JP2509068B2

JP2509068B2 - バルブ装置及びその使用方法

Info

Publication number: JP2509068B2
Application number: JP5077618A
Authority: JP
Inventors: 茂定村; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: JPH0612128A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バルブ装置に係り、特
に積層型変位素子を用いたノーマルクローズ型のバルブ
装置及びその使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば半導体製造工程のＣＶＤ装
置のように毎分数ｃｃ〜数千ｃｃ程度の比較的小流量域
の流体を取り扱う場合に使用される弁としては、例え
ば、ソレノイドを利用したソレノイドバルブ、或いは金
属の熱膨張を利用したサーマルバルブ（Ｕ．Ｓ．Ｐ
３，６５０，５０５）等が知られている。しかしなが
ら、ソレノイドバルブは、微小流量を精度良く制御する
ことが比較的難しいこと、ソレノイドの励磁によって生
ずる鉄損や抵抗損等により発熱し易いこと、構造部品が
多く比較的複雑なため生産性及び保守性において劣るこ
と等の難点があった。また、サーマルバルブは、比較的
精度の良い流量制御が可能であり小型の制御弁が実現で
きる等の利点があるものの、金属の熱膨張を利用して弁
を駆動するため応答時間の点で問題があった。

【０００３】かかる従来技術の問題点を解消するものと
して、例えば数１０μｍの小さなストローク範囲内で大
きな推力変化を生ぜしめて精度良く弁開度を制御できる
積層型変位素子を用いたバルブ装置が開発され、用いら
れるようになった。この変位素子は、圧電セラミック材
料よりなる薄板と導電材料よりなる内部電極とを交互に
多数積層形成したものである。

【０００４】ここで、図４及び図５に基づいて一般的な
積層型変位素子の構成を説明すると、図４において、１
は薄板であり圧電セラミック材料によって形成し、正負
の内部電極２ａ、２ｂを交互に挟着して積層する。内部
電極２ａ、２ｂは各々一方の端縁部が外方に突出若しく
は露出するように形成し、各々外部電極３ａ、３ｂと接
続する。以上の構成により、外部電極３ａ、３ｂに正負
の電圧を印加すると、前記内部電極２ａ、２ｂ間に電界
が発生し、薄板１は圧電セラミック材料の縦効果により
厚さ方向に伸びて変位を生ずる。

【０００５】図５に示すものは他の積層型変位素子の例
であり、圧電変位効率を向上させた所謂全面電極型と称
されるものである（例えば特開昭５８−１９６０６８号
公報等参照）。図５において同一部分は前記図４と同一
の参照符号で示すが、内部電極２ａ、２ｂは薄板１の表
面全域に及ぶように形成して、所要枚数を前記同様に積
層する。次に上記のようにして形成した積層体５の一の
側面において、内部電極２ａ、２ｂの端縁に一層おきに
（例えば内部電極２ｂのみに）絶縁材料からなる被覆４
を設けると共に、被覆４の上から導電性材料からなる外
部電極３ａを被着させる。一方積層体５の他の側面にお
いては、上記被覆４を設けなかった内部電極（例えば２
ａ）の端縁に前記と同様に被覆４を設け、その上から外
部電極３ｂを被着させるのである。上記の構成により、
外部電極３ａ、３ｂに正負の電圧を印加すれば、前記同
様に薄板１が厚さ方向に伸びて変位を生ずるのである。
すなわち、上記内部電極に交互に反対極の電位を付与す
ることにより積層方向に沿って素子全体が伸長する圧電
縦効果を利用して弁体、例えばダイヤフラムを弁座方向
へ付勢して弁を閉塞するようになっている。

【０００６】ところで、この種のバルブ装置としては、
一般的には電圧を印加していない状態、すなわちノーマ
ル状態において弁が全閉状態となって電圧を印加すると
その電圧に応じて弁開度が次第に大きくなる型式、すな
わちノーマルクローズ型式であることが半導体製造装置
の処理ガス精密流量制御系等においては特に要求される
が、上記した圧電縦効果を利用した変位素子を直接弁体
に連結すると、電圧を印加していない状態、すなわちノ
ーマル状態において弁が全開状態となって電圧を印加す
るとその電圧に応じて弁開度が次第に小さくなる型式、
すなわちノーマルオープン型式のバルブ装置となってし
まう。

【０００７】そこで、本出願人は先の出願（特開昭６４
−５５４８７号公報及び特開昭６２−１７７３８４号公
報）等においてノーマルクローズ型式のバルブ装置を提
案した。すなわち、特開昭６４−５５４８７号公報に開
示した。バルブ装置は、変位素子の下端部を弁のベース
側へ固定すると共にその上端側に弁棒を固定し、変位素
子が電圧印加により伸長した時に弁棒が上昇するように
構成され、これにより変位素子の作動方向を逆転させて
ノーマルクローズ型式のバルブ装置が実現されている。

【０００８】また、特開昭６２−１７７３８４号公報に
開示したバルブ装置は、図６に示すように弁本体１１の
弁座１７に着座可能にダイヤフラム板よりなる弁体１８
を設け、この弁体１８に上記変位素子１３の下端部を直
接的に取り付けることにより構成される。この場合、ダ
イヤフラムである弁体１８の作動方向と変位素子１３と
の積層方向は略同一方向（図中上下方向）になされてお
り、この変位素子１３に逆電位を印加することにより変
位素子１３は積層方向において縮むように変位して弁を
開くことになり、これによりノーマルクローズ型式のバ
ルブ装置が実現されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たノーマルクローズ型式のバルブ装置には次のような問
題点があった。すなわち、特開昭６４−５５４８７号公
報に開示した構成にあっては、変位素子の作動方向を逆
転させるために作動機構の構成が煩雑となり、小型化に
寄与できないばかりか、複雑な作動機構を介して動力が
伝達されるので途中でエネルギーロスが生じ、エネルギ
ー伝達効率が低下するという問題点がある。

【００１０】また、特開昭６２−１７７３８４号公報に
開示した構成にあっては、素子に分極時の電圧とは逆極
性の電圧を印加することにより素子自体を収縮変位させ
るようになっているが、素子自体に高電界を加えて分域
反転及び分域回転を生ぜしめて一担分極処理したもの
は、逆方向への分極がゼロになる電場、すなわち抗電場
未満の値の逆電圧しか印加できず、それ以上の逆電圧を
印加すると、分極方向が逆転して収縮変位が伸長変位に
変わり、流量制御が不能となる。又、分極反転時に回路
に大電流が流れ、リード線はんだ付け部が断線する等、
素子の破壊につながる。従って、逆極性の電圧印加だけ
で収縮変位を発生させる場合、その変位量は極めて小さ
くなって必要とするストロークを得られないばかりか、
逆極性の電圧印加のために信頼性も劣るという問題点が
あった。本発明は、以上のような問題点に着目し、これ
を有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目
的は、積層型変位素子を、この積層方向が弁体の作動方
向と実質的に直交するように配置することによりノーマ
ルクローズ型のバルブ装置及びその使用方法を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、薄板と内部電極とを交互に積層して印
加される電圧に対応して変位する積層型変位素子を有
し、この積層型変位素子により弁体を作動させて流体の
流量制御を行うバルブ装置において、前記積層型変位素
子は、この積層方向が前記弁体の作動方向に対して実質
的に直交する方向になるように設置されるように構成し
たものである。

【００１２】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、薄板と
内部電極とを交互に積層してなる積層型変位素子は、そ
の積層方向が上記弁体の作動方向と実質的に直交するよ
うに設置されている。従って、この変位素子に正極性の
電圧を印加するとこの素子は積層方向に対しては伸長す
る変位を示すが積層方向と直交する方向に対しては収縮
する変位を示し、この収縮する方向と弁体の作動方向と
を一致させているので、正極性の電圧の印加により弁体
は開方向へ移動し、ノーマルクローズ型のバルブ装置と
して動作することになる。すなわち、本発明において
は、素子の横方向（積層方向に直交する方向）の収縮作
用を積極的に利用し、これを弁体の駆動力として使用す
るものである。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係るバルブ装置及びその使
用方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明に係るバルブ装置の一例を示す断面図、図２は
本発明のバルブ装置に用いる積層型変位素子を示す斜視
図、図３は図２に示す変位素子の動作を説明するための
説明図である。まず、図２に基づいて本発明に係るバル
ブ装置に適用される積層型変位素子の構造について説明
する。図４及び図５に示す構成と同一部分については同
一符号を付す。

【００１４】図２において例えばＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ
₃ 粉末に、有機バインダーとしてＰＶＢ、可塑剤として
ＢＰＢＧ、有機溶剤としてトリクレンを夫々添加して混
合し、この混合材料をドクタープレード法により厚さ１
００μｍのシート状の薄板１に形成する。次にこの薄板
１の表面に内部電極２ａ、２ｂを形成する銀−パラジウ
ムペーストをスクリーン印刷する。上記のように形成し
た内部電極２ａ、２ｂを有する薄板１を交互に例えば１
００枚積層して圧着した後、所定の寸法形状に切断して
積層体５とし、１０５０〜１２００℃で１〜５時間焼成
した。次に積層体５の側面には外部電極３ａ、３ｂを設
けると共に、作動方向（上下方向）の端面には絶縁材料
からなるシート６を接着する。このシート６は、バルブ
への組み付け時における隣り合う内部電極同士の短絡を
防止すると同時にバルブ組み付け部材との絶縁性を確保
するものであり、積層体に設けないでバルブ側へ設ける
ようにしてもよい。

【００１５】上記の構成により外部電極３ａ、３ｂは各
々前記内部電極２ａ、２ｂと電気的に接続されるから、
外部電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加すれば、積層型変位
素子として積層体５を駆動することができるのである。
この場合、積層体５は電圧の印加により作動方向（上下
方向）の長さｌを収縮するように作用する。従って後述
するようにこの素子をバルブ装置に適用すれば、例えば
ノーマルクローズ型において、電圧の印加により、弁棒
若しくは弁体を直接的に引き上げて流体の通過を許容
し、電圧の印加を解除すれば弁体は下降して流体を閉塞
するのである。

【００１６】尚、上記作動における変位量は次式で表さ
れる。 Δｌ＝ｄ₃₁Ｖ・ｌ／ｔ但し、Δｌ：変位量ｄ₃₁：圧電歪定数Ｖ：印加電圧ｌ：薄板１の作動方向長さ寸法ｔ：薄板１の厚さ寸法

【００１７】この場合圧電歪定数ｄ₃₁は、前記従来のも
のにおける圧電歪定数ｄ₃₃と比較して約１／２であるた
め、所定の変位を得るためには、薄板１の作動方向長さ
寸法ｌを大に形成し、及び／または厚さ寸法ｔを小に形
成することがのぞましい。上記の素子においては、内部
電極及び外部電極の形成手段としてスクリーン印刷法を
使用した例について記述したが、これに限定せず、メッ
キ、蒸着、塗布等の他の手段によっても作用は同一であ
る。尚、内部電極の型式は交互電極型であっても全面電
極型であってもよい。更に前記の素子においては、電気
機械変換材料が圧電材料である場合について記述した
が、キュリー温度が室温より低いため、分極の必要がな
く、且つ変位量が大であると共にヒステリシスが少ない
等の特徴を有する電歪材料についても、前記と全く同様
な作用を期待できる。このように形成された積層体（積
層型変位素子）５は図１及び図３に示すようにバルブ装
置に組み込まれる。

【００１８】図１において、１１は弁本体で、図示しな
いボルト等公知の結合手段でハウジング１９を固着して
おり、この弁本体１１とハウジング１９との間に弁室２
０を形成している。そして弁本体１１から弁室２０内に
向かって弁孔２１を有する弁座１７が突設されている。
また、ダイヤフラムよりなる弁体１８は弁本体１１とハ
ウジング１９によりＯリング（図示せず）を介して挟持
されている。弁本体１１には入口ポート１２を有し弁孔
２１に連通する流路１４と、出口ポート１５を有し流路
２２を介して弁室２０に連通する流路１６とが設けられ
ている。

【００１９】そして、上記弁体１８の上面側には、図１
において示される積層体５が取り付け固定されており、
その上端はハウジング１９の上部に設けた調整ネジ２３
に接触されている。尚、図１は、本出願人によりなされ
た先の出願（特開昭６２−１７７３８４号公報）に開示
したバルブ装置に図２に示す積層体５を適用した場合を
示す図である。この場合、図６に示す従来のバルブ装置
と異なり、本実施例においては、積層体５は、その積層
方向Ａ（図中水平方向）が弁体１８の作動方向Ｂに対し
て実質的に直交するように設置されている。この場合、
積層体５に電圧を印加していない状態、すなわち無電圧
印加時には弁体１８を図中下方向へ僅かに屈曲させて弁
座１７に完全に着座させ、全閉状態すなわちノーマルク
ローズ状態とする。これにより、積層体５に正極性の電
圧を印加すると積層体５は上下方向、すなわち弁体１８
の作動方向Ｂに対して収縮して印加電圧に比例した弁開
度を得ることができ、いわゆるノーマルクローズ型のバ
ルブ装置が実現できることになる。

【００２０】次に、以上のように構成された本実施例の
作用について説明する。まず、無電圧印加時において
は、初期設定により弁体１８は弁本体１１の弁座１７に
着座して弁孔２１を塞いでおり、全閉状態になされてい
る。

【００２１】次に、弁開度を制御すべく積層体５に正極
性の所定の電圧を印加すると、この積層体５は図示例の
ように積層方向Ａ（図中水平方向）に対しては圧電縦効
果により伸長変位するが積層方向Ａに直交する方向、す
なわち弁体１８の作動方向Ｂ（上下方向）に関しては圧
電横効果により収縮変位し、ダイヤフラムよりなる弁体
１８はその復元力により次第に元に戻り、弁座１７から
離れることになる。従って、印加する正極性の電圧を適
宜変化することにより積層体５の収縮力は弁体に直接伝
達されてこの収縮量を調整し、弁開度を制御することが
可能となる。すなわち、圧電横効果素子を用いることに
より、弁体を常時押圧した状態に保持し、必要に応じて
その押圧状態を解除することができる。

【００２２】また、従来のノーマルオープン型のバルブ
装置に上述のように積層体を適用して調整ネジで初期設
定することにより容易にノーマルクローズ型のバルブ装
置として使用することができる。尚、図３においては全
面電極型の積層型変位素子を用いた場合について示した
が、これに代えて交互電極型の変位素子を用いてもよ
い。また、ダイヤフラムは一応ある程度の反発力乃至復
元力を有しているが、この復元力を補充するためにダイ
ヤフラムにバネ等を介在させるようにしてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のバルブ装
置及びその使用方法によれば、次のように優れた作用効
果を発揮することができる。積層方向に直交する方向の
収縮効果を利用して弁体を作動させるようにしたので、
構造を複雑化させることなく、ノーマルクローズ型のバ
ルブ装置を実現できる。また、小型化及びコストの削減
を図ることができ、しかも必要なストロークを発揮する
ことができて高精度に流体の流量を制御することができ
る。また、積層変位型素子へは正極性の電圧しか印加し
ないので、逆極性に電圧を印加する従来装置と比較し
て、信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバルブ装置の一例を示す断面図で
ある。

【図２】本発明のバルブ装置に用いる積層型変位素子を
示す斜視図である。

【図３】図２に示す変位素子の動作を説明するための説
明図である。

【図４】積層型変位素子の従来の使用方法を説明するた
めの説明図である。

【図５】積層型変位素子の従来の他の使用方法を説明す
るための説明図である。

【図６】従来のバルブ装置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１薄板２ａ、２ｂ内部電極３ａ、３ｂ外部電極５積層体（積層型圧電素子）１１弁本体１７弁座１８弁体２１弁孔Ａ積層方向Ｂ作動方向

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被制御流体の流路の途中に設けた弁座
と、前記弁座の開口部を開閉する弁体と、前記弁体を駆
動する薄板状変位素子を積層一体してなる積層型変位素
子を有し、前記積層型変位素子により前記弁体を作動さ
せて被制御流体の流量制御を行なうバルブ装置におい
て、前記積層型変位素子は、その積層方向が前記弁体の
作動方向に対して実質的に直交する方向になるように配
置すると共に、前記積層型変位素子の無電圧印加時に
は、前記弁体が前記弁座に着座して前記開口部を閉塞す
るように設置し、前記積層型変位素子に正極性の電圧を
印加することにより前記弁体を前記弁座から離間させる
ように構成したことを特徴とするバルブ装置。
【請求項２】前記積層型変位素子が圧電横効果積層素
子または電歪横効果積層素子であることを特徴とする請
求項１記載のバルブ装置。
【請求項３】初期設定時に前記積層型変位素子の位置
調整を行なってノーマルクローズ状態とするための調整
ネジを有することを特徴とする請求項１または２記載の
バルブ装置。
【請求項４】請求項１乃至３に規定されるバルブ装置
の使用方法において、前記積層型変位素子の無電圧印加
時には前記弁体を前記弁座に着座させて前記開口部を閉
塞し、前記積層型変位素子に正極性の電圧を印加するこ
とにより、前記弁体を前記弁座から離間させて前記開口
部の弁開度を制御するように構成したことを特徴とする
バルブ装置の使用方法。