TW201830742A - 壓電元件驅動式閥及流量控制裝置 - Google Patents

Abstract

其解決手段，壓電元件驅動式閥是構成為具備：被設在流路上的閥座及接離於閥座的閥體，以及壓電元件，藉由壓電元件的伸長來移動閥體，具備檢測出壓電元件的伸長量的檢測機構，檢測機構是包含應變感測器(strain sensor)，可從應變感測器的輸出檢測出閥體的移動量。

Description

壓電元件驅動式閥及流量控制裝置

[0001] 本發明是有關壓電元件驅動式閥及具備彼之流量控制裝置，特別是有關被利用在半導體製造裝置或化學設備等的流量控制裝置所具備的壓電元件驅動式閥。

[0002] 壓力式流量控制裝置是可藉由組合壓電(Piezo)元件驅動型的壓力控制閥與調節部(例如孔板(orifice plate))之比較簡單的機構來高精度地控制各種流體的流量，因此可廣泛被利用在半導體製造裝置或化學設備(例如專利文獻1)。 　　[0003] 在專利文獻2及3中揭示有構成為以使用壓電元件的致動器(actuator)(以下亦有記載為「壓電致動器」的情形)來使閥體(例如金屬隔板(diaphragm))開閉之壓電元件驅動式控制閥(以下亦有記載為「控制閥」的情形)。壓電元件驅動式控制閥是有常開型及常閉型，對應於各個的型式，設有用以將壓電致動器的伸長變換成閥體的開閉動作之機構。 [先前技術文獻] [專利文獻] 　　[0004] 　　[專利文獻1]日本特開2004-138425號公報 　　[專利文獻2]日本特開2003-120832號公報 　　[專利文獻3]日本特開2007-192269號公報 　　[專利文獻4]日本特許第5054904號

(發明所欲解決的課題) 　　[0005] 近年來，流量控制裝置是例如被要求對ALD(Atomic layer deposition)等的適用，如此的用途是被要求藉由高速的(週期非常短)脈衝狀的控制訊號來開閉控制閥。此情況，壓電元件驅動式控制閥的開閉速度、變位量及開閉頻度是格外地增加。 　　[0006] 藉此，壓電致動器是容易產生絶緣電阻的降低等所造成的經年劣化，有產生高精度的流量･壓力的控制不能的問題(例如專利文獻4)。 　　[0007] 亦即，上述般的用途是有在比以往想定的壓電元件驅動式閥的耐久年數更早的階段產生狀態不佳的情況。此情況，一旦在壓電致動器施加預定的驅動電壓，則有與以前不同，流體以大幅度脫離精度的流量流動的可能性。 　　[0008] 並且，若半導體製造製程中使用具備有如此的課題的以往的壓電元件驅動式控制閥之流量控制裝置，則有難以迅速且確實地判斷動作不良的要因是否為起因於壓電元件驅動式控制閥的情況。因此，在動作不良狀態下繼續半導體製造製程，恐有受到巨大的損失之虞。 　　[0009] 而且，以往，在壓力式流量控制裝置中，控制閥的驅動電壓是根據壓力感測器的輸出來反餽控制，為了流量控制，驅動電壓的絶對値是並非那麼有問題。亦即，即使實際的閥的開閉度與驅動電壓的關係性因為經年劣化等而變動，也由流量控制的觀點是未產生大的問題。 　　[0010] 因此，無特別需要至檢測出控制閥的開度，但本案發明者發現若只參照驅動電壓，則當動作不良發生時有發現或預測未適當地進行的情況。 　　[0011] 本發明是為了解決上述課題而研發者，以提供一種動作不良的發現或預測的性能提升的壓電元件驅動式閥及具備彼之流量控制裝置作為其主要的目的。 (用以解決課題的手段) 　　[0012] 本發明的實施形態之壓電元件驅動式閥，係具備：被設在流路的閥座及離接於前述閥座的閥體，以及壓電元件，被構成為前述閥體會藉由前述壓電元件的伸長而移動，具備檢測出前述壓電元件的伸長量之檢測機構，前述檢測機構係包含應變感測器，根據前述應變感測器的輸出來測定前述閥體的移動量。 　　[0013] 在某實施形態中，前述壓電元件驅動式閥，係具備：收容前述壓電元件，藉由前述壓電元件的伸長來移動之支撐筒體，被構成為前述閥體會藉由前述支撐筒體的移動而移動。 　　[0014] 在某實施形態中，前述檢測機構，係更包含固定有前述應變感測器的板簧構件，被構成為賦予前述板簧構件的力會藉由前述壓電元件的伸長而變化。 　　[0015] 在某實施形態中，前述板簧構件的一端，係對於閥本體維持於不動的位置，前述板簧構件的另一端係被連接至前述支撐筒體。 　　[0016] 在某實施形態中，前述壓電元件驅動式閥，係具備儲存表的記憶裝置，該表係表示前述應變感測器的輸出與前述支撐筒體的移動量的關係，利用前述表來檢測出前述支撐筒體及前述閥體的移動量。 　　[0017] 在某實施形態中，利用前述檢測機構來監視前述閥體的移動量，與正常的狀態作比較，藉此判斷包含前述壓電元件的壓電致動器的異常的有無。 　　[0018] 在某實施形態中，前述應變感測器，係被直接地固定於前述壓電元件的側面。 　　[0019] 在某實施形態中，前述應變感測器，係包含：用以檢測出前述壓電元件的伸長方向的應變之縱應變規，及用以檢測出與前述壓電元件的前述伸長方向正交的方向的應變之橫應變規。 　　[0020] 在某實施形態中，前述壓電元件驅動式閥為常閉型的控制閥。 　　[0021] 在某實施形態中，前述壓電元件驅動式閥，係作為可變流孔裝置使用，被構成為利用前述檢測機構來檢測出流孔開度，控制開度位置。 　　[0022] 本發明的實施形態之流量控制裝置，係具備： 　　調節部； 　　被設在前述調節部的上游側之上述任一的壓電元件驅動式閥； 　　測定前述調節部與前述壓電元件驅動式閥之間的氣體壓力之壓力感測器；及 　　根據前述壓力感測器的輸出來決定前述壓電元件驅動式閥的驅動電壓之運算處理電路。 　　[0023] 本發明的實施形態之流量控制裝置，係具備：作為上述的可變流孔裝置使用的壓電元件驅動式閥，及對於前述壓電元件驅動式閥而設的運算處理電路，前述運算處理電路，係被構成為根據前述應變感測器的輸出來反餽控制前述壓電元件驅動式閥。 [發明的效果] 　　[0024] 若根據本發明的實施形態，則可更確實地進行壓電元件驅動式閥的動作不良的發現或預測。

[0026] 以下，一邊參照圖面，一邊說明本發明的實施形態，但本發明並非限於以下的實施形態。 　　[0027] 圖1是表示本發明的實施形態之壓力式流量控制裝置8的構成的圖。 　　壓力式流量控制裝置8(以下有稱為流量控制裝置8的情形)是具備： 　　介於流體G所通過的流路(氣體供給路)1之調節部2(例如孔板)； 　　被設在調節部2的上游側之第1壓力感測器3及溫度感測器5； 　　被設在調節部2的下游側之第2壓力感測器4；及 　　被設在第1壓力感測器3的上游側之控制閥6。 　　本實施形態的控制閥6是壓電元件驅動式閥，具備閥機構6A及包含壓電元件的驅動機構6B。 　　[0028] 第1壓力感測器3是可測定控制閥6與調節部2之間的流體壓力的上游壓力P₁ ，第2壓力感測器4是可測定調節部2與下游閥9之間的流體壓力的下游壓力P₂ 。 　　[0029] 流量控制裝置8是又具備根據第1壓力感測器3及第2壓力感測器4的輸出來控制控制閥6的開閉動作之運算處理電路7。運算處理電路7是比較從外部控制裝置12接受的設定流量與從第1及第2壓力感測器3、4的輸出運算的流量，以運算流量接近設定流量的方式控制控制閥6的驅動機構6B。 　　[0030] 流量控制裝置8是亦可與圖示的形態不同，未具備第2壓力感測器4，此情況，運算處理電路7是可根據第1壓力感測器3的輸出來藉由運算求取流量。並且，運算處理電路7是在被構成為在合適的形態中，根據溫度感測器5所測定的流體溫度來修正運算流量。 　　[0031] 又，流量控制裝置8是亦可在控制閥6的上游側具備用以測定氣體供給壓的流入壓力感測器13(參照圖5)。流入壓力感測器13是可測定從被連接至上游側的氣體供給裝置(例如原料氣化器)所供給的氣體的壓力，可為了控制氣體供給量或供給壓而使用。 　　[0032] 調節部2是除了孔板等的流孔構件之外，亦可使用臨界噴嘴或音速噴嘴等。流孔或噴嘴的口徑是例如被設定於10μm~500μm。調節部2是具有作為固定開度的調節部之機能。 　　[0033] 下游閥9是可使用例如藉由電磁閥來控制壓縮空氣的供給之周知的流體動作閥。另外，有將流孔構件配置於開閉閥的附近之流孔內藏閥為人所知，亦可將此設為一體化調節部2及下游閥9的構成來裝入流量控制裝置8。 　　[0034] 流量控制裝置8的流路1是可藉由配管來構成，或藉由形成於金屬製塊的流路孔來構成。第1及第2壓力感測器3、4是亦可為例如內藏矽單結晶的感測器晶片及金屬隔板者。 　　[0035] 在本實施形態中，控制閥6是例如使用以壓電致動器所構成的驅動機構6B來開閉以金屬隔板作為閥體的閥機構6A之壓電元件驅動式的控制閥。有關控制閥6的詳細的構成是後述。 　　[0036] 在包含如此構成的流量控制裝置8之流體供給系統中，控制閥6的上游側是被連接至原料氣體、蝕刻氣體或載流氣體等的氣體供給源，第2壓力感測器4的下游側是經由下游閥9來連接至半導體製造裝置的製程腔室10。在製程腔室10是連接有用以進行真空製程的真空泵11，典型的是在氣體供給時，製程腔室10的內部會被抽真空。 　　[0037] 本實施形態的流量控制裝置8是壓力式的流量控制裝置，當符合臨界膨脹條件P₁ /P₂ ≧約2(P₁ ：調節部上游側的氣體壓力(上游壓力)，P₂ ：調節部下游側的氣體壓力(下游壓力))時，通過調節部的氣體的流速是被固定於音速，利用流量是不依下游壓力P₂ ，而是依上游壓力P₁ 而定的原理來進行流量控制。當符合臨界膨脹條件時，調節部下游側的流量Q是依據Q=K₁ ･P₁ (K₁ 是依據流體的種類及流體溫度的常數)來給予，流量Q是與上游壓力P₁ 成比例。並且，具備第2壓力感測器4的情況，上游壓力P₁ 與下游壓力P₂ 的差為小，即使是不滿足上述的臨界膨脹條件的情況，也可算出流量，可根據藉由各壓力感測器所測定的上游壓力P₁ 及下游側壓力P₂ ，由預定的計算式Q=K₂ ･P₂ ^m (P₁ -P₂ )ⁿ (在此K₂ 是依據流體的種類及流體溫度的常數，m、n是以實際的流量為根本導出的指數)來算出流量Q。 　　[0038] 為了進行流量控制，在外部控制裝置12中被設定的設定流量會從外部控制裝置12送至運算處理電路7。運算處理電路7是根據第1壓力感測器3的輸出(上游壓力P₁ )，任意第2壓力感測器4的輸出(下游壓力P₂ )，及溫度感測器5的輸出(氣體溫度T₁ )，利用臨界膨脹條件或非臨界膨脹條件的流量計算式來從上述的Q=K₁ ･P₁ 或Q=K₂ ･P₂ ^m (P₁ -P₂ )ⁿ 運算流量，以通過調節部2的流體的流量會接近設定流量的方式控制控制閥6。又，亦可將運算後的流量輸出至外部控制裝置12，且予以作為流量輸出値顯示。 　　[0039] 以下，詳細說明有關本實施形態的控制閥6。 　　[0040] 圖2是表示控制閥6的構成的剖面圖。控制閥6是利用壓電元件20來進行閥體22的開閉動作之常閉型的壓電元件驅動式閥，構成為可藉由使壓電元件20的驅動電壓增加來擴大閥的開度。 　　[0041] 如圖2所示般，控制閥6是具備： 　　設有流路1的閥本體21； 　　被設在流路1的途中的閥座21a及可配置成離接(亦即抵接及分離)於閥座21a的閥體22； 　　接觸於閥體22的閥體按壓件25； 　　壓電元件20；及 　　收容壓電元件20的支撐筒體23。 　　壓電元件20及支撐筒體23是與控制電路基板7’一起被配置於保護盒16內。在本實施形態中，閥體按壓件25是被固定於支撐筒體23的前端，與支撐筒體23一體地移動。 　　[0042] 在控制閥6中，壓電元件20是經由連接器15來施加藉由被設於控制電路基板7’的運算處理電路7(參照圖1)所控制的驅動電壓，壓電元件20會按照驅動電壓的大小而伸長。壓電元件20是亦可使用如後述的圖12所示般被層疊的複數的壓電元件(亦稱為壓電疊盤(piezo stack))。以單數或複數的壓電元件20被密封於金屬盒內者作為壓電致動器為人所知，壓電致動器是可使用例如由“NTK CERATEC CO., LTD.”等所販賣者。以下，有將單數或複數的壓電元件20被收容於金屬盒內者稱為壓電致動器20的情形。 　　[0043] 閥本體21是不鏽鋼製，具備形成閥室的一部分的孔部及流體入口、流體出口、流路、閥室及閥座21a等。在本實施形態中，經由一次連接部21b及流孔安裝部21c，在閥本體21的兩側分別連接入口接頭及出口接頭。一次連接部21b是可由例如連接導件或墊圈所構成，流孔安裝部21c是可由圖1所示之作為調節部2的孔板、流孔導件、墊圈等所構成。 　　[0044] 並且，在圖2所示的形態中，在閥本體21的下面側，安裝有圖1所示的第1壓力感測器3。但，不限於此，第1壓力感測器3是亦可被安裝於閥本體21的上面側。並且，雖在圖2未圖示，但第2壓力感測器4(圖1参照)亦可被設於流孔安裝部21c的下游側。 　　[0045] 本實施形態的閥體22是自己彈性恢復型的金屬隔板。金屬隔板是藉由例如鎳鉻合金鋼等的薄板所形成，被形成中央部些微朝上方凸出的倒盤形。金屬隔板的形狀是亦可為平板狀，且材質也可為不鏽鋼或英高鎳合金(Inconel)或其他的合金鋼。又，閥體22是亦可藉由1片的金屬隔板所構成，或藉由被層疊的2~3片的複數的金屬隔板所構成。 　　[0046] 金屬隔板的閥體22是以和閥座21a對向的方式朝閥室內配置。閥體22的外周緣是經由設置按壓適配器(adapter)25a、分開基座26及引導構件24來將安裝螺栓朝閥本體21鎖入，藉此朝閥本體21側氣密地保持固定。按壓適配器25a、引導構件24、分開基座26等是可為不鏽鋼等的金屬製。 　　[0047] 引導構件24是以覆蓋支撐筒體23的下部之方式設置的中空的構件，藉由螺絲等的固定構件來對於閥本體21固定。引導構件24是支撐支撐筒體23，且可規制支撐筒體23的移動方向。並且，在引導構件24與支撐筒體23之間是設有O型環27。 　　[0048] 圖3(a)是支撐筒體23的縱剖面圖，圖3(b)是圖3(a)的A-A線剖面圖。支撐筒體23是藉由例如熱膨脹率小的殷鋼(invar)材來形成圓筒狀，如圖3(a)所示般，具有：收納壓電元件或壓電致動器20的粗徑部23c，及收納下部支架29或彈性構件28等的縮徑部23d。並且，在支撐筒體23的最下端部是形成有用以嵌著閥體按壓件25的嵌著部23e。嵌著部23e在本實施形態中是閥體按壓件25被插入固定的凹處，但不限於此，有各種的形態，只要可固定閥體按壓件25。又，支撐筒體23與閥體按壓件25是亦可一體地設置。 　　[0049] 在支撐筒體23的粗徑部23c與縮徑部23d的境界附近，設有以隔著支撐筒體23的中心軸來對向之方式配置的一對的孔部23a。在孔部23a是圖4(a)及(b)所示之一對的分開基座片26a會從兩側來對向插入。被插入的分開基座片26a的一部分是在支撐筒體23的內側被組合，被組合的分開基座片26a是藉由引導構件24作為分開基座26來被一體地保持固定。另外，在組裝分開基座片26a之前，在被設於縮徑部23d的底部23b是預先插著圖2所示的彈性構件28。 　　[0050] 圖4(a)是表示分開基座26的平面圖，圖4(b)是圖4(a)的B-B線剖面圖。如由圖4(a)及(b)可知般，分開基座26是在組合一對的分開基座片26a時，具有在具備上壁26b的短圓筒體的下端外周形成有凸緣部26c的形狀。在上壁26b是設有插通孔26d，支撐筒體23的縮徑部23d是被配置成為貫通插通孔26d。並且，在上壁26b的中心部是形成有用以支撐下部支架29的嵌合部26e。 　　[0051] 如圖2所示般，分開基座26的凸緣部是藉由引導構件24的下端來接受按壓力，藉此將按壓適配器25a按壓。並且，插通孔26d是可使支撐筒體23的縮徑部23d的壁體(一對的孔部23a之間的部分)插通，可從支撐筒體23的外側安裝分開基座26。 　　[0052] 若說明控制閥6的組合的程序，則首先朝被設在閥本體21的安裝凹部(形成有閥座21a的安裝凹部)內，依金屬隔板的閥體22、按壓適配器25a、固定閥體按壓件25的支撐筒體23、彈性構件28、分開基座26的順序安裝，經由引導構件24來將支撐筒體23朝閥本體21插著。其次，朝支撐筒體23內插著下部支架29、球或半球體、壓電致動器20等。藉由調整定位材的帶帽螺母17的鎖入量，將利用壓電致動器20之閥體22的作動行程(stroke)微調至設定値。另外，調整後的帶帽螺母17的位置是可藉由緊鎖螺母17a來維持。 　　[0053] 在以上說明的控制閥6中，設有接觸於壓電致動器20的下面之半球體，此半球體是藉由下部支架29來支撐。並且，下部支架29是藉由圖4(a)及(b)所示的分開基座26來支撐，分開基座26是藉由引導構件24來固定於閥本體21。亦即，壓電致動器20的下面是藉由對於閥本體21處於不動的狀態的下部支架29來支撐。另外，圖2所示的例子是在下部支架29與壓電致動器20之間插入另外形成的半球體，但亦可設為將前端為球面狀的突起體一體地形成於壓電致動器20的下端面的中央，予以作為半球體來使朝下部支架29抵接的構成。 　　[0054] 在此構成中，若從運算控制電路7經由被設在上部的連接器15來輸入開閥訊號(例如輸入電壓0~120V)，則壓電致動器20是僅設定値(例如0~45μm)伸長。藉此，例如約40~80kgf的推上力會作用於支撐筒體23，在藉由引導構件24的O型環27來保持軸芯的狀態下，支撐筒體23會反抗彈性構件28的彈性力而僅上述設定値上昇。其結果，從閥體按壓件25往閥體22的按壓力會降低，閥體22會藉由自己的彈性力來從閥座21a離座，被開閥。另外，彈性構件28是例如可使用堆疊盤形彈簧者。 　　[0055] 又，若開閥輸入形成off，則壓電致動器20會恢復成原來的長度尺寸的狀態，其結果，藉由彈性構件28的彈性力，壓電致動器20的支撐筒體23的底部會被推下至下方向，閥體22會藉由閥體按壓件25來朝閥座21a安坐，成為閉閥狀態。 　　[0056] 由以上的說明可知般，本實施形態的控制閥6是朝壓電元件20或壓電致動器20的電壓施加時，支撐筒體23會移動，從被連接至支撐筒體23的閥體按壓件25賦予閥體(金屬隔板)22之力會降低，藉此被開閥。於是，在本實施形態中，設置用以檢測出壓電元件20的伸長量或壓電致動器20的行程之檢測機構(更具體而言是用以檢測出支撐筒體23的移動量的移動量檢測機構30)，可由移動量檢測機構30所檢測出的支撐筒體23的移動量來測定閥體22的開度。 　　[0057] 以下，詳細說明有關為了檢測出壓電元件20的伸長量及閥體22的開度(移動量)而被使用的移動量檢測機構30。 　　[0058] 如圖2及圖5所示般，本實施形態的移動量檢測機構30是利用板簧構件31及被貼附於板簧構件31的應變感測器(亦有稱為應變規(strain gauge)的情形)32來構成。板簧構件31及應變感測器32是以和閥本體21重疊的方式(亦即在閥本體21的上方，寬度方向內側)配置為理想，藉此可防止流量控制裝置8的寬度方向的大小變大。 　　[0059] 板簧構件31是設為金屬樑，可按照被施加於板簧構件31的兩端之力來變形。板簧構件31的上端是例如被配置成為與支撐筒體23或被固定於壓電致動器20的保持構件33抵接，保持構件33是藉由壓電元件20的伸長來與支撐筒體23一起移動。保持構件33是如圖2所示般，亦可設在支撐筒體23的上部者，或如圖5所示般，另外被固定於支撐筒體23的途中(下方部)的構件。 　　[0060] 又，板簧構件31的下端是藉由對於閥本體21固定的支撐構件34所支撐。支撐構件34是亦可在其上面具有用以接受板簧構件31的下端之凹部34a。凹部34a是以能適當地支撐板簧構件31的下端之方式，典型地形成為線狀的凹部。 　　[0061] 支撐構件34是可使用各種的形態者，例如，亦可為與板簧構件31的下端固定者。支撐構件34是亦可為與閥本體21或引導構件24一體地形成的構件(引導構件24其本身等)。 　　[0062] 板簧構件31的大小或形狀可為任意，例如寬度為2mm~15mm，長度為3mm~20mm，厚度為0.2mm~2mm。板簧構件31是可由各種的金屬材料所形成，例如由不鏽鋼、彈簧鋼、黃銅、磷青銅、鈹鋼、鈦鋼等所形成。板簧構件31的室溫的縱彈性係數(楊格係數)是被設定成例如80×10³ N/mm² ~210×10³ N/mm² 。 　　[0063] 在板簧構件31的中央部是固定有應變感測器32。應變感測器32是可使用例如股份有限公司共和電業社製的KFR-02N。應變感測器32是藉由例如黏著劑等來貼附於板簧構件31，可檢測出在板簧構件31產生的應變的大小，作為應變感測器32的電阻的變化。 　　[0064] 另外，板簧構件31是可以各種的形態安裝，只要可按照壓電致動器20的移動來變形。例如，板簧構件31是亦可其上端藉由任意的手段來固定於壓電致動器20的上端部，且其下端藉由引導構件24的上端面來支撐。板簧構件31是亦可上端及下端的兩方被固定。 　　[0065] 並且，在本實施形態的控制閥6中，具有與被貼附於板簧構件31的應變感測器32同樣構成的應變感測器亦可作為基準應變感測器設在具有與板簧構件31同等的材料及形狀的板材。但，基準應變感測器是被安裝在不會藉由支撐筒體23的移動而產生應變的板材，為了補償藉由溫度變化等可變動的應變感測器的輸出而設置。具體而言，讀取基準應變感測器的輸出變化作為背景的變化，將該變化部分從應變感測器32的輸出扣除，藉此可補償溫度變化等所造成的變動。 　　[0066] 或，在本實施形態的控制閥6中，在板簧構件31的相反側的面也貼附具有與被貼附於板簧構件31的應變感測器相同的構成之應變感測器，藉由設為兩應變規方法，也可補償溫度變化等所造成的變動。 　　[0067] 在如此構成的移動量檢測機構30中，可由應變感測器32的輸出來檢測出支撐筒體23的移動量(亦即，壓電元件20的伸長量)。在圖5顯示當被固定於壓電致動器20的保持構件33移動至下側的虛線的位置時，板簧構件31會以虛線所示般變形，其結果，應變感測器32的輸出會變化的情況。 　　[0068] 然後，可根據從應變感測器32的輸出所求取的支撐筒體23的移動量來檢測出實際的閥開度。因此，相較於從壓電元件20的驅動電壓所推定的情況，可更正確地檢測出閥開度。 　　[0069] 以下，說明有關調查了被貼附在板簧構件31的應變感測器的輸出與壓電元件的伸長程度的關係的試驗結果。 　　[0070] 圖6是表示試驗裝置60的構成。在試驗裝置60中，將壓電元件20固定於台61的上面，且在壓電元件20的上面配置板簧構件31的下端，使板簧構件31的上端對於固定面62抵接，藉此板簧構件31對應於壓電元件20的伸長的程度而彎曲。在板簧構件31是貼附有第1應變感測器32A，藉由第1應變感測器32A來檢測出板簧構件的彎曲(或被附加的應力)。用在試驗的壓電元件的大小是縱10.8mm×橫10.8mm×高度18.0mm。 　　[0071] 並且，在試驗裝置60中，在壓電元件20本身也直接貼附應變感測器(第2應變感測器)32B，有關可否在第2應變感測器32B檢測出壓電元件20的伸長量方面也同時進行試驗。 　　[0072] 而且，在試驗裝置60中，為了光學地計測壓電元件20的高度方向的伸長度，而另外設置雷射變位計64，該雷射變位計64是構成為對於固定在壓電元件20的反射構件63照射雷射光LA。根據雷射變位計64之壓電元件20的伸長量是以CMOS圖像感測器等來檢測出藉由反射構件63所反射的雷射光，藉此光學地測定。 　　[0073] 圖7是表示壓電元件20的驅動電壓與使用雷射變位計64來測定的壓電元件20的高度方向的伸長度(行程(μm))的關係。又，圖8是表示壓電元件20的驅動電壓與被貼附於板簧構件31的第1應變感測器32A的輸出(在此是電壓輸出(mV))的關係。又，圖9是表示上述的壓電元件20的行程與第1應變感測器32A的輸出的關係。在圖7~圖9中是顯示有2次份的測定資料。 　　[0074] 由圖7及圖8可知，當驅動電壓為0時，雷射變位計64的輸出(行程)是被設定成0，第1應變感測器32A的輸出也被設定成0。又，如在圖7及圖8中以箭號A1所示般，可知若使往壓電元件20的驅動電壓從0V增加至150V，則壓電元件20的行程會增加，且貼附於板簧構件31的第1應變感測器32A的輸出也同樣地增加。又，如在圖7及圖8中以逆向的箭號A2所示般，可知若使驅動電壓從150V減少至0V，則壓電元件的行程會減少，且第1應變感測器32A的輸出也大致同樣地減少。 　　[0075] 在此，如圖9所示般，若參照壓電元件20的行程與第1應變感測器32A的輸出的關係，則可知該等是處於大概線性的關係。因此，可由被貼附於板簧構件31的第1應變感測器32A的輸出來檢測出壓電元件20的伸長量。 　　[0076] 又，圖10是表示壓電元件20的驅動電壓與直接貼附於壓電元件20的第2應變感測器32B的輸出(在此是電壓輸出(mV))的關係。又，圖11是表示上述的壓電元件20的行程與第2應變感測器32B的輸出的關係。在圖10及圖11是顯示有2次份的測定資料。 　　[0077] 如圖10所示般，第2應變感測器32B的輸出也與第1應變感測器32A的輸出(圖8)同樣，對應於壓電元件20的驅動電壓而增減。而且，如圖11所示般，若參照壓電元件20的行程與第2應變感測器32B的輸出的關係，則可知該等為處於大概線性的關係。因此，可知可由直接貼附於壓電元件20的第2應變感測器32B的輸出來檢測出壓電元件20的伸長量。 　　[0078] 由以上的結果可知，作為壓電元件20的伸長量檢測機構，若使用被固定於以支撐筒體23會對應於壓電元件20的伸長而移動的同時彎曲度(變形度)或應力會變化的方式安裝的板簧構件31之第1應變感測器32A或被直接固定於壓電元件20之第2應變感測器32B，則可精度佳測定壓電元件20的伸長量(或支撐筒體23的移動量)，進而可精度佳檢測出閥的開閉度。 　　[0079] 另外，在應變感測器的輸出與壓電致動器的移動量的關係為非線性的情況等，亦可預先作成應變感測器的輸出與壓電致動器的變位的變換表。變換表是例如被預先儲存於被設在運算處理電路7的記憶體等的記憶裝置，在壓電致動器的移動量檢測時，將此變換表讀出，可使用彼來從應變感測器的輸出檢測出閥的開度。 　　[0080] 另外，在本說明書中，所謂應變感測器的輸出是意思對應於按照構成應變感測器的應變規的應變量而變化的應變規的電阻値之各種的輸出，例如，亦可為應變規的電阻値本身，或亦可為裝入複數的應變規的惠斯通電橋(Wheatstone bridge)電路所輸出的電橋輸出訊號(參照圖13)等。在任一形態所能取得的應變感測器的輸出也是對應於壓電元件的伸長量者，可根據應變感測器的輸出來得知壓電元件的伸長量，進而閥體的移動量。 　　[0081] 如以上說明般，在本實施形態的控制閥6中，設置檢測機構(例如，檢測出支撐筒體23的移動量之移動量檢測機構30，或直接貼附於壓電元件20的側面之應變感測器32)，藉由應變感測器32來直接地測定壓電元件20的伸長量，因此相較於由驅動電壓等來推定的情況，可更精度佳檢測出閥體22的開閉度。 　　[0082] 若可如此精度佳檢測出閥體22的開閉度，則在上游側的氣體壓力等變動時也可高精度檢測出開閉度。然後，監視測定後的壓電元件20的伸長量，與正常的狀態作比較，例如全開的狀態的伸長量比預先設定的臨界值更低時，或儘管驅動電壓被供給至壓電致動器但是伸長量未達預定的値時等，看出異常的傾向時，判斷成在壓電致動器發生異常(達使用極限)，更換控制閥6或內部的壓電致動器。藉此，可在壓電致動器完全故障之前更換，不使用故障的狀態的閥，可防止莫大的損失的發生。 　　[0083] 又，由於可正確地測定壓電致動器的移動量，因此與上述般構成的控制閥6同樣構成的壓電元件驅動式閥是除了作為壓力控制用的閥使用外，例如，可作為可變流孔裝置利用。在本說明書中所謂可變流孔裝置是設置被縮小成如流孔構件般流體所通過的流路的開口部之裝置，意思開口部的開度(流路剖面積)被構成可變更的各種的裝置。可變流孔裝置是亦可取代流孔構件，具備可調整開度的閥機構者。 　　[0084] 利用具有與控制閥6相同構成的壓電元件驅動式閥作為可變流孔裝置時，藉由檢測機構(上述的移動量檢測機構30或直接被固定於壓電元件20的應變感測器32)來檢測出流孔開度(閥開度)，且控制往壓電元件20的驅動電壓，藉此可控制開度位置。並且，可由藉由檢測機構所檢測出的閥體22的開閉度來求取流路剖面積。因此，壓電元件驅動式閥是合適作為具有所望的流路剖面積之可變流孔裝置使用。 　　[0085] 例如，可藉由具有與控制閥6相同構成的壓電元件驅動式閥來構成上述的流量控制裝置8的調節部2。在如此構成的流量控制裝置8中，以藉由壓力感測器3所檢測出的上游壓力P₁ 成為一定的方式控制被配置於調節部2的上游側的控制閥，且調整作為調節部2設置的電元件驅動式閥(可變流孔裝置)的閥開度，藉此可控制流量。並且，作為調節部2設置的壓電元件驅動式閥的開度是維持一定，與上述同樣藉由控制閥來控制上游壓力P₁ ，藉此可控制流量。此情況也是只要切換作為可變流孔裝置設置的壓電元件驅動式閥的開度，便可變更流量控制範圍，因此有利。另外，當然亦可組合上述的2個的流量控制動作來進行。 　　[0086] 又，例如，在日本特開平11-265217號公報中揭示有以壓電元件來控制針閥的可變流孔裝置。在如此的可變流孔裝置也可適用本發明的實施形態之壓電元件驅動式閥，可藉由設置包含應變感測器的檢測機構來進行針閥的開度檢測。具體而言，藉由在被連接至和針閥接觸的閥體按壓件的壓電致動器等的可動部與閥本體等的固定部之間設置由固定有應變規的板簧構件所構成的檢測機構，可精度佳檢測出閥開度。 　　[0087] 以下，說明將應變感測器直接固定於壓電元件的壓電元件驅動式閥及使用彼之流量控制裝置的舉例說明的實施形態。 　　[0088] 首先，說明有關構成本實施形態的壓電元件驅動式閥之壓電致動器的詳細構成。圖12(a)是分開表示構成壓電致動器的外側的筒體20a，及以在此筒體20a內排成一列的狀態下被收容的複數的壓電元件20b，圖12(b)是表示由正面方向來看圖12(a)所示的連接器部20c的狀態。 　　[0089] 如圖12(a)所示般，在壓電致動器中，在複數的壓電元件20b之中的1個是藉由黏著劑等來直接地安裝有應變感測器40。應變感測器40是被配置於壓電元件20b的側面，在本實施形態中是藉由檢測出壓電元件20b的層疊方向亦即壓電元件20b的主伸長方向的z方向的應變之縱應變規40z及檢測出與主伸長方向正交的x方向的應變之橫應變規40x所構成。縱應變規40z及橫應變規40x是可使用例如股份有限公司共和電業社製的KFR-02N或KFGS-1、KFGS-3等。另外，壓電致動器是在其他的形態中，亦可藉由被收容於筒體的單一的壓電元件及被安裝於此側面的應變感測器所構成。 　　[0090] 在本實施形態中，縱應變規40z是以全體會與壓電元件接觸的方式貼附於壓電元件的側面，橫應變規40x是以跨越縱應變規40z的中央部而交叉的方式貼附於壓電元件。縱應變規40z及橫應變規40x是可檢測出壓電元件的伸長量作為縱應變規40z及橫應變規40x的電阻的變化。 　　[0091] 又，如圖12(b)所示般，在連接器部20c是設有： 　　用以對壓電元件20b的各者施加驅動電壓之一對的驅動電壓端子42a、42b； 　　被連接至縱應變規40z的一方的端子之第1應變感測器輸出端子44a； 　　被共通連接至縱應變規40z的另一方的端子及橫應變規40x的一方的端子之應變感測器共通輸出端子44c；及 　　被連接至橫應變規40x的另一方的端子之第2應變感測器輸出端子44b。 　　[0092] 構成壓電致動器的複數的壓電元件20b是藉由周知的電路構成來電性連接至驅動電壓端子42a、42b，可藉由對驅動電壓端子42a、42b施加電壓來使壓電元件20b的全部伸長於堆疊方向。壓電致動器是可利用例如由NTK CERATEC CO., LTD.等所販賣者。 　　[0093] 第1及第2應變感測器輸出端子44a、44b及應變感測器共通輸出端子44c是被連接至設在外部基板的電路，形成有包含縱應變規40z及橫應變規40x的電橋電路。在此電橋電路中，可檢測出縱應變規40z及橫應變規40x的電阻値的變化。 　　[0094] 圖13是表示用以檢測出縱應變規40z及橫應變規40x的電阻値變化之舉例說明的等效電路。在圖13所示的等效電路中，被設在分歧點A-D間及分歧點C-D間的電阻R1、R2是對應於被設在外部基板上的既知電阻値的固定電阻，被設在分歧點A-B間的電阻R3是對應於縱應變規40z，被設在分歧點B-C間的電阻R4是對應於橫應變規40x。在本實施形態中，縱應變規40z及橫應變規40x的電阻値與2個的固定電阻R1、R2的電阻値是被設定成相同，例如皆是被設定成120歐姆或350歐姆。 　　[0095] 並且，在圖13中，分歧點A是對應於第1應變感測器輸出端子44a，分歧點B是對應於應變感測器共通輸出端子44c，分歧點C是對應於第2應變感測器輸出端子44b。在此等效電路中，在預定的電橋施加電壓被施加於分歧點A-C間的狀態下，縱應變規40z或橫應變規40x的電阻値的變化是作為電橋輸出訊號(分歧點B-D間的電位差)的變化被檢測出。另外，如上述般當各電阻R1~R4的大小相同時，在初期狀態中，電橋輸出訊號典型的是顯示零。 　　[0096] 當驅動電壓被施加於壓電致動器時，安裝有應變感測器40的壓電元件20b是伸長於z方向，且在與z方向正交的x方向是有收縮的情況。此情況，縱應變規40z的電阻値是對應於壓電元件的伸長量而增加，另一方面，橫應變規40x的電阻値是對應於壓電元件的收縮量而減少。 　　[0097] 而且，在圖13所示的電路中，當壓電元件伸長時，縱應變規40z的應變量會增大而電橋輸出訊號會增加，且也藉由橫應變規40x的應變量減少，電橋輸出訊號會增加。因此，在壓電疊盤(piezo stack)變位時，產生對應於縱應變規40z的應變量的增加部分與橫應變規40x的應變量的減少部分的合計之電橋輸出訊號的變動。藉此，可使電橋輸出訊號放大。 　　[0098] 又，如上述般藉由使用縱應變規40z及與縱應變規40z正交的橫應變規40x來構成電橋電路，可補正溫度變化所造成的應變感測器40的電阻値變化。這是因為例如壓電元件藉由溫度上昇而膨脹時，其膨脹對於縱應變規40z是作為使電橋輸出訊號增加的要素作用，相對的，對於橫應變規40x是作為使電橋輸出訊號減少的要素作用，可取得溫度所造成的增加要素與減少要素會被相抵的電橋輸出訊號。因此，即使起因於溫度的變化而產生壓電元件本身的膨脹及收縮，對電橋輸出訊號的影響也會被減低，可實現溫度補償。 　　[0099] 在使用被構成為以上般的控制閥6來構成的流量控制裝置8中，可根據應變感測器40的輸出來得知控制閥6的開度。藉此，可適當地進行控制閥6的動作不良的發現或預測。另外，使用設有應變感測器40的壓電元件驅動式閥，作為圖1所示的控制閥6時，當然應變感測器40與運算處理電路7可電性直接連接。在如此的構成中，運算處理電路7可根據應變感測器40的輸出來常時監視控制閥6的開閉度(閥體的移動量)。 　　[0100] 又，作為與圖1所示的形態不同的形態，亦可設為使用安裝有應變感測器40的壓電元件驅動式閥作為開度可變的調節部(可變流孔裝置)，不設圖1所示的開度被固定的調節部2(例如孔板)之形態。 　　[0101] 圖14是表示被構成為利用應變感測器40被固定於壓電元件的壓電元件驅動式閥86來進行流量控制之流量控制裝置80。在流量控制裝置80中，為了測定壓電元件驅動式閥86的閥體的移動量，而應變感測器40的輸出會被送至運算處理電路7。然後，運算處理電路7是可根據應變感測器40的輸出來反餽控制成為使壓電元件驅動式閥86的驅動與被輸入的變位量設定(壓電致動器的行程的設定値)一致。如此一來，可根據應變感測器40的輸出來將壓電元件驅動式閥86控制成適於所望的設定流量之閥開度。 　　[0102] 如以上般，根據應變感測器40的輸出來反餽控制壓電元件驅動式閥86時，相較於根據壓力感測器的輸出來反餽控制的以往方式，可實現更高速的應答性。因此，壓電元件驅動式閥86是可作為高速伺服式的控制閥利用。加上，在流量控制裝置80是不須設置開度固定的調節部，因此可謀求裝置的簡素化･小型化。 　　[0103] 另外，雖在圖中未示，但在流量控制裝置80中，亦可在壓電元件驅動式閥86的上游側設有壓力感測器及壓力調整用閥，壓電元件驅動式閥86的上游側的壓力是亦可例如在50kPa~300kPa的範圍被保持於一定。藉此，可更安定進行藉由壓電元件驅動式閥86的開度控制之流量控制。 　　[0104] 以上，說明了有關本發明的實施形態，但可為各種的改變。例如，在上述實施形態中是說明有關壓力控制式的流量控制裝置，但本發明是亦可適用在壓力控制式以外的控制方式，例如使用熱式感測器來控制流量的熱式流量控制裝置。並且，在上述實施形態中是說明有關具備藉由自己彈性的彈性恢復型的金屬隔板閥體之壓電元件驅動式閥，但只要是該當業者自然明白有關金屬隔板以外的閥體也可適用。 　　[0105] 又，本發明的實施形態之壓電元件驅動式閥是亦可為常開型，此情況也例如藉由包含應變感測器的檢測機構來測定藉由壓電元件的伸長來對於閥本體移動至下方的支撐筒體的移動量等，藉此可精度佳得知閥體的移動量亦即閥的開度。當然，在常開型的壓電驅動式閥中，亦可將應變感測器直接貼附於壓電元件，測定閥體的移動量亦即閥的開度。 [產業上的利用可能性] 　　[0106] 本發明的實施形態之壓電元件驅動式閥是特別合適於用在流量控制裝置中，可合適於利用在檢測出閥的實際的開閉度。

[0107]

1‧‧‧流路

2‧‧‧調節部

3‧‧‧第1壓力感測器

4‧‧‧第2壓力感測器

5‧‧‧溫度感測器

6‧‧‧控制閥

7‧‧‧運算處理電路

8‧‧‧流量控制裝置

9‧‧‧下游閥

10‧‧‧製程腔室

11‧‧‧真空泵

12‧‧‧外部裝置

20‧‧‧壓電元件(壓電致動器)

21‧‧‧閥本體

21a‧‧‧閥座

22‧‧‧閥體

23‧‧‧支撐筒體

24‧‧‧引導構件

25‧‧‧閥按壓件

26‧‧‧分開基座

27‧‧‧O型環

28‧‧‧彈性構件

29‧‧‧下部支架

30‧‧‧移動量檢測機構(壓電元件伸長量檢測機構)

31‧‧‧板簧構件

32‧‧‧應變感測器

33‧‧‧保持構件

34‧‧‧支撐構件

40‧‧‧應變感測器

40x‧‧‧橫應變規

40z‧‧‧縱應變規

[0025] 　　圖1是表示具備本發明的實施形態的壓電元件驅動式閥(控制閥)之流量控制裝置的構成的模式性的圖。 　　圖2是表示本發明的實施形態的壓電元件驅動式閥的剖面圖。 　　圖3是表示圖2所示的閥的支撐筒體的圖，(a)是側剖面圖，(b)是沿著(a)的A-A線的剖面圖。 　　圖4是表示圖2所示的閥的分開基座的圖，(a)是平面圖，(b)是沿著(a)的B-B線的側面圖。 　　圖5是表示本發明的實施形態的壓電元件驅動式閥的模式性的圖。 　　圖6是表示為了調查壓電元件的伸長度與應變感測器的輸出的關係而使用的試驗裝置的圖。 　　圖7是表示壓電元件的驅動電壓與壓電元件的伸長度(壓電致動器的行程)的關係的圖表。 　　圖8是表示壓電元件的驅動電壓與被貼附於板簧構件的應變感測器的輸出的關係的圖表。 　　圖9是表示壓電元件的伸長度(壓電致動器的行程)與被貼附於板簧構件的應變感測器的輸出的關係的圖表。 　　圖10是表示壓電元件的驅動電壓與直接貼附於壓電元件的應變感測器的輸出的關係的圖表。 　　圖11是表示壓電元件的伸長度(壓電致動器的行程)與直接貼附於壓電元件的應變感測器的輸出的關係的圖表。 　　圖12是表示在本發明的實施形態所被使用的壓電致動器的立體圖，(a)是表示筒體及被收容於其內部的複數的壓電元件，(b)是表示連接器部。 　　圖13是表示本發明的實施形態之用以取得應變感測器輸出的舉例說明的電橋電路的圖。 　　圖14是表示本發明的實施形態之使用具備應變感測器的壓電元件驅動式閥作為開度可變的調節部時的流量控制裝置的構成的圖。

Claims (12)

1. 一種壓電元件驅動式閥，係具備：被設在流路的閥座及離接於前述閥座的閥體，以及壓電元件，被構成為前述閥體會藉由前述壓電元件的伸長而移動，其特徵為： 　　具備檢測出前述壓電元件的伸長量之檢測機構，前述檢測機構係包含應變感測器，根據前述應變感測器的輸出來測定前述閥體的移動量。
2. 如申請專利範圍第1項之壓電元件驅動式閥，其中，具備：收容前述壓電元件，藉由前述壓電元件的伸長來移動之支撐筒體，被構成為前述閥體會藉由前述支撐筒體的移動而移動。
3. 如申請專利範圍第2項之壓電元件驅動式閥，其中，前述檢測機構，係更包含固定有前述應變感測器的板簧構件，被構成為賦予前述板簧構件的力會藉由前述壓電元件的伸長而變化。
4. 如申請專利範圍第3項之壓電元件驅動式閥，其中，前述板簧構件的一端，係對於閥本體維持於不動的位置，前述板簧構件的另一端係被連接至前述支撐筒體。
5. 如申請專利範圍第2~4項中的任一項所記載之壓電元件驅動式閥，其中，具備儲存表的記憶裝置，該表係表示前述應變感測器的輸出與前述支撐筒體的移動量的關係，利用前述表來檢測出前述支撐筒體及前述閥體的移動量。
6. 如申請專利範圍第1~5項中的任一項所記載之壓電元件驅動式閥，其中，利用前述檢測機構來監視前述閥體的移動量，與正常的狀態作比較，藉此判斷包含前述壓電元件的壓電致動器的異常的有無。
7. 如申請專利範圍第1項之壓電元件驅動式閥，其中，前述應變感測器，係被直接地固定於前述壓電元件的側面。
8. 如申請專利範圍第7項之壓電元件驅動式閥，其中，前述應變感測器，係包含：用以檢測出前述壓電元件的伸長方向的應變之縱應變規，及用以檢測出與前述壓電元件的前述伸長方向正交的方向的應變之橫應變規。
9. 如申請專利範圍第1~8項中的任一項所記載之壓電元件驅動式閥，其中，為常閉型的控制閥。
10. 如申請專利範圍第1~8項中的任一項所記載之壓電元件驅動式閥，其中，作為可變流孔裝置使用，被構成為利用前述檢測機構來檢測出流孔開度，控制開度位置。
11. 一種流量控制裝置，其特徵係具備： 　　調節部； 　　被設在前述調節部的上游側之如申請專利範圍第1~9項中的任一項所記載之壓電元件驅動式閥； 　　測定前述調節部與前述壓電元件驅動式閥之間的氣體壓力之壓力感測器；及 　　根據前述壓力感測器的輸出來決定前述壓電元件驅動式閥的驅動電壓之運算處理電路。
12. 一種流量控制裝置，其特徵係具備：如申請專利範圍第10項所記載的壓電元件驅動式閥，及對於前述壓電元件驅動式閥而設的運算處理電路，前述運算處理電路，係被構成為根據前述應變感測器的輸出來反餽控制前述壓電元件驅動式閥。