KR20190085086A - 압전 소자 구동식 밸브 및 유량 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

(해결 수단) 압전 소자 구동식 밸브는 유로상에 형성된 밸브 시트 및 밸브 시트에 이착좌하는 밸브체와 압전 소자를 구비하고, 압전 소자의 신장에 의해 밸브체가 이동하도록 구성되어 있으며, 압전 소자의 신장량을 검출하는 검출 기구를 구비하고, 검출 기구는 변형 센서를 포함하고, 변형 센서의 출력으로부터 밸브체의 이동량을 검출할 수 있다.

Description

압전 소자 구동식 밸브 및 유량 제어 장치
본 발명은 압전 소자 구동식 밸브 및 이것을 구비한 유량 제어 장치에 관한 것이며, 특히 반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서 이용되는 유량 제어 장치가 구비하는 압전 소자 구동식 밸브에 관한 것이다.
압력식 유량 제어 장치는 피에조(압전) 소자 구동형의 압력 제어 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트)를 조합한 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서 널리 이용되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
특허문헌 2 및 3에는 압전 소자를 사용한 액추에이터(이하, 「압전 액추에이터」라고 기재하는 경우도 있다)로 밸브체(예를 들면, 금속 다이어프램)를 개폐시키도록 구성된 압전 소자 구동식 제어 밸브(이하, 「제어 밸브」라고 기재하는 경우도 있다)가 개시되어 있다. 압전 소자 구동식 제어 밸브에는 노멀 오픈형과 노멀 클로즈형이 있으며, 각각의 형식에 대응하여 압전 액추에이터의 신장을 밸브체의 개폐 동작으로 변환하기 위한 기구가 설치되어 있다.
일본 특허공개 2004-138425호 공보 일본 특허공개 2003-120832호 공보 일본 특허공개 2007-192269호 공보 일본 특허 제5054904호
유량 제어 장치는 최근, 예를 들면 ALD(Atomic layer deposition) 등으로의 적용이 요구되어 있으며, 이러한 용도에서는 고속인(주기가 매우 짧은) 펄스상의 제어 신호에 의해 제어 밸브를 개폐하는 것이 요구된다. 이 경우 압전 소자 구동식 제어 밸브의 개폐 속도, 변위량, 및 개폐 빈도는 현격히 증가한다.
이에 따라 압전 액추에이터는 절연 저항의 저하 등에 의한 경년 열화가 발생하기 쉬워지고, 고정밀도인 유량·압력의 제어를 할 수 없어진다는 문제가 발생하는 경우가 있었다(예를 들면, 특허문헌 4).
즉, 상기와 같은 용도에 있어서는 종래 상정하고 있는 압전 소자 구동식 밸브의 내구 년수보다 빠른 단계에서 문제가 발생할 경우가 있다. 이 경우 압전 액추에이터에 소정의 구동 전압을 인가하면 이전과는 상이한 정밀도를 크게 일탈한 유량으로 유체가 흐를 가능성이 있었다.
또한, 이러한 과제가 있는 종래의 압전 소자 구동식 제어 밸브를 구비한 유량 제어 장치를 반도체 제조 프로세스에 있어서 사용하면 동작 불량의 요인이 압전 소자 구동식 제어 밸브에 기인하는 것인지의 여부를 신속하게 또한 확실하게 판단하는 것이 곤란한 경우가 있다. 그 때문에 동작 불량 상태하에서 반도체 제조 프로세스를 계속하여 다대한 손실을 입을 우려가 있었다.
또한, 종래 압력식 유량 제어 장치에 있어서 제어 밸브의 구동 전압은 압력 센서의 출력에 의거하여 피드백 제어되어 있으며, 유량 제어를 위해 구동 전압의 절대값은 그다지 문제는 아니었다. 즉, 실제 밸브의 개폐도와 구동 전압의 관계성이 경년 열화 등에 의해 변동하고 있었다고 해도 유량 제어의 관점으로부터는 큰 문제가 발생하고 있지 않았다.
이 때문에 제어 밸브의 개도를 검출하는 것까지는 특별히 필요하다고 여겨지지 않았지만, 본원 발명자는 구동 전압밖에 참조하고 있지 않으면 동작 불량이 발생했을 때에 발견이나 예측을 적절하게 행할 수 없을 경우가 있다고 하는 것을 발견했다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 동작 불량의 발견이나 예측된 성능이 향상한 압전 소자 구동식 밸브 및 이것을 구비한 유량 제어 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브는 유로에 형성된 밸브 시트 및 상기 밸브 시트에 이착좌(離着座)하는 밸브체와 압전 소자를 구비하고, 상기 압전 소자의 신장에 의해 상기 밸브체가 이동하도록 구성되어 있으며, 상기 압전 소자의 신장량을 검출하는 검출 기구를 구비하고, 상기 검출 기구는 변형 센서를 포함하고, 상기 변형 센서의 출력에 의거하여 상기 밸브체의 이동량이 측정된다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 압전 소자 구동식 밸브는 상기 압전 소자를 수용하고, 상기 압전 소자의 신장에 의해 이동하는 지지통체를 구비하고, 상기 지지통체의 이동에 의해 상기 밸브체가 이동하도록 구성되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 검출 기구는 상기 변형 센서가 고정된 판 스프링 부재를 더 포함하고, 상기 판 스프링 부재에 부여되는 힘이 상기 압전 소자의 신장에 의해 변화되도록 구성되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 판 스프링 부재의 일단은 밸브체에 대하여 부동의 위치에 유지되고, 상기 판 스프링 부재의 타단은 상기 지지통체에 접속되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 압전 소자 구동식 밸브는 상기 변형 센서의 출력과 상기 지지통체의 이동량의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 기억 장치를 구비하고, 상기 테이블을 사용하여 상기 지지통체 및 상기 밸브체의 이동량이 검출된다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 검출 기구를 사용하여 상기 밸브체의 이동량을 모니터링하고, 정상인 상태와 비교함으로써 상기 압전 소자를 포함하는 압전 액추에이터의 이상의 유무를 판단한다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 측면에 직접적으로 고정되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 신장 방향의 변형을 검출하기 위한 종 변형 게이지와, 상기 압전 소자의 상기 신장 방향과 직교하는 방향의 변형을 검출하기 위한 횡 변형 게이지를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 압전 소자 구동식 밸브는 노멀 클로즈형의 제어 밸브이다.
어떤 실시형태에 있어서 상기 압전 소자 구동식 밸브는 가변 오리피스 장치로서 사용되고, 상기 검출 기구를 사용해서 오리피스 개도를 검출하여 개도 위치를 제어하도록 구성되어 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 상기 중 어느 하나의 압전 소자 구동식 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 압전 소자 구동식 밸브 사이의 가스 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 압전 소자 구동식 밸브의 구동 전압을 결정하는 연산 처리 회로를 구비한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 상기 가변 오리피스 장치로서 사용되는 압전 소자 구동식 밸브와, 상기 압전 소자 구동식 밸브에 대하여 형성된 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 연산 처리 회로는 상기 변형 센서의 출력에 의거하여 상기 압전 소자 구동식 밸브를 피드백 제어하도록 구성되어 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면 압전 소자 구동식 밸브에 있어서의 동작 불량의 발견이나 예측을 보다 확실하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브(제어 밸브)를 구비한 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 밸브의 지지통체를 나타내는 도면이며, 도 3(a)는 측단면도, 도 3(b)는 도 3(a)의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 밸브의 분할 베이스를 나타내는 도면이며, 도 4(a)는 평면도, 도 4(b)는 도 4(a)의 B-B선을 따른 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브를 나타내는 모식적인 도면이다.
도 6은 압전 소자의 신장도와 변형 센서의 출력의 관계를 조사하기 위해서 사용한 시험 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 압전 소자의 구동 전압과, 압전 소자의 신장도(압전 액추에이터의 스트로크)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 압전 소자의 구동 전압과, 판 스프링 부재에 부착된 변형 센서의 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 압전 소자의 신장도(압전 액추에이터의 스트로크)와, 판 스프링 부재에 부착된 변형 센서의 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 압전 소자의 구동 전압과, 압전 소자에 직접 부착한 변형 센서의 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 압전 소자의 신장도(압전 액추에이터의 스트로크)와, 압전 소자에 직접 부착한 변형 센서의 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 압전 액추에이터를 나타내는 사시도이며, 도 12(a)는 통체 및 그 내부에 수용되는 복수의 압전 소자를 나타내고, 도 12(b)는 커넥터부를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 있어서의 변형 센서 출력을 얻기 위한 예시적인 브리지 회로를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태에 있어서의 변형 센서를 구비한 압전 소자 구동식 밸브를 개도가 가변의 스로틀부로서 사용할 경우의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치(8)의 구성을 나타내는 도면이다. 압력식 유량 제어 장치(8)(이하, 유량 제어 장치(8)라고 부르는 경우가 있다)는 유체(G)가 통과하는 유로(가스 공급로)(1)에 개재하는 스로틀부(2)(예를 들면, 오리피스 플레이트)와, 스로틀부(2)의 상류측에 설치된 제 1 압력 센서(3) 및 온도 센서(5)와, 스로틀부(2)의 하류측에 설치된 제 2 압력 센서(4)와, 제 1 압력 센서(3)의 상류측에 설치된 제어 밸브(6)를 구비하고 있다. 본 실시형태의 제어 밸브(6)는 압전 소자 구동식 밸브이며, 밸브 기구(6A)와, 압전 소자를 포함하는 구동 기구(6B)를 구비하고 있다.
제 1 압력 센서(3)는 제어 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유체 압력인 상류 압력(P1)을 측정할 수 있고, 제 2 압력 센서(4)는 스로틀부(2)와 하류 밸브(9) 사이의 유체 압력인 하류 압력(P2)을 측정할 수 있다.
유량 제어 장치(8)는 또한 제 1 압력 센서(3) 및 제 2 압력 센서(4)의 출력에 의거하여 제어 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하는 연산 처리 회로(7)를 구비하고 있다. 연산 처리 회로(7)는 외부 제어 장치(12)로부터 받은 설정 유량과, 제 1 및 제 2 압력 센서(3, 4)의 출력으로부터 연산한 유량을 비교하여 연산 유량이 설정 유량에 근접하도록 제어 밸브(6)의 구동 기구(6B)를 제어한다.
유량 제어 장치(8)는 도시하는 실시형태와는 달리 제 2 압력 센서(4)를 구비하고 있지 않아도 좋고, 이 경우 연산 처리 회로(7)는 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 유량을 연산에 의해 구할 수 있다. 또한, 연산 처리 회로(7)는 적합한 실시형태에 있어서 온도 센서(5)가 측정한 유체 온도에 의거하여 연산 유량을 보정하도록 구성되어 있다.
또한, 유량 제어 장치(8)는 제어 밸브(6)의 상류측에 가스 공급압을 측정하기 위한 유입 압력 센서(13)(도 5 참조)를 구비하고 있어도 좋다. 유입 압력 센서(13)는 상류측에 접속된 가스 공급 장치(예를 들면, 원료 기화기)로부터 공급되는 가스의 압력을 측정할 수 있고, 가스 공급량 또는 공급압을 제어하기 위해 사용할 수 있다.
스로틀부(2)로서는 오리피스 플레이트 등의 오리피스 부재 외에 경계 노즐 또는 음속 노즐 등을 사용할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛~500㎛로 설정된다. 스로틀부(2)는 개도가 고정된 스로틀부로서 기능한다.
하류 밸브(9)로서는, 예를 들면 전자 밸브에 의해 압축 공기의 공급이 제어되는 공지의 유체 동작 밸브를 사용할 수 있다. 또한, 오리피스 부재를 개폐 밸브의 근방에 배치한 오리피스 내장 밸브가 알려져 있으며, 이것을 스로틀부(2) 및 하류 밸브(9)를 일체화한 구성으로서 유량 제어 장치(8)에 장착해도 좋다.
유량 제어 장치(8)의 유로(1)는 배관에 의해 구성되어 있어도 좋고, 금속제 블록에 형성한 유로 구멍에 의해 구성되어 있어도 좋다. 제 1 및 제 2 압력 센서(3, 4)는, 예를 들면 실리콘 단결정의 센서 칩과 금속 다이어프램을 내장하는 것이어도 좋다.
본 실시형태에 있어서 제어 밸브(6)는, 예를 들면 금속 다이어프램을 밸브체로 하는 밸브 기구(6A)를 압전 액추에이터로 구성된 구동 기구(6B)를 사용하여 개폐하는 압전 소자 구동식의 제어 밸브이다. 제어 밸브(6)의 상세한 구성에 대해서는 후술한다.
이렇게 구성된 유량 제어 장치(8)를 포함하는 유체 공급 시스템에 있어서 제어 밸브(6)의 상류측은 원료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등의 가스 공급원에 접속되고, 제 2 압력 센서(4)의 하류측은 하류 밸브(9)를 통해 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버(10)에 접속된다. 프로세스 쳄버(10)에는 진공 프로세스를 행하기 위한 진공 펌프(11)가 접속되어 있으며, 전형적으로는 가스 공급 시에 프로세스 쳄버(10)의 내부가 진공 처리된다.
본 실시형태의 유량 제어 장치(8)는 압력식의 유량 제어 장치이며, 경계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(P1: 스로틀부 상류측의 가스 압력(상류 압력), P2: 스로틀부 하류측의 가스 압력(하류 압력))를 충족할 때 스로틀부를 통과하는 가스의 유속은 음속으로 고정되고, 유량은 하류 압력(P2)에 의하지 않고 상류 압력(P1)에 의해 결정된다는 원리를 이용해서 유량 제어를 행하고 있다. 경계 팽창 조건을 충족할 때 스로틀부 하류측의 유량 Q는 Q=K1·P1(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 부여되고, 유량 Q는 상류 압력(P1)에 비례한다. 또한, 제 2 압력 센서(4)를 구비할 경우 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작고, 상기 경계 팽창 조건을 만족하지 않을 경우이어도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서에 의해 측정된 상류 압력(P1) 및 하류측 압력(P2)에 의거하여 소정의 계산식 Q=K2·P2 m(P1-P2)n(여기에서 K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제 유량을 바탕으로 도출되는 지수)으로부터 유량 Q를 산출할 수 있다.
유량 제어를 행하기 위해 외부 제어 장치(12)에 있어서 설정된 설정 유량이 외부 제어 장치(12)로부터 연산 처리 회로(7)에 보내진다. 연산 처리 회로(7)는 제 1 압력 센서(3)의 출력(상류 압력(P1)), 임의로 제 2 압력 센서(4)의 출력(하류 압력(P2)), 및 온도 센서(5)의 출력(가스 온도 T1)에 의거하여 경계 팽창 조건 또는 비경계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식을 사용하여 유량을 상기 Q=K1·P1 또는 Q=K2·P2 m(P1-P2)n으로 연산하고, 스로틀부(2)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량에 근접하도록 제어 밸브(6)를 제어한다. 또한, 연산한 유량을 외부 제어 장치(12)에 출력함과 아울러, 이것을 유량 출력값으로서 표시해도 좋다.
이하, 본 실시형태의 제어 밸브(6)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 제어 밸브(6)의 구성을 나타내는 단면도이다. 제어 밸브(6)는 압전 소자(20)를 사용해서 밸브체(22)의 개폐 동작을 행하는 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브이며, 압전 소자(20)의 구동 전압을 증가시킴으로써 밸브의 개도를 크게 할 수 있도록 구성되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이 제어 밸브(6)는 유로(1)가 형성된 밸브체(21)와, 유로(1)의 도중에 형성된 밸브 시트(21a), 및 이것에 이착좌(즉, 접촉 및 이간) 가능하게 배치된 밸브체(22)와, 밸브체(22)에 접하는 밸브체 누르개(25)와, 압전 소자(20)와, 압전 소자(20)를 수용하는 지지통체(23)를 구비하고 있다. 압전 소자(20) 및 지지통체(23)는 제어 회로 기판(7')과 함께 보호 케이스(16) 내에 배치되어 있다. 본 실시형태에 있어서 밸브체 누르개(25)는 지지통체(23)의 선단에 고정되어 있으며, 지지통체(23)와 일체적으로 이동한다.
제어 밸브(6)에 있어서 압전 소자(20)에는 커넥터(15)를 개재하여 제어 회로 기판(7')에 형성된 연산 처리 회로(7)(도 1 참조)에 의해 제어된 구동 전압이 인가되어 구동 전압의 크기에 따라 압전 소자(20)가 신장된다. 압전 소자(20)로서는 후술하는 도 12에 나타내는 바와 같이 적층된 복수의 압전 소자(피에조 스택이라고도 한다)를 사용할 수도 있다. 단수 또는 복수의 압전 소자(20)가 금속 케이스 내에 밀봉된 것이 압전 액추에이터로서 알려져 있으며, 압전 액추에이터로서는, 예를 들면 NTK CERATEC CO., LTD. 등으로부터 판매되어 있는 것을 사용할 수 있다. 이하, 단수 또는 복수의 압전 소자(20)가 금속 케이스 내에 수용된 것을 압전 액추에이터(20)라고 칭하는 경우가 있다.
밸브체(21)는 스테인리스강제이며, 밸브실의 일부를 형성하는 구멍부 및 유체 입구, 유체 출구, 유로, 밸브실, 및 밸브 시트(21a) 등을 구비하고 있다. 본 실시형태에서는 1차 접속부(21b) 및 오리피스 부착부(21c)를 통해 밸브체(21)의 양측에 입구 조인트 및 출구 조인트가 각각 접속되어 있다. 1차 접속부(21b)는, 예를 들면 접속 가이드나 개스킷으로 구성되어 있어도 좋고, 오리피스 부착부(21c)는 도 1에 나타낸 스로틀부(2)로서의 오리피스 플레이트, 오리피스 가이드, 개스킷 등으로 구성되어 있어도 좋다.
또한, 도 2에 나타내는 실시형태에서는 밸브체(21)의 하면측에 있어서 도 1에 나타낸 제 1 압력 센서(3)가 부착되어 있다. 단, 이것에 한정되지 않고, 제 1 압력 센서(3)는 밸브체(21)의 상면측에 부착되어 있어도 좋다. 또한, 도 2에는 나타내고 있지 않지만 제 2 압력 센서(4)(도 1 참조)가 오리피스 부착부(21c)의 하류측에 설치되어 있어도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 밸브체(22)는 자기 탄성 복귀형의 금속 다이어프램이다. 금속 다이어프램은, 예를 들면 니켈 크롬 합금강 등의 박판에 의해 형성되어 있으며, 중앙부가 상방으로 약간 팽출한 역명형으로 형성되어 있다. 금속 다이어프램의 형상은 평판상이어도 좋고, 또한 재질도 스테인리스강이나 인코넬 합금이나 그 밖의 합금강이어도 좋다. 또한, 밸브체(22)는 1장의 금속 다이어프램에 의해 구성되어 있어도 좋고, 적층된 2~3장의 복수의 금속 다이어프램에 의해 구성되어 있어도 좋다.
금속 다이어프램인 밸브체(22)는 밸브 시트(21a)와 대향하도록 밸브실 내에 배치되어 있다. 밸브체(22)의 외주 가장자리는 누르개 어댑터(25a), 분할 베이스(26), 및 가이드 부재(24)를 개재하여 설치해서 부착 볼트를 밸브체(21)에 체결함으로써 밸브체(21)측으로 기밀하게 유지 고정되어 있다. 누르개 어댑터(25a), 가이드 부재(24), 분할 베이스(26) 등은 스테인리스강 등의 금속제이어도 좋다.
가이드 부재(24)는 지지통체(23)의 하부를 덮도록 설치된 중공의 부재이며, 밸브체(21)에 대하여 나사 등의 고정 부재에 의해 고정되어 있다. 가이드 부재(24)는 지지통체(23)를 지지함과 아울러, 지지통체(23)의 이동 방향을 규제할 수 있다. 또한, 가이드 부재(24)와 지지통체(23) 사이에는 O링(27)이 설치되어 있다.
도 3(a)는 지지통체(23)의 종단면도이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 A-A선 단면도이다. 지지통체(23)는, 예를 들면 열팽창률이 작은 인바재에 의해 원통형상으로 형성되어 있으며, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 압전 소자 또는 압전 액추에이터(20)를 수납하는 태경부(23c)와, 하부 받침대(29)나 탄성 부재(28) 등을 수납하는 축경부(23d)를 갖고 있다. 또한, 지지통체(23)의 최하단부에는 밸브체 누르개(25)를 감착(嵌着)하기 위한 감착부(23e)가 형성되어 있다. 감착부(23e)는 본 실시형태에서는 밸브체 누르개(25)가 삽입 고정되는 요소(凹所)이지만 이것에 한정되지 않고, 밸브체 누르개(25)를 고정할 수 있는 한 여러 가지의 실시형태를 갖고 있어도 좋다. 또한, 지지통체(23)와 밸브체 누르개(25)는 일체적으로 설치되어 있어도 좋다.
지지통체(23)의 태경부(23c)와 축경부(23d)의 경계 근방에 있어서 지지통체(23)의 중심축을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 구멍부(23a)가 형성되어 있다. 구멍부(23a)에는 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내는 한 쌍의 분할 베이스편(26a)이 양측으로부터 대향하여 삽입된다. 삽입된 분할 베이스편(26a)의 일부는 지지통체(23)의 내측에서 조합되고, 조합된 분할 베이스편(26a)은 가이드 부재(24)에 의해 분할 베이스(26)로서 일체적으로 유지 고정된다. 또한, 분할 베이스편(26a)을 조립하기 전에 축경부(23d)에 형성된 저부(23b)에는 도 2에 나타내는 탄성 부재(28)가 미리 삽착(揷着)된다.
도 4(a)는 분할 베이스(26)를 나타내는 평면도이며, 도 4(b)는 도 4(a)의 B-B선 단면도이다. 도 4(a) 및 도 4(b)로부터 알 수 있는 바와 같이 분할 베이스(26)는 한 쌍의 분할 베이스편(26a)을 조합했을 때에 상벽(26b)을 구비한 단원통체의 하단 외주에 플랜지부(26c)가 형성된 형상을 갖는다. 상벽(26b)에는 삽입 통과 구멍(26d)이 형성되어 있으며, 지지통체(23)의 축경부(23d)는 삽입 통과 구멍(26d)을 관통하도록 배치된다. 또한, 상벽(26b)의 중심부에는 하부 받침대(29)를 지지하기 위한 감합부(26e)가 형성되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이 분할 베이스(26)의 플랜지부는 가이드 부재(24)의 하단에 의해 압압력을 받음으로써 누르개 어댑터(25a)를 압압한다. 또한, 삽입 통과 구멍(26d)은 지지통체(23)의 축경부(23d)의 벽체(한 쌍의 구멍부(23a) 사이의 부분)를 삽입 통과시킬 수 있고, 분할 베이스(26)를 지지통체(23)의 외측으로부터 조립하는 것을 가능하게 하고 있다.
제어 밸브(6)의 조립의 순서를 설명하면, 우선 밸브체(21)에 형성된 부착 오목부(밸브 시트(21a)가 형성된 부착 오목부) 내에 금속 다이어프램인 밸브체(22), 누르개 어댑터(25a), 밸브체 누르개(25)를 고정한 지지통체(23), 탄성 부재(28), 분할 베이스(26)의 순서로 조립하고, 가이드 부재(24)를 통해 지지통체(23)를 밸브체(21)에 삽착한다. 이어서, 지지통체(23) 내에 하부 받침대(29), 볼이나 반구체, 압전 액추에이터(20) 등을 삽착하고, 위치 결정재인 캡 너트(17)의 체결량을 조정함으로써 압전 액추에이터(20)에 의한 밸브체(22)의 작동 스트로크를 설정값으로 미조정한다. 또한, 조정 후의 캡 너트(17)의 위치는 로크 너트(17a)에 의해 유지시킬 수 있다.
이상으로 설명한 제어 밸브(6)에 있어서 압전 액추에이터(20)의 하면에 접하는 반구체가 설치되어 있고, 이 반구체는 하부 받침대(29)에 의해 지지되어 있다. 또한, 하부 받침대(29)는 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내는 분할 베이스(26)에 의해 지지되어 있으며, 분할 베이스(26)는 가이드 부재(24)에 의해 밸브체(21)에 고정되어 있다. 즉, 압전 액추에이터(20)의 하면은 밸브체(21)에 대하여 부동의 상태에 있는 하부 받침대(29)에 의해 지지되어 있다. 또한, 도 2에 나타낸 예에서는 하부 받침대(29)와 압전 액추에이터(20) 사이에 별도로 형성한 반구체를 개재하여 삽입하도록 하고 있지만, 압전 액추에이터(20)의 하단면의 중앙에 선단이 구면상인 돌기체를 일체적으로 형성하고, 이것을 반구체로서 하부 받침대(29)에 접촉시키는 구성으로 하는 경우도 있다.
이 구성에 있어서 연산 제어 회로(7)로부터 상부에 설치된 커넥터(15)를 통해 밸브 개방 신호가 입력(예를 들면, 입력 전압 0~120V)되면 압전 액추에이터(20)는 설정값(예를 들면, 0~45㎛)만큼 신장한다. 이에 따라, 예를 들면 약 40~80㎏f의 밀어 올리는 힘이 지지통체(23)에 작용하고, 가이드 부재(24)의 O링(27)에 의해 축심을 유지된 상태로 지지통체(23)가 탄성 부재(28)의 탄성력에 저항해서 상기 설정값만큼 상승한다. 그 결과 밸브체 누르개(25)로부터 밸브체(22)로의 압압력이 저하되고, 밸브체(22)가 자기의 탄성력에 의해 밸브 시트(21a)로부터 이좌(離座)하여 밸브 개방된다. 또한, 탄성 부재(28)로서는, 예를 들면 접시 스프링을 포갠 것을 사용할 수 있다.
또한, 밸브 개방 입력이 off가 되면 압전 액추에이터(20)가 원래의 길이 치수의 상태로 복귀하고, 그 결과 탄성 부재(28)의 탄성력에 의해 압전 액추에이터(20)의 지지통체(23)의 저부가 하측 방향으로 밀어 내려져 밸브체 누르개(25)에 의해 밸브체(22)가 밸브 시트(21a)에 당좌하여 밸브 폐쇄 상태가 된다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 실시형태의 제어 밸브(6)에서는 압전 소자(20) 또는 압전 액추에이터(20)로의 전압 인가 시에 있어서 지지통체(23)가 이동하고, 지지통체(23)에 접속된 밸브체 누르개(25)로부터 밸브체(금속 다이어프램)(22)에 부여되는 힘이 저하됨으로써 밸브 개방된다. 그래서 본 실시형태에서는 압전 소자(20)의 신장량 또는 압전 액추에이터(20)의 스트로크를 검출하기 위한 검출 기구(보다 구체적으로는 지지통체(23)의 이동량을 검출하기 위한 이동량 검출 기구(30))를 설치하고, 이동량 검출 기구(30)가 검출한 지지통체(23)의 이동량으로부터 밸브체(22)의 개도를 측정하도록 하고 있다.
이하, 압전 소자(20)의 신장량 및 밸브체(22)의 개도(이동량)를 검출하기 위해서 사용되는 이동량 검출 기구(30)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 이동량 검출 기구(30)는 판 스프링 부재(31)와, 판 스프링 부재(31)에 부착된 변형 센서(변형 게이지라고 부르는 경우도 있다)(32)를 사용하여 구성되어 있다. 판 스프링 부재(31) 및 변형 센서(32)는 밸브체(21)와 중첩하도록(즉, 밸브체(21)의 상방에서 폭 방향 내측에) 배치되는 것이 바람직하며, 이에 따라 유량 제어 장치(8)의 폭 방향의 사이즈가 커지는 것이 방지된다.
판 스프링 부재(31)는 금속빔으로서 설치되어 있으며, 판 스프링 부재(31)의 양끝에 가해진 힘에 따라 변형 가능하다. 판 스프링 부재(31)의 상단은, 예를 들면 지지통체(23) 또는 압전 액추에이터(20)에 고정된 유지 부재(33)와 접촉하도록 배치되어 있으며, 유지 부재(33)는 압전 소자(20)의 신장에 의해 지지통체(23)와 함께 이동한다. 유지 부재(33)는 도 2에 나타내는 바와 같이 지지통체(23)의 상부에 설치된 것이어도 좋고, 도 5에 나타내는 바와 같이 지지통체(23)의 도중(하방부)에 별도 고정된 부재이어도 좋다.
또한, 판 스프링 부재(31)의 하단은 밸브체(21)에 대하여 고정된 지지 부재(34)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(34)는 판 스프링 부재(31)의 하단을 받기 위한 오목부(34a)를 그 상면에 갖고 있어도 좋다. 오목부(34a)는 판 스프링 부재(31)의 하단을 적절하게 지지하도록 전형적으로는 선상의 오목부로서 형성되어 있다.
지지 부재(34)로서는 여러 가지의 실시형태의 것을 사용할 수 있고, 예를 들면 판 스프링 부재(31)의 하단과 고정된 것이어도 좋다. 지지 부재(34)는 밸브체(21) 또는 가이드 부재(24)와 일체적으로 형성된 부재(가이드 부재(24) 그 자체 등)이어도 좋다.
판 스프링 부재(31)의 사이즈나 형상은 임의이어도 좋지만, 예를 들면 폭이 2㎜~15㎜이며, 길이가 3㎜~20㎜이며, 두께가 0.2㎜~2㎜이다. 판 스프링 부재(31)는 여러 가지의 금속 재료로 형성되어 있어도 좋고, 예를 들면 스테인리스강, 스프링강, 황동, 인청동, 베릴륨강, 티탄강 등으로 형성된다. 판 스프링 부재(31)의 실온에서의 종 탄성 계수(신장 탄성률)는, 예를 들면 80×103N/㎟~210×103N/㎟로 설정된다.
판 스프링 부재(31)의 중앙부에는 변형 센서(32)가 고정되어 있다. 변형 센서(32)로서는, 예를 들면 Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd.제의 KFR-02N을 사용할 수 있다. 변형 센서(32)는, 예를 들면 접착제 등에 의해 판 스프링 부재(31)에 부착되어 있으며, 판 스프링 부재(31)에 발생한 변형의 크기를 변형 센서(32)의 전기 저항의 변화로서 검출할 수 있다.
또한, 판 스프링 부재(31)는 압전 액추에이터(20)의 이동에 따라 변형이 가능한 한 여러 가지의 실시형태로 부착되어 있어도 좋다. 예를 들면, 판 스프링 부재(31)는 그 상단이 압전 액추에이터(20)의 상단부에 임의의 수단에 의해 고정됨과 아울러, 그 하단이 가이드 부재(24)의 상단면에 의해 지지되어 있어도 좋다. 판 스프링 부재(31)는 상단 및 하단의 양쪽이 고정되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태의 제어 밸브(6)에 있어서 판 스프링 부재(31)에 부착된 변형 센서(32)와 동일한 구성을 갖는 변형 센서가 기준 변형 센서로서 판 스프링 부재(31)와 동등한 재료 및 형상을 갖는 판재에 설치되어 있어도 좋다. 단, 기준 변형 센서는 지지통체(23)의 이동에 의해 변형이 발생하지 않는 판재에 부착되어 온도 변화 등에 의해 변동할 수 있는 변형 센서의 출력을 보상하기 위해 설치되어 있다. 구체적으로는 기준 변형 센서의 출력 변화를 백그라운드의 변화로서 판독하고, 그 변화분을 변형 센서(32)의 출력으로부터 뺌으로써 온도 변화 등에 의한 변동을 보상할 수 있다.
또는 본 실시형태의 제어 밸브(6)에 있어서 판 스프링 부재(31)에 부착된 변형 센서와 동일한 구성을 갖는 변형 센서를 판 스프링 부재(31)의 반대측의 면에도 부착하여 2게이지법으로 함으로써도 온도 변화 등에 의한 변동을 보상할 수 있다.
이렇게 구성된 이동량 검출 기구(30)에 있어서 변형 센서(32)의 출력으로부터 지지통체(23)의 이동량(즉, 압전 소자(20)의 신장량)을 검출할 수 있다. 도 5에는 압전 액추에이터(20)에 고정된 유지 부재(33)가 하측의 파선의 위치까지 이동했을 때에 판 스프링 부재(31)가 파선으로 나타내는 바와 같이 변형하고, 그 결과 변형 센서(32)의 출력이 변화하는 모양을 나타내고 있다.
그리고 변형 센서(32)의 출력으로부터 구해진 지지통체(23)의 이동량에 의거하여 실제의 밸브 개도를 검출할 수 있다. 이 때문에 압전 소자(20)의 구동 전압으로부터 추정할 경우에 비해 밸브 개도를 보다 정확하게 검출할 수 있다.
이하, 판 스프링 부재(31)에 부착된 변형 센서의 출력과, 압전 소자의 신장 정도의 관계를 조사한 시험 결과에 대해서 설명한다.
도 6은 시험 장치(60)의 구성을 나타낸다. 시험 장치(60)에 있어서는 압전 소자(20)를 다이(61)의 상면에 고정함과 아울러, 압전 소자(20)의 상면에 판 스프링 부재(31)의 하단을 배치하고, 판 스프링 부재(31)의 상단을 고정면(62)에 대하여 접촉시킴으로써 압전 소자(20)의 신장의 정도에 따라 판 스프링 부재(31)를 만곡시키고 있다. 판 스프링 부재(31)에는 제 1 변형 센서(32A)를 부착하고 있으며, 판 스프링 부재의 만곡(또는 부가되는 응력)을 제 1 변형 센서(32A)에 의해 검출하고 있다. 시험에 사용한 압전 소자의 사이즈는 세로 10.8㎜×가로 10.8㎜×높이 18.0㎜이다.
또한, 시험 장치(60)에서는 압전 소자(20) 자체에도 변형 센서(제 2 변형 센서)(32B)를 직접적으로 부착하고 있으며, 압전 소자(20)의 신장량을 제 2 변형 센서(32B)에서 검출할 수 있는지의 여부에 대해서도 동시에 시험을 행하고 있다.
또한, 시험 장치(60)에서는 압전 소자(20)의 높이 방향의 신장도를 광학적으로 계측하기 위해서 압전 소자(20)에 고정한 반사 부재(63)에 대하여 레이저광(LA)을 조사하도록 구성된 레이저 변위계(64)를 별도 설치하고 있다. 레이저 변위계(64)에 의한 압전 소자(20)의 신장량은 반사 부재(63)에 의해 반사된 레이저광을 CMOS 이미지 센서 등으로 검출함으로써 광학적으로 측정하고 있다.
도 7은 압전 소자(20)의 구동 전압과, 레이저 변위계(64)를 사용해서 측정한 압전 소자(20)의 높이 방향의 신장도(스트로크(㎛))의 관계를 나타낸다. 또한, 도 8은 압전 소자(20)의 구동 전압과, 판 스프링 부재(31)에 부착된 제 1 변형 센서(32A)의 출력(여기에서는 전압 출력(mV))의 관계를 나타낸다. 또한, 도 9는 상기 압전 소자(20)의 스트로크와, 제 1 변형 센서(32A)의 출력의 관계를 나타낸다. 도 7~도 9에는 2회분의 측정 데이터가 나타내어져 있다.
도 7 및 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이 구동 전압이 0일 때 레이저 변위계(64)의 출력(스트로크)은 0으로 설정되고, 제 1 변형 센서(32A)의 출력도 0으로 설정되어 있다. 또한, 도 7 및 도 8에 있어서 화살표(A1)로 나타내는 바와 같이 0V로부터 150V로 압전 소자(20)로의 구동 전압을 증가시키면 압전 소자(20)의 스트로크가 증가함과 아울러, 판 스프링 부재(31)에 부착한 제 1 변형 센서(32A)의 출력도 마찬가지로 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 7 및 도 8에 있어서 역방향의 화살표(A2)로 나타내는 바와 같이 150V로부터 0V로 구동 전압을 감소시키면 압전 소자의 스트로크가 감소함과 아울러, 제 1 변형 센서(32A)의 출력도 대략 마찬가지로 감소하는 것을 알 수 있다.
여기에서 도 9에 나타내는 바와 같이 압전 소자(20)의 스트로크와, 제 1 변형 센서(32A)의 출력의 관계를 참조하면 이들은 대체로 리니어한 관계에 있는 것을 알 수 있다. 이 때문에 판 스프링 부재(31)에 부착된 제 1 변형 센서(32A)의 출력으로부터 압전 소자(20)의 신장량을 검출하는 것이 가능하다.
또한, 도 10은 압전 소자(20)의 구동 전압과, 압전 소자(20)에 직접 부착한 제 2 변형 센서(32B)의 출력(여기에서는 전압 출력(mV))의 관계를 나타낸다. 또한, 도 11은 상기 압전 소자(20)의 스트로크와, 제 2 변형 센서(32B)의 출력의 관계를 나타낸다. 도 10 및 도 11에는 2회분의 측정 데이터가 나타내어져 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이 제 2 변형 센서(32B)의 출력도 제 1 변형 센서(32A)의 출력(도 8)과 마찬가지로 압전 소자(20)의 구동 전압에 대응해서 증감한다. 그리고 도 11에 나타내는 바와 같이 압전 소자(20)의 스트로크와, 제 2 변형 센서(32B)의 출력의 관계를 참조하면 이들이 대체로 리니어한 관계에 있는 것을 알 수 있다. 이 때문에 압전 소자(20)에 직접 부착한 제 2 변형 센서(32B)의 출력으로부터 압전 소자(20)의 신장량을 검출하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 압전 소자(20)의 신장량 검출 기구로서 압전 소자(20)의 신장에 대응해서 지지통체(23)가 이동함과 동시에 만곡도(변형도)나 응력이 변화되도록 부착된 판 스프링 부재(31)에 고정된 제 1 변형 센서(32A)나 압전 소자(20)에 직접 고정된 제 2 변형 센서(32B)를 사용하면 압전 소자(20)의 신장량(또는 지지통체(23)의 이동량)을 정밀도 좋게 측정할 수 있고, 나아가서는 밸브의 개폐도를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능한 것을 알 수 있었다.
또한, 변형 센서의 출력과, 압전 액추에이터의 이동량의 관계가 리니어가 아닐 경우 등에 있어서 변형 센서의 출력과 압전 액추에이터의 변위의 변환 테이블을 미리 작성해 두어도 좋다. 변환 테이블은, 예를 들면 연산 처리 회로(7)에 설치된 메모리 등의 기억 장치에 미리 저장되어 있으며, 압전 액추에이터의 이동량 검출 시에는 이 변환 테이블을 판독하고, 이것을 사용하여 변형 센서의 출력으로부터 밸브의 개도를 검출할 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서 변형 센서의 출력이란 변형 센서를 구성하는 변형 게이지의 변형량에 따라 변화하는 변형 게이지의 저항값에 대응하는 여러 가지의 출력을 의미하고, 예를 들면 변형 게이지의 저항값 자체이어도 좋고, 복수의 변형 게이지를 조립한 휘트스톤 브리지 회로가 출력하는 브리지 출력 신호(도 13 참조) 등이어도 좋다. 어느 하나의 실시형태에서 얻어지는 변형 센서의 출력도 압전 소자의 신장량에 대응하는 것이며, 변형 센서의 출력에 의거하여 압전 소자의 신장량 나아가서는 밸브체의 이동량을 알 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이 본 실시형태의 제어 밸브(6)에서는 검출 기구(예를 들면, 지지통체(23)의 이동량을 검출하는 이동량 검출 기구(30)나 압전 소자(20)의 측면에 직접 부착한 변형 센서(32))를 설치하고, 변형 센서(32)에 의해 압전 소자(20)의 신장량을 직접적으로 측정하고 있으므로 구동 전압 등으로부터 추정하는 경우에 비해 보다 정밀도 좋게 밸브체(22)의 개폐도를 검출하는 것이 가능하다.
이렇게 해서 밸브체(22)의 개폐도를 정밀도 좋게 검출할 수 있으면 상류측의 가스 압력 등이 변동했을 때에도 개폐도를 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능하다. 그리고 측정한 압전 소자(20)의 신장량을 모니터링하고, 정상인 상태와 비교해서, 예를 들면 전체 개방의 상태에 있어서의 신장량이 미리 설정되어 있었던 역치보다 밑돌았을 때나 압전 액추에이터에 구동 전압이 공급되어 있음에도 상관없이 신장량이 예정된 값에 도달하지 않을 때 등 이상의 경향이 보였을 때 압전 액추에이터에 이상이 발생한(사용 한계에 도달한) 것이라고 판단하여 제어 밸브(6) 또는 내부의 압전 액추에이터를 교환한다. 이것에 의해 압전 액추에이터가 완전히 고장 나기 전에 교환할 수 있고, 고장 난 상태의 밸브를 사용하는 일 없이 다대한 손실의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 압전 액추에이터의 이동량을 정확하게 측정할 수 있는 점에서 상기와 같이 구성된 제어 밸브(6)와 동일한 구성의 압전 소자 구동식 밸브는 압력 제어용의 밸브로서 사용하는 외에도, 예를 들면 가변 오리피스 장치로서 이용할 수 있다. 본 명세서에 있어서 가변 오리피스 장치란 오리피스 부재와 같이 유체가 통과하는 유로에 좁혀진 개구부를 형성하는 장치이며, 개구부에 있어서의 개도(유로 단면적)가 변경 가능하게 구성된 여러 가지의 장치를 의미한다. 가변 오리피스 장치는 오리피스 부재의 대신에 개도 조정 가능한 밸브 기구를 구비하고 있는 것이어도 좋다.
제어 밸브(6)와 동일한 구성을 갖는 압전 소자 구동식 밸브를 가변 오리피스 장치로서 이용할 경우 검출 기구(상기 이동량 검출 기구(30)나 압전 소자(20)에 직접 고정된 변형 센서(32))에 의해 오리피스 개도(밸브 개도)를 검출함과 아울러, 압전 소자(20)로의 구동 전압을 제어함으로써 개도 위치를 제어할 수 있다. 또한, 검출 기구에 의해 검출된 밸브체(22)의 개폐도로부터 유로 단면적을 구할 수 있다. 이 때문에 압전 소자 구동식 밸브는 소망의 유로 단면적을 가진 가변 오리피스 장치로서 적합하게 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 유량 제어 장치(8)의 스로틀부(2)를 제어 밸브(6)와 동일한 구성을 갖는 압전 소자 구동식 밸브에 의해 구성할 수 있다. 이렇게 구성된 유량 제어 장치(8)에 있어서는 압력 센서(3)에 의해 검출되는 상류 압력(P1)이 일정해지도록 스로틀부(2)의 상류측에 배치된 제어 밸브를 제어함과 아울러, 스로틀부(2)로서 설치한 압전 소자 구동식 밸브(가변 오리피스 장치)의 밸브 개도를 조정함으로써 유량을 제어할 수 있다. 또한, 스로틀부(2)로서 설치한 압전 소자 구동식 밸브의 개도는 일정하게 한 채 상기와 마찬가지로 상류 압력(P1)을 제어 밸브에 의해 제어함으로써 유량을 제어할 수 있다. 이 경우에도 가변 오리피스 장치로서 설치된 압전 소자 구동식 밸브의 개도를 스위칭하면 유량 제어 레인지를 변경할 수 있으므로 유리하다. 또한, 상기 2개의 유량 제어 동작을 조합하여 행해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
또한, 예를 들면 일본 특허공개 평 11-265217호 공보에는 니들 밸브를 압전 소자로 제어하는 가변 오리피스 장치가 개시되어 있다. 이러한 가변 오리피스 장치에도 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브를 적용할 수 있고, 변형 센서를 포함하는 검출 기구를 설치함으로써 니들 밸브의 개도 검출을 행할 수 있다. 구체적으로는 니들 밸브와 접하는 밸브체 누르개에 접속된 압전 액추에이터 등의 가동부와, 밸브체 등의 고정부 사이에 변형 게이지가 고정된 판 스프링 부재로 구성되는 검출 기구를 설치함으로써 밸브 개도를 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
이하, 변형 센서를 압전 소자에 직접 고정한 압전 소자 구동식 밸브 및 이것을 사용한 유량 제어 장치의 예시적인 실시형태를 설명한다.
우선, 본 실시형태의 압전 소자 구동식 밸브를 구성하는 압전 액추에이터의 상세 구성에 대해서 설명한다. 도 12(a)는 압전 액추에이터를 구성하는 외측의 통체(20a)와, 이 통체(20a) 내에 일렬로 배열된 상태로 수용되는 복수의 압전 소자(20b)를 나누어서 나타내고, 도 12(b)는 도 12(a)에 나타내는 커넥터부(20c)를 정면 방향으로부터 본 상태를 나타낸다.
도 12(a)에 나타내는 바와 같이 압전 액추에이터에 있어서 복수의 압전 소자(20b) 중 1개에는 접착제 등에 의해 변형 센서(40)가 직접적으로 부착되어 있다. 변형 센서(40)는 압전 소자(20b)의 측면에 배치되어 있으며, 본 실시형태에 있어서는 압전 소자(20b)의 적층 방향, 즉 압전 소자(20b)의 주신장 방향인 z 방향의 변형을 검출하는 종 변형 게이지(40z)와, 주신장 방향과 직교하는 x 방향의 변형을 검출하는 횡 변형 게이지(40x)로 구성되어 있다. 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)로서는, 예를 들면 Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd.제의 KFR-02N이나 KFGS-1, KFGS-3 등을 사용할 수 있다. 또한, 압전 액추에이터는 다른 실시형태에 있어서 통체에 수용된 단일의 압전 소자 및 이 측면에 부착된 변형 센서에 의해 구성되어 있어도 좋다.
본 실시형태에 있어서 종 변형 게이지(40z)는 전체가 압전 소자와 접하도록 압전 소자의 측면에 부착되어 있으며, 횡 변형 게이지(40x)는 종 변형 게이지(40z)의 중앙부를 걸쳐서 교차하도록 압전 소자에 부착되어 있다. 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)는 압전 소자의 신장량을 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)의 전기 저항의 변화로서 검출할 수 있다.
또한, 도 12(b)에 나타내는 바와 같이 커넥터부(20c)에는 압전 소자(20b)의 각각에 구동 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 구동 전압 단자(42a, 42b)와, 종 변형 게이지(40z)의 한쪽의 단자에 접속된 제 1 변형 센서 출력 단자(44a)와, 종 변형 게이지(40z)의 다른 쪽의 단자, 및 횡 변형 게이지(40x)의 한쪽의 단자에 공통으로 접속된 변형 센서 공통 출력 단자(44c)와, 횡 변형 게이지(40x)의 다른 쪽의 단자에 접속된 제 2 변형 센서 출력 단자(44b)가 설치되어 있다.
압전 액추에이터를 구성하는 복수의 압전 소자(20b)는 공지의 회로 구성에 의해 구동 전압 단자(42a, 42b)에 전기적으로 접속되어 있으며, 구동 전압 단자(42a, 42b)에 전압을 인가함으로써 압전 소자(20b)의 전체를 스택 방향으로 신장시킬 수 있다. 압전 액추에이터로서는, 예를 들면 NTK CERATEC CO., LTD. 등으로부터 판매되어 있는 것을 이용할 수 있다.
제 1 및 제 2 변형 센서 출력 단자(44a, 44b) 및 변형 센서 공통 출력 단자(44c)는 외부 기판에 형성된 회로에 접속되어 있으며, 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)를 포함하는 브리지 회로가 형성되어 있다. 이 브리지 회로에 있어서 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)의 저항값의 변화를 검출할 수 있다.
도 13은 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)의 저항값 변화를 검출하기 위한 예시적인 등가 회로를 나타낸다. 도 13에 나타내는 등가 회로에 있어서 분기점 A-D 사이 및 분기점 C-D 사이에 형성된 저항(R1, R2)은 외부 기판 상에 형성된 기지 저항값의 고정 저항에 대응하고, 분기점 A-B 사이에 형성된 저항(R3)은 종 변형 게이지(40z)에 대응하고, 분기점 B-C 사이에 형성된 저항(R4)은 횡 변형 게이지(40x)에 대응한다. 본 실시형태에서는 종 변형 게이지(40z) 및 횡 변형 게이지(40x)의 저항값과, 2개의 고정 저항(R1, R2)의 저항값은 동일하게 설정되어 있으며, 예를 들면 모두 120옴 또는 350옴으로 설정되어 있다.
또한, 도 13에 있어서 분기점 A는 제 1 변형 센서 출력 단자(44a)에 대응하고, 분기점 B는 변형 센서 공통 출력 단자(44c)에 대응하고, 분기점 C는 제 2 변형 센서 출력 단자(44b)에 대응한다. 이 등가 회로에 있어서 분기점 A-C 사이에 소정의 브리지 인가 전압이 인가된 상태로 종 변형 게이지(40z) 또는 횡 변형 게이지(40x)의 저항값의 변화는 브리지 출력 신호(분기점 B-D 사이의 전위차)의 변화로서 검출된다. 또한, 상기와 같이 각 저항(R1~R4)의 크기가 동일할 경우 초기 상태에 있어서 브리지 출력 신호는 전형적으로는 0을 나타낸다.
압전 액추에이터에 구동 전압이 인가되었을 때 변형 센서(40)가 부착된 압전 소자(20b)는 z 방향으로 신장함과 아울러, 이것과 직교하는 x 방향에 있어서는 수축하는 경우가 있다. 이 경우 종 변형 게이지(40z)의 저항값은 압전 소자의 신장량에 대응해서 증가하고, 한편 횡 변형 게이지(40x)의 저항값은 압전 소자의 수축량에 대응해서 감소한다.
그리고 도 13에 나타내는 회로에서는 압전 소자가 신장했을 때 종 변형 게이지(40z)에 있어서의 변형량이 증대해서 브리지 출력 신호가 증가함과 아울러, 횡 변형 게이지(40x)에 있어서의 변형량이 감소함으로써도 브리지 출력 신호가 증가한다. 이 때문에 피에조 스택 변위 시에는 종 변형 게이지(40z)의 변형량의 증가분과, 횡 변형 게이지(40x)의 변형량의 감소분의 합계에 대응하는 브리지 출력 신호의 변동이 발생하게 된다. 이에 따라 브리지 출력 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 종 변형 게이지(40z)와, 이것에 직교하는 횡 변형 게이지(40x)를 사용하여 브리지 회로를 구성함으로써 온도 변화에 의한 변형 센서(40)의 저항값 변화를 보정하는 것이 가능하다. 이것은, 예를 들면 온도가 상승함으로써 압전 소자가 팽창했을 때 그 팽창이 종 변형 게이지(40z)에 대해서는 브리지 출력 신호를 증가시키는 요소로서 작용하는 것에 대하고, 횡 변형 게이지(40x)에 대해서는 브리지 출력 신호를 감소시키는 요소로서 작용하고, 온도에 의한 증가 요소와 감소 요소가 상쇄된 브리지 출력 신호가 얻어지기 때문이다. 이 때문에 온도의 변화에 기인해서 압전 소자 자체의 팽창 및 수축이 발생하고 있을 때이어도 브리지 출력 신호로의 영향은 저감되어 온도 보상을 실현하는 것이 가능해진다.
이상과 같이 구성된 제어 밸브(6)를 사용해서 구성된 유량 제어 장치(8)에서는 변형 센서(40)의 출력에 의거하여 제어 밸브(6)의 개도를 알 수 있다. 이에 따라 제어 밸브(6)의 동작 불량의 발견이나 예측을 적절하게 행할 수 있다. 또한, 도 1에 나타낸 제어 밸브(6)로서 변형 센서(40)가 설치된 압전 소자 구동식 밸브를 사용할 경우 변형 센서(40)와 연산 처리 회로(7)가 전기적으로 직접 접속되어 있어서 좋은 것은 말할 필요도 없다. 이러한 구성에서는 연산 처리 회로(7)가 변형 센서(40)의 출력에 의거하여 제어 밸브(6)의 개폐도(밸브체의 이동량)를 상시 모니터링할 수 있다.
또한, 도 1에 나타낸 실시형태와는 다른 형태로서 변형 센서(40)가 부착된 압전 소자 구동식 밸브를 개도 가변의 스로틀부(가변 오리피스 장치)로서 사용하고, 도 1에 나타낸 개도가 고정되어 있는 스로틀부(2)(예를 들면, 오리피스 플레이트)를 설치하지 않은 실시형태로 해도 좋다.
도 14는 압전 소자에 변형 센서(40)가 고정된 압전 소자 구동식 밸브(86)를 사용해서 유량 제어를 행하도록 구성된 유량 제어 장치(80)를 나타낸다. 유량 제어 장치(80)에서는 압전 소자 구동식 밸브(86)의 밸브체의 이동량을 측정하기 위해서 변형 센서(40)의 출력이 연산 처리 회로(7)에 보내진다. 그리고 연산 처리 회로(7)는 변형 센서(40)의 출력에 의거하여 압전 소자 구동식 밸브(86)의 구동을 입력된 변위량 설정(압전 액추에이터의 스트로크의 설정값)에 일치하도록이 피드백 제어할 수 있다. 이렇게 하면 변형 센서(40)의 출력에 의거하여 압전 소자 구동식 밸브(86)를 소망의 설정 유량에 적합한 밸브 개도로 제어할 수 있다.
이상과 같이 변형 센서(40)의 출력에 의거하여 압전 소자 구동식 밸브(86)를 피드백 제어할 경우 압력 센서의 출력에 의거하여 피드백 제어하는 종래 방식에 비해 보다 고속인 응답성을 실현할 수 있다. 따라서, 압전 소자 구동식 밸브(86)는 고속 서보식의 제어 밸브로서 이용할 수 있다. 또한, 유량 제어 장치(80)에서는 개도 고정의 스로틀부를 설치할 필요가 없으므로 장치의 간소화·소형화를 도모할 수 있다.
또한, 도면에는 나타내고 있지 않지만, 유량 제어 장치(80)에 있어서 압전 소자 구동식 밸브(86)의 상류측에는 압력 센서 및 압력 조정용 밸브가 설치되어 있어도 좋고, 압전 소자 구동식 밸브(86)의 상류측의 압력은, 예를 들면 50㎪~300㎪의 범위에서 일정하게 유지되어 있어도 좋다. 이에 따라 압전 소자 구동식 밸브(86)의 개도 제어에 의한 유량 제어를 보다 안정되게 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만 여러 가지의 개변이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에 있어서는 압력 제어식의 유량 제어 장치에 대해서 설명했지만 본 발명은 압력 제어식 이외의 제어 방식, 예를 들면 열식 센서를 사용하여 유량을 제어하는 열식 유량 제어 장치에도 적용 가능하다. 또한, 상기 실시형태에 있어서는 자기 탄성에 의한 탄성 복귀형의 금속 다이어프램 밸브체를 구비하는 압전 소자 구동식 밸브에 대해서 설명했지만, 금속 다이어프램 이외의 밸브체에 대해서도 적용 가능한 것은 당업자라면 자명하다.
또한, 본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브는 노멀 오픈형이어도 좋고, 이 경우에도, 예를 들면 압전 소자의 신장에 의해 밸브 본체에 대하여 하방으로 이동하는 지지통체의 이동량 등을 변형 센서를 포함하는 검출 기구에 의해 측정함으로써 밸브체의 이동량, 즉 밸브의 개도를 정밀도 좋게 알 수 있다. 물론, 노멀 오픈형의 압전 구동식 밸브에 있어서 변형 센서를 압전 소자에 직접 부착하여 밸브체의 이동량, 즉 밸브의 개도를 측정하도록 해도 좋다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 압전 소자 구동식 밸브는 특히 유량 제어 장치에 있어서 적합하게 사용되며, 밸브의 실제의 개폐도를 검출하는 것에 적합하게 이용할 수 있다.
1: 유로 2: 스로틀부
3: 제 1 압력 센서 4: 제 2 압력 센서
5: 온도 센서 6: 제어 밸브
7: 연산 처리 회로 8: 유량 제어 장치
9: 하류 밸브 10: 프로세스 쳄버
11: 진공 펌프 12: 외부 장치
20: 압전 소자(압전 액추에이터) 21: 밸브체
21a: 밸브 시트 22: 밸브체
23: 지지통체 24: 가이드 부재
25: 밸브 누르개 26: 분할 베이스
27: O링 28: 탄성 부재
29: 하부 받침대
30: 이동량 검출 기구(압전 소자 신장량 검출 기구)
31: 판 스프링 부재 32: 변형 센서
33: 유지 부재 34: 지지 부재
40: 변형 센서 40x: 횡 변형 게이지
40z: 종 변형 게이지

Claims (12)

  1. 유로에 형성된 밸브 시트 및 상기 밸브 시트에 이착좌하는 밸브체와 압전 소자를 구비하고, 상기 압전 소자의 신장에 의해 상기 밸브체가 이동하도록 구성된 압전 소자 구동식 밸브로서,
    상기 압전 소자의 신장량을 검출하는 검출 기구를 구비하고, 상기 검출 기구는 변형 센서를 포함하고, 상기 변형 센서의 출력에 의거하여 상기 밸브체의 이동량이 측정되는 압전 소자 구동식 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자를 수용하고, 상기 압전 소자의 신장에 의해 이동하는 지지통체를 구비하고, 상기 지지통체의 이동에 의해 상기 밸브체가 이동하도록 구성되어 있는 압전 소자 구동식 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출 기구는 상기 변형 센서가 고정된 판 스프링 부재를 더 포함하고, 상기 판 스프링 부재에 부여되는 힘이 상기 압전 소자의 신장에 의해 변화되도록 구성되어 있는 압전 소자 구동식 밸브.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판 스프링 부재의 일단은 밸브체에 대하여 부동의 위치에 유지되고, 상기 판 스프링 부재의 타단은 상기 지지통체에 접속되어 있는 압전 소자 구동식 밸브.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 센서의 출력과 상기 지지통체의 이동량의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 기억 장치를 구비하고, 상기 테이블을 사용하여 상기 지지통체 및 상기 밸브체의 이동량이 검출되는 압전 소자 구동식 밸브.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 기구를 사용하여 상기 밸브체의 이동량을 모니터링하고, 정상인 상태와 비교함으로써 상기 압전 소자를 포함하는 압전 액추에이터의 이상의 유무를 판단하는 압전 소자 구동식 밸브.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 측면에 직접적으로 고정되어 있는 압전 소자 구동식 밸브.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 신장 방향의 변형을 검출하기 위한 종 변형 게이지와, 상기 압전 소자의 상기 신장 방향과 직교하는 방향의 변형을 검출하기 위한 횡 변형 게이지를 포함하는 압전 소자 구동식 밸브.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    노멀 클로즈형의 제어 밸브인 압전 소자 구동식 밸브.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가변 오리피스 장치로서 사용되고, 상기 검출 기구를 사용하여 오리피스 개도를 검출하여 개도 위치를 제어하도록 구성되어 있는 압전 소자 구동식 밸브.
  11. 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자 구동식 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 압전 소자 구동식 밸브 사이의 가스 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 압전 소자 구동식 밸브의 구동 전압을 결정하는 연산 처리 회로를 구비하는 유량 제어 장치.
  12. 제 10 항에 기재된 압전 소자 구동식 밸브와, 상기 압전 소자 구동식 밸브에 대하여 형성된 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 연산 처리 회로는 상기 변형 센서의 출력에 의거하여 상기 압전 소자 구동식 밸브를 피드백 제어하도록 구성되어 있는 유량 제어 장치.
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