JP7210253B2 - 流体制御弁 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電セラミックス層と電極層が積層されたピエゾスタックを備えたピエゾアクチュエータに関するものである。
例えば半導体の製造プロセスにおいてチャンバに供給されるプロセスガスは、液体材料に対してキャリアガスを導入してバブリングによって気化させて生成される。このようにして生成されたプロセスガスの例えば流量や濃度は、流路中に設けられたピエゾアクチュエータ等を具備する流体制御バルブにより制御される（特許文献１参照）。
特開２００８－１０５１０号公報
ところで、近年半導体の製造プロセスではより高機能な半導体を製造するために、従来使用されていたプロセスガスとは異なる組成のものを使用することが試みられている。このような新しい材料は従来よりも沸点が非常に高く、上述したようなプロセスガスの生成方法では十分に気化されないことが考えられる。
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、例えば液体材料を従来よりも効率よく気化させることができるピエゾアクチュエータ、及び、流体制御弁を提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係るピエゾアクチュエータは、圧電セラミックス層と電極層が交互に積層されたピエゾスタックと、前記ピエゾスタックの少なくとも一部に直流電圧を印加して変位させる直流電圧印加回路と、前記ピエゾスタックの少なくとも一部に所定周波数以上の電圧を印加して振動させる振動電圧印加回路と、を備えたことを特徴とする。
ここで、所定周波数以上の電圧とは正弦波、矩形波、三角波状の正負が入れ替わる電圧に限られず、正負が入れ替わらない周期的なパルス電圧も含む概念である。また、振動電圧印加回路で印加される電圧は、周波数が一定に保たれる固定周波数の電圧だけでなく、例えばＰＷＭ信号のように周波数が経時的に変化する可変周波数の電圧も含む概念である。
このようなものであれば、前記直流電圧印加回路で前記ピエゾスタックに所定の変位を発生させつつ、その状態で前記ピエゾスタックを振動させることができる。例えばこのようなピエゾアクチュエータを流体制御弁のアクチュエータとして用いれば、前記直流電圧印加回路で液体の供給量を決める弁体の開度を前記ピエゾアクチュエータの変位で制御しつつ、さらに前記振動電圧印加回路が前記ピエゾアクチュエータを振動させることで、弁体と接触する液体を霧化させてガス化させやすくすることができる。
簡単な構成で前記直流電圧印加回路により実現される変位の方向と、前記振動電圧印加回路により実現される振動の方向を一致させるには、前記ピエゾスタックが、前記直流電圧印加回路に接続される駆動ブロックと、前記振動電圧印加回路に接続される振動ブロックと、を具備し、前記駆動ブロックと前記振動ブロックが、一列に並べて設けられていればよい。
前記振動電圧印加回路が、前記振動ブロックを超音波振動させる周波数の交流電圧を印加するように構成されていれば、例えばピエゾアクチュエータによって駆動されている対象に接触している液体を振動によって微小な飛沫にして霧化することができる。
前記ピエゾスタック全体の可動範囲を十分に大きく取れるようにしつつ、振動機能を付加できるようにするには、前記駆動ブロックのほうが、前記振動ブロックよりも圧電セラミックス層と電極層の積層数が多いものであればよい。
液体の供給量を制御できるとともに、通過する液体を霧化した状態で出力することができ、例えば液体の気化装置として用いるのに好適な流体制御バルブとしては、本発明に係るピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータによって駆動され、弁座に対する位置が調節される弁体と、を備え、前記直流電圧印加回路が、前記弁座に対する前記弁体の位置が所定位置となるように直流電圧を前記ピエゾスタックに対して印加し、前記振動電圧印加回路が、前記所定位置の周辺で前記弁体を振動させることを特徴とするものが挙げられる。
本発明に係る流体制御弁の具体的な適用例の１つとしては、前記弁体に対して液体が供給され、前記弁体の振動によって前記液体が霧化されるように構成されたものが挙げられる。
このように本発明に係るピエゾアクチュエータによれば、前記直流印加回路によって前記ピエゾスタックに所望の変位を発生させつつ、さらに前記振動電圧印加回路によって前記ピエゾスタックを振動させることができる。前記ピエゾアクチュエータは、変位と振動を同時に実現できるので、例えば液体を気化させる際に液体の供給量を調節しつつ、液体に振動を与えて霧化させて蒸発しやすくするといったことが可能となる。
本発明の一実施形態におけるピエゾアクチュエータ、流体制御バルブ、及び、霧化装置を示す模式図。 同実施形態における流体制御バルブの弁座及び弁体部分の模式的拡大図。
本発明の一実施形態におけるピエゾアクチュエータ１００、流体制御バルブ２００、及び、霧化装置３００について各図を参照しながら説明する。
本実施形態の霧化装置３００は、例えば半導体の製造プロセスにおいて有機金属化合物等の液体材料Ｌを気化してプロセスガスを生成するために用いられるものである。
この霧化装置３００は、図１に示すようにピエゾアクチュエータ１００を駆動源とする流体制御バルブ２００と、流体制御バルブ２００の動作を制御する制御器７と、を備えている。
流体制御バルブ２００は、弁座４１が形成された弁座体４と、弁座４１に対して接離する弁体５と、弁体５を駆動するピエゾアクチュエータ１００と、弁体５の位置を検出する位置センサ６と、を備えている。この流体制御バルブ２００では、ピエゾアクチュエータ１００に弁体５と弁座４１との間の離間距離が制御されるとともに、弁体５を超音波振動させることによって弁体５と接触している液状の液体材料Ｌが霧化される。液状の液体材料Ｌが霧化された状態Ｍとなった後は流体制御バルブ２００の外部へと導出される。以下の説明における液体材料については、液状の液体材料の場合にはＬ、霧化された状態の液体材料の場合にはＭを付すこととする。
各部について説明する。
弁座体４は、概略円筒形状のものであり、弁座体４の側面に開口する流入口と弁座４１側の端面に開口する流出口とを具備し、液体材料Ｌを弁座４１と弁体５との間に導く第１内部流路４２と、弁座４１を貫通するように流入口が形成され、弁体５で霧化された液体材料Ｍが流体制御バルブ１００の外部へ導出される第２内部流路４３とが形成されている。
弁体５は、弁座４１と対向するように配置されたダイヤフラム５１と、その中央部からピエゾアクチュエータ１００側へと突出するように形成されたプランジャ５２と、を備えている。ピエゾアクチュエータ１００の伸縮に応じてプランジャ５２の位置が変化し、その結果弁座４１とダイヤフラム５１の中央部との離間距離が変化する。図２に示すように弁体５のダイヤフラム５１上には例えば重力により液状の液体材料Ｌが接触するようにダイヤフラム５１の弁座４１側の面が鉛直上向きとなるように配置されている。
ピエゾアクチュエータ１００は、圧電セラミックス層と電極層が交互に積層されたピエゾスタック１を備えている。このピエゾスタック１は、それぞれ駆動用途の異なる駆動ブロック１１と振動ブロック１２とが一列に並べて設けてある。
具体的には駆動ブロック１１は、直流電圧印加回路２に接続されており、所定の直流電圧が印加される。すなわち、駆動ブロック１１は直流電圧が印加されて変位した状態をそのまま保つことで、弁座４１と弁体５との離間距離を制御するために用いられる。また、駆動ブロック１１は図１に示すように振動ブロック１２よりも弁座４１及び弁体５から離れた位置に配置されている。さらに、駆動ブロック１１は、その伸縮方向の長さ寸法が振動ブロック１２よりも長く、圧電セラミックス層と電極層の積層数についても振動ブロック１２よりも多い。このため、駆動ブロック１１は発生させることができる変位量は振動ブロック１２よりも大きい。
振動ブロック１２は、振動電圧印加回路３に接続されており、所定周波数以上の電圧が印加される。本実施形態では超音波振動を弁体５に生じさせるような周波数の電圧が印加される。例えば電圧としては２０ｋＨｚ以上の周波数を有する交流電圧が振動電圧印加回路３により振動ブロック１２に対して印加される。図２に示すように弁体５のダイヤフラム５１が超音波振動することにより、第１内部流路４２から弁体５と弁座４１との間に供給される液状の液体材料Ｌに振動が加えられる。この結果、液状の液体材料Ｌは霧化した状態Ｍとなり、ダイヤフラム５１の上方にある第２内部流路４３を通って外部へと導出される。
位置センサ６は、図１に示すように例えば静電容量型の変位センサであって、流体制御バルブ２００内においてその位置が固定されたターゲット６１と、プランジャ５２に固定され、弁体５とともに移動する検出器６２と、を備えたものである。この位置センサ６によって弁座４１と弁体５との間の隙間の大きさを示す開度が検出され、その開度を示す信号が制御器７に出力される。
制御器７は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリ内に格納されている制御プログラムが実行されることにより、図１に示すように少なくとも開度制御部７１、発振制御部７２としての機能を実現するものである。
開度制御部７１は、例えば液体材料Ｌの供給流量を示す設定値がユーザによって設定され、その設定値に応じた目標開度と、位置センサ６で測定される測定開度との偏差が小さくなるように直流電圧印加回路２の直流電源２１の出力を制御するものである。例えば、測定開度が目標開度と一致し安定した後には測定開度のフィードバックを終了し、その時の電圧を保ち続けるように直流電源２１の制御を切り替える。また、開度制御部７１は直流電源２１の開度フィードバック制御が完了した時点で発振制御部７２に対して動作許可指令を出力する。
発振制御部７２は、動作許可指令が入力されている場合に振動電圧印加回路３の交流電源３１を動作させ、振動ブロック１２を超音波振動させる。すなわち、本実施形態では、開度制御部７１の制御により駆動ブロック１１の変位によってダイヤフラム５１が弁座４１から設定値に応じた位置に離間して配置される。そして、駆動ブロック１１の変位で実現される位置を中心として、振動ブロック１２の超音波振動によってダイヤフラム５１及びプランジャ５２が振動する。この際、振動の振幅は例えば発振制御部７２により現在の弁座４１とダイヤフラム５１との間の隙間よりも小さい値に設定され、ダイヤフラム５１が弁座４１と干渉しないように制御される。
このように構成されたピエゾアクチュエータ１００、流体制御バルブ２００、及び、霧化装置３００によれば、駆動ブロック１１の変位によって供給される液体材料Ｌの量を制御しつつ、振動ブロック１２により形成される弁体５の超音波振動により液体材料Ｌを霧化した上で、第２内部流路４３から外部へと導出することができる。
このため、沸点の高い液体材料であっても供給量を一定に保ちながら気化しやすい状態で供給することが可能となる。
その他の実施形態について説明する。
前記実施形態では、振動電圧印加回路は交流電圧を振動ブロックに対して印加していたが、矩形波、三角波等の正負が周期的に交互に入れ替わる電圧や正負が入れ替わらない周期的なパルス電圧を振動ブロックに印加してもよい。また、所定周波数の一例としては超音波振動を発生させるものを挙げたが、例えば液体材料を霧化できる周波数であれば超音波を発生させる周波数よりも低い周波数あるいは高い周波数であってもよい。
前記実施形態ではピエゾスタックは駆動ブロックと振動ブロックの２つのブロックに分かれていたが、さらに多数のブロックに分割されていてもよい。例えば駆動ブロックがさらに２つのブロックに分かれており、それぞれに直流電圧印加回路が接続されていてもよい。このようにすれば、片方の駆動ブロックに絶縁破壊が生じたとしてもある程度は弁体を変位させ、突然制御不能となるのを防ぐことができる。
また、ピエゾスタック内において駆動ブロックの一部と振動ブロックの一部が重複する領域があってもよい。例えばピエゾスタックの一部又は全部において直流電圧が印加された状態でさらに振動電圧が重畳されるように構成してもよい。
本発明に係るピエゾアクチュエータは霧化装置以外の用途に用いても構わない。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて実施形態の一部を変更したり、各実施形態の一部同士を組み合わせたりしても構わない。
３００・・・霧化装置
２００・・・流体制御バルブ
１００・・・ピエゾアクチュエータ
１ ・・・ピエゾスタック
１１ ・・・駆動ブロック
１２ ・・・振動ブロック
２ ・・・直流電圧印加回路
２１ ・・・直流電源
３ ・・・振動電圧印加回路
３１ ・・・交流電源
４ ・・・弁座体
４１ ・・・弁座
４２ ・・・第１内部流路
４３ ・・・第２内部流路
５ ・・・弁体
５１ ・・・ダイヤフラム
５２ ・・・プランジャ
６ ・・・位置センサ
６１ ・・・ターゲット
６２ ・・・検出器
７ ・・・制御器
７１ ・・・開度制御部
７２ ・・・発振制御部
Ｌ ・・・液体材料
Ｍ ・・・液体材料が霧化した状態

Claims (5)

  1. 圧電セラミックス層と電極層が交互に積層されたピエゾスタックと、
    前記ピエゾスタックの少なくとも一部又は全部に直流電圧を印加して変位させる直流電圧印加回路と、
    前記ピエゾスタックの少なくとも一部又は全部に所定周波数以上の電圧を印加して振動させる振動電圧印加回路とを備えたピエゾアクチュエータと、
    前記ピエゾアクチュエータによって駆動され、弁座に対する位置が調節される弁体と、を備え、
    前記直流電圧印加回路が、前記弁座に対する前記弁体の位置が所定位置となるように直流電圧を前記ピエゾスタックに対して印加し、
    前記振動電圧印加回路が、前記所定位置の周辺で前記弁体を振動させることを特徴とする流体制御弁。
  2. 前記ピエゾスタックが、
    前記直流電圧印加回路に接続される駆動ブロックと、
    前記振動電圧印加回路に接続される振動ブロックと、を具備し、
    前記駆動ブロックと前記振動ブロックが、一列に並べて設けられている請求項１記載の流体制御弁。
  3. 前記振動電圧印加回路が、前記振動ブロックを超音波振動させる周波数の交流電圧を印加するように構成されている請求項２記載の流体制御弁。
  4. 前記駆動ブロックのほうが、前記振動ブロックよりも圧電セラミックス層と電極層の積層数が多い請求項２又は３に記載の流体制御弁。
  5. 前記弁体に対して液体が供給され、前記弁体の振動によって前記液体が霧化されるように構成された請求項１～４のいずれかに記載の流体制御弁。
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