KR101032034B1 - 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브 - Google Patents

압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브 Download PDF

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료우스케 도히
노부카즈 이케다
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

고온 환경하에 있어서도 고정밀도의 안정된 유량 제어를 행함과 아울러 제어 밸브 자체를 분해하지 않고 압전소자에 가해지는 압축력을 조정할 수 있도록 한다.
구체적으로는, 밸브 챔버(7a') 및 밸브 시트(7c)를 형성한 바디(7)와, 밸브 챔버(7a') 내에 배치되고 밸브 시트(7c)에 접촉·분리되는 금속 다이어프램(8)과, 바디(7)측으로 고정된 액츄에이터 박스(10)와, 액츄에이터 박스(10) 내에 배치되고 전압의 인가에 의해 하방으로 신장되어 다이어프램 누름부(12)를 통해 금속 다이어프램(8)을 누르는 압전소자(13)와, 금속 다이어프램(8)이 밸브 시트(7c)에 접촉되었을 때에 압전소자(13)의 신장을 흡수함과 아울러 밸브 시트(7c) 등에 소정의 압박력을 인가하는 접시스프링 기구(14)와, 압전소자(13)에 상시 상향의 압축력을 가함과 아울러 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 외부로부터 조정 가능한 예압 기구(21)로 구성한다.

Description

압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브{METAL DIAPHRAGM CONTROL VALVE DRIVEN BY PIEZOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 주로 반도체 제조 설비 등의 가스 제어 라인에 끼워 설치되는 압력식 유량 제어 장치의 제어 밸브나 매스 플로우 컨트롤러의 유량 제어부의 제어 밸브로서 이용되는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브의 개량에 관한 것이고, 특히 고온의 반응 가스 등을 사용하는 고온 환경하에 있어서도 고정밀도의 안정된 유량 제어를 행할 수 있도록 한 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조 설비나 화학품 제조 설비 등에 있어서는 매스 플로우 컨트롤러를 대신하여 압력식 유량 제어 장치가 널리 이용되고 있다. 이 압력식 유량 제어 장치에는 내식성이 우수한 점, 먼지가 적게 발생하는 점, 가스의 치환성이 좋은 점, 개폐 속도가 빠른 점 등의 점으로부터 이른바 금속 다이어프램형 제어 밸브가 많이 사용되고 있다. 또한, 압력식 유량 제어 장치의 구동 장치로서는 추력이 크고 응답성이나 컨트롤 특성이 우수한 압전소자 구동식의 구동 장치가 많이 사용되고 있다.
종래, 압전소자 구동식의 구동 장치를 이용한 금속 다이어프램형 제어 밸브로서는 일본 특허 공개 평7-310842호 공보(특허문헌 1)나 일본 특허 공개 2004-197754호 공보(특허문헌 2) 등에 개시된 구조의 것이 알려져 있다.
즉, 특허문헌 1에 개시된 제어 밸브(도시 생략)는 전압의 인가에 의해 압전소자(피에조 액츄에이터)가 신장되면 금속 다이어프램이 하부 받침대, 볼 및 다이어프램 누름부를 통해 밸브 시트측으로 눌리고, 이에 의해 금속 다이어프램이 밸브 시트에 접촉되어 밸브닫힘 상태가 되며, 또한 압전소자로의 인가 전압을 해제하면 압전소자가 신장 상태로부터 원래의 길이 치수로 복귀함과 아울러 금속 다이어프램에 가해져 있던 압박력이 상실되고, 이에 의해 금속 다이어프램이 그 탄성력에 의해 원래 상태로 복귀하며, 밸브 시트로부터 분리되어 밸브열림 상태가 되는 노말 오픈형의 제어 밸브이다.
이 제어 밸브는 압전소자의 발생력을 하부 받침대, 볼 및 다이어프램 누름부를 통해 금속 다이어프램에 전달하고 있으므로 압전소자의 신장에 의해 다이어프램이 밸브 시트에 접촉된 후에는 압전소자의 발생력이 직접 시트부(밸브 시트 및 금속 다이어프램의 밸브 시트에 접촉되는 부분으로 이루어짐)에 인가되게 된다. 그 결과, 제어 밸브의 시트부에 인가되는 힘은 압전소자의 발생력에만 의존하여 그 조정이 어려워지는 데다가 압전소자의 큰 발생력이 시트부에 가해져 금속 다이어프램 및 밸브 시트 등이 손상되는 등의 문제가 있었다.
한편, 특허문헌 2에 개시된 제어 밸브(도시 생략)는 전압의 인가에 의해 압전소자(피에조 액츄에이터)가 신장되면 압전소자의 변위량이 지레 구조의 변위 확대 기구에 의해 확대되고, 밸브 봉 및 다이어프램 누름부를 통해 금속 다이어프램이 밸브 시트측으로 눌려 밸브 시트에 접촉되어 밸브닫힘 상태가 되며, 또한 압전소자로의 인가 전압을 해제하면 압전소자가 신장 상태로부터 원래의 길이 치수로 복귀함과 아울러 변위 확대 기구가 이에 설치된 복귀 탄성체에 의해 원래의 형태로 복귀하고, 이에 의해 금속 다이어프램에 가해져 있던 압박력이 상실되어 금속 다이어프램이 그 탄성력에 의해 원래 상태로 복귀하고, 밸브 시트로부터 분리되어 밸브개방 상태가 되는 노말 오픈형의 제어 밸브이다.
이 제어 밸브는 압전소자의 발생력을 금속 다이어프램에 전달하는 변위 확대 기구가 금속 다이어프램의 밸브 시트에 접촉될 때에 압전소자의 신장을 흡수하는 정압 탄성체(완충용 접시스프링)를 구비하고 있으므로 금속 다이어프램이 밸브 시트에 접촉된 후에는 정압 탄성체가 압전소자의 신장을 흡수하고, 이에 의해 시트부에는 정압 탄성체의 변위량에 따른 반발력이 인가되게 된다. 그 결과, 제어 밸브의 시트부에 인가되는 힘은 정압 탄성체의 반발력이 되어 금속 다이어프램을 밸브 시트에 완충시키면서 접촉시킬 수 있고, 금속 다이어프램 및 밸브 시트에 압전소자의 큰 발생력이 가해지지 않아 금속 다이어프램 및 밸브 시트의 손상을 방지할 수 있다.
그런데, 완충용 접시스프링이 없는 제어 밸브에 있어서는, 예를 들면 압전소자의 인가 전압 1V당 변위량을 0.333㎛, 압전소자의 인가 전압 1V당 발생력을 약 5N으로 하면, 압전소자의 변위량에 대한 발생력은 5/0.333≒15N/㎛가 된다. 또한, 완충용 접시스프링을 구비한 제어 밸브에 있어서는 접시스프링의 변위량에 대한 발생력은 접시스프링의 스프링 정수에 의해 약 0.267N/㎛가 된다. 따라서, 완충용 접시스프링을 구비한 제어 밸브의 시트부에 인가되는 힘은 완충용 접시스프링이 없는 제어 밸브의 시트부에 인가되는 힘의 약 1/56이 된다. 그 결과, 접시스프링을 구비한 제어 밸브는 금속 다이어프램 및 밸브 시트의 손상을 방지할 수 있다.
도 6은 제어 밸브의 시트부로의 부하와 압전소자에 인가하는 전압의 관계를 그래프화한 것으로서, 도 6의 그래프로부터도 알 수 있는 바와 같이 접시스프링이 부착된 제어 밸브쪽이 접시스프링이 없는 제어 밸브에 비해 시트부로의 부하가 매우 작은 것을 알 수 있다.
그러나, 접시스프링이 부착된 제어 밸브에 있어서도 해결해야만 하는 문제점이 남겨져 있다.
즉, 제어 밸브를 온도가 100℃ 이상과 같은 고온 환경하에 있어서 사용하는 경우에는 압전소자를 수용하는 지지통체(액츄에이터 박스)의 열팽창에 의해 압전소자의 상단부와 지지통체의 상단부에 나사 결합한 조정용 육각 캡 너트 사이에 간극이 발생하여, 압전소자의 신장시에 그 발생력이 금속 다이어프램으로 확실하고 양호하게 전해지지 않아 고정밀도의 유량 제어가 어려워진다는 문제가 있었다. 특히, 압전소자의 변위량이 매우 적기 때문에 제어 밸브를 구성하는 각 부재(지지통체 등)의 약간의 열팽창으로도 그 유량 제어 특성에 큰 영향을 미치게 된다.
이 문제(지지통체의 열팽창에 의한 간극 발생)를 해결하기 위해서는 제어 밸브 자체를 미리 압전소자에 외부로부터 200N 정도의 압축력이 가해지는 구조의 제어 밸브로 하는 것이 바람직하지만, 이와 같은 제어 밸브는 아직 개발되어 있지 않은 것이 현상황이다.
또한, 일본 특허 공개 2004-197754호 공보(특허문헌 2)에 개시된 제어 밸브 및 일본 특허 공개 평2-203087호 공보(특허문헌 3)에 개시된 제어 밸브에는 압전소자를 가압할 수 있도록 한 복귀 탄성체나 하중 스프링이 개시되어 있다.
그러나, 이들 제어 밸브에 사용되고 있는 복귀 탄성체나 하중 스프링은 모두 제어 밸브의 부재(변위 확대 기구나 밸브 봉)를 원래의 위치로 복귀시키기 위한 것이다. 또한, 복귀 탄성체나 하중 스프링은 모두 제어 밸브의 내부에 배치되어 있으므로 큰 탄성력을 갖는 복귀 탄성체나 하중 스프링을 사용한 경우에는 복귀 탄성체나 하중 스프링이 크기 때문에 제어 밸브 자체가 대형화된다는 문제가 있었다. 또한, 내부에 복귀 탄성체나 하중 스프링을 배치한 제어 밸브에 있어서는 그 탄성력을 조정하고 싶은 경우에는 제어 밸브를 분해하여 내부의 복귀 탄성체나 하중 스프링을 다른 것으로 교환하거나 하지 않으면 안되어 제어 밸브의 분해 및 조립이 매우 수고스럽다는 문제가 있었다.
일본 특허 공개 평7-310842호 공보 일본 특허 공개 2004-197754호 공보 일본 특허 공개 평2-203087호 공보
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고온 환경하에 있어서도 고정밀도의 안정된 유량 제어를 행할 수 있음과 아울러 제어 밸브 자체를 분해하지 않고 압전소자에 가해지는 압축력을 간단하고 용이하게 조정할 수 있도록 한 압전소자 구동식 금속 다이어프램 제어 밸브를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명은 금속 다이어프램이 밸브 시트에 접촉되었을 때 금속 다이어프램에 소정의 압박력을 인가하는 접시스프링의 탄성력을 조정할 수 있도록 한 접시스프링 기구를 구비한 압전소자 구동식 금속 다이어프램 제어 밸브를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 청구항 1의 발명은 압전소자(13)의 신장에 의해 다이어프램 누름부(12)를 통해 밸브시트(7c)에 접촉 또는 밸브시트(7c)로부터 분리되는 금속 다이어프램(8)을 구비한 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브에 있어서, 압전소자(13)와 금속 다이어프램(8) 사이에 배치되는 접시스프링 기구(14)를, 하단부에 다이어프램 누름부(12)가 삽착됨과 아울러 상단부에 상방이 개방된 수납 공간(22b)을 형성한 다이어프램 누름부 홀더(22)와, 다이어프램 누름부 홀더(22)의 수납 공간(22b)에 배치된 복수개의 접시스프링(23)과, 최상위의 접시스프링(23)의 상면에 적재되고, 압전소자(13)의 하방에 위치하여 압전소자(13)의 신장을 접시스프링(23)에 전달하는 볼받침(24)과, 접시스프링(23)의 반발력을 조정함과 아울러 볼받침(24) 및 접시스프링(23)을 빠짐방지하도록 다이어프램 누름부 홀더(22)에 나사 결합된 스프링 조정용 너트(25)로 구성한 것에 특징이 있다.
또한, 청구항 2의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 압전소자(13)와 상기 접시스프링 기구(14) 사이에 개재되어 상기 압전소자(13)의 하단면에 상측 볼(16)을 통해 접촉하는 제 1 예압지그(26)와, 이 제 1 예압지그(26)를 밀어 올리는 예압 스프링(30)을 포함하고, 상기 압전소자(13)에 상시 상향의 압축력을 가하는 예압 기구(21)를 더 구비한 구성으로 한 것에 특징이 있다.
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또한, 청구항 4의 발명은 청구항 2의 발명에 있어서, 예압 기구(21)는 압전소자(13)에 가해지는 상향의 압축력을 조정 가능한 구성으로 한 것에 특징이 있다.
삭제
(발명의 효과)
본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는 다음과 같은 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
(1) 즉, 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는, 압전소자에 상시 상향의 압축력을 가하는 압축 기구를 구비하고 있으므로, 예를 들면 제어 밸브를 고온 환경하에 있어서 사용하는 경우에 압전소자를 수용하는 액츄에이터 박스가 열팽창에 의해 늘어나도 예압 기구를 통해 압전소자에 상시 일정한 압축력을 가할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는 압전소자의 신장시에 그 발생력을 금속 다이어프램에 확실하고 또한 양호하게 전달할 수 있어 고정밀도의 유량 제어를 행할 수 있다.
(2) 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는, 예압 기구에 의해 압전소자를 상시 상방으로 압축하고 있으므로 압전소자의 중량이 금속 다이어프램에 가해지지 않아 금속 다이어프램에 가해지는 중량을 경감할 수 있고, 금속 다이어프램이 그 탄성력에 의해 밸브 시트로부터 분리될 때에 금속 다이어프램에 가해지는 부담이 작아져 금속 다이어프램의 연명화를 도모할 수 있다.
(3) 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는, 압전소자를 상시 가압하는 예압 기구의 예압 스프링을 액츄에이터 박스의 주위에 배치함과 아울러 액츄에이터 박스의 외측에 위치하는 제 2 예압지그에 나사 결합된 예압 조정용 너트에 의해 압전소자에 가해지는 압축력을 조정할 수 있도록 하고 있으므로, 큰 탄성력을 갖는 예압 스프링을 사용한 경우에도 액츄에이터 박스 등이 대형화되지 않고, 또한 제어 밸브 자체를 분해하지 않고 압전소자에 가해지는 압축력을 자유롭게 조정할 수 있다.
(4) 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는, 예압 기구의 제 2 예압지그, 예압 조정용 너트 및 예압 스프링을 액츄에이터 박스의 주위에 배치하고 있으므로 조립도 비교적 간단하고 또한 용이하게 행할 수 있다.
(5) 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브는, 금속 다이어프램의 상면측에 배치한 다이어프램 누름부와 압전소자 사이에 금속 다이어프램이 밸브 시트에 접촉되었을 때에 압전소자의 신장을 흡수함과 아울러 밸브 시트 및 금속 다이어프램의 밸브 시트에 접촉되는 부분(시트부)으로 소정의 압박력을 인가하는 접시스프링 기구를 끼워 설치하고 있으므로, 금속 다이어프램이 밸브 시트에 접촉된 후에는 접시스프링 기구가 압전소자의 신장을 흡수하게 되어 압전소자의 큰 발생력이 직접 시트부에 가해지지 않아 금속 다이어프램 및 밸브 시트의 손상을 방지할 수 있다.
(6) 본 발명의 압전소자 구동식 금속 다이어프램 제어 밸브는, 접시스프링 기구가 상방이 개방된 수납 공간을 형성한 다이어프램 누름부 홀더와, 다이어프램 누름부 홀더의 수납 공간에 배치된 복수개의 접시스프링과, 최상위의 접시스프링의 상면에 적재된 볼받침과, 다이어프램 누름부 홀더에 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합되어 접시스프링의 반발력을 조정함과 아울러 볼받침 및 접시스프링을 빠짐방지하는 스프링 조정용 너트로 이루어지고, 스프링 조정용 너트의 조임량을 조정함으로써 접시스프링의 반발력을 조정할 수 있는 구성으로 하고 있으므로, 접시스프링을 다른 접시스프링과 교환하지 않고 접시스프링의 반발력을 자유롭게 조정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브를 이용한 압력식 유량 제어 장치의 종단 정면도이다.
도 2는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브 주요부의 종단 정면도이다.
도 3은 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브 주요부의 종단 측면도이다.
도 4는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브 주요부의 횡단 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브와 예압 기구를 구비하지 않은 통상의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브의 사용 온도와 변위량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제어 밸브의 시트부로의 부하와 압전소자에 인가하는 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)를 압력식 유량 제어 장치용의 제어 밸브로서 이용한 것으로서, 상기 압력식 유량 제어 장치는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)와, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)의 상류측에 접속된 입구측 블럭(2)과, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)의 하류측에 접속된 출구측 블럭(3)과, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)의 하류측에 설치한 유량 제어용의 오리피스(4)와, 오리피스(4)의 상류측에 설치되어 오리피스(4)의 상류측 압력을 검출하는 압력 센서(5)와, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)의 상류측에 설치한 개스킷 필터(6)와, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)를 제어하는 제어 회로(도시 생략) 등으로 구성되어 있고, 오리피스(4) 상류측 압력에 의해 오리피스 통과 유량을 연산하면서 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)의 개폐에 의해 오리피스 통과 유량을 제어하도록 한 것이다.
상기 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 바디(7), 금속 다이어프램(8), 누름부 어댑터(9), 액츄에이터 박스(10), 베이스 누름부(11), 다이어프램 누름부(12), 압전소자(13)(피에조 액츄에이터), 접시스프링 기구(14), 하측 볼(15), 상측 볼(16), 베어링받이(17), 베어링(18), 조정용 육각 캡 너트(19), 락 너트(20) 및 예압 기구(21) 등으로 구성되어 있고, 고온의 반응 가스 등을 사용하는 고온 환경하에 있어서도 고정밀도의 안정된 유량 제어를 행할 수 있도록 한 제어 밸브이다.
구체적으로는 바디(7)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 스테인리스재에 의해 블럭형상으로 형성되어 있고, 상방이 개방된 밸브 챔버(7a')를 형성하는 오목부(7a)와, 밸브 챔버(7a')에 연통하는 입구 통로(7b)와, 밸브 챔버(7a')의 저면에 형성된 환상의 밸브 시트(7c)와, 밸브 챔버(7a')에 연통하는 출구 통로(7d)와, 압력 센서(5)가 삽착되는 센서 삽착구멍(7e)과, 개스킷 필터(6)가 삽착되는 필터 삽착구멍(7f)과, 오리피스(4)가 삽착되는 오리피스 삽착구멍(7g) 등을 구비하고 있다.
이 바디(7)의 상류측에는 바디(7)의 입구측 통로에 연통하는 도입 통로(2a)와, 도입 통로(2a)의 출구측에 형성된 필터 삽착구멍(2b)과, 유체의 누설을 검사하기 위한 리크 포트(2c)를 각각 구비한 스테인리스재제의 입구측 블럭(2)이 복수개의 볼트(도시 생략)에 의해 접속되어 있다. 또한, 바디(7)의 하류측에는 바디(7)의 출구 통로(7d)에 연통하는 배출 통로(3a)와, 배출 통로(3a)의 입구측에 형성된 오리피스 삽착구멍(3b)과, 유체의 누설을 검사하기 위한 리크 포트(3c)를 각각 구비한 스테인리스재제의 출구측 블럭(3)이 복수개의 볼트(도시 생략)에 의해 접속되어 있다.
금속 다이어프램(8)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 코발트, 니켈을 기본 베이스로 텅스텐, 몰리브덴, 티탄, 크롬 등을 첨가한 내구성, 내식성, 내열성이 우수한 고탄성 합금(스프론 100)제의 극박 판재에 의해 중앙부가 상방으로 불거져 나온 역접시형으로 형성되어 있고, 밸브 시트(7c)와 대향하도록 오목부(7a) 내에 배치되며, 오목부(7a) 내에 각각 삽입한 통형상의 누름부 어댑터(9), 액츄에이터 박스(10)의 하단부 및 베이스 누름부(11)를 복수개의 볼트(31)에 의해 바디(7)측으로 조여 고정함으로써 금속 다이어프램(8)의 외주 가장자리부가 누름부 어댑터(9) 등에 의해 바디(7)측으로 기밀형상으로 유지 고정되어 있다.
또한, 금속 다이어프램(8)의 재질은 스테인리스강이나 인코넬, 그밖의 합금강이어도 되고, 또한 복수개의 금속 다이어프램(8)을 적층한 금속 다이어프램(8)이어도 된다.
액츄에이터 박스(10)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 열팽창률이 작은 인바재에 의해 통형상으로 형성되어 있고, 액츄에이터 박스(10)의 하단부 외주면에는 베이스 누름부(11)에 의해 하방으로 눌리는 단차부(10a)가 형성되어 있음과 아울러 액츄에이터 박스(10)의 상단부 외주면에는 조정용 육각 캡 너트(19) 및 락 너트(20)가 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합되는 수나사(10b)가 형성되어 있다. 또한, 액츄에이터 박스(10)의 하단부 둘레벽에는 예압 기구(21)의 구성부재인 2개의 연결핀(28)이 헐겁게 끼워진 상태로 삽입되는 세로로 긴 가이드구멍(10c)이 관통형상으로 형성되어 있다.
압전소자(13)(피에조 액츄에이터)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 액츄에이터 박스(10) 내에 배치되어 있고, 금속 다이어프램(8)을 누르는 것이다. 이 압전소자(13)는 그 상단부측이 액츄에이터 박스(10)의 상단부에 나사 결합된 조정용 육각 캡 너트(19)에 베어링받이(17) 및 베어링(18)을 통해 지지되어 있고, 전압의 인가에 의해 하방으로 신장되어 상측 볼(16), 예압 기구(21)의 제 1 예압지그(26), 하측 볼(15), 접시스프링 기구(14) 및 다이어프램 누름부(12)를 통해 금속 다이어프램(8)의 중앙부를 밸브 시트(7c)측으로 누르도록 되어 있다.
또한, 압전소자(13)에는 사용 온도 범위가 -20℃~150℃인 적층 타입의 것이 사용되고 있다.
접시스프링 기구(14)는 금속 다이어프램(8)의 상면측에 배치한 다이어프램 누름부(12)와 압전소자(13)의 바로 아래 위치에 배치된 예압 기구(21)의 제 1 예압지그(26) 사이에 끼워 설치되어 있고, 압전소자(13)의 신장에 의해 금속 다이어프램(8)이 밸브 시트(7c)에 접촉되었을 때에 압전소자(13)의 신장을 흡수함과 아울러 제어 밸브(1)의 시트부(밸브 시트(7c) 및 금속 다이어프램(8)의 밸브 시트(7c)에 접촉되는 부분으로 이루어짐)에 소정의 압박력을 인가하는 것이다.
즉, 접시스프링 기구(14)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 하단부에 다이어프램 누름부(12)가 삽착되는 하향의 삽착구멍(22a)을 가짐과 아울러 상단부에 상방이 개방된 수납 공간(22b)을 구비하고, 중간부에 격벽(22c)을 형성한 통형상의 다이어프램 누름부 홀더(22)와, 다이어프램 누름부 홀더(22)의 수납 공간(22b)에 수납되어 격벽(22c)에 지지 적재된 복수개의 접시스프링(23)과, 최상위의 접시스프링(23)의 상면에 적재되어 상면 중심부에 하측 볼(15)이 지지 적재되는 원추(圓錐)형상의 볼받침 홈(24a)을 가짐과 아울러 하단부 외주면에 플랜지부(24b)를 구비한 볼받침(24)과, 다이어프램 누름부 홀더(22)의 상단부 외주면에 형성한 수나사(22d)에 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합되고 볼받침(24)의 플랜지부(24b)가 걸려 볼받침(24) 및 접시스프링(23)을 다이어프램 누름부 홀더(22)의 수납 공간(22b)으로부터 빠짐방지함과 아울러 접시스프링(23)의 반발력을 조정하는 스프링 조정용 너트(25)로 이루어지고, 스프링 조정용 너트(25)의 조임량을 조정함으로써 접시스프링(23)의 반발력을 자유롭게 조정할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 다이어프램 누름부 홀더(22), 볼받침(24) 및 스프링 조정용 너트(25)는 열팽창률이 작은 인바재에 의해 각각 형성되어 있다. 또한, 다이어프램 누름부(12)는 폴리이미드나 열팽창률이 작은 인바재에 의해 형성되어 있다.
예압 기구(21)는 압전소자(13)의 하단부와 접시스프링 기구(14) 사이 및 액츄에이터 박스(10)의 주위에 배치되어 있어 압전소자(13)에 상시 상향의 압축력을 가함과 아울러 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 외부로부터 조정할 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 예압 기구(21)는, 도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이, 압전소자(13)의 바로 아래 위치에 승강 가능하게 배치되고, 압전소자(13)의 하단면에 상측 볼(16)을 통해 접촉되는 원반형상의 제 1 예압지그(26)와, 액츄에이터 박스(10)의 외주면에 상하이동 가능하게 끼워 맞춰진 통형상의 제 2 예압지그(27)와, 제 1 예압지그(26) 및 제 2 예압지그(27)에 관통형상으로 삽착되고 제 1 예압지그(26)와 제 2 예압지그(27)를 연결함과 아울러 액츄에이터 박스(10)에 형성한 세로로 긴 가이드구멍(10c)을 따라 상하이동하는 2개의 평행한 연결핀(28)과, 제 2 예압지그(27)의 상단부 외주면에 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합된 예압 조정용 너트(29)와, 상단부가 예압 조정용 너트(29)에 접촉되는 상태로 액츄에이터 박스(10)의 주위에 배치되고, 제 1 예압지그(26)와 연결핀(28)과 제 2 예압지그(27)와 예압 조정용 너트(29)를 밀어 올려 압전소자(13)를 상시 가압하는 예압 스프링(30)으로 이루어지고, 예압 스프링(30)의 반발력을 예압 조정용 너트(29), 제 2 예압지그(27), 연결핀(28) 및 제 1 예압지그(26)를 통해 압전소자(13)에 인가함으로써 압전소자(13)를 상시 가압하며 또한 예압 조정용 너트(29)의 조임량을 바꿈으로써 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 자유롭게 조정할 수 있도록 되어 있다.
구체적으로는, 제 1 예압지그(26)는 스테인리스재나 열팽창률이 작은 인바재에 의해 원반형상으로 형성되어 있고, 압전소자(13)의 하단부와 접시스프링 기구(14) 사이에 승강 가능하게 배치되어 있다. 이 제 1 예압지그(26)의 상면 중심부에는 압전소자(13)의 하단면에 설치한 상측 볼(16)이 지지 적재되는 원추형상의 볼받침 홈(26a)이 형성되어 있음과 아울러, 제 1 예압지그(26)의 하면 중심부에는 볼받침(24)에 지지 적재된 하측 볼(15)이 삽입되는 역원추형상의 볼받침 홈(26b)이 형성되어 있다. 또한, 제 1 예압지그(26)에는 2개의 연결핀(28)이 수평 자세이며 또한 평행 상태로 삽착되는 두개의 삽착구멍(26c)이 제 1 예압지그(26)의 축심을 중심으로 하여 좌우 대칭형상으로 형성되어 있다. 이 2개의 삽착구멍(26c)은 액츄에이터 박스(10)의 세로로 긴 가이드구멍(10c)에 대향하도록 형성되어 있다.
제 2 예압지그(27)는 스테인리스재나 열팽창률이 작은 인바재에 의해 원통형상으로 형성되어 있고, 액츄에이터 박스(10)의 외주면에 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 끼워 맞춰져 있다. 이 제 2 예압지그(27)의 하단부에는 제 1 예압지그(26)의 삽착구멍(26c)에 삽착된 2개의 평행한 연결핀(28)의 양단부가 각각 삽착되는 삽착구멍(27a)이 형성되어 있음과 아울러, 제 2 예압지그(27)의 상단부 외주면에는 예압 조정용 너트(29)가 나사 결합되는 수나사(27b)가 형성되어 있다.
2개의 연결핀(28)은 스테인리스재나 열팽창률이 작은 인바재에 의해 축형상으로 형성되어 있고, 제 1 예압지그(26) 및 제 2 예압지그(27)에 관통형상으로 삽착되어 제 1 예압지그(26)와 제 2 예압지그(27)를 연결하는 것이다. 이때, 연결핀(28)은 액츄에이터 박스(10)의 세로로 긴 가이드구멍(10c)에 헐겁게 끼워지는 상태로 삽입되어 가이드구멍(10c)을 따라 상하이동할 수 있도록 되어 있음과 아울러 베이스 누름부(11)의 상면에 형성한 오목부(11a)에 수납된 상태로 되어 있다.
예압 조정용 너트(29)는 스테인리스재나 열팽창률이 작은 인바재에 의해 형성되어 있고, 제 2 예압지그(27)의 상단부 외주면에 형성한 수나사(27b)에 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합되어 있다.
예압 스프링(30)은 상단부가 예압 조정용 너트(29)의 하면에, 또한 하단부가 베이스 누름부(11)의 상면에 각각 접촉되는 상태로 액츄에이터 박스(10)의 주위에 배치되어 있고, 그 반발력에 의해 제 1 예압지그(26)와 연결핀(28)과 제 2 예압지그(27)와 예압 조정용 너트(29)를 밀어 올려 압전소자(13)를 상시 가압하는 것이다. 이 예압 스프링(30)에는 압축 코일 스프링이 사용되고 있다. 또한, 예압 스프링(30)은 예압 조정용 너트(29)의 조임량을 조정함으로써 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 자유롭게 할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 조정용 육각 캡 너트(19)의 조임량을 조정함으로써 압전소자(13)에 의한 금속 다이어프램(8)의 작동 스트로크가 설정값이 되도록 조정되어 있다. 또한, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 예압 조정용 너트(29)의 조임량을 조정함으로써 예압 스프링(30)에 의한 압전소자(13)로의 압축력이 설정값이 되도록 조정되어 있다. 이 예에서는, 압전소자(13)에 상시 200N 정도의 압축력이 가해지도록 설정되어 있다. 또한, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 조립한 후에는 다이어프램 누름부(12), 접시스프링 기구(14)의 각 부재, 하측 볼(15), 제 1 예압지그(26), 상측 볼(16), 압전소자(13) 등의 축심은 고정밀도로 일치된 상태로 되어 있다.
그리고, 상기 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)에 의하면 제어 회로(도시 생략)로부터 커넥터를 통해 압전소자(13)에 구동 전압이 인가되면 압전소자(13)는 인가 전압에 따라 설정값만큼 신장된다.
이때, 압전소자(13)에는 예압 기구(21)에 의해 압전소자(13)를 상시 상방으로 압축하는 압축력이 가해지고 있으므로, 예를 들면 제어 밸브(1)를 고온 환경하에 있어서 사용한 경우에 압전소자(13)를 수용하는 액츄에이터 박스(10) 등이 열팽창에 의해 늘어나도 압전소자(13)의 상단부와 조정용 육각 캡 너트(19) 사이에 간극이 생기지 않아 예압 기구(21)를 통해 압전소자(13)에 상시 일정한 압축력을 가할 수 있다. 그 결과, 이 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 압전소자(13)의 신장시에 그 발생력을 금속 다이어프램(8)측으로 확실하게 또한 양호하게 전달 할 수 있다.
도 5의 그래프는 예압 기구(21)의 효과를 확인하기 위해 예압 기구(21)를 구비한 본 발명에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)와 예압 기구(21)를 구비하지 않은 통상의 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브의 사용 온도와 변위량의 관계를 그래프화한 것으로서, 도 5의 그래프에서도 알 수 있는 바와 같이, 예압 기구(21)를 구비한 본 발명에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1) 쪽이 예압 기구(21)를 구비하지 않은 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브에 비해 압전소자(13)의 발생력을 금속 다이어프램(8)에 확실하게 전달할 수 있다.
압전소자(13)로의 전압 인가에 의해 압전소자(13)가 신장되면 압전소자(13)의 발생력에 의해 상측 볼(16), 제 1 예압지그(26), 하측 볼(15) 및 접시스프링 기구(14)를 통해 다이어프램 누름부(12)가 밀어 내려지고, 이에 의해 금속 다이어프램(8)이 밸브 시트(7c)측으로 밀어 내려져 밸브 시트(7c)에 접촉되어 밸브닫힘 상태가 된다.
금속 다이어프램(8)이 밸브 시트(7c)에 접촉된 후에는 압전소자(13)의 하단부와 다이어프램 누름부(12) 사이에 끼워 설치한 접시스프링 기구(14)가 압전소자(13)의 신장을 흡수하고, 시트부(밸브 시트(7c) 및 금속 다이어프램(8)의 밸브 시트(7c)에 접촉되는 부분으로 이루어짐)에는 접시스프링(23)의 변위량에 따른 반발력이 인가된다. 그 결과, 이 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 압전소자(13)의 큰 발생력이 직접 시트부에 가해지지 않아 금속 다이어프램(8) 및 밸브 시트(7c)의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 압전소자(13)로의 인가 전압을 해제하면 압전소자(13)가 신장 상태로부터 원래의 길이 치수로 복귀함과 아울러 금속 다이어프램(8)에 가해져 있던 압박력이 상실되고, 이에 의해 금속 다이어프램(8)이 그 탄성력에 의해 원래의 상태로 복귀하며, 밸브 시트(7c)로부터 분리되어 밸브열림 상태가 된다.
이때, 압전소자(13)에는 예압 기구(21)에 의해 압전소자(13)를 상시 상방으로 압축하는 압축력이 가해지고 있으므로 압전소자(13)의 중량이 금속 다이어프램(8)에 가해지지 않고, 금속 다이어프램(8)에 가해지는 중량은 다이어프램 누름부(12)와 접시스프링 기구(14)의 무게가 된다. 그 결과, 이 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 금속 다이어프램(8)에 가해지는 중량을 경감할 수 있고, 금속 다이어프램(8)이 그 탄성력에 의해 밸브 시트(7c)로부터 분리될 때에 금속 다이어프램(8)에 가해지는 부담이 작아져 금속 다이어프램(8)의 연명화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 압전소자(13)를 상시 가압하는 예압 기구(21)의 예압 스프링(30)을 액츄에이터 박스(10)의 주위에 배치함과 아울러 액츄에이터 박스(10)의 외측에 위치하는 제 2 예압지그(27)에 나사 결합한 예압 조정용 너트(29)에 의해 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 조정할 수 있도록 하고 있으므로, 큰 탄성력을 갖는 예압 스프링(30)을 사용한 경우에도 액츄에이터 박스 등이 대형화되지 않고, 또한 제어 밸브 자체를 분해하지 않고 압전소자(13)에 가해지는 압축력을 자유롭게 조정할 수 있다.
또한, 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 예압 기구(21)의 제 2 예압지그(27), 예압 조정용 너트(19) 및 예압 스프링(30)을 액츄에이터 박스(10)의 주위에 배치하고 있으므로 조립도 비교적 간단하고 또한 용이하게 행할 수 있다.
또한, 이 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 접시스프링 기구(14)가 상방이 개방된 수납 공간을 형성한 다이어프램 누름부 홀더(22)와, 다이어프램 누름부 홀더(22)의 수납 공간에 배치된 복수개의 접시스프링(23)과, 최상위의 접시스프링(23)의 상면에 적재된 볼받침(24)과, 다이어프램 누름부 홀더(22)에 상하 방향으로 이동 조정 가능하게 나사 결합되고 접시스프링(23)의 반발력을 조정함과 아울러 볼받침(24) 및 접시스프링(23)을 빠짐방지하는 스프링 조정용 너트(25)로 이루어지고, 스프링 조정용 너트(25)의 조임량을 조정함으로써 접시스프링(23)의 반발력을 조정할 수 있는 구성으로 하고 있으므로, 접시스프링(23)을 다른 접시스프링(23)과 교환하지 않고 접시스프링(23)의 반발력을 자유롭게 조정할 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명에 따른 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브(1)는 주로 반도체 제조 설비 등의 가스 제어 라인에 있어서 이용되지만, 그 이용 대상은 상기 반도체 제조 장치 등에 한정되는 것이 아니라, 화학 산업이나 약품 산업, 식품 산업 등의 각종 장치에 있어서의 가스 공급 라인에 있어서도 이용되는 것이다.
1 : 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브
7 : 바디 7a' : 밸브 챔버
7c : 밸브 시트 8 : 금속 다이어프램
10 : 액츄에이터 박스 10c : 가이드구멍
12 : 다이어프램 누름부 13 : 압전소자
14 : 접시스프링 기구 15 : 하측 볼
16 : 상측 볼 21 : 예압 기구
22 : 다이어프램 누름부 홀더 22b : 수납 공간
23 : 접시스프링 24 : 볼받침
25 : 스프링 조정용 너트 26 : 제 1 예압지그
27 : 제 2 예압지그 28 : 연결핀
29 : 예압 조정용 너트 30 : 예압 스프링

Claims (5)

  1. 압전소자(13)의 신장에 의해 다이어프램 누름부(12)를 통해 밸브시트(7c)에 접촉 또는 밸브시트(7c)로부터 분리되는 금속 다이어프램(8)을 구비한 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브에 있어서:
    상기 압전소자(13)와 상기 금속 다이어프램(8) 사이에 배치되는 접시스프링 기구(14)를,
    하단부에 상기 다이어프램 누름부(12)가 삽착됨과 아울러 상단부에 상방이 개방된 수납 공간(22b)을 형성한 다이어프램 누름부 홀더(22);
    상기 다이어프램 누름부 홀더(22)의 수납 공간(22b)에 배치된 복수개의 접시스프링(23);
    최상위의 접시스프링(23)의 상면에 적재되고, 상기 압전소자(13)의 하방에 위치하여 상기 압전소자(13)의 신장을 상기 접시스프링(23)에 전달하는 볼받침(24); 및
    상기 접시스프링(23)의 반발력을 조정함과 아울러 상기 볼받침(24) 및 상기 접시스프링(23)을 빠짐방지하도록 상기 다이어프램 누름부 홀더(22)에 나사 결합된 스프링 조정용 너트(25)로 구성한 것을 특징으로 하는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소자(13)와 상기 접시스프링 기구(14) 사이에 개재되어 상기 압전소자(13)의 하단면에 상측 볼(16)을 통해 접촉하는 제 1 예압지그(26)와, 이 제 1 예압지그(26)를 밀어 올리는 예압 스프링(30)을 포함하고, 상기 압전소자(13)에 상시 상향의 압축력을 가하는 예압 기구(21)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 예압 기구(21)는 상기 압전소자(13)에 가해지는 상향의 압축력을 조정 가능한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 압전소자 구동식 금속 다이어프램형 제어 밸브.
  5. 삭제
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