WO2018123852A1 - 圧電素子駆動式バルブおよび流量制御装置 - Google Patents

圧電素子駆動式バルブおよび流量制御装置 Download PDF

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piezoelectric element
valve
piezoelectric
strain sensor
strain
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PCT/JP2017/046094
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土肥　亮介
薫 平田
勝幸 杉田
川田　幸司
西野　功二
池田　信一
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株式会社フジキン
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    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element-driven valve and a flow rate control device including the same, and more particularly to a piezoelectric element-driven valve provided in a flow rate control device used in a semiconductor manufacturing apparatus, a chemical plant, or the like.
  • the pressure type flow rate control device can control the flow rate of various fluids with high accuracy by a relatively simple mechanism combining a piezoelectric (piezoelectric) element drive type pressure control valve and a throttle (for example, an orifice plate). It is widely used in semiconductor manufacturing equipment and chemical plants (for example, Patent Document 1).
  • a piezoelectric element-driven control valve configured to open and close a valve body (for example, a metal diaphragm) by an actuator using a piezoelectric element (hereinafter, also referred to as “piezoelectric actuator”).
  • piezoelectric actuator also referred to as “control valve”.
  • Piezoelectric element drive type control valves are classified into a normal open type and a normal close type, and a mechanism for converting the expansion of the piezoelectric actuator into the opening / closing operation of the valve body is provided corresponding to each type.
  • the flow control device has been required to be applied to, for example, ALD (Atomic Layer Deposition), and in such applications, the control valve is opened and closed by a high-speed (very short cycle) pulse control signal. Is required. In this case, the opening / closing speed, the displacement amount, and the opening / closing frequency of the piezoelectric element drive control valve are remarkably increased.
  • the drive voltage of the control valve is feedback-controlled based on the output of the pressure sensor, and the absolute value of the drive voltage is not so much problem for flow control. In other words, even if the relationship between the actual valve opening / closing degree and the drive voltage fluctuates due to aging degradation, no major problem has occurred from the viewpoint of flow rate control.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has as its main object to provide a piezoelectric element-driven valve with improved performance in finding and predicting malfunctions and a flow control device including the same. To do.
  • a piezoelectric element-driven valve includes a valve seat provided in a flow path, a valve body that is attached to and detached from the valve seat, and a piezoelectric element, and the valve body moves by extension of the piezoelectric element. And a detection mechanism that detects an extension amount of the piezoelectric element.
  • the detection mechanism includes a strain sensor, and the amount of movement of the valve element is measured based on an output of the strain sensor.
  • the piezoelectric element driven valve includes a support cylinder that houses the piezoelectric element and moves as the piezoelectric element extends, and the valve element moves as the support cylinder moves. Has been.
  • the detection mechanism further includes a leaf spring member to which the strain sensor is fixed, and a force applied to the leaf spring member is changed by extension of the piezoelectric element.
  • one end of the leaf spring member is maintained at a position that does not move with respect to the valve body, and the other end of the leaf spring member is connected to the support cylinder.
  • the piezoelectric element-driven valve includes a storage device that stores a table indicating a relationship between an output of the strain sensor and a moving amount of the support cylinder, and the support cylinder and the table using the table. The amount of movement of the valve body is detected.
  • the amount of movement of the valve element is monitored using the detection mechanism and compared with a normal state to determine whether there is an abnormality in the piezoelectric actuator including the piezoelectric element.
  • the strain sensor is directly fixed to a side surface of the piezoelectric element.
  • the strain sensor includes a longitudinal strain gauge for detecting strain in the extension direction of the piezoelectric element, and a lateral strain gauge for detecting strain in a direction orthogonal to the extension direction of the piezoelectric element. including.
  • the piezoelectric element driven valve is a normally closed control valve.
  • the piezoelectric element drive type valve is used as a variable orifice device, and is configured to detect the orifice opening degree and control the opening degree position using the detection mechanism.
  • a flow control device comprising: a throttle portion; any one of the piezoelectric element driven valves provided upstream of the throttle portion; and the throttle portion and the piezoelectric element driven valve.
  • a pressure sensor for measuring the pressure of the gas, and an arithmetic processing circuit for determining a driving voltage of the piezoelectric element driving valve based on an output of the pressure sensor.
  • a flow rate control device includes a piezoelectric element driving valve used as the variable orifice device, and an arithmetic processing circuit provided for the piezoelectric element driving valve.
  • the piezoelectric element driven valve is feedback-controlled based on the output of the strain sensor.
  • FIG. 3 is a view showing a support cylinder of the valve shown in FIG. 2, wherein (a) is a side sectional view and (b) is a sectional view taken along line AA in (a).
  • FIG. 3 is a diagram showing a split base of the valve shown in FIG. 2, wherein (a) is a plan view and (b) is a side view taken along line BB of (a). It is a schematic diagram showing a piezoelectric element drive type valve according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an exemplary bridge circuit for obtaining a strain sensor output in an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the structure of the flow control apparatus in the case of using the piezoelectric element drive type valve provided with the distortion sensor in embodiment of this invention as a throttle part with a variable opening degree.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pressure type flow control device 8 according to an embodiment of the present invention.
  • the pressure type flow control device 8 (hereinafter sometimes referred to as the flow control device 8) includes a throttle portion 2 (for example, an orifice plate) interposed in a flow path (gas supply path) 1 through which the fluid G passes, and a throttle section 2.
  • the first pressure sensor 3 and the temperature sensor 5 provided on the upstream side, the second pressure sensor 4 provided on the downstream side of the throttle unit 2, and the control valve 6 provided on the upstream side of the first pressure sensor 3.
  • the control valve 6 of the present embodiment is a piezoelectric element drive type valve, and includes a valve mechanism 6A and a drive mechanism 6B including a piezoelectric element.
  • the first pressure sensor 3 can measure an upstream pressure P 1 that is a fluid pressure between the control valve 6 and the throttle portion 2, and the second pressure sensor 4 is between the throttle portion 2 and the downstream valve 9.
  • the downstream pressure P 2 which is the fluid pressure, can be measured.
  • the flow control device 8 also includes an arithmetic processing circuit 7 that controls the opening / closing operation of the control valve 6 based on the outputs of the first pressure sensor 3 and the second pressure sensor 4.
  • the arithmetic processing circuit 7 compares the set flow rate received from the external control device 12 with the flow rate calculated from the outputs of the first and second pressure sensors 3 and 4 and controls the control valve 6 so that the calculated flow rate approaches the set flow rate.
  • the drive mechanism 6B is controlled.
  • the flow control device 8 does not have to include the second pressure sensor 4.
  • the arithmetic processing circuit 7 calculates the flow rate based on the output of the first pressure sensor 3. be able to.
  • the arithmetic processing circuit 7 is configured to correct the arithmetic flow rate based on the fluid temperature measured by the temperature sensor 5.
  • the flow control device 8 may include an inflow pressure sensor 13 (see FIG. 5) for measuring the gas supply pressure on the upstream side of the control valve 6.
  • the inflow pressure sensor 13 can measure the pressure of gas supplied from a gas supply device (for example, a raw material vaporizer) connected to the upstream side, and can be used to control the gas supply amount or supply pressure. .
  • a critical nozzle or a sonic nozzle can be used in addition to an orifice member such as an orifice plate.
  • the diameter of the orifice or nozzle is set to 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, for example.
  • the throttle unit 2 functions as a throttle unit with a fixed opening.
  • downstream valve 9 for example, a known fluid operation valve in which the supply of compressed air is controlled by an electromagnetic valve can be used.
  • An orifice built-in valve in which an orifice member is disposed in the vicinity of the on-off valve is known, and this may be incorporated in the flow control device 8 as a configuration in which the throttle portion 2 and the downstream valve 9 are integrated.
  • the flow path 1 of the flow control device 8 may be configured by piping or may be configured by a flow path hole formed in a metal block.
  • the first and second pressure sensors 3 and 4 may include, for example, a silicon single crystal sensor chip and a metal diaphragm.
  • control valve 6 is a piezoelectric element drive type control valve that opens and closes a valve mechanism 6A using, for example, a metal diaphragm as a valve body, using a drive mechanism 6B configured by a piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric element drive type control valve that opens and closes a valve mechanism 6A using, for example, a metal diaphragm as a valve body, using a drive mechanism 6B configured by a piezoelectric actuator.
  • the detailed configuration of the control valve 6 will be described later.
  • the upstream side of the control valve 6 is connected to a gas supply source such as a source gas, an etching gas, or a carrier gas, and is downstream of the second pressure sensor 4.
  • a gas supply source such as a source gas, an etching gas, or a carrier gas
  • a vacuum pump 11 for performing a vacuum process is connected to the process chamber 10.
  • the inside of the process chamber 10 is evacuated when a gas is supplied.
  • the flow rate control device 8 of the present embodiment is a pressure type flow rate control device, and the critical expansion condition P 1 / P 2 ⁇ about 2 (P 1 : gas pressure (upstream pressure) on the upstream side of the throttle part, P 2 : throttle
  • P 1 gas pressure (upstream pressure) on the upstream side of the throttle part
  • P 2 throttle
  • the flow rate can be calculated even when the difference between the upstream pressure P 1 and the downstream pressure P 2 is small and the above critical expansion conditions are not satisfied.
  • a predetermined calculation formula Q K 2 ⁇ P 2 m (P 1 ⁇ P 2 ) n (where K 2 is the type of fluid and the fluid temperature)
  • the flow rate Q can be calculated from the constants m and n, which are indices derived based on the actual flow rate.
  • the set flow rate set in the external control device 12 is sent from the external control device 12 to the arithmetic processing circuit 7.
  • the arithmetic processing circuit 7 applies the output of the first pressure sensor 3 (upstream pressure P 1 ), optionally the output of the second pressure sensor 4 (downstream pressure P 2 ), and the output of the temperature sensor 5 (gas temperature T 1 ).
  • the control valve 6 is controlled so that the flow rate of the fluid passing through the throttle unit 2 approaches the set flow rate. Further, the calculated flow rate may be output to the external control device 12 and displayed as a flow rate output value.
  • control valve 6 of this embodiment will be described in detail.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the control valve 6.
  • the control valve 6 is a normally closed piezoelectric element driving valve that opens and closes the valve element 22 using the piezoelectric element 20, and increases the opening of the valve by increasing the driving voltage of the piezoelectric element 20. It is configured to be able to.
  • the control valve 6 is configured such that the valve body 21 provided with the flow path 1, the valve seat 21 a provided in the middle of the flow path 1, and the seat (i.e., contact and separation) therebetween.
  • a valve body 22 arranged, a valve body presser 25 in contact with the valve body 22, a piezoelectric element 20, and a support cylinder body 23 that accommodates the piezoelectric element 20 are provided.
  • the piezoelectric element 20 and the support cylinder 23 are disposed in the protective case 16 together with the control circuit board 7 '.
  • the valve body presser 25 is fixed to the tip of the support cylinder 23 and moves integrally with the support cylinder 23.
  • a drive voltage controlled by the arithmetic processing circuit 7 (see FIG. 1) provided on the control circuit board 7 ′ is applied to the piezoelectric element 20 via the connector 15. Accordingly, the piezoelectric element 20 expands.
  • the piezoelectric element 20 a plurality of piezoelectric elements (also referred to as a piezo stack) stacked as shown in FIG.
  • One or a plurality of piezoelectric elements 20 sealed in a metal case is known as a piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator for example, one sold by NTK Ceratech Co., Ltd. can be used.
  • one or a plurality of piezoelectric elements 20 housed in a metal case may be referred to as a piezoelectric actuator 20.
  • the valve main body 21 is made of stainless steel, and includes a hole forming a part of the valve chamber, a fluid inlet, a fluid outlet, a flow path, a valve chamber, a valve seat 21a, and the like.
  • an inlet joint and an outlet joint are respectively connected to both sides of the valve body 21 via the primary connection portion 21b and the orifice mounting portion 21c.
  • the primary connection part 21b may be constituted by, for example, a connection guide or a gasket
  • the orifice mounting part 21c may be constituted by an orifice plate, an orifice guide, a gasket or the like as the throttle part 2 shown in FIG.
  • the first pressure sensor 3 shown in FIG. 1 is attached to the lower surface side of the valve main body 21.
  • the 1st pressure sensor 3 may be attached to the upper surface side of the valve main body 21.
  • the second pressure sensor 4 (see FIG. 1) may be provided on the downstream side of the orifice mounting portion 21c.
  • the valve element 22 in this embodiment is a self-elastic return type metal diaphragm.
  • the metal diaphragm is formed of a thin plate such as nickel chrome alloy steel, for example, and is formed in an inverted dish shape with a central portion slightly bulging upward.
  • the shape of the metal diaphragm may be flat, and the material may be stainless steel, Inconel alloy or other alloy steel.
  • the valve body 22 may be constituted by a single metal diaphragm or may be constituted by a plurality of laminated metal diaphragms of 2 to 3 sheets.
  • the valve element 22 which is a metal diaphragm, is disposed in the valve chamber so as to face the valve seat 21a.
  • the outer peripheral edge of the valve body 22 is airtightly held and fixed to the valve main body 21 side by fastening a mounting bolt to the valve main body 21 through a presser adapter 25a, a split base 26 and a guide member 24.
  • the presser adapter 25a, the guide member 24, the split base 26 and the like may be made of metal such as stainless steel.
  • the guide member 24 is a hollow member provided so as to cover the lower portion of the support cylinder 23, and is fixed to the valve body 21 by a fixing member such as a screw.
  • the guide member 24 supports the support cylinder 23 and can regulate the moving direction of the support cylinder 23.
  • An O-ring 27 is provided between the guide member 24 and the support cylinder 23.
  • FIG. 3 (a) is a longitudinal sectional view of the support cylinder 23, and FIG. 3 (b) is a sectional view taken along line AA of FIG. 3 (a).
  • the support cylinder 23 is formed in a cylindrical shape by, for example, an invar material having a small coefficient of thermal expansion, and as shown in FIG. 3A, a large-diameter portion 23c that houses the piezoelectric element or the piezoelectric actuator 20, and a lower cradle 29, a reduced diameter portion 23d for accommodating the elastic member 28 and the like.
  • a fitting portion 23 e for fitting the valve body presser 25 is formed at the lowermost end portion of the support cylinder 23.
  • the fitting portion 23e is a recess into which the valve body presser 25 is inserted and fixed.
  • the fitting portion 23e is not limited thereto, and may have various modes as long as the valve body presser 25 can be fixed.
  • the support cylinder 23 and the valve body presser 25 may be provided integrally.
  • a pair of hole portions 23a are provided so as to face each other with the central axis of the support cylinder 23 interposed therebetween.
  • a pair of split base pieces 26a shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) are inserted into the hole 23a so as to face each other. Part of the inserted split base piece 26 a is combined inside the support cylinder 23, and the combined split base piece 26 a is integrally held and fixed as a split base 26 by the guide member 24.
  • the elastic member 28 shown in FIG. 2 is inserted in advance into the bottom 23b provided in the reduced diameter portion 23d.
  • FIG. 4 (a) is a plan view showing the split base 26, and FIG. 4 (b) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 (a).
  • a flange 26c is formed on the outer periphery of the lower end of the short cylindrical body having the upper wall 26b.
  • the upper wall 26b is provided with an insertion hole 26d, and the reduced diameter portion 23d of the support cylinder 23 is disposed so as to penetrate the insertion hole 26d.
  • a fitting portion 26e for supporting the lower cradle 29 is formed at the center of the upper wall 26b.
  • the collar portion of the split base 26 presses the presser adapter 25 a by receiving a pressing force from the lower end of the guide member 24.
  • the insertion hole 26 d can be inserted through the wall of the reduced diameter portion 23 d of the support cylinder 23 (a portion between the pair of holes 23 a), and the split base 26 is assembled from the outside of the support cylinder 23. Is possible.
  • valve body 22 which is a metal diaphragm, the presser adapter 25a, the valve
  • the valve body 21 the mounting recess provided in the valve body 21 (the mounting recess in which the valve seat 21a is formed).
  • the support cylinder 23 to which the body presser 25 is fixed, the elastic member 28, and the split base 26 are assembled in this order, and the support cylinder 23 is inserted into the valve body 21 via the guide member 24.
  • the lower cradle 29, the ball or hemisphere, the piezoelectric actuator 20 and the like are inserted into the support cylinder 23, and the tightening amount of the cap nut 17 which is a positioning material is adjusted. Finely adjust the operating stroke of the valve body 22 to the set value. The adjusted position of the cap nut 17 can be maintained by the lock nut 17a.
  • a hemisphere that contacts the lower surface of the piezoelectric actuator 20 is provided, and this hemisphere is supported by the lower pedestal 29.
  • the lower pedestal 29 is supported by a split base 26 shown in FIGS. 4A and 4B, and the split base 26 is fixed to the valve body 21 by a guide member 24. That is, the lower surface of the piezoelectric actuator 20 is supported by the lower pedestal 29 that is stationary with respect to the valve body 21.
  • a hemisphere formed separately is inserted between the lower cradle 29 and the piezoelectric actuator 20, but the tip is spherical at the center of the lower end surface of the piezoelectric actuator 20.
  • the protrusions are integrally formed and contacted with the lower cradle 29 as a hemisphere.
  • the piezoelectric actuator 20 when a valve opening signal is input from the arithmetic control circuit 7 via the connector 15 provided at the top (for example, input voltage 0 to 120 V), the piezoelectric actuator 20 is set by a set value (for example 0 to 45 ⁇ m). Elongate. Thereby, for example, a pushing force of about 40 to 80 kgf acts on the support cylinder 23, and the support cylinder 23 resists the elastic force of the elastic member 28 in a state where the shaft core is held by the O-ring 27 of the guide member 24. Increase by the set value. As a result, the pressing force from the valve body presser 25 to the valve body 22 decreases, and the valve body 22 is separated from the valve seat 21a by its own elastic force and opened.
  • the elastic member 28 what laminated
  • the piezoelectric actuator 20 When the valve opening input is turned off, the piezoelectric actuator 20 returns to the original length, and as a result, the bottom of the support cylinder 23 of the piezoelectric actuator 20 is pushed downward by the elastic force of the elastic member 28. Then, the valve body 22 is brought into contact with the valve seat 21a by the valve body presser 25, and the valve is closed.
  • the support cylinder 23 moves when a voltage is applied to the piezoelectric element 20 or the piezoelectric actuator 20, and the valve body presser 25 connected to the support cylinder 23. Is opened when the force applied to the valve body (metal diaphragm) 22 decreases. Therefore, in the present embodiment, a detection mechanism for detecting the extension amount of the piezoelectric element 20 or the stroke of the piezoelectric actuator 20 (more specifically, a movement amount detection mechanism 30 for detecting the movement amount of the support cylinder 23). ) And the opening degree of the valve body 22 is measured from the movement amount of the support cylinder 23 detected by the movement amount detection mechanism 30.
  • the movement amount detection mechanism 30 used for detecting the extension amount of the piezoelectric element 20 and the opening degree (movement amount) of the valve body 22 will be described in detail.
  • the movement amount detection mechanism 30 of the present embodiment includes a leaf spring member 31 and a strain sensor (also referred to as a strain gauge) 32 attached to the leaf spring member 31. It is configured using.
  • the leaf spring member 31 and the strain sensor 32 are preferably arranged so as to overlap with the valve body 21 (that is, inside the width direction above the valve body 21). Is prevented from becoming large.
  • the leaf spring member 31 is provided as a metal beam and can be deformed according to the force applied to both ends of the leaf spring member 31.
  • the upper end of the leaf spring member 31 is disposed so as to contact, for example, the support cylinder 23 or a holding member 33 fixed to the piezoelectric actuator 20, and the holding member 33 is supported by the extension of the piezoelectric element 20.
  • the holding member 33 may be provided on the upper part of the support cylinder 23, or as shown in FIG. 5, the holding member 33 is separately provided in the middle (lower part) of the support cylinder 23. It may be a fixed member.
  • the support member 34 may have a recess 34 a for receiving the lower end of the leaf spring member 31 on its upper surface.
  • the recessed part 34a is typically formed as a linear recessed part so that the lower end of the leaf
  • the support member 34 members in various modes can be used, and for example, the support member 34 may be fixed to the lower end of the leaf spring member 31.
  • the support member 34 may be a member (such as the guide member 24 itself) formed integrally with the valve body 21 or the guide member 24.
  • the size and shape of the leaf spring member 31 may be arbitrary.
  • the width is 2 mm to 15 mm
  • the length is 3 mm to 20 mm
  • the thickness is 0.2 mm to 2 mm.
  • the leaf spring member 31 may be formed of various metal materials, for example, stainless steel, spring steel, brass, phosphor bronze, beryllium steel, titanium steel, or the like.
  • the longitudinal elastic modulus (Young's modulus) of the leaf spring member 31 at room temperature is set to, for example, 80 ⁇ 10 3 N / mm 2 to 210 ⁇ 10 3 N / mm 2 .
  • a strain sensor 32 is fixed to the central portion of the leaf spring member 31.
  • the strain sensor 32 for example, KFR-02N manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd. can be used.
  • the strain sensor 32 is affixed to the leaf spring member 31 with an adhesive or the like, for example, and the magnitude of the strain generated in the leaf spring member 31 can be detected as a change in electrical resistance of the strain sensor 32.
  • the leaf spring member 31 may be attached in various manners as long as it can be deformed according to the movement of the piezoelectric actuator 20.
  • the upper end of the leaf spring member 31 may be fixed to the upper end portion of the piezoelectric actuator 20 by any means, and the lower end may be supported by the upper end surface of the guide member 24.
  • the plate spring member 31 may have both an upper end and a lower end fixed thereto.
  • a strain sensor having the same configuration as the strain sensor 32 attached to the leaf spring member 31 is provided as a reference strain sensor on a plate material having the same material and shape as the leaf spring member 31. It may be done.
  • the reference strain sensor is attached to a plate material that does not generate strain due to the movement of the support cylinder 23, and is provided to compensate for the output of the strain sensor that may fluctuate due to a temperature change or the like. Specifically, a change due to a temperature change or the like can be compensated by reading an output change of the reference strain sensor as a background change and subtracting the change from the output of the strain sensor 32.
  • a strain sensor having the same configuration as that of the strain sensor attached to the leaf spring member 31 is also attached to the opposite surface of the leaf spring member 31, and the two gauge method is used. Therefore, it is possible to compensate for variations due to temperature changes and the like.
  • the movement amount detection mechanism 30 configured in this way, the movement amount of the support cylinder 23 (that is, the extension amount of the piezoelectric element 20) can be detected from the output of the strain sensor 32.
  • the holding member 33 fixed to the piezoelectric actuator 20 moves to the position of the lower broken line, the leaf spring member 31 is deformed as indicated by the broken line, and as a result, the output of the strain sensor 32 is It shows how it changes.
  • the actual valve opening can be detected based on the movement amount of the support cylinder 23 obtained from the output of the strain sensor 32. For this reason, compared with the case where it estimates from the drive voltage of the piezoelectric element 20, a valve opening degree can be detected more correctly.
  • FIG. 6 shows the configuration of the test apparatus 60.
  • the piezoelectric element 20 is fixed to the upper surface of the base 61, the lower end of the leaf spring member 31 is disposed on the upper surface of the piezoelectric element 20, and the upper end of the leaf spring member 31 is in contact with the fixed surface 62.
  • the leaf spring member 31 is bent in accordance with the degree of expansion of the piezoelectric element 20.
  • a first strain sensor 32A is attached to the leaf spring member 31, and the curvature (or applied stress) of the leaf spring member is detected by the first strain sensor 32A.
  • the size of the piezoelectric element used for the test is 10.8 mm long ⁇ 10.8 mm wide ⁇ 18.0 mm high.
  • the strain sensor (second strain sensor) 32B is directly attached to the piezoelectric element 20 itself, and whether or not the extension amount of the piezoelectric element 20 can be detected by the second strain sensor 32B. Is also testing at the same time.
  • a laser configured to irradiate the reflection member 63 fixed to the piezoelectric element 20 with the laser beam LA in order to optically measure the extension in the height direction of the piezoelectric element 20.
  • a displacement meter 64 is provided separately. The extension amount of the piezoelectric element 20 by the laser displacement meter 64 is optically measured by detecting the laser light reflected by the reflecting member 63 with a CMOS image sensor or the like.
  • FIG. 7 shows the relationship between the driving voltage of the piezoelectric element 20 and the degree of elongation (stroke ( ⁇ m)) of the piezoelectric element 20 measured using the laser displacement meter 64.
  • FIG. 8 shows the relationship between the drive voltage of the piezoelectric element 20 and the output (here, voltage output (mV)) of the first strain sensor 32A attached to the leaf spring member 31.
  • FIG. 9 shows the relationship between the stroke of the piezoelectric element 20 and the output of the first strain sensor 32A. 7 to 9 show measurement data for two times.
  • FIG. 10 shows the relationship between the drive voltage of the piezoelectric element 20 and the output (here, voltage output (mV)) of the second strain sensor 32B attached directly to the piezoelectric element 20.
  • FIG. 11 shows the relationship between the stroke of the piezoelectric element 20 and the output of the second strain sensor 32B. 10 and 11 show measurement data for two times.
  • the output of the second strain sensor 32B also increases or decreases corresponding to the drive voltage of the piezoelectric element 20, similarly to the output of the first strain sensor 32A (FIG. 8). Then, as shown in FIG. 11, it can be seen that the relationship between the stroke of the piezoelectric element 20 and the output of the second strain sensor 32B is substantially linear. For this reason, it can be seen that the extension amount of the piezoelectric element 20 can be detected from the output of the second strain sensor 32B directly attached to the piezoelectric element 20.
  • a leaf spring attached so that the degree of curvature (deformation) and stress change simultaneously with the movement of the support cylinder 23 corresponding to the extension of the piezoelectric element 20. If the first strain sensor 32A fixed to the member 31 or the second strain sensor 32B directly fixed to the piezoelectric element 20 is used, the extension amount of the piezoelectric element 20 (or the movement amount of the support cylinder 23) is accurately measured. As a result, it has been found that the degree of opening and closing of the valve can be accurately detected.
  • a conversion table between the output of the strain sensor and the displacement of the piezoelectric actuator may be created in advance.
  • the conversion table is stored in advance in a storage device such as a memory provided in the arithmetic processing circuit 7, and when the movement amount of the piezoelectric actuator is detected, the conversion table is read out and used as a valve from the output of the strain sensor. Can be detected.
  • the output of the strain sensor means various outputs corresponding to the resistance value of the strain gauge that changes in accordance with the strain amount of the strain gauge constituting the strain sensor.
  • the value itself may be used, or a bridge output signal (see FIG. 13) output by a Wheatstone bridge circuit incorporating a plurality of strain gauges may be used.
  • the output of the strain sensor obtained in any manner corresponds to the amount of expansion of the piezoelectric element, and based on the output of the strain sensor, the amount of expansion of the piezoelectric element and hence the amount of movement of the valve element can be known.
  • the detection mechanism for example, the movement amount detection mechanism 30 that detects the movement amount of the support cylinder 23, or the strain sensor directly attached to the side surface of the piezoelectric element 20). 32
  • the strain sensor 32 the strain sensor 32. Therefore, the degree of opening and closing of the valve element 22 is detected with higher accuracy than in the case of estimating from the driving voltage or the like. It is possible.
  • the opening / closing degree of the valve element 22 can be detected with high accuracy in this way, it is possible to detect the opening / closing degree with high accuracy even when the upstream gas pressure or the like fluctuates. Then, the measured extension amount of the piezoelectric element 20 is monitored, and compared with the normal state, for example, when the extension amount in the fully open state is lower than a preset threshold value, or when the drive voltage is supplied to the piezoelectric actuator. However, when an abnormal tendency is observed, such as when the amount of expansion does not reach a predetermined value despite being applied, it is determined that an abnormality has occurred in the piezoelectric actuator (the use limit has been reached), and the control valve 6 Or, replace the internal piezoelectric actuator. As a result, the piezoelectric actuator can be replaced before it completely fails, and a great loss can be prevented without using the failed valve.
  • the piezoelectric element drive type valve having the same configuration as the control valve 6 configured as described above can be used as a pressure control valve, for example, a variable It can be used as an orifice device.
  • the variable orifice device is a device that provides an aperture that is constricted in a flow path through which fluid passes, such as an orifice member, and is configured so that the opening degree (the cross-sectional area of the flow path) in the opening can be changed.
  • the variable orifice device may be provided with a valve mechanism whose opening degree can be adjusted instead of the orifice member.
  • the opening degree of the orifice is detected by a detection mechanism (the movement amount detection mechanism 30 or the strain sensor 32 directly fixed to the piezoelectric element 20).
  • the position of the opening can be controlled by detecting the (valve opening) and controlling the drive voltage to the piezoelectric element 20.
  • the flow path cross-sectional area can be obtained from the degree of opening and closing of the valve body 22 detected by the detection mechanism. Therefore, the piezoelectric element driven valve can be suitably used as a variable orifice device having a desired flow path cross-sectional area.
  • the throttle unit 2 of the flow rate control device 8 can be configured by a piezoelectric element drive type valve having the same configuration as the control valve 6.
  • the control valve disposed on the upstream side of the throttle unit 2 is controlled so that the upstream pressure P 1 detected by the pressure sensor 3 is constant, and the throttle unit 2 is controlled.
  • the flow rate can be controlled by adjusting the valve opening degree of the piezoelectric element drive type valve (variable orifice device) provided.
  • the flow rate can be controlled by controlling the upstream pressure P 1 by the control valve in the same manner as described above, with the opening of the piezoelectric element driving valve provided as the throttle unit 2 being constant.
  • the opening degree of the piezoelectric element drive type valve provided as a variable orifice device is switched, it is advantageous because the flow rate control range can be changed. Needless to say, the above two flow control operations may be combined.
  • JP-A-11-265217 discloses a variable orifice device that controls a needle valve with a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element drive type valve according to the embodiment of the present invention can also be applied to such a variable orifice device, and the opening degree of the needle valve can be detected by providing a detection mechanism including a strain sensor.
  • a detection mechanism comprising a leaf spring member in which a strain gauge is fixed between a movable part such as a piezoelectric actuator connected to a valve body presser in contact with a needle valve and a fixed part such as a valve body
  • FIG. 12A separately shows an outer cylinder 20a constituting the piezoelectric actuator and a plurality of piezoelectric elements 20b housed in a line in the cylinder 20a. ] Shows the state which looked at the connector part 20c shown to Fig.12 (a) from the front direction.
  • a strain sensor 40 is directly attached to one of the plurality of piezoelectric elements 20b by an adhesive or the like.
  • the strain sensor 40 is disposed on the side surface of the piezoelectric element 20b.
  • the strain sensor 40 detects a strain in the stacking direction of the piezoelectric elements 20b, that is, the z direction that is the main extension direction of the piezoelectric elements 20b. 40z and a lateral strain gauge 40x that detects strain in the x direction orthogonal to the main extension direction.
  • the piezoelectric actuator may be configured by a single piezoelectric element housed in a cylindrical body and a strain sensor attached to this side surface.
  • the longitudinal strain gauge 40z is attached to the side surface of the piezoelectric element so as to be in contact with the piezoelectric element as a whole, and the lateral strain gauge 40x intersects the central portion of the longitudinal strain gauge 40z. Is pasted.
  • the longitudinal strain gauge 40z and the lateral strain gauge 40x can detect the extension amount of the piezoelectric element as a change in electric resistance of the longitudinal strain gauge 40z and the lateral strain gauge 40x.
  • the connector 20c has a pair of drive voltage terminals 42a and 42b for applying a drive voltage to each of the piezoelectric elements 20b, and one terminal of the longitudinal strain gauge 40z.
  • the first strain sensor output terminal 44a connected, the strain sensor common output terminal 44c commonly connected to the other terminal of the longitudinal strain gauge 40z and one terminal of the lateral strain gauge 40x, and the other of the lateral strain gauge 40x.
  • a second strain sensor output terminal 44b connected to the terminal is provided.
  • the plurality of piezoelectric elements 20b constituting the piezoelectric actuator are electrically connected to the driving voltage terminals 42a and 42b by a known circuit configuration, and by applying a voltage to the driving voltage terminals 42a and 42b, the piezoelectric elements 20b Everything can be extended in the stacking direction.
  • the piezoelectric actuator for example, one sold by NTK Ceratech Co., Ltd. can be used.
  • the first and second strain sensor output terminals 44a and 44b and the strain sensor common output terminal 44c are connected to a circuit provided on the external substrate, and a bridge circuit including a longitudinal strain gauge 40z and a lateral strain gauge 40x is formed. ing. In this bridge circuit, changes in the resistance values of the longitudinal strain gauge 40z and the lateral strain gauge 40x can be detected.
  • FIG. 13 shows an exemplary equivalent circuit for detecting resistance value changes of the longitudinal strain gauge 40z and the lateral strain gauge 40x.
  • resistors R1 and R2 provided between the branch points AD and between the branch points CD correspond to fixed resistors having a known resistance value provided on the external substrate.
  • the resistor R3 provided between A and B corresponds to the longitudinal strain gauge 40z
  • the resistance values of the longitudinal strain gauge 40z and the lateral strain gauge 40x and the resistance values of the two fixed resistors R1 and R2 are set to be the same, for example, both are set to 120 ohms or 350 ohms. ing.
  • the branch point A corresponds to the first strain sensor output terminal 44a
  • the branch point B corresponds to the strain sensor common output terminal 44c
  • the branch point C corresponds to the second strain sensor output terminal 44b.
  • the change in the resistance value of the longitudinal strain gauge 40z or the lateral strain gauge 40x is the bridge output signal (between the branch points BD). Change in potential difference).
  • the bridge output signal typically shows zero in the initial state.
  • the piezoelectric element 20b to which the strain sensor 40 is attached expands in the z direction and may contract in the x direction orthogonal thereto.
  • the resistance value of the longitudinal strain gauge 40z increases corresponding to the expansion amount of the piezoelectric element, while the resistance value of the lateral strain gauge 40x decreases corresponding to the contraction amount of the piezoelectric element.
  • the bridge circuit is configured by using the longitudinal strain gauge 40z and the transverse strain gauge 40x orthogonal to the longitudinal strain gauge 40z, thereby making it possible to correct a change in the resistance value of the strain sensor 40 due to a temperature change. .
  • the expansion acts as an element for increasing the bridge output signal for the longitudinal strain gauge 40z, whereas for the lateral strain gauge 40x.
  • the opening degree of the control valve 6 can be known based on the output of the strain sensor 40. Thereby, the malfunction of the control valve 6 can be found and predicted appropriately.
  • bulb provided with the strain sensor 40 as the control valve 6 shown in FIG. 1 it cannot be overemphasized that the strain sensor 40 and the arithmetic processing circuit 7 may be electrically connected directly. Yes. In such a configuration, the arithmetic processing circuit 7 can constantly monitor the degree of opening and closing of the control valve 6 (the amount of movement of the valve body) based on the output of the strain sensor 40.
  • a piezoelectric element drive type valve to which a strain sensor 40 is attached is used as a variable aperture unit (variable orifice device). It is good also as an aspect which does not provide the aperture
  • FIG. 14 shows a flow rate control device 80 configured to perform flow rate control using a piezoelectric element drive type valve 86 in which a strain sensor 40 is fixed to a piezoelectric element.
  • the output of the strain sensor 40 is sent to the arithmetic processing circuit 7 in order to measure the movement amount of the valve element of the piezoelectric element drive type valve 86.
  • the arithmetic processing circuit 7 feedback-controls the driving of the piezoelectric element driving valve 86 based on the output of the strain sensor 40 so as to coincide with the input displacement amount setting (piezoelectric actuator stroke setting value). be able to.
  • the piezoelectric element driven valve 86 can be controlled to a valve opening suitable for a desired set flow rate.
  • the piezoelectric element drive valve 86 can be used as a high-speed servo control valve.
  • the flow rate control device 80 it is not necessary to provide a throttle portion with a fixed opening, so that the device can be simplified and downsized.
  • a pressure sensor and a pressure adjusting valve may be provided on the upstream side of the piezoelectric element driving valve 86, and upstream of the piezoelectric element driving valve 86.
  • the pressure on the side may be kept constant in the range of 50 kPa to 300 kPa, for example. Thereby, the flow rate control by the opening degree control of the piezoelectric element driving valve 86 can be performed more stably.
  • the embodiments of the present invention have been described above, but various modifications can be made.
  • the pressure control type flow control device has been described in the above embodiment, the present invention is also applied to a control method other than the pressure control type, for example, a thermal flow control device that controls the flow rate using a thermal sensor. Applicable.
  • the piezoelectric element drive type valve provided with the elastic return type metal diaphragm valve body by self-elasticity has been described.
  • the present invention can be applied to a valve body other than the metal diaphragm. It is.
  • the piezoelectric element driven valve according to the embodiment of the present invention may be a normally open type, and in this case, for example, the movement of the support cylinder that moves downward with respect to the valve body by the extension of the piezoelectric element By measuring the amount and the like by a detection mechanism including a strain sensor, the amount of movement of the valve body, that is, the opening of the valve can be accurately known.
  • a strain sensor may be directly attached to the piezoelectric element to measure the amount of movement of the valve body, that is, the opening of the valve.
  • the piezoelectric element drive type valve according to the embodiment of the present invention is suitably used particularly in a flow rate control device, and can be suitably used for detecting the actual opening / closing degree of the valve.

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Abstract

【解決手段】　圧電素子駆動式バルブは、流路上に設けられた弁座および弁座に離着座する弁体と、圧電素子とを備え、圧電素子の伸長によって弁体が移動するように構成されており、圧電素子の伸長量を検出する検出機構を備え、検出機構は歪センサを含み、歪センサの出力から弁体の移動量を検出することができる。

Description

圧電素子駆動式バルブおよび流量制御装置
　本発明は、圧電素子駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置に関し、特に、半導体製造装置や化学プラント等において利用される流量制御装置が備える圧電素子駆動式バルブに関する。
　圧力式流量制御装置は、ピエゾ（圧電）素子駆動型の圧力制御バルブと絞り部（例えばオリフィスプレート）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので、半導体製造装置や化学プラントにおいて広く利用されている（例えば、特許文献１）。
　特許文献２および３には、圧電素子を用いたアクチュエータ（以下、「圧電アクチュエータ」と記すこともある）で弁体（例えば、金属ダイヤフラム）を開閉させるように構成された圧電素子駆動式制御バルブ（以下、「制御バルブ」と記すこともある）が開示されている。圧電素子駆動式制御バルブには、ノーマルオープン型とノーマルクローズ型とがあり、それぞれの型式に対応して、圧電アクチュエータの伸長を弁体の開閉動作に変換するための機構が設けられている。
特開２００４－１３８４２５号公報 特開２００３－１２０８３２号公報 特開２００７－１９２２６９号公報 特許第５０５４９０４号
　流量制御装置は、近年、例えばＡＬＤ（Atomic layer deposition）などへの適用が求められており、このような用途では、高速な（周期が非常に短い）パルス状の制御信号によって制御バルブを開閉することが要求される。この場合、圧電素子駆動式制御バルブの開閉速度、変位量および開閉頻度は、格段に増加する。
　これにより、圧電アクチュエータは、絶縁抵抗の低下等による経年劣化が生じやすくなり、高精度な流量・圧力の制御ができなくなるという問題が生じることがあった（例えば、特許文献４）。
　すなわち、上記のような用途にあっては、従来想定している圧電素子駆動式バルブの耐久年数よりも早い段階で不具合が生じる場合がある。この場合、圧電アクチュエータに所定の駆動電圧を印加すると、以前とは異なる、精度を大きく逸脱した流量で流体が流れる可能性があった。
　また、このような課題のある従来の圧電素子駆動式制御バルブを備えた流量制御装置を半導体製造プロセスにおいて使用すると、動作不良の要因が圧電素子駆動式制御バルブに起因するものなのか否かを、迅速かつ確実に判断することが困難な場合がある。そのために、動作不良状態下で半導体製造プロセスを継続し、多大な損失を被るおそれがあった。
　さらに、従来、圧力式流量制御装置において制御バルブの駆動電圧は、圧力センサの出力に基づいてフィードバック制御されており、流量制御のために駆動電圧の絶対値はさほど問題ではなかった。つまり、実際の弁の開閉度と駆動電圧との関係性が、経年劣化などによって変動していたとしても、流量制御の観点からは大きな問題が生じていなかった。
　このため、制御バルブの開度を検出することまでは特に必要とされていなかったが、本願発明者は、駆動電圧のみしか参照していないと、動作不良が生じたときに発見や予測が適切に行えない場合がある、という事を見出した。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、動作不良の発見や予測の性能が向上した圧電素子駆動式バルブおよびこれを備えた流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。
　本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブは、流路に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、圧電素子とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記弁体が移動するように構成されており、前記圧電素子の伸長量を検出する検出機構を備え、前記検出機構は歪センサを含み、前記歪センサの出力に基づいて前記弁体の移動量が測定される。
　ある実施形態において、前記圧電素子駆動式バルブは、前記圧電素子を収容し、前記圧電素子の伸長によって移動する支持筒体を備え、前記支持筒体の移動によって前記弁体が移動するように構成されている。
　ある実施形態において、前記検出機構は、前記歪センサが固定された板バネ部材をさらに含み、前記板バネ部材に付与される力が前記圧電素子の伸長によって変化するように構成されている。
　ある実施形態において、前記板バネ部材の一端は、弁本体に対して不動の位置に維持され、前記板バネ部材の他端は、前記支持筒体に接続されている。
　ある実施形態において、前記圧電素子駆動式バルブは、前記歪センサの出力と前記支持筒体の移動量との関係を示すテーブルを格納する記憶装置を備え、前記テーブルを用いて前記支持筒体および前記弁体の移動量が検出される。
　ある実施形態において、前記検出機構を用いて前記弁体の移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子を含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断する。
　ある実施形態において、前記歪センサは、前記圧電素子の側面に直接的に固定されている。
　ある実施形態において、前記歪センサは、前記圧電素子の伸長方向の歪を検出するための縦歪ゲージと、前記圧電素子の前記伸長方向と直交する方向の歪を検出するための横歪ゲージとを含む。
　ある実施形態において、前記圧電素子駆動式バルブは、ノーマルクローズ型の制御バルブである。
　ある実施形態において、前記圧電素子駆動式バルブは、可変オリフィス装置として用いられ、前記検出機構を用いてオリフィス開度を検出し開度位置を制御するように構成されている。
　本発明の実施形態による流量制御装置は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上記のいずれかの圧電素子駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電素子駆動式バルブとの間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記圧電素子駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算処理回路とを備える。
　本発明の実施形態による流量制御装置は、上記の可変オリフィス装置として用いられる圧電素子駆動式バルブと、前記圧電素子駆動式バルブに対して設けられた演算処理回路とを備え、前記演算処理回路は、前記歪センサの出力に基づいて前記圧電素子駆動式バルブをフィードバック制御するように構成されている。
　本発明の実施形態によれば、圧電素子駆動式バルブにおける動作不良の発見や予測をより確実に行うことができる。
本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブ（制御バルブ）を備えた流量制御装置の構成を示す模式的な図である。 本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブを示す断面図である。 図２に示したバルブの支持筒体を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図２に示したバルブの割りベースを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った側面図である。 本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブを示す模式的な図である。 圧電素子の伸長度と歪センサの出力との関係を調べるために用いた試験装置を示す図である。 圧電素子の駆動電圧と、圧電素子の伸長度（圧電アクチュエータのストローク）との関係を示すグラフである。 圧電素子の駆動電圧と、板バネ部材に貼り付けられた歪センサの出力との関係を示すグラフである。 圧電素子の伸長度（圧電アクチュエータのストローク）と、板バネ部材に貼り付けられた歪センサの出力との関係を示すグラフである。 圧電素子の駆動電圧と、圧電素子に直接貼り付けた歪センサの出力との関係を示すグラフである。 圧電素子の伸長度（圧電アクチュエータのストローク）と、圧電素子に直接貼り付けた歪センサの出力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態で用いられる圧電アクチュエータを示す斜視図であり、（ａ）は筒体およびその内部に収容される複数の圧電素子を示し、（ｂ）はコネクタ部を示す。 本発明の実施形態における、歪センサ出力を得るための例示的なブリッジ回路を示す図である。 本発明の実施形態における、歪センサを備えた圧電素子駆動式バルブを開度が可変の絞り部として用いる場合の流量制御装置の構成を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　図１は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置８の構成を示す図である。圧力式流量制御装置８（以下、流量制御装置８と呼ぶことがある）は、流体Ｇが通過する流路（ガス供給路）１に介在する絞り部２（例えばオリフィスプレート）と、絞り部２の上流側に設けられた第１圧力センサ３および温度センサ５と、絞り部２の下流側に設けられた第２圧力センサ４と、第１圧力センサ３の上流側に設けられた制御バルブ６とを備えている。本実施形態の制御バルブ６は、圧電素子駆動式バルブであり、弁機構６Ａと、圧電素子を含む駆動機構６Ｂとを備えている。
　第１圧力センサ３は、制御バルブ６と絞り部２との間の流体圧力である上流圧力Ｐ1を測定することができ、第２圧力センサ４は、絞り部２と下流バルブ９との間の流体圧力である下流圧力Ｐ2を測定することができる。
　流量制御装置８はまた、第１圧力センサ３および第２圧力センサ４の出力に基づいて制御バルブ６の開閉動作を制御する演算処理回路７を備えている。演算処理回路７は、外部制御装置１２から受け取った設定流量と、第１および第２圧力センサ３、４の出力から演算した流量とを比較し、演算流量が設定流量に近づくように制御バルブ６の駆動機構６Ｂを制御する。
　流量制御装置８は、図示する態様とは異なり、第２圧力センサ４を備えていなくてもよく、この場合、演算処理回路７は、第１圧力センサ３の出力に基づいて流量を演算により求めることができる。また、演算処理回路７は、好適な態様において、温度センサ５が測定した流体温度に基づいて、演算流量を補正するように構成されている。
　また、流量制御装置８は、制御バルブ６の上流側に、ガス供給圧を測定するための流入圧力センサ１３（図５参照）を備えていてもよい。流入圧力センサ１３は、上流側に接続されたガス供給装置（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力を測定することができ、ガス供給量または供給圧を制御するために用いることができる。
　絞り部２としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に臨界ノズルまたは音速ノズルなどを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。絞り部２は、開度が固定された絞り部として機能する。
　下流バルブ９としては、例えば、電磁弁によって圧縮空気の供給が制御される公知の流体動作弁を用いることができる。なお、オリフィス部材を開閉弁の近傍に配置したオリフィス内蔵弁が知られており、これを絞り部２および下流バルブ９を一体化した構成として流量制御装置８に組み込んでもよい。
　流量制御装置８の流路１は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。第１および第２圧力センサ３、４は、例えばシリコン単結晶のセンサチップと金属ダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。
　本実施形態において、制御バルブ６は、例えば金属ダイヤフラムを弁体とする弁機構６Ａを、圧電アクチュエータで構成された駆動機構６Ｂを用いて開閉する圧電素子駆動式の制御バルブである。制御バルブ６の詳細な構成については後述する。
　このように構成された流量制御装置８を含む流体供給システムにおいて、制御バルブ６の上流側は、原料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどのガス供給源に接続され、第２圧力センサ４の下流側は、下流バルブ９を介して半導体製造装置のプロセスチャンバ１０に接続される。プロセスチャンバ１０には真空プロセスを行うための真空ポンプ１１が接続されており、典型的にはガス供給時にプロセスチャンバ１０の内部が真空引きされる。
　本実施形態の流量制御装置８は、圧力式の流量制御装置であり、臨界膨張条件Ｐ1／Ｐ2≧約２（Ｐ1：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、Ｐ2：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力））を満たすとき、絞り部を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力Ｐ2によらず上流圧力Ｐ1によって決まるという原理を利用して流量制御を行っている。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ1・Ｐ1（Ｋ1は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられ、流量Ｑは上流圧力Ｐ1に比例する。また、第２圧力センサ４を備える場合、上流圧力Ｐ1と下流圧力Ｐ2との差が小さく、上記の臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力Ｐ1および下流側圧力Ｐ2に基づいて、所定の計算式Ｑ＝Ｋ2・Ｐ2 m（Ｐ1－Ｐ2）n（ここでＫ2は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。
　流量制御を行うために、外部制御装置１２において設定された設定流量が、外部制御装置１２から演算処理回路７に送られる。演算処理回路７は、第１圧力センサ３の出力（上流圧力Ｐ1）、任意に第２圧力センサ４の出力（下流圧力Ｐ2）、および、温度センサ５の出力（ガス温度Ｔ1）に基づいて、臨界膨張条件または非臨界膨張条件における流量計算式を用いて流量を上記のＱ＝Ｋ1・Ｐ1またはＱ＝Ｋ2・Ｐ2 m（Ｐ1－Ｐ2）nから演算し、絞り部２を通過する流体の流量が設定流量に近づくように制御バルブ６を制御する。また、演算した流量を外部制御装置１２に出力するとともに、これを流量出力値として表示してもよい。
　以下、本実施形態の制御バルブ６について詳細に説明する。
　図２は、制御バルブ６の構成を示す断面図である。制御バルブ６は、圧電素子２０を用いて弁体２２の開閉動作を行うノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブであり、圧電素子２０の駆動電圧を増加させることによって弁の開度を大きくすることができるように構成されている。
　図２に示すように、制御バルブ６は、流路１が設けられた弁本体２１と、流路１の途中に設けられた弁座２１ａおよびこれに離着座（すなわち当接および離間）可能に配置された弁体２２と、弁体２２に接する弁体押さえ２５と、圧電素子２０と、圧電素子２０を収容する支持筒体２３とを備えている。圧電素子２０および支持筒体２３は、制御回路基板７’とともに保護ケース１６内に配置されている。本実施形態において、弁体押さえ２５は、支持筒体２３の先端に固定されており、支持筒体２３と一体的に移動する。
　制御バルブ６において、圧電素子２０には、コネクタ１５を介して、制御回路基板７’に設けられた演算処理回路７（図１参照）により制御された駆動電圧が印加され、駆動電圧の大きさに応じて圧電素子２０が伸長する。圧電素子２０としては、後述する図１２に示すように積層された複数の圧電素子（ピエゾスタックともいう）を用いることもできる。単数または複数の圧電素子２０が金属ケース内に密封されたものが圧電アクチュエータとして知られており、圧電アクチュエータとしては、例えば株式会社ＮＴＫセラテック等から販売されているものを使用することができる。以下、単数または複数の圧電素子２０が金属ケース内に収容されたものを圧電アクチュエータ２０と称することがある。
　弁本体２１はステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部及び流体入口、流体出口、流路、弁室及び弁座２１ａ等を備えている。本実施形態では、一次接続部２１ｂおよびオリフィス取付部２１ｃを介して、弁本体２１の両側に入口継手および出口継手がそれぞれ接続されている。一次接続部２１ｂは、例えば、接続ガイドやガスケットから構成されていてよく、オリフィス取付部２１ｃは、図１に示した絞り部２としてのオリフィスプレート、オリフィスガイド、ガスケット等から構成されていてよい。
　また、図２に示す態様では、弁本体２１の下面側において、図１に示した第１圧力センサ３が取り付けられている。ただし、これに限られず、第１圧力センサ３は、弁本体２１の上面側に取り付けられていてもよい。また、図２には示していないが、第２圧力センサ４（図１参照）が、オリフィス取付部２１ｃの下流側に設けられていてもよい。
　本実施形態における弁体２２は、自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムである。金属ダイヤフラムは、例えばニッケルクロム合金鋼等の薄板により形成されており、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されている。金属ダイヤフラムの形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。また、弁体２２は、１枚の金属ダイヤフラムによって構成されていてもよいし、積層された２～３枚の複数の金属ダイヤフラムによって構成されていてもよい。
　金属ダイヤフラムである弁体２２は、弁座２１ａと対向するように弁室内へ配置されている。弁体２２の外周縁は、押えアダプター２５ａ、割りベース２６及びガイド部材２４を介設して取付けボルトを弁本体２１へ締め込むことによって、弁本体２１側へ気密に保持固定されている。押えアダプター２５ａ、ガイド部材２４、割りベース２６等はステンレス鋼等の金属製であってよい。
　ガイド部材２４は、支持筒体２３の下部を覆うように設けられた中空の部材であり、弁本体２１に対してネジなどの固定部材によって固定されている。ガイド部材２４は、支持筒体２３を支持するとともに、支持筒体２３の移動方向を規制することができる。また、ガイド部材２４と支持筒体２３との間にはＯリング２７が設けられている。
　図３（ａ）は、支持筒体２３の縦断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。支持筒体２３は、例えば熱膨脹率の小さなインバー材により円筒状に形成されており、図３（ａ）に示すように、圧電素子または圧電アクチュエータ２０を収納する太径部２３ｃと、下部受台２９や弾性部材２８等を収納する縮径部２３ｄとを有している。また、支持筒体２３の最下端部には、弁体押え２５を嵌着するための嵌着部２３ｅが形成されている。嵌着部２３ｅは、本実施形態では、弁体押さえ２５が挿入固定される凹所であるが、これに限られず、弁体押え２５を固定できる限り種々の態様を有していてよい。また、支持筒体２３と弁体押さえ２５とは一体的に設けられていてもよい。
　支持筒体２３の太径部２３ｃと縮径部２３ｄとの境界近傍において、支持筒体２３の中心軸を挟んで対向するように配置された一対の孔部２３ａが設けられている。孔部２３ａには、図４（ａ）および（ｂ）に示す一対の割りベース片２６ａが、両側から対向して挿入される。挿入された割りベース片２６ａの一部は、支持筒体２３の内側で組合せられ、組合せられた割りベース片２６ａは、ガイド部材２４によって、割りベース２６として一体的に保持固定される。なお、割りベース片２６ａを組付ける前に、縮径部２３ｄに設けられた底部２３ｂには、図２に示す弾性部材２８が予め挿着される。
　図４（ａ）は、割りベース２６を示す平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。図４（ａ）および（ｂ）からわかるように、割りベース２６は、一対の割りベース片２６ａを組み合わせたときに、上壁２６ｂを備えた短円筒体の下端外周に鍔部２６ｃが形成された形状を有する。上壁２６ｂには、挿通孔２６ｄが設けられており、支持筒体２３の縮径部２３ｄは挿通孔２６ｄを貫通するように配置される。また、上壁２６ｂの中心部には、下部受台２９を支持するための嵌合部２６ｅが形成されている。
　図２に示すように、割りベース２６の鍔部は、ガイド部材２４の下端により押圧力を受けることによって押えアダプター２５ａを押圧する。また、挿通孔２６ｄは、支持筒体２３の縮径部２３ｄの壁体（一対の孔部２３ａの間の部分）を挿通させることができ、割りベース２６を支持筒体２３の外側から組み付けることを可能にしている。
　制御バルブ６の組立ての手順を説明すると、まず、弁本体２１に設けられた取り付け凹部内（弁座２１ａが形成された取り付け凹部）内へ、金属ダイヤフラムである弁体２２、押えアダプター２５ａ、弁体押え２５を固定した支持筒体２３、弾性部材２８、割りベース２６の順に組み付け、ガイド部材２４を介して支持筒体２３を弁本体２１へ挿着する。次に、支持筒体２３内へ、下部受台２９、ボールや半球体、圧電アクチュエータ２０などを挿着し、位置決め材である袋ナット１７の締込量を調整することにより、圧電アクチュエータ２０による弁体２２の作動ストロークを設定値に微調整する。なお、調整後の袋ナット１７の位置は、ロックナット１７ａによって維持させることができる。
　以上に説明した制御バルブ６において、圧電アクチュエータ２０の下面に接する半球体が設けられており、この半球体は下部受台２９によって支持されている。また、下部受台２９は、図４（ａ）および（ｂ）に示す割りベース２６によって支持されており、割りベース２６は、ガイド部材２４によって弁本体２１に固定されている。すなわち、圧電アクチュエータ２０の下面は、弁本体２１に対して不動の状態にある下部受台２９によって支持されている。なお、図２に示した例では、下部受台２９と圧電アクチュエータ２０との間に別途に形成した半球体を介挿するようにしているが、圧電アクチュエータ２０の下端面の中央に先端が球面状の突起体を一体的に形成し、これを半球体として下部受台２９へ接当させる構成とすることもある。
　この構成において、演算制御回路７から、上部に設けられたコネクタ１５を介して開弁信号が入力（例えば入力電圧０～１２０Ｖ）されると、圧電アクチュエータ２０は設定値（例えば０～４５μｍ）だけ伸長する。これにより、例えば約４０～８０ｋｇｆの押し上げ力が支持筒体２３に働き、ガイド部材２４のＯリング２７により軸芯を保持された状態で、支持筒体２３が弾性部材２８の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、弁体押さえ２５から弁体２２への押圧力が低下し、弁体２２が自己の弾性力によって弁座２１ａから離座し、開弁される。なお、弾性部材２８としては、例えば、皿ばねを積み重ねたものを用いることができる。
　また、開弁入力がｏｆｆになると、圧電アクチュエータ２０が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、弾性部材２８の弾性力により圧電アクチュエータ２０の支持筒体２３の底部が下方向へ押し下げられ、弁体押さえ２５により弁体２２が弁座２１ａへ当座し、閉弁状態となる。
　以上の説明からわかるように、本実施形態の制御バルブ６では、圧電素子２０または圧電アクチュエータ２０への電圧印加時において支持筒体２３が移動し、支持筒体２３に接続された弁体押さえ２５から弁体（金属ダイヤフラム）２２に付与される力が低下することで開弁される。そこで、本実施形態では、圧電素子２０の伸長量または圧電アクチュエータ２０のストロークを検出するための検出機構（より具体的には、支持筒体２３の移動量を検出するための移動量検出機構３０）を設けて、移動量検出機構３０が検出した支持筒体２３の移動量から弁体２２の開度を測定するようにしている。
　以下、圧電素子２０の伸長量および弁体２２の開度（移動量）を検出するために用いられる、移動量検出機構３０について詳細に説明する。
　図２および図５に示すように、本実施形態の移動量検出機構３０は、板バネ部材３１と、板バネ部材３１に貼り付けられた歪センサ（歪ゲージと呼ぶこともある）３２とを用いて構成されている。板バネ部材３１および歪センサ３２は、弁本体２１と重畳するように（すなわち弁本体２１の上方で幅方向内側に）配置されることが好ましく、これにより、流量制御装置８の幅方向のサイズが大きくなることが防止される。
　板バネ部材３１は、金属梁として設けられており、板バネ部材３１の両端に加えられた力に応じて変形可能である。板バネ部材３１の上端は、例えば、支持筒体２３または圧電アクチュエータ２０に固定された保持部材３３と当接するように配置されており、保持部材３３は、圧電素子２０の伸長により支持筒体２３とともに移動する。保持部材３３は、図２に示したように、支持筒体２３の上部に設けられたものであってもよいし、図５に示すように、支持筒体２３の途中（下方部）に別途固定された部材であってもよい。
　また、板バネ部材３１の下端は、弁本体２１に対して固定された支持部材３４によって支持されている。支持部材３４は、板バネ部材３１の下端を受けるための凹部３４ａをその上面に有していてもよい。凹部３４ａは、板バネ部材３１の下端を適切に支持するように、典型的には線状の凹部として形成されている。
　支持部材３４としては種々の態様のものを用いることができ、例えば、板バネ部材３１の下端と固定されたものであってもよい。支持部材３４は、弁本体２１またはガイド部材２４と一体的に形成された部材（ガイド部材２４そのものなど）であってもよい。
　板バネ部材３１のサイズや形状は任意であってよいが、例えば、幅が２ｍｍ～１５ｍｍであり、長さが３ｍｍ～２０ｍｍであり、厚さが０．２ｍｍ～２ｍｍである。板バネ部材３１は、種々の金属材料から形成されていてよく、例えば、ステンレス鋼、ばね鋼、黄銅、リン青銅、ベリリウム鋼、チタン鋼などから形成される。板バネ部材３１の室温での縦弾性係数（ヤング率）は、例えば、８０×１０3Ｎ／ｍｍ2～２１０×１０3Ｎ／ｍｍ2に設定される。
　板バネ部材３１の中央部には、歪センサ３２が固定されている。歪センサ３２としては、例えば、株式会社共和電業社製のＫＦＲ－０２Ｎを用いることが出来る。歪センサ３２は、例えば、接着剤などによって板バネ部材３１に貼り付けられており、板バネ部材３１に生じた歪みの大きさを、歪センサ３２の電気抵抗の変化として検出することができる。
　なお、板バネ部材３１は、圧電アクチュエータ２０の移動に応じて変形が可能である限り、種々の態様で取り付けられていてよい。例えば、板バネ部材３１は、その上端が、圧電アクチュエータ２０の上端部に任意の手段によって固定されるとともに、その下端が、ガイド部材２４の上端面によって支持されていてもよい。板バネ部材３１は、上端および下端の両方が固定されていてもよい。
　また、本実施形態の制御バルブ６において、板バネ部材３１に貼り付けられた歪センサ３２と同じ構成を有する歪センサが基準歪センサとして板バネ部材３１と同等の材料および形状を有する板材に設けられていてもよい。ただし、基準歪センサは、支持筒体２３の移動によって歪が生じない板材にとりつけられ、温度変化などによって変動し得る歪センサの出力を補償するために設けられている。具体的には、基準歪センサの出力変化をバックグラウンドの変化として読み取り、その変化分を歪センサ３２の出力から差し引くことで、温度変化等による変動を補償することができる。
　あるいは、本実施形態の制御バルブ６において、板バネ部材３１に貼り付けられた歪センサと同じ構成を有する歪センサを板バネ部材３１の反対側の面にも貼り付け、２ゲージ法とすることによっても、温度変化等による変動を補償することができる。
　このように構成された移動量検出機構３０において、歪センサ３２の出力から、支持筒体２３の移動量（すなわち、圧電素子２０の伸長量）を検出することができる。図５には、圧電アクチュエータ２０に固定された保持部材３３が下側の破線の位置まで移動したときに、板バネ部材３１が破線で示すように変形し、その結果、歪センサ３２の出力が変化する様子を示している。
　そして、歪センサ３２の出力から求められた支持筒体２３の移動量に基づいて、実際の弁開度を検出することができる。このため、圧電素子２０の駆動電圧から推定する場合に比べて、弁開度をより正確に検出することができる。
　以下、板バネ部材３１に貼り付けられた歪センサの出力と、圧電素子の伸長度合いとの関係を調べた試験結果について説明する。
　図６は、試験装置６０の構成を示す。試験装置６０においては、圧電素子２０を台６１の上面に固定するとともに、圧電素子２０の上面に板バネ部材３１の下端を配置し、板バネ部材３１の上端を固定面６２に対して当接させることにより、圧電素子２０の伸長の程度に応じて、板バネ部材３１を湾曲させている。板バネ部材３１には、第１歪センサ３２Ａを貼り付けてあり、板バネ部材の湾曲（または付加される応力）を第１歪センサ３２Ａによって検出している。試験に用いた圧電素子のサイズは、縦１０．８ｍｍ×横１０．８ｍｍ×高さ１８．０ｍｍである。
　また、試験装置６０では、圧電素子２０自体にも歪センサ（第２歪センサ）３２Ｂを直接的に貼り付けており、圧電素子２０の伸長量を第２歪センサ３２Ｂにて検出できるかどうかについても同時に試験を行っている。
　さらに、試験装置６０では、圧電素子２０の高さ方向の伸長度を光学的に計測するために、圧電素子２０に固定した反射部材６３に対してレーザ光ＬＡを照射するように構成されたレーザ変位計６４を別途設けている。レーザ変位計６４による圧電素子２０の伸長量は、反射部材６３によって反射されたレーザ光をＣＭＯＳイメージセンサなどで検出することによって光学的に測定している。
　図７は、圧電素子２０の駆動電圧と、レーザ変位計６４を用いて測定した圧電素子２０の高さ方向の伸長度（ストローク（μｍ））との関係を示す。また、図８は、圧電素子２０の駆動電圧と、板バネ部材３１に貼り付けられた第１歪センサ３２Ａの出力（ここでは電圧出力（ｍＶ））との関係を示す。さらに、図９は、上記の圧電素子２０のストロークと、第１歪センサ３２Ａの出力との関係を示す。図７～図９には、２回分の測定データが示されている。
　図７および図８からわかるように、駆動電圧が０のとき、レーザ変位計６４の出力（ストローク）は０に設定され、第１歪センサ３２Ａの出力も０に設定されている。また、図７および図８において矢印Ａ１で示すように、０Ｖから１５０Ｖに圧電素子２０への駆動電圧を増加させると、圧電素子２０のストロークが増加するとともに、板バネ部材３１に貼り付けた第１歪センサ３２Ａの出力も同様に増加することがわかる。また、図７および図８において逆向きの矢印Ａ２で示すように、１５０Ｖから０Ｖに駆動電圧を減少させると、圧電素子のストロークが減少するとともに、第１歪センサ３２Ａの出力も略同様に減少することがわかる。
　ここで図９に示すように、圧電素子２０のストロークと、第１歪センサ３２Ａの出力との関係を参照すると、これらは概ねリニアな関係にあることがわかる。このため、板バネ部材３１に貼り付けられた第１歪センサ３２Ａの出力から、圧電素子２０の伸長量を検出することが可能である。
　また、図１０は、圧電素子２０の駆動電圧と、圧電素子２０に直接貼り付けた第２歪センサ３２Ｂの出力（ここでは電圧出力（ｍＶ））との関係を示す。さらに、図１１は、上記の圧電素子２０のストロークと、第２歪センサ３２Ｂの出力との関係を示す。図１０および図１１には、２回分の測定データが示されている。
　図１０に示すように、第２歪センサ３２Ｂの出力も、第１歪センサ３２Ａの出力（図８）と同様に、圧電素子２０の駆動電圧に対応して増減する。そして、図１１に示すように、圧電素子２０のストロークと、第２歪センサ３２Ｂの出力との関係を参照すると、これらが概ねリニアな関係にあることがわかる。このため、圧電素子２０に直接貼り付けた第２歪センサ３２Ｂの出力から、圧電素子２０の伸長量を検出することが可能であることがわかる。
　以上の結果から、圧電素子２０の伸長量検出機構として、圧電素子２０の伸長に対応して支持筒体２３が移動すると同時に湾曲度（変形度）や応力が変化するように取り付けられた板バネ部材３１に固定された第１歪センサ３２Ａや、圧電素子２０に直接固定された第２歪センサ３２Ｂを用いれば、圧電素子２０の伸長量（あるいは支持筒体２３の移動量）を精度よく測定することができ、ひいては弁の開閉度を精度よく検出することが可能であることがわかった。
　なお、歪センサの出力と、圧電アクチュエータの移動量との関係がリニアでない場合などにおいて、歪センサの出力と圧電アクチュエータの変位との変換テーブルを予め作成しておいてもよい。変換テーブルは、例えば、演算処理回路７に設けられたメモリなどの記憶装置に予め格納されており、圧電アクチュエータの移動量検出時には、この変換テーブルを読み出し、これを用いて歪センサの出力から弁の開度を検出することができる。
　なお、本明細書において、歪センサの出力とは、歪センサを構成する歪ゲージの歪量に応じて変化する歪ゲージの抵抗値に対応する種々の出力を意味し、例えば、歪ゲージの抵抗値自体であってもよいし、複数の歪ゲージを組み込んだホイートストンブリッジ回路が出力するブリッジ出力信号（図１３参照）などであってもよい。いずれの態様で得られる歪センサの出力も、圧電素子の伸長量に対応するものであり、歪センサの出力に基づいて圧電素子の伸長量ひいては弁体の移動量を知ることができる。
　以上に説明したように、本実施形態の制御バルブ６では、検出機構（例えば、支持筒体２３の移動量を検出する移動量検出機構３０や、圧電素子２０の側面に直接貼り付けた歪センサ３２）を設けて、歪センサ３２により圧電素子２０の伸長量を直接的に測定しているので、駆動電圧などから推定する場合に比べて、より精度よく、弁体２２の開閉度を検出することが可能である。
　このようにして弁体２２の開閉度を精度よく検出できれば、上流側のガス圧力などが変動したときにも、開閉度を高い精度で検出することが可能である。そして、測定した圧電素子２０の伸長量をモニタし、正常な状態と比較して、例えば全開の状態における伸長量が予め設定していた閾値よりも下回った時や、圧電アクチュエータに駆動電圧が供給されているにもかかわらず伸長量が予定の値に達しない時など、異常の傾向が見受けられた時、圧電アクチュエータに異常が発生した（使用限界に達した）ものと判断し、制御バルブ６、もしくは、内部の圧電アクチュエータを交換する。これによって、圧電アクチュエータが完全に故障する前に交換する事ができ、故障した状態のバルブを使用することなく、多大な損失の発生を防ぐ事が出来る。
　また、圧電アクチュエータの移動量を正確に測定できる事から、上記のように構成された制御バルブ６と同じ構成の圧電素子駆動式バルブは、圧力制御用のバルブとして用いる他にも、例えば、可変オリフィス装置として利用することができる。本明細書において可変オリフィス装置とは、オリフィス部材のように流体が通過する流路に絞られた開口部を設ける装置であって、開口部における開度（流路断面積）が変更可能に構成された種々の装置を意味する。可変オリフィス装置は、オリフィス部材の代わりに、開度調整可能な弁機構を備えているものであってよい。
　制御バルブ６と同じ構成を有する圧電素子駆動式バルブを可変オリフィス装置として利用する場合、検出機構（上記の移動量検出機構３０や、圧電素子２０に直接固定された歪センサ３２）によってオリフィス開度（弁開度）を検出するとともに、圧電素子２０への駆動電圧を制御することにより、開度位置を制御することができる。また、検出機構によって検出された弁体２２の開閉度から、流路断面積を求めることができる。このため、圧電素子駆動式バルブは、所望の流路断面積を有した可変オリフィス装置として好適に用いることができる。
　例えば、上記の流量制御装置８の絞り部２を、制御バルブ６と同じ構成を有する圧電素子駆動式バルブによって構成することができる。このように構成された流量制御装置８においては、圧力センサ３によって検出される上流圧力Ｐ1が一定になるように絞り部２の上流側に配置された制御バルブを制御するとともに、絞り部２として設けた圧電素子駆動式バルブ（可変オリフィス装置）の弁開度を調整することによって流量を制御することができる。また、絞り部２として設けた圧電素子駆動式バルブの開度は一定にしたまま、上記と同様に上流圧力Ｐ1を制御バルブによって制御することによって流量を制御することができる。この場合にも、可変オリフィス装置として設けられた圧電素子駆動式バルブの開度を切り替えれば、流量制御レンジを変更することが出来るので有利である。なお、上記の２つの流量制御動作を組み合わせて行ってもよいことは言うまでもない。
　また、例えば、特開平１１－２６５２１７号公報には、ニードルバルブを圧電素子で制御する可変オリフィス装置が開示されている。このような可変オリフィス装置にも、本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブを適用することができ、歪センサを含む検出機構を設けることによってニードルバルブの開度検出を行うことができる。具体的には、ニードルバルブと接する弁体押さえに接続された圧電アクチュエータなどの可動部と、弁本体などの固定部との間に、歪ゲージが固定された板バネ部材から構成される検出機構を設けることによって、バルブ開度を精度よく検出することができる。
　以下、歪センサを圧電素子に直接固定した圧電素子駆動式バルブおよびこれを用いた流量制御装置の例示的な実施形態を説明する。
　まず、本実施形態の圧電素子駆動式バルブを構成する圧電アクチュエータの詳細構成について説明する。図１２（ａ）は、圧電アクチュエータを構成する外側の筒体２０ａと、この筒体２０ａ内に一列に並べられた状態で収容される複数の圧電素子２０ｂとを分けて示し、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すコネクタ部２０ｃを正面方向から見た状態を示す。
　図１２（ａ）に示すように、圧電アクチュエータにおいて、複数の圧電素子２０ｂのうちの１つには、接着剤等によって歪センサ４０が直接的に取り付けられている。歪センサ４０は、圧電素子２０ｂの側面に配置されており、本実施形態においては、圧電素子２０ｂの積層方向、すなわち、圧電素子２０ｂの主伸長方向であるｚ方向の歪を検出する縦歪ゲージ４０ｚと、主伸長方向と直交するｘ方向の歪を検出する横歪ゲージ４０ｘとによって構成されている。縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘとしては、例えば、株式会社共和電業社製のＫＦＲ－０２ＮやＫＦＧＳ－１、ＫＦＧＳ－３等を用いることが出来る。なお、圧電アクチュエータは、他の態様において、筒体に収容された単一の圧電素子およびこの側面に取り付けられた歪センサによって構成されていてもよい。
　本実施形態において、縦歪ゲージ４０ｚは全体が圧電素子と接するように圧電素子の側面に貼り付けられており、横歪ゲージ４０ｘは縦歪ゲージ４０ｚの中央部をまたいで交差するように圧電素子に貼り付けられている。縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘは、圧電素子の伸長量を、縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘの電気抵抗の変化として検出することができる。
　また、図１２（ｂ）に示すように、コネクタ部２０ｃには、圧電素子２０ｂのそれぞれに駆動電圧を印加するための一対の駆動電圧端子４２ａ、４２ｂと、縦歪ゲージ４０ｚの一方の端子に接続された第１歪センサ出力端子４４ａと、縦歪ゲージ４０ｚの他方の端子および横歪ゲージ４０ｘの一方の端子に共通に接続された歪センサ共通出力端子４４ｃと、横歪ゲージ４０ｘの他方の端子に接続された第２歪センサ出力端子４４ｂとが設けられている。
　圧電アクチュエータを構成する複数の圧電素子２０ｂは、公知の回路構成によって駆動電圧端子４２ａ、４２ｂに電気的に接続されており、駆動電圧端子４２ａ、４２ｂに電圧を印加することによって、圧電素子２０ｂの全てをスタック方向に伸長させることができる。圧電アクチュエータとしては、例えばＮＴＫセラテック社等から販売されているものを利用することができる。
　第１および第２歪センサ出力端子４４ａ、４４ｂおよび歪センサ共通出力端子４４ｃは、外部基板に設けられた回路に接続されており、縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘを含むブリッジ回路が形成されている。このブリッジ回路において、縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘの抵抗値の変化を検出することができる。
　図１３は、縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘの抵抗値変化を検出するための例示的な等価回路を示す。図１３に示す等価回路において、分岐点Ａ－Ｄ間および分岐点Ｃ－Ｄ間に設けられた抵抗Ｒ１、Ｒ２は、外部基板上に設けられた既知抵抗値の固定抵抗に対応し、分岐点Ａ－Ｂ間に設けられた抵抗Ｒ３は、縦歪ゲージ４０ｚに対応し、分岐点Ｂ－Ｃ間に設けられた抵抗Ｒ４は、横歪ゲージ４０ｘに対応する。本実施形態では、縦歪ゲージ４０ｚおよび横歪ゲージ４０ｘの抵抗値と、２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値とは同じに設定されており、例えば、いずれも１２０オームもしくは３５０オームに設定されている。
　また、図１３において、分岐点Ａは、第１歪センサ出力端子４４ａに対応し、分岐点Ｂは、歪センサ共通出力端子４４ｃに対応し、分岐点Ｃは、第２歪センサ出力端子４４ｂに対応する。この等価回路において、分岐点Ａ－Ｃ間に所定のブリッジ印加電圧が印加された状態で、縦歪ゲージ４０ｚまたは横歪ゲージ４０ｘの抵抗値の変化は、ブリッジ出力信号（分岐点Ｂ－Ｄ間の電位差）の変化として検出される。なお、上記のように各抵抗Ｒ１～Ｒ４の大きさが同じである場合、初期状態において、ブリッジ出力信号は典型的にはゼロを示す。
　圧電アクチュエータに駆動電圧が印加されたとき、歪センサ４０が取り付けられた圧電素子２０ｂはｚ方向に伸長するとともに、これと直交するｘ方向においては収縮する場合がある。この場合、縦歪ゲージ４０ｚの抵抗値は、圧電素子の伸長量に対応して増加し、一方で、横歪ゲージ４０ｘの抵抗値は、圧電素子の収縮量に対応して減少する。
　そして、図１３に示す回路では、圧電素子が伸長したとき、縦歪ゲージ４０ｚにおける歪み量が増大してブリッジ出力信号が増加するとともに、横歪ゲージ４０ｘにおける歪み量が減少することによってもブリッジ出力信号が増加する。このため、ピエゾスタック変位時には、縦歪ゲージ４０ｚの歪み量の増加分と、横歪ゲージ４０ｘの歪み量の減少分との合計に対応するブリッジ出力信号の変動が生じることになる。これにより、ブリッジ出力信号を増幅させることができる。
　また、上記のように縦歪ゲージ４０ｚと、これに直交する横歪ゲージ４０ｘとを用いてブリッジ回路を構成することによって、温度変化による歪センサ４０の抵抗値変化を補正することが可能である。これは、例えば温度が上昇することによって圧電素子が膨張したとき、その膨張が、縦歪ゲージ４０ｚに対してはブリッジ出力信号を増加させる要素として働くのに対して、横歪ゲージ４０ｘに対してはブリッジ出力信号を減少させる要素として働き、温度による増加要素と減少要素とが相殺されたブリッジ出力信号が得られるからである。このため、温度の変化に起因して圧電素子自体の膨張および収縮が生じているときであっても、ブリッジ出力信号への影響は低減され、温度補償を実現することが可能になる。
　以上のように構成された制御バルブ６を用いて構成された流量制御装置８では、歪センサ４０の出力に基づいて制御バルブ６の開度を知ることができる。これにより、制御バルブ６の動作不良の発見や予測を適切に行うことができる。なお、図１に示した制御バルブ６として、歪センサ４０が設けられた圧電素子駆動式バルブを用いる場合、歪センサ４０と演算処理回路７とが電気的に直接接続されていてよいことは言うまでもない。このような構成では、演算処理回路７が、歪センサ４０の出力に基づいて、制御バルブ６の開閉度（弁体の移動量）を常時モニタすることができる。
　また、図１に示した態様とは別の態様として、歪センサ４０が取り付けられた圧電素子駆動式バルブを開度可変の絞り部（可変オリフィス装置）として用い、図１に示した開度が固定されている絞り部２（例えばオリフィスプレート）を設けない態様としてもよい。
　図１４は、圧電素子に歪センサ４０が固定された圧電素子駆動式バルブ８６を用いて流量制御を行うように構成された流量制御装置８０を示す。流量制御装置８０では、圧電素子駆動式バルブ８６の弁体の移動量を測定するために、歪センサ４０の出力が演算処理回路７に送られる。そして、演算処理回路７は、歪センサ４０の出力に基づいて、圧電素子駆動式バルブ８６の駆動を、入力された変位量設定（圧電アクチュエータのストロークの設定値）に一致するようにフィードバック制御することができる。このようにすれば、歪センサ４０の出力に基づいて、圧電素子駆動式バルブ８６を所望の設定流量に適した弁開度に制御することができる。
　以上のように、歪センサ４０の出力に基づいて圧電素子駆動式バルブ８６をフィードバック制御する場合、圧力センサの出力に基づいてフィードバック制御する従来方式に比べて、より高速な応答性を実現し得る。従って、圧電素子駆動式バルブ８６は、高速サーボ式の制御バルブとして利用し得る。加えて、流量制御装置８０では、開度固定の絞り部を設ける必要がないので、装置の簡素化・小型化を図ることができる。
　なお、図には示していないが、流量制御装置８０において、圧電素子駆動式バルブ８６の上流側には圧力センサおよび圧力調整用バルブが設けられていてもよく、圧電素子駆動式バルブ８６の上流側の圧力は、例えば、５０ｋＰａ～３００ｋＰａの範囲で一定に保持されていてよい。これにより、圧電素子駆動式バルブ８６の開度制御による流量制御をより安定して行うことができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては圧力制御式の流量制御装置について説明したが、本発明は、圧力制御式以外の制御方式、例えば、熱式センサを用いて流量を制御する熱式流量制御装置にも適用可能である。また、上記実施形態においては自己弾性による弾性復帰型の金属ダイヤフラム弁体を備える圧電素子駆動式バルブについて説明したが、金属ダイヤフラム以外の弁体についても適用可能であることは当業者であれば自明である。
　また、本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブは、ノーマルオープン型であってもよく、この場合にも、例えば、圧電素子の伸長により弁本体に対して下方に移動する支持筒体の移動量などを歪センサを含む検出機構によって測定することにより、弁体の移動量すなわち弁の開度を精度よく知ることができる。もちろん、ノーマルオープン型の圧電駆動式バルブにおいて、歪センサを圧電素子に直接貼り付けて、弁体の移動量すなわち弁の開度を測定するようにしてもよい。
　本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブは、特に流量制御装置において好適に用いられ、弁の実際の開閉度を検出することに好適に利用することができる。
　１　流路
　２　絞り部
　３　第１圧力センサ
　４　第２圧力センサ
　５　温度センサ
　６　制御バルブ
　７　演算処理回路
　８　流量制御装置
　９　下流バルブ
　１０　プロセスチャンバ
　１１　真空ポンプ
　１２　外部装置
　２０　圧電素子　（圧電アクチュエータ）
　２１　弁本体
　２１ａ　弁座
　２２　弁体
　２３　支持筒体
　２４　ガイド部材
　２５　弁押さえ
　２６　割りベース
　２７　Ｏリング
　２８　弾性部材
　２９　下部受台
　３０　移動量検出機構　（圧電素子伸長量検出機構）
　３１　板バネ部材
　３２　歪センサ
　３３　保持部材
　３４　支持部材
　４０　歪センサ
　４０ｘ　横歪ゲージ
　４０ｚ　縦歪ゲージ

Claims (12)

  1. 　流路に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、圧電素子とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記弁体が移動するように構成された圧電素子駆動式バルブであって、
    　前記圧電素子の伸長量を検出する検出機構を備え、前記検出機構は歪センサを含み、前記歪センサの出力に基づいて前記弁体の移動量が測定される、圧電素子駆動式バルブ。
  2. 　前記圧電素子を収容し、前記圧電素子の伸長によって移動する支持筒体を備え、前記支持筒体の移動によって前記弁体が移動するように構成されている、請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。
  3. 　前記検出機構は、前記歪センサが固定された板バネ部材をさらに含み、前記板バネ部材に付与される力が前記圧電素子の伸長によって変化するように構成されている、請求項２に記載の圧電素子駆動式バルブ。
  4. 　前記板バネ部材の一端は、弁本体に対して不動の位置に維持され、前記板バネ部材の他端は、前記支持筒体に接続されている、請求項３に記載の圧電素子駆動式バルブ。
  5. 　前記歪センサの出力と前記支持筒体の移動量との関係を示すテーブルを格納する記憶装置を備え、前記テーブルを用いて前記支持筒体および前記弁体の移動量が検出される、請求項２から４のいずれかに記載の圧電素子駆動式バルブ。
  6. 　前記検出機構を用いて前記弁体の移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子を含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断する、請求項１から５のいずれかに記載の圧電素子駆動式バルブ。
  7. 　前記歪センサは、前記圧電素子の側面に直接的に固定されている、請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。
  8. 　前記歪センサは、前記圧電素子の伸長方向の歪を検出するための縦歪ゲージと、前記圧電素子の前記伸長方向と直交する方向の歪を検出するための横歪ゲージとを含む、請求項７に記載の圧電素子駆動式バルブ。
  9. 　ノーマルクローズ型の制御バルブである、請求項１から８のいずれかに記載の圧電素子駆動式バルブ。
  10. 　可変オリフィス装置として用いられ、前記検出機構を用いてオリフィス開度を検出し開度位置を制御するように構成されている、請求項１から８のいずれかに記載の圧電素子駆動式バルブ。
  11. 　絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた請求項１から９のいずれかに記載の圧電素子駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電素子駆動式バルブとの間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記圧電素子駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算処理回路とを備える、流量制御装置。
  12. 　請求項１０に記載の圧電素子駆動式バルブと、前記圧電素子駆動式バルブに対して設けられた演算処理回路とを備え、前記演算処理回路は、前記歪センサの出力に基づいて前記圧電素子駆動式バルブをフィードバック制御するように構成されている、流量制御装置。
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