常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥的制作方法

專利名稱：常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及作為設在半導體制造設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動式金屬隔膜控制閥的改良，特別涉及 設置成即使在使用高溫反應氣體等的高溫環境下，也要進行高精度的 穩定的流量控制的常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥。
背景技術：
近年，在半導體制造設備和化學品制造設備等方面，廣泛地利用壓 力式流量控制裝置代替質量流量控制器。在壓力式流量控制裝置中， 基于耐蝕性高、產生灰塵少、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 裝置的驅動裝置，多使用推力大且響應性或控制特性優良的壓電元件 驅動式的驅動裝置。
迄今，作為使用壓電元件驅動式驅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l)和特開2004-197754號公報 (專利文獻2)等揭示的構造的控制閥。
即，專利文獻l中^Hf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壓緊，于是，金屬 隔膜落入了閥座，變成閉閥狀態，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， 從閥座上離坐，變成開閥狀態。
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 接的部分構成)。其結果，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構的位移放大機構放大，金屬隔膜通過閥桿及 隔膜壓塞向閥座側壓緊并落入了閥座，變成閉閥狀態，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恢復到原來的長度 尺寸的同時，位移放大機構用設于其上的復位彈性體恢復到原來的形 態，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，離開閥座而成為開閥狀態。
由于該控制閥設有向金屬隔膜傳遞壓電元件的作用力的位移放大 機構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^皮施加了對應于恒壓彈性體的位移量的反彈 力。其結果，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IV的位移量設為0.333pm,壓電元件的施加電壓每IV的 作用力設為約5N，則每單位壓電元件位移量的作用力為5/0.333 15N/nm。另外，對于設有緩沖用碟形彈簧的控制閥，根據碟形彈簧的 彈性常數，每單位碟形彈簧位移量的作用力為約0.267N/|imi。因而， 加在設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。其結果，設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系 曲線圖，從圖6的曲線顯見，設有碟形彈簧的控制閥與不設碟形彈簧 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IO(TC以上那樣的高溫環境下使用時，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 紋聯接在支持筒體上端部的調整用蓋形螺母之間發生間隙，在壓電元 件伸長時，其發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 構成控制閥的各構件(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。
閥的理想的構造是，將控制閥自身預先從外部對壓電元件加上200N 左右的壓力的結構，但現狀是這樣的控制閥還沒有開發。
另外，在特開2004-197754號公凈艮(專利文獻2)揭示的控制閥及特 開平2-203087號公才艮(專利文獻3)揭示的控制閥中，公開了能夠對壓 電元件加壓的復位彈性體或負荷彈簧。
但是，用于這些控制閥的復位彈性體或負荷彈簧都是為了使控制閥 的構件(位移;故大機機構或閥桿)復位至原來位置。另外，由于復位彈 性體或負荷彈簧均設置在控制閥內部，若使用大彈性力的復位彈性體 或負荷彈簧.，則由于復位彈性體或負荷彈簧的體積大，存在控制閥自 身大型化的問題。而且，對于在內部設置復位彈性體或負荷彈簧的控 制閥，在要調整其彈性力時需拆卸控制閥，將內部的復位彈性體或彈 簧與別的復位彈性體或負荷彈簧交換，存在控制閥的拆裝費事的問題。特開平7-310842號公凈艮特開2004-197754號公才艮特開平2-203087號公報

發明內容
本發明是鑒于上述問題所作的發明，其目的在于，提供即使在高溫 環境下也可以進行高精度的穩定的流量控制，同時，無需拆卸控制閥 自身，做到可以筒單且容易地調整加在壓電元件上的壓力的常開型壓 電元件驅動式金屬隔膜控制閥。
為了解決上述發明的課題，本發明的權利要求1的發明的特征在于
由下列構件構成，這些構件是閥體，在上方敞開的閥室底面上形成 有閥座；金屬隔膜，在外周邊緣部密封于閥室內的狀態下與閥座相對 地配置，通過向下方的壓緊落入了閥座，并在壓緊力失卻時以其彈性 力從閥座離坐；致動器殼體，設置在金屬隔膜的上面側；壓電元件， 設置在閥室上方，下端部固定在閥體側上的；隔膜壓塞，設置在致動 器殼體內，通過施加電壓而向下方伸長并經由隔膜壓塞壓緊金屬隔膜； 碟形彈簧機構，設在隔膜壓塞與壓電元件之間，金屬隔膜落入了閥座 時吸收壓電元件的伸長，同時向由閥座和與金屬隔膜的閥座觸"t秦的部 分構成的閥座部施加預定壓力；以及預壓機構，設置在壓電元件和碟 形彈簧機構之間及致動器外殼的周圍，總是在壓電元件上施加向上的 壓力，同時能夠從外部調整加在壓電元件上的壓力。
另夕卜，本發明的權利要求2的發明的特征在于，在權利要求1的發 明中，預壓機構由下列構件構成圓盤狀的第l預壓構件，設在壓電 元件的正下位置，經由滾珠與壓電元件的下端面觸接；筒狀的第2預 壓構件，上下自由移動地套在致動器殼體的外周面上；連接銷，貫通 地插在第1預壓構件及第2預壓構件上，連接第1預壓構件與笫2預 壓構件，同時沿形成在致動器殼體上的縱長的導向孔上下移動；預壓 調整用螺母，可上下自由移動調整地螺紋聯接在第2預壓構件的上端 部外周面上；以及預壓彈簧，在上端部觸接預壓調整用螺母的狀態下， :f皮i殳置在致動器殼體周圍，上推第l預壓構件、連才妄銷、笫2預壓構 件、預壓調整用螺母，始終加壓于壓電元件；構成為可通過調整預壓 調整用螺母的擰入量，調整加在壓電元件上的壓力。
并且，本發明的權利要求3的發明的特征在于，在權利要求1或權 利要求2的發明中，碟形彈簧機構由下列構件構成隔膜壓塞支承座， 下端部上插入隔膜壓塞，上端部上形成上方敞開的收容空間；多枚石乘 形彈簧，設置在隔膜壓塞支承座的收容空間；滾珠支承，設置在最上 的碟形彈簧的上面，在上面中心部上支持并安置與預壓機構的笫l預 壓構件觸接的滾珠；以及彈簧調整用螺母，上下方向自由移動調整地 螺紋聯接在隔膜壓塞支承座的上端部外周面上，調整碟形彈簧的反彈 力，同時防止滾珠支承及碟形彈簧脫出；可通過調整彈簧調整用螺母 的擰入量，調整碟形彈簧的反彈力。
發明效果
本發明的常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥具有下列優良效果。
(1) 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥由于設有在壓電元 件上始終施加向上壓力的預壓機構，即使在例如，將控制閥在高溫環 境下使用時，收容壓電元件的致動器殼體由于熱膨脹而伸長，也可通 過預壓機構而在壓電元件上始終施加一定壓力。其結果，本發明的壓 電元件驅動式金屬隔膜型控制閥在壓電元件伸長時，可以將其發生的 力向金屬隔膜可靠且良好地傳遞，進行高精度的流量控制。
(2) 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥，由于用預壓機構 將壓電元件始終向上方施壓，不會有壓電元件的重量加在金屬隔膜上 的問題，可以減輕加在金屬隔膜上的重量，當金屬隔膜用其彈性力從 閥座離坐時，加在金屬隔膜上的負載變小，可以延長金屬隔膜的壽命。
(3) 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥，將始終加壓于壓 電元件的預壓機構的預壓彈簧設置在致動器殼體周圍，同時由于可以 用螺紋聯接在位于致動器殼體外側的第2預壓構件上的預壓調整用螺 母調整加在壓電元件上的壓力，即使在使用具有大的彈性力的預壓彈 簧時，也不會有致動器殼體等大型化的問題，另外，無需拆卸控制閥 自身，可以自由調整加在壓電元件上的壓力。
(4) 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥，由于將預壓機構 的第2預壓構件、預壓調整用螺母及預壓彈簧設置在致動器殼體周圍， 裝配也較簡單且容易進行。
(5) 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥，由于在設于金屬 隔膜的上面側的隔膜壓塞與壓電元件之間設置碟形彈簧機構，在金屬 隔膜落入了閥座時，該機構吸收壓電元件的伸長，同時向閥座及與金 屬隔膜的閥座觸接的部分(閥座部)施加預定壓力，在金屬隔膜落入了 閥座后，碟形彈簧機構吸收壓電元件的伸長，消除了壓電元件的大作 用力直接加到閥座部的問題，可以防止金屬隔膜及閥座的損傷。
(6) 碟形彈簧機構由下列構件構成隔膜壓塞支承座，形成了上方 敞開的收容空間；多枚碟形彈簧，設置在隔膜壓塞支承座的收容空間； 滾珠支承，設置在最上的碟形彈簧上面；以及彈簧調整用螺母，上下 方向自由移動調整地螺紋聯接在隔膜壓塞支承座上，調整碟形彈簧的 反彈力，同時防止滾珠支承及碟形彈簧脫出；從而，由于作為通過調 整彈簧調整用螺母的擰入量，本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控 制閥具有可調整碟形彈簧的反彈力的結構，無需將碟形彈簧與別的碟 形彈簧交換，可以自由調整碟形彈簧的反彈力。


圖1是l吏用本發明實施例的常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制 閥的壓力式流量控制裝置的正面剖視圖。
圖2是壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥要部的正面剖視圖。 圖3是壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥要部的縱斷側面圖。
圖4 Ava電元件驅動式金屬隔膜型控制閥要部的側面剖視圖。
圖5是表示本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥與未設置 預壓機構的通常的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥的使用溫度與位 移量關系的曲線圖。
圖6是表示控制閥的閥座部上的負荷與壓電元件上所加電壓的關
系的曲線圖。 標記說明
1是壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥，7是閥體，7a'是閥室， 7c是閥座，8是金屬隔膜，IO是致動器殼體，10c是導向孔，12是 隔膜壓塞，13是壓電元件，14是碟形彈簧機構，15是下側滾珠，16 是上側滾珠，21是預壓機構，22是隔膜壓塞支承座，22b是收容空間， 23是碟形彈簧，24是滾珠支承，25是彈簧調整用螺母，26是第l預 壓構件，27是第2預壓構件，28是連接銷，29是預壓調整用螺母， 30是預壓彈簧。
具體實施例方式
以下，根據附圖詳細說明本發明的實施例。圖l表示將本發明實施 例的常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥1作為壓力式流量控制裝 置用的控制閥使用的情況，上述壓力式流量控制裝置由如下部分構成 壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1;連接在壓電元件驅動式金屬隔 膜型控制閥1的上游側的入口側塊2;連接在壓電元件驅動式金屬隔 膜型控制閥1的下游側的出口側塊3;設置在壓電元件驅動式金屬隔 膜型控制閥1的下游側的流量控制用小孔套4;設于小孔套4的上游 側的、檢測小孔套4的上游側壓力的壓力傳感器5;設于壓電元件驅 動式金屬隔膜型控制閥1的上游側的墊圈過濾器6;以及控制壓電元 件驅動式金屬隔膜型控制閥1的控制電路(圖示省略)等，一邊根據小孔 套4上游側壓力計算小孔套通過流量， 一邊用壓電元件驅動式金屬隔 膜型控制閥1的開閉控制小孔套通過流量。
如圖1所示，上述壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1由閥體7、 金屬隔膜8、壓套適配器9、致動器殼體IO、基座壓套ll、隔膜壓塞 12、壓電元件13(壓電致動器)、碟形彈簧機構14、下側滾珠15、上側 滾珠16、軸承支架17;軸承18、調整用蓋形螺母19、鎖緊螺母20及 預壓機構21等構成，該閥是在高溫反應氣體等的高溫環境下使用也能
進行高精度穩定流量控制的常開型控制閥。
具體地說如圖1所示，閥體7用不銹鋼材料塊狀地形成，其中設有 形成有上方敞開的閥室7a'的凹部7a;連通于閥室7a'的入口通3各 7b;形成在閥室7a'的底面的環狀閥座7c;連通于閥室7a'的出口通 路7d;插入壓力傳感器5的傳感器插入孔7e;插入墊片過濾器6的過 濾器插入孔7f;插入小孔套4的小孔套插入孔7g。
在該閥體7的上游側用多根螺栓(圖示略)連接不銹鋼制的入口側塊 2，其中設有連通到閥體7的入口側通路的導入通路2a;形成于導 入通路2a的出口側的過濾器插入孔2b;用以檢查流體漏泄的漏泄口 2c的。另外，在閥體7的下游側用多根螺栓(圖示省略)連接不銹鋼材 制的出口側塊3，其中設有連通于岡體7的出口通路7d的排出通路 3a;形成在排出通路3a的入口側的小孔套插入孔3b;用以檢查流體漏 泄的漏泄口 3c。
金屬隔膜8如圖2所示，用將鈷、鎳作為基底，加入鴒、鉬、鈦、 鉻等耐久性、耐蝕性、耐熱性優良的高彈性合金(SPRON100)制的極薄 板材，形成為其中央部向上隆起的反碟形，配置在凹部7a內，使其與 閥座7c相對，分別插入在凹部7a內的筒狀壓套適配器9、致動器殼體 10的下端部及基座壓套11用多根螺栓31擰入固定在閥體7側，金屬 隔膜8的外周邊緣部用壓套適配器9等對閥體7側氣密狀態地保持固 定。
另外，金屬隔膜8的材質是不銹鋼或鎳鉻鐵合金,也可為其它合金， 另外，也可以是多枚金屬隔膜8層疊而成的金屬隔膜8。
致動器殼體10如圖2所示，用熱膨脹率小的殷鋼材料形成為筒狀， 在致動器殼體10的下端部外周面上，形成用基座壓套ll下壓的臺階 部10a,同時在致動器殼體IO的上端部外周面上，形成上下方向自由 移動調整地檸著調整用蓋形螺母19及鎖緊螺母20的外螺紋10b。另 外，在致動器殼體10的下端部周壁上，貫通狀地形成以松配合狀態穿 過作為預壓機構21的構件的兩根連接銷28的縱長的導向孔10c。
如圖1所示，壓電元件13(壓電致動器)設置在致動器殼體10內， 壓著金屬隔膜8。該壓電元件13經由軸承支架17及軸承18支持在其 上端部側螺紋聯接在致動器殼體10的上端部上的調整用蓋形螺母19 上，電壓的施加使其向下方伸長，就會通過上側滾珠16、預壓4幾構21 的第1預壓構件26、下側滾珠15、碟形彈簧機構14及隔膜壓塞12將 金屬隔膜8的中央部向閥座7c側壓緊。
另外，壓電元件13采用工作溫度范圍為-20。C 150。C的層疊型的 壓電元件。
碟形彈簧機構14在設于金屬隔膜8的上面側的隔膜壓塞12與設于 壓電元件13的正下位置的預壓機構21的第1預壓構件26之間，金屬 隔膜8由于壓電元件13的伸長而向閥座7c坐落時吸收壓電元件13的 伸長，同時向控制閥1的閥座部(由閥座7c及金屬隔膜8的與閥座7c 觸接的部分構成)施加預定壓力。
亦即，如圖2所示，碟形彈簧機構14由下列部分構成，即其下 端部具有插入隔膜壓塞12的向下的插入孔22a，上端部設有上方敞開 的收容空間22b，中間部形成隔壁22c的筒狀的隔膜壓塞支承座22; 收容在隔膜壓塞支承座22的收容空間22b中，承載于隔壁22c上的多 枚碟形彈簧23;置放于最上的碟形彈簧的上面，在上面中心部具有承 載上側滾珠15的圓錐狀的滾珠支承溝24a，并在下端部外周面上設有 凸緣部24b的滾珠支7 々24;上下方向可自由移動調整地螺故耳關才妻在形 成在隔膜壓塞支承座22的上端部外周面上的外螺紋22d上，擋住滾珠 支承24的凸緣部24b并防止滾珠支承24及碟形彈簧23從隔膜壓塞支 承座22的收容空間22b脫出，同時調整碟形彈簧23的反彈力的彈簧 調整用螺母25。可通過調整彈簧調整用螺母25的擰入量來自由調整 碟形彈簧23的反彈力。
另外，隔膜壓塞支承座22、滾珠支承24及彈簧調整用螺母25分 別用熱膨脹率小的殷鋼材料形成。另外，隔膜壓塞12用聚酰亞胺或熱 膨脹率小的殷鋼材料形成。
預壓機構21設置在壓電元件13的下端部與碟形彈簧機構14之間 以及致動器殼體10的周圍，構成為始終在壓電元件13上施加向上的 壓力，并可從外部調整加在壓電元件13上的壓力。
即，預壓機構21如圖2至圖4所示，.由下列部分構成自由升降 地配置在壓電元件13的正下位置，經由上側滾珠16與壓電元件13的 下端面相觸接的圓盤狀的第1預壓構件26;上下自由移動地套在致動 器殼體10的外周面上的筒狀的第2預壓構件27;貫通狀地插入在第1 預壓構件26和第2預壓構件27中，連接第1預壓構件26與第2預壓 構件27,并沿形成在致動器殼體10上的縱長的導向孔10c上下移動 的兩根平行的連接銷28;可上下自由移動調整地螺紋聯4妄在笫2預壓 構件27的上端部外周面上的預壓調整用螺母29;在其上端部觸接預 壓調整用螺母29的狀態下設置在致動器殼體10的周圍，上推第1預 壓構件26、連接銷28、第2預壓構件27、預壓調整用螺母29，始終 加壓于壓電元件13的預壓彈簧30。通過預壓調整用螺母29、第2預 壓構件27、連接銷28及第1預壓構件26將預壓彈簧30的反彈力施 加到壓電元件13上，從而始終加壓于壓電元件13,另外，可通過改 變預壓調整用螺母29的擰入量，自由調整加在壓電元件13上的壓力。
具體地說，第1預壓構件26用不銹鋼材料或熱膨脹率小的殷鋼材 料形成為圓盤狀，可自由升降地設置在壓電元件13的下端部與碟形彈 簧機構14之間。在該第1預壓構件26的上面中心部上，形成承載設 置在壓電元件13的下端面的上側滾珠16的圓錐狀的滾珠支承溝26a, 同時在第1預壓構件26的下面中心部上，形成插7v^載在滾珠支承 24的下側滾珠15的倒圓錐狀的滾珠支承溝26b。另外，在第1預壓構 件26上，以第一預壓構件26的軸心為中心左右對稱地形成將兩^f艮連 接銷28以水平姿勢且平行狀態插入的兩個插入孔26c。該兩個插入孔 26c形成為與致動器殼體10的縱長的導向孔10c相對。
第2預壓構件27用不銹鋼材料或膨脹率小的殷鋼材料形成為圓筒 狀，可上下方向自由滑動地套在致動器殼體10的外周面上。在該第2
預壓構件27的下端部上，形成分別將插入在第1預壓構件26的插入 孔26c上的兩根平行的連接銷28的兩端部插入的插入孔27a,同時在 第2預壓構件27的上端部外周面上，形成用以聯接預壓調整用螺母 29的外螺紋27b。
兩根連接銷28用不銹鋼材料或熱膨脹率小的殷鋼材料形成為軸 狀，貫通地插入在第1預壓構件26和第2預壓構件27上，將第1預 壓構件26與第2預壓構件27聯接。這時，兩個連接銷28以+》配合狀 態穿過致動器殼體10的縱長的導向孔10c中，可沿導向孔10c上下移 動，并成為被收容在形成于基座壓套ll的上面的凹下部lla中的狀態。
預壓調整用螺母29用不銹鋼材料或熱膨脹率小的殷鋼材料形成， 可上下自由移動調整地螺統聯接在形成于第2預壓構件27的上端部外 周面上的外螺紋27b上。
預壓彈簧30在上端部分別觸接在預壓調整用螺母29的下面、下端 部分別觸接在基座壓套11的上面的狀態下，設置在在致動器殼體10 的周圍，用其反彈力上推笫l預壓構件26、連接銷28、第2預壓構件 27、預壓調整用螺母29，從而始終加壓于壓電元件13。該預壓彈簧 30采用壓簧。另外，預壓彈簧30可通過調整預壓調整用螺母29的擰 入量來自由變更加在壓電元件13上的壓力。
再者，上述壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1通過對調整用蓋形 螺母19的擰入量的調整，使由壓電元件13產生的金屬隔膜8的動作 行程達到設定值。另外，壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1通過對 預壓調整用螺母29的擰入量的調整，使由預壓彈簧30產生的向壓電 元件13的壓力達到設定值。此例中，設定為壓電元件13上始終^皮施 加200N左右的壓力。再者，壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥l在 組裝后，隔膜壓塞12、碟形彈簧機構14的各構件、下側滾珠15、第 1預壓構件26、上側滾J朱16、壓電元件13等的軸心成為高度一致的 狀態。
于是，依據上述壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1，如果從控制
電路(圖示省略)通過連接器向壓電元件13施加驅動電壓，則壓電元件 13按照施加電壓伸長設定值。
這時，由于用預壓^L構21始終向上方對壓電元件13施加壓力，例 如，將控制閥在高溫環境下使用時，即使收容壓電元件13的致動器殼 體10等由于熱膨脹而伸長，也不會在壓電元件13的上端部與調整用 蓋形螺母19之間產生間隙，可以通過預壓機構21向壓電元件13始終 加一定壓力。其結果，該壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1在壓電 元件13的伸長時，可以將其發生的力向金屬隔膜8側可靠且良好地傳 遞。
圖5的曲線圖用來確認預壓機構21的效果，將設有預壓機構21的 本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1與未設預壓機構21的通 常的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥的使用溫度與位移量的關系用 曲線表示。如圖5的曲線所示，設有預壓機構21的本發明的壓電元件 驅動式金屬隔膜型控制閥1能夠比未設預壓機構21的壓電元件驅動式 金屬隔膜型控制閥向金屬隔膜8更可靠地傳遞壓電元件13的作用力。
一旦向壓電元件13施加的電壓使壓電元件13伸長，用壓電元件 13的作用力就通過上側滾珠16、第1預壓構件26、下側滾珠15及石果 形彈簧機構14下壓隔膜壓塞12，于是，向閥座7c側下壓金屬隔膜8 并坐落在閥座7c上，成為閉閥狀態。
金屬隔膜8向閥座7c坐落后，夾設在壓電元件13的下端部與隔膜 壓塞12之間的碟形彈簧機構14吸收壓電元件13的伸長，在閥座部(由 閥座7c和金屬隔膜8的與閥座7c觸接的部分構成)上施加對于碟形彈 簧23的位移量的反彈力。其結果，該壓電元件驅動式金屬隔膜型控制 閥1不存在壓電元件13的大作用力直接加到閥座部上的問題，可防止 金屬隔膜8及閥座7c的損傷。
另一方面，向壓電元件13的施加電壓一旦解除，壓電元件13就從 伸長狀態恢復到原來的長度尺寸，同時加到金屬隔膜8上的壓緊力失 卻，于是，金屬隔膜8由于其彈性力恢復到原來的狀態，從閥座7c離
坐而成為開闊狀態。
這時，在壓電元件13上，由于預壓機構21始終向上方加有施壓壓 電元件13的壓力，不存在壓電元件13的重量加在金屬隔膜8上的問 題，加在金屬隔膜8上的重量為隔膜壓塞12的重量與》乘形彈簧4幾構 14重量之和。其結果，采用該壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1可 以減輕加在金屬隔膜8上的重量，從而減小了金屬隔膜8靠其彈性力 從閥座7c離開時加在金屬隔膜8上的負載，可以延長金屬隔膜8的使 用壽命。
再者，上述壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1中，始終加壓于壓 電元件13的預壓機構21的預壓彈簧30設在致動器殼體10的周圍， 并可用螺紋聯接在位于致動器殼體10的外側的第2預壓構件27上的 預壓調整用螺母29調整加在壓電元件13上的壓力，因此，即便使用 具有大彈性力的預壓彈簧30，也不存在致動器殼體等形體增大的問題， 另外，無需拆卸控制閥本體就可自由調整加于壓電元件13的壓力。
另外，壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1中，預壓才幾構21的第 2預壓構件27、預壓調整用螺母29及預壓彈簧30設在致動器殼體10 的周圍，裝配簡單且容易進行。
再有，該壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1的碟形彈簧機構14 的構成部分包括形成了上方敞開的收容空間的隔膜壓塞支承座22; 設置在隔膜壓塞支承座22的收容空間上的多枚碟形彈簧23;置放在 最上的碟形彈簧23的上面的滾珠支承24;上下方向自由移動調整地 螺紋聯接在隔膜壓塞支承座22上，可調整碟形彈簧23的反彈力，并 可防止滾珠支承24及碟形彈簧23脫出的彈簧調整用螺母25。該壓電 元件驅動式金屬隔膜型控制閥1具有可通過改變彈簧調整用螺母25的 擰入量來調整碟形彈簧23的反彈力的結構，無需將碟形彈簧23更換 為其他碟形彈簧23就可自由調整碟形彈簧23的反彈力。
產業上的利用可能性
本發明的壓電元件驅動式金屬隔膜型控制閥1主要用在半導體制
造設備等的氣體控制管線中，但其應用對象不限于上述的半導體制造 裝置等，也可用于化學、藥品、食品工業等中的各種裝置的氣體供給 管線。
權利要求
1.一種常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥，其特征在于，由下列部分構成閥體(7)，在上方敞開的閥室(7a′)的底面上形成有閥座(7c)；金屬隔膜(8)，在閥室(7a′)內將外周邊緣部密封的狀態下，與閥座(7c)對向設置，通過下壓而坐落在閥座(7c)上，并在壓緊力失卻時靠其彈性力而離開閥座(7c)；隔膜壓塞(12)，設置在金屬隔膜(8)的上面側；致動器殼體(10)，設置在閥室(7a′)的上方，其下端部固定在閥體(7)側；壓電元件(13)，設置在致動器殼體(10)內，因電壓的施加而向下方伸長，通過隔膜壓塞(12)觸壓金屬隔膜(8)；碟形彈簧機構(14)，夾在隔膜壓塞(12)與壓電元件(13)之間，在金屬隔膜(8)向閥座(7c)坐落時吸收壓電元件(13)的伸長，并向由閥座(7c)和金屬隔膜(8)的與閥座(7c)觸接的部分構成的閥座部施加預定壓力；以及預壓機構(21)，設在壓電元件(13)與碟形彈簧機構(14)之間及致動器殼體(10)的周圍，常時對壓電元件(13)施加向上的壓力，可從外部調整加于壓電元件(13)的壓力。
2. 如權利要求1所述的常開型壓電元件驅動式金屬隔膜控制閥， 其特征在于，預壓機構(21)由下列部分構成圓盤狀的第1預壓構件 (26),設置在壓電元件(13)的正下位置，通過滾珠(16)觸接于壓電元件 (13)的下端面；筒狀的第2預壓構件(27)，可上下自由移動地套在致動 器殼體(10)的外周面上；連接銷(28)，貫通地插接在第1預壓構件(26) 和第2預壓構件(27)上，將第1預壓構件(26)和笫2預壓構件(27)聯接， 并可沿形成于致動器殼體(10)的縱長的導向孔(10c)上下移動；預壓調 整用螺母(29)，可上下自由移動調整地螺紋l關4妾在第2預壓構件(27)的 上端部外周面上；以及預壓彈簧(30)，在其上端部觸接預壓調整用螺 母(29)的狀態下設置在致動器殼體(10)的周圍，將第l預壓構件(26)、 連接銷(28)、第2預壓構件(27)、預壓調整用螺母(29)上推，常時加壓 于壓電元件(13);具有可通過調整預壓調整用螺母(29)的擰入量來調整 加于壓電元件(13)的壓力的結構。
3.如權利要求1或權利要求2所述的常開型壓電元件驅動式金屬 隔膜控制閥，其特征在于，碟形彈簧機構(14)由下列部分構成隔膜 壓塞支承座(22),其下端部插入隔膜壓塞(12)，上端部形成上方敞開的 收容空間(22b);多個碟形彈簧(23),設置在隔膜壓塞支承座(22)的收容 空間(22b)內；滾珠支承(24)，置放在最上的碟形彈簧(23)的上面，其上 面中心部上承載與預壓機構(21)的第1預壓構件(26)觸接的滾珠(15); 以及彈簧調整用螺母(25),可上下自由移動調整地螺紋聯接在隔膜壓 塞支承座(22)的上端部外周面上，調整碟形彈簧(23)的反彈力，并防止 滾珠支承(24)及碟形彈簧(23)脫出；具有可通過調整彈簧調整用螺母(25) 的檸入量來調整碟形彈簧(23)的反彈力的結構。
全文摘要
在高溫環境下也能進行高精度的穩定流量控制，并可無需拆卸控制閥自身來調整加在壓電元件上的壓力。具體由下列構件構成形成有閥室7a′和閥座7c的閥體7；設置在閥室7a′內，可落入或離開閥座7c的金屬隔膜8；固定在閥體7側的致動器殼體10；設置在致動器殼體10內，因電壓的施加而向下方伸長，通過金屬隔膜壓塞12加壓于金屬隔膜8的壓電元件13；在金屬隔膜8向閥座7c坐落時吸收壓電元件13的伸長，并可向閥座7c等施加預定壓力的碟形彈簧機構14；在壓電元件13上常時施加向上的壓力，并可從外部調整加在壓電元件13上的壓力的預壓機構21。
文檔編號F16K7/14GK101360941SQ200680051269
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月13日 優先權日2006年1月18日
發明者土肥亮介, 平田薰, 松本篤咨, 池田信一, 西野功二 申請人:株式會社富士金