JPWO2015045987A1 - 流量制御弁及びそれを用いた質量流量制御装置 - Google Patents

Abstract

流路と積層圧電アクチュエータのとの中間に、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下の材料で構成された第１熱シールドと、空間で構成された第２熱シールドを設け、好ましくは熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下の第３熱シールドをさらに設ける。これにより、高温のプロセスガスに使用した場合でも、積層圧電アクチュエータの温度が耐熱温度を超えないように、従来技術に係る流量制御弁よりも単純でコンパクトな構造を用いて熱の伝達が効果的に遮断された流量制御弁を提供する。

Description

この発明は、流量制御弁に関する発明であり、これに限定されるものではないが、高温の流体に使用することができるように改良された流量制御弁の構造及びその流量制御弁を用いた質量流量制御装置に関する。

質量流量制御装置（マスフローコントローラ）は、半導体の製造プロセスにおいてチャンバー内に供給されるプロセスガスの供給量を制御する目的で広く使用されている。質量流量制御装置は、プロセスガスの質量流量をモニタリングする質量流量計、質量流量を制御する流量制御弁及び制御回路等で構成されている。流量制御弁はさらに、プロセスガスが流動する流路、流路を所定の開度で開放又は遮断する弁体及び弁体を駆動するアクチュエータで構成されている。

半導体の技術分野では、例えば、最新のパーソナルコンピュータに用いられるマイクロプロセッサの場合、配線回路の幅が２０ｎｍ程度まで微細化されたり、一個のマイクロチップに複数のコアが実装されたりするなど、微細化、高集積化が極限まで進行している。このような緻密で複雑な構造を有する半導体の成膜プロセスや加工プロセスを高精度で行うために、従来は使われることのなかったさまざまな種類のプロセスガスが用いられるようになってきている。

例えば、ある種の液体材料の気化ガスや固体材料の昇華ガスは、蒸気圧が極めて低いために常温の配管内で凝結してしまうおそれがあるが、チャンバーに至るすべての配管系を臨界温度以上の高温（例えば３００℃以上）に加熱保持することで、このような凝結性ガスを凝結させることなく半導体製造装置に導入して、半導体の製造プロセスに用いることが試みられている。

しかしながら、流量制御弁の弁体を駆動するアクチュエータに広く用いられている積層圧電アクチュエータの耐熱温度は、一般的には１２０℃、高温用の場合でも１５０℃である。この耐熱温度を超えると短時間で内部電極の絶縁破壊が発生し、弁体を駆動できなくなる。

そこで、質量流量制御装置において高温の凝結性ガスを取り扱う場合であっても、積層圧電アクチュエータの温度を上昇させないで耐熱温度以下に保持するためのいくつかの提案がなされている。例えば、特許文献１には、積層圧電アクチュエータと弁体との間に位置することで積層圧電アクチュエータの操作を弁体に伝達すると共に、弁体側から伝達した熱を放熱するスペーサが設けられた流量制御弁の構成が開示されている。この流量制御弁において、制御対象の流体から伝達された熱の大半はスペーサの外周に設けられた冷却フィンから外気に放出されるため、積層圧電アクチュエータの昇温が抑制される。

また、例えば、特許文献２には、積層圧電アクチュエータを流体の流路から遠ざけるように持ち上げて支持するとともに、流体から積層圧電アクチュエータに伝わる熱を放熱するためのスペーサが設けられた流量制御弁の構成が開示されている。この流量制御弁において、流体から受けた熱はスペーサの下端部から上端部へ伝わる間に放熱され、スペーサの長さ（高さ寸法）は、スペーサが積層圧電アクチュエータと接する箇所の温度が積層圧電アクチュエータの耐熱温度以下となるように長めに設定されている。

特開２００４−１６２７３３号公報 特開２０１１−１１７４９９号公報

上記の従来技術に係る流量制御弁は、いずれも、高温の流体から弁体に伝わった熱がさらにスペーサを伝達経路として積層圧電アクチュエータに伝わる過程で、熱がスペーサの外周方向に放熱されるように構成することで、積層圧電アクチュエータに伝達される熱を抑制しようとしている点で、一定の効果を発揮するものである。

しかしながら、上記の従来技術に係る流量制御弁は、熱源である流体からスペーサへの熱の伝達を遮断するという点に関して特段の配慮がなされていないため、さまざまな解決すべき課題を抱えている。具体的には、第１に、充分な冷却効果を得るためにスペーサの長さを長くしなければならないことから、必然的に、質量流量制御装置のサイズを高さ方向に大きくするか、又は従来の装置と同じ高さにするために積層圧電アクチュエータの積層数を減らして長さを短くせざるを得ない。質量流量制御装置のサイズを大きくすると、設置スペースとの関係で従来の機器との交換が困難になる。また、積層圧電アクチュエータの積層数を減らすと、最大変位量が減少して弁開放時の流量のキャパシティーが小さくなってしまう。

第２に、従来技術に係る流量制御弁は、積層圧電アクチュエータの昇温防止を専らスペーサからの放熱に依存しているため、流路からスペーサを通って質量流量制御装置の外に無視できない量の熱が放出される。そうすると、流体の温度低下を防止するために流路に設けられているヒータの発熱量を増やして失われた熱を補う必要が生じ、質量流量制御装置全体としての消費電力が増大する。

第３に、従来技術に係る流量制御弁は、流体流路と積層圧電アクチュエータとの間に比較的長い形状を有するスペーサを組み込まなければならないことから、スペーサ自身の熱膨張の問題が浮上する。スペーサの熱膨張による影響を緩和するために、例えば、一般材に比べて高価なインバー合金を用いてスペーサを構成しなければならないなど、製造コストの増加が避けられない。

本発明は上記の諸課題に鑑みてなされたものであり、従来技術に係る流量制御弁よりも単純でコンパクトな構造により積層圧電アクチュエータへの熱の伝達を効率的に遮断できる断熱性に優れた流量制御弁の提供を目的としている。

本発明者らは、熱源である流体から積層圧電アクチュエータへの熱の伝達を効果的に遮断するためには、熱源にできるだけ近い位置に熱の伝達を遮断する熱シールドを配置することが有効であると考えた。流量制御弁において積層圧電アクチュエータに最も近い熱源はダイアフラムである。そこで、本発明者らは、まず、ダイアフラムの外周部を流量制御弁の本体に押圧して固定するリング状部材と、ダイアフラムの中央部を弁座の方向に可逆的に変位させて弁座の開口部の開度を制御するダイアフラムスペーサとを、それぞれ熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋを超えないセラミックス材料からなる第１熱シールドとして構成し、流体からダイアフラムを介してアクチュエータに伝わる熱を遮断することを試みた。

しかし、本発明者らの検討によれば、リング状部材及びダイアフラムスペーサに伝達された熱は、実際には他の部材を伝達経路として積層圧電アクチュエータにある程度伝達されるため、上記の構成のみでは積層圧電アクチュエータの昇温を有効に防止できないことがわかった。

そこで、本発明者らは、さらに、上記の第１熱シールドと、積層圧電アクチュエータで発生する応力をダイアフラムスペーサに伝達する応力伝達手段とで囲まれた空間を、第２熱シールドとして構成することにより、リング状部材及びダイアフラムスペーサから積層圧電アクチュエータへの熱の伝達が極めて有効に遮断され、積層圧電アクチュエータの昇温を防止できることを知見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、ベースと、弁座と、ダイアフラムと、リング状部材と、ダイアフラムスペーサと、積層圧電アクチュエータと、応力伝達手段とを有する流量制御弁であって、リング状部材及びダイアフラムスペーサは、いずれも熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋを超えないセラミックス材料からなる第１熱シールドを構成し、第１熱シールドと応力伝達手段とで囲まれた空間は、第２熱シールドを構成することを特徴とする流量制御弁の発明である。
また、本発明は、上記の流量制御弁を有する質量流量制御装置の発明である。

本発明の構成によれば、熱源となる流体に近い位置に熱シールドを複数有しているため、従来技術に比べて単純でコンパクトな構造であるにもかかわらず、積層圧電アクチュエータの温度をその耐熱温度以下に維持することができる。

本発明の一の実施の態様に係る質量流量制御装置の模式図である。 図１の質量流量制御装置の流量制御弁の部分拡大図である。 本発明の他の実施の態様に係る流量制御弁の部分拡大図である。 本発明の他の実施の態様に係る質量流量制御装置の模式図である。

本発明を実施するための形態を、図を用いて詳しく説明する。
なお、ここで説明する実施の形態は本発明の実施の形態を例示するものにすぎず、本発明の実施の形態はここに例示する形態に限られない。

図１は、本発明に係る質量流量制御装置１の全体構造を示した模式図である。制御対象である流体はベース４に設けられた流路を図の左から右に向かって流動する。流路を流動する流体の単位時間あたりの質量流量（流速）は、質量流量計２によって逐次計測される。流路を流動する流体の質量流量は、四角の囲みで表示された流量制御弁３によって操作者の希望する値に制御される。流量制御弁３の弁の開度は積層圧電アクチュエータ１１によって制御される。積層圧電アクチュエータ１１の変位量は、図示しない制御回路によって調整される。また、流路は、凝結性ガスの流路内での凝結を防止するために、図示しないヒータで加熱することができる。

図２は、図１に示された流量制御弁３の部分拡大図である。流量制御弁のベース４に設けられた流路に連通して環状の弁座５が設けられている。弁座５の開口部はベース４の一の表面に面している。弁座５の開口部を覆うようにダイアフラム６が配置されている。ダイアフラム６は薄板状の弾性体からなる。ダイアフラム６の外周部は、リング状部材７ｂによってベース４に押圧され固定されている。リング状部材７ｂは、ダイアフラム６を挟み弁座５と反対側に位置している。ダイアフラム６の中央部は、ダイアフラムスペーサ７ａによって弁座の方向又はその逆の方向に変位し、弁座の開口部の開度が制御される。ダイアフラムスペーサ７ａは、ダイアフラム６を挟み弁座５と反対側に位置している。応力伝達手段１０は、弁棒１０ａ、ケーシング１０ｂ及び球状部材１０ｃからなる。

積層圧電アクチュエータ１１の膨張により発生した応力は、弁棒１０ａと球状部材１０ｃとを介してダイアフラムスペーサ７ａに伝達され、ダイアフラム６が弁座５の方向に変位して流量制御弁３が閉じる。積層圧電アクチュエータ１１が収縮すると、ダイアフラム６を弁座５に押し付けていた応力が解除され、ダイアフラム６自身が有する復元力によりダイアフラム６の中央部は弁座５の逆の方向に変位して流量制御弁３が開く。なお、図２は、いわゆるノーマルオープン型の流量制御弁の構造を表しているが、本発明に係る流量制御弁はノーマルオープン型に限定されず、いわゆるノーマルクローズ型であってもよい。

次に、本発明に係る第１熱シールドについて説明する。
本発明において、ダイアフラムスペーサ及びリング状部材は、いずれも熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなり、両者で第１熱シールド７を構成する。本発明でいう熱伝導率は、室温での値で代表させることができる。熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料には、例えば、イットリア（熱伝導率：１４Ｗ／ｍ・Ｋ）、窒化ケイ素（熱伝導率：１３Ｗ／ｍ・Ｋ）、ジルコニア（熱伝導率：３．０Ｗ／ｍ・Ｋ）などがある。第１熱シールドをこれらの熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成することにより、熱源である流体からダイアフラムを介して供給される熱が積層圧電アクチュエータに伝導することを抑制することができる。第１熱シールドを構成する材料の熱伝導率の値は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下がより好ましく、５．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下がさらに好ましい。

本発明の好ましい実施の態様において、第１熱シールドを構成する材料はマコール（登録商標）（「マコール」はコーニング・インコーポレーテッドの登録商標である。）及びジルコニアからなる群より選択される１種又は２種のセラミックス材料である。金属材料や合金材料は一般に熱伝導率が高いので、ダイアフラムスペーサ及びリング状部材にはセラミックス材料を用いることが好ましい。室温における熱伝導率の値はマコールでは１．７Ｗ／ｍ・Ｋ、ジルコニアでは３．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、いずれも断熱効果が極めて高い。また、ジルコニアはマコールに比べて機械的強度が高いので、部材の強度が要求される場合はジルコニアがより好ましい。本発明の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料は全ての部材について同一の材料を用いる必要はなく、個々の部材について適切な材料を適宜選択して用いることができる。

本発明の好ましい実施の態様において、ダイアフラムスペーサ及びリング状部材の厚さはいずれも２０ｍｍを超えない範囲である。これらの部材は熱伝導率の低い材料からなるので、２０ｍｍを超えない範囲に厚さを限定しても充分な断熱効果を得ることができる。２０ｍｍを超える厚さにすると、断熱効果は厚さが２０ｍｍを超えない場合と比べてさほど変わらないばかりでなく、かえって流量制御弁の高さが不必要に高くなってしまうので、好ましくない。厚さの上限値は１５ｍｍがより好ましく、１０ｍｍがさらに好ましい。

本発明の好ましい実施の態様において、リング状部材の内径はダイアフラムスペーサの外径よりも大きく、かつ、両者の隙間は２．０ｍｍを超えない。リング状部材の内径をダイアフラムスペーサの外径よりも大きくすることにより、ダイアフラムスペーサをリング状部材の内径の内側に収納することができる。また、両者の隙間が２．０ｍｍを超えないようにすることで、両者の隙間から熱が漏れて積層圧電アクチュエータに伝わることを低減することができる。すなわち、リング状部材とダイアフラムスペーサは、熱的には両者が一体となって第１熱シールドを構成し、ダイアフラムから伝達される熱を遮断して積層圧電アクチュエータに伝わらないようにする効果を発揮する。

また、本発明のダイアフラムスペーサ及びリング状部材はそれ自体が熱容量を有しているので、単に熱を遮断するだけでなく保温材としても機能する。すなわち、リング状部材とダイアフラムスペーサは、ダイアフラムの温度が流体の温度よりも低くなって流体がダイアフラムの内側に凝結することがないように、ダイアフラムの温度を流体の温度と同じ温度に保つはたらきがある。

ダイアフラムスペーサの外径が弁座の内径よりも小さいと、ダイアフラムのダイアフラムスペーサの外径よりも外側でかつ弁座の内径よりも内側の領域において、流体と直接接触するダイアフラムが第２熱シールドを構成する空間に露出することになる。その結果、この露出している領域においては、ダイアフラムスペーサを介することなく積層圧電アクチュエータ側に熱が容易に伝わることになる。したがって、本発明の好ましい実施の態様において、ダイアフラムスペーサの外径は弁座の外径と同じか、それよりも少し大きい外径を有することが好ましい。これにより、ダイアフラムによる弁体の開閉動作を確実に実行することができると共に、上記のようにダイアフラムの露出している領域を介して熱が容易に漏れることを防止することができる。即ち、流体からダイアフラムに伝わる熱を有効に遮断することができる。

ダイアフラムにはばね弾性を高めるために環状の凹凸部が設けられることがある。この場合は、ダイアフラムスペーサの外径を凹凸部の径よりも小さくして、ダイアフラムスペーサの押圧面が凹凸部に接触しないようにしておく必要がある。

本発明の好ましい実施の態様において、リング状部材の外径はダイアフラムの外径とほぼ等しくしておくことが好ましい。これにより、流体からダイアフラムに伝わった熱を確実に遮断することができる。上記のようにダイアフラムに環状の凹凸部が設けられる場合は、リング状部材の内径のうちダイアフラムに接する側は、上記の凹凸部に接触しないように面取り部等を設けておくことが好ましい。

次に、本発明に係る第２熱シールドについて説明する。
本発明において、ダイアフラムスペーサ及びリング状部材で構成される第１熱シールドと、応力伝達手段とで囲まれた空間は、第２熱シールドを構成する。第２熱シールドを構成する空間は、第１熱シールドと応力伝達手段とで囲まれた空間、すなわち、第１熱シールドと応力伝達手段との間に存在する空間、である。具体的には、流量制御弁を設計する段階で、部材の表面に凹部を設けたり、部材間に空隙を設けたりすることで、このような空間を実現することができる。例えば、図２の例では、ダイアフラムスペーサ７ａと弁棒１０ａとの間に球状部材１０ｃを設けることで、ダイアフラムスペーサ７ａと弁棒１０ａとで挟まれた第２熱シールド８を構成する空間を実現している。また、ダイアフラムスペーサ７ａとケーシング１０ｂとで挟まれた空間も、先の空間と一体となって第２熱シールドを構成している。この例では、球状部材１０ｃの大きさを大きくすると、それ自体が熱の伝達経路となり第２熱シールドの効果が抑制されるので、球状部材１０ｃの大きさは応力を伝達するのに必要な最小限の大きさにすることが好ましい。

本発明の好ましい実施の態様において、第２熱シールドを構成する空間は空気で満たされる。空気は気体であるためセラミックス材料に比べて単位体積あたりの熱容量は小さいが、熱伝導率は２．４Ｗ／ｍ・Ｋとマコールやジルコニアの熱伝導率に匹敵する低い値を有するため、熱の伝達を遮断する効果が高い。このため、第１熱シールドから応力伝達手段や積層圧電アクチュエータへと熱が伝わるのを効果的に防止することができる。第２熱シールドに存在する空気は、例えば、流量制御弁３を組み立てる過程において第２シールド内に残留する空気で構成される。この空気の成分は組立時の雰囲気によって規定されるが、清浄で水蒸気のできるだけ少ない空気であることが好ましい。

第２熱シールドを気密構造にすることが可能である場合は、熱伝導率の極めて低いキセノンやクリプトンなどの希ガスを封入することで、熱の遮断効果をさらに高めることができるので、より好ましい。また、可能である場合は、第２熱シールドの空間を真空にすることで、伝導及び対流による熱伝導をなくすことができるので、さらに好ましい。

本発明の好ましい実施の態様において、ダイアフラムの押圧方向（変異方向）に直交する断面における第２熱シールドを構成する空間の大きさ（断面）は、ダイアフラムと同等の面積を有し、上記空間の高さ（ダイアフラムの押圧方向における大きさ）は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。上記空間の断面がダイアフラムと同等の面積を有することで、熱源となる流体からダイアフラムを通って伝達される熱を効果的に遮断することができる。また、上記空間の高さが０．５ｍｍ以上であることで、第２熱シールド内で熱が伝達される距離を長くして熱を効果的に遮断することができる。第２熱シールドを構成する空間の高さのより好ましい範囲は１．０ｍｍ以上である。また、上記空間の高さが１０ｍｍを超えると流量制御弁の高さが高くなってしまうので、上記空間の上限値は１０ｍｍとすることが好ましい。

次に、本発明に係る第３熱シールドについて説明する。
図３は、本発明の好ましい実施の態様に係る流量制御弁の部分拡大図である。この好ましい実施の態様において、第２熱シールド８と応力伝達手段１０との中間に、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋを超えない材料からなる第３熱シールド９が設けられている。第３熱シールドを設けることにより、第２熱シールドから応力伝達手段への熱の伝達が妨げられ、積層圧電アクチュエータの昇温防止効果がさらに高まる。

本発明の好ましい実施の態様において、第３熱シールドは、中央に位置する円盤状部材９ａと、円盤状部材９ａの周囲に必要に応じて配置されるリング状部材９ｂとで構成される。円盤状部材９ａ及びリング状部材９ｂの好ましい材質及び形状は、ダイアフラムスペーサ７ａ及びリング状部材７ｂの好ましい材質及び形状と同様である。

第３熱シールド９は、上述の通り、第２熱シールド８と応力伝達手段１０との中間に設けられるものであるが、第１熱シールド７と第３熱シールド９の中間に応力伝達手段が存在せず空間のみで構成されると、積層圧電アクチュエータ１１からの応力をダイアフラム６に伝達することができない。そこで、この構成の場合には、第１熱シールド７と第３熱シールド９の間に応力を伝達する手段をさらに設ける必要がある。この付加的な応力伝達手段は、例えば、図２に示された球状部材１０ｃと同等のものであってもよく、また、図３に示された増幅機構（特開平１０−１４８２４８号公報に開示された増幅機構と同じもの。）であってもよい。ここで、増幅機構とは、梃子の原理を用いて積層圧電アクチュエータの変位量を増幅して伝達する機能を有する機械的機構を言う。

次に、応力伝達手段に含まれる部材を構成する材料について説明する。
弁棒１０ａは、積層圧電アクチュエータ１１の膨張又は圧縮により発生する応力を第３熱シールド９に伝達する機能を有している。このため、弁棒１０ａは、十分な強度及び耐食性を備えた材料（例えば、ステンレス鋼など）で構成することが好ましい。また、弁棒１０ａは押圧方向（変位方向）に直交する断面が大きいため、第２熱シールド８又は第３熱シールド９で遮蔽しきれなかった熱が積層圧電アクチュエータ１１に伝達する経路となる場合がある。このため、弁棒１０ａについても、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する材料（例えば、ジルコニアなど）で構成することがより好ましい。

ケーシング１０ｂは、弁棒１０ａ及び積層圧電アクチュエータ１１を収納し、積層圧電アクチュエータ１１の上端の位置を固定する機能を有している。このため、ケーシング１０ｂは、熱膨張係数の低い材料（例えば、４２合金（４２質量％のＮｉを含むＦｅ合金）など）で構成することが好ましい。球状部材１０ｃの材料としては、例えば、ベアリング用鋼球など、を用いることができる。

次に、本発明に係る冷却手段について説明する。
図４は、本発明の好ましい実施の態様に係る質量流量制御装置の模式図である。この好ましい実施の態様において、積層圧電アクチュエータ１１はその側面全体が冷却フード１２ｂで覆われており、冷却ガス入口１２ａから冷却ガスを送り込むことによって冷却ガスと積層圧電アクチュエータ１１の側面との間で熱交換が起こり、積層圧電アクチュエータ１１が冷却される。積層圧電アクチュエータ１１の熱で温められた冷却ガスは、冷却ガス出口１２ｃから外部に排出される。冷却フード１２ｂの外側には、放熱部材１２ｄを設けることができる。また、積層圧電アクチュエータ１１と冷却フード１２ｂとのすき間に、積層圧電アクチュエータ１１に接する冷却用フィンをさらに設けることができる。

これらの構成からなる冷却手段１２を積層圧電アクチュエータ１１の周囲に設けることにより、積層圧電アクチュエータ１１が仮に昇温した場合であっても、外部から能動的に冷却されることにより耐熱温度以上に昇温することがより確実に防止される。冷却フード１２ｂに流す冷却ガスは、積層圧電アクチュエータ１１の耐熱温度よりも低い温度のガスであればよく、公知の手段により冷却した後に冷却ガス入口１２ａより冷却フード１２ｂの内部に注入される。

また、上記の構成に代えて、または、上記の構成と併存させて、冷却手段としてペルチェ素子を用いるができる。この場合も、冷却手段としてのペルチェ素子を積層圧電アクチュエータの周囲に設けることにより、積層圧電アクチュエータが耐熱温度以上に昇温することを防止できる。

次に、本発明による効果について説明する。
本発明の構成に係る流量制御弁は、複数の熱シールドによって熱源である流体から伝達される熱を遮断して積層圧電アクチュエータに伝わることを効果的に防止することができる。本明細書に開示された構成に従って複数の熱シールドを設ければ、例えば、流路を流れる流体の温度が２５０℃のとき、積層圧電アクチュエータの下端の温度を１１０℃以下とすることができる。積層圧電アクチュエータの温度分布は通常熱源に最も近い下端の温度が最も高くなるので、下端の温度が１１０℃以下であれば、積層圧電アクチュエータ全体の温度も１１０℃以下となり、耐熱温度を超えることはない。したがって、本発明の構成に係る流量制御弁によれば、２５０℃に加熱された凝結性ガスの流量を確実に制御することができる。

また、本発明の構成に係る流量制御弁は、個々の熱シールドの長さを大きく取らなくても熱を遮断する効果が十分に得られるので、熱シールド全体の長さをコンパクトにすることができる。具体的には、例えば、積層圧電アクチュエータの長さをＬａ、前記ダイアフラムから前記積層圧電アクチュエータの下端までの距離をＬｓとしたとき、Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）の値が０．６５以上０．９５以下とすることが可能である。これにより、流量制御弁全体の長さに占める積層圧電アクチュエータの長さを大きくとることができるので、流量制御弁の長さを従来品によりも長くする必要がなく、従来品との交換が容易になる。また、長さの制限から積層圧電アクチュエータの積層数を減らす必要もないので、最大変位量が減少して弁開放時の流量のキャパシティーが小さくなるという従来技術における課題を解決することができる。Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）の値のより好ましい範囲は０．７０以上０．９０以下である。

本発明に係る流量制御弁は、流体が有する熱をできるだけ流路内に閉じ込めるという技術思想に基づいて構成されている。例えば、第１熱シールドはダイアフラムから流路の外に向かって伝達される熱を効果的に遮断することができるので、従来技術に係る流量制御弁に比べて熱のロスが少なく、質量流量制御装置に組み込んだ場合の消費電力も少なくて済む。上述のように流路をヒータで能動的に加熱する場合は、例えば、流路全体をヒータごと断熱材で覆うことにより、熱のロスをさらに少なくすることができる。

本発明に係る流量制御弁では、上記の通り、流量制御弁全体の長さに占める積層圧電アクチュエータの長さを大きくとることができる。換言すれば、シールドの高さを小さくすることができるので、長さの長い放熱用のスペーサを採用した従来技術に係る流量制御弁に比べて熱膨張の問題が緩和される。

次に、本発明に係る質量流量制御装置について説明する。
本発明に係る質量流量制御装置１は、本発明に係る流量制御弁３を用い、これに質量流量計２やその他の部材を組み合わせることにより構成される。本発明に係る質量流量制御装置に採用する質量流量計は、熱式質量流量計、圧力式質量流量計その他の公知の質量流量計を採用することができる。本発明に係る流量制御弁を内蔵することにより、本発明の効果をそのまま実現した質量流量制御装置を構成することができる。

質量流量制御装置においては、制御用や通信用の電気回路が装置に内蔵されることが多い。しかし、本発明に係る質量流量制御装置においては、電気回路が加熱されて誤動作を起こすおそれがあるため、例えば、図４に示すように、質量流量制御装置からの電気信号を外部に取り出したり、電気信号を質量流量制御装置へと送り込んだりするためのコネクタ１３を設け、電気回路は全て装置の外に設けることが好ましい。

図１に示す質量流量制御装置（Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）＝０．８５）の流路４の周囲にカートリッジヒータ（定格電圧１２０Ｖ、出力５０Ｗ）を２個取り付け、カートリッジヒータの周囲を保護ケースで覆い、カートリッジヒータと保護ケースとの間に断熱材を充填した。また、温度計測用の熱電対をカートリッジヒータ、流路及び積層圧電アクチュエータ下部にそれぞれセットした。

次に、カートリッジヒータを目標温度２５０℃まで加熱し、各部の温度を計測しながら、温度が安定するまで放置した。２０分後に各部の温度は安定した。このときの各部の温度は、カートリッジヒータが２５０℃、流路が２４５℃、積層圧電アクチュエータ下部が１３５℃であった。積層圧電アクチュエータ下部の温度は、高温用積層圧電アクチュエータの耐熱温度である１５０℃よりも低かった。

図４に示す冷却手段１２を有する質量流量制御装置（Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）＝０．７２）を用いて、実施例１と同じ条件で各部の温度計測を行った。ただし、温度計測用の熱電対はカートリッジヒータ、ダイアフラム中央部、積層圧電アクチュエータ下部及び冷却フード外側にそれぞれセットした。

次に、冷却ガス入口より室温の空気を２０ｓｌｍ（標準リットル毎分）だけ流しながらカートリッジヒータを目標温度２５０℃まで加熱し、各部の温度を計測しながら、温度が安定するまで放置した。２０分後に各部の温度は安定した。このときの各部の温度は、カートリッジヒータが２５０℃、ダイアフラム中央部が２２８℃、積層圧電アクチュエータ下部が１１０℃、冷却フード外側が８０℃であった。積層圧電アクチュエータ下部の温度は、一般的な積層圧電アクチュエータの耐熱温度である１２０℃よりも低かった。

これらの実施例が示すように、本発明の構成に係る流量制御弁は、スペーサを使用しない単純でコンパクトな構造でありながら、高温のプロセスガスを使用するために流路を加熱した場合であっても流路から積層圧電アクチュエータへの熱の伝導が妨げられ、積層圧電アクチュエータの昇温を防止することができるので、高温のプロセスガスでの使用に有効である。

１ 質量流量制御装置
２ 質量流量計
３ 流量制御弁
４ ベース
５ 弁座
６ ダイアフラム
７ 第１熱シールド
７ａ ダイアフラムスペーサ
７ｂ リング状部材
８ 第２熱シールド（空間）
９ 第３熱シールド
９ａ 円盤状部材
９ｂ リング状部材
１０ 応力伝達手段
１０ａ 弁棒
１０ｂ ケーシング
１０ｃ 球状部材
１１ 積層圧電アクチュエータ
１２ 冷却手段
１２ａ 冷却ガス入口
１２ｂ 冷却フード
１２ｃ 冷却ガス出口
１２ｄ 放熱部材
１３ コネクタ

Claims (6)

1. 流体の流路が設けられたベースと、
   前記流路と連通し、前記ベースの一の表面に開口部を有する環状の弁座と、
   前記弁座の開口部を覆うように配置された薄板状の弾性体からなるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムを挟み前記弁座と反対側に位置し、前記ダイアフラムの外周部を前記ベースに押圧して固定するリング状部材と、
   前記ダイアフラムを挟み前記弁座と反対側に位置し、前記ダイアフラムの中央部を前記弁座の方向又はその逆の方向に変位させて前記弁座の開口部の開度を制御するダイアフラムスペーサと、
   複数の圧電素子が積層された積層圧電アクチュエータと、
   前記積層圧電アクチュエータの膨張により発生する応力を前記ダイアフラムスペーサに伝達する応力伝達手段と
   を有する流量制御弁であって、
   前記リング状部材及び前記ダイアフラムスペーサは、いずれも熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなる第１熱シールドを構成し、
   前記第１熱シールドと前記応力伝達手段とで囲まれた空間は、第２熱シールドを構成する
   ことを特徴とする流量制御弁。
2. 前記第２熱シールドと前記応力伝達手段との中間に、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなる第３熱シールドを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記積層圧電アクチュエータの周囲に冷却手段が設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の流量制御弁。
4. 熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の前記材料がマコール（登録商標）及びジルコニアからなる群より選択される１種又は２種のセラミックス材料である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の流量制御弁。
5. 前記流路を流れる流体の温度が２５０℃のとき、前記積層圧電アクチュエータの下端の温度が１１０℃以下であり、かつ、
   前記積層圧電アクチュエータの長さをＬａ、前記ダイアフラムから前記積層圧電アクチュエータの下端までの距離をＬｓとしたとき、Ｌａ／（Ｌａ＋Ｌｓ）の値が０．６５以上０．９５以下である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の流量制御弁。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の流量制御弁と、
   前記流路に設けられ、流体の質量流量を測定する質量流量計と
   を有する質量流量制御装置。

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