JP2020101213A - 真空バルブおよびバルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微調整性能の向上を図ることができる真空バルブの提供。【解決手段】真空バルブ４は、バルブ開口４１０と対向配置した弁体４０をバルブ開口４１０に対して昇降駆動して、バルブ開閉動作を行う真空バルブであって、弁体４０を第１の最小駆動可能量で昇降駆動する粗調整駆動部４３と、弁体４０を、第１の最小駆動可能量よりも小さい第２の最小駆動可能量で昇降駆動する微調整駆動部４４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、真空バルブおよびバルブ制御装置に関する。

従来、流量を制御するポペット式の真空バルブが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の真空バルブでは、弁体を弁座に対して昇降駆動することで弁体開度を制御している。弁体の駆動方法としては、例えば、特許文献２に記載の発明のような送りねじ駆動方式が一般的に知られている。特許文献２に記載の発明では、弁棒に固定されたボールねじナットに螺合するねじ棒をステッピングモータ等で回転駆動することで、弁棒の固定された弁体を昇降駆動している。

特開２０１７−２２７３２５号公報 特開２００１−３０４１７３号公報

ところで、半導体製造装置の真空プロセスにおいては、稀薄ガス雰囲気にある真空チャンバの圧力を予め設定した目標圧力に自動的に調整する自動調圧式の真空バルブが用いられる。上述した特許文献１に記載の真空バルブも、自動調圧式の真空バルブとして用いられる。自動調圧式の真空バルブでは目標圧力近傍では弁体開度の微調整が必要なため、弁体駆動に対して微調整性能が要求される。しかしながら、弁体を送りねじ駆動方式で開閉制御する真空バルブでは、送りねじ機構が有するバックラッシュにより、弁体開度の微調整性能が不十分であるという課題があった。

本発明の好ましい態様による真空バルブは、バルブ開口と対向配置した弁体を前記バルブ開口に対して昇降駆動して、バルブ開閉動作を行う真空バルブであって、前記弁体を第１の最小駆動可能量で昇降駆動する第１昇降駆動部と、前記弁体を、前記第１の最小駆動可能量よりも小さい第２の最小駆動可能量で昇降駆動する第２昇降駆動部と、を備える。
さらに好ましい態様では、前記第１昇降駆動部は、前記第２昇降駆動部を前記弁体と一体に前記弁体の昇降方向に駆動する。
さらに好ましい態様では、前記第２昇降駆動部は、前記弁体を昇降駆動方向に磁気浮上支持する磁気浮上アクチュエータである。
本発明の好ましい態様によるバルブ制御装置は、前記真空バルブを制御するバルブ制御装置であって、前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて前記第１昇降駆動部の昇降駆動を開ループ制御により制御する第１の制御部と、前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて、前記第２昇降駆動部の昇降駆動または前記第１および第２昇降駆動部を閉ループ制御により制御する第２の制御部とを備える。
さらに好ましい態様では、前記第２の制御部は、前記第１昇降駆動部の昇降駆動後の前記圧力目標値および前記圧力計測値に基づいて前記第２昇降駆動部の昇降駆動を制御する。
本発明の好ましい態様によるバルブ制御装置は、前記真空バルブを制御するバルブ制御装置であって、前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて開ループ制御により前記第１昇降駆動部の昇降駆動を制御する第１の制御部と、前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて、閉ループ制御により前記第２昇降駆動部の昇降駆動を制御する第２の制御部とを備え、前記第２の制御部は、前記真空バルブの全閉時に、前記磁気浮上アクチュエータにより前記弁体を弁座の方向に駆動し、前記弁体と前記弁座との間に設けられたシール部材に前記弁体を所定の力で押圧させる。

本発明によれば、弁体を昇降駆動する真空バルブの微調整性能の向上を図ることができる。

図１は、真空バルブが装着された真空装置の概略構成を示す図である。 図２は、弁体駆動部の拡大図である。 図３は、バルブコントローラの構成を示すブロック図である。 図４は、図３のモータ制御部をより詳細に示す図である。 図５は、微調整駆動部の磁気浮上制御に関するブロック図である。 図６は、調圧制御の概略の手順を示すフローチャートである。 図７は、開ループ制御処理の一例を示すフローチャートである。 図８（ａ）は駆動調整量ΔＬの演算の詳細を示すフローチャートであり、（ｂ）は排気特性データからの実効排気速度、弁体駆動量の導出を説明する図である。 図９は、駆動調整量ΔＬａを説明する図である。 図１０は、閉ループ制御処理の一例を示すフローチャートである。 図１１は、全閉動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、変形例１の真空バルブの概略構成を示す図である。

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、本発明に係る真空バルブの一実施の形態を示す図であり、真空バルブ４が装着された真空装置の概略構成を示す図である。真空装置は、真空プロセスが行われる真空チャンバ１と、真空チャンバ１での処理に関する制御を行う装置コントローラ２とを備えている。

真空チャンバ１には、真空チャンバ１を真空排気するための真空ポンプ３と、真空チャンバ１を真空排気する際の実効排気速度を調整するための真空バルブ４とが装着されている。真空ポンプ３には、例えば、ターボ分子ポンプが用いられる。真空バルブ４の開閉動作はバルブコントローラ５によって制御される。真空チャンバ１内の圧力（以下では、圧力計測値と呼ぶ）Ｐｒは真空計１１により計測される。真空チャンバ１に導入されるガスの流量Ｑinは、流量計１２によって計測される。真空計１１および流量計１２の計測値は、装置コントローラ２に入力される。

真空バルブ４は、弁体４０、弁座４１および２組の弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂを備えている。真空チャンバ１に固定される弁座４１にはバルブ開口４１０が形成されており、このバルブ開口４１０に真空ポンプ３の吸気口フランジが固定される。弁体４０は、破線で示すようにバルブ開口４１０に対して図示上下方向（ｚ軸方向）に昇降駆動される。弁座４１の真空チャンバ側の面にはシール部材４１１が設けられている。真空バルブ４を全閉状態とした時には、弁体４０がシール部材４１１に押圧されて、バルブ開口４１０が弁体４０によって完全に遮蔽される。２組の弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂは同一構成とされており、それぞれ粗調整駆動部４３と微調整駆動部４４とを備えている。

なお、バルブ開口４１０と弁体４０の平面視形状は円形が好ましいが、矩形形状でもよい。また、２組の弁体駆動部４２Ａ、４２Ｂは、好ましくは弁体４０の中心軸に関して点対称の位置に設置される。

（弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂ）
図２は弁体駆動部４２Ａの拡大図である。粗調整駆動部４３は、ステッピングモータ４３０によって駆動されるリニアアクチュエータであり、本実施の形態ではボールねじを用いたリニアアクチュエータが採用されている。ボールねじナット４３３に螺合しているねじ棒４３１は、カップリング４３２によりステッピングモータ４３０の回転軸に結合されている。ボールねじナット４３３は、微調整駆動部４４が固定されるスライダ４３４に設けられている。スライダ４３４は、支持部４３５によってｚ軸方向にスライド移動可能に支持されている。支持部４３５には、例えば、リニアガイドやリニアボールベアリング等が用いられる。支持部４３５は本体ケース４７０ の内面に設けられている。

ねじ棒４３１がステッピングモータ４３０により回転駆動されると、ボールねじナット４３３が設けられているスライダ４３４はねじ棒４３１に沿ってｚ軸方向に昇降駆動される。粗調整範囲であるスライダ４３４の昇降駆動のストロークは、弁体４０が全閉状態の下端位置から全開状態の上端位置までの移動量である。位置センサ４３６はスライダ４３４が上記下端位置に達したことを検出するセンサであり、例えば、フォトインタラプタ等が用いられる。

微調整駆動部４４は、昇降駆動のストロークが粗調整駆動部４３のストロークよりも小さく、かつ、粗調整駆動部４３の分解能よりも高い分解能を有する駆動部である。例えば、 微調整駆動部４４はアキシャル磁気浮上アクチュエータを有し、微調整駆動部４４の筐体４４０（４４０ａ，４４０ｂ，４４０ｃ）はスライダ４３４に固定されている。筐体４４０は、例えば円筒形状であり、底板４４０ａ、側壁４４０ｂおよび天板４４０ｃから成る。筐体４４０内には、一対の電磁石（上側電磁石４４１ａと下側電磁石４４１ｂ）と、上側電磁石４４１ａおよび下側電磁石４４１ｂによりｚ軸方向に磁気浮上支持されるアキシャルディスク４４２とを備えている。アキシャルディスク４４２のｚ軸方向の変位は、アキシャルディスク４４２の下面に設けられたセンサターゲット４４３と対向するように設けられたアキシャルギャップセンサ４４４によって検出される。

アキシャルディスク４４２には弁棒４５０が締結されている。弁棒４５０は、本体ケース４７０に設けられたリニアボールベアリング４５１によってｚ軸方向に移動可能に支持されている。図１に示すように、弁棒４５０は弁座４１を貫通して真空チャンバ１側まで延在し、弁棒４５０の上端には真空チャンバ１内に配置される弁体４０が固定されている。弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの筐体内は大気圧状態とされるので、弁座４１の貫通孔と弁棒４５０との隙間から弁体駆動部４２Ａ内の気体が真空チャンバ１内へと侵入しないように、弁棒４５０と弁座４１との間にベローズ４５２が設けられている。ベローズ４５２は、真空チャンバ１内空間と本体ケース４７０内空間とを仕切る真空シールとして機能する。

上述のように、弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂは粗調整駆動部４３と微調整駆動部４４とを備え、粗調整駆動部４３による駆動量Ｌａと微調整駆動部４４の駆動量Ｌｂ（＜Ｌａ）とを合計したＬａ＋Ｌｂだけ、弁体４０をｚ軸方向に駆動する。例えば、駆動量Ｌａは弁体全閉位置を基準位置とし、駆動量Ｌｂは電磁アクチュエータの中立位置（中間位置）を基準位置として表される。これら駆動量Ｌａ、Ｌｂの算出方法は以下で詳述する。

微調整駆動部４４に使用されるアキシャル磁気浮上アクチュエータは、一般的に１μｍ以下の位置決め精度（最小駆動可能量）を有する。一方、ステッピングモータ４３０とボールねじ機構とを用いる粗調整駆動部４３の位置決め精度は、ステッピングモータ４３０のステップ角で決まる分解能（最小駆動可能量）と、ボールねじ機構のバックラッシュによる位置変位誤差とに依存している。そのため、粗調整駆動部４３の位置決め精度は、アキシャル磁気浮上アクチュエータを有する微調整駆動部４４の位置決め精度よりも低い。

本実施の形態では、粗調整駆動部４３による粗い昇降駆動と微調整駆動部４４による微小な昇降駆動とを組み合わせることにより、弁体４０を高精度に位置決めできるような構成とした。ステッピングモータ４３０による昇降駆動においては、ステッピングモータ４３０は予め定まった所定のステップ角の分解能で回転駆動される。従って、上記ステップ角に応じて、スライダ４３４の最小変位ΔＬa1、すなわち、粗調整駆動部４３による弁棒４５０の最小変位ΔＬa1が定まる。ボールねじ機構のバックラッシュによる変位誤差の最大値ΔＬa2は予め分かっており、粗調整駆動部４３の位置決め精度はΔＬa1＋ΔＬa2となる。そのため、微調整駆動部４４のアキシャル磁気浮上アクチュエータは、弁棒４５０の変位をΔＬa1＋ΔＬa2だけ微調整できるように構成される。

例えば、ステッピングモータ４３０が２相モータの場合にはステップ角は１．８°であって、ねじ棒４２１のリードピッチが１０ｍｍならば、最小変位ΔＬa1はΔＬa1＝５０μｍ（＝(１．８/３６０）×１００００)となる。そして、ボールねじ機構のバックラッシュによる変位誤差の最大値ΔＬa2を１００μｍと仮定した場合には、ΔＬa1＋ΔＬa2＝１５０μｍとなる。汎用のアキシャル磁気軸受でも５００μｍ程度の範囲で変位調整可能であるので、変位誤差ΔＬa1＋ΔＬa2に対して微調整駆動部４４による位置誤差補正が十分に可能である。すなわち、微調整駆動部４４は、粗調整駆動部４３の位置決め精度を示す移動量（分解能）より小さい移動量で弁体４０を位置決めする位置決め精度（分解能）を有する。

図１に示すようにバルブ開口４１０に対して弁体４０が昇降駆動して開閉動作を行うポペット式の真空バルブ４では、バルブコンダクタンスがゼロの全閉位置から、十分なバルブコンダクタンスがとれる全開位置までの弁体４０のストロークは、弁体４０の直径にもよるが最大で１００ｍｍ程度が必要とされる。従って、粗調整駆動部４３は１００ｍｍの可動ストローク範囲、すなわち粗調整範囲で弁体４０を昇降駆動することになる。

（バルブコントローラ５の詳細）
図３は、バルブコントローラ５の構成を示すブロック図である。バルブコントローラ５は、真空計１１で計測された圧力計測値Ｐｒに基づいて、真空チャンバ１の圧力が与えられた圧力目標値Ｐｓとなるように真空バルブ４の開度すなわちバルブコンダクタンスを調整する。ここでは、真空バルブ４の開度を次式（１）で算出されるαで表すことにする。
α＝（Ｌ/Ｌ０）×１００ …（１）

式（１）において、Ｌ０は、全閉状態における弁体位置を基準位置とする全開状態における弁体４０の駆動量であって、弁体４０の可動ストロークに相当する。式（１）のＬは上記基準位置から現在の駆動位置までの駆動量であって、以下では弁体駆動量と称することにする。前述した粗調整駆動部４３による駆動量Ｌａは上述した最小変位ΔＬa1の整数倍で表される量であって、差＝Ｌ−Ｌａを微調整駆動部４４の駆動量Ｌｂで調整することで、弁体駆動量Ｌを実現する。また、微調整駆動部４４の駆動量Ｌｂは、アキシャルディスク４４２が上側電磁石４４１ａと下側電磁石４４１ｂとの中間位置を基準とした場合の、中間位置からの変位量とする。そのため、アキシャルディスク４４２の位置が中間位置よりも下側電磁石４４１ｂ側にある場合には、駆動量Ｌｂは負の値となる。式（１）は開度αと弁体駆動量Ｌとの相関を表す式であり、以下では開度αに代えて弁体駆動量Ｌを用いて説明する。

図３に示すように、バルブコントローラ５は記憶部５０、調圧制御部５１、モータ制御部５２、インバータ回路５３ａ，５３ｂ、磁気浮上制御部５４ａ，５４ｂおよび励磁アンプ５５ａ，５５ｂを備えている。磁気浮上制御部５４ａおよび励磁アンプ５５ａは弁体駆動部４２Ａに対応して設けられたものであり、磁気浮上制御部５４ｂおよび励磁アンプ５５ｂは弁体駆動部４２Ｂに対応して設けられたものである。バルブコントローラ５には、圧力目標値Ｐｓと真空計１１で計測された圧力計測値Ｐｒとが装置コントローラ２から入力され、アキシャルギャップセンサ４４４で検出された変位信号Ｓg1，Ｓg2が各微調整駆動部４４から入力される。

記憶部５０には、弁体駆動量Ｌと実効排気速度Ｓｅとの相関関係、または、弁体駆動量Ｌと真空バルブ４のコンダクタンスＣｖとの相関関を示す排気特性データが記憶されている。実効排気速度Ｓｅとは真空ポンプ３と真空バルブ４とから成る真空排気系の排気速度であって、真空ポンプ３の排気速度Ｓｐと真空バルブ４のコンダクタンスＣｖとから算出される。あるいは、真空ポンプ３と真空バルブ４とから成る真空排気系の排気速度を実測することで得られる。以下では、弁体駆動量Ｌと実効排気速度Ｓｅとの相関関係を示す排気特性データが記憶部５０に記憶されている場合を例に説明する。

調圧制御部５１は、圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとの差分ΔＰ＝Ｐｓ−Ｐｒを算出し、|ΔＰ|＞ΔＰthの場合には開ループ制御で調圧制御を行い、|ΔＰ|≦ΔＰthの場合には閉ループ制御で調圧制御を行う。調圧制御部５１は、モータ制御部５２および磁気浮上制御部５４ａ，５４ｂに対して変位に相当する目標位置指令βas，βbsを出力する。後述するように、調圧制御部５１では圧力目標値Ｐｓに応じた目標弁体駆動量Ｌｓが算出され、目標弁体駆動量Ｌｓと現在の弁体駆動量Ｌとの差分ΔＬ＝Ｌｓ−Ｌに基づく駆動量だけ弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂで弁体４０を駆動する。ここでは、ΔＬを弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの駆動調整量と呼び、粗調整駆動部４３および微調整駆動部４４の駆動調整量をそれぞれΔＬａ，ΔＬｂとする。すなわち、ΔＬ＝ΔＬａ＋ΔＬｂである。なお、調圧制御の詳細は後述する。

モータ制御部５２は、調圧制御部５１から入力される目標位置指令βasに基づいて生成されるＰＷＭゲート信号を２つのインバータ回路５３ａ，５３ｂに入力する。２組の弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの内、一方の弁体駆動部４２Ａに設けられた粗調整駆動部４３はインバータ回路５３ａによって駆動され、他方の弁体駆動部４２Ｂに設けられた粗調整駆動部４３は他方のインバータ回路５３ｂによって駆動される。各インバータ回路５３ａ，５３ｂは調圧制御部５１から入力されるＰＷＭゲート信号に基づいて各粗調整駆動部４３のステッピングモータ４３０を駆動する。その結果、各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂにおいて、微調整駆動部４４が固定されたスライダ４３４がｚ軸方向に同一駆動量だけ駆動される。

(モータ制御部５２の詳細)
図４は、ステッピングモータ４３０の駆動に関係するモータ制御部５２をより詳細に示したブロック図である。モータ制御部５２には、パルス制御部５２０とＰＷＭ信号生成部５２１とが設けられている。調圧制御部５１からモータ制御部５２に入力される目標位置指令βasは、上述した駆動調整量ΔＬａだけ駆動するための回転方向、駆動角度および駆動速度に関する指令である。パルス制御部５２０は、調圧制御部５１からの目標位置指令βasに基づいて指令パルス信号を生成する。指令パルス信号のパルス数で粗調整駆動部４３の駆動調整量ΔＬａが決まり、指令パルス信号の周波数で駆動速度が決まる。ＰＷＭ信号生成部５２１は、指令パルス信号に基づいてＰＷＭゲート信号を生成する。そのＰＷＭゲート信号によりインバータ回路５３ａが駆動され、ステッピングモータ４３０（２相モータ）に２相電流ｉａ，ｉｂが供給される。

(微調整駆動部４４の制御系統)
図５は、微調整駆動部４４の磁気浮上制御に関するブロック図である。磁気浮上制御部５４ａは、電磁石制御部５４０と、ＰＷＭ信号生成部５４１，５４２とを備えている。励磁アンプ５５ａには、上側電磁石４４１ａに励磁電流を供給する励磁アンプ５５０と、下側電磁石４４１ｂに励磁電流を供給する励磁アンプ５５１とが設けられている。

調圧制御部５１から磁気浮上制御部５４ａに入力される目標位置指令βbsは、微調整駆動部４４によって弁体４０を上述した駆動調整量ΔＬｂだけ駆動させるための指令である。電磁石制御部５４０には、調圧制御部５１から入力される目標位置指令βbsとアキシャルギャップセンサ４４４から入力される変位信号Ｓg1との差分＝βbs−Ｓg1が入力される。目標位置指令βbsも変位信号Ｓg1も変位に相当する量であり、それらの差分も変位に相当する量である。電磁石制御部５４０は、差分＝βbs−Ｓg1に基づいて制御電流指令Ｓicを生成する。

微調整駆動部４４のアキシャル磁気浮上アクチュエータにおいては、アキシャルディスク４４２を挟んで対向配置された上側電磁石４４１ａおよび下側電磁石４４１ｂに対して、バイアス電流（オフセット電流とも呼ばれる）ｉｂと制御電流ｉｃとが励磁電流として供給される。図５の信号Ｓibはバイアス電流ｉｂに関するバイアス電流指令であり、制御電流指令Ｓicは制御電流ｉｃに関する指令である。例えば、上側電磁石４４１ａの励磁電流ＩａをＩａ＝ｉｂ＋ｉｃと設定し、下側電磁石４４１ｂの励磁電流ＩｂをＩｂ＝ｉｂ−ｉｃと設定する。

電磁石制御部５４０から出力された制御電流指令Ｓicは、バイアス電流指令Ｓibに対して加算および減算される。バイアス電流指令Ｓibは、一定値のバイアス電流ｉｂが供給されるように設定される。ＰＷＭ信号生成部５４１には励磁電流指令としてＳib＋Ｓicが入力され、ＰＷＭ信号生成部５４１は励磁電流指令（Ｓib＋Ｓic）に基づくＰＷＭゲート信号を上側電磁石４４１ａの励磁アンプ５５０へ出力する。励磁アンプ５５０は、ＰＷＭ信号生成部５４１からのＰＷＭゲート信号に基づく励磁電流を上側電磁石４４１ａへ供給する。一方、ＰＷＭ信号生成部５４２には励磁電流指令としてＳib−Ｓicが入力され、ＰＷＭ信号生成部５４２は励磁電流指令（Ｓib−Ｓic）に基づくＰＷＭゲート信号を下側電磁石４４１ｂの励磁アンプ５５１へ出力する。励磁アンプ５５１は、ＰＷＭ信号生成部５４２からのＰＷＭゲート信号に基づく励磁電流を下側電磁石４４１ｂへ供給する。

バイアス電流ｉｂは一定値に設定され、制御電流指令Ｓicにより制御電流ｉｃを増減させてアキシャルディスク４４２の浮上位置を図示上方（ｚ軸の正方向）または図示下方（ｚ軸の負方向）に変化させる。その結果、弁棒４５０が上下に駆動される。ちなみに電磁石制御部５４０は通常ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御器で構成され、積分要素により弁体の自重分が支持される。例えば、上側電磁石４４１ａおよび下側電磁石４４１ｂが同一仕様の電磁石で、アキシャルディスク４４２がその中間位置に浮上静止している状態では、下方に弁体４０の自重が作用するので、上側電磁石４４１ａでその自重分を吸引支持することになる。その場合、励磁電流Ｉａ，Ｉｂは、Ｉａ＞Ｉｂのように上側電磁石４４１ａの方が下側電磁石４４１ｂよりも大きく、電流値はほとんど直流になる。

(調圧制御処理フロー)
次に、調圧制御部５１による調圧制御について説明する。図６は調圧制御の概略の手順を示すフローチャートである。なお、以下では、真空チャンバ１に導入されるガスの流量Ｑinが一定という条件で、圧力目標値Ｐｓが変更された場合の調圧動作を例に説明する。ステップＳ１では、調圧制御部５１は、装置コントローラ２から圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとを取得する。ステップＳ２では、圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとの差分ΔＰ＝Ｐｓ−Ｐｒの絶対値が|ΔＰ|＞ΔＰthを満たすか否かを判定する。ΔＰthは、開ループ制御か閉ループ制御かを判定するための差分閾値である。

ステップＳ２で|ΔＰ|＞ΔＰthと判定されるとステップＳ３へ進み、開ループ制御による弁体駆動処理が実行される。一方、ステップＳ２で|ΔＰ|≦ΔＰthと判定されるとステップＳ４へ進み、閉ループ制御による弁体駆動処理が実行される。ステップＳ３またはステップＳ４で弁体駆動処理を行ったならば、ステップＳ１へ進んで圧力目標値Ｐｓと弁体駆動処理後の圧力計測値Ｐｒを装置コントローラ２から取得し、ステップＳ２で|ΔＰ|＞ΔＰthか否かを判定する。このように、弁体駆動の度に|ΔＰ|＞ΔＰthか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて開ループ制御または閉ループ制御による弁体駆動が行われる。

（開ループ制御）
図７は、図６のステップＳ３の開ループ制御処理の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、開ループ制御による弁体駆動は粗調整駆動部４３のみを用いて行われる。ステップＳ３１では、弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの駆動調整量による駆動調整量ΔＬを求める一連の演算処理が実行される。

図８（ａ）は、図７のステップＳ３１における駆動調整量ΔＬの演算の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、記憶部５０に記憶されている現在の弁体駆動量Ｌと排気特性データとから、現在の実効排気速度Ｓｅを算出する（図８(ｂ)参照）。前述したように、排気特性データは、弁体駆動量Ｌと実効排気速度Ｓｅとの相関関係を示すデータである。ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で算出された実効排気速度Ｓｅと図６のステップＳ１で取得された圧力計測値Ｐｒとから、現在の排気流量Ｑｐ＝Ｓｅ×Ｐｒを算出する。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で算出された排気流量Ｑｐと図６のステップＳ１で取得された圧力目標値Ｐｓとから目標実効排気速度Ｓes＝Ｑｐ／Ｐｓを算出する。ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出された目標実効排気速度Ｓesと排気特性データとから目標弁体駆動量Ｌｓを算出する。ステップＳ１０５では、調圧制御部５１は、現在の弁体駆動量Ｌと目標弁体駆動量Ｌｓとの差分である駆動調整量ΔＬを算出する（図８(ｂ)参照）。

図７に戻って、ステップＳ３２では、図８のステップＳ１０５で算出された駆動調整量ΔＬに基づいて、粗調整駆動部４３の駆動調整量ΔＬａを算出する。ところで、粗調整駆動部４３は、ステッピングモータ４３０の１ステップ角に対応する最小変位ΔＬa1を整数倍した駆動量でしか駆動できない。そのため、駆動調整量ΔＬに最も近い粗調整駆動部４３の駆動調整量ΔＬａは、次式（２）または次式（３）のいずれかで表される。式（２），（３）において［ ］はガウス記号である。例えば、図９（ａ）に示すようにΔＬ−(［ΔＬ／ΔＬa1］×ΔＬa1) ≦ΔＬa1/２の場合には式（２）のΔＬａを使用し、図９（ｂ）に示すようにΔＬ−(［ΔＬ／ΔＬa1］×ΔＬa1) ＞ΔＬa1/２の場合には式（３）のΔＬａを使用する。
ΔＬａ＝［ΔＬ／ΔＬa1］×ΔＬa1 …（２）
ΔＬａ＝（［ΔＬ／ΔＬa1］＋１）×ΔＬa1 …（３）

ステップＳ３３では、ステップＳ３２で算出された駆動調整量ΔＬａに基づく目標位置指令βas、すなわち、駆動調整量ΔＬａだけ駆動するための回転方向、駆動角度および駆動速度に関する指令を、図３のモータ制御部５２へ出力する。モータ制御部５２は、目標位置指令βasに基づくＰＷＭゲート信号をインバータ回路５３ａ，５３ｂに入力して、各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの粗調整駆動部４３を駆動調整量ΔＬａだけ駆動する。駆動後の現在の弁体駆動量は、記憶部５０に記憶されていた駆動前の弁体駆動量Ｌに上記駆動調整量ΔＬａを加算したＬ＋ΔＬａとなる。ステップＳ３４では、この弁体駆動量Ｌ＋ΔＬａを新たな現在の弁体駆動量Ｌとして記憶部５０に記憶させる。

ステップＳ３４の処理の終了により開ループ制御による駆動処理は終了し、図６のステップＳ１へ進む。なお、図８の駆動調整量ΔＬの演算処理で説明したように、目標弁体駆動量Ｌｓの算出は、粗調整駆動の度にその時の弁体駆動量Ｌと圧力計測値Ｐｒとに基づいて再計算される。図６において、ステップＳ３からステップＳ１に戻った後も、ステップＳ２で|ΔＰ|≦ΔＰthと判定されるまでステップＳ３の開ループ制御が繰り返し実行される。そして、粗調整駆動により差分ΔＰの値が減少してステップＳ２で|ΔＰ|≦ΔＰthと判定されると、ステップＳ４に進んで閉ループ制御による弁体駆動が行われる。

（閉ループ制御）
図１０は、図６のステップＳ４の閉ループ制御処理の一例を示すフローチャートである。閉ループ制御における弁体駆動は、粗調整駆動部４３と微調整駆動部４４とを併用して行われる。ステップＳ４１では、図８に示した駆動調整量ΔＬの演算処理が実行される。駆動調整量ΔＬの演算処理の手順については、上述した開ループ制御の場合のステップＳ３１の場合と同様であって、現在の弁体駆動量Ｌと目標弁体駆動量Ｌｓとの差分である駆動調整量ΔＬが算出される。

ステップＳ４２では、ステップＳ４１で算出された駆動調整量ΔＬが粗調整駆動部４３の最小変位ΔＬa1以下か否かを判定する。駆動調整量ΔＬが粗調整駆動部４３の最小変位ΔＬa1よりも大きい場合（ｎｏ）、すなわちΔＬ＞ΔＬa1の場合には粗調整駆動を行った後に微調整駆動を行い、ΔＬ≦ΔＬa1の場合（ｙｅｓ）には直ちに微調整駆動を行う。

ステップＳ４２においてｎｏ（すなわち、ΔＬ＞ΔＬa1）と判定されると、ステップＳ４３に進んで粗調整駆動部４３による駆動調整量ΔＬａを前述した式（２）または式（３）により算出する。ステップＳ４４では、ステップＳ４３で算出された駆動調整量ΔＬａに基づく目標位置指令βas、すなわち、駆動調整量ΔＬａだけ駆動するための回転方向、駆動角度および駆動速度に関する指令を、図３のモータ制御部５２へ出力する。それにより、各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの粗調整駆動部４３は、駆動調整量ΔＬａだけ駆動される。ステップＳ４４の処理が終了したならば、ステップＳ４１へ戻る。その結果、ΔＬ≦ΔＬa1となるまで、ステップＳ４１〜Ｓ４４までの処理が繰り返される。

ステップＳ４２においてΔＬ≦ΔＬa1と判定されてステップＳ４５へ進んだ場合には、調圧制御部５１は、目標弁体駆動量Ｌｓまでの駆動調整量ΔＬｂ、すなわち、粗調駆動された後の現在位置Ｌから目標弁体駆動量Ｌｓへ駆動する駆動量を目標位置指令βbsとして磁気浮上制御部５４ａ，５４ｂへ出力する。

弁体駆動部４２Ａに対して設けられた磁気浮上制御部５４ａは、調圧制御部５１から入力された目標位置指令βbsとアキシャルギャップセンサ４４４から入力される変位信号Ｓg1との差分＝βbs−Ｓg1がゼロとなるように磁気浮上位置を制御する。一方、弁体駆動部４２Ｂに対して設けられた磁気浮上制御部５４ｂは、目標位置指令βbsとアキシャルギャップセンサ４４４から入力される変位信号Ｓg2との差分＝βbs−Ｓg2がゼロとなるように磁気浮上位置を制御する。このように、弁体駆動部４２Ａの磁気浮上制御と弁体駆動部４２Ｂの磁気浮上制御とは独立して行われる。

ところで、微調整駆動部４４による磁気浮上位置の調整は、下側電磁石４４１ｂ側の下限位置と上側電磁石４４１ａ側の上限位置との間に限定される。調圧制御部５１は、微調整駆動中に磁気浮上位置が上側電磁石４４１ａ側の上限位置または下側電磁石４４１ｂ側の下限位置に達したか否かを、アキシャルギャップセンサ４４４からの変位信号Ｓg1，Ｓg2によって認識することができる。

ステップＳ４６では、調圧制御部５１は、アキシャルギャップセンサ４４４からの変位信号Ｓg1，Ｓg2に基づいて弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの少なくとも一方の磁気浮上位置が上限位置に達したか否かを判定し、磁気浮上位置が上限位置に達した場合にはステップＳ４７へ進む。一方、ステップＳ４６で上限位置に達していないと判定された場合にはステップＳ４８へ進み、弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの少なくとも一方の磁気浮上位置が下限位置に達したか否かを判定する。ステップＳ４８で下限位置に達したと判定された場合にはステップＳ４９へ進み、下限位置に達していないと判定された場合には閉ループ制御による駆動処理を終了し、図６のステップＳ１へ戻る。

ステップＳ４７では、調圧制御部５１は、弁体４０を開方向（すなわち、図１のｚ軸の正方向）に最小変位ΔＬa1だけ粗調整駆動する目標位置指令βasを、モータ制御部５２へ出力する。ステップＳ４９では、調圧制御部５１は、弁体４０を閉方向（すなわち、図１のｚ軸の負方向）に最小変位ΔＬa1だけ粗調整駆動する目標位置指令βasを、モータ制御部５２へ出力する。

すなわち、弁体４０を開き側に駆動制御している際に、微調整駆動部４４の電磁アクチュエータが上限位置に達して目標弁体駆動量Ｌｓまで弁体４０を移動できない場合、粗調整駆動部４３で弁体４０を開き側に１ステップだけ開き側に駆動制御する。反対に、弁体４０を閉じ側に駆動制御している際に、微調整駆動部４４の電磁アクチュエータが下限位置に達して目標弁体駆動量Ｌｓまで弁体４０を移動できない場合、粗調整駆動部４３で弁体４０を閉じ側に１ステップだけ閉じ側に駆動制御する。

なお、ここでは最小変位ΔＬa1の目標位置指令βasとして１ステップだけ粗調整駆動したが、微調整駆動部４４による磁気浮上調整範囲（最小変位ΔＬa1よりも大きい）に応じた複数ステップに相当する目標位置指令βasとしても良い。

ステップＳ４７またはステップＳ４９の処理が終了したならば、ステップＳ４１へ進んで駆動調整量ΔＬの演算を再度行ってステップＳ４２以下の処理を行う。このように、粗調整駆動部４３による駆動が行われるたびに駆動調整量ΔＬの演算を行い、その結果に基づいてステップＳ４５における微調整駆動部４４による駆動調整が行われる。そのため、粗調整駆動部４３の昇降駆動によってバックラッシュのように粗調整駆動部４３の最小変位（最小駆動可能量）ΔＬa1によらない位置決め誤差が生じた場合でも、微調整駆動部４４による微調整によりそのような位置決め誤差を解消することができる。

上述した開ループ制御および閉ループ制御による弁体駆動制御では、粗調整駆動時には微調整駆動による磁気浮上位置を維持した状態で粗調整駆動を行ったが、次のように制御しても良い。すなわち、粗調整駆動部４３による駆動を開始したならば、微調整駆動部４４の磁気浮上位置をあらかじめ定めた所定位置（例えば、中立位置）へ移動し、その位置を保持した状態で粗調整駆動を行っても良い。粗調整駆動終了後は圧力偏差ΔＰに応じて所定位置から微調整駆動を行う。

以上では、粗調整と微調整とを独立に駆動する場合を説明したが、粗調整駆動が行われている際に、微調整駆動を同時に作動させても良い。その場合、微調整駆動は位置残渣である駆動調整量ΔＬｂを介さずに、直接、圧力偏差ΔＰがゼロになる方向へ目標位置指令βbsが出力される。また、粗調整に関しても同様に、直接、圧力偏差ΔＰがゼロになる方向へ目標位置指令βasが出力され、それに基づいて駆動しても良い。

（全閉動作）
図１に示す全閉位置では、弁座４１に装着されているシール部材４１１を全周にわたり所定の変位で押しつぶした状態にする必要がある。シール部材４１１を所定の変位まで押しつぶすのに必要な押圧力を２×Ｆｓ＋（弁体４０の自重）とした場合、押圧力Ｆｓを各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの微調整駆動部４４によってそれぞれ発生させる。一例として、上側電磁石４４１ａの励磁電流Ｉａをゼロに設定し、下側電磁石４４１ｂのみに励磁電流Ｉｂを供給する。下側電磁石４４１ｂとアキシャルディスク４４２とのギャップをＤとすると、下側電磁石４４１ｂの吸引力Ｆｂは次式（４）で表される。ｋは電磁石パラメータ定数である。ギャップＤは、アキシャルギャップセンサ４４４の検出値に基づいて算出することができる。
Ｆｂ＝ｋ(Ｉｂ/Ｄ)^２ …（４）

図１１は、全閉動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ２０１では、調圧制御部５１は、弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂを駆動して弁体４０を全閉位置へ駆動。例えば、全閉位置は弁体４０がシール部材４１１に接触する位置に設定され、全閉位置ではシール部材４１１は未だ圧縮されていない。全閉位置における微調整駆動部４４の磁気浮上位置については、ここでは、アキシャルディスク４４２が上側電磁石４４１ａと下側電磁石４４１ｂとの中間位置に配置された状態とし、そのときのアキシャルギャップセンサ４４４で検出されるギャップをＤ０とする。すなわち、全閉位置へ駆動する際の微調整駆動部４４への目標位置指令βbsは、アキシャルディスク４４２を中間位置に移動させる指令である。

ステップＳ２０２では、上側電磁石４４１ａおよび下側電磁石４４１ｂの励磁電流Ｉａ，Ｉｂをゼロにする。その結果、弁体４０の自重によりシール部材４１１が変形し、ギャップＤ０がＤ１（＜Ｄ０）へ変化する。ステップＳ２０３では、下側電磁石４４１ｂによる下方向への吸引力Ｆｂと上述した押圧力Ｆｓと比較して、差＝Ｆｓ−Ｆｂの絶対値|Ｆｓ−Ｆｂ|が判定閾値ΔＦsthに対して|Ｆｓ−Ｆｂ|＞ΔＦsthか否かを判定する。すなわち、シール部材４１１に対する押圧力が、必要な所定圧力Ｆｓに対して許容範囲を超えているか否かを判定する。

ステップＳ２０３で|Ｆｓ−Ｆｂ|＞ΔＦsthと判定されると、すなわちシール部材４１１に対する押圧力が不足していると判定されるとステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４では、Ｆｂ＜Ｆｓか否かを判定する。ステップＳ２０４でＦｂ＜Ｆｓと判定された場合にはステップＳ２０５へ進んで、下側電磁石４４１ｂの吸引力すなわちシール部材４１１圧縮する力を大きくするために励磁電流Ｉｂを増加方向へ変化させ、その後、ステップＳ２０３へ戻る。一方、ステップＳ２０４でＦｂ＜Ｆｓではない（ｎｏ）と判定された場合、すなわち、Ｆｂ＞Ｆｓの場合には、ステップＳ２０６へ進んで下方向への吸引力を小さくするために励磁電流Ｉｂを減少方向へ変化させ、その後、ステップＳ２０３へ戻る。

図１１に示した制御は、各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂで独立して行われ、各微調整駆動部４４により押圧力Ｆｓをそれぞれ発生させるようにした。このように、各弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂの微調整駆動部４４の磁気浮上アクチュエータの励磁電流をそれぞれ調整することで、弁座４１に装着されたシール部材４１１に対する弁体４０の押圧力を必要な押圧力「２×Ｆｓ＋（弁体４０の自重）」に調整することができる。そのため、弁体４０がシール部材４１１に対して傾くことなく、均一に押圧させることができる。以上、非浮上制御状態での動作を説明したが、浮上制御状態のままで必要な押圧力を上側電磁石４４１ａおよび下側電磁石４４１ｂに流れる励磁電流Ｉａ，Ｉｂの直流成分を適用して判定しても良い。

（変形例１）
図１２は、図１に示した真空バルブ４の変形例を示す図である。図１２に示す真空バルブ４では、弁体駆動部４２を一つだけ設けた。図１の弁体駆動部４２Ａに対応する部分は、ガイド部４２Ｇに置き換えられている。ガイド部４２Ｇには弁体４０に固定されたガイド棒４５３が設けられており、このガイド棒４５３はリニアボールベアリング４５４によってｚ軸方向に移動可能に支持されている。ガイド棒４５３と弁座４１との間にはベローズ４５２が設けられている。このように弁体駆動部４２を一つに減らすことでコスト低減を図ることができる。

なお、上述した実施の形態では２組の弁体駆動部４２Ａ，４２Ｂを用いたが、３組以上の弁体駆動部を用いてもよい。さらに、２組または１組の弁体駆動部には直列に粗調整駆動部と微調整駆動部を設けたが、たとえば、２組の粗調整駆動部と２組の微調整駆動部を別々に並置してもよい。

（変形例２）
ステッピングモータ４３０の脱調検出のために、ステッピングモータ４３０にロータリーエンコーダを追加しても良い。ステップ角×パルスカウント数に対してエンコーダ値（実際の回転角度）が小さい場合は、脱調したと判断して、その不足分のパルス数を駆動追加する。

（変形例３）
図１に示すように実施の形態の弁体は真空チャンバ１内に設けたが、真空チャンバ１の外面にバルブ開口４１０の外径よりやや大きい内径を有する補助チャンバ（不図示）を設け、その補助チャンバ内にバルブ開口４１０と対向配置して弁体４０を設けてもよい。

（変形例４）
粗調整駆動部４３をボールねじ方式としたが、その他の直動式アクチュエータでもよい。また、微調整駆動部４４を電磁式アクチュエータとしたが、粗調整駆動部４３に比べて位置精度の高い（分解能が高い）アクチュエータでもよい。

（１）上述した実施の形態および変形例によれば、真空バルブ４は、バルブ開口４１０と対向配置した弁体４０をバルブ開口４１０に対して昇降駆動して、バルブ開閉動作を行う真空バルブであって、弁体４０を第１の最小駆動可能量で昇降駆動する第１昇降駆動部である粗調整駆動部４３と、弁体４０を、第１の最小駆動可能量よりも小さい第２の最小駆動可能量で昇降駆動する第２昇降駆動部である微調整駆動部４４と、を備える。そのため、第１昇降駆動部しか備えない真空バルブに比べて、弁体４０をより高精度に位置決めすることができ、真空プロセスにおける圧力調整精度の向上を図ることができる。

（２）さらに、第２昇降駆動部として弁体４０を昇降駆動方向に磁気浮上支持する磁気浮上アクチュエータを用いることにより、μｍオーダーの高精度な位置決めを行うことができる。ここで、位置決め精度とは、移動量の分解能が高いほど位置決め精度が高いということでもある。

（３）バルブコントローラ５は真空バルブ４を制御するバルブ制御装置としての機能を有し、真空バルブ４を介して真空排気される真空チャンバ１の圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとに基づいて開ループ制御により粗調整駆動部４３の昇降駆動を制御する第１の制御部としての調圧制御部５１およびモータ制御部５２と、真空チャンバ１の圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとに基づいて、微調整駆動部４４の昇降駆動または粗調整駆動部４３と微調整駆動部４４とによる昇降駆動を閉ループ制御により制御する第２の制御部としての調圧制御部５１および磁気浮上制御部５４ａ，５４ｂとを備える。なお、バルブコントローラ５に代えて、上記バルブ制御装置としての機能を装置コントローラ２に担わせても良いし、バルブコントローラ５や装置コントローラ２とは別の装置として独立して設けてもよい。

（４）さらに、調圧制御部５１は、粗調整駆動部４３の昇降駆動後の圧力目標値Ｐｓおよび圧力計測値Ｐｒに基づいて微調整駆動部４４による駆動調整量ΔＬｂを算出して、微調整駆動部４４も昇降駆動を制御している。そのため、粗調整駆動部４３の昇降駆動によってバックラッシュのように粗調整駆動部４３の最小変位（最小駆動可能量）ΔＬa1によらない位置決め誤差が生じた場合でも、微調整駆動部４４による微調整によりそのような位置決め誤差を解消することができる。

（５）また、第２昇降駆動部として弁体４０を昇降駆動方向に磁気浮上支持する磁気浮上アクチュエータを用いる構成の真空バルブを制御するバルブ制御装置において、圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとに基づいて、閉ループ制御により微調整駆動部４４の昇降駆動を制御する第２の制御部としての調圧制御部５１および磁気浮上制御部５４ａ，５４ｂとを備え、第２の制御部は、真空バルブ４の全閉時に、磁気浮上アクチュエータにより前記弁体４０を弁座４１の方向に駆動し、弁体４０と弁座４１との間に設けられたシール部材４１１に弁体４０を所定の力で押圧させる。このような構成とすることで、シール部材４１１に対する押圧力が所定の押圧力に管理されるので、弁体４０の完全な閉状態を高信頼性で実現することができる。

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、図１や図１２に示す例では弁体駆動部の数が１組または２組であったが、３組以上設けても構わない。

１…真空チャンバ、２…装置コントローラ、３…真空ポンプ、４…真空バルブ、５…バルブコントローラ、４０…弁体、４１…弁座、４２，４２Ａ，４２Ｂ…弁体駆動部、４３…粗調整駆動部、４４…微調整駆動部、５０…記憶部、５１…調圧制御部、５２…モータ制御部、５４ａ，５４ｂ…磁気浮上制御部、４１１…シール部材、４３０…ステッピングモータ

Claims (6)

1. バルブ開口と対向配置した弁体を前記バルブ開口に対して昇降駆動して、バルブ開閉動作を行う真空バルブであって、
   前記弁体を第１の最小駆動可能量で昇降駆動する第１昇降駆動部と、
   前記弁体を、前記第１の最小駆動可能量よりも小さい第２の最小駆動可能量で昇降駆動する第２昇降駆動部と、を備える真空バルブ。
2. 請求項１に記載の真空バルブにおいて、
   前記第１昇降駆動部は、前記第２昇降駆動部を前記弁体と一体に前記弁体の昇降方向に駆動する、真空バルブ。
3. 請求項１または２に記載の真空バルブにおいて、
   前記第２昇降駆動部は、前記弁体を昇降駆動方向に磁気浮上支持する磁気浮上アクチュエータである、真空バルブ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の真空バルブを制御するバルブ制御装置であって、
   前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて前記第１昇降駆動部の昇降駆動を開ループ制御により制御する第１の制御部と、
   前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて、前記第２昇降駆動部の昇降駆動または前記第１および第２昇降駆動部を閉ループ制御により制御する第２の制御部とを備える、バルブ制御装置。
5. 請求項４に記載のバルブ制御装置であって、
   前記第２の制御部は、前記第１昇降駆動部の昇降駆動後の前記圧力目標値および前記圧力計測値に基づいて前記第２昇降駆動部の昇降駆動を制御する、バルブ制御装置。
6. 請求項３に記載の真空バルブを制御するバルブ制御装置であって、
   前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて開ループ制御により前記第１昇降駆動部の昇降駆動を制御する第１の制御部と、
   前記真空バルブを介して真空排気されるチャンバの圧力目標値と圧力計測値とに基づいて、閉ループ制御により前記第２昇降駆動部の昇降駆動を制御する第２の制御部とを備え、
   前記第２の制御部は、前記真空バルブの全閉時に、前記磁気浮上アクチュエータにより前記弁体を弁座の方向に駆動し、前記弁体と前記弁座との間に設けられたシール部材に前記弁体を所定の力で押圧させる、バルブ制御装置。

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