JP7216425B2 - 流量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、流量制御装置に関し、特に、半導体製造設備や化学品製造設備等に好適に利用される流量制御装置に関する。
半導体製造装置や化学プラントにおいて、材料ガスやエッチングガス等の流体の流れを制御するために、種々のタイプの流量計や流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、制御バルブと絞り部（例えばオリフィスプレート）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので広く利用されている（例えば、特許文献１）。
圧力式流量制御装置の制御バルブとしては、耐食性が高いこと、発塵が少ないこと、ガスの置換性が良いこと、開閉速度が速いこと及び閉弁時に迅速且つ確実に流体通路を閉鎖できること等の点から金属ダイヤフラム型バルブが多く使用されている。また、金属ダイヤフラムを開閉する駆動装置としては、圧電素子駆動装置（ピエゾアクチュエータとも言う）が広く利用されている。
特許文献２には、上記のように圧電素子（ピエゾ素子とも言う）を用いて金属ダイヤフラム弁体を開閉させるように構成された圧電素子駆動式バルブが開示されている。圧電素子駆動式バルブでは、圧電素子に印加する駆動電圧の大きさによって圧電素子の伸長度合が変化し、これに伴い金属ダイヤフラム弁体を弁座に押し付ける押圧力が変化する。金属ダイヤフラム弁体が弁座に対して十分な押圧力で押し付けられているときは閉弁状態となり、押圧力が弱まると金属ダイヤフラム弁体が弁座から離れて開弁する。圧電素子駆動式バルブは、高速作動が可能なうえ、動作特性上のヒステリシスが比較的小さいという利点を有している。
また、圧電素子駆動式バルブには、ノーマルオープン型とノーマルクローズ型とがあり、ノーマルオープン型では、電圧印加による圧電素子の伸長に連動して弁体が閉方向に移動する。一方、ノーマルクローズ型では圧電素子の伸長に連動して弁体が開方向に移動する。ノーマルオープン型の圧電素子駆動式バルブは、例えば、特許文献３に開示されている。
特開２００４－１３８４２５号公報 特開２００７－１９２２６９号公報 特許第４９３３９３６号
従来の半導体プロセス制御においては、圧電素子駆動式バルブは、設定流量に対する偏差を解消するように制御されるため、アナログ的に僅かな変位量で比較的緩やかに開閉動作が行われることが多かった。
しかしながら、近年、流量制御装置は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）などへの適用が求められており、このような用途では、高速な（周期が非常に短い）パルス状の制御信号によって制御バルブを開閉して流量の切り替えを短時間のうちに高速に行うことが要求される。この場合、従来の圧力式流量制御装置のように、絞り部の上流側の圧力を制御バルブを用いて制御する流量制御方式では、十分な流量立上げ／立下げ特性が得られず、パルス的な流量制御に対応するのは困難であった。
また、パルス的な流量制御を適切に行うためには、応答性に優れた電磁弁などを用いて流量制御装置を構成することも考えられる。しかしながら、この場合には、装置の製造コストが増加し、圧力式流量制御装置の有する比較的簡単な機構によって高精度に流量を制御できるという利点が損なわれるおそれがあった。このため、従来の流量制御装置では、パルス的な流量制御と連続的な流れの流量制御との双方を両立して適切に行うことに支障があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、従来の圧力式流量制御装置の特長を踏襲しながら、パルス流量制御などにも対応可能な、応答性が良好な流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。
本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた圧力制御バルブと、前記圧力制御バルブの下流側に設けられた流量制御バルブと、前記圧力制御バルブの下流側かつ前記流量制御バルブの上流側の圧力を測定する第１圧力センサと、開度が固定された絞り部とを備え、前記流量制御バルブは、弁座に離着座する弁体と、前記弁体を前記弁座に離着座させるために前記弁体を移動させるための圧電素子と、前記圧電素子の側面に設置された歪センサと有し、前記流量制御バルブが有する前記弁座と前記弁体との距離を開度として、前記流量制御バルブは、前記開度を変更可能な絞り部として用いられ、前記第１圧力センサから出力される信号に基づいて前記圧力制御バルブを制御しながら、前記歪センサから出力される信号に基づいて前記圧電素子の駆動を制御し、連続的な流れの制御を行うときには、前記開度が固定された絞り部を用いて流量制御を行い、断続的な流れの制御を行うときには、前記開度を変更可能な絞り部としての前記流量制御バルブを用いて流量制御を行う。
ある実施形態において、前記開度が固定された絞り部を用いて前記連続的な流れの制御を行うとき、前記流体制御バルブを全開とする。
ある実施形態において、前記開度が固定された絞り部は、前記流量制御バルブの上流側に設けられている。
ある実施形態において、上記流量制御装置は、前記流量制御バルブの下流側の圧力を測定する第２圧力センサをさらに備える。
ある実施形態において、前記開度が固定された絞り部は、前記流量制御バルブの下流側に設けられている。
ある実施形態において、上記流量制御装置は、前記開度が固定された絞り部の下流側の圧力を測定する第２圧力センサをさらに備える。
ある実施形態において、上記流量制御装置は、前記流量制御バルブと前記開度が固定された絞り部との間の圧力を測定する第３圧力センサをさらに備える。
ある実施形態において、前記開度が固定された絞り部の最大設定流量は、前記流量制御バルブの最大設定流量よりも大きい。
ある実施形態において、前記流量制御バルブの上流側の圧力と前記流量制御バルブの下流側の圧力とが臨界膨張条件を満たす状態で流量制御が行われる。
ある実施形態において、前記歪センサは、前記圧電素子の伸長方向の歪を検出するための第１歪ゲージと、前記圧電素子の前記伸長方向と直交する方向の歪を検出するための第２歪ゲージとを含む。
ある実施形態において、前記流量制御バルブは、前記歪センサが取り付けられた前記圧電素子を含む複数の圧電素子と前記複数の圧電素子を一列に収容する筒体とを有するピエゾアクチュエータを備えており、前記ピエゾアクチュエータに電圧を印加することによって前記弁体としての金属ダイヤフラム弁体が弁座の方向に移動するように構成されたノーマルオープン型のバルブである。
ある実施形態において、前記流量制御バルブは、前記歪センサが取り付けられた前記圧電素子と、前記圧電素子を収容する筒体とを有するピエゾアクチュエータを備えており、前記ピエゾアクチュエータに電圧を印加することによって前記弁体としての金属ダイヤフラム弁体が弁座の方向に移動するように構成されたノーマルオープン型のバルブである。
本発明の実施形態によれば、応答性が良好な流量制御装置が提供される。
本発明の実施形態による流量制御装置の構成を示す模式的な図である。 本発明の実施形態で用いられる流量制御バルブおよび第２圧力センサを示す断面図である。 本発明の実施形態で用いられるピエゾアクチュエータを示す図であり、（ａ）は筒体および内部に収容されるピエゾスタックを示し、（ｂ）はコネクタ部を示す。 本発明の実施形態で用いられる歪センサ出力を得るための例示的なブリッジ回路を示す図である。 縦１ゲージの場合と直交２ゲージの場合とでの、歪センサの出力を示すグラフである。 縦１ゲージの場合と直交２ゲージの場合とでの、歪センサの出力の温度依存性を示すグラフであり、（ａ）は縦１ゲージの場合を示し、（ｂ）は直交２ゲージの場合を示す。 流量と、流量制御バルブのピエゾ変位量（歪センサ出力）との関係を示す図であり、上流圧力Ｐ1を異なるものとしたときの３つのグラフが示されている。 パルス流量制御の態様を示す図であり、（ａ）は絞り部によって決定される流量でのパルス流量制御、（ｂ）は流量制御バルブの開度によって決定される流量でのパルス流量制御を示す。 本発明の実施形態による変形例の流量制御装置の構成を示す模式的な図である。 本発明の実施形態による別の変形例の流量制御装置の構成を示す模式的な図である。 本発明の実施形態によるさらに別の変形例の流量制御装置の構成を示す模式的な図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態による流量制御装置１００の構成を示す。流量制御装置１００は、ガスＧ０の流入側の流路１に設けられた圧力制御バルブ６と、圧力制御バルブ６の下流側に設けられた流量制御バルブ８と、圧力制御バルブ６の下流側かつ流量制御バルブ８の上流側の圧力Ｐ1を検出する第１（または上流）圧力センサ３と、圧力制御バルブ６の下流側に配置された絞り部２とを備えている。
本実施形態では、絞り部２は、流量制御バルブ８の上流側に配置されたオリフィスプレートによって構成されている。オリフィスプレートは、オリフィスの面積が固定されているので、開度が固定された絞り部として機能する。なお、本明細書において、「絞り部」とは、流路の断面積を、前後の流路断面積より小さく制限した部分であり、例えば、オリフィスプレートや臨界ノズル、音速ノズルなどを用いて構成されるが、他のものを用いて構成することもできる。また、本明細書において、絞り部には、バルブの弁座と弁体との距離を開度とし、この開度を仮想の可変オリフィスに見立てたバルブ構造も含まれる。このようなバルブ構造は、開度が可変の絞り部として機能する。
本実施形態の流量制御装置１００はまた、流量制御バルブ８の下流側の圧力Ｐ2を測定する第２（または下流）圧力センサ４と、圧力制御バルブ６の上流側の圧力Ｐ0を検出する流入圧力センサ５とを備えている。ただし、流量制御装置１００は、他の態様において、第２圧力センサ４や流入圧力センサ５を備えていなくてもよい。
第１圧力センサ３は、圧力制御バルブ６と絞り部２または流量制御バルブ８との間の流体圧力である上流圧力Ｐ1を測定することができ、第２圧力センサ４は、絞り部２または流量制御バルブ８の下流圧力Ｐ2を測定することができる。また、流入圧力センサ５は、接続されたガス供給装置（例えば原料気化器やガス供給源等）から流量制御装置１００に供給される材料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどの流入圧力Ｐ0を測定することができる。流入圧力Ｐ0は、ガス供給装置からのガス供給量やガス供給圧を制御するために利用され得る。
流量制御バルブ８の下流側は、下流弁（図示せず）を介して半導体製造装置のプロセスチャンバに接続されている。プロセスチャンバには真空ポンプが接続されており、典型的には、プロセスチャンバの内部が真空引きされた状態で、流量制御装置１００から流量制御されたガスＧ１がプロセスチャンバに供給される。下流弁としては、例えば、圧縮空気により開閉動作が制御される公知の空気駆動弁（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）や電磁弁等を用いることができる。
流量制御装置１００の流路１は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。第１および第２圧力センサ３、４は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。
また、圧力制御バルブ６は、例えば、金属製ダイヤフラム弁体をピエゾアクチュエータで駆動する公知の圧電素子駆動式バルブであってよい。後述するように、圧力制御バルブ６は、第１圧力センサ３から出力される信号に応じてその開度が制御され、例えば、第１圧力センサ３が出力する上流圧力Ｐ1が、入力された設定値に維持されるようにフィードバック制御される。
また、本実施形態において、流量制御バルブ８は、弁座に当接および離間（以下、離着座と呼ぶことがある）するように配置された弁体と、弁体を移動させるための圧電素子と、圧電素子の伸長量を検出する歪センサ（歪ゲージとも言う）２０とを備えた圧電素子駆動式のバルブである。後述するように、流量制御バルブ８は、歪センサ２０から出力される信号に基づいて圧電素子の駆動がフィードバック制御され得るように構成されている。
図２は、図１に示した流量制御バルブ８と、その下流側に設けられた第２圧力センサ４との構成例を示している。流量制御バルブ８および第２圧力センサ４は、本体ブロック１１に取り付けられている。なお、本体ブロック１１の入口側は、図１に示した圧力制御バルブ６および第１圧力センサ３が取り付けられた別の本体ブロック（図示せず）に接続されている。また、図１に示した絞り部２は、本体ブロック１１と別の本体ブロックとの接続部において、例えば、ガスケットを介してオリフィスプレートとして固定されている。ただし、絞り部としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に、臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１００μｍ～５００μｍに設定される。
図２に示す流量制御バルブ８は、ノーマルオープン型のバルブであり、ピエゾアクチュエータ１０の伸長によって弁体が弁座の方向に移動するように構成されている。流量制御バルブ８は、１本もしくは複数の圧電素子１０ｂ（図３参照）を含むピエゾアクチュエータ１０と、ピエゾアクチュエータ１０の下方に配置された金属ダイヤフラム弁体１３と、ピエゾアクチュエータ１０の外側に設けられた案内筒体１４とを備えている。
ピエゾアクチュエータ１０の下端１０ｔは、支持体１６によって支持されており、支持体１６の下方にはダイヤフラム弁体１３と当接する弁体押さえ１８が設けられている。金属ダイヤフラム弁体１３は、自己弾性復帰型であり、例えばニッケルクロム合金鋼等の薄板により形成されている。
金属ダイヤフラム弁体１３は、本体ブロック１１の流路に設けられた弁座１２に対して離着座可能に配置されている。本実施形態の金属ダイヤフラム弁体１３は、中央部が上方へ僅かに膨出した逆皿形に形成されているが、金属ダイヤフラム弁体１３の形状は平板状であってもよく、また、材質もステンレス鋼やインコネル合金やその他の合金鋼であってもよい。金属ダイヤフラム弁体１３は、１枚の金属ダイヤフラムによって構成されていてもよいし、積層された２～３枚の複数の金属ダイヤフラムによって構成されていてもよい。
上記構成において、ピエゾアクチュエータ１０に駆動電圧が印加されていない状態では、金属ダイヤフラム弁体１３（中央部）は自己弾性力により弁座１２に対して離間している。また、本実施形態では、支持体１６の周囲に配置された弾性部材（ここでは皿バネ）１５が支持体１６およびピエゾアクチュエータ１０を支持しており、電圧無印加時に金属ダイヤフラム弁体１３が弁座１２から離間しやすくなっている。弾性部材１５は、予めピエゾアクチュエータ１０を圧縮させておくためにも用いられる。
一方、ピエゾアクチュエータ１０に駆動電圧を印加すると、バルブ本体１１に対して固定された案内筒体１４の内側で、ピエゾアクチュエータ１０が下方に向かって伸長する。そして、ピエゾアクチュエータ１０の下端１０ｔが弾性部材１５の付勢力に抗して支持体１６を押し下げ、これに連動して弁体押さえ１８が金属ダイヤフラム弁体１３を弁座１２の方向に移動させる。これにより、弁開度は減少し最終的には閉弁する。
このようなノーマルオープン型のバルブでは、ピエゾアクチュエータ１０に最大駆動電圧を印加しているときに閉弁状態となり、駆動電圧を減少させることによって開度を任意に調節することができる。また、ノーマルオープン型のバルブは、ピエゾアクチュエータ１０から弁体押さえ１８まで比較的遊びの少ない機構で接続されるとともに、電圧印加開始時におけるピエゾアクチュエータ１０の伸長が妨げられにくい。このため、ピエゾアクチュエータ１０に電圧印加した瞬間から弁体１３を移動させやすく、応答性が良好である。
次に、流体制御バルブ８を構成するピエゾアクチュエータ１０の詳細構成を説明する。図３（ａ）は、外側の筒体１０ａと、この筒体１０ａ内に一列に並べられた状態で収容される複数の圧電素子１０ｂ（以下、ピエゾスタック１０ｂと呼ぶことがある）とを分解して示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すコネクタ部１０ｃを正面方向から見た状態を示す。図３（ａ）では、ピエゾアクチュエータ１０を、図２とは上下逆向きに示している。
図３（ａ）に示すように、ピエゾアクチュエータ１０において、複数の圧電素子１０ｂのうちの１つには、接着剤等によって歪センサ２０が直接的に取り付けられている。歪センサ２０は圧電素子の側面に配置されており、本実施形態においては、圧電素子の積層方向、すなわち、ピエゾスタックの主伸長方向であるｚ方向の歪を検出する第１歪ゲージ２０ｚと、主伸長方向と直交するｘ方向の歪を検出する第２歪ゲージ２０ｘとによって構成されている。第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘとしては、例えば、株式会社共和電業社製のＫＦＲ－０２ＮやＫＦＧＳ－１、ＫＦＧＳ－３等を用いることが出来る。
本実施形態において、第１歪ゲージ２０ｚは全体が圧電素子と接するように貼り付けられており、第２歪ゲージ２０ｘは第１歪ゲージ２０ｚの中央部をまたいで交差するように圧電素子に貼り付けられている。第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘは、圧電素子の変位を、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの電気抵抗の変化として検出することができる。
また、図３（ｂ）に示すように、コネクタ部１０ｃには、ピエゾスタック１０ｂに駆動電圧を印加するための一対の駆動電圧端子２２ａ、２２ｂと、第１歪ゲージ２０ｚの一方の端子に接続された第１歪センサ出力端子２４ａと、第１歪ゲージ２０ｚの他方の端子および第２歪ゲージ２０ｘの一方の端子に共通に接続された歪センサ共通出力端子２４ｃと、第２歪ゲージ２０ｘの他方の端子に接続された第２歪センサ出力端子２４ｂとが設けられている。
ピエゾスタック１０ｂを構成する複数の圧電素子１０ｂは、公知の回路構成によって駆動電圧端子２２ａ、２２ｂに電気的に接続されており、駆動電圧端子２２ａ、２２ｂに電圧を印加することによって、複数の圧電素子１０ｂの全てをスタック方向に伸長させることができる。ピエゾスタックの変位は、印加電圧の大きさによって制御することができる。ピエゾアクチュエータ１０としては、例えばＮＴＫセラテック社等から販売されているものを利用することができる。なお、ピエゾアクチュエータ１０は、他の態様において、筒体に収容された単一の圧電素子およびこの側面に取り付けられた歪センサによって構成されていてもよい。
第１および第２歪センサ出力端子２４ａ、２４ｂおよび歪センサ共通出力端子２４ｃは、外部基板に設けられた回路に接続されており、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘを含むブリッジ回路が形成されている。このブリッジ回路において、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値の変化を検出することができる。
図４は、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値変化を検出するための例示的な等価回路を示す。図４に示す等価回路において、分岐点Ａ－Ｄ間および分岐点Ｃ－Ｄ間に設けられた抵抗Ｒ１、Ｒ２は、外部基板上に設けられた既知抵抗値の固定抵抗に対応し、分岐点Ａ－Ｂ間に設けられた抵抗Ｒ３は、第１歪ゲージ２０ｚに対応し、分岐点Ｂ－Ｃ間に設けられた抵抗Ｒ４は、第２歪ゲージ２０ｘに対応する。本実施形態では、第１歪ゲージ２０ｚおよび第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値と、２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値とは同じに設定されており、例えば、いずれも１２０オームもしくは３５０オームに設定されている。
また、図４において、分岐点Ａは、第１歪センサ出力端子２４ａに対応し、分岐点Ｂは、歪センサ共通出力端子２４ｃに対応し、分岐点Ｃは、第２歪センサ出力端子２４ｂに対応する。この等価回路において、分岐点Ａ－Ｃ間に所定のブリッジ印加電圧が印加された状態で、第１歪ゲージ２０ｚまたは第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値の変化は、ブリッジ出力信号（分岐点Ｂ－Ｄ間の電位差）の変化として検出される。なお、上記のように各抵抗Ｒ１～Ｒ４の大きさが同じである場合、第１および第２歪ゲージ２０ｚ、２０ｘに応力が生じていない初期状態において、ブリッジ出力信号は典型的にはゼロを示す。
ピエゾスタックに駆動電圧が印加されたとき、歪センサ２０が取り付けられた圧電素子はｚ方向に伸長するとともに、これと直交するｘ方向においては収縮する。この場合、第１歪ゲージ２０ｚの抵抗値は、圧電素子の伸長量に対応して増加し、第２歪ゲージ２０ｘの抵抗値は圧電素子の収縮量に対応して減少する。
そして、図４に示す回路では、ピエゾスタック１０ｂに駆動電圧が印加されてこれが伸長したとき、第１歪ゲージ２０ｚにおける歪量が増大してブリッジ出力信号が増加するとともに、第２歪ゲージ２０ｘにおける歪量が減少することによってもブリッジ出力信号が増加する。このため、ピエゾスタック変位時には、第１歪ゲージ２０ｚの歪み量の増加分と、第２歪ゲージ２０ｘの歪み量の減少分との合計に対応するブリッジ出力信号の変動が生じることになる。これにより、ブリッジ出力信号を増幅させることができる。
また、上記のように第１歪ゲージ２０ｚと、これに直交する第２歪ゲージ２０ｘとを用いてブリッジ回路を構成することによって、温度変化による歪ゲージの抵抗値変化を補正することが可能である。これは、例えば温度が上昇することによって圧電素子が膨張したとき、その膨張が、第１歪ゲージ２０ｚに対してはブリッジ出力信号を増加させる要素として働くのに対して、第２歪ゲージ２０ｘに対してはブリッジ出力信号を減少させる要素として働き、温度による増加要素と減少要素とが相殺されたブリッジ出力信号が得られるからである。このため、温度の変化に起因して圧電素子自体の膨張および収縮が生じているときであっても、ブリッジ出力信号への影響は低減され、温度補償を実現することが可能になる。
図５は、第１歪ゲージ２０ｚのみ（縦１ゲージ）を用いた場合（図４に示した等価回路において、分岐点Ｂ－Ｃ間に設けられた抵抗Ｒ４を既知の固定抵抗としてブリッジ回路を構成した場合）におけるピエゾ駆動電圧と歪センサ出力（ブリッジ出力信号：アンプゲイン×４００）との関係を示すグラフＡ１と、上記の第１歪ゲージ２０ｚと第２歪ゲージ２０ｘと（直交２ゲージ）を用いて歪センサを構成した場合のグラフＡ２とを示す。グラフＡ２としては、同様に直交２ゲージの構成とした２つの例が示されている。
グラフＡ１とグラフＡ２とを比較してわかるように、ピエゾ駆動電圧を印加したとき、直交２ゲージを用いた場合のグラフＡ２では、縦１ゲージの場合のグラフＡ１に比べて増幅された歪センサ出力が得られることが分かる。
また、図６（ａ）は、縦１ゲージを用いた場合の歪センサ出力の温度依存性（１５℃、２５℃、３５℃のグラフＡ３、Ａ４、Ａ５）を示し、図６（ｂ）は直交２ゲージを用いた場合を示す。図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較してわかるように、直交２ゲージを用いることによって、１５℃のグラフＡ３、２５℃のグラフＡ４、３５℃のグラフＡ５は、より近接したものとなり、温度依存性を低減できることが分かる。なお、温度補償をより精度よく行うために、ピエゾ駆動電圧（圧電素子への印加電圧）が０のときの歪センサ出力を０に補正する、ゼロ点補正を行ってもよい。
また、図５および図６からわかるように、ピエゾ駆動電圧と歪センサ出力との関係は、昇圧時と降圧時とでわずかに異なっている。これは、ピエゾアクチュエータの昇圧時と降圧時とでは、駆動電圧の大きさが同じであっても弁の実際の開度が異なるのに対して、歪センサ出力は弁の実際の開度に対応したものであるためであると考えられる。このように、駆動電圧を参照しただけでは弁の実際の開度を判断しにくい場合があるが、歪センサの出力に基づいて弁開度をフィードバック制御すれば、より精度よく開度調整を行い得る。
なお、本明細書において、歪センサの出力とは、歪センサを構成する歪ゲージの歪量に応じて変化する歪ゲージの抵抗値に対応する種々の出力を意味しており、例えば、歪ゲージの抵抗値自体であってもよいし、複数の歪ゲージを組み込んだホイートストンブリッジ回路が出力する上記のブリッジ出力信号（図４参照）などであってもよい。いずれの態様で得られる歪センサの出力も、圧電素子の伸長量に対応するものであり、歪センサの出力に基づいて圧電素子の伸長量を知ることができる。
以下、再び図１を参照して、流量制御装置１００における流量制御動作を説明する。
流量制御装置１００は、第１圧力センサ３の出力に基づいて圧力制御バルブ６の開閉動作を制御する第１制御回路７を備えている。第１制御回路７は、外部から受け取った設定上流圧力と第１圧力センサ３の出力Ｐ1との差がゼロになるように圧力制御バルブ６をフィードバック制御するように構成されている。これにより、圧力制御バルブ６の下流側かつ流量制御バルブ８の上流側の圧力Ｐ1を設定値に維持することが可能である。
また、流量制御装置１００は、流量制御バルブ８に設けられた歪センサ２０からの出力をピエゾバルブ変位として受け取り、この出力に基づいて流量制御バルブ８の駆動を制御する第２制御回路１７を有している。なお、図１には、第１制御回路７と第２制御回路１７とが別個に設けられた態様が示されているが、これらは一体的に設けられていてもよい。
第１制御回路７および第２制御回路１７は、流量制御装置１００に内蔵されたものであってもよいし、流量制御装置１００の外部に設けられたものであってもよい。第１制御回路７および第２制御回路１７は、典型的には、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等によって構成され、後述する流量制御動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよい。第１制御回路７および第２制御回路１７は、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。
流量制御装置１００は、第１制御回路７および第２制御回路１７によって、第１圧力センサ３が出力する上流圧力Ｐ1が設定値になるように圧力制御バルブ６を制御しながら、流量制御バルブ８の圧電素子１０ｂの駆動を制御することにより、流量制御バルブ８の下流側に流れる流体の流量を制御するように構成されている。流量制御装置１００は、特に、臨界膨張条件Ｐ1／Ｐ2≧約２（Ｐ1：絞り部上流側の流体圧力（上流圧力）、Ｐ2：絞り部下流側の流体圧力（下流圧力））を満たすとき、絞り部２または流量制御バルブ８を通過するガスの流量が、下流圧力Ｐ2によらず上流圧力Ｐ1によって決まるという原理を利用して流量制御を行うことができる。
臨界膨張条件を満たすとき、流量制御バルブ８の下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ1・Ａｖ・Ｐ1（Ｋ1は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられる。流量Ｑは、上流圧力Ｐ1および流量制御バルブ８の弁開度Ａｖに概ね比例するものと考えられる。また、第２圧力センサ４を備える場合、上流圧力Ｐ1と下流圧力Ｐ2との差が小さく、上記の臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力Ｐ1および下流側圧力Ｐ2に基づいて、所定の計算式Ｑ＝Ｋ2・Ａｖ・Ｐ2 m（Ｐ1－Ｐ2）n（ここでＫ2は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。
図７は、流量と、流量制御バルブ８におけるピエゾ変位量との関係を示す図である。ただし、図７では、ピエゾ変位量の増加につれて弁開度Ａｖが増加する場合（ノーマルクローズ型に対応）が示されている。上述したように、本実施形態の流量制御装置１００では、ピエゾ変位量（または弁開度Ａｖ）を、歪センサ出力に基づいて検出することができる。
図７には、第１圧力センサ３からの出力に基づいて圧力制御バルブ６を制御することにより、上流圧力Ｐ1を５０ｋＰａ ａｂｓ、１００ｋＰａ ａｂｓ、３００ｋＰａ ａｂｓのそれぞれに制御したときのグラフＢ１～Ｂ３が示されている。図７に示されるように、圧力制御バルブ６を用いて上流圧力Ｐ1を所望の流量レンジに対応する一定値に制御しながら、流量制御バルブ８の弁開度を歪センサ出力（ピエゾ変位量）に基づいて制御することにより、広い範囲にわたって流量を好適に制御することができる。特に、歪センサ出力に基づいて流量制御バルブ８をフィードバック制御する場合、従来のように上流圧力Ｐ1に基づいて制御バルブをフィードバック制御する場合に比べて、流量制御の応答性を向上させ得る。このように、流量制御バルブ８は、本実施形態では、バルブの弁座と弁体との距離を開度としてこの開度を変更する機能を有し、可変オリフィス（開度が可変である絞り部）として用いられ得る。
また、本実施形態の流量制御装置１００では、開度が固定された絞り部２の最大設定流量が、開度が可変である流量制御バルブ８の最大設定流量よりも大きく設定されている。ここで、絞り部２の最大設定流量とは、流量制御装置１００において臨界膨張条件下で絞り部２の上流側の圧力を最大設定圧力としたときに絞り部２を流れるガスの流量であり、流量制御バルブ８の最大設定流量とは、同条件で流量制御バルブ８を最大設定開度で開いた時に流れるガスの流量を意味する。この場合、典型的には、絞り部２の開口面積（すなわち流路断面積）が、流量制御バルブ８の最大設定開度での流路断面積よりも大きいものとなる。絞り部２は、例えば、最大設定流量２０００ｓｃｃｍ（オリフィス径：約３００μｍ）のオリフィスプレートによって構成され、流量制御バルブ８の制御流量は２０００ｓｃｃｍ以下に設定される。なお、上記の流量制御バルブ８を最大設定開度とは、流量制御に用いる範囲内で最も大きい開度を意味し、通常、流量制御バルブ８を全開（電圧無印加）にしたときの最大開度よりも小さい開度である。
以上のように構成することにより、開度が固定された絞り部２を流量制御の主要素として用いて圧力制御バルブ６によって上流圧力Ｐ1を制御することで、従来の圧力式流量制御装置と同様に流量制御を行うことが可能なうえに、圧力制御バルブ６を用いて上流圧力Ｐ1を一定に保ちながら流量制御バルブ８の開度調整を行うことによりガス流量を制御することも可能である。したがって、種々の態様でのガス流量制御が可能であり、パルス流量制御にも対応することができる。
なお、開度が固定された絞り部２を流量制御の主要素として用いる流量制御は、比較的長い期間にわたり流量制御を設定値に維持する連続的な流れの制御に好適である。一方、開度が固定された絞り部２の最大設定流量未満の流量で流量制御バルブ８の開度により流量が決まるような流量制御、すなわち、流量制御バルブ８を可変オリフィス（開度が可変である絞り部）として用いるような流量制御は、断続的な流れの制御（パルス流量制御など）に好適である。
ここで、連続的な流れの制御とは、流体の流れが継続するときの流体の制御を広く意味しており、例えば１００％流量で流体が流れている状態から５０％流量で流体が流れている状態に変更される場合なども含み得る。また、開度が固定された絞り部２を用いて連続的な流れの制御を行うときには、流量制御バルブ８は全開（最大開度）とするか、あるいは、少なくとも開度が固定された絞り部２の開度よりも大きい開度に維持することが好適である。
また、断続的な流れの制御には、パルス流量制御のような一定間隔での周期的な開閉制御に限らず、不定期に行うパルス的な開閉制御や、パルスの振幅が一定でなく変動するような開閉制御も場合も含まれ、また、パルス幅が変動するような開閉制御も含まれる。
図８（ａ）および（ｂ）は、流量制御装置１００においてパルス流量制御を行うときの上流圧力Ｐ1、流量制御バルブ８に与えられる開度制御信号、流量出力を示しており、図８（ａ）には２０００ｓｃｃｍでパルス流量制御を行う場合を示し、図８（ｂ）には２００ｓｃｃｍでパルス流量制御を行う場合を示している。
図８（ａ）に示すようにしてパルス流量制御を行う場合、圧力制御バルブ６および第１圧力センサ３を用いて、上流圧力Ｐ1が一定の設定値（ここでは３００ｋＰａ）となるように上流圧力Ｐ1の制御を行う。より具体的には、圧力センサ３が出力する測定値と設定値との差が０になるように圧力制御バルブ６をフィードバック制御することによって、上流圧力Ｐ1を設定値に維持することができる。
そして、上記のように上流圧力Ｐ1を一定に維持しながら、パルス状の開度制御信号によって流量制御バルブ８の開度を制御する。このとき、ノーマルオープン型の流量制御バルブ８では、閉状態のときに最大駆動電圧が印加され、全開状態の時に最小駆動電圧が印加される。ただし、印加する最小駆動電圧は０ボルトである必要はなく、開度が固定された絞り部２の最大設定流量以上の流量で流量制御バルブ８をガスが流れ得る開度に対応する電圧であればよい。このようにして流量制御バルブ８の開閉動作をパルス的に行うことによって、開度が固定された絞り部２の最大設定流量に依拠した流量（ここでは２０００ｓｃｃｍ）でのパルス的なガスの流量制御を行うことが可能である。
一方、図８（ｂ）に示すように、より小流量でパルス流量制御を行うときには、圧力制御バルブ６および第１圧力センサ３を用いて、より小さい一定の設定値（ここでは１００ｋＰａ）に維持されるように上流圧力Ｐ1の制御を行いながら、開度が固定された絞り部２よりも小さい設定開度での流量制御バルブ８の開閉動作をパルス的に行う。これにより、開度が可変な絞り部である流量制御バルブ８の設定開度に応じた流量でのパルス的なガス供給を行うことが可能になる。
このとき、流量制御バルブ８の開度は、歪センサの出力に基づいてピエゾアクチュエータの駆動電圧を制御することによって、精度よく制御することができる。より具体的に説明すると、歪センサの出力に基づいて実際のピエゾアクチュエータの伸長量を検出しながら、検出した伸長量が所望流量に対応する伸長量（図８に示す態様では６．６μｍ位置）と一致するようにピエゾアクチュエータへの印加駆動電圧をフィードバック制御することによって、所望流量に適合する開度に流量制御バルブ８を制御することができる。
以上のようにしてパルス流量制御を行った後、圧力制御バルブ６を閉じることによって上流圧力Ｐ1を低下させ、例えば図８（ａ）および（ｂ）に示すように０ＫＰａまで低下させることによって流量を０にすることができる。このとき、流量制御バルブ８は、例えば、上記の最大設定開度に対応する最小駆動電圧での開度、すなわち、開度制御の原点位置に維持されていてもよい。
以上、説明したように、本実施形態の流量制御装置１００によれば、パルス流量制御などにも対応可能な応答性が向上した流量制御を行うことができる。パルス流量制御では、歪センサの出力に基づいて、正確な開度で流量制御バルブ８の開閉を繰り返すことができるので、向上した流量精度でパルス的に流体を供給することが可能になる。
また、歪センサ２０を用いて圧電素子１０ｂの伸長量をモニタすることができるので、例えば全閉の状態における伸長量が予め設定していた閾値よりも下回った時や、ピエゾアクチュエータに駆動電圧が供給されているにもかかわらず伸長量が予定の値に達しない時など、異常の傾向が見受けられた時、ピエゾアクチュエータに異常が発生した（使用限界に達した）ものと判断することができる。これによって、ピエゾアクチュエータが完全に故障する前に交換する事ができ、故障した状態のバルブを使用せずに済む。
以下、本実施形態による流量制御装置の変形例について説明する。
図９は、第１の変形例による流量制御装置１１０の構成を示す。流量制御装置１１０が、図１に示した流量制御装置１００と異なる点は、開度が固定された絞り部２’が、流量制御バルブ８の下流側に設けられている点である。
流量制御装置１１０においても、歪センサ２０の出力に基づいて流量制御バルブ８の駆動電圧を制御することによって、正確な開度での流量制御バルブ８のパルス的な開閉動作が可能であり、所望流量でのパルス流量制御を行うことができる。また、開度が固定された絞り部２’を用いた流量制御を行うこともが可能である。
図１０は、第２の変形例による流量制御装置１２０の構成を示す。流量制御装置１２０が、図１に示した流量制御装置１００と異なる点は、開度が固定された絞り部２と、流量制御バルブ８との間に第３圧力センサ９がさらに設けられている点である。
第３圧力センサ９を用いれば、絞り部２と流量制御バルブ８との間の圧力を測定することができるので、より精度よく流量制御を行い得る。例えば、上記には、流量制御バルブ８の開度調整によって流量制御を行う場合に、第１圧力センサ３が検出する上流圧力Ｐ1と流量制御バルブ８の弁開度とに基づいて演算流量を求めていたが、第３圧力センサ９が検出する圧力Ｐ3と流量制御バルブ８の弁開度Ａｖとに基づいて演算流量を求めるようにしてもよい。このようにすれば、より正確に演算流量を求められる可能性がある。
また、他の変形例として、図９に示したように、開度が固定された絞り部２’を流量制御バルブ８の下流側に設けるとともに、流量制御バルブ８と絞り部２’との間の圧力を測定する第３圧力センサを設けるようにしてもよい。
さらに、図１１に示す第３の変形例の流量制御装置１３０のように、流量制御バルブ８だけでなく、圧力制御バルブ６にも歪センサ２０’を設けてもよい。歪センサ２０’は、例えば、圧力制御バルブ６を構成するピエゾアクチュエータの特性変化や動作異常を検知するために用いられる。歪センサ２０’の出力に基づいて圧電素子の伸長量をモニタすることで、 圧力制御バルブ６の異常発生の予防保全を行い得る。
以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、歪ゲージ出力と、ピエゾアクチュエータの変位との関係がリニアでない場合などにおいて、歪ゲージ出力とピエゾアクチュエータの変位との変換テーブルを予め作成しておいてもよい。変換テーブルは、例えば、制御回路に設けられた記憶装置に予め格納されており、ピエゾアクチュエータの変位検出時には、読み出した変換テーブルを用いて、歪ゲージ出力から弁開度をより正確に知ることができる。
また、本発明の実施形態による流量制御装置において、流量制御バルブは、ノーマルクローズ型の圧電素子駆動式バルブであってもよく、この場合にも、歪センサ出力に基づいて流量制御バルブの駆動電圧を制御することによって、良好な精度および応答性で流量制御を行うことが可能である。
また、開度が固定された絞り部２としてオリフィスプレートを用いる場合、上記の流量制御バルブ８とオリフィスプレートとは、公知のオリフィス内蔵弁の態様で一体的に設けるようにしてもよい。オリフィス内蔵弁として設ける場合、流量制御バルブ８の取り付け用の穴部に、オリフィスプレートおよび弁座体が配置され、その上方に流量制御バルブ８のバルブ本体（弁体やアクチュエータなど）が固定される。このようにすれば、オリフィスプレートと流量制御バルブ８の弁体とを近接して配置してこれらの間の容積を小さくすることができるので、流量制御の応答性を向上させることができる。この時にも、流量制御バルブ８は、上記のようにして、圧力式流量制御装置における開度が可変な絞り部のように機能させることが可能である。
本発明の実施形態による流量制御装置は、半導体製造プロセスにおいて流量制御の高速応答性が求められる場合にあっても好適に利用され得る。
１ 流路
２ 絞り部
３ 第１圧力センサ
４ 第２圧力センサ
５ 流入圧力センサ
６ 圧力制御バルブ
７ 第１制御回路
８ 流量制御バルブ
９ 第３圧力センサ
１０ ピエゾアクチュエータ
１７ 第２制御回路
２０ 歪センサ
２０ｚ 第１歪ゲージ
２０ｘ 第２歪ゲージ
１００、１１０、１２０、１３０ 流量制御装置

Claims (12)

  1. 流路に設けられた圧力制御バルブと、
    前記圧力制御バルブの下流側に設けられた流量制御バルブと、
    前記圧力制御バルブの下流側かつ前記流量制御バルブの上流側の圧力を測定する第１圧力センサと、
    開度が固定された絞り部と
    を備え、
    前記流量制御バルブは、弁座に離着座する弁体と、前記弁体を前記弁座に離着座させるために前記弁体を移動させるための圧電素子と、前記圧電素子の側面に設置された歪センサとを有し、
    前記流量制御バルブが有する前記弁座と前記弁体との距離を開度として、前記流量制御バルブは、前記開度を変更可能な絞り部として用いられ、
    前記第１圧力センサから出力される信号に基づいて前記圧力制御バルブを制御しながら、前記歪センサから出力される信号に基づいて前記圧電素子の駆動を制御し、
    連続的な流れの制御を行うときには、前記開度が固定された絞り部を用いて流量制御を行い、断続的な流れの制御を行うときには、前記開度を変更可能な絞り部としての前記流量制御バルブを用いて流量制御を行う、流量制御装置。
  2. 前記開度が固定された絞り部を用いて前記連続的な流れの制御を行うとき、前記流量制御バルブを全開とする、請求項１に記載の流量制御装置。
  3. 前記開度が固定された絞り部は、前記流量制御バルブの上流側に設けられている、請求項１に記載の流量制御装置。
  4. 前記流量制御バルブの下流側の圧力を測定する第２圧力センサをさらに備える、請求項３に記載の流量制御装置。
  5. 前記開度が固定された絞り部は、前記流量制御バルブの下流側に設けられている、請求項１に記載の流量制御装置。
  6. 前記開度が固定された絞り部の下流側の圧力を測定する第２圧力センサをさらに備える、請求項５に記載の流量制御装置。
  7. 前記流量制御バルブと前記開度が固定された絞り部との間の圧力を測定する第３圧力センサをさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の流量制御装置。
  8. 前記開度が固定された絞り部の最大設定流量は、前記流量制御バルブの最大設定流量よりも大きい、請求項１から７のいずれかに記載の流量制御装置。
  9. 前記流量制御バルブの上流側の圧力と前記流量制御バルブの下流側の圧力とが臨界膨張条件を満たす状態で流量制御が行われる、請求項１から８のいずれかに記載の流量制御装置。
  10. 前記歪センサは、前記圧電素子の伸長方向の歪を検出するための第１歪ゲージと、前記圧電素子の前記伸長方向と直交する方向の歪を検出するための第２歪ゲージとを含む、請求項１から９のいずれかに記載の流量制御装置。
  11. 前記流量制御バルブは、前記歪センサが取り付けられた前記圧電素子を含む複数の圧電素子と前記複数の圧電素子を一列に収容する筒体とを有するピエゾアクチュエータを備えており、前記ピエゾアクチュエータに電圧を印加することによって前記弁体としての金属ダイヤフラム弁体が弁座の方向に移動するように構成されたノーマルオープン型のバルブである、請求項１から１０のいずれかに記載の流量制御装置。
  12. 前記流量制御バルブは、前記歪センサが取り付けられた前記圧電素子と、前記圧電素子を収容する筒体とを有するピエゾアクチュエータを備えており、前記ピエゾアクチュエータに電圧を印加することによって前記弁体としての金属ダイヤフラム弁体が弁座の方向に移動するように構成されたノーマルオープン型のバルブである、請求項１から１０のいずれかに記載の流量制御装置。

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