特許 7412747 圧電素子駆動式バルブ、圧力式流量制御装置及び気化供給装置

(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】2024-01-04

(45)【発行日】2024-01-15

(54)【発明の名称】圧電素子駆動式バルブ、圧力式流量制御装置及び気化供給装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/02 20060101AFI20240105BHJP

   G05D 7/06 20060101ALI20240105BHJP

   H02N 2/04 20060101ALN20240105BHJP

【ＦＩ】

F16K31/02 A

G05D7/06 Z

H02N2/04

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020013150

(22)【出願日】2020-01-30

(65)【公開番号】P2021119307

(43)【公開日】2021-08-12

【審査請求日】2022-12-16

(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】土肥 亮介

(72)【発明者】

【氏名】平田 薫

(72)【発明者】

【氏名】杉田 勝幸

(72)【発明者】

【氏名】川田 幸司

(72)【発明者】

【氏名】西野 功二

(72)【発明者】

【氏名】池田 信一

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－５０６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１１６１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０２１９４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第６２６５８１０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特表２００９－５４０７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－９７４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５３０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１１３６７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／００－３１／０５

Ｇ０５Ｄ ７／００－ ７／０６

Ｈ０２Ｎ ２／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体通路及び弁座を有する本体と、前記弁座に当離座して前記流体通路を開閉する弁体と、圧電素子の伸長を利用して前記弁体を開閉駆動する圧電アクチュエータと、を備えた圧電素子駆動式バルブであって、
前記本体に設けられ、直列状に配置された複数の筒状のアクチュエータボックスと、
隣接する前記アクチュエータボックス間に設けられ、隣接する前記アクチュエータボックスを着脱自在に連結すると共に、配線を引き出せる開口部を有する筒状の外側接続治具と、
前記各アクチュエータボックス内にそれぞれ同じ向きで収容され、先端部が前記弁体側を向くと共に、端子を設けた基端部が前記先端部と反対側を向く直列状に配置された複数の圧電アクチュエータと、
前記外側接続治具内に摺動自在に収容され、隣接する前記圧電アクチュエータの基端部と先端部を位置決めすると共に、配線を引き出せる開口部を有する筒状の内側接続治具と、
を備えていることを特徴とする圧電素子駆動式バルブ。

【請求項2】

前記内側接続治具は、複数本のＯリングを介して前記外側接続治具の内周面に摺動自在に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項3】

前記内側接続治具の外周面及び前記外側接続治具の内周面の少なくとも何れか一方に、前記Ｏリングが嵌め込まれる複数の環状のＯリング溝を形成し、前記各Ｏリング溝に前記Ｏリングがそれぞれ嵌め込まれていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項4】

前記外側接続治具は、その両端部が隣接する前記アクチュエータボックスの端部に着脱自在にねじ込まれると共に、その外周面にスパナが係合される平行な係合面を備えていることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項5】

前記外側接続治具は、配線を引き出せる開口部を円周方向に複数有していることを特徴する請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項6】

前記内側接続治具は、配線を引き出せる開口部を円周方向に複数有していることを特徴する請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項7】

前記内側接続治具は、その一端部が閉塞されており、閉塞された外側端面の中心部に圧電アクチュエータの先端部に設けた半球状の変位部が位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受け溝を有することを特徴する請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項8】

複数の前記圧電アクチュエータに対して、並列状に配線を接続することで、複数の前記圧電アクチュエータを同一の印加電圧で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動式バルブ。

【請求項9】

前記請求項１～８の何れかに記載の圧電素子駆動式バルブと、前記圧電素子駆動式バルブの下流側に設けた絞り部と、前記圧電素子駆動式バルブと前記絞り部の間の流体通路の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記圧力センサからの検出圧力に基づいて流量を制御することを特徴とする圧力式流量制御装置。

【請求項10】

前記請求項９に記載の圧力式流量制御装置と、前記圧力式流量制御装置の上流側にあって液体原料を気化する気化器と、前記気化器に気化対象となる液体原料を供給する供給手段とを備え、前記供給手段で前記気化器内に前記液体原料を供給し、前記気化器で気化した気体を前記圧力式流量制御装置で下流に流量を制御しながら供給することを特徴とする気化供給装置。

【請求項11】

前記供給手段として、前記気化器へ液体原料を供給することを制御する制御弁を有することを特徴とする請求項１０に記載の気化供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体製造設備や化学プラント等において用いられ、流体の流量制御を行う圧電素子駆動式バルブ、圧力式流量制御装置及び気化供給装置の改良に係り、特に、圧電アクチュエータを直列状に配置して弁体のストロークを大きくして大きい流量が得られるようにした圧電素子駆動式バルブ、該圧電素子駆動式バルブを備えた圧力式流量制御装置及び該圧力式流量制御装置を備えた気化供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、半導体製造設備や化学プラント等においては、材料ガスやエッチングガスの流量を制御するために、種々のタイプの流量制御装置が用いられている。例えば、流量制御装置には、圧電素子駆動式バルブと絞り部（オリフィスプレートや臨界ノズル、音速ノズル）とを組み合わ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で制御することができる圧力式流量制御装置がある（例えば、特許文献１～５参照）。

【0003】

また、有機金属気相成長法により成膜を行う半導体製造設備においては、プロセスチャンバに原料ガスを供給するために気化供給装置が用いられている。例えば、気化供給装置には、液体原料を加熱して気化させる気化部と気化部から送出されたガスの流量を制御する圧力式流量制御装置とを備えた気化供給装置がある（例えば、特許文献６～８参照）。

【0004】

圧力式流量制御装置に用いる圧電素子駆動式バルブには、圧電アクチュエータによって金属製のダイヤフラム弁体を開閉させるように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１～５参照）。

【0005】

前記圧電素子駆動式バルブに用いる圧電アクチュエータは、金属製の円筒状のケーシング内に積層型の圧電素子を密封状に収容したものであり、推力が大きくて応答性やコントロール特性に優れている反面、圧電素子の変位量が非常に小さく、ストロークを大きくできないという問題がある。そのため、前記圧電素子駆動式バルブを備えた圧力式流量制御装置や該圧力式流量制御装置を備えた気化供給装置においては、大きい流量が得られないという問題がある。

【0006】

尚、圧電アクチュエータを長くすれば、ストロークを大きくすることができるが、圧電素子を積層するタイプの圧電アクチュエータにおいては、圧電素子を長尺化すると、圧電素子全体が反ったりすることがあり、精度の良い長尺状の圧電アクチュエータを作製することができないという問題がある。また、圧電素子を長尺化すると、横方向（軸線に直交する方向）からの外力に対して弱くなり、横方向からの衝撃により圧電素子が破損し易いという問題がある。更に、圧電素子の開発や耐久試験等が大変になるという問題が発生する。

【0007】

一方、圧力式流量制御装置に用いる圧電素子駆動式バルブにおいては、二つの圧電アクチュエータを直列状に配置することによって、弁体のストロークを大きくして大きい流量が得られるようにした圧電素子駆動式バルブが開発されている（例えば、特許文献９参照）。

【0008】

即ち、前記圧電素子駆動式バルブ５０は、図１２に示す如く、半導体製造装置等の流体供給ラインに介設される圧力式流量制御装置に組み込まれており、流体通路５１ａ及び弁座５１ｂを有する本体５１と、金属ダイヤフラム製の弁体５２と、押えアダプター５３と、割りベース５４と、ベース押え５５と、アクチュエータボックス５６（第１筒部５６Ａ、第２筒部５６Ｂ及び筒状の連結体５６Ｃから成る）と、ダイヤフラム押え５７と、弾性体５８と、下部受台５９と、上下二段の二つの圧電アクチュエータ６０，６０と、筒状のスペーサ６１と、上部受台６２と、スラストベアリング６３と、調整用袋ナット６４と、ロックナット６５等を備えており、電圧の印加によって二つの圧電アクチュエータ６０，６０が伸長すると、アクチュエータボックス５６がベース押え５５に支持された状態で弾性体５８の弾性力に抗して上昇し、これに伴って弁体５２がその弾性力により弁座５１ｂから離座して流体通路５１ａを開放し、また、二つの圧電アクチュエータ６０，６０への印加電圧を解除すると、二つの圧電アクチュエータ６０，６０が伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、アクチュエータボックス５６が弾性体５８の弾性力により押し下げられ、これに伴って弁体５２がダイヤフラム押え５７により下方へ押圧されて弁座５１ｂへ当座して流体通路５１ａを閉鎖するノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブ５０に構成されている。

【0009】

尚、図１２において、６６は入口側ブロック、６６ａは入口側流体通路、６７は出口側ブロック、６７ａは出口側流体通路、６８はガスケット、６９はオリフィス、７０は圧力センサである。

【0010】

前記圧電素子駆動式バルブ５０は、二つの圧電アクチュエータ６０，６０を、配線を引き出し可能な筒状のスペーサ６１を介して直列状に配置する構成としているため、圧電アクチュエータを一つだけ使用した圧電素子駆動式バルブに比較して圧電素子の変位量を大きくすることができ、その結果、弁体５２のストロークが大きくなって大流量の流体を制御することができるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２００３－１２０８３２号公報

【文献】特開２００５－１４９０７５号公報

【文献】特開２００８－２４９００２号公報

【文献】国際公開第２０１８／１２３８５２号

【文献】国際公開第２０１９／１０７２１５号

【文献】特開２００９－２５２７６０号公報

【文献】特開２０１０－１８０４２９号公報

【文献】国際公開第２０１９／０２１９４９号

【文献】特開２０１６－０５０６４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、上述した圧電素子駆動式バルブ５０は、基端部にリード端子６０ａを設けた二つの圧電アクチュエータ６０，６０を反対向きに且つ直列状に配置する構成としているため、圧電アクチュエータ６０を筒状のスペーサ６１を用いて三つ以上積み重ねるのが難しく、ストロークを更に大きくすることができないという問題がある。

【0013】

また、前記圧電素子駆動式バルブ５０は、アクチュエータボックス５６の内周面と筒状のスペーサ６１の外周面との間にクリアランスがあるため、積み重ねた圧電アクチュエータ６０，６０にがたつきが生じ、二つの圧電アクチュエータ６０，６０の軸線が合致せず、精度が悪くなるという問題がある。

【0014】

更に、前記圧電素子駆動式バルブ５０は、アクチュエータボックス５６を形成する第１筒部５６Ａと連結体５６Ｃ、同じくアクチュエータボックス５６を形成する第２筒部５６Ｂと連結体５６Ｃがそれぞれネジ構造により着脱自在に連結されているが、第１筒部５６Ａと連結体５６Ｃ、第２筒部５６Ｂと連結体５６Ｃがそれぞれ逆ネジ構造となっているため、圧電アクチュエータ６０を収容した状態で第１筒部５６Ａと連結体５６Ｃ、第２筒部５６Ｂと連結体５６Ｃをそれぞれ連結するのに、二人係で組み立てなければならず、組立が難しいという問題もあった。

【0015】

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、ストロークを更に大きくして大きい流量が得られるようにすると共に、直列状に配置した複数の圧電アクチュエータの軸線を合致させることができ、更に、組立を一人で簡単に行えるようにした圧電素子駆動式バルブ、該圧電素子駆動式バルブを備えた圧力式流量制御装置及び該圧力式流量制御装置を備えた気化供給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】

【0016】

上記目的を達成するため、本発明に係る圧電素子駆動式バルブは、流体通路及び弁座を有する本体と、前記弁座に当離座して前記流体通路を開閉する弁体と、圧電素子の伸長を利用して前記弁体を開閉駆動する圧電アクチュエータと、を備えた圧電素子駆動式バルブであって、前記本体に設けられ、直列状に配置された複数の筒状のアクチュエータボックスと、隣接する前記アクチュエータボックス間に設けられ、隣接する前記アクチュエータボックスを着脱自在に連結すると共に、配線を引き出せる開口部を有する筒状の外側接続治具と、前記各アクチュエータボックス内にそれぞれ同じ向きで収容され、先端部が前記弁体側を向くと共に、端子を設けた基端部が前記先端部と反対側を向く直列状に配置された複数の圧電アクチュエータと、前記外側接続治具内に摺動自在に収容され、隣接する前記圧電アクチュエータの基端部と先端部を位置決めすると共に、配線を引き出せる開口部を有する筒状の内側接続治具と、を備えていることに特徴がある。

【0017】

前記内側接続治具は、複数本のＯリングを介して前記外側接続治具の内周面に摺動自在に支持されていることが好ましい。

【0018】

前記内側接続治具の外周面及び前記外側接続治具の内周面の少なくとも何れか一方に、前記Ｏリングが嵌め込まれる複数の環状のＯリング溝を形成し、前記各Ｏリング溝に前記Ｏリングがそれぞれ嵌め込まれていることが好ましい。

【0019】

前記外側接続治具は、その両端部が隣接する前記アクチュエータボックスの端部に着脱自在にねじ込まれると共に、その外周面にスパナが係合される平行な係合面を備えていることが好ましい。

【0020】

前記外側接続治具は、配線を引き出せる開口部を円周方向に複数有していることが好ましい。

【0021】

前記内側接続治具は、配線を引き出せる開口部を円周方向に複数有していることが好ましい。

【0022】

前記内側接続治具は、その一端部が閉塞されており、閉塞された外側端面の中心部に圧電アクチュエータの先端部に設けた半球状の変位部が位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受け溝を有することが好ましい。

【0023】

複数の前記圧電アクチュエータに対して、並列状に配線を接続することで、複数の前記圧電アクチュエータを同一の印加電圧で駆動させることが好ましい。

【0024】

本発明に係る圧力式流量制御装置は、前記請求項１～８の何れかに記載の圧電素子駆動式バルブと、前記圧電素子駆動式バルブの下流側に設けた絞り部と、前記圧電素子駆動式バルブと前記絞り部の間の流体通路の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記圧力センサからの検出圧力に基づいて流量を制御することに特徴がある。

【0025】

本発明に係る気化供給装置は、前記請求項９に記載の圧力式流量制御装置と、前記圧力式流量制御装置の上流側にあって液体原料を気化する気化器と、前記気化器に気化対象となる液体原料を供給する供給手段とを備え、前記供給手段で前記気化器内に前記液体原料を供給し、前記気化器で気化した気体を前記圧力式流量制御装置で下流に流量を制御しながら供給することに特徴がある。

【0026】

前記供給手段として、前記気化器へ液体原料を供給することを制御する制御弁を有することが好ましい。

【発明の効果】

【0027】

本発明に係る圧電素子駆動式バルブは、直列状に配置した複数のアクチュエータボックス内に圧電アクチュエータをそれぞれ同じ向きで直列状に収容し、隣接するアクチュエータボックスを外側接続治具で連結すると共に、外側接続治具内に収容した内側接続治具で隣接する圧電アクチュエータを位置決めするようにしているため、圧電アクチュエータを三つ以上積み重ねることができ、ストロークを更に大きくして大きい流量が得られる。

【0028】

また、本発明に係る圧電素子駆動式バルブは、隣接する圧電アクチュエータを外側接続治具内に摺動自在に収容した内側接続治具で位置決めするようにしているため、直列状に配置した複数の圧電アクチュエータの軸線を合致させることができ、大流量の流体を高精度で制御することができる。

【0029】

更に、本発明に係る圧電素子駆動式バルブは、複数のアクチュエータボックス内にそれぞれ圧電アクチュエータを同じ向きで収容するようにしているため、組立時に各部材を順番に組み立てて接続するだけで良く、組立を一人で簡単に行うことができる。

【0030】

本発明に係る圧力式流量制御装置は、上述の圧電素子駆動式バルブを備えているため、大流量の流体を高精度で制御することができる。

【0031】

本発明に係る気化供給装置は、上述の圧力式流量制御装置と、液体原料を気化して圧力式流量制御装置に供給する気化器と、気化器に液体原料を供給する供給手段とを備えているため、大流量の気体を半導体製造装置等に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置の一例を示す概略図である。

【図2】本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブの縦断面図である。

【図3】圧電素子駆動式バルブに用いる外側接続治具の正面図である。

【図4】図３のＡ－Ａ線断面図である。

【図5】圧電素子駆動式バルブに用いる内側接続治具の正面図である。

【図6】図３のＢ－Ｂ線断面図である。

【図7】本願発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ（図２に示す圧電素子駆動式バルブ）の流量とアクチュエータボックスの変位量と設定電圧との関係を示すグラフである。

【図8】（Ａ）及び（Ｂ）は圧電アクチュエータが１段の従来の圧電素子駆動式バルブを２台使用し、各圧電素子駆動式バルブの流量とアクチュエータボックスの変位量と設定電圧との関係を示すグラフである。

【図9】本発明の他の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブの縦断面図である。

【図10】本発明の実施形態に係る圧力式流量制御装置の一例を示す概略図である。

【図11】本発明の実施形態に係る気化供給装置の一例を示す概略正面図である。

【図12】従来の圧電素子駆動式バルブを備えた流量制御装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0034】

図１は本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１を備えた流量制御装置２の一例を示し、当該流量制御装置２は、半導体製造設備に用いるガスＧの流入側の流路３に設けた圧力制御バルブ４と、圧力制御バルブ４の下流側に設けられ、ガスＧの流量を制御する二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂを有する圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）と、圧力制御バルブ４の下流側で且つ圧電素子駆動式バルブ１の上流側の圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ５と、圧力制御バルブ４の下流側に配置された絞り部６（例えば、オリフィスプレート）と、第１圧力センサ５の出力に基づいて圧力制御バルブ４の開閉動作を制御する第１制御回路７と、圧電素子駆動式バルブ１を制御する第２制御回路８と、圧力制御バルブ４の上流側の供給圧力Ｐ０を検出する流入圧力センサ９と、圧電素子駆動式バルブ１の下流側の下流圧力Ｐ２を測定する第２圧力センサ１０と、を備えている。

【0035】

前記流量制御装置２は、第１制御回路７及び第２制御回路８を用いて、第１圧力センサ５が出力する上流圧力が設定値になるように圧力制御バルブ４を制御すると共に、圧電素子駆動式バルブ１の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの駆動を制御することによって、圧電素子駆動式バルブ１の下流側に流れる流体の流量を制御するように構成されている。

【0036】

本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）は、図２に示す如く、流体通路１１ａ及び弁座１１ｂを有する本体１１と、本体１１の上流側端面に連結固定された入口側ブロック１２と、本体１１の下流側端面に連結固定された出口側ブロック１３と、本体１１と入口側ブロック１２との間に介設されたシール用のガスケット１４と、本体１１と出口側ブロック１３との間に介設されたシール用のガスケット１５と、本体１１の弁座１１ｂに当離座して流体通路１１ａを開閉する弁体１６と、弁体１６の外周縁部を本体１１側へ押圧固定する押えアダプター１７と、押えアダプター１７を本体１１側へ押圧する半割り構造の割りベース１８と、押えアダプター１７及び割りベース１８を本体１１側へ押圧するベース押え１９と、上下方向に直列状に配置された二つのアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂと、隣接するアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ間に設けられ、隣接するアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂを着脱自在に連結すると共に、配線を引き出せる開口部２１ｅを有する筒状の外側接続治具２１と、外側接続治具２１をロックするロックナット２２と、各アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ内にそれぞれ同じ向きで収容され、先端部が弁体１６側を向くと共に、端子２３ｃを設けた基端部が先端部と反対側を向く直列状に配置された上下二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂと、外側接続治具２１内に摺動自在に収容され、隣接する圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの基端部と先端部を位置決めすると共に、配線を引き出せる開口部２４ｄを有する筒状の内側接続治具２４と、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａに設けたダイヤフラム押え２５と、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａ内に収容され、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａを支持するボール受け２６と、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａ内に収容され、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａを下方へ付勢する弾性体２７と、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの基端部に当接するベアリング受け２８と、ベアリング受け２８に当接するスラストベアリング２９と、ベアリング受け２８及びスラストベアリング２９を上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂ側へ押圧する調整用袋ナット３０と、調整用袋ナット３０をロックするロックナット３１と、を備えている。

【0037】

前記圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）は、電圧の印加によって二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂが伸長すると、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａがベース押え１９に支持された状態で下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａ、外側接続治具２１及び上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂが弾性体２７の弾性力に抗して上昇し、これに伴って弁体１６がその弾性力により弁座１１ｂから離座して流体通路１１ａを開放し、また、二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂへの印加電圧を解除すると、二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂが伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａ、外側接続治具２１及び上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂが弾性体２７の弾性力により押し下げられ、これに伴って弁体１６がダイヤフラム押え２５により下方へ押圧されて弁座１１ｂ７ｃへ当座して流体通路１１ａを閉鎖するノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブ１に構成されている。

【0038】

尚、本実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を縦向き姿勢（鉛直姿勢）に配置して使用しているが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を横向き姿勢（水平姿勢）に配置して使用しても良い。この場合、二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは、内側接続治具２４を介して前後又は左右に一直線上に配設されることになる。

【0039】

前記本体１１は、図２に示す如く、ステンレス鋼等の金属材によりブロック状に形成されており、流体通路１１ａと、流体通路１１ａに連通する上方が開放された凹部１１ｃと、凹部１１ｃの底面に形成された環状の弁座１１ｂと、凹部１１ｃの内周面に形成されてベース押え１９が螺着される雌ネジ１１ｄと、を備えている。

【0040】

前記入口側ブロック１２は、図２に示す如く、本体１１と同じ金属材によりブロック状に形成されており、本体１１の流体通路１１ａに連通する入口側流体通路１２ａを備えている。この入口側ブロック１２は、本体１１の上流側端面にボルト（図示省略）により固定されており、入口側ブロック１２と本体１１との間には、シール用のガスケット１４が介設されている。

【0041】

前記出口側ブロック１３は、図２に示す如く、本体１１と同じ金属材によりブロック状に形成されており、本体１１の流体通路１１ａに連通する出口側流体通路１３ａを備えている。この出口側ブロック１３は、本体１１の下流側端面にボルト（図示省略）により固定されており、出口側ブロック１３と本体１１との間には、シール用のガスケット１５が介設されている。

【0042】

前記弁体１６は、耐久性、耐食性、耐熱性に優れた金属材により中央部が僅かに上方へ膨出した逆皿型に形成された自己弾性復帰型の金属ダイヤフラムから成り、弁座１１ｂと対向するように凹部１１ｃ内へ配置されてその外周縁部が押えアダプター１７等により本体１１側へ気密状に保持固定され、下方への押圧により弁座１１ｂへ当座すると共に、押圧力の喪失時にその弾性力により弁座１１ｂから離座するようになっている。また、弁体１６を形成する金属ダイヤフラムは、フッ素樹脂（例えば、ＰＦＡ）によりコーティングされていることもある。

【0043】

尚、金属ダイヤフラムの材質は、ステンレス鋼やインコネル、その他の合金鋼であっても良く、また、金属ダイヤフラムは、１枚の金属ダイヤフラムを使用するか、或いは、複数枚のダイヤフラムを積層した金属ダイヤフラムであっても良く、更に、金属ダイヤフラムの形状は、平板状であっても良い。

【0044】

前記押えアダプター１７は、図２に示す如く、ステンレス鋼等の金属材により環状に形成されており、本体１１の凹部１１ｃ内に挿入されて弁体１６（金属ダイヤフラム）の外周縁部を本体１１側へ気密状に押圧固定するものである。

【0045】

前記割りベース１８は、特許文献６（特開２０１６－０５０６４５号公報）に記載された割りベースと同じような構造に構成されており、ステンレス鋼等の金属材により形成された半割り状の一対の割りベース片から成る。この割りベース１８は、各割りベース片を下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの下端部に両側から対向状に組み付け、この状態で各割りベース片とアクチュエータボックス２０Ａの下端部とを本体１１の凹部１１ｃ内に挿入すると共に、当該凹部１１ｃ内にベース押え１９の下端部をねじ込み固定することによって、押えアダプター１７を押圧しつつ本体１１の凹部１１ｃに保持固定されている。

【0046】

また、割りベース１８を構成する二つの割りベース片は、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの下端部周壁に形成したガイド穴（図示省略）に挿通され、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの底壁２０ｃ上面に対向する嵌合部１８ａをそれぞれ備えており、前記嵌合部１８ａと下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの底壁２０ｃとの間には、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａを下方へ押圧付勢してダイヤフラム押え２５を介して弁体１６の中央部分を弁座１１ｂへ当座させる複数枚の皿バネから成る弾性体２７が介設されている（図２参照）。

【0047】

前記ベース押え１９は、図２に示す如く、ステンレス鋼等の金属材により筒状に形成されており、下端部外周面には、本体１１の雌ネジ１１ｄに着脱自在に螺着される雄ネジ１９ａが形成されている。また、ベース押え１９の周壁には、ベース押え１９の軽量化を図ると共に、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａの熱を逃がすための開口部１９ｂが円周方向に沿って複数設けられている。このベース押え１９は、本体１１に起立姿勢で螺着されており、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａを本体１１側へ昇降自在に支持すると共に、弁体１６の外周縁部、押えアダプター１７及び割りベース１８を本体１１側へ押圧固定するためのものである。

【0048】

上下方向に直列状に配置された前記二つのアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂは、ステンレス鋼やインバー材（インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等）等の金属材により形成されており、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａには、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａ、弾性体２７及びボール受け２６が収容され、また、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂには、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂが収容されている。

【0049】

即ち、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａは、図２に示す如く、ステンレス鋼や熱膨張係数の小さいインバー材（好ましくは、熱膨張係数が２×１０^－６／Ｋ以下のインバー材）等の金属材により有底筒状に形成されており、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａを収容し且つベース押え１９内に複数本のＯリング３２を介して上下方向へ摺動自在に挿入された筒状の大径部２０ａと、大径部２０ａの下端に一体的に形成され、弾性体２７及びボール受け２６を収容する大径部２０ａよりも小径の筒状の小径部２０ｂと、小径部２０ｂに一体的に形成され、小径部２０ｂの下端部を閉塞する底壁２０ｃと、大径部２０ａと小径部２０ｂの境界部分の周壁に対向状に形成され、割りベース１８の嵌合部１８ａが挿入される縦長のガイド穴（図示省略）と、大径部２０ａの上端部外周面に形成され、外側接続治具２１が着脱自在に螺着される雄ネジ２０ｄと、大径部２０ａの周壁に円周方向に沿って複数形成され、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの軽量化を図ると共に、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａの熱を逃がすための開口部２０ｅと、を備えている。

【0050】

また、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの底壁２０ｃの底面には、合成樹脂材により形成された円盤状のダイヤフラム押え２５が嵌め込み固定されている。

【0051】

一方、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂは、図２に示す如く、ステンレス鋼や熱膨張係数の小さいインバー材（好ましくは、熱膨張係数が２×１０^－６／Ｋ以下のインバー材）等の金属材により筒状に形成されており、下端部内周面には、外側接続治具２１が着脱自在に螺着される雌ネジ２０ｆが形成されていると共に、上端部外周面には、調整用袋ナット３０及びロックナット３１が上下方向へ移動調整自在に螺着される雄ネジ２０ｇが形成されている。また、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂの周壁には、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂの軽量化を図ると共に、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの熱を逃がすための開口部２０ｈが円周方向に沿って複数設けられている。

【0052】

前記外側接続治具２１は、ステンレス鋼や熱膨張係数の小さいインバー材（好ましくは、熱膨張係数が２×１０^－６／Ｋ以下のインバー材）等の金属材により筒状に形成されており、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａと上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂとを着脱自在に連結して内方に内側接続治具２４等を収容するものである。

【0053】

即ち、前記外側接続治具２１は、図２～図４に示す如く、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの上端部に連結される筒状の大径部２１ａと、大径部２１ａの上端に一体的に設けられ、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂの下端部に連結される大径部２１ａよりも小径の筒状の小径部２１ｂと、大径部２１ａの内周面に形成され、下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの雄ネジ２０ｄに着脱自在に螺着される雌ネジ２１ｃと、小径部２１ｂの外周面に形成され、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂの雌ネジ２０ｆに着脱自在に螺着される雄ネジ２１ｄと、大径部２１ａと小径部２１ｂの境界部分の周壁に対向状に形成され、配線を引き出せる円形の開口部２１ｅと、大径部２１ａの外周面に形成され、スパナ（図示省略）が係合される平行な係合面２１ｆと、を備えている。

【0054】

尚、上記の実施形態においては、外側接続治具２１に円形の開口部２１ｅを対向状に二つ形成するようにしたが、他の実施形態においては、外側接続治具２１に開口部２１ｅを一つだけ形成しても良く、或いは、外側接続治具２１に円周方向に沿って開口部２１ｅを所定の間隔で三つ以上形成するようにしても良い。外側接続治具２１に複数の開口部２１ｅを形成した場合、配線を外側接続治具２１のどの方向へも引き出すことができる。また、開口部２１ｅの形状も、円形に限定されるものではなく、矩形状の開口部（図示省略）やその他の形状の開口部（図示省略）であっても良い。

【0055】

直列状に配置された上下二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは、先端部（下端部）が閉塞された金属製のケーシング２３ａ内に積層型の圧電素子（図示省略）を収容し、ケーシング２３ａの基端部（上端部）を段付きのベース２３ｂで密封状に封止すると共に、当該ベース２３ｂから複数本の端子２３ｃ（リード端子）が突出した状態となっており、圧電素子の伸縮に伴ってケーシング２３ａの先端部（下端部）に設けた半球状の変位部２３ｄが圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの軸心に沿って変位する積層型の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂに構成されている。

【0056】

下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａは、図２に示す如く、その半球状の変位部２３ｄが下を向く状態で下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａ内に収容されており、その先端部（変位部２３ｄ）が割りベース１８の嵌合部１８ａにボール受け２６を介して支持されていると共に、端子２３ｃ（リード端子）が内側接続治具２４内に位置している。

【0057】

尚、ボール受け２６は、図２に示す如く、ステンレス材等の金属材により円盤状に形成されており、その上面中心部には、下段の圧電アクチュエータ２３Ａの半球状の変位部２３ｄが位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受溝２６ａが形成されている。また、ボール受け２６は、ボール受け２６の外周面に嵌め込んだＯリング３３を介して下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａの小径部２０ｂ内に収容されている。そのため、ボール受け２６は、その外周面に嵌め込んだ弾力性のあるＯリング３３によって、がたつきや横方向（ボール受け２６の軸線に直交する方向）へのぶれがなくなり、中心を出すことができる。

【0058】

一方、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂは、図２に示す如く、その半球状の変位部２３ｄが下を向く状態で上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂ内に収容されており、その先端部（変位部２３ｄ）が内側接続治具２４を介して下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａに積み重ねられていると共に、その基端部（段付きのベース２３ｂ）が上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂの上端部に上下方向へ移動調整自在に螺着した調整用袋ナット３０にベアリング受け２８及びスラストベアリング２９を介して支持されている。

【0059】

また、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの端子２３ｃ（リード端子）は、調整用袋ナット３０から上方へ突出した状態となっている。

【0060】

尚、直列状に配置された上下二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの各端子２３ｃ（リード端子）には、配線（図示省略）が並列状に接続されており、上下二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂを同一の印加電圧で駆動させることができるようになっている。

【0061】

而して、前記上下二段の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは、電圧の印加により上方へ伸長して下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａと上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂと前記両アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂを連結する外側接続治具２１等を弾性体２７の弾性力に抗して上方へ押し上げるようになっている。

【0062】

前記内側接続治具２４は、ステンレス鋼や熱膨張係数の小さいインバー材（好ましくは、熱膨張係数が２×１０^－６／Ｋ以下のインバー材）等の金属材により上端が閉塞された筒状に形成されており、外側接続治具２１内に摺動自在に収容され、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａの基端部と上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの先端部を位置決めすると共に、配線を引き出せる構成としている。

【0063】

即ち、前記内側接続治具２４は、図２、図５及び図６に示す如く、外側接続治具２１内に収容される筒部２４ａと、筒部２４ａの上端部に一体的に設けられ、筒部２４ａの上端開口を閉塞する上壁２４ｂと、筒部２４ａの下端部外周面及び上壁２４ｂの外周面に形成され、Ｏリング３４が嵌め込まれる二つの環状のＯリング溝２４ｃと、筒部２４ａに対向状に形成され、配線を引き出せる円形の開口部２４ｄと、上壁２４ｂの上面中心部に形成され、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの半球状の変位部２３ｄが位置決めされた状態で嵌合される円錐状の受溝２４ｅと、筒部２４ａの下端部に形成され、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａの段付きのベース２３ｂが緊密に嵌合される段付き部２４ｆと、を備えている。

【0064】

前記内側接続治具２４は、上下二つのＯリング溝２４ｃにそれぞれＯリング３４を嵌め込み、この状態で外側接続治具２１内に挿入することによって、外側接続治具２１内に上下方向へ摺動自在に収容される。また、内側接続治具２４の段付き部２４ｆには、下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａの段付きのベース２３ｂが嵌合されていると共に、内側接続治具２４の円錐状の受溝２４ｅには、上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの半球状の変位部２３ｄが位置決めされた状態で嵌合されている。

【0065】

前記内側接続治具２４は、弾力性のある上下二本のＯリング３４で外側接続治具２１内に上下方向へ摺動自在にガイドするようにしているため、内側接続治具２４のがたつきがなくなると共に、横方向（内側接続治具２４の軸線に直行する方向）へのブレがなくなり、内側接続治具２４の中心を出すことができる。その結果、ボール受け２６に支持された下方（下段）の圧電アクチュエータ２３Ａと内側接続治具２４に支持された上方（上段）の圧電アクチュエータ２３Ｂの軸線を合致させることができる。

【0066】

尚、上記の実施形態においては、内側接続治具２４に円形の開口部２４ｄを対向状に二つ形成するようにしたが、他の実施形態においては、内側接続治具２４に開口部２４ｄを一つだけ形成しても良く、或いは、内側接続治具２４に円周方向に沿って開口部２４ｄを所定の間隔で三つ以上形成するようにしても良い。内側接続治具２４に複数の開口部２４ｄを形成した場合、配線を内側接続治具２４のどの方向へも引き出すことができる。また、開口部２４ｄの形状も、円形に限定されるものではなく、矩形状の開口部（図示省略）やその他の形状の開口部（図示省略）であっても良い。

【0067】

また、上記の実施形態においては、内側接続治具２４の外周面に複数のＯリング溝２４ｃを形成して各Ｏリング溝２４ｃにＯリング３４を嵌め込み、内側接続治具２４を外側接続治具２１内にＯリング３４を介して摺動自在に収容するようにしたが、他の実施形態においては、図示していないが、外側接続治具２１の内周面に複数のＯリング溝を形成して各Ｏリング溝にＯリングを嵌め込み、内側接続治具２４を外側接続治具２１内にＯリングを介して摺動自在に収容するようにしても良い。

【0068】

而して、上述した圧電素子駆動式バルブ１１によれば、第２制御回路８から上下二段の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂに駆動電圧が印加されると、上下二段の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは印加電圧に応じて設定値だけ上方へ伸長する。

【0069】

これにより、大きな押し上げ力が内側接続治具２４、ベアリング受け２８、スラストベアリング２９及び調整用袋ナット３０を介して上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂに働き、上方（上段）のアクチュエータボックス２０Ｂと下方（下段）のアクチュエータボックス２０Ａと前記両アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂを連結する外側接続治具２１とがベース押え１９に支持された状態で弾性体２７の弾性力に抗して上記設定値だけ上昇する。その結果、弁体１６がその弾性力によって弁座１１ｂから離座し、圧電素子駆動式バルブ１は開弁状態となる。
尚、圧電素子駆動式バルブ１の開度は、ピエゾ駆動素子への印加電圧を変動することにより調節されている。

【0070】

一方、上下二段の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂへの印加電圧を解除すると、上下二段の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂが伸長状態から元の長さ寸法に復帰すると共に、弾性体２７の弾性力によりアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂが押し下げられ、アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂの下端に設けたダイヤフラム押え２５により弁体１６の中央部分が弁座１１ｂ側へ押し下げられて弁座１１ｂへ当座し、圧電素子駆動式バルブ１は閉弁状態となる。

【0071】

図７は二つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂを２段に積み重ねた本願発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）の流量とアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂの変位量と設定電圧との関係を示すグラフであり、実線は、ガス（Ｎ_２）の流量を示し、破線は、アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂの変位量を示す。このとき、一次側のガス（Ｎ_２）の供給圧力は、４００ｔｏｒｒ、ガス（Ｎ_２）の温度は、２１℃とした。

【0072】

また、図８（Ａ）及び（Ｂ）は圧電アクチュエータが１段の従来の圧電素子駆動式バルブ（ピエゾバルブ）を２台使用し、各圧電素子駆動式バルブ（ピエゾバルブ）の流量とアクチュエータボックスの変位量と設定電圧との関係を示すグラフである。このとき、一次側のガス（Ｎ_２）の供給圧力は、４００ｔｏｒｒ、ガス（Ｎ_２）の温度は、２１℃及び４０℃とした。尚、図８（Ａ）及び（Ｂ）のグラフにおいて、ａはガスの温度が２１℃のときのガスの流量を示し、ｂはガスの温度が４０℃のときのガスの流量を示し、ｃはガスの温度が２１℃のときのアクチュエータボックスの変位量を示し、ｄはガスの温度が４０℃のときのアクチュエータボックスの変位量を示す。

【0073】

図７と図８（Ａ）及び（Ｂ）のグラフからも明らかなように、圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂを２段にした本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）の方が、圧電アクチュエータを１段にした従来の圧電素子駆動式バルブ（ピエゾバルブ）よりも流量が大幅に増加していることが判る。即ち、１段の圧電素子駆動式バルブは、ガスの供給圧力が４００ｔｏｒｒのとき、アクチュエータボックスの変位量が約６５μｍ～６８μｍ、最大流量が約５ＳＬＭになっている。これに対して、２段の圧電素子駆動式バルブ１は、ガスの供給圧力が４００ｔｏｒｒのとき、アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂの変位量が約１７０μｍ、最大流量が約１４ＳＬＭになっており、１段の従来の圧電素子駆動式バルブに比較して２倍以上の流量を流すことができる。

【0074】

図９は本発明の他の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１を示し、当該圧電素子駆動式バルブ１は、三つのアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを上下方向へ直列状に配置して隣接するアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ同士を外側接続治具２１で接続すると共に、前記三つのアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ内にそれぞれ圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを同じ向きで収容して隣接する圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを各外側接続治具２１内に摺動自在に収容した内側接続治具２４でそれぞれ位置決めするようにしたものであり、圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを３段に積み重ねた３段ピエゾバルブに構成されている。

【0075】

３段目のアクチュエータボックス２０Ｃは、２段目のアクチュエータボックス２０Ｂと全く同じ形状及び同じ構造に形成され、また、２段目の外側接続治具２１は、１段目の外側接続治具２１と全く同じ形状及び同じ構造に構成され、更に、２段目の内側接続治具２４は、１段目の内側接続治具２４と全く同じ形状及び同じ構造に構成されている。

【0076】

尚、図２に示す圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）と同じ部位・部材には、同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。
また、直列状に配置された上下三つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの各端子２３ｃ（リード端子）には、配線（図示省略）が並列状に接続されており、上下三つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを同一の印加電圧で駆動させることができるようになっている。

【0077】

図９に示す圧電素子駆動式バルブ１（３段ピエゾバルブ）は、圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを３段に積み重ねているため、ストロークをより大きくすることができ、更に大きい流量が得られる。即ち、図９に示す３段の圧電素子駆動式バルブ１（３段ピエゾバルブ）は、ガスの供給圧力が４００ｔｏｒｒのとき、アクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの変位量が約２５５μｍ、最大流量が約２２ＳＬＭになっている。

【0078】

上述した本発明の実施形態に係る圧電素子駆動式バルブ１は、直列状に配置した複数のアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ内に圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃをそれぞれ同じ向きで直列状に収容し、隣接するアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを外側接続治具２１で連結すると共に、外側接続治具２１内に収容した内側接続治具２４で隣接する圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを位置決めするようにしているため、圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを二つ又は三つ以上積み重ねることができ、ストロークを更に大きくして大きい流量が得られる。

【0079】

また、圧電素子駆動式バルブ１は、隣接する圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを外側接続治具２１内に摺動自在に収容した内側接続治具２４で位置決めするようにしているため、直列状に配置した複数の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの軸線を合致させることができ、大流量の流体を高精度で制御することができる。

【0080】

更に、圧電素子駆動式バルブ１は、複数のアクチュエータボックス２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ内にそれぞれ圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを同じ向きで収容するようにしているため、組立時に各部材を順番に接続するだけで良く、組立を一人で簡単に行うことができる。例えば、２段の圧電素子駆動式バルブ１（２段ピエゾバルブ）の組立においては、１段目の圧電アクチュエータ２３Ａを収容した１段目のアクチュエータボックス２０Ａに、内側接続治具２４を収容した外側接続治具２１を接続し、当該外側接続治具２１に２段目のアクチュエータボックス２０Ｂを接続して２段目のアクチュエータボックス２０Ｂに２段目の圧電アクチュエータ２３Ｂを収容すれば良い。また、３段の圧電素子駆動式バルブ１（３段ピエゾバルブ）の組立においても、各部材を順番に接続すれば良い。

【0081】

図１０は上述した圧電素子駆動式バルブ１を備えた圧力式流量制御装置３５の一例を示すものであり、当該圧力式流量制御装置３５は、図２（又は図９）に示す圧電素子駆動式バルブ１と、圧電素子駆動式バルブ１の下流側に設けた絞り部３６（例えば、オリフィスプレート）と、圧電素子駆動式バルブ１と絞り部３６の間の流体通路３７の圧力Ｐ１を測定する圧力センサ３８と、圧電素子駆動式バルブ１を制御する制御回路３９とを備え、絞り部３６の上流側の検出圧力Ｐ１に基づいて絞り部３６の通過流量を演算しながら圧電素子駆動式バルブ１の開閉制御により絞り部３６の通過流量を制御するようにしている。

【0082】

前記圧力式流量制御装置３５は、大きい流量が得られる圧電素子駆動式バルブ１を備えているため、大流量の流体を高精度で制御することができる。

【0083】

図１１は図１０に示す圧力式流量制御装置３５を備えた気化供給装置４０の一例を示すものであり、当該気化供給装置４０は、図１０に示す圧力式流量制御装置３５と、圧力式流量制御装置３５の上流側に設けられ、液体原料Ｌを気化する気化器４１と、気化器４１に気化対象となる液体原料Ｌを供給する供給手段４２（例えば、液体原料Ｌの供給量を制御する空気駆動式の制御弁）と、気化器４１の上流側に設けられ、気化器４１に供給される液体原料Ｌを予加熱する予加熱部４３と、圧力式流量制御装置３５の下流側に設けられ、必要に応じて気化した気体Ｇの流れを遮断するストップ弁４４（例えば、従来公知の空気駆動弁や電磁弁）と、予加熱部４３と気化器４１と圧力式流量制御装置３５とをそれぞれ独立して加熱する複数のヒータ（図示省略）等を備えており、液体原料Ｌを予加熱部４３で予加熱し、予加熱した液体原料Ｌを供給手段４２により気化器４１に供給して気化器４１で気化し、生成した気体Ｇを圧力式流量制御装置３５で流量制御するようにしたものである。

【0084】

尚、図１１において、液体原料が充填されている部分を斜線のハッチングで示し、気体が流れている部分をドットのハッチングで示している。

【0085】

前記気化供給装置４０は、大流量の気体Ｇを高精度で制御できる圧力式流量制御装置３５と、液体原料Ｌを気化して圧力式流量制御装置３５に供給する気化器４１と、気化器４１に液体原料Ｌを供給する供給手段４２とを備えているため、大流量の気体Ｇを半導体製造装置等に供給することができる。

【0086】

尚、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を圧力制御バルブ４や絞り部６等と組み合わせて流量制御装置２を構成したが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１を単体で用い、高速サーボ型の流量制御装置を構成しても良い。

【0087】

また、上記の実施形態においては、二つ又は三つの圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを２段又は３段に積み重ねた構造の圧電素子駆動式バルブ１としたが、他の実施形態においては、四つ以上の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，…を４段以上に積み重ねた構造の圧電素子駆動式バルブ１としても良い。

【0088】

更に、上記の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１をノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブ１としたが、他の実施形態においては、圧電素子駆動式バルブ１をノーマルオープン型の圧電素子駆動式バルブ１としても良い。

【0089】

更に、上記の実施形態においては、同じ長さ、同じ形状及び同じ性能の圧電アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを積み重ねるようにしたが、上段に積み重ねる圧電アクチュエータ２３Ｂ，２３ｃは、下段にある圧電アクチュエータ２３Ａと必ずしも同じでならなければならないということは無く、下段の圧電アクチュエータ２３Ａと異なる形状や性能の圧電アクチュエータ２３Ｂ，…を積み重ねても良い。
その際、上段の圧電アクチュエータ２３Ｂ，…の長さや直径が下段の圧電アクチュエータ２３Ａと異なるのであれば、例えばアクチュエータボックス２０Ｂ、内側接続治具２４、外側接続治具２１の何れか、若しくは全ての寸法を変更し、下段にあるアクチュエータボックス２０Ａの雄ネジ２０ｄとは螺着可能な外側接続治具２１の雌ネジ２１ｃを有する構造とすれば良い。
また、上段の圧電アクチュエータ２３Ｂ，…が下段の圧電アクチュエータ２３Ａよりも短い場合、アクチュエータボックス２０Ｂ等の寸法を変更する代わりに、不足している長さ分だけスペーサを追加することで、足りない長さを補うようにしても良い。スペーサの材質は、使用状況に応じて変更すれば良く、例えばアクチュエータボックスに使用されているステンレス鋼やインバー材を使用することで、熱膨張係数が同じになるようにしても良いし、スペーサの材質として断熱材を使用したり、スペーサから放熱が出来るような形状にすることで、上段の圧電アクチュエータ２３Ｂ，…に下段の圧電アクチュエータ２３Ａの熱が伝わらないようにしても良い。

【0090】

更に、上記の実施形態においては、内側接続治具２４の上部にある円錐状の受溝２４ｅは、圧電アクチュエータ２３Ｂ，…の半円球の変位部２３ｄの位置決めのために設けられているが、圧電アクチュエータ２３Ｂの位置決めができればどのような形状でも良く、例えば半円球の変位部２３ｄが収まる穴でも良く、また、圧電アクチュエータ２３Ｂの外周径とほぼ同じ内径の穴を形成し、半円球の変位部２３ｄごと内側接続治具２４に形成した穴に圧電アクチュエータ２３Ｂを嵌め込むような構造でも良い。

【符号の説明】

【0091】

１は圧電素子駆動式バルブ
１１は本体
１１ａは流体通路
１１ｂは弁座
１６は弁体
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはアクチュエータボックス
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは圧電アクチュエータ
２３ｃは端子
２３ｄは半球状の変位部
２１は外側接続治具
２１ｆは係合面
２１ｅは開口部
２４は内側接続治具
２４ｄは開口部
２４ｃはＯリング溝
２４ｅは円錐状の受溝
３４はＯリング
３５は圧力式流量制御装置
３６は絞り部
３７は流体通路
３８は圧力センサ
４０は気化供給装置
４１は気化器
４２は供給手段
Ｇは気体
Ｌは液体原料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】