JP2013228950A - 可変オリフィス型圧力制御式流量制御器 - Google Patents

Abstract

【課題】可変オリフィス型圧力制御式流量制御器に於いて、可変オリフィスのオリフィス開度切り換えによる流量制御範囲切換を瞬時に行い、小流領域に於ける流量制御の流量立下げ時間の大幅な短縮を図る。
【解決手段】圧力制御部１ａと可変オリフィス部１ｂとを備え、可変オリフィス部のオリフィスを流通する流体の流量をＱ_Ｐ１＝ＫＰ_１（但し、Ｐ１はオリフィス上流側圧力、Ｋは定数）として演算すると共に、前記オリフィスをダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座とダイヤフラム間のリング状の間隙から成るオリフィスとし、前記圧力制御部の流量演算制御部４ａへの設定流量信号Ｑｓ及び可変オリフィス部のオリフィス開度演算制御部４ｂへのオリフィス開度設定信号Ｑｚの変更により流量制御範囲の切換並びに当該流量制御範囲に於ける流量制御を行うようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置等で使用する可変オリフィス型圧力制御式流量制御器の改良に係り、可変オリフィスの駆動機構等に改良を加えることにより、流量制御範囲の切換や流量制御時に於ける流量立下り時間の大幅な短縮を可能にすると共に、広範囲の流量域に亘って制御流量の多段切換えを可能とすることにより、より少ない機種でもって広流量域の流量制御に対応できるようにした可変オリフィス型圧力制御式流量制御器に関するものである。

従前から、圧力制御式流量制御器に於いては固定オリフィスが一般的に使用されており、最大制御流量に適応したオリフィス孔径のオリフィスを使用することにより、一定の流量域の流量制御が行われている。
しかし、固定オリフィスの場合には、最大制御流量に対応して異なるオリフィス孔径のオリフィスを備える必要があり、必然的に流量レンジの異なる多種類の圧力制御式流量制御器を準備しておく必要があり、製造コストの引下げや製品管理等の面で様々な問題を生ずることになる。

一方、上記固定オリフィス型圧力制御式流量制御器に於ける諸問題を避けるため、本願発明者等は先に、図１２及び図１３に示す可変オリフィス型圧力制御式流量制御装置を開発し、特許第３５８６０７５号として公開している。
即ち、当該圧力制御式流量制御器２７は圧力制御部Ａと可変オリフィス部Ｂとから構成されており、また、圧力制御部Ａは圧力コントロール弁２２、コントロール弁駆動部２３、圧力検出器２４及び演算制御装置２７ａ等から構成されている。

更に、前記可変オリフィス部Ｂは、可変オリフィスを形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁２５及びオリフィス駆動部２６等から構成されており、図１３に示すようにパルスモータ３４によりボールネジ機構３９を介してガイドスライダ３８及びダイヤフラム押え３６をストロークＬだけ下降させ、これにより、オリフィスに相当するダイヤフラム３３と弁座３２ｂ間のリング状の流体通路（間隙）が設定値に調整、固定される。
尚、前記オリフィス駆動部２６の作動ストロークＬと流体通路（間隙）を流通する流量Ｑとが、略直線状の比例関係に在ることは勿論である。

当該圧力制御式流量制御器２７の作動に際しては、先ず、流量設定信号Ｑｓ及びオリフィス開度設定信号Ｑｚが制御装置２７ａ及びオリフィス駆動部２６の制御部２６aへ入力される。次に、ガス入口２８ａへ所定圧力Ｐ_１のガスが供給されると、圧力検出器２４により検出した上流側圧力Ｐ_１に相当する圧力検出信号Ｑｐ_１が制御装置２７ａへ入力され、流量Ｑ＝ＫＰ_１が制御装置２７ａ内で演算される。
また、制御装置２７ａからは前記流量設定信号Ｑｓとの差に相当するコントロール弁制御信号Ｑｙが出力され、圧力コントロール弁２２は前記ＱｓとＱとの差が減少する方向に
開閉制御される。２８ａはガス出口である。

更に、可変オリフィス２５の口径を変化せしめて制御流量の範囲を変更する場合には、オリフィス開度信号Ｑｚの設定を変更する。これにより、オリフィス制御信号Ｑｏが変わり、その結果オリフィス駆動部２６の作動ストロークＬが変化して、オリフィス口径φが変わることになる。
尚、図１２及び図１３に於いて、２９は熱式流量計、３０は真空チャンバー、３１は真空ポンプ、４０はカップリング、４１はベアリング、４２はシャット部、３５・３７はスプリング、３２ｂは弁座、３２は本体、３２ａはガス入口通路、３２ｅはガス出口通路である。

上記図１２及び図１３に示した圧力制御式流量制御器２７では、可変オリフィスとしてダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁を使用し、制御流量範囲の切換えをダイヤフラムの作動ストロークＬを変更することにより行う構成としている。そのため、オリフィスの構造が簡素化されると共に摺動部が皆無となり、発塵等もほぼ皆無となる。また、流体流路内のデッドスペースが大幅に減少すると共に、流体流路内にガスの噛み込みを生ずる間隙が存在しなくなり、ガスの置換性が大幅に向上する。更に、ダイヤフラムの作動ストロークＬを変えることにより簡単且つ正確にオリフィス孔径を変更（即ち流量範囲の変更）することができ、従前の固定オリフィスを変換する場合に比較して制御性が大幅に向上する等の優れた実用的効用を奏するものである。

しかし、上記図１２及び図１３の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器にも、未だ解決すべき問題が多く残されている。その中でも、近年特に問題となっている点は流量制御範囲の切換時間の短縮であり、可変オリフィス２５自体の切換設定に要する時間の短縮と、設定された可変オリフィスの使用中に於ける立下げ時間の大幅な短縮が求められている。

即ち、可変オリフィス２５（ダイヤフラム弁）は、オリフィス駆動部２６の作動ストロークＬを調整してダイヤフラム３３と弁座３２ｂ間の間隙を調整することにより、制御流量に適した開口面積に設定されるが、オリフィス駆動部２６がボールネジ機構３９を主体とするものであるため、前記可変オリフィス２５の間隙調整（オリフィス開口面積設定）に相当時間（約１〜３秒間）を必要とし、流量制御範囲の切換を迅速に行えないことになる。

また、可変オリフィス２５の設定（間隙調整）完了後の流量制御は、圧力コントロール弁２２による圧力Ｐ_１の調整により行われるが、例えば１０ＳＣＣＭのオリフィスを用いて設定流量１００％（１０ＳＣＣＭ）から２０％（２ＳＣＣＭ）へ制御流量を低減させる場合には、図１４に示すように、約６秒の立下り時間を必要とする。尚、この図１４は、１０ＳＣＣＭ用オリフィスとして孔径１８μｍの固定オリフィスを用い、且つ圧力コントロール弁２２とオリフィス間の流体通路容積を０．２ｃｃとした場合の、１００％設定流量（１０ＳＣＣＭ）から２０％設定流量（２ＳＣＣＭ）への立下り時間の実測値を基にしたものである。

当該図１４に於ける立下り時間ｔ＝６秒は、オリフィス孔径φ＝１８μｍの固定オリフィスの場合について実測定したものであるが、この立下り時間ｔは主としてオリフィス上流側の流体通路容積０．２ｃｃ内に存在するガスに起因して生ずるものであり、圧力コントロール弁２２とオリフィス間の流体通路容積を減少させることにより、また、オリフィス孔径が大きくなることにより、当該立下り時間ｔを短縮できることが判明している。

特許第３５８６０７５号 特許第３５２２５３５号

本願発明は、従前の可変オリフィスを用いた圧力制御式流量制御装置に於ける上述の如き問題、即ち、（イ）可変オリフィス自体のオリフィス孔径（メタルダイヤフラム弁の開口通路間隙）の調整に時間が掛かること、及び（ロ）可変オリフィスによる流量制御の立下り時間が長くなること等により、可変オリフィスを用いた流量制御範囲の切換による流量制御の即応性が低く、半導体製造プロセスの処理効率の向上が図れないと云う問題を解決せんとするものであり、可変オリフィス自体のオリフィス口径の設定を瞬時に行えるようにすると共に、圧力コントロール弁と可変オリフィス間の流体通路内のガスを先ず拡径せしめた大孔径の可変オリフィスを通して外部へ流出させ、その後に可変オリフィスの孔径を略瞬時に所定の設定流量の孔径に再調整することにより、１００％設定流量から２０％設定流量への立下り時間を略１秒に短縮することを可能とした可変オリフィス圧力制御式流量制御装置を提供せんとするものである。

請求項１の発明は、圧力制御部と可変オリフィス部とを備え、可変オリフィス部のオリフィスを流通する流体の流量をＱ_Ｐ１＝ＫＰ_１（但し、Ｐ_１はオリフィス上流側圧力、Ｋは定数）として演算すると共に、前記オリフィスをダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座とダイヤフラム間のリング状の間隙から成るオリフィスとし、前記圧力制御部の流量演算制御部への設定流量信号Ｑｓ及び可変オリフィス部のオリフィス開度演算制御部へのオリフィス開度設定信号Ｑｚの変更により流量制御範囲の切換並びに当該流量制御範囲に於ける流量制御を行うようにした可変オリフィス型圧力制御式流量制御器に於いて、前記可変オリフィス部を、オリフィス開度演算制御部と、オリフィス開度演算制御部からのオリフィス制御信号により駆動されるステッピングヒータと、ステッピングモータにより回動される偏芯カムと、偏芯カムによりダイヤフラム押えを介して弁開度を制御するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁とから構成したことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、可変オリフィス部の偏芯カムを、軸心より所定距離だけ偏芯させてモータ軸を縦向きに固定した回転軸体と、回転軸体の外周面に固定した第１ベアリングと、第１ベアリングの外周面に固定した鍔状のカム板とから形成され、回転軸体の回動によりカム板を非回転状態下で左右方向へ前記所定距離だけ移動させるようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、可変オリフィス部を形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁を、流量制御器本体の側面に穿設した平面状の底面を有する凹部と、凹部の底面に形成した所望の通路孔径を有する弁座と、弁座と対向状に配設した逆血型のダイヤフラムと、ダイヤフラムと対向状に配設されてその外方端部をカム板の外周面に接当させたダイヤフラム押えと、凹部内へねじ込み固定されてダイヤフラム押えを左右方向へ移動自在に保持すると共にダイヤフラム外周縁を押圧固定する押圧金具と、から構成するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、カム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部との接当部が、偏芯カムの回動時に左右方向へのみ変位する構成としたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明に於いて、ステッピングモータの回動角度を０〜２００度とし、当該回動角度範囲内で偏芯カムによりダイヤフラム押えを左右方向に一定距離だけ変位させる構成としたものである。

請求項６の発明は、請求項１の発明に於いて、偏芯カムのカム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部の接当部と軸対称の位置に変位センサを設け、カム板の回動による前記接当部の水平方向の変位量を検出すると共に、検出したオリフィス開度信号をオリフィス開度演算制御部へ入力する構成としたものである。

請求項７の発明は、請求項１の発明に於いて、偏芯カムのカム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部の接当部と軸対称の位置に変位センサを設け、カム板の回動による前記接当部の水平方向の変位量を検出すると共に、検出したオリフィス開度信号をオリフィス開度演算制御部へ入力する構成としたものである。

請求項８の発明は、請求項７の発明に於いて可変オリフィスを設定流量レンジの１．５倍以上の開度にする保持時間を０．１〜０．５ｓｅｃとすると共に、流量制御時の１００％設定流量から２０％設定流量への立下げ時間を１秒以内とするようにしたものである。

請求項９の発明は、請求項８の発明に於いて、１００％設定流量レンジの１．５倍以上の開度に保持する可変オリフィスを形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座の流体通路孔径を０．１〜０．５ｍｍとすると共に、１００％設定流量を１０ＳＣＣＭとするようにしたものである。

請求項１０の発明は、請求項１の発明に於いて、可変オリフィス部の可変オリフィスの上流側通路にシャットオフ弁を配置する構成としたものである。

本発明に於いては、可変オリフィス駆動部８を偏芯カム８ａとステッピングモータ８ｂとで構成すると共に、ステッピングモータ８ｂの１回転以下の回動でもって、偏芯カム８ａのカム板８ａ_４を所定量だけ左右方向へ変位させると共に、当該カム板８ａ_４を回転させることなしに、カム板８ａ_４により可変オリフィス７のダイヤフラム押え７ｂを左右方向へ押圧移動させて可変オリフィス７の弁座１０ｄ_５とダイヤフラム７ａ間の間隙（即ち、オリフィス孔径）を調整する構成としている。
その結果、偏芯カム８ａによるオリフィス孔径の調整を極めて迅速に（即ち、約０．１〜０．５秒以内に）且つ正確に行うことができ、流量制御器の制御流量の流量範囲（流量レンジ）の切換を極めて迅速に行える。

また、本発明に於いては圧力制御部１ａの流量演算制御部４ａと可変オリフィス部１ｂのオリフィス開度演算制御部４ｂとから制御部４を形成すると共に、制御流量範囲の切換時に流量演算制御部４ａへの流量設定信号Ｑｓの入力値が変化すると、当該流量設定信号Ｑｓの変化によって、オリフィス開度演算制御部４ｂへのオリフィス開度設定信号Ｑｚを１．５倍以上にして可変オリフィス７を設定流量レンジの１．５倍以上の開度にし、一定時間経過後にオリフィス開度制御信号Ｑｚを制御流量範囲の切換後の流量範囲に適した開度の設定値に調整することにより、流量制御を行う構成としている。
その結果、制御流量の切換え時に、可変オリフィス７の上流側流体通路内の流体が、円滑且つ迅速に開孔されたオリフィス孔径を通して下流側へ排出されることになり、可変オリフィス７の弁座孔径が０．１ｍｍ、１００％設定流量が１０ＳＣＣＭの小流量域であっても、これを１秒以内に２０％流量設定流量（２ＳＣＣＭ）にまで立下げすることが可能となり、大幅な立下げ時間の短縮が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る圧力制御式流量制御器の構成を示す系統図である。 第１実施形態に係る圧力制御式流量制御器の縦断面図である。 図２の左側面図である。 図２の平面図である。 図２の底面図である。 図２の部分拡大図である。 カム板の回動角度とカム板偏位量の関係を示す特性曲線である。 カム板の回動角度と流量レンジ（ＳＣＣＭ）の関係を示す特性曲線である。 小流量域に於ける流量レンジ切換時の可変オリフィス７の動作説明図である。 本発明に係る小流量用圧力制御式流量制御器（最大設定流量２４０ＳＣＣＭ・可変オリフィス７の弁座孔径０．１ｍｍφ）に於いて、設定流量を１０ＳＣＣＭに切換えした場合の１００％設定流量（１００ＳＣＣＭ）から２０％設定流量（２ＳＣＣＭ）への流量制御時の立下り特性を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力制御式流量制御器の縦断面図である。 従前の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器の系統図である。 従前の可変オリフィス部の断面図がいよう図である。 従前の固定オリフィスを用いた小流量レンジ（１００％設定流量１０ＳＣＣＭ）に於ける流量制御時の立下り特性を示す系統図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す系統図であり、本発明に係る圧力制御式流量制御器１は、圧力制御部１ａと可変オリフィス１ｂとから構成されている。また、前者の圧力制御部１ｂは、図１２に示した従前の圧力制御式流量制御器２７の圧力制御部Ａと略同一であり、圧力コントロール弁２、圧力コントロール弁駆動部３、流量演算制御部４ａ、圧力検出器５、温度検出器６等から形成されている。

これに対して、可変オリフィス部１ｂの方は、可変オリフィス（ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁）７を用いる点では図１２に示した従前の圧力制御部Ａとは類似するものの、可変オリフィス部１ｂを形成するオリフィス駆動部８やオリフィス開度演算制御部４ｂの構造は、従前の可変オリフィス部Ｂと著しく異なるものであり、図２及び図６に示すように新規なオリフィス駆動部８、オリフィス開度演算制御部４ｂ、変位センサ９等から形成されている。

即ち、前記圧力制御部１ａに於いては、圧力検出器５で検出した圧力検出値Ｐ_１及び温度検出器６で検出した温度検出値Ｔ_１を用いて、可変オリフィス７を流通する流体流量Ｑ_Ｐ１をＱ_Ｐ１＝ＫＰ_１として演算すると共に、設定流量Ｑｓと検出流量Ｑ_Ｐ１との差信号（制御信号）Ｑｙによりコントロール弁駆動部３を駆動し、圧力コントロール弁２の開度を前記差信号（制御信号）Ｑｙが零となるように制御する。

また、前記可変オリフィス部１ｂに於いて、オリフィス開度設定信号Ｑｚが入力されるオリフィス開度演算制御部４ｂと、オリフィス制御信号Ｑ_０の入力により可変オリフィス７を駆動する可変オリフィス駆動部８と、可変オリフィス７を構成するメタルタッチ型ダイヤフラム弁と、可変オリフィス７の作動量（変位量）を検出する変位センサ９等から可変オリフィス部１ｂが形成されており、オリフィス開度演算制御部４ｂに於いて、変位センサ９で検出した可変オリフィス７の開度検出信号（変位量信号）Ｑ_Ｌとオリフィス開度設定信号Ｑｚとを対比すると共に、開度検出信号（変位量信号）Ｑ_Ｌとオリフィス開度設定信号Ｑｚの差が零となるように、オリフィス制御信号Ｑｏにより可変オリフィス駆動部８を介して可変オリフィス７を形成するメタルタッチ型ダイヤフラム弁の開度（即ち、オリフィス孔径）が調整される。

尚、前記圧力制御部１ａの構成及び作用や可変オリフィス部１ｂの可変オリフィス７としてメタルタッチ型ダイヤフラム弁を用いるようにした点は、前記特許文献１及び特許文献２等により公知であるためその詳細な説明は省略する。
また、図１において、２８ａはガス入口、２８ｂはガス出口である。

図２は、第１実施形態に係る圧力制御式流量制御器１の縦断面概要図であり、図３はその左側面図、図４はその平面図、図５はその底面図である。また、図６は図２に於ける可変オリフィス部１ｂの部分拡大図である。

図２乃至図６に於いて、２ａは圧力コントロール弁２を構成するダイヤフラム、２ｂはダイヤフラム押え、２ｃは皿バネ、３ａは圧力コントロール弁駆動部３を形成するピエゾ素子、４は流量演算制御部４ａ及びオリフィス開度演算制御部４ｂを形成する制御部、４ｃは接続口、５は圧力検出器、６は温度検出器（図示省略）、７は可変オリフィス（ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁）、８ａは可変オリフィス駆動部８を構成する偏芯カム、８ｂはステッピングモータ、９は変位センサ、１０は流量制御器本体、１１は熱式流量計の層流素子、１２は熱式流量計（マスフローメータ）、１３は連結固定用ボルト、１４はボルト挿入孔、１５はケーシング、１６はシール材である。

前記流量制御器本体１０は四角柱状の第１本体１０ａと四角柱状の第２本体１０ｂと四角柱状の第３本体１０ｃと四角柱状の第４本体１０ｄとを連結固定用ボルト１３により相互に一体的に連結することにより形成されており、第１本体１０ａの上面側には圧力コントロール弁２の各構成部財を挿着固定する凹部１０ａ_１と流体通路１０ａ_２及び流体通路１０ａ_３が形成されている。

また、第２本体１０ｂは第１本体の裏面側にシール材１６を挟持せしめて固定されており、流体通路１０ｂ_１と１０ａ_２とが気密に連結されている。尚、１０ｂ_２は流体流入口である。

更に、第３本体１０ｃは、前記第１本体の右側面に層流素子１１を介設して気密に連結ボルト１３により固定されており、その上面側には熱量式流量計１２が、また下面側には圧力検出器５が取付け固定されている。尚、１０Ｃ_１、１０Ｃ_２、１０Ｃ_３は流体通路である。

前記第４本体１０ｄは、第３本体１０ｃの右側側面にシール材１６を介設して連結ボルト（図示省略）により気密に固定されており、その上面側には後述する可変オリフィス駆動部８を形成するステッピングモータ８ｂが固定されており、また、当該第４本体１０ｄの右側下方には、偏芯カム８ａ等のカム機構を収容する空間部が形成されている。更に、第４本体１０ｄの右側面には、可変オリフィス７を形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の収納用凹部１０ｄ_１が設けられている。尚、１０ｄ_２、１０ｄ_３は流体通路であり、１０ｄ_４は流体流出口である。

尚、上記流体制御器本体１０の組立構造や圧力コントロール弁２、圧力コントロール弁駆動部３、制御部４の流量演算制御部４ａ、圧力検出器５、温度検出器６、可変オリフィス７を形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁、可変オリフィス駆動部８のステッピングモータ８ｂ、変位センサ９等は何れも公知であるため、ここではその詳細な説明を省略するものとする。

図６は、本発明の要部である可変オリフィス部１ｂの機構部分の拡大縦断面であり、当該可変オリフィス部１ｂは可変オリフィス７と可変オリフィス駆動部８とから形成されている。
また、可変オリフィス７は、第４本体１０ｄの右側側面に設けた凹部１０ｄ_１の底面に形成された平面状の弁座１０ｄ_５と、これに対向状に配置したメタルダイヤフラム７ａと、ダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押え７ｂと、メタルダイヤフラム７ａの外周縁部を押圧するガスケット７ｃと、凹部１０ｄ_１内へねじ込み固定されてダイヤフラム押え７ｂを左右動自在に保持すると共に、先端部でガスケット７ｃを押圧する押圧体７ｄ等から構成されており、従前の所謂ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁と同様の構造を有している。

より具体的には、前記弁座１０ｄ_５はフラットシート状に形成されており、流体通路１０ｄ_２の先端部の孔径（即ち、弁座１０ｄ_５の孔径）は０．１〜１．０ｍｍ、長さ１〜３ｍｍに選定されている。

また、前記ダイヤフラム７ａは外径８ｍｍφに選定されており、流体内圧の影響を受け難くされている。
更に、弁座シート１０ｄ_５とダイヤフラム７ａ間の距離（即ち、オリフィス孔の間隙）は、後述するステッピングモータ８ｂと偏芯カム８ａの角度割付けを選定することにより、０．００１〜０．３ｍｍに設定されており、これにより可変オリフィスのＣ_Ｖ値設定が行われる。

前記可変オリフィス駆動部８は、偏芯カム８ａとステッピングモータ８ｂとから構成されており、偏芯カム８ａは、図６に示すように大径部と中径部と小径部の３段状の外径を有する柱状の回転軸体８ａ_１と、回転軸体８ａ_１の中径部外周面に嵌合した第１ベアリング８ａ_２と、回転軸体８ａの小径部外周面に嵌合した第２ベアリング８ａ_３と、前記第１ベアリング８ａ_２の外周面に嵌合したカム板８ａ_４等から形成されており、回転軸体８ａ_１の軸芯から所定量だけ偏芯した位置に縦向きに挿入固定したモータ駆動８ｂ_１により、回転軸体８ａ_１は回転自在に支持固定されている。

即ち、モータ軸８ｂ_１が回動することにより回転軸体８ａ_１が回動する。しかし、第１ベアリング８ａ_２が介設されているため、その外輪側に嵌合されたカム板８ａ_４は回転フリーの状態に保持されることになり、その結果、カム板８ａ_４の外周面とダイヤフラム押え７ｂの外端面の接当部８Ｐは相互に接触移動（摺動）しない状態に保持される。尚、この時、ダイヤフラム押え７ｂは逆皿形のダイヤフラム７ａの弾性力により常にカム板８ａ_４の方向に押圧されている。

モータ軸８ｂ_１は、回転軸体８ａ_１の軸芯に所定量だけ偏芯させて回転軸体８ａ_１に固定されており、本実施形態に置いては、偏芯距離が０．２ｍｍに、カム板８ａ_４の外径が２０ｍｍφに夫々選定されている。

その結果、モータ軸８ｂ_１が回動することにより、カム板８ａ_４の外周面の接当部８Ｐが第１ベアリング８ａ_２を介して図６の左右方向へ移動することになり、例えば、外周面の接当部８Ｐが右方向へ移動すると、ダイヤフラム７ａの弾性力によりダイヤフラム押え７ｂが接当部８Ｐの移動に追従して右方向へ移動し、弁開度が大となる。

前記ステッピングモータ８ｂには、外径□２８ｍｍ、回転トルク０．１１Ｎ／ｍ、回転時間２００度／０．２ｓｅｃが使用されており、本実施形態に於いては、偏芯カム８ａの回転角度１８０度で４００μｍの変位を得ることができ、１／１６マイクロステップ駆動に於いて４００μｍ／１６００分割の位置決めを行うようにしている。

また、カム板８ａ_４と対向状に設けた変位センサ９により、カム板８ａ_４の変位量Ｑ_Ｌを検出し、当該変位量検出信号Ｑ_Ｌをオリフィス開度演算制御部４ｂへ入力して可変オリフィス駆動部８へのオリフィス制御信号Ｑ_０のフィードバック制御を行うことにより、可変オリフィス７の開度調整（即ち接当部８Ｐの位置調整）を行うようにしている。

更に、可変オリフィス７は温度によるＣ_Ｖ値特性の変化が考えられるので、上記オリフィス開度調整に於いて所謂温度補正を施すのが望ましい。

図７は、図６の実施形態に於けるカム８ａ_４の回動角度をカム板８ａ_４の変位量の関係を調整したものであり、曲線Ａは実施値、曲線Ｂは計算値を示すものである。
尚、カム板８ａ_４の外径は２０ｍｍ及び偏芯量は０．２ｍｍとして実測したものであり、変位量μｍと回転角度の実測値Ａは、計算値Ｂに近いものであることが確認できる。

また、図８は、図６の実施形態に於けるカム板８ａ_４の回転角度と流量レンジ（ＳＣＣＭ）の関係を示すものであり、カム板８ａ_４の外径２０ｍｍ、偏芯量０．２ｍｍ、ダイヤフラム７ａの外径８ｍｍφ、弁座１０ｄ_５の孔径０．３ｍｍφ、孔長さ２．５ｍｍとして測定したものである。

表１は、可変オリフィス７の弁座１０ｄ_５の孔径を０．３ｍｍφとした場合のカム板８ａ_４の回転角度とカム板８ａ_４の変位量μｍと間隙の開口面積μｍ^２、間隙開口面積の換算孔径μｍ、流量レンジＳＣＣＭ、最大流量レンジに対するレンジ比及びＣ_Ｖ値の測定値及び又は計算値を示すものであり、流量レンジの可変範囲は３５：１（MIN６２ｓｃｃｍ）の範囲となる。

同様に、表２は、可変オリフィス７の弁座１０ｄ_５の孔径を０．１ｍｍφとした場合の表１の同じ回転角度等の各測定値及び又は計算値を示すものであり、流量レンジ可変範囲は４８：１（MIN５ＳＣＣＭ）となる。

尚、固定式のオリフィスを用いた従前の圧力制御式流量制御器に於いては、現在Ｆ１０型（フルスケール流量１０ＳＣＣＭ）からＦ１０Ｌ（フルスケール流量１０ＳLＭ）の間に約５０種の流量制御範囲の夫々異なる圧力式流量制御器が製造、販売されており、各種類のオリフィスの製造、管理上に様々な問題が内存する。

これに対して、本発明に係る可変オリフィス７を使用すれば、弁座１０ｄ_５の開孔径が０．５ｍｍφと０．３ｍｍφと０．１ｍｍφの三種の可変オリフィス７を準備するだけで、１〜１０ＳＬＭ（大流量用、弁座孔径０．５ｍｍφ）、６５〜２０００ＳＣＣＭ（中流量用、弁座孔径０．３ｍｍφ）、１０〜２４０ＳＣＣＭ（小流量用、弁座孔径０．１ｍｍφ）の流量範囲をカバーすることが可能となり、従前の固定式オリフィスを使用した約５０種の圧力制御式流量制御器を、３種の可変オリフィス７を用いた本発明に係る圧力制御式流量制御器１でもってカバーすることが可能となる。

前記したように、ステッピングモータ８ｂの回動速度は２００度／０．２ｓｅｃであり、従ってカム板８ａ_４を８０〜１００度回動させるのに要する時間は約０．１ｓｅｃと極く僅かである。従って、例えば実施形態１に於いて、可変オリフィス７の間隙を調整して、１００％流量設定（２４０ｓｃｃｍ、可変オリフィス７の弁座孔径０．１ｍｍ）から２０％流量設定（１０ｓｃｃｍ）の間隙に切換えすることは、０．１秒以下の短時間内に完了できる。

しかし、流体流量が１０ｓｃｃｍの流量レンジ（１００％流量）で２ｓｃｃｍの流量（２０％流量）へ切換えする場合、即ち、小流量域に於ける流量切換時の所要立下げ時間ｔは、可変オリフィス７の上流側流路（即ち、圧力コントロール弁２と可変オリフィス７間の流体流路）内のガスの排除時間が大きく影響し、図１４に示したように当該上流側流路内のガスの排除に６〜７秒の時間を要することになる。

そのため、本実施形態に於いては、図９に示すように流量演算制御部４ａへの流量設定信号Ｑｓの入力に変更（例えば、１０ＳＣＣＭから２ＳＣＣＭへ）があれば、先ず流量設定信号Ｑｓの変更を検知して（ステップＳ_１）、これによりオリフィス開度設定信号Ｑｚを１．５倍以上にし、可変オリフィス７の開度を１．５倍以上にする（ステップＳ_２）。

次に、一定時間（例えば０．１〜０．５ｓｅｃ間）オリフィス開度を１．５倍以上の状態に保持し（ステップＳ_３）、その間にオリフィス上流側通路内のガスを可変オリフィス７の間隙と弁座１０ｄ_５（孔径０．１ｍｍ）を通して外部へ排除する（ステップＳ_４）。

その後、オリフィス開度設定信号Ｑｚを１００％設定流量（１０ＳＣＣＭ）用の設定値に戻し（ステップＳ_５）、２０％設定流量（２ＳＣＣＭ）用に切換えした圧力制御式流量制御器１による流量制御を行う。

尚、図９においては、ステップＳ_２で可変オリフィス７の開度を１・５倍以上とし、可変オリフィス７を一気に開放してその上流側通路内のガスを排出するようにしているが、可変オリフィス７の下流側の機器、装置等や処理プロセスに支障を来たす虞のある場合には、可変オリフィス７の開度変更に上限（例えば、変更前開度の１０倍）を設ける必要のある事は勿論である。

図１０は、上記図９に示した可変オリフィス７の動作に基づいて、第１実施形態に於ける可変オリフィス７をＭａｘ２４０ＳＣＣＭ（弁座１０ｄ_５の孔径０．１ｍｍφ）とし、この可変オリフィス７により１００％設定流量１０ＳＣＣＭで流量制御中に２０％所定流量２ＳＣＣＭに流量を切換えした場合の流量の立下り特性を示すものであり、約１秒間の立下り時間ｔでもって、１０ＳＣＣＭから２ＳＣＣＭへの流量の切換えを行えることが判る。

尚、図９に於ける流量立下げ時間ｔ＝１秒には、前記図９に於けるステップＳ_１からステップＳ_６まで時間が含まれているが、可変オリフィス７自体の切換（弁座１０ｄ_５の上面とダイヤフラム７ａとの間隙調整）に要する時間は０．１〜０．２秒以内であり、従って流量立下げ時間ｔの大部分はステップＳ_４に必要とする時間であると云える。

図１１は本発明の第２実施形態に係る可変オリフィス型圧力制御式流量制御器の縦断面図であり、第４本体１０ｄの内方上面側にシャットオフ弁１７を設け、流体通路１０ｄ_３を緊急時に遮断できるようにしたものである。

前記シャットオフ弁１７には、エアー作動式の圧力コントロール弁２と同構造のダイレクトタッチメタルダイヤフラム弁が使用されており、緊急時等にこれを作動させ、流体通路１０ｄ_３を閉鎖してガスの供給を遮断する。
尚、第２実施形態に係る可変オリフィス型圧力制御式流量制御器は、上記シャットオフ弁１７を設けた点を除いてその他の構成が第１実施形態と同一であり、従ってその詳細な説明は省略する。

本発明は、半導体製造装置用のガス流量制御器としてのみならず、化学品製造装置や食品関係製造装置、各種試験装置等に於ける流体流量制御器にも適用できるものである。

Ｑｓ 設定流量信号
Ｑ_Ｐ１ 演算流量信号
Ｑｙ 制御信号（差信号）
Ｑｚ オリフィス開度設定信号
Ｑｏ オリフィス制御信号
Ｑ_Ｌ オリフィス開度検出信号
ｔ 立下り時間
１ 可変オリフィス型圧力制御式流量制御器
１ａ 圧力制御部
１ｂ 可変オリフィス部
２ 圧力コントロール弁
２ａ ダイヤフラム
２ｂ ダイヤフラム押え
３ 圧力コントロール弁駆動部
３ａ ピエゾ素子
４ 制御部
４ａ 流量演算制御部
４ｂ オリフィス開度演算制御部
４ｃ 接続口
５ 圧力検出器
６ 温度検出器
７ 可変オリフィス（ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁）
７ａ ダイヤフラム
７ｂ ダイヤフラム押え
７ｃ ガスケット
７ｄ 押圧金具
８ 可変オリフィス駆動部
８ａ 偏芯カム
８ａ_１ 回転軸体
８ａ_２ 第１ベアリング
８ａ_３ 第２ベアリング
８ａ_４ カム板
８Ｐ 接当点
８ｂ ステッピングモータ
８ｂ_１ モータ軸
９ 変位センサ
１０ 流量制御器本体
１０ａ 第１本体
１０ａ_１ 凹部
１０ａ_２ 流体通路
１０ａ_３ 流体通路
１０ｂ 第２本体
１０ｂ_１・１０ｂ_２ 流体通路
１０ｃ 第３本体
１０ｃ_１・１０ｃ_２・１０ｃ_３ 流体通路
１０ｄ 第４本体
１０ｄ_１ 凹部
１０ｄ_２・１０ｄ_３ 流体通路
１０ｄ_４ 流体流出口
１０ｄ_５ 弁座
１０ｄ_６ ねじ
１１ 層流素子
１２ 熱量式流量計（マスフローメータ）
１３ 連結固定用ボルト
１４ ボルト挿入孔
１５ ケーシング
１６ シール材
１７ シャットオフ弁
２８ａ ガス入口
２８ｂ ガス出口

Claims (10)

1. 圧力制御部と可変オリフィス部とを備え、可変オリフィス部のオリフィスを流通する流体の流量をＱ_Ｐ１＝ＫＰ_１（但し、Ｐ_１はオリフィス上流側圧力、Ｋは定数）として演算すると共に、前記オリフィスをダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座とダイヤフラム間のリング状の間隙から成るオリフィスとし、前記圧力制御部の流量演算制御部への設定流量信号Ｑｓ及び可変オリフィス部のオリフィス開度演算制御部へのオリフィス開度設定信号Ｑｚの変更により流量制御範囲の切換並びに当該流量制御範囲に於ける流量制御を行うようにした可変オリフィス型圧力制御式流量制御器に於いて、前記可変オリフィス部を、オリフィス開度演算制御部と、オリフィス開度演算制御部からのオリフィス制御信号により駆動されるステッピングヒータと、ステッピングモータにより回動される偏芯カムと、偏芯カムによりダイヤフラム押えを介して弁開度を制御するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁とから構成したことを特徴とする可変オリフィス型圧力式流量制御器。
2. 可変オリフィス部の偏芯カムを、軸心より所定距離だけ偏芯させてモータ軸を縦向きに固定した回転軸体と、回転軸体の外周面に固定した第１ベアリングと、第１ベアリングの外周面に固定した鍔状のカム板とから形成され、回転軸体の回動によりカム板を非回転状態下で左右方向へ前記所定距離だけ移動させるようにした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
3. 可変オリフィス部を形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁を、流量制御器本体の側面に穿設した平面状の底面を有する凹部と、凹部の底面に形成した所望の通路孔径を有する弁座と、弁座と対向状に配設した逆血型のダイヤフラムと、ダイヤフラムと対向状に配設されてその外方端部をカム板の外周面に接当させたダイヤフラム押えと、凹部内へねじ込み固定されてダイヤフラム押えを左右方向へ移動自在に保持すると共にダイヤフラム外周縁を押圧固定する押圧金具と、から構成するようにした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
4. カム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部との接当部が、偏芯カムの回動時に左右方向へのみ変位する構成とした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
5. ステッピングモータの回動角度を０〜２００度とし、当該回動角度範囲内で偏芯カムによりダイヤフラム押えを左右方向に一定距離だけ変位させる構成とした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
6. 偏芯カムのカム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部の接当部と軸対称の位置に変位センサを設け、カム板の回動による前記接当部の水平方向の変位量を検出すると共に、検出したオリフィス開度信号をオリフィス開度演算制御部へ入力する構成とした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
7. 偏芯カムのカム板の外周面とダイヤフラム押えの外方端部の接当部と軸対称の位置に変位センサを設け、カム板の回動による前記接当部の水平方向の変位量を検出すると共に、検出したオリフィス開度信号をオリフィス開度演算制御部へ入力する構成とした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
8. 可変オリフィスを設定流量レンジの１．５倍以上の開度にする保持時間を０．１〜０．５ｓｅｃとすると共に、流量制御時の１００％設定流量から２０％設定流量への立下げ時間を１秒以内とするようにした請求項７に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
9. １００％設定流量レンジの１．５倍以上の開度に保持する可変オリフィスを形成するダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座の流体通路孔径を０．１〜０．５ｍｍとすると共に、１００％設定流量を１０ＳＣＣＭとするようにした請求項８に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。
10. 可変オリフィス部の可変オリフィスの上流側通路にシャットオフ弁を配置する構成とした請求項１に記載の可変オリフィス型圧力制御式流量制御器。

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