TW202046040A - 流體控制閥、流量控制裝置及驅動電路 - Google Patents

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德永和彌
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Abstract

本發明提供一種流體控制閥，能抑制從壓電致動器放出電荷並收縮時的發熱量並能降低驅動壓電致動器所需要的能量，流體控制閥(3)具備壓電致動器(31)以及與所述壓電致動器(31)連接的驅動電路(32)，所述驅動電路(32)具備：返馳變壓器(5)，具備與直流電源(DV)連接的一次側線圈(51)及與所述壓電致動器(31)連接的二次側線圈(52)；充電開關(61)，與所述一次側線圈(51)連接，當所述壓電致動器(31)充電時從ON切換為OFF；放電開關(62)，與所述二次側線圈(52)連接，當所述壓電致動器(31)放電時從OFF切換為ON；再生用電容(71)，與所述一次側線圈(51)連接，利用所述壓電致動器(31)的放電對電能進行再生。

Description

流體控制閥、流量控制裝置及驅動電路
本發明涉及一種用於對流體的壓力、流量進行控制的具備壓電致動器的流體控制閥。
例如在半導體製造製程中向腔室內供給的氣體的流量由質量流量控制器進行控制。該質量流量控制器例如具備具有壓電致動器的流體控制閥以及流量傳感器。對施加給壓電致動器的電壓進行控制，以使由流量傳感器測量到的測量流量與由使用者設定的設定流量之間的偏差變小（參照專利文獻1）。
但是，在從對壓電致動器施加電壓而伸長的狀態收縮時，需要對積蓄於壓電致動器的電荷進行放電。在以往，從壓電致動器放出的電荷在例如驅動電路中的電阻中作為熱量被消耗。
但是，例如在如ALD製程這樣的氣體的供給與停止以高速反復進行的情況下，不僅這樣的能量的浪費變大，而且從壓電致動器產生的熱量變大，有可能對最終的流量控制特性等造成影響。
現有技術文獻 專利文獻1：日本專利公開公報特開2009-265988號
本發明是鑒於上述的問題而做出的發明，本發明的目的在於提供一種能夠抑制從壓電致動器放出電荷並收縮時的發熱量並且能夠降低驅動壓電致動器所需要的能量的流體控制閥。
本發明的流體控制閥，其具備壓電致動器以及與所述壓電致動器連接的驅動電路，所述驅動電路具備：返馳變壓器，具備：一次側線圈，與直流電源連接；以及二次側線圈，與所述壓電致動器連接；充電開關，與所述一次側線圈連接，當所述壓電致動器充電時從ON切換為OFF；放電開關，與所述二次側線圈連接，當所述壓電致動器放電時從OFF切換為ON；以及再生用電容，與所述一次側線圈連接，利用所述壓電致動器的放電對電能進行再生。
如果是這樣的流體控制閥，則所述放電開關變成ON，從所述壓電致動器放出電荷，作為電能積蓄於所述返馳變壓器，此後當所述放電開關變成OFF時，能夠將積蓄的電能從所述一次側線圈積蓄到所述再生用電容中。
因此，當壓電致動器放電時，能夠降低電能作為熱量散失。另外，當在所述再生用電容中積蓄有電能的狀態下對所述壓電致動器進行充電的情況下，也能夠使用該再生用電容中積蓄的電能對所述壓電致動器進行充電。
因此，能夠抑制所述壓電致動器放電時的發熱量，並且也能夠降低所述壓電致動器的驅動所需要的能量。
為了使在所述壓電致動器放電時流過所述返馳變壓器的一次側的電流不流過直流電源而僅流過所述再生用電容，優選的是，所述驅動電路還具備二極體，所述二極體的陽極與所述直流電源側連接、陰極與所述再生用電容側連接。
為了使施加給所述壓電致動器的電流平滑化，從而能夠施加大致固定的電壓，並且將所述流體控制閥的開度保持為固定，優選的是，所述驅動電路還具備輸出電容，所述輸出電容與所述壓電致動器並聯連接。
另外，本發明的流體控制閥，其具備壓電致動器以及與所述壓電致動器連接的驅動電路，所述驅動電路具備充電電路，所述充電電路具備由多級電晶體構成的達林頓連接部，從最終級的發射極向所述壓電致動器供給電流。
此外，本發明的驅動電路，其與壓電致動器連接，所述驅動電路具備充電電路，所述充電電路具備由多級電晶體構成的達林頓連接部，從最終級的發射極向所述壓電致動器供給電流。
如果是這樣的構成，則能夠使流過所述壓電致動器的電流的值比以往更高，變成能夠以高速對該壓電致動器進行充電。因此，能夠進一步使流體控制閥的開度以高速變化，能夠提高響應特性。
一種流量控制裝置，其具備本發明的流體控制閥；流量傳感器，測量流過流道的流體的流量；以及閥控制部，基於所述流量傳感器的測量流量，控制所述流體控制閥的開度，如果是該流量控制裝置，則能夠降低發熱，或者能夠比以往提高流量控制的響應性。
這樣，如果是本發明的流體控制閥，則在對所述壓電致動器進行放電的情況下能夠利用所述再生用電容回收積蓄在該壓電致動器中的電能。因此，能夠抑制放電時熱量的產生，能夠在所述壓電致動器充電時對積蓄在所述再生用電容中的電能進行再利用從而也能夠實現節能。
參照圖1以及圖2，對本發明的第一實施方式的流體控制閥3進行說明。
第一實施方式的流體控制閥3例如用於在半導體製造製程中對流體的流量進行控制的質量流量控制器100。如圖1所示，質量流量控制器100是將包括流體控制閥3的各種流體設備與掌管流體控制閥3的控制的控制板B整合的裝置。具體地說，質量流量控制器100具備在內部形成有流道C的塊1，針對該塊1安裝有流體控制閥3、上游側壓力傳感器21、層流元件22以及下游側壓力傳感器23。另外，控制板B是具備CPU、存儲器、A/D轉換器、D/A轉換器、各種輸入輸出設備的所謂的計算機，通過執行存儲在存儲器中的程序，至少發揮作為流量計算部24、閥控制部4的功能。
流量計算部24根據由上游側壓力傳感器21以及下游側壓力傳感器23測量到的各測量壓力，計算流過塊1內的流體的流量。即，上游側壓力傳感器21、層流元件22、下游側壓力傳感器23、以及流量計算部24構成所謂的壓力式流量傳感器2。另外，在流量計算部24中使用的流量計算式可以使用現存的計算式。另外，通過流量計算計算出的流量作為測量流量向閥控制部4輸出。
閥控制部4對流體控制閥3的開度進行流量反饋控制，使得由使用者設定的設定流量與通過流量計算計算出的測量流量之間的偏差變小。在第一實施方式中，閥控制部4是輸入設定流量與測量流量的偏差並通過PID計算來輸出施加給流量控制閥的電壓指令的PID控制器。
流量控制閥具備：閥座；閥體，相對於閥座位移；壓電致動器31，使閥體位移；以及驅動電路32，驅動壓電致動器31。
壓電致動器31例如是通過將壓電元件與電極交替地層疊而得到的。壓電致動器31變化為與由驅動電路32施加的電壓對應的長度。
如圖2所示，驅動電路32是具備返馳變壓器、充電開關61、放電開關62、再生用電容71、二極體73、以及輸出電容72的DC/DC轉換器，控制壓電致動器31的充放電。另外，該驅動電路32構成為在壓電致動器31放電時能夠再生其電能。
返馳變壓器5具備：一次側線圈51，與直流電源DV連接；以及二次側線圈52，與壓電致動器31連接。
充電開關61與一次側線圈51的定電壓側連接，所述充電開關61當壓電致動器31充電時從ON切換為OFF。另外，放電開關62與二次側線圈52的定電壓側連接，所述放電開關62當壓電致動器31放電時從OFF切換為ON。充電開關61以及放電開關62例如使用FET，從閥控制部4輸出的電壓指令輸入各閘極（gate）。
再生用電容71與一次側線圈51的高電壓側連接，利用壓電致動器31的放電而對電能進行再生。
二極體73的陽極與直流電源DV側連接，二極體73的陰極與再生用電容71側連接。即，當壓電致動器31放電時，從返馳變壓器5的一次側線圈51產生的電流僅流過再生用電容71。
輸出電容72與壓電致動器31並聯連接，使施加給壓電致動器31的電壓波形平滑化。
以下對驅動電路32的動作進行說明。
在以規定的電壓對壓電致動器31進行充電並將流體控制閥3保持在規定的開度的情況下，閥控制部4向充電開關61的閘極輸入通過PID計算而計算出的規定頻率的ON/OFF電壓指令。
在從對壓電致動器31施加有規定電壓的狀態放電而使開度變化的情況下，閥控制部4向放電開關62的閘極輸入規定頻率的ON/OFF電壓指令。放電開關62如果變成ON，則壓電致動器31中充有的電荷流向二次側線圈52，作為電能積蓄在返馳變壓器中。如果放電開關62從該狀態切換為OFF，則電流從一次側線圈51流向再生用線圈側從而積蓄電能。在反復進行放電並變成所希望的開度後，閥控制部4再次針對充電開關61的閘極，向充電開關61的閘極輸入與用於維持其開度所需要的電壓對應的頻率的ON/OFF電壓指令。此時，再生用電容71中積蓄的電能也用於壓電致動器31的充電。
按照這樣構成的第一實施方式的流體控制閥3，當壓電致動器31放電時能夠使電能再生於再生用電容71，因此與以往相比較，能夠抑制放電時的熱量的產生。
因此，即使是流體控制閥3的ON/OFF以高速反復進行的用途，也能夠防止流體控制閥3的驅動電路32產生過度的熱量，能夠防止對控制特性產生不好的影響的情形。
另外，由於再生用電容71中積蓄的電能在下次充電時使用，所以能夠降低為了驅動流體控制閥3而消耗的電能。
參照圖3至圖5對本發明的第二實施方式的流體控制閥3進行說明。另外，對於與在第一實施方式中說明過的部件對應的部件附加相同的附圖標記。
第二實施方式的流體控制閥3的驅動電路32的構成與第一實施方式不同，伴隨於此，閥控制部4的構成也不同。
第二實施方式的驅動電路32的構成包括圖3所示的多個雙極電晶體以及電阻，包括在圖4中用粗線表示的充電電路8以及在圖5中用粗線表示的放電電路9。
充電電路8具備由多級NPN電晶體構成的達林頓連接部81，從最終級的發射極向所述壓電致動器31供給電流。具體地說，充電電路8具備：達林頓連接部81，由二級的電晶體82、83構成；第一電阻84，將直流電源DV作為基準，與達林頓連接部81並聯設置，其低壓側與達林頓連接部81的初級電晶體82的閘極連接；以及第二電阻85，設置在壓電致動器31的高壓側與達林頓連接部81的最終級的電晶體83的發射極之間。
施加來自直流電源DV的電壓，流過第一電阻84的電流作為針對達林頓連接部81的閘極電流輸入，在該實施方式中放大為100倍的集電極電流流過第二電阻85以及壓電致動器31。
放電電路9具備控制開關91以及PNP電晶體92，所述控制開關91是從閥控制部4輸出的指令電壓輸入閘極的NPN電晶體。
控制開關91的集電極連接在第一電阻84的低壓側與達林頓連接部81的初級電晶體82的閘極之間，發射極與低壓側連接。
PNP電晶體92的發射極連接在達林頓連接部81的最終級的電晶體83的發射極與第二電阻85的高壓側之間。另外，PNP電晶體92的閘極連接在第一電阻84的低壓側與達林頓連接部81的初級電晶體82的閘極之間。PNP電晶體92的集電極與低壓側連接。
通過對放電開關62的閘極施加電壓，放電電路9變成ON，從壓電致動器31進行放電。
如果是這樣的第二實施方式的驅動電路32，則由於充電電路8具備達林頓連接部81，所以在壓電致動器31充電時能夠供給高電流，能夠用短時間充上電荷。因此，能夠使壓電致動器31以高速位移，能夠比以往提高流體控制閥3的響應性。
對其它實施方式進行說明。
在各實施方式中，流體控制閥用於作為流量控制裝置的質量流量控制器，但是也可以用作壓力控制裝置中的壓力控制閥、截至閥。
對於達林頓連接部，不限於由二級的電晶體構成，也可以由三級以上的電晶體構成。
此外，只要不違反本發明的宗旨，當然可以對實施方式的一部分彼此進行組合、對實施方式的一部分進行變形。
100:質量流量控制器 3:流體控制閥 31:壓電致動器 32:驅動電路 5:返馳變壓器 51:一次側線圈 52:二次側線圈 61:充電開關 62:放電開關 71:再生用電容 72:輸出電容 73:二極體 8:充電電路 81:達林頓連接部
無。 圖1是表示使用了本發明的第一實施方式的流體控制閥的流體控制裝置的示意圖。 圖2是表示第一實施方式的流體控制閥的驅動電路的電路示意圖。 圖3是表示第二實施方式的流體控制閥的驅動電路的電路示意圖。 圖4是表示第二實施方式的驅動電路的充電電路的電路示意圖。 圖5是表示第二實施方式的驅動電路的放電電路的電路示意圖。
100:質量流量控制器
1:塊
2:流量傳感器
21:上游側壓力傳感器
22:層流元件
23:下游側壓力傳感器
24:流量計算部
3:流體控制閥
31:壓電致動器
32:驅動電路
4:閥控制部

Claims (6)

  1. 一種流體控制閥，其特徵在於，所述流體控制閥具備壓電致動器以及與所述壓電致動器連接的驅動電路，所述驅動電路具備：返馳變壓器，具備：一次側線圈，與直流電源連接；以及二次側線圈，與所述壓電致動器連接；充電開關，與所述一次側線圈連接，當所述壓電致動器充電時從ON切換為OFF；放電開關，與所述二次側線圈連接，當所述壓電致動器放電時從OFF切換為ON；以及再生用電容，與所述一次側線圈連接，利用所述壓電致動器的放電對電能進行再生。
  2. 根據請求項1所述的流體控制閥，其中，所述驅動電路還具備二極體，所述二極體的陽極與所述直流電源側連接、陰極與所述再生用電容側連接。
  3. 根據請求項1所述的流體控制閥，其中，所述驅動電路還具備輸出電容，所述輸出電容與所述壓電致動器並聯連接。
  4. 一種流體控制閥，其特徵在於，所述流體控制閥具備壓電致動器以及與所述壓電致動器連接的驅動電路，所述驅動電路具備充電電路，所述充電電路具備由多級電晶體構成的達林頓連接部，從最終級的發射極向所述壓電致動器供給電流。
  5. 一種流量控制裝置，其特徵在於，所述流量控制裝置具備：如請求項1所述的流體控制閥；流量傳感器，測量流過流道的流體的流量；以及閥控制部，基於所述流量傳感器的測量流量，控制所述流體控制閥的開度。
  6. 一種驅動電路，其特徵在於，所述驅動電路與壓電致動器連接，所述驅動電路具備充電電路，所述充電電路具備由多級電晶體構成的達林頓連接部，從最終級的發射極向所述壓電致動器供給電流。
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