[发明专利]常开型压电元件驱动式金属隔膜控制阀

说明书

技术领域

本发明主要涉及作为设在半导体制造设备等的气体控制管线中的压力式流量控制装置的控制阀或质量流量控制器的流量控制部的控制阀所使用的常开型压电元件驱动式金属隔膜控制阀的改良，特别涉及设置成即使在使用高温反应气体等的高温环境下，也要进行高精度的稳定的流量控制的常开型压电元件驱动式金属隔膜控制阀。

背景技术

近年，在半导体制造设备和化学品制造设备等方面，广泛地利用压力式流量控制装置代替质量流量控制器。在压力式流量控制装置中，基于耐蚀性高、产生灰尘少、气体的置换性良好、开闭速度快等方面的考虑，多使用所谓金属隔膜型控制阀。另外，作为压力式流量控制装置的驱动装置，多使用推力大且响应性或控制特性优良的压电元件驱动式的驱动装置。

迄今，作为使用压电元件驱动式驱动装置的金属隔膜型控制阀，公知具有特开平7-310842号公报(专利文献1)和特开2004-197754号公报(专利文献2)等揭示的构造的控制阀。

即，专利文献1中公开的控制阀(图示省略)是这样一种常开型的控制阀，即，如果由于电压的施加，压电元件(压电致动器)伸长，则金属隔膜通过下部支承台、滚珠及隔膜压塞向阀座侧压紧，于是，金属隔膜落入了阀座，变成闭阀状态，另外，一旦解难除对压电元件的施加电压，压电元件就从伸长状态恢复到原来的长度尺寸，并且加在金属隔膜上的压紧力失却，从而金属隔膜因其弹性力恢复到原来状态，从阀座上离坐，变成开阀状态。

该控制阀由于将压电元件的作用力通过下部支承台、滚珠及隔膜压塞向金属隔膜传递，隔膜由于压电元件的伸长而触接到阀座后，构成了压电元件的作用力直接加到阀座部(由阀座和与金属隔膜的阀座触接的部分构成)。其结果，加在控制阀的阀座部的力仅依赖于压电元件的作用力，其调整变得困难，压电元件的大作用力加到阀座部，因此存在金属隔膜及阀座等损伤等的问题。

另一方面，专利文献2中公开的控制阀(图示省略)是这样一种常开型控制阀，即，如压电元件(压电致动器)因施加电压而伸长，则压电元件的位移量用杠杆结构的位移放大机构放大，金属隔膜通过阀杆及隔膜压塞向阀座侧压紧并落入了阀座，变成闭阀状态，另外，一旦解除对压电元件的施加电压，压电元件就从伸长状态恢复到原来的长度尺寸的同时，位移放大机构用设于其上的复位弹性体恢复到原来的形态，于是，加在金属隔膜上的压紧力失却，金属隔膜因弹性力而恢复成原来的状态，离开阀座而成为开阀状态。

由于该控制阀设有向金属隔膜传递压电元件的作用力的位移放大机构在向金属隔膜的阀座坐落时吸收压电元件伸长的恒压弹性体(缓冲用碟形弹簧)，金属隔膜落入了阀座后，恒压弹性体吸收压电元件的伸长，于是，在阀座部上被施加了对应于恒压弹性体的位移量的反弹力。其结果，加在控制阀的阀座部上的力成为恒压弹性体的反弹力，可以一边使金属隔膜向阀座缓冲，一边使其坐落，在金属隔膜及阀座上不会加上压电元件的大作用力，可以防止金属隔膜及阀座的损伤。

可是，在无缓冲用碟形弹簧的控制阀中，例如，如果将压电元件的施加电压每1V的位移量设为0.333μm，压电元件的施加电压每1V的作用力设为约5N，则每单位压电元件位移量的作用力为5/0.333≈15N/μm。另外，对于设有缓冲用碟形弹簧的控制阀，根据碟形弹簧的弹性常数，每单位碟形弹簧位移量的作用力为约0.267N/μm。因而，加在设有缓冲用碟形弹簧的控制阀的阀座部上的力成为加在无碟形弹簧的控制阀的阀座上的力的约1/56。其结果，设有碟形弹簧的控制阀可以防止金属隔膜及阀座的损伤。

图6是对控制阀的阀座部的负荷与加到压电元件上的电压的关系曲线图，从图6的曲线显见，设有碟形弹簧的控制阀与不设碟形弹簧的控制阀相比，加到阀座部的负荷极小。

但是，即便对于设有碟形弹簧的控制阀，也还有要解决的问题。

即，在将控制阀置于100℃以上那样的高温环境下使用时，由于收容压电元件的支持筒(致动器壳体)的热膨胀，压电元件的上端部与螺纹联接在支持筒体上端部的调整用盖形螺母之间发生间隙，在压电元件伸长时，其发生的力不能向金属隔膜可靠且良好地传递，高精度的流量控制变得困难。特别是由于压电元件的位移量极其微小，即便是构成控制阀的各构件(支持筒体等)的微量热膨胀，也会给其流量控制特性带来大的影响。

为了解决这个问题(由支持筒体的热膨胀引起的间隙的发生)，控制阀的理想的构造是，将控制阀自身预先从外部对压电元件加上200N左右的压力的结构，但现状是这样的控制阀还没有开发。