JP2010151476A - 可変コンデンサの機械的位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変コンデンサの動作制御の基準となる前記コンデンサのシャフト回転の原点を正確に且つコンデンサにストレスを与えることなく検出する。
【解決手段】可変コンデンサのシャフト回転の原点出し指令時に前記シャフトを回転させるモータを逆転させて限界位置まで前記モータを停止させ、正転指令時に前記モータを前記逆転時よりも低速で正転させて前記シャフトと同期回転するスリット板のスリットの幅を光照射式の検出手段によって検出し、この検出された幅に基づく位置を前記シャフト回転の原点として検出する。前記原点出し指令時には前記モータのトルクは原点出しに必要なトルクよりも大きい始動トルクが検出されてから前記原点出しに必要なトルクに切り替えられる。
【選択図】図１

Description

この発明は可変コンデンサの機械的位置の検出技術、具体的にはＲＦマッチに用いられる可変コンデンサのシャフト回転の原点出しを行うための技術に関する。

半導体製造技術にはウエハーの表面処理やエッチング技術の一つとしてプラズマ処理法が用いられている。ウエハーが格納されたチャンバー内にプラズマを生じさせるためには高電圧で例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を与えることが必要である。この高周波電力はＲＦ電源と呼ばれる電源装置から供給される。ＲＦ電源は一般的に低圧で出力が数ｋＷである。したがって、ＲＦ電源をチャンバーに直接繋いでも必要な電力を供給できない。ＲＦ電源から電力を供給するにはＲＦ電源と負荷のインピーダンスを一定値例えば５０Ωにすること（マッチング）が必要である。チャンバーのインピーダンスは処理の内容で変化する。同じ処理の内容でもプラズマは常に変化するのでインピーダンスは常に変化する。このインピーダンスを制御する装置としてＲＦマッチがある。ＲＦマッチはＲＦ電源からみた負荷インピーダンスが常に一定となるように制御してチャンバーに効率よく電力を供給する装置である。ＲＦマッチはチャンバーに必要な高電圧と電流を供給するためにＲＦ電源とチャンバーの間に設置される。

図５はＲＦマッチを備えた半導体プロセス装置を例示した概略構成図である。ＲＦマッチ４はＲＦ電源（例えば１３．５６ＭＨｚ）５とチャンバー６との間に接続されて使用される。ＲＦマッチ４は図示していない電圧電流及び位相の検出回路でインピーダンスを計測し可変コンデンサＣ１とＣ２の容量を変えることでインピーダンスをマッチングさせている。

可変コンデンサＣ１，Ｃ２は図６のように筒体の中に図示しない電極を備えコンデンサＣ１，Ｃ２のシャフトを回転することで容量を変える構造となっている。例えば、時計方向を下限方向として下限値１００ｐＦ、反時計方向を上限方向として上限値１０００ｐＦ、全ストローク１２回転とすると下限から反時計方向に１２回転すると回転数に比例して１００ｐＦから１０００ｐＦまで連続的に容量を可変できるようになっている。

可変コンデンサＣ１，Ｃ２の容量は図６のように可変コンデンサＣ１，Ｃ２のシャフトにカップリング７を介して接続されたモータ８を回転することにより前記シャフトを回転させて可変できるようになっている。図６に示されたカップリング７とモータ８との間に配置されたスリット板９はモータ８の回転数を検出するための部材である。図７に例示されたスリット板９は薄い円板に光照射式の検出手段の光を透過させる同形の複数のスリット９０がスリット板９の円周方向に沿って均等に配置されてなる。そして、図示しないフォトセンサなどの光照射式の検出手段によってスリットの有無が検出されることでモータ８が回転したときに通過するスリット９０の数によって算出された回転数からコンデンサＣ１，Ｃ２のシャフト回転の原点位置が検出されるようになっている（特許文献１〜４等参照）。
特開昭６０−２５９９０９号公報 特開昭６１−１１２９２２号公報 特開昭６２−２１２３号公報 特開平１０−６２２０５号公報

ここで問題になるのは可変コンデンサＣ１，Ｃ２の機械的な原点（シャフト回転の原点）をどう探すかである。すなわち、例えば下限の位置の検出である。人の手によって可変コンデンサＣ１，Ｃ２のシャフトを回して下限を探すことは容易であるが、電気的には可変コンデンサＣ１，Ｃ２の最初の位置を把握できないので下限を検出するのは簡単ではない。下限の位置を検出する方法として以下の１）〜３）の方法がある。

１）可変コンデンサＣ１，Ｃ２内に機械的リミットスイッチを設ける。

２）スリット板９のスリット９０の位置に絶対値エンコーダを設ける。

３）モータ８が時計方向に動作して下限に達することで、図示しないモータドライブ装置の電流が増加すること、モータがストールすること、または回転指令を与えても回転センサからの検出が無くなることなどを利用して、下限と判断しその点を可変コンデンサＣ１，Ｃ２のシャフト回転の原点とする。

１）の方法はコンデンサの構造が複雑になりコストアップになる。また、可変コンデンサの内部につけるため品質低下になる。

２）の方法は１）の方法に比べると構造は簡単で信頼性も維持できるが、絶対値エンコーダの価格が高いうえ、寸法も大きく図６のスリット板の位置に取り付けることができないこともあり、そのときはモータの反直結側に取り付けることになり全体の寸法が大きくなる。

３）の方法は１）及び２）の方法に比べて構造も簡単で寸法も小さくスリットの価格も安いことから一番よく採用されている。しかし、コンデンサの機械的下限位置は回転トルクの大きさで僅かではあるが、回転角で１０度から２０度程度差が生じる。したがって、モータを回転させて下限に達したとき弱いトルクで到達させると経年変化、周囲温度などによる摩擦トルクの変化で下限の検出精度が悪くなる。反対に強いトルクで下限に到達させると検出精度はよくなるが、コンデンサに機械的ストレスを与える。あるいは機械的に下限位置に食い込みモータを反対方向に回そうとしたとき回転トルクが不足し動かないなどの不具合が発生する。

そこで、前記課題を解決するための請求項１の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、可変コンデンサのシャフト回転の原点出し指令時に前記シャフトを回転させるモータを逆転させて限界位置で前記モータを停止させ、正転指令時に前記モータを前記逆転時よりも低速で正転させて前記シャフトと同期回転するスリット板のスリットの幅を光照射式の検出手段によって検出し、この検出された幅に基づく位置を前記シャフト回転の原点として検出する。

請求項２の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、請求項１の検出方法において、前記原点出し指令時には前記モータのトルクは原点出しに必要なトルクよりも大きい始動トルクが検出されてから前記原点出しに必要なトルクに切り替えられる。

請求項３の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、請求項１または２の検出方法において、前記スリット板には開口幅の異なる複数のスリットが形成され、これらのスリットは開口幅の寸法順に前記スリット板の円周方向に沿って配置されている。

請求項４の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、請求項１または２の検出方法において、前記スリット板には同一開口面積の複数のスリットが前記スリット板の半径方向に複数形成され、これらのスリットは前記スリット板の円周方向に沿って順次異なるように配置されている。

請求項５の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、請求項１または２の検出方法において、スリット板には全長の異なる複数のスリットが形成され、これらのスリットは前記スリット板の円周方向に沿って全長順に配置されている。

請求項６の可変コンデンサの機械的位置検出方法は、請求項１から５のいずれかの検出方法において、前記スリットの開口部には前記検出手段の照射光を受ける反射板が設けられている。

以上の発明によれば可変コンデンサの動作制御の基準となる前記コンデンサのシャフト回転の原点を正確に且つコンデンサにストレスを与えることなく検出できる。

図１は発明の実施形態に係る位置検出方法のタイムチャートを示す。図２は発明の実施形態に係る位置検出方法におけるモータトルク指令のタイムチャートを示す。図３及び図４は発明に係る位置検出方法に用いられるスリット板の実施形態を示した平面図である。

従来のスリット板は図７に例示されたスリット板９のように同じ幅のスリットが均等に配置されるように形成されている。これに対して図３に例示された本実施形態のスリット板１は開口幅が一定幅または円周方向に沿って順次比率幅で狭くなるスリット１０が均等に配置されている。具体的にはスリット板１には開口幅の異なる複数のスリット１０が形成されている。これらのスリット１０は開口幅の寸法順にスリット板１の円周方向に沿って配置されている。このような構成のスリット板１によれば１回転における可変コンデンサのシャフト回転の原点位置を検出できる。

スリット板１は図６に示されたスリット板９のようにカップリング７とモータ８を連結するシャフトに取り付けられる。図６に示されたスリット板の位置は一例であるので、可変コンデンサＣ１，Ｃ２とカップリング７との間に配置してもよい。カップリング７と共用でもよい。モータ８の反直結側に配置してもよい。そして、原点合わせ指令でモータ８を限界方向例えば下限方向（上限方向でもよい）に運転し前述の背景技術の動作と同じ様に下限に到達させる。但し、原点出しのときモータ８のトルクは可変コンデンサＣ１，Ｃ２に機械的ストレスを与えない程度に小さくする。この場合、当然、前述のように１０度から２０度程度の誤差が生じる。そこで、次の工程で下限の位置から反対方向にモータを運転し、このときのスリットの幅を光照射式のセンサによって計測する。これにより可変コンデンサＣ１，Ｃ２の機械的位置すなわち可変コンデンサＣ１，Ｃ２のシャフト回転の原点を計測できる。前記センサは既知の光照射式の検出装置を適用すればよい。

図１及び図２を参照しながら発明の実施形態の位置検出方法について具体的に説明する。

図１のタイムスケジュールに示したように可変コンデンサＣ１，Ｃ２のシャフト回転の原点出し指令でモータ８を逆転させる。前記シャフトが下限位置に達したときモータ８を停止させる。次に正転指令を与えモータ８を低速で正転させる。そして、前記センサでスリットの幅を検出し所定の幅になったあるいは幅の急変を検出してその位置を前記シャフト回転の原点とし電気的に記憶する。

原点出しのとき下限に到達させるためのトルクは出来るだけ小さくしてコンデンサのストレスを小さくすることが好ましい。そうすることでコンデンサ自身のストレスも小さいし、下限に達したときの機械的強度も小さくてよいコストダウンにつながる。

原点出しのときのトルクである原点出しトルクはできるだけ小さくするために最大負荷トルクと動摩擦トルクの和に余裕係数（例えば１．１程度）を掛けた値に設定される。但し、始動時は負荷トルクに加えて静止摩擦トルクと加速トルクが必要である。

したがって、図２のタイムスケジュールのように前記原点出しトルクに静止摩擦トルクと加速トルクを加算した始動トルクで回転したことが検出された後に原点出しトルクに切り替えられる。

また、最大負荷トルクや静止摩擦トルクは可変コンデンサＣ１，Ｃ２の構造やそのシャフトに用いられているグリスの種類に応じて適宜に設定される。さらに、コンデンサＣ１，Ｃ２の構造によっては上限方向と下限方向に回転するトルクが異なることがあるのでその場合は小さい方向を原点出しの基準にするほうが原点出しトルクを小さくできるのでより好ましい。原点に達したときに可変コンデンサＣ１，Ｃ２にかかるトルクＴは次式のようになりＪ（ｄω／ｄｔ）大きくので原点出しの回転速度は小さいほうが望ましい。但し、前記回転速度が小さすぎると原点出しに時間を要するので１／１０程度の速度が妥当である。

Ｔ＝（原点出しトルク）−（実際の負荷トルク）＋Ｊ（ｄω／ｄｔ）
Ｊ：コンデンサとモータとカップリングその他の合計慣性モーメント
ω：角速度（ω＝２πｆ＝πＮ／３０）
ｆ：１秒間当たりの回転数（ｓ^-1）
Ｎ：１分間当たりの回転数（ｍｉｎ^-1）
ｄ／ｄｔ：微分演算子
可変コンデンサのシャフトの可変範囲は下限上限全範囲で使うことはなく、一般的にはそれぞれ１０％から９０％以内の範囲で使用されており、始動トルクで下限に押し付けることがない。したがって、本実施形態では可変コンデンサのシャフト回転の原点が最初から下限位置にあるときは運転しても回転しないので始動トルクで下限に押し付けることを懸念する必要ない。

以上のように発明の実施形態に係る検出方法によれば可変コンデンサの動作制御の基準となるシャフト回転の原点を正確に且つ可変コンデンサにストレスを与えることなく検出できる。特に、前記原点出しの運転を始動時には原点出しトルクよりも大きい始動トルクが検出されてから原点出しトルクに切り替えられることで確実に原点出しの始動が行なえ且つ機械的に下限に達したときにも可変コンデンサにストレスを与えない。

また、本実施形態の検出方法では図３に例示されたスリット１０の幅が円周方向に配置されたスリット板１が適用されることで可変コンデンサのシャフト１回転の原点位置検出、すなわち３６０度内の位置を検出できる。または図４に例示された全長の異なる複数のスリット３０を全長順に円周に沿って配置されたスリット板３が適用されても、３６０度内の位置を検出できる。

スリットの配置はスリット板１，３の他に、図４に例示されたスリット板２のように同じ幅同士を複数（例えば４個）並べてスリット２０の幅を検出してから同じ幅のスリット数をカウントして位置を検出してもよい。例えば、可変コンデンサの機械的な下限の最大のずれ幅が９０度以下であれば、３６０度を４等分して９０度間だけスリット幅を変え、９０度間と同じ配置のスリットを９０〜１８０度、１８０〜２７０度、２７０〜３６０度に配置してもよい。スリット板２は同一開口面積の複数のスリット２０がスリット板２の半径方向に複数形成されている。スリット２０の数はスリット板２の円周方向に沿って順次異なるように設定される。例示された形態では配置されるスリット２０は９０度の回転角毎に配置数が異なるように形成されている。

尚、３６０度範囲の機械的位置を検出できればよいのでスリット板１，２，３のスリット１０，２０，３０の開口部には検出手段の照射光を受ける反射板が設けられたスリット板も適用できる。

発明の実施形態に係る位置検出方法のタイムチャート。 発明の実施形態に係る位置検出方法におけるモータトルク指令のタイムチャート。 発明に係る位置検出方法に用いられるスリットの実施形態を示した平面図。 発明に係る位置検出方法に用いられるスリットの他の実施形態を示した平面図。 ＲＦマッチを備えた半導体プロセス装置を例示した概略構成図。 モータの回転数を検出するシステムの概略構成図。 従来に係る位置検出方法に用いられるスリットの実施形態例を示した平面図。

符号の説明

１，２，３…スリット板
１０，２０，３０…スリット
４…ＲＦマッチ
５…ＲＦ電源
６…チャンバー
７…カップリング
８…モータ
Ｃ１，Ｃ２…可変コンデンサ

Claims (6)

1. 可変コンデンサのシャフト回転の原点出し指令時に前記シャフトを回転させるモータを逆転させて限界位置で前記モータを停止させ、正転指令時に前記モータを前記逆転時よりも低速で正転させて前記シャフトと同期回転するスリット板のスリットの幅を光照射式の検出手段によって検出し、この検出された幅に基づく位置を前記シャフト回転の原点として検出することを特徴とする可変コンデンサの機械的位置検出方法。
2. 前記原点出し指令時には前記モータのトルクは原点出しに必要なトルクよりも大きい始動トルクが検出されてから前記原点出しに必要なトルクに切り替えられること
   を特徴とする請求項１に記載の可変コンデンサの機械的位置検出方法。
3. 前記スリット板には開口幅の異なる複数のスリットが形成され、これらのスリットは開口幅の寸法順に前記スリット板の円周方向に沿って配置されたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の可変コンデンサの機械的位置検出方法。
4. 前記スリット板には同一開口面積の複数のスリットが前記スリット板の半径方向に複数形成され、これらのスリットは前記スリット板の円周方向に沿って順次異なるように配置されたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の可変コンデンサの機械的位置検出方法。
5. スリット板には全長の異なる複数のスリットが形成され、これらのスリットは前記スリット板の円周方向に沿って全長順に配置されたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の可変コンデンサの機械的位置検出方法。
6. 前記スリットの開口部には前記検出手段の照射光を受ける反射板が設けられたこと
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の可変コンデンサの機械的位置検出方法。

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