(57)【要約】【課題】  弁開閉状態を検出可能な圧電駆動式バルブを提供する。【解決手段】  圧電駆動式バルブは、流路が設けられた弁本体と、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、弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体とを備え、圧電素子の伸長によって支持筒体が移動し、支持筒体によって弁体が移動するように構成されており、平面センサと、平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、ギャップセンサの平面センサおよび対向部材のうちのいずれか一方は弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は支持筒体に固定され、平面センサと対向部材との距離の変化を支持筒体の移動量として検出する。【選択図】図２
2018092622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が設けられた弁本体と、前記流路上に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記支持筒体が移動し、前記支持筒体によって前記弁体が移動するように構成された圧電駆動式バルブであって、
平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、
前記ギャップセンサの前記平面センサおよび前記対向部材のうちのいずれか一方は前記弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出する、圧電駆動式バルブ。
【請求項２】
前記対向部材の前記対向する面は、導電体によって形成されている、請求項１に記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項３】
前記対向部材の、前記平面センサと対向する面と反対側の面において、前記平面センサと同じ構成を有する温度補償用センサが設けられている、請求項１または２に記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項４】
前記平面センサは発振回路を有しており、前記ギャップセンサは、前記平面センサと前記対向面との距離の変化を発振周波数の変化として検出する、請求項１から３のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項５】
前記平面センサの出力値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の移動量が検出される、請求項１から４のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項６】
前記圧電素子に電圧が印加されていない状態において、前記平面センサと前記対向部材の前記対向する面との間の距離が３０μｍ以上３００μｍ以下である、請求項１から５のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項７】
前記弁本体に固定され、前記支持筒体の下部を覆うように設けられたガイド部材を有し、
前記平面センサは前記ガイド部材に固定され、前記対向部材は前記支持筒体に固定されている、請求項１から６のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項８】
前記ギャップセンサによる移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子および前記支持筒体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７のいずれかに記載の圧電駆動式バルブ。
【請求項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駆動式バルブ。
【請求項１０】
可変オリフィス装置として用いられ、前記ギャップセンサによっ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駆動式バルブ。
【請求項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駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電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駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算制御部とを備える、流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電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駆動式バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３８４２５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２０８３２号公報
【特許文献３】特開２００７−１９２２６９号公報
【特許文献４】特許第５０５４９０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、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。
【０００６】
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）。
【０００７】
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。
【０００８】
また、このような課題のある従来の圧電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。
【０００９】
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、圧力センサの出力から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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、流路が設けられた弁本体と、前記流路上に設けられた弁座および前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を移動させるための圧電素子を収容する支持筒体とを備え、前記圧電素子の伸長によって前記支持筒体が移動し、前記支持筒体によって前記弁体が移動するように構成された圧電駆動式バルブであって、平面センサと、前記平面センサに対向する面を有する対向部材とを備えるギャップセンサを備え、前記ギャップセンサの前記平面センサおよび前記対向部材のうちのいずれか一方は前記弁本体に対して不動の位置に固定され、他方は前記支持筒体に固定され、前記平面センサと前記対向部材との距離の変化を前記支持筒体の移動量として検出する。
【００１３】
ある実施形態において、前記対向部材の前記対向する面は、導電体によって形成されている。
【００１４】
ある実施形態において、前記対向部材の、前記平面センサと対向する面と反対側の面において、前記平面センサと同じ構成を有する温度補償用センサが設けられている。
【００１５】
ある実施形態において、前記平面センサは発振回路を有しており、前記ギャップセンサは、前記平面センサと前記対向面との距離の変化を発振周波数の変化として検出する。
【００１６】
ある実施形態において、前記平面センサの出力値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の移動量が検出される。
【００１７】
ある実施形態において、前記圧電素子に電圧が印加されていない状態において、前記平面センサと前記対向部材の前記対向する面との間の距離が３０μｍ以上３００μｍ以下である。
【００１８】
ある実施形態において、前記弁本体に固定され、前記支持筒体の下部を覆うように設けられたガイド部材を有し、前記平面センサは前記ガイド部材に固定され、前記対向部材は前記支持筒体に固定されている。
【００１９】
ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、ノーマルクローズ型の制御バルブである。
【００２０】
ある実施形態において、上記の圧電駆動式バルブは、可変オリフィス装置として用いられ、前記ギャップセンサによっ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。
【００２１】
ある実施形態において、前記ギャップセンサによる移動量をモニタし、正常な状態と比較することで、前記圧電素子と前記支持筒体とを含む圧電アクチュエータの異常の有無を判断する。
【００２２】
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いずれかの圧電駆動式バルブと、前記絞り部と前記圧電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駆動式バルブの駆動電圧を決定する演算制御部とを備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の実施形態によれば、圧電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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態による圧電駆動式バルブ（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。
【図２】本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを示す断面図である。
【図３】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４】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。
【図５】本発明の実施形態による圧電駆動式バルブを示す模式的な側面図である。
【図６】圧電素子の駆動電圧と平面センサの出力値（カウント値）との関係を示すグラフである。
【図７】圧電素子の駆動電圧と圧電アクチュエータの移動量（ストローク）との関係を示すグラフである。
【図８】ギャップセンサが測定したギャップと平面センサの出力値（カウント値）との関係を示すグラフであり、実線は実際のグラフを示し、破線は直線補正した後のグラフを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置８（以下、単に流量制御装置８と称することがある）の構成を示す図である。流量制御装置８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圧電駆動式バルブである制御バルブ６とを備えている。
【００２７】
第１圧力センサ３は、制御バルブ６と絞り部２との間の流路の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との間の流路の圧力である下流圧力Ｐ2を測定することができる。
【００２８】
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および弁機構６Ａを駆動する。
【００２９】
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する。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が検出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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
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ダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。
【００３２】
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含む弁機構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駆動型制御バルブである。制御バルブ６の詳細な構成については後述する。
【００３３】
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に接続されている。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、ガス供給時にはプロセスチャンバ１０の内部が真空引きされる。
【００３４】
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、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・Ｐ2m（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。
【００３５】
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）、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）などに基づいて、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、上記のＱ＝Ｋ1・Ｐ1またはＱ＝Ｋ2・Ｐ2m（Ｐ1−Ｐ2）nから演算により流量を求める。そして、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。
【００３６】
以下、本実施形態における制御バルブ６について詳細に説明する。
【００３７】
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駆動式バルブである。
【００３８】
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、流路上に設けられた弁座２１ａおよびこれに近接して離着座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。なお、離着座とは、弁体が弁座に対して当接および離間することを意味する。
【００３９】
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、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、圧電素子２０を用いて構成されたアクチュエータを、圧電アクチュエータ２０と称して説明することがある。
【００４０】
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。
【００４１】
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ことは言うまでもない。
【００４２】
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。尚、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。更に、金属ダイヤフラム２２は、１枚のダイヤフラムを使用するか、或いは、２〜３枚のダイヤフラムを積層したダイヤフラム弁体とすることもある。
【００４３】
金属ダイヤフラム２２は、前記弁座２１ａと対向状に弁室内へ配設されている。金属ダイヤフラム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り、弁本体２１側へ気密に保持固定されている。なお、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。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。
【００４４】
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、弁体押さえ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、弁体押さえ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。
【００４５】
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、挿入された割りベース片２６ａが組合せられる。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の底部２３ｂには、図２に示す弾性部材２８が予め挿着される。
【００４６】
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、割りベース片２６ａを組み合わせたとき、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、支持筒体２３の縮径部２３ｄが貫通する挿通孔２６ｄが設けられている。また、上壁２６ｂの中心部には、下部受台２９を支持する嵌合部２６ｅが形成されている。
【００４７】
図２に示すように、割りベース２６の鍔部２６ｃ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。
【００４８】
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２２、押えアダプター２５ａ、弁体押さえ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１７を形成する袋ナットの締込量を調整することにより、圧電アクチュエータ２０による金属ダイヤフラム２２の作動ストロークを設定値に微調整する。
【００４９】
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（圧電素子）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。なお、図２に示した例では、下部受台９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９へ接当させる構成とすることもある。
【００５０】
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から金属ダイヤフラム２２への押圧力が低下し、金属ダイヤフラム２２がそ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。
【００５１】
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により金属ダイヤフラム２２が弁座２１ａへ当座し、閉弁状態となる。
【００５２】
以上の説明からわかるように、制御バルブ６は、圧電素子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に付与される力が変化するように構成されている。そこで、本実施形態の制御バルブ６では、支持筒体２３の移動量を測定するためのギャップセンサ３０を設け、測定した支持筒体２３の移動量から、弁体２２の開度を検出するようにしている。
【００５３】
以下、制御バルブ６に設けられたギャップセンサ３０について説明する。
【００５４】
図２および図５に示すように、ギャップセンサ３０は、平面センサ３１と、これに対向して配置される対向部材３２とを用いて構成されている。平面センサ３１および対向部材３２は、弁本体２１と重畳するよう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。なお、図５に示す流量制御装置８では、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が設けられている。流入圧力センサ１３は、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。
【００５５】
平面センサ３１としては、例えば、日本システム開発社製の超小型変位センサＤＳ２００１シリーズを用いることが出来る。この超小型変位センサは、コイルを有する基板上に発振回路などが形成された構成を有しており、対向する導電体との距離変化に応じて発振（共振）周波数が変化し、その積算値（カウント値）をデジタル出力することができる。ここで、カウント値は、具体的には発振周波数×測定時間によって与えられ、発振周波数ｆは、ｆ＝１／２π（Ｌ・Ｃ）1/2（Ｌはインダクタンス、Ｃは静電容量）で与えられるものである。
【００５６】
また、対向部材３２は、平面センサ３１に対向する導電体面３２ｓを有する、典型的には平板状の金属部材である。本実施形態では、対向部材３２の全体が導電体（実施例ではアルミニウム板）によって形成されているが、これに限られず、対向部材３２の表面に導電体膜が形成されたものを用いてもよい。対向部材３２の導電体面３２ｓは、磁性体、非磁性体にかかわらず、任意の導電体（例えば、アルミニウム、銅、鉄、金、銀、ステンレス鋼など）から形成されていてよい。
【００５７】
図５に固定例を示すように、制御バルブ６において、平面センサ３１は、弁本体２１に固定されたガイド部材２４に対してネジ留めによって固定されている。この構成において、ガイド部材２４は弁本体２１に対して不動の状態にあるため、ガイド部材２４に固定されている平面センサ３１は、弁本体２１に対して不動の位置に固定されていることになる。一方で、対向部材３２は、支持筒体２３に対してネジ留めによって固定されている。
【００５８】
ただし、他の態様において、平面センサ３１を支持筒体２３に取り付け、対向部材３２をガイド部材２４に取り付けてもよい。平面センサ３１および対向部材３２は、一方が弁本体２１に対して直接的または間接的に固定されて、他方が支持筒体２３に対して直接的または間接的に固定されている限り、種々の態様で取り付けられてよいことは言うまでもない。
【００５９】
また、図５に示すように、本実施形態の制御バルブ６において、対向部材３２の、平面センサ３１と対向する面と反対側の面には、平面センサ３１と同じ構成を有する温度補償用の基準平面センサ３３が設けられている。この基準平面センサ３３は、温度変化などによって変動し得る平面センサ３１の出力を補償するために設けられている。具体的には、基準平面センサ３３の出力変化をバックグラウンドの変化として読み取り、その変化分を平面センサ３１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。
【００６０】
ギャップセンサ３０において、平面センサ３１と対向部材３２との距離の変化は、支持筒体２３の移動量として検出される。より具体的には、上記のように、本実施形態の平面センサ３１は発振回路を有しており、平面センサ３１と対面する導電体面（対向部材３２）との距離の変化を発振周波数（ここではカウント値）の変化として検出する。このような平面変位センサを用いれば、例えば１０μｍ〜１００μｍの距離の変化を精度よく読み取ることができる。したがって、変位量が例えば０〜５０μｍ程度である圧電アクチュエータ２０の移動量および弁開閉度を精度よく検出することが可能である。なお、ノーマルクローズ型の本実施形態の制御バルブ６において、初期状態（電圧無印加状態）での平面センサ３１と対向部材３２との間の距離は、例えば３０〜３００μｍ、より具体的には、３０〜７０μｍ程度に設定されていてよく、印加した駆動電圧の大きさに応じて上記距離が増加（発振周波数は減少）する。
【００６１】
図６は、圧電素子の駆動電圧（ピエゾ電圧）と平面センサ３１の出力であるカウント値との関係を示すグラフである。駆動電圧が０のとき、ノーマルクローズ型の制御バルブ６は閉じた状態にあり、このとき、平面センサ３１と対向部材３２とのギャップが最も小さい。これに対応して、平面センサ３１が検出したカウント値が最も大きい値をとる。図において矢印で示すように、０Ｖから１５０Ｖに圧電素子への駆動電圧を増加させると、制御バルブ６の開度が増加するとともに、平面センサ３１と対向部材３２との間のギャップが増加してカウント値が減少する。また、図において逆向きの矢印で示すように、１５０Ｖから０Ｖに駆動電圧を減少させると、制御バルブ６の開度が減少するとともに、平面センサ３１と対向部材３２との間のギャップが減少してカウント値が増加する。
【００６２】
また、図７には、圧電素子の駆動電圧（それぞれ図における矢印の方向に電圧を増加および減少させたとき）と、レーザ変位計で測定した実際の圧電アクチュエータの移動量（ストローク）との関係を示す。レーザ変位計による圧電アクチュエータの移動量は、圧電アクチュエータの上端に固定した反射板にレーザ光を照射するとともに、反射板からのレーザ光を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。
【００６３】
図６からわかるように、平面センサの出力は、駆動電圧に対して概ねリニアな関係を有している。同様に、図７からわかるように、駆動電圧と圧電アクチュエータの移動量との関係も、概ねリニアな関係を有している。
【００６４】
しかし、図８において実線で示すように、平面センサの出力（カウント値）と実際のギャップセンサの変位量とは、若干の曲線的な特性を有している場合がある。そこで、レーザー変位計で測定された圧電アクチュエータの変位出力、及び、平面センサによって測定された変位出力に対してそれぞれ直線補正を行い（すなわち、図８において破線で示すような直線的な関係を求め）、最終的に平面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作成して、記憶装置に記憶させるようにしてもよい。
【００６５】
このように予め作成した変換テーブルを用いることによって、平面センサの出力値から、弁体の開度をより精度よく検出することができる。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、ギャップ検出時には、この変換テーブルを読み出し、これを用いて平面センサの出力値から支持筒体の移動量、ひいては弁の開度を検出することができる。
【００６６】
以上に説明したように、本実施形態の制御バルブ６では、ギャップセンサ３０を用いて支持筒体２３または圧電アクチュエータ２０の移動量を直接測定しているので、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、後述するように制御バルブ６を、可変オリフィス装置のように用いることも可能である。
【００６７】
弁体２２の開閉度をギャップセンサ３０を用いて直接的に検出しているので、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、測定した圧電アクチュエータ２０の移動量をモニタし、正常な状態と比較して、例えば全開の状態における移動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移動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２０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２０を交換する。これによって、圧電アクチュエータ２０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。
【００６８】
また、圧電アクチュエータ２０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は、流量制御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てよい。
【００６９】
制御バルブ６と同様の構成の圧電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、ギャップセンサ３０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、ギャップセンサ３０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。
【００７０】
例えば、上記の流量制御装置８の絞り部２を、圧電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上流側の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。
【００７１】
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駆動式バルブを適用することができ、ギャップセンサ３０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に平面センサおよび対向部材のうちの一方を固定し、弁本体などの固定部に所定の間隙を設けて他方を固定することによって、バルブ開度を精度よく検出することができる。
【００７２】
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。
【００７３】
また、本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、ノーマルオープン型であってもよく、この場合にも、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において平面センサまたは対向部材を取り付けてギャップを測定することによって、弁の開度を精度よく検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の実施形態による圧電駆動式バルブは、特に流量制御装置において用いられ、弁体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。
【符号の説明】
【００７５】
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  （圧電駆動式バルブ）
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  外部制御装置
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  弁体押さえ
２６  割りベース
２７  Ｏリング
２８  弾性部材
２９  下部受台
３０  ギャップセンサ
３１  平面センサ
３２  対向部材
３３  基準平面センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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