するものではない。

バルブ装置３０は、マスフローコントローラ１００から流出するガスの流量が設定された流量となるように、制御部４０からの制御信号に基づいて流量を制御する。具体的には、制御部４０は、流量センサ２０により計測された流量に基づき、バルブ装置３０から流出するガスの流量が設定された流量となるようにバルブ装置３０の弁部３７ｃの開度を制御する。

バルブ装置３０は、上述のように、中立状態（第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電状態）では弁部３７ｃが半開状態になっている。半開状態では、ベローズ３７ａの収縮力によって、ロッド３７ｂ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが開弁方向へ付勢される。

次に、バルブ装置３０において、バルブ装置３０から流出するガスの流量を減少させる場合の制御について説明する。

バルブ装置３０から流出するガスの流量を減少させるには、第１圧電アクチュエータ３５ａに正の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに正の電圧を印加する。

第１圧電アクチュエータ３５ａは、正の電圧が印加されると伸長する。これにより、シリンダ機構３６は、第１圧電アクチュエータ３５ａの伸長量を増幅して、第２圧電アクチュエータ３５ｂ及びロッド３７ｂを介して弁部３７ｃを閉弁方向に移動させる。

具体的には、第１圧電アクチュエータ３５ａの伸長量によって、複数の第１ピストン３６２及び保持部材３４が開弁方向に押し上げられる。そして、第２ピストン３６３は、第１ピストン２６２の上昇によるオイルの流動によって、閉弁方向に押し下げられ、当該伸長量を増幅した距離分下降する。結果的に、第２ピストン３６３の下降によって第２圧電アクチュエータ３５ｂ及びロッド３７ｂを介して弁部３７ｃが押し下げられる。

また、このとき、第２圧電アクチュエータ３５ｂは、正の電圧が印加されるので伸長する。これにより、弁部３７ｃはさらに押し下げられる。

このように、バルブ装置３０では、第１圧電アクチュエータ３５ａに正の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに正の電圧を印加することによって、弁部３７ｃを弁座部材１４に近づける。これにより、弁部３７ｃと弁座部材１４との間の流路が狭まり、オリフィス１４ａを通過するガスの流量（バルブ装置３０から流出するガスの流量）を減少させることができる。

なお、この状態から、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂを非通電状態にすると、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、それぞれ元の状態に戻る。具体的には、第１圧電アクチュエータ３５ａが元の状態まで収縮することにより、ベローズ３７ａの収縮力による開弁方向への付勢力によって、ロッド３７ｂ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが押し上げられる。さらに、第２圧電アクチュエータ３５ｂが元の状態まで収縮するこれにより、ロッド３７ｂ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが元の位置まで押し上げられる。弁部３７ｃが中立位置（半開状態）に戻る。

さらに、本実施形態では、バルブ装置３０から流出するガスの流量を減少させるには、第１圧電アクチュエータ３５ａに正の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに正の電圧を印加しているが、これに限らず、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂのうちのいずれか一方に正の電圧を印加してもよい。そして、第２圧電アクチュエータ３５ｂのみに正の電圧を印加すると、第２圧電アクチュエータ３５ｂの伸長量が増幅されないので、バルブ装置３０によるガスの流量の微調整が可能となる。

次に、バルブ装置３０において、バルブ装置３０から流出するガスの流量を増加させる場合の制御について説明する。

バルブ装置３０から流出するガスの流量を増加させるには、第１圧電アクチュエータ３５ａに負の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに負の電圧を印加する。

第１圧電アクチュエータ３５ａは、負の電圧が印加されると収縮する。これにより、シリンダ機構３６は、第１圧電アクチュエータ３５ａの収縮量を増幅して、第２圧電アクチュエータ３５ｂ及びロッド３７ｂを介して弁部３７ｃを開弁方向に移動させる。具体的には、第１圧電アクチュエータ３５ａの収縮量によって、複数の第１ピストン３６２が閉弁方向に当該収縮量分移動することができる。そして、第２ピストン３６３は、ベローズ３７ａの収縮力によって開弁方向に押し上げられ、当該収縮量を増幅した距離分上昇する。結果的に、第２ピストン３６３の上昇によって第２圧電アクチュエータ３５ｂ及びロッド３７ｂを介して弁部３７ｃが押し上げられる。

また、このとき、第２圧電アクチュエータ３５ｂは、負の電圧が印加されるので収縮する。これにより、ベローズ３７ａの収縮力によってロッド３７ｂ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが押し上げられる。さらに、ベローズ３７ａが収縮することに伴って弁部３７ｃが開弁方向に移動する。

このように、バルブ装置３０では、第１圧電アクチュエータ３５ａに負の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに負の電圧を印加することによって、弁部３７ｃを弁座部材１４から離間させる。これにより、弁部３７ｃと弁座部材１４との間の流路が広がり、オリフィス１４ａを通過するガスの流量（バルブ装置３０から流出するガスの流量）を増加させることができる。

なお、この状態から、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂを非通電状態にすると、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、それぞれ元の状態に戻る。具体的には、第１圧電アクチュエータ３５ａが元の状態まで伸長することにより、シリンダ機構３６、第２圧電アクチュエータ３５ｂ、及びロッド３７ｂを介して弁部３７ｃが押し下げられる。

また、このとき、第２圧電アクチュエータ３５ｂは、元の状態まで伸長するので、弁部３７ｃはさらに押し下げられる。これにより、弁部３７ｃが中立位置（半開状態）に戻る。

さらに、本実施形態では、バルブ装置３０から流出するガスの流量を増加させるには、第１圧電アクチュエータ３５ａに負の電圧を印加するとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに負の電圧を印加しているが、これに限らず、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂのうちのいずれか一方に負の電圧を印加してもよい。そして、第２圧電アクチュエータ３５ｂのみに負の電圧を印加すると、第２圧電アクチュエータ３５ｂの収縮量が増幅されないので、バルブ装置３０によるガスの流量の微調整が可能となる。

このように、バルブ装置３０では、第１圧電アクチュエータ３５ａの伸長量に基づく弁部３７ｃの変位量と第２圧電アクチュエータ３５ｂの伸長量に基づく弁部３７ｃの変位量との合計分、または第１圧電アクチュエータ３５ａの収縮量に基づく弁部３７ｃの変位量と第２圧電アクチュエータ３５ｂの収縮量に基づく弁部３７ｃの変位量との合計分が弁部３７ｃの変位量となるので、圧電アクチュエータが一つの場合に比べて、弁部３７ｃの変位量が大きくなる。これにより、バルブ装置３０の最大流量を大きくすることができる。さらに、マスフローコントローラ１００の流量の設定範囲を大きくできる。

さらに、バルブ装置３０では、第２圧電アクチュエータ３５ｂが第１圧電アクチュエータ３５ａの内側に配置されるので、例えば、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂを一直線上に並べた構成に比べて、高さを低くすることができる。また、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂを並列に並べた構成に比べて、幅方向（径方向）の大きさを小さくできる。よって、バルブ装置３０を小型化することができる。

上記実施形態では、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの形状が、円筒状及び円柱状の場合を例に説明したが、第１圧電アクチュエータ３５ａは、多角筒形状であってもよい。さらに、第１圧電アクチュエータ３５ａは、周方向の一部分が欠落した断面Ｃ字形状や断面Ｕ字形状であってもよい。また、第２圧電アクチュエータ３５ｂは、多角柱形状や筒状であってもよい。さらに、第１圧電アクチュエータ３５ａを複数のアクチュエータで構成し、複数の第１圧電アクチュエータ３５ａの間に第２圧電アクチュエータ３５ｂを設けるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、第１圧電アクチュエータ３５ａは、保持部材３４に微小な移動が許容されるようにして保持されているが、第１圧電アクチュエータ３５ａを保持部材３４に連結するようにしてもよい。さらに、第１圧電アクチュエータ３５ａを底面部３２ａに固定するようにしてもよい。

第２圧電アクチュエータ３５ｂ、ロッド３７ｂ、及び弁部３７ｃを連結した構成としてもよい。

第２圧電アクチュエータ３５ｂが直接弁部３７ｃと当接できる長さを有していれば、ロッド３７ｂは設けなくてもよい。

また、上記実施形態では、バルブ装置３０をマスフローコントローラ１００に適用した場合を例に説明したが、バルブ装置３０は、単体で使用してもよいし、他の装置（例えば圧力式マスフローコントローラ）に適用してもよい。さらに、上記実施形態では、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電時に、弁体部３７が半開状態になる構成（非通電時に弁部３７ｃと弁座部材１４とが離間する構成）を例に説明したが、バルブ装置３０は、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電時に、弁体部３７が全閉状態になる、所謂ノーマルクローズタイプのバルブであってもよい。また、バルブ装置３０は、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂの非通電時に、弁体部３７が全開状態になる、所謂ノーマルオープンタイプのバルブであってもよい。

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

バルブ装置３０は、流路が形成されたボディ１０と、流路を流れる流体の流れを制御する弁体部３７と、一端がボディ１０の外面に設けられた載置部（底面部３２ａ）に保持される第１圧電アクチュエータ３５ａと、第１圧電アクチュエータ３５ａの内側に配置され、一端が弁体部３７と当接する第２圧電アクチュエータ３５ｂと、弁体部３７に設けられ第２圧電アクチュエータ３５ｂを開弁方向に付勢する付勢部材（ベローズ３７ａ）と、第１圧電アクチュエータ３５ａの他端と第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端との間に亘って設けられるものであって、第１圧電アクチュエータ３５ａが伸長したとき、伸長量を増幅して第２圧電アクチュエータ３５ｂを介して弁体部３７を閉弁方向に移動させ、または第１圧電アクチュエータ３５ａが収縮したとき、収縮量を増幅して第２圧電アクチュエータ３５ｂを介して弁体部３７を開弁方向に移動させる伸縮量増幅機構（シリンダ機構３６）と、を備える。

この構成では、第２圧電アクチュエータ３５ｂが第１圧電アクチュエータ３５ａの内側に配置されるので、例えば、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂを一直線上に並べた構成に比べて、高さを低くすることができる。また、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂを並列に並べた構成に比べて、幅方向（径方向）の大きさを小さくできる。よって、バルブ装置を小型化することができる。また、第１圧電アクチュエータ３５ａの伸縮量を、第１圧電アクチュエータ３５ａの他端と第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端との間に亘って設けられるシリンダ機構３６によって増幅することができるので、弁部３７ｃのストローク量を大きくすることができる。

バルブ装置３０では、弁体部３７は、第１圧電アクチュエータ３５ａに第１圧電アクチュエータ３５ａを伸長させる電圧が印加されるとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに第２圧電アクチュエータ３５ｂを伸長させる電圧が印加されると、付勢部材（ベローズ３７ａ）の付勢力に抗して閉弁方向に移動する。

バルブ装置３０では、弁体部３７は、第１圧電アクチュエータ３５ａに第１圧電アクチュエータ３５ａを収縮させる電圧が印加されるとともに、第２圧電アクチュエータ３５ｂに第２圧電アクチュエータ３５ｂを収縮させる電圧が印加されると、付勢部材（ベローズ３７ａ）の付勢力によって開弁方向に移動する。

これらの構成では、第１圧電アクチュエータ３５ａの伸長量に基づく弁部３７ｃの許容変位量と第２圧電アクチュエータ３５ｂの伸長量に基づく弁部３７ｃの許容変位量との合計分、または第１圧電アクチュエータ３５ａの収縮量に基づく弁部３７ｃの許容変位量と第２圧電アクチュエータ３５ｂの収縮量に基づく弁部３７ｃの許容変位量との合計分が弁部３７ｃの変位量となるので、圧電アクチュエータが一つの場合に比べて、弁部３７ｃの変位量が大きくなる。これにより、バルブ装置３０の最大流量を大きくすることができる。さらに、バルブ装置３０をマスフローコントローラ１００に搭載した場合には、マスフローコントローラ１００の流量の設定範囲を大きくできる。また、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂは、制御部４０から印加される電圧に応じて伸長または収縮するが、印加される電圧が、第１、第２圧電アクチュエータ３５ａ，３５ｂともに同極性の電圧を印加するので、制御の簡素化を図ることができる。

伸縮量増幅機構（シリンダ機構３６）は、第１開口部３６６及び第２開口部３６７が形成されるシリンダチューブ部材３６１と、先端が第１圧電アクチュエータ３５ａの他端と当接し、第１開口部３６６の内周面を摺動可能に設けられる複数の第１ピストン３６２と、先端が第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端と当接し、第２開口部３６７の内周面を摺動可能に設けられる第２ピストン３６３と、を有し、第１ピストン３６２の断面積は、第２ピストン３６３の断面積よりも大きい。

この構成では、伸縮量増幅機構は、シリンダ機構３６によって容易に実現される。

バルブ装置３０は、第１ピストン３６２が挿入可能な第１貫通孔３４ｂと、第２ピストン３６３が挿入可能な第２貫通孔３４ｃと、を有する保持部材３４をさらに備え、第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端は、第２貫通孔３４ｃの内周面に保持される。

この構成では、第２ピストン３６３が挿入可能な第２貫通孔３４ｃを、第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端を保持する保持手段として活用するので、保持部材３４に第２圧電アクチュエータ３５ｂの他端を保持する保持手段を別途設ける必要がなく、保持部材３４の構造の簡素化を図ることができる。

複数の第１ピストン３６２は、第２ピストン３６３に対し対称的に配置される。

この構成では、第１圧電アクチュエータ３５ａとシリンダ機構３６との間の力の伝達を均一にすることができるので、第１圧電アクチュエータ３５ａが傾くことが防止される。

第１圧電アクチュエータ３５ａは、筒状に形成され、第１圧電アクチュエータ３５ａと第２圧電アクチュエータ３５ｂとは、同軸上に配置される。

この構成では、第１圧電アクチュエータ３５ａと保持部材３４との間の力の伝達を均一にすることができるので、第１圧電アクチュエータ３５ａあるいは保持部材３４が傾くことが防止される。

弁体部３７は、流路が設けられる空間と第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが設けられる空間とを仕切る仕切り部（ベローズ３７ａ）と、仕切り部（ベローズ３７ａ）に設けられた弁部３７ｃと、を有する。

仕切り部（ベローズ３７ａ）によって、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂが流体に接触することを防止できる。これにより、流体として腐食性のガスなどを用いた場合に、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂを確実に保護することができる。

付勢部材は、第２圧電アクチュエータ３５ｂを弁部３７ｃを介して開弁方向に付勢する仕切り部（ベローズ３７ａ）から構成される。

この構成では、付勢部材と仕切り部（ベローズ３７ａ）とを一つの部材に統合することにより、弁体部３７の構造の簡素化を図ることができる。

仕切り部（ベローズ３７ａ）は、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂに電圧が印加されていない状態において、弁部３７ｃを所望の流量が確保できる開度に維持する。

バルブ装置３０を流量制御弁として用いる場合には、第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂに電圧が印加されていない状態での弁部３７ｃの位置を、所望の流量を確保できる開度に維持することにより、流量を所望流量に制御するための第１圧電アクチュエータ３５ａ及び第２圧電アクチュエータ３５ｂの動作範囲を小さくすることができる。よって、電力消費量を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、上記実施形態では、仕切り部としてベローズ３７ａを例に説明したが、仕切り部は、金属製のダイヤフラムなどであってもよい。

上記実施形態では、弁部３７ｃはベローズ３７ａの一部として説明したが、弁部３７ｃは、ベローズ３７ａと別体のものであってもよい。

上記実施形態では、流量センサ２０として、サーマル式流量センサを用いた場合を説明したが、流量センサ２０は、差圧式、コリオリ式、超音波式などどのような形式のものであってもよい。また、上記実施形態では、流体としてガスを例に説明しが、流体は、ガスに限らず、液体、さらに空気であってもよい。

上記実施形態では、ボンネット３１と本体部１１（ボディ１０）とが別体である構成を例に説明したが、これに限らず、ボンネット３１と本体部１１（ボディ１０）とが一体の構成であってもよい。さらに、上記実施形態では、第１圧電アクチュエータ３５ａの一端がケース３２の底面部３２ａに保持される構成を例に説明したが、ボンネット３１に保持させる構成であってもよく、ボンネット３１と本体部１１（ボディ１０）とが一体の構成であれば、第１圧電アクチュエータ３５ａの一端をボディ１０の外面に直接保持させる、つまり、載置部をボディ１０の外面に直接設けてもよい。

１００ マスフローコントローラ
１０ ボディ
１１ 本体部
１２ 第１継手部
１３ 第２継手部
１４ 弁座部材
１４ａ オリフィス
２０ 流量センサ
３０ バルブ装置
３１ ボンネット
３２ ケース
３２ａ 底面部（載置部）
３３ キャップ
３４ 保持部材
３４ｂ 第１貫通孔
３４ｃ 第２貫通孔
３５ アクチュエータ部
３５ａ 第１圧電アクチュエータ
３５ｂ 第２圧電アクチュエータ
３６ シリンダ機構（伸縮量増幅機構）
３７ 弁体部
３７ａ ベローズ（仕切り部）
３７ｂ ロッド
３７ｃ 弁部
４０ 制御部
５０ カバー
６０ バイパスシート
３６２ 第１ピストン
３６３ 第２ピストン
３６６ 第１開口部
３６７ 第２開口部

Claims (11)

1. 流路が形成されたボディと、
   前記流路を流れる流体の流れを制御する弁体部と、
   一端が前記ボディの外面に設けられた載置部に保持される第１圧電アクチュエータと、
   前記第１圧電アクチュエータの内側に配置され、一端が前記弁体部と当接する第２圧電アクチュエータと、
   前記弁体部に設けられ前記第２圧電アクチュエータを開弁方向に付勢する付勢部材と、
   前記第１圧電アクチュエータの他端と前記第２圧電アクチュエータの他端との間に亘って設けられる伸縮量増幅機構であって、前記第１圧電アクチュエータが伸長したとき、伸長量を増幅して前記第２圧電アクチュエータを介して前記弁体部を閉弁方向に移動させ、または前記第１圧電アクチュエータが収縮したとき、収縮量を増幅して前記第２圧電アクチュエータを介して前記弁体部を開弁方向に移動させる伸縮量増幅機構と、を備えることを特徴とするバルブ装置。
2. 請求項１に記載されたバルブ装置において、
   前記弁体部は、前記第１圧電アクチュエータに前記第１圧電アクチュエータを伸長させる電圧が印加されるとともに、前記第２圧電アクチュエータに前記第２圧電アクチュエータを伸長させる電圧が印加されると、前記付勢部材の付勢力に抗して閉弁方向に移動することを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項１または２に記載されたバルブ装置において、
   前記弁体部は、前記第１圧電アクチュエータに前記第１圧電アクチュエータを収縮させる電圧が印加されるとともに、前記第２圧電アクチュエータに前記第２圧電アクチュエータを収縮させる電圧が印加されると、前記付勢部材の付勢力によって開弁方向に移動することを特徴とするバルブ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載されたバルブ装置において、
   前記伸縮量増幅機構は、
   第１開口部及び第２開口部が形成されるシリンダチューブ部材と、
   先端が前記第１圧電アクチュエータの他端と当接し、前記第１開口部の内周面を摺動可能に設けられる第１ピストンと、
   先端が前記第２圧電アクチュエータの他端と当接し、前記第２開口部の内周面を摺動可能に設けられる第２ピストンと、を有し、
   前記第１ピストンの断面積は、前記第２ピストンの断面積よりも大きいことを特徴とするバルブ装置。
5. 請求項４に記載されたバルブ装置において、
   前記第１ピストンが挿入可能な第１貫通孔と、前記第２ピストンが挿入可能な第２貫通孔と、を有する保持部材をさらに備え、
   前記第２圧電アクチュエータの他端は、前記第２貫通孔の内周面に保持されることを特徴とするバルブ装置。
6. 請求項４または５に記載されたバルブ装置において、
   前記第１ピストンは、複数によって形成され、
   複数の前記第１ピストンは、前記第２ピストンに対し対称的に配置されることを特徴とするバルブ装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載されたバルブ装置において、
   前記第１圧電アクチュエータは、筒状であり、
   前記第１圧電アクチュエータと前記第２圧電アクチュエータとは、同軸上に配置されることを特徴とするバルブ装置。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載されたバルブ装置において、
   前記弁体部は、
   前記流路が設けられる空間と前記第１圧電アクチュエータ及び前記第２圧電アクチュエータが設けられる空間とを仕切る仕切り部と、
   前記仕切り部に設けられた弁部と、を有することを特徴とするバルブ装置。
9. 請求項８に記載されたバルブ装置において、
   前記付勢部材は、前記第２圧電アクチュエータを前記弁部を介して開弁方向に付勢する前記仕切り部から構成されることを特徴とするバルブ装置。
10. 請求項８または９に記載されたバルブ装置において、
    前記仕切り部は、前記第１圧電アクチュエータ及び前記第２圧電アクチュエータに電圧が印加されていない状態において、前記弁部を所望の流量が確保できる開度に維持することを特徴とするバルブ装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一つに記載されたバルブ装置を備えることを特徴とするマスフローコントローラ。

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