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JP7791604B2 - 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
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JP7791604B2 - 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

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Description

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(登録商標)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 (7)

  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おり、前記バルブ駆動回路には、前記外部装置の前記デジタル通信回路および前記アナログ通信回路を介して、前記バルブを制御するためのデジタル制御信号およびアナログ制御信号のいずれもが入力可能であり、前記バルブ駆動回路は、デジタル制御またはアナログ制御のいずれかを選択して前記バルブを制御することができるように構成されている、流体制御装置。
  2. 前記外部装置は、デジタル通信が確立されているか否かを判定可能に構成されており、前記バルブ駆動回路は、デジタル通信が確立しているときはアナログ入力を無効にしてデジタル制御を行い、デジタル通信が確立していないときはアナログ制御を行うように構成されている、請求項1に記載の流体制御装置。
  3. 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または2に記載の流体制御装置。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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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