JPWO2019102882A1 - バルブ装置およびその制御装置を用いた制御方法、流体制御装置および半導体製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リミットスイッチを使用せずにバルブの開閉状態を検出可能なバルブ装置の制御装置を提供する。【解決手段】バルブ装置１は、流体の流通する流路を開閉するダイヤフラム２０と、ダイヤフラム２０を流路の閉鎖方向に付勢するコイルばね９０と、コイルばね９０の付勢力に抗して駆動する主アクチュエータ６０と、ダイヤフラム２０による流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整用アクチュエータ１００と、を有し、コントローラ２００は、調整用アクチュエータ１００の圧電素子が発生する電圧に基づいて流路の開閉状態を検出し、この検出信号を利用してバルブ装置１を制御する。【選択図】図１
Description
本発明は、バルブ装置およびその制御装置に関する。
半導体製造プロセスにおいては、正確に計量した処理ガスを処理チャンバに供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化した集積化ガスシステムと呼ばれる流体制御装置が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
各種製造プロセスにおけるプロセスガスの供給制御には、より高い応答性が求められており、流体制御装置をできるだけ小型化、集積化して、流体の供給先であるプロセスチャンバのより近くに設置する必要がある。
上記したような流体制御装置で使用されるバルブ装置は、特許文献２等に開示されているように、リミットスイッチを用いてバルブの開閉状態を検出していた。
リミットスイッチを用いて開閉状態を検出するバルブ装置を半導体製造装置に用いると、半導体製造装置の小型化が妨げられる。
上記したような流体制御装置で使用されるバルブ装置は、特許文献２等に開示されているように、リミットスイッチを用いてバルブの開閉状態を検出していた。
リミットスイッチを用いて開閉状態を検出するバルブ装置を半導体製造装置に用いると、半導体製造装置の小型化が妨げられる。
本発明の目的の一つは、リミットスイッチを使用せずにバルブの開閉状態を検出可能なバルブ装置およびその制御装置を提供することにある。
本発明に係るバルブ装置は、流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させる主アクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧または当該電圧に基づく信号を出力可能に形成されている。
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させる主アクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧または当該電圧に基づく信号を出力可能に形成されている。
本発明の制御装置は、バルブ装置の制御装置であって、
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させるアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出する検出部と、
前記検出部の検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する制御部と、
を有する。
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させるアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出する検出部と、
前記検出部の検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する制御部と、
を有する。
本発明の制御方法は、バルブ装置の制御方法であって、
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢力に抗して駆動するアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出し、
検出した検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する。
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢力に抗して駆動するアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出し、
検出した検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する。
本発明の流量制御方法は、上記構成の制御装置を用いて、流体の流量を制御する。
本発明の流体制御装置は、複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、前記複数の流体機器は、上記構成のバルブ装置を用いる。
本発明の半導体製造方法は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に上記構成の制御装置を用いる。
本発明の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記構成の制御装置を用いる。
本発明によれば、調整用アクチュエータの圧電素子は、主アクチュエータの駆動力が作用することで電圧を発生し、これを検出することで流路の開閉状態を判断し、バルブ装置を制御することが可能になる。すなわち、調整用アクチュエータを流路の開閉状態を検出する応答性の高い検出器として兼用でき、その結果、リミットスイッチが不要となる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置としてのコントローラ２００が適用されたバルブシステムの概略構成図である。
まず、このバルブシステムの説明をする前に、バルブシステムに使用されるバルブ装置１の一例を図５〜図１０Ｂを参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置としてのコントローラ２００が適用されたバルブシステムの概略構成図である。
まず、このバルブシステムの説明をする前に、バルブシステムに使用されるバルブ装置１の一例を図５〜図１０Ｂを参照して説明する。
図５は、本発明が適用されるバルブ装置の一例の構成を示す図であって、バルブが全閉時の状態を示しており、図６は図５の要部の拡大断面図、図７は調整機構としての圧電アクチュエータの動作を説明するための図である。なお、以下の説明において上方向を開方向Ａ１、下方向を閉方向Ａ２とする。
図５において、１０はバルブボディ、２０は弁体としてのダイヤフラム、３８はダイヤフラム押え、３０はボンネット、４０は操作部材、５０はケーシング、６０は主アクチュエータ、７０は調整ボディ、８０はアクチュエータ押え、９０はコイルばね、１００は調整用アクチュエータとしての圧電アクチュエータ、１１０はアクチュエータ受け、１２０は弾性部材としての皿ばね、ＯＲはシール部材としてのＯリングを示している。
図５において、１０はバルブボディ、２０は弁体としてのダイヤフラム、３８はダイヤフラム押え、３０はボンネット、４０は操作部材、５０はケーシング、６０は主アクチュエータ、７０は調整ボディ、８０はアクチュエータ押え、９０はコイルばね、１００は調整用アクチュエータとしての圧電アクチュエータ、１１０はアクチュエータ受け、１２０は弾性部材としての皿ばね、ＯＲはシール部材としてのＯリングを示している。
バルブボディ１０は、ステンレス鋼により形成されており、ブロック状のバルブボディ本体１０ａと、バルブボディ本体１０ａの側方からそれぞれ突出する接続部１０ｂ、１０ｃを有し、流路１２，１３を画定している。流路１２、１３の一端は、接続部１０ｂ、１０ｃの端面でそれぞれ開口し、他端は上方が開放された凹状の弁室１４に連通している。弁室１４の底面には、流路１２の他端側の開口周縁に設けられた装着溝に合成樹脂（ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＣＴＦＥ等）製の弁座１５が嵌合固定されている。尚、本実施形態では、図６から明らかなように、加締め加工により弁座１５が装着溝内に固定されている。
ダイヤフラム２０は、バルブボディ１０の流路１２，１３を開閉可能に設けられた弁体であり、弁座１５の上方に配設されており、弁室１４の気密を保持すると共に、その中央部が上下動して弁座１５に当離座することにより、流路１２、１３を開閉する。本実施形態では、ダイヤフラム２０は、特殊ステンレス鋼等の金属製薄板及びニッケル・コバルト合金薄板の中央部を上方へ膨出させることにより、上に凸の円弧状が自然状態の球殻状とされている。この特殊ステンレス鋼薄板３枚とニッケル・コバルト合金薄板１枚とが積層されてダイヤフラム２０が構成されている。
ダイヤフラム２０は、その周縁部が弁室１４の内周面の突出部上に載置され、弁室１４内へ挿入したボンネット３０の下端部をバルブボディ１０のねじ部１６へねじ込むことにより、ステンレス合金製の押えアダプタ２５を介してバルブボディ１０の前記突出部側へ押圧され、気密状態で挾持固定されている。尚、ニッケル・コバルト合金薄膜は、接ガス側に配置されている。
なお、ダイヤフラムとしては、他の構成のものも使用可能である。
ダイヤフラム２０は、その周縁部が弁室１４の内周面の突出部上に載置され、弁室１４内へ挿入したボンネット３０の下端部をバルブボディ１０のねじ部１６へねじ込むことにより、ステンレス合金製の押えアダプタ２５を介してバルブボディ１０の前記突出部側へ押圧され、気密状態で挾持固定されている。尚、ニッケル・コバルト合金薄膜は、接ガス側に配置されている。
なお、ダイヤフラムとしては、他の構成のものも使用可能である。
操作部材４０は、ダイヤフラム２０に流路１２、１３を開閉させるようにダイヤフラム２０を操作するための部材であり、略円筒状に形成され、下端側が閉塞部４８により閉塞し、上端側が開口しており、ボンネット３０の内周面とケーシング５０内に形成された筒状部５１の内周面に嵌合し、上下方向に移動自在に支持されている。なお、図５および図６に示すＡ１，Ａ２は操作部材４０の開閉方向であり、Ａ１は開方向、Ａ２は閉方向を示している。本実施形態では、バルブボディ１０に対して上方向が開方向Ａ１であり、下方向が閉方向Ａ２であるが、本発明はこれに限定されるわけではない。
操作部材４０の下端面にはダイヤフラム２０の中央部上面に当接するポリイミド等の合成樹脂製のダイヤフラム押え３８が装着されている。
操作部材４０の外周面に形成された鍔部４５の上面と、ケーシングの天井面との間には、コイルばね９０が設けられ、操作部材４０はコイルばね９０により閉方向Ａ２に向けて常時付勢されている。このため、図６に示すように、主アクチュエータ６０が作動していない状態では、ダイヤフラム２０は弁座１５に押し付けられ、流路１２，１３の間は閉じられた状態となっている。
なお、鍔部４５は、操作部材４０と一体であっても、別体であっても良い。
操作部材４０の下端面にはダイヤフラム２０の中央部上面に当接するポリイミド等の合成樹脂製のダイヤフラム押え３８が装着されている。
操作部材４０の外周面に形成された鍔部４５の上面と、ケーシングの天井面との間には、コイルばね９０が設けられ、操作部材４０はコイルばね９０により閉方向Ａ２に向けて常時付勢されている。このため、図６に示すように、主アクチュエータ６０が作動していない状態では、ダイヤフラム２０は弁座１５に押し付けられ、流路１２，１３の間は閉じられた状態となっている。
なお、鍔部４５は、操作部材４０と一体であっても、別体であっても良い。
コイルばね９０は、ケーシング５０の内周面と筒状部５１との間に形成された保持部５２に収容されている。本実施形態では、コイルばね９０を使用しているが、これに限定されるわけではなく、皿ばねや板バネ等の他の種類のばねを使用できる。
ケーシング５０は、その下端部内周がボンネット３０の上端部外周に形成されたネジ部３６にねじ込まれることで、ボンネット３０に固定されている。なお、ボンネット３０上端面とケーシング５０との間には、環状のバルクヘッド６３が固定されている。
操作部材４０の外周面と、ケーシング５０およびボンネット３０との間には、バルクヘッド６３によって上下に区画されたシリンダ室Ｃ１，Ｃ２が形成されている。
ケーシング５０は、その下端部内周がボンネット３０の上端部外周に形成されたネジ部３６にねじ込まれることで、ボンネット３０に固定されている。なお、ボンネット３０上端面とケーシング５０との間には、環状のバルクヘッド６３が固定されている。
操作部材４０の外周面と、ケーシング５０およびボンネット３０との間には、バルクヘッド６３によって上下に区画されたシリンダ室Ｃ１，Ｃ２が形成されている。
上側のシリンダ室Ｃ１には、環状に形成されたピストン６１が嵌合挿入され、下側のシリンダ室Ｃ２には、環状に形成されたピストン６２が嵌合挿入されている。これらシリンダ室Ｃ１，Ｃ２およびピストン６１，６２は、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる主アクチュエータ６０を構成している。主アクチュエータ６０は、２つのピストン６１，６２を用いて圧力の作用面積を増加させることにより、操作ガスによる力を増力できるようになっている。
シリンダ室Ｃ１のピストン６１の上側の空間は、通気路５３により大気につながっている。シリンダ室Ｃ２のピストン６２の上側の空間は、通気路ｈ１により大気につながっている。
シリンダ室Ｃ１のピストン６１の上側の空間は、通気路５３により大気につながっている。シリンダ室Ｃ２のピストン６２の上側の空間は、通気路ｈ１により大気につながっている。
シリンダ室Ｃ１，Ｃ２のピストン６１，６２の下側の空間は高圧の操作ガスが供給されるため、ＯリングＯＲにより気密が保たれている。これらの空間は、操作部材４０に形成された流通路４１，４２とそれぞれ連通している。流通路４１，４２は、操作部材４０の内周面４３と圧電アクチュエータ１００のケース本体１０１の外周面との間に形成された流通路Ｃｈに連通し、この流通路Ｃｈは、操作部材４０の上端面と、ケーシング５０の筒状部５１と調整ボディ７０の下端面とで形成される空間ＳＰと連通している。そして、環状のアクチュエータ押え８０に形成された流通路８１は、空間ＳＰと調整ボディ７０の中心部を貫通する流通路７１とを接続している。調整ボディ７０の流通路７１は、管継手１５０を介して管１６０と連通している。
圧電アクチュエータ１００は、図７に示す円筒状のケース本体１０１に図示しない積層された圧電素子(ピエゾ素子)を内蔵している。ケース本体１０１は、ステンレス合金等の金属製で、半球状の先端部１０２側の端面および基端部１０３側の端面が閉塞している。積層された圧電素子に電圧を印加して伸長させることで、ケース本体１０１の先端部１０２側の端面が弾性変形し、半球状の先端部１０２が長手方向において変位する。積層された圧電素子の最大ストロークを２ｄとすると、圧電アクチュエータ１００の伸びがｄとなる所定電圧Ｖ０を予めかけておくことで、圧電アクチュエータ１００の全長はＬ０となる。そして、所定電圧Ｖ０よりも高い電圧をかけると、圧電アクチュエータ１００の全長は最大でＬ０＋ｄとなり、所定電圧Ｖ０よりも低い電圧（無電圧を含む）をかけると、圧電アクチュエータ１００の全長は最小でＬ０−ｄとなる。したがって、開閉方向Ａ１，Ａ２において先端部１０２から基端部１０３までの全長を伸縮させることができる。なお、本実施形態では、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２を半球状としたが、これに限定されるわけではなく、先端部が平坦面であってもよい。
図５に示すように、圧電アクチュエータ１００への給電は、配線１０５により行われる。配線１０５は、調整ボディ７０の流通路７１および管継手１５０を通じて管１６０に導かれており、管１６０の途中から外部に引き出されている。
図５に示すように、圧電アクチュエータ１００への給電は、配線１０５により行われる。配線１０５は、調整ボディ７０の流通路７１および管継手１５０を通じて管１６０に導かれており、管１６０の途中から外部に引き出されている。
圧電アクチュエータ１００の基端部１０３の開閉方向の位置は、アクチュエータ押え８０を介して調整ボディ７０の下端面により規定されている。調整ボディ７０は、ケーシング５０の上部に形成されたネジ孔５６に調整ボディ７０の外周面に設けられたネジ部がねじ込まれており、調整ボディ７０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで、圧電アクチュエータ１００の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整できる。
圧電アクチュエータ１００の先端部１０２は、図６に示すように円盤状のアクチュエータ受け１１０の上面に形成された円錐面状の受け面１１０ａに当接している。アクチュエータ受け１１０は、開閉方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。
圧電アクチュエータ１００の先端部１０２は、図６に示すように円盤状のアクチュエータ受け１１０の上面に形成された円錐面状の受け面１１０ａに当接している。アクチュエータ受け１１０は、開閉方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。
アクチュエータ受け１１０の下面と操作部材４０の閉塞部４８の上面との間には、弾性部材としての皿ばね１２０が設けられている。図６に示す状態において、皿ばね１２０は既にある程度圧縮されて弾性変形しており、この皿ばね１２０の復元力により、アクチュエータ受け１１０は開方向Ａ１に向けて常時付勢されている。これにより、圧電アクチュエータ１００も開方向Ａ１に向けて常時付勢され、基端部１０３の上面がアクチュエータ押え８０に押し付けられた状態となっている。これにより、圧電アクチュエータ１００は、バルブボディ１０に対して所定の位置に配置される。圧電アクチュエータ１００は、いずれの部材にも連結されていないので、操作部材４０に対して開閉方向Ａ１，Ａ２において相対的に移動可能である。
皿ばね１２０の個数や向きは条件に応じて適宜変更できる。また、皿ばね１２０以外にもコイルばね、板ばね等の他の弾性部材を使用できるが、皿ばねを使用すると、ばね剛性やストローク等を調整しやすいという利点がある。
皿ばね１２０の個数や向きは条件に応じて適宜変更できる。また、皿ばね１２０以外にもコイルばね、板ばね等の他の弾性部材を使用できるが、皿ばねを使用すると、ばね剛性やストローク等を調整しやすいという利点がある。
図６に示すように、ダイヤフラム２０が弁座１５に当接してバルブが閉じた状態では、アクチュエータ受け１１０の下面側の規制面１１０ｔと、操作部材４０の閉塞部４８の上面側の当接面４０ｔとの間には隙間が形成されている。この隙間の距離がダイヤフラム２０のリフト量Ｌｆに相当する。リフト量Ｌｆは、バルブの開度、すなわち、流量を規定する。リフト量Ｌｆが、上記した調整ボディ７０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで変更できる。図６に示す状態の操作部材４０は、当接面４０ｔを基準にすると、閉位置ＣＰに位置する。この当接面４０ｔが、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｔに当接する位置、すなわち、開位置ＯＰに移動すると、ダイヤフラム２０が弁座１５からリフト量Ｌｆ分だけ離れる。
次に、上記構成のバルブ装置１の動作について図８〜図１０Ｂを参照して説明する。
図８に示すように、管１６０を通じて所定圧力の操作ガスＧをバルブ装置１内に供給すると、操作ガスＧは流通路７１を通り、操作部材４０の内周面４３とケース本体１０１の外周面との間に形成された流通路Ｃｈを通り、流通路４１，４２を通って、シリンダ室Ｃ１，Ｃ２のピストン６１，６２の下側の空間に供給される。これにより、ピストン６１，６２から操作部材４０へ開方向Ａ１に押し上げる推力が作用する。操作ガスＧの圧力は、操作部材４０にコイルばね９０および皿ばね１２０から作用する閉方向Ａ２の付勢力に抗して操作部材４０を開方向Ａ１に移動させるのに十分な値に設定されている。このような操作ガスＧが供給されると、図９に示すように、操作部材４０は皿ばね１２０をさらに圧縮しつつ開方向Ａ１に移動し、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｔに操作部材４０の当接面４０ｔが当接し、アクチュエータ受け１１０は操作部材４０から開方向Ａ１へ向かう力を受ける。この開方向Ａ１へ向かう力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２を通じて、圧電アクチュエータ１００を開方向Ａ１に圧縮する力として作用するが、圧電アクチュエータ１００はこの力に抗する十分な剛性を有する。したがって、操作部材４０に作用する開方向Ａ１の力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２で受け止められ、操作部材４０のＡ１方向の移動は、開位置ＯＰにおいて規制される。この状態において、ダイヤフラム２０は、弁座１５から上記したリフト量Ｌｆだけ離隔する。
図８に示すように、管１６０を通じて所定圧力の操作ガスＧをバルブ装置１内に供給すると、操作ガスＧは流通路７１を通り、操作部材４０の内周面４３とケース本体１０１の外周面との間に形成された流通路Ｃｈを通り、流通路４１，４２を通って、シリンダ室Ｃ１，Ｃ２のピストン６１，６２の下側の空間に供給される。これにより、ピストン６１，６２から操作部材４０へ開方向Ａ１に押し上げる推力が作用する。操作ガスＧの圧力は、操作部材４０にコイルばね９０および皿ばね１２０から作用する閉方向Ａ２の付勢力に抗して操作部材４０を開方向Ａ１に移動させるのに十分な値に設定されている。このような操作ガスＧが供給されると、図９に示すように、操作部材４０は皿ばね１２０をさらに圧縮しつつ開方向Ａ１に移動し、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｔに操作部材４０の当接面４０ｔが当接し、アクチュエータ受け１１０は操作部材４０から開方向Ａ１へ向かう力を受ける。この開方向Ａ１へ向かう力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２を通じて、圧電アクチュエータ１００を開方向Ａ１に圧縮する力として作用するが、圧電アクチュエータ１００はこの力に抗する十分な剛性を有する。したがって、操作部材４０に作用する開方向Ａ１の力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２で受け止められ、操作部材４０のＡ１方向の移動は、開位置ＯＰにおいて規制される。この状態において、ダイヤフラム２０は、弁座１５から上記したリフト量Ｌｆだけ離隔する。
図９に示す状態におけるバルブ装置１の流路１３から出力し供給される流体の流量を調整したい場合には、圧電アクチュエータ１００を作動させる。
図１０Ａおよび図１０Ｂの中心線Ｃｔの左側は、図９に示す状態を示しており、中心線Ｃｔの右側は操作部材４０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整した後の状態を示している。
流体の流量を減少させる方向に調整する場合には、図１０Ａに示すように、圧電アクチュエータ１００を伸長させて、操作部材４０を閉方向Ａ２に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ-は、調整前のリフト量Ｌｆよりも小さくなる。
流体の流量を増加させる方向に調整する場合には、図１０Ｂに示すように、圧電アクチュエータ１００を短縮させて、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ+は、調整前のリフト量Ｌｆよりも大きくなる。
図１０Ａおよび図１０Ｂの中心線Ｃｔの左側は、図９に示す状態を示しており、中心線Ｃｔの右側は操作部材４０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整した後の状態を示している。
流体の流量を減少させる方向に調整する場合には、図１０Ａに示すように、圧電アクチュエータ１００を伸長させて、操作部材４０を閉方向Ａ２に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ-は、調整前のリフト量Ｌｆよりも小さくなる。
流体の流量を増加させる方向に調整する場合には、図１０Ｂに示すように、圧電アクチュエータ１００を短縮させて、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ+は、調整前のリフト量Ｌｆよりも大きくなる。
ダイヤフラム２０のリフト量の最大値は１００〜２００μｍ程度で、圧電アクチュエータ１００による調整量は±２０μｍ程度である。
すなわち、圧電アクチュエータ１００のストロークでは、ダイヤフラム２０のリフト量をカバーすることができないが、操作ガスＧで動作する主アクチュエータ６０と圧電アクチュエータ１００を併用することで、相対的にストロークの長い主アクチュエータ６０でバルブ装置１の供給する流量を確保しつつ、相対的にストロークの短い圧電アクチュエータ１００で精密に流量調整することができる。
すなわち、圧電アクチュエータ１００のストロークでは、ダイヤフラム２０のリフト量をカバーすることができないが、操作ガスＧで動作する主アクチュエータ６０と圧電アクチュエータ１００を併用することで、相対的にストロークの長い主アクチュエータ６０でバルブ装置１の供給する流量を確保しつつ、相対的にストロークの短い圧電アクチュエータ１００で精密に流量調整することができる。
図１において、コントローラ２００は、複数のバルブ装置１と信号線や給電線からなる配線ＳＬで電気的に接続されている。複数のバルブ装置１には、操作ガス（駆動エア）Ｇを供給する供給管ＦＬが開閉バルブＶ１を介して接続されている。各供給管ＦＬは、共通の駆動エア供給源２５０に接続されている。複数の開閉バルブＶ１は、例えば、電磁弁で構成され、コントローラ２００と制御信号線ＣＬとそれぞれ接続されている。
コントローラ２００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力回路等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成されている。コントローラ２００は、開閉バルブＶ１を開閉制御するとともに、バルブ装置１に内蔵された圧電アクチュエータ１００を駆動制御する。
加えて、コントローラ２００は、圧電アクチュエータ１００の圧電素子に外力が作用することにより生じる電圧を検出する機能を有する。
コントローラ２００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力回路等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成されている。コントローラ２００は、開閉バルブＶ１を開閉制御するとともに、バルブ装置１に内蔵された圧電アクチュエータ１００を駆動制御する。
加えて、コントローラ２００は、圧電アクチュエータ１００の圧電素子に外力が作用することにより生じる電圧を検出する機能を有する。
圧電アクチュエータ１００の圧電素子は、上記したように、電圧を印加することにより伸長する。一方で、圧電素子は、外力を受けるとひずみが生じ、これに応じた電圧を発生する。圧電素子に発生する電圧は、生じたひずみに比例するため、圧電素子の両端子電圧を測定することにより圧電素子の外力によるひずみを検知できる。すなわち、圧電アクチュエータ１００を、外力を検知するセンサとしても使用できる。また、圧電素子に電圧を印加した状態であっても、印加電圧と外力により生じた電圧を分離する検出回路により圧電素子に外力が印加されたことを検出できる。
本実施形態では、圧電アクチュエータ１００の圧電素子に外力、すなわち操作圧により生じた電圧を検出することで、ダイヤフラム２０により開閉されるバルブ装置１の流路の開閉状態を検出する。
本実施形態では、圧電アクチュエータ１００の圧電素子に外力、すなわち操作圧により生じた電圧を検出することで、ダイヤフラム２０により開閉されるバルブ装置１の流路の開閉状態を検出する。
図２のフローチャートを参照してコントローラ２００による処理の一例を説明する。
まず、コントローラ２００は、制御信号線ＣＬを通じて駆動エア供給指令を開閉バルブＶ１に出力する（ステップＳ１）。
開閉バルブＶ１が開放されると、図３の（１）に示すように、バルブ装置１における駆動エアによる操作圧が時間ｔ０から上昇していく。これに伴って、図３の（２）に示すように、バルブ装置１のピストン６１，６２が移動を開始し、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる。圧電アクチュエータ１００は操作部材４０から開方向Ａ１の力を受け、図３の（３）に示すように、圧電アクチュエータ１００の圧電素子は電圧（ピエゾ電圧）を発生する。
まず、コントローラ２００は、制御信号線ＣＬを通じて駆動エア供給指令を開閉バルブＶ１に出力する（ステップＳ１）。
開閉バルブＶ１が開放されると、図３の（１）に示すように、バルブ装置１における駆動エアによる操作圧が時間ｔ０から上昇していく。これに伴って、図３の（２）に示すように、バルブ装置１のピストン６１，６２が移動を開始し、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる。圧電アクチュエータ１００は操作部材４０から開方向Ａ１の力を受け、図３の（３）に示すように、圧電アクチュエータ１００の圧電素子は電圧（ピエゾ電圧）を発生する。
コントローラ２００は、駆動エア供給指令を出力したのち、ピエゾ電圧が発しているかを判断する（ステップＳ２）。具体的には、コントローラ２００は、例えば、ピエゾ電圧が所定電圧を超えるパルス状の電圧を発生すると、図３の（４）に示すように、時間ｔ１においてバルブ装置１の流路が開放されたと判断する(ステップＳ３)。
次いで、コントローラ２００は、上記したバルブ装置１の開度（流量）調整を実施する（ステップＳ４）。
その後、コントローラ２００は、通常制御を開始する（ステップＳ５）。
その後、コントローラ２００は、通常制御を開始する（ステップＳ５）。
ここで、コントローラ２００による通常制御の一例について説明する。
コントローラ２００は、所定周期（例えば数ｍｓ）で開閉バルブＶ１に開閉指令を与えて、バルブ装置１の開閉制御を実行する。
図４Ａに示すグラフ（１）は、バルブ装置１を所定周期で開閉制御した際の、圧電素子の電圧信号を示している。図４Ａに示すグラフ（２）は、比較例として、バルブ装置１の開閉の検出をリミットスイッチで検出したときの信号を示している。
圧電素子の信号およびリミットスイッチの信号の双方は、バルブ装置１の開閉に応答して周期的に変化している。
ここで重要な点は、図４Ｂのグラフ（１）に示すように、圧電素子の信号の立ち上がりが、リミットスイッチの信号よりもはるかに速いことである。このことは、周期が数ｍｓの高い周波数でバルブ装置１を開閉制御した際に、圧電素子の信号を用いることによりバルブ装置１の開閉状態をリミットスイッチと比較して速やかに検出できることを意味している。
圧電アクチュエータ１００の圧電素子の信号を使用してバルブ装置１の開閉状態を検出すると、リミットスイッチの信号を用いた場合と比べて、バルブ装置１の開閉制御をより高い周波数で実行することが可能となる。
コントローラ２００は、所定周期（例えば数ｍｓ）で開閉バルブＶ１に開閉指令を与えて、バルブ装置１の開閉制御を実行する。
図４Ａに示すグラフ（１）は、バルブ装置１を所定周期で開閉制御した際の、圧電素子の電圧信号を示している。図４Ａに示すグラフ（２）は、比較例として、バルブ装置１の開閉の検出をリミットスイッチで検出したときの信号を示している。
圧電素子の信号およびリミットスイッチの信号の双方は、バルブ装置１の開閉に応答して周期的に変化している。
ここで重要な点は、図４Ｂのグラフ（１）に示すように、圧電素子の信号の立ち上がりが、リミットスイッチの信号よりもはるかに速いことである。このことは、周期が数ｍｓの高い周波数でバルブ装置１を開閉制御した際に、圧電素子の信号を用いることによりバルブ装置１の開閉状態をリミットスイッチと比較して速やかに検出できることを意味している。
圧電アクチュエータ１００の圧電素子の信号を使用してバルブ装置１の開閉状態を検出すると、リミットスイッチの信号を用いた場合と比べて、バルブ装置１の開閉制御をより高い周波数で実行することが可能となる。
次に、図１１を参照して、上記したバルブ装置１およびコントローラ２００の適用例について説明する。
図１１に示す半導体製造装置１０００は、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、３００はプロセスガス供給源、４００はガスボックス、５００はタンク、７００は処理チャンバ、８００は排気ポンプを示している。
ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
ガスボックス４００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ７００に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク５００は、ガスボックス４００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
処理チャンバ７００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ８００は、処理チャンバ７００内を真空引きする。
図１１に示す半導体製造装置１０００は、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、３００はプロセスガス供給源、４００はガスボックス、５００はタンク、７００は処理チャンバ、８００は排気ポンプを示している。
ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
ガスボックス４００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ７００に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク５００は、ガスボックス４００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
処理チャンバ７００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ８００は、処理チャンバ７００内を真空引きする。
上記のようなシステム構成によれば、コントローラ２００から開閉バルブＶ１へ制御信号ＳＧ１を送ることにより、バルブ装置１を開放状態にすることができる。この状態は、上記したように、圧電アクチュエータ１００の圧電素子の出力信号で検出できる。バルブ装置１に流量調整のための指令ＳＧ２を送れば、処理ガスの初期調整が可能になる。
また、コントローラ２００からバルブ装置１を高い周波数で開閉制御する制御信号ＳＧ１を開閉バルブＶ１に出力することで、図４Ａを参照して説明したバルブ装置１の開閉制御を実行できる。
また、コントローラ２００からバルブ装置１を高い周波数で開閉制御する制御信号ＳＧ１を開閉バルブＶ１に出力することで、図４Ａを参照して説明したバルブ装置１の開閉制御を実行できる。
上記実施形態では、圧電素子の検出信号を、開度(流量)調整作業を開始するためだけではなく、バルブ装置の周期的な開閉制御にも用いる場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。圧電素子の検出信号を、開度(流量)調整作業を開始するためだけに利用してもよい。
図１２を参照して、本発明のバルブ装置が適用可能な流体制御装置の一例を説明する。
図１２に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ〜９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
図１２に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ〜９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
本発明は、上記した開閉弁９９１Ａ、９９１Ｄ、レギュレータ９９１Ｂ等の種々のバルブ装置に適用可能である。
１ ：バルブ装置
１０ ：バルブボディ
１０ａ ：バルブボディ本体
１０ｂ,１０ｃ ：接続部
１２,１３ ：流路
１４ ：弁室
１５ ：弁座
１６ ：ねじ部
２０ ：ダイヤフラム
２５ ：押えアダプタ
３０ ：ボンネット
３６ ：ネジ部
３８ ：ダイヤフラム押え
４０ ：操作部材
４０ｔ ：当接面
４１,４２ ：流通路
４２ ：流通路
４３ ：内周面
４５ ：鍔部
４８ ：閉塞部
５０ ：ケーシング
５１ ：筒状部
５２ ：保持部
５３ ：通気路
５６ ：ネジ孔
６０ ：主アクチュエータ
６１,６２ ：ピストン
６３ ：バルクヘッド
７０ ：調整ボディ
７１,８１ ：流通路
８０ ：アクチュエータ押え
９０ ：コイルばね
１００ ：圧電アクチュエータ
１０１ ：ケース本体
１０２ ：先端部
１０３ ：基端部
１０５ ：配線
１１０ ：アクチュエータ受け
１１０ａ ：受け面
１１０ｔ ：規制面
１２０ ：皿ばね
１５０ ：管継手
１６０ ：管
２００ ：コントローラ
２５０ ：駆動エア供給源
３００ ：プロセスガス供給源
４００ ：ガスボックス
５００ ：タンク
７００ ：処理チャンバ
８００ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁（２方弁）
９９１Ｂ ：レギュレータ
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ
９９１Ｄ ：開閉弁（３方弁）
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ１ ：開方向
Ａ２ ：閉方向
ＢＳ ：ベースプレート
Ｃ１,Ｃ２ ：シリンダ室
ＣＬ ：制御信号線
ＣＰ ：閉位置
Ｃｈ ：流通路
Ｃｔ ：中心線
ＦＬ ：供給管
Ｇ ：操作ガス(駆動エア)
Ｇ１ ：長手方向(上流側)
Ｇ２ ：長手方向(下流側)
Ｌｆ，Ｌｆ＋，Ｌｆ− ：リフト量
ＯＰ ：開位置
ＯＲ ：Ｏリング
ＳＧ１ ：制御信号
ＳＧ２ ：指令
ＳＬ ：配線
ＳＰ ：空間
Ｖ０ ：所定電圧
Ｖ１ ：開閉バルブ
Ｗ１,Ｗ２ ：幅方向
ｈ１ ：通気路
１０ ：バルブボディ
１０ａ ：バルブボディ本体
１０ｂ,１０ｃ ：接続部
１２,１３ ：流路
１４ ：弁室
１５ ：弁座
１６ ：ねじ部
２０ ：ダイヤフラム
２５ ：押えアダプタ
３０ ：ボンネット
３６ ：ネジ部
３８ ：ダイヤフラム押え
４０ ：操作部材
４０ｔ ：当接面
４１,４２ ：流通路
４２ ：流通路
４３ ：内周面
４５ ：鍔部
４８ ：閉塞部
５０ ：ケーシング
５１ ：筒状部
５２ ：保持部
５３ ：通気路
５６ ：ネジ孔
６０ ：主アクチュエータ
６１,６２ ：ピストン
６３ ：バルクヘッド
７０ ：調整ボディ
７１,８１ ：流通路
８０ ：アクチュエータ押え
９０ ：コイルばね
１００ ：圧電アクチュエータ
１０１ ：ケース本体
１０２ ：先端部
１０３ ：基端部
１０５ ：配線
１１０ ：アクチュエータ受け
１１０ａ ：受け面
１１０ｔ ：規制面
１２０ ：皿ばね
１５０ ：管継手
１６０ ：管
２００ ：コントローラ
２５０ ：駆動エア供給源
３００ ：プロセスガス供給源
４００ ：ガスボックス
５００ ：タンク
７００ ：処理チャンバ
８００ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：開閉弁（２方弁）
９９１Ｂ ：レギュレータ
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ
９９１Ｄ ：開閉弁（３方弁）
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ１ ：開方向
Ａ２ ：閉方向
ＢＳ ：ベースプレート
Ｃ１,Ｃ２ ：シリンダ室
ＣＬ ：制御信号線
ＣＰ ：閉位置
Ｃｈ ：流通路
Ｃｔ ：中心線
ＦＬ ：供給管
Ｇ ：操作ガス(駆動エア)
Ｇ１ ：長手方向(上流側)
Ｇ２ ：長手方向(下流側)
Ｌｆ，Ｌｆ＋，Ｌｆ− ：リフト量
ＯＰ ：開位置
ＯＲ ：Ｏリング
ＳＧ１ ：制御信号
ＳＧ２ ：指令
ＳＬ ：配線
ＳＰ ：空間
Ｖ０ ：所定電圧
Ｖ１ ：開閉バルブ
Ｗ１,Ｗ２ ：幅方向
ｈ１ ：通気路
Claims (7)
- 流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させる主アクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧または当該電圧に基づく信号を出力可能に形成されている、バルブ装置。 - バルブ装置の制御装置であって、
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して移動させるアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出する検出部と、
前記検出部の検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する制御部と、
を有する制御装置。 - バルブ装置の制御方法であって、
前記バルブ装置は、
流体の流通する流路を開閉する弁体と、
前記弁体を前記流路の閉鎖方向に付勢する付勢手段と、
前記弁体を前記付勢手段の付勢力に抗して駆動するアクチュエータと、
前記弁体による前記流路の開度を調整するための圧電素子を利用した調整機構と、を有し、
前記圧電素子が発生する電圧に基づいて、前記流路の開閉状態を検出し、
検出した検出信号を利用して前記バルブ装置を制御する、バルブ装置の制御方法。 - 請求項２の制御装置を用いて、流体の流量を制御する流量制御方法。
- 複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、請求項１に記載のバルブ装置を含む、流体制御装置。 - 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項２の制御装置を用いる半導体製造方法。
- 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項２の制御装置を用いる半導体製造装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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