压电元件驱动式控制阀 【技术领域】
本发明主要涉及作为设在半导体制造设备等的气体控制管线中的压力式流量控制装置的控制阀或质量流量控制器的流量控制部的控制阀所使用的压电元件驱动式控制阀的改良，特别涉及一种压电元件驱动式控制阀，其不但能够缓解压电促动器收缩时施加在压电元件上的张力而防止压电元件的破坏，而且即使在使用高温反应气体等的高温环境下，也能够进行高精度的稳定的流量控制。
背景技术
近年来，在半导体制造设备和化学品制造设备等领域，广泛地利用压力式流量控制装置代替质量流量控制器。在这种压力式流量控制装置中，基于耐蚀性高、产生灰尘少、气体的置换性良好、开闭速度快等方面的考虑，常使用所谓的金属隔膜型控制阀。另外，作为压力式流量控制装置的驱动装置，多使用推力大且响应性和控制特性优良的压电元件驱动式的驱动装置(压电促动器)。
传统上，作为在驱动装置中采用压电促动器(压电定位器)的金属隔膜型控制阀，公知例如特开2003-120832号公报(专利文献1)等中公开的结构。
即，如图11所示，上述控制阀30由如下部分构成：形成阀室31a和阀座31b等的主体31；配设在阀室31a内的、抵接或离开阀座31b的金属隔膜32；向主体31侧气密状地推压金属隔膜32的外周缘部的压按适配器33；向主体31侧推压压按适配器33的半分割结构的分割基座34；将压按适配器33和分割基座34固定在主体31侧的基座压按件35；自由升降地支撑于基座压按件35的促动器盒36；插接于促动器盒36的下端的、与金属隔膜32抵接的隔膜压按件37；设置在分割基座34和促动器盒36之间的、向下方推压并驱策促动器盒36的碟形弹簧38；容纳在促动器盒36内的、下端侧借助于球支承39支撑于分割基座34上的压电促动器40(压电定位器)；螺接于促动器盒36的上端部的、借助于轴承座41和轴承42可调整位置地支撑压电促动器40的上端侧的调整用盖形螺母43等，其构造成这样的常闭型的压电元件驱动式控制阀，即：若压电促动器40因电压的施加而伸长，促动器盒36在支撑于基座压按件35的状态下逆着碟形弹簧38的弹性力上升，伴随于此，金属隔膜32在该弹性力的作用下从阀座31b离开而切换至开阀状态，另外，若解除向压电促动器40的施加电压，则压电促动器40从伸长状态恢复为原来的长度尺寸，且促动器盒36在碟形弹簧38的弹性力的作用下被下压，伴随于此，隔膜压按件37向下方推压金属隔膜32使其抵接阀座31b而切换至闭阀状态。
该压电元件驱动式控制阀30具有能够自动地实现各部件的轴心的一致、大幅度提高组装精度、减少组装精度的偏差和开闭工作时的阀行程的滞后现象的优点。
然而，上述压电元件驱动式控制阀30采用的压电促动器40(压电定位器)中，如图12所示，使用将层叠型的压电元件40b密封状地容纳在金属制的壳体40a内的层叠型地压电促动器40。该层叠型的压电促动器40中，伴随着压电元件40b的伸缩，设于壳体40a的顶端部的半球状的变位部40c沿压电促动器40的轴心往复移动。
然而，上述层叠型的压电促动器40存在以下问题：由于伸缩时压电元件40b比变位部40c的伸缩速度快，收缩时在压电元件40b之间产生的张力会导致压电元件40b自身的破坏和产品寿命缩短。因此，为了使层叠型的压电促动器40实时动作，需要提供这样一种结构，其预先给抗张力比较弱的压电元件40b施加压缩方向的预压载荷，缓解在压电元件40b之间产生的张力，防止压电元件40b的破坏。
在图11中示出的传统的压电元件驱动式控制阀30中，由于通过碟形弹簧38的弹性力向下方推压并驱策促动器盒36，所以压电促动器40处于由碟形弹簧38的弹性力加载预压的状态。
但是，该压电元件驱动式控制阀30使用的碟形弹簧38，由于向下方推压并驱策促动器盒36，通过隔膜压按件37使金属隔膜32抵接阀座31b，所以在使用具有非常大的弹性力的碟形弹簧38的情况下会损伤金属隔膜32和阀座31b。因此，对于压电元件驱动式控制阀30的碟形弹簧38，不能使用具有非常大的弹性力的碟形弹簧38。其结果是，在压电促动器40上也不能加载大的预压载荷，在向压电元件40b有大的抗张应力作用时，存在压电元件40b被破坏的问题。
另外，传统的压电元件驱动式控制阀30存在这样的问题：在温度为100℃以上的高温环境下使用该控制阀30的情况下，由于容纳压电促动器40的促动器盒36的热膨胀，所以压电促动器40的上端部和螺接于促动器盒36的上端部的调整用盖形螺母43之间产生间隙，压电促动器40伸长时其产生的力不能可靠且良好地传递给促动器盒36，高精度的流量控制变得困难。特别地，由于压电促动器40的变位量极小，即使构成控制阀30的各部件(促动器盒36等)稍微发生热膨胀，也会对其流量控制特性产生很大影响。
为解决该问题(因促动器盒36的热膨胀产生间隙)，虽然希望将控制阀30自身构造成预先从外部给压电促动器40施加200N左右的压缩力的控制阀，但现状是这种控制阀尚未开发出来。
专利文献1：特开2003-120832号公报
【发明内容】
本发明要解决的问题
本发明鉴于上述问题构思而成，其目的在于：提供一种压电元件驱动式控制阀，其在压电促动器收缩时缓解压电元件上产生的张力而防止压电元件的破坏，且即使在高温环境下也能够进行高精度的稳定的流量控制。
解决问题的手段
为达成上述目的，本发明的权利要求1中的发明是压电元件驱动式控制阀，包括如下部分：在上方敞开的阀室的底面形成阀座的主体；配设在阀室内、在向下方的推压的作用下抵接阀座且在推压力丧失时在其弹性力的作用下从阀座离开的金属隔膜；自由升降地支撑于主体侧、在下端设有抵接金属隔膜的上面的隔膜压按件的有底筒状的促动器盒；固定在主体侧、具有插入形成于促动器盒的下端部周壁的纵长的导孔中并与促动器盒的底壁上面相对的上壁的分割基座；设置在促动器盒的底壁与分割基座的上壁之间、向下方推压并驱策促动器盒并借助于隔膜压按件使金属隔膜抵接阀座的碟形弹簧；以及容纳在促动器盒内、上端可调整位置地支撑于促动器盒的上端部侧且下端支撑于分割基座的上壁侧的压电促动器，其中，通过给压电促动器的压电元件施加电压，压电促动器向上方伸长，并逆着碟形弹簧的弹性力向上方上推促动器盒，使得金属隔膜在其弹性力的作用下从阀座离开，其中，在所述分割基座的上壁与压电促动器的下端之间设有始终在压电促动器的压电元件上施加压缩力的预压机构。
本发明的权利要求2中的发明是压电元件驱动式控制阀，包括如下部分：在上方敞开的阀室的底面形成阀座的主体；配设在阀室内、在向下方的推压的作用下抵接阀座且在推压力丧失时在其弹性力的作用下从阀座离开的金属隔膜；配设在阀室上方、下端部固定在主体侧的筒状的促动器盒；自由升降地配设在促动器盒的下端部内、下端设有抵接金属隔膜的上面的隔膜压按件的杆；容纳在促动器盒内、上端可调整位置地支撑于促动器盒的上端部侧且下端支撑于杆侧的压电促动器；以及设置在杆的上端与压电促动器的下端之间、金属隔膜抵接阀座时吸收压电促动器的伸长并向由阀座和金属隔膜接触阀座的部分所构成的座部施加给定的推压力的缓冲用碟形弹簧，其中，通过给压电促动器的压电元件施加电压，压电促动器向下方伸长，并借助于缓冲用碟形弹簧下推杆和隔膜压按件，由此使金属隔膜抵接阀座，其中，在所述压电促动器的下端与缓冲用碟形弹簧之间设有始终在压电促动器的压电元件上施加压缩力的预压机构。
本发明的权利要求3的发明，在权利要求1的发明中，预压机构包括如下部分：上下自由移动地配设在促动器盒内的压电促动器的正下方位置、上端面抵接设于压电促动器的下端面的变位部且下端面可抵接分割基座的上壁的带有凸缘的轴状的预压部件；设置在预压部件的凸缘与形成于促动器盒的下端部内周面的台阶部之间、预压部件的下端面抵接分割基座的上壁时弹性地上推预压部件而始终对压电促动器的压电元件施压的预压用碟形弹簧。
本发明的权利要求4的发明，在权利要求2的发明中，预压机构包括如下部分：上下自由移动地配设在促动器盒内的压电促动器的正下方位置、上端面抵接设于压电促动器的下端面的变位部且下端面可抵接缓冲用碟形弹簧的带有凸缘的轴状的预压部件；设置在预压部件的凸缘与形成于促动器盒的下端部内周面的台阶部之间、预压部件的下端面抵接缓冲用碟形弹簧时弹性地上推预压部件而始终对压电促动器的压电元件施压的预压用碟形弹簧。
发明的效果
本发明的压电元件驱动式控制阀中，由于具有始终在压电促动器的压电元件上施加压缩力的预压机构，所以即使在压电促动器收缩时在压电元件之间产生张力，也可通过预压机构的压缩力缓解在压电元件之间产生的张力。其结果是，本发明的压电元件驱动式控制阀能够防止因张力造成的压电促动器的压电元件的破坏，实现延长压电促动器的寿命，且确保压电促动器的可靠性。
另外，本发明的压电元件驱动式控制阀中，由于设有始终在压电促动器的压电元件上施加压缩力的预压机构，所以例如在高温环境下使用该控制阀的情况下，即使容纳压电促动器的促动器盒因热膨胀而伸长，也能够借助于预压机构始终在压电促动器的压电元件上施加一定的压缩力。其结果是，本发明的压电元件驱动式控制阀能够在压电促动器的压电元件伸长时将其产生的力可靠且良好地传递给促动器盒或杆，能够进行高精度的流量控制。
进一步地，本发明的压电元件驱动式控制阀中，预压机构包括如下部分：上下自由移动地配设在促动器盒内的压电促动器正下方位置、上端面抵接设于压电促动器的下端面的变位部且下端面可抵接分割基座的上壁或缓冲用碟形弹簧的带有凸缘的轴状的预压部件；设置在预压部件的凸缘与形成于促动器盒的下端部内周面的台阶部之间、预压部件的下端面抵接分割基座的上壁或缓冲用碟形弹簧时弹性地上推预压部件并始终对压电促动器的压电元件施压的预压用碟形弹簧，因此，能够通过改变预压用碟形弹簧的根数自由地调整施加在压电促动器的压电元件上的压缩力。而且，在预压机构的装配时，仅在分割基座的上壁或缓冲用碟形弹簧与压电促动器的下端面之间放入预压部件和预压用碟形弹簧即可，能够比较简单且容易地进行装配。
【附图说明】
图1为采用本发明的第1实施例的压电元件驱动式控制阀的压力式流量控制装置的纵剖正面图。
图2为相同的压电元件驱动式控制阀的要部的纵剖正面图。
图3为显示相同的压电元件驱动式控制阀的要部的、在压电促动器上加载预压前的纵剖侧面图。
图4为分割基座的平面图。
图5为沿图4的A-A线的截面图。
图6为促动器盒的纵截面图。
图7为沿图6的B-B线的截面图。
图8为表示装入预压机构的压电元件驱动式控制阀的促动器盒的变位与向压电促动器的施加电压的关系的图表。
图9为采用本发明的第2实施例的压电元件驱动式控制阀的压力式流量控制装置的纵剖正面图。
图10为图9中示出的压电元件驱动式控制阀的要部的纵剖正面图。
图11为传统的压电元件驱动式控制阀的要部的纵剖正面图。
图12为压电促动器(压电定位器)的示意性的纵截面图。
符号说明
1压电元件驱动式控制阀；8主体；8a′阀室；8d阀座；9金属隔膜；11分割基座；11b分割基座的上壁；13促动器盒；13a促动器盒的底壁；13c促动器盒的导孔；13d促动器盒的台阶部；14隔膜压按件；15碟形弹簧；16压电促动器；16a压电促动器的变位部；20预压机构；21预压部件；21a预压部件的凸缘；22预压用碟形弹簧；26杆(stem)；27缓冲用碟形弹簧。
【具体实施方式】
以下根据附图详细说明本发明的实施方式。
图1表示将本发明的第1实施例的压电元件驱动式控制阀1作为压力式流量控制装置用的控制阀使用的情况。上述压力式流量控制装置由如下部分构成：压电元件驱动式控制阀1；连接在压电元件驱动式控制阀1的上游侧的入口侧块2；连接在压电元件驱动式控制阀1的下游侧的出口侧块3；设置在压电元件驱动式控制阀1的下游侧的流量控制用孔口4；设于孔口4的上游侧的、检测孔口4的上游侧压力的压力传感器5；设于压电元件驱动式控制阀1的上游侧的垫圈过滤器6；以及控制压电元件驱动式控制阀1的控制回路7等，根据孔口4的上游侧压力推算孔口通过流量，并且通过压电元件驱动式控制阀1的开闭控制孔口通过流量。
如图2所示，上述压电元件驱动式控制阀1由如下部分构成：形成阀室8a′和阀座8d等的主体8；配设在阀室8a′内的、抵接或离开阀座8d的金属隔膜9；将金属隔膜9的外周缘部向主体8侧气密状地推压的压按适配器10；将压按适配器10向主体8侧推压的分割基座11；将压按适配器10和分割基座11向主体8侧固定的基座压按件12；自由升降地支撑于基座压按件12的有底筒状促动器盒13；插接于促动器盒13的下端的、抵接金属隔膜9的隔膜压按件14；设置在分割基座11与促动器盒13之间的、向下方推压并驱策促动器盒13的碟形弹簧15；容纳于促动器盒13内的、下端侧借助于预压机构20的预压部件21支撑于分割基座11的压电促动器16(压电定位器)；螺接于促动器盒13的上端部的、借助于轴承座17和轴承18可调整位置地支撑压电促动器16的上端侧的调整用盖形螺母19；以及设置在分割基座11的上壁11b与压电促动器16的下端之间的、始终在压电促动器16的压电元件上施加压缩力的预压机构20等，该压电元件驱动式控制阀1能够防止因张力造成的压电促动器16的压电元件的破坏，且即使在使用高温的反应气体等的高温环境下，也能够进行高精度的稳定的流量控制。该例中，压电元件驱动式控制阀1构造成常闭型控制阀。
具体地说，如图1和图2所示，主体8由不锈钢材料形成为块状，并具有如下部分：形成有上方敞开的阀室8a′的凹部8a；凹部8a的内周面上形成的内螺纹8b；连通于阀室8a′的入口通路8c；形成于阀室8a′的底面的环状阀座8d；连通于阀室8a′的出口通路8e；插接有压力传感器5的传感器插接孔8f；插接有垫圈过滤器6的过滤器插接孔8g；以及插接有孔口4的孔口插接孔8h等。
在该主体8的上游侧通过多根螺栓(省略图示)连接有不锈钢材料制的入口侧块2，入口侧块2分别具有：连通于主体8的入口通路8c的导入通路2a；形成于导入通路2a的出口侧的过滤器插接孔2b；以及用于检查流体的泄漏的渗漏口2c。另外，在主体8的下游侧通过多根螺栓(省略图示)连接有不锈钢材料制的出口侧块3，出口侧块3分别具有：连通于主体8的出口通路8e的排出通路3a；形成于排出通路3a的入口侧的孔口插接孔3b；以及用于检查流体的泄漏的渗漏口3c。
如图1和图2所示，金属隔膜9为以钴、镍为基底加入钨、钼、钛、铬等的耐久性、耐蚀性、耐热性优良的高弹性合金(例如SPRON100)制的极薄板材所制成的，形成为其中央部向上膨出的反碟形。
该金属隔膜9以与阀座8d相对的方式配置在凹部8a内，其外周缘部在压按适配器10等的作用下气密状态地保持并固定在主体8侧，使得既可在向下方的推压的作用下抵接阀座8d，也可在推压力丧失时在该弹性力的作用下从阀座8d离开。
此外，金属隔膜9的材质是不锈钢或镍铬铁合金(Inconel)，也可以是其它合金钢，另外，也可以是多个金属隔膜9层叠而成的金属隔膜9。
如图1和图2所示，压按适配器10由不锈钢形成为环状，插在主体8的凹部8a内，向主体8侧气密状地推压并固定金属隔膜9的外周缘部。
如图1、图2、图4和图5所示，分割基座11由半分割状的一对分割基座片11′构成，各分割基座片11′从两侧相向状地组装于促动器盒13的下端部，通过在该状态下将各分割基座片11′和促动器盒13的下端部插入主体8的凹部8a内，并将基座压按件12的下端部拧入该凹部8a内，将分割基座11保持并固定在主体8侧。
构成分割基座11的各分割基座片11′是将分别形成为在短的圆筒部11a的上端插入形成于促动器盒13的下端部周壁的导孔13c内、与促动器盒13的底壁13a上面的相对的上壁11b以及在圆筒部11a的下端插入主体8的内的凸缘部11c的部件在中央部分割为二而形成的。
而且，在分割基座11的上壁11b和促动器盒13的底壁13a之间设有多根碟形弹簧15，该多根碟形弹簧15向下方推压并驱策促动器盒13，且借助于隔膜压按件14使金属隔膜9的中央部分抵接阀座8d。
如图1和图2所示，基座压按件12由不锈钢材料形成为筒状，在其下端部的外周面上，形成有与形成于主体8的凹部8a的内周面的内螺纹8b螺合的外螺纹12a，且在内周面上，每隔一定间隔嵌接有多个O形环23。
该基座压按件12以直立姿势螺接并固定在主体8的凹部8a内，自由升降地将促动器盒13支撑于主体8侧，并且将金属隔膜9的外周缘部、压按适配器10以及分割基座11的凸缘部11c推压并固定在主体8侧。
如图2、图6和图7所示，促动器盒13由热膨胀率小不胀钢材料形成为有底筒状，其下半部侧借助于O形环23自由升降地支撑于基座压按件12。
该促动器盒13在其内部空之间容纳有碟形弹簧15、压电促动器16以及预压机构20，且还具有向下方下推金属隔膜9的中央部的作用，在该促动器盒13的底壁13a下面，形成有插接有抵接金属隔膜9的上面侧中央部的合成树脂制的隔膜压按件14的向下的插接孔13b。
另外，在促动器盒13的下端部周壁，相向状地形成有插有分割基座11的上壁11b的纵长的导孔13c，在比促动器盒13的下端部内周面的分割基座11的上壁11b高的位置，形成有用于支撑并承载预压机构20的预压用的碟形弹簧22的台阶部13d。
并且，在促动器盒13的上端部外周面上形成有在上下方向自由移动调整地螺接调整用盖形螺母19和锁紧螺母24的外螺纹13e。
压电促动器16(piezo-actuator)构成为这样一种层叠型的压电促动器16：将层叠型的压电元件密封状地容纳在金属制的壳体内，伴随着压电元件的伸缩，设置在壳体的末端部的半球状的变位部16a沿压电促动器16的轴心往复移动。
如图1和图2所示，该压电促动器16以其半球状的变位部16a向下的状态容纳在促动器盒13内，其下端借助于预压机构20的预压部件21支撑于分割基座11的上壁11b，且其上端借助于轴承座17和轴承18可调整位置地支撑于调整用盖形螺母19上，该调整用盖形螺母19可在上下方向自由移动调整地螺接在促动器盒13的上端部上。
因此，该压电促动器16会因电压的施加而向上方伸长，逆着碟形弹簧15的弹性力向上方上推促动器盒13。
[00271预压机构20以如下方式构成：设置在分割基座11的上壁11b和压电促动器16的下端之间，不论压电促动器16是否伸缩，始终在压电促动器16的压电元件上施加压缩力，缓解压电元件收缩时在压电元件之间产生的张力，且即使促动器盒13因热膨胀伸长，也能够始终对压电元件施加一定的压缩力。
即，如图1和图2所示，预压机构20由带有凸缘21a的轴状的预压部件21和多个预压用的碟形弹簧22构成，其中，预压部件21可上下自由移动地配设在促动器盒13内的压电促动器16的正下方位置，其上端面抵接设在压电促动器16的下端面的变位部16a，且其下端面可与分割基座11的上壁11b抵接，碟形弹簧22设于预压部件21的凸缘21a与形成在促动器盒13的下端部内周面的台阶部13d之间，预压部件21的下端面抵接分割基座11的上壁11b时弹性地上推预压部件21并始终在压电促动器16的压电元件上施压。通过改变预压用的碟形弹簧22的根数，可自由调整施加在压电促动器16的压电元件上的压缩力。
另外，预压部件21由不锈钢材料形成，在其上端面中心部，形成有支撑并承载有压电促动器16的半球状的变位部16a的圆锥状的支承槽21b。
在装配上述的压电元件驱动式控制阀1时，首先，在主体8的凹部8a内按照顺序依次组装金属隔膜9、压按适配器10、插接有隔膜压按件14的促动器盒13、碟形弹簧15、分割基座11，借助于基座压按件12将促动器盒13支撑于主体8侧，且将基座压按件12的下端部拧入主体8的凹部8a的内周面。由此，压按适配器10和分割基座11保持并固定在主体8侧，且金属隔膜9的外周缘部通过压按适配器10等气密状地保持并固定在主体8侧。另外，促动器盒13借助于O形环23自由升降地支撑于基座压按件12上。
接着，依次将预压机构20的预压用的碟形弹簧22、预压机构20的预压部件21、压电促动器16容纳在促动器盒13内。此时，如图3所示，预压部件21由支撑并承载于促动器盒13的下端部内周面的台阶部13d上的预压用的碟形弹簧22所支撑，在预压部件21的下端面与分割基座11的上壁11b的上面之间设有给定的间隙。
最后，在压电促动器16的上端部安装轴承座17和轴承18，且将调整用盖形螺母19和锁紧螺母24螺接在促动器盒13的上端部的外周面上，调整调整用盖形螺母19的旋入量，使预压部件21的下端面与分割基座11的上壁11b的上面抵接，且将在压电促动器16的作用下的金属隔膜9的工作行程调整为设定值。此时，预压用的碟形弹簧22弯曲，始终在压电促动器16上施加压缩力。
关于上述压电元件驱动式控制阀1，使用12根弹性常数为215N/mm、最大挠度为2.4mm的预压用的碟形弹簧22，因为在调整金属隔膜9的行程前，在预压部件21的下端面与分割基座11的上壁11b的上面之间设置1.4mm的间隙，所以在调整金属隔膜9的行程后(预压部件21的下端面抵接分割基座11的上壁11b的上面后)，预压用的碟形弹簧22弯曲1.4mm，在压电促动器16上加载约300N(215N/mm×1.4mm)的预定压力。
另外，对于该压电元件驱动式控制阀1，装配时压按适配器10、分割基座11、促动器盒13、基座压按件12、预压机构20的预压部件21和预压用的碟形弹簧22、压电促动器16等全部整齐且自动地固定在给定的位置，且各部件的轴心极高精度地对齐。其结果是，压电元件驱动式控制阀1不但可大幅度提高组装精度，减少组装精度偏差和滞后现象，而且还可提高工作的稳定性和响应性。
而且，根据上述压电元件驱动式控制阀1，若借助于连接器25从控制回路(省略图示)给压电促动器16施加驱动电压，则压电促动器16会根据施加的电压只向上方伸长设定值大小。
由此，大的上推力通过轴承座17、轴承18和调整用盖形螺母19而作用在促动器盒13上，该促动器盒13被基座压按件12保持轴心的状态下，逆着碟形弹簧15的弹性力只上升上述设定值大小。其结果是，金属隔膜9因该弹性力从阀座8d离开，压电元件驱动式控制阀1成为开阀状态。
此时，对于压电促动器16，通过预压机构20施加始终向上方压缩压电促动器16的压缩力，因此，例如，在高温环境下使用压电元件驱动式控制阀1的情况下，即使容纳压电促动器16的促动器盒13等因热膨胀而伸长，也不会在压电促动器16的上端部与调整用盖形螺母19之间产生间隙，能够借助于预压机构20始终在压电促动器16上施加一定的压缩力。其结果是，该压电元件驱动式控制阀1能够在压电促动器16伸长时将其产生的力可靠且良好地传递给促动器盒13，能够进行高精度的流量控制。
另一方面，若解除给压电促动器16的施加电压，则压电促动器16从伸长状态恢复到原来的长度尺寸，且通过碟形弹簧15的弹性力将促动器盒13下推，通过设置在促动器盒13的下端的隔膜压按件14将金属隔膜9的中央部分向阀座8d侧下推，并抵接阀座8d，压电元件驱动式控制阀1成为闭阀状态。
此时，对于压电促动器16，由于通过预压机构20施加始终压缩压电促动器16的压缩力，所以即使压电促动器16收缩时在压电元件之间产生张力，也可通过预压机构20的压缩力来缓解在压电元件之间产生的张力。其结果是，该压电元件驱动式控制阀1能够防止因张力造成的压电促动器16的压电元件的破坏，能够实现延长压电促动器16的寿命，同时能够确保压电促动器16的可靠性。
图8是为了确认组装预压机构20的压电元件驱动式控制阀1的促动器盒13的变位量将促动器盒13的变位与给压电促动器16的施加电压的关系的图表化的图形，促动器盒13的变位是这样测量的，即，在压电元件驱动式控制阀1上使用最大变位量为96μm以上(施加150V时)、滞后量在15％以内的压电促动器16，通过压电驱动器(省略图示)给该压电促动器16施加0-140V(每隔10V)的电压，通过深度计(省略图示)测量促动器盒13的变位量。
可明显从图8的图表确认其能够充分确保压电促动器16的特性。
图9显示将本发明的第2实施例的压电元件驱动式控制阀1作为压力式流量控制装置用的控制阀所使用，上述压力式流量控制装置由如下部分构成：压电元件驱动式控制阀1；连接在压电元件驱动式控制阀1的上游侧的入口侧块2；连接在压电元件驱动式控制阀1的下游侧的出口侧块3；设置在压电元件驱动式控制阀1的下游侧的流量控制用的孔口4；设于孔口4的上游侧的、检测孔口4的上游侧压力的压力传感器5；设于压电元件驱动式控制阀1的上游侧的垫圈过滤器6；以及控制压电元件驱动式控制阀1的控制回路7等，根据孔口4的上游侧压力推算孔口通过流量，并通过压电元件驱动式控制阀1的开闭控制孔口通过流量。
如图10所示，上述压电元件驱动式控制阀1由如下部分构成：形成阀室8a′和阀座8d等的主体8；配设在阀室8a′内的、抵接或离开阀座8d的金属隔膜9；将金属隔膜9的外周缘部向主体8侧气密状地推压的压按适配器10；下端部固定在主体8侧、将压按适配器10向主体8侧推压的筒状的促动器盒13；将压按适配器10和促动器盒13的下端部固定在主体8侧而支撑促动器盒13的基座压按件12；自由升降地配设在促动器盒13的下端部内的、在下端设有抵接金属隔膜9的上面的隔膜压按件14的杆26；容纳在促动器盒13内的压电促动器16(压电定位器)；设置在杆26与压电促动器16之间的、金属隔膜9抵接阀座8d后吸收压电促动器16的伸长的缓冲用碟形弹簧27；螺接在促动器盒13的上端部、借助于轴承座17和轴承18可调整位置地支撑压电促动器16的上端侧的调整用盖形螺母19；设置在压电促动器16的下端和缓冲用碟形弹簧27之间的、始终给压电促动器16的压电元件施加压缩力的预压机构20等，该压电元件驱动式控制阀1能够防止因张力产生的压电促动器16的压电元件的破坏，且即使在使用高温的反应气体等的高温环境下，也能够进行高精度的稳定的流量控制。该例中，压电元件驱动式控制阀1构造成常开型的控制阀。
具体地说，如图9和图10所示，主体8由不锈钢材料形成为块状，并具有如下部分：形成有上方敞开的阀室8a′的凹部8a；凹部8a的内周面上形成的内螺纹8b；连通于阀室8a′的入口通路8c；形成于阀室8a′的底面的环状的阀座8d；连通于阀室8a′的出口通路8e；插接有压力传感器5的传感器插接孔8f；插接有垫圈过滤器6的过滤器插接孔8g；以及插接有孔口4的孔口插接孔8h等。
在该主体8的上游侧通过多根螺栓(省略图示)连接有不锈钢材料制的入口侧块2，该入口侧块2分别具有：连通于主体8的入口通路8c的导入通路2a；形成于导入通路2a的出口侧的过滤器插接孔2b；以及用于检查流体的泄漏的渗漏口2c。另外，在主体8的下游侧通过多根螺栓(省略图示)连接有不锈钢材料制的出口侧块3，该出口侧块3分别具有：连通于主体8的出口通路8e的排出通路3a；形成于排出通路3a的入口侧的孔口插接孔3b；以及用于检查流体的泄漏的渗漏口3c。
如图9和图10所示，金属隔膜9为以钴、镍为基底加入钨、钼、钛、铬等耐久性、耐蚀性、耐热性优良的高弹性合金(例如SPRON100)制的极薄板材制成，形成为中央部向上膨出的反碟形。
该金属隔膜9以与阀座8d相对的方式配置在凹部8a内，其外周缘部在压按适配器10等的作用下气密状态地保持并固定在主体8侧，使得既可在向下方的推压的作用下抵接阀座8d，也可在推压力丧失时在该弹性力的作用下从阀座8d离开。
此外，金属隔膜9的材质是不锈钢或镍铬铁合金，也可以是其它合金钢，另外，也可以是多个金属隔膜9层叠而成的金属隔膜9。
如图9和图10所示，压按适配器10由不锈钢材料形成为环状，插在主体8的凹部8a内，向主体8侧气密状地推压并固定金属隔膜9的外周缘部。
如图9和图10所示，促动器盒13由热膨胀率小的不胀钢材料形成为筒状，在促动器盒13的下端部外周面，形成有插入主体8的凹部8a内的、被基座压按件12向下方推压的外侧台阶部13f。
该促动器盒13的内部空间容纳有杆26、压电促动器16、缓冲用碟形弹簧27和预压机构20，在该促动器盒13的下端部内周面，形成有用于支撑承载预压机构20的预压用碟形弹簧22的台阶部13d。
另外，在促动器盒13的上端部外周面，形成有在上下方向自由移动调整地螺接于调整用盖形螺母19和锁紧螺母24的外螺纹13e。
如图9和图10所示，基座压按件12由不锈钢材料形成为筒状，在其下端部外周面上，形成有与形成于主体8的凹部8a的内周面的内螺纹8b螺合的外螺纹12a，且在内周面上，每隔一定间隔嵌接有多个O形环23。
该基座压按件12以直立姿势螺接并固定在主体8的凹部8a内，既用于将促动器盒13支撑在主体8侧，也用于将金属隔膜9的外周缘部、压按适配器10以及促动器盒13的外侧台阶部13f推压并固定在主体8侧。
如图9和图10所示，杆26由不锈钢材料或热膨胀率小的不胀钢材料形成为带台阶的轴状，自由升降地插入促动器盒13的下端部。
在该杆26的下端，插接有抵接金属隔膜9的上面侧中央部的合成树脂制的隔膜压按件14。
压电促动器16(piezo-actuator)构成为这样一种层叠型的压电促动器16：将层叠型的压电元件密封状地容纳在金属制的壳体内，伴随着压电元件的伸缩，设置在壳体的末端部的半球状的变位部16a沿压电促动器16的轴心往复移动。
如图9和图10所示，该压电促动器16以其半球状的变位部16a向下的状态容纳在促动器盒13内，其上端借助于轴承座17和轴承18可调整位置地支撑于可上下方向自由移动调整地螺接在促动器盒13的上端部上的调整用盖形螺母19上，且其下端借助于预压机构20和缓冲用碟形弹簧27被支撑于杆26侧。
另外，该压电促动器16会因电压的施加向下方伸长，借助于预压机构20和缓冲用碟形弹簧27向下方下推杆26。
缓冲用碟形弹簧27设置在杆26的上端和压电促动器16的下端之间，在因压电促动器16的伸长杆26被下推而金属隔膜9抵接阀座8d时，吸收压电促动器16的伸长，并对压电元件驱动式控制阀1的座部(由阀座8d和金属隔膜9接触阀座8d的部分构成)施加给定的推压力。该例中，缓冲用碟形弹簧27以多个呈层叠状地支撑并承载于杆26的上面。
预压机构20以如下方式构成：设置在压电促动器16的下端和缓冲用碟形弹簧27之间，不论压电促动器16是否伸缩，始终对压电促动器16的压电元件施加压缩力，缓解压电元件收缩时压电元件之间的产生的张力，且即使促动器盒13因热膨胀伸长，也能始终对压电元件施加一定的压缩力。
即，如图9和图10所示，预压机构20由带有凸缘21a的轴状的预压部件21和多个预压用的碟形弹簧22构成，其中，预压部件21可上下自由移动地配设在促动器盒13内的压电促动器16的正下方位置，其上端面抵接设在压电促动器16的下端面的变位部16a，且其下端面可与缓冲用碟形弹簧27抵接，碟形弹簧22设于预压部件21的凸缘21a与形成在促动器盒13的下端部内周面的台阶部13d之间，预压部件21的下端面抵接缓冲用碟形弹簧27时弹性地上推预压部件21并始终对压电促动器16的压电元件施压。通过改变预压用的碟形弹簧22的根数，可自由调整施加在压电促动器16的压电元件上的压缩力。
另外，预压部件21由不锈钢材料形成，在其上端面中心部，形成有支撑承载有压电促动器16的半球状的变位部16a的圆锥状的支承槽21b。
在装配上述图9及图10所示的压电元件驱动式控制阀1时，首先，在主体8的凹部8a内按照顺序依次组装金属隔膜9、压按适配器10、插入杆26及缓冲用碟形弹簧27的促动器盒13，借助于基座压按件12将促动器盒13支撑于主体8侧，且将基座压按件12的下端部拧入主体8的凹部8a的内周面。由此，压按适配器10和促动器盒13保持并固定在主体8侧，且金属隔膜9的外周缘部通过压按适配器10等气密状地保持并固定在主体8侧。
接着，依次将预压机构20的预压用碟形弹簧22、预压机构20的预压部件21、压电促动器16容纳在促动器盒13内。此时，预压部件21由支撑并承载于促动器盒13的下端部内周面的台阶部13d上的预压用碟形弹簧22所支撑，在预压部件21的下端面与缓冲用碟形弹簧27的上面之间设有给定的间隙。
最后，在压电促动器16的上端部安装轴承座17和轴承18，且将调整用盖形螺母19和锁紧螺母24螺接在促动器盒13的上端部的外周面上，调整调整用盖形螺母19的旋入量，使预压部件21的下端面与缓冲用碟形弹簧27的上面抵接，且将在压电促动器16的作用下的金属隔膜9的工作行程调整为设定值。此时，预压用的碟形弹簧22弯曲，始终对压电促动器16施加压缩力。
而且，根据图9和图10所示的压电元件驱动式控制阀1，若借助于连接器25从控制回路(省略图示)给压电促动器16施加驱动电压，则压电促动器16根据施加电压只向上方伸长设定值大小。
这样一来，借助于预压部件21和缓冲用碟形弹簧27下推杆26，且通过设置在杆26的下端的隔膜压按件14将金属隔膜9的中央部分向阀座8d侧下推而使其抵接阀座8d，压电元件驱动式控制阀1成为闭阀状态。
此时，对于压电促动器16，由于通过预压机构20施加始终向上方压缩压电促动器16的压缩力，因此，例如，在高温环境下使用压电元件驱动式控制阀1的情况下，即使容纳压电促动器16的促动器盒13等因热膨胀伸长，也不会在压电促动器16的上端部与调整用盖形螺母19之间产生间隙，能够借助于预压机构20始终在压电促动器16上施加一定的压缩力。其结果是，该压电元件驱动式控制阀1能够在压电促动器16伸长时将其产生的力可靠且良好地传递给杆26，能够进行高精度的流量控制。
而且，金属隔膜9抵接阀座8d后，设置在杆26与预压部件21之间的缓冲用碟形弹簧27吸收压电促动器16的伸长，对座部(由阀座8d和金属隔膜9接触阀座8d的部分构成)施加根据缓冲用碟形弹簧27的变位量的反作用力。其结果是，在该压电元件驱动式控制阀1中，压电促动器16产生的大的力不会直接施加在座部，能够防止金属隔膜9和阀座8d的损伤。
另一方面，若解除给压电促动器16的施加电压，则压电促动器16从伸长状态恢复到原来的长度尺寸，且施加在金属隔膜9上的推压力丧失，由此，金属隔膜9因该弹性力恢复到原来的状态而从阀座8d离开，压电元件驱动式控制阀1成为开阀状态。
此时，在压电促动器16上，由于通过预压机构20施加始终压缩压电促动器16的压缩力，所以即使压电促动器16收缩时在压电元件之间产生张力，也可通过预压机构20的压缩力缓解在压电元件之间产生的张力。其结果是，该压电元件驱动式控制阀1，能够防止因张力造成的压电促动器16的压电元件的破坏，能够实现延长压电促动器16的寿命，同时能够确保压电促动器16的可靠性。
另外，在压电促动器16上，由于通过预压机构20施加始终向上压缩压电促动器16的压缩力，因此压电促动器16的重量不会施加在金属隔膜9上，加载在金属隔膜9上的重量为隔膜压按件14、杆26以及缓冲用碟形弹簧27的重量。其结果是，该压电元件驱动式控制阀1，能够限制加载在金属隔膜9上的重量，在金属隔膜9因其弹性力从阀座8d离开时，加载在金属隔膜9上的负载减小，能够实现延长金属隔膜9的寿命。
产业上利用的可能性
本发明的压电元件驱动式控制阀1主要用在半导体制造设备等的气体控制管线中，但其应用对象不限于上述的半导体制造装置等，也可用于化学产业、药品产业、食品产业等的各种装置中的气体供给管线。