(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-08
(45)【発行日】2023-11-16
(54)【発明の名称】バルブ装置および流量制御装置
(51)【国際特許分類】
F16K 31/02 20060101AFI20231109BHJP
F16K 31/122 20060101ALI20231109BHJP
F16K 51/02 20060101ALN20231109BHJP
【ＦＩ】
F16K31/02 A
F16K31/122
F16K51/02 A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019156404
(22)【出願日】2019-08-29
(65)【公開番号】P2021032391
(43)【公開日】2021-03-01
【審査請求日】2022-06-01
(73)【特許権者】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】100129540
【弁理士】
【氏名又は名称】谷田 龍一
(74)【代理人】
【識別番号】100137648
【弁理士】
【氏名又は名称】吉武 賢一
(72)【発明者】
【氏名】日高 敦志
(72)【発明者】
【氏名】吉田 俊英
(72)【発明者】
【氏名】滝本 昌彦
(72)【発明者】
【氏名】西野 功二
(72)【発明者】
【氏名】池田 信一
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１００９６８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００２－３６４７７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１２３８５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１９２２６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第６３３６６９２（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２００４／０７９２４３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０４－０５０５８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３４１３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｋ ３１／００ － ３１／０５
Ｆ１６Ｋ ３１／１２ － ３１／１６５
Ｆ１６Ｋ ３１／３６ － ３１／４２
Ｇ０５Ｄ ７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
弁座に離着座可能な弁体と、前記弁体に接続された操作部材と、
前記操作部材を移動させる主アクチュエータであって、駆動流体によって動作する主アクチュエータと、
前記主アクチュエータに供給される駆動流体の圧力を調整する圧力調整器と、
前記主アクチュエータによって前記操作部材とともに移動可能に設けられ、電気的な駆動により伸長可能な副アクチュエータと、
前記副アクチュエータを前記弁体の方向に付勢する弾性部材と、
前記弾性部材と前記副アクチュエータとの間に介在する蓋材であって、前記弁体が前記弁座に着座した状態においても、前記弁体の方向への移動が規制されておらず、前記弾性部材の付勢力を前記副アクチュエータへ伝達することができるように配置された蓋材と
を備え、
前記駆動流体の圧力の調整と、前記副アクチュエータの伸長度の調整とによって、閉から最大開度までの間の任意の弁開度に連続的に制御できるように構成されている、バルブ装置。
【請求項2】
流路ブロックに対して固定されるバルブ筐体であって、前記副アクチュエータの一部、前記蓋材、および前記弾性部材を収容する上部カバーを含むバルブ筐体をさらに備え、
前記上部カバーの内周面に沿って前記蓋材が摺動可能であり、前記上部カバーの内周面は、前記弁体が前記弁座に着座した状態においても前記蓋材の移動を規制しないように構成されており、
前記上部カバーの位置または前記弾性部材の付勢力を調節することによって、前記弁体が前記弁座に着座した状態における弁体押圧力を調整することが可能なように構成されている、請求項１に記載のバルブ装置。
【請求項3】
前記圧力調整器によって圧力が調整された駆動流体によって前記主アクチュエータが前記弾性部材の付勢力に抗して前記操作部材を移動させ、かつ、前記副アクチュエータの伸長によって前記弾性部材の付勢力を増加させて前記操作部材を移動させるように構成されている、請求項１または２に記載のバルブ装置。
【請求項4】
前記主アクチュエータは、前記操作部材に係合するピストンを有する空気駆動式のアクチュエータを含み、前記副アクチュエータは、ピエゾアクチュエータを含み、
前記圧力調整器は、電空レギュレータを含む、請求項１から３のいずれかに記載のバルブ装置。
【請求項5】
前記操作部材のフランジ部を前記弁体の方向に付勢する主弾性部材をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載のバルブ装置。
【請求項6】
流路に設けられた絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられ、請求項１から５のいずれかに記載のバルブ装置によって構成されるコントロール弁と、
前記絞り部と前記コントロール弁との間の流体圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開閉動作を制御する制御部と
を備える、流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バルブ装置および流量制御装置に関し、特に、半導体製造設備、薬品製造装置または化学プラント等に用いるガス供給システムにおいて好適に用いられるバルブ装置および流量制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造設備又は化学プラント等において、プロセスチャンバなどにガスを適切な流量で供給することが要求される。ガス流量の制御装置としては、マスフローコントローラ（熱式質量流量制御器）や圧力式流量制御装置が知られている。
【0003】
圧力式流量制御装置は、コントロール弁と絞り部（例えばオリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の質量流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。圧力式流量制御装置は、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御が行えるという優れた流量制御特性を有している。
【0004】
圧力式流量制御装置には、絞り部の上流側の流体圧力（以下、上流圧力ＰUと呼ぶことがある）を制御することによって流量を調整するものがある。上流圧力ＰUは、絞り部の上流側に配置されたコントロール弁の開度調整によって制御される。
【0005】
圧力式流量制御装置に用いられるコントロール弁として、圧電素子駆動装置（以下、ピエゾアクチュエータと呼ぶことがある）によって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用いられている。特許文献１には、コントロール弁として用いられる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は、高速動作が可能であり、その開度を圧力センサの出力に基づいてフィードバック制御することによって、上流圧力および流量を制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００７－１９２２６９号公報
【文献】特許第６３３６６９２号
【文献】国際公開第２００４／０７９２４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
圧電素子駆動式バルブは、小流量のガスの流量制御を精度よく行うことができるが、その一方で、大流量のガスを流すことが困難な場合がある。これは、圧電素子の伸長によって制御できる弁開閉の範囲には限度があるからである。圧電素子駆動式バルブのリフト量は、例えば３５～４０μｍ程度に設定されているが、このような変位量では１０ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ）以上のガスを流すことは困難である。
【0008】
このため、大流量が求められる近年の用途においては、従来の圧電素子駆動式バルブでは流量が不足することがあった。なお、１つのラインに対して、コントロール弁を有する並列な２流路を設けて流量不足を補う方法も考えられるが、この場合には、コストの増加や装置の複雑化・肥大化を招くことになる。
【0009】
特許文献２には、空気圧を用いて開閉動作を行う主アクチュエータと、開度調整用のピエゾアクチュエータとを組み合わせたバルブ装置が開示されている。このように構成されたバルブ装置は、プロセスチャンバの手前の流路に設けられ、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのプロセスを行う際に、ガスをパルス的に供給するための開閉弁として好適に利用することができる。
【0010】
しかしながら、特許文献２に記載のバルブ装置では、最大流量の確保はできるものの、基本的には開閉弁としての使用が想定されているため、小流量から大流量までの広い流量範囲にわたって精度よく流量制御を行うことは困難な場合があった。このため、圧力式流量制御装置のコントロール弁として使用することは困難であった。
【0011】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小流量から大流量までの流量制御を精度よく行うことができ、圧力式流量制御装置のコントロール弁としても利用し得るバルブ装置およびこれを備えた流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の実施形態によるバルブ装置は、弁座に離着座可能な弁体と、前記弁体に接続された操作部材と、前記操作部材を移動させる主アクチュエータであって駆動流体によって動作する主アクチュエータと、前記主アクチュエータに供給される駆動流体の圧力を調整する圧力調整器と、前記主アクチュエータによって前記操作部材とともに移動可能に設けられ、電気的な駆動により伸長可能な副アクチュエータと、前記副アクチュエータを前記弁体の方向に付勢する弾性部材とを備える。
【0013】
ある実施形態において、上記のバルブ装置は、前記圧力調整器によって圧力が調整された駆動流体によって前記主アクチュエータが前記弾性部材の付勢力に抗して前記操作部材を移動させ、かつ、前記副アクチュエータの伸長によって前記弾性部材の付勢力を増加させて前記操作部材を移動させるように構成されている。
【0014】
ある実施形態において、上記のバルブ装置は、前記駆動流体の圧力の調整と、前記副アクチュエータの伸長度の調整とによって、閉から最大開度までの間の任意の弁開度に制御できるように構成されている。
【0015】
ある実施形態において、前記主アクチュエータは、前記操作部材に係合するピストンを有する空気駆動式のアクチュエータを含み、前記副アクチュエータは、ピエゾアクチュエータを含み、前記圧力調整器は、電空レギュレータを含む。
【0016】
ある実施形態において、上記のバルブ装置は、前記操作部材のフランジ部を前記弁体の方向に付勢する主弾性部材をさらに備える。
【0017】
本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられ、上記のいずれかのバルブ装置によって構成されるコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の流体圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開閉動作を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【0018】
本発明の実施形態のバルブ装置および流量制御装置によれば、小流量から大流量までの流量制御を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態によるバルブ装置を示す断面図である。
【図3】主アクチュエータの操作圧力とＣｖ値との関係とを示すグラフである。
【図4】本発明の実施形態によるバルブ装置を備えた流量制御装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
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。
【0021】
図１は、本発明の実施形態にかかるバルブ装置１００を示す。バルブ装置１００は、ダイヤフラム弁体３４を開閉動作させるための操作部材３０と、操作部材３０を比較的大きく移動させるための主アクチュエータ１０と、操作部材３０を比較的小さく移動させるための副アクチュエータ２０とを備えている。
【0022】
バルブ装置１００は、ノーマルクローズ型のバルブであり、主アクチュエータ１０および副アクチュエータ２０が駆動されていないとき、ダイヤフラム弁体３４は、操作部材３０を介して主弾性部材４２（ここではコイルばね）などから受ける付勢力によって弁座（図示せず）に押し付けられている。弁座は、通常、ダイヤフラム弁体３４の中央部に対面する環状の突出面として設けられている。
【0023】
主アクチュエータ１０、副アクチュエータ２０、および、操作部材３０は、いずれも、バルブ筐体４０の内側に配置されている。本実施形態において、バルブ筐体４０は、ボンネット４０ａ、中間筐体４０ｂ、上部筐体４０ｃ、および、上部カバー４０ｄによって構成されており、これらは互いにネジ締め固定されている。このうち、ボンネット４０ａは、図示しない流路ブロックにネジ締め固定されており、バルブ筐体４０の全体が流路ブロックに対して固定された状態にある。
【0024】
バルブ装置１００において、操作部材３０はステンレス鋼製の筒体を含み、バルブ筐体４０に対して、上下方向（弁体の開閉方向）に移動可能に配置されている。操作部材３０の下方先端には、ダイヤフラム弁体３４の中央部に接するダイヤフラム押さえ３２が固定されており、操作部材３０の上下移動によって、ダイヤフラム弁体３４を弁座に押しつけたり、ダイヤフラム弁体３４を弁座から離間させたりすることができる。なお、操作部材３０の材料としては、ステンレス鋼以外にも、インバー材等を用いることも可能であり、特に材質について限定されず、状況等によって使用する材料を選定すればよい。ダイヤフラム押さえ３２は、例えば合成樹脂（例えば四フッ化エチレン樹脂）や合成ゴムやアルミニウムやステンレス鋼、インバー材などから形成され得る。
【0025】
また、ダイヤフラム弁体３４は、例えば、ステンレス鋼製またはコバルトニッケル合金製の円形薄板（例えば厚さ１５～１００μｍ）であり、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されていてよい。ダイヤフラム弁体３４は、１枚のダイヤフラムから形成されていてもよいし、２～４枚のダイヤフラムの積層体から形成されていてもよい。ダイヤフラム弁体３４の周縁部は、ステンレス合金製の押さえアダプタ３６を挟んで、ボンネット４０ａと流路ブロックとの間に固定されている。
【0026】
本明細書において、便宜上、ダイヤフラム弁体３４の開閉方向（または操作部材３０の移動方向）を上下方向Ｄ１、Ｄ２と規定している。ただし、バルブ装置１００の姿勢によって、弁体の開閉方向は水平方向や斜め方向であってもよく、本明細書における上下方向Ｄ１、Ｄ２は、実際の鉛直方向とは異なるものであってもよい。また、上下は逆であってもよい。
【0027】
本実施形態において、操作部材３０を移動させる主アクチュエータ１０としては、駆動流体としての圧縮空気を用いて操作部材３０を上下動させる空気駆動式のアクチュエータが用いられている。主アクチュエータ１０は、環状の第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含んでいる。第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、操作部材３０の外周面に設けられた段差部に当接するようにして操作部材３０の周囲に嵌合されており、操作部材３０と共に上下方向Ｄ１、Ｄ２に沿って移動可能である。
【0028】
第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃの内周面と操作部材３０との間、および、第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃの外周面と外側のバルブ筐体４０との間には、Ｏリング１６が設けられている。また、第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃの下面側には第１～第３のピストン圧力室１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。一方で、第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃの上面側には、外部と連通する隙間が設けられ、この隙間は典型的には大気圧に維持されている。第１～第３のピストンの下面側の圧力室１４ａ、１４ｂ、１４ｃと上記の隙間とは、Ｏリング１６によって隔離されており、圧力室１４ａ、１４ｂ、１４ｃはシールされた状態にある。
【0029】
圧力室１４ａ、１４ｂ、１４ｃには、供給管５０を介して、空気源からの圧縮空気が送られる。供給管５０からの空気は、図１からわかるように、バルブ筐体４０に設けられた細穴および操作部材３０に設けられた細穴を通り、操作部材３０とその内周側に配された筒状壁面部材３８との間の隙間に流れ込み、第１および第２圧力室１４ａ、１４ｂへと到達する。
【0030】
主アクチュエータ１０は、第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを空気圧によって上方に押し上げることによって、係合する操作部材３０を上方向Ｄ１に移動させることができる。また、供給管５０および圧力室１４ａ、１４ｂ、１４ｃには、電空レギュレータ５５（図２参照）を介して、任意の圧力の圧縮空気が供給される。電空レギュレータ５５は、主アクチュエータ１０の操作圧力を任意の大きさに調整する機能を有している。なお、電空レギュレータ５５を備える空気駆動型弁は、特許文献３に開示されている。
【0031】
また、操作部材３０を移動させる副アクチュエータ２０としては、ピエゾアクチュエータが用いられている。副アクチュエータ２０は、操作部材３０の内側において、操作部材３０に対して摺動可能に配置されている。
【0032】
副アクチュエータ２０では、ピエゾ素子（圧電素子ともいう）への印加電圧を制御することによって自身の伸長度が制御される。副アクチュエータ２０としては、圧電素子を積層したものを金属容器内に密封した金属密封型積層ピエゾアクチュエータ（例えば日本特殊陶業社製）や、一本の圧電素子によって構成されたピエゾアクチュエータが用いられる。圧電素子への電圧の印加は、上部から延びる配線２４を介して行われる。
【0033】
副アクチュエータ２０の下端部には半球状の突出部２２が設けられており、この突出部２２は、操作部材３０に固定された受け台３３によって支持されている。また、副アクチュエータ２０の上方には、上部弾性部材（ここでは皿バネ）２５が設けられている。
【0034】
上部弾性部材２５は、副アクチュエータ２０の上面を覆う蓋材２６と、バルブ筐体４０の上部カバー４０ｄの下面との間に配置されており、蓋材２６および副アクチュエータ２０を下方向に付勢することができる。上部弾性部材２５は、バルブ閉状態のときに、例えば１００～４００Ｎの力で副アクチュエータ２０を下側に押すように設けられる。
【0035】
以上の構成において、主アクチュエータ１０および副アクチュエータ２０が駆動していない状態において、ダイヤフラム弁体３４は、操作部材３０のフランジ部３５を下側に押し付ける主弾性部材４２の付勢力と、副アクチュエータ２０を下側に押し付ける上部弾性部材２５の付勢力とによって、弁座に押し付けられている。主弾性部材４２は、閉状態での弁体の押しつけ力を十分なものにするために、閉状態において比較的大きい力（例えば３００～６００Ｎ）のばね荷重を下方に付与するように設定されている。
【0036】
一方、開弁するときには、主アクチュエータ１０に開度対応の操作圧力を有する圧縮空気が供給され、主弾性部材４２および上部弾性部材２５の付勢力に抗して、第１～第３のピストン１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって操作部材３０を上側に持ち上げる。このとき、荷重のバランスがとられているので、操作部材３０の移動は比較的滑らかに行われ、操作部材３０の変位を操作圧力によって調整しやすい。また、特に上部弾性部材２５は、組み立て時等に皿バネの枚数の調整などにより弾性力の調節を行うことが比較的容易であるので、実際の主アクチュエータ１０の操作圧力に適合する適切な弾性力に調整しやすいという利点がある。
【0037】
本構成によれば、主アクチュエータ１０の操作圧力と弁開度とを概ねリニアな関係とすることができ、また、操作部材３０の変位を、上部弾性部材２５の最大変位に対応する大きさまで増加させることができる。これにより、ダイヤフラム弁体３４の最大開度を大きくすることができ、小流量から大流量までのガスを、駆動流体の操作圧力に応じた流量で流すことが可能になる。
【0038】
また、主アクチュエータ１０による操作部材３０の移動と共に、操作部材３０の内側に配された副アクチュエータ２０も、上部弾性部材２５によって下側に付勢されながら、上側に移動する。このとき、副アクチュエータ２０に電圧を印加して副アクチュエータ２０を伸長させれば、上部弾性部材２５の変位を増加させながら（すなわち、上部弾性部材２５をさらに縮めながら）、下方向への付勢力を増加させることができる。これにより、操作部材３０の変位を下方向に微調整することができる。
【0039】
したがって、主アクチュエータ１０の操作圧力と、副アクチュエータ２０の印加電圧との双方を組み合わせて制御することによって、小流量から大流量までの広い範囲にわたって、精度よく流量制御を行うことが可能になる。
【0040】
また、バルブ装置１００を圧力式流量制御装置のコントロール弁として用いる場合、弁開度は、絞り部上流側の圧力センサの出力（上流圧力ＰU）に基づいてフィードバック制御によって調整される。このとき、圧力の揺らぎなどによって弁開度の連続的な微調整が必要になることがある。このときにも、バルブ装置１００では、主アクチュエータ１０の操作圧力を一定に維持したまま、応答性に優れる副アクチュエータ２０の電圧制御によって弁開度を圧力変動に適切に追従させることができる。
【0041】
図２は、バルブ装置１００を含むバルブ駆動系１５０を示す。バルブ駆動系１５０は、バルブ装置１００に圧縮空気を供給するためのガスソースＧＳと、ガスソースＧＳとバルブ装置１００との間の流路に介在する電空レギュレータ５５と、バルブ装置１００および電空レギュレータ５５の動作を制御するコントローラ６０とを備えている。
【0042】
電空レギュレータ５５は、バルブ装置１００の主アクチュエータ１０に供給する圧縮空気の圧力を制御するために設けられている。電空レギュレータ５５は、一種の比例制御弁であり、設定圧力を示す入力信号と圧力センサ信号との差が解消するように給気弁および排気弁を駆動することによって、ガスソースＧＳからの圧縮空気Ｇ０を圧力調整し、設定圧力に制御された圧縮空気Ｇ１を出力するように構成されている。ただし、電空レギュレータ５５に限られず、主アクチュエータ１０に供給される圧縮空気の圧力（操作圧力）を任意に調整できる限り、他の種々の態様の圧力調整器を用いることもできる。
【0043】
外部からバルブ開度制御信号が入力されると、コントローラ６０は、粗調整用操作圧指令Ａ１を電空レギュレータ５５に出力するとともに、微調整用ピエゾ指令Ａ２をバルブ装置１００の副アクチュエータ２０に出力する。これにより、主アクチュエータ１０の操作圧力と副アクチュエータ２０の駆動電圧とに対応した開度にバルブを調整することができる。コントローラ６０は、典型的には、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶部）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等を内蔵しており、バルブ制御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く、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。
【0044】
コントローラ６０は、バルブ装置１００が設けられた流路に備えられた流量計や各種センサの出力を受け取って、指令Ａ１または指令Ａ２を更新して、バルブ装置１００の弁開度をフィードバック制御により調整するように構成されていてもよい。また、主アクチュエータ１０の操作圧力とバルブ開度との関係がリニアでない場合などには、予めメモリに記憶された操作圧力とバルブ開度（または流量など）との関係を示すテーブルに基づいて粗調整用操作圧指令Ａ１を出力するとともに、必要に応じて微調整用ピエゾ指令Ａ２を出力するようにしてもよい。
【0045】
図３は、主アクチュエータ１０の操作圧力と、Ｃｖ値（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｌｏｗ）との関係を示すグラフである。Ｃｖ値は、バルブにおける流体の流れやすさを示す指標であり、具体的には、下記の式で与えられる。
Ｃｖ＝（Ｑ／６９００）×（Ｇｇ・Ｔ／（Ｐ１－Ｐ２）・Ｐ２）1/2
Ｃｖ＝（Ｑ／６９００）×（Ｇｇ・Ｔ／（Ｐ１－Ｐ２）・Ｐ２）1/2
【0046】
上記式において、Ｑは流量（ｓｃｃｍ）、Ｇｇは気体の比重、Ｐ１はバルブの一次側圧力（ｋＰａ ａｂｓ）、Ｐ２はバルブの二次側圧力（ｋＰａ ａｂｓ）、Ｔは温度（Ｋ）である。Ｃｖ値は、バルブの一次側と二次側との圧力差が一定の場合の流量に対応するものであり、比例弁などにおいては概ね弁開度に対応するものである。
【0047】
図３のラインＢ１に示すように、主アクチュエータ１０の操作圧力が開始圧力Ｐ０よりも小さく、操作部材３０を上方に持ち上げる力が主弾性部材４２および上部弾性部材２５の付勢力の合計よりも小さいときは、弁は閉じた状態に維持される。一方、操作圧力が開始圧力Ｐ０を超えたときは、操作圧力が増加するにつれてＣｖ値もリニアに増加する。なお、本実施形態において、ラインＢ１は、副アクチュエータ２０のリフト分（または上部弾性部材２５の変位増加分）と操作圧力との関係にも対応する。
【0048】
また、図３の矢印Ｂ３で示すように、副アクチュエータ２０のピエゾ素子に印加する電圧を例えば０～１００Ｖの間で変動させることによって、主アクチュエータ１０の操作圧力が一定のときにもＣｖ値を所定幅で変化させることができる。すなわち、主アクチュエータ１０と副アクチュエータ２０とを組み合わせることによって、ハッチングで示すＣｖ値調整範囲Ｂ２の範囲内でＣｖ値を調整することができる。このように、副アクチュエータ２０を用いれば、主アクチュエータ１０では制御しきれない微妙な弁開度の調整も行うことが可能になる。
【0049】
なお、図３では、副アクチュエータ２０の定常状態においてピエゾ素子に電圧を印加しない場合を示しており、この場合には、副アクチュエータ２０への電圧印加により操作部材３０は押し下げられ、Ｃｖ値調整範囲Ｂ２はラインＢ１の下側に設けられる。ただし、これに限らず、副アクチュエータ２０の定常状態において所定電圧を印加するようにしてもよい。この場合、Ｃｖ値調整範囲Ｂ２は、ラインＢ１の上下を覆うように、あるいは、ラインＢ１の上側に設けられる。
【0050】
また、上記のように、操作圧力が開始圧力Ｐ０未満のときはバルブ装置１００は閉状態を維持する。したがって、閉状態においても、開始圧力Ｐ０未満の所定圧力を主アクチュエータ１０に常時与えておけば、立ち上がりの応答性を向上させ得る。
【0051】
図４は、バルブ装置１００を備えた圧力式の流量制御装置２００の構成を示す。流量制御装置２００は、微細開口（オリフィス）を有する絞り部１と、絞り部１の上流側に設けられたコントロール弁としてのバルブ装置１００と、絞り部１とバルブ装置１００との間に設けられた圧力センサ２および温度センサ３とを備えている。絞り部１としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に、臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～２５００μｍに設定される。オリフィスは複数個が設けられていてもよい。また、流量制御装置２００の下流側は、遮断弁５を介して図示しないプロセスチャンバに接続されている。
【0052】
制御部４は、ＡＤコンバータを介して圧力センサ２および温度センサ３に接続されるとともに、バルブ装置１００の副アクチュエータ２０およびバルブ装置１００の主アクチュエータ１０に任意圧力の圧縮空気を供給する電空レギュレータ（圧力調整器）５５にも接続されている。制御部４は、圧力センサ２および温度センサ３の出力などに基づいて制御信号を生成し、バルブ装置１００の動作を制御する。
【0053】
流量制御装置２００は、臨界膨張条件ＰU／ＰD≧約２（ただし、ＰU：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、ＰD：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力）であり、約２は窒素ガスの場合）を満たすとき、絞り部１を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力ＰDによらず上流圧力ＰUによって決まるという原理を利用して流量制御を行う。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部１の下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ１・ＰU（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、流量Ｑは、圧力センサ２によって測定される上流圧力ＰUに比例する。また、他の態様において、絞り部１の下流側に圧力センサ（図示せず）を備える場合、上流圧力ＰUと下流圧力ＰDとの差が小さく、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、測定された上流圧力ＰUおよび下流圧力ＰDに基づいて、Ｑ＝Ｋ２・ＰD
m（ＰU－ＰD）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。また、流量Ｑは、温度センサ３の出力する温度も加味して演算されてもよい。
【0054】
流量制御を行うために、目標流量が制御部４に入力される。制御部４は、圧力センサ２の出力（上流圧力ＰU）などに基づいて流量を演算により求め、この演算流量が入力された目標流量に近づくようにバルブ装置１００をフィードバック制御する。より具体的には、目標流量に対応するように、電空レギュレータ５５に操作圧力の制御信号を送るとともに、副アクチュエータ２０のピエゾ素子に印加する電圧の制御信号を送る。
【0055】
バルブ装置１００の実際の動作制御は、種々の態様で行われてよい。一例をあげると、まず、入力された目標流量に基づいて、予め設定された複数の操作圧力値のうちの適切な１つが選択され、電空レギュレータ５５は選択された操作圧力に設定される（段階的制御）。そして、操作圧力が設定圧力に達した後は、圧力センサ２の出力に基づいて演算流量が求められ、この演算流量と目標流量とが一致するように副アクチュエータ２０のピエゾ素子駆動電圧をフィードバック制御する。これによって、応答性および制御精度に優れた副アクチュエータ２０の特長を生かしながら、小流量から大流量まで適切に流量制御を行うことが可能である。なお、演算により求められた流量は、流量出力値として表示されてもよい。
【0056】
以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記には副アクチュエータとしてピエゾアクチュエータを用いる態様を説明したが、これに限られず、電気駆動型高分子材料または電気活性高分子材料などの電気的な駆動により変形可能な材料を含むアクチュエータを用いることもできる。なお、電気的な駆動とは、素子に電圧を印加することや、素子に電流を流すこと、あるいは、素子の周囲に電界を形成することなどを含む。また、ピエゾアクチュエータの代わりに、磁力を利用するソレノイドを含むアクチュエータを用いることもできる。
【0057】
また、上記にはノーマルクローズ型のバルブ装置を説明したが、ノーマルオープン型のバルブ装置であってもよい。この場合にも、主アクチュエータの操作圧力と副アクチュエータの駆動電圧との制御によって弁の開度調整を行うことができる。さらに、上記では、バルブ装置の使用温度については特に言及してないが、適正な材質を用いることによって、高温や低温でも使用できる構造とすることができる。また、ピエゾ素子の下端部とダイヤフラム押さえとの間にエクステンション（隔離部材、図示無し）を挿入可能な構造とすることによって、ピエゾ素子に温度（高温または低温）の影響が及ばないようにすることもできる。
【0058】
また、上記には圧力式の流量制御装置を説明したが、他の方式の流量制御装置、例えば、熱式流量センサを備える熱式質量流量制御器のコントロール弁として上記のバルブ装置を用いることも可能である。さらに、ＡＬＤプロセスなどにおいて、流量制御装置の下流に設けられる高速開閉弁として上記のバルブ装置を利用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0059】
本発明の実施形態にかかるバルブ装置は、例えば、圧力式流量制御装置のコントロール弁として好適に利用される。
【符号の説明】
【0060】
１０ 主アクチュエータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ ピストン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 圧力室
２０ 副アクチュエータ
２２ 突出部
２４ 配線
２５ 上部弾性部材
２６ 蓋材
３０ 操作部材
３２ ダイヤフラム押さえ
３４ ダイヤフラム弁体
３６ 押さえアダプタ
３８ 筒状壁面部材
４０ バルブ筐体
４０ａ ボンネット
４０ｂ 中部筐体
４０ｃ 上部筐体
４０ｄ 上部カバー
４２ 主弾性部材
５０ 供給管
５５ 電空レギュレータ（圧力調整器）
６０ コントローラ
１００ バルブ装置
１５０ バルブ駆動系
２００ 流量制御装置
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ ピストン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 圧力室
２０ 副アクチュエータ
２２ 突出部
２４ 配線
２５ 上部弾性部材
２６ 蓋材
３０ 操作部材
３２ ダイヤフラム押さえ
３４ ダイヤフラム弁体
３６ 押さえアダプタ
３８ 筒状壁面部材
４０ バルブ筐体
４０ａ ボンネット
４０ｂ 中部筐体
４０ｃ 上部筐体
４０ｄ 上部カバー
４２ 主弾性部材
５０ 供給管
５５ 電空レギュレータ（圧力調整器）
６０ コントローラ
１００ バルブ装置
１５０ バルブ駆動系
２００ 流量制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
