KR102314330B1 - 유량 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
유량 제어 장치(100)는 유로에 설치된 압력 제어 밸브(6)와, 압력 제어 밸브의 하류측에 설치된 유량 제어 밸브(8)와, 압력 제어 밸브의 하류측 또한 유량 제어 밸브의 상류측의 압력을 측정하는 제 1 압력 센서(3)를 구비하고, 유량 제어 밸브는 밸브 시트(12)에 이착좌하는 밸브체(13)와, 밸브체를 이착좌시키기 위해서 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자(10b)와, 압전 소자의 측면에 설치된 변형 센서(20)를 갖고, 제 1 압력 센서(3)로부터 출력되는 신호에 의거하여 압력 제어 밸브(6)를 제어하고, 변형 센서(20)로부터 출력되는 신호에 의거하여 유량 제어 밸브(8)의 압전 소자의 구동을 제어하도록 구성되어 있다.
Description
본 발명은 유량 제어 장치에 관한 것이고, 특히 반도체 제조 설비나 화학품 제조 설비 등에 적합하게 이용되는 유량 제어 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서 재료 가스나 에칭 가스 등의 유체의 흐름을 제어하기 위해서 여러가지 타입의 유량계나 유량 제어 장치가 이용되고 있다. 이 중에서 압력식 유량 제어 장치는 제어 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트)를 조합한 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
압력식 유량 제어 장치의 제어 밸브로서는 내식성이 높은 것, 발진이 적은 것, 가스의 치환성이 좋은 것, 개폐 속도가 빠른 것 및 밸브 폐쇄 시에 신속하고 또한 확실하게 유체 통로를 폐쇄할 수 있는 것 등의 점으로부터 금속 다이어프램형 밸브가 많이 사용되고 있다. 또한, 금속 다이어프램을 개폐하는 구동 장치로서는 압전 소자 구동 장치(피에조 액추에이터라고도 함)가 널리 이용되고 있다.
특허문헌 2에는 상기와 같이 압전 소자(피에조 소자라고도 함)를 사용하여 금속 다이어프램 밸브체를 개폐시키도록 구성된 압전 소자 구동식 밸브가 개시되어 있다. 압전 소자 구동식 밸브에서는 압전 소자에 인가하는 구동 전압의 크기에 의해 압전 소자의 신장 정도가 변화되고, 이것에 따라 금속 다이어프램 밸브체를 밸브 시트에 압박하는 압력이 변화된다. 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트에 대하여 충분한 압박력으로 압박되어 있을 때는 밸브 폐쇄 상태가 되고, 압력이 약해지면 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트로부터 떨어져서 밸브 개방된다. 압전 소자 구동식 밸브는 고속 작동이 가능하고 또한 동작 특성 상의 히스테리시스가 비교적 작다는 이점을 갖고 있다.
또한, 압전 소자 구동식 밸브에는 노멀 오픈형과 노멀 클로즈형이 있으며, 노멀 오픈형에서는 전압 인가에 의한 압전 소자의 신장에 연동해서 밸브체가 폐쇄방향으로 이동한다. 한편, 노멀 클로즈형에서는 압전 소자의 신장에 연동해서 밸브체가 개방방향으로 이동한다. 노멀 오픈형의 압전 소자 구동식 밸브는 예를 들면, 특허문헌 3에 개시되어 있다.
종래의 반도체 프로세스 제어에 있어서는 압전 소자 구동식 밸브는 설정 유량에 대한 편차를 해소하도록 제어되기 때문에 아날로그적으로 적은 변위량으로 비교적 완만하게 개폐 동작이 행해지는 경우가 많았다.
그러나, 최근 유량 제어 장치는 예를 들면, ALD(Atomic Layer Deposition) 등에의 적용이 요구되고 있으며, 이러한 용도에서는 고속의(주기가 매우 짧은) 펄스 형상의 제어 신호에 의해 제어 밸브를 개폐해서 유량의 스위칭을 단시간 안에 고속으로 행하는 것이 요구된다. 이 경우, 종래의 압력식 유량 제어 장치와 같이 스로틀부의 상류측의 압력을 제어 밸브를 사용하여 제어하는 유량 제어 방식에서는 충분한 유량 증가/감소 특성이 얻어지지 않아 펄스적인 유량 제어에 대응하는 것은 곤란했다.
또한, 펄스적인 유량 제어를 적절하게 행하기 위해서는 응답성이 우수한 전자 밸브 등을 사용하여 유량 제어 장치를 구성하는 것도 생각된다. 그러나, 이 경우에는 장치의 제조 비용이 증가하고, 압력식 유량 제어 장치가 갖는 비교적 간단한 기구에 의해 고정밀도로 유량을 제어할 수 있다는 이점이 손상될 우려가 있었다. 이 때문에 종래의 유량 제어 장치에서는 펄스적인 유량 제어와 연속적인 흐름의 유량 제어의 쌍방을 양립하여 적절하게 행하는 것에 지장이 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 종래의 압력식 유량 제어 장치의 특장을 답습하면서 펄스 유량 제어 등에도 대응가능한 응답성이 양호한 유량 제어 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 유로에 설치된 압력 제어 밸브와, 상기 압력 제어 밸브의 하류측에 설치된 유량 제어 밸브와, 상기 압력 제어 밸브의 하류측 또한 상기 유량 제어 밸브의 상류측의 압력을 측정하는 제 1 압력 센서와, 개방도가 고정된 스로틀부를 구비하고, 상기 유량 제어 밸브는 밸브 시트에 이착좌(離着座)하는 밸브체와, 상기 밸브체를 상기 밸브 시트에 이착좌시키기 위해서 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자와, 상기 압전 소자의 측면에 설치된 변형 센서를 갖고, 상기 유량 제어 밸브가 갖는 상기 밸브 시트와 상기 밸브체의 거리를 개방도로 하고, 상기 유량 제어 밸브는 상기 개방도를 변경가능한 스로틀부로서 사용되고, 상기 제 1 압력 센서로부터 출력되는 신호에 의거하여 상기 압력 제어 밸브를 제어하면서 상기 변형 센서로부터 출력되는 신호에 의거하여 상기 압전 소자의 구동을 제어하고, 연속적인 흐름의 제어를 행할 때에는 상기 개방도가 고정된 스로틀부를 사용하여 유량 제어를 행하고, 단속적인 흐름의 제어를 행할 때에는 상기 개방도를 변경가능한 스로틀부로서의 상기 유량 제어 밸브를 사용하여 유량 제어를 행한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 개방도가 고정된 스로틀부를 사용하여 상기 연속적인 흐름의 제어를 행할 때, 상기 유체 제어 밸브를 전개로 한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 개방도가 고정된 스로틀부는 상기 유량 제어 밸브의 상류측에 설치되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 유량 제어 밸브의 하류측의 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 더 구비한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 개방도가 고정된 스로틀부는 상기 유량 제어 밸브의 하류측에 설치되어 있다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 개방도가 고정된 스로틀부의 하류측의 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 더 구비한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 유량 제어 밸브와 상기 개방도가 고정된 스로틀부 사이의 압력을 측정하는 제 3 압력 센서를 더 구비한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 개방도가 고정된 스로틀부의 최대 설정 유량은 상기 유량 제어 밸브의 최대 설정 유량보다 크다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 밸브의 상류측의 압력과 상기 유량 제어 밸브의 하류측의 압력이 임계 팽창 조건을 만족하는 상태에서 유량 제어가 행해진다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 신장방향의 변형을 검출하기 위한 제 1 변형 게이지와, 상기 압전 소자의 상기 신장방향과 직교하는 방향의 변형을 검출하기 위한 제 2 변형 게이지를 포함한다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 밸브는 상기 변형 센서가 부착된 상기 압전 소자를 포함하는 복수의 압전 소자와 상기 복수의 압전 소자를 일렬로 수용하는 통체를 갖는 피에조 액추에이터를 구비하고 있으며, 상기 피에조 액추에이터에 전압을 인가함으로써 상기 밸브체로서의 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트의 방향으로 이동하도록 구성된 노멀 오픈형의 밸브이다.
어떤 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 밸브는 상기 변형 센서가 부착된 상기 압전 소자와, 상기 압전 소자를 수용하는 통체를 갖는 피에조 액추에이터를 구비하고 있으며, 상기 피에조 액추에이터에 전압을 인가함으로써 상기 밸브체로서의 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트의 방향으로 이동하도록 구성된 노멀 오픈형의 밸브이다.
(발명의 효과)
본 발명의 실시형태에 의하면, 응답성이 양호한 유량 제어 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 유량 제어 밸브 및 제 2 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 사용되는 피에조 액추에이터를 나타내는 도면이고, (a)는 통체 및 내부에 수용되는 피에조 스택을 나타내고, (b)는 커넥터부를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 변형 센서 출력을 얻기 위한 예시적인 브리지 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 종 1 게이지의 경우와 직교 2 게이지의 경우에서의 변형 센서의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 종 1 게이지의 경우와 직교 2 게이지의 경우에서의 변형 센서의 출력의 온도 의존성을 나타내는 그래프이며, (a)는 종 1 게이지의 경우를 나타내고, (b)는 직교 2 게이지의 경우를 나타낸다.
도 7은 유량과, 유량 제어 밸브의 피에조 변위량(변형 센서 출력)의 관계를 나타내는 도면이고, 상류 압력 P1을 다른 것이라고 했을 때의 3개의 그래프가 나타내어져 있다.
도 8은 펄스 유량 제어의 양태를 나타내는 도면이고, (a)는 스로틀부에 의해 결정되는 유량에 의한 펄스 유량 제어, (b)는 유량 제어 밸브의 개방도에 의해 결정되는 유량에 의한 펄스 유량 제어를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 의한 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 의한 다른 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 의한 또 다른 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 유량 제어 밸브 및 제 2 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 사용되는 피에조 액추에이터를 나타내는 도면이고, (a)는 통체 및 내부에 수용되는 피에조 스택을 나타내고, (b)는 커넥터부를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 변형 센서 출력을 얻기 위한 예시적인 브리지 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 종 1 게이지의 경우와 직교 2 게이지의 경우에서의 변형 센서의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 종 1 게이지의 경우와 직교 2 게이지의 경우에서의 변형 센서의 출력의 온도 의존성을 나타내는 그래프이며, (a)는 종 1 게이지의 경우를 나타내고, (b)는 직교 2 게이지의 경우를 나타낸다.
도 7은 유량과, 유량 제어 밸브의 피에조 변위량(변형 센서 출력)의 관계를 나타내는 도면이고, 상류 압력 P1을 다른 것이라고 했을 때의 3개의 그래프가 나타내어져 있다.
도 8은 펄스 유량 제어의 양태를 나타내는 도면이고, (a)는 스로틀부에 의해 결정되는 유량에 의한 펄스 유량 제어, (b)는 유량 제어 밸브의 개방도에 의해 결정되는 유량에 의한 펄스 유량 제어를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 의한 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 의한 다른 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 의한 또 다른 변형예의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식적인 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치(100)의 구성을 나타낸다. 유량 제어 장치(100)는 가스(G0)의 유입측의 유로(1)에 설치된 압력 제어 밸브(6)와, 압력 제어 밸브(6)의 하류측에 설치된 유량 제어 밸브(8)와, 압력 제어 밸브(6)의 하류측 또한 유량 제어 밸브(8)의 상류측의 압력 P1을 검출하는 제 1(또는 상류) 압력 센서(3)와, 압력 제어 밸브(6)의 하류측에 배치된 스로틀부(2)를 구비하고 있다.
본 실시형태에서는 스로틀부(2)는 유량 제어 밸브(8)의 상류측에 배치된 오리피스 플레이트에 의해 구성되어 있다. 오리피스 플레이트는 오리피스의 면적이 고정되어 있으므로 개방도가 고정된 스로틀부로서 기능한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「스로틀부」란 유로의 단면적을 전후의 유로 단면적보다 작게 제한한 부분이며, 예를 들면, 오리피스 플레이트나 임계 노즐, 음속 노즐 등을 사용하여 구성되지만, 다른 것을 사용하여 구성할 수도 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 스로틀부에는 밸브의 밸브 시트와 밸브체의 거리를 개방도로 하고, 이 개방도를 가상의 가변 오리피스로 본 밸브 구조도 포함된다. 이러한 밸브 구조는 개방도가 가변의 스로틀부로서 기능한다.
본 실시형태의 유량 제어 장치(100)는 또한 유량 제어 밸브(8)의 하류측의 압력 P2를 측정하는 제 2(또는 하류) 압력 센서(4)와, 압력 제어 밸브(6)의 상류측의 압력 P0을 검출하는 유입 압력 센서(5)를 구비하고 있다. 단, 유량 제어 장치(100)는 다른 양태에 있어서 제 2 압력 센서(4)나 유입 압력 센서(5)를 구비하고 있지 않아도 좋다.
제 1 압력 센서(3)는 압력 제어 밸브(6)와 스로틀부(2) 또는 유량 제어 밸브(8) 사이의 유체 압력인 상류 압력 P1을 측정할 수 있고, 제 2 압력 센서(4)는 스로틀부(2) 또는 유량 제어 밸브(8)의 하류 압력 P2를 측정할 수 있다. 또한, 유입 압력 센서(5)는 접속된 가스 공급 장치(예를 들면, 원료 기화기나 가스 공급원 등)로부터 유량 제어 장치(100)에 공급되는 재료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등의 유입 압력 P0을 측정할 수 있다. 유입 압력 P0은 가스 공급 장치로부터의 가스 공급량이나 가스 공급압을 제어하기 위해서 이용될 수 있다.
유량 제어 밸브(8)의 하류측은 하류 밸브(도시하지 않음)를 통해 반도체 제조 장치의 프로세스 챔버에 접속되어 있다. 프로세스 챔버에는 진공 펌프가 접속되어 있고, 전형적으로는 프로세스 챔버의 내부가 진공 배기된 상태에서 유량 제어 장치(100)로부터 유량 제어된 가스(G1)가 프로세스 챔버에 공급된다. 하류 밸브로서는 예를 들면, 압축 공기에 의해 개폐 동작이 제어되는 공지의 공기 구동 밸브(Air Operated Valve)나 전자 밸브 등을 사용할 수 있다.
유량 제어 장치(100)의 유로(1)는 배관에 의해 구성되어 있어도 좋고, 금속제 블록에 형성한 유로 구멍에 의해 구성되어 있어도 좋다. 제 1 및 제 2 압력 센서(3, 4)는 예를 들면, 실리콘 단결정의 센서 칩과 다이어프램을 내장하는 것이어도 좋다.
또한, 압력 제어 밸브(6)는 예를 들면, 금속제 다이어프램 밸브체를 피에조 액추에이터에 의해 구동하는 공지의 압전 소자 구동식 밸브이어도 좋다. 후술하는 바와 같이, 압력 제어 밸브(6)는 제 1 압력 센서(3)로부터 출력되는 신호에 따라 그 개방도가 제어되고, 예를 들면, 제 1 압력 센서(3)가 출력하는 상류 압력 P1이 입력된 설정값으로 유지되도록 피드백 제어된다.
또한, 본 실시형태에 있어서 유량 제어 밸브(8)는 밸브 시트에 접촉 및 이간(이하, 이착좌라고 부르는 경우가 있음)되도록 배치된 밸브체와, 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자와, 압전 소자의 신장량을 검출하는 변형 센서(변형 게이지라고도 함)(20)를 구비한 압전 소자 구동식의 밸브이다. 후술하는 바와 같이, 유량 제어 밸브(8)는 변형 센서(20)로부터 출력되는 신호에 의거하여 압전 소자의 구동이 피드백 제어될 수 있도록 구성되어 있다.
도 2은 도 1에 나타낸 유량 제어 밸브(8)와, 그 하류측에 설치된 제 2 압력 센서(4)의 구성예를 나타내고 있다. 유량 제어 밸브(8) 및 제 2 압력 센서(4)는 본체 블록(11)에 부착되어 있다. 또한, 본체 블록(11)의 입구측은 도 1에 나타낸 압력 제어 밸브(6) 및 제 1 압력 센서(3)가 부착된 다른 본체 블록(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 또한, 도 1에 나타낸 스로틀부(2)는 본체 블록(11)과 다른 본체 블록의 접속부에 있어서 예를 들면, 개스킷을 통해 오리피스 플레이트로서 고정되어 있다. 단, 스로틀부로서는 오리피스 플레이트 등의 오리피스 부재 외에 임계 노즐 또는 음속 노즐을 사용할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은 예를 들면, 100㎛~500㎛로 설정된다.
도 2에 나타내는 유량 제어 밸브(8)는 노멀 오픈형의 밸브이며, 피에조 액추에이터(10)의 신장에 의해 밸브체가 밸브 시트의 방향으로 이동하도록 구성되어 있다. 유량 제어 밸브(8)는 1개 또는 복수의 압전 소자(10b)(도 3 참조)를 포함하는 피에조 액추에이터(10)와, 피에조 액추에이터(10)의 하방에 배치된 금속 다이어프램 밸브체(13)와, 피에조 액추에이터(10)의 외측에 설치된 안내 통체(14)를 구비하고 있다.
피에조 액추에이터(10)의 하단(10t)은 지지체(16)에 의해 지지되어 있고, 지지체(16)의 하방에는 다이어프램 밸브체(13)와 접촉하는 밸브체 누르개(18)가 설치되어 있다. 금속 다이어프램 밸브체(13)는 자기 탄성 복귀형이며, 예를 들면, 니켈 크롬 합금강 등의 박판에 의해 형성되어 있다.
금속 다이어프램 밸브체(13)는 본체 블록(11)의 유로에 설치된 밸브 시트(12)에 대하여 이착좌가능하게 배치되어 있다. 본 실시형태의 금속 다이어프램 밸브체(13)는 중앙부가 상방으로 약간 팽출된 역접시형으로 형성되어 있지만, 금속 다이어프램 밸브체(13)의 형상은 평판 형상이어도 좋고, 또한 재질도 스테인리스강이나 인코넬 합금이나 그 외의 합금강이어도 좋다. 금속 다이어프램 밸브체(13)는 1매의 금속 다이어프램에 의해 구성되어 있어도 좋고, 적층된 2~3매의 복수의 금속 다이어프램에 의해 구성되어 있어도 좋다.
상기 구성에 있어서, 피에조 액추에이터(10)에 구동 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서는 금속 다이어프램 밸브체(13)(중앙부)는 자기 탄성력에 의해 밸브 시트(12)에 대하여 이간되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 지지체(16)의 주위에 배치된 탄성 부재(여기서는 접시 스프링)(15)가 지지체(16) 및 피에조 액추에이터(10)를 지지하고 있으며, 전압 무인가 시에 금속 다이어프램 밸브체(13)가 밸브 시트(12)로부터 이간되기 쉽게 되어 있다. 탄성 부재(15)는 미리 피에조 액추에이터(10)를 압축시켜 두기 위해서도 사용된다.
한편, 피에조 액추에이터(10)에 구동 전압을 인가하면, 밸브 본체(11)에 대하여 고정된 안내 통체(14)의 내측에서 피에조 액추에이터(10)가 하방을 향해 신장한다. 그리고, 피에조 액추에이터(10)의 하단(10t)이 탄성 부재(15)의 바이어싱력에 저항해서 지지체(16)를 누르고, 이것에 연동해서 밸브체 누르개(18)가 금속 다이어프램 밸브체(13)를 밸브 시트(12)의 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해 밸브 개방도는 감소하고, 최종적으로는 밸브 폐쇄된다.
이러한 노멀 오픈형의 밸브에서는 피에조 액추에이터(10)에 최대 구동 전압을 인가하고 있을 때에 밸브 폐쇄 상태가 되고, 구동 전압을 감소시킴으로써 개방도를 임의로 조절할 수 있다. 또한, 노멀 오픈형의 밸브는 피에조 액추에이터(10)로부터 밸브체 누르개(18)까지 비교적 여유가 적은 기구에 의해 접속됨과 아울러 전압 인가 개시 시에 있어서의 피에조 액추에이터(10)의 신장이 방해되기 어렵다. 이 때문에 피에조 액추에이터(10)에 전압 인가한 순간으로부터 밸브체(13)를 이동시키기 쉽고, 응답성이 양호하다.
이어서, 유체 제어 밸브(8)를 구성하는 피에조 액추에이터(10)의 상세 구성을 설명한다. 도 3(a)는 외측의 통체(10a)와, 이 통체(10a) 내에 일렬로 배열된 상태에서 수용되는 복수의 압전 소자(10b)(이하, 피에조 스택(10b)이라고 부르는 경우가 있음)를 분해해서 나타내고, 도 3(b)는 도 3(a)에 나타내는 커넥터부(10c)를 정면방향으로부터 본 상태를 나타낸다. 도 3(a)에서는 피에조 액추에이터(10)를 도 2와는 상하 반대로 나타내고 있다.
도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 피에조 액추에이터(10)에 있어서 복수의 압전 소자(10b) 중 1개에는 접착제 등에 의해 변형 센서(20)가 직접적으로 부착되어 있다. 변형 센서(20)는 압전 소자의 측면에 배치되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 압전 소자의 적층방향, 즉 피에조 스택의 주신장방향인 z방향의 변형을 검출하는 제 1 변형 게이지(20z)와, 주신장방향과 직교하는 x방향의 변형을 검출하는 제 2 변형 게이지(20x)에 의해 구성되어 있다. 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)로서는 예를 들면, 가부시키가이샤 쿄와덴교제의 KFR-02N이나 KFGS-1, KFGS-3 등을 사용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 제 1 변형 게이지(20z)는 전체가 압전 소자와 접하도록 부착되어 있고, 제 2 변형 게이지(20x)는 제 1 변형 게이지(20z)의 중앙부를 걸쳐서 교차하도록 압전 소자에 부착되어 있다. 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)는 압전 소자의 변위를 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)의 전기 저항의 변화로서 검출할 수 있다.
또한, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이 커넥터부(10c)에는 피에조 스택(10b)에 구동 전압을 인가하기 위한 한쌍의 구동 전압 단자(22a, 22b)와, 제 1 변형 게이지(20z)의 한쪽의 단자에 접속된 제 1 변형 센서 출력 단자(24a)와, 제 1 변형 게이지(20z)의 다른 쪽의 단자 및 제 2 변형 게이지(20x)의 한쪽의 단자에 공통으로 접속된 변형 센서 공통 출력 단자(24c)와, 제 2 변형 게이지(20x)의 다른 쪽의 단자에 접속된 제 2 변형 센서 출력 단자(24b)가 설치되어 있다.
피에조 스택(10b)을 구성하는 복수의 압전 소자(10b)는 공지의 회로 구성에 의해 구동 전압 단자(22a, 22b)에 전기적으로 접속되어 있고, 구동 전압 단자(22a, 22b)에 전압을 인가함으로써 복수의 압전 소자(10b) 모두를 스택방향으로 신장시킬 수 있다. 피에조 스택의 변위는 인가 전압의 크기에 의해 제어할 수 있다. 피에조 액추에이터(10)로서는 예를 들면, NTK 세라텍사 등으로부터 판매되고 있는 것을 이용할 수 있다. 또한, 피에조 액추에이터(10)는 다른 양태에 있어서 통체에 수용된 단일의 압전 소자 및 이 측면에 부착된 변형 센서에 의해 구성되어 있어도 좋다.
제 1 및 제 2 변형 센서 출력 단자(24a, 24b) 및 변형 센서 공통 출력 단자(24c)는 외부 기판에 설치된 회로에 접속되어 있고, 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)를 포함하는 브리지 회로가 형성되어 있다. 이 브리지 회로에 있어서, 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)의 저항값의 변화를 검출할 수 있다.
도 4는 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)의 저항값 변화를 검출하기 위한 예시적인 등가 회로를 나타낸다. 도 4에 나타내는 등가 회로에 있어서, 분기점 A-D 사이 및 분기점 C-D 사이에 형성된 저항 R1, R2는 외부 기판 상에 형성된 기지 저항값의 고정 저항에 대응하고, 분기점 A-B 사이에 형성된 저항 R3은 제 1 변형 게이지(20z)에 대응하고, 분기점 B-C 사이에 형성된 저항 R4는 제 2 변형 게이지(20x)에 대응한다. 본 실시형태에서는 제 1 변형 게이지(20z) 및 제 2 변형 게이지(20x)의 저항값과, 2개의 고정 저항 R1, R2의 저항값은 동일하게 설정되어 있고, 예를 들면, 모두 120Ω 또는 350Ω으로 설정되어 있다.
또한, 도 4에 있어서 분기점 A는 제 1 변형 센서 출력 단자(24a)에 대응하고, 분기점 B는 변형 센서 공통 출력 단자(24c)에 대응하고, 분기점 C는 제 2 변형 센서 출력 단자(24b)에 대응한다. 이 등가 회로에 있어서, 분기점 A-C 사이에 소정의 브리지 인가 전압이 인가된 상태에서 제 1 변형 게이지(20z) 또는 제 2 변형 게이지(20x)의 저항값의 변화는 브리지 출력 신호(분기점 B-D 사이의 전위차)의 변화로서 검출된다. 또한, 상기와 같이 각 저항 R1~R4의 크기가 같을 경우, 제 1 및 제 2 변형 게이지(20z, 20x)에 응력이 발생하고 있지 않은 초기 상태에 있어서 브리지 출력 신호는 전형적으로는 제로를 나타낸다.
피에조 스택에 구동 전압이 인가되었을 때, 변형 센서(20)가 부착된 압전 소자는 z방향으로 신장함과 아울러 이것과 직교하는 x방향에 있어서는 수축한다. 이 경우, 제 1 변형 게이지(20z)의 저항값은 압전 소자의 신장량에 대응해서 증가하고, 제 2 변형 게이지(20x)의 저항값은 압전 소자의 수축량에 대응해서 감소한다.
그리고, 도 4에 나타내는 회로에서는 피에조 스택(10b)에 구동 전압이 인가 되어서 이것이 신장했을 때, 제 1 변형 게이지(20z)에 있어서의 변형량이 증대하여 브리지 출력 신호가 증가함과 아울러 제 2 변형 게이지(20x)에 있어서의 변형량이 감소함으로써도 브리지 출력 신호가 증가한다. 이 때문에 피에조 스택 변위 시에는 제 1 변형 게이지(20z)의 변형량의 증가분과, 제 2 변형 게이지(20x)의 변형량의 감소분의 합계에 대응하는 브리지 출력 신호의 변동이 생기게 된다. 이것에 의해 브리지 출력 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 제 1 변형 게이지(20z)와, 이것에 직교하는 제 2 변형 게이지(20x)를 이용하여 브리지 회로를 구성함으로써 온도 변화에 의한 변형 게이지의 저항값 변화를 보정하는 것이 가능하다. 이것은 예를 들면, 온도가 상승함으로써 압전 소자가 팽창했을 때, 그 팽창이 제 1 변형 게이지(20z)에 대해서는 브리지 출력 신호를 증가시키는 요소로서 작용하는 것에 대하여, 제 2 변형 게이지(20x)에 대해서는 브리지 출력 신호를 감소시키는 요소로서 작용하고, 온도에 따른 증가 요소와 감소 요소가 상쇄된 브리지 출력 신호가 얻어지기 때문이다. 이 때문에 온도의 변화에 기인해서 압전 소자 자체의 팽창 및 수축이 발생하고 있을 때에도 브리지 출력 신호에의 영향은 저감되어 온도 보상을 실현하는 것이 가능하게 된다.
도 5는 제 1 변형 게이지(20z)만(종 1 게이지)을 사용했을 경우(도 4에 나타낸 등가 회로에 있어서, 분기점 B-C 사이에 형성된 저항 R4를 기지의 고정 저항으로 해서 브리지 회로를 구성했을 경우)에 있어서의 피에조 구동 전압과 변형 센서 출력(브리지 출력 신호:앰프 게인×400)의 관계를 나타내는 그래프 A1과, 상기 제 1 변형 게이지(20z)와 제 2 변형 게이지(20x)와(직교 2 게이지)를 이용하여 변형 센서를 구성했을 경우의 그래프 A2를 나타낸다. 그래프 A2로서는 마찬가지로 직교 2 게이지의 구성으로 한 2개의 예가 나타내어져 있다.
그래프 A1과 그래프 A2를 비교해서 알 수 있는 바와 같이, 피에조 구동 전압을 인가했을 때, 직교 2 게이지를 사용했을 경우의 그래프 A2에서는 종 1 게이지의 경우의 그래프 A1에 비해 증폭된 변형 센서 출력이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6(a)는 종 1 게이지를 사용했을 경우의 변형 센서 출력의 온도 의존성(15℃, 25℃, 35℃의 그래프 A3, A4, A5)을 나타내고, 도 6(b)는 직교 2 게이지를 사용했을 경우를 나타낸다. 도 6(a)와 도 6(b)를 비교해서 알 수 있는 바와 같이, 직교 2 게이지를 사용함으로써 15℃의 그래프 A3, 25℃의 그래프 A4, 35℃의 그래프 A5는 보다 근접한 것이 되어 온도 의존성을 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 온도 보상을 보다 정밀도 좋게 행하기 위해서 피에조 구동 전압(압전 소자에의 인가 전압)이 0일 때의 변형 센서 출력을 0으로 보정하는 제로점 보정을 행해도 좋다.
또한, 도 5 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피에조 구동 전압과 변형 센서 출력의 관계는 승압 시와 강압 시에서 약간 다르다. 이것은 피에조 액추에이터의 승압 시와 강압 시에서는 구동 전압의 크기가 같아도 밸브의 실제의 개방도가 다른 것에 대하여 변형 센서 출력은 밸브의 실제의 개방도에 대응한 것이기 때문이라고 생각된다. 이렇게 구동 전압을 참조한 것만으로는 밸브의 실제의 개방도를 판단하기 어려운 경우가 있지만, 변형 센서의 출력에 의거하여 밸브 개방도를 피드백 제어하면, 보다 정밀도 좋게 개방도 조정을 행할 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서 변형 센서의 출력이란 변형 센서를 구성하는 변형 게이지의 변형량에 따라 변화되는 변형 게이지의 저항값에 대응하는 여러가지 출력을 의미하고 있으며, 예를 들면, 변형 게이지의 저항값 자체이어도 좋고, 복수의 변형 게이지를 장착한 휘트스톤 브리지 회로가 출력하는 상기 브리지 출력 신호(도 4 참조) 등이어도 좋다. 어느 양태에서 얻어지는 변형 센서의 출력도 압전 소자의 신장량에 대응하는 것이며, 변형 센서의 출력에 의거하여 압전 소자의 신장량을 알 수 있다.
이하, 다시 도 1을 참조하여 유량 제어 장치(100)에 있어서의 유량 제어 동작을 설명한다.
유량 제어 장치(100)는 제 1 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 압력 제어 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하는 제 1 제어 회로(7)를 구비하고 있다. 제 1 제어 회로(7)는 외부로부터 수취한 설정 상류 압력과 제 1 압력 센서(3)의 출력 P1의 차가 제로가 되도록 압력 제어 밸브(6)를 피드백 제어하도록 구성되어 있다. 이것에 의해 압력 제어 밸브(6)의 하류측 또한 유량 제어 밸브(8)의 상류측의 압력 P1을 설정값으로 유지하는 것이 가능하다.
또한, 유량 제어 장치(100)는 유량 제어 밸브(8)에 설치된 변형 센서(20)로부터의 출력을 피에조 밸브 변위로서 수취하고, 이 출력에 의거하여 유량 제어 밸브(8)의 구동을 제어하는 제 2 제어 회로(17)를 갖고 있다. 또한, 도 1에는 제 1 제어 회로(7)와 제 2 제어 회로(17)가 별개로 설치된 양태가 나타내어져 있지만, 이들은 일체적으로 설치되어 있어도 좋다.
제 1 제어 회로(7) 및 제 2 제어 회로(17)는 유량 제어 장치(100)에 내장된 것이어도 좋고, 유량 제어 장치(100)의 외부에 설치된 것이어도 좋다. 제 1 제어 회로(7) 및 제 2 제어 회로(17)는 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치)(M), A/D 컨버터 등에 의해 구성되고, 후술하는 유량 제어 동작을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋다. 제 1 제어 회로(7) 및 제 2 제어 회로(17)는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다.
유량 제어 장치(100)는 제 1 제어 회로(7) 및 제 2 제어 회로(17)에 의해 제 1 압력 센서(3)가 출력하는 상류 압력 P1이 설정값이 되도록 압력 제어 밸브(6)를 제어하면서 유량 제어 밸브(8)의 압전 소자(10b)의 구동을 제어함으로써 유량 제어 밸브(8)의 하류측으로 흐르는 유체의 유량을 제어하도록 구성되어 있다. 유량 제어 장치(100)는 특히 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(P1:스로틀부 상류측의 유체 압력(상류 압력), P2: 스로틀부 하류측의 유체 압력(하류 압력))을 만족할 때, 스로틀부(2) 또는 유량 제어 밸브(8)를 통과하는 가스의 유량이 하류 압력 P2에 의하지 않고 상류 압력 P1에 의해 결정된다는 원리를 이용하여 유량 제어를 행할 수 있다.
임계 팽창 조건을 만족할 때, 유량 제어 밸브(8)의 하류측의 유량 Q는 Q=K1·Av·P1(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 주어진다. 유량 Q는 상류 압력 P1 및 유량 제어 밸브(8)의 밸브 개방도 Av에 대략 비례하는 것으로 생각된다. 또한, 제 2 압력 센서(4)를 구비하는 경우, 상류 압력 P1과 하류 압력 P2의 차가 작고, 상기 임계 팽창 조건을 만족하지 않는 경우이어도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서에 의해 측정된 상류 압력 P1 및 하류측 압력 P2에 의거하여 소정의 계산식 Q=K2·Av·P2 m(P1-P2)n(여기서, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)로부터 유량 Q를 산출할 수 있다.
도 7은 유량과, 유량 제어 밸브(8)에 있어서의 피에조 변위량의 관계를 나타내는 도면이다. 단, 도 7에서는 피에조 변위량의 증가에 따라 밸브 개방도 Av가 증가하는 경우(노멀 클로즈형에 대응)가 나타내어져 있다. 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 유량 제어 장치(100)에서는 피에조 변위량(또는 밸브 개방도 Av)을 변형 센서 출력에 의거하여 검출할 수 있다.
도 7에는 제 1 압력 센서(3)로부터의 출력에 의거하여 압력 제어 밸브(6)를 제어함으로써 상류 압력 P1을 50kPa abs, 100kPa abs, 300kPa abs의 각각으로 제어했을 때의 그래프 B1~B3이 나타내어져 있다. 도 7에 나타내어지는 바와 같이, 압력 제어 밸브(6)를 사용하여 상류 압력 P1을 소망의 유량 레인지에 대응하는 일정값으로 제어하면서 유량 제어 밸브(8)의 밸브 개방도를 변형 센서 출력(피에조 변위량)에 의거하여 제어함으로써 넓은 범위에 걸쳐 유량을 적합하게 제어할 수 있다. 특히, 변형 센서 출력에 의거하여 유량 제어 밸브(8)를 피드백 제어하는 경우, 종래와 같이 상류 압력 P1에 의거하여 제어 밸브를 피드백 제어하는 경우에 비해 유량 제어의 응답성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 유량 제어 밸브(8)는 본 실시형태에서는 밸브의 밸브 시트와 밸브체의 거리를 개방도로 해서 이 개방도를 변경하는 기능을 갖고, 가변 오리피스(개방도가 가변인 스로틀부)로서 사용될 수 있다.
또한, 본 실시형태의 유량 제어 장치(100)에서는 개방도가 고정된 스로틀부(2)의 최대 설정 유량이 개방도가 가변인 유량 제어 밸브(8)의 최대 설정 유량보다 크게 설정되어 있다. 여기서, 스로틀부(2)의 최대 설정 유량이란 유량 제어 장치(100)에 있어서 임계 팽창 조건 하에서 스로틀부(2)의 상류측의 압력을 최대 설정 압력으로 했을 때에 스로틀부(2)를 흐르는 가스의 유량이며, 유량 제어 밸브(8)의 최대 설정 유량이란 동일 조건에서 유량 제어 밸브(8)를 최대 설정 개방도로 개방했을 시에 흐르는 가스의 유량을 의미한다. 이 경우, 전형적으로는 스로틀부(2)의 개구 면적(즉, 유로 단면적)이 유량 제어 밸브(8)의 최대 설정 개방도에서의 유로 단면적보다 큰 것이 된다. 스로틀부(2)는 예를 들면, 최대 설정 유량 2000sccm(오리피스 지름: 약 300㎛)의 오리피스 플레이트에 의해 구성되고, 유량 제어 밸브(8)의 제어 유량은 2000sccm 이하로 설정된다. 또한, 상기 유량 제어 밸브(8)의 최대 설정 개방도란 유량 제어에 사용하는 범위 내에서 가장 큰 개방도를 의미하고, 통상 유량 제어 밸브(8)를 전개(전압 무인가)로 했을 때의 최대 개방도보다 작은 개방도이다.
이상과 같이 구성함으로써 개방도가 고정된 스로틀부(2)를 유량 제어의 주요소로서 사용하여 압력 제어 밸브(6)에 의해 상류 압력 P1을 제어함으로써 종래의 압력식 유량 제어 장치와 마찬가지로 유량 제어를 행하는 것이 가능하고 또한 압력 제어 밸브(6)를 사용하여 상류 압력 P1을 일정하게 유지하면서 유량 제어 밸브(8)의 개방도 조정을 행함으로써 가스 유량을 제어하는 것도 가능하다. 따라서, 여러가지 양태에서의 가스 유량 제어가 가능하며, 펄스 유량 제어에도 대응할 수 있다.
또한, 개방도가 고정된 스로틀부(2)를 유량 제어의 주요소로서 사용하는 유량 제어는 비교적 긴 기간에 걸쳐 유량 제어를 설정값으로 유지하는 연속적인 흐름의 제어에 적합하다. 한편, 개방도가 고정된 스로틀부(2)의 최대 설정 유량 미만의 유량으로 유량 제어 밸브(8)의 개방도에 의해 유량이 정해지는 유량 제어, 즉 유량 제어 밸브(8)를 가변 오리피스(개방도가 가변인 스로틀부)로서 사용하는 유량 제어는 단속적인 흐름의 제어(펄스 유량 제어 등)에 적합하다.
여기서, 연속적인 흐름의 제어란 유체의 흐름이 계속될 때의 유체의 제어를 넓게 의미하고 있으며, 예를 들면, 100% 유량으로 유체가 흐르고 있는 상태로부터 50% 유량으로 유체가 흐르고 있는 상태로 변경되는 경우 등도 포함할 수 있다. 또한, 개방도가 고정된 스로틀부(2)를 사용하여 연속적인 흐름의 제어를 행할 때에는 유량 제어 밸브(8)는 전개(최대 개방도)로 하거나, 또는 적어도 개방도가 고정된 스로틀부(2)의 개방도보다 큰 개방도로 유지하는 것이 적합하다.
또한, 단속적인 흐름의 제어에는 펄스 유량 제어와 같은 일정 간격으로의 주기적인 개폐 제어에 한정되지 않고 부정기로 행하는 펄스적인 개폐 제어나, 펄스의 진폭이 일정하지 않게 변동하는 개폐 제어도 경우도 포함되고, 또한 펄스폭이 변동하는 개폐 제어도 포함된다.
도 8(a) 및 (b)는 유량 제어 장치(100)에 있어서 펄스 유량 제어를 행할 때의 상류 압력 P1, 유량 제어 밸브(8)에 주어지는 개방도 제어 신호, 유량 출력을 나타내고 있으며, 도 8(a)에는 2000sccm으로 펄스 유량 제어를 행하는 경우를 나타내고, 도 8(b)에는 200sccm으로 펄스 유량 제어를 행하는 경우를 나타내고 있다.
도 8(a)에 나타내는 바와 같이 해서 펄스 유량 제어를 행하는 경우, 압력 제어 밸브(6) 및 제 1 압력 센서(3)를 사용하여 상류 압력 P1이 일정 설정값(여기서는 300kPa)이 되도록 상류 압력 P1의 제어를 행한다. 보다 구체적으로는 압력 센서(3)가 출력하는 측정값과 설정값의 차가 0이 되도록 압력 제어 밸브(6)를 피드백 제어함으로써 상류 압력 P1을 설정값으로 유지할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 상류 압력 P1을 일정하게 유지하면서 펄스 형상의 개방도 제어 신호에 의해 유량 제어 밸브(8)의 개방도를 제어한다. 이 때, 노멀 오픈형의 유량 제어 밸브(8)에서는 폐쇄 상태 시에 최대 구동 전압이 인가되고, 전개 상태 시에 최소 구동 전압이 인가된다. 단, 인가하는 최소 구동 전압은 0V일 필요는 없고, 개방도가 고정된 스로틀부(2)의 최대 설정 유량 이상의 유량으로 유량 제어 밸브(8)를 가스가 흐를 수 있는 개방도에 대응하는 전압이면 좋다. 이렇게 해서 유량 제어 밸브(8)의 개폐 동작을 펄스적으로 행함으로써 개방도가 고정된 스로틀부(2)의 최대 설정 유량에 의거한 유량(여기서는 2000sccm)에 의한 펄스적인 가스의 유량 제어를 행하는 것이 가능하다.
한편, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 보다 소유량으로 펄스 유량 제어를 행할 때에는 압력 제어 밸브(6) 및 제 1 압력 센서(3)를 사용하여 보다 작은 일정 설정값(여기서는 100kPa)으로 유지되도록 상류 압력 P1의 제어를 행하면서 개방도가 고정된 스로틀부(2)보다 작은 설정 개방도에 의한 유량 제어 밸브(8)의 개폐 동작을 펄스적으로 행한다. 이것에 의해 개방도가 가변인 스로틀부인 유량 제어 밸브(8)의 설정 개방도에 따른 유량에 의한 펄스적인 가스 공급을 행하는 것이 가능하게 된다.
이 때, 유량 제어 밸브(8)의 개방도는 변형 센서의 출력에 의거하여 피에조 액추에이터의 구동 전압을 제어함으로써 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 변형 센서의 출력에 의거하여 실제의 피에조 액추에이터의 신장량을 검출하면서 검출한 신장량이 소망의 유량에 대응하는 신장량(도 8에 나타내는 양태에서는 6.6㎛ 위치)과 일치하도록 피에조 액추에이터에의 인가 구동 전압을 피드백 제어함으로써 소망의 유량에 적합한 개방도로 유량 제어 밸브(8)를 제어할 수 있다.
이상과 같이 해서 펄스 유량 제어를 행한 후, 압력 제어 밸브(6)를 폐쇄함으로써 상류 압력 P1을 저하시키고, 예를 들면, 도 8(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이 0KPa까지 저하시킴으로써 유량을 0으로 할 수 있다. 이 때, 유량 제어 밸브(8)는 예를 들면, 상기 최대 설정 개방도에 대응하는 최소 구동 전압에 의한 개방도, 즉 개방도 제어의 원점 위치에 유지되어 있어도 좋다.
이상, 설명한 바와 같이 본 실시형태의 유량 제어 장치(100)에 의하면, 펄스 유량 제어 등에도 대응가능한 응답성이 향상된 유량 제어를 행할 수 있다. 펄스 유량 제어에서는 변형 센서의 출력에 의거하여 정확한 개방도로 유량 제어 밸브(8)의 개폐를 반복할 수 있으므로 향상된 유량 정밀도로 펄스적으로 유체를 공급하는 것이 가능하게 된다.
또한, 변형 센서(20)를 사용하여 압전 소자(10b)의 신장량을 모니터할 수 있으므로 예를 들면, 전폐의 상태에 있어서의 신장량이 미리 설정되어 있던 역치보다 하회했을 때나, 피에조 액추에이터에 구동 전압이 공급되어 있음에도 불구하고 신장량이 예정의 값에 도달하지 않을 때 등 이상의 경향이 보여졌을 때, 피에조 액추에이터에 이상이 발생한(사용 한계에 도달한) 것이라고 판단할 수 있다. 이것에 의해 피에조 액추에이터가 완전히 고장나기 전에 교환할 수 있어 고장난 상태의 밸브를 사용하지 않게 된다.
이하, 본 실시형태에 의한 유량 제어 장치의 변형예에 대하여 설명한다.
도 9는 제 1 변형예에 의한 유량 제어 장치(110)의 구성을 나타낸다. 유량 제어 장치(110)가 도 1에 나타낸 유량 제어 장치(100)와 다른 점은 개방도가 고정된 스로틀부(2')가 유량 제어 밸브(8)의 하류측에 설치되어 있는 점이다.
유량 제어 장치(110)에 있어서도 변형 센서(20)의 출력에 의거하여 유량 제어 밸브(8)의 구동 전압을 제어함으로써 정확한 개방도에 의한 유량 제어 밸브(8)의 펄스적인 개폐 동작이 가능하며, 소망의 유량에 의한 펄스 유량 제어를 행할 수 있다. 또한, 개방도가 고정된 스로틀부(2')를 사용한 유량 제어를 행하는 것도 가능하다.
도 10은 제 2 변형예에 의한 유량 제어 장치(120)의 구성을 나타낸다. 유량 제어 장치(120)가 도 1에 나타낸 유량 제어 장치(100)와 다른 점은 개방도가 고정된 스로틀부(2)와 유량 제어 밸브(8) 사이에 제 3 압력 센서(9)가 더 설치되어 있는 점이다.
제 3 압력 센서(9)를 사용하면, 스로틀부(2)와 유량 제어 밸브(8) 사이의 압력을 측정할 수 있으므로 보다 정밀도 좋게 유량 제어를 행할 수 있다. 예를 들면, 상기에는 유량 제어 밸브(8)의 개방도 조정에 의해 유량 제어를 행하는 경우에 제 1 압력 센서(3)가 검출하는 상류 압력 P1과 유량 제어 밸브(8)의 밸브 개방도에 의거하여 연산 유량을 구하고 있었지만, 제 3 압력 센서(9)가 검출하는 압력 P3과 유량 제어 밸브(8)의 밸브 개방도 Av에 의거하여 연산 유량을 구하도록 해도 좋다. 이렇게 하면, 보다 정확하게 연산 유량이 구해질 가능성이 있다.
또한, 다른 변형예로서 도 9에 나타내는 바와 같이 개방도가 고정된 스로틀부(2')를 유량 제어 밸브(8)의 하류측에 설치함과 아울러 유량 제어 밸브(8)와 스로틀부(2') 사이의 압력을 측정하는 제 3 압력 센서를 설치하도록 해도 좋다.
또한, 도 11에 나타내는 제 3 변형예의 유량 제어 장치(130)와 같이 유량 제어 밸브(8)뿐만 아니라 압력 제어 밸브(6)에도 변형 센서(20')를 설치해도 좋다. 변형 센서(20')는 예를 들면, 압력 제어 밸브(6)를 구성하는 피에조 액추에이터의 특성 변화나 동작 이상을 검지하기 위해서 사용된다. 변형 센서(20')의 출력에 의거하여 압전 소자의 신장량을 모니터함으로써 압력 제어 밸브(6)의 이상 발생의 예방 보전을 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 여러가지 개변이 가능하다. 예를 들면, 변형 게이지 출력과 피에조 액추에이터의 변위의 관계가 리니어가 아닐 경우등에 있어서 변형 게이지 출력과 피에조 액추에이터의 변위의 변환 테이블을 미리 작성해 두어도 좋다. 변환 테이블은 예를 들면, 제어 회로에 설치된 기억 장치에 미리 격납되어 있으며, 피에조 액추에이터의 변위 검출 시에는 판독한 변환 테이블을 이용하여 변형 게이지 출력으로부터 밸브 개방도를 보다 정확하게 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치에 있어서 유량 제어 밸브는 노멀 클로즈형의 압전 소자 구동식 밸브이어도 좋고, 이 경우에도 변형 센서 출력에 의거하여 유량 제어 밸브의 구동 전압을 제어함으로써 양호한 정밀도 및 응답성으로 유량 제어를 행하는 것이 가능하다.
또한, 개방도가 고정된 스로틀부(2)로서 오리피스 플레이트를 사용하는 경우, 상기 유량 제어 밸브(8)와 오리피스 플레이트는 공지의 오리피스 내장 밸브의 양태에서 일체적으로 설치하도록 해도 좋다. 오리피스 내장 밸브로서 설치하는 경우, 유량 제어 밸브(8)의 설치용의 구멍부에 오리피스 플레이트 및 밸브 시트체가 배치되고, 그 상방에 유량 제어 밸브(8)의 밸브 본체(밸브체나 액츄에이터 등)가 고정된다. 이렇게 하면, 오리피스 플레이트와 유량 제어 밸브(8)의 밸브체를 근접하게 배치해서 이들 사이의 용적을 작게 할 수 있으므로 유량 제어의 응답성을 향상시킬 수 있다. 이 때에도 유량 제어 밸브(8)는 상기와 같이 해서 압력식 유량 제어 장치에 있어서의 개방도가 가변인 스로틀부와 같이 기능시키는 것이 가능하다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는 반도체 제조 프로세스에 있어서 유량 제어의 고속 응답성이 요구되는 경우에 있어어도 적합하게 이용될 수 있다.
1 유로 2 스로틀부
3 제 1 압력 센서 4 제 2 압력 센서
5 유입 압력 센서 6 압력 제어 밸브
7 제 1 제어 회로 8 유량 제어 밸브
9 제 3 압력 센서 10 피에조 액추에이터
17 제 2 제어 회로 20 변형 센서
20z 제 1 변형 게이지 20x 제 2 변형 게이지
100, 110, 120, 130 유량 제어 장치
3 제 1 압력 센서 4 제 2 압력 센서
5 유입 압력 센서 6 압력 제어 밸브
7 제 1 제어 회로 8 유량 제어 밸브
9 제 3 압력 센서 10 피에조 액추에이터
17 제 2 제어 회로 20 변형 센서
20z 제 1 변형 게이지 20x 제 2 변형 게이지
100, 110, 120, 130 유량 제어 장치
Claims (12)
- 유로에 설치된 압력 제어 밸브와,
상기 압력 제어 밸브의 하류측에 설치된 유량 제어 밸브와,
상기 압력 제어 밸브와 상기 유량 제어 밸브 사이의 압력을 측정하는 제 1 압력 센서와,
개방도가 고정된 스로틀부를 구비하고,
상기 유량 제어 밸브는 밸브 시트에 이착좌하는 밸브체와, 상기 밸브체를 상기 밸브 시트에 이착좌시키기 위해서 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자와, 상기 압전 소자의 측면에 설치된 변형 센서를 갖고,
상기 유량 제어 밸브가 갖는 상기 밸브 시트와 상기 밸브체의 거리를 개방도로 해서 상기 유량 제어 밸브는 상기 개방도를 변경가능한 스로틀부로서 사용되고,
상기 제 1 압력 센서로부터 출력되는 신호에 의거하여 상기 압력 제어 밸브를 제어하면서 상기 변형 센서로부터 출력되는 신호에 의거하여 상기 압전 소자의 구동을 제어하고,
연속적인 흐름의 제어를 행할 때에는 상기 개방도가 고정된 스로틀부를 사용하여 유량 제어를 행하고, 단속적인 흐름의 제어를 행할 때에는 상기 압력 제어 밸브를 이용하여 제 1 압력 센서에 의해 측정되는 압력을 일정하게 유지하도록 하면서 상기 개방도를 변경가능한 스로틀부로서의 상기 유량 제어 밸브의 개폐 동작을 통해 유량 제어를 행하는 유량 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 개방도가 고정된 스로틀부를 사용하여 상기 연속적인 흐름의 제어를 행할 때, 상기 유량 제어 밸브를 전개로 하는 유량 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 개방도가 고정된 스로틀부는 상기 유량 제어 밸브의 상류측에 설치되어 있는 유량 제어 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 유량 제어 밸브의 하류측의 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 더 구비하는 유량 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 개방도가 고정된 스로틀부는 상기 유량 제어 밸브의 하류측에 설치되어 있는 유량 제어 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 개방도가 고정된 스로틀부의 하류측의 압력을 측정하는 제 2 압력 센서를 더 구비하는 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유량 제어 밸브와 상기 개방도가 고정된 스로틀부 사이의 압력을 측정하는 제 3 압력 센서를 더 구비하는 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개방도가 고정된 스로틀부의 최대 설정 유량은 상기 유량 제어 밸브의 최대 설정 유량보다 큰 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유량 제어 밸브의 상류측의 압력과 상기 유량 제어 밸브의 하류측의 압력이 임계 팽창 조건을 만족하는 상태에서 유량 제어가 행해지는 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변형 센서는 상기 압전 소자의 신장방향의 변형을 검출하기 위한 제 1 변형 게이지와, 상기 압전 소자의 상기 신장방향과 직교하는 방향의 변형을 검출하기 위한 제 2 변형 게이지를 포함하는 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유량 제어 밸브는 상기 변형 센서가 부착된 상기 압전 소자를 포함하는 복수의 압전 소자와 상기 복수의 압전 소자를 일렬로 수용하는 통체를 갖는 피에조 액추에이터를 구비하고 있으며, 상기 피에조 액추에이터에 전압을 인가함으로써 상기 밸브체로서의 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트의 방향으로 이동하도록 구성된 노멀 오픈형의 밸브인 유량 제어 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유량 제어 밸브는 상기 변형 센서가 부착된 상기 압전 소자와, 상기 압전 소자를 수용하는 통체를 갖는 피에조 액추에이터를 구비하고 있으며, 상기 피에조 액추에이터에 전압을 인가함으로써 상기 밸브체로서의 금속 다이어프램 밸브체가 밸브 시트의 방향으로 이동하도록 구성된 노멀 오픈형의 밸브인 유량 제어 장치.
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