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KR102745533B1 - 유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법 - Google Patents

유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법 Download PDF

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KR102745533B1
KR102745533B1 KR1020227042260A KR20227042260A KR102745533B1 KR 102745533 B1 KR102745533 B1 KR 102745533B1 KR 1020227042260 A KR1020227042260 A KR 1020227042260A KR 20227042260 A KR20227042260 A KR 20227042260A KR 102745533 B1 KR102745533 B1 KR 102745533B1
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fluid control
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토시히데 요시다
츠토무 시노하라
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

유체 제어 장치(10)는 유로의 개폐 및 유로에 흐르는 유체의 유량의 조정을 행하기 위한 액추에이터(22, 24)를 포함하는 밸브 장치(V2)와, 밸브 장치(V2)의 상류측에 설치된 압력 센서(PT)와, 밸브 장치(V2) 및 압력 센서(PT)에 접속된 제어 회로(12)를 구비하며, 제어 회로(12)는 유체 제어 장치의 상류측이 폐쇄되고 또한 액추에이터를 이용하여 밸브 장치를 개방하고 있는 상태에 있어서, 압력 센서(PT)에 의해 측정된 압력과 기준 압력 강하 곡선에 의거해, 액추에이터의 동작을 제어한다.

Description

유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법
본 발명은 유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법에 관한 것으로서, 특히 탱크 내의 가스를 프로세스 챔버에 공급할 때 등에 이용되며, 일차측의 유체 압력 변동을 따를 때에도 안정적으로 유체를 공급할 수 있는 유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서는, 소망 유량으로 가스를 프로세스 챔버에 공급할 필요가 있다. 이를 위한 유량 제어 장치로서는, 매스플로우 컨트롤러(열식 질량 유량 제어기)나 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있다.
압력식 유량 제어 장치는 컨트롤 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트나 임계 노즐)를 조합시킨 비교적 간단한 기구에 의해, 각종 유체의 질량 유량을 정밀도 좋게 제어할 수 있으므로 널리 이용되고 있다. 압력식 유량 제어 장치에는, 컨트롤 밸브의 개도 조정에 의해 스로틀부의 상류측의 유체 압력(즉, 상류 압력)을 제어하고, 이 상류 압력에 따른 유량으로 스로틀부의 하류측에 유체를 흐르게 하는 것이 있다. 압력식 유량 제어 장치는 일차측 공급압, 즉 컨트롤 밸브의 상류측의 유체 압력이 크게 변동하는 상황에 있어서도, 안정적인 유량 제어를 행할 수 있다고 하는 우수한 유량 제어 특성을 갖고 있다.
압력식 유량 제어 장치의 컨트롤 밸브로서, 압전 소자 구동 장치(피에조 액추에이터라고도 불린다)에 의해 금속 다이어프램 밸브체를 개폐시키도록 구성된 압전 소자 구동식 밸브(피에조 밸브라고도 불린다)가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 압전 소자 구동식 밸브는 높은 응답성을 갖고 있어, 압력 센서의 출력에 의거하여 피에조 액추에이터를 피드백 제어함으로써, 상류 압력 및 유량을 제어할 수 있다.
일본 특허 공개 제2003-120832호 공보 국제 공개 제2019/171593호 국제 공개 제2018/021327호 일본 특허 제3890138호 공보 국제 공개 제2018/180745호
상술한 압전 소자 구동식 밸브는 소류량의 가스를 정밀도 좋게 유량 제어하기 위해서 적합하게 이용되지만, 그 한편 대류량의 가스를 흐르게 하는 것이 곤란한 경우가 있다. 이것은 압전 소자(피에조 소자라고도 불린다)의 신장에 의해 제어할 수 있는 밸브 개폐의 범위에는 한계가 있기 때문이다. 또한, 압력식 유량 제어 장치에서는 스로틀부를 통해 가스의 공급을 행하므로, 어떻게 해도 가스의 흐름이 제한되어, 대류량으로 가스를 흐르게 하기 어렵다고 하는 문제도 있다.
이 때문에, 대류량이 요구되는 용도에 있어서는 별도의 타입의 밸브나 유량 제어 장치의 사용이 검토되고 있다. 예를 들면, 본 출원인에 의한 특허문헌 2에는 공기압에 의해 개폐 동작을 행하는 주 액추에이터와, 개도 조정용의 피에조 액추에이터를 조합시켜 구성된 밸브 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 밸브 장치에서는, 주 액추에이터를 이용하여 밸브를 크게 엶과 아울러, 개도의 미세 조정을 피에조 액추에이터에 의해 행할 수 있으며, 비교적 대류량의 가스여도 유량을 제어하여 공급할 수 있다.
단, 특허문헌 2에 기재된 밸브 장치는 매스플로우 컨트롤러 등을 구비하는 유체 제어 장치의 하류측에 배치되어, 유량 미세 조정도 가능한 개폐 밸브로서 기능하는 것이다. 이 때문에, 유체 제어 장치에 의한 유량 제어 하에, 밸브 장치의 일차측 유체 압력은 대체로 일정한 상황에서 사용되고 있어, 일차측의 유체 압력이 대폭 변동하는 용도는 상정되어 있지 않다.
따라서, 비교적 대류량의 유체를 흐르게 할 수 있을 뿐만 아니라, 탱크 내 유체의 공급을 행할 때 등, 일차측의 유체 압력 변동을 따르면서 유체 공급을 행할 때에도, 유체를 하류측에 안정적으로 공급하는 것이 가능한 유체 제어 장치에 대한 요구가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 압력 변동을 따르는 유체를 안정적으로 공급하기 위해 적합하게 이용되는 유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법에 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치는 유로의 개폐 및 상기 유로에 흐르는 유체의 유량의 조정을 행하기 위한 액추에이터를 포함하는 밸브 장치와, 상기 밸브 장치의 상류측에 설치된 압력 센서와, 상기 밸브 장치 및 상기 압력 센서에 접속된 제어 회로를 구비하며, 상기 제어 회로는 상기 유체 제어 장치의 상류측이 폐쇄되고 또한 상기 액추에이터를 이용하여 상기 밸브 장치를 개방하고 있는 상태에 있어서, 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력과 기준 압력 강하 곡선에 의거하여, 상기 액추에이터의 동작을 제어한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 밸브 장치는 구동 유체에 의해 동작하는 주 액추에이터와, 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 부 액추에이터와, 상기 주 액추에이터 및 부 액추에이터에 의해 동작 가능한 밸브체를 구비한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 밸브 장치는 상기 주 액추에이터 및 상기 부 액추에이터에 의해 이동하는 조작 부재와, 상기 부 액추에이터를 상기 밸브체의 방향으로 바이어싱하는 탄성 부재를 더 구비하고, 상기 주 액추에이터가 상기 탄성 부재의 바이어싱력에 저항하여 상기 조작 부재를 이동시키며, 또한 상기 부 액추에이터의 신장에 의해 상기 탄성 부재의 바이어싱력을 증가시켜 상기 조작 부재를 이동시키도록 구성되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 밸브 장치는 구동 유체에 의해 동작하는 액추에이터 및 밸브체를 구비하는 주 밸브와, 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 액추에이터 및 밸브체를 구비하는 부 밸브에 의해 구성되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 압력 센서의 하류에서 분기 유로가 형성되어 있고, 상기 주 밸브가 분기 유로의 일방에 배치되며, 상기 부 밸브가 분기 유로의 타방에 배치되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 장치는 상기 밸브 장치의 개폐를 판단하기 위한 개폐 검지 장치를 더 구비한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 개폐 검지 장치는 리밋 스위치를 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 액추에이터는 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 액추에이터를 포함하며, 상기 개폐 검지 장치는 상기 액추에이터에 공급되는 전압의 변화에 의해 상기 밸브체의 개폐를 검지한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제어 회로는 기준 흐름이 발생하고 있을 때에 상기 압력 센서를 이용하여 상기 기준 압력 강하 곡선을 측정에 의해 얻도록 구성되어 있으며, 상기 기준 압력 강하 곡선에 의거한 근사 다항식을 구함과 아울러, 구한 근사 다항식에 따르는 소정 시각에서의 압력값과, 상기 압력 센서에 의해 측정된 상기 소정 시각에서의 압력값의 차에 의거하여, 상기 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 근사 다항식에 따르는 소정 시각에서의 압력값과, 상기 압력 센서에 의해 측정된 상기 소정 시각에서의 압력값의 차에 의거하여, 상기 기준 압력 강하 곡선에 의거한 상기 액추에이터의 제어 지령값을 보정하며, 보정한 제어 지령값에 의거하여 상기 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성되어 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 공급 시스템은 유체 공급원과, 상기 유체 공급원의 하류측에 설치된 상류 개폐 밸브와, 상기 상류 개폐 밸브의 하류측에 설치된 탱크와, 상기 탱크의 하류측에 설치된 상기 중 어느 것에 기재된 유체 제어 장치를 구비한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 장치의 상기 제어 회로는 상기 상류 개폐 밸브가 닫힌 상태에서, 상기 탱크에 저류된 가스를 상기 유체 제어 장치를 통해 공급할 때에, 상기 기준 압력 강하 곡선에 의거하여 상기 액추에이터의 동작을 제어한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 공급 방법은 상기 유체 공급 시스템을 이용하여 행해지고, 상기 상류 개폐 밸브를 엶과 아울러 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫은 상태에서, 상기 탱크에 상기 유체 공급원으로부터의 가스를 저류하는 공정과, 상기 가스가 저류된 후에 상기 상류 개폐 밸브를 닫는 공정과, 상기 상류 개폐 밸브를 닫은 후에, 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 열어 상기 탱크에 저류된 가스를 공급하는 공정을 포함하며, 상기 탱크에 저류된 가스를 공급하는 공정은 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력과 기준 압력 강하 곡선에 의거하여, 상기 액추에이터의 동작을 제어하는 공정을 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유체 공급 방법은 상기 가스를 공급하는 공정 후에 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫아 제 1 프로세스를 종료하는 공정과, 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫은 후에 상기 상류 개폐 밸브를 열어 상기 가스를 상기 탱크에 저류하고, 그 후에 상기 상류 개폐 밸브를 닫아 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 엶으로써, 다음의 제 2 프로세스에 있어서의 가스 공급을 행하는 공정을 포함하고, 상기 제 1 프로세스의 가스 공급 시에 상기 압력 센서를 이용하여 상기 기준 압력 강하 곡선을 구하며, 상기 제 1 프로세스보다 이후의 프로세스에 있어서, 상기 제 1 프로세스에서 구한 기준 압력 강하 곡선을 이용하여 상기 액추에이터의 동작이 제어된다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치에 의하면, 탱크 내의 가스의 공급 등, 일시측 압력 변동을 따르는 유체의 공급을 안정적으로 행하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치가 장착된 유체 공급 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치의 보다 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치가 구비하는 개도 조정 가능 밸브의 구체예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 유체 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 개도 조정 가능 밸브를 연 후의 압력 강하(탱크 내 가스 압력의 강하)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 기준 압력 강하 곡선 및 그 근사식을 구하는 순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 기준 압력 강하 곡선에 의거하여, 피에조 액추에이터의 구동 전압을 제어하는 순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 8은 6차의 근사 다항식을 이용한 경우에 있어서의 압력 샘플링 데이터와 근사 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 의한 압력 측정에 의거한 밸브 동작 제어를 따르는 압력 강하 및 피에조 구동 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 제어 지령값의 보정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 기준 압력 강하 곡선에 의거하여, 피에조 액추에이터의 구동 전압을 제어하는 다른 실시형태에 의한 순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 압력 측정에 의거한 밸브 동작 제어를 따르는 압력 강하 및 피에조 구동 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치(10)가 장착된 유체 공급 시스템(100)을 나타낸다. 유체 공급 시스템(100)은 가스 공급원(2)과, 가스 공급원(2)의 하류측에 설치된 상류 개폐 밸브(V1)와, 상류 개폐 밸브(V1)의 하류측에 접속된 탱크(4)와, 탱크(4)의 하류측에 설치된 유체 제어 장치(10)를 갖고 있다.
유체 제어 장치(10)의 하류측에는, 가스(G)가 사용되는 프로세스 챔버(6)가 접속되어 있다. 프로세스 챔버(6)에는, 진공 펌프(8)가 접속되어 있다. 진공 펌프(8)는 프로세스 챔버(6)의 내부나 유로를 진공 처리하기 위해 이용된다.
유체 공급 시스템(100)은 가스 공급원(2)으로부터 공급되어 탱크(4)에 저류된 가스(G)를, 유체 제어 장치(10)를 이용해 흐름을 제어하여 프로세스 챔버(6)에 공급한다. 이 목적을 위해, 유체 제어 장치(10)는 개도 미세 조정 가능한 밸브 장치(V2)와, 밸브 장치(V2)의 상류측에 설치된 압력 센서(PT)와, 밸브 장치(V2)에 설치된 온도 센서(T)를 구비하고 있으며, 압력 센서(PT)(및 온도 센서(T))의 출력에 따라 밸브 장치(V2)의 개도를 제어할 수 있도록 구성되어 있다.
상류 개폐 밸브(V1)로서는, AOV(Air Operated Valve) 등의 유체 구동 밸브나, 전자 밸브, 전동 밸브라고 하는 응답성 및 차단성이 우수한 밸브(온오프 밸브)가 적합하게 이용된다. 한편, 개도 조정 가능한 밸브 장치(V2)로서는, 피에조 액추에이터 등을 이용하여 개도의 미세 조정이 가능한 밸브가 적합하게 이용된다. 단, 본 실시형태에서는 후술하는 바와 같이, 피에조 액추에이터와 유체 구동 밸브를 조합시킨 일체 구성을 갖는 밸브 장치(V2)가 이용된다.
또한, 밸브 장치(V2)는 단수의 밸브를 이용하여 구성되는 것 외에, 복수의 밸브를 이용하여 구성되어 있어도 좋으며, 예를 들면 피에조 밸브와 유체 구동 밸브가 직렬 또는 병렬로 배치된 것이어도 좋다. 이하, 본 명세서에 있어서 밸브 장치(V2)가 닫혀 있다고 하는 경우, 적어도 1개의 밸브가 닫혀 유체 제어 장치(10)의 유로가 닫혀 있는 상태를 의미하며, 밸브 장치가 열려 있다고 하는 경우, 적어도 1개의 밸브가 열려 유체 제어 장치(10)의 유로가 열려 있는 상태를 의미한다.
유체 공급 시스템(100)은 우선, 유체 제어 장치(10)의 밸브 장치(V2)가 닫힌 상태에서 상류 개폐 밸브(V1)를 열어, 가스 공급원(2)으로부터 탱크(4) 내에 가스를 충전한다. 그 후, 상류 개폐 밸브(V1)를 닫음으로써 탱크(4)를 포함하는 유로를 봉쇄한다. 그리고, 유체 제어 장치(10)의 밸브 장치(V2)를 엶으로써, 탱크(4) 내의 가스를 프로세스 챔버(6)에 공급한다. 이 때, 유체 제어 장치(10)의 밸브 장치(V2)의 개도의 조정을 행함으로써, 탱크(4)로부터 유출되는 가스의 흐름을 제어하는 것이 가능하다.
또한, 탱크(4) 내의 가스를 프로세스 챔버(6)에 소망량만큼 공급한 후에는 유체 제어 장치(10)의 밸브 장치(V2)를 닫음으로써 공급을 멈춘다. 이것에 의해, 1개의 프로세스가 종료된다. 그 후에, 상류 개폐 밸브(V1)를 엶으로써 탱크(4) 내에 가스를 재차 충전하며, 상기와 마찬가지로 하여 다음의 프로세스를 실행할 수 있다. 이와 같이 하여, 유체 공급 시스템(100)에서는 탱크(4)에 공급된 가스의 프로세스 챔버(6)에의 공급을 반복하여 행할 수 있다.
도 2는 유체 제어 장치(10)의 보다 상세한 구성을 나타내며, 도 3은 유체 제어 장치(10)가 구비하는 밸브 장치(V2)의 상세한 구성을 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 유체 제어 장치(10)는 압력 센서(PT)와, 온도 센서(T)와, 개도 조정 가능한 밸브 장치(V2)와, 압력 센서(PT)의 출력에 의거하여 밸브 장치(V2)의 동작을 제어하기 위한 제어 회로(12)를 갖고 있다.
본 실시형태에 있어서, 밸브 장치(V2)는 압축 공기를 구동 유체로서 이용하여 밸브 기구(20)의 개폐 동작을 행하기 위한 주 액추에이터(22)와, 피에조 소자를 이용하여 전기적으로 밸브 기구(20)의 개폐 동작을 행하는 부 액추에이터(24)를 구비하고 있다. 밸브 장치(V2)는 압축 공기(14)의 공급에 의해 크게 개폐시키는 것이 가능함과 아울러, 피에조 소자에의 인가 전압(피에조 구동 신호(Spz))의 제어에 의해, 개도를 보다 정밀하게 조정하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 밸브는 특허문헌 2나, 본 출원인에 의한 일본 특허 공개 제2021-32391호 공보에 개시되어 있다. 참고를 위해, 일본 특허 공개 제2021-32391호 공보의 개시 내용의 전체를 본 명세서에 원용한다.
또한, 밸브 장치(V2)에는 밸브체의 개폐를 검지하기 위한 개폐 검지 장치(26)가 설치되어 있다. 개폐 검지 장치(26)로서는, 주로 리밋 스위치가 이용된다. 리밋 스위치는 주 액추에이터(22)에 의해 이동하는 조작 부재의 상단과 접촉 가능하게 배치된 전기 접점에 의해 구성되어 있으며, 접점의 통전 상태에 의거하여 밸브의 실제의 개폐를 나타내는 신호(개폐 검지 신호(Ssw))를 생성할 수 있다. 리밋 스위치를 구비한 유체 구동 밸브는, 예를 들면 특허문헌 3(국제 공개 제2018/021327호)에 개시되어 있다.
제어 회로(12)는 압력 센서(PT)가 측정한 유체 압력을 나타내는 압력 신호(Spr) 및 온도 센서(T)가 측정한 온도를 나타내는 온도 신호(Stm)를 AD 컨버터(15)를 통해 수취할 수 있음과 아울러, 개폐 검지 장치(26)로부터의 개폐 검지 신호(Ssw)를 입력 회로(16)를 통해 수취할 수 있다. 또한, 제어 회로(12)는 밸브 장치(V2)의 부 액추에이터(피에조 액추에이터)에 대하여, 승압 회로(17)를 이용하여 구동 전압을 부여할 수 있다. 승압 회로(17)는 제어 회로(12)로부터의 제어 신호를 피에조 소자에 인가하는 구동 전압으로 변환하기 위해 이용된다.
개폐 검지 장치(26)는 밸브체의 개폐를 검지할 수 있으면 어느 것이어도 좋고, 예를 들면 리밋 스위치 외에, 피에조 전압의 변화로부터 개폐 상태를 검지하는 것이어도 좋으며, 또는 레이저나 근접 센서 등을 이용하여 피스톤(22a) 등의 높이를 측정함으로써 개폐 상태를 검지하는 것이어도 좋다.
본 실시형태에서는, 제어 회로(12), AD 컨버터(15), 입력 회로(16), 승압 회로(17)가 유체 제어 장치(10)에 내장된 회로 기판(11)에 설치되어 있다. 단, 이에 한정되지 않으며 적어도 어느 것은 유체 제어 장치(10)의 외부에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 제어 회로(12)는 전형적으로는, CPU, 메모리 등을 구비하는 디지털 신호 처리 회로이며, 후술하는 동작을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 제어 회로(12)는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다.
도 3은 밸브 장치(V2)의 보다 구체적인 구성예(단, 개폐 검지 장치(26)는 생략)를 나타낸다. 도시하는 바와 같이, 밸브 장치(V2)는 다이어프램 밸브체(20a)를 개폐 동작시키기 위한 조작 부재(28)와, 조작 부재(28)를 비교적 크게 이동시키기 위한 주 액추에이터(22)와, 조작 부재(28)를 비교적 작게 이동시키기 위한 부 액추에이터(24)를 구비하고 있다.
본 실시형태에 있어서, 밸브 장치(V2)는 노멀 클로즈형의 밸브이며, 주 액추에이터(22) 및 부 액추에이터(24)가 구동되어 있지 않을 때, 다이어프램 밸브체(20a)는 조작 부재(28) 및 그 선단에 고정된 밸브체 누름부(28a)를 통해 주 탄성 부재(여기서는, 코일 스프링) 등으로부터 받는 바이어싱력에 의해 밸브 시트(도시하지 않음)에 압박되어 있다. 밸브 시트는 통상, 다이어프램 밸브체(20a)의 중앙부에 배치된 환 형상의 돌출면으로서 설치된다.
주 액추에이터(22)로서는, 구동 유체로서의 압축 공기를 이용하여 조작 부재(28)를 상하동시키는 공기 구동식의 액추에이터가 이용되고 있다. 주 액추에이터(22)는 복수의 환 형상의 피스톤(22a)을 포함하고 있어, 공급 파이프(22b)를 통한 압축 공기의 공급에 의해, 조작 부재(28)를 상하동시킬 수 있다.
또한, 공급 파이프(22b)에는 피스톤(22a)에 임의의 압력의 압축 공기가 공급되기 위한 압력 조정기(전공 레귤레이터 등)가 접속되어 있어도 좋다. 압력 조정기를 이용하면, 주 액추에이터(22)의 조작 압력을 임의의 크기로 조정함으로써 밸브 개도를 단계적으로 조절할 수 있다. 단, 압력 조정기를 설치하지 않으며, 주 액추에이터(22)는 전자 밸브 등을 이용한 고압 공기의 공급/정지의 제어에 의한 밸브 장치(V2)의 개폐 동작만을 행하도록 구성되어 있어도 좋다.
부 액추에이터(24)로서는, 피에조 액추에이터가 이용되고 있다. 부 액추에이터(24)는 조작 부재(28)의 내측에 있어서 조작 부재(28)에 대하여 슬라이딩 가능하게 배치되어 있다. 부 액추에이터(24)에서는, 피에조 소자에의 인가 전압을 제어함으로써 자신의 신장도가 제어된다.
또한, 밸브 장치(V2)는 조작 부재(28)의 플랜지부(28b)에 접촉하는 하부 탄성 부재(30)(여기서는, 코일 스프링)와, 부 액추에이터(24)의 상방에 위치하는 상부 탄성 부재(32)(여기서는, 접시 스프링)를 갖고 있다. 하부 탄성 부재(30) 및 상부 탄성 부재(32)의 상단은 각각, 부동 부분인 보디(34) 및 캡(36)에 의해 규제되어 있고, 하부 탄성 부재(30)는 조작 부재(28)를 하방향으로 바이어싱할 수 있으며, 상부 탄성 부재(32)는 부 액추에이터(24)를 하방향으로 바이어싱할 수 있다.
이상의 구성을 갖는 밸브 장치(V2)에 있어서, 주 액추에이터(22) 및 부 액추에이터(24)를 구동하지 않는 상태에서는, 다이어프램 밸브체(20a)는 조작 부재(28)의 플랜지부(28b)를 하측으로 압박하는 하부 탄성 부재(30)의 바이어싱력과, 부 액추에이터(24)를 하측으로 압박하는 상부 탄성 부재(32)의 바이어싱력에 의하여, 밸브 시트에 압박되어 있다.
한편, 밸브를 열 때에는 주 액추에이터(22)에 압축 공기가 공급되어, 주 액추에이터(22)는 하부 탄성 부재(30) 및 상부 탄성 부재(32)의 바이어싱력에 저항하며, 피스톤(22a)에 의해 조작 부재(28)를 상측으로 들어 올린다. 이 때, 하중의 밸런스가 취해져 있으므로 조작 부재(28)의 이동은 비교적 매끄럽게 행해지며, 조작 압력에 대응한 개도로 조정하기 쉽다. 또한, 주 액추에이터(22)를 이용하여 밸브를 개방함과 아울러, 부 액추에이터(24)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 밸브 개도를 보다 정밀하게 조정할 수 있다.
이와 같이, 주 액추에이터(22)에 의한 개폐 동작과, 부 액추에이터(24)에 의한 개도 미세 조정을 행할 수 있는 밸브 장치(V2)를 이용하면, 대류량의 가스를 높은 응답성으로 흐르게 하는 것이 가능함과 아울러, 그 개도를 정밀하게 조정하여 가스의 흐름을 정확하게 제어하는 것이 가능하다.
또한, 주 액추에이터 또는 부 액추에이터 중 어느 1개만으로 개폐 동작과 개도 미세 조정의 양방이 실현 가능하면, 밸브 장치(V2)로서 1개의 액추에이터 및 1개의 밸브만을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 주 액추에이터와 부 액추에이터는 반드시 1개의 밸브에 설치되어 있을 필요는 없으며, 각각 별개의 밸브에 설치되어 있어도 좋다. 그 경우, 각 밸브를 동일 유로에 설치하는 구조여도 좋으며, 또는 유로를 분기하여, 분기 유로에 각 밸브를 설치하는 구조여도 좋다.
도 4는 분기 유로의 각각에 밸브를 설치한 형태의 유체 제어 장치(10A)를 나타낸다. 유체 제어 장치(10A)에서는, 밸브 장치(V2)가 주 액추에이터(22) 및 대응하는 밸브체를 구비하는 밸브(V2a)(주 밸브라고 부르는 경우가 있다)와, 부 액추에이터(24) 및 대응하는 밸브체를 구비하는 밸브(V2b)(부 밸브라고 부르는 경우가 있다)에 의해 구성되어 있다. 밸브 장치(V2)를 구성하는 주 밸브(V2a)와 부 밸브(V2b)는 압력 센서(PT)의 하류측에 있어서 분기된 유로에 각각 설치되어 있으며, 주 밸브(V2a)를 이용하여 유로의 신속한 개폐를 행함과 아울러, 부 밸브(V2b)를 이용하여 유체 제어 장치(10A)의 하류측에 흐르는 가스의 유량 등을 미세 조정하는 것이 가능하다.
또한, 유체 제어 장치(10A)에서는 온도 센서(T)가 주 밸브(V2a)의 본체 온도를 측정하도록 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 온도 센서(T)는 주 밸브(V2a) 및 부 밸브(V2b)의 각각에 설치되어 있어도 좋으며, 또는 압력 센서(PT)의 근방의 공통 유로에 있어서 설치되어 있어도 좋다. 온도 센서는 밸브 장치(V2)의 온도 또는 가스 온도를 적절히 측정할 수 있는 한 임의의 형태로 설치될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 유체 제어 장치(10)의 동작을 설명한다. 유체 제어 장치(10)는 상류 개폐 밸브(V1)를 닫은 후, 밸브 장치(V2)를 열어 탱크 내의 가스를 유출시킬 때에, 압력 센서(PT)를 이용하여 압력의 강하를 측정하도록 구성되어 있다. 그리고, 측정된 압력 강하가 미리 주어진 기준 압력 강하 곡선과 다를 때에는, 기준 압력 강하 곡선에 적합한 압력이 되도록, 부 액추에이터(24)의 구동을 제어한다.
이것에 의해, 매회의 프로세스에서 기준 압력 강하 곡선을 따르도록 탱크 내 가스의 공급을 행할 수 있다. 이 때문에, 프로세스마다 편차가 저감된 안정적인 가스 공급을 행하는 것이 가능해진다.
기준 압력 강하 곡선으로서는, 전형적으로는 최초로 행하는 프로세스(제 1 프로세스라고 칭하는 경우가 있다)에 있어서, 압력 센서(PT)를 이용하여 측정에 의해 구한 압력 강하 곡선이 이용된다. 이와 같이 하여 기준 압력 강하 곡선을 결정함으로써, 2번째 이후의 프로세스도 제 1 프로세스와 마찬가지의 가스의 흐름으로 가스 공급을 행하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 일차측 압력이 변동하는 가스 공급 형태에 있어서도 매회, 마찬가지의 압력 변동에서의 가스 공급을 행하는 것이 가능해지고, 안정적인 가스 공급을 실현할 수 있다.
단, 기준 압력 강하 곡선은 반드시 제 1 프로세스에 있어서 구할 필요는 없고, 도중의 프로세스에 있어서 구하며, 그 이후의 프로세스에 반영시켜도 좋다. 또한, 기준 압력 강하 곡선은 프로세스 시의 측정에 의해 구한 것에 한정되지 않고, 미리 이상적인 환경 하에서 측정에 의해 얻은 것이어도 좋으며, 또한 측정에 관계없이 이상 곡선으로서 설정된 것이어도 좋다.
이하, 기준 압력 강하 곡선을 이용하여 가스 공급 시의 흐름의 제어를 행하는 이유에 대해서 설명한다. 도 5는 비교예에 있어서의 밸브 장치(V2)를 연 후의 압력 강하 곡선을 나타내며, 특히 초기 탱크 내 압력이 90∼110kPa abs로 다른 경우의 각 압력 강하 곡선 P90∼P110을 나타내고 있다. 여기서는, 초기 압력이 100kPa abs(P100)일 때의 그래프가 기준 압력 강하 곡선으로서 설정되어 있다. 또한, 도 5에는 피에조 소자의 구동 전압 Pz90∼Pz110도 나타내어져 있어, 이 비교예에 있어서는 초기 압력에 관계 없이 피에조 소자의 구동 전압은 50%로 일정하게 고정되어 있다.
또한, 그래프 P90, P95, P100, P105, P110은 각각, 초기 압력 90kPa, 95kPa, 100kPa, 105kPa, 110kPa일 때의 압력 강하 곡선을 나타내며, 그래프 Pz90, Pz95, Pz100, Pz105, Pz110은 각각, 초기 압력 90kPa, 95kPa, 100kPa, 105kPa, 110kPa일 때의 피에조 구동 전압을 나타낸다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 주 액추에이터를 이용하여 밸브 장치(V2)를 연 후, 탱크 내의 초기 압력에 관계 없이, 시간의 경과와 함께 가스는 유출되며, 압력은 저하된다. 이 때, 밸브 장치(V2)의 하류측의 압력은 진공 펌프를 이용하여, 예를 들면 진공압(100torr 이하)으로 유지되고 있다.
단, 초기 압력의 차에 의해 압력 강하 곡선 P90∼P110은 약간 다른 것으로 되어 있어, 공급 중의 가스의 흐름에 차가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 가스의 흐름에 차가 발생하고 있으면, 프로세스 챔버에 공급되는 가스의 유량이나, 일정 기간에 공급되는 가스의 전체 공급량이 초기 압력마다 다른 것이 되어버린다. 이것에 의해, 안정적인 프로세스를 계속해서 행하지 못할 우려가 있다.
초기 압력에 의한 가스의 흐름의 변화를 억제하기 위해서는, 탱크 내로의 가스의 저류 시에 압력 센서에 의한 측정에 의거하여, 초기 압력이 일정해지도록 탱크 내 가스 압력을 제어하는 것이 고려된다. 초기 압력은 상류 개폐 밸브(V1)를 닫는 타이밍을 조정함으로써 제어하는 것이 가능하다.
그러나, 현실적으로는 가스 저류 시의 환경 등에 의해, 프로세스마다 탱크 내 가스 압력을 일정하게 하는 것이 곤란한 경우도 있다. 또한, 가령 초기 압력을 일정하게 할 수 있었다고 해도, 밸브 장치(V2)의 기차나 탱크의 용적, 유체나 환경의 온도 등에 의해, 밸브 장치(V2)를 개방했을 때의 압력 강하 곡선은 다른 것이 된다. 또한, 밸브 장치(V2)가 갖는 유량 특성이 경년적으로 변화하는 것도 고려된다. 따라서, 안정적인 가스 공급을 행하기 위해서는 기준 압력 강하 곡선을 미리 설정해 두고, 프로세스마다 기준 압력 강하 곡선에 의거하여 밸브 장치(V2)의 개도 조정을 행하는 것이 적합하다.
또한, 특허문헌 4에는 압력식 유량 제어 장치에 있어서, 스로틀부 상류측의 압력 강하 특성을 이용하여 스로틀부의 이상을 검지하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는 유량 하강 시에 있어서, 기준이 되는 압력 강하 특성을 참조하여, 피에조 밸브의 구동 제어를 행하는 것이 개시되어 있다. 단, 어느 문헌도 본 실시형태의 유체 제어 장치와 같이, 상류측의 개폐 밸브가 닫힌 상태에서 일차측의 압력 강하를 따르면서 밸브를 통해 유체의 공급을 행할 때에, 기준 압력 강하 특성을 참조하여 흐름 제어를 행하는 것을 개시나 시사하지 않는다.
이하, 밸브 장치(V2)의 구체적인 제어 순서를 설명한다. 도 6 및 도 7은 기준 압력 강하 곡선을 따르도록 밸브 장치(V2)의 개도 조정을 행하기 위한 예시적인 플로우차트를 나타낸다. 도 6은 기준 압력 강하 곡선에 대응하는 근사 다항식을 다항식 회귀에 의해 구하는 흐름을 나타내며, 도 7은 구한 근사 다항식(기준식)과, 측정 압력에 의거하여 밸브 장치(V2)의 동작 제어를 행하는 흐름을 나타낸다.
우선, 도 6의 스텝(S1)에 나타내는 바와 같이 기준 압력 강하 곡선을 얻기 위해, 탱크 내에 가스가 저류되어 밀봉된 상태로부터, 밸브 장치(V2)의 주 액추에이터에 밸브 조작압을 공급함으로써 밸브 장치(V2)를 개방하여 기준 흐름을 발생시킨다. 이것에 의해, 밀봉 상태(상류 개폐 밸브(V1)는 닫힘)에서 탱크 내에 저장되어 있던 가스가 밸브 장치(V2)를 통해 하류측에 급속히 유출되며, 탱크 내 압력도 저하된다. 이 때, 스텝(S2∼S3)에 나타내는 바와 같이 압력 센서를 이용하여, 밸브 상류측의 압력(탱크 압력에 대응)이 샘플링된다. 샘플링은, 예를 들면 압력 센서의 출력이 미리 설정한 하한 설정값에 도달할 때까지, 또는 소정 시간이 경과할 때까지 계속된다.
또한, 스텝(S1)에 있어서 밸브 장치(V2)가 개방된 시각은 상술의 개폐 검지 장치(26)를 이용하여 정확하게 특정하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 실제로 밸브가 열린 시각으로부터 소정 기간이 경과한 시각까지의 압력 강하를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
샘플링에 의해 압력 강하 데이터가 취득된 후에는, 스텝(S4)에 나타내는 바와 같이 취득한 데이터로부터 소프트웨어 처리(다항식 회귀)에 의해 근사 다항식을 도출한다. 다항식의 차수는 적당하게 설정되어도 좋지만, 예를 들면 6차식으로 설정된다. 이 경우, 근사식은 y=a1x6+a2x5+a3x4+a4x3+a5x2+a6x+a7과 같은 형식으로 나타내어지며, 여기서 y는 압력 대응값, x는 시간, a1∼a7은 근사 곡선에 대응하는 계수이며 압력 강하 데이터에 의거하여 결정되는 계수이다.
도 8은 측정에 의해 얻어진 압력 강하 데이터(샘플링 데이터)(Dp)와, 압력 강하 데이터로부터 얻어진 근사 다항식에 대응하는 함수 그래프(Cp)를 나타낸다. 이 예에서는, 샘플링 주기가 100㎳로 설정되어 있어, 6차 다항식을 이용하여 충분한 근사 곡선이 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이 하여 기준 압력 강하 곡선에 대응하는 근사 다항식이 얻어진 후에는, 이후의 프로세스에 있어서 기준 압력 강하 곡선에 적합한 밸브 제어 동작을 행한다.
이 이후의 프로세스의 흐름에 있어서, 탱크 내에 가스가 저류되어 밀봉된 상태로부터 도 7의 스텝(S5)에 나타내는 바와 같이, 밸브 장치(V2)를 개방하여 탱크 내의 가스를 유출시킨다. 이 때, 압력 센서(PT)를 이용하여 밸브 상류측의 압력의 측정이 행해지며, 마찬가지로 온도 센서(T)를 이용하여 가스의 온도의 측정도 행해지고 있다.
이어서 스텝(S6)에 나타내는 바와 같이, 미리 구해져 있던 상기 근사 다항식을 이용하여, 현재의 시간(x)에 대한 제어 지령값(y)(기준 압력 강하 곡선에 의거한 목표 압력값)이 연산에 의해 구해진다. 또한, 스텝(S7)에 나타내는 바와 같이 압력 센서를 이용하여 측정된 현재의 실제 압력값이 취득된다. 제어 지령값(y)의 산출(스텝(S6))과 현재 압력값의 취득(스텝(S7))은 역순으로 행해져도 좋으며, 동시에 행해져도 좋다.
또한, 스텝(S7)에 있어서 온도 센서(T)를 이용하여 측정된 온도에 의거하여 현재의 압력값의 온도 보정을 더 행하도록 해도 좋다. 이것은 압력 센서(PT)의 출력의 온도 의존성을 저감하기 위함이며, 예를 들면 제어 회로(12)의 메모리에 미리 격납된 온도 의존 정보(온도-압력 계수 테이블 등)에 의거하여 측정 압력을 온도에 따라 보정하면 된다. 이와 같이 하면, 온도에 관계없이 보다 정확한 압력값을 얻을 수 있으며, 흐름의 제어를 보다 적절히 행할 수 있다.
이어서, 스텝(S8)에 나타내는 바와 같이 현재 압력값에 의거한 피드백 제어가 행해지고, 구체적으로는 현재 압력값과 제어 지령값(y)이 비교되어, 피에조 액추에이터가 PID 제어된다. 이것에 의해, 제어 지령값(y)에 가까워지도록 밸브의 개폐 동작이 행해진다.
여기서, 밸브 장치(V2)의 부 액추에이터(피에조 액추에이터)(24)의 기준 구동 전압은 정격 전압(설정 최대 개도에 대응하는 전압)의 50%로 설정되어 있다. 이 경우, 상기 스텝(S8)에 있어서 현재 압력값이 제어 지령값(y)을 하회할 때에는, 피에조 구동 전압을 기준보다 증가시키고, 밸브 개도를 약간 감소시켜서, 압력값을 제어 지령값(y)에 가까워지도록 동작시킬 수 있다. 또한, 현재 압력값이 제어 지령값(y)을 상회할 때에는 피에조 구동 전압을 기준보다 감소시키고, 밸브 개도를 약간 증가시켜서, 압력값을 제어 지령값(y)에 가까워지도록 동작시킬 수 있다.
상기 기준 압력 강하 곡선(여기서는, 다항식)에 의거한 피에조 액추에이터의 PID 제어는 스텝(S9)에 있어서 종료 시가 확인될 때까지 계속된다. 종료 시는 현재 압력값이 소정 값을 하회했을 때여도 좋으며, 소정 시간이 경과했을 때여도 좋다.
도 9는 상기 밸브 동작 제어를 행한 결과의 압력 강하 곡선(실선) P90∼P110과, 피에조 구동 전압(파선) Pz90∼Pz110을 나타내는 그래프이다. 기준 초기 압력을 100kPa(P100)로 하여, 초기 압력이 그보다 큰 경우(P105, P110)와, 그보다 작은 경우(P90, P95)를 나타내고 있다.
도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 초기 압력이 기준값(100kPa)보다 작은 경우(90KPa, 95KPa)에는 피에조 구동 전압(Pz90, Pz95)을 50%보다 증가시킴으로써 밸브 개도를 약간 작게 하고, 이것에 의해 압력을 증가시키며 기준 압력 강하 곡선에 가까워지도록 밸브 개도의 제어가 행해진다. 시간의 경과와 함께, 압력 강하 곡선은 기준 압력 강하 곡선에 가까워지며, 이와 함께 피에조 구동 전압(Pz90, Pz95)도 기준값의 50%로 돌아가는 움직임을 보이고 있다.
또한, 초기 압력이 기준값보다 큰 경우(105KPa, 110KPa)에는 피에조 구동 전압(Pz105, Pz110)을 50%보다 감소시킴으로써 밸브 개도를 약간 크게 하고, 이것에 의해 압력을 감소시키며 기준 압력 강하 곡선에 가까워지도록 밸브 개도의 제어가 행해진다. 시간의 경과와 함께, 압력 강하 곡선은 기준 압력 강하 곡선에 가까워지며, 이와 함께 피에조 구동 전압도 기준값의 50%로 돌아가는 움직임을 보이고 있다.
또한, 본 실시형태의 밸브 장치(V2)에서는 폐쇄 시에는 주 액추에이터에 구동 유체가 공급되지 않음과 아울러, 부 액추에이터의 구동 전압은 0으로 설정되어 있다. 이 때문에, 초기 압력이 기준값(100kPa)일 때에도, 밸브 해방 후에 PID 제어에 의해, 피에조 액추에이터의 구동 전압 Pz100이 기준의 50%까지 증가하는 동작을 확인할 수 있다.
이어서, 보다 신속히 기준 압력으로 이행시키기 위한 다른 실시형태에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 압력 센서(PT) 및 온도 센서(T)의 출력에 의거하여 제어 지령값(y)을 보정하고, 보정 후의 제어 지령값(y')에 의거하여 밸브 장치(V2)의 부 액추에이터(피에조 액추에이터)의 구동 전압이 제어된다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 제어 지령값(y)과 현재 압력값(FB)의 편차가 실시간으로 구해지고, 이 편차를 제어 지령값(y)에 추가함으로써 보정 후의 제어 지령값(y')이 생성된다. 도시예에서는, 제어 지령값(y)보다 실제의 압력값(FB)의 쪽이 더 작았기 때문에, 제어 지령값(y)을 상회하는 보정 후 제어 지령값(y')이 생성되어 있다. 이 상태는, 예를 들면 초기 압력이 기준 초기 압력보다 작았기 때문에, 기준 압력 강하 곡선에 적합하게 하기 위해서는 밸브 개도를 보다 작게 할 필요가 있는 상태에 대응하고 있다.
이와 같이 하여 보정된 제어 지령값(y')(보정 지령값(y'))이라고 부르는 경우가 있다)에 의하면, PID 제어에 있어서 피에조 액추에이터의 구동 전압은 보다 크게 감소하여, 밸브 개도를 보다 신속히 작게 하는 동작이 행해진다. 이것에 의해, 기준 압력 강하 곡선에 적합한 압력에 의해 빠르게 조정할 수 있다.
도 11은 본 실시형태에 있어서, 기준 압력 강하 곡선을 따르도록 밸브 장치(V2)의 개도 조정을 행하기 위한 예시적인 플로우차트를 나타낸다.
우선, 도 7에 나타낸 플로우차트와 마찬가지로 탱크 내에 가스가 저류된 상태로부터 스텝(S10)에 있어서 밸브 장치(V2)가 열리고, 스텝(S11)에 있어서 다항식(기준 압력 강하 곡선의 근사식)을 이용하여 제어 지령값(y)이 산출되어, 스텝(S12)에 있어서 압력 센서를 이용하여 측정된 현재의 실제의 압력값이 취득된다.
이어서, 본 실시형태에서는 스텝(S13)에 나타내는 바와 같이, 제어 지령값(y)을 보정하는 동작이 행해진다. 이 동작은 스텝(S12)에서 구한 현재 압력값(FB)과, 스텝(S11)에서 구한 제어 지령값(y)의 편차(FB-y)를 구하고, 이 편차를 제어 지령값(y)으로부터 감산함으로써 행해진다.
여기서, 제어 지령값(y)보다 현재 압력값(FB)이 작을 때에는 편차(FB-y)는 음의 값을 취하므로, 보정 후의 제어 지령값(y')은 제어 지령값(y)보다 편차분만큼 큰 것이 된다. 반대로, 제어 지령값(y)보다 현재 압력값(FB)이 클 때에는 편차(FB-y)는 양의 값을 취하므로, 보정 후의 제어 지령값(y')은 제어 지령값(y)보다 편차분만큼 작은 것이 된다.
그 후에는, 스텝(S14)에 나타내는 바와 같이 보정 지령값(y')(및 현재 압력값(FB))에 의거하여 피에조 액추에이터의 PID 제어가 행해진다. 이것에 의해, 보정 전의 제어 지령값(y)을 이용하는 경우와 비교하여 보다 신속히, 제어 지령값(y)에 맞추어 넣는 동작을 행할 수 있다. 이 동작은 스텝(S15)에 있어서 종료 시가 확인될 때까지 계속된다.
도 12는 상기 다른 실시형태의 밸브 동작 제어를 행한 결과의 압력 강하의 그래프(실선)와, 피에조 구동 전압(파선)을 나타내는 그래프이다. 기준 초기 압력을 100kPa로 하여, 초기 압력이 그보다 큰 경우와, 그보다 작은 경우를 나타내고 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 도 9에 나타낸 실시형태의 경우와 비교하여, 보다 신속히 기준 압력 강하 곡선에 맞추어 넣는 동작이 실현되고 있는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만 각종의 개변이 가능하다. 예를 들면, 상기에는 부 액추에이터로서 피에조 액추에이터를 이용하는 형태를 설명했지만, 이에 한정되지 않으며 전기 구동형 고분자 재료 또는 전기 활성 고분자 재료 등의 전기적인 구동에 의해 변형 가능한 재료를 포함하는 액추에이터를 이용할 수도 있다. 또한, 전기적인 구동이란 소자에 전압을 인가하는 것이나, 소자에 전류를 흐르게 하는 것, 또는 소자의 주위에 전계를 형성하는 것 등을 포함한다. 또한, 피에조 액추에이터 대신에 자력을 이용하는 솔레노이드를 포함하는 액추에이터를 이용할 수도 있다.
또한, 상기에는 노멀 클로즈형의 밸브 장치를 설명했지만 노멀 오픈형의 밸브 장치여도 좋다. 또한, 피에조 소자의 하단부와 다이어프램 누름부 사이에 익스텐션(격리 부재, 도시하지 않음)을 삽입 가능한 구조로 함으로써, 피에조 소자에 온도(고온 또는 저온)의 영향이 미치지 않도록 할 수도 있다.
또한, 상기에는 유체 구동 밸브와 피에조 액추에이터를 조합시킨 타입의 밸브 장치(V2)를 이용하는 형태를 설명했지만, 피에조 밸브 등의 일반적인 개도 조정 가능한 밸브를 이용하여 유체 제어 장치를 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 장치, 유체 공급 시스템 및 유체 공급 방법은, 예를 들면 반도체 제조를 위해 적합하게 이용된다.
2: 가스 공급원 4: 탱크
6: 프로세스 챔버 8: 진공 펌프
10: 유체 제어 장치 12: 제어 회로
20: 밸브 기구 22: 주 액추에이터
24: 부 액추에이터 26: 개폐 검지 장치
100: 유체 공급 시스템 PT: 압력 센서
T: 온도 센서 V1: 상류 개폐 밸브
V2: 밸브 장치

Claims (14)

  1. 유로의 개폐 및 상기 유로에 흐르는 유체의 유량의 조정을 행하기 위한 액추에이터를 포함하는 밸브 장치와,
    상기 밸브 장치의 상류측에 설치된 압력 센서와,
    상기 밸브 장치 및 상기 압력 센서에 접속된 제어 회로를 구비하는 유체 제어 장치로서,
    상기 제어 회로는 상기 유체 제어 장치의 하류측으로 유량 제어된 유체를 공급하는 동작 중에 있어서, 상기 유체 제어 장치의 상류측이 폐쇄되고 또한 상기 액추에이터를 이용하여 상기 밸브 장치를 개방하고 있는 상태에 있어서, 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력과 기준 압력 강하 곡선에 의거해 상기 액추에이터의 동작을 제어하는 유체 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 장치는 구동 유체에 의해 동작하는 주 액추에이터와, 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 부 액추에이터와, 상기 주 액추에이터 및 부 액추에이터에 의해 동작 가능한 밸브체를 구비하는 유체 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브 장치는 상기 주 액추에이터 및 상기 부 액추에이터에 의해 이동하는 조작 부재와, 상기 부 액추에이터를 상기 밸브체의 방향으로 바이어싱하는 탄성 부재를 더 구비하고,
    상기 주 액추에이터가 상기 탄성 부재의 바이어싱력에 저항하여 상기 조작 부재를 이동시키고, 또한 상기 부 액추에이터의 신장에 의해 상기 탄성 부재의 바이어싱력을 증가시켜서 상기 조작 부재를 이동시키도록 구성되어 있는 유체 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 장치는 구동 유체에 의해 동작하는 액추에이터 및 밸브체를 구비하는 주 밸브와, 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 액추에이터 및 밸브체를 구비하는 부 밸브에 의해 구성되어 있는 유체 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 센서의 하류에서 분기 유로가 형성되어 있고, 상기 주 밸브가 분기 유로의 일방에 배치되며, 상기 부 밸브가 분기 유로의 타방에 배치되어 있는 유체 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 장치의 개폐를 판단하기 위한 개폐 검지 장치를 더 구비하는 유체 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개폐 검지 장치는 리밋 스위치를 포함하는 유체 제어 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 전기적인 구동에 의해 신장 가능한 액추에이터를 포함하며, 상기 개폐 검지 장치는 상기 액추에이터에 공급되는 전압의 변화에 의해 상기 밸브 장치의 개폐를 검지하는 유체 제어 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 기준 흐름이 발생하고 있을 때에 상기 압력 센서를 이용하여 상기 기준 압력 강하 곡선을 측정에 의해 얻도록 구성되어 있으며,
    상기 기준 압력 강하 곡선에 의거한 근사 다항식을 구함과 아울러, 구한 근사 다항식에 따르는 소정 시각에서의 압력값과, 상기 압력 센서에 의해 측정된 상기 소정 시각에서의 압력값의 차에 의거하여, 상기 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성되어 있는 유체 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 근사 다항식에 따르는 소정 시각에서의 압력값과, 상기 압력 센서에 의해 측정된 상기 소정 시각에서의 압력값의 차에 의거하여, 상기 기준 압력 강하 곡선에 의거한 상기 액추에이터의 제어 지령값을 보정하고, 보정한 제어 지령값에 의거하여 상기 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성되어 있는 유체 제어 장치.
  11. 유체 공급원과,
    상기 유체 공급원의 하류측에 설치된 상류 개폐 밸브와,
    상기 상류 개폐 밸브의 하류측에 설치된 탱크와,
    상기 탱크의 하류측에 설치된 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 유체 제어 장치를 구비하는 유체 공급 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체 제어 장치의 상기 제어 회로는 상기 상류 개폐 밸브가 닫힌 상태에서, 상기 탱크에 저류된 가스를 상기 유체 제어 장치를 통해 공급할 때에, 상기 기준 압력 강하 곡선에 의거하여 상기 액추에이터의 동작을 제어하는 유체 공급 시스템.
  13. 제 11 항에 기재된 유체 공급 시스템을 이용하여 행하는 유체 공급 방법으로서,
    상기 상류 개폐 밸브를 엶과 아울러 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫은 상태에서, 상기 탱크에 상기 유체 공급원으로부터의 가스를 저류하는 공정과,
    상기 가스가 저류된 후, 상기 상류 개폐 밸브를 닫는 공정과,
    상기 상류 개폐 밸브를 닫은 후에, 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 열어 상기 탱크에 저류된 가스를 공급하는 공정을 포함하며,
    상기 탱크에 저류된 가스를 공급하는 공정은 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력과 기준 압력 강하 곡선에 의거해, 상기 액추에이터의 동작을 제어하는 공정을 포함하는 유체 공급 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 공정 후에 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫아 제 1 프로세스를 종료하는 공정과,
    상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 닫은 후에 상기 상류 개폐 밸브를 열어 상기 가스를 상기 탱크에 저류하고, 그 후 상기 상류 개폐 밸브를 닫아 상기 유체 제어 장치의 상기 밸브 장치를 엶으로써, 다음의 제 2 프로세스에 있어서의 가스 공급을 행하는 공정을 포함하며,
    상기 제 1 프로세스의 가스 공급 시에 상기 압력 센서를 이용하여 상기 기준 압력 강하 곡선을 구하고, 상기 제 1 프로세스보다 이후의 프로세스에 있어서, 상기 제 1 프로세스에서 구한 기준 압력 강하 곡선을 이용하여 상기 액추에이터의 동작이 제어되는 유체 공급 방법.
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