JPWO2018168872A1 - 流体制御機器 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、そのような薄膜の微細化は流体制御機器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惹き起こしやすくなる場合がある。そのため、流体制御機器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、漏出を容易に検知できるだけでなく、従来は考慮していなかった流体制御機器の使用頻度、温度、湿度、及び振動等、上記漏出を始めとして流体制御機器の異常に影響を及ぼす様々な環境要因情報を収集し、異常との相関を分析し、異常発生の予期に役立てることが可能な流体制御機器、及び情報収集方法の要求が高まっている。
また、半導体製造プロセスにおいては反応性が高く極めて毒性の高いガスが使われるため、遠隔的に漏出を検知できることが重要である。
また、上述のALDを実現するためには流体制御機器とプロセスチャンバの配管接続距離が重要になっている。即ち、プロセスガスの制御をより高速化するために、流体制御機器をさらに小型化しプロセスチャンバの直近に配置することが重要になっている。
また、特許文献2では、流体の流量を制御する制御器の外面に形成された孔とこの孔に取付けられる漏洩検知部材とからなるシール部破損検知機構付制御器であって、前記孔は制御器内の空隙に連通し、前記漏洩検知部材は特定の流体の存在によって感応するものが提案されている。
さらに、特許文献3では、流体の漏れを検出する漏れ検出装置であって、センサ保持体と、漏れ検出対象部材に設けられて漏れ検出対象部材内の密封部分と外部とを連通するリークポートに対向するようにセンサ保持体に保持された超音波センサと、超音波センサのセンサ面とリークポートとの間に設けられた超音波通路と、超音波センサで得られた超音波を処理する処理回路とを備えているものが提案されている。
また、流体制御機器の異常を検知する部材同士を接続する配線が外側に露出している場合、配線同士の絡まりが生じたり、ショートが引き起こされたりして、流体制御機器そのものに不具合を生じさせる原因ともなりかねない。
また、流体制御機器の異常を検知するための部材等が内部に収容された構造においても、異常の検知結果は、流体制御機器の外部において容易に確認できることが好ましい。
また、上記装置はいずれも異常の発生後にしかセンサデータの変化が発生しないため、故障の発生を予期する事ができない。
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機器1は、流体制御機器1の異常、特に流体の漏出を検知するセンサやセンサの駆動に関わるモジュール等を内蔵し、上方に動作状況を表示するパネルや動作状況に関わる情報を取り出すための取出口を備えたものである。
一方、駆動圧としてのエアの供給が止まってダイヤフラム113がディスク124に押圧されると、シート112に対してダイヤフラム113の中央部がシート112に当接する方向に変位してシート112に当接する。その結果、弁室111cが遮断され、流入路111aと流出路111bが遮断された状態となる。
一方、本例のようなダイレクトダイヤフラム構造、即ち、ダイヤフラム113がシート112に当接離反することによって流入路111aから流出路111bへ流体を流通させたり、流通を遮断させたりする構造では、アクチュエータボディ12内の体積変化が少ない。そのため、流体制御機器1の異常を検知するべく、アクチュエータボディ12内に後述する圧力センサ41を取り付けて圧力変化を検出する場合に、リークポートLPを塞いでも、流体制御機器1は問題なく開閉動作を行うことができる。
螺合部121の外周面にはネジが切られており、バルブボディ11の内周面に切られたネジと螺合する。
また、螺合部123の外周面にもネジが切られており、キャップボディ131の内周面に切られたネジと螺合する。
ここで、図4に示されるように、カバー1221は配線溝122aを覆う部材であって、アクチュエータボディ12のネジ穴122bに対応した貫通孔1221aを備えている。アクチュエータボディ12の配線溝122aに配線を通し、カバー1221の貫通孔1221aを介して、アクチュエータボディ12のネジ穴122bにネジ122cを螺合させることにより、アクチュエータボディ12の配線溝122aに通した配線がカバー1221で覆われる。
このピストン126の軸心方向略中央は円盤状に拡径しており、当該箇所は拡径部1261を構成している。ピストン126は、拡径部1261の上面側においてバネ127の付勢力を受ける。また、拡径部1261の下端側においては、アクチュエータボディ12の上端面との間に駆動圧導入室S2を形成する。
ピストン126の開口部126aには、外部から駆動圧を導入するための導入管21が接続される。
ここで、アクチュエータボディ12の螺合部121には貫通孔12aが形成されており、この貫通孔12aによって空間S1は、バルブボディ11に設けられたリークポートLPを介して外部と連通しているが、リークポートLPが塞がれると、外部と遮断されて気密状態となる。
この駆動圧導入室S2には、ピストン126内の駆動圧導入路126bを介して、導入管21からエアが導入される。エアが駆動圧導入室S2に導入されると、ピストン126がバネ127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113がシート112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S2にエアが導入されなくなると、ピストン126がバネ127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113がシート112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。
本例におけるケーシング13は、キャップボディ131、アクチュエータキャップ132、キャップトップ133の3つの部材によって構成されている。
固定部材1311は、後述するリミットスイッチ43を固定するための部材であって、略直方体状からなる。この固定部材1311には、固定部材1311をキャップボディ131の内周面に取り付けるためのネジ穴1311aが設けられている。
これに対応して、キャップボディ131には貫通孔131aが設けられている。キャップボディ131の貫通孔131aに外側からネジを貫挿させ、キャップボディ131の内周面上に配設された固定部材1311のネジ穴1311aにネジ1311bを螺合させることにより、固定部材1311が固定される。
このアクチュエータキャップ132は、下面側において、ピストン126の拡径部1261の上面とバネ127を挟持している。
さらに、貫通孔132aの外側には、図6に示されるように、配線を通すための貫通孔132bが設けられている。
貫通孔133aには、圧力センサ41、温度センサ42、及びリミットスイッチ43によって取得されたデータや当該データに基づく処理結果等を表示するための液晶パネル等が嵌め込まれている。
貫通孔133bには、圧力センサ41、温度センサ42、及びリミットスイッチ43によって取得されたデータに基づいた処理の結果、流体制御機器1に異常が発生した場合に、当該異常を報知するためのLEDランプ等の警告灯が嵌め込まれている。
この導入管21は、一端がピストン126の開口部126aから駆動圧導入路126b内へ挿し込まれている。駆動圧導入路126b内へ挿し込まれた導入管21の先端の外周面と、駆動圧導入路126bの内周面の間には、Oリング24が保持されている。このOリング24は、駆動圧導入路126bの内周面と、駆動圧導入路126bに挿し込まれた導入管21の外周面の間をシールしている。これにより、導入管21から導入されるエアが漏れなく、ピストン126内の駆動圧導入路126bを介して、駆動圧導入室S2へ導入される。
この保持部材3は図6に示されるように、樹脂製の可撓性を有する略リング状の部材であり、情報処理モジュール5を下面側から上方に支持することにより、情報処理モジュール5をキャップトップ133内に保持する。
この保持部材3には、上下方向に貫通した貫通孔3a、3bが形成されており、この貫通孔3a、3b内には、圧力センサ41、温度センサ42、及びリミットスイッチ43と情報処理モジュール5とを接続する配線を通すことができる。
これにより、情報処理モジュール5は保持部材3上に保持され、導入管21が情報処理モジュール5によって潰されないようになっている。
他方、別の実施例では、保持部材3を、配線を通すための小孔のみが設けられた略円盤状とすることもできるし、保持部材3をキャップトップ133と一体的に構成された部材とすることもできる。なお、保持部材3をキャップトップ133と一体的に構成した場合には、キャップトップ133の上面全体を開閉自在とし、上面から情報処理モジュール5を内部へ収納させられるようにするとよい。
この圧力センサ41は、空間S1内の圧力変化を検出する感圧素子や、感圧素子によって検出された圧力の検出値を電気信号に変換する変換素子等によって構成される。
リミットスイッチ43は、キャップボディ131の内周面に取り付けられた固定部材1311により、キャップボディ131内に固定されている。
ピストン126の上下動に伴うリミットスイッチ43の押下に応じて、流体制御機器1の開閉回数や開閉頻度を検知することができる。また、リミットスイッチ43を複数設けることで、流体制御機器1の開閉速度を検知することができる。
まず、圧力センサ41と温度センサ42から導出された配線は、アクチュエータボディ12の外周面に形成された配線溝121a、122a、123aを介して、キャップボディ131内へ引き込まれている。
なお、配線溝121a、122a、123aは夫々、バルブボディ11、カバー1221、キャップボディ131によって覆われるため、圧力センサ41と温度センサ42からキャップボディ131内へ引き回された配線が外部に露出することがない。
また、リミットスイッチ43から導出された配線は、図5に示される固定部材1311の配線溝1311c内に嵌め込まれた上、キャップボディ131内へ引き込まれている。
このように、複数の流体制御機器1によって流体制御装置10を構成する場合、流体制御機器1は密集して配設されるため、各流体制御装置10におけるデータを表示するためのパネルや、情報処理モジュール5から情報を取り出すべく、USBメモリ等の外部機器を接続するためのポートは上面、少なくとも上方に設けられるのが好適である。特に、データを表示するためのパネルは、上面からでなければ視認しにくい。
この判別処理部51は、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41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、空間S1への流体の漏出等に起因した流体制御機器1の異常を判別する処理を実行することができる。即ち、通常使用時において、流体制御機器1の弁の開閉で想定される空間S1内の圧力の限界値を所定の閾値としておく。そして、空間S1内の圧力の検出値が当該閾値を超えた場合に、流体制御機器1に異常が生じたものと判別する。このような判別の合理性は、ダイヤフラム113の破損等によって空間S1へ流体が漏出して空間S1内の圧力が上昇した結果として、あるいは流路111内の減圧によって空間S1内の圧力が減少した結果として空間S1内の圧力の検出値が閾値を超えたとみなせることによる。
これにより、流体制御機器1の状況を外部から容易に把握することができる。特に、流体制御機器1が集積した流体制御装置10においては、各流体制御機器1を最も識別し易い上面側に情報表示部53が配設されるため、表示された情報を確認し易い。
これにより、流体制御機器1に異常が発生した場合に警告表示部54が警告を発し、容易に異常を認識することができる。
さらに、流体制御機器1は、空間S1内の圧力を検出した上、所定の閾値と検出値とを比較することによって流体制御機器1の異常を検知するため、閉空間S内が負圧となる異常を来した場合でも、これを検知することができる。
この場合には、流体制御機器1の開閉動作中であっても、流体の漏出等に起因した空間S1内の圧力変化を判別することができる。即ち、駆動圧から必要な補正値へと変換する適当な伝達関数を実験的に求めることで、ピストン126が移動している瞬間の空間S1内の過渡的な圧力変化を補正することもできる。
同時に、駆動圧センサの検出値から空間S1内の圧力上昇が予期されるにも関わらず、圧力センサ41の検出値が上昇しない場合には、ピストン126若しくは圧力センサ41の故障を判断することができる。
この例では、流体制御機器1がサーバ71とデータの送受信を行えるよう、情報処理モジュール5に通信処理部56を備えさせている。この通信処理部56は、サーバ71に対し、判別処理部51による判別結果を送信したり、必要に応じて圧力センサ41、温度センサ42、及びリミットスイッチ43によって取得されたデータを送信したりする。この例では、流体制御機器1とサーバ71との間に中継装置6が設けられており、当該中継装置6を介して、流体制御機器1からの情報がサーバ71に提供される。
また、サーバ71に対して、流体制御機器1ごとに異なるタイミングで判別結果が送信されることで、パケット衝突の問題を回避することができるし、一斉に送信される場合と比べて一時的な処理の過負荷を防ぐこともできる。さらに、一斉に送信される場合と違い、データ送信に利用される無線のチャンネルを流体制御機器1ごとに変える必要がないため、多くのチャンネルを用意する必要がない。特にネットワークNW1をBluetooth(登録商標)によって構成する場合には、同時接続台数が限られるため(通常7台)、送信のタイミングを変えることで同時接続台数を超える数の流体制御機器1を用いることができる。
このサーバ71は、中継装置6を介して、流体制御機器1の空間S1における流体の漏出の判別結果を受信するための通信処理部711を有している。サーバ71が流体制御機器1から受信した情報は適宜、流体制御機器1の監視者等が利用する端末からの求めに応じて、当該監視者等が利用する端末に提供される。
なお、本実施形態では、流体制御機器1とサーバ71の間に中継装置6を介在させたが、流体制御機器1とサーバ71とが直接、データ通信可能となるように構成することもできる。
なお、本例の説明において、流体制御機器8は流体制御機器1と同様の構造を有しており、特段の言及がない限り、上述の例と同じ番号(符号)の付された部材や機能部等は、上述の部材や機能部等と同じ機能を保持あるいは処理を実行するものであるため、説明を省略する。
以下、流体制御機器8とサーバ72が通信可能に構成された上述の実施例の変形例として、流体制御機器8の動作を分析するシステムについて説明する。
この動作分析システムにおいて、サーバ72は流体制御機器8から取得した情報に基づいてデータマイニングを実行する情報処理装置であり、前述の判別処理部721、補正処理部722、及び通信処理部723に加え、情報収集部724、情報記憶部725、情報抽出部726、相関関係分析部727、及び異常予期部728を備える。
なお、流体制御機器8における動作情報は、流体制御機器8からのみならず、他の機器から収集されることがあってもよい。例えば、流体制御機器8が設置されている場所の温度や湿度を計測する端末から収集したり、流体制御機器8の管理者の管理者端末によって入力された情報を収集したりすることがあってもよい。
例えば、複数の流体制御機器8の動作情報について、同一の弁開閉回数(例:1000万回)における動作時間と当該動作時間における異常の判別結果に係る情報を抽出する。
特に、流体制御機器8の動作情報データのうち、リミットスイッチ43や圧力センサ41の変化から検出される、流体制御機器8の開閉状態の切り替わる前、及び後の所定時間におけるデータを切り出して入力データとする。これは、バルブの動作時の動的なセンサ測定値の変化を測定することが異常予期に置いて有効であることを反映したものであり、入力データの次元数を削減して後述の学習の計算コストを減らすことができる。所定時間は、流体制御機器8の開閉にかかる時間(駆動圧を導入し始めてから、流体制御機器8が完全開になるまでの時間、と定義する。図15の2本の点線の間の時間がこの時間に相当する)の1倍〜5倍の時間とすることで、必要な範囲のデータを無駄なく抽出することができる。また、流体制御機器8から送信するデータを予めこの時間の範囲内に限定して送信することで、通信のデータ量を削減することができ、流体制御機器8での消費電力を抑制できる。
第一の学習では、異常が発生した流体制御機器8の過去の動作情報を元に、異常が発生する前の所定の期間(以下、故障直前期間 とする)の入力データと、異常発生後の入力データと、それ以前の正常動作時の入力データとを分類する教師あり学習を行う。この学習は、例えばニューラルネットワークのモデルに対して誤差逆伝搬法(Backpropagation)を用いた確率的勾配降下法(SGD:Stochastic Gradient Descent)によって行われる。
故障直前期間の長さの設定によって、学習済みモデルの判別性能が異なり、ニューラルネットワークの層数やノード数などのハイパーパラメータと同様に、所定の期間の長さも調整すべきハイパーパラメータとなる。これらのハイパーパラメータの調整は例えば最適化アルゴリズムによって選定され、判別能力の高くなる値を選定することができる。一方、バルブユーザーの用途によっては別の故障直前期間の値を知りたい場合に対応し、故障直前期間として2種類以上の期間を用意してクラスタリングを行っても良い。また、故障の種類ごとに異なる分類を作成してもよく、所定期間内にどの故障が発生するか予期することができる。
分析により、例えば、複数の流体制御機器8の動作情報について、弁を1000万回、開閉するのに要した動作時間と、当該動作時間における異常の判別結果により、同じ1000万回の弁開閉回数であっても、それが3カ月でカウントされた回数であるか、3年でカウントされた回数であるかによって、異常の発生確率が異なるのかどうかを分析することができる。
第二の学習では、データ数が少ない特殊な異常を事前検知するために、オートエンコーダを用いた教師なし学習を行う。オートエンコーダは、ニューラルネットワークで構成したモデルに対し、バルブが正常動作していた時の入力データを入力し、同じデータが出力されるように学習を行う。このニューラルネットワークの隠れ層の次元数を入力データや出力データの次元数よりも小さく設定することで、通常動作時の入力データのパターンに対してのみ適切に元のデータを再現できるオートエンコーダを学習させることができる。
現在のセンサデータの測定値を入力として第一の学習により得られた学習済みモデルに分類を行わせることで、バルブが故障直前期間に入っている確率を算出できる(第一の異常予期手段7281)。この確率は読み方を変えると、所定の期間内に壊れるという異常発生確率である。
また、第二の学習により得られたオートエンコーダに、現在のセンサから得られた入力データを通し、出力を元の入力と比較してL2ノルム等で入出力間距離を算出し所定の閾値と比較する(第二の異常予期手段7282)。オートエンコーダは正常動作時のデータであれば元のデータを復元できるように構成されているが、異常動作時には正しく元のデータを復元できないため入力と出力の間に差が大きくなるため、閾値を超えていた場合には流体制御機器8の異常を検知できる。この手法を前記の教師あり学習と併用することで、教師データとして用意されない明らかな外れ値の異常状態(例えば、センサの故障、作動温度の極端な変化など)を予め検出することができ、前述の故障直前期間の判定の信頼性を高めることができる。つまり、第一の学習における教師あり学習が、教師データのない領域に対してどのような挙動を示すか保証されないという問題に対してある程度の対処を行うことができる。流体制御機器8はしばしばそれが搭載される装置の改造により、以前と全く異なる動作環境に置かれることがしばしばあり、再学習を行うべきかどうかの指標データとして用いることもできる。
(1)流体制御機器8の同一使用期間における開閉回数と異常発生の相関
例えば、3年で1000万回の弁開閉と、3カ月で1000万回の弁開閉では異常発生確率が異なることが予想される。
(2)環境温度と異常発生の相関
例えば、20℃の環境下での使用と、80℃での使用では異常発生確率が異なることが予想される。
(3)ピストン126の推力と異常発生の相関
例えば、ピストン126の推力(駆動圧の大小に依存)の大小で、ダイヤフラム113への負荷に影響が出ることが予想される。
(4)流体制御機器8の開閉速度と異常発生の相関
例えば、ピストン126の平均移動速度の大小で異常発生確率が異なることが予想される。
(5)振動と異常発生の相関
例えば、環境(振動)の大小によって異常発生確率が異なることが予想される。
(6)流体制御機器8を構成する部材の歪みと異常発生の相関
例えば、各部材の内部応力の大小で異常発生確率が異なることが予想される。
(7)湿度と異常発生の相関
例えば、湿度と各部材、特にOリング1262、1263、24等の異常発生確率が異なる。
(8)初期硬度、及び硬度変化と異常発生の相関
例えば、流体制御機器8の使用初期の各部材の初期硬度の大小で異常発生確率が異なることが予想される。また、硬度変化速度の大小で異常発生確率が異なることも予想される。
モデルの学習の結果によっては、各センサの測定値に対して、所定の周波数成分抽出・複数のセンサデータ間の相互相関計算・所定のパターンとのマッチング・積分・微分などと同等の処理を含むモデルとなる場合がある。
11 バルブボディ
111 流路
112 シート
113 ダイヤフラム
LP リークポート
S1 空間
12 アクチュエータボディ
121 螺合部
122 露出部
1221 カバー
123 螺合部
124 ディスク
125 押えアダプタ
126 ピストン
127 バネ
13 ケーシング
131 キャップボディ
132 アクチュエータキャップ
1321 固定部材
133 キャップトップ
21 導入管
22 ワンタッチ継手
23 固定部材
24 Oリング
3 保持部材
31 突出部
3a 貫通孔
3b 貫通孔
41 圧力センサ
42 温度センサ
43 リミットスイッチ
NW1、NW2 ネットワーク
Claims (5)
- 機器内に備えられた情報処理モジュールと、
流路を備えたバルブボディと、
前記バルブボディに固定されたアクチュエータボディと、
前記アクチュエータボディに固定され、側面に貫通孔が形成された中空のケーシングと、
前記アクチュエータボディ内に設けられ、内部に駆動圧導入室へ連通する駆動圧導入路が形成されたピストンと、
駆動圧を導入する管であって、一端が前記駆動圧導入路に挿し込まれ、他端が前記ケーシングの貫通孔から外部へ導出された導入管と、を有する、
流体制御機器。 - 前記ケーシングの上面に、上記情報処理モジュールと接続された情報表示用パネルが嵌め込まれる情報表示パネル用貫通孔が形成されている、
請求項1記載の流体制御機器。 - 機器内に備えられたセンサ、をさらに有し、
前記アクチュエータボディの外周面には、前記バルブボディ及び前記ケーシングの内周面に形成されたネジと螺合するネジが形成され、前記バルブボディ及び前記ケーシングと螺合する部分に、前記センサから導出された配線を通すための配線溝が形成されており、
前記センサから導出された配線が、前記配線溝を介して前記ケーシング内へ引き込まれている、
請求項1又は2記載の流体制御機器。 - 前記ケーシング内に設けられ、前記ケーシング内の導入管の上方に形成されるスペースに前記情報処理モジュールを保持すると共に、前記センサから導出された配線を貫通させるための貫通孔が設けられている保持部材、をさらに有する、
請求項3記載の流体制御機器。 - 請求項1乃至4いずれかの項に記載の流体制御機器を用いた流体制御装置。
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