JPH1163265A - 圧力式流量制御装置 - Google Patents
圧力式流量制御装置Info
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Abstract
ると共に、装置の小形化、高ガス置換性、低発塵性、低
コスト化を達成する。 【解決手段】 オリフィスと,オリフィスの上流側に設
けたコントロール弁と,コントロール弁とオリフィス間
に設けた圧力検出器と,圧力検出器の検出圧力P 1 から
流量QをQ=KP1 (但しKは定数)として演算すると
共に、流量指令信号Qsと前記演算した流量信号Qとの
差を制御信号Qyとして前記コントロール弁の駆動部へ
出力する制御装置とから構成され、オリフィスの上流側
圧力P1 と下流側圧力P2 との比を被制御流体の臨界圧
比以下に保持した状態で前記コントロール弁の開閉によ
りオリフィス上流側圧力P1 を調整し、オリフィス下流
側の流体流量Qを制御するようにした圧力式流量制御装
置に於いて、前記オリフィスをダイレクトタッチ型のメ
タルダイヤフラム弁とし、弁座とダイヤフラムとのリン
グ状の間隙を可変オリフィスとするようにする。
Description
力式流量制御装置の改良に関するものであり、主として
半導体製造設備のガス供給系に於いて利用されるもので
ある。
装置としては、従前からマスフローコントローラが多く
使用されて来たが、近年これに代わるものとして圧力式
流量制御装置が開発されている(特開平8−33511
7号、特開平8−338546号等)。
記特開平8−338546号の圧力式流量制御装置を示
すものであり、オリフィス5の上流側圧力P1 と下流側
圧力P2 との比P2 /P1 をガスの臨界圧力比以下に保
持した状態に於いて、オリフィス下流側の流体流量Qを
Q=KP1 (但しKは定数)として演算することを基本
とするものである。尚、図11に於いて、1は圧力式流
量制御装置、2はコントロール弁、3は弁駆動部、4は
圧力検出器、5はオリフィス、7は制御装置、7aは温
度補正回路、7bは流量演算回路、7cは比較回路、7
dは増幅回路、21a・21bは増幅回路、22a・2
2bはA/D変換回路、24は反転増幅器、25はバル
ブ、Qyは制御信号、Qcは演算信号、Qsは流量設定
信号である。
(2)を開・閉制御してオリフィス上流側圧力P1 を調
整することにより、オリフィス下流側流量Qを高精度で
制御することができ、優れた実用的効用を奏するもので
ある。しかし、この圧力式流量制御装置では、オリフィ
ス5が所謂固定径のものであるため、特定の流量範囲に
しか適用することができず、流量範囲の切換変更が出来
ないと云う問題があった。また、流量範囲を変更するた
めには、オリフィス5を取換自在に挿着すると共に複数
の異なる口径のオリフィス5を準備しておく必要があ
り、オリフィス5の加工精度のバラツキがそのまま流量
制御の誤差に結びつくこととも相俟って、経済性や制御
精度の点に問題があった。
を利用した定流量制御装置に於いては、流量範囲を変更
とするために可変断面積型ノズル(又はオリフィス)が
多く開発されている(実開昭56−41210号、実公
昭60−42332号等)。しかし、これ等の可変断面
積型オリフィスは何れもニードル型バルブに類似した機
構のオリフィスであり、構造的に流体流路内にデッドス
ペースが多くなってガスの置換性に劣るうえ、発塵が多
くなって半導体製造装置用のガス供給系には適用し難い
と云う難点がある。
式流量制御装置に於ける上述の如き問題、即ち(イ)オ
リフィスが固定径であって流量範囲の切換変更ができな
いこと、(ロ)オリフィスの加工が困難なうえ、加工精
度のバラツキがそのまま制御流量の固体差に結びつき、
高精度で安定した流量制御ができないこと、及び(ハ)
従前の可変断面積型オリフィスでは、ガスの置換性が悪
いうえに発塵が多く、半導体製造装置用のガス供給系に
は使用が困難なこと等の問題を解決せんとするものであ
り、オリフィス断面積を簡単に調整することができ、広
い流量範囲に亘って高精度な流量制御が可能になると共
に、ガス置換性や発塵の点にも優れ、半導体製造装置の
ガス供給系にも使用可能な圧力式流量制御装置を提供す
るものである。
導体製造装置のガス供給系に適用する機器に不可欠な高
クリーン性と高ガス置換性の両特性を備えたダイレクト
タッチ型のメタルダイヤフラム弁を可変断面積型オリフ
ィスとして使用することを着想し、当該ダイレクトタッ
チ型メタルダイヤフラム弁の流体通路が所謂超音速オリ
フィス(又はノズル)とほぼ等価な流量制御機能を有す
るか否かを調査した。
イヤフラム弁を可変オリフィスとして用いた流量制御試
験装置の構成を示すものであり、図1に於いて2は圧力
コントロール弁、3はコントロール弁駆動部、4は圧力
検出器、5は可変オリフィス(ダイレクトタッチ型メタ
ルダイヤフラム弁)、6はオリフィス駆動部、7′は制
御回路、8aはガス入口、8bはガス出口、9は質量流
量計(マスフローメーター)、10は真空チャンバ、1
0aは真空計、11は真空ポンプである。
38546号に開示されているのと同様のダイレクトタ
ッチ型のメタルダイヤフラム弁が使用されており、また
その駆動部3には、駆動装置が使用されている。尚、コ
ントロール弁2の駆動部3としてはこの他に、磁歪素子
形駆動装置やソレノイド型駆動装置、モータ型駆動装
置、空気圧形駆動装置、熱膨張型駆動装置等の使用が可
能である。また、前記圧力検出器4には半導体歪ゲージ
が使用されており、具体的には特開平8−338546
号の場合と同様に、圧力検出器4は圧力コントロール弁
2の弁本体に一体的に組み込まれている。更に、前記可
変オリフィス5には後述するようにダイレクトタッチ型
のメタルダイヤフラム弁が使用されており、その駆動部
6にはパルスモータとボールねじ機構を利用したリニア
ーアクチエータ(以下パルスモータ型駆動部と呼ぶ)が
設けられている。
リフィス上流側の圧力検出信号Qp 1 を設定圧力Qps
と対比し、両者の差が零となる方向に制御信号Qyをコ
ントロール弁駆動部3へ入力し、コントロール弁2を開
閉制御する。
トタッチ型のメタルダイヤフラム弁は、図2に示す如く
流体入口12a、弁座12b、弁室12c、流体出口1
2e等を備えたステンレス鋼製の弁本体12と、ステン
レス鋼やニッケル・コバルト合金製のダイヤフラム13
と、ダイヤフラム13を下方へ押圧するパルスモータ型
駆動部6等から形成されている。即ち、パルスモータ1
4を初期位置へセットすると、前記ダイヤフラム13
は、ボールねじ機構19を介してガイドスライダ18及
びダイヤフラム押え16によりスプリング17、15の
弾力に抗して下方へ押圧され、弁座12bへ接当した状
態(閉弁状態)となる。次に、パルスモータ14へオリ
フィス制御信号Qzが入力されると、パルスモータ14
はボールねじ機構19を介してガイドスライダ18を上
方へ引き上げる方向に回転され、スプリング15の弾力
によりダイヤフラム押え16が上方へ押圧されることに
なる。その結果、ダイヤフラム13が上方へ弾性復帰
し、弁座12bから離間することにより、弁座12bと
ダイヤフラム13との間にリング状の流体通路(オリフ
ィス)が形成される。
ルスモータ14として50000パルス/回転の所謂ス
テピッングモータが使用されている。また、ボールねじ
機構19には、ねじピッチが0.5mm/回転のものが
使用されている。その結果、パルスモータ14への入力
パルス1個当り10nmのダイヤフラム変位を得ること
ができ、極めて高精度なオリフィス開度制御が可能とな
る。尚、図2に於いて、20はカップリング、21はベ
アリング、22はボールねじ機構のシャフト部である。
5の下流側のガス流量Qを測定するものであり、流量検
出信号Qxを出力する。また、前記真空チャンバ10、
真空圧力計10a及び真空ポンプ11等は半導体製造装
置を構成するものであり、前記真空チャンバ10内の圧
力は通常数torr程度の真空に保持されている。
ては、先ず適宜のオリフィス制御信号Qzを入力して可
変オリフィス5の開度を所定値に設定し、次にガス入口
8aへ圧力6.0kg/cm2 Gの窒素ガスN2 を供給
した。その後、設定圧力信号Qpsを0〜3(kgf/
cm2 abs)の間の適宜値に設定して圧力コントロー
ル弁2を開閉制御すると共に、マスフローメータ9で可
変オリフィス5の下流側のN2 流量を測定した。尚、チ
ャンバー10は前記の通り9.26lの容積を有してお
り、真空ポンプ11により約1torrの真空度に保持
されている。
可変オリフィス5のリング状の間隙(流体通路)面積を
φ=0.14mmの円孔形オリフィスの断面積に等価と
した場合の、上流側圧力(即ち、圧力設定値Qps)と
オリフィス下流側のガス流量Q(sccm)との関係を
示すものである。尚、ここでsccmとは標準状態に換
算した場合の流量cc/minを意味するものである。
え、可変オリフィス5のリング状の開隙面積をφ=0.
25mmの円孔形オリフィスの断面積と等価にした場合
の、オリフィス5上流側の圧力(即ち、設定圧力信号Q
ps)とオリフィス下流側のガス流量(sccm)との
関係を示すものである。
オリフィス5の下流側圧力P2 が1torr≒133.
3Paのとき、可変オリフィス上流側圧力P1 が0.5
kgf/cm2 abs以上の領域に於いては、流量Qと
上流側圧力P1 との間にはQ=KP1 の関係がほぼ成立
していることが認められる。換言すれば、前記図2に示
した構造のダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁
の弁座とダイヤフラム間のリング状の流体通路(間隙)
であっても、所謂固定オリフィスの場合にほぼ等しい圧
力・流量制御特性を有するものであることが判る。
すものであり、前記図1の試験装置に於いて可変オリフ
ィス5の上流側圧力P1 を0.5kgf/cm2 abs
に、また下流側圧力P2 を1torrの真空度に夫々保
持した状態に於いて、可変オリフィス5の作動ストロー
クL(ダイヤフラム13の間隙長さ)とオリフィス下流
流量Qとの関係を測定したものである。作動ストローク
Lが0〜約0.12mmの範囲に於いては、ストローク
L(mm)と流量Q(sccm)とがほぼ直線状の比例
関係になっており、且つこの関係が常に再現されるもの
であることが判った。
(mm)と、図5の各流量値からオリフィスが円孔であ
るとして計算したオリフィス口径φmmとの関係を示す
線図であり、ストロークL(mm)とオリフィス口径φ
mmとの関係は、常に再現性のある関係であることが判
った。即ち、前記図5及び図6からも明らかなように、
可変オリフィス5のストロークL(mm)と流量Q(s
ccm)又はストロークL(mm)とオリフィス口径φ
(mm)は常に一定の対応関係にあるため、ストローク
L(mm)を変えることにより可変オリフィスの口径φ
(mm)又は流量Q(sccm)を所望の値へ正確に切
換え変更することができ、所謂可変オリフィスとして十
分に機能し得るものであることが判る。
レクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁を可変オリフィ
ス5とする圧力・流量特性試験の結果を基にして開発さ
れたものであり、請求項1の発明は、オリフィス5と,
オリフィス5の上流側に設けたコントロール弁2と,コ
ントロール弁2とオリフィス5間に設けた圧力検出器4
と、圧力検出器4の検出圧力P1 から流体の流量QをQ
=KP1 (但しKは定数)として演算すると共に、流量
指令信号Qsと前記演算した流量信号Qとの差を制御信
号Qyとして前記コントロール弁2の駆動部13へ出力
する制御装置7とから構成され、オリフィスの上流側圧
力P1 と下流側圧力P2 との比を被制御流体の臨界圧比
以下に保持した状態で前記コントロール弁2の開閉によ
りオリフィス上流側圧力P1 を調整し、オリフィス下流
側の流体流量Qを制御するようにした圧力式流量制御装
置に於いて、前記オリフィス5をダイレクトタッチ型の
メタルダイヤフラム弁とし、その弁座12bとダイヤフ
ラム13とのリング状の間隙を可変オリフィス5とする
ようにしたことを発明の基本構成とするものである。
発明に於いて、可変オリフィス5を、パルスモータ型駆
動部を備えた可変オリフィスとしたことを発明の基本構
成とするものである。
施態様を説明する。図7は本発明に係る圧力式流量制御
装置の構成図であり、図7に於いて1は圧力式流量制御
装置、2は圧力コントロール弁、3は弁駆動部、4は圧
力検出器、5は可変オリフィス、6はオリフィス駆動
部、7は制御装置、8aはガス入口、8bはガス出口、
10は真空チャンバー、10aは真空計、11は真空ポ
ンプ、Qyはコントロール弁制御信号、Qp1 は圧力検
出信号、Qzはオリフィス制御信号、Qsは流量設定信
号、Qosはオリフィス開度設定信号である。
は、前記特開平8−338546号の場合と同様の図8
のような構造のダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラ
ム弁が使用されている。また、圧力検出器4としては半
導体歪ゲージが使用されており、圧力コントロール弁2
の圧力検出器取付孔12d内へ挿入固定されている。更
に、可変オリフィス5及び駆動部6としては前記図2に
示したダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁とパ
ルスモータ型駆動部6が使用されている。尚、当該可変
オリフィス5及び駆動部6の構造は、前記図2の場合と
同じであるため、ここではその説明を省略する。
いて説明をする。先ず、流量設定信号Qs及びオリフィ
ス開度設定信号Qosが制御装置7へ入力される。次
に、ガス入口8aへ所定圧力P1 のガスが供給される
と、圧力検出器4により検出した上流側圧力P1 に相当
する圧力検出信号Qp1 が制御装置7へ入力され、流量
Q=KPが制御装置7内で演算される。また、制御装置
7からは前記流量設定信号Qsと流量Qとの差に相当す
るコントロール弁制御信号Qyが出力され、圧力コント
ロール弁2は前記QsとQとの差が減少する方向にコン
トロール弁2を開閉制御する。
めて制御流量の範囲を変更する場合には、オリフィス開
度信号Qosの設定を変更する。これにより、オリフィ
ス制御信号Qzが変わり、その結果オリフィス駆動部6
の作動ストロークLが変化して、オリフィス口径φが変
わることになる。
ロークLの所謂フィードバック制御をしていないが、オ
リフィス駆動部6の作動ストロークLを検出してその検
出値を制御装置7へフィードバックすることにより、ス
トロークLのフィードバック制御を行なってもよいこと
は勿論である。また、図7の実施態様に於いては、図1
1に示した従前の圧力式流量制御装置のように、ガス温
度に基づく補正回路や、オリフィス5の下流側圧力P2
が上昇してP2 /P1 の値が臨界値に近づいた場合(又
は臨界値以上となった場合)の警報回路やガス供給の停
止回路を設けていないが、これ等の各回路を設けてもよ
いことは勿論である。
演算値Q=KP1 が図3や図4等の圧力−流量曲線に合
致するように補正する回路や、これ等の補正に必要とす
るデータの記憶装置が設けられていることは勿論であ
る。
を構成するダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁
の弁本体12の要部を示すものであり、図10は図9の
B部の部分拡大図である。弁本体12に設けた弁室12
cの内径φ1 は15mm、流体流入通路の内径φ 2 は
0.4mmに夫々設定されており、また、弁座12bの
外径は3mmφ、流体流出路の内径は2.5mmφに夫
々設定されている。
可変オリフィスとしてダイレクトタッチ型のメタルダイ
ヤフラム弁を使用し、制御流量範囲の切替えをダイヤフ
ラムの作動ストロークを変更することにより行なう構成
としている。その結果、例えば、従前のニードル式の可
変オリフィスを使用する場合に比較して、オリフィスの
構造が簡素化されると共に、摺動部が皆無となり、発塵
等もほぼ無視することができる。また、流体流路内の所
謂デッドスペースが大幅に減少すると共に、流体流路内
にガスの噛み込みを生ずる間隙が存在しなくなり、ガス
の置換性が大幅に向上する。更に、ダイヤフラムの作動
ストロークを変えることにより簡単且つ正確にオリフィ
ス口径の変更(即ち流量範囲の変更)を行なうことがで
き、従前の固定オリフィスを変換する場合に比較して圧
力流量制御装置の制御性が大幅に向上する。本発明は上
述の通り、半導体製造装置のガス供給系のように、超高
純度ガスを取り扱う圧力式流量制御装置として、特に優
れた実用的効用を奏するものである。
トタッチ型の金属ダイヤフラム弁)の流量制御試験装置
の構成図である。
ある。
例を示すものである。
の例を示すものである。
2 とを一定値とした場合のオリフィスストロークL(m
m)と流量Q(sccm)の関係を示すものである。
2 とを一定値とした場合のオリフィスストロークL(m
m)と、流量Q(sccm)より算出したオリフィス口
径φ(mm)との関係を示すものである。
る。
示す縦断面図である。
コントロール弁駆動部、4は圧力検出器、5は可変オリ
フィス、6はオリフィス駆動部、7は圧力制御装置、7
aは制御装置、8aはガス入口、8bはガス出口、9は
マスフローメータ(質量流量計)、10は真空チャン
バ、10aは真空計、11は真空ポンプ、12は弁本
体、12aは流体入口、12bは弁座、12cは弁室、
12dは圧力検出器取付孔、12eは流体出口、13は
金属ダイヤフラム、14はパルスモータ、15はスプリ
ング、16はダイヤフラム押え、17はスプリング、1
8はガイドスライダー、19はボールねじ機構、20は
カップリング、21はベアリング、22はシャフト部、
QP1 は圧力検出信号、QPsは設定圧力信号、Qzは
オリフィス制御信号、Qyはコントロール弁制御信号、
Qsは流量設定信号、Qosはオリフィス開度設定信
号。
Claims (2)
- 【請求項1】 オリフィス(5)と,オリフィス(5)
の上流側に設けたコントロール弁(2)と,コントロー
ル弁(2)とオリフィス(5)間に設けた圧力検出器
(4)と,圧力検出器(4)の検出圧力P1 から流体の
流量をQc=KP1 (但しKは定数)として演算すると
共に、流量指令信号Qsと前記演算した流量信号Qcと
の差を制御信号Qyとして前記コントロール弁(2)の
駆動部(3)へ出力する制御装置(7)とから構成さ
れ、オリフィスの上流側圧力P1 と下流側圧力P2 との
比を被制御流体の臨界圧比以下に保持した状態で前記コ
ントロール弁(2)の開閉によりオリフィス上流側圧力
P1 を調整し、オリフィス下流側の流体流量Qを制御す
るようにした圧力式流量制御装置に於いて、前記オリフ
ィス(5)をダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム
弁とし、その弁座(12b)とダイヤフラム(13)と
のリング状の間隙を可変オリフィス(5)としたことを
特徴とする圧力式流量制御装置。 - 【請求項2】 可変オリフィス(5)を、パルスモータ
型駆動部(6)を備えた可変オリフィスとした請求項1
に記載の圧力式流量制御装置。
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AT98937819T ATE310985T1 (de) | 1997-08-15 | 1998-08-13 | Druckabhängige durchflussregelvorrichtung |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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AT (1) | ATE310985T1 (ja) |
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