WO2023228555A1 - 流体制御装置、流体制御システムおよびバルブ制御装置 - Google Patents

流体制御装置、流体制御システムおよびバルブ制御装置 Download PDF

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WO2023228555A1
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valve
control device
fluid control
digital communication
external device
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PCT/JP2023/012524
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English (en)
French (fr)
Inventor
勝幸 杉田
亮介 土肥
慎也 小川
暢 平井
幸司 川田
Original Assignee
株式会社フジキン
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K51/00—Other details not peculiar to particular types of valves or cut-off apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a fluid control device, a fluid control system, and a valve control device, and particularly to a valve control device that can appropriately control valves included in a flow rate control device installed in semiconductor manufacturing equipment, drug manufacturing equipment, chemical plants, etc.
  • the present invention relates to a device, a fluid control device, and a fluid control system including the same.
  • flowmeters Various types of flowmeters, pressure gauges, and fluid control devices are used in semiconductor manufacturing equipment, drug manufacturing equipment, chemical plants, etc. to control fluids such as raw material gas and etching gas.
  • Mass flow controllers thermal mass flow control devices
  • pressure flow control devices are known as flow control devices.
  • a pressure-type flow rate control device uses a control valve and a constriction section (for example, an orifice plate or a critical nozzle) to control the flow rate by controlling the pressure on the upstream side of the constriction section.
  • a control valve for example, a piezo element-driven valve (hereinafter sometimes referred to as a piezo valve) configured to open and close a diaphragm valve body using a piezo actuator is used.
  • Piezo valves are capable of relatively precise adjustment of opening and are capable of relatively high-speed operation.
  • a flow control device configured to fix a strain gauge to the piezo element of a piezo valve and detect the amount of displacement of the diaphragm valve element and its operating members based on the output of the strain gauge.
  • a flow rate control device By adjusting the opening degree of the valve based on displacement measurement, flow rate control can be performed with higher responsiveness than a pressure-type flow rate control device.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • ALE Atomic Layer Etching
  • a piezo valve In a flow control device, a piezo valve is driven by sending a control signal from an external device to a valve drive circuit (a drive voltage output circuit to an actuator) connected to the valve.
  • valve control has often been performed using analog signals, but in recent years, it has become mainstream to perform valve control through digital communication using a field bus system based on Ethernet.
  • Patent Document 2 describes a fluid control device configured to perform valve control through EtherCAT (registered trademark) communication with an external device.
  • a digital PWM (pulse width modulation) signal is input to the valve drive circuit, and the valve drive circuit generates a drive voltage according to the duty ratio of the received PWM signal using a chopper type step-up/step-down converter. can be applied to the piezo actuator.
  • a chopper type step-up/step-down converter can be applied to the piezo actuator.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and its main purpose is to provide a valve control device that enables valve control in a more flexible manner, and a fluid control device and fluid control system equipped with the same. purpose.
  • a fluid control device includes a valve control device capable of communicating with an external device, and a valve connected to the valve control device, and the valve control device is a valve driver for driving the valve.
  • a digital communication circuit connected to the valve drive circuit, and an input/output terminal connected to the valve drive circuit, the digital communication circuit provided in the external device, and the digital communication circuit of the valve control device.
  • the valve is configured to be able to perform digital communication with a communication circuit, and a power supply provided in the external device and an analog communication circuit are connected to the valve via an integral cable having a connection connector and at least four wires inside. It is connectable to the input/output terminal of the control device, and is configured such that power and analog signals from the external device are supplied via the input/output terminal.
  • the cable and the input/output terminal are connected by a D-sub connector.
  • the valve is provided with a displacement sensor for measuring the opening degree of the valve body, and the valve drive circuit provides feedback to the actuator of the valve based on the output of the displacement sensor. configured to control.
  • valve and the valve control device are provided separately and connected via a cable.
  • a fluid control system includes a plurality of fluid control devices, each of which is one of the above fluid control devices, and digital communication of each valve control device of the plurality of fluid control devices with respect to the external device.
  • the circuits are connected by an Ethernet-based fieldbus system, and the input/output terminals of each valve control device are connected to the power supply and analog data communication circuit of the external device by an integrated circuit with at least four internal wires. connected by a cable.
  • a valve control device is the valve control device included in any of the fluid control devices described above.
  • both digital communication and analog communication can be used as communication with an external device, and a valve control device, a fluid control device, and a fluid control device can appropriately control a valve in a more flexible manner.
  • a fluid control system is provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a fluid control device and a valve control device according to an embodiment of the invention.
  • FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a valve according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing a valve control device according to an embodiment of the present invention, in which (a) shows a terminal arrangement surface and (b) shows a side surface.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an exemplary flow for determining whether to employ analog control or digital control.
  • 1 is a diagram showing a fluid control system configured using a plurality of fluid control devices according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the configuration of a fluid control device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fluid control device 100 includes a valve 10 disposed in a flow path and a valve control device 20 for controlling the operation of the valve 10.
  • the valve control device 20 is communicably connected to an external device (information processing device) 30 and can control the driving of the valve 10 based on a command signal received from the external device 30.
  • External device 30 may be, for example, a general-purpose computer equipped with a user input device.
  • the fluid control device 100 is used, for example, in semiconductor manufacturing equipment to control the flow rate of gas (source gas, etching gas, etc.) from a gas source and supply it to a process chamber at a desired flow rate.
  • the valve 10 is provided in a flow path of a fluid supply system, and its upstream side communicates with a fluid supply source, and its downstream side communicates with a fluid using device such as a process chamber.
  • a piezo element-driven valve as shown in FIG. 2 is used as the valve 10.
  • the piezo valve is fixed to a flow path block 11 incorporated in the fluid supply system, and is configured so that its opening degree can be adjusted by driving a diaphragm valve body 13 using a piezo actuator 12. .
  • the piezo actuator 12 is composed of a plurality of laminated piezo elements (not shown) or one piezo element housed inside a cylinder.
  • a voltage can be applied to the piezo element via the wiring 16, and the element expands to a degree depending on the magnitude of the driving voltage. This makes it possible to control the degree of expansion of the piezo element and, in turn, the pressing force of the diaphragm valve element 13 against the valve seat 14 by the piezo actuator 12, and to open the valve 10 to an arbitrary opening degree by controlling the drive voltage. .
  • the valve 10 is provided separately from the valve control device 20, and they are connected to each other by a cable.
  • a connector 17 is provided on the housing surface of the valve 10, and similarly, as shown in FIG. 3, a corresponding connector 27 is also provided on the valve control device 20.
  • the number of pins of the connector 17 is not particularly limited as long as it has at least 4 pins for power supply and analog communication, and in this embodiment, a D-sub (D-subminiature) 9-pin connector is used.
  • valve control device 20 By arranging the valve control device 20 apart from the valve 10 in this way, the valve control device 20 can be operated even when the valve 10 is placed in a high-temperature environment, for example, in applications where high-temperature gas of 100° C. or higher is flowed. It is also possible to place it in a room temperature environment. Therefore, in the valve control device 20, damage to the control circuit or malfunction due to heat can be prevented.
  • a separate type by adding a digital communication board to a control device that previously had analog specifications, it is possible to easily configure a control device that can be used for both digital and analog functions.
  • valve 10 and the valve control device 20 may be provided close to each other.
  • the valve 10 and the valve control device 20 may be housed inside one housing, or may be configured as a fluid control device 100 that includes a control board.
  • the valve 10 is provided with a displacement sensor 15 for measuring the opening degree of the valve body.
  • the displacement sensor 15 is configured using a strain sensor fixed to a piezo element. By measuring the opening/closing degree of the piezo valve using a strain sensor fixed to the piezo element and performing feedback control based on the output, fluid can be caused to flow at a desired flow rate.
  • the displacement sensor 15 is not limited to a strain sensor, and other sensors may also be used.
  • a capacitive displacement sensor (a sensor configured to be able to measure the movement of the actuator moving part as a change in capacitance) may be used.
  • a flow rate control method for driving a valve using such a displacement sensor is described in, for example, Patent Document 1. Also in this embodiment, by feedback-controlling the piezo valve based on the output of the displacement sensor 15, it is possible to flow the fluid downstream of the valve at a set desired flow rate. With this method, high responsiveness can be achieved, so the fluid control device 100 is also suitably used when pulse flow control (or intermittent flow control) is required in applications such as ALD.
  • valve 10 including the displacement sensor 15 is shown in FIG. 1, the fluid supply system including the fluid control device 100 is connected to the It may further include another piezo valve connected in series on the side, a constriction section, and a pressure sensor between these.
  • intermittent flow control is performed by the valve 10 equipped with the displacement sensor 15, while when the gas continues to flow for a relatively long time at a constant flow rate, other valves are controlled based on the output of the pressure sensor.
  • the flow rate can be controlled by adjusting the opening degree.
  • other valves and pressure sensors on the upstream side as described above, the pressure on the upstream side of the valve 10 can be controlled to a desired value using the other valves. It is also possible to change the flow rate control range.
  • the valve control device 20 includes a valve drive circuit 22 for driving the valve 10.
  • the valve drive circuit 22 is configured to be able to control the drive voltage applied to the piezo actuator based on the output of the displacement sensor 15.
  • the valve drive circuit 22 is composed of an analog circuit, but can generate any drive voltage to be applied to the piezo actuator based on digital data received from the outside and the output of the displacement sensor 15. It is configured.
  • the valve control device 20 Since the valve drive circuit 22 is an analog circuit, it often has individual differences depending on the device. For this reason, the valve control device 20 stores individual information (such as flow rate correction information indicating the relationship between the provided digital data and the actual valve opening (flow rate) based on the generated drive voltage) in a storage device such as a memory. You may have one.
  • the individual information may include a serial number, a flow rate control range, and, if a pressure sensor is provided, its temperature characteristic information. Thereby, when the valve control device 20 is replaced or the valve control device 20 is replaced with another system, the individual information can be read from the valve control device 20 and the flow rate can be controlled more appropriately.
  • an input/output terminal (or analog input/output) 24 and a digital communication circuit 26 are connected to the valve drive circuit 22.
  • the valve drive circuit 22 receives valve control signals from an external device (information processing device) 30 in two systems via an input/output terminal 24 and a digital communication circuit 26 (or digital input/output terminal). Can be entered.
  • the external device 30 generates digital data based on the specified set flow rate in the digital communication circuit, and outputs it to the valve drive circuit 22 via the digital input/output terminal 36. Further, the external device 30 can also output an analog control signal to the valve drive circuit 22 via the analog communication terminal 34, as in the conventional case.
  • the digital communication circuit 26 provided in the valve control device 20 communicates with the digital communication circuit provided in the external device 30 by using an Ethernet-based fieldbus system, more specifically, by EtherCAT communication. is configured to do so.
  • EtherCAT communication a suitable LAN cable is used as the cable C1
  • the digital input/output terminal 36 provided on the external device 30 and the digital input/output terminal 26C connected to the digital communication circuit 26 of the valve control device 20 are used. (See FIG. 3(a)) are connected.
  • the present invention is not limited to this, and as long as digital communication is possible, various communication methods may be adopted, and DeviceNet (registered trademark) communication, RS485 communication, etc. may be used.
  • DeviceNet registered trademark
  • RS485 communication RS485 communication
  • the valve control device 20 and the external device 30 are provided with corresponding digital communication circuits, and communication is performed using corresponding cables and connectors.
  • the valve drive circuit 22 receives a set flow rate signal from the external device 30 via the digital communication circuit 26, compares the current flow rate obtained from the output of the displacement amount sensor 15 with the set flow rate, and eliminates the difference.
  • the drive voltage applied to the valve is controlled by feedback control. More specifically, similar to the method described in Patent Document 2, the valve drive circuit 22 uses a chopper-type boost/step-down method to convert the PWM signal whose duty ratio is adjusted so that the current flow rate and the set flow rate match. By applying it to the converter, the pressure of the piezo actuator can be increased/decreased to match the set flow rate.
  • the interface of the external device 30 is integrally provided with an analog communication terminal 34 for performing analog control and a power supply terminal 32 for supplying power.
  • the analog communication terminal 34 and the power supply terminal 32 for supplying power are constituted by, for example, a D-sub 9Pin connector.
  • the input/output terminal 24 provided in the valve control device 20 is also provided with a corresponding input/output terminal that can integrally receive electric power and an analog control signal. These are connected by an integral cable C2 having a corresponding connection connector AC (here, a D-sub 9Pin connector).
  • the integrated cable C2 includes two core wires for supplying power (power supply line PS) and two core wires for transmitting analog data (analog signal line AS). .
  • the integral cable C2 must contain at least four core wires. This makes it possible to supply power via the cable C2 and to perform analog control of the valve drive circuit 22 of the valve control device 20 from the external device 30.
  • a control signal is sent from the external device 30 to the input/output terminal 24 of the valve control device 20 using the cable C2, and is converted into digital communication by an A/D converter or the like provided here.
  • digital data is input to the valve drive circuit 22.
  • valve control equivalent to control by digital communication can be performed.
  • the valve drive circuit 22 outputs digital data indicating the flow rate or the like, it can also be transmitted to the external device 30 as an analog output using a D/A converter or the like connected to the input/output terminal 24.
  • the cable C2 also includes two core wires for transmitting analog data from the valve drive circuit 22 to the external device 30. Therefore, six pins of the D-sub nine pins can be used to supply power to the valve control device 20 and to input and output signals to the valve drive circuit 22.
  • pin numbers 1 and 2 are assigned to signal input + (0 to 10V) and signal input - (0V), and pin numbers 4 and 5 are assigned to signal output + (0 to 10V). ⁇ 10V) and signal output - (0V), and pin numbers 8 and 9 are assigned to power supply + (DC24V) and power supply - (0V).
  • FIGS. 3(a) and 3(b) show a terminal surface and a side surface of the valve control device 20, respectively.
  • the terminal surface of the valve control device 20 includes a connector 24C for analog communication with the external device 30, a connector 27 for connection with the valve 10, and a digital connector 24C for performing digital communication with the external device 30.
  • An input/output terminal 26C is provided.
  • D-sub 9Pin connectors are used as the connectors 24C and 27, and an RJ45 connector is used as the digital input/output terminal 26C.
  • a rotary switch 29 for setting an address (ID), a pilot lamp 28 indicating a power-on state and a normal/abnormal state are provided.
  • the valve control device 20 houses the valve drive circuit 22, analog input/output, and digital communication circuit 26 shown in FIG. 1 inside a box-shaped housing 21. It is configured.
  • the fluid control device 100 can be operated by analog control, for example, even during a period when digital communication is not connected after the power is turned on, or when there is a problem with digital communication. Therefore, it is possible to establish communication that is more resistant to failures, and it is also possible to control the valve in a flexible communication manner.
  • D-sub 9Pin cable is used for connection with the external device 30
  • other connection modes may be used as long as control is possible.
  • connectors and cables of other D-sub standards for example, D-sub15Pin or D-sub25Pin
  • a half-pitch 20-Pin connector and cable can also be used.
  • FIG. 4 shows an exemplary flow for determining whether to employ digital or analog control.
  • step S1 When the power is turned on as shown in step S1, it is then determined whether digital communication has been established as shown in step S2.
  • step S3 establishment of digital communication is performed, for example, by setting the external device 30.
  • step S3 digital communication is not established, as shown in step S3, in this example, analog control is performed as a default state.
  • step S4 digital control is performed as shown in step S4.
  • valve control using digital communication which is currently the mainstream, is possible. Furthermore, when digital communication is not established due to the occurrence of some abnormality or user designation, analog control can be performed auxiliary.
  • step S4 in digital control, by disabling the analog input, digital control is performed without any trouble, while by enabling the analog output, the output is received by the external device 30 and the failure occurs. It can also be used for analysis.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a fluid control system having a configuration in which a plurality of fluid control devices 100 are connected to a common external device 30.
  • the fluid control device 100 is provided for each of a plurality of gas supply lines provided in a fluid supply system. Further, these fluid control devices 100 can be collectively controlled by a common external device 30.
  • the digital communication circuit of the external device 30 and the valve control device 20 of each fluid control device 100 are connected by a cable C1.
  • the power supply circuit and analog communication circuit of the external device 30 are connected to the valve control device 20 of each fluid control device 100 by an integral cable C2 having four or more wires inside.
  • the plurality of fluid control devices 100 can be flexibly controlled by digital control and analog control while supplying power.
  • EtherCAT is adopted as the digital communication method, each fluid control device 100 is set as a slave, and the external device 30 is connected to one of the fluid control devices, and the remaining fluid control devices are connected to each other as slaves. You may also do so.
  • the fluid control device is suitably used, for example, to be connected to a gas supply line for semiconductor manufacturing and to control the flow rate of gas.
  • Valve 11 Flow path block 12 Piezo actuator 13 Diaphragm valve body 14 Valve seat 15 Displacement sensor 17 Connector 20 Valve control device 22 Valve drive circuit 24 Input/output terminal 26 Digital communication circuit 30 External device C1 Cable (digital communication) C2 cable (power supply, analog communication) PS Power supply line AS Analog signal line 100 Fluid control device

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Abstract

流体制御装置１００は、外部装置３０と通信可能なバルブ制御装置２０と、バルブ制御装置に接続されるバルブ１０とを備え、バルブ制御装置２０は、バルブを駆動するためのバルブ駆動回路２２と、バルブ駆動回路に接続されたデジタル通信回路２６と、バルブ駆動回路に接続された入出力端子２４とを備えており、外部装置に設けられたデジタル通信回路とバルブ制御装置のデジタル通信回路２６とがデジタル通信できるように構成され、外部装置に設けられた供給電源とアナログ通信回路とが接続コネクタＡＣを有し少なくとも四線を内部に備えた一体的なケーブルＣ２によってバルブ制御装置の入出力端子２４と接続可能であり、外部装置から電力とアナログ信号が入出力端子２４を介して供給される。

Description

流体制御装置、流体制御システムおよびバルブ制御装置
　本発明は、流体制御装置、流体制御システムおよびバルブ制御装置に関し、特に、半導体製造設備、薬品製造装置又は化学プラント等に設けられた流量制御装置が備えるバルブを適切に制御することができるバルブ制御装置ならびにこれを備える流体制御装置および流体制御システムに関する。
　半導体製造設備、薬品製造装置又は化学プラント等において、原料ガスやエッチングガス等の流体を制御するために、種々のタイプの流量計や圧力計および流体制御装置が利用されている。流量制御装置としては、マスフローコントローラ（熱式質量流量制御装置）や圧力式流量制御装置が知られている。
　圧力式流量制御装置は、コントロール弁と、絞り部（例えばオリフィスプレートや臨界ノズル）とを用いて、絞り部の上流側の圧力を制御することによって流量制御を行う。コントロール弁としては、例えば、ピエゾアクチュエータによってダイヤフラム弁体を開閉させるように構成されたピエゾ素子駆動式バルブ（以下、ピエゾバルブと呼ぶことがある）が用いられている。ピエゾバルブは、開度調整を比較的精密に行うことが可能であり、また、比較的高速な動作が可能である。
　また、本願出願人は、ピエゾバルブのピエゾ素子に歪ゲージを固定し、この歪ゲージの出力に基づいてダイヤフラム弁体やその動作部材の変位量を検出するように構成された流量制御装置の開発を進めている（例えば、特許文献１）。変位量測定に基づいてバルブの開度を調整することによって、圧力式流量制御装置に比べて、より高い応答性で流量制御を行うことができる。また、このように高い応答性を有しているので、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのプロセスにおいて、パルス状の制御信号によって制御バルブを頻繁に開閉する必要があるときにも、より適切に流量制御を行うことができる。
国際公開第２０１９／１０７２１５号 国際公開第２０１７／１８８１２９号
　流量制御装置において、ピエゾバルブの駆動は、外部装置からの制御信号を、バルブに接続されたバルブ駆動回路（アクチュエータへの駆動電圧出力回路）に送ることによって行われている。従来、バルブ制御はアナログ信号を用いて行われていることも多かったが、近年は、イーサネットに基づくフィールドバスシステムなどを用いてデジタル通信によってバルブ制御を行うことも主流となってきている。
　特許文献２には、外部装置とのＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）通信によってバルブ制御を行うように構成された流体制御装置が記載されている。この流体制御装置において、バルブ駆動回路には、デジタルのＰＷＭ（パルス幅変調）信号が入力され、バルブ駆動回路は、チョッパ式昇圧／降圧コンバータにより、受け取ったＰＷＭ信号のデューティ比に応じた駆動電圧を、ピエゾアクチュエータに印加することができる。このようにしてデジタル通信を用いてバルブ駆動回路を制御することによって、ノイズを抑制しながら、信頼性高く高速なバルブ制御動作を実現することできる。
　しかしながら、上記のような従来のデジタル制御を主流とする流体制御装置では、デジタル通信が未接続の状態であったり、デジタル通信に不具合が生じた場合には、バルブの動作を行うことができず、突然の不良発生への対応やより柔軟な態様でのバルブ制御が困難になるという側面があった。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、より柔軟な態様でのバルブ制御を可能とするバルブ制御装置ならびにそれを備える流体制御装置および流体制御システムを提供することをその主たる目的とする。
　本発明の実施形態による流体制御装置は、外部装置と通信可能なバルブ制御装置と、該バルブ制御装置と接続されるバルブとを備え、前記バルブ制御装置は、前記バルブを駆動するためのバルブ駆動回路と、該バルブ駆動回路に接続されたデジタル通信回路と、前記バルブ駆動回路に接続された入出力端子とを備え、前記外部装置に設けられたデジタル通信回路と、前記バルブ制御装置の前記デジタル通信回路とがデジタル通信できるように構成されており、前記外部装置に設けられた供給電源とアナログ通信回路とが、接続コネクタを有し少なくとも四線を内部に備えた一体的なケーブルによって前記バルブ制御装置の前記入出力端子と接続可能であり、前記外部装置からの電力とアナログ信号とが前記入出力端子を介して供給されるように構成されている。
　ある実施形態において、前記ケーブルと前記入出力端子との接続は、Ｄ－ｓｕｂコネクタによって行われる。
　ある実施形態において、前記バルブには、弁体の開度を測定するための変位量センサが設けられており、前記バルブ駆動回路は、前記変位量センサの出力に基づいて前記バルブのアクチュエータをフィードバック制御するように構成されている。
　ある実施形態において、前記バルブと前記バルブ制御装置とは分離して設けられ、ケーブルを介して接続される。
　本発明の実施形態による流体制御システムは、それぞれ上記いずれかの流体制御装置である複数の流体制御装置を備え、前記外部装置に対して、複数の流体制御装置のそれぞれのバルブ制御装置のデジタル通信回路が、イーサネットベースフィールドバスシステムによって接続されているとともに、それぞれのバルブ制御装置の入出力端子が、前記外部装置の供給電源とアナログデータ通信回路に、少なくとも四線を内部に備えた一体的なケーブルによって接続されている。
　本発明の実施形態によるバルブ制御装置は、上記いずれかの流体制御装置が備える前記バルブ制御装置である。
　本発明の実施形態によれば、外部装置との通信としてデジタル通信およびアナログ通信の双方が利用可能であり、より柔軟な態様で適切にバルブを制御することができるバルブ制御装置、流体制御装置および流体制御システムが提供される。
本発明の実施形態による流体制御装置およびバルブ制御装置を示す図である。 本発明の実施形態によるバルブを示す断面図である。 本発明の実施形態によるバルブ制御装置を示す平面図であり（ａ）は端子配置面を示し、（ｂ）は側面を示す。 アナログ制御とデジタル制御とのいずれを採用するかを決定する例示的なフローを示す図である。 本発明の実施形態による流体制御装置の複数を用いて構成される流体制御システムを示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　図１は、本発明の実施形態による流体制御装置１００の構成を示す。流体制御装置１００は、流路に配置されるバルブ１０と、バルブ１０の動作を制御するためのバルブ制御装置２０とを備えている。バルブ制御装置２０は、外部装置（情報処理装置）３０と通信可能に接続されており、外部装置３０から受け取った指令信号に基づいてバルブ１０の駆動を制御することができる。外部装置３０は、例えば、ユーザ入力装置を備えた汎用のコンピュータなどであってよい。
　流体制御装置１００は、例えば、半導体製造装置において、ガスソースからのガス（原料ガスやエッチングガスなど）の流量を制御し、所望の流量でプロセスチャンバに供給するために用いられる。バルブ１０は、流体供給系の流路に設けられており、その上流側は流体供給源に連通し、その下流側はプロセスチャンバなどの流体使用装置に連通している。
　本実施形態において、バルブ１０としては、図２に示すようなピエゾ素子駆動式バルブ（ピエゾバルブ）が用いられている。ピエゾバルブは、流体供給系に組み込まれる流路ブロック１１に固定されており、ピエゾアクチュエータ１２を用いて、ダイヤフラム弁体１３を駆動することによってその開度を調整することができるように構成されている。
　より詳細には、ピエゾアクチュエータ１２は、筒体の内部に収容された図示しない複数の積層ピエゾ素子または１本のピエゾ素子によって構成されている。ピエゾ素子には、配線１６を介して電圧を印加することができ、駆動電圧の大きさに応じた度合いで素子が伸長する。これによって、ピエゾ素子の伸長度、ひいては、ピエゾアクチュエータ１２によるダイヤフラム弁体１３の弁座１４への押し付け力を制御することができ、駆動電圧の制御によって任意開度にバルブ１０を開くことができる。
　本実施形態では、バルブ１０は、バルブ制御装置２０と分離して設けられており、ケーブルによって互いに接続されている。このために、バルブ１０の筐体面には、コネクタ１７が設けられており、同様に、図３に示すように、バルブ制御装置２０にも対応するコネクタ２７が設けられている。コネクタ１７のＰｉｎ数は、電力供給とアナログ通信用に少なくとも４Ｐｉｎ備えていれば、特に限定するものではなく、本実施形態では、Ｄ－ｓｕｂ（D-subminiature）９Ｐｉｎコネクタを採用している。
　このようにバルブ制御装置２０をバルブ１０から離して配置することによって、例えば、１００℃以上の高温ガスを流す用途などにおいて、バルブ１０が高温環境下に置かれるときにも、バルブ制御装置２０は室温環境下に置くことも可能になる。したがって、バルブ制御装置２０において、熱による制御回路の破損や動作不良の発生を防止することができる。また、分離型の場合には、従前アナログ仕様であった制御装置に、デジタル通信用基板を追加することで、デジタルアナログ兼用の制御装置を簡単に構成することができる。
　ただし、これに限られず、他の実施形態において、バルブ１０とバルブ制御装置２０とは近接して設けられていても良い。バルブ１０とバルブ制御装置２０とは、１つの筐体の内部に収められていてもよく、制御基板を内蔵する流体制御装置１００として構成されていてもよい。
　再び図１を参照して、バルブ１０には、弁体の開度を測定するための変位量センサ１５が設けられている。この変位量センサ１５は、本実施形態では、ピエゾ素子に固定された歪センサを用いて構成されている。ピエゾ素子に固定した歪センサを用いて、ピエゾバルブの開閉度を測定し、その出力に基づいてフィードバック制御することによって、所望の流量で流体を流すことができる。なお、変位量センサ１５としては、歪センサに限らず、他のセンサを用いることもできる。例えば、変位量センサ１５として、静電容量式等の変位センサ（アクチュエータ移動部の移動を静電容量の変化として測定できるように構成されたセンサ）を用いてもよい。
　このような変位量センサを用いてバルブを駆動する流量制御方法は、例えば、特許文献１に記載されている。本実施形態においても、変位量センサ１５の出力に基づいてピエゾバルブをフィードバック制御することによって、設定された所望の流量でバルブの下流側に流体を流すことが可能である。この方式では、高い応答性を実現することができるので、流体制御装置１００は、ＡＬＤなどの用途においてパルス流量制御（または断続的な流れの制御）が求められるときにも好適に用いられる。
　なお、図１には変位量センサ１５を備えるバルブ１０のみが示されているが、特許文献１に記載の流体供給系と同様に、流体制御装置１００を含む流体供給系は、バルブ１０の上流側に直列接続された他のピエゾバルブ、絞り部、これらの間の圧力センサをさらに備えていても良い。この場合、断続的な流れの制御は変位量センサ１５を備えたバルブ１０によって行い、一方で、一定流量で比較的長い時間ガスを流し続ける場合には圧力センサの出力に基づいて他のバルブの開度を調整して流量制御することができる。また、上記のように上流側に他のバルブや圧力センサを配置することによって、バルブ１０の上流側の圧力を他のバルブを用いて所望の値に制御することができ、これにより、バルブ１０の流量制御レンジを変更することもできる。
　以下、バルブ制御装置２０のより詳細な構成について説明する。本実施形態の流体制御装置１００において、バルブ制御装置２０は、バルブ１０を駆動するためのバルブ駆動回路２２を備えている。バルブ駆動回路２２は、変位量センサ１５の出力に基づいて、ピエゾアクチュエータに印加する駆動電圧を制御することができるように構成されている。また、バルブ駆動回路２２は、アナログ回路によって構成されているが、外部から受け取ったデジタルデータや変位量センサ１５の出力に基づいて、ピエゾアクチュエータに印加するための任意の駆動電圧を生成できるように構成されている。
　バルブ駆動回路２２は、アナログ回路であるので、機器ごとに個体差を有していることが多い。このため、バルブ制御装置２０は、メモリなどの記憶装置において、個体情報（付与されるデジタルデータと生成された駆動電圧による実際のバルブ開度（流量）との関係を示す流量補正情報など）を有していても良い。個体情報としては、シリアルナンバー、流量制御レンジ、また、圧力センサを備える場合にはその温度特性情報なども含まれていてよい。これにより、バルブ制御装置２０を交換したり、バルブ制御装置２０を他の系に付け替えたりしたときに、バルブ制御装置２０から個体情報を読み出して、より適切に流量制御を行うことができる。
　また、本実施形態のバルブ制御装置２０において、バルブ駆動回路２２には、入出力端子（またはアナログ入出力）２４と、デジタル通信回路２６とが接続されている。この構成において、バルブ駆動回路２２には、外部装置（情報処理装置）３０から、入出力端子２４と、デジタル通信回路２６（またはデジタル入出力端子）とを介して、２系統でバルブ制御信号が入力可能である。
　一方で、外部装置３０は、デジタル通信回路において、指定された設定流量に基づいてデジタルデータを生成し、デジタル入出力端子３６を介して、バルブ駆動回路２２に出力する。また、外部装置３０は、従来と同様に、アナログ通信端子３４を介して、バルブ駆動回路２２にアナログの制御信号を出力することもできる。
　本実施形態において、バルブ制御装置２０に設けられたデジタル通信回路２６は、外部装置３０に設けられたデジタル通信回路との間で、イーサネットベースフィールドバスシステムによる通信、より具体的には、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信を行うように構成されている。ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信を行う場合、ケーブルＣ１としては適合するＬＡＮケーブルが用いられ、外部装置３０に設けられたデジタル入出力端子３６と、バルブ制御装置２０のデジタル通信回路２６に接続されたデジタル入出力端子２６Ｃ（図３（ａ）参照）とが接続される。
　ただし、これに限られず、デジタル通信を行うことができる限り、通信方式としては種々の方式を採用してよく、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ（登録商標）通信や、ＲＳ４８５通信などによって行っても良い。もちろん、採用する通信方式に応じて、バルブ制御装置２０および外部装置３０には、対応するデジタル通信回路が設けられ、対応するケーブル、コネクタを用いて通信が行われる。
　ここで、バルブ駆動回路２２は、デジタル通信回路２６を介して外部装置３０から設定流量信号を受け取り、変位量センサ１５の出力から得られる現在流量と設定流量とを比較し、その差分をなくすようにフィードバック制御によってバルブに印加する駆動電圧を制御する。より具体的には、特許文献２に記載された方式と同様にして、バルブ駆動回路２２は、現在流量と設定流量とが一致するようにデューティ比が調節されたＰＷＭ信号をチョッパ式昇圧／降圧コンバータに付与することによって、設定流量に適合するようにピエゾアクチュエータの昇圧／降圧を行うことができる。
　また、本実施形態において、外部装置３０のインターフェイスには、アナログ制御を行うためのアナログ通信端子３４と電力供給を行うための電力供給端子３２とが一体的に設けられている。アナログ通信端子３４と、電力供給を行う電力供給端子３２とは、例えば、Ｄ－ｓｕｂ９Ｐｉｎコネクタによって構成されている。
　同様に、バルブ制御装置２０に設けられた入出力端子２４にも、電力とアナログ制御信号とを一体的に受け取ることができる対応の入出力端子が設けられている。これらの間は、対応する接続コネクタＡＣ（ここでは、Ｄ－ｓｕｂ９Ｐｉｎコネクタ）を有する一体的なケーブルＣ２によって接続される。
　ここで、一体的なケーブルＣ２は、電力供給を行うための２本の芯線（電力供給線ＰＳ）と、アナログデータ伝送を行うための２本の芯線（アナログ信号線ＡＳ）とを含んでいる。一体的なケーブルＣ２は、少なくとも４本の芯線を含んでいる必要がある。これによって、ケーブルＣ２を介して、電力供給を行うとともに、外部装置３０から、バルブ制御装置２０のバルブ駆動回路２２をアナログ制御することも可能になる。
　アナログ制御を行う場合、外部装置３０からはケーブルＣ２を利用してバルブ制御装置２０の入出力端子２４に制御信号が送られ、ここに設けられたＡ／Ｄコンバータ等によって変換されたデジタル通信同様のデジタルデータがバルブ駆動回路２２を入力する。これによって、デジタル通信による制御と同等のバルブ制御を行うことができる。また、バルブ駆動回路２２が流量等を示すデジタルデータを出力する場合、入出力端子２４に接続されたＤ／Ａコンバータ等によってアナログ出力として外部装置３０に伝送することもできる。
　また、本実施形態においては、ケーブルＣ２は、バルブ駆動回路２２から外部装置３０へのアナログデータ伝送を行うための２本の芯線も含んでいる。このため、Ｄ－ｓｕｂ９Ｐｉｎのうちの６ピンを用いて、バルブ制御装置２０への電力供給と、バルブ駆動回路２２に対する信号入出力を行うことができる。
　Ｄ－ｓｕｂ９Ｐｉｎを用いる場合のピンアサインとしては、例えば、ピン番号１、２が信号入力＋（０～１０Ｖ）、信号入力－（０Ｖ）に割り当てられ、ピン番号４、５が信号出力＋（０～１０Ｖ）、信号出力－（０Ｖ）に割り当てられ、ピン番号８、９が電源＋（ＤＣ２４Ｖ）、電源－（０Ｖ）に割り当てられる。
　図３（ａ）および（ｂ）は、バルブ制御装置２０の端子面および側面をそれぞれ示す。バルブ制御装置２０の端子面には、外部装置３０とのアナログ通信を行うためのコネクタ２４Ｃ、バルブ１０との接続を行うためのコネクタ２７、さらに、外部装置３０とのデジタル通信を行うためのデジタル入出力端子２６Ｃとが設けられている。
　図３（ａ）に示すように、本実施形態のバルブ制御装置２０では、コネクタ２４Ｃ、２７としてＤ－ｓｕｂ９Ｐｉｎコネクタが用いられ、デジタル入出力端子２６Ｃとして、ＲＪ４５コネクタが用いられている。その他、アドレス（ＩＤ）設定用のロータリスイッチ２９や、電源投入状態や正常／異常状態を示すパイロットランプ２８などが設けられている。また、図３（ｂ）に示すように、バルブ制御装置２０は、箱型の筐体２１の内部に、図１に示したバルブ駆動回路２２、アナログ入出力、デジタル通信回路２６を収容して構成されている。
　以上のようにして、外部装置３０から流体制御装置１００への電力供給を、２線ケーブルによって行うのではなく、４線以上を内部に有するケーブルおよび対応する接続コネクタを用いて行うことによって、余った芯線を用いて流体制御装置１００のアナログ制御を行うことも可能になる。また、６線以上を内部に有するケーブルおよび対応する接続コネクタを用いることによって、流体制御装置１００からの出力データを外部装置３０において監視することも可能になる。
　これによって、例えば、電源投入後のデジタル通信未接続の期間や、デジタル通信に不具合があった場合などにも、アナログ制御によって流体制御装置１００を動作させることができる。したがって、より故障に強い通信を確立することができ、また、柔軟な通信態様でのバルブ制御が可能である。
　なお、上記には、外部装置３０との接続に、Ｄ－ｓｕｂ９Ｐｉｎケーブルを用いる態様を説明したが、流体制御装置１００が必要とする電力の供給（例えばＤＣ３０Ｖ以下）と、流体制御装置１００のアナログ制御とが可能な限り、他の接続態様を採用しても良いことは言うまでもない。例えば、他のＤ－ｓｕｂ規格（例えばＤ－ｓｕｂ１５ＰｉｎやＤ－ｓｕｂ２５Ｐｉｎ）のコネクタ及びケーブルを用いても良い。あるいは、ハーフピッチ２０Ｐｉｎコネクタ及びケーブルを用いることもできる。
　図４は、デジタル制御とアナログ制御とのいずれを採用するかを決定するための例示的なフローを示す。ステップＳ１に示すように、電源がオンされると、次に、ステップＳ２に示すように、デジタル通信が確立されているか否かが判定される。
　ここで、デジタル通信の確立は、例えば、外部装置３０の設定によって行われる。デジタル通信が確立されていないときには、ステップＳ３に示すように、本例では、デフォルト状態としてアナログ制御が行われる。一方、デジタル通信が確立されたときには、ステップＳ４に示すように、デジタル制御が行われる。
　このように、デジタル通信が確立されたことが確認されたときには優先的にデジタル制御を行うことによって、現在主流となっているデジタル通信によるバルブ制御が可能である。また、何らかの異常の発生またはユーザの指定によりデジタル通信が確立されなかったときには、補助的にアナログ制御を行うことができる。
　また、ステップＳ４に示すように、デジタル制御においては、アナログ入力を無効とすることでデジタル制御を支障なく行い、一方で、アナログ出力は有効とすることで、その出力を外部装置３０で受け取り故障解析などに利用することもできる。
　図５は、複数の流体制御装置１００を、共通する外部装置３０に接続した構成を有する流体制御システムの構成例を示す図である。流体制御装置１００は、例えば、流体供給システムに設けられた複数のガス供給ラインのそれぞれに対して設けられる。また、これらの流体制御装置１００は、共通する外部装置３０によって一括して制御が可能である。
　図５に示す態様では、外部装置３０のデジタル通信回路と、各流体制御装置１００のバルブ制御装置２０とが、ケーブルＣ１によって接続される。同様に、外部装置３０の電源回路およびアナログ通信回路とが、内部に４線以上を有する一体的なケーブルＣ２によって各流体制御装置１００のバルブ制御装置２０に接続される。このようにして、複数の流体制御装置１００を、電力供給しながら、デジタル制御およびアナログ制御によって柔軟に制御することができる。なお、デジタル通信方式としてＥｔｈｅｒＣＡＴを採用する場合、各流体制御装置１００をスレーブとして、外部装置３０といずれか１つの流体制御装置とを接続し、残りの流体制御装置はスレーブ同士で互いに接続するようにしてもよい。
　本発明の実施形態による流体制御装置は、例えば、半導体製造のガス供給ラインに接続されてガスの流量を制御するために好適に利用される。
　１０　バルブ
　１１　流路ブロック
　１２　ピエゾアクチュエータ
　１３　ダイヤフラム弁体
　１４　弁座
　１５　変位量センサ
　１７　コネクタ
　２０　バルブ制御装置
　２２　バルブ駆動回路
　２４　入出力端子
　２６　デジタル通信回路
　３０　外部装置
　Ｃ１　ケーブル　（デジタル通信）
　Ｃ２　ケーブル　（電源、アナログ通信）
　ＰＳ　電力供給線
　ＡＳ　アナログ信号線
　１００　流体制御装置
 
 

Claims (6)

  1. 　外部装置と通信可能なバルブ制御装置と、該バルブ制御装置と接続されるバルブとを備えた流体制御装置であって、
    　前記バルブ制御装置は、
    　前記バルブを駆動するためのバルブ駆動回路と、
    　該バルブ駆動回路に接続されたデジタル通信回路と、
    　前記バルブ駆動回路に接続された入出力端子と、を備え、
    　前記外部装置に設けられたデジタル通信回路と、前記バルブ制御装置の前記デジタル通信回路とがデジタル通信できるように構成されており、
    　前記外部装置に設けられた供給電源とアナログ通信回路とが、接続コネクタを有し少なくとも四線を内部に備えた一体的なケーブルによって前記バルブ制御装置の前記入出力端子と接続可能であり、前記外部装置からの電力とアナログ信号とが前記入出力端子を介して供給されるように構成されている、流体制御装置。
  2. 　前記ケーブルと前記入出力端子との接続は、Ｄ－ｓｕｂコネクタによって行われる、請求項１に記載の流体制御装置。
  3. 　前記バルブには、弁体の開度を測定するための変位量センサが設けられており、前記バルブ駆動回路は、前記変位量センサの出力に基づいて前記バルブのアクチュエータをフィードバック制御するように構成されている、請求項１または２に記載の流体制御装置。
  4. 　前記バルブと前記バルブ制御装置とは分離して設けられ、ケーブルを介して接続されている、請求項１または２に記載の流体制御装置。
  5. 　複数の流体制御装置であって、それぞれが請求項１または２に記載の流体制御装置である複数の流体制御装置を備え、
    　前記外部装置に対して、複数の流体制御装置のそれぞれのバルブ制御装置のデジタル通信回路が、イーサネットベースフィールドバスシステムによって接続されているとともに、それぞれのバルブ制御装置の入出力端子が、前記外部装置の供給電源とアナログデータ通信回路に、少なくとも四線を内部に備えた一体的なケーブルによって接続されている、流体制御システム。
  6. 　請求項１または２に記載の流体制御装置が備える、前記バルブ制御装置。
     
     
     
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07210254A (ja) * 1993-11-30 1995-08-11 Hitachi Metals Ltd ガス質量流量制御装置
WO2017188129A1 (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 株式会社フジキン 流体制御装置、流体制御装置の制御方法、および、流体制御システム
WO2019107215A1 (ja) * 2017-11-30 2019-06-06 株式会社フジキン 流量制御装置
JP2021523462A (ja) * 2018-05-07 2021-09-02 ラム リサーチ コーポレーションＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 構成可能な分散インターロック−システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07210254A (ja) * 1993-11-30 1995-08-11 Hitachi Metals Ltd ガス質量流量制御装置
WO2017188129A1 (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 株式会社フジキン 流体制御装置、流体制御装置の制御方法、および、流体制御システム
WO2019107215A1 (ja) * 2017-11-30 2019-06-06 株式会社フジキン 流量制御装置
JP2021523462A (ja) * 2018-05-07 2021-09-02 ラム リサーチ コーポレーションＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 構成可能な分散インターロック−システム

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