JP2018113819A

JP2018113819A - 真空バルブ

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Publication number: JP2018113819A
Application number: JP2017004329A
Authority: JP
Inventors: 伸幸平田; Nobuyuki Hirata
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: JP6747302B2

Abstract

【課題】弁体停止時のオーバーシュートや減衰振動を低減することができる真空バルブの提供。【解決手段】真空バルブは、バルブプレートと、バルブプレートを開閉駆動するモータ１２と、モータ１２にトルク電流Ｉｑを通電してバルブプレートを駆動制御し、モータ１２に所定値の界磁電流Ｉｄを通電してバルブプレートを任意の開度位置に保持制御する速度・位置制御部１３６を備え、速度・位置制御部１３６は、保持制御から駆動制御に切り替わると、界磁電流Ｉｄをいったん減少させた後に、時間経過に伴って連続的に増加させる。【選択図】図３

Description

本発明は、真空バルブに関する。

半導体やフラットパネルディスプレイ等の製造装置では、チャンバ内圧力を予め設定した所定圧力に自動調整する真空バルブが使用される。そのような真空バルブの一つとして、特許文献１に記載のような振り子式のスライドバルブが知られている。振り子式バルブでは、弁体をモータで揺動駆動してガス流路となる開口面積に相当する開度θを変更し、ガスの流れやすさの指標であるコンダクタンスを調整している。特に、目標圧力近傍では開度の微調整が必要なため、弁体を駆動するモータとしてステッピングモータが一般的に使用されている。

モータはマグネットによる絶対値エンコーダを有しており、コントローラはモータの磁極位置を検出することで、回転方向の動作であるｑ軸と保持する方向のｄ軸とを、それぞれ分けて制御することができる。弁体停止時にはｄ軸の電流（界磁電流Ｉｄ）に一定電流を流し、ｑ軸の電流（トルク電流Ｉｑ）をゼロに制御することで、弁体の位置を所定位置に保持することができる。これにより、重力などの外乱力の影響がある場合においても、弁体は所望の停止位置に保持される。弁体動作時には、界磁電流Ｉｄをゼロに制御しつつトルク電流Ｉｑを変化させることで、電力効率の良いモータ制御（Ｉｄ＝０の制御）を実現している。

特開２０１１−１３７５３７号公報

しかしながら、弁体駆動状態から停止状態に移行する際に上述のようなＩｄ，Ｉｑの切り替えを行った場合、弁体停止時にオーバーシュートや減衰振動が発生するという問題が生じる。

本発明の好ましい実施形態による真空バルブは、弁体と、前記弁体を開閉駆動するモータと、前記モータにトルク電流Ｉｑを通電して前記弁体を駆動制御し、前記モータに所定値の界磁電流Ｉｄを通電して前記弁体を任意の開度位置に保持制御する制御部を備え、前記制御部は、前記保持制御から前記駆動制御に切り替わると、前記界磁電流Ｉｄをいったん減少させた後に、時間経過に伴って連続的に増加させる。
さらに好ましい実施形態では、前記駆動制御が行われる期間の終期にＩｄ上昇期間が設定され、前記制御部は、前記Ｉｄ上昇期間において界磁電流Ｉｄを連続的に前記所定値まで上昇させる。
さらに好ましい実施形態では、前記界磁電流Ｉｄは、前記Ｉｄ上昇期間を除く前記駆動制御の期間においては前記界磁電流Ｉｄをゼロに制御され、前記Ｉｄ上昇期間においては前記所定値から前記トルク電流Ｉｑを減算した値に制御される。

本発明によれば、弁体停止時のオーバーシュートや減衰振動を低減することができる。

図１は、真空バルブを備える真空システムの概略構成を示す図である。図２は、真空バルブの平面図である。図３は、モータ制御装置の一例を示すブロック図である。図４は、モータの一例を説明する図である。図５は、インバータを説明する図である。図６は、従来のバルブ制御の一例を説明する図である。図７は、本実施の形態におけるバルブ制御の一例を示す図である。図８は、本実施の形態におけるバルブ制御の他の例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態における真空バルブ１を備える真空システムの概略構成を示す図である。真空バルブ１は、真空装置のチャンバ２と真空ポンプ３との間に設けられる。真空ポンプ３は、真空バルブ１を介してチャンバ２を排気する。真空バルブ１は、弁体であるバルブプレート１１と、バルブプレート１１を揺動駆動するモータ１２と、モータ１２を駆動制御するモータ制御装置１３を備えている。モータ１２には、例えば、ステッピングモータが用いられる。

図２は、真空バルブ１をチャンバ２側から見た平面図である。バルブプレート１１が収納される筐体であるバルブボディ１４には、チャンバ２との接続が行われるフランジ１４ａが形成されている。バルブプレート１１をモータ１２により揺動駆動すると、バルブプレート１１が水平方向にスライド駆動されてバルブ開閉動作が行われる。バルブプレート１１は、フランジ１４ａの開口全体に対向する全遮蔽位置Ｃ２と、フランジ開口に全く対向しない全開放位置Ｃ１との間の任意の位置にスライド移動させることができる。

バルブプレート１１の開閉位置は、開度と呼ばれるパラメータで表される。開度とは、比＝（バルブプレートの揺動角）：（全開放位置Ｃ１から全遮蔽位置Ｃ２までの揺動角）をパーセントで表したものである。図２の全遮蔽位置Ｃ２は開度＝０％であり、全開放位置Ｃ１は開度＝１００％である。すなわち、バルブプレート１１の開度を調整することにより、真空バルブ１のコンダクタンスを制御する。

図３は、モータ制御装置１３の一例を示すブロック図である。モータ制御装置１３は、電流センサ１３１、インバータ１３２、ＰＷＭ信号生成部１３３、ｄｑ−αβ変換部１３４、２相電流変換部１３５、速度・位置制御部１３６を備えている。モータ１２は、エンコーダ１２１としてマグネットによる絶対値エンコーダを有している。エンコーダ１２１によって検出されたモータ回転位置θｍは、速度・位置制御部１３６に入力される。モータ制御装置１３は、モータ１２の磁極位置を検出することで、回転方向の動作であるｑ軸と保持する方向のｄ軸とを、それぞれ分けて制御することができる。

速度・位置制御部１３６には、バルブプレート１１を移動すべき目標開度（以下では、開度指令値と呼ぶことにする）θｓが入力される。速度・位置制御部１３６は、フィードバック入力されたモータ回転位置θｍに基づくバルブプレート１１の開度θｒ（以下では、開度計測値と呼ぶ）と開度指令値θｓとを用いたＰＩＤ制御により、モータ１２に流すべきトルク電流Ｉｑおよび界磁電流Ｉｄを算出する。算出されたトルク電流Ｉｑおよび界磁電流Ｉｄはｄｑ−αβ変換部１３４に入力され、ｄｑ−αβ変換部１３４によって２相電流Ｉα，Ｉβに変換される。

モータ１２に流れている電流は電流センサ１３１により検出され、２相電流変換部１３５によって２相電流Ｉαr、Ｉβrに変換される。この２相電流Ｉαr、Ｉβrは、ＰＷＭ信号生成部１３３にフィードバック入力される。ＰＷＭ信号生成部１３３は、２相電流Ｉαr、Ｉβrとｄｑ−αβ変換部１３４から入力された２相電流Ｉα，Ｉβとに基づいて、インバータ１３２の各スイッチング素子をスイッチングするためのＰＷＭスイッチング信号を生成する。インバータ１３２は、ＰＷＭ信号生成部１３３からのＰＷＭスイッチング信号に基づいてスイッチング動作を行い、モータ１２に所望の電流を通電させる。

図４は、モータ１２の一例を説明する図である。本実施の形態ではモータ１２にステッピングモータが用いられている。図４に示す例では２相のハイブリッド（ＨＢ）型ステッピングモータが用いられており、ロータ１２２の周囲にステータコイル１２４Ａ，１２４Ｂが複数配置されている。

例えば、２相８極モータであればＡ相(+)、Ｂ相(+)、Ａ相(-)、Ｂ相(-)・・・のように８つのコイルが配置されている。さらにＡ相(-)のコイルはＡ相(+)を逆巻にしたものであり、後述する２つのブリッジ回路へＡ相、Ｂ相を各々バイポーラ接続するためにＡ相(+)、Ａ相(-)間、Ｂ相(+)、Ｂ相(-)間で各極のコイル同士が配線されている。

ロータ１２２は、軸方向にＮＳに着磁された永久磁石の軸方向両端を、２つの回転子鉄心１２２ａ，１２２ｂで挟み込んだ構造になっている。各回転子鉄心１２２ａ，１２２ｂの外周には複数の小歯１２３が形成されている。２つの回転子鉄心の小歯は１／２ピッチずれて形成されている。

図３のインバータ１３２には、４つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路が各相コイル毎に設けられている。図５はフルブリッジ回路の構成を示す図である。図５では、Ａ相に関する各極コイルを配線したコイルを改めてＡ相コイルとし、Ｂ相に関する各極コイルを配線したコイルを改めてＢ相コイルとして各々フルブリッジ回路１３２Ａ，１３２Ｂへ接続した図を示した。

フルブリッジ回路１３２Ａ，１３２Ｂのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはトランジスタやＩＧＢＴ等が用いられ、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはダイオードＤ１〜Ｄ４が並列接続されている。ＰＷＭ信号生成部１３３からのスイッチング信号によりインバータ１３２のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオンオフ制御することにより、各相コイルに通電する。

このようなステッピングモータの基本ステップ角θsmは、θsm＝１８０／ｍＮr（deg）で与えられる。なお、ｍはステータの相数、Ｎrはロータの小歯の数である。モータ１２は、２相で、Ｎr＝５０に設定されているので、θsm＝１．８（deg）である。

（従来のバルブ制御）
ところで、バルブプレートを第１の開度θ１から第２の開度θ２へ変更する場合、図６（ａ）に示すように界磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを制御するのが一般的である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のように界磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑを変化させた場合のバルブプレート１１の開度の推移を示す図である。

図６（ａ）において、ラインＬ１１は界磁電流Ｉｄを示し、ラインＬ１２はトルク電流Ｉｑを示す。バルブ制御状態は、ｔ＜ｔ１ではバルブプレート１１を開度θ１に保持する保持状態とされ、ｔ１≦ｔ≦ｔ２ではバルブプレート１１を開度θ１から開度θ２へ移動させる駆動状態となり、ｔ２＜ｔではバルブプレート１１を開度θ２に保持する保持状態とされる。また、図６（ｂ）において、ラインＬ２１は開度指令値θｓの推移を示しており、ラインＬ２２は、エンコーダ１２１で検出されるモータ回転位置θｍから算出されるバルブプレート１１の開度計測値θｒの推移を示している。

ｔ＜ｔ１においては、開度指令値θｓはθｓ＝θ１であって、モータ電流はＩｄ＝Ｉ１，Ｉｑ＝０に制御され、バルブプレート１１は開度θ１に保持されている。電流Ｉ１は、バルブプレート１１を任意の開度位置に保持するための保持電流である。ｔ＝ｔ２に開度指令値θｓがθ１からθ２に変更されると、モータ制御装置１３の速度・位置制御部１３６は界磁電流Ｉｄおよびトルク電流ＩｑをＩｄ＝０、Ｉｑ＝Ｉ２に切り替える。その結果、バルブプレート１１の開度計測値θｒは時間の経過と共に増加する。

偏差Δθ＝θ２−θｒがある程度小さくなると、バルブプレート１１の駆動速度を下げる目的で、ラインＬ１２のようにトルク電流Ｉｑを徐々に減少させる。偏差Δθがさらに小さくなって閾値Δθth以下になると（時刻ｔ２）、界磁電流Ｉｄおよびトルク電流ＩｑをＩｄ＝Ｉ１、Ｉｑ＝０に切り替えて、バルブプレート１１を開度θ２の位置に保持する保持制御に移行する。このとき、Ｉｑ＝０の状態で界磁電流Ｉｄが階段状に、すなわち、不連続的に瞬時に保持電流Ｉ１へ変化するため、モータ１２のロータ１２２は開度θ２に対応する回転位置へ急激に引き寄せられ、惰性でオーバーシュートし、バルブプレート１１が開度θ２の前後に減衰振動するという問題が生じる。

（本実施の形態のバルブ制御）
図７は、本実施の形態のバルブ制御の一例を示す図である。図７（ａ）は、図６（ａ）の場合と同様に界磁電流Ｉｄおよびトルク電流Ｉｑの推移を示している。図７（ｂ）は、図６（ｂ）の場合と同様にバルブプレート１１の開度の推移を示している。ラインＬ３１は界磁電流Ｉｄを示し、ラインＬ３２はトルク電流Ｉｑを示す。また、図７（ｂ）のラインＬ４１は開度指令値θｓの推移を示し、ラインＬ４２は開度計測値θｒの推移を示している。

上述したように、駆動制御から保持制御に切り換える際に界磁電流Ｉｄを階段状に急増させることによって、開度のオーバーシュートが発生する。そこで、本実施の形態では、図７に示すように保持制御から駆動制御に切り替わると界磁電流Ｉｄをいったん減少させ、その後、駆動制御から保持制御に切り替わる前に界磁電流Ｉｄを徐々に、すなわち時間経過に伴って連続的に増加させるようにした。徐々に増加した界磁電流Ｉｄは、駆動制御から保持制御への切り替え時にはＩｄ＝Ｉ１となる。

図７（ａ）に示す例では、ＰＩＤ制御によって算出されるトルク電流Ｉｑに対して、Ｉｄ＝（保持電流Ｉ１）−Ｉｑと設定すると共に、界磁電流Ｉｄの下限値をゼロとした。すなわち、Ｉｑ＞Ｉ１の範囲においてはＩｄ＝０とし、駆動制御が行われる期間の終期（Ｉｑ≦Ｉ１）に設定されたＩｄ上昇期間（ｔ３≦ｔ≦ｔ２）においては、界磁電流Ｉｄを連続的に保持電流Ｉ１まで上昇させるようにした。ここでは、Ｉｑ＝Ｉ１となる時刻をｔ３とし、時刻ｔ２においてはＩｑ＝０、Ｉｄ＝Ｉ１となり、その時点で駆動制御から保持制御に切り替わる。

駆動制御開始後、ある程度の時間はトルク電流Ｉｑが大きな値（Ｉｑ＝Ｉ２）に設定されるので、高速度でバルブプレート１１が駆動される。その際には、Ｉｄ＝０と設定されるので、電力効率の高いモータ制御となる。その後、開度計測値θｒが目標開度であるθ２に近づくとトルク電流Ｉｑが減少され、バルブプレート１１の速度が徐々に低下する。このとき、界磁電流ＩｄはＩｄ＝０から徐々に増加し、ｔ２においてＩｄ＝Ｉ１となる。

図６に示す例では、時刻ｔ２において界磁電流Ｉｄが階段状に瞬時に上昇しているのでオーバーシュートや減衰振動が生じていたが、図７（ａ）では、時間経過に伴って界磁電流Ｉｄを連続的に増加させることにより界磁電流Ｉｄが徐々に増加するので、ロータ１２２が開度θ２に対応する回転位置へ急激に引き寄せられるのを防止することができ、従来のようなオーバーシュートや、バルブプレート１１の減衰振動を防止することができる。

なお、界磁電流Ｉｄの制御形態としては、保持制御から駆動制御に切り替わると、界磁電流Ｉｄをいったん減少させた後に、時間経過に伴って連続的に増加させるものであれば、種々の形態が可能である。例えば、図７（ａ）の場合と同様に、前記駆動制御が行われる期間の終期にＩｄ上昇期間を設定する制御形態としては、図８のラインＬ５１で示すように直線的に上昇させるようにしても良い。この場合、ｔ４≦ｔ≦ｔ２がＩｄ上昇期間であり、界磁電流Ｉｄは、ｔ４≦ｔ＜ｔ２ではＩｄ＝｛Ｉ１／（ｔ２−ｔ４）｝・（ｔ−ｔ４）のように制御される。

また、図８のラインＬ５２のように、時刻ｔ１においていったん界磁電流ＩｄをＩｄ＝０とした後に、徐々に増加させてＩｄ＝Ｉ１とするようにしても良い。また、図８のラインＬ５３のように、時刻ｔ１におけるＩｄの低下量をラインＬ５２の場合よりも小さく設定し、時刻ｔ１において界磁電流ＩｄをＩｄ＝Ｉ３とした後に徐々に増加させるようにしても良い（０＜Ｉ３＜Ｉ１）。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、上述した実施の形態ではモータ１２がステッピングモータの場合を例に説明したが、本発明は、ステッピングモータの場合に限らず適用可能である。

１…真空バルブ、３…真空ポンプ、１１…バルブプレート、１２…モータ、１３…モータ制御装置、１２１…エンコーダ、１３１…電流センサ、１３２…インバータ、Ｉ１…保持電流、Ｉｄ…界磁電流、Ｉｑ…トルク電流

Claims

弁体と、
前記弁体を開閉駆動するモータと、
前記モータにトルク電流Ｉｑを通電して前記弁体を駆動制御し、前記モータに所定値の界磁電流Ｉｄを通電して前記弁体を任意の開度位置に保持制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記保持制御から前記駆動制御に切り替わると、前記界磁電流Ｉｄをいったん減少させた後に、時間経過に伴って連続的に増加させる、真空バルブ。
請求項１に記載の真空バルブにおいて、
前記駆動制御が行われる期間の終期にＩｄ上昇期間が設定され、
前記制御部は、前記Ｉｄ上昇期間において界磁電流Ｉｄを連続的に前記所定値まで上昇させる、真空バルブ。
請求項２に記載の真空バルブにおいて、
前記界磁電流Ｉｄは、前記Ｉｄ上昇期間を除く前記駆動制御の期間においては前記界磁電流Ｉｄをゼロに制御され、前記Ｉｄ上昇期間においては前記所定値から前記トルク電流Ｉｑを減算した値に制御される、真空バルブ。