WO2016035262A1

WO2016035262A1 - 圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置

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Publication number: WO2016035262A1
Application number: PCT/JP2015/004062
Authority: WO
Inventors: 薫平田; 勝幸杉田; 土肥　亮介; 西野　功二; 池田　信一
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2016-03-10
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Abstract

　本発明は、複雑な機構を用いることなく、圧電素子の変位量を大きくすることができると共に、配線等に支障を来たさない圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置を提供する。　本発明は、流体通路７ａ及び弁座７ｃを設けた本体７と、本体７の弁座７ｃに当離座して流体通路７ａを開閉する弁体８と、圧電素子の伸長を利用して前記弁体８を開閉駆動する圧電アクチュエータ１６とを備えた圧電素子駆動式バルブ１において、少なくとも二つの圧電アクチュエータ１６を、配線を引き出し可能なスペーサ１７を介して一直線上に配設する。

Description

圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置

　本発明は、半導体製造設備や化学産業設備、薬品産業設備、食品産業設備等の流体供給ラインに介設されて流体の流量制御を行う圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置の改良に係り、特に、圧電素子の変位量を大きくすることができると共に、配線等に支障を来たさない圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置に関するものである。

　従前から、半導体製造設備や化学産業設備等の流体供給ラインにおいては、圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置が広く利用されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６及び特許文献７参照）。

　図９は従前の圧電素子駆動式バルブ３０及び圧電素子駆動式バルブ３０を備えた流量制御装置の一例を示すものである。

　即ち、前記流量制御装置は、圧電素子駆動式バルブ３０と、圧電素子駆動式バルブ３０の本体３１の上流側にボルト（図示省略）により締め付け固定され、本体３１の流体通路３１ａに連通する入口側流体通路３２ａを形成した入口側ブロック３２と、本体３１と入口側ブロック３２との間に介設されたシール用のガスケット３３と、圧電素子駆動式バルブ３０の本体３１の下流側にボルト（図示省略）により締め付け固定され、本体３１の流体通路３１ａに連通する出口側流体通路３４ａを形成した出口側ブロック３４と、本体３１と出口側ブロック３４との間に介設された流量制御用のガスケット型オリフィス３５と、圧電素子駆動式バルブ３０の本体３１に配設され、ガスケット型オリフィス３５の上流側の圧力を検出する圧力センサ３６と、圧電素子駆動式バルブ３０を制御する制御部３７等から構成されており、ガスケット型オリフィス３５の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式バルブ３０の開閉によりオリフィス通過流量を制御するようにしたものである。

　また、前記圧電素子駆動式バルブ３０は、流体通路３１ａ及び弁座３１ｂを設けた本体３１と、弁座３１ｂに当離座する弁体３８（金属ダイヤフラム）と、弁体３８の外周縁部を本体３１側へ気密状に押圧する押えアダプター３９と、押えアダプター３９を本体３１側へ押圧する半割り構造の割りベース４０と、押えアダプター３９及び割りベース４０を本体３１側へ固定するベース押え４１と、ベース押え４１に昇降自在に支持されたアクチュエータボックス４２と、アクチュエータボックス４２の下端に挿着され、弁体３８に当接するダイヤフラム押え４３と、割りベース４０とアクチュエータボックス４２との間に介設され、アクチュエータボックス４２を下方へ押圧附勢する弾性体４４と、アクチュエータボックス４２内に収容され、下端側が下部受台４５を介して割りベース４０に支持された圧電アクチュエータ４６と、アクチュエータボックス４２の上端部に螺着され、圧電アクチュエータ４６の上端側を上部受台４７及びスラストベアリング４８を介して位置調整可能に支持する調整用袋ナット４９等から成り、電圧の印加によって圧電アクチュエータ４６が伸長すると、アクチュエータボックス４２がベース押え４１に支持された状態で弾性体４４の弾性力に抗して上昇し、これに伴って弁体３８がその弾性力により弁座３１ｂから離座して流体通路３１ａを開放し、また、圧電アクチュエータ４６への印加電圧を解除すると、圧電アクチュエータ４６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、アクチュエータボックス４２が弾性体４４の弾性力により押し下げられ、これに伴って弁体３８がダイヤフラム押え４３により下方へ押圧されて弁座３１ｂへ当座して流体通路３１ａを閉鎖するノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブ３０に構成されている。

　ところで、圧電素子を用いた圧電アクチュエータ４６は、推力が大きくて応答性やコントロール特性に優れているが、圧電素子の変位量が非常に小さく、ストロークを大きくできないと云う問題がある。

　尚、前記問題を解決するため、圧電素子の変位量を梃子構造の変位拡大機構により拡大して弁棒に伝達するようにした圧電素子駆動式バルブが開発されている（例えば、特許文献２及び特許文献６参照）。

　しかし、前記圧電素子駆動式バルブは、圧電アクチュエータと弁棒との間に複雑な構造の変位拡大機構を組み込まなければならず、組み立て等に手数がかかると云う別の問題が発生することになる

　一方、圧電素子の変位量を大きくして圧電アクチュエータのストロークを大きくするには、二つの圧電アクチュエータを上下に積み重ねた構造の圧電素子駆動式バルブとすれば良いが、このような圧電素子駆動式バルブは未だ開発されていないのが現状である。

　また、二つの圧電アクチュエータをただ単に上下に積み重ねた圧電素子駆動式バルブにおいては、配線等に問題を生じることになる。

　尚、長尺状の圧電アクチュエータを作製すれば、ストロークを大きくすることができるが、圧電素子を積層するタイプの圧電アクチュエータにおいては、圧電素子を長尺化すると、圧電素子全体が反ったりすることがあり、精度の良い長尺状の圧電アクチュエータを作製することができないと云う問題がある。また、圧電素子を長尺化すると、横方向（軸線に直交する方向）からの外力に対して弱くなり、横方向からの衝撃により圧電素子が破損し易いと云う問題がある。

特開２００３－１２０８３２号公報特開２００４－１９７７５４号公報特開２００５－１４９０７５号公報特開２００７－１９２２６９号公報特許２００８－２４９００２号公報特許２００９－２０４０４５号公報特許２０１１－１１７４９９号公報

　本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、複雑な機構を用いることなく、圧電素子の変位量を大きくすることができると共に、配線等に支障を来たさない圧電素子駆動式バルブ及び圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第１の態様は、流体通路及び弁座を設けた本体と、本体の弁座に当離座して流体通路を開閉する弁体と、圧電素子の伸長を利用して前記弁体を開閉駆動する圧電アクチュエータとを備えた圧電素子駆動式バルブにおいて、少なくとも二つの圧電アクチュエータを、配線を引き出し可能なスペーサを介して一直線上に配設した積み重ねたことに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第２の態様は、上記第１の態様において、少なくとも二つの圧電アクチュエータを一直線上に収容して支持する有底筒状のアクチュエータボックスを更に有し、当該アクチュエータボックスは、一方の圧電アクチュエータを収容する第１筒部と、他方の圧電アクチュエータを収容する第２筒部と、第１筒部と第２筒部とを着脱自在に連結して一方の圧電アクチュエータと他方の圧電アクチュエータとの間にスペーサの収容空間を形成する筒状の連結体とから成り、前記連結体に配線を引き出せる開口部を形成したことに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第３の態様は、上記第２の態様において、弁体が自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムにより形成されていると共に、アクチュエータボックスが本体側に移動自在に支持されており、アクチュエータボックスの基端部周壁を通過してアクチュエータボックスの底壁上面に対向する上壁を有する割りベースと、アクチュエータボックスの底壁と割りベースの上壁との間に介設されてアクチュエータボックスを弁体側へ押圧付勢して弁体を弁座へ当座させる弾性体とを備え、圧電アクチュエータが伸長したときに弾性体の弾性力に抗してアクチュエータボックスを移動させて前記弁体が弁座から離座することに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第４の態様は、上記第１の態様、第２の態様又は第３の態様において、スペーサが、周壁に配線を引き出せる開口部又は切欠部を備えた円筒状に形成されていることに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第５の態様は、上記第４の態様において、スペーサの周壁に、開口部又は切欠部を円周方向に一定の間隔で複数個形成したことに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第６の態様は、上記第１の態様、第２の態様又は第３の態様において、スペーサが、配線を引き出せる円形の柵構造又は円形の格子構造に形成されていることに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第７の態様には、上記第２の態様又は第３の態様において、スペーサ及びアクチュエータボックスが、熱膨張係数が同じ材料により形成されていることに特徴がある。

　本発明に係る圧電素子駆動式バルブの第８の態様は、上記第７の態様において、スペーサとアクチュエータボックスの第１筒部、第２筒部及び連結体とをそれぞれ同じインバー材により形成したことに特徴がある。

　本発明に係る流量制御装置の第１の態様は、上記した第１の態様に記載の圧電素子駆動式バルブを備えていることに特徴がある。

　本発明に係る流量制御装置の第２の態様は、上記流量制御装置の第１の態様において、弁体より下流側の流体通路に配設されたオリフィスと、弁体とオリフィスの間の流体通路に配設された圧力センサと、圧力センサの検出値に基づいて一方の圧電アクチュエータ及び他方の圧電アクチュエータを制御する制御部とを更に有することに特徴がある。

　本発明に係る流量制御装置の第３の態様は、上記流量制御装置の第１の態様において、弁体の上流側に配設した熱式の流量センサによって圧電アクチュエータを制御することに特徴がある。

　本発明の圧電素子駆動式バルブは、少なくとも二つの圧電アクチュエータを、配線を引き出し可能なスペーサを介して上下一直線上に配設する構成としているため、圧電アクチュエータを一つだけ使用した従来の圧電素子駆動式バルブに比較して圧電素子の変位量を大きくすることができ、その結果、ストロークが大きくなって大流量の流体を制御することができる。

　本発明の圧電素子駆動式バルブは、二つの圧電アクチュエータをスペーサを介して配設する構成としているため、従来の圧電素子駆動式バルブのように圧電アクチュエータと弁棒との間に複雑な構造の変位拡大機構を組み込む必要もなく、組み立てを簡単且つ容易に行える。

　本発明の圧電素子駆動式バルブは、スペーサが配線を引き出し可能な構成となっているため、二つの圧電アクチュエータを配設しても配線が可能となる。
　特に、開口部又は切欠部を複数個形成したスペーサ、或いは、円形の柵構造又は円形の格子構造に形成したスペーサを用いた場合には、配線をスペーサのどの方向へも引き出すことができ、至極便利である。

　本発明の圧電素子駆動式バルブは、スペーサと圧電アクチュエータを収容するアクチュエータボックスとを熱膨張係数の小さい同じ材料により形成しているため、熱によるスペーサとアクチュエータボックスの伸縮量を合わせることができ、その結果、上段の圧電アクチュエータの上端に隙間ができることがなく、圧電アクチュエータの圧電素子の伸長時にその発生力をアクチュエータボックスへ確実且つ良好に伝達するとこができ、高精度な流量制御を行える。

　本発明の流量制御装置は、少なくとも二つの圧電アクチュエータをスペーサを介して一直線上に配設して成る圧電素子駆動式バルブを備えているため、大流量の流体を高精度で制御することができる。

本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置の断面図である。圧電素子駆動式バルブに用いる割りベースの平面図である。図２のＩ－Ｉ線断面図である。圧電素子駆動式バルブに用いるアクチュエータボックスの分解断面図である。圧電素子駆動式バルブに用いるスペーサの斜視図である。スペーサの他の例を示す斜視図である。スペーサの更に他の例を示す斜視図である。スペーサの更に他の例を示す斜視図である。従来の圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置の断面図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置を示し、当該流量制御装置は、圧電素子駆動式バルブ１と、圧電素子駆動式バルブ１の本体７の上流側にボルト（図示省略）により締め付け固定され、本体７の流体通路７ａに連通する入口側流体通路２ａを形成した入口側ブロック２と、本体７と入口側ブロック２との間に介設されたシール用のガスケット３と、圧電素子駆動式バルブ１の本体７の下流側にボルト（図示省略）により締め付け固定され、本体７の流体通路７ａに連通する出口側流体通路４ａを形成した出口側ブロック４と、本体７と出口側ブロック４との間に介設された流量制御用のガスケット型オリフィス５と、圧電素子駆動式バルブ１の本体７に配設され、ガスケット型オリフィス５の上流側の圧力を検出する圧力センサ６と、圧電素子駆動式バルブ１を制御する制御部（図示省略）等から構成されており、ガスケット型オリフィス５の上流側圧力によりオリフィス通過流量を演算しながら圧電素子駆動式バルブ１の開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式の流量制御装置となっている。

　尚、入口側ブロック２、出口側ブロック４、ガスケット型オリフィス５、圧力センサ６及び制御部（図示省略）は、従来公知のものと同様構造に構成されているため、ここではその詳細な説明を省略する。
　また、図１に示す圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置は、装置自体を縦向きに配置して使用している。

　前記圧電素子駆動式バルブ１は、図１に示す如く、本体７と、弁体８と、押えアダプター９と、割りベース１０と、ベース押え１１と、有底筒状のアクチュエータボックス１２と、ダイヤフラム押え１３と、弾性体１４と、下部受台１５と、上下二段の二つの圧電アクチュエータ１６と、スペーサ１７と、上部受台１８と、スラストベアリング１９と、調整用袋ナット２０と、ロックナット２１等を備えており、電圧の印加によって二つの圧電アクチュエータ１６が伸長すると、アクチュエータボックス１２がベース押え１１に支持された状態で弾性体１４の弾性力に抗して上昇し、これに伴って弁体８がその弾性力により弁座７ｃから離座して流体通路７ａを開放し、また、二つの圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、二つの圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、アクチュエータボックス１２が弾性体１４の弾性力により押し下げられ、これに伴って弁体８がダイヤフラム押え１３により下方へ押圧されて弁座７ｃへ当座して流体通路７ａを閉鎖するノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブ１に構成されている。

　具体的には、前記本体７は、ステンレス材等の金属材によりブロック状に形成されており、流体通路７ａと、流体通路７ａに連通して弁室の一部を形成する上方が開放された凹部７ｂと、弁室の底面に形成された環状の弁座７ｃとを備えている。

　前記弁体８は、耐久性、耐食性、耐熱性に優れた金属材により中央部が僅かに上方へ膨出した逆皿型に形成された自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムから成り、弁座７ｃと対向するように凹部７ｂ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター９等により本体７側へ気密状に保持固定され、下方への押圧により弁座７ｃへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座７ｃから離座するようになっている。
　尚、金属ダイヤフラムの材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、また、金属ダイヤフラムは、１枚の金属ダイヤフラムを使用するか、或いは、複数枚のダイヤフラムを積層した金属ダイヤフラムであっても良く、更に、金属ダイヤフラムの形状は、平板状であっても良い。

　前記押えアダプター９は、ステンレス材等の金属材により環状に形成されており、本体７の凹部７ｂ内に挿入されて弁体８（金属ダイヤフラム）の外周縁部を本体７側へ気密状に押圧固定するものである。

　前記割りベース１０は、図２及び図３に示す如く、ステンレス材等の金属材により形成された半割り状の一対の割りベース片１０′から成り、各割りベース片１０′をアクチュエータボックス１２の下端部（基端部）に両側から対向状に組み付け、この状態で各割りベース片１０′とアクチュエータボックス１２の下端部とを本体７の凹部７ｂ内に挿入すると共に、当該凹部７ｂ内にベース押え１１の下端部を挿入し、ベース押え１１をボルト２２により本体７へ締め付け固定することによって、押えアダプター９を押圧しつつ本体７の凹部７ｂに保持固定されている。
　また、割りベース１０を構成する二つの割りベース片１０′は、短い円筒部１０ａと、円筒部１０ａの下端に連設されて本体７の凹部７ｂ内に挿入される鍔部１０ｂと、円筒部１０ａの上端に連設された上壁１０ｃと、上壁１０ｃに形成されてアクチュエータボックス１２の周壁の一部が挿通される挿通孔１０ｄと、上壁１０ｃに連設されてアクチュエータボックス１２の下端部周壁に形成したガイド穴１２ｄに挿通され、アクチュエータボックス１２の底壁１２ｃ上面に対向する嵌合部１０ｅとをそれぞれ備えている。
　更に、割りベース１０の嵌合部１０ｅとアクチュエータボックス１２の底壁１２ｃとの間には、アクチュエータボックス１２を下方へ押圧附勢してダイヤフラム押え１３を介して弁体８の中央部分を弁座７ｃへ当座させる複数枚の皿バネから成る弾性体１４が介設されている。

　前記ベース押え１１は、ステンレス材等の金属材により筒状に形成されており、下端部外周面には、本体７の凹部７ｂの内周縁部に対向するフランジ部１１ａが形成されていると共に、内周面には、複数本のＯリング２３が一定間隔毎に嵌着されている。
　このベース押え１１は、ボルト２２により本体７側へ起立姿勢で固定されており、アクチュエータボックス１２を本体７側へ昇降自在に支持すると共に、弁体８の外周縁部、押えアダプター９及び割りベース１０の鍔部１０ｂを本体７側へ押圧固定するためのものである。

　前記アクチュエータボックス１２は、図１に示す如く、熱膨張係数の小さい材料（好ましくは、２×１０^－６／Ｋ以下）により有底筒状に形成されており、二つの圧電アクチュエータ１６、弾性体１４、下部受台１５及びスペーサ１７を一直線上に収容支持した状態でその下端部がベース押え１１にＯリング２３を介して昇降自在に挿入支持されている。

　即ち、前記アクチュエータボックス１２は、下段（一方）の圧電アクチュエータ１６、弾性体１４及び下部受台１５を収容する有底筒状の第１筒部１２Ａと、上段（他方）の圧電アクチュエータ１６を収容する第２筒部１２Ｂと、第１筒部１２Ａと第２筒部１２Ｂとを着脱自在に連結して下段（一方）の圧電アクチュエータ１６と上段（他方）の圧電アクチュエータ１６との間にスペーサ１７等の収容空間を形成する筒状の連結体１２Ｃとを備えており、弁体８の中央部を下方へ押し下げる作用をするものである。

　前記第１筒部１２Ａは、図４に示す如く、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により有底筒状に形成されており、下段の圧電アクチュエータ１６を収納し且つ下端部がベース押え１１内にＯリング２３を介して上下方向へ摺動自在に挿入された筒状の大径部１２ａと、大径部１２ａの下端に一体的に設けられ、弾性体１４及び下部受台１５を収納する筒状の小径部１２ｂとから成る。
　また、小径部１２ｂの内方には、底壁１２ｃが一体的に設けられており、底壁１２ｃの上方空間に弾性体１４及び下部受台１５が収納され、底壁１２ｃの下方空間にダイヤフラム押え１３が挿入固定されている。
　更に、大径部１２ａと小径部１２ｂの境界部分の周壁には、割りベース１０の嵌合部１０ｅが挿入される縦長のガイド穴１２ｄが対向状に形成されている。
　そして、大径部１２ａの上端部外周面には、連結体１２Ｃが着脱自在に螺着される雄ネジ１２ｅが形成されている。

　前記第２筒部１２Ｂは、図４に示す如く、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により筒状に形成されており、内方に上段の圧電アクチュエータ１６を収納するものである。
　この第２筒部１２Ｂの下端部外周面には、連結体１２Ｃが着脱自在に螺着される雄ネジ１２ｆが形成されていると共に、第２筒部１２Ｂの上端部外周面には、調整用袋ナット２０及びロックナット２１が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ１２ｆが形成されている。

　前記連結体１２Ｃは、図４に示す如く、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により筒状に形成されており、第１筒部１２Ａと第２筒部１２Ｂとを連結して内方にスペーサ１７やリード端子１６ｃ、コネクタ（図示省略）等を収容するものである。
　この連結体１２Ｃの両端部内周面には、第１筒部１２Ａの雄ネジ１２ｅ及び第２筒部１２Ｂの雄ネジ１２ｆにそれぞれ着脱自在に螺着される雌ネジ１２ｇが形成されていると共に、周壁には、配線を引き出せる開口部１２ｈが形成されている。
　尚、図１及び図４においては、連結体１２Ｃの開口部１２ｈを一つとしているが、連結体１２Ｃの周壁に円周方向に沿って開口部１２ｈを一定の間隔で複数個形成しても良い。この場合、配線を連結体１２Ｃのどの方向へも引き出すことができる。

　前記上下二段の圧電アクチュエータ１６は、図１に示す如く、何れも一端部が閉塞された金属製のケーシング１６ａ内に積層型の圧電素子（図示省略）を収容し、ケーシング１６ａの他端部を段付きのベース１６ｂで密封状に封止すると共に、当該ベース１６ｂからリード端子１６ｃが突出した状態となっており、圧電素子の伸縮に伴ってケーシング１６ａの先端部に設けた半球状の変位部１６ｄが圧電アクチュエータ１６の軸心に沿って往復移動する積層型の圧電アクチュエータ１６に構成されている。

　下段の圧電アクチュエータ１６は、図１に示す如く、その半球状の変位部１６ｄが下を向く状態でアクチュエータボックス１２の第１筒部１２Ａ内に収容されており、その下端部（変位部１６ｄ）が割りベース１０の嵌合部１０ｅに下部受台１５を介して支持されていると共に、リード端子１６ｃがスペーサ１７内に位置している。
　尚、下部受台１５は、ステンレス材等の金属材により円盤状に形成されており、その上面中心部には、下段の圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ｄが位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受溝が形成されている。

　一方、上段の圧電アクチュエータ１６は、図１に示す如く、その半球状の変位部１６ｄが上を向く状態でアクチュエータボックス１２の第２筒部１２Ｂ内に収容されており、その下端部（段付きのベース１６ｂ）がスペーサ１７を介して下段の圧電アクチュエータ１６に積み重ねられていると共に、その上端部（変位部１６ｄ）が第２筒部１２Ｂの上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット２０に上部受台１８及びスラストベアリング１９を介して位置調整可能に支持されている。
　また、上段の圧電アクチュエータ１６のリード端子１６ｃは、下段の圧電アクチュエータ１６のリード端子１６ｃと同様にスペーサ１７内に位置している。
　尚、上部受台１８は、ステンレス材等の金属材により円盤状に形成されており、その下面中心部には、上段の圧電アクチュエータ１６の半球状の変位部１６ｄが位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受溝が形成されている。

　而して、前記上下二段の圧電アクチュエータ１６は、電圧の印加により上方へ伸長してアクチュエータボックス１２を弾性体１４の弾性力に抗して上方へ押し上げるようになっている。

　前記スペーサ１７は、熱によるスペーサ１７とアクチュエータボックス１２の伸縮量を合わせるため、アクチュエータボックス１２と同じように熱膨張係数の小さい材料（好ましくは、２×１０^－６／Ｋ以下）により形成されている。

　即ち、スペーサ１７は、図５に示す如く、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により円筒状に形成されており、その周壁には、配線を引き出せる四角形状の開口部１７ａが一つ形成されている。
　また、スペーサ１７の上端面及び下端面には、上段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂ及び下段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに緊密に嵌合する段付き部１７ｂが形成されており、スペーサ１７の上端部及び下端部を上下二段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに嵌め合せたときに、スペーサ１７と上下二段の圧電アクチュエータ１６とが軸心同士が一致するように位置決めされて一直線上に配置されるようになっている。

　図６はスペーサ１７の他の例を示し、当該スペーサ１７は、周壁に円周方向に沿って開口部１７ａを一定の間隔で複数個（この例では、４個）形成したものであり、その他の構造は図５に示すスペーサ１７と同じに構造に構成されている。
　このスペーサ１７は、複数個の開口部１７ａを備えているため、スペーサ１７の開口部１７ａと連結体１２Ｃの開口部１２ｈとが合致し易くなると共に、配線をスペーサ１７のどの方向へも引き出すことができる。

　尚、上記の実施形態においては、スペーサ１７の周壁に開口部１７ａを形成したが、他の実施形態においては、図示していないが、スペーサ１７の上端部周壁又は下端部周壁に配線引き出し用の切欠部を一つ又は複数個形成するようにしても良い。

　図７はスペーサ１７の更に他の例を示し、当該スペーサ１７は、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により円形の柵構造に構成されており、配線をスペーサ１７のどの方向へも引き出すことができる。
　このスペーサ１７は、環状の上部部材１７Ａと、上部部材１７Ａに対向状に配置された環状の下部部材１７Ｂと、上部部材１７Ａと下部部材１７Ｂとを連結する複数本の棒状連結部材１７Ｃとを備えている。
　また、スペーサ１７の上部部材１７Ａの上面及び下部部材１７Ｂの下面には、上段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂ及び下段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに緊密に嵌合する段付き部１７ｂが形成されており、スペーサ１７の上端部及び下端部を上下二段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに嵌め合せたときにスペーサ１７と上下二段の圧電アクチュエータ１６とが位置決めされて一直線上に配置されるようになっている。

　図８はスペーサ１７の更に他の例を示し、当該スペーサ１７は、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材により円形の格子構造に構成されており、配線をスペーサ１７のどの方向へも引き出すことができる。
　このスペーサ１７は、環状の上部部材１７Ａと、上部部材１７Ａに対向状に配置された環状の下部部材１７Ｂと、上部部材１７Ａと下部部材１７Ｂとを連結する格子状連結部材１７Ｄとを備えている。
　また、スペーサ１７の上部部材１７Ａの上面及び下部部材１７Ｂの下面には、上段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂ及び下段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに緊密に嵌合する段付き部１７ｂが形成されており、スペーサ１７の上端部及び下端部を上下二段の圧電アクチュエータ１６の段付きのベース１６ｂに嵌め合せたときにスペーサ１７と上下二段の圧電アクチュエータ１６とが位置決めされて一直線上に配置されるようになっている。

　而して、前記圧電素子駆動式バルブ１によれば、制御部（図示省略）から上下二段の圧電アクチュエータ１６に駆動電圧が印加されると、上下二段の圧電アクチュエータ１６は印加電圧に応じて設定値だけ上方へ伸長する。
　これにより、大きな押し上げ力がスペーサ１７、上部受台１８、スラストベアリング１９及び調整用袋ナット２０を介してアクチュエータボックス１２に働き、当該アクチュエータボックス１２がベース押え１１にその軸心を保持された状態で弾性体１４の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、弾性体１４がその弾性力によって弁座７ｃから離座し、圧電素子駆動式バルブ１は開弁状態となる。
　尚、圧電素子駆動式バルブ１の開度は、ピエゾ駆動素子１４への印加電圧を変動することにより調節されている。

　一方、上下二段の圧電アクチュエータ１６への印加電圧を解除すると、上下二段の圧電アクチュエータ１６が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、弾性体１４の弾性力によりアクチュエータボックス１２が押し下げられ、アクチュエータボックス１２の下端に設けたダイヤフラム押え１３により弁体８の中央部分が弁座７ｃ側へ押し下げられて弁座７ｃへ当座し、圧電素子駆動式バルブ１は閉弁状態となる。

　前記圧電素子駆動式バルブ１は、二つの圧電アクチュエータ１６を、配線を引き出し可能なスペーサ１７を介して上下一直線上に積み重ねる構成としているため、圧電素子の変位量を大きくすることができ、その結果、ストロークが大きくなって大流量の流体を制御することができる。
　また、圧電素子駆動式バルブ１は、二つの圧電アクチュエータ１６をスペーサ１７を介して積み重ねるだけで良いため、組み立てを簡単且つ容易に行える。
　更に、圧電素子駆動式バルブ１は、スペーサ１７が配線を引き出し可能な構成となっているため、二つの圧電アクチュエータ１６を積み重ねても配線が可能となる。
　そして、圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置は、圧電アクチュエータ１６を上下に積み重ねているため、大流量の流体を高精度で制御することができる。

　尚、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を圧力制御式の流量制御装置に用いるようにしたが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を熱式の流量センサによる熱式の流量制御装置に用いるようにしても良い。

　また、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１をノーマルクローズ型としたが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１をノーマルオープン型としても良い。

　更に、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１の弁体８に金属ダイヤフラムを使用するようにしたが、他の実施形態においては、金属ダイヤフラム以外の弁体８を使用するようにしても良い。

　更に、上記の実施形態においては、二つの圧電アクチュエータ１６をスペーサ１７を介して上下一直線上に積み重ねたが、他の実施形態においては、三つ以上の圧電アクチュエータ１６を、配線を引き出し可能なスペーサ１７を介して上下一直線上に積み重ねても良い。この場合、各圧電アクチュエータ１６の駆動力が各スペーサ１７を介して他の圧電アクチュエータ１６へ伝わるようにすることは勿論である。また、アクチュエータボックス１２は、各スペーサ１７に対向する部分で三つ以上に分割し、この分割した三つ以上の部材を連結体１２Ｃを介して着脱自在に連結できるようにすることは勿論である。

　更に、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置を縦向きに配置して使用したが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置を横向き（水平姿勢）に配置して使用しても良い。この場合、二つの圧電アクチュエータ１６は、スペーサ１７を介して前後又は左右に一直線上に配設されることになる。

　１は圧電素子駆動式バルブ、２は入口側ブロック、２ａは入口側流体通路、３はガスケット、４は出口側ブロック、４ａは出口側流体通路、５はガスケット型オリフィス、６は圧力センサ、７は本体、７ａは流体通路、７ｂは凹部、７ｃは弁座、８は弁体（金属ダイヤフラム）、９は押えアダプター、１０は割りベース、１０′は割れベース片、１０ａは短い円筒部、１０ｂは鍔部、１０ｃは上壁、１０ｄは挿通孔、１０ｅは嵌合部、１１はベース押え、１１ａはフランジ部、１２はアクチュエータボックス、１２Ａは第１筒部、１２Ｂは第２筒部、１２Ｃは連結体、１２ａは大径部、１２ｂは小径部、１２ｃは底壁、１２ｄはガイド穴、１２ｅは下部筒部の雄ネジ、１２ｆは上部筒部の雄ネジ、１２ｇは雌ネジ、１２ｈは開口部、１３はダイヤフラム押え、１４は弾性体、１５は下部受台、１６は圧電アクチュエータ、１６ａはケーシング、１６ｂはベース、１６ｃはリード端子、１６ｄは変位部、１７はスペーサ、１７ａは開口部、１７ｂは段付き部、１７Ａは環状の上部部材、１７Ｂは環状の下部部材、１７Ｃは棒状連結部材、１７Ｄは格子状連結部材、１８は上部受台、１９はスラストベアリング、２０は調整用袋ナット、２１はロックナット、２２はボルト、２３はＯリング、２４は制御部。

Claims

　流体通路及び弁座を設けた本体と、本体の弁座に当離座して流体通路を開閉する弁体と、圧電素子の伸長を利用して前記弁体を開閉駆動する圧電アクチュエータとを備えた圧電素子駆動式バルブにおいて、少なくとも二つの圧電アクチュエータを、配線を引き出し可能なスペーサを介して一直線上に配設したことを特徴とする圧電素子駆動式バルブ。
　少なくとも二つの圧電アクチュエータを一直線上に収容して支持する有底筒状のアクチュエータボックスを更に有し、当該アクチュエータボックスは、一方の圧電アクチュエータを収容する第１筒部と、他方の圧電アクチュエータを収容する第２筒部と、第１筒部と第２筒部とを着脱自在に連結して一方の圧電アクチュエータと他方の圧電アクチュエータとの間にスペーサの収容空間を形成する筒状の連結体とから成り、前記連結体に配線を引き出せる開口部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　弁体が自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムにより形成されていると共に、アクチュエータボックスが本体側に移動自在に支持されており、アクチュエータボックスの基端部周壁を通過してアクチュエータボックスの底壁上面に対向する上壁を有する割りベースと、アクチュエータボックスの底壁と割りベースの上壁との間に介設されてアクチュエータボックスを弁座側へ押圧付勢して弁体を弁座へ当座させる弾性体とを備え、圧電アクチュエータが伸長したときに弾性体の弾性力に抗してアクチュエータボックスを移動させて前記弁体が弁座から離座することを特徴とする請求項２に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　スペーサは、周壁に配線を引き出せる開口部又は切欠部を備えた円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　スペーサの周壁に、開口部又は切欠部を円周方向に一定の間隔で複数個形成したことを特徴とする請求項４に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　スペーサは、配線を引き出せる円形の柵構造又は円形の格子構造に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　スペーサ及びアクチュエータボックスは、熱膨張係数が同じ材料により形成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　スペーサと、アクチュエータボックスの第１筒部、第２筒部及び連結体とをそれぞれ同じインバー材により形成したことを特徴とする請求項７に記載の圧電素子駆動式バルブ。
　請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置。
　弁体より下流側の流体通路に配設されたオリフィスと、弁体とオリフィスの間の流体通路に配設された圧力センサと、圧力センサの検出値に基づいて一方の圧電アクチュエータ及び他方の圧電アクチュエータを制御する制御部とを更に有することを特徴とする請求項９に記載の流量制御装置。
　弁体の上流側に配設した熱式の流量センサによって圧電アクチュエータを制御することを特徴とする請求項９に記載の流量制御装置。