JP6777659B2 - ピエゾアクチュエータ型バルブ - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、「High Flow Piezo Actuator Type Valve」と題する２０１５年６月２５日付けで出願された米国仮特許出願第６２１８４７５８号に対する優先権を主張する。この米国仮特許出願の教示全体は、本明細書の一部をなす。

質量流量制御器（ＭＦＣ）は、液体及び気体の流れを測定及び制御するのに用いられる装置である。一般的に、ＭＦＣは、特定のタイプの液体又は気体を、特定の範囲の流量で制御するように設計及び較正される。ＭＦＣは、フルスケールレンジの０％〜１００％の設定点を与えることができるが、通常、最良の精度が達成された場合で、フルスケールの１０％〜９０％で動作する。そして、この装置は、流量を所与の設定点に制御する。

ＭＦＣは、半導体製造において、所望の流量設定点において必要とされる様々な気体を含む製品別のレシピを実施するために広く用いられている。したがって、ＭＦＣの性能は、全プロセスの収量の最大化にとって重要である。質量流量制御器の一体部分には、種々の通路を開放、閉鎖、又は部分的に塞ぐことにより、流体の流れを調節、誘導、又は制御するバルブがある。

本明細書において、高流量（３０ｓｌｐｍ超）及び低流量（３０ｓｌｐｍ以下）の双方の熱式質量流量制御器に対して意図されている新規のバルブ設計のいくつかの実施形態が開示される。例えば、開示される実施形態は、
ピエゾ積層体と、
前記ピエゾ積層体を取り囲むピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾ積層体の移動量を増幅するストローク増幅器を提供するたわみ要素を備える、ピエゾアクチュエータと、
流入口流路及び流出口流路を有するバルブブロックと、
前記バルブブロックの上に着座するダイヤフラムであって、該ダイヤフラムの外側部分は剛性であり、該ダイヤフラムの内側部分は垂直軸線において可動である、ダイヤフラムと、
双方向フレキシャであって、前記ピエゾアクチュエータの下部分が、該双方向フレキシャを介して前記ダイヤフラムに機械的に取り付けられる、双方向フレキシャと、
を備える、バルブ組立体を含む。

開示される別の実施形態は、
流路を通る流量を検知する流量センサー組立体と、
バルブ組立体であって、
ピエゾ積層体と、
前記ピエゾ積層体を取り囲むピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾ積層体の移動量を増幅するストローク増幅器を提供するたわみ要素を備える、ピエゾアクチュエータと、
流入口流路及び流出口流路を有するバルブブロックと、
前記バルブブロックの上に着座するダイヤフラムであって、該ダイヤフラムの外側部分は剛性であり、該ダイヤフラムの内側部分は垂直軸線において可動である、ダイヤフラムと、
双方向フレキシャであって、前記ピエゾアクチュエータの下部分が、該双方向フレキシャを介して前記ダイヤフラムに機械的に取り付けられる、双方向フレキシャと、
を備える、バルブ組立体と、
所望の流量を受け取り、前記流量センサー組立体から流量の表示を受け取り、前記流路を通る実際の流量を求め、前記バルブ組立体を制御して流体流量を調節するようにプログラムされた制御装置と、
を備える、質量流量制御器を含む。

双方向フレキシャ部材及び双方向フレキシャ部材をピエゾアクチュエータに接続する手段に関する種々の設計の非限定的な例も、本明細書に記載及び開示される。

開示の実施形態の利点のいくつかとして、限定されないが、負電圧で駆動されると更なる遮断力を加えることができるアクチュエータ設計を実施することによって、流れの遮断の改善を可能にすることと、バルブ内の全ての接触点を排除することによってアクチュエータの効率を最大化し、それにより、サイクル動作に伴う摩耗を排除又は低減することと、プランジャの押し引きを可能にすることとが挙げられる。

更なる実施形態、利点、及び新規の特徴が詳細な説明に記載される。

本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。添付の図面は、引用することにより本明細書の一部をなす。

本明細書に開示の高流量及び低流量ピエゾアクチュエータ型バルブの実施形態を組み込むことができる質量流量制御器の一例を示す図である。 従来技術に係るピエゾアクチュエータ型バルブの一例を示す図である。 １つの実施形態に係る、双方向フレキシャを有するピエゾアクチュエータ型バルブの一例を示す図である。 図３に示されているピエゾアクチュエータ型バルブの分解図の一例を示す図である。 開示の実施形態に係る双方向フレキシャ設計の一例を示す図である。 開示の実施形態に係る双方向フレキシャ設計の別の例を示す図である。 開示の実施形態に係る単方向フレキシャ設計の一例を示す図である。 開示の実施形態に係る剛性クランプの一例を示す図である。 開示の実施形態に係る剛性クランプの別の例を示す図である。 別の実施形態に係る、双方向フレキシャを有するピエゾアクチュエータ型バルブの別の例を示す図である。

示されている図は、例示にすぎず、種々の実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計、又はプロセスに関する限定を主張することも意味することも何ら意図していない。

本発明並びに本発明の種々の特徴及び有利な詳細は、添付の図面に示されているとともに以下の説明に詳述されている非限定的な実施形態を参照して、より十分に説明される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分詳細に記載されており、他の実施形態を利用することができること、並びに、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、論理的、構造的、機械的、電気的、及び化学的な変更を行うことができることが理解される。当業者が本明細書に記載の実施形態を実施するのに必要でない詳述を回避するため、既知の材料、処理技法、構成要素、及び器具の記載は、本発明の詳細を不必要に曖昧にしないように省かれる。一方、本発明の特定の実施形態を示しながら詳述される記載及び特定の例は、単なる例示として与えられており、限定するものではないことを理解すべきである。さらに、示されている図は、例示にすぎず、様々な実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計、又はプロセスに関して何らの限定も主張又は暗示するように意図されてはいない。本発明の根底にある構想の趣旨及び／又は範囲内の種々の代用、変更、追加、及び／又は再構成が、本開示から当業者には明らかになる。

開示の実施形態の他の特徴及び利点は、当業者が添付の図面及び以下の詳細な説明を検討すると明らかになるであろう。全てのそのような付加的な特徴及び利点は、開示の実施形態の範囲内に含まれることが意図される。

記載の開示内及び特許請求の範囲において用いられる場合、「含む、備える（"including" and "comprising"）」という用語は、オープンエンド様式で用いられ、したがって、「含むが、それに限定されない（"including, but not limited to"）」ことを意味するように解釈すべきである。別段指示されない限り、本文書全体を通して用いられる、「又は、若しくは（or）」は、相互に排他的である必要はない。さらに、本明細書において用いられる場合、単数を示す用語（the singular forms "a", "an" and "the"）は、文脈によって別段明確に指示されない限り、複数の場合（plural forms）も含むように意図される。

さらに、「流体」という用語は、本明細書において、流れることが可能な任意の状態にある任意のタイプの物質を指すように用いられる。「気体」という用語は、本明細書において、密度が実質的に絶対圧に依存する、理想又は非理想の気体、蒸気、及び超臨界流体等の任意の流体を指すように用いられる。「液体」という用語は、本明細書において、密度が実質的に絶対圧に依存しない任意の流体を指すように用いられる。

別段明記されない限り、あらゆる形の「接続する」、「係合する」、「結合する」、「取り付ける」という用語、又は要素間の相互作用を示す他のあらゆる用語の使用は、その相互作用を要素間の直接の相互作用に限定することを意味せず、記載の要素間の間接的な相互作用も含むことができる。

図１は、質量流量制御器１００の概略図であり、質量流量制御器１００は、質量流量制御器１００の構成要素が取り付けられるプラットフォームを提供するブロック１１０を備える。図示の実施形態では、熱式質量流量計１４０とバルブ１７０を含むバルブ組立体１５０とが、ブロック１１０上において、流体流入口１２０と流体流出口１３０との間に取り付けられている。熱式質量流量計１４０は、通常は流体の大部分が通流するバイパス１４２と、その流体のより少量の部分が通流する熱式流量センサー１４６とを備える。

熱式流量センサー１４６は、取付板又は基部１０８上に取り付けられたセンサーハウジング１０２内に収容されている。図示の実施形態では、熱式流量センサー１４６は、通常は毛管と呼ばれる小径の管を備え、センサー流入口部分１４６Ａと、センサー流出口部分１４６Ｂと、２つの抵抗コイル又は抵抗巻線１４７及び１４８が周囲に配置されたセンサー測定部分１４６Ｃとを有する。動作時には、電流が２つの抵抗巻線１４７及び１４８に供給され、これらの抵抗巻線は、センサー測定部分１４６Ｃと熱接触する。抵抗巻線１４７及び１４８内の電流は、測定部分１４６Ｃ内を流れる流体を、バイパス１４２を通って流れる流体の温度を上回る温度に加熱する。巻線１４７及び１４８の抵抗は、温度とともに変化する。流体がセンサー導管を通って流れるにつれて、熱は、上流の抵抗巻線１４７から下流の抵抗巻線１４８に向かって運ばれ、この温度差は、センサーを通る質量流量に比例する。

熱式流量センサー１４６を通る流体流量に関連した電気信号が、２つの抵抗巻線１４７及び１４８から取り出される。電気信号は、複数の異なる方法で、例えば、抵抗巻線の抵抗の差から又は各巻線を特定の温度に維持するために各抵抗巻線に供給されるエネルギーの量の差から、取り出すことができる。信号処理後に抵抗巻線１４７及び１４８から取り出される電気信号は、センサー出力信号を含む。センサー出力信号は、電気信号が測定されると流体流量を求めることができるように、質量流量計１４０内の質量流量に相関される。センサー出力信号は、通常、まず熱式流量センサー１４６内の流量に相関され、この流量は、次に、バイパス１４２内の質量流量に相関される。それにより、流量計を通る総流量を求めることができ、それに応じてバルブ１７０を制御することができる。

バイパス１４２は、熱式流量センサー１４６に結合され、質量流量計１４０を通る総流量をセンサー出力信号から求めることができるように、質量流量センサー１４６内を流れる流体と、様々な既知の流量でバイパス１４２内を流れる流体との間の適切な関係を求める、既知の流体によって特徴付けられる。或る特定の実施形態では、質量流量制御器１００は、バイパス１４２を用いない場合があり、全流量が熱式流量センサー１４６を通過する。

さらに、いくつかの実施形態において、質量流量制御器１００は、限定されないが、通常、バイパス１４２の上流において流路１２２に結合される圧力変換器１１２を備え、流路１２２内の圧力を測定することができる。圧力変換器１１２は、圧力を示す電気信号を提供する。

制御電子機器１６０は、所望の質量流量を示す設定点と、センサー導管内を流れる流体の実際の質量流量を示す熱式流量センサー１４６からの電気流量信号とに従って、バルブ１７０の位置を制御する。１つの実施形態において、この場合、比例制御、積分制御、比例積分（ＰＩ）制御、微分制御、比例微分（ＰＤ）制御、積分微分（ＩＤ）制御、及び比例積分微分（ＰＩＤ）制御等の従来のフィードバック制御方法が、質量流量制御器１００内の流体の流量を制御するのに用いられる。制御信号（例えば、制御バルブ駆動信号）は、流体の所望の質量流量を示す設定点信号と、熱式流量センサー１４６によって検知された実際の質量流量に関係するフィードバック信号との間の差である誤差信号に基づいて生成される。バルブ１７０は、流体流路１２２（通常、バイパス１４２及び熱式流量センサー１４６の下流）に位置決めされ、メイン流体流路１２２を通って流れる流体の質量流量を変化させるように制御（例えば、開放又は閉鎖）することができる。この制御は、制御電子機器１６０によって提供される。

図示の例において、流量は、電気導体１５８によって、制御電子機器１６０に電圧信号として供給される。この信号は、増幅され、処理され、流量を変更するために制御バルブ組立体１５０に供給される。このために、制御電子機器１６０は、質量流量計１４０からの信号を所定の値と比較し、それに応じて、バルブ１７０を調整して所望の流量を達成する。

図２は、本願と同一発明者によって発明され、国際公開第２０１４／２０１０３２号に開示されている現行のバルブ設計２００の一例である。上記文献は、その全体が本開示の一部をなす。開示の実施形態は、効率を増加させることによって現行のバルブ設計２００を改良する。例えば、現行のバルブ設計２００に見られる不都合点は、適切なバルブ遮断を依然として達成しながら、必要量のストロークを生み出すのに、積層体増幅器２５０が非効率なことである。例えば、現行のバルブ設計２００のフォームファクターに起因して、ピエゾ積層体２１８からのエネルギー出力の全てが、ダイヤフラムシート２４０をオリフィスから反らせるように印加されるわけではない。このエネルギー損失の１つの理由は、バルブ設計２００の複数の接触点２１０（図２に示されている）、及び増幅器２５０の全体効率である。さらに、エネルギー損失は、バルブの全体のストロークの低減と同等となり、これにより、バルブの最大流量が制限される。また、接触点２１０は、バルブの流量対電圧曲線におけるヒステリシスをもたらす摩擦を生じ、これは、精密制御にとって望ましくない。例えば、図２に示されているように、現行のバルブ設計は、少なくとも５つの接触点２１０を有し、そのうちの３つが、単一の線接触をもたらす円錐状／テーパー状面における径方向面であり、もう２つが面接触をもたらす平行面である。

さらに、図２に示されているように、ほとんどのピエゾアクチュエータは、位置合わせ問題を補償するために、ステンレス鋼ボール又はサファイヤボール等の剛性ボール２３０に依拠している。これにより、動作は押すことだけに制限され、通常は開放しているバルブに変換するには、概して複雑な設計を必要とする。さらに、剛性ボール２３０とバルブとの間の境界部は、バルブサイクルとともに摩耗し、バルブストローク特性の変化をもたらす。

したがって、開示の実施形態によれば、アクチュエータの効率を最大化するには、バルブ内の全ての接触点を除去し、コンプライアンスが必要な場所には、双軸フレキシャを用いる。開示の実施形態の更なる利点として、非常に清浄な流路を可能にし、プランジャを押し引きして、サイクル動作における摩耗を排除又は低減することを可能にすることが挙げられる。

図３は、１つの実施形態に係るバルブ３００を示している。１つの実施形態において、バルブ３００は、図１に示されている質量流量制御器１００等の質量流量制御器に統合される。バルブ３００は、質量流量制御器１００のものとは異なる構成要素及び構成を有する質量流量制御器に統合することもできる。

図示の実施形態において、バルブ３００は、アクチュエータフレーム３０２と、たわみ要素３０４と、ピエゾアクチュエータ３０６と、ピエゾ積層体３０８と、剛性クランプ３１０と、双方向フレキシャ３１２と、ダイヤフラム３１４と、予圧ばね３１６と、バルブブロック３１８とを備える。図に示されているように、ダイヤフラム３１４の外側部分は、剛性とみなされるが、内側部分は、垂直軸線において可動である。１つの実施形態において、ダイヤフラム３１４は、平坦なダイヤフラムではなく、回旋状又は蛇行したダイヤフラムである。ダイヤフラム３１４の外側部分には、アクチュエータフレーム３０２が取り付けられ、アクチュエータフレーム３０２は、ピエゾアクチュエータ３０６の上部分に堅固に取り付けられている。ピエゾアクチュエータ３０６の下部分は、双方向フレキシャ３１２を介して（用いて）ダイヤフラム３１４のステムに機械的に取り付けられ、これにより、バルブ３００内の全ての接触点が除去される。双方向フレキシャ３１２は、任意の方向に撓む又は曲がることが可能である。図示のように、ピエゾ積層体３０８は、ピエゾアクチュエータ３０６の間に位置する。図示の実施形態では、ピエゾ積層体３０８は、弛緩状態、すなわちその長さが最も短い状態で示されている。図示のように、１つの実施形態において、ピエゾアクチュエータ３０６は、上部たわみ要素３０４及び下部たわみ要素３０４を備え、これらのたわみ要素は、ピエゾ積層体３０８の移動量を増幅するストローク増幅器を提供する。例えば、１つの実施形態において、ピエゾアクチュエータ３０６は、ピエゾ積層体３０８が水平方向に拡張すると、この拡張が、増幅された垂直方向移動に拡大されるように設計されている。正電圧をピエゾ積層体３０８に印加することによって、ピエゾアクチュエータ３０６は、垂直方向に収縮し、剛性の上部マウントに起因して、ダイヤフラム３１４のシートがバルブブロック３１８のオリフィスから離れるように動き、流入口流路３２０から流出口流路３２２への気体の流れの制御を可能にする。負電圧をピエゾ積層体３０８に印加することによって、ピエゾアクチュエータ３０６は、垂直方向に拡張し、予圧ばね３１６によって印加される予圧を超えてダイヤフラム３１４のシートの予圧が増大することを可能にする。例えば、１つの実施形態において、短期間の負電圧を印加して、ピエゾヒステリシスを打ち消すことができる。このヒステリシスは、ピエゾ積層体３０８が、正電圧の印加後に完全な弛緩状態に戻ることを妨げる。１つの実施形態において、質量流量制御器は、閉鎖方向に駆動するとき、ピエゾ積層体３０８から電荷を排出する回路を提供（及び使用）するように構成されている。この回路は、ピエゾ積層体３０８が「オフ」の間でも有効であり、それにより、電荷（漂遊した機械エネルギーによってもたらされる）がピエゾ積層体３０８に蓄積しないようにし、バルブ３００がクリープ開放することを防ぐ。

図示の実施形態では、予圧ばね３１６は、予圧ばねクランプ３１５によって適所に保持される。１つの実施形態において、ダイヤフラム３１４のシートとバルブブロック３１８のオリフィスとの間の適切な境界部を得るために、ピエゾアクチュエータ３０６とダイヤフラム３１４のシートとの間の境界部にコンプライアンスを組み込み、製造公差及び組立てに起因する非軸方向の力を除去する必要がある。この基準は、ピエゾアクチュエータ３０６の下部とダイヤフラム３１４のシートとの間に組み込まれた双方向フレキシャ３１２によって満たされ、ピエゾアクチュエータ３０６とダイヤフラム３１４のシートとの間の堅固な軸方向接続を依然としてもたらしながら、非軸方向の反りを可能にする。この構成により、製造公差を許容しながら、機械的効率が維持される。１つの実施形態において、双方向フレキシャ３１２は、剛性クランプ３１０を用いてたわみ要素３０４に接続される。

したがって、開示の実施形態は、はるかに高いバルブストローク効率を可能にするとともに、接触点に起因するストローク損失のない、ピエゾアクチュエータの全く異なるフォームファクターを実施することによって、現行の技術水準を超えた利点を提供する。この改善された効率は、より高いバルブストロークと直接相関し、それにより、実用的なサイズのオリフィスを用いてより多くの流量が可能になる。内部のバルブ接触点を全て設計から除去することにより、開示のバルブは、さらに、はるかに高い遮断力を達成することができ、それにより、バルブリークバイ（leakby）が低減する。

さらに、上述したように、現行のバルブ設計は、通常、ピエゾアクチュエータとバルブ本体との間に、位置ずれを補償するボールを使用する。これにより、アクチュエータは、１つの方向のみに力を加える（ボール境界部の圧迫）ように制限される。それに対して、開示の実施形態は、双方向フレキシャと組み合わせた剛性クランプを使用し、負電圧がピエゾ積層体に印加されると、ピエゾアクチュエータが更なる遮断力を加えることが可能である。

図４は、一実施形態に係るバルブ３００の分解図を示している。この実施形態では、アクチュエータフレーム３０２は、ダイヤフラム３１４にボルト留めされ、また、ピエゾアクチュエータ３０６の上部にボルト留めされる。ピエゾアクチュエータ３０６の下部は、クランプカラー、マルチジョーチャック（multi-jaw chuck）、止めねじ等の形態とすることができる剛性クランプ３１０を用いて、ダイヤフラム３１４のステムに取り付けられる。これらの特徴により、バルブ全体から接触点が除去される。

図５Ａ及び図５Ｂは、開示の実施形態に係る双方向フレキシャ設計の２つの例を示している。図に示されているように、双方向フレキシャ設計は、任意の方向に曲がる又は撓むことが可能である。１つの実施形態において、フレキシャは、３１６Ｌステンレス鋼（ＳＳ）から作製される。しかし、他の実施形態では、フレキシャは、ハステロイ又は他の任意のタイプの耐食性の合金とすることができる。図５Ａに示されているように、１つの実施形態において、双方向フレキシャは、２つの幅広の細長い円筒形セクションを有し、このセクションは、細いシャフト又は継手につながっている。２つの幅広の細長い円筒形セクション及び細い継手の長さ及び幅は、異なる実施形態において変更することができる。さらに、２つの端部円筒形セクションは、同じ長さ及び幅であるように示されているが、いくつかの実施形態では、２つの端部円筒形セクションは、長さ及び／又は幅を変更することができる。

図５Ｂは、２つの端部円筒形セクションと中間円筒形セクションとを有する双方向フレキシャを示している。中間円筒形セクションは、各端部において、細い継手／シャフトセクションを介して端部円筒形セクションのそれぞれにつながっている。これらのセクション及びコネクタセクションのそれぞれの長さ及び幅は、異なる実施形態において変更することができる。例えば、いくつかの実施形態において、中間円筒形セクションは、２つの端部円筒形セクションよりも幅広にすることができる。さらに、２つの端部円筒形セクションは、互いに異なるサイズとすることができる。また、或る特定の実施形態において、双方向フレキシャは、双方向フレキシャの上部とは異なるサイズ及び形状の基部を有してもよい。これは、図３及び図４に示されている実施形態において示されている。

代替の実施形態において、図５Ｃに示されている例等の単方向フレキシャを、開示の実施形態に従って用いることができる。図示の実施形態において、単方向フレキシャ設計は、２つのＩビーム形状の構造を有し、これらの２つの構造は、共通の中間プラットフォームを共有するように、互いに垂直及び縦方向に取り付けられている。図に示されているように、この単方向フレキシャは、Ｘ方向又はＹ方向の双方に撓むことが可能である。

図６及び図７は、図３に示されている「剛性クランプ」の２つの変形形態を示している。これらの変形形態は、図３に示されている結合部分３３０と置き換えられる。図６に示されている実施形態では、磁気式の結合が開示されており、ここでは、クランプは、アクチュエータ磁石６１０及び結合磁石６２０を用いる磁気結合に置き換えられている。磁気結合は、組立てプロセス中の横方向の位置ずれを許容するが、一度磁石が接すると、堅固な接続を与える。例えば、磁石を結合する場合、接触点に関連する問題を伴わずに堅固な接合が提供される。磁石の平坦面は、アクチュエータと本体との間のあらゆる横方向の位置ずれに適応する。

図７に示されている実施形態において、フレキシャをアクチュエータに取り付けるのにクランプを用いる代わりに、この実施形態では、接着接合又は接着接続７１０が用いられ、この場所には、接着接続７１０を容易にするためにピン７１２及びカップ７１４が用いられる。１つの実施形態において、接着剤は、エポキシ樹脂のような硬化型接着剤である。接着接合は、横方向及び縦方向の顕著な位置ずれに適応する。例えば、１つの実施形態において、接着剤により、この部分は、ここでも接触点を排除しながら、縦方向及び横方向の位置ずれをそれぞれ許容するように位置決めすることが可能になる。

図８は、別の実施形態に係るバルブ８００の立体図を示している。１つの実施形態において、バルブ８００は、上述したような質量流量制御器に実装される。図３のバルブと同様に、バルブ８００は、アクチュエータフレーム８０２と、上部たわみ要素８０４及び下部たわみ要素８０４を備えるピエゾアクチュエータ８０６と、ピエゾ積層体８０８（２つ以上の場合もある）と、熱補償ブロック８２５と、カプラ８１０と、カプラスリーブ８２４と、プランジャシート８２６と、双方向フレキシャ８２７と、バルブ基部８１４と、ダイヤフラム８２１と、同心制御リング８２８と、横方向ロケーターばね８０１と、球状マウント８２３と、位置センサー標的８１８と、位置センサー８１６と、バルブブロック８２０とを備える。この実施形態では、カプラ８１０とテーパー状スリーブ８２４とを組み合わせて、双方向フレキシャ８２７を介して、ピエゾアクチュエータ８０６の下部分をプランジャシート８２６に取り付ける。これにより、バルブ８００内の全ての接触点は除去される。１つの実施形態において、プランジャシート８２６と双方向フレキシャ８２７とは、一部品として機械加工される。代替的に、プランジャシート８２６と双方向フレキシャ８２７とは、互いに溶接又は糊着される別個の構成要素としてもよい。１つの実施形態において、双方向フレキシャ８２７の上部８１９は、テーパー状スリーブ８２４を用いてカプラ８１０への固定接続をもたらすように、双方向フレキシャ８２７の本体よりも幅広になっている。

球状マウント８２３と横方向ロケーターばね８０１とを組み合わせて、ピエゾアクチュエータ８０６とバルブ基部８１４との軸方向及び同心の位置合わせがもたらされ、バルブ基部８１４は、さらに、同心制御リング８２８を介してバルブ本体８２０と軸方向及び中心に位置合わせされる。横方向ロケーターばね８０１は、使用要件に応じて、作動力又は予圧力をもたらすように構成することができる。

バルブが、バルブ遮断の損失なく又は双方向フレキシャのステムに過負荷を与えずに、広範な温度範囲にわたって動作することが可能であるように、バルブは、動作温度範囲にわたって略ゼロのストローク変化となるように構成しなければならない。１つの実施形態において、熱膨張の全ての合計は、アクチュエータフレーム、たわみ要素８０４、カプラ８１０、及びバルブ基部８１４に対して適切な熱膨張率（ＣＴＥ）を有する材料を選択することによってゼロにすることができる。例えば、１つの実施形態において、アクチュエータフレーム８０２が高いＣＴＥを有し、たわみ要素８０４が低いＣＴＥを有し、熱補償ブロックが高いＣＴＥを有し、カプラが低いＣＴＥを有する。

バルブ基部８１４とバルブブロック８２０とは、バルブブロック８２０のビード形状部とバルブ基部８１４のシール領域との間にダイヤフラム８２１を挟持することによってシールされる。これにより、別個のシール要素を用いずに、きれいで確実な、完全に金属によるシールがもたらされる。

バルブ位置は、金属製標的８１８と、一体のコンデンサー板及びオンボード電子機器を伴うセンサー８１６とを備える、コンデンサーに基づく電子検知システムの使用により、正確に決定することができる。金属製標的は、図示のように別個の構成要素とすることも、たわみ要素８０４の一体特徴部とすることもできる。１つの実施形態において、標的８１８は、アクチュエータとともに動き、センサー８１６は、不動のバルブ組立体に固定される。図示の実施形態では、標的８１８は、アクチュエータフレーム８０２に取り付けられる。適切な信号がコンデンサーに与えられ、その結果の出力は、バルブ位置によって左右される板間の隙間に比例する。バルブ８００の他の態様及び構成は、バルブ３００に関して上述されたとおりである。

したがって、上述の記載は、高流量（３０ｓｌｐｍ超）及び低流量（３０ｓｌｐｍ以下）の双方の熱式質量流量制御器に対して意図されている新規のバルブ設計のいくつかの実施形態を開示している。本明細書において記載されるように、開示のバルブは、ピエゾ積層体を使用して、ダイヤフラムを、既知の直径のオリフィスにわたってシールされた着座位置から、制御された様式で、上方に反らせることにより、流量を制御する。所与の流体条件の組についてバルブを通ることができる最大流量は、オリフィスの直径及びダイヤフラムの最大変位によって左右される。この固有の制限に起因して、ピエゾ積層体は、大きな力を発生させることができるが、その変位は小さい。例えば、典型的な２．５インチ長のピエゾアクチュエータは、最大変位がたったの約０．００２２インチである。これは、実用的なサイズのオリフィスを用いて所望の量の流れを可能にするのには不十分な変位である。したがって、開示の実施形態によれば、バルブ内に高流量を生じさせるために、ストローク増幅器を設計に追加し、ピエゾ積層体の固有の小さい動きを、力と引き換えに増幅することができる。ピエゾ積層体は、ストローク増幅器と一体化することで、アクチュエータとなることができる。アクチュエータの効率を最大化するためには、バルブ内の全ての接触点を除去し、コンプライアンスが必要な場所には、双軸フレキシャを用いる。１つの実施形態において、開示の実施形態の独自の態様は、剛性クランプ及び双方向フレキシャをピエゾアクチュエータと組み合わせることである。

開示の実施形態の利点として、限定されないが、１）負電圧で駆動されると更なる遮断力を加えることができるアクチュエータ設計を実施することによって、流れの遮断の改善を可能にすることと、２）バルブ内の全ての接触点を排除することによってアクチュエータの効率を最大化し、それにより、サイクル動作に伴う摩耗を排除又は低減することと、３）ボールの代わりに双軸フレキシャを用いることにより、プランジャの押し引きを可能にすることと、４）非常に清浄な流路を提供することとが挙げられる。

前述したように、図を含む上記の説明は、開示されている実施形態の例として単に意図されており、開示されている実施形態の構造、プロセス、又は実施態様を限定するようには意図されていない。当業者によって理解されるように、本明細書において説明された、開示されている実施形態の或る特定の態様は、ファームウェア、ファームウェア／ソフトウェアの組合せ、ファームウェア／ハードウェアの組合せ、又はハードウェア／ファームウェア／ソフトウェアの組合せとして実現することができる。

本明細書において種々の変更を行うことができることと、本明細書において開示されている主題を種々の形態及び例において実現することができることと、本教示を多数の用途に適用することができ、これらの用途のうちのいくつかしか本明細書に記載されていないこととが更に理解される。添付の特許請求の範囲は、本開示の真の範囲内に入る、ありとあらゆる用途、変更形態、及び変形形態を主張するように意図される。

Claims (20)

1. ピエゾ積層体と、
   前記ピエゾ積層体を取り囲むピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾ積層体の移動量を増幅するストローク増幅器を提供するたわみ要素を備える、ピエゾアクチュエータと、
   流入口流路及び流出口流路を有するバルブブロックと、
   前記バルブブロックの上に着座するダイヤフラムであって、該ダイヤフラムの外側部分は剛性であり、該ダイヤフラムの内側部分は垂直軸線において可動である、ダイヤフラムと、
   前記ピエゾアクチュエータと前記ダイヤフラムの内側部分との間の軸方向接続をもたらしながら非軸方向の反りを可能にするように撓む又は曲がることが可能な双方向フレキシャであって、前記ピエゾアクチュエータの下部分が、該双方向フレキシャを介して前記ダイヤフラムに機械的に取り付けられる、双方向フレキシャと、
   を備える、バルブ組立体。
2. 前記ダイヤフラムの前記外側部分に結合されたアクチュエータフレームを更に備える、請求項１に記載のバルブ組立体。
3. 前記アクチュエータフレームは、前記ピエゾアクチュエータの上部分に取り付けられる、請求項２に記載のバルブ組立体。
4. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、剛性クランプを用いて前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項１に記載のバルブ組立体。
5. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、アクチュエータ磁石及び結合磁石を含む磁気結合を用いて前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項１に記載のバルブ組立体。
6. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、接着接続を用いて前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項１に記載のバルブ組立体。
7. 前記接着接続が、前記ピエゾアクチュエータのピン形状要素と前記双方向フレキシャのカップ形状要素とによって容易にされる、請求項６に記載のバルブ組立体。
8. 前記ダイヤフラム内の前記双方向フレキシャの周りに位置決めされる予圧ばねを更に備える、請求項１に記載のバルブ組立体。
9. 流路を通る流量を検知する流量センサー組立体と、
   バルブ組立体であって、
   ピエゾ積層体と、
   前記ピエゾ積層体を取り囲むピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾ積層体の移動量を増幅するストローク増幅器を提供するたわみ要素を備える、ピエゾアクチュエータと、
   流入口流路及び流出口流路を有するバルブブロックと、
   前記バルブブロックの上に着座するダイヤフラムであって、該ダイヤフラムの外側部分は剛性であり、該ダイヤフラムの内側部分は垂直軸線において可動である、ダイヤフラムと、
   前記ピエゾアクチュエータと前記ダイヤフラムの内側部分との間の軸方向接続をもたらしながら非軸方向の反りを可能にするように撓む又は曲がることが可能な双方向フレキシャであって、前記ピエゾアクチュエータの下部分が、該双方向フレキシャを介して前記ダイヤフラムに機械的に取り付けられる、双方向フレキシャと、
   を備える、バルブ組立体と、
   所望の流量を受け取り、前記流量センサー組立体から流量の表示を受け取り、前記流路を通る実際の流量を求め、前記バルブ組立体を制御して流体流量を調節するようにプログラムされた制御装置と、
   を備える、質量流量制御器。
10. 前記バルブ組立体は、前記ダイヤフラムの前記外側部分に結合されたアクチュエータフレームを更に備える、請求項９に記載の質量流量制御器。
11. 前記アクチュエータフレームは、前記ピエゾアクチュエータの上部分に取り付けられる、請求項１０に記載の質量流量制御器。
12. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、剛性クランプを用いて前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項９に記載の質量流量制御器。
13. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、アクチュエータ磁石及び結合磁石を含む磁気結合を用いて、前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項９に記載の質量流量制御器。
14. 前記ピエゾアクチュエータの前記下部分は、接着接続を用いて前記双方向フレキシャに取り付けられる、請求項９に記載の質量流量制御器。
15. 前記接着接続が、前記ピエゾアクチュエータのピン形状要素と前記双方向フレキシャのカップ形状要素とによって容易にされる、請求項１４に記載の質量流量制御器。
16. 前記バルブ組立体は、前記ダイヤフラム内の前記双方向フレキシャの周りに位置決めされる予圧ばねを更に備える、請求項９に記載の質量流量制御器。
17. 閉鎖方向に駆動するとき、前記ピエゾ積層体から電荷を排出する回路を更に備える、請求項９に記載の質量流量制御器。
18. 前記双方向フレキシャは、細いシャフトによってつながっている幅広の基部と上部とを有する、請求項９に記載の質量流量制御器。
19. 前記双方向フレキシャは、プランジャシートに取り付けられた細長い管状のステムである、請求項９に記載の質量流量制御器。
20. 前記制御装置は、負電圧を前記ピエゾ積層体に印加して、ピエゾヒステリシスを打ち消すように構成されている、請求項９に記載の質量流量制御器。

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