JP2668122B2 - Micro flow controller - Google Patents

Micro flow controller

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JP2668122B2 JP16055388A JP16055388A JP2668122B2 JP 2668122 B2 JP2668122 B2 JP 2668122B2 JP 16055388 A JP16055388 A JP 16055388A JP 16055388 A JP16055388 A JP 16055388A JP 2668122 B2 JP2668122 B2 JP 2668122B2
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芳輝 園田
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清原 まさ子
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子により弁の開・閉制御を行なう型
式の微流量制御装置の改良に係り、主として真空装置等
に於けるガスの微流量調整に利用されるものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement of a micro flow control device of the type that performs opening / closing control of a valve by a piezoelectric element, and mainly relates to fine gas control in a vacuum device or the like. It is used for flow rate adjustment.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

真空装置や半導体用ガス精製装置等に於いては、100
〜500cc/min位いの微流量ガスの流量制御を必要とする
場合が屡々ある。この様な微流量ガスの制御には、通常
第4図の様な所謂ピエゾバルブが利用されており、圧電
素子(圧電セラミツク)1へ印加する入力電圧を変えて
その延び量を制御することにより、ダイヤフラム2及び
弁体押え3を介して弁体4を上・下動させ、弁体4と弁
座5間の間隙を調整するものである。
In vacuum equipment and gas purification equipment for semiconductors, 100
It is often necessary to control the flow rate of a very small flow rate gas of about 500 cc / min. A so-called piezo valve as shown in FIG. 4 is usually used for controlling such a minute flow rate gas. By changing the input voltage applied to the piezoelectric element (piezoelectric ceramic) 1 to control the extension amount, The valve body 4 is moved up and down via the diaphragm 2 and the valve body presser 3 to adjust the gap between the valve body 4 and the valve seat 5.

尚、前記第4図に於いて6は弁箱、7は流体入口、8
は流体出口、9はラチェット付手動ハンドル、10は圧電
素子ケースである。
4, 6 is a valve box, 7 is a fluid inlet, 8
Denotes a fluid outlet, 9 denotes a manual handle with a ratchet, and 10 denotes a piezoelectric element case.

前記ピエゾバルブでは、圧電素子1への入力電圧を調
整することにより、130kg程度の駆動力でもつて、0〜3
0μmのストローク範囲に亘って弁体4の上下動を細か
く調整することが出来、消費電力量が少なく且つ高い分
解能を備えた微流量制御弁を得ることが出来る。
In the piezo valve, the input voltage to the piezoelectric element 1 is adjusted so that a driving force of about
The vertical movement of the valve element 4 can be finely adjusted over a stroke range of 0 μm, and a fine flow control valve with low power consumption and high resolution can be obtained.

例えば、前記第4図の如き構造のピエゾバルブに於い
ては、圧電素子1の伸び率及び単位ストローク当りの流
量が夫々0.15〜0.2μm/v,500〜600cc/μm位いであり、
極めて精密な微流量制御が行なえる。
For example, in the piezo valve having the structure shown in FIG. 4, the elongation rate of the piezoelectric element 1 and the flow rate per unit stroke are about 0.15 to 0.2 μm / v and 500 to 600 cc / μm, respectively.
Extremely precise fine flow control can be performed.

しかし乍ら、従前のピエゾバルブにも未だ改良すべき
問題点を多く残されている。その中でも最も大きな問題
は、温度変化に伴なう流量制御性の低下と問題である。
However, the conventional piezo valve still has many problems to be improved. Among them, the biggest problem is a decrease in flow controllability due to a temperature change.

即ち、周囲温度が変動すると、前記圧電素子1や圧電
素子収納ケース10も当然にその延び量が変化する。この
場合、両者の熱膨張係数が同一であれば問題は無いが、
圧電素子1と収納ケース10との間には熱膨張係数に相当
の差異があり、これによって、制御精度等の点に様々な
問題が起生する。
That is, when the ambient temperature fluctuates, the extension amount of the piezoelectric element 1 and the piezoelectric element storage case 10 naturally changes. In this case, there is no problem if both have the same coefficient of thermal expansion,
There is a considerable difference in the coefficient of thermal expansion between the piezoelectric element 1 and the storage case 10, which causes various problems in control accuracy and the like.

例えば、圧電素子1がセラミツク圧電素子であり且つ
収納ケース10がステンレス鋼(SUS304)製の場合、前者
の熱膨張係数が約1.2×10-6であるのに対して、後者の
熱膨張係数は約17.3×10-6であり両者の間には約1桁の
差異がある。従って、周囲温度が上昇した場合には、収
納ケース10の延び量の方が圧電素子1の延び量を上廻る
ことになる。その結果、弁体押え3にかかる下向きの押
圧力が減少すると共に、弁体4がスプリング11によって
上向きに押圧されて弁体4と弁座5間の間隙が減少し、
圧電素子1への入力値が同一であつても、流量値が減少
することになる。
For example, when the piezoelectric element 1 is a ceramic piezoelectric element and the storage case 10 is made of stainless steel (SUS304), the coefficient of thermal expansion of the former is about 1.2 × 10 −6 , while the coefficient of thermal expansion of the latter is It is about 17.3 × 10 -6 , and there is an order of magnitude difference between the two. Therefore, when the ambient temperature increases, the extension of the storage case 10 exceeds the extension of the piezoelectric element 1. As a result, the downward pressing force applied to the valve body retainer 3 decreases, and the valve body 4 is pressed upward by the spring 11 to reduce the gap between the valve body 4 and the valve seat 5,
Even if the input value to the piezoelectric element 1 is the same, the flow value will decrease.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

本発明は、従前の微流量制御用のピエゾバルブに於け
る上述の如き問題、即ち、圧電素子と圧電素子収納ケー
スとの熱膨張係数の差異に起因する制御精度の低下の問
題を解決せんとするものであり、両者の熱膨張係数の違
いによる延び量の差を自動的に補償することにより、所
定の温度範囲に亘って安定した流量制御精度を保持し得
るようにした微流量制御装置を提供するものである。
The present invention aims to solve the above-mentioned problem in a conventional piezo valve for controlling a minute flow rate, that is, the problem of deterioration in control accuracy due to a difference in thermal expansion coefficient between a piezoelectric element and a piezoelectric element housing case. The present invention provides a micro flow control device capable of maintaining stable flow control accuracy over a predetermined temperature range by automatically compensating for a difference in elongation due to a difference in thermal expansion coefficient between the two. Is what you do.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、収納ケース10内に支持した圧電素子1によ
り弁体4を駆動する制御弁本体Aと;前記圧電素子1及
び収納ケース10に夫々固着した歪み検出素子12・13を備
え、両者の延び量の差に比例した補償信号を出力する延
び量検出装置Bと;前記延び量検出装置Bからの補償信
号により入力信号を修正し、当該修正した後の信号を前
記圧電素子1へ出力する駆動制御装置Cとを発明の基本
構成とするものである。
The present invention includes a control valve body A for driving a valve body 4 by a piezoelectric element 1 supported in a storage case 10; and strain detection elements 12, 13 fixed to the piezoelectric element 1 and the storage case 10, respectively. An elongation amount detection device B that outputs a compensation signal proportional to the difference in elongation amount; an input signal is corrected by a compensation signal from the elongation amount detection device B, and the corrected signal is output to the piezoelectric element 1 The drive control device C is a basic configuration of the present invention.

〔作用〕[Action]

温度変化により圧電素子1及び収納ケース10の延び量
が変化すると、夫々に固着した延び量検出素子12・13の
抵抗値が変化し、両者の延び量の差に比例した補償信号
が出力される。
When the amount of extension of the piezoelectric element 1 and the housing case 10 changes due to a temperature change, the resistance values of the respective extension amount detection elements 12 and 13 fixed to each other change, and a compensation signal proportional to the difference between the amounts of extension is output. .

駆動制御装置Cへの入力信号は、前記補償信号によっ
て修正され、この修正された後の信号が圧電素子1へ印
加される。
The input signal to the drive control device C is modified by the compensation signal, and the modified signal is applied to the piezoelectric element 1.

即ち、温度上昇の場合には、圧電素子1への入力電圧
が前記補償信号によって増加方向に修正され、圧電素子
1の延び量は収納ケース10の延び量と略等しい延び量と
なる。これにより、弁体4に作用する駆動力は常に一定
値に保持されることになり、温度変化による弁開度の変
動が防止されることになる。
That is, when the temperature rises, the input voltage to the piezoelectric element 1 is corrected in the increasing direction by the compensation signal, and the extension of the piezoelectric element 1 becomes substantially equal to the extension of the storage case 10. As a result, the driving force acting on the valve element 4 is always kept at a constant value, and the fluctuation of the valve opening due to the temperature change is prevented.

〔実施例〕〔Example〕

以下、第1図乃至第3図に基づいて本発明の一実施例
を説明する。尚、第1図乃至第3図に於いて、前記第4
図と同一部位には同じ参照番号を使用する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. It should be noted that in FIG. 1 to FIG.
The same reference numerals are used for the same parts as in the drawings.

第1図は本発明の全体構成を示すブロツク線図であ
り、本発明に係る微流量制御装置は制御弁本体Aと、圧
電素子及び圧電素子収納ケースの延び量を検出する延び
量検出装置Bと、圧電素子の駆動制御装置Cとから構成
されている。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the present invention. In the micro flow control device according to the present invention, a control valve main body A, an extension detecting device B for detecting the extension of a piezoelectric element and a piezoelectric element housing case are shown. And a drive control device C for the piezoelectric element.

又、本発明に於いては、前記延び量検出装置Bから弁
体駆動用の圧電素子1の延び量と圧電素子収納ケース10
の延び量の差に比例した補償信号が発信されると共に、
前記補償信号によつて修正された信号が駆動制御装置C
から圧電素子1へ出力され、圧電素子1と収納ケース10
との延び量が、温度変化に拘わらず常に一定値に保持さ
れることになる。
Further, in the present invention, the extension amount of the piezoelectric element 1 for driving the valve body and the
A compensation signal proportional to the difference in the extension of
The signal corrected by the compensation signal is applied to the drive control device C.
Is output to the piezoelectric element 1 and the piezoelectric element 1 and the storage case 10
Is always maintained at a constant value regardless of the temperature change.

第2図は本発明で使用する制御弁本体Aの縦断面図で
あり、図に於いて1は圧電素子、2はダイヤフラム、3
は弁体押え、4は弁体、5は弁座、6は弁箱、7は流体
入口、8は流体出口、9はラチェット付手動ハンドル、
10は圧電素子収納ケース、11はスプリング、12は圧電素
子1に固着した歪み検出素子、13は圧電素子収納ケース
イ10に固着した歪み検出素子である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a control valve body A used in the present invention. In the figure, 1 is a piezoelectric element, 2 is a diaphragm,
Is a valve body retainer, 4 is a valve body, 5 is a valve seat, 6 is a valve box, 7 is a fluid inlet, 8 is a fluid outlet, 9 is a manual handle with a ratchet,
Reference numeral 10 denotes a piezoelectric element storage case, 11 denotes a spring, 12 denotes a strain detection element fixed to the piezoelectric element 1, and 13 denotes a strain detection element fixed to the piezoelectric element storage case 10.

前記圧電素子1には所謂圧電セラミツクが使用されて
おり、入力電圧12〜150V,最大ストローク22μm、伸び
率0.16μm/v、熱膨張係数1.2×10-6に夫々選定されてい
る。当該圧電素子1はダイヤフラム2の上方に位置して
ステンレス鋼(SUS304)製(熱膨張係数17.3×10-6)の
収納ケース10内に配設されており、ラチェット付手動ハ
ンドル9によってその上端部が一定の圧力で下方へ押圧
されている。即ち、収納ケース10内の圧電素子1は、ハ
ンドル9とダイヤフラム2間に軸方向のガタツキを生ず
ることなしに挟着保持されており、弁駆動用信号が入力
されて圧電素子1が伸長することにより、ダイヤフラム
2及び弁体押え3を介して弁体4が下方へ押圧され、そ
の伸長量に応じた開弁が行われる。また、前記弁駆動用
信号が減少することにより、圧電素子1自体の長さが縮
まり、スプリング11の弾性力により弁体4が閉弁方向へ
移動する。
A so-called piezoelectric ceramic is used for the piezoelectric element 1, and an input voltage of 12 to 150 V, a maximum stroke of 22 μm, an elongation rate of 0.16 μm / v, and a thermal expansion coefficient of 1.2 × 10 −6 are selected. The piezoelectric element 1 is located above the diaphragm 2 and is disposed in a storage case 10 made of stainless steel (SUS304) (coefficient of thermal expansion 17.3 × 10 -6 ), and its upper end portion is provided by a manual handle 9 with a ratchet. Are pressed downward at a constant pressure. That is, the piezoelectric element 1 in the storage case 10 is sandwiched and held between the handle 9 and the diaphragm 2 without causing rattling in the axial direction, and the piezoelectric element 1 is expanded by receiving a valve driving signal. As a result, the valve element 4 is pressed downward via the diaphragm 2 and the valve element retainer 3, and the valve is opened according to the amount of extension. Further, as the valve driving signal decreases, the length of the piezoelectric element 1 itself decreases, and the valve element 4 moves in the valve closing direction by the elastic force of the spring 11.

第3図は、延び量検出装置B及び駆動制御装置Cの回
路構成図である。延び量検出装置Bは、圧電素子1に固
着した歪み検出素子12と、収納ケース10に固着した歪み
検出素子13と、両者の歪み量の差を取り出すブリツジ回
路14と、ブリツジ回路14からの差信号に比例した補償信
号Pを出力する差動アンプ15等から構成されており、両
歪み検出素子12・13の抵抗値が変化することによってブ
リツジ回路14のバランスが崩れ、不平衡電流が差動アン
プ15で増幅されて歪み量の差に比例した補償信号Pが出
力される。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the extension amount detection device B and the drive control device C. The extension amount detecting device B includes a strain detecting element 12 fixed to the piezoelectric element 1, a strain detecting element 13 fixed to the housing case 10, a bridge circuit 14 for taking out the difference between the strain amounts of both, and a difference from the bridge circuit 14. It is composed of a differential amplifier 15 that outputs a compensation signal P proportional to the signal, and the resistance of both distortion detection elements 12 and 13 changes, causing the bridge circuit 14 to lose its balance, resulting in an unbalanced differential current. A compensation signal P amplified by the amplifier 15 and proportional to the difference in the amount of distortion is output.

前記駆動制御装置Cは基準操作信号S用の増幅器1
6′、操作信号Sと歪み検出装置Bからの補償信号Pが
入力され、補償信号Pによって基準操作信号Sを修正す
るオペレーシヨンアンプ16と、前記歪み量の修正(温度
補償)をした後の信号の増幅器17と出力トランス18等に
より構成されており、基準操作信号Sに補償信号Pによ
って歪み量に比例した修正を施した後の信号S′が、圧
電素子1へ入力されることになる。
The drive control device C includes an amplifier 1 for the reference operation signal S.
6 ', the operation signal S and the compensation signal P from the distortion detecting device B are inputted, the operation amplifier 16 which corrects the reference operation signal S by the compensation signal P, and the distortion amount after correction (temperature compensation) The signal S ′, which is composed of a signal amplifier 17 and an output transformer 18, is applied to the piezoelectric element 1 after the reference operation signal S is corrected by the compensation signal P in proportion to the amount of distortion. .

例えば、本実施例に於いては、温度上昇によって収納
ケース10側の延び量が増えると、操作信号Sが補償信号
Pによって修正されて所定量だけ増加する。これより圧
電素子1への入力信号S′が増加し、圧電素子1が両者
の延び量だけ伸長して温度変化による影響が相殺される
ことになる。
For example, in the present embodiment, when the extension amount on the storage case 10 side increases due to a rise in temperature, the operation signal S is corrected by the compensation signal P and increases by a predetermined amount. As a result, the input signal S 'to the piezoelectric element 1 increases, and the piezoelectric element 1 expands by the amount of extension of both, thereby canceling out the effect of the temperature change.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明に於いては、弁体4を駆動する圧電素子1と該
圧電素子1を収納支持する収納ケース10と夫々歪み検出
素子12・13に配設し、温度変化による両者の延び量の差
に比例する補償信号を延び量検出装置Bから駆動制御装
置Cへ出力すると共に、駆動制御装置Cに於いて前記補
償信号によって基準操作信号に修正を加え、圧電素子1
と収納ケース10の延び量が常に略同等に保持される構成
としている。
In the present invention, the piezoelectric element 1 for driving the valve element 4, the housing case 10 for housing and supporting the piezoelectric element 1 and the strain detecting elements 12 and 13 are respectively arranged, and a difference in extension amount between them due to temperature change. Is output from the elongation amount detection device B to the drive control device C, and the drive control device C modifies the reference operation signal with the compensation signal,
The length of extension of the storage case 10 is always kept substantially equal.

その結果、弁体4に作用する押圧力が周囲温度によつ
て変化することにより、弁開度が変動するようなことも
皆無になり、常に高精度な微流量制御を行うことが出来
る。
As a result, the pressing force acting on the valve body 4 changes according to the ambient temperature, so that the valve opening does not fluctuate, so that a high-precision fine flow control can always be performed.

本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するもので
ある。
The present invention has excellent practical utility as described above.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の全体構成を示す説明図である。 第2図は本発明で使用する制御弁本体の一例を示す縦断
面図である。 第3図は本発明の一部を構成する歪み量検出装置及び駆
動制御装置の回路構成図である。 第4図は従前のピエゾバルブの一例を示す縦断面図であ
る。 1……圧電素子、11……スプリング 2……ダイヤフラム、12・13……歪み検出素子 4……弁体、A……制御弁本体 5……弁座、B……延び量検出装置 10……収納ケース、C……駆動制御装置
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a control valve main body used in the present invention. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a distortion amount detection device and a drive control device which constitute a part of the present invention. FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional piezo valve. 1 ... Piezoelectric element, 11 ... Spring, 2 ... Diaphragm, 12/13 ... Strain detection element 4 ... Valve body, A ... Control valve body 5 ... Valve seat, B ... Extension amount detection device 10 ... ... Storage case, C ... Drive control device

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】収納ケース(10)内に支持した圧電素子
(1)により弁体(4)を駆動する制御弁本体(A)
と;前記圧電素子(1)及び収納ケース(10)に夫々固
着した歪み検出素子(12)・(13)を備え、両者の延び
量の差に比例した補償信号を出力する延び量検出装置
(B)と;前記延び量検出装置(B)からの補償信号に
より入力信号を修正し、当該修正した後の信号を前記圧
電素子(1)へ出力する駆動制御装置(C)とより構成
した微流量制御装置。
A control valve body (A) for driving a valve body (4) by a piezoelectric element (1) supported in a storage case (10).
And an extension amount detection device which includes strain detection elements (12) and (13) fixed to the piezoelectric element (1) and the housing case (10), respectively, and outputs a compensation signal proportional to the difference between the extension amounts of the two. B) and a drive control device (C) that corrects an input signal with a compensation signal from the elongation amount detection device (B) and outputs the corrected signal to the piezoelectric element (1). Flow control device.
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