JP6818357B2 - Piezoelectric valve and flow control device - Google Patents

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本発明は、圧電駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置に関し、特に、半導体製造装置や化学プラント等において利用される流量制御装置が備える圧電駆動式バルブに関する。 The present invention relates to a piezoelectrically driven valve and a flow rate control device including the same, and more particularly to a piezoelectrically driven valve provided in a flow rate control device used in a semiconductor manufacturing device, a chemical plant, or the like.

圧力式流量制御装置は、ピエゾ(圧電)素子駆動型の圧力制御バルブと絞り部(例えばオリフィスプレート)とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので、半導体製造装置や化学プラントにおいて広く利用されている(例えば、特許文献1)。 Since the pressure type flow rate control device can control the flow rate of various fluids with high accuracy by a relatively simple mechanism that combines a pressure control valve driven by a piezo (piezoelectric) element and a throttle portion (for example, an orifice plate). , Widely used in semiconductor manufacturing equipment and chemical plants (for example, Patent Document 1).

特許文献2および3には、圧電素子を用いたアクチュエータ(以下、「圧電アクチュエータ」と記すこともある)で弁体(例えば、金属ダイヤフラム)を開閉させるように構成された圧電駆動式制御バルブ(以下、「制御バルブ」と記すこともある)が開示されている。圧電駆動式制御バルブには、ノーマルオープン型とノーマルクローズ型とがあり、それぞれの型式に対応して、圧電アクチュエータの伸長を弁体の開閉動作に変換するための機構が設けられている。 In Patent Documents 2 and 3, a piezoelectric drive type control valve (for example, a piezoelectric drive type control valve) configured to open and close a valve body (for example, a metal diaphragm) by an actuator using a piezoelectric element (hereinafter, may be referred to as “piezoelectric actuator”). Hereinafter, it may be referred to as "control valve"). There are two types of piezoelectric drive type control valves, a normally open type and a normally closed type, and a mechanism for converting the extension of the piezoelectric actuator into the opening / closing operation of the valve body is provided corresponding to each type.

特開2004−138425号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-138425 特開2003−120832号公報JP-A-2003-120832 特開2007−192269号公報JP-A-2007-192269 特許第5054904号Patent No. 5054904

しかし、流量制御装置は、近年、例えばALD(Atomic layer deposition)などへの適用が求められており、このような用途では、高速な(周期が非常に短い)パルス状の制御信号によって制御バルブを開閉することが要求される。この場合、圧電駆動式制御バルブの開閉速度、変位量および開閉頻度は、格段に増加する。 However, in recent years, the flow rate control device has been required to be applied to, for example, ALD (Atomic layer deposition), and in such an application, a control valve is provided by a high-speed (very short period) pulsed control signal. It is required to open and close. In this case, the opening / closing speed, displacement amount, and opening / closing frequency of the piezoelectrically driven control valve increase remarkably.

これにより、圧電アクチュエータは、絶縁抵抗の低下等による経年劣化が生じやすくなり、高精度な流量・圧力の制御ができなくなるという問題が生じることがあった(例えば、特許文献4)。 As a result, the piezoelectric actuator tends to deteriorate over time due to a decrease in insulation resistance or the like, and there is a problem that high-precision flow rate / pressure control cannot be performed (for example, Patent Document 4).

すなわち、上記のような用途にあっては、従来想定している圧電駆動式バルブの耐久年数よりも早い段階で不具合が生じる場合がある。この場合、圧電アクチュエータに所定の駆動電圧を印加すると、以前とは異なる、精度を大きく逸脱した流量で流体が流れる可能性があった。 That is, in the above-mentioned applications, a defect may occur at a stage earlier than the durability of the piezoelectrically driven valve that has been assumed in the past. In this case, when a predetermined drive voltage is applied to the piezoelectric actuator, there is a possibility that the fluid will flow at a flow rate that greatly deviates from the accuracy, which is different from the previous one.

また、このような課題のある従来の圧電駆動式制御バルブを備えた流量制御装置を半導体製造プロセスにおいて使用すると、動作不良の要因が圧電駆動式制御バルブに起因するものなのか否かを、迅速かつ確実に判断することが困難な場合がある。そのために、動作不良状態下で半導体製造プロセスを継続し、多大な損失を被るおそれがあった。 Further, when a flow rate control device equipped with a conventional piezoelectrically driven control valve having such a problem is used in a semiconductor manufacturing process, it is possible to quickly determine whether or not the cause of malfunction is caused by the piezoelectrically driven control valve. And it may be difficult to make a reliable judgment. Therefore, the semiconductor manufacturing process may be continued under the malfunctioning state, and a large loss may be incurred.

さらに、従来、圧力式流量制御装置において制御バルブの駆動電圧は、圧力センサの出力からフィードバック制御されており、流量制御のために駆動電圧の絶対値はさほど問題ではなかった。つまり、実際の弁の開閉度と駆動電圧との関係性が、経年劣化などによって変動していたとしても、流量制御の観点からは大きな問題が生じていなかった。 Further, conventionally, in the pressure type flow rate control device, the drive voltage of the control valve is feedback-controlled from the output of the pressure sensor, and the absolute value of the drive voltage is not so problematic for the flow rate control. That is, even if the relationship between the actual opening / closing degree of the valve and the drive voltage fluctuates due to aged deterioration or the like, no major problem has occurred from the viewpoint of flow rate control.

このため、制御バルブの開度を検出することまでは特に必要とされていなかったが、本願発明者は、駆動電圧のみしか参照していないと、動作不良が生じたときに発見や予測が適切に行えない場合がある、という事を見出した。 Therefore, it was not particularly necessary to detect the opening degree of the control valve, but if the inventor of the present application refers only to the drive voltage, it is appropriate to discover and predict when a malfunction occurs. I found that there are cases where it cannot be done.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、動作不良の発見や予測の性能が向上した圧電駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a main object of the present invention is to provide a piezoelectrically driven valve having improved performance in finding and predicting malfunctions, and a flow rate control device including the same. ..

本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、流路が設けられた弁本体と、前記流路上に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記支持筒体が移動し、前記支持筒体によって前記弁体が移動するように構成された圧電駆動式バルブであって、平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、前記ギャップセンサの前記平面センサおよび前記対向部材のうちのいずれか一方は前記弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出する。 The piezoelectric drive type valve according to the embodiment of the present invention is for moving the valve body provided with the flow path, the valve seat provided on the flow path, the valve body detached from and seated on the valve seat, and the valve body. A piezoelectric drive type valve including a support cylinder for accommodating the piezoelectric element, the support cylinder is moved by the extension of the piezoelectric element, and the valve body is moved by the support cylinder. A gap sensor including a flat surface sensor and an opposing member having a surface facing the flat surface sensor is provided, and one of the flat surface sensor and the opposing member of the gap sensor is immovable with respect to the valve body. It is fixed at the position, and the other is fixed to the support cylinder, and the change in the distance between the plane sensor and the facing member is detected as the movement amount of the support cylinder.

ある実施形態において、前記対向部材の前記対向する面は、導電体によって形成されている。 In certain embodiments, the opposing surfaces of the opposing member are formed of a conductor.

ある実施形態において、前記対向部材の、前記平面センサと対向する面と反対側の面において、前記平面センサと同じ構成を有する温度補償用センサが設けられている。 In a certain embodiment, a temperature compensation sensor having the same configuration as the plane sensor is provided on the surface of the facing member opposite to the surface facing the plane sensor.

ある実施形態において、前記平面センサは発振回路を有しており、前記ギャップセンサは、前記平面センサと前記対向面との距離の変化を発振周波数の変化として検出する。 In certain embodiments, the planar sensor has an oscillating circuit, and the gap sensor detects a change in the distance between the planar sensor and the facing surface as a change in oscillation frequency.

ある実施形態において、前記平面センサの出力値と前記支持筒体の移動量との関係を示すテーブルを格納する記憶装置を備え、前記テーブルを用いて前記支持筒体の移動量が検出される。 In a certain embodiment, a storage device for storing a table showing the relationship between the output value of the plane sensor and the movement amount of the support cylinder is provided, and the movement amount of the support cylinder is detected using the table.

ある実施形態において、前記圧電素子に電圧が印加されていない状態において、前記平面センサと前記対向部材の前記対向する面との間の距離が30μm以上300μm以下である。 In a certain embodiment, the distance between the plane sensor and the facing surface of the facing member is 30 μm or more and 300 μm or less in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element.

ある実施形態において、前記弁本体に固定され、前記支持筒体の下部を覆うように設けられたガイド部材を有し、前記平面センサは前記ガイド部材に固定され、前記対向部材は前記支持筒体に固定されている。 In certain embodiments, the valve body has a guide member fixed to the valve body and provided to cover the lower portion of the support cylinder, the planar sensor is fixed to the guide member, and the opposing member is the support cylinder. It is fixed to.

ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、ノーマルクローズ型の制御バルブである。 In certain embodiments, the piezoelectric driven valve is a normally closed type control valve.

ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、可変オリフィス装置として用いられ、前記ギャップセンサによってオリフィス開度を検出し開度位置を制御するように構成されている。 In one embodiment, the piezoelectric driven valve is used as a variable orifice device and is configured to detect the orifice opening degree by the gap sensor and control the opening degree position.

ある実施形態において、前記ギャップセンサによる移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子と前記支持筒体とを含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断する。 In a certain embodiment, the amount of movement by the gap sensor is monitored and compared with a normal state to determine whether or not there is an abnormality in the piezoelectric actuator including the piezoelectric element and the support cylinder.

本発明の実施形態による流量制御装置は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上記いずれかの圧電駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電駆動式バルブとの間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記圧電駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算制御部とを備える。 The flow control device according to the embodiment of the present invention includes a throttle portion, any of the above-mentioned piezoelectric driven valves provided on the upstream side of the throttle portion, and a gas pressure between the throttle portion and the piezoelectric driven valve. It is provided with a pressure sensor for measuring the pressure sensor and a calculation control unit for determining the drive voltage of the piezoelectric drive valve based on the output of the pressure sensor.

本発明の実施形態によれば、圧電駆動式バルブにおける動作不良の発見や予測をより確実に行うことができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to more reliably find and predict a malfunction in the piezoelectrically driven valve.

本発明の実施形態による圧電駆動式バルブ(制御バルブ)を備えた流量制御装置の構成を示す模式的な図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the flow rate control apparatus provided with the piezoelectric drive type valve (control valve) by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric drive type valve by embodiment of this invention. 図2に示したバルブの支持筒体を示す図であり、(a)は側断面図、(b)は(a)のA−A線に沿った断面図である。2 is a view showing a support cylinder of the valve shown in FIG. 2, where FIG. 2A is a side sectional view and FIG. 2B is a sectional view taken along the line AA of FIG. 2A. 図2に示したバルブの割りベースを示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線に沿った側面図である。It is a figure which shows the split base of the valve shown in FIG. 2, (a) is a plan view, (b) is a side view along line BB of (a). 本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを示す模式的な側面図である。It is a schematic side view which shows the piezoelectric drive type valve by embodiment of this invention. 圧電素子の駆動電圧と平面センサの出力値(カウント値)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drive voltage of a piezoelectric element, and the output value (count value) of a plane sensor. 圧電素子の駆動電圧と圧電アクチュエータの移動量(ストローク)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drive voltage of a piezoelectric element and the movement amount (stroke) of a piezoelectric actuator. ギャップセンサが測定したギャップと平面センサの出力値(カウント値)との関係を示すグラフであり、実線は実際のグラフを示し、破線は直線補正した後のグラフを示している。It is a graph showing the relationship between the gap measured by the gap sensor and the output value (count value) of the plane sensor, the solid line shows the actual graph, and the broken line shows the graph after linear correction.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置8(以下、単に流量制御装置8と称することがある)の構成を示す図である。流量制御装置8は、流体Gが通過する流路(ガス供給路)1に介在する絞り部2(例えばオリフィスプレート)と、絞り部2の上流側に設けられた第1圧力センサ3および温度センサ5と、絞り部2の下流側に設けられた第2圧力センサ4と、第1圧力センサ3の上流側に設けられた圧電駆動式バルブである制御バルブ6とを備えている。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pressure type flow rate control device 8 (hereinafter, may be simply referred to as a flow rate control device 8) according to an embodiment of the present invention. The flow control device 8 includes a throttle portion 2 (for example, an orifice plate) interposed in a flow path (gas supply path) 1 through which the fluid G passes, and a first pressure sensor 3 and a temperature sensor provided on the upstream side of the throttle portion 2. 5, a second pressure sensor 4 provided on the downstream side of the throttle portion 2, and a control valve 6 which is a piezoelectric drive type valve provided on the upstream side of the first pressure sensor 3 are provided.

第1圧力センサ3は、制御バルブ6と絞り部2との間の流路の圧力である上流圧力P1を測定することができ、第2圧力センサ4は、絞り部2と下流バルブ9との間の流路の圧力である下流圧力P2を測定することができる。 The first pressure sensor 3 can measure the upstream pressure P 1 , which is the pressure in the flow path between the control valve 6 and the throttle portion 2, and the second pressure sensor 4 has the throttle portion 2 and the downstream valve 9. The downstream pressure P 2 , which is the pressure of the flow path between the two , can be measured.

流量制御装置8はまた、第1圧力センサ3および第2圧力センサ4の出力に基づいて制御バルブ6の開閉動作を制御する演算処理回路7を備えている。演算処理回路7は、外部制御装置12から受け取った設定流量と、第1および第2圧力センサ3、4の出力から演算した流量とを比較し、演算流量が設定流量に近づくように制御バルブ6の駆動機構6Bおよび弁機構6Aを駆動する。 The flow rate control device 8 also includes an arithmetic processing circuit 7 that controls the opening / closing operation of the control valve 6 based on the outputs of the first pressure sensor 3 and the second pressure sensor 4. The arithmetic processing circuit 7 compares the set flow rate received from the external control device 12 with the flow rate calculated from the outputs of the first and second pressure sensors 3 and 4, and controls the control valve 6 so that the calculated flow rate approaches the set flow rate. Drives the drive mechanism 6B and the valve mechanism 6A.

流量制御装置8は、図示する態様とは異なり、第2圧力センサ4を備えていなくてもよく、この場合、演算処理回路7は、第1圧力センサ3の出力に基づいて流量を演算する。また、演算処理回路7は、好適な態様において、温度センサ5が検出した流体温度に基づいて、演算流量を補正するように構成されている。 Unlike the illustrated embodiment, the flow rate control device 8 does not have to include the second pressure sensor 4. In this case, the arithmetic processing circuit 7 calculates the flow rate based on the output of the first pressure sensor 3. Further, in a preferred embodiment, the arithmetic processing circuit 7 is configured to correct the arithmetic flow rate based on the fluid temperature detected by the temperature sensor 5.

絞り部2としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば10μm〜500μmに設定される。下流バルブ9としては、例えば、電磁弁によって圧縮空気の供給が制御される公知の流体動作弁を用いることができる。なお、オリフィス部材を開閉弁の近傍に配置したオリフィス内蔵弁が知られており、これを絞り部2および下流バルブ9を一体化した構成として流量制御装置8に組み込んでもよい。 As the throttle portion 2, a critical nozzle or a sound velocity nozzle may be used in addition to an orifice member such as an orifice plate. The diameter of the orifice or nozzle is set to, for example, 10 μm to 500 μm. As the downstream valve 9, for example, a known fluid operating valve whose supply of compressed air is controlled by a solenoid valve can be used. A valve with a built-in orifice in which the orifice member is arranged in the vicinity of the on-off valve is known, and this may be incorporated into the flow control device 8 as a configuration in which the throttle portion 2 and the downstream valve 9 are integrated.

流量制御装置8の流路1は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。第1および第2圧力センサ3、4は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。 The flow path 1 of the flow rate control device 8 may be formed of a pipe or a flow path hole formed in a metal block. The first and second pressure sensors 3 and 4 may include, for example, a silicon single crystal sensor chip and a diaphragm.

本実施形態において、制御バルブ6は、例えば金属ダイヤフラムを含む弁機構6Aを、圧電アクチュエータで構成された駆動機構6Bを用いて開閉する圧電駆動型制御バルブである。制御バルブ6の詳細な構成については後述する。 In the present embodiment, the control valve 6 is a piezoelectric drive type control valve that opens and closes, for example, a valve mechanism 6A including a metal diaphragm by using a drive mechanism 6B composed of a piezoelectric actuator. The detailed configuration of the control valve 6 will be described later.

このように構成された流量制御装置8を含む流体供給システムにおいて、制御バルブ6の上流側は、原料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどのガス供給源に接続され、第2圧力センサ4の下流側は、下流バルブ9を介して半導体製造装置のプロセスチャンバ10に接続されている。プロセスチャンバ10には真空プロセスを行うための真空ポンプ11が接続されており、ガス供給時にはプロセスチャンバ10の内部が真空引きされる。 In the fluid supply system including the flow rate control device 8 configured in this way, the upstream side of the control valve 6 is connected to a gas supply source such as a raw material gas, an etching gas, or a carrier gas, and is a downstream side of the second pressure sensor 4. Is connected to the process chamber 10 of the semiconductor manufacturing apparatus via the downstream valve 9. A vacuum pump 11 for performing a vacuum process is connected to the process chamber 10, and the inside of the process chamber 10 is evacuated when gas is supplied.

本実施形態の流量制御装置8は、圧力式の流量制御装置であり、臨界膨張条件P1/P2≧約2(P1:絞り部上流側のガス圧力(上流圧力)、P2:絞り部下流側のガス圧力(下流圧力))を満たすとき、絞り部を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力P2によらず上流圧力P1によって決まるという原理を利用して流量制御を行っている。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部下流側の流量Qは、Q=K1・P1(K1は流体の種類と流体温度に依存する定数)によって与えられ、流量Qは上流圧力P1に比例する。また、第2圧力センサ4を備える場合、上流圧力P1と下流圧力P2との差が小さく、臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力P1および下流側圧力P2に基づいて、所定の計算式Q=K2・P2 m(P1−P2n(ここでK2は流体の種類と流体温度に依存する定数、m、nは実際の流量を元に導出される指数)から流量Qを算出することができる。 The flow control device 8 of the present embodiment is a pressure type flow control device, and the critical expansion condition P 1 / P 2 ≧ about 2 (P 1 : gas pressure (upstream pressure) on the upstream side of the throttle portion, P 2 : throttle. When the gas pressure (downstream pressure) on the downstream side of the section is satisfied, the flow velocity of the gas passing through the throttle section is fixed at the sound velocity, and the flow rate is determined by the upstream pressure P 1 regardless of the downstream pressure P 2. The flow rate is controlled. When the critical expansion condition is satisfied, the flow rate Q on the downstream side of the throttle is given by Q = K 1 · P 1 (K 1 is a constant that depends on the type of fluid and the fluid temperature), and the flow rate Q becomes the upstream pressure P 1 . Proportional. Further, when the second pressure sensor 4 is provided, the difference between the upstream pressure P 1 and the downstream pressure P 2 is small, and the flow rate can be calculated even when the critical expansion condition is not satisfied, and the pressure is measured by each pressure sensor. Based on the upstream pressure P 1 and the downstream pressure P 2 , the predetermined formula Q = K 2 · P 2 m (P 1 − P 2 ) n (where K 2 depends on the type of fluid and the fluid temperature. The flow rate Q can be calculated from the constants, m, and n that are derived from the actual flow rate.

流量制御を行うために、外部制御装置12において設定された設定流量が、外部制御装置12から演算処理回路7に送られる。演算処理回路7は、第1圧力センサ3の出力(上流圧力P1)、第2圧力センサ4の出力(下流圧力P2)、および、温度センサ5の出力(ガス温度T1)などに基づいて、臨界膨張条件または非臨界膨張条件における流量計算式を用いて、上記のQ=K1・P1またはQ=K2・P2 m(P1−P2nから演算により流量を求める。そして、絞り部2を通過する流体の流量が設定流量に近づくように制御バルブ6を制御する。また、演算した流量を外部制御装置12に出力するとともにこれを流量出力値として表示してもよい。 In order to control the flow rate, the set flow rate set in the external control device 12 is sent from the external control device 12 to the arithmetic processing circuit 7. The arithmetic processing circuit 7 is based on the output of the first pressure sensor 3 (upstream pressure P 1 ), the output of the second pressure sensor 4 (downstream pressure P 2 ), the output of the temperature sensor 5 (gas temperature T 1 ), and the like. Then, using the flow rate calculation formula under the critical expansion condition or the non-critical expansion condition, the flow rate is calculated from the above Q = K 1 · P 1 or Q = K 2 · P 2 m (P 1 −P 2 ) n. .. Then, the control valve 6 is controlled so that the flow rate of the fluid passing through the throttle portion 2 approaches the set flow rate. Further, the calculated flow rate may be output to the external control device 12 and displayed as a flow rate output value.

以下、本実施形態における制御バルブ6について詳細に説明する。 Hereinafter, the control valve 6 in this embodiment will be described in detail.

図2は、制御バルブ6の構成を示す断面図である。制御バルブ6は、圧電素子20を用いて弁体22の開閉動作を行うノーマルクローズ型の圧電駆動式バルブである。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the control valve 6. The control valve 6 is a normally closed type piezoelectrically driven valve that opens and closes the valve body 22 by using the piezoelectric element 20.

図2に示すように、制御バルブ6は、流路1が設けられた弁本体21と、流路上に設けられた弁座21aおよびこれに近接して離着座可能に配置された弁体22と、弁体22に接する弁体押さえ25と、圧電素子20と、圧電素子20を収容する支持筒体23とを備えている。圧電素子20および支持筒体23は、制御回路基板7’とともに保護ケース16内に配置されている。本実施形態において、弁体押さえ25は、支持筒体23の先端に固定されており、支持筒体23と一体的に移動する。なお、離着座とは、弁体が弁座に対して当接および離間することを意味する。 As shown in FIG. 2, the control valve 6 includes a valve body 21 provided with the flow path 1, a valve seat 21a provided on the flow path, and a valve body 22 arranged in close proximity to the valve seat 21a so as to be able to take off and seat. A valve body retainer 25 in contact with the valve body 22, a piezoelectric element 20, and a support cylinder 23 for accommodating the piezoelectric element 20 are provided. The piezoelectric element 20 and the support cylinder 23 are arranged in the protective case 16 together with the control circuit board 7'. In the present embodiment, the valve body retainer 25 is fixed to the tip of the support cylinder 23 and moves integrally with the support cylinder 23. The take-off seat means that the valve body comes into contact with and separates from the valve seat.

制御バルブ6において、圧電素子20には、コネクタ15を介して、制御回路基板7’に設けられた演算処理回路7(図1参照)により制御された駆動電圧が印加され、駆動電圧の大きさに応じて圧電素子20が伸長する。圧電素子20としては、積層された複数の圧電素子(ピエゾスタックともいう)を用いることもできる。単数または複数の圧電素子20が金属ケース内に密封されたものが圧電アクチュエータとして知られており、圧電アクチュエータとしては、例えば株式会社NTKセラテック等から販売されているものを使用することができる。以下、圧電素子20を用いて構成されたアクチュエータを、圧電アクチュエータ20と称して説明することがある。 In the control valve 6, a drive voltage controlled by an arithmetic processing circuit 7 (see FIG. 1) provided on the control circuit board 7'is applied to the piezoelectric element 20 via the connector 15, and the magnitude of the drive voltage is large. The piezoelectric element 20 extends accordingly. As the piezoelectric element 20, a plurality of laminated piezoelectric elements (also referred to as piezo stacks) can be used. A piezoelectric actuator in which one or a plurality of piezoelectric elements 20 are sealed in a metal case is known as a piezoelectric actuator, and as the piezoelectric actuator, for example, one sold by NTK Ceratech Co., Ltd. or the like can be used. Hereinafter, an actuator configured by using the piezoelectric element 20 may be referred to as a piezoelectric actuator 20.

弁本体21はステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部及び流体入口、流体出口、流路、弁室及び弁座21a等を備えている。本実施形態では、一次接続部21bおよびオリフィス取付部21cを介して、弁本体21の両側に入口継手および出口継手が接続されている。一次接続部21bは、例えば、接続ガイドやガスケットから構成されていてよく、オリフィス取付部21cは、図1に示した絞り部2としてのオリフィスプレート、オリフィスガイド、ガスケット等から構成されていてよい。 The valve body 21 is made of stainless steel and includes a hole forming a part of the valve chamber, a fluid inlet, a fluid outlet, a flow path, a valve chamber, a valve seat 21a, and the like. In the present embodiment, the inlet joint and the outlet joint are connected to both sides of the valve body 21 via the primary connection portion 21b and the orifice mounting portion 21c. The primary connection portion 21b may be composed of, for example, a connection guide or a gasket, and the orifice mounting portion 21c may be composed of an orifice plate, an orifice guide, a gasket or the like as the throttle portion 2 shown in FIG.

また、図2に示す態様では、弁本体21の下面側において、図1に示した第1圧力センサ3が取り付けられている。ただし、これに限られず、第1圧力センサ3は、弁本体の上面側に取り付けられていてもよい。また、図2には示していないが、第2圧力センサ4(図1参照)が、オリフィス取付部21cの下流側に設けられていてもよいことは言うまでもない。 Further, in the embodiment shown in FIG. 2, the first pressure sensor 3 shown in FIG. 1 is attached to the lower surface side of the valve body 21. However, the present invention is not limited to this, and the first pressure sensor 3 may be attached to the upper surface side of the valve body. Further, although not shown in FIG. 2, it goes without saying that the second pressure sensor 4 (see FIG. 1) may be provided on the downstream side of the orifice mounting portion 21c.

本実施形態における弁体22は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムである。金属ダイヤフラムは、例えばニッケルクロム合金鋼等の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている。尚、金属ダイヤフラムの形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。更に、金属ダイヤフラム22は、1枚のダイヤフラムを使用するか、或いは、2〜3枚のダイヤフラムを積層したダイヤフラム弁体とすることもある。 The valve body 22 in the present embodiment is a self-elastic return type metal diaphragm. The metal diaphragm is formed of a thin plate such as nickel-chromium alloy steel, and is formed in an inverted dish shape in which the central portion slightly bulges upward. The shape of the metal diaphragm may be flat, and the material may be stainless steel, Inconel alloy, or other alloy steel. Further, the metal diaphragm 22 may use one diaphragm, or may be a diaphragm valve body in which two or three diaphragms are laminated.

金属ダイヤフラム22は、前記弁座21aと対向状に弁室内へ配設されている。金属ダイヤフラム22の外周縁は、押えアダプター25a、割りベース26及びガイド部材24を介設して取付けボルトを弁本体21へ締め込むことにより、弁本体21側へ気密に保持固定されている。なお、押えアダプター25a、ガイド部材24、割りベース26等はステンレス鋼等の金属製であってよい。ガイド部材24は、支持筒体23の下部を覆うように設けられた中空の部材であり、弁本体21に対してネジなどの固定部材によって固定されている。また、ガイド部材24と支持筒体23との間にはOリング27が設けられている。 The metal diaphragm 22 is arranged in the valve chamber so as to face the valve seat 21a. The outer peripheral edge of the metal diaphragm 22 is hermetically held and fixed to the valve body 21 side by tightening the mounting bolts to the valve body 21 via the presser adapter 25a, the split base 26 and the guide member 24. The presser foot adapter 25a, the guide member 24, the split base 26, and the like may be made of metal such as stainless steel. The guide member 24 is a hollow member provided so as to cover the lower portion of the support cylinder 23, and is fixed to the valve body 21 by a fixing member such as a screw. Further, an O-ring 27 is provided between the guide member 24 and the support cylinder 23.

支持筒体23は、例えば熱膨脹率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、図3(a)に示すように、圧電アクチュエータ20を収納する太径部23cと、下部受台29や弾性部材28等を収納する縮径部23dとを有している。また、支持筒体23の最下端部には、弁体押さえ25を嵌着するための嵌着部23eが形成されている。嵌着部23eは、本実施形態では、弁体押さえ25が挿入固定される凹所であるが、これに限られず、弁体押さえ25を固定できる限り種々の態様を有していてよい。また、支持筒体23と弁体押さえ25とは一体的に設けられていてもよい。 The support cylinder 23 is formed in a cylindrical shape by, for example, an Invar material having a small coefficient of thermal expansion, and as shown in FIG. 3A, the support cylinder 23 has a large diameter portion 23c for accommodating the piezoelectric actuator 20, a lower pedestal 29, and elasticity. It has a reduced diameter portion 23d for accommodating the member 28 and the like. Further, a fitting portion 23e for fitting the valve body retainer 25 is formed at the lowermost end portion of the support cylinder 23. In the present embodiment, the fitting portion 23e is a recess in which the valve body retainer 25 is inserted and fixed, but the fitting portion 23e is not limited to this, and may have various modes as long as the valve body retainer 25 can be fixed. Further, the support cylinder 23 and the valve body retainer 25 may be provided integrally.

図3(a)は、支持筒体23の縦断面図であり、図3(b)は、図3(a)のA−A線断面図である。支持筒体23の太径部23cと縮径部23dとの境界近傍において、支持筒体23の中心軸を挟んで対向するように配置された一対の孔部23aが設けられている。孔部23aには、図4に示す一対の割りベース片26aが両側から対向して挿入され、挿入された割りベース片26aが組合せられる。組合せられた割りベース片26aは、ガイド部材24によって、割りベース26として一体的に保持固定される。なお、割りベース片26aを組付ける前に、縮径部23dの底部23bには、図2に示す弾性部材28が予め挿着される。 FIG. 3A is a vertical sectional view of the support cylinder 23, and FIG. 3B is a sectional view taken along line AA of FIG. 3A. A pair of holes 23a arranged so as to face each other with the central axis of the support cylinder 23 interposed therebetween are provided near the boundary between the large diameter portion 23c and the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23. A pair of split base pieces 26a shown in FIG. 4 are inserted into the holes 23a facing each other from both sides, and the inserted split base pieces 26a are combined. The combined split base piece 26a is integrally held and fixed as the split base 26 by the guide member 24. Before assembling the split base piece 26a, the elastic member 28 shown in FIG. 2 is previously inserted into the bottom portion 23b of the reduced diameter portion 23d.

図4(a)は、割りベース26を示す平面図であり、図4(b)は、図4(a)のB−B線断面図である。図4(a)および(b)からわかるように、割りベース26は、割りベース片26aを組み合わせたとき、上壁26bを備えた短円筒体の下端外周に鍔部26cが形成された形状を有する。上壁26bには、支持筒体23の縮径部23dが貫通する挿通孔26dが設けられている。また、上壁26bの中心部には、下部受台29を支持する嵌合部26eが形成されている。 FIG. 4A is a plan view showing the split base 26, and FIG. 4B is a sectional view taken along line BB of FIG. 4A. As can be seen from FIGS. 4A and 4B, the split base 26 has a shape in which a collar portion 26c is formed on the outer periphery of the lower end of a short cylinder provided with an upper wall 26b when the split base pieces 26a are combined. Have. The upper wall 26b is provided with an insertion hole 26d through which the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23 penetrates. Further, a fitting portion 26e for supporting the lower pedestal 29 is formed in the central portion of the upper wall 26b.

図2に示すように、割りベース26の鍔部26cは、ガイド部材24の下端により押圧力を受けることによって押えアダプター25aを押圧する。また、挿通孔26dは、支持筒体23の縮径部23dの壁体(一対の孔部23aの間の部分)を挿通させることができ、割りベース26を支持筒体23の外側から組み付けることを可能にしている。 As shown in FIG. 2, the flange portion 26c of the split base 26 presses the pressing adapter 25a by receiving pressing pressure from the lower end of the guide member 24. Further, the insertion hole 26d can be inserted through the wall body (the portion between the pair of holes 23a) of the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23, and the split base 26 is assembled from the outside of the support cylinder 23. Is possible.

制御バルブ6の組立ての手順を説明すると、まず、弁本体21に設けられた取り付け凹部内(弁座21aが形成された取り付け凹部)内へ、金属ダイヤフラム22、押えアダプター25a、弁体押さえ25を固定した支持筒体23、弾性部材28、割りベース26の順に組み付け、ガイド部材24を介して支持筒体23を弁本体21へ挿着する。次に、支持筒体23内へ、下部受台29、ボールや半球体、圧電アクチュエータ20などを挿着し、位置決め材17を形成する袋ナットの締込量を調整することにより、圧電アクチュエータ20による金属ダイヤフラム22の作動ストロークを設定値に微調整する。 To explain the procedure for assembling the control valve 6, first, the metal diaphragm 22, the presser foot adapter 25a, and the valve body retainer 25 are placed in the mounting recess provided in the valve body 21 (the mounting recess in which the valve seat 21a is formed). The fixed support cylinder 23, the elastic member 28, and the split base 26 are assembled in this order, and the support cylinder 23 is inserted into the valve body 21 via the guide member 24. Next, the lower pedestal 29, the ball, the hemisphere, the piezoelectric actuator 20, and the like are inserted into the support cylinder 23, and the tightening amount of the bag nut forming the positioning member 17 is adjusted to adjust the piezoelectric actuator 20. The operating stroke of the metal diaphragm 22 is finely adjusted to the set value.

以上に説明した制御バルブ6において、圧電アクチュエータ(圧電素子)20の下面に接する半球体が設けられており、この半球体は下部受台29によって支持されている。また、下部受台29は、図4(a)および(b)に示す割りベース26によって支持されており、割りベース26は、ガイド部材24によって弁本体21に固定されている。なお、図2に示した例では、下部受台9と圧電アクチュエータ20との間に別途に形成した半球体を介挿するようにしているが、圧電アクチュエータ20の下端面の中央に先端が球面状の突起体を一体的に形成し、これを半球体として下部受台9へ接当させる構成とすることもある。 In the control valve 6 described above, a hemisphere in contact with the lower surface of the piezoelectric actuator (piezoelectric element) 20 is provided, and this hemisphere is supported by the lower pedestal 29. Further, the lower pedestal 29 is supported by the split base 26 shown in FIGS. 4A and 4B, and the split base 26 is fixed to the valve body 21 by the guide member 24. In the example shown in FIG. 2, a hemisphere separately formed is inserted between the lower pedestal 9 and the piezoelectric actuator 20, but the tip is spherical at the center of the lower end surface of the piezoelectric actuator 20. In some cases, the shaped protrusions are integrally formed and the hemispheres are brought into contact with the lower pedestal 9.

この構成において、演算制御回路7から、上部に設けられたコネクタ15を介して開弁信号が入力(例えば入力電圧0〜120v)されると、圧電アクチュエータ20は設定値(例えば0〜45μm)だけ伸長する。これにより、例えば約40〜80kgfの押し上げ力が支持筒体23に働き、ガイド部材24のOリング27により軸芯を保持された状態で、支持筒体23が弾性部材28の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、弁体押さえ25から金属ダイヤフラム22への押圧力が低下し、金属ダイヤフラム22がその弾性力によって弁座21aから離座し、開弁される。なお、弾性部材28としては、例えば、皿ばねを積み重ねたものを用いることができる。 In this configuration, when a valve opening signal is input (for example, input voltage 0 to 120v) from the arithmetic control circuit 7 via the connector 15 provided on the upper part, the piezoelectric actuator 20 has only a set value (for example, 0 to 45 μm). Stretch. As a result, for example, a pushing force of about 40 to 80 kgf acts on the support cylinder 23, and the support cylinder 23 resists the elastic force of the elastic member 28 while the shaft core is held by the O-ring 27 of the guide member 24. It increases by the above set value. As a result, the pressing force from the valve body retainer 25 to the metal diaphragm 22 is reduced, and the metal diaphragm 22 is separated from the valve seat 21a by the elastic force and the valve is opened. As the elastic member 28, for example, a stack of disc springs can be used.

また、開弁入力がoffになると、圧電アクチュエータ20が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、弾性部材28の弾性力により圧電アクチュエータ20の支持筒体23の底部が下方向へ押し下げられ、弁体押さえ25により金属ダイヤフラム22が弁座21aへ当座し、閉弁状態となる。 Further, when the valve opening input is turned off, the piezoelectric actuator 20 returns to the state of the original length dimension, and as a result, the bottom portion of the support cylinder 23 of the piezoelectric actuator 20 is pushed downward by the elastic force of the elastic member 28. Then, the metal diaphragm 22 is seated on the valve seat 21a by the valve body retainer 25, and the valve is closed.

以上の説明からわかるように、制御バルブ6は、圧電素子20への電圧印加時において、支持筒体23が移動し、支持筒体23に接続された弁体押さえ25から弁体(金属ダイヤフラム)22に付与される力が変化するように構成されている。そこで、本実施形態の制御バルブ6では、支持筒体23の移動量を測定するためのギャップセンサ30を設け、測定した支持筒体23の移動量から、弁体22の開度を検出するようにしている。 As can be seen from the above description, in the control valve 6, the support cylinder 23 moves when a voltage is applied to the piezoelectric element 20, and the valve body (metal diaphragm) is connected to the valve body retainer 25 connected to the support cylinder 23. The force applied to 22 is configured to change. Therefore, in the control valve 6 of the present embodiment, a gap sensor 30 for measuring the movement amount of the support cylinder 23 is provided, and the opening degree of the valve body 22 is detected from the measured movement amount of the support cylinder 23. I have to.

以下、制御バルブ6に設けられたギャップセンサ30について説明する。 Hereinafter, the gap sensor 30 provided in the control valve 6 will be described.

図2および図5に示すように、ギャップセンサ30は、平面センサ31と、これに対向して配置される対向部材32とを用いて構成されている。平面センサ31および対向部材32は、弁本体21と重畳するように配置されることが好ましく、これにより、流量制御装置8の幅方向のサイズが大きくなることが防止される。なお、図5に示す流量制御装置8では、制御バルブ6の上流側に、ガス供給圧を測定するための流入圧力センサ13が設けられている。流入圧力センサ13は、接続されたガス供給装置(例えば原料気化器)から供給されるガスの圧力を測定することができ、ガス供給量または供給圧を制御するために用いることができる。 As shown in FIGS. 2 and 5, the gap sensor 30 is configured by using a flat surface sensor 31 and an opposing member 32 arranged to face the flat surface sensor 31. The plane sensor 31 and the facing member 32 are preferably arranged so as to overlap with the valve body 21, thereby preventing the size of the flow rate control device 8 from increasing in the width direction. In the flow rate control device 8 shown in FIG. 5, an inflow pressure sensor 13 for measuring the gas supply pressure is provided on the upstream side of the control valve 6. The inflow pressure sensor 13 can measure the pressure of the gas supplied from the connected gas supply device (for example, the raw material vaporizer), and can be used to control the gas supply amount or the supply pressure.

平面センサ31としては、例えば、日本システム開発社製の超小型変位センサDS2001シリーズを用いることが出来る。この超小型変位センサは、コイルを有する基板上に発振回路などが形成された構成を有しており、対向する導電体との距離変化に応じて発振(共振)周波数が変化し、その積算値(カウント値)をデジタル出力することができる。ここで、カウント値は、具体的には発振周波数×測定時間によって与えられ、発振周波数fは、f=1/2π(L・C)1/2(Lはインダクタンス、Cは静電容量)で与えられるものである。 As the planar sensor 31, for example, the ultra-compact displacement sensor DS2001 series manufactured by Nippon System Development Co., Ltd. can be used. This ultra-compact displacement sensor has a configuration in which an oscillation circuit or the like is formed on a substrate having a coil, and the oscillation (resonance) frequency changes according to a change in distance from an opposing conductor, and the integrated value thereof. (Count value) can be output digitally. Here, the count value is specifically given by the oscillation frequency × the measurement time, and the oscillation frequency f is f = 1 / 2π (LC) 1/2 (L is inductance, C is capacitance). It is given.

また、対向部材32は、平面センサ31に対向する導電体面32sを有する、典型的には平板状の金属部材である。本実施形態では、対向部材32の全体が導電体(実施例ではアルミニウム板)によって形成されているが、これに限られず、対向部材32の表面に導電体膜が形成されたものを用いてもよい。対向部材32の導電体面32sは、磁性体、非磁性体にかかわらず、任意の導電体(例えば、アルミニウム、銅、鉄、金、銀、ステンレス鋼など)から形成されていてよい。 Further, the facing member 32 is typically a flat metal member having a conductor surface 32s facing the plane sensor 31. In the present embodiment, the entire facing member 32 is formed of a conductor (aluminum plate in the embodiment), but the present invention is not limited to this, and a conductor film formed on the surface of the facing member 32 may be used. Good. The conductor surface 32s of the facing member 32 may be formed of any conductor (for example, aluminum, copper, iron, gold, silver, stainless steel, etc.) regardless of whether it is a magnetic material or a non-magnetic material.

図5に固定例を示すように、制御バルブ6において、平面センサ31は、弁本体21に固定されたガイド部材24に対してネジ留めによって固定されている。この構成において、ガイド部材24は弁本体21に対して不動の状態にあるため、ガイド部材24に固定されている平面センサ31は、弁本体21に対して不動の位置に固定されていることになる。一方で、対向部材32は、支持筒体23に対してネジ留めによって固定されている。 As shown in the fixing example in FIG. 5, in the control valve 6, the plane sensor 31 is fixed to the guide member 24 fixed to the valve body 21 by screwing. In this configuration, since the guide member 24 is in an immovable state with respect to the valve body 21, the flat surface sensor 31 fixed to the guide member 24 is fixed at a position immovable with respect to the valve body 21. Become. On the other hand, the facing member 32 is fixed to the support cylinder 23 by screwing.

ただし、他の態様において、平面センサ31を支持筒体23に取り付け、対向部材32をガイド部材24に取り付けてもよい。平面センサ31および対向部材32は、一方が弁本体21に対して直接的または間接的に固定されて、他方が支持筒体23に対して直接的または間接的に固定されている限り、種々の態様で取り付けられてよいことは言うまでもない。 However, in another embodiment, the flat surface sensor 31 may be attached to the support cylinder 23, and the opposing member 32 may be attached to the guide member 24. The planar sensor 31 and the facing member 32 are various as long as one is directly or indirectly fixed to the valve body 21 and the other is directly or indirectly fixed to the support cylinder 23. It goes without saying that it may be attached in a mode.

また、図5に示すように、本実施形態の制御バルブ6において、対向部材32の、平面センサ31と対向する面と反対側の面には、平面センサ31と同じ構成を有する温度補償用の基準平面センサ33が設けられている。この基準平面センサ33は、温度変化などによって変動し得る平面センサ31の出力を補償するために設けられている。具体的には、基準平面センサ33の出力変化をバックグラウンドの変化として読み取り、その変化分を平面センサ31の出力から差し引くことで、温度変化等による変動を補償することができる。 Further, as shown in FIG. 5, in the control valve 6 of the present embodiment, the surface of the opposing member 32 opposite to the surface facing the flat surface sensor 31 has the same configuration as the flat surface sensor 31 for temperature compensation. A reference plane sensor 33 is provided. The reference plane sensor 33 is provided to compensate for the output of the plane sensor 31, which may fluctuate due to a temperature change or the like. Specifically, by reading the change in the output of the reference plane sensor 33 as a change in the background and subtracting the change from the output of the plane sensor 31, it is possible to compensate for the change due to a temperature change or the like.

ギャップセンサ30において、平面センサ31と対向部材32との距離の変化は、支持筒体23の移動量として検出される。より具体的には、上記のように、本実施形態の平面センサ31は発振回路を有しており、平面センサ31と対面する導電体面(対向部材32)との距離の変化を発振周波数(ここではカウント値)の変化として検出する。このような平面変位センサを用いれば、例えば10μm〜100μmの距離の変化を精度よく読み取ることができる。したがって、変位量が例えば0〜50μm程度である圧電アクチュエータ20の移動量および弁開閉度を精度よく検出することが可能である。なお、ノーマルクローズ型の本実施形態の制御バルブ6において、初期状態(電圧無印加状態)での平面センサ31と対向部材32との間の距離は、例えば30〜300μm、より具体的には、30〜70μm程度に設定されていてよく、印加した駆動電圧の大きさに応じて上記距離が増加(発振周波数は減少)する。 In the gap sensor 30, the change in the distance between the flat surface sensor 31 and the facing member 32 is detected as the amount of movement of the support cylinder 23. More specifically, as described above, the planar sensor 31 of the present embodiment has an oscillating circuit, and changes in the distance between the planar sensor 31 and the conductor surface (opposing member 32) facing the oscillating frequency (here). Then, it is detected as a change in the count value). By using such a plane displacement sensor, it is possible to accurately read a change in a distance of, for example, 10 μm to 100 μm. Therefore, it is possible to accurately detect the movement amount and the valve open / close degree of the piezoelectric actuator 20 whose displacement amount is, for example, about 0 to 50 μm. In the normally closed type control valve 6 of the present embodiment, the distance between the plane sensor 31 and the facing member 32 in the initial state (voltage-free state) is, for example, 30 to 300 μm, more specifically, It may be set to about 30 to 70 μm, and the distance increases (oscillation frequency decreases) according to the magnitude of the applied drive voltage.

図6は、圧電素子の駆動電圧(ピエゾ電圧)と平面センサ31の出力であるカウント値との関係を示すグラフである。駆動電圧が0のとき、ノーマルクローズ型の制御バルブ6は閉じた状態にあり、このとき、平面センサ31と対向部材32とのギャップが最も小さい。これに対応して、平面センサ31が検出したカウント値が最も大きい値をとる。図において矢印で示すように、0Vから150Vに圧電素子への駆動電圧を増加させると、制御バルブ6の開度が増加するとともに、平面センサ31と対向部材32との間のギャップが増加してカウント値が減少する。また、図において逆向きの矢印で示すように、150Vから0Vに駆動電圧を減少させると、制御バルブ6の開度が減少するとともに、平面センサ31と対向部材32との間のギャップが減少してカウント値が増加する。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the drive voltage (piezo voltage) of the piezoelectric element and the count value which is the output of the plane sensor 31. When the drive voltage is 0, the normally closed type control valve 6 is in the closed state, and at this time, the gap between the plane sensor 31 and the facing member 32 is the smallest. Correspondingly, the count value detected by the plane sensor 31 takes the largest value. As shown by the arrows in the figure, when the drive voltage to the piezoelectric element is increased from 0V to 150V, the opening degree of the control valve 6 increases and the gap between the plane sensor 31 and the facing member 32 increases. The count value decreases. Further, as shown by the reverse arrow in the figure, when the drive voltage is reduced from 150 V to 0 V, the opening degree of the control valve 6 is reduced and the gap between the plane sensor 31 and the facing member 32 is reduced. And the count value increases.

また、図7には、圧電素子の駆動電圧(それぞれ図における矢印の方向に電圧を増加および減少させたとき)と、レーザ変位計で測定した実際の圧電アクチュエータの移動量(ストローク)との関係を示す。レーザ変位計による圧電アクチュエータの移動量は、圧電アクチュエータの上端に固定した反射板にレーザ光を照射するとともに、反射板からのレーザ光をCMOSイメージセンサなどで検出することによって光学的に測定している。 Further, FIG. 7 shows the relationship between the drive voltage of the piezoelectric element (when the voltage is increased or decreased in the direction of the arrow in the figure) and the actual movement amount (stroke) of the piezoelectric actuator measured by the laser displacement meter. Is shown. The amount of movement of the piezoelectric actuator by the laser displacement meter is optically measured by irradiating the reflector fixed to the upper end of the piezoelectric actuator with laser light and detecting the laser light from the reflector with a CMOS image sensor or the like. There is.

図6からわかるように、平面センサの出力は、駆動電圧に対して概ねリニアな関係を有している。同様に、図7からわかるように、駆動電圧と圧電アクチュエータの移動量との関係も、概ねリニアな関係を有している。 As can be seen from FIG. 6, the output of the planar sensor has a substantially linear relationship with the drive voltage. Similarly, as can be seen from FIG. 7, the relationship between the drive voltage and the amount of movement of the piezoelectric actuator also has a substantially linear relationship.

しかし、図8において実線で示すように、平面センサの出力(カウント値)と実際のギャップセンサの変位量とは、若干の曲線的な特性を有している場合がある。そこで、レーザー変位計で測定された圧電アクチュエータの変位出力、及び、平面センサによって測定された変位出力に対してそれぞれ直線補正を行い(すなわち、図8において破線で示すような直線的な関係を求め)、最終的に平面センサの出力と圧電アクチュエータの変位との変換テーブルを作成して、記憶装置に記憶させるようにしてもよい。 However, as shown by the solid line in FIG. 8, the output (count value) of the plane sensor and the actual displacement amount of the gap sensor may have some curvilinear characteristics. Therefore, the displacement output of the piezoelectric actuator measured by the laser displacement meter and the displacement output measured by the plane sensor are linearly corrected (that is, the linear relationship as shown by the broken line in FIG. 8 is obtained. ), Finally, a conversion table between the output of the plane sensor and the displacement of the piezoelectric actuator may be created and stored in the storage device.

このように予め作成した変換テーブルを用いることによって、平面センサの出力値から、弁体の開度をより精度よく検出することができる。変換テーブルは、例えば、演算処理回路7に設けられたメモリなどの記憶装置に予め格納されており、ギャップ検出時には、この変換テーブルを読み出し、これを用いて平面センサの出力値から支持筒体の移動量、ひいては弁の開度を検出することができる。 By using the conversion table created in advance in this way, the opening degree of the valve body can be detected more accurately from the output value of the flat surface sensor. The conversion table is stored in advance in a storage device such as a memory provided in the arithmetic processing circuit 7, for example, and when a gap is detected, the conversion table is read out and used to obtain the output value of the planar sensor of the support cylinder. The amount of movement, and thus the opening degree of the valve, can be detected.

以上に説明したように、本実施形態の制御バルブ6では、ギャップセンサ30を用いて支持筒体23または圧電アクチュエータ20の移動量を直接測定しているので、駆動電圧などから推定する場合に比べて、より精度よく、弁体22の開閉度を検出することが可能である。このようにして弁体22の開閉度を精度よく検出できれば、後述するように制御バルブ6を、可変オリフィス装置のように用いることも可能である。 As described above, in the control valve 6 of the present embodiment, since the movement amount of the support cylinder 23 or the piezoelectric actuator 20 is directly measured by using the gap sensor 30, it is compared with the case of estimating from the drive voltage or the like. Therefore, it is possible to detect the opening / closing degree of the valve body 22 more accurately. If the opening / closing degree of the valve body 22 can be detected accurately in this way, the control valve 6 can be used like a variable orifice device as described later.

弁体22の開閉度をギャップセンサ30を用いて直接的に検出しているので、上流側のガス圧力などが変動したときにも、開閉度を高い精度で検出することが可能である。そして、測定した圧電アクチュエータ20の移動量をモニタし、正常な状態と比較して、例えば全開の状態における移動量が予め設定していた閾値よりも下回った時や、圧電アクチュエータに駆動電圧が供給されているにもかかわらず移動量が予定の値に達しない時など、異常の傾向が見受けられた時、圧電アクチュエータ20に異常が発生した(使用限界に達した)ものと判断し、制御バルブ6、もしくは、内部の圧電アクチュエータ20を交換する。これによって、圧電アクチュエータ20が完全に故障する前に交換する事ができ、故障した状態のバルブを使用することなく、多大な損失の発生を防ぐ事が出来る。 Since the opening / closing degree of the valve body 22 is directly detected by using the gap sensor 30, it is possible to detect the opening / closing degree with high accuracy even when the gas pressure on the upstream side fluctuates. Then, the measured movement amount of the piezoelectric actuator 20 is monitored, and compared with the normal state, for example, when the movement amount in the fully open state falls below a preset threshold value, or when the drive voltage is supplied to the piezoelectric actuator. When a tendency of abnormality is observed, such as when the movement amount does not reach the planned value even though the movement amount has been increased, it is determined that an abnormality has occurred in the piezoelectric actuator 20 (the usage limit has been reached), and the control valve 6 or replace the internal piezoelectric actuator 20. As a result, the piezoelectric actuator 20 can be replaced before it completely fails, and a large loss can be prevented without using a valve in a failed state.

また、圧電アクチュエータ20の移動量を正確に測定できる事から、上記のように構成された制御バルブ6は、流量制御バルブとして用いる他にも、例えば、可変オリフィス装置として利用することができる。本明細書において可変オリフィス装置とは、オリフィス部材のように流体が通過する流路に絞られた開口部を設ける装置であって、開口部における開度(流路断面積)が変更可能に構成された種々の装置を意味する。可変オリフィス装置は、オリフィス部材の代わりに、開度調整可能な弁機構を備えていてよい。 Further, since the movement amount of the piezoelectric actuator 20 can be accurately measured, the control valve 6 configured as described above can be used not only as a flow rate control valve but also as, for example, a variable orifice device. In the present specification, the variable orifice device is a device that provides an opening narrowed in a flow path through which a fluid passes, such as an orifice member, and is configured such that the opening degree (flow path cross-sectional area) in the opening can be changed. It means various devices made. The variable orifice device may include a valve mechanism with adjustable opening instead of the orifice member.

制御バルブ6と同様の構成の圧電駆動式バルブを可変オリフィス装置として利用する場合、ギャップセンサ30によってオリフィス開度(弁開度)を検出するとともに、圧電素子20への駆動電圧を制御することにより、開度位置を制御することができる。また、ギャップセンサ30によって検出された弁体22の開閉度から、流路断面積を求めることができる。このため、圧電駆動式バルブは、所望の流路断面積を有した可変オリフィス装置として好適に用いることができる。 When a piezoelectric drive type valve having the same configuration as the control valve 6 is used as a variable orifice device, the orifice opening (valve opening) is detected by the gap sensor 30 and the drive voltage to the piezoelectric element 20 is controlled. , The opening position can be controlled. Further, the cross-sectional area of the flow path can be obtained from the opening / closing degree of the valve body 22 detected by the gap sensor 30. Therefore, the piezoelectrically driven valve can be suitably used as a variable orifice device having a desired flow path cross-sectional area.

例えば、上記の流量制御装置8の絞り部2を、圧電駆動式バルブによって構成することができる。このように構成された流量制御装置8においては、圧力センサ3によって検出される上流圧力P1が一定になるように絞り部2上流側の制御バルブを制御するとともに、絞り部2として設けた圧電駆動式バルブ(可変オリフィス装置)の弁開度を調整することによって流量を制御することができる。また、絞り部2として設けた圧電駆動式バルブの開度は一定にしたまま、上記と同様に上流圧力P1を制御バルブによって制御することによって流量を制御することができる。この場合にも、可変オリフィス装置として設けられた圧電駆動式バルブの開度を切り替えれば、流量制御レンジを変更することが出来るので有利である。なお、上記の2つの流量制御動作を組み合わせて行ってもよいことは言うまでもない。 For example, the throttle portion 2 of the flow rate control device 8 can be configured by a piezoelectrically driven valve. In the flow rate control device 8 configured in this way, the control valve on the upstream side of the throttle portion 2 is controlled so that the upstream pressure P 1 detected by the pressure sensor 3 becomes constant, and the piezoelectric provided as the throttle portion 2 is provided. The flow rate can be controlled by adjusting the valve opening degree of the driven valve (variable orifice device). Further, the opening degree of the piezoelectric-type valve provided as a throttle portion 2 while constant, it is possible to control the flow rate by controlling by the control valve of the upstream pressure P 1 as well. Also in this case, it is advantageous because the flow rate control range can be changed by switching the opening degree of the piezoelectric drive type valve provided as the variable orifice device. Needless to say, the above two flow rate control operations may be combined.

また、例えば、特開平11−265217号公報には、ニードルバルブを圧電素子で制御する可変オリフィス装置が開示されている。このような可変オリフィス装置にも、本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを適用することができ、ギャップセンサ30を設けることによってニードルバルブの開度検出を行うことができる。具体的には、ニードルバルブと接する弁体押さえに接続された圧電アクチュエータなどの可動部に平面センサおよび対向部材のうちの一方を固定し、弁本体などの固定部に所定の間隙を設けて他方を固定することによって、バルブ開度を精度よく検出することができる。 Further, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-265217 discloses a variable orifice device that controls a needle valve with a piezoelectric element. The piezoelectrically driven valve according to the embodiment of the present invention can be applied to such a variable orifice device, and the opening degree of the needle valve can be detected by providing the gap sensor 30. Specifically, one of the flat surface sensor and the opposing member is fixed to a movable part such as a piezoelectric actuator connected to a valve body retainer in contact with the needle valve, and a predetermined gap is provided in the fixed part such as the valve body to provide the other. By fixing the valve, the valve opening degree can be detected with high accuracy.

以上、本発明の実施形態について説明したが種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては圧力制御式の流量制御装置について説明したが、本発明は、圧力制御式以外の制御方式、例えば、熱式センサを用いて流量を制御する熱式流量制御装置にも適用可能である。また、上記実施形態においては自己弾性による弾性復帰型の金属ダイヤフラム弁体を備える圧電駆動式バルブについて説明したが、金属ダイヤフラム以外の弁体についても適用可能であることは当業者であれば自明である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, various modifications can be made. For example, although the pressure control type flow rate control device has been described in the above embodiment, the present invention also applies to a control method other than the pressure control type, for example, a thermal flow rate control device that controls the flow rate using a thermal sensor. Applicable. Further, in the above embodiment, a piezoelectrically driven valve including a self-elastic return type metal diaphragm valve body has been described, but it is obvious to those skilled in the art that it can be applied to valve bodies other than the metal diaphragm. is there.

また、本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、ノーマルオープン型であってもよく、この場合にも、圧電素子の伸長により弁本体に対して下方に移動する支持筒体において平面センサまたは対向部材を取り付けてギャップを測定することによって、弁の開度を精度よく検出することができる。 Further, the piezoelectric drive type valve according to the embodiment of the present invention may be a normally open type, and in this case as well, a flat surface sensor or a facing cylinder in a support cylinder that moves downward with respect to the valve body due to extension of the piezoelectric element By attaching the member and measuring the gap, the opening degree of the valve can be detected accurately.

本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、特に流量制御装置において用いられ、弁体の実際の開閉度を検出することに好適に利用することができる。 The piezoelectrically driven valve according to the embodiment of the present invention is particularly used in a flow rate control device, and can be suitably used for detecting the actual opening / closing degree of the valve body.

1 流路
2 絞り部
3 第1圧力センサ
4 第2圧力センサ
5 温度センサ
6 制御バルブ (圧電駆動式バルブ)
7 演算処理回路
8 流量制御装置
9 下流バルブ
10 プロセスチャンバ
11 真空ポンプ
12 外部制御装置
20 圧電素子 (圧電アクチュエータ)
21 弁本体
21a 弁座
22 弁体
23 支持筒体
24 ガイド部材
25 弁体押さえ
26 割りベース
27 Oリング
28 弾性部材
29 下部受台
30 ギャップセンサ
31 平面センサ
32 対向部材
33 基準平面センサ
1 Flow path 2 Squeezing part 3 1st pressure sensor 4 2nd pressure sensor 5 Temperature sensor 6 Control valve (piezoelectric drive type valve)
7 Arithmetic processing circuit 8 Flow control device 9 Downstream valve 10 Process chamber 11 Vacuum pump 12 External control device 20 Piezoelectric element (piezoelectric actuator)
21 Valve body 21a Valve seat 22 Valve body 23 Support cylinder 24 Guide member 25 Valve body retainer 26 Split base 27 O-ring 28 Elastic member 29 Lower cradle 30 Gap sensor 31 Plane sensor 32 Opposing member 33 Reference plane sensor

Claims (6)

絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた圧電駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電駆動式バルブとの間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記圧電駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算制御部とを備える流量制御装置であって、
前記圧電駆動式バルブは、
流路が設けられた弁本体と、前記流路上に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体と、前記弁本体に固定され前記支持筒体の下部を覆うように設けられたガイド部材とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記支持筒体が移動し、前記支持筒体によって前記弁体が移動するように構成されており、
前記圧電駆動式バルブは、平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、前記ギャップセンサの前記平面センサは、前記弁本体に対して不動の前記ガイド部材に固定され前記対向部材は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出し
前記ギャップセンサによる移動量をモニタして、正常な状態と比較することで、前記圧電素子および前記支持筒体を含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断するように構成されている、流量制御装置。
Based on the output of the throttle portion, the piezoelectric drive valve provided on the upstream side of the throttle portion, the pressure sensor for measuring the gas pressure between the throttle portion and the piezoelectric drive valve, and the output of the pressure sensor. A flow control device including an arithmetic control unit that determines the drive voltage of the piezoelectric drive valve.
The piezoelectric driven valve is
A valve body provided with a flow path, a valve seat provided on the flow path, a valve body that takes off and seats on the valve seat, a support cylinder containing a piezoelectric element for moving the valve body, and the above. It is provided with a guide member fixed to the valve body and provided so as to cover the lower portion of the support cylinder, so that the support cylinder moves due to the extension of the piezoelectric element, and the valve body moves by the support cylinder. Made up to,
The piezoelectric drive type valve includes a gap sensor including a flat surface sensor and an opposing member having a surface facing the flat surface sensor, and the flat surface sensor of the gap sensor is the guide member that is immovable with respect to the valve body. The facing member is fixed to the support cylinder, and a change in the distance between the plane sensor and the facing member is detected as the amount of movement of the support cylinder .
A flow rate control device configured to monitor the amount of movement by the gap sensor and compare it with a normal state to determine whether or not there is an abnormality in the piezoelectric element and the piezoelectric actuator including the support cylinder.
前記対向部材の前記対向する面は、導電体によって形成されている、請求項1に記載の流量制御装置The flow rate control device according to claim 1, wherein the facing surfaces of the facing members are formed of a conductor. 前記対向部材の、前記平面センサと対向する面と反対側の面において、前記平面センサと同じ構成を有する温度補償用センサが設けられている、請求項1または2に記載の流量制御装置The flow rate control device according to claim 1 or 2, wherein a temperature compensation sensor having the same configuration as the plane sensor is provided on a surface of the facing member opposite to the surface facing the plane sensor. 前記平面センサは発振回路を有しており、前記ギャップセンサは、前記平面センサと前記対向面との距離の変化を発振周波数の変化として検出する、請求項1から3のいずれかに記載の流量制御装置The flow rate according to any one of claims 1 to 3, wherein the planar sensor has an oscillation circuit, and the gap sensor detects a change in the distance between the planar sensor and the facing surface as a change in oscillation frequency. Control device . 前記平面センサの出力値と前記支持筒体の移動量との関係を示すテーブルを格納する記憶装置を備え、前記テーブルを用いて前記支持筒体の移動量が検出される、請求項1から4のいずれかに記載の流量制御装置Claims 1 to 4 include a storage device for storing a table showing the relationship between the output value of the plane sensor and the movement amount of the support cylinder, and the movement amount of the support cylinder is detected using the table. The flow rate control device according to any one of. 前記圧電駆動式バルブは、ノーマルクローズ型の制御バルブであり、前記圧電素子に電圧が印加されていない状態において、前記平面センサと前記対向部材の前記対向する面との間の距離が30μm以上300μm以下である、請求項1から5のいずれかに記載の流量制御装置
The piezoelectric drive type valve is a normally closed type control valve, and the distance between the plane sensor and the facing surface of the facing member is 30 μm or more and 300 μm in a state where no voltage is applied to the piezoelectric element. The flow rate control device according to any one of claims 1 to 5, which is as follows.
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