CN111406243A - 流量控制装置 - Google Patents

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CN111406243A CN201880071834.8A CN201880071834A CN111406243A CN 111406243 A CN111406243 A CN 111406243A CN 201880071834 A CN201880071834 A CN 201880071834A CN 111406243 A CN111406243 A CN 111406243A
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平田薰
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Abstract

本发明提供一种流量控制装置(100)，具备：压力控制阀(6)，其设置于流路；流量控制阀(8)，其设置在压力控制阀的下游侧；以及第一压力传感器(3)，其对压力控制阀的下游侧且流量控制阀的上游侧的压力进行测定，流量控制阀具有：离接于阀座(12)的阀体(13)；用于使阀体移动以使阀体离接于阀座的压电元件(10b)；以及设置于压电元件的侧面的应变传感器(20)，其构成为基于从第一压力传感器(3)输出的信号控制压力控制阀(6)，基于从应变传感器(20)输出的信号控制流量控制阀(8)的压电元件的驱动。

Description

流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种流量控制装置，特别涉及一种适合用于半导体制造设备或者化学品制造设备等的流量控制装置。
背景技术
在半导体制造装置或者化工厂中，为了控制材料气体或蚀刻气体等流体的流动，利用了各种类型的流量计或者流量控制装置。其中，压力式流量控制装置由于能够通过组合了控制阀和节流部(例如孔板)的比较简单的机构来高精度地控制各种流体的流量，因此被广泛利用(例如专利文献1)。
作为压力式流量控制装置的控制阀，从耐腐蚀性高、产生灰尘少、气体的置换性良好、开闭速度快以及在闭阀时能够迅速且可靠地将流体通路封闭等方面考虑，多使用金属隔膜型阀。另外，作为开闭金属隔膜的驱动装置，广泛利用压电元件驱动装置(也称为压电致动器)。
在专利文献2中公开了如上所述以使用压电元件(也称为压电元件)使金属隔膜阀体进行开闭的方式构成的压电元件驱动式阀。在压电元件驱动式阀中，压电元件的伸长程度根据施加在压电元件上的驱动电压的大小而变化，随之，金属隔膜阀体按压在阀座上的按压力也发生变化。当金属隔膜阀体以足够的按压力相对于阀座按压时，成为闭阀状态，当按压力减弱时，金属隔膜阀体从阀座离开而开阀。压电元件驱动式阀具有能够高速动作，并且动作特性上的滞后比较小的优点。
另外，压电元件驱动式阀有常开型和常闭型，在常开型中，阀体与由施加电压引起的压电元件的伸长联动地向关闭方向移动。另一方面，在常闭型中，阀体与压电元件的伸长联动地向打开方向移动。常开型的压电元件驱动式阀例如在专利文献3中公开。
现有的技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-138425号公报
专利文献2：日本专利特开2007-192269号公报
专利文献3：日本专利第4933936号
在以往的半导体工艺控制中，对压电元件驱动式阀以消除相对于设定流量的偏差的方式进行控制，因此大多以模拟的微小的位移量比较缓慢地进行开闭动作。
然而，近年来，要求流量控制装置应用于例如ALD(Atomic Layer Deposition)等，在这样的用途中，要求通过高速(周期非常短)的脉冲状的控制信号来开闭控制阀，在短时间内高速地进行流量的切换。在这种情况下，在如以往的压力式流量控制装置那样使用控制阀来控制节流部的上游侧的压力的流量控制方式中，无法得到足够的流量上升/下降特性，难以应对脉冲式流量控制。
另外，为了适当地进行脉冲式流量控制，也考虑使用响应性优良的电磁阀等来构成流量控制装置。然而，在这种情况下，装置的制造成本增加，有可能损害能够通过压力式流量控制装置所具有的比较简单的机构高精度地控制流量的优点。因此，在以往的流量控制装置中，存在难以兼顾脉冲式流量控制和连续式流动的流量控制这二者而适当地进行的障碍。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于提供一种沿用以往的压力式流量控制装置的特长、并且还能够应对脉冲流量控制等的响应性良好的流量控制装置。
根据本发明的实施方式的流量控制装置，具备：压力控制阀，所述压力控制阀设置于流路；流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述压力控制阀的下游侧；第一压力传感器，所述第一压力传感器对所述压力控制阀的下游侧且所述流量控制阀的上游侧的压力进行测定；以及节流部，所述节流部的开度固定，所述流量控制阀具有离接于阀座的阀体、移动所述阀体使所述阀体离接于所述阀座的压电元件，以及设置于所述压电元件的侧面的应变传感器，将所述流量控制阀所具有的所述阀座与所述阀体的距离作为开度，所述流量控制阀被用作能够变更所述开度的节流部，一边基于从所述第一压力传感器输出的信号控制所述压力控制阀，一边基于从所述应变传感器输出的信号控制所述压电元件的驱动，在对连续的流动进行控制时，使用所述开度固定的节流部进行流量控制，在对断续的流动进行控制时，使用作为能够变更所述开度的节流部的所述流量控制阀进行流量控制。
在一实施方式中，在使用所述开度固定的节流部进行所述连续的流动的控制时，使所述流体控制阀全开。
在一实施方式中，所述开度固定的节流部设置于所述流量控制阀的上游侧。
在一实施方式中，上述流量控制装置还具备对所述流量控制阀的下游侧的压力进行测定的第二压力传感器。
在一实施方式中，所述开度固定的节流部设置于所述流量控制阀的下游侧。
在一实施方式中，上述流量控制装置还具备对所述开度固定的节流部的下游侧的压力进行测定的第二压力传感器。
在一实施方式中，上述流量控制装置还具备对所述流量控制阀和所述开度固定的节流部之间的压力进行测定的第三压力传感器。
在一实施方式中，所述开度固定的节流部的最大设定流量比所述流量控制阀的最大设定流量大。
在一实施方式中，在所述流量控制阀的上游侧的压力和所述流量控制阀的下游侧的压力满足临界膨胀条件的状态下进行流量控制。
在一实施方式中，所述应变传感器包括：用于对所述压电元件的伸长方向的应变进行检测的第一应变仪，和用于对与所述压电元件的所述伸长方向正交的方向的应变进行检测的第二应变仪。
在一实施方式中，所述流量控制阀具备压电致动器，所述压电致动器具有多个压电元件和将所述多个压电元件容纳成一列的筒体，所述多个压电元件包含安装有所述应变传感器的所述压电元件，所述流量控制阀为以通过对所述压电致动器施加电压使作为所述阀体的金属隔膜阀体向阀座的方向移动的方式而构成的常开型的阀。
在一实施方式中，所述流量控制阀具备压电致动器，所述压电致动器具有：安装有所述应变传感器的所述压电元件；和容纳所述压电元件的筒体，所述流量控制阀为以通过对所述压电致动器施加电压使作为所述阀体的金属隔膜阀体向阀座的方向移动的方式构成的常开型的阀。
发明效果
根据本发明的实施方式，提供一种响应性良好的流量控制装置。
附图说明
图1是表示根据本发明的实施方式的流量控制装置的结构的示意图。
图2是表示在本发明的实施方式中使用的流量控制阀和第二压力传感器的截面图。
图3是表示在本发明的实施方式中使用的压电致动器的图，(a)表示筒体及容纳在内部的压电叠堆，(b)表示连接器部。
图4是表示用于得到在本发明的实施方式中使用的应变传感器输出的示例性的电桥电路的图。
图5是表示纵一仪的情况和正交二仪的情况下的应变传感器的输出的曲线图。
图6是表示纵一仪的情况和正交二仪的情况下的应变传感器的输出的温度依赖性的曲线图，其中(a)表示纵一仪的情况，(b)表示正交二仪的情况。
图7是表示流量与流量控制阀的压电位移量(应变传感器输出)的关系的图，表示使上游压力P1不同时的三个曲线图。
图8是表示脉冲流量控制的方式的图，(a)表示在由节流部决定的流量下的脉冲流量控制，(b)表示在由流量控制阀的开度决定的流量下的脉冲流量控制。
图9是表示根据本发明的实施方式的变形例的流量控制装置的结构的示意图。
图10是表示根据本发明的实施方式的的另一变形例的流量控制装置的结构的示意图。
图11是表示根据本发明的实施方式的又一变形例的流量控制装置的结构的示意图。
符号说明
1 流路
2 节流部
3 第一压力传感器
4 第二压力传感器
5 流入压力传感器
6 压力控制阀
7 第一控制电路
8 流量控制阀
9 第三压力传感器
10 压电致动器
17 第二控制电路
20 应变传感器
20z 第一应变仪
20x 第二应变仪
100、110、120、130 流量控制装置
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限于以下的实施方式。
图1表示根据本发明的实施方式的流量控制装置100的结构。流量控制装置100具备：设置于气体G0的流入侧的流路1的压力控制阀6、设置于压力控制阀6的下游侧的流量控制阀8、对压力控制阀6的下游侧且流量控制阀8的上游侧的压力P1进行检测的第一(或者上游)压力传感器3，以及配置于压力控制阀6的下游侧的节流部2。
在本实施方式中，节流部2由配置在流量控制阀8的上游侧的流孔板(节流板)构成。由于流孔的面积固定，因此流孔板作为开度固定的节流部起作用。另外，在本说明书中，“节流部”是指将流路的截面积限制为小于前后的流路的截面积的部分，例如可以使用流孔板、临界喷嘴、音速喷嘴等构成，但也可以使用其他部件构成。另外，在本说明书中，节流部也包括将阀的阀座与阀体的距离作为开度，将该开度视为假想的可变流孔的阀结构。这样的阀结构作为开度可变的节流部起作用。
本实施方式的流量控制装置100还具备：对流量控制阀8的下游侧的压力P2进行测定的第二(或者下游)压力传感器4，对压力控制阀6的上游侧的压力P0进行检测的流入压力传感器5。然而，在其它的方式中，流量控制装置100也可以不具备第二压力传感器4或者流入压力传感器5。
第一压力传感器3能够测定上游压力P1，该上游压力P1是压力控制阀6与节流部2或流量控制阀8之间的流体压力，第二压力传感器4能够测定节流部2或流量控制阀8的下游压力P2。另外，流入压力传感器5能够对从所连接的气体供给装置(例如原料气化器或气体供给源等)供给至流量控制装置100的材料气体、蚀刻气体或载体气体等的流入压力P0进行测定。流入压力P0可以用于对来自气体供给装置的气体供给量或气体供给压力进行控制。
流量控制阀8的下游侧经由下游阀(未图示)与半导体制造装置的处理腔室连接。在处理腔室上连接有真空泵，典型地，在处理腔室的内部被抽真空的状态下，从流量控制装置100向处理腔室供给被流量控制的气体G1。作为下游阀，例如可以使用由压缩空气控制开闭动作的公知的空气驱动阀(Air Operated Valve)或电磁阀等。
流量控制装置100的流路1可以由配管构成，也可以由形成于金属制块体的流路孔构成。第一以及第二压力传感器3、4例如可以内置单晶硅的传感器芯片和隔膜。
另外，压力控制阀6例如可以是由压电致动器驱动金属制隔膜阀体的公知的压电元件驱动式阀。如后所述，压力控制阀6根据从第一压力传感器3输出的信号控制其开度，例如，以将第一压力传感器3输出的上游压力P1维持在输入的设定值的方式进行反馈控制。
另外，在本实施方式中，流量控制阀8是压电元件驱动式阀，具备：配置成与阀座抵接或分离(以下，有时称为离接座)的阀体、用于移动阀体的压电元件，以及检测压电元件的伸长量的应变传感器20(也称为应变仪)。如后所述，流量控制阀8构成为：能够基于从应变传感器20输出的信号来对压电元件的驱动进行反馈控制。
图2表示图1所示的流量控制阀8和设置在其下游侧的第二压力传感器4的结构例。流量控制阀8和第二压力传感器4安装于主体块体11。另外，主体块体11的入口侧与安装有图1所示的压力控制阀6和第一压力传感器3的另一主体块体(未图示)连接。另外，图1所示的节流部2例如通过垫圈作为流孔板固定于主体块体11与其他主体块体的连接部。但是，作为节流部，除了流孔板等流孔部件之外，还可以使用临界喷嘴或音速喷嘴。流孔或喷嘴的口径例如设定为100μm～500μm。
图2所示的流量控制阀8是常开型阀，构成为通过压电致动器10的伸长而使阀体向阀座的方向移动。流量控制阀8具备：包含一个或者多个压电元件10b(参照图3)的压电致动器10、配置于压电致动器10的下方的金属隔膜阀体13，以及设置在压电致动器10的外侧的引导筒体14。
压电致动器10的下端10t由支撑体16支撑，在支撑体16的下方设置有与隔膜阀体13抵接的阀体按压件18。金属隔膜阀体13是自弹性还原型，例如由镍铬合金钢等的薄板形成。
金属隔膜阀体13配置成能够相对于设置于主体块体11的流路的阀座12离接座。本实施方式的金属隔膜阀体13形成为中央部向上方略微膨胀的倒盘形，但是金属隔膜阀体13的形状也可以是平板状，另外，材质也可以是不锈钢、因科镍合金或其他的合金钢。金属隔膜阀体13可以由一片金属隔膜构成，也可以由叠层的二至三片的多个的金属隔膜构成。
在上述结构中，在未对压电致动器10施加驱动电压的状态下，金属隔膜阀体13(中央部)通过自身弹力而相对于阀座12分离。另外，在本实施方式中，配置在支撑体16的周围的弹性部件(在此为碟簧)15支撑支撑体16和压电致动器10，在不施加电压时，金属隔膜阀体13容易从阀座12分离。弹性部件15也用于预先压缩压电致动器10。
另一方面，当对压电致动器10施加驱动电压时，压电致动器10在相对于阀主体11固定的引导筒体14的内侧向下方伸长。而且，压电致动器10的下端10t克服弹性部件15的作用力向下按压支撑体16，并且与此按压操作联动地，阀体按压件18使金属隔膜阀体13朝阀座12的方向移动。由此，阀开度减少，最终闭阀。
在这样的常开型阀中，在对压电促动器10施加最大驱动电压时成为闭阀状态，通过减少驱动电压，能够任意地调节开度。另外，常开型阀从压电致动器10到阀体按压件18以间隙比较小的机构连接，并且难以妨碍电压施加开始时的压电致动器10的伸长。因此，容易使阀体13从对压电致动器10施加电压的瞬间开始移动，响应性良好。
接着，对构成流体控制阀8的压电致动器10的详细结构进行说明。图3(a)分解表示外侧的筒体10a和在该筒体10a内以排列成一列的状态容纳的多个压电元件10b(以下，有时称为压电叠堆10b)，图3(b)表示从正面方向观察图3(a)所示的连接器部10c的状态。在图3(a)中，压电致动器10与图2上下相反地表示。
如图3(a)所示，在压电致动器10中，在多个压电元件10b中的一个上，通过粘接剂等直接安装有应变传感器20。应变传感器20配置于压电元件的侧面，在本实施方式中，由对压电元件的叠层方向，即，压电叠堆的主伸长方向即z方向的应变进行检测的第一应变仪20z、和对与主伸长方向正交的x方向的应变进行检测的第二应变仪20x构成。作为第一应变仪20z和第二应变仪20x，例如可以使用株式会社共和电业公司制造的KFR-02N、KFGS-1、KFGS-3等。
在本实施方式中，第一应变仪20z以全体与压电元件接触的方式被贴附，第二应变仪20x以跨越第一应变仪20z的中央部而交叉的方式被贴附于压电元件。第一应变仪20z及第二应变仪20x可以检测出压电元件的位移作为第一应变仪20z及第二应变仪20x的电阻的变化。
另外，如图3(b)所示，在连接器部10c设置有：用于向压电致动器10b施加驱动电压的一对驱动电压端子22a、22b；与第一应变仪20z的一个端子连接的第一应变传感器输出端子24a；与第一应变仪20z的另一方的端子以及第二应变仪20x的一个端子共同连接的应变传感器共同输出端子24c；与第二应变仪20x的另一方端子连接的第二应变传感器输出端子24b。
构成压电致动器10b的多个压电元件10b通过公知的电路结构与驱动电压端子22a、22b电连接，可通过向驱动电压端子22a、22b施加电压使多个压电元件10b的全体在叠堆方向伸长。压电叠堆的位移能够通过施加的电压的大小来控制。作为压电致动器10可以使用例如NTK ceratec公司等所贩售的压电致动器。另外，在其他方式中，压电致动器10也可以由容纳在筒体中的单一的压电元件以及安装于其侧面的应变传感器构成。
第一和第二应变传感器输出端子24a、24b和应变传感器共同输出端子24c与设置于外部基板的电路连接，并且形成包括第一应变仪20z和第二应变仪20x的电桥电路。在该电桥电路中，可以检测出第一应变仪20z和第二应变仪20x的电阻值的变化。
图4示出了用于检测第一应变仪20z和第二应变仪20x的电阻值变化的示例性的等效电路。在图4所示的等效电路中，设置于分支点A-D之间及分支点C-D之间的电阻R1、R2对应于设置在外部基板上的已知电阻值的固定电阻，设置于分支点A-B之间的电阻R3对应于第一应变仪20z，设置于分支点B-C之间的电阻R4对应于第二应变仪20x。在本实施方式中，将第一应变仪20z和第二应变仪20x的电阻值与两个固定电阻R1、R2的电阻值设定为相同，例如都设置为120欧姆或350欧姆。
另外，在图4中，分支点A对应于第一应变传感器输出端子24a，分支点B对应于应变传感器共同输出端子24c，分支点C对应于第二应变传感器输出端子24b。在该等效电路中，在分支点A-C之间施加了规定的电桥施加电压的状态下，第一应变仪20z或第二应变仪20x的电阻值的变化作为电桥输出信号(分支点B-D间的电位差)的变化被检测出。另外，如上所述，在各电阻R1～R4的大小相同的情况下，在第一和第二应变仪20z、20x不产生应力的初始状态下，电桥输出信号典型地显示为零。
当向压电叠堆施加驱动电压时，安装有应变传感器20的压电元件在z方向上伸长，并且在与其正交的x方向上收缩。在这种情况下，第一应变仪20z的电阻值对应于压电元件的伸长量而增加，第二应变仪20x的电阻值对应于压电元件的收缩量而减少。
并且，在图4所示的电路中，当对压电叠堆10b施加驱动电压而使其伸长时，第一应变仪20z中的应变量增加，电桥输出信号增加，并且由于第二应变仪20x中的应变量减少，电桥输出信号也增加。因此，在压电叠堆位移时，电桥输出信号产生与第一应变仪20z的应变量的增加的量和第二应变仪20x的应变量的减少的量的合计对应的变动。由此能够放大电桥输出信号。
另外，如上所述，通过使用第一应变仪20z和与其正交的第二应变仪20x构成的电桥电路，能够修正由于温度变化而导致的应变仪的电阻值变化。这是因为：例如，当由于温度上升压电元件膨胀时，该膨胀相对于第一应变仪20z作为增加电桥输出信号的要素起作用，相对于此，该膨胀相对于第二应变仪20x作为减小电桥输出信号的要素起作用，可获得由温度所造成的增加要素与减少要素相抵消的电桥输出信号。因此，即使存在由于温度的变化而产生压电元件自身的膨胀及收缩，也能够降低对电桥输出信号的影响，实现温度补偿。
图5是表示仅使用第一应变仪20z(纵一仪)的情况(在图4所示的等效电路中，将设置在分支点B-C之间的电阻R4作为已知的固定电阻而构成电桥电路的情况)下的压电驱动电压和应变传感器输出(电桥输出信号：放大器增益×400)之间的关系的曲线图A1，和表示使用上述的第一应变仪20z和第二应变仪20x(正交二仪)构成应变传感器的情况的曲线图A2。作为曲线图A2，同样示出了正交二应变仪的结构的两个例子。
比较曲线图A1和曲线图A2可知，在施加了压电驱动电压时，在使用了正交二仪的情况的曲线图A2中，与纵一仪的情况的曲线图A1相比，能够得到被放大的应变传感器输出。
另外，图6(a)表示使用纵一仪的情况的应变传感器输出的温度温度依赖性(15℃、25℃、35℃的曲线图A3、A4、A5)，图6(b)表示使用正交二仪的情况。比较图6(a)和图6(b)可知，通过使用正交二仪，15℃的曲线图A3、25℃的曲线图A4、35℃的曲线图A5更接近，能够降低温度依赖性。另外，为了更高精度地进行温度补偿，也可以进行将压电驱动电压(施加至压电元件的施加电压)为0时的应变传感器输出修正为0的零点修正。
另外，从图5和图6可知，压电驱动电压和应变传感器输出的关系在升压时和降压时稍有不同。这是因为，在压电致动器的升压时和降压时，即使驱动电压的大小相同，阀的实际开度也不同，与此相对，应变传感器输出与阀的实际开度对应。这样，存在仅参照驱动电压难以判断阀的实际开度的情况，但如果基于应变传感器的输出对阀开度进行反馈控制，则能够更高精度地进行开度调整。
另外，在本说明书中，应变传感器的输出意味着与构成应变传感器的应变仪的应变量相应变化的应变仪的电阻值对应的各种输出，例如，也可以是应变仪的电阻值本身，也可以是组装了多个应变仪的惠斯通电桥电路输出的上述电桥输出信号(参照图4)等。以任何方式得到的应变传感器的输出都与压电元件的伸长量对应，能够基于应变传感器的输出得知压电元件的伸长量。
以下，再次参照图1，对流量控制装置100中的流量控制动作进行说明。
流量控制装置100具备基于第一压力传感器3的输出对压力控制阀6的开闭动作进行控制的第一控制电路7。第一控制电路7构成为：以使从外部接收到的设定上游压力和第一压力传感器3的输出P1之差为零的方式对压力控制阀6进行反馈控制。由此，压力控制阀6的下游侧且流量控制阀8的上游侧的压力P1能够维持在设定值。
另外，流量控制装置100具有第二控制电路17，该第二控制电路17将来自设置于流量控制阀8的应变传感器20的输出作为压电阀位移接收，并基于该输出对流量控制阀8的驱动进行控制。另外，在图1中示出了第一控制电路7和第二控制电路17分别设置的方式，但它们也可以一体设置。
第一控制电路7和第二控制电路17可以内置在流量控制装置100中，也可以设置在流量控制装置100的外部。第一控制电路7和第二控制电路17典型地由CPU，ROM或RAM等存储器(存储装置)M、A/D转换器等构成，可以包含以执行后述的流量控制动作的方式构成的计算机程序。第一控制电路7和第二控制电路17可以通过硬件和软件的组合来实现。
流量控制装置100构成为：通过第一控制电路7及第二控制电路17，一边控制压力控制阀6以使第一压力传感器3输出的上游压力P1成为设定值，一边控制流量控制阀8的压电元件10b的驱动，由此控制在流量控制阀8的下游侧流动的流体的流量。流量控制装置100特别是在满足临界膨胀条件P1/P2≥约2(P1：节流部上游侧的流体压力(上游压力)、P2：节流部下游侧的流体压力(下游压力))时，通过节流部2或流量控制阀8的气体的流量，能够利用流量是不由下游压力P2决定而是由上游压力P1决定的原理进行流量控制。
当满足临界膨胀条件时，流量控制阀8的下游侧的流量Q由Q＝K1·AV·P1(K1是与流体的种类和流体温度相关的常数)给出。流量Q与上游压力P1以及流量控制阀8的阀开度AV大致成比例。另外，在具备第二压力传感器4的情况下，即使在上游压力P1与下游压力P2之差较小，不满足上述的临界膨胀条件的情况下，也能够算出流量，能够基于通过各压力传感器测定的上游压力P1和下游侧压力P2，通过规定的计算式Q＝K2·AV·P2 m(P1-P2)n(这里K2是与流体的种类和流体温度相关的常数，m、n是以实际的流量为基准导出的指数)算出流量Q。
图7是表示流量和流量控制阀8中的压电位移量的关系的图。但是，在图7中，示出了随着压电位移量的增加，阀开度AV增加的情况(与常闭型对应)。如上所述，在本实施方式的流量控制装置100中，能够基于应变传感器输出检测压电位移量(或者阀开度AV)。
图7中示有通过基于来自第一压力传感器3的输出控制压力控制阀6，而将上游压力P1分别控制为50kPa abs、100kPa abs、300kPa abs时的图表B1～B3。如图7所示，一边使用压力控制阀6将上游压力P1控制为与期望的流量范围对应的一定值，一边基于应变传感器输出(压力位移量)控制流量控制阀8的阀开度，由此能够在较宽的范围内适当地控制流量。特别是，在基于应变传感器输出对流量控制阀8进行反馈控制的情况下，与以往那样基于上游压力P1对控制阀进行反馈控制的情况相比，能够提高流量控制的响应性。这样，在本实施方式中，流量控制阀8具有将阀的阀座与阀体的距离作为开度来变更该开度的功能，能够用作可变流孔(开度可变的节流部)。
另外，在本实施方式的流量控制装置100中，开度固定的节流部2的最大设定流量设定为比开度可变的流量控制阀8的最大设定流量大。在此，节流部2的最大设定流量是指在流量控制装置100中在临界膨胀条件下将节流部2的上游侧的压力设为最大设定压力时流过节流部2的气体的流量，流量控制阀8的最大设定流量是指在相同条件下将流量控制阀8以最大设定开度打开时流过的气体的流量。在这种情况下典型地，节流部2的开口面积(即流路截面积)比流量控制阀8的最大设定开度下的流路截面积大。节流部2例如由最大设定流量2000sccm(流孔直径：约300μm)的流孔板构成，流量控制阀8的控制流量设定为2000sccm以下。另外，使上述的流量控制阀8为最大设定开度是指在用于流量控制的范围内最大的开度，通常是比将流量控制阀8全开(未施加电压)时的最大开度小的开度。
通过如上所述构成，将开度被固定的节流部2用作流量控制的主要要素，通过压力控制阀6控制上游压力P1，由此，能够与以往的压力式流量控制装置同样地进行流量控制，而且，还能够使用压力控制阀6将上游压力P1保持为一定，同时进行流量控制阀8的开度调整，由此控制气体流量。因此，能够进行各种方式下的气体流量控制，也能够应对脉冲流量控制。
另外，将开度固定的节流部2作为流量控制的主要要素使用的流量控制，适合于在较长的期间内将流量控制维持为设定值的连续的流动的控制。另一方面，在小于开度固定的节流部2的最大设定流量的流量下，通过流量控制阀8的开度来决定流量的流量控制，即，将流量控制阀8用作可变流孔(开度可变的节流部)的流量控制，适合于断续的流动的控制(脉冲流量控制等)。
在此，连续的流动的控制泛指流体的流动持续时的流体的控制，也可以包括例如从流体以100％流量流动的状态变更为流体以50％流量流动的状态的情况等。另外，在使用开度固定的节流部2进行连续的流动的控制时，优选流量控制阀8成为全开(最大开度)，或者维持在至少比开度固定的节流部2的开度大的开度。
另外，断续的流动的控制不限于脉冲流量控制那样的以一定间隔的周期性的开闭控制，也包括不定期地进行的脉冲性的开闭控制、脉冲的振幅不是一定而是变动的那样的开闭控制，此外，还包括脉冲幅度变动的那样的开闭控制。
图8(a)和(b)表示在流量控制装置100中进行脉冲流量控制时的上游压力P1、提供给流量控制阀8的开度控制信号、流量输出，图8(a)表示以2000sccm进行脉冲流量控制的情况，图8(b)表示以200sccm进行脉冲流量控制的情况。
如图8(a)所示，在进行脉冲流量控制的情况下，使用压力控制阀6和第一压力传感器3对上游压力P1进行控制，以使上游压力P1成为一定的设定值(在此为300kPa)。更具体而言，通过以压力传感器3输出的测定值与设定值之差为0的方式对压力控制阀6进行反馈控制，能够将上游压力P1维持在设定值。
而且，如上所述，一边将上游压力P1维持为一定，一边通过脉冲状的开度控制信号对流量控制阀8的开度进行控制。此时，在常开式的流量控制阀8中，在关闭状态时施加最大驱动电压，在全开状态时施加最小驱动电压。但是，施加的最小驱动电压不需要为0伏，只要是与在开度固定的节流部2的最大设定流量以上的流量下气体能够流过流量控制阀8的开度对应的电压即可。这样，通过脉冲式地进行流量控制阀8的开闭动作，能够进行以依据开度固定的节流部2的最大设定流量的流量(在此为2000sccm)下的脉冲式的气体流量控制。
另一方面，如图8(b)所示，在使用较小的流量进行脉冲流量控制时，使用压力控制阀6和第一压力传感器3，一边以维持在较小的一定的设定值(在此为100kPa)的方式进行上游压力P1的控制，一边脉冲式地进行比开度固定的节流部2小的设定开度下的流量控制阀8的开闭动作。由此，能够以与开度可变的节流部即流量控制阀8的设定开度对应的流量进行脉冲式气体供给。
此时，通过基于应变传感器的输出控制压电致动器的驱动电压，能够高精度地控制流量控制阀8的开度。如果更具体地说明，一边基于应变传感器的输出检测实际的压电致动器的伸长量，一边以检测出的伸长量与对应于期望流量的伸长量(在图8所示的状态中为6.6μm位置)一致的方式对压电致动器的施加驱动电压进行反馈控制，由此能够将流量控制阀8控制为适合于期望流量的开度。
如上所述进行脉冲流量控制后，通过关闭压力控制阀6使上游压力P1降低，例如如图8(a)和(b)所示，通过降低到0KPa，能够使流量为0。此时，流量控制阀8也可以维持在例如上述的最大设定开度对应的最小驱动电压下的开度，即开度控制的原点位置。
如上所述，根据本实施方式的流量控制装置100，能够进行即使是脉冲流量控制等也能够应对的响应性提高的流量控制。在脉冲流量控制中，基于应变传感器的输出，能够以正确的开度反复进行流量控制阀8的开闭，因此能够以提高了的流量精度脉冲地供给流体。
另外，能够使用应变传感器20监视压电元件10b的伸长量，因此，例如在全闭状态下的伸长量低于预先设定的阈值时、或尽管向压电致动器供给驱动电压但伸长量未达到预定的值时等观察到异常的倾向时，能够判断为压电致动器发生了异常(达到了使用极限)。由此，能够在压电促动器完全故障之前进行更换，而不使用故障状态的阀。
以下，对根据本实施方式的流量控制装置的变形例进行说明。
图9表示根据第一变形例的流量控制装置110的结构。流量控制装置110与图1所示的流量控制装置100的不同点在于，开度固定的节流部2’设置在流量控制阀8的下游侧。
在流量控制装置110中，通过基于应变传感器20的输出控制流量控制阀8的驱动电压，也能够进行正确开度下的流量控制阀8的脉冲开闭动作，能够进行所期望流量下的脉冲流量控制。另外，也能够使用开度固定的节流部2’进行流量控制。
图10表示根据第二变形例的流量控制装置120的结构。流量控制装置120与图1所示的流量控制装置100的不同点在于，开度固定的节流部2与流量控制阀8之间还设置有第三压力传感器9。
如果使用第三压力传感器9，则能够测定节流部2和流量控制阀8之间的压力，因此能够更高精度地进行流量控制。例如，在上述通过流量控制阀8的开度调整进行流量控制的情况下，基于第一压力传感器3检测出的上游压力P1和流量控制阀8的阀开度来求出运算流量，但是也可以基于第三压力传感器9检测出的压力P3和流量控制阀8的阀开度AV来求出运算流量。如此，有可能更精确地求出运算流量。
另外，作为其它变形例，如图9所示，也可以将开度固定的节流部2’设置在流量控制阀8的下游侧，并且设置测定流量控制阀8和节流部2’之间的压力的第三压力传感器。
此外，如图11所示的第三变形例的流量控制装置130那样，不仅在流量控制阀8中，在压力控制阀6中也可以设置应变传感器20’。应变传感器20’例如用于检测构成压力控制阀6的压电致动器的特性变化或动作异常。通过基于应变传感器20’的输出监视压电元件的伸长量，能够进行对压力控制阀6的异常发生的预防维护。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但也能够进行各种改变。例如，在应变仪输出和压电致动器的位移的关系不是线性的情况等中，也可以预先制作应变仪输出与压电致动器的位移的转换表。转换表例如预先存储在设置于控制电路的存储装置中，在压电致动器的位移检测时，使用读出的转换表，能够根据应变仪输出更准确地知道阀开度。
另外，在根据本发明的实施方式的流量控制装置中，流量控制阀可以是常闭型的压电元件驱动式阀，在这种情况下，通过基于应变传感器输出控制流量控制阀的驱动电压，能够以良好的精度及响应性进行流量控制。
另外，在将流孔板用作开度固定的节流部2的情况下，上述流量控制阀8和流孔板也可以以公知的流孔内置阀的方式一体地设置。在作为流孔内置阀而设置的情况下，在流量控制阀8的安装用的孔部配置有流孔板及阀座体，在其上方固定有流量控制阀8的阀主体(阀体或致动器等)。这样，能够将流孔板和流量控制阀8的阀体接近配置而减小它们之间的容积，因此能够提高流量控制的响应性。此时，如上所述，流量控制阀8也能够像压力式流量控制装置中的开度可变的节流部那样发挥作用。
产业上的可利用性
即使在半导体制造工艺中要求流量控制的高速响应性的情况下，根据本发明的实施方式的流量控制装置也能够适当地利用。

Claims (12)

1.一种流量控制装置，其特征在于，具备
压力控制阀，所述压力控制阀设置于流路；
流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述压力控制阀的下游侧；
第一压力传感器，所述第一压力传感器对所述压力控制阀的下游侧且所述流量控制阀的上游侧的压力进行测定；以及
节流部，所述节流部的开度固定，
所述流量控制阀具有：阀体，所述阀体离接于阀座；压电元件，所述压电元件移动所述阀体而使所述阀体离接于所述阀座；以及应变传感器，所述应变传感器设置于所述压电元件的侧面，
将所述流量控制阀所具有的所述阀座与所述阀体的距离作为开度，所述流量控制阀被用作能够变更所述开度的节流部，
一边基于从所述第一压力传感器输出的信号对所述压力控制阀进行控制，一边基于从所述应变传感器输出的信号对所述压电元件的驱动进行控制，
在对连续的流动进行控制时，使用所述开度固定的节流部进行流量控制，在对断续的流动进行控制时，使用作为能够变更所述开度的节流部的所述流量控制阀进行流量控制。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
在使用所述开度固定的节流部进行所述连续的流动的控制时，所述流体控制阀设为全开。
3.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述开度固定的节流部设置于所述流量控制阀的上游侧。
4.根据权利要求3所述的流量控制装置，其特征在于，
还具备第二压力传感器，所述第二压力传感器对所述流量控制阀的下游侧的压力进行测定。
5.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述开度固定的节流部设置于所述流量控制阀的下游侧。
6.根据权利要求5所述的流量控制装置，其特征在于，
还具备第二压力传感器，所述第二压力传感器对所述开度固定的节流部的下游侧的压力进行测定。
7.根据权利要求1至6任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
还具备第三压力传感器，所述第三压力传感器对所述流量控制阀和所述开度固定的节流部之间的压力进行测定。
8.根据权利要求1至7任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述开度固定的节流部的最大设定流量比所述流量控制阀的最大设定流量大。
9.根据权利要求1至8任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
在所述流量控制阀的上游侧的压力和所述流量控制阀的下游侧的压力满足临界膨胀条件的状态下进行流量控制。
10.根据权利要求1至9任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述应变传感器包括：第一应变仪，所述第一应变仪用于对所述压电元件的伸长方向的应变进行检测；和第二应变仪，所述第二应变仪用于对与所述压电元件的所述伸长方向正交的方向的应变进行检测。
11.根据权利要求1至10任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量控制阀具备压电致动器，所述压电致动器具有：多个压电元件，所述多个压电元件包括安装有所述应变传感器的所述压电元件；和将所述多个压电元件容纳成一列的筒体，所述流量控制阀为以通过向所述压电致动器施加电压使作为所述阀体的金属隔膜阀体向阀座的方向移动的方式构成的常开型的阀。
12.根据权利要求1至10任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量控制阀具备压电致动器，所述压电致动器具有：安装有所述应变传感器的所述压电元件；和容纳所述压电元件的筒体，所述流量控制阀为以通过向所述压电致动器施加电压使作为所述阀体的金属隔膜阀体向阀座的方向移动的方式构成的常开型的阀。
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