(57)【要約】  圧電アクチュエータの使用範囲温度を超える温度の流体でも制御可能なように構成された圧電素子駆動式バルブ１００は、弁体２を弁座５に離着座させるための圧電素子１０ｂと、弁体２と圧電素子１０ｂとの間に配置された断熱スペーサ４０と、圧電素子１０ｂに固定された歪センサ２０とを有し、断熱スペーサ４０には、断熱スペーサ４０と圧電素子１０ｂとの積層方向Ｄ１に交差する方向に沿って貫通する複数の孔４０Ｈが設けられている。
2019159959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体を弁座に離着座させるための圧電素子と、
前記弁体と前記圧電素子との間に配置された断熱スペーサと、
前記圧電素子に固定された歪センサとを有し、
前記断熱スペーサには、前記断熱スペーサと前記圧電素子との積層方向に交差する方向に沿って貫通する複数の孔が設けられている、圧電素子駆動式バルブ。
【請求項２】
流路が形成された弁本体と、
前記流路に設けられた圧電素子駆動式バルブと、
前記圧電素子駆動式バルブの下流側の流路に設けられた絞り部と、
前記圧電素子駆動式バルブと前記絞り部との間に設けられた圧力センサとを備える流量制御装置であって、
前記圧電素子駆動式バルブは、
弁体を弁座に離着座させるために伸長可能な圧電素子と、
前記弁体と前記圧電素子との間に配置された断熱スペーサと、
前記圧電素子に固定された歪センサとを有し、
前記断熱スペーサには、前記断熱スペーサと前記圧電素子との積層方向に交差する方向に沿って貫通する複数の孔が形成されている、流量制御装置。
【請求項３】
前記歪センサは、前記圧電素子の伸長方向の変位を検知する第１歪ゲージと、前記伸長方向と直交する方向の変位を検知する第２歪ゲージとを含む、請求項２に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記断熱スペーサに形成された前記複数の孔は、前記積層方向に交差する第１方向に沿って延びる孔と、前記積層方向に交差する第２方向であって前記第１方向とは異なる第２方向に沿って延びる孔とを含む、請求項２又は３に記載の流量制御装置。
【請求項５】
前記断熱スペーサは、インバー材で形成されている、請求項２乃至４のいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項６】
前記圧電素子駆動式バルブは、前記圧電素子と前記断熱スペーサとを収容し、前記弁本体に対して上下動可能に支持された支持筒体を有し、
前記圧電素子の伸長により、前記支持筒体が移動するように構成されたノーマルクローズ型のバルブである、請求項２乃至５のいずれかに記載の流量制御装置。
【請求項７】
前記支持筒体に、前記断熱スペーサに設けられた孔と少なくとも部分的に重なる開口部が形成されている、請求項６に記載の流量制御装置。
【請求項８】
前記断熱スペーサは、前記流路を流れる流体から受けた熱が断熱スペーサの下端部から上端部へ伝熱する間の断熱により上端部の温度が前記圧電素子の耐熱温度以下となるように、前記下端部と上端部との間の長さが設定されている、請求項２乃至７のいずれかに記載の流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用して弁体を開閉制御する圧電素子駆動式バルブおよびこれを用いて流量を制御する流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力式流量制御装置は、圧電素子駆動式バルブと絞り部（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、金属ダイヤフラム弁体）を開閉させるように構成された圧電素子駆動式バルブが開示されている。圧電素子駆動式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、それぞれの型に応じて、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２００７−１９２２６９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１７４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧電素子駆動式バルブに内蔵されている一般的な圧電アクチュエータは、積層された圧電素子または単一の圧電素子が金属ケース内に密封された構造を有しており、圧電素子の許容温度範囲は例えば−２０〜１２０℃に設定されている。そのため、制御する流体の温度に制限があった。【０００６】
この問題に対して、特許文献３には、圧電アクチュエータの許容温度範囲を超える温度の流体でも制御可能とするための高温耐熱型の圧電素子駆動式バルブが開示されている。特許文献３に記載の圧電駆動式バルブでは、圧電アクチュエータと弁体との間に放熱スペーサが設けられており、流体からの熱が圧電素子に伝わりにくい構成が採用されている。【０００７】
しかしながら、更なる高温対策が求められる近年の用途では、従来の圧電素子駆動式バルブの放熱性が十分でない場合もあり、より安定して使用できる圧電素子駆動式バルブが求められていた。【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、圧電アクチュエータの許容温度範囲を超える温度の流体でも制御可能な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主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態による圧電素子駆動式バルブは、弁体を弁座に離着座させるための圧電素子と、前記弁体と前記圧電素子との間に配置された断熱スペーサと、前記圧電素子に固定された歪センサとを有し、前記断熱スペーサには、前記断熱スペーサと前記圧電素子との積層方向に交差する方向に沿って貫通する複数の孔が設けられている。
本発明の実施形態による流量制御装置は、流路が形成された弁本体と、前記流路に設けられた圧電素子駆動式バルブと、前記圧電素子駆動式バルブの下流側の流路に設けられた絞り部と、前記圧電素子駆動式バルブと前記絞り部との間に設けられた圧力センサとを備え、前記圧電素子駆動式バルブは、弁体を弁座に離着座させるために伸長可能な圧電素子と、前記弁体と前記圧電素子との間に配置された断熱スペーサと、前記圧電素子に固定された歪センサとを有し、前記断熱スペーサには、前記断熱スペーサと前記圧電素子との積層方向に交差する方向に沿って貫通する複数の孔が形成されている。
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変位を検知する第１歪ゲージと、前記伸長方向と直交する方向の変位を検知する第２歪ゲージとを含む。
ある実施形態において、前記断熱スペーサに形成された前記複数の孔は、前記積層方向に交差する第１方向に沿って延びる孔と、前記積層方向に交差する第２方向であって前記第１方向とは異なる第２方向に沿って延びる孔とを含む。
ある実施形態において、前記断熱スペーサは、インバー材で形成されている。
ある実施形態において、前記圧電素子駆動式バルブは、前記圧電素子と前記断熱スペーサとを収容し、前記弁本体に対して上下動可能に支持された支持筒体を有し、前記圧電素子の伸長により、前記支持筒体が移動するように構成されたノーマルクローズ型のバルブである。
ある実施形態において、前記支持筒体に、前記断熱スペーサに設けられた孔と少なくとも部分的に重なる開口部が形成されている。
ある実施形態において、前記断熱スペーサは、前記流路を流れる流体から受けた熱が断熱スペーサの下端部から上端部へ伝熱する間の断熱により上端部の温度が前記圧電素子の耐熱温度以下となるように、前記下端部と上端部との間の長さが設定されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る圧電素子駆動式バルブの一実施形態を示す一部断面図である。
【図２】（ａ）は支持筒体の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】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図であり、（ａ）は筒体および内部に収容されるピエゾスタックを示し、（ｂ）はコネクタ部を示す。
【図４】本発明の実施形態で用いられ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。
【図５】複数の歪センサの取り付け態様を示す図であり、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ別の態様を示す。
【図６】本発明の実施形態による流量制御装置の構成を示す模式的な図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブを示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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電素子駆動式バルブ１００を示す。
【００１２】
圧電素子駆動式バルブ１００は、流路Ｆが形成された弁本体１に取り付けられており、流路Ｆを流れる流体の流量を制御するように設けられている。弁本体１は例えばステンレス鋼製であり、弁室の一部を形成する孔部および流体入口、流体出口、流体通路、弁室および弁座５等をそれぞれ備えている。
【００１３】
また、流路Ｆに介在して、圧電素子駆動式バルブ１００の弁体２としての金属ダイヤフラムが弁座５に対して離着座可能に配置されている。弁体２は、例えばニッケルクロム合金鋼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。弁体２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。弁体２は、１枚のダイヤフラムから形成されていてもよいし、２〜３枚のダイヤフラムを積層して形成されていてもよい。
【００１４】
弁体（金属ダイヤフラム）２は、弁座５と対向状に弁室内へ配設され、その周縁部が、押えアダプター４、割りベース２６および筒体固定・ガイド体２５によって弁本体１に対して保持固定されている。なお、押えアダプター４、筒体固定・ガイド体２５、割りベース２６等はステンレス鋼等の金属製である。また、弁体２の中央部は、後述する支持筒体２３に固定された弁体押え３と当接しており、弁体押え３を移動させることによって弁体２を弁座５に離着座させることができる。
【００１５】
本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００では、弁体２と圧電アクチュエータ１０との間に断熱スペーサ４０が配置されており、これらは支持筒体２３の内側に収容されている。本実施形態では、支持筒体２３が、圧電アクチュエータ１０を収容する上部筒体２３Ｕと、断熱スペーサを収容する下部筒体２３Ｌとを連結することによって形成されているが、支持筒体２３は一体的な筒体として設けられていてもよい。
【００１６】
支持筒体２３は、円筒状に形成されおり、支持筒体２３の下方部には、下部受台９および弾性部材１８等を収納する縮径された円筒状の縮径部が形成されている。また、支持筒体２３の最下端部は弁体押え３を嵌着するための開口が形成されており、ここに弁体押え３が挿入固定されている。
【００１７】
図２（ａ）は支持筒体２３（ここでは下部筒体２３Ｌ）の縦断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、支持筒体２３の太径部２３ｃと縮径部２３ｄの境界近傍には、その外壁部の両側部を一定の長さおよび深さに亘って削除することにより、割りベース２６を構成する割りベース片を両側から対向状に挿入組合せするための孔部２３ａが形成されている。即ち、孔部２３ａの両側から、割りベース２６を形成する半割り状の割りベース片が対向状に組み付けされ、筒体固定・ガイド体２５により割りベース２６として一体的に保持固定される。なお、割りベース片を組付けする前に縮径部２３ｄの底部２３ｂへは弾性部材１８が挿着されることは勿論である。
【００１８】
なお、図１に示すように、本実施形態では、圧電素子駆動式バルブ１００が取り付けられた弁本体１が、１次接続部２９Ａおよび２次接続部２９Ｂにガスケット２９Ｃを介して固定されている。圧電素子駆動式バルブ１００、弁本体１、１次接続部２９Ａおよび２次接続部２９Ｂは、図示しない保護ケース内に一体的に収容されていてよい。また、保護ケース内には、圧電アクチュエータ１０に接続された制御回路板が収容されていてもよい。さらに、圧力式流量制御装置に組み込む場合、弁本体１には、流路と連通する圧力センサが取り付けられていてもよい。圧電素子駆動式バルブ１００の組立ては、例えば、特許文献３に記載の方法と同様の方法で行うことができる。
【００１９】
本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００は、ノーマルクローズ型のバルブであり、制御回路（図示省略）からコネクター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１０は設定値（例えば０〜４５μｍ）だけ伸長する。これにより、例えば４０〜８０ｋｇｆの押し上げ力が支持筒体２３に働き、筒体固定・ガイド体２５内側のＯリングにより軸芯を保持された状態で支持筒体２３が弾性部材１８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２がその弾性力によって弁座５から離座し、開弁される。
【００２０】
一方、開弁入力がｏｆｆになる、すなわち、圧電素子への電圧無印加状態では、圧電アクチュエータ１０が元の長さ寸法の状態に復帰し、その結果、弾性部材１８の弾性力により圧電アクチュエータの支持筒体２３の底部が下方向へ押し下げられ、弁体押え３により弁体２が弁座５へ当座し、閉弁状態となる。
【００２１】
圧電アクチュエータ１０としては、圧電素子を積層したピエゾスタックを金属容器内に密封した金属密封型積層圧電アクチュエータを用いることができ、この種の金属密封型積層圧電アクチュエータは、例えば、日本特殊陶業株式会社等から販売されているものを使用することができる。
【００２２】
上記のように、本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００は、弁体２と、弁体２を開閉駆動するための圧電アクチュエータ１０と、圧電アクチュエータ１０を流体流路から遠ざけるように持上げ支持するとともに、流体流路を流れる流体から圧電アクチュエータ１０へ伝わる熱を断熱するための断熱スペーサ４０を有しており、圧電アクチュエータ１０と断熱スペーサ４０とは、支持筒体２３内に収容されている。支持筒体２３は、ある好適な態様において、少なくとも断熱スペーサ４０を収容する部分が、断熱スペーサ４０と同じ材料で形成されている。
【００２３】
具体的には、断熱スペーサ４０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の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）で形成されることが好ましい。同様に、下部筒体２３Ｌもまた、断熱スペーサ４０と同じ材料、すなわちインバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等のインバー材の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）で形成されることが好ましい。さらに、上部筒体２３Ｕも熱膨張係数の小さい材料で形成することが好ましく、下部筒体２３Ｌと同じ材料で形成することができる。なお、断熱スペーサ４０は、断熱効率の観点から、金属、合金等の高熱伝導性材料から形成されていることが好ましく、その点でもインバー材は適している。具体的なインバー材としては、例えばＦｅ−３６ｗｔ％Ｎｉ合金を挙げることができる。また、インバー材は、熱伝導率が低いので、断熱材の用途に好適に用いることができる。
【００２４】
断熱スペーサ４０は、流路Ｆを流れる流体から受けた熱を断熱スペーサ４０の下端部から上端部へ伝える間に断熱することにより、断熱スペーサ４０の上端部の温度、即ち、図示例では、断熱スペーサ４０と圧電アクチュエータ１０とが接する箇所の温度が、圧電アクチュエータ１０の耐熱温度以下となるように、断熱スペーサ４０の長さ（高さ寸法）が設定されている。
【００２５】
好ましくは、断熱スペーサ４０は、図示例のように、圧電アクチュエータ１０と高さおよび直径が同じ円柱状に形成される。そうすることで、下部筒体２３Ｌは、従来において圧電アクチュエータ１０を収容するために用いられていた支持筒体をそのまま利用することができる。
【００２６】
また、断熱スペーサ４０は、圧電アクチュエータ１０を流路Ｆから遠ざけるようにリフトアップした位置に支持しているので、流路Ｆを流れる高温流体の熱の一部は、圧電アクチュエータ１０に伝熱する前に、断熱スペーサ４０によって断熱される。その結果、流路Ｆを流れる流体の温度が圧電アクチュエータ１０の許容温度範囲を超えていても、圧電アクチュエータ１０の温度を許容温度範囲内に抑えることが可能となる。
【００２７】
さらに、断熱スペーサ４０と圧電アクチュエータ１０を収容して支持している支持筒体２３を断熱スペーサ４０と同じ材料で形成した場合、断熱スペーサ４０の熱による伸びと、断熱スペーサ４０の周囲を囲む部分の支持筒体２３の熱による伸びとを等しいかほぼ等しくすることができる。その結果、例えば５０μｍ以下という微小リフトのバルブリフトを制御する場合であっても、精度よく制御することが可能となる。
【００２８】
また、図１に示すように、本実施形態における断熱スペーサ４０には、断熱スペーサ４０と圧電アクチュエータ１０との積層方向（あるいは、ピエゾスタックを用いる場合には複数の圧電素子の積層方向）である垂直方向Ｄ１と交差する方向（図例では、直交する水平方向）に沿って複数の孔４０Ｈが形成されている。より具体的には、第１の水平方向Ｄ２に沿って貫通する第１の孔４０Ｈ１と、これに直交する第２の水平方向Ｄ３（図１における紙面奥手前方向）に沿って貫通する第２の孔４０Ｈ２とが設けられている。なお、本実施形態では、長手方向に延びる棒状の断熱スペーサ４０が用いられており、上記の垂直方向Ｄ１は、断熱スペーサ４０の長手方向に対応する。ただし、断熱スペーサ４０としては、複数のスペーサ部材を積層した態様のものを用いることもできる。
【００２９】
このように断熱スペーサ４０に、複数の孔４０Ｈを形成することによって、断熱スペーサ４０の表面積を増やすことができ、伝導する熱を外部に放熱し、断熱性を向上させることができる。これにより、例えば、弁体２の部分での温度が例えば３００℃以上のときにも、断熱スペーサ４０の断熱効果により、圧電アクチュエータ１０の圧電素子の温度を１００℃以下に維持し得る。このため従来よりも高温の用途でも圧電素子駆動式バルブ１００は好適に使用され得る。
【００３０】
複数の孔４０Ｈの穿孔は、インバー材の断熱スペーサ４０であっても、ドリルなどを用いて比較的容易に実行することができる。このため、低コストで高温耐性を効果的に向上させることができる。
【００３１】
また、断熱スペーサ４０に設けた孔４０Ｈと対応する位置において支持筒体２３にも開口部２３Ｈが設けられている。支持筒体２３の開口部２３Ｈは、断熱スペーサ４０に設けられた孔４０Ｈと少なくとも部分的に重なるように形成されていることが好ましい。このように支持筒体２３にも開口部２３Ｈを設けておくことで、孔４０Ｈからの断熱効果を向上させることができる。
【００３２】
孔４０Ｈの個数および形状は、断熱スペーサ４０に所望の剛性が維持される限り、種々の態様であってよく、例えば、２〜１０個の丸孔であってよい。孔の形状は、例えば、長穴、四角孔、三角孔などであってもよい。また、孔はネジ穴によって形成されていてもよく、これによって孔の表面積を拡大し、断熱効率が向上し得る。さらに、複数の孔の穿孔方向は、互いに異なるものであってもよいし、同一方向であってもよい。図７に示す、別の実施形態による圧電素子駆動式バルブ１１０は、孔４０Ｈを長孔とし、上側の孔４０Ｈ１と下側の孔４０Ｈ２の貫通方向が平行となるように構成した例を示すものである。
【００３３】
また、本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００では、圧電アクチュエータ１０を構成する圧電素子の伸長度を直接的に検出するための歪センサ２０が圧電素子の側面に固定されている。以下、本実施形態で用いられる圧電アクチュエータ１０の具体的な構成を説明する。
【００３４】
図３（ａ）は、外側の筒体１０ａと、この筒体１０ａ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１０ｂ（以下、ピエゾスタックと呼ぶ場合がある）とを分解して示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すコネクタ部１０ｃを正面方向から見た状態を示す。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、圧電アクチュエータ１０において、複数の圧電素子１０ｂのうちの少なくとも１つには、接着剤等によって歪センサ２０が直接的に取り付けられている。歪センサ２０は、圧電素子の側面に配置されており、本実施形態においては、圧電素子の積層方向、すなわち、ピエゾスタックの主伸長方向であるｚ方向の歪を検出する第１歪ゲージ２０ｚと、主伸長方向と直交するｘ方向の歪を検出する第２歪ゲージ２０ｘとによって構成されている。第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘ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等を用いることができる。なお、圧電アクチュエータ１０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。
【００３６】
本実施形態において、第１歪ゲージ２０ｚ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、第２歪ゲージ２０ｘは第１歪ゲージ２０ｚ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。第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘは、圧電素子の伸長量を、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの電気抵抗の変化として検出することができる。
【００３７】
また、図３（ｂ）に示すように、コネクタ部１０ｃには、ピエゾスタック１０ｂに駆動電圧を印加するための一対の駆動電圧端子２２ａ、２２ｂと、第１歪ゲージ２０ｚの一方の端子に接続された第１歪センサ出力端子２４ａと、第１歪ゲージ２０ｚの他方の端子および第２歪ゲージ２０ｘ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２４ｃと、第２歪ゲージ２０ｘの他方の端子に接続された第２歪センサ出力端子２４ｂとが設けられている。
【００３８】
ピエゾスタック１０ｂを構成する複数の圧電素子は、公知の回路構成によって駆動電圧端子２２ａ、２２ｂに電気的に接続されており、駆動電圧端子２２ａ、２２ｂに電圧を印加することによって、圧電素子の全てをスタック方向に伸長させることができる。
【００３９】
第１および第２歪センサ出力端子２４ａ、２４ｂおよび歪センサ共通出力端子２４ｃは、外部基板に設けられた回路に接続されており、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘ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、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値の変化を検出することができる。
【００４０】
図４は、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘ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４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、第１歪ゲージ２０ｚに対応し、分岐点Ｂ−Ｃ間に設けられた抵抗Ｒ４は、第２歪ゲージ２０ｘに対応する。本実施形態では、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘ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オーム又は３５０オームに設定されている。
【００４１】
また、図４において、分岐点Ａは、第１歪センサ出力端子２４ａに対応し、分岐点Ｂは、歪センサ共通出力端子２４ｃに対応し、分岐点Ｃは、第２歪センサ出力端子２４ｂ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、第１歪ゲージ２０ｚまたは第２歪ゲージ２０ｘ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、第１および第２歪ゲージ２０ｚ、２０ｘに応力が生じていない初期状態において、ブリッジ出力信号は典型的にはゼロを示す。
【００４２】
ピエゾスタック１０ｂに駆動電圧が印加されたとき、歪センサ２０が取り付けられた圧電素子は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。このとき、第１歪ゲージ２０ｚの抵抗値は、圧電素子の伸長量に対応して増加し、第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値は、圧電素子の収縮量に対応して減少する。
【００４３】
そして、図４に示す等価回路では、ピエゾスタック１０ｂに駆動電圧が印加されてこれが伸長したとき、第１歪ゲージ２０ｚ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、第２歪ゲージ２０ｘ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、第１歪ゲージ２０ｚの歪み量の増加分と、第２歪ゲージ２０ｘ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。
【００４４】
また、上記のように第１歪ゲージ２０ｚと、これに直交する第２歪ゲージ２０ｘ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２０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、第１歪ゲージ２０ｚ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、第２歪ゲージ２０ｘ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または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、精度よく圧電素子の伸長度を測定することが可能になる。
【００４５】
なお、上記には、圧電素子の１つの側面に歪センサ２０を貼り付ける態様を説明したが、より多くの歪センサ２０を用いてもよい。例えば、図５（ａ）に示すように、複数の圧電素子１０ｂの側面にそれぞれ歪センサ２０を貼り付けてもよい。また、図５（ｂ）に示すように圧電素子１０ｂの９０°で交わる２つの側面のそれぞれに歪センサ２０を貼り付けてもよい。さらに、圧電素子１０ｂの対向する２つの側面のそれぞれに歪センサ２０を貼り付けてもよい。
【００４６】
上記のように、圧電素子に複数の歪センサ２０を設けて、これらの出力を合成、平均化することによって、精度、温度補正性能を向上させ得る。また、複数の歪センサ２０の出力を相互に比較し、これらの差が大きいときにはいずれかの歪センサ２０が異常であると判定、診断することも可能である。
【００４７】
以下、本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００を用いて構成される本実施形態の流量制御装置２００を説明する。
図６は、流量制御装置２００の構成を示す模式図である。流量制御装置２００は、ガスＧ０の流入側の流路Ｆに設けられた圧力制御バルブ６６と、圧力制御バルブ６６の下流側に設けられた流量制御バルブ６８と、圧力制御バルブ６６の下流側かつ流量制御バルブ６８の上流側の上流圧力Ｐ1を検出する第１（または上流）圧力センサ６３と、圧力制御バルブ６６の下流側に配置された絞り部６２とを備えている。
【００４８】
本実施形態では、絞り部６２は、流量制御バルブ６８の上流側に配置されたオリフィスプレートによって構成されている。オリフィスプレートは、オリフィスの面積が固定されているので、開度が固定された絞り部として機能する。なお、本明細書において、「絞り部」とは、流路の断面積を、前後の流路断面積より小さく制限した部分であり、例えば、オリフィスプレートや臨界ノズル、音速ノズルなどを用いて構成されるが、他のものを用いて構成することもできる。また、本明細書において、絞り部には、バルブの弁座と弁体との距離を開度とする可変オリフィスとしてのバルブ構造も含まれる。このようなバルブ構造は、開度が可変の絞り部として機能する。
【００４９】
本実施形態の流量制御装置２００はまた、流量制御バルブ６８の下流側の下流圧力Ｐ2を測定する第２（または下流）圧力センサ６４と、圧力制御バルブ６６の上流側の圧力Ｐ0を検出する流入圧力センサ６５とを備えている。ただし、流量制御装置２００は、他の態様において、第２圧力センサ６４や流入圧力センサ６５を備えていなくてもよい。
【００５０】
第１圧力センサ６３は、圧力制御バルブ６６と絞り部６２または流量制御バルブ６８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６４は、絞り部６２または流量制御バルブ６８の下流圧力Ｐ2を測定することができる。また、流入圧力センサ６５は、接続されたガス供給装置（例えば原料気化器やガス供給源等）から流量制御装置２００に供給される材料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどの流入圧力Ｐ0を測定することができる。流入圧力Ｐ0は、ガス供給装置からのガス供給量やガス供給圧を制御するために利用され得る。
【００５１】
流量制御バルブ６８の下流側は、典型的には下流弁（図示せず）を介して、例えば、半導体製造装置のプロセスチャンバに接続されている。プロセスチャンバには真空ポンプが接続されており、典型的には、プロセスチャンバの内部が真空引きされた状態で、流量制御装置２００から流量制御されたガスＧ１がプロセスチャンバに供給される。下流弁としては、例えば、圧縮空気により開閉動作が制御される公知の空気駆動弁（Ａｉｒ  Ｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｖａｌｖｅ）や電磁弁等を用いることができる。
【００５２】
流量制御装置２００の流路Ｆ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６３、６４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。
【００５３】
また、圧力制御バルブ６６は、例えば、金属製ダイヤフラム弁体を圧電アクチュエータで駆動する公知の圧電素子駆動式バルブであってよい。後述するように、圧力制御バルブ６６は、第１圧力センサ６３から出力される信号に応じてその開度が制御され、例えば、第１圧力センサ６３が出力する上流圧力Ｐ1が、入力された設定値に維持されるようにフィードバック制御される。
【００５４】
また、本実施形態において、流量制御バルブ６８は、弁座に離着座するように配置された弁体と、弁体を移動させるための圧電素子と、圧電素子の伸長量を検出する歪センサ２０とを備えた圧電素子駆動式のバルブであり、図１に示した圧電素子駆動式バルブ１００を用いて構成されている。流量制御バルブ６８は、歪センサ２０から出力される信号に基づいて圧電素子の駆動がフィードバック制御される。
【００５５】
流量制御装置２００は、第１圧力センサ６３の出力に基づいて圧力制御バルブ６６の開閉動作を制御する第１制御回路６７を備えている。第１制御回路６７は、外部から受け取った設定上流圧力と第１圧力センサ６３の出力との差がゼロになるように圧力制御バルブ６６をフィードバック制御するように構成されている。これにより、圧力制御バルブ６６の下流側かつ流量制御バルブ６８の上流側の上流圧力Ｐ1を設定値に維持することが可能である。
【００５６】
また、流量制御装置２００は、流量制御バルブ６８に設けられた歪センサ２０からの出力をピエゾバルブ変位として受け取り、この出力に基づいて流量制御バルブ６８の駆動を制御する第２制御回路６９を有している。なお、図６には、第１制御回路６７と第２制御回路６９とが別個に設けられた態様が示されているが、これらは一体的に設けられていてもよい。
【００５７】
第１制御回路６７および第２制御回路６９は、流量制御装置２００に内蔵されたものであってもよいし、流量制御装置２００の外部に設けられたものであってもよい。第１制御回路６７および第２制御回路６９は、典型的には、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等によって構成され、後述する流量制御動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよい。第１制御回路６７および第２制御回路６９は、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。
【００５８】
流量制御装置２００は、第１制御回路６７および第２制御回路６９によって、第１圧力センサ６３が出力する上流圧力Ｐ1が設定値になるように圧力制御バルブ６６を制御しながら、流量制御バルブ６８の圧電素子１０ｂの駆動を制御することにより、流量制御バルブ６８の下流側に流れる流体の流量を制御するように構成されている。流量制御装置２００は、特に、臨界膨張条件Ｐ1／Ｐ2≧約２（Ｐ1：絞り部上流側の流体圧力（上流圧力）、Ｐ2：絞り部下流側の流体圧力（下流圧力））を満たすとき、絞り部６２または流量制御バルブ６８を通過するガスの流量が、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うことができる。
【００５９】
臨界膨張条件を満たすとき、流量制御バルブ６８の下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ1・Ａｖ・Ｐ1（Ｋ1は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられる。流量Ｑは、上流圧力Ｐ1および流量制御バルブ６８の弁開度Ａｖに概ね比例するものと考えられる。また、第２圧力センサ６４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および下流圧力Ｐ2に基づいて、所定の計算式：Ｑ＝Ｋ2・Ａｖ・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。
【００６０】
なお、上記のように、圧力制御バルブと、圧力制御バルブの下流側に設けられた流量制御バルブと、圧力制御バルブの下流側に設けられた絞り部とを備える流量制御装置において、図１に示した本実施形態の圧電素子駆動式バルブ１００は、図６に示す流量制御装置２００における圧力制御バルブ６６として用いられてもよい。もちろん、圧力制御バルブ６６および流量制御バルブ６８の双方に、圧電素子駆動式バルブ１００が用いられてもよい。
【００６１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変更することが可能である。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、熱式センサによる熱式の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流体制御装置について説明したが、本発明は、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。
【００６２】
また、上記には圧力制御バルブ６６と流量制御バルブ６８とを備える流量制御装置２００について説明したが、これに限られない。本発明の実施形態による流量制御装置は、圧力制御バルブと絞り部とを備え、圧力制御バルブと絞り部との間に設けられた圧力センサからの出力に基づいて圧力制御バルブをフィードバック制御する圧力式流量制御装置において、圧力制御バルブとして図１に示した圧電素子駆動式バルブ１００を用いたものであってもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１  弁本体
２  弁体
３  弁体押え
９  下部受台
１０  圧電アクチュエータ
１０ｂ  圧電素子
１８  弾性部材
２０  歪センサ
２０ｚ  第１歪ゲージ
２０ｘ  第２歪ゲージ
２３  支持筒体
２５  筒体固定・ガイド体
２６  割りベース
４０  断熱スペーサ
４０Ｈ  孔
６２  絞り部
６３  第１圧力センサ
６６  圧力制御バルブ
６７  第１制御回路
６８  流量制御バルブ
６９  第２制御回路
１００  圧電素子駆動式バルブ
２００  流量制御装置
【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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【国際調査報告】
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