KR20200140706A - 유체 제어 밸브, 유량 제어 장치, 및 구동 회로 - Google Patents

유체 제어 밸브, 유량 제어 장치, 및 구동 회로 Download PDF

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제프리 랜스델
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가부시키가이샤 호리바 에스텍
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Abstract

피에조 액추에이터로부터 전하를 방전시켜 수축될 때의 발열을 억제하고, 피에조 액추에이터를 구동하는데 필요한 에너지를 저감시킬 수 있는 유체 제어 밸브를 제공하기 위해서, 피에조 액추에이터(31)와, 상기 피에조 액추에이터(31)에 접속되는 구동 회로(32)를 구비한 유체 제어 밸브(3)로서, 상기 구동 회로(32)가 직류 전원 DV와 접속된 1차측 코일(51)과, 상기 피에조 액추에이터(31)와 접속된 2차측 코일(52)을 구비하는 플라이 백 트랜스(5)와, 상기 1차측 코일(51)에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터(31)의 충전시에 온에서 오프로 전환되는 충전 스위치(61)와, 상기 2차측 코일(52)에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터(31)의 방전시에 오프에서 온으로 전환되는 방전 스위치(62)와, 상기 1차측 코일(51)과 접속되고, 상기 피에조 액추에이터(31)의 방전에 의한 전기 에너지가 회생되는 회생용 콘덴서(71)를 구비했다.

Description

유체 제어 밸브, 유량 제어 장치, 및 구동 회로{Fluid control valve, flow rate control device, and drive circuit}
본 발명은 유체의 압력이나 유량을 제어하기 위해서 이용되는 피에조 액추에이터를 구비한 유체 제어 밸브에 관한 것이다.
예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 가스의 유량은 매스 플로우 컨트롤러에 의해 제어된다. 이 매스 플로우 컨트롤러는, 예를 들면 피에조 액추에이터를 구비한 유체 제어 밸브와, 유량 센서를 구비하고 있다. 유량 센서에 의해 측정되는 측정 유량과, 유저에 의해 설정되는 설정 유량의 편차가 작아지도록 피에조 액추에이터에 인가되는 전압이 제어된다(특허 문헌 1 참조).
그런데, 피에조 액추에이터에 전압이 인가되어 신장되어 있는 상태로부터 수축되는 경우에는, 피에조 액추에이터에 축적되어 있는 전하를 방전할 필요가 있다. 종래에 있어서는 피에조 액추에이터로부터 방전된 전하는 예를 들면 구동 회로 중의 저항에 있어서 열로서 소비되고 있다.
그렇지만, 예를 들면 ALD 프로세스와 같이 가스의 공급과 정지가 고속으로 반복되는 경우에는, 이러한 에너지의 낭비가 커질 뿐만 아니라, 피에조 액추에이터로부터 발생하는 열량이 커져 버려, 최종적인 유량 제어 특성 등에 영향을 줄 우려가 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2009－265988호 공보
본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 피에조 액추에이터로부터 전하를 방전시켜 수축될 때의 발열을 억제하고, 피에조 액추에이터를 구동하는데 필요한 에너지를 저감시킬 수 있는 유체 제어 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 유체 제어 밸브는, 피에조 액추에이터와, 상기 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로를 구비한 유체 제어 밸브로서, 상기 구동 회로가, 직류 전원과 접속된 1차측 코일과, 상기 피에조 액추에이터와 접속된 2차측 코일을 구비하는 플라이 백 트랜스와, 상기 1차측 코일에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 충전시에 온에서 오프로 전환되는 충전 스위치와, 상기 2차측 코일에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 방전시에 오프에서 온으로 전환되는 방전 스위치와, 상기 1차측 코일과 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 방전에 의한 전기 에너지가 회생되는 회생용 콘덴서를 구비한 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 상기 방전 스위치가 온이 되어 상기 피에조 액추에이터로부터 전하가 방전되어, 상기 플라이 백 트랜스에 전기 에너지로서 축적되고, 그 후 상기 방전 스위치가 오프가 되었을 때 축적된 전기 에너지를 상기 1차측 코일로부터 상기 회생용 콘덴서에 축적할 수 있다.
이 때문에, 피에조 액추에이터의 방전시에 있어서 전기 에너지가 열로서 흩어 없어지는 것을 저감시킬 수 있다. 또, 상기 회생용 콘덴서에 전기 에너지가 축적된 상태에서 상기 피에조 액추에이터를 충전하는 경우에는, 해당 회생용 콘덴서에 축적된 전기 에너지도 사용하여 상기 피에조 액추에이터를 충전할 수 있다.
이러한 것으로부터, 상기 피에조 액추에이터의 방전시에 있어서의 발열을 억제하고, 또한 상기 피에조 액추에이터의 구동에 필요한 에너지도 저감시킬 수 있다.
상기 피에조 액추에이터가 방전할 때 상기 플라이 백 트랜스의 1차측에 흐르는 전류가 직류 전원에 대해서 흐르지 않고 상기 회생용 콘덴서에만 흐르도록 하려면, 상기 구동 회로가 상기 직류 전원측에 애노드가 접속되고, 상기 회생용 콘덴서측에 캐소드가 접속된 다이오드를 추가로 구비한 것이면 된다.
상기 피에조 액추에이터에 인가되는 전류가 평활화되어, 거의 일정 전압을 인가할 수 있도록 하고, 상기 유체 제어 밸브의 개도가 일정하게 유지되도록 하려면, 상기 구동 회로가 상기 피에조 액추에이터에 대해서 병렬로 접속된 출력 콘덴서를 추가로 구비한 것이면 된다.
또, 본 발명에 따른 유체 제어 밸브는, 피에조 액추에이터와, 상기 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로를 구비한 유체 제어 밸브로서, 상기 구동 회로가 복수 단의 트랜지스터로 이루어지는 달링톤 접속부를 구비하고, 최종단의 이미터로부터 상기 피에조 액추에이터에 전류가 공급되도록 구성된 충전 회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 구동 회로는, 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로로서, 복수 단의 트랜지스터로 이루어지는 달링톤 접속부를 구비하고, 최종단의 이미터로부터 상기 피에조 액추에이터에 전류가 공급되도록 구성된 충전 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 구동 회로이다.
이러한 것이면, 상기 피에조 액추에이터에 흐르는 전류의 값을 종래보다도 높게 할 수 있어, 해당 피에조 액추에이터를 고속으로 충전하는 것이 가능해진다. 따라서, 유체 제어 밸브의 개도를 더욱 고속으로 변화시켜, 응답 특성을 향상시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 유체 제어 밸브와, 유로에 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량 센서와, 상기 유량 센서의 측정 유량에 기초하여 상기 유체 제어 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 유량 제어 장치이면, 발열을 저감시키거나, 혹은 유량 제어의 응답성을 종래보다도 향상시키는 것이 가능해진다.
이와 같이 본 발명에 따른 유체 제어 밸브이면, 상기 피에조 액추에이터를 방전시키는 경우에 해당 피에조 액추에이터에 축적되어 있던 전기 에너지를 상기 회생용 콘덴서로 회수할 수 있다. 이 때문에, 방전시에 있어서의 열의 발생을 억제하고, 상기 피에조 액추에이터의 충전시에 상기 회생용 콘덴서에 축적된 전기 에너지가 재이용됨으로써 에너지 절약도 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브를 이용한 유체 제어 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브의 구동 회로를 나타내는 모식적 회로도이다.
도 3은 제2 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브의 구동 회로를 나타내는 모식적 회로도이다.
도 4는 제2 실시 형태에 따른 구동 회로의 충전 회로를 나타내는 모식적 회로도이다.
도 5는 제2 실시 형태에 따른 구동 회로의 방전 회로를 나타내는 모식적 회로도이다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 밸브(3)에 대해 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다.
제1 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 유체의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(100)에 이용되는 것이다. 도 1에 도시하는 것처럼 매스 플로우 컨트롤러(100)는, 유체 제어 밸브(3)를 포함하는 각종 유체 기기와, 유체 제어 밸브(3)의 제어를 담당하는 제어 보드(B)가 패키지화된 것이다. 구체적으로는 매스 플로우 컨트롤러(100)는 내부에 유로(C)가 형성된 블록(1)을 구비하고 있고, 이 블록(1)에 대해서 유체 제어 밸브(3), 상류측 압력 센서(21), 층류 소자(22), 하류측 압력 센서(23)가 장착되어 있다. 또, 제어 보드(B)는 CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 기기를 구비한 이른바 컴퓨터로서, 메모리에 격납된 프로그램이 실행됨으로써 적어도 유량 산출부(24), 밸브 제어부(4)로서의 기능을 발휘한다.
유량 산출부(24)는 상류측 압력 센서(21), 및 하류측 압력 센서(23)로 측정되는 각 측정 압력으로부터 블록(1) 내를 흐르는 유체의 유량을 산출한다. 즉, 상류측 압력 센서(21), 층류 소자(22), 하류측 압력 센서(23), 및 유량 산출부(24)는 이른바 압력식의 유량 센서(2)를 구성한다. 덧붙여, 유량 산출부(24)에서 사용되는 유량의 산출식은 기존의 것을 사용할 수 있다. 또, 유량 산출부(24)에서 산출된 유량은 측정 유량으로서 밸브 제어부(4)로 출력된다.
밸브 제어부(4)는 유저에 의해 설정되는 설정 유량과 유량 산출부(24)에서 산출되는 측정 유량의 편차가 작아지도록 유체 제어 밸브(3)의 개도를 유량 피드백 제어한다. 제1 실시 형태에서는 밸브 제어부(4)는 설정 유량과 측정 유량의 편차가 입력되고, PID 연산에 의해 유량 제어 밸브에 인가하는 전압 지령을 출력하는 PID 제어기이다.
유량 제어 밸브는 밸브 시트와, 밸브 시트에 대해서 변위하는 밸브 몸체와, 밸브 몸체를 변위시키는 피에조 액추에이터(31)와, 피에조 액추에이터(31)를 구동하는 구동 회로(32)를 구비하고 있다.
피에조 액추에이터(31)는, 예를 들면 피에조 소자와 전극을 교호로 적층시킨 것이다. 피에조 액추에이터(31)는 구동 회로(32)에 의해서 인가되는 전압에 따른 길이로 변화한다.
구동 회로(32)는, 도 2에 도시하는 것처럼 플라이 백 트랜스(5), 충전 스위치(61), 방전 스위치(62), 회생용 콘덴서(71), 다이오드(73), 및 출력 콘덴서(72)를 구비한 DC/DC 컨버터이며, 피에조 액추에이터(31)의 충방전을 제어한다. 또, 이 구동 회로(32)는 피에조 액추에이터(31)의 방전시에 그 전기 에너지가 회생하도록 구성되어 있다.
플라이 백 트랜스(5)는 직류 전원 DV와 접속된 1차측 코일(51)과, 피에조 액추에이터(31)와 접속된 2차측 코일(52)을 구비한다.
1차측 코일(51)의 정(定)전압측에는 피에조 액추에이터(31)의 충전시에 온에서 오프로 전환되는 충전 스위치(61)가 접속되어 있다. 또, 2차측 코일(52)에는, 정전압측에는 피에조 액추에이터(31)의 방전시에 오프에서 온으로 전환되는 방전 스위치(62)가 접속된다. 충전 스위치(61) 및 방전 스위치(62)는 예를 들면 FET가 이용되어 밸브 제어부(4)로부터 출력되는 전압 지령이 각 게이트에 입력된다.
회생용 콘덴서(71)는 1차측 코일(51)의 고전압측과 접속되어, 피에조 액추에이터(31)의 방전에 의한 전기 에너지가 회생된다.
다이오드(73)는 직류 전원 DV측에 애노드가 접속되고, 회생용 콘덴서(71)측에 캐소드가 접속된다. 즉, 피에조 액추에이터(31)의 방전시에 있어서 플라이 백 트랜스(5)의 1차측 코일(51)로부터 발생하는 전류가 회생용 콘덴서(71)에만 흐르도록 구성되어 있다.
출력 콘덴서(72)는 피에조 액추에이터(31)에 대해서 병렬로 접속되어 있으며, 피에조 액추에이터(31)에 인가되는 전압 파형을 평활화한다.
이하에서는 구동 회로(32)의 동작에 대해 설명한다.
피에조 액추에이터(31)를 소정의 전압으로 충전하여, 유체 제어 밸브(3)를 소정의 개도로 유지하는 경우에는, 밸브 제어부(4)는 PID 연산에 의해 산출된 소정의 주파수의 온 오프 전압 지령을 충전 스위치(61)의 게이트에 대해서 입력한다.
피에조 액추에이터(31)에 소정의 전압이 인가되고 있는 상태로부터 방전시켜 개도를 변화시키는 경우에는, 밸브 제어부(4)는 방전 스위치(62)의 게이트에 대해서 소정의 주파수의 온 오프 전압 지령을 입력한다. 방전 스위치(62)가 온이 되면, 피에조 액추에이터(31)에 차지되어 있던 전하가 2차측 코일(52)로 흘러, 플라이 백 트랜스에 전기 에너지로서 축적된다. 이 상태로부터 방전 스위치(62)가 오프로 전환되면, 1차측 코일(51)로부터 회생용 코일로 전류측이 흘러 전기 에너지가 축적된다. 방전이 반복되어, 원하는 개도로 된 후는 밸브 제어부(4)는 다시 충전 스위치(61)의 게이트에 대해서 그 개도를 유지하는데 필요한 전압에 대응하는 주파수의 온 오프 전압 지령을 충전 스위치(61)의 게이트에 대해서 입력한다. 이 때, 회생용 콘덴서(71)에 축적되어 있던 전기 에너지도 피에조 액추에이터(31)의 충전에 사용된다.
이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)에 의하면, 피에조 액추에이터(31)의 방전시에 전기 에너지를 회생용 콘덴서(71)로 회생시킬 수 있으므로, 종래와 비교하여 방전시에 있어서의 열의 발생을 억제할 수 있다.
따라서, 유체 제어 밸브(3)의 온 오프가 고속으로 반복되는 용도여도, 유체 제어 밸브(3)의 구동 회로(32)에 과잉인 열이 발생하여, 제어 특성에 악영향이 발생하는 것과 같은 사태를 막을 수 있다.
또, 회생용 콘덴서(71)에 축적된 전기 에너지는 다음 충전시에 사용되므로, 유체 제어 밸브(3)를 구동하는데 소비되는 전기 에너지를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)에 대해 도 3 내지 도 5를 참조하면서 설명한다. 덧붙여, 제1 실시 형태에 있어서 설명한 부재에 대응하는 부재에는 같은 부호를 부여하는 것으로 한다.
제2 실시 형태의 유체 제어 밸브(3)는, 구동 회로(32)의 구성이 제1 실시 형태와는 다르며, 그것에 따라 밸브 제어부(4)의 구성도 차이가 난다.
제2 실시 형태의 구동 회로(32)는, 도 3에 도시하는 것처럼 복수의 바이폴러 트랜지스터와 저항에 의해서 구성되어 있고, 도 4에 있어서 굵은 선으로 도시되는 충전 회로(8)와, 도 5에 있어서 굵은 선으로 나타내는 방전 회로(9)로 구성되어 있다.
충전 회로(8)는 복수 단의 NPN 트랜지스터로 이루어지는 달링톤 접속부(81)를 구비하고, 최종단의 이미터로부터 상기 피에조 액추에이터(31)에 전류가 공급되도록 구성되어 있다. 구체적으로 충전 회로(8)는, 2단의 트랜지스터(82, 83)로 이루어지는 달링톤 접속부(81)와, 직류 전원 DV를 기준으로 하여 달링톤 접속부(81)와 병렬로 마련되며, 그 저압측이 달링톤 접속부(81)의 초단의 트랜지스터(82)의 게이트에 접속된 제1 저항(84)과, 피에조 액추에이터(31)의 고압측과 달링톤 접속부(81)의 최종단의 트랜지스터(83)의 이미터의 사이에 마련된 제2 저항(85)을 구비하고 있다.
직류 전원 DV로부터의 전압이 인가되어, 제1 저항(84)에 흐르는 전류가 달링톤 접속부(81)에 대한 게이트 전류로서 입력되고, 이 실시 형태에서는 100배로 증폭된 컬렉터 전류가 제2 저항(85) 및 피에조 액추에이터(31)에 흐르도록 구성되어 있다.
방전 회로(9)는 밸브 제어부(4)로부터 출력되는 지령 전압이 게이트에 입력되는 NPN 트랜지스터인 제어 스위치(91)와, PNP 트랜지스터(92)를 구비하고 있다.
제어 스위치(91)는 그 컬렉터가 제1 저항(84)의 저압측과 달링톤 접속부(81)의 초단의 트랜지스터(82)의 게이트의 사이에 접속되고, 이미터가 저압측에 접속되어 있다.
PNP 트랜지스터(92)의 이미터는, 달링톤 접속부(81)의 최종단의 트랜지스터(83)의 이미터와 제2 저항(85)의 고압측의 사이에 이미터가 접속된다. 또, PNP 트랜지스터(92)의 게이트는, 제1 저항(84)의 저압측과 달링톤 접속부(81)의 초단의 트랜지스터(82)의 게이트의 사이에 접속된다. PNP 트랜지스터(92)의 컬렉터는 저압측에 접속된다.
방전 스위치(62)의 게이트에 대해서 전압이 인가됨으로써 방전 회로(9)가 온이 되어, 피에조 액추에이터(31)로부터의 방전이 행해진다.
이러한 제2 실시 형태의 구동 회로(32)이면, 충전 회로(8)가 달링톤 접속부(81)를 구비하고 있으므로, 피에조 액추에이터(31)의 충전시에 고전류를 줄 수 있어, 단시간에 전하를 차지할 수 있다. 이 때문에, 고속으로 피에조 액추에이터(31)를 변위시킬 수 있어, 유체 제어 밸브(3)의 응답성을 종래보다도 향상시킬 수 있다.
그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.
각 실시 형태에서는 유체 제어 밸브는, 유량 제어 장치인 매스 플로우 컨트롤러에 이용하고 있지만, 압력 제어 장치 중의 압력 제어 밸브나 셧오프 밸브로서 이용해도 상관없다.
달링톤 접속부에 대해서는, 2단의 트랜지스터로 구성된 것으로 한정되지 않고, 3단 이상의 트랜지스터로 구성된 것이어도 상관없다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 실시 형태의 일부끼리를 조합하거나, 변형하거나 해도 상관없다.
100···매스 플로우 컨트롤러
3···유체 제어 밸브
31···피에조 액추에이터
32···구동 회로
5···플라이 백 트랜스
51···1차측 코일
52···2차측 코일
61···충전 스위치
62···방전 스위치
71···회생용 콘덴서
72···출력 콘덴서
73···다이오드
8···충전 회로
81···달링톤 접속부

Claims (6)

  1. 피에조 액추에이터와, 상기 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로를 구비한 유체 제어 밸브로서,
    상기 구동 회로가,
    직류 전원과 접속된 1차측 코일과, 상기 피에조 액추에이터와 접속된 2차측 코일을 구비하는 플라이 백 트랜스와,
    상기 1차측 코일에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 충전시에 온에서 오프로 전환되는 충전 스위치와,
    상기 2차측 코일에 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 방전시에 오프에서 온으로 전환되는 방전 스위치와,
    상기 1차측 코일과 접속되고, 상기 피에조 액추에이터의 방전에 의한 전기 에너지가 회생되는 회생용 콘덴서를 구비한 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동 회로가,
    상기 직류 전원측에 애노드가 접속되고, 상기 회생용 콘덴서측에 캐소드가 접속된 다이오드를 추가로 구비한 유체 제어 밸브.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동 회로가,
    상기 피에조 액추에이터에 대해서 병렬로 접속된 출력 콘덴서를 추가로 구비한 유체 제어 밸브.
  4. 피에조 액추에이터와, 상기 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로를 구비한 유체 제어 밸브로서,
    상기 구동 회로가,
    복수 단의 트랜지스터로 이루어지는 달링톤 접속부를 구비하고, 최종단의 이미터로부터 상기 피에조 액추에이터에 전류가 공급되도록 구성된 충전 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.
  5. 청구항 1에 기재된 유체 제어 밸브와,
    유로에 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량 센서와,
    상기 유량 센서의 측정 유량에 기초하여 상기 유체 제어 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 유량 제어 장치.
  6. 피에조 액추에이터에 접속되는 구동 회로로서,
    복수 단의 트랜지스터로 이루어지는 달링톤 접속부를 구비하고, 최종단의 이미터로부터 상기 피에조 액추에이터에 전류가 공급되도록 구성된 충전 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 구동 회로.
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