TWI481985B - Variable flow hole type pressure control type flow controller - Google Patents

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TWI481985B
TWI481985B TW102112367A TW102112367A TWI481985B TW I481985 B TWI481985 B TW I481985B TW 102112367 A TW102112367 A TW 102112367A TW 102112367 A TW102112367 A TW 102112367A TW I481985 B TWI481985 B TW I481985B
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Ryousuke Dohi
Kouji Nishino
Yohei Sawada
Nobukazu Ikeda
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Fujikin Kk
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Description

可變流孔型壓力控制式流量控制器
本發明是有關半導體製造裝置等所使用的可變流孔型壓力控制式流量控制器的改良，且關於藉由對可變流孔之驅動機構等加以改良就可構成為能瞬間執行流量控制範圍的轉換及大幅縮短流量控制時之流量下降時間，並且可遍及廣範圍之流量區域執行控制流量多段轉換，藉此以更少機種對應廣流量區域之流量控制的可變流孔型壓力控制式流量控制器。
以往，針對壓力控制式流量控制器一般是使用固定流孔，藉由使用可適應最大控制流量之流孔口徑的流孔，以執行一定流量區域的流量控制。
但是，使用固定流孔時，是需要對應最大控制流量具名有不同流孔口徑的流孔，於是就勢必需要事先準備好流量量程不同之多種類的壓力控制式流量控制器，導致在製造成本降低及製品管理等方面產生問題。
另一方面，為了避免上述固定流孔型壓力控制式流量控制器之諸問題，本發明者等於先前已開發有第 12圖及第13圖所示之可變流孔型壓力控制式流量控制裝置，且公開在日本專利第3586075號。
即，該壓力控制式流量控制器27由壓力控制部A和可變流孔部B所構成，此外，壓力控制部A由壓力控制閥22、控制閥驅動部23、壓力檢測器24及運算控制裝置27a等所構成。
再加上，上述可變流孔部B由可變流孔形成用的直接接觸型金屬隔膜閥25及流孔驅動部26等所構成，如第13圖所示利用脈衝馬達34透過滾珠螺桿機構39使引導滑件38及膜片壓件36只下降行程L，藉此使相當於流孔之隔膜33和閥座32b間的環狀流體通路(間隙)調整並且固定成設定值。
另，上述流孔驅動部26之動作行程L和流通在流體通路(間隙)的流量Q，理所當然屬於大致直線狀的比例關係。
於該壓力控制式流量控制器27動作時，首先，設定流量訊號Qs及流孔開度設定訊號Qz會被輸入至控制裝置27a及流孔驅動部26的控制部26a。其次，當指定壓力P1 的氣體供應至氣體入口28a時，壓力檢測器24所檢測出相當於上游側壓力P1 之壓力檢測訊號QP1 會輸入至控制裝置27a，在該控制裝置27a內運算流量Q=KP1 。
此外，從控制裝置27a會輸出相當於與上述設定流量訊號Qs之差值的控制閥控制訊號Qy，使壓力控制閥22被控制成往上述Qs和Q之差值的減少方向開閉。
再加上，當要藉由可變流孔25之口徑的改變來變更控制流量的範圍時，就變更流孔開度設定訊號Qz的設定。如此一來，流孔控制訊號Qo就會改變，其結果流孔驅動部26的動作行程L就會改變，使流孔口徑改變。
另，於第12圖及第13圖中，29為熱式流量計，30為真空室，31為真空泵，40為聯軸器，41為軸承，42為主軸部，35、37為彈簧，32b為閥座，32為本體，32a為氣體入口通路，32e為氣體出口通路。
上述第12圖及第13圖所示之壓力控制式流量控制器27中，可變流孔是使用直接接觸型的金屬隔膜閥，構成為以變更隔膜的動作行程L來執行控制流量範圍的轉換。因此，就可使流孔的構造簡潔化並且都沒有滑動部，以致幾乎都沒有灰塵等產生。此外，大幅減少流體流路內的閒置空間，並且使流體流路內不會產生有要吞食氣體的間隙，因此大幅提昇氣體的置換性。再加上，藉由隔膜之動作行程L的改變是能夠更簡單且更正確地改變流孔口徑(即流量範圍的變更)，與以往轉換固定流孔的形態相比是能夠達到大幅提昇控制性等優異的實用性效果。
但是，上述第12圖及第13圖的可變流孔型壓力控制式流量控制器，還有許多尚待解決的問題。當中，近年來特別成為問題的是流量控制範圍之轉換時間的縮短，業者希望能夠縮短可變流孔25本身轉換設定所需的時間及可大幅縮短被設定後之可變流孔使用中的下降時 間。
即，可變流孔25(隔膜閥)，雖然是藉由調整流孔驅動部26的動作行程L來調整隔膜33和閥座32b間的間隙，使其設定成符合控制流量的開口面積，但因為流孔驅動部26是以滾珠螺桿機構39為主體，所以上述可變流孔25的間隙調整(流孔開口面積設定)需要相當時間(約1秒至3秒間)，並無法迅速執行流量控制範圍的轉換。
此外，可變流孔25之設定(間隙調整)完成後的流量控制，是藉由壓力控制閥22之壓力P1 的調整來執行，但例如當使用10SCCM的流孔要從設定流量100%(10SCCM)轉換成20%(2SCCM)使控制流量降低時，如第14圖所示，需要約6秒的下降時間。另，該第14圖，是以10SCCM用流孔使用口徑18μm之固定流孔，並且壓力控制閥22和流孔間的流體通路容積為0.2cc之情況下從100%設定流量(10SCCM)轉換成20%設定流量(2SCCM)時之下降時間的實測值為依據。
該第14圖的下降時間t=6秒，是針對流孔口徑=18μm之固定流孔的形態所實際測定的下降時間，但該下降時間t主要是因為流孔上游側之流體通路容積0.2cc內所存在的氣體造成時間耗費，因此可明確得知藉由減少壓力控制閥22和流孔間的流體通路容積，此外，藉由加大流孔口徑是能夠縮短該下降時間t。
[先行技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3586075號
[專利文獻2]日本專利第3522535號
本申請發明，是要解決使用先前可變流孔之壓力控制式流量控制裝置的上述所示問題而為的發明，即，是要解決(1)可變流孔本身之流孔口徑的調整(金屬隔膜閥的開口通路間隙)耗費時間及(2)可變流孔之流量控制的下降時間較長等所導致之使用可變流孔之流量控制範圍轉換的流量控制即時應對性低，無法提升半導體製程的處理效率等問題而為的發明，目的在於提供一種構成為可瞬間執行可變流孔本身之流孔口徑的設定，並且先讓壓力控制閥和可變流孔間之流體通路內的氣體通過擴徑後之大口徑的可變流孔流出外部，然後再將可變流孔的口徑大致瞬間再度調整成指定之設定流量的口徑，藉此就可使要從100%設定流量轉換成20%設定流量時的下降時間縮短成為大致1秒的可變流孔型壓力控制式流量控制裝置。
申請專利範圍第1項的發明，可變流孔型壓 力控制式流量控制器，其具備壓力控制部及可變流孔部，以Qp1 =KP1 (但P1 為流孔上游側壓力，K為常數)對流通在可變流孔部之流孔的流體流量進行運算，並且上述流孔為直接接觸型金屬隔膜閥之閥座和隔膜間的環狀間隙所形成的流孔，構成為藉由對上述壓力控制部之流量運算控制部改變設定流量訊號Qs及對可變流孔部之流孔開度運算控制部改變流孔開度設定訊號Qz就可執行流量控制範圍的轉換以及於該流量控制範圍之流量控制，其特徵為，上述可變流孔部，是由：流孔開度運算控制部；由來自於流孔開度運算控制部之流孔控制訊號所驅動的步進馬達；由步進馬達驅動轉動的偏心凸輪；及利用偏心凸輪隔著膜片壓件控制閥開度的直接接觸型金屬隔膜閥所構成。
申請專利範圍第2項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，將可變流孔部的偏心凸輪由：僅以指定距離偏心於軸心且將馬達軸朝縱向成固定的旋轉軸體；固定在旋轉軸體外圍面的第1軸承；及固定在第1軸承外圍面的刀鍔狀凸輪板所形成，構成藉由旋轉軸體的轉動就可使凸輪板在非旋轉狀態下往左右方向僅移動上述指定距離。
申請專利範圍第3項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，將可變流孔部形成用的直接接觸型金屬隔膜閥由：具有平面狀的底面且貫穿設置在流量控制器本體側面的凹部；具有所期望之通路孔徑且形成在凹部之底面的閥座；與閥座配設成相向狀態的倒盤型隔膜；與 隔膜配設成相向狀態其外方端部抵接在凸輪板外圍面的膜片壓件；及螺入固定在凹部內將膜片壓件保持成往左右方向移動自如並且推壓固定膜片外周緣用的推壓金屬件所構成。
申請專利範圍第4項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，將凸輪板的外圍面和膜片壓件外方端部的抵接部構成為於偏心凸輪轉動時只往左右方向位移。
申請專利範圍第5項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，步進馬達的轉動角度為0~200度，構成為在該轉動角度範圍內由偏心凸輪使膜片壓件往左右方向僅位移一定距離。
申請專利範圍第6項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，在與偏心凸輪之凸輪板外圍面和膜片壓件外方端部的抵接部成軸對稱的位置設置位移感測器，構成對凸輪板轉動造成之上述抵接部的水平方向位移量進行檢測，並且將所檢測出的流孔開度檢測訊號輸入至流孔開度運算控制部。
申請專利範圍第7項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，將壓力控制部之流量運算控制部和可變流孔部之流孔開度運算控制部所形成的控制部構成為當流量控制範圍的轉換造成設定流量訊號改變時，與該設定流量訊號改變的同時流孔開度設定訊號會輸入至流孔開度運算控制部使可變流孔部的流孔開度變大並且經過一定 時間後指定的流孔開度設定訊號會輸入至流孔開度運算控制部使流孔開度保持在所期望的開度。
申請專利範圍第8項的發明，是於申請專利範圍第7項的發明中，將可變流孔的開度為設定流量量程的開度1.5倍以上且保持0.1~0.5sec間，並且將流量控制時從100%設定流量轉換成20%設定流量時的下降時間為1秒以內。
申請專利範圍第9項的發明，是於申請專利範圍第8項的發明中，將可變流孔形成用之直接接觸型金屬隔膜閥的閥座的流體通路孔徑為0.1~0.5mm，並且將100%設定流量為10SCCM。
申請專利範圍第10項的發明，是於申請專利範圍第1項的發明中，在可變流孔部之可變流孔的上游側通路配置斷流閥。
於本發明中，可變流孔驅動部8由偏心凸輪8a和步進馬達8b所構成，並且構成為以步進馬達8b之1次旋轉以下的轉動使偏心凸輪8a的凸輪板8a4 僅以指定量往左右方向位移，並且在不旋轉該凸輪板8a4 的情況下，利用凸輪板8a4 使可變流孔7的膜片壓件7b往左右方向推壓移動藉此調整可變流孔7之閥座10d5 和膜片7a間的間隙(即，流孔口徑)。
其結果，能夠迅速(即約0.1~0.5秒以內)並且正確 地執行偏心凸輪8a之流孔口徑的調整，能夠極為迅速執行流量控制器之控制流量的流量範圍(流量量程)轉換。
此外，於本發明中由壓力控制部1a的流量運算控制部4a和可變流孔部1b的流孔開度運算控制部4b形成控制部4，並且構成為當控制流量範圍的轉換時對流量運算控制部4a之設定流量訊號Qs的輸入值改變時，該設定流量訊號Qs的改變會使對流孔開度運算控制部4b之流孔開度設定訊號Qz為1.5倍以上藉此使可變流孔7為設定流量量程1.5倍以上的開度，於一定時間經過後藉由將流孔開度設定訊號Qz調整成符合控制流量範圍轉換後之流量範圍的開度設定值來執行流量控制。
其結果，於控制流量的轉換時，可變流孔7之上游側流體通路內的流體會通過順暢並且迅速開孔的流孔口徑往下游側排出，即使在可變流孔7的閥座孔徑為0.1mm，100%設定流量為10SCCM的小流量區域，還是能夠將此流量在1秒以內下降成20%設定流量(2SCCM)，能夠大幅縮短下降時間。
Qs‧‧‧設定流量訊號
Qp1 ‧‧‧運算流量訊號
Qy‧‧‧控制訊號(偏差訊號)
Qz‧‧‧流孔開度設定訊號
Qo‧‧‧流孔控制訊號
QL ‧‧‧流孔開度檢測訊號
t‧‧‧下降時間
1‧‧‧可變流孔型壓力控制式流量控制器
1a‧‧‧壓力控制部
1b‧‧‧可變流孔部
2‧‧‧壓力控制閥
2a‧‧‧隔膜
2b‧‧‧膜片壓件
3‧‧‧壓力控制閥驅動部
3a‧‧‧壓電元件
4‧‧‧控制部
4a‧‧‧流量運算控制部
4b‧‧‧流孔開度運算控制部
4c‧‧‧連接口
5‧‧‧壓力檢測器
6‧‧‧溫度檢測器
7‧‧‧可變流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)
7a‧‧‧隔膜
7b‧‧‧膜片壓件
7c‧‧‧墊圈
7d‧‧‧推壓金屬件
8‧‧‧可變流孔驅動部
8a‧‧‧偏心凸輪
8a1 ‧‧‧旋轉軸體
8a2 ‧‧‧第1軸承
8a3 ‧‧‧第2軸承
8a4 ‧‧‧凸輪板
8P‧‧‧抵接點
8b‧‧‧步進馬達
8b1 ‧‧‧馬達軸
9‧‧‧位移感測器
10‧‧‧流量控制器本體
10a‧‧‧第1本體
10a1 ‧‧‧凹部
10a2 ‧‧‧流體通路
10a3 ‧‧‧流體通路
10b‧‧‧第2本體
10b1 、10b2 ‧‧‧流體通路
10c‧‧‧第3本體
10c1 、10c2 、10c3 ‧‧‧流體通路
10d‧‧‧第4本體
10d1 ‧‧‧凹部
10d2 、10d3 ‧‧‧流體通路
10d4 ‧‧‧流體流出口
10d5 ‧‧‧閥座
10d6 ‧‧‧螺紋
11‧‧‧層流元素
12‧‧‧熱量式流量計(質量流量計)
13‧‧‧連結固定用螺栓
14‧‧‧螺栓插入孔
15‧‧‧套管
16‧‧‧密封材
17‧‧‧斷流閥
28a‧‧‧氣體入口
28b‧‧‧氣體出口
第1圖為表示本發明第1實施形態相關之壓力控制式流量控制器的構成系統圖。
第2圖為第1實施形態相關之壓力控制式流量控制器的縱剖面圖。
第3圖為第2圖的左側面圖。
第4圖為第2圖的平面圖。
第5圖為第2圖的底面圖。
第6圖為第2圖的局部放大圖。
第7圖為表示凸輪板之轉動角度和凸輪板偏位量的關係特性曲線圖。
第8圖為表示凸輪板之轉動角度和流量量程(SCCM)的關係特性曲線圖。
第9圖為小流量區域之流量量程轉換時的可變流孔7之動作說明圖。
第10圖為針對本發明相關之小流量用壓力控制式流量控制器(最大設定流量240SCCM、可變流孔7的閥座孔徑0.1mm)，表示設定流量轉換成10SCCM時從100%設定流量(100SCCM)控制流量成20%設定流量(2SCCM)時流量的下降特性的線圖。
第11圖為表示本發明第2實施形態相關之壓力控制式流量控制器的縱剖面圖。
第12圖為先前之可變流孔型壓力控制式流量控制器的系統圖。
第13圖為先前之可變流孔部的剖面概要圖。
第14圖為表示使用先前之固定流孔的小流量量程(100%設定流量10SCCM)之流量控制時的下降特性系統圖。
 [發明之實施形態]
以下，根據圖面對本發明之實施形態進行說明。
第1圖為表示本發明第1實施形態的系統圖，本發明相關之壓力控制式流量控制器1由壓力控制部1a和可變流孔部1b所構成。此外，前者壓力控制部1a，其與第12圖所示之先前的壓力控制式流量控制器27之壓力控制部A為大致相同，由壓力控制閥2、壓力控制閥驅動部3、流量運算控制部4a、壓力檢測器5、溫度檢測器6等所形成。
相對於此，可變流孔部1b，在使用可變流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)7的事項是與第12圖所示之先前的壓力控制部A類似，但可變流孔部1b形成用的流孔驅動部8及流孔開度運算控制部4b的構造卻是和先前之可變流孔部B明顯不同，如第2圖及第6圖所示該可變流孔部1b由新的流孔驅動部8、流孔開度運算控制部4b、位移感測器9等所形成。
即，於上述壓力控制部1a中，是使用壓力檢測器5所檢測出的壓力檢測值P1 及溫度檢測器6所檢測出的溫度檢測值T1 ，以Qp1 =KP1 對流通在可變流孔7的流體流量Qp1 進行運算，並且根據設定流量Qs和檢測流量Qp1 之差值訊號(控制訊號)Qy使控制閥驅動部3驅動，將壓力控制閥2的開度控制成上述差值訊號(控制訊 號)Qy為零。
此外，於上述可變流孔部1b中，由：要輸入有流孔開度設定訊號Qz的流孔開度運算控制部4b；根據流孔控制訊號Qo的輸入來驅動可變流孔7的可變流孔驅動部8；可變流孔7構成用的直接接觸型金屬隔膜閥；及可變流孔7之動作量(位移量)檢測用的位移感測器9等形成可變流孔部1b，於流孔開度運算控制部4b，是對位移感測器9所檢測出之可變流孔7的流孔開度檢測訊號(位移量訊號)QL 和流孔開度設定訊號Qz進行比對，並且以可使流孔開度檢測訊號(位移量訊號)QL 和流孔開度設定訊號Qz的差成為零的狀態根據流孔控制訊號Qo透過可變流孔驅動部8調整可變流孔7形成用之直接接觸型金屬隔膜閥的開度(即流孔口徑)。
另，上述壓力控制部1a的構成及作用以及可變流孔部1b的可變流孔7使用直接接觸型金屬隔膜閥的事項，根據上述專利文獻1及專利文獻2等其為習知的技術因此省略該等事項的詳細說明。
此外，第1圖中，28a為氣體入口，38b為氣體出口。
第2圖為第1實施形態相關之壓力控制式流量控制器1的縱剖面概要圖，第3圖為其左側面圖，第4圖為其平面圖，第5圖為其底面圖。此外，第6圖為第2圖之可變流孔部1b的局部放大圖。
於第2圖至第6圖中，2a為壓力控制閥2構 成用的隔膜，2b為膜片壓件，2c為盤形彈簧，3a為壓力控制閥驅動部3形成用的壓電元件，4為要形成流量運算控制部4a及流孔開度運算控制部4b用的控制部，4c為連接口，5為壓力檢測器，6為溫度檢測器(省略圖示)，7為可變流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)，8a為可變流孔驅動部8構成用的偏心凸輪，8b為步進馬達，9為位移感測器，10為流量控制器本體，11為熱式流量計的層流元件，12為熱式流量計(質量流量計)，13為連結固定用螺栓，14為螺栓插入孔，15為套管，16為密封材。
上述流量控制器本體10是由四角柱狀的第1本體10a和四角柱狀的第2本體10b和四角柱狀的第3本體10c及四角柱狀的第4本體10d以連結固定用螺栓13將該等彼此連結成一體性形成，於第1本體10a的上面側形成有要插入固定有壓力控制閥2之各構成構件的凹部10a1 和流體通路10a2 及流體通路10a3 。
此外，第2本體10b是將密封材16夾持固定在第1本體的背面側，使流體通路10b1 和10a2 連結成氣密。另，10b2 為流體流入口。
再加上，第3本體10c，是於上述第1本體的右側面間設層流元件11且由連結固定用螺栓13固定成氣密，於其上面側安裝固定有熱量式流量計12，此外於下面側安裝固定有壓力檢測器5。另，10c1 、10c2 、10c3 為流體通路。
上述第4本體10d，是於第3本體10c的右側 側面間設密封材16且由連結用螺栓(省略圖示)固定成氣密，於其上面側固定著下述可變流孔驅動部8形成用的步進馬達8b，此外，於該第4本體10d的右側下方形成有要收容偏心凸輪8a等凸輪機構用的空間部。再加上，於第4本體10d的右側面設有可變流孔7形成用之直接接觸型金屬隔膜閥的收納用凹部10d1 。另，10d2 、10d3 為流體通路，10d4 為流體流出口。
另，上述流體控制器本體10的組裝構造及壓力控制閥2、壓力控制閥驅動部3和控制部4的流量運算控制部4a和壓力檢測器5、溫度檢測器6及可變流孔7形成用的直接接觸型金屬隔膜閥以及可變流孔驅動部8的步進馬達8b和位移感測器9等都是習知技術，因此於此省略該等的詳細說明。
第6圖為本發明之要部即可變流孔部1b的機構部份放大剖面圖，該可變流孔部1b由可變流孔7和可變流孔驅動部8形成。
此外，可變流孔7，其由：設置在第4本體10d右側側面之凹部10d1 其底面形成的平面狀閥座10d5 ；與該閥座10d5 配置成相向狀態的金屬隔膜7a；要推壓隔膜用的膜片壓件7b；要推壓金屬隔膜7a外周緣部用的墊圈7c；螺入固定在凹部10d1 內將膜片壓件7b保持成左右移動自如，並且以前端部推壓墊圈7c的推壓體7d等所構成，具有與先前技術所謂直接接觸型金屬隔膜閥相同的構造。
更具體而言，上述閥座10d5 形成為平整薄片 狀，流體通路10d2 之前端部的孔徑(即閥座10d5 的孔徑)為0.1~1.0mm，長度選定為1~3mm。
此外，金屬隔膜7a其外徑選定為8mm，使其難以受到流體內壓的影響。
再加上，閥座薄片10d5 和金屬隔膜7a間的距離(即流孔口的間隙)，是藉由下述之步進馬達8b和偏心凸輪8a的角度比例選定而設定成0.001~0.3mm，藉此執行可變流孔的Cv值設定。
上述可變流孔驅動部8由偏心凸輪8a和步進馬達8b所構成，偏心凸輪8a，其如第6圖所示由：具有大徑部和中徑部及小徑部之3段狀外徑的柱狀旋轉軸體8a1 ；嵌合在旋轉軸體8a1 之中徑部外圍面的第1軸承8a2 ；嵌合在旋轉軸體8a1 之小徑部外圍面的第2軸承8a3 ；及嵌合在上述第1軸承8a2 之外圍面的凸輪板8a4 等所形成，藉由朝縱向插入固定在僅以指定量偏心於旋轉軸體8a1 軸心之位置的馬達軸8b1 ，使旋轉軸體8a1 支持固定成旋轉自如。
即，馬達軸8b1 的轉動會使旋轉軸體8a1 轉動。但是，因為間設有第1軸承8a2 ，所以嵌合在該第1軸承8a2 之外圈側的凸輪板8a4 就會保持成旋轉自由的狀態，其結果，就使凸輪板8a4 之外圍面和膜片壓件7b之外端面的抵接部8P保持成彼此接觸但不會移動(滑動)的狀態。另，此時，膜片壓件7b會因為倒盤形膜片7a的彈性力而使其經常被推壓往凸輪板8a4 的方向。
馬達軸8b1 僅以指定量偏心於旋轉軸體8a1 的軸心且固定在旋轉軸體8a1 ，於本實施形態中，偏心距離選定為0.2mm，凸輪板8a4 的外徑選定為20mm。
其結果，馬達軸8b1 的轉動就會使凸輪板8a4 之外圍面的抵接部8P透過第1軸承8a2 朝第6圖的左右方向移動，例如：當該外圍面的抵接部8P朝右方向移動時，膜片7a的彈性力就會使膜片壓件7b跟隨抵接部8P的移動往右方向移動，使閥開度變大。
對於上述步進馬達8b，是使用外徑口28mm、旋轉力矩0.11N/m、旋轉時間200度/0.2sec的步進馬達，於本實施形態中，以偏心凸輪8a的旋轉角度180度就可獲得400μm的位移，針對1/16微步驅動執行400μm/1600的分割定位。
此外，利用與凸輪板8a4 設置成相向狀態的位移感測器9檢測凸輪板8a4 的位移量，且將從該位移量求出的流孔開度檢測訊號QL 輸入至流孔開度運算控制部4b執行對可變流孔驅動部8流孔控制訊號Qo的回饋控制，藉此執行可變流孔7的開度調整(即抵接部8P的位置調整)。
再加上，考慮到可變流孔7會因溫度造成其Cv值特性的變化，因此，就希望針對上述流孔開度調整實施所謂的溫度修正。
第7圖為表示第6圖實施形態之凸輪板8a4 的轉動角度和凸輪板8a4 的位移量之關係圖，曲線A表示實施值，曲線B表示計算值。
另，以凸輪板8a4 的外徑為20mm及偏心量為0.2mm進行了實測，從圖中可確認出位移量μm和旋轉角度的實測值A是接近計算值B。
此外，第8圖為表示第6圖實施形態的凸輪板8a4 之轉動角度和流量量程(SCCM)的關係圖，以凸輪板8a4 的外徑為20mm及偏心量為0.2mm，且以隔膜7a的外徑為8mm，並以閥座10d5 的孔徑為0.3mm、孔長為2.5mm進行了測定。
表1為表示可變流孔7之閥座10d5 的孔徑為0.3mm時之凸輪板8a4 的轉動角度和凸輪板8a4 的位移量μm和間隙的開口面積μm2 、間隙開口面積的換算孔徑μm、流量量程SCCM、最大流量量程之量程比及Cv值的測定值以及/或計算值，流量量程的可變範圍為35：1(MIN62sccm)的範圍。
同樣地，表2為表示可變流孔7之閥座10d5 的孔徑為0.1mm時之與表1相同的轉動角度等的各測定值以及/或計算值，流量量程可變範圍為48：1(MIN5SCCM)的範圍。
另，針對使用固定式流孔之先前的壓力控制式流量控制器，現在於F10型(滿度流量10SCCM)至F10L(滿度流量10SLM)之間已製造且販售有約50種流量控制範圍的各種壓力式流量控制器，於該各種類之流孔的製造、管理上存在著各種的問題。
相對於此，使用本發明相關之可變流孔7時，只要準備閥座10d5 的開孔徑為0.5mm和0.3mm及0.1mm之三種的可變流孔7就可滿足1~10SLM(大流量用、閥座孔徑0.5mm)、65~2000SCCM(中流量 用、閥座孔徑0.3mm)、10~240SCCM(小流量用、閥座孔徑0.1mm)的流量範圍，以使用三種可變流孔7之本發明相關的壓力控制式流量控制器1就能夠滿足使用先前固定式流孔之約50種的壓力控制式流量控制器。
如上述所示，步進馬達8b的轉動速度為200度/0.2sec，因此要80~100度轉動凸輪板8a4 時只需極少的時間約0.1sec。基於此，例如於實施形態1中，當要調整可變流孔7的間隙使其從100%流量設定(240sccm、可變流孔7的閥座孔徑0.1mm)轉換成20%流量設定(10sccm)的間隙時，就可在1秒以下的短時間內完成。
但是，當流體流量以10sccm的流量量程(100%流量)要轉換成2sccm的流量(20%流量)時，即，小流量區域之流量轉換時所需的下降時間t，是會因為可變流孔7之上游側流路(即壓力控制閥2和可變流孔7間的流體流路)內的氣體排除時間而受到大幅影響，以致如第14圖所示該上游側流路內的氣體排除需要6~7秒的時間。
因此，於本實施形態中，如第9圖所示當對流量運算控制部4a之流量設定訊號Qs的輸入有所變更(例如從10SCCM變更成2SCCM)時，首先是要檢測流量設定訊號Qs的變更(步驟S1 )，藉此將流孔開度設定訊號Qz為1.5倍以上，將可變流孔7的開度為1.5倍以上(步驟S2 )。
其次，以一定時間(例如0.1~0.5sec間)將 流孔開度保持成1.5倍以上的狀態(步驟S3 )，於該期間使流孔上游側通路內的氣體通過可變流孔7的間隙和閥座10d5 (孔徑0.1mm)排出至外部(步驟S4 )。
然後，將流孔開度設定訊號Qz恢復成100%設定流量(10SCCM)用的設定值(步驟S5 )，執行已經轉換成20%設定流量(2SCCM)用之壓力控制式流量控制器1的流量控制。
另，第9圖中，雖然是以步驟S2 將可變流孔7的開度為1.5倍以上，藉此一口氣開放可變流孔7使其上游側通路內的氣體排出，但若顧慮到會對可變流孔7之下游側的機器、裝置等及處理製程造成妨礙時，理所當然是需要對可變流孔7的開度變更設有上限(例如：變更前開度的10倍)。
第10圖為表示根據上述第9圖所示之可變流孔7的動作，將第1實施形態之可變流孔7為Max240SCCM(閥座10d5 的孔徑0.1mm)，利用該可變流孔7以100%設定流量10SCCM於流量控制中將流量轉換成20%指定流量2SCCM時的流量下降特性，從該圖中得知約1秒鐘的下降時間t就能夠執行流量從10SCCM轉換成2SCCM的流量轉換。
另，於第9圖的流量下降時間t=1秒當中，包括上述第9圖之步驟S1 至步驟S6 為止的時間，但可變流孔7本身轉換(閥座10d5 的上面和隔膜7a之間的間隙調整)所需的時間為0.1~0.2秒以內，因此流量下降時間 t的大部份可以說是屬於步驟S4 所需要的時間。
第11圖為本發明第2實施形態相關之可變流孔型壓力控制式流量控制器的縱剖面圖，於第4本體10d的內方上面側設有斷流閥17，藉此於緊急時就能夠阻斷流體通路10d3 。
對於上述斷流閥17，是使用與氣動式壓力控制閥2相同構造的直接接觸型金屬隔膜閥，於緊急時等該斷流閥17會動作關閉流體通路10d3 阻斷氣體的供應。
另，第2實施形態相關之可變流孔型壓力控制式流量控制器，除了設有上述斷流閥17以外其他的構成都和第1實施形態相同，因此就省略其詳細說明。
[產業上之可利用性]
本發明，並不限於應用在半導體製造裝置用的氣體流量控制器，還可應用在化學品製造裝置或食品相關製造裝置、各種測試裝置等的流體流量控制器。
Qs‧‧‧設定流量訊號
Qp1 ‧‧‧運算流量訊號
Qy‧‧‧控制訊號(偏差訊號)
Qz‧‧‧流孔開度設定訊號
Qo‧‧‧流孔控制訊號
QL ‧‧‧流孔開度檢測訊號
P1 ‧‧‧壓力檢測值
T1 ‧‧‧溫度檢測值
1‧‧‧可變流孔型壓力控制式流量控制器
1a‧‧‧壓力控制部
1b‧‧‧可變流孔部
2‧‧‧壓力控制閥
3‧‧‧壓力控制閥驅動部
4‧‧‧控制部
4a‧‧‧流量運算控制部
4b‧‧‧流孔開度運算控制部
5‧‧‧壓力檢測器
6‧‧‧溫度檢測器
7‧‧‧可變流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)
8‧‧‧可變流孔驅動部
9‧‧‧位移感測器
28a‧‧‧氣體入口
28b‧‧‧氣體出口

Claims (10)

  1. 一種可變流孔型壓力控制式流量控制器，其具備壓力控制部及可變流孔部，以Qp1 =KP1 (但P1 為流孔上游側壓力，K為常數)對流通在可變流孔部之流孔的流體之流量Qp1 進行運算，並且上述流孔為直接接觸型金屬隔膜閥之閥座和隔膜間的環狀間隙所形成的流孔，構成為藉由對上述壓力控制部之流量運算控制部改變設定流量訊號Qs及對可變流孔部之流孔開度運算控制部改變流孔開度設定訊號Qz就可執行流量控制範圍的轉換以及於該流量控制範圍之流量控制，其特徵為，上述可變流孔部，是由：流孔開度運算控制部；由來自於流孔開度運算控制部之流孔控制訊號所驅動的步進馬達；由步進馬達驅動轉動的偏心凸輪；及利用偏心凸輪隔著膜片壓件控制閥開度的直接接觸型金屬隔膜閥所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，可變流孔部的偏心凸輪，是由：僅以指定距離偏心於軸心且將馬達軸朝縱向成固定的旋轉軸體；固定在旋轉軸體外圍面的第1軸承；及固定在第1軸承外圍面的刀鍔狀凸輪板所形成，構成藉由旋轉軸體的轉動就可使凸輪板在非旋轉狀態下往左右方向僅移動上述指定距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，可變流孔部形成用的直接接觸型金屬隔膜閥，是由：具有平面狀的底面且貫穿設置在流 量控制器本體側面的凹部；具有所期望之通路孔徑且形成在凹部之底面的閥座；與閥座配設成相向狀態的倒盤型隔膜；與隔膜配設成相向狀態其外方端部抵接在凸輪板外圍面的膜片壓件；及螺入固定在凹部內將膜片壓件保持成往左右方向移動自如並且推壓固定膜片外周緣用的推壓金屬件所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，凸輪板的外圍面和膜片壓件外方端部的抵接部構成為於偏心凸輪轉動時只往左右方向位移。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，步進馬達的轉動角度為0~200度，構成為在該轉動角度範圍內由偏心凸輪使膜片壓件往左右方向僅位移一定距離。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，在與偏心凸輪之凸輪板外圍面和膜片壓件外方端部的抵接部成軸對稱的位置設置位移感測器，構成對凸輪板轉動造成之上述抵接部的水平方向位移量進行檢測，並且將所檢測出的流孔開度檢測訊號輸入至流孔開度運算控制部。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，由壓力控制部之流量運算控制部和可變流孔部之流孔開度運算控制部所形成的控制部，構成為當流量控制範圍的轉換造成設定流量訊號改變時， 與該設定流量訊號改變的同時流孔開度設定訊號會輸入至流孔開度運算控制部使可變流孔部的流孔開度變大並且經過一定時間後指定的流孔開度設定訊號會輸入至流孔開度運算控制部使流孔開度保持在所期望的開度。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，可變流孔的開度為設定流量量程的開度1.5倍以上且保持0.1~0.5sec間，並且流量控制時從100%設定流量轉換成20%設定流量時的下降時間為1秒以內。
  9. 如申請專利範圍第8項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，可變流孔形成用之直接接觸型金屬隔膜閥的閥座的流體通路孔徑為0.1~0.5mm，並且100%設定流量為10SCCM。
  10. 如申請專利範圍第1項所記載的可變流孔型壓力控制式流量控制器，其中，於可變流孔部之可變流孔的上游側通路配置斷流閥。
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