JP6491390B1

JP6491390B1 - 電動バルブの制御方法

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Publication number: JP6491390B1
Application number: JP2018203474A
Authority: JP
Inventors: 永井　秀明; 秀明永井; 朋宏澤畑
Original assignee: V Tex Corp
Current assignee: V Tex Corp
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: JP2020070827A

Abstract

【課題】電動バルブの動作に伴う振動を測定し、異常な振動を検出した位置から問題のある部位を特定し、障害状況の推測を行う。
【解決手段】電動バルブの制御方法は、電動バルブの開口部を開閉させる弁体と、前記弁体を動作させる駆動部３００と、前記弁体の振動を測定する振動センサ５００と、前記駆動部に前記弁体の動作を指示する制御部４００と、を備え、前記制御部は、前記振動センサで測定した振動波形と、予め記録しておいた正常時の波形データとを比較し、抽出された相違部分の位置における振動に関与する部位の候補を挙げ、さらに当該位置で当該部位において推測される障害内容の候補を挙げて、前記電動バルブの障害を特定するための情報を出力する、ことを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、電動バルブの動作に伴う振動を検出して発生した障害を推測する電動バルブの制御方法に関する。

半導体は、様々なプロセス（工程）を経て製造される。半導体製造装置は、複数のチャンバを備えており、プロセスごとに処理を行うチャンバに半導体の基板が搬送される。チャンバ内を真空状態にして処理する場合もあるので、チャンバ間はゲートバルブ等の真空バルブで仕切られ、基板を搬送するときにゲートバルブを開閉する。また、チャンバ内を減圧するための真空ポンプを取り付ける際にも真空バルブを用いる。

真空バルブには、圧縮空気を用いて弁体を駆動させる空圧バルブや、モータを用いて弁体を駆動させる電動バルブなどがある。空圧バルブは、弁体を開位置から閉位置まで一気に移動させるので、特に開位置や閉位置における衝撃や振動が大きくなる。また、電動バルブは、例えば、弁体を上下方向に昇降させてから前後方向に移動させて弁座に押し付けている。大きな振動は抑制されても、開閉時やカム等で縦から横に方向変換する際に振動は発生する。

チャンバ内で発生するパーティクル（異物）は、基板を汚染する原因の一つである。パーティクルは、真空バルブ等の振動によってチャンバ内に拡散することもあり、真空バルブの振動を抑制する必要がある。真空バルブの振動が大きくなったときは、動作速度を遅くして振動を抑制する等の対応が行われており、場合によっては部品等の交換が行われる。なお、特許文献１に記載しているように、真空バルブの動作速度を調整して振動を許容範囲内に制御する発明も出願している。

特願２０１８−８６０２３号

しかしながら、振動を抑制するために真空バルブの動作速度を落とすと、生産性を犠牲にすることになる。振動の大小では計れないものもあり、振動の原因によっては、動作速度の調整で済む場合もあれば、部品の交換が必要な場合もある。部品の交換など適切な対処をするためには、真空バルブのどの部分が原因で振動が発生しているのか特定する必要がある。

電動バルブを使用することで、弁体の動作に伴う振動を小さくはできても、振動自体を無くすことは困難である。しかし、通常の動作で発生する振動よりも大きな振動を検出した場合や、通常は振動が発生しない位置で振動を検出した場合には、部品の故障や劣化などの異常が発生していることを把握することは可能である。

そこで、本発明は、電動バルブの動作に伴う振動を測定し、異常な振動を検出した位置から問題のある部位を特定し、障害状況の推測を行う電動バルブの制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明である電動バルブの制御方法は、電動バルブの開口部を開閉させる弁体と、前記弁体を動作させる駆動部と、前記弁体の振動を測定する振動センサと、前記駆動部に前記弁体の動作を指示する制御部と、を備え、前記制御部は、前記振動センサで測定した振動波形と、予め記録しておいた正常時の波形データとを比較し、抽出された相違部分の位置における振動に関与する部位の候補を挙げ、さらに当該位置で当該部位において推測される障害内容を発生頻度が高い順に候補を挙げて、前記電動バルブの障害を特定するための情報を出力する、ことを特徴とする。

また、前記電動バルブの制御方法において、前記制御部は、当該振動波形の比較において、段階的に複数設定された閾値と比較することで相違の程度を判断して当該相違部分を抽出し、当該相違の程度に応じて障害内容として推測される順に候補を挙げる、ことを特徴とする。

また、前記電動バルブの制御方法において、前記制御部は、振動の方向ごとに相違の程度を判断し、当該振動の方向に応じて障害内容として推測される順に候補を挙げる、ことを特徴とする。

さらに、本発明である電動バルブは、前記制御方法により制御される、ことを特徴とする。

本発明によれば、電動バルブの動作に伴う振動を測定し、異常な振動を検出した位置から問題のある部位を特定し、障害状況の推測を行うことができる。劣化や故障などの障害が発生している部位が容易に特定でき、迅速に部品の調整や交換などのメンテナンスを施すことができる。

本発明である電動バルブの制御方法が適用される半導体製造装置の概観を示す斜視図である。本発明である電動バルブの制御方法が適用される電動バルブの構造を示す側面断面図である。本発明である電動バルブの制御方法が適用される電動バルブの開状態を示す背面斜視図である。本発明である電動バルブの制御方法が適用される電動バルブの閉状態を示す背面斜視図である。本発明である電動バルブの制御方法が適用される電動バルブの動作を示す側面図である。本発明である電動バルブの制御方法を実行する制御部の構成を示す図である。本発明である電動バルブの制御方法の処理の流れを示すフローチャートである。本発明である電動バルブの制御方法を実行したときの結果を示すグラフである。本発明である電動バルブの制御方法において使用するデータの内容を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明である電動バルブの制御方法が適用される半導体製造装置について説明する。図１は、半導体製造装置の概観を示す斜視図である。

図１に示すように、半導体製造装置１００は、複数のチャンバ１１０を備え、プロセスごとに各チャンバ１１０に基板を搬送して処理が行われる。例えば、複数のチャンバ１１０が星状に配置されるクラスタ型の場合、搬送室となるトランスファーチャンバの周りに、真空予備室となるロード（アンロード）ロックチャンバや、処理室となるプロセスチャンバなどが配置される。

半導体製造装置１００においては、各チャンバ１１０の開口部を塞ぐために真空バルブが使用される。真空バルブは、高気密性の開閉弁であり、用途によって、半導体製造装置１００の出入口に設置されるドアバルブ、チャンバ１１０間に設置されるゲートバルブ、真空ポンプ１２０との間に配置される排気バルブなどがある。

例えば、各チャンバ１１０は、排気バルブを開閉して真空ポンプ１２０により所定の圧力まで減圧される。そして、基板をチャンバ１１０に移送する際にゲートバルブを開き、チャンバ１１０内で基板を処理する際にゲートバルブを閉じる。

また、真空バルブには、形状によって、弁体を上下等にスライド移動させて開閉する角型バルブ、開口部に軸を通して円板状の弁体を回転させるバタフライバルブ、弁体を振り子のように回動させて開口部を塞ぐペンドロールバルブなどがある。なお、本実施例においては、ゲートバルブとして角型の電動バルブ２００を使用する。

次に、電動バルブの動作について説明する。図２は、電動バルブの構造を示す側面断面図である。図３は、電動バルブの開状態を示す背面斜視図である。図４は、電動バルブの閉状態を示す背面斜視図である。図５は、電動バルブの動作を示す側面図である。

図２に示すように、電動バルブ２００は、チャンバ１１０の開口部に取り付けられる弁箱２１０、弁箱２１０に空けられチャンバ１１０の開口部と繋がる弁口２２０、弁箱２１０内に収容され弁口２２０を塞ぐための弁体２３０、弁体２３０に取り付けられ閉じたときに気密性を維持するためのシール材２４０、弁口２２０の周縁部でシール材２４０が押し当てられる弁座２５０、弁体２３０を移動可能に支持する弁棒２６０、弁棒２６０を電動により移動させる駆動部３００、及び駆動部３００に動作指示を出すとともに動作状況を管理する制御部４００等を有する。

弁箱２１０は、弁口２２０を開放したときに弁体２３０を収容する空間が確保されれば良い。弁口２２０は、チャンバ１１０の開口部に合わせて空けられ、例えば、基板を搬送する場合は、それが通るように矩形状に空ければ良い。

弁体２３０は、弁口２２０一回り大きい板材を使用すれば良い。弁体２３０の周縁部と弁座２５０とが重なる部分にシール材２４０が挟まれるように配置されれば良い。弁体２３０には、振動センサ５００（図７参照）など各種センサを設けても良い。

シール材２４０は、ゴム製のＯリング等を使用される。シール材２４０は、弁体２３０側に取り付けられ、弁座２５０に押し付けられるが、シール材２４０を弁口２２０側に取り付けても良い。弁座２５０は、シール材２４０が密着したときに気密性が確保できる表面状態であれば良い。

弁棒２６０は、上下移動又は伸縮することにより、弁体２３０を昇降させる。弁口２２０を閉じるときは、弁体２３０を前進させてシール材２４０が弁座２５０に密着するように押し潰す。また、弁口２２０を開くときは、弁体２３０を後退させてシール材２４０を弁座２５０から引き剥がす。

駆動部３００は、制御部４００からの電気信号に基づき、弁棒２６０に与える動力を発生させるアクチュエータである。弁体２３０を上昇させた後、弁口２２０に向かって前進するように、カム（図示せず）などで方向変換させても良い。

図３に示すように、電動バルブ２００を開いた状態においては、弁棒２６０が弁体２３０を開位置まで下降させることで、弁体２３０は弁箱２１０内に収容され、弁口２２０が開放された状態となる。

図４に示すように、電動バルブ２００を閉じた状態においては、弁棒２６０が弁体２３０を閉位置まで上昇させ、弁体２３０を弁座２５０に押し付けることで、弁口２２０が塞がれた状態となる。

駆動部３００においては、ブレーキ（図示せず）を解除してモータ３１０を駆動させることで弁棒２６０が昇降し、弁体２３０が開位置又は閉位置に来たときにブレーキを入れることでモータ３１０が停止する。

モータ３１０で発生した動力は、モータ３１０の回転軸と連結した軸継手であるカップリング３２０に伝達され、さらに、モータ３１０の回転運動を直線運動に変換するボールネジ３３０に伝達されて、弁棒２６０を上下方向に移動させる。なお、ガイド３４０で支持することにより、弁棒２６０は、ガイド３４０に沿って昇降する。

図５に示すように、（ａ）電動バルブ２００を開状態から閉状態にする場合、（ｂ）弁棒２６０が弁体２３０を上昇させる。このとき、シール材２４０は、弁座２５０から離れた位置にある。（ｃ）弁体２３０が上昇した後に弁棒２６０が弁体２３０を前進させて、シール材２４０を弁座２５０に密着させる。

また、（ｃ）電動バルブ２００を閉状態から開状態にする場合、（ｂ）弁体２３０を後退させてシール材２４０を弁座２５０から引き剥がす。（ａ）シール材２４０が弁座２５０から離れた後に弁棒２６０が弁体２３０を下降させて、弁体２３０を弁箱２１０内に収容する。

弁体２３０に設けた振動センサ５００で測定すると、電動バルブ２００を開状態から閉状態に移行させる一連の動作、その後、閉状態から開状態に移行させる一連の動作において、振動が検出される。なお、開状態が維持されている間、又は閉状態が維持されている間にも、微弱な振動が検出される。

例えば、弁体２３０を開位置から上昇させる動作時に振動が発生し、弁体２３０を弁口２２０に向かって移動させる動作時に振動が発生する。また、閉状態になった後、シール材２４０を弁座２５０から引き剥がす動作時に弁体２３０に振動が発生し、弁体２３０を開位置まで下降させる動作時に振動が発生する。

電動バルブ２００の動作時に発生する振動を抑制することはできても無くすことは困難であるが、正常時に発生する振動とは異なる振動を検出した場合には、電動バルブ２００に異常が発生していることを把握することが可能である。

例えば、弁体２３０を開位置から上昇させるタイミングで異常な振動が検出された場合、カップリング３２０やボールネジ３３０の動作が関与していれば、そこに障害が発生していると推測することが可能である。また、振動の波形を分析することにより、ゴミが混入しているのか、部品の摩耗が進んでいるのか等、障害の内容まで推測することも可能となる。

次に、電動バルブの制御方法について説明する。図６は、電動バルブの制御方法を実行する制御部の構成を示す図である。図７は、電動バルブの制御方法の処理の流れを示すフローチャートである。図８は、電動バルブの制御方法を実行したときの結果を示すグラフである。図９は、電動バルブの制御方法において使用するデータの内容を示す図である。

図６に示すように、制御部４００は、電動バルブ２００の制御や管理における処理を行う演算手段４１０、振動センサ５００からデータの入力を受け付けて演算手段４１０に送る入力手段４２０、演算手段４１０で扱うデータを一時的又は長期的に保存する記憶手段４３０、及び演算手段４１０で処理した結果を表示等する出力手段４４０等を備える。なお、記憶手段４３０としては、波形データ４３０ａ、位置データ４３０ｂ、部位データ４３０ｃ、履歴データ４３０ｄ等を用意しておく。

演算手段４１０は、電動バルブ２００を動作させるために駆動部３００に動作指示の命令信号を送り、電動バルブ２００が動作することで振動センサ５００が振動を検出する。振動センサ５００は、加速度センサ等であり、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸で加速度を検出しても良い。

図７に示すように、制御部４００は、動作前に記憶手段４３０から波形データ４３０ａを取得し（ステップＳ０１）、駆動部３００に動作指示し（ステップＳ０２）、動作が完了するまで振動センサ５００で波形を測定し（ステップＳ０３）、動作後に測定した波形と予め取得した波形データ４３０ａとを比較し（ステップＳ０４）、波形に異常な部分があればその位置を特定し（ステップＳ０５）、その位置に対応する部位を抽出し（ステップＳ０６）、その部位における障害を推測し（ステップＳ０７）、その障害を特定できるように結果を出力する（ステップＳ０８）等の各処理を実行する。

ステップＳ０１においては、波形データ４３０ａは、予め正常な電動バルブ２００を動作させて振動センサ５００で測定したデータを記憶手段４３０に記録しておけば良い。例えば、図８（ａ）に示すように波形が記録される。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸それぞれの方向の振動を別々の波形として記録しても良い。また、複数の波形から標準的な波形データ４３０ａを作成しても良い。

ステップＳ０２においては、例えば、開動作の場合は、モータ３１０を起動し、弁体２３０が開位置まで来たらモータ３１０を停止するように駆動部３００に指示すれば良い。また、閉動作の場合は、モータ３１０を起動し、弁体２３０が閉位置まで来たらモータ３１０を停止するように駆動部３００に指示すれば良い。

ステップＳ０３においては、動作開始から動作終了までのように電動バルブ２００の一連の動作中又は停止中に、弁体２３０の位置や速度や加速度などを時間ごとに測定し、その期間における連続した振動波形として得られれば良い。例えば、図８（ｂ）に示すような波形が測定される。また、開度センサなどで弁体２３０が開位置又は閉位置に来たことを検出しても良い。振動波形は、一時的に記憶手段４３０に記録しても良い。

ステップＳ０４においては、測定した振動波形と、予め取得した波形データ４３０ａとを比較し、相違部分を抽出する。例えば、波形データ４３０ａとの相違の程度を判断する指標として、許容範囲、注意範囲、異常範囲など段階的に複数の閾値を設定しておく。許容範囲内の相違であれば無視し、注意範囲又は異常範囲以上の相違部分を抽出すれば良い。また、弁体２３０の昇降時や押付け又は引剥し時のように動作に段階がある場合は、動作ごとに異なる閾値を設定しても良い。比較は、振動の方向ごとに行っても良い。

ステップＳ０５においては、抽出した相違部分を位置データ４３０ｂとして記録する。例えば、閉動作開示時であれば図８に示す位置Ａ、弁体上昇時であれば位置Ｂ、シール材押付け時であれば位置Ｃ、閉動作終了時であれば位置Ｄのように動作のタイミングを記録すれば良い。例えば、図８（ａ）と図８（ｂ）を比較した場合、位置Ｂ及び位置Ｃにおいて正常時とは異なる振幅の大きい振動が発生していることが把握できる。

ステップＳ０６においては、位置データ４３０ｂを基に部位データ４３０ｃから相違部分の原因となる電動バルブ２００の部位の候補を抽出する。なお、部位データ４３０ｃには、予め位置（タイミング）ごとに電動バルブ２００の動作に関与している部位、例えば、カップリング３２０やボールネジ３３０などの部位を対応付けて保存しておく。

ステップＳ０７においては、位置データ４３０ｂに対応する部位候補を基に、履歴データ４３０ｄから相違部分において推測される電動バルブ２００の障害内容の候補を抽出する。なお、履歴データ４３０ｄには、位置（タイミング）に対応する部位ごとに、電動バルブ２００に発生した障害を対応付けて保存しておく。

例えば、図９に示すように、部位データ４３０ｃと履歴データ４３０ｄが設定されていたとして、位置Ｂの弁体上昇時のタイミングで異常な振動が発生していた場合、部位候補として、カップリング、ボールネジ、ガイドの３つが挙がり、障害内容として、カップリングの調整不良、ボールネジのゴミ混入、ボールネジの摩耗、ガイドのゴミ混入、ガイドの摩耗が候補として挙げられる。

ステップＳ０８においては、推測された障害内容の候補をモニタに表示する又はプリンタで印刷するなど出力手段４４０で出力する。電動バルブ２００の障害を特定するための情報が提示されるので、それを基に、電動バルブ２００の部位を点検すれば良い。相違部分における異常の程度が大きい場合には、警告的な表示を行い、メンテナンスを促しても良い。また、自動的に動作速度を遅くして振動を軽減させる、又は動作自体を停止するように制御しても良い。

履歴データ４３０ｄには、当該動作において特定された障害内容を蓄積しても良い。なお、履歴データ４３０ｄにおいて、同じ障害内容をカウントしておき、回数が多いものは障害の発生頻度が高いとして、候補に挙げる順序を上げるなど優先度を設定しても良い。また、段階的に複数の閾値を設定した場合、相違部分における相違の程度に応じて重み付けを行い、推測される障害の順序を設定しておいても良い。さらに、振動の方向により推測される障害の順序を設定しても良い。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。

１００：半導体製造装置
１１０：チャンバ
１２０：真空ポンプ
２００：電動バルブ
２１０：弁箱
２２０：弁口
２３０：弁体
２４０：シール材
２５０：弁座
２６０：弁棒
３００：駆動部
３１０：モータ
３２０：カップリング
３３０：ボールネジ
３４０：ガイド
４００：制御部
４１０：演算手段
４２０：入力手段
４３０：記憶手段
４３０ａ：波形データ
４３０ｂ：位置データ
４３０ｃ：部位データ
４３０ｄ：履歴データ
４４０：出力手段
５００：振動センサ

Claims

電動バルブの開口部を開閉させる弁体と、
前記弁体を動作させる駆動部と、
前記弁体の振動を測定する振動センサと、
前記駆動部に前記弁体の動作を指示する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記振動センサで測定した振動波形と、予め記録しておいた正常時の波形データとを比較し、抽出された相違部分の位置における振動に関与する部位の候補を挙げ、さらに当該位置で当該部位において推測される障害内容を発生頻度が高い順に候補を挙げて、前記電動バルブの障害を特定するための情報を出力する、
ことを特徴とする電動バルブの制御方法。
前記制御部は、当該振動波形の比較において、段階的に複数設定された閾値と比較することで相違の程度を判断して当該相違部分を抽出し、当該相違の程度に応じて障害内容として推測される順に候補を挙げる、
ことを特徴とする請求項１に記載の電動バルブの制御方法。
前記制御部は、振動の方向ごとに相違の程度を判断し、当該振動の方向によって障害内容として推測される順に候補を挙げる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動バルブの制御方法。
請求項１乃至３の何れか一に記載の電動バルブの制御方法により制御される、
ことを特徴とする電動バルブ。