JP2022028215A - 流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で流体制御装置の異常を検出する。【解決手段】可動部２２１が変位することで弁開および弁閉を切り替え、流路における流体の流通および遮断を制御するダイヤフラム２２と、バルブボディ部と、前記バルブボディ部の内側に載置され、流体制御装置V内の温度を検出するための温度センサＴと、温度センサによって検出される、弁開時の測定温度および弁閉時の測定温度を対比することで異常の有無を判定する異常判定手段７１と、を有する、流体制御装置Ｖ。異常判定手段は、弁開時の測定温度と、弁閉時の測定温度との差が閾値以上であるとき、異常が生じていると判定するものとしてもよい。【選択図】図４

Description

本発明は、機器内にセンサを備えると共に、当該センサによって検出したデータを出力可能な流体制御装置に関する。

半導体ウエハの表面に薄膜を形成する成膜処理においては薄膜の微細化が求められ、近年では原子レベルや分子レベルの厚さで薄膜を形成するALD (Atomic Layer Deposition)という成膜方法が使われている。
しかし、そのような薄膜の微細化は流体制御装置に今まで以上の高頻度な開閉動作を要求しており、その負荷により流体の漏出等を引き起こしやすくなる場合がある。そのため、流体制御装置における流体の漏出を容易に検知できる技術への要求が高まっている。
また、漏出を容易に検知するだけでなく、動作に伴うデータを収集することができれば、従来は考慮できていなかった流体制御装置の使用頻度や個体差などを把握し、流体制御装置をこれまで以上に精度よく制御することも可能と考えられる。

この点、特許文献１では、圧力センサ、温度センサおよびリミットスイッチによって検出されたデータを処理する情報処理モジュールが内部に流用される流体制御装置が開示されている。特許文献２には、流体制御装置の動作情報を取得し、異常発生との相関関係を分析する動作分析システムが開示されている。特許文献３には、内部のセンサに接続された通信用のケーブルを外側へ導出させるスリットを有する流体制御装置が開示されている。

国際公開２０１８／１６８８７２号公報 国際公開２０１８／１６８８７３号公報 国際公開２０２０／０１２８２８号公報

近年、流体制御装置に流れる流体の温度管理が厳密になっており、測定精度の要求が高まっているが、流体制御装置に使われる機器が集積化されているので、各機器にセンサを外付けで搭載することができない。本発明は、簡易な構成で流体制御装置の温度測定の異常を検出することを目的の一つとする。

上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係る流体制御装置は、可動部が変位することで弁開および弁閉を切り替え、流路における流体の流通および遮断を制御するダイヤフラムと、バルブボディ部と、前記バルブボディ部の内側に載置され、流体制御装置内の温度を検出するための温度センサと、前記温度センサによって検出される、弁開時の測定温度および弁閉時の測定温度を対比することで異常の有無を判定する異常判定手段と、を有する。

前記異常判定手段は、前記弁開時の測定温度と、前記弁閉時の測定温度との差が閾値以上であるとき、異常が生じていると判定するものとしてもよい。

前記ダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえをさらに備え、前記ダイヤフラム押さえは、弁開時および弁閉時のいずれにおいても前記ダイヤフラムの可動部に当接しているものとしてもよい。

前記ダイヤフラムと前記ダイヤフラム押さえは、弁開時および弁閉時の接触面積が同一であるものとしてもよい。

前記ダイヤフラムの周縁部に当接して前記ダイヤフラムを保持する押さえアダプタをさらに備え、前記押さえアダプタは、弁開時および弁閉時のいずれにおいても前記ダイヤフラムの可動部に当接しないものとしてもよい。

前記ダイヤフラムと前記押さえアダプタは、弁開時および弁閉時の接触面積が同一であるものとしてもよい。

前記温度センサを収容するボンネットをさらに備え、前記ボンネットはアルミ材により形成されているものとしてもよい。

本発明に係る流体制御装置によれば、簡易な構成で流体制御装置の異常を検出することができる。

本発明の実施形態に係る流体制御装置を示した外観斜視図である。 本実施形態に係る流体制御装置の内部構造を示した縦断面図であって、弁開状態を示す図である。 本実施形態に係る流体制御装置の内部構造を示した部分拡大縦断面図であって、（ａ）弁開状態、（ｂ）弁閉状態を示す。 本実施形態に係る流体制御装置が有するボンネットを示した斜視図である。 本実施形態に係る流体制御装置の機能を示した機能ブロック図である。 本実施形態の変形例に係る流体制御装置、及び当該流体制御装置と通信可能に構成されたサーバが備える機能を示した機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る流体制御装置について、図を参照して説明する。
なお、以下の説明では、便宜的に図面上での方向によって部材等の方向を上下左右と指称することがあるが、これらは本発明の実施あるいは使用の際の部材等の方向を限定するものではない。
図１に示されるように、本実施形態に係る流体制御装置Ｖは、流体制御装置Ｖの内部動作を検出するセンサを内蔵し、他の端末等と有線による通信を実行するエア作動式のダイレクトダイヤフラムバルブである。
なお、ここにいう他の端末には、サーバ等の所謂コンピュータのほか、他の流体制御装置や流量制御装置などの機器や装置が含まれる。

本実施形態に係る流体制御装置Ｖは内部動作に関するデータを取得可能な機器であって、図１および図２に示されるように、バルブボディ部１、第１ボンネット部２、第２ボンネット部４、アクチュエータ部５を備える。

●バルブボディ部１
図１および図２に示されるように、バルブボディ部１は、流路が形成された基台部１１と、基台部１１上に設けられた略円筒形状の円筒部１２と、環状のシート１３からなる。
基台部１１は平面視矩形状からなり、複数の流体制御装置Ｖによってユニット化された流体制御装置を構成する場合には、基板あるいはマニホールドブロック上に設置される部分となる。

円筒部１２は、第１ボンネット部２が配設される側の端面が開口した中空形状からなり、中空の内部は第１ボンネット部２が収容される凹部１２ａを構成する。凹部１２ａの下方及び基台部１１内には、流体が流入する流入路１１１と流体が流出する流出路１１３、及び当該流入路１１１と流出路１１３に連通する弁室１１２が形成されている。流入路１１１、流出路１１３、及び弁室１１２は、流体が流通する流路を一体的に構成している。

環状のシート１３は、流入路１１１の周縁に設けられている。シート１３上には、シート１３に当接離反することによって流入路１１１および流出路１１３において流体を流通させたり、流通を遮断させたりするダイヤフラム２２が設けられている。

●第１ボンネット部２
図２に示されるように、第１ボンネット部２は、バルブボディ部１の凹部１２ａ内に収容した状態に配設される。
この第１ボンネット部２は、ダイヤフラム２２、ディスク２３、センサボンネット２４、ダイヤフラム押さえ２５、および押さえアダプタ２６を備える。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ダイヤフラム２２は、ステンレス、Ni-Co系合金等の金属やフッ素系樹脂からなる、中央部２２１が凸状に膨出した球殻状の部材であり、流入路１１１および流出路１１３と第２ボンネット部４が動作する空間とを隔離している。

このダイヤフラム２２は、駆動圧としての駆動流体が供給されてダイヤフラム押さえ２５による押圧から開放されると、自身の復元力や流路内の圧力によって中央部２２１がシート１３から離反する方向に変位してシート１３から離反する。その結果、弁室１１２が開放され、流入路１１１と流出路１１３が連通した状態となる。一方、駆動圧としての駆動流体の供給が止まってダイヤフラム２２がダイヤフラム押さえ２５によって押圧されると、ダイヤフラム２２の中央部２２１がシート１３に当接する方向に変位してシート１３に当接する。その結果、弁室１１２が遮断され、流入路１１１と流出路１１３が遮断された状態となる。

すなわち、ダイヤフラム２２の中央部２２１は、駆動流体の供給により変位する可動部となっており、周縁部２２２は、駆動流体が供給されても変位しない非可動部である。

ダイヤフラム２２の周縁部２２２は、後述する押さえアダプタ２６と当接し、この押さえアダプタ２６とバルブボディ部１の凹部１２ａ内部に上向きに設けられている突起部１２１ａ（図３（ａ）および（ｂ）参照）とに挟持されている。

ディスク２３は、ダイヤフラム２２の上側に設けられ、センサボンネット２４により上下動可能に支持されると共に、摺動するステム４３に連動してダイヤフラム２２の中央部を押圧する。

ディスク２３の外周面上にはＯリングＯ１が取り付けられており、このＯリングＯ１はディスク２３とセンサボンネット２４の内周面をシールしている。

ディスク２３の上部は外径が小さくなっており、マグネットホルダＭ１０が貫挿されている。マグネットホルダＭ１０は一部が切り欠かれた略円環状の部材であり、切り欠かれた部分に磁石が取り付けられている。この磁石は、センサボンネット２４の凹部にはめ込まれてなるセンサホルダ２４１に取り付けられた磁性体Ｍ２と共に後述する磁気センサＭを構成する。また、マグネットホルダＭ１０は外周に凹部を備え、センサホルダ２４１を貫通するボルト等の位置決め部材が当該凹部を押圧することで、マグネットホルダＭ１０の位置ずれが防止される。ディスク２３上端部であってマグネットホルダＭ１０の上方にはロックナット２３１が嵌められていて、マグネットホルダＭ１０が抜け出るのを防止している。

ディスク２３の下端にはダイヤフラム押さえ２５が連結されている。ダイヤフラム押さえ２５は、下面側が下に膨らんだ凸面となっていて、その下面側においてダイヤフラム２２の中央部２２１に当接し、摺動するステム４３に連動してダイヤフラム２２を押圧する。

図３（ａ）および（ｂ）に示されるように、ダイヤフラム押さえ２５の下端は、弁開時および弁閉時のいずれにおいても、ダイヤフラム２２の中央部２２１に当接している。すなわち、ダイヤフラム押さえ２５とダイヤフラム２２の接触面積は、弁開時と弁閉時とで同一面積である。この構成によれば、弁開時と弁閉時とでダイヤフラム２２の伝熱面積を一定にし、後述する温度センサＴによる正確な測温が可能である。

図２および図４に示されるように、センサボンネット２４は、略円筒状からなり、弁室１１２を覆ってバルブボディ部１の凹部１２ａ内に収容される。
センサボンネット２４の内部には、ディスク２３が貫挿される貫挿孔２４１ａが中心部に形成されている。
また、センサボンネット２４には、圧力センサＰおよび温度センサＴに連通する連通孔２４１ｄが設けられている。連通孔２４１ｄを介して圧力センサＰおよび温度センサＴが設けられていることにより、ダイヤフラム２２、ディスク２３およびセンサボンネット２４によって画定された空間内の圧力および温度を測定することができる。
なお、本実施形態では、温度センサＴはセンサボンネット２４内部に設けられているものとしたが、温度センサＴはバルブボディ部１の内側にあればよく、特に、少なくとも温度センサＴの温度の検出部分がバルブボディ部１の内側に載置されていればよい。この構成によれば、流体制御装置Ｖを設置するだけで、別途温度センサの設置作業等を行うことなく、当該流体制御装置Ｖ内の温度を正確に測定することができる。

また、センサボンネット２４の側面から、センサボンネット２４内部の圧力センサＰ、温度センサＴおよび磁気センサＭと接続されるフレキシブルケーブル６０が外側へ伸び出ている。

センサボンネット２４の内周面には、センサホルダ２４１に保持された磁性体Ｍ２が取り付けられていて、ディスク２３に取り付けられた磁石と共に後述する磁気センサＭを構成する。

センサボンネット２４は、アルミ材から構成されている。アルミ材は、例えばＳＵＳ等に比べて熱伝導率が高いため、センサボンネット２４内部の温度センサＴに、流体温度をより正確に伝達することができる。また、アルミ材からなるセンサボンネット２４によれば、磁化しないため、温度センサＴおよび圧力センサＰに対する磁気センサＭの影響を小さくすることができる。

押さえアダプタ２６は、ダイヤフラム２２の周縁部２２２と当接し、ダイヤフラム２２をバルブボディ部１の凹部１２ａ内の突起部１２１ａとの間で挟持する。また、周縁部２２２を上方から押さえつけ、流入路１１１および流出路１１３を流れる流体が、周縁部２２２近傍から外部に漏出するのを防止している。

押さえアダプタ２６は、ダイヤフラム２２の弁開時および弁閉時のいずれにおいても、ダイヤフラム２２の可動部分、言い換えれば中央部２２１に触れない。また、押さえアダプタ２６とダイヤフラム２２との接触面積は、弁開時および弁閉時で同一である。この構成によれば、弁開時と弁閉時とでダイヤフラム２２の伝熱面積を一定にすることができる。ひいては、ダイヤフラム２２からの伝導熱が一定になるため、弁の開閉状態に関わらず、後述する温度センサＴによる正確な測温が可能である。

●第２ボンネット部４
第２ボンネット部４は、第１ボンネット部２上に配設される。
図２に示されるように、この第２ボンネット部４は、第２ボンネットボディ４１、ステム４３、バネ４４を備える。

第２ボンネットボディ４１は、ステム４３とセンサボンネット２４の間に介装される。
この第２ボンネットボディ４１は略円柱形状からなり、中心部には、ステム４３とディスク２３が貫挿される貫挿孔４１ａが長さ方向に沿って設けられている。図２及び図３に示されるように、貫挿孔４１ａ内ではステム４３とディスク２３が当接しており、ディスク２３はステム４３の上下動に連動して上下動する。第２ボンネットボディ４１には、基台部１１とは反対側の一端が開口すると共に、外側から凹部１２ａ側へ貫通したスリット１２ｂが設けられている。

ステム４３は、駆動圧の供給と停止に応じて上下動し、ディスク２３およびダイヤフラム押さえ２５を介してダイヤフラム２２をシート１３に当接離反させる。
ステム４３は、上面側においてバネ４４の付勢力を受ける。

バネ４４は、ステム４３の外周面上に巻回されており、ステム４３の上面に当接してステム４３を下方、即ちダイヤフラム２２を押下する方向に付勢している。

●アクチュエータ部５
アクチュエータ部５は駆動流体が供給される開口部５１を有する有底円筒形の部材である。アクチュエータ部５の内部空間には、内壁に沿って上下動可能な円盤状のピストン５４が複数収容されていて、ピストン５４の間は開口部５１に連通する複数の駆動圧導入室５２となっている。また、アクチュエータ部５の内部空間には、アクチュエータ部５外部と連通する駆動流体供給口ＬＰが形成されている。開口部５１は、ステム４３の上端面に形成される開口部４３ａに接続されている。

ここで、駆動圧の供給と停止に伴う弁の開閉動作について言及する。開口部４２ａに接続された導入管（図示省略）から駆動流体が供給されると、駆動流体はステム４３内の駆動圧導入路４３２を介して駆動圧導入室５２に導入される。これに応じて、ステム４３はバネ４４の付勢力に抗して上方に押し上げられる。これにより、ダイヤフラム２２がシート１３から離反して開弁した状態となり、流体が流通する。
一方、駆動圧導入室５２に駆動流体が導入されなくなると、ステム４３がバネ４４の付勢力に従って下方に押し下げられる。これにより、ダイヤフラム２２がシート１３に当接して閉弁した状態となって、流体の流通が遮断される。

●センサ
流体制御装置Ｖは、機器内の動作を検出するためのセンサとして、センサボンネット２４の内部に、圧力センサＰと、温度センサＴと、磁気センサＭと、を備えている。各センサは、センサボンネット２４の連通孔２４１ｄを介してセンサボンネット２４の貫挿孔２４１ａに面していて、ダイヤフラム２２、ディスク２３およびセンサボンネット２４によって画定された空間に連通している。これにより圧力センサＰは、当該空間内の圧力を検出することができる。
なお、圧力センサＰが連通孔２４１ｄに通じる箇所にはパッキン等のシール部材が介装されており、気密状態が担保されている。

温度センサＴは、ダイヤフラム２２、ディスク２３およびセンサボンネット２４によって画定された空間の温度を測定する。温度センサＴを有する流体制御装置Ｖによれば、流体の制御と共に流体の温度を測定することができる。

センサボンネット２４の貫通孔２４１ｅには磁性体Ｍ２が取り付けられており、この磁性体Ｍ２は、ディスク２３に取り付けられた磁石と共に磁気センサＭを構成する。
この磁気センサＭによって以下の通り、弁の開閉動作、及びステム４３の移動量を検知することができる。即ち、マグネットホルダＭ１０に保持される磁石がディスク２３の上下動に応じて摺動するのに対し、磁性体Ｍ２はセンサボンネット２４と共にバルブボディ部１内に固定されている。この結果、ディスク２３の上下動に従って上下動するマグネットホルダＭ１０に保持される磁石と、位置が固定されている磁性体Ｍ２との間に発生する磁界の変化に基づき、ディスク２３およびダイヤフラム押さえ２５の動作、ひいては弁の開閉動作、及びステム４３の移動量を検知することができる。
なお、本実施形態では磁気センサＭを用いたが、これに限らず、他の実施形態においては、光学式の位置センサ等、他の種類のセンサを用いることもできる。

圧力センサＰ、温度センサＴと磁気センサＭには夫々、可撓性を有する通信用のフレキシブルケーブル６０の一端が接続しており（磁気センサＭについては、詳細には磁性体Ｍ２に接続している）、フレキシブルケーブル６０の他端は、流体制御装置Ｖの外側に設けられた回路基板に接続している。さらに、回路基板には外部端子接続用の略矩形状のコネクタが設けられており、これにより、圧力センサＰ、温度センサＴ、および磁気センサＭによって測定されたデータを抽出することができる。コネクタの種類や形状は、各種の規格に応じて適宜に設計し得る。

このような構成からなる流体制御装置Ｖによれば、圧力センサＰ、温度センサＴ及び磁気センサＭによって検出されたデータを外部へ出力させることができる。そして、このようなデータは、弁の開閉動作、ダイヤフラム２２の破損等によるリーク、流体制御装置Ｖの経年劣化や個体差などを把握するための情報となり得る。

●制御部
図５に示すように、本実施形態にかかる流体制御装置Ｖは、センサによって検出されたデータを処理する制御部７０を有する。制御部７０は、機能ブロックとして異常判定部７１を有する。なお、図６に示す別の実施例のように、流体制御装置Ｖは通信処理部７２を備え、サーバ８０の通信処理部８２と通信を行ってもよい。図６の例においては、流体制御装置Ｖとサーバ８０とは、ネットワークＮＷ１、中継装置Ｃ、およびネットワークＮＷ２を介して接続されている。そして、このサーバ８０が異常判定部７１および通信処理部８２を有するものとしてもよい。

異常判定部７１は、センサによって検出されたデータに基づいて、流体制御装置Ｖおよび当該機器に接続されている周辺装置等の異常を判定する機能部である。異常判定部７１は、例えば、参照用テーブル等に保持された所定の閾値と、圧力センサＰによって検出された圧力の検出値とを比較することにより、流体の漏出等に起因した流体制御装置Ｖの異常を判別する処理を実行する。例えば、通常使用時において、流体制御装置Ｖの弁の開閉で想定される内部空間内の圧力の限界を所定の閾値としておく。そして、内部空間内の圧力の検出値が当該閾値を超えた場合に、流体制御装置Ｖに異常が生じたものと判別する。

参照テーブルに、弁開時の流体温度の許容範囲と、弁閉時の流体温度の許容範囲との少なくともいずれかを記憶しておき、異常判定部７１は、弁開時または弁閉時の流体温度と当該許容範囲とを比較して、許容範囲を超えているときに異常が生じたものと判別してもよい。

異常判定部７１は、弁開時の流体温度と、弁閉時の流体温度と、を対比して、異常の有無を判定する。例えば、異常判定部７１は、弁開時の流体温度と、弁閉時の流体温度との差分における許容範囲を記憶していて、弁開時と弁閉時の差分が当該許容範囲を超えているときに異常が生じたものと判別してもよい。

なお、本構成においては、ダイヤフラム２２とダイヤフラム押さえ２５の接触面積が弁開時と弁閉時とで同一である。また、ダイヤフラム２２と押さえアダプタ２６の接触面積が弁開時と弁閉時とで同一である。このような構成によれば、ダイヤフラム２２からダイヤフラム押さえ２５への伝熱量、また、ダイヤフラム２２から押さえアダプタ２６への伝熱量は、伝熱面積が同一なので、それぞれの伝熱量を同一にすることができるので、弁開時の流体温度と弁閉時の流体温度との差が小さく構成できる。したがって、弁開時の流体温度と弁閉時の流体温度との差分が閾値を超えているとき、異常が生じたものと判別してもよい。また、弁開時と弁閉時の流体温度が同一である前提で、弁開時の流体温度と弁閉時の流体温度とが同一か否かによって異常の有無を判定してもよい。

このような構成によれば、温度センサＴによる流体制御装置Ｖの異常検知が可能である。例えばダイヤフラム２２が破損すると、測温結果が異常値を示す。また、温度センサＴによれば、流体制御装置Ｖ自体の異常がなくても、流体制御装置Ｖに接続されている周辺装置の異常を検知可能である。例えば、流体の設定温度と、温度センサＴの測温結果に大きな差がある場合、流体の温度を管理する装置、例えばヒータの異常が発生している可能性がある。そこで、流体制御装置Ｖは、ヒータの異常の可能性を管理者に報知することができる。また、異常判定部７１は、温度センサＴによる測定結果と、圧力センサＰおよび磁気センサＭの少なくともいずれかの測定結果とに基づいて、発生している異常の種類を判定してもよい。例えば、圧力センサＰの測定結果と温度センサＴの測定結果の両方に異常がある場合、ダイヤフラム２２が割れていると判定してもよい。圧力センサＰの測定結果には異常がない一方、温度センサＴの測定結果に異常がある場合には、ヒータ等の周辺装置に異常があると判定してもよい。

１ バルブボディ部
１１ 基台部
１２ 円筒部
１２ａ 凹部
１２ｂ スリット
１３シート
２ ボンネット部
２２ ダイヤフラム
２３ ディスク
２４ センサボンネット
２５ ダイヤフラム押さえ
２６ 押さえアダプタ
４ 第２ボンネット部
４１ 第２ボンネットボディ
４３ ステム
４４ バネ
６０ フレキシブルケーブル

Claims (7)

1. 可動部が変位することで弁開および弁閉を切り替え、流路における流体の流通および遮断を制御するダイヤフラムと、
   バルブボディ部と、
   前記バルブボディ部の内側に載置され、流体制御装置内の温度を検出するための温度センサと、
   前記温度センサによって検出される、弁開時の測定温度および弁閉時の測定温度を対比することで異常の有無を判定する異常判定手段と、
   を有する、流体制御装置。
   
2. 前記異常判定手段は、前記弁開時の測定温度と、前記弁閉時の測定温度との差が閾値以上であるとき、異常が生じていると判定する、
   請求項１記載の流体制御装置。
   
3. 前記ダイヤフラムを押圧するダイヤフラム押さえをさらに備え、
   前記ダイヤフラム押さえは、弁開時および弁閉時のいずれにおいても前記ダイヤフラムの可動部に当接している、
   請求項１又は２記載の流体制御装置。
   
4. 前記ダイヤフラムと前記ダイヤフラム押さえは、弁開時および弁閉時の接触面積が同一である、
   請求項３記載の流体制御装置。
   
5. 前記ダイヤフラムの周縁部に当接して前記ダイヤフラムを保持する押さえアダプタをさらに備え、
   前記押さえアダプタは、弁開時および弁閉時のいずれにおいても前記ダイヤフラムの可動部に当接しない、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の流体制御装置。
   
6. 前記ダイヤフラムと前記押さえアダプタは、弁開時および弁閉時の接触面積が同一である、
   請求項５記載の流体制御装置。
   
7. 前記温度センサを収容するセンサボンネットをさらに備え、
   前記センサボンネットはアルミ材により形成されている、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の流体制御装置。
   

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