[發(fā)明專利]常開型壓電元件驅(qū)動式金屬隔膜控制閥

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680051269.6
• 申請日: 2006-11-13
• 公開（公告）號: CN101360941A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 松本篤咨;平田薰;土肥亮介;池田信一;西野功二
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社富士金
• 主分類號: F16K31/02
• 分類號: F16K31/02;F16K7/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 何欣亭;劉宗杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及作為設(shè)在半導體制造設(shè)備等的氣體控制管線中的壓力式流量控制裝置的控制閥或質(zhì)量流量控制器的流量控制部的控制閥所使用的常開型壓電元件驅(qū)動式金屬隔膜控制閥的改良，特別涉及設(shè)置成即使在使用高溫反應(yīng)氣體等的高溫環(huán)境下，也要進行高精度的穩(wěn)定的流量控制的常開型壓電元件驅(qū)動式金屬隔膜控制閥。

背景技術(shù)

近年，在半導體制造設(shè)備和化學品制造設(shè)備等方面，廣泛地利用壓力式流量控制裝置代替質(zhì)量流量控制器。在壓力式流量控制裝置中，基于耐蝕性高、產(chǎn)生灰塵少、氣體的置換性良好、開閉速度快等方面的考慮，多使用所謂金屬隔膜型控制閥。另外，作為壓力式流量控制裝置的驅(qū)動裝置，多使用推力大且響應(yīng)性或控制特性優(yōu)良的壓電元件驅(qū)動式的驅(qū)動裝置。

迄今，作為使用壓電元件驅(qū)動式驅(qū)動裝置的金屬隔膜型控制閥，公知具有特開平7-310842號公報(專利文獻1)和特開2004-197754號公報(專利文獻2)等揭示的構(gòu)造的控制閥。

即，專利文獻1中公開的控制閥(圖示省略)是這樣一種常開型的控制閥，即，如果由于電壓的施加，壓電元件(壓電致動器)伸長，則金屬隔膜通過下部支承臺、滾珠及隔膜壓塞向閥座側(cè)壓緊，于是，金屬隔膜落入了閥座，變成閉閥狀態(tài)，另外，一旦解難除對壓電元件的施加電壓，壓電元件就從伸長狀態(tài)恢復到原來的長度尺寸，并且加在金屬隔膜上的壓緊力失卻，從而金屬隔膜因其彈性力恢復到原來狀態(tài)，從閥座上離坐，變成開閥狀態(tài)。

該控制閥由于將壓電元件的作用力通過下部支承臺、滾珠及隔膜壓塞向金屬隔膜傳遞，隔膜由于壓電元件的伸長而觸接到閥座后，構(gòu)成了壓電元件的作用力直接加到閥座部(由閥座和與金屬隔膜的閥座觸接的部分構(gòu)成)。其結(jié)果，加在控制閥的閥座部的力僅依賴于壓電元件的作用力，其調(diào)整變得困難，壓電元件的大作用力加到閥座部，因此存在金屬隔膜及閥座等損傷等的問題。

另一方面，專利文獻2中公開的控制閥(圖示省略)是這樣一種常開型控制閥，即，如壓電元件(壓電致動器)因施加電壓而伸長，則壓電元件的位移量用杠桿結(jié)構(gòu)的位移放大機構(gòu)放大，金屬隔膜通過閥桿及隔膜壓塞向閥座側(cè)壓緊并落入了閥座，變成閉閥狀態(tài)，另外，一旦解除對壓電元件的施加電壓，壓電元件就從伸長狀態(tài)恢復到原來的長度尺寸的同時，位移放大機構(gòu)用設(shè)于其上的復位彈性體恢復到原來的形態(tài)，于是，加在金屬隔膜上的壓緊力失卻，金屬隔膜因彈性力而恢復成原來的狀態(tài)，離開閥座而成為開閥狀態(tài)。

由于該控制閥設(shè)有向金屬隔膜傳遞壓電元件的作用力的位移放大機構(gòu)在向金屬隔膜的閥座坐落時吸收壓電元件伸長的恒壓彈性體(緩沖用碟形彈簧)，金屬隔膜落入了閥座后，恒壓彈性體吸收壓電元件的伸長，于是，在閥座部上被施加了對應(yīng)于恒壓彈性體的位移量的反彈力。其結(jié)果，加在控制閥的閥座部上的力成為恒壓彈性體的反彈力，可以一邊使金屬隔膜向閥座緩沖，一邊使其坐落，在金屬隔膜及閥座上不會加上壓電元件的大作用力，可以防止金屬隔膜及閥座的損傷。

可是，在無緩沖用碟形彈簧的控制閥中，例如，如果將壓電元件的施加電壓每1V的位移量設(shè)為0.333μm，壓電元件的施加電壓每1V的作用力設(shè)為約5N，則每單位壓電元件位移量的作用力為5/0.333≈15N/μm。另外，對于設(shè)有緩沖用碟形彈簧的控制閥，根據(jù)碟形彈簧的彈性常數(shù)，每單位碟形彈簧位移量的作用力為約0.267N/μm。因而，加在設(shè)有緩沖用碟形彈簧的控制閥的閥座部上的力成為加在無碟形彈簧的控制閥的閥座上的力的約1/56。其結(jié)果，設(shè)有碟形彈簧的控制閥可以防止金屬隔膜及閥座的損傷。

圖6是對控制閥的閥座部的負荷與加到壓電元件上的電壓的關(guān)系曲線圖，從圖6的曲線顯見，設(shè)有碟形彈簧的控制閥與不設(shè)碟形彈簧的控制閥相比，加到閥座部的負荷極小。

但是，即便對于設(shè)有碟形彈簧的控制閥，也還有要解決的問題。

即，在將控制閥置于100℃以上那樣的高溫環(huán)境下使用時，由于收容壓電元件的支持筒(致動器殼體)的熱膨脹，壓電元件的上端部與螺紋聯(lián)接在支持筒體上端部的調(diào)整用蓋形螺母之間發(fā)生間隙，在壓電元件伸長時，其發(fā)生的力不能向金屬隔膜可靠且良好地傳遞，高精度的流量控制變得困難。特別是由于壓電元件的位移量極其微小，即便是構(gòu)成控制閥的各構(gòu)件(支持筒體等)的微量熱膨脹，也會給其流量控制特性帶來大的影響。

為了解決這個問題(由支持筒體的熱膨脹引起的間隙的發(fā)生)，控制閥的理想的構(gòu)造是，將控制閥自身預(yù)先從外部對壓電元件加上200N左右的壓力的結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)狀是這樣的控制閥還沒有開發(fā)。