JPH01108482A - 圧電式流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体製造装置あるいはＣＶＤ装置等のプロ
セスガスの流量を制御するマスフローコントローラ（以
下Ｍ、Ｆ、Ｃと言う）に係り、特に、Ｍ、Ｆ、Ｃの構成
部品の一つである流量制御弁に関する。

〔従来の技術〕

Ｍ、Ｆ、Ｃは、半導体製造装置やＣＶＤ装置において、
必ず使用される機器の一つであって、各種プロセスガス
の流量を自動的に調節する自己制御機能を持っている。

構造的には大きく分けて、流量センサ、バイパス、流量
制御弁、電気回路部により構成されている。

従来、Ｍ、Ｐ、Ｃ用の流量制御弁として代表的なものに
は、熱弁方式と電磁弁方式および圧電弁方式がある。

１）熱弁方式は、膨張軸に巻かれたヒータに流す電流を
制御することによって軸の膨張量、即ち弁の開度を制御
するものである。（特開昭５７−９０４７３号公報参照
） ２）　電磁弁方式はソレノイドのコイルに流す電流を制
御することによって弁の開度を制御するものである。（
特開昭５８−６８５７１号公報参照）３）圧電弁方式は
、上記熱弁方式の膨張軸に替えて、圧電素子を使用し、
この圧電素子に印加する電圧によって、圧電素子の変位
量を制御し弁の開度を制御するものである。（特開昭６
１−２３６９７４号公報参照） 而して本発明は、上記の内圧型弁方式の流量制御弁に関
している。

従来、上述した圧電弁に使用される弁体には、例えば以
下の２つのものがある。即ち、金属薄板の両面に圧電素
子をサンドインチ状に貼付した圧電バイモルフ素子を用
いたもの。　（以下バイモルフ弁体という）（特公昭６
０−８３８４号公報参照）および、金属薄板の一方の面
に圧電素子を貼付した圧電ユニモルフ素子を用いたもの
である。

（以下ユニモルフ弁体という）（特開昭６１−２３６９
７４号公報参照） ところで、上記従来技術の問題点の１つに温度変化に対
する流量特性の劣化があげられる。即ちＭ、Ｆ、Ｃの使
用温度は通常５〜５０°Ｃの間であるが、上記バイモル
フ弁体及びユニモルフ弁体共に金属薄板と圧電素子との
熱膨張係数が異なる為、上記温度変化に対し両者の接着
面に常に内部応力が発生し、よって両者の剥離を招く恐
れがある。

また、ユニモルフ弁体では、特に高温になると、熱膨張
差で金属薄板が大きく湾曲し、これが弁体の変位として
表れ、流量特性に悪影♂を及ぼす。

（第５図参照）、一方、バイモルフ弁体は、金属薄板の
両面に圧電素子が貼られているので、熱膨張差が弁体の
変位として表面に表われることはないものである。従っ
て、上記内部応力発生の問題点を解決すれば、このバイ
モルフ弁体の方が圧電弁の弁体として優れていると一見
考えられる。

（特開昭６１−１７７７８５号公報に本件問題点を解決
するための手段が開示されている。） 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながらバイモルフ弁体には以下のような問題点が
ある。

まず、第３図に基づいて従来のバイモルフ弁体の一例を
説明する０図示のとおりバイモルフ弁体の構成は、２枚
の材質の等しい圧電素子１，１１を異なる向きあるいは
同じ向きに分極し、金属薄板２の両面に貼り合せたもの
である。そして、−方の圧電素子ｌには分極軸と同方向
に、他方の圧電素子１１には分極軸と逆方向に電源６か
ら電圧を印加して圧電素子を収縮させる一方、圧電素子
１１を伸長させることにより弁座３を閉塞する向きに機
械的変位を得ているものである。　　　−ところが、常
温よりも比較的高温条件下で高電圧（−船釣には１５０
〜２００Ｖ）を印加すると、分極方向とは逆方向に電圧
を印加した側の圧電素子の分極方向が反転状態に移り、
分極方向と同一方向に電圧を印加した他方の圧電素子に
比較して大きく変位量が低下してしまう。その為全体と
して弁体変位量が不充分になってしまい、流量特性が異
なってくるという問題点があった。

本発明の目的は、熱的変動の大きい環境下においても流
量制御特性に与える影響が少なく、かつ高電圧印加時で
も圧電素子の分極に起因する悪影響がでない圧電式流量
制御弁を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、円板状金属薄板の一方の面の中央部に円板状
圧電セラミック体を固着した弁体と、該弁体の周縁部を
支持するための支持面を具備する弁本体と、該弁本体と
前記弁体の周縁部を密封決着する弾性体と、前記弁体の
もう一方の面の中央部に対向するよう配設された弁座と
を有する圧電式流量制御弁において、前記金属薄板とし
て前記圧電セラミック体の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨
張係数をもつ金属薄板を用いたことを特徴とする圧電式
流量制御弁である。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。図中、弁本体７は耐
食性に優れた５ＵＳ３１６材で弁座、３、ガス流入口５
、及びガス流出口４を共に形成し、圧電素子にはＰＺＴ
系の圧電セラミック体ｌを用いた。

（φ１４ａｗａ、　　Ｌ＝０．３ａｍ）また、金属薄板
２には封着材に用いられている４２Ｎｉ合金を用いた。

（φ１５ｍｍ、　　ｔ　＝０．２ｇｍ）　ＰＺＴ系の圧
電（’　７　ミ７りの熱膨張係数はおよそ１５〜５０　
Ｘｌ０−’／”Ｃで一方４２Ｎ％合金の方もおよそ５０
〜７０　Ｘｌ０−’／°Ｃでほぼ同等の熱膨張係数材で
ある。この両者を接着材で貼り付けて圧電ユニモルフ弁
体１２を構成している。また弁体１２の周縁部（圧電セ
ラミック体が貼付していない側）は弁本体７に形成され
た支持面に置かれ、上記周縁部のもう一方の面はその端
部をＯリング１１によつて密封すると共に、弁体の周縁
部がいくらかの変位が可能な程度の自由度をもってふた
（図示せず）でもって挟着している。この構成によって
弁体１２の中央部は電圧印加時に屈曲変位が可能であっ
て、よって流量制御を行うことができる。

次に、圧電セラミック体の分極方向は図示矢印の通りで
、可変電圧電源６からの印加電圧も分極方向と同方向と
なっている。従ってこの場合分極方向が反転するような
ことがない。

第２図に他の実施例を示す０本実施例において、圧電セ
ラミック体ｌ、金属薄板２の寸法、材質等は前記の実施
例と同一であるが、４２Ｎｉ合金は５ＵＳ３１６に比べ
ると熱膨張係数については満足するが、その耐食性が大
幅に劣る。その為、本実施例では弁座３と対向する面に
、四フフ化エチレン系の樹脂薄膜を生成し、耐食性の向
上を図っている。

また弁座３には、金属を用いると弁座と弁体の密着性が
悪く、シール性が劣ってくる為、本実施例で・は三フッ
化系樹脂を図のように弁座状に加工し、弁本体に取り付
けている。以上の構成が前記実施例と異なる点でガス接
触面は全て耐食性に優れたものとなっている。なおこの
他の構成は上記実施例と同じとなっている。

次に本実施例の圧電式流量制御弁に関し、以下の実験を
行ったので第４図及び第５図を用いて説明する。

実験はＮ、ガスを用いて、ガス流入口および排出口の差
圧を２．０　）ｃｇｆ／ｃｍ”に一定とし、電圧−流量
特性を温度変化させて測定したものである。なお温度は
図中実線で示す１０″Ｃの場合と、点線で示す５０°Ｃ
の２通りについて行った。その結果、第４図に示す特性
線図を得た。また、参考までに同じ条件で、金属薄板２
を５ＵＳ３１６に変えて行った実験結果を第５図に示す
。両図を比較して明らかな通り、本発明によるものは温
度変化、特に高温下における流量特性の劣化が少なく安
定した特性が得られている。かつ高電圧印加時にもその
分極値への影響がなく比較的直線的な流量特性が得られ
ている。

〔発明の効果〕

本発明は、圧電ユニモルフ弁体を用い、かつこれを熱膨
張係数のほぼ等しい圧電セラミック体と金属薄板で構成
したので、 （１）　　高電圧印加時に圧電材の分極値に影響がない
圧電式流量制御弁が達成できる。

（２）温度変化による流量制御特性の変化が少ない圧電
式流量制御弁が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細断面図、第２図は本発明による
一実施例を示す断面図、第３図は、従来技術を示す断面
図、第４図は本実施例の流量制御特性、第５図は本実施
例の材質変更時の流！−電圧特性。 １：圧電磁器板、２：金属薄板、３：弁座、４：ガス排
出口、５：ガス流入口、６：可変電圧電源、７：本体、
８：耐食性薄膜。 出　願人　日立金属株式会社 第１図 ６可変電圧電源 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円板状金属薄板の一方の面の略中央部に円板状圧電セ
   ラミック体を固着してなるユニモルフ型圧電素子からな
   る弁体と、該弁体の周縁部を支持するための支持面を具
   備する弁本体と、該弁本体と前記弁体の周縁部を密封挟
   着する弾性体と、前記弁体のもう一方の面の中央部に対
   向するよう配設された弁座とを有する圧電式流量制御弁
   において、前記金属薄板として前記圧電セラミック体の
   熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数をもつ金属薄板を用
   いたことを特徴とする圧電式流量制御弁。