JP2020201630A - 流体制御バルブ、流量制御装置、及び、駆動回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピエゾアクチュエータから電荷を放電させて縮める際の発熱を抑えて、ピエゾアクチュエータを駆動に必要なエネルギーを低減することができる流体制御バルブを提供する。【解決手段】ピエゾアクチュエータ３１と、前記ピエゾアクチュエータ３１に接続される駆動回路３２と、を備えた流体制御バルブ３であって、前記駆動回路３２が、直流電源ＤＶと接続された１次側コイル５１と、前記ピエゾアクチュエータ３１と接続された２次側コイル５２と、を具備するフライバックトランス５と、前記１次側コイル５１に接続され、前記ピエゾアクチュエータ３１の充電時にオンからオフに切り替えられる充電スイッチ６１と、前記２次側コイル５２に接続され、前記ピエゾアクチュエータ３１の放電時にオフからオンに切り替えられる放電スイッチ６２と、前記１次側コイル５１と接続され、前記ピエゾアクチュエータ３１の放電による電気エネルギーが回生される回生用コンデンサ７１と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の圧力や流量を制御するために用いられるピエゾアクチュエータを備えた流体制御バルブに関するものである。
例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバ内に供給されるガスの流量はマスフローコントローラにより制御される。このマスフローコントローラは、例えばピエゾアクチュエータを備えた流体制御バルブと、流量センサとを備えている。流量センサで測定される測定流量と、ユーザにより設定される設定流量との偏差が小さくなるようにピエゾアクチュエータに印加される電圧が制御される（特許文献１参照）。
ところで、ピエゾアクチュエータに電圧が印加されて延びている状態から縮める場合には、ピエゾアクチュエータに蓄えられている電荷を放電する必要がある。従来においてはピエゾアクチュエータから放電された電荷は例えば駆動回路中の抵抗において熱として消費されている。
しかしながら、例えばＡＬＤプロセスのようにガスの供給と停止が高速で繰り返される場合には、このようなエネルギーの無駄が大きくなるだけでなく、ピエゾアクチュエータから発生する熱量が大きくなってしまい、最終的な流量制御特性等に影響を与える恐れがある。
特開２００９−２６５９８８号公報
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、ピエゾアクチュエータから電荷を放電させて縮める際の発熱を抑えて、ピエゾアクチュエータを駆動に必要なエネルギーを低減することができる流体制御バルブを提供することを目的とする。
本発明に係る流体制御バルブは、ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路と、を備えた流体制御バルブであって、前記駆動回路が、直流電源と接続された１次側コイルと、前記ピエゾアクチュエータと接続された２次側コイルと、を具備するフライバックトランスと、前記１次側コイルに接続され、前記ピエゾアクチュエータの充電時にオンからオフに切り替えられる充電スイッチと、前記２次側コイルに接続され、前記ピエゾアクチュエータの放電時にオフからオンに切り替えられる放電スイッチと、前記１次側コイルと接続され、前記ピエゾアクチュエータの放電による電気エネルギーが回生される回生用コンデンサと、を備えたことを特徴とする。
このようなものであれば、前記放電スイッチがオンとなって前記ピエゾアクチュエータから電荷が放電され、前記フラバックトランスに電気エネルギーとして蓄えられ、その後前記放電スイッチがオフとなったときに蓄えられた電気エネルギーを前記１次側コイルから前記回生用コンデンサに蓄えることができる。
このため、ピエゾアクチュエータの放電時において電気エネルギーが熱として散逸するのを低減できる。また、前記回生用コンデンサに電気エネルギーが蓄えられた状態で前記ピエゾアクチュエータを充電する場合には、当該回生用コンデンサに蓄えられた電気エネルギーも使用して前記ピエゾアクチュエータを充電できる。
これらのことから、前記ピエゾアクチュエータの放電時における発熱を抑え、かつ、前記ピエゾアクチュエータの駆動に必要となるエネルギーも低減できる。
前記ピエゾアクチュエータが放電する際に前記フライバックトランスの１次側に流れる電流が直流電源に対して流れずに前記回生用コンデンサのみに流れるようにするには、前記駆動回路が、前記直流電源側にアノードが接続され、前記回生用コンデンサ側にカソードが接続されたダイオードをさらに備えたものであればよい。
前記ピエゾアクチュエータに印加される電流が平滑化されて、ほぼ一定電圧を印加できるようにして、前記流体制御バルブの開度が一定に保たれるようにするには、前記駆動回路が、前記ピエゾアクチュエータに対して並列に接続された出力コンデンサをさらに備えたものであればよい。
また、本発明に係る流体制御バルブは、ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路と、を備えた流体制御バルブであって、前記駆動回路が、複数段のトランジスタからなるダーリントン接続部を具備し、最終段のエミッタから前記ピエゾアクチュエータに電流が供給されるように構成された充電回路を備えたことを特徴とする。
さらに本発明に係る駆動回路は、ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路であって、複数段のトランジスタからなるダーリントン接続部を具備し、最終段のエミッタから前記ピエゾアクチュエータに電流が供給されるように構成された充電回路を備えたことを特徴とする駆動回路である。
このようなものであれば、前記ピエゾアクチュエータに流れる電流の値を従来よりも高くすることができ、当該ピエゾアクチュエータを高速で充電することが可能となる。したがって、流体制御バルブの開度をさらに高速で変化させ、応答特性を向上させることが可能となる。
本発明に係る流体制御バルブと、流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサの測定流量に基づいて前記流体制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置であれば、発熱を低減する、あるいは、流量制御の応答性を従来よりも向上させる事が可能となる。
このように本発明に係る流体制御バルブであれば、前記ピエゾアクチュエータを放電させる場合に当該ピエゾアクチュエータに蓄えられていた電気エネルギーを前記回生用コンデンサで回収することができる。このため、放電時における熱の発生を抑制し、前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記回生用コンデンサに蓄えられた電気エネルギーが再利用されることで省エネも実現できる。
本発明の第１実施形態に係る流体制御バルブを用いた流体制御装置を示す模式図。 第１実施形態に係る流体制御バルブの駆動回路を示す模式的回路図。 第２実施形態に係る流体制御バルブの駆動回路を示す模式的回路図。 第２実施形態に係る駆動回路の充電回路を示す模式的回路図。 第２実施形態に係る駆動回路の放電回路を示す模式的回路図。
本発明の第１実施形態に係る流体制御バルブ３について図１及び図２を参照しながら説明する。
第１実施形態の流体制御バルブ３は、例えば半導体製造プロセスにおいて流体の流量を制御するマスフローコントローラ１００に用いられるものである。図１に示すようにマスフローコントローラ１００は、流体制御バルブ３を含む各種流体機器と、流体制御バルブ３の制御を司る制御ボードＢとがパッケージ化されたものである。具体的にはマスフローコントローラ１００は、内部に流路Ｃが形成されたブロック１を備えており、このブロック１に対して流体制御バルブ３、上流側圧力センサ２１、層流素子２２、下流側圧力センサ２３が取り付けられている。また、制御ボードＢは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されたプログラムが実行されることにより少なくとも流量算出部２４、バルブ制御部４としての機能を発揮する。
流量算出部２４は、上流側圧力センサ２１、及び、下流側圧力センサ２３で測定される各測定圧力からブロック１内を流れる流体の流量を算出する。すなわち、上流側圧力センサ２１、層流素子２２、下流側圧力センサ２３、及び、流量算出部２４はいわゆる圧力式の流量センサ２を構成する。なお、流量算出部２４で使用される流量の算出式は既存のものを使用することができる。また、流量算出で算出された流量は測定流量としてバルブ制御部４へ出力される。
バルブ制御部４は、ユーザにより設定される設定流量と流量算出で算出される測定流量との偏差が小さくなるように流体制御バルブ３の開度を流量フィードバック制御する。第１実施形態ではバルブ制御部４は設定流量と測定流量の偏差が入力され、ＰＩＤ演算により流量制御バルブに印加する電圧指令を出力するＰＩＤ制御器である。
流量制御バルブは、弁座と、弁座に対して変位する弁体と、弁体を変位させるピエゾアクチュエータ３１と、ピエゾアクチュエータ３１を駆動する駆動回路３２と、を備えている。
ピエゾアクチュエータ３１は、例えばピエゾ素子と電極を交互に積層させたものである。ピエゾアクチュエータ３１は、駆動回路３２によって印加される電圧に応じた長さに変化する。
駆動回路３２は、図２に示すようにフラバックトランス、充電スイッチ６１、放電スイッチ６２、回生用コンデンサ７１、ダイオード７３、及び、出力コンデンサ７２を備えたＤＣ／ＤＣコンバータであり、ピエゾアクチュエータ３１の充放電を制御する。また、この駆動回路３２はピエゾアクチュエータ３１の放電時にその電気エネルギーが回生するように構成されている。
フライバックトランス５は、直流電源ＤＶと接続された１次側コイル５１と、ピエゾアクチュエータ３１と接続された２次側コイル５２と、を具備する。
１次側コイル５１の定電圧側にはピエゾアクチュエータ３１の充電時にオンからオフに切り替えられる充電スイッチ６１が接続されている。また、２次側コイル５２には、定電圧側にはピエゾアクチュエータ３１の放電時にオフからオンに切り替えられる放電スイッチ６２が接続される。充電スイッチ６１及び放電スイッチ６２は例えばＦＥＴが用いられ、バルブ制御部４から出力される電圧指令が各ゲートに入力される。
回生用コンデンサ７１は、１次側コイル５１の高電圧側と接続され、ピエゾアクチュエータ３１の放電による電気エネルギーが回生される。
ダイオード７３は、直流電源ＤＶ側にアノードが接続され、回生用コンデンサ７１側にカソードが接続される。すなわち、ピエゾアクチュエータ３１の放電時においてフライバックトランス５の１次側コイル５１から発生する電流が回生用コンデンサ７１にのみ流れるように構成されている。
出力コンデンサ７２はピエゾアクチュエータ３１に対して並列に接続されており、ピエゾアクチュエータ３１に印加される電圧波形を平滑化する。
以下では駆動回路３２の動作について説明する。
ピエゾアクチュエータ３１を所定の電圧で充電し、流体制御バルブ３を所定の開度で保つ場合には、バルブ制御部４はＰＩＤ演算により算出された所定の周波数のオンオフ電圧指令を充電スイッチ６１のゲートに対して入力する。
ピエゾアクチュエータ３１に所定の電圧が印加されている状態から放電させて開度を変化させる場合には、バルブ制御部４は放電スイッチ６２のゲートに対して所定の周波数のオンオフ電圧指令を入力する。放電スイッチ６２がオンとなると、ピエゾアクチュエータ３１にチャージされていた電荷が２次側コイル５２へと流れ、フラバックトランスに電気エネルギーとして蓄積される。この状態から放電スイッチ６２がオフに切り替えられると、１次側コイル５１から回生用コイルへと電流側が流れて電気エネルギーが蓄えられる。放電が繰り返されて、所望の開度となった後はバルブ制御部４は再び充電スイッチ６１のゲートに対してその開度を維持するのに必要な電圧に対応する周波数のオンオフ電圧指令を充電スイッチ６１のゲートに対して入力する。この際、回生用コンデンサ７１に蓄えられていた電気エネルギーもピエゾアクチュエータ３１の充電に使用される。
このように構成された第１実施形態の流体制御バルブ３によれば、ピエゾアクチュエータ３１の放電時に電気エネルギーを回生用コンデンサ７１に回生できるので、従来と比較して放電時における熱の発生を抑制することができる。
したがって、流体制御バルブ３のオンオフが高速で繰り返されるような用途であっても、流体制御バルブ３の駆動回路３２に過剰な熱が発生し、制御特性に悪影響が発生するといった事態を防ぐことができる。
また、回生用コンデンサ７１に蓄えられた電気エネルギーは次の充電時に使用されるので、流体制御バルブ３を駆動するのに消費される電気エネルギーを低減することができる。
本発明の第２実施形態の流体制御バルブ３について図３乃至図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
第２実施形態の流体制御バルブ３は、駆動回路３２の構成が第１実施形態とは異なっており、それに伴ってバルブ制御部４の構成も異なっている。
第２実施形態の駆動回路３２は、図３に示すように複数のバイポーラトランジスタと抵抗によって構成されており、図４において太線で示す充電回路８と、図５において太線で示す放電回路９から構成されている。
充電回路８は、複数段のＮＰＮトランジスタからなるダーリントン接続部８１を具備し、最終段のエミッタから前記ピエゾアクチュエータ３１に電流が供給されるように構成されている。具体的に充電回路８は、２段のトランジスタ８２、８３からなるダーリントン接続部８１と、直流電源ＤＶを基準としてダーリントン接続部８１と並列に設けられ、その低圧側がダーリントン接続部８１の初段のトランジスタ８２のゲートに接続された第１抵抗８４と、ピエゾアクチュエータ３１の高圧側とダーリントン接続部８１の最終段のトランジスタ８３のエミッタとの間に設けられた第２抵抗８５とを備えている。
直流電源ＤＶからの電圧が印加され、第１抵抗８４に流れる電流がダーリントン接続部８１に対するゲート電流として入力され、この実施形態では１００倍に増幅されたコレクタ電流が第２抵抗８５及びピエゾアクチュエータ３１に流れるように構成されている。
放電回路９は、バルブ制御部４から出力される指令電圧がゲートに入力されるＮＰＮトランジスタである制御スイッチ９１と、ＰＮＰトランジスタ９２と、を備えている。
制御スイッチ９１は、そのコレクタが第１抵抗８４の低圧側とダーリントン接続部８１の初段のトランジスタ８２のゲートとの間に接続され、エミッタが低圧側に接続されている。
ＰＮＰトランジスタ９２のエミッタは、ダーリントン接続部８１の最終段のトランジスタ８３のエミッタと第２抵抗８５の高圧側との間にエミッタが接続される。また、ＰＮＰトランジスタ９２のゲートは、第１抵抗８４の低圧側とダーリントン接続部８１の初段のトランジスタ８２のゲートとの間に接続される。ＰＮＰトランジスタ９２のコレクタは低圧側に接続される。
放電スイッチ６２のゲートに対して電圧が印加されることにより放電回路９がオンとなり、ピエゾアクチュエータ３１からの放電が行われる。
このような第２実施形態の駆動回路３２であれば、充電回路８がダーリントン接続部８１を備えているので、ピエゾアクチュエータ３１の充電時に高電流を与えることができ、短時間で電荷をチャージすることができる。このため、高速でピエゾアクチュエータ３１を変位させることができ、流体制御バルブ３の応答性を従来よりも向上させることができる。
その他の実施形態について説明する。
各実施形態では流体制御バルブは、流量制御装置であるマスフローコントローラに用いているが、圧力制御装置中の圧力制御バルブやシャットオフバルブとして用いても構わない。
ダーリントン接続部については、２段のトランジスタで構成されたものに限られず、３段以上のトランジスタで構成されたものであっても構わない。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて実施形態の一部同士を組み合わせたり、変形したりしても構わない。
１００・・・マスフローコントローラ
３ ・・・流体制御バルブ
３１ ・・・ピエゾアクチュエータ
３２ ・・・駆動回路
５ ・・・フライバックトランス
５１ ・・・１次側コイル
５２ ・・・２次側コイル
６１ ・・・充電スイッチ
６２ ・・・放電スイッチ
７１ ・・・回生用コンデンサ
７２ ・・・出力コンデンサ
７３ ・・・ダイオード
８ ・・・充電回路
８１ ・・・ダーリントン接続部

Claims (6)

  1. ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路と、を備えた流体制御バルブであって、
    前記駆動回路が、
    直流電源と接続された１次側コイルと、前記ピエゾアクチュエータと接続された２次側コイルと、を具備するフライバックトランスと、
    前記１次側コイルに接続され、前記ピエゾアクチュエータの充電時にオンからオフに切り替えられる充電スイッチと、
    前記２次側コイルに接続され、前記ピエゾアクチュエータの放電時にオフからオンに切り替えられる放電スイッチと、
    前記１次側コイルと接続され、前記ピエゾアクチュエータの放電による電気エネルギーが回生される回生用コンデンサと、を備えたことを特徴とする流体制御バルブ。
  2. 前記駆動回路が、
    前記直流電源側にアノードが接続され、前記回生用コンデンサ側にカソードが接続されたダイオードをさらに備えた請求項１記載の流体制御バルブ。
  3. 前記駆動回路が、
    前記ピエゾアクチュエータに対して並列に接続された出力コンデンサをさらに備えた請求項１又は２記載の流体制御バルブ。
  4. ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路と、を備えた流体制御バルブであって、
    前記駆動回路が、
    複数段のトランジスタからなるダーリントン接続部を具備し、最終段のエミッタから前記ピエゾアクチュエータに電流が供給されるように構成された充電回路を備えたことを特徴とする流体制御バルブ。
  5. 請求項１乃至４いずれかに記載の流体制御バルブと、
    流路に流れる流体の流量を測定する流量センサと、
    前記流量センサの測定流量に基づいて前記流体制御バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えた流量制御装置。
  6. ピエゾアクチュエータに接続される駆動回路であって、
    複数段のトランジスタからなるダーリントン接続部を具備し、最終段のエミッタから前記ピエゾアクチュエータに電流が供給されるように構成された充電回路を備えたことを特徴とする駆動回路。
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