JP5085404B2 - 流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を制御する流量制御装置に関する。

流量制御装置としては、流体制御弁を通じて流れる流体の実際の流量が目標値に一致するように流量フィードバック制御を実施しながら流量調整を行うものが知られている。この場合、流体制御弁の上流側又は下流側に流量センサを設け、流量センサによって検出される実際の流量に基づいて流体制御弁の弁開度を制御し、実際の流量を目標値に一致させるようにしている（例えば、特許文献１）。ここで、特に高精度の流量制御が要求される分野として、半導体製造分野や、薬品分野、化学分野等が挙げられる。このような分野で利用される流量制御装置では、流路がフッ素樹脂等の薬品安定性の高い材料で形成されていたり、弁部分が薬品等から隔離することができるダイアフラムで同種樹脂により形成されていたりする。
特許第３６２３１２５号公報

しかしながら、上記流量制御装置において流量を広範囲にわたって制御しようとすると、耐薬品性に優れたフッ素樹脂等の高コスト材料からなるダイアフラム等を大型化する必要があり、大幅なコストアップを招くこととなる。また、ダイアフラム等を大型化すると、ダイアフラム膜の耐圧性や信頼性の低下の問題が起こりうる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大幅なコストの増大を伴わずに、流量を広範囲に制御することができる流量制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の流量制御装置は、流体を流通させる流体通路と、前記流体通路に設けられ当該流体通路を流通する流体の流量を調整するレギュレータと、前記流体通路に設けられ前記レギュレータを迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ当該バイパス通路の開度を調整する開度調整部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、流体通路にはレギュレータを迂回するバイパス通路が設けられているため、流体をレギュレータ側の流体通路に流通させるとともにバイパス通路にも流通させることができる。これにより、レギュレータにより制御可能な流量範囲を超える大流量の流体を流通させることが可能となる。そして、バイパス通路には開度調整部が設けられているため、開度調整部によりバイパス通路の開度を調整することでバイパス通路を流通する流体の流量を増減させることができ、また、レギュレータによってレギュレータ側の流体通路を流通する流体の流量を調整することができる。したがって、流体の流量を広範囲にわたって制御することができる。

また、従来は広範囲にわたって流量制御する場合には、材料単価の高いフッ素樹脂等からなるダイアフラムを大型化する必要があったため、著しいコストの増大を避けることができなかった。その点、本発明の流量制御装置は流体通路に対して開度調整部を備えたバイパス通路を設けた構成であるため、大幅なコストの増大を伴うことなく、流量を広範囲にわたって制御することができる。

上記開度調整部は、前記バイパス通路を開位置と閉位置とに二位置切替する開閉部であることが好ましい。これによれば、開閉部によりバイパス通路を開位置と閉位置とに二位置切替することができるため、開閉部によりバイパス通路を開位置とすれば、レギュレータ側の流体通路とバイパス通路との双方に流体を流通させることができる。一方、開閉部によりバイパス通路を閉位置とすれば、流体をレギュレータ側の流体通路のみに流通させることができる。そして、レギュレータ側の流体通路を流通する流体の流量はレギュレータにより調整することができる。これにより、流体の（全体）流量を広範囲にわたって制御することができる。また、開閉部は、バイパス通路を開位置と閉位置とに二位置切替するものであるため、流路の開度調整が可能なレギュレータ等と比べ一般的に低コストである。したがって、コストの増大をより一層抑制させつつ、流量を広範囲に制御することができる。さらに、二位置切替式の開閉部は応答性の面で優れているため、開閉部の開閉により流量を変更させる際には短時間で流量を変更後の目標流量値に安定化させることができる利点もある。

なお、流体の流量を流量センサ等により検出しながら目標流量値に一致させるように流量フィードバック制御を実施する構成とすれば、レギュレータを備えていないバイパス通路側を流れる流体の流量が水ポンプの脈動等の影響を受けて変動したとしてもその変動を打ち消すようにレギュレータ側の流体通路を流れる流体を流量制御することで全体の流量を目標流量値に収束させることができる。

上記開閉部が開位置にある場合に前記バイパス通路を流通する流体の流量が、前記レギュレータにより制御することができる流量の最大値以下であることが好ましい。

開閉部が閉位置にある場合（以下、小流量時という）には流体はレギュレータ側の流体通路のみを流通するため、流体の流量はレギュレータにより制御可能な範囲において連続的に制御される。したがって、小流量時において制御可能な流量の最大値は、すなわちレギュレータにより制御可能な流量の最大値（以下、レギュレータ側最大値という）となる。一方、開閉部が開位置にある場合（以下、大流量時という）には流体はレギュレータ側の流体通路のみならずバイパス通路をも流通する（詳細には、流体がバイパス通路のみを流通する場合もある）ため、流体の流量はレギュレータにより制御可能な範囲の流量とバイパス通路を流通する流体の流量（以下、バイパス流量という）との総和の範囲において連続的に制御される。したがって、大流量時において制御可能な流量の最小値は、流体がバイパス通路のみを流通する場合における流量値、すなわちバイパス流量値となる。

大流量時において制御可能な流量の最小値（バイパス流量値）が小流量時において制御可能な流量の最大値（レギュレータ側最大値）よりも大きい場合には、流量をこれらの値の間に設定することができないため、流量を連続的に制御することができない。その点、本発明によれば、開閉部が開位置にある場合にバイパス通路を流通する流体の流量（すなわちバイパス流量）が、レギュレータにより制御可能な流量の最大値（すなわちレギュレータ側最大値）以下に設定されているため、小流量時における最小流量値（最小制御流量値）から大流量時における最大流量値（最大制御流量値）までの間に上記のような制御不能な流量域が生じることはない。これにより、流体の流量を最小制御流量値から最大制御流量値まで広範囲かつ連続的に制御することが可能となる。

上記流体通路には前記バイパス通路が複数設けられているとともに、これら各バイパス通路にはそれぞれ前記開度調整部が設けられていることが好ましい。

これによれば、流体通路には複数のバイパス通路が設けられているため、流体をレギュレータ側の流体通路に流通させるとともに各バイパス通路にも流通させることができる。これにより、大流量の流体を流通させることが可能となる。そして、各バイパス通路にはそれぞれ開度調整部が設けられているため、これらの開度調整部により各バイパス通路の開度を調整することで各バイパス通路を流通する流体の流量を調整することができ、また、レギュレータによってレギュレータ側の流体通路を流通する流体の流量を調整することができる。これにより、流体の流量をより一層広範囲にわたって制御することができる。

また、各バイパス通路に設ける開度調整部として前記第２の発明における開閉部を用い、かつ、各バイパス通路を流通する流体の流量をそれぞれレギュレータにより制御可能な流量の最大値以下に設定すれば、コストの大幅な増大を伴うことなく流体の流量をより一層広範囲にかつ連続的に制御することができ、また応答性に優れた制御をすることができる。

上記流量制御装置は、前記レギュレータ及び前記開度調整部を制御するコントローラを備え、当該コントローラは目標流量値が前記レギュレータにより制御可能な流量の最大値以下である場合には前記バイパス通路が閉鎖され、前記目標流量値が前記レギュレータにより制御可能な流量の最大値よりも大きい場合には前記バイパス通路が開放されるように前記開度調整部を制御することが好ましい。

これによれば、コントローラによりレギュレータ及び開度調整部を制御することができる。また、ユーザ等によって設定される目標流量値がレギュレータにより制御可能な流量の最大値以下である場合には、コントローラにより開度調整部を制御することでバイパス通路を閉鎖することができる。一方、目標流量値がレギュレータにより制御可能な流量の最大値よりも大きい場合には、開度調整部によりバイパス通路を開放することができる。これにより、目標流量値の大小に応じて自動的にバイパス通路を開閉することができ、ひいては流量を自動的に広範囲に制御することができるため、ユーザの利便性の向上を図ることができる。

特に高精度の流量制御が要求される分野として、半導体製造分野や、薬品分野、化学分野等が挙げられる。このような分野で利用される流量制御装置では、耐薬品性が求められる他、弁体部分の摺動による塵埃の発生も避けなければならない。したがって、このような分野で用いられるレギュレータは、前記流体が流入される流入口、前記流体が流出される流出口、前記流入口から前記流出口に至る流路、及びその流路途中に配置される弁座部が形成されたボディ本体と、前記ボディ本体に内蔵されて前記弁座部に着座したり離間したりする弁体と、前記弁体の変位方向の一端側に設けられて当該弁体を前記弁座部へ向けて付勢する付勢部と、前記弁体の変位方向の他端側に設けられて前記付勢部による付勢力に抗して当該弁体を前記弁座部から離間する側に押圧するとともに、その押圧力を調整することにより流体の圧力を制御する操作部と、前記流路と前記付勢部の収容領域とを区画するとともに前記弁体に一体化されている第一ダイアフラムと、前記流路と前記操作部とを区画するとともに前記弁体に一体化されている第二ダイアフラムと、を備えていることが好ましい。

これによれば、レギュレータは、ボディ本体において流入口から流出口に至る流路の途中に形成された弁座部に弁体が着座して流路を閉鎖したり弁座部から離間して流路を開放したりすることで流体の流量や圧力を制御する。具体的には、弁体は付勢部により弁座部へ向けて付勢されることにより弁座部に着座し、操作部により付勢部による付勢力に抗して弁座部から離間される側に押圧されることにより弁座部から離間する。また、弁体には第一ダイアフラム及び第二ダイアフラムが一体化されており、これらのダイアフラムが流路を付勢部の収容領域及び操作部とそれぞれ区画している。これにより、弁体の変位に起因して摺動する箇所をなくし又は低減させることができるため、パーティクルが発生する等の流体の純度を低下させる要因をなくし又は減らすことができる。

また、ダイアフラムは、常時薬液に接液される部分であるためフッ素樹脂等の耐薬品性に優れた材料により形成するのが好ましい。これにより、ダイアフラムが薬液により腐食されることを回避することができる。

一方、前記開閉部が内蔵されるとともに流体の流入口と流出口とを連通する流路が形成された開閉弁には、前記開閉部を閉位置へ向けて常時付勢する付勢部と、前記付勢部による付勢力に抗して前記開閉部を開位置へ向けて押圧する押圧状態とその押圧状態を解除した解除状態とに切り替えられる押圧部と、前記流路を前記押圧部側の空間と区画するとともに前記開閉部に一体化されている開閉用ダイアフラムとが備えられていることが好ましい。これにより、開閉弁においても前記レギュレータと同様、開閉部の変位に起因して摺動する箇所を流路においてなくしている。

また、開閉用ダイアフラムは、前記レギュレータにおけるダイアフラムと同様、フッ素樹脂等の耐薬品性に優れた材料により形成するのが好ましい。これにより、開閉用ダイアフラムが薬液により腐食されることを回避することができる。

以上のように、レギュレータ及び開閉弁においてフッ素樹脂等により形成されたダイアフラムを備える構成とすることで、流量制御装置全体としてパーティクルが発生する等、流体の純度を低下させる要因をなくしたり減らしたりすることができるとともに、ダイアフラムが薬液により腐食されることを回避することができる。

（第１の実施形態）
以下、半導体製造ラインの薬液供給に用いられる流量制御システムについて具現化した一実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、図１は、流量制御システムを備える薬液供給回路の全体構成を示す回路図である。

図１に示すように、本回路には、薬液の吸引及び吐出を行うための薬液ポンプ１１が設けられている。薬液ポンプ１１は、例えばダイアフラムポンプやベローズポンプ等からなる。薬液タンクＸに貯留された薬液は、薬液の吸引通路を構成する吸引配管１２を介して薬液ポンプ１１によって吸引される。

薬液ポンプ１１の吐出側には、薬液の吐出配管を構成する吐出配管１３が接続されている。この吐出配管１３の下流側には、流量制御手段としての流量制御システム１０が設けられている。薬液ポンプ１１より吐出された薬液はこの流量制御システム１０を介してユースポイントとしてのウエハ３６に吐出される。したがって、薬液は流量制御システム１０において所定の流量に制御され、ウエハ３６に吐出されるようになっている。

流量制御システム１０には、薬液の流量を検出する流量センサ１４と、その下流側において互いに並列に設けられた流量調整手段としてのパイロットレギュレータ２０及び流体の通過を許可又は禁止する第１開閉弁４０とが備えられている。流量センサ１４の下流側における吐出配管１３の下流側端部は、第１分岐配管１５と第２分岐配管１６とに接続されており、そのうち第１分岐配管１５にパイロットレギュレータ２０が設けられ、第２分岐配管１６に第１開閉弁４０が設けられている。これら各分岐配管１５，１６はそれぞれ下流側端部において集合配管１７に接続されており、集合配管１７の下流側端部がウエハ３６へ薬液を吐出する吐出ノズル１７ａとなっている。

次に、パイロットレギュレータ２０及び第１開閉弁４０の構成を図２及び図３に基づいて簡単に説明する。なお、図２はパイロットレギュレータの構成を示す縦断面図、図３は開閉弁の構成を示す縦断面図である。

まず、パイロットレギュレータ２０の構成について説明する。

パイロットレギュレータ２０には、流体を吸入する吸入通路２１と、流体を排出する排出通路２２とが設けられている。パイロットレギュレータ２０の略中央部には、これら各通路２１,２２を連通する弁室２３としての貫通孔が上下方向に延びるように形成されている。弁室２３は、上下方向における略中央部において孔径が小さくなっている。換言すると、当該中央部では弁室２３の内壁面が弁室２３の軸線側へ突出しており、その突出された部分が弁座部２５となっている。そして、弁室２３は、弁座部２５より下側が上流側弁室２３ａとなっており、弁座部２５より上側が下流側弁室２３ｂとなっている。また、詳細には、下流側弁室２３ｂの上端部は孔径が大きく形成された円形通路２３ｃとなっており、その円形通路２３ｃが排出通路２２と連通している。

弁室２３には、その貫通孔の軸線方向に往復動可能な弁体２４が収容されている。弁体２４は２つのダイアフラム部材２６,２７を備えて構成されており、各ダイアフラム部材２６,２７は、例えばフッ素樹脂よりなる。下側ダイアフラム部材２６は、上下方向に延びるロッド部２８と、そのロッド部２８の下端部において一体化され連結されているダイアフラム部２９とからなる。ロッド部２８の上下方向における略中央部には、断面積が拡径された拡径部２８ａが形成されている。拡径部２８ａの上端部は、弁座部２５における弁室２３の内径よりも大きく形成されているため、拡径部２６ａの上端部は弁座部２５に当接されるようになっている。したがって、弁体２４が上側に移動すると、拡径部２８ａの上端部が弁座部２５に当接し、吸入通路２１と排出通路２２との連通が遮断される一方、弁体２４が下側に移動すると、拡径部２８ａの上端部が弁座部２５から離れ、吸入通路２１と排出通路２２とが連通される。

ダイアフラム部２９を挟んで弁室２３の反対側には、バネ収容室３１が形成されている。バネ収容室３１には圧縮コイルバネ３２が収容されている。圧縮コイルバネ３２の上端部は弁体２４下端部に当接しており、圧縮コイルバネ３２の付勢力により常時弁体２４が上側に付勢されるようになっている。これにより、ロッド部２８の拡径部２８ａの上端部が弁座部２５に当接する状態が保持されるようになっている。

上側ダイアフラム部材２７を挟んで弁室２３の反対側には、外部から操作エアが導入される圧力操作室３３が形成されている。圧力操作室３３は、エア導入ポート３４に連通されており、後述する電空レギュレータ１８（図１参照）から供給される操作エアがエア導入ポート３４を介して圧力操作室３３に供給される。圧力操作室３３に操作エアが供給されると、弁体２４は操作エアの操作圧力に応じて下側に変位される。

このように構成されたパイロットレギュレータ２０において、圧力操作室３３に操作圧力が作用していない初期状態では、圧縮コイルバネ３２の付勢力によりロッド部２８の拡径部２８ａの上端部が弁座部２５に当接し、上流側弁室２３ａと下流側弁室２３ｂとの連通が遮断されている。これにより、吸入通路２１から排出通路２２への流体の流通が阻止される。これに対し、圧力操作室３３に操作エアが供給されると、弁体２４は圧縮コイルバネ３２の付勢力に抗して下側に変位し、上流側弁室２３ａと下流側弁室２３ｂとが連通される。これにより、吸入通路２１から排出通路２２への流体の流通が許容される。また、圧力操作室３３の操作圧力を上昇させたり下降させたりすると、ロッド部２８の拡径部２８ａの上端部が弁座部２５から離間したり弁座部２５に近接したりする。これにより、上流側弁室２３ａから下流側弁室２３ｂへ流れる流体の流量が増減されるようになっている。

次に、第１開閉弁４０の構成について説明する。

第１開閉弁４０は、空気圧力により開閉操作されるエアオペレートバルブにより構成されている。第１開閉弁４０には、上下方向に延びる円筒状のシリンダ４１が形成されている。シリンダ４１にはピストンロッド４２が収容されている。ピストンロッド４２は、大径部４２ａと下径部４２ｂとを有しており、シリンダ４１に摺動可能に収容されている。

ピストンロッド４２の上方にはバネ収容室４３が形成されている。バネ収容室４３には圧縮コイルバネ４４が収容されている。圧縮コイルバネ４４の下端部はピストンロッド４２の上端部に当接している。これにより、ピストンロッド４２は圧縮コイルバネ４４の付勢力により常時下側へ付勢されるようになっている。

ピストンロッド４２の大径部４２ａの下方には圧力制御室４５が設けられている。圧力制御室４５は、エア導入ポート４６に連通している。圧力制御室４５には、後述する第１電磁弁１９（図１参照）から供給される操作エアがエア導入ポート４６を介して供給される。圧力制御室４５に操作エアが供給されると、ピストンロッド４２は圧縮コイルバネ４４の付勢力に抗して上側に移動する。

ピストンロッド４２の下端部には、ダイアフラム弁体４７が一体化されて設けられている。ダイアフラム弁体４７は、例えばフッ素樹脂よりなる。

第１開閉弁４０には、流体を吸入する吸入通路４８と、流体を排出する排出通路４９とが設けられている。シリンダ４１の下方には当該シリンダ４１に連通された弁室５１が円形溝状に形成されており、この弁室５１を介して吸入通路４８と排出通路４９とが連通されている。吸入通路４８は、弁室５１の中央部において弁孔４８ａとして弁室５１に開口しており、その開口部の周囲が弁座部５２となっている。弁座部５２にはダイアフラム弁体４７の下端部が当接するようになっており、ダイアフラム弁体４７はその下端部が弁座部５２に当接する閉位置と弁座部５２から離間する開位置との間で二位置切替されるようになっている。

このように構成された第１開閉弁４０において、圧力制御室４５に操作エアが供給されていない場合には、ダイアフラム弁体４７は圧縮コイルバネ４４により下方に付勢され、ダイアフラム弁体４７の下端部が弁座部５２に当接された閉位置となっている。この場合、吸入通路４８と弁室５１との連通が遮断され、弁室５１を介しての流体の流通が阻止されている。他方、エア導入ポート４６を介して圧力制御室４５に操作エアが供給されると、ダイアフラム弁体４７が圧縮コイルバネ４４の付勢力に抗して上側に移動し、ダイアフラム弁体４７の下端部が弁座部５２から離間した開位置となる。これにより、吸入通路４８と弁室５１とが連通され、弁室５１を介しての流体の流通が許容される。

図１の説明に戻り、以上のように構成されたパイロットレギュレータ２０及び第１開閉弁４０にはそれぞれエア供給手段としての電空レギュレータ１８及び第１電磁弁１９が接続されている。

電空レギュレータ１８は、パイロットレギュレータ２０のエア導入ポート３４に接続されている。電空レギュレータ１８は操作エア圧力を任意に調整できる構成を有し、その操作エア圧力の調整によりパイロットレギュレータ２０の圧力操作室３３内のエア圧力が調整される。

一方、第１電磁弁１９は第１開閉弁４０のエア導入ポート４６に接続されている。第１電磁弁１９は、通電に応じて開閉されることにより第１開閉弁４０の圧力制御室４５へのエアの供給又は遮断を行う。すなわち、第１開閉弁４０は第１電磁弁１９の開閉により開閉操作される構成となっている。なお、圧力制御室４５へのエアの供給を停止している場合には、圧力制御室４５内は例えば大気開放されるなど、加圧状態から解放されるものとする。

流量制御システム１０は、コントローラ３０を備えている。コントローラ３０は、ＣＰＵや各種メモリ等からなるマイクロコンピュータを主体として構成される電子制御装置である。コントローラ３０には、本システムを統括して管理する管理コンピュータから流量設定指令値（目標流量値）が入力される他、流量センサ１４により検出された流体流量が逐次入力される。コントローラ３０は、それら各入力に基づいて電空レギュレータ１８及び第１電磁弁１９を駆動させ、流体流量Ｑを目標流量値に一致させるように流量フィードバック制御を実施する。

コントローラ３０は、流量設定指令値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量値（例えば、５．０Ｌ／ｍｉｎ）以下である場合には第１電磁弁１９に対して閉鎖指令信号を出力し、第１電磁弁１９を閉鎖させる。これにより、第１開閉弁４０の圧力制御室４５への操作エアの供給が停止され、第１開閉弁４０が閉鎖される。その結果、流体は第１分岐配管１５のみを流通する。この場合、第１分岐配管１５を流通する流体の流量（以下、第１流量Ｑ１という）がそのまま流体流量Ｑとなる。なお、第１開閉弁４０が閉鎖状態にある場合には、第１電磁弁１９の閉鎖状態が維持され、ひいては第１開閉弁４０の閉鎖状態も維持される。

コントローラ３０は、管理コンピュータから入力された目標流量値と流量センサ１４により検出された実流量Ｑ（＝Ｑ１）との偏差を算出するとともに、その偏差に基づいてＰＩＤ演算等の演算処理を行い、電空レギュレータ１８に対して指令信号を出力する。そして、電空レギュレータ１８はコントローラ３０からの指令信号に基づいて操作エア圧力を調整するとともに、その圧力調整された操作エアをパイロットレギュレータ２０の圧力操作室３３へ供給する。このような処理が繰り返し実行されることにより流体流量Ｑ（＝Ｑ１）は目標流量値に収束される。

一方、コントローラ３０は、流量設定指令値（目標流量値）がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量値よりも大きい場合には第１電磁弁１９に対して開放指令信号を出力し、第１電磁弁１９を開放させる。これにより、第１開閉弁４０の圧力制御室４５へ操作エアが供給され第１開閉弁４０が開放される。その結果、流体は第１分岐配管１５を流通するとともに第２分岐配管１６を流通する。そのため、流体流量Ｑは、第１流量Ｑ１と第２分岐配管１６を流通する流体の流量（以下、第２流量Ｑ２という）とを合わせた流量となる（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２）。

コントローラ３０は、前記の場合と同様、目標流量値と実流量Ｑとに基づいてＰＩＤ演算等の演算処理を行い、電空レギュレータ１８に対して指令信号を出力する。そして、電空レギュレータ１８からはその指令信号に基づいて圧力調整された操作エアがパイロットレギュレータ２０へ供給される。これにより、第１流量Ｑ１が制御され、ひいては流体流量Ｑが制御される。すなわち、本流量フィードバック制御によれば第２流量Ｑ２が薬液ポンプ１１の脈動等の影響を受けて変動したとしても、その変動を打ち消すように第１流量Ｑ１を制御することで流体流量Ｑを目標流量値に収束させることができる。

次に、上記流量制御システム１０において流量制御を行う場合における作用について図４に示すタイムチャートに基づいて説明する。なお、この説明において、パイロットレギュレータ２０による最大制御流量及び第１開閉弁４０による制御流量はそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎに設定されているものとする。

図４に示すように、まずタイミングｔ１にて管理コンピュータから流量設定指令値（目標流量値）として５Ｌ／ｍｉｎの流量値がコントローラ３０に入力されると、コントローラ３０から電空レギュレータ１８にその流量値に応じた開放指令信号が出力される。そして、この指令信号に基づいて電空レギュレータ１８からはその設定流量値（５Ｌ／ｍｉｎ）に応じて圧力調整された操作エアがパイロットレギュレータ２０の圧力操作室３３へ供給される。その結果、パイロットレギュレータ２０の弁体２４がその圧力調整された圧力値に応じて上方に変位し、パイロットレギュレータ２０の上流側と下流側とが連通される。これにより、流体が第１分岐配管１５を通じて流通を開始し、流量が設定流量である５Ｌ／ｍｉｎとなるように流量制御される。なお、タイミングｔ１において流量設定指令値（５Ｌ／ｍｉｎ）はパイロットレギュレータ２０による最大制御流量値（５Ｌ／ｍｉｎ）以下であるため第１開閉弁４０は閉状態を維持する。したがって、流体は第１分岐配管１５のみを通じて流通する。

タイミングｔ２において目標流量値が５Ｌ／ｍｉｎから１５Ｌ／ｍｉｎに変更されると、目標流量値がパイロットレギュレータ２０による最大制御流量値よりも大きくなるため、コントローラ３０により第１電磁弁１９に開放指令信号が出力され、第１電磁弁１９が開放される。これにより、第１開閉弁４０の圧力制御室４５に操作エアが供給され、第１開閉弁４０が開放される。その結果、流体は第１分岐配管１５を流通するとともに第２分岐配管１６を流通する。具体的には、第１開閉弁４０による制御流量が１０Ｌ／ｍｉｎに設定されているため流体は第２分岐配管１６を１０Ｌ／ｍｉｎの流量（図４の開閉弁分）で流通するとともに、第１分岐配管１５側では流量が５Ｌ／ｍｉｎ（図４のパイロットレギレータ分）となるように流量制御される。その結果、回路全体としては流体の流量が目標流量値である１５Ｌ／ｍｉｎとなるように制御される。

以上詳述した本実施形態の構成によれば、以下の優れた効果が得られる。

流量制御システム１０には、流体の流量を検出する流量センサ１４と、その下流側において互いに並列に設けられた第１分岐配管１５及び第２分岐配管１６にそれぞれ配置されたパイロットレギュレータ２０及び第１開閉弁４０とが備えられている。これにより、第１開閉弁４０を開放させれば、第２分岐配管１６に流体を流通させることができるため、パイロットレギュレータ２０の最大制御流量を越える大流量の流体を流通させることができる。また、第１分岐配管１５を流通する流体の流量はパイロットレギュレータ２０により調整することができる。したがって、流体の流量を広範囲にわたって制御することができる。

また、従来は広範囲にわたって流量制御する場合には、材料単価の高いフッ素樹脂等からなるダイアフラム部材２６,２７を大型化する必要があったため、大幅なコストの増大を回避することができなかった。その点、本流量制御システム１０は、バイパス通路としての第２分岐配管１６やそれを開閉する第１開閉弁４０等からなる既存の汎用部材の組み合わせにより構成可能なシステムであるため、大幅なコストの増大を伴うことなく、流量を広範囲に制御することができる。

さらに、広範囲にわたって流量制御する場合には、ダイアフラム部材２６，２７の大型化とともにパイロットレギュレータ２０のボディ自体を大型化する必要があったため、流量制御の精度が低下することが懸念された。その点、本流量制御システム１０は、パイロットレギュレータ２０のボディの大型化を伴わない構成であるため、流量制御の精度の低下を伴うことなく、流量を広範囲に制御することができる。

第２分岐配管１６を開閉する第１開閉弁４０を二位置切替式のエアオペレートバルブにより構成した。これにより、第１開閉弁４０を流量調整可能であり一般に高価格であるレギュレータ等により構成する場合と比べ、コストダウンを図ることができる。

コントローラ３０は流量センサ１４により検出した流量及び流量設定指令値に基づいて電空レギュレータ１８及び第１電磁弁１９を駆動させ流量フィードバック制御を実施する。これにより、流量を高精度に制御することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。なお、図５は本実施形態における流量制御システムを備える薬液供給回路の全体構成を示す回路図であり、本図において、先の図１と対応する部材については便宜上同一の符号を付している。

本実施形態における流量制御システム６０は、流量センサ１４と、流量センサ１４の下流側において互いに並列に設けられたパイロットレギュレータ２０、第１開閉弁４０及び第２開閉弁６１とを備えている。すなわち、流量制御システム６０は、第１の実施形態における流量制御システム１０にさらに第２開閉弁６１をパイロットレギュレータ２０及び第１開閉弁４０と並列に設けたものである。吐出配管１３の下流側端部には、第１分岐配管１５及び第２分岐配管１６とともに第３分岐配管６２が接続されており、この第３分岐配管６２に第２開閉弁６１が設けられている。そして、各分岐配管１５,１６,６２の下流側端部は集合配管１７に接続されており、集合配管１７の下流側端部がウエハ３６へ薬液を吐出する吐出ノズル１７ａとなっている。なお、第２開閉弁６１は、例えば第１開閉弁４０と同一の構成及び仕様からなるエアオペレートバルブにより構成される。

第２開閉弁６１（のエア導入ポート４６）には第２電磁弁６３が接続されている。第２電磁弁６３は、例えば第１電磁弁１９と同様の構成を有してなるものである。第２電磁弁６３は、通電に応じて開閉されることにより第２開閉弁６１の圧力制御室４５へ操作エアの供給又は遮断を行う。これにより、第２開閉弁６１のダイアフラム弁体４７は開位置と閉位置とに二位置切替され、流体の流通が許可又は禁止される。

コントローラ３０には、前述したとおり流量設定指令値（目標流量値）が入力される他、流量センサ１４により検出された流体流量が逐次入力される。コントローラ３０は、それら各入力に基づいて電空レギュレータ１８及び各電磁弁１９，６３を駆動させて上記第１実施形態と同様の流量フィードバック制御を実施する。

また、コントローラ３０は、流量設定指令値（目標流量値）がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量よりも大きい場合には電磁弁１９,６３に対して開放指令信号を出力し、電磁弁１９,６３を開放させる。具体的には、流量設定指令値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量よりも大きく、かつ、パイロットレギュレータ２０の最大制御流量と開閉弁４０（又は６１）の制御流量との総和以下となる場合には、第１電磁弁１９を開放させる。この場合、第１開閉弁４０が開放される。それに対し、流量設定指令値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量値と開閉弁４０（又は６１）の制御流量との総和よりも大きい場合には、双方の電磁弁１９,６３を開放させる。この場合、双方の開閉弁４０,６１が開放される。

次に、流量制御システム６０において流量制御を行う場合における作用について図６に示すタイムチャートに基づいて説明する。なお、この説明において、パイロットレギュレータ２０の最大制御流量及び各開閉弁４０，６１の制御流量はそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎに設定されているものとする。

図６に示すように、まずタイミングｔ１１にて管理コンピュータから流量設定指令値（目標流量値）として５Ｌ／ｍｉｎの流量値がコントローラ３０に入力されると、コントローラ３０から電空レギュレータ１８にその流量値に応じた開放指令信号が出力される。そして、この指令信号に基づいて電空レギュレータ１８からはその設定流量値（５Ｌ／ｍｉｎ）に応じて圧力調整された操作エアがパイロットレギュレータ２０の圧力操作室３３へ供給される。その結果、パイロットレギュレータ２０の弁体２４がその圧力調整された圧力値に応じて下方に変位し、パイロットレギュレータ２０の上流側と下流側とが連通される。これにより、流体が第１分岐配管１５を通じて流通を開始し、流量が設定流量である５Ｌ／ｍｉｎとなるように流量制御される。なお、タイミングｔ１１において流量設定指令値（５Ｌ／ｍｉｎ）はパイロットレギュレータ２０による最大制御流量値（５Ｌ／ｍｉｎ）と同じ値であるため第１開閉弁４０及び第２開閉弁６１は閉状態を維持する。したがって、流体は第１分岐配管１５のみを通じて流通する。

タイミングｔ１２にて目標流量値が５Ｌ／ｍｉｎから１０Ｌ／ｍｉｎに変更されると、目標流量値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量（５Ｌ／ｍｉｎ）よりも大きく、かつ、パイロットレギュレータ２０の最大制御流量と開閉弁４０（又は６１）の制御流量との総和（１０Ｌ／ｍｉｎ）以下の値となるため、コントローラ３０により第１電磁弁１９が開放制御され、その結果第１開閉弁４０が開放される。これにより、流体は第１分岐配管１５を流通するとともに第２分岐配管１６を流通する。具体的には、第１開閉弁４０による制御流量が５Ｌ／ｍｉｎに設定されているため流体は第２分岐配管１６を５Ｌ／ｍｉｎの流量（図６の第１開閉弁分）で流通するとともに、第１分岐配管１５側では流量が５Ｌ／ｍｉｎ（図６のパイロットレギレータ分）となるように流量制御される。その結果、回路全体としては流体の流量が目標流量値である１０Ｌ／ｍｉｎとなるように流量制御される。

タイミングｔ１３にて目標流量値が１０Ｌ／ｍｉｎから１５Ｌ／ｍｉｎに変更されると、目標流量値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量と開閉弁４０（又は６１）の制御流量との総和（１０Ｌ／ｍｉｎ）よりも大きくなるため、第１電磁弁１９の開放状態を維持したまま第２電磁弁６３が開放される。これにより、第１開閉弁４０の開放状態が維持されたまま第２開閉弁６１が開放される。その結果、流体は第１分岐配管１５及び第２分岐配管１６を流通するとともに第３分岐配管６２を流通する。具体的には、開閉弁４０,６１の制御流量が５Ｌ／ｍｉｎに設定されているため、流体は第２分岐配管１６及び第３分岐配管６２をそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎの流量（図６の第１開閉弁分及び第２開閉弁分）で流通するとともに、第１分岐配管１５側では流量が５Ｌ／ｍｉｎ（図６のパイロットレギレータ分）となるように流量制御される。その結果、回路全体としては流体の流量が目標流量値である１５Ｌ／ｍｉｎとなるように流量制御される。

以上詳述した本実施形態の構成によれば、以下の優れた効果が得られる。

流量制御システム６０には、流量センサ１４の下流側において互いに並列に設けられた第１分岐配管１５と、バイパス通路としての第２分岐配管１６及び第３分岐配管６２とが備えられている。したがって、流体を第１分岐配管１５に流通させるとともに第２分岐配管１６及び第３分岐配管６２に流通させることができる。これにより、第１の実施形態における流量制御システム１０と比べ大流量の流体を流通させることができる。また、第２分岐配管１６及び第３分岐配管６２にはそれぞれ第１開閉弁４０及び第２開閉弁６１が設けられているため各開閉弁４０,６１を開閉させることで各分岐配管１６,６１における流体の流通を許可又は禁止することができ、また、第１分岐配管１５にはパイロットレギュレータ２０が設けられているため第１分岐配管１５を流通する流体の流量を調整することができる。これにより、第１の実施形態における流量制御システム１０により流量制御する場合と比べ、一層広範囲にわたって流量制御することができる。

各開閉弁４０,６１の制御流量をパイロットレギュレータ２０の最大制御流量と同じ値に設定した。これにより、両開閉弁４０,６１の閉鎖時には流量を（パイロットレギュレータ２０により）０〜５Ｌ／ｍｉｎに制御することができ、第１開閉弁４０の開放時でありかつ第２開閉弁６１の閉鎖時には流量を５〜１０Ｌ／ｍｉｎに制御することができ、そして両開閉弁４０,６１の開放時には流量を１０〜１５Ｌ／ｍｉｎに制御することができる。したがって、流量を０〜１５Ｌ／ｍｉｎの範囲で連続的に制御することができるため、広範囲かつ連続的に流量制御することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記各実施形態に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

（１）上記実施形態では、流量センサ１４をパイロットレギュレータ２０及び開閉弁４０,６１の上流側に設けたが、流量センサ１４をパイロットレギュレータ２０及び開閉弁４０,６１の下流側に、すなわち集合配管１７に設けてもよい。

（２）上記実施形態では、流量センサ１４の下流側においてパイロットレギュレータ２０と開閉弁４０,６１とを互いに並列に配置する構成としたが、流量センサ１４の下流側において複数のパイロットレギュレータ２０を互いに並列に配置する構成としてもよい。そうすれば、各分岐配管１５,１６,６２を流通する流体の流量をそれぞれ制御することが可能となる。但し、パイロットレギュレータ２０は、開閉弁４０,６１と比べると一般に高価なものであることを考慮すると、安価な開閉弁４０,６１を用いた構成とするのが望ましい。

（３）上記実施形態では、流量センサ１４の下流側においてパイロットレギュレータ２０と並列に１又は２の開閉弁４０,６１を配置する構成としたが、パイロットレギュレータ２０と並列に３つ以上の開閉弁４０,６１を配置する構成としてもよい。そうすれば、より広範囲にわたって流量を制御することが可能となる。

（４）上記実施形態では、パイロットレギュレータ２０と開閉弁４０,６１とを別体として構成したが、これらを一体化する構成としてもよい。そうすれば、流量制御システム１０,６０をコンパクトに構成することが可能であるため、製造ライン等に組み込む際にはラインの簡素化に寄与することができる。

（５）上記実施形態では、流量制御システム１０を半導体製造ラインの薬液供給に用いる場合を一例として説明したが、これ以外の薬液供給に用いてもよいし、薬液以外の流体の流量制御に用いてもよい。例えば、薬品の製造ラインに用いたり、化学製品の製造ラインに用いたりすることも可能である。

（６）上記第２の実施形態では、流量設定指令値がパイロットレギュレータ２０の最大制御流量よりも大きく、かつ、パイロットレギュレータ２０の最大制御流量と開閉弁４０（又は６１）との総和以下である場合に、第１開閉弁４０を開放させるように制御したが、第２開閉弁６１を開放させるように制御してもよい。また、第１開閉弁４０と第２開閉弁６１とを交互に開放させるように制御してもよい。そうすれば、各開閉弁４０,６１の使用負荷を平準化させることができるため、一方の開閉弁４０,６１の寿命が著しく低減する事態を回避することができる。

流量制御システムを備える薬液供給回路の全体構成を示す回路図。 パイロットレギュレータの構成を示す縦断面図。 開閉弁の構成を示す縦断面図。 流量制御システムによって行われる流量制御の作用を示すタイムチャート。 第２の実施形態における流量制御システムを備える薬液供給回路の全体構成を示す回路図。 第２の実施形態における流量制御システムによって行われる流量制御の作用を示すタイムチャート。

符号の説明

１０…流量制御装置としての流量制御システム、１１…薬液ポンプ、１３…流体通路としての吐出配管、１４…流量センサ、１５…流体通路としての第１分岐配管、１６…バイパス通路としての第２分岐配管、１８…電空レギュレータ、１９…第１電磁弁、２０…レギュレータとしてのパイロットレギュレータ、３０…コントローラ、４０…開度調整部及び開閉部としての第１開閉弁、６０…流量制御装置としての流量制御システム、６１…開度調整部及び開閉部としての第２開閉弁、６２…バイパス通路としての第３分岐配管、６３…第２電磁弁。

Claims (3)

1. 薬液を流通させる流体通路と、
   前記流体通路に設けられ当該流体通路を流通する薬液の流量を調整するレギュレータと、
   前記流体通路に設けられ前記レギュレータを迂回するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ当該バイパス通路の開度を調整する開度調整部と、
   前記レギュレータ及び前記開度調整部を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記レギュレータは、耐薬品性に優れた材料で形成されたダイアフラムに一体化された弁体により、前記薬液の流量を調整するものであり、
   前記流体通路には前記バイパス通路が複数設けられているとともに、これら各バイパス通路にはそれぞれ前記開度調整部が設けられており、
   前記開度調整部は、前記バイパス通路を開位置と閉位置とに二位置切替する開閉部であり、
   前記開閉部には、耐薬品性に優れた材料で形成されたダイアフラムが一体化されており、
   前記開閉部が開位置にある場合に前記バイパス通路を流通する流体の流量が、前記レギュレータにより制御することができる流量の最大値以下であり、
   前記コントローラは、目標流量値が前記レギュレータにより制御可能な流量の最大値以下である場合には前記バイパス通路が閉鎖され、前記目標流量値が前記レギュレータにより制御可能な流量の最大値よりも大きい場合には前記バイパス通路が開放されるように前記開度調整部を制御することを特徴とする流量制御装置。
2. 前記レギュレータと前記開度調整部とが一体化されている請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記コントローラは、前記バイパス通路が開放されるように前記開度調整部を制御する際に、複数の前記開度調整部を交互に解放させる請求項１又は２に記載の流量制御装置。

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