JP2020089037A - ピエゾアクチュエータ、流体制御バルブ、及び、流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊が生じても完全に動作が停止せず、制限された可動範囲内だけでも暫定的な運転を継続することができるピエゾアクチュエータを提供する。【解決手段】圧電セラミック層と電極層とを交互に積層して形成された複数のピエゾブロックと、複数の前記ピエゾブロックに接続された駆動回路と、を備え、複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ伸縮方向に並べて設けられており、前記駆動回路が、複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ並列に接続され、電流を供給する電源部と、複数の前記ピエゾブロックに対してそれぞれ直列に設けられた複数の制限抵抗と、を備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば流体制御バルブに用いられるピエゾアクチュエータに関するものである。

半導体製造工程ではチャンバ内に供給される各種ガスの流量を制御するためにマスフローコントローラが用いられる。このようなマスフローコントローラは、ピエゾアクチュエータを具備する流体制御バルブを備えており、ピエゾアクチュエータの伸縮量が制御されて、流体制御バルブとしての開度が調節される。この結果、所望の流量が実現される。

ところで、流体制御バルブに用いられるようなピエゾアクチュエータは変位量を大きくするために、多数のピエゾ素子を積層して形成されている（特許文献１参照）。また、各ピエゾ素子は１つの電源部に対して例えば並列に接続され、それぞれ同じ電圧が印加される。

このように構成されたピエゾアクチュエータにおいて、ピエゾ素子の１つに絶縁破壊が生じると、その部分が短絡し、他のピエゾ素子には駆動するのに必要な電圧が十分に印加されなくなってしまう。つまり、１つのピエゾ素子の故障だけで、ピエゾアクチュエータは伸縮できなくなる。ピエゾ素子の絶縁破壊は突発的に発生するため、マスフローコントローラであればプロセス中に流量制御が急停止することになってしまう。

このような流量制御の急停止は、半導体製造プロセスに大きな問題を起こしてしまうとともに、ピエゾアクチュエータが交換されるまでマスフローコントローラによる流量制御を再開させることもできない。

特開２０１０−１９０４３０号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、絶縁破壊が生じても完全に動作が停止せず、制限された可動範囲内だけでも暫定的な運転を継続することができるピエゾアクチュエータを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係るピエゾアクチュエータは、圧電セラミック層と電極層とを交互に積層して形成された複数のピエゾブロックと、複数の前記ピエゾブロックに接続された駆動回路と、を備え、複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ伸縮方向に並べて設けられており、前記駆動回路が、複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ並列に接続される電源部と、複数の前記ピエゾブロックに対してそれぞれ直列に設けられた複数の制限抵抗と、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、複数の前記ピエゾブロックのうちいずれかで絶縁破壊が生じたとしても、前記制限抵抗によって絶縁破壊が生じたピエゾブロックに流れる電流が制限され、他の絶縁破壊が生じていないピエゾブロックに供給される電圧が低下するのを防ぐことができる。

したがって、絶縁破壊が生じていないピエゾブロックは引き続き駆動させることができ、ピエゾアクチュエータとしての可動範囲が制限されたとしても暫定的に運転を継続できる。このため、ピエゾアクチュエータが突発的な絶縁破壊により急停止するのを防ぎ、停止させても問題がない状態となってから停止させて交換等を行う事が可能となる。

以上のことから、本発明に係るピエゾアクチュエータであれば、例えば半導体製造プロセスにおいて求められるような運転の継続性を満たすことが可能となる。

複数の前記ピエゾブロックのうち１つにおいて絶縁破壊が生じたとしても、他のピエゾブロックが確実に駆動し続けられるようにするには、複数の前記制限抵抗の抵抗値が、複数の前記ピエゾブロックに絶縁破壊が生じた際に前記駆動回路に流れる電流値が前記電源部の電流供給能力以下となるように設定されていればよい。

本発明に係るピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータによって駆動され、弁座に対して接離する弁体と、を備えた流体制御バルブであれば、絶縁破壊が生じても流体の制御を継続できる。

本発明に係る流体制御バルブと、流体の圧力又は流量を測定する流体センサと、流体センサで測定される測定値が、予め設定される目標値となるように前記電源部が出力する電圧を制御するバルブ制御部と、を備えた流体制御装置であれば、例えば半導体プロセスにおいて成膜等を行っている間に絶縁破壊による急停止を防ぎ、暫定的な運転でプロセスを継続することが可能となる。したがって、成膜などが完了するまではガスの供給を続け、規定の段取り替えのタイミング等でピエゾアクチュエータを行うことができ、工程への影響を最小限に抑える事が可能となる。

本発明に係るピエゾアクチュエータは絶縁破壊が生じたとしても正常なピエゾブロックに印加される電圧は大きくは変化しないことを利用して、各ピエゾブロックの故障の有無を自己診断できるようにするには、複数の前記ピエゾブロックが正常な場合における流体の圧力又は流量と、前記電源部から出力される電圧との関係である基準関係を記憶する基準関係記憶部と、前記電源部が出力する電圧を検出する電圧モニタと、前記流体センサで測定される測定値又はバルブ制御部に設定される目標値と、前記電圧モニタで検出される電圧と、前記基準関係に基づいて、複数の前記ピエゾブロックにおける故障の有無を判定する故障判定部と、を備えたものであればよい。

いずれのピエゾブロックにおいて絶縁破壊が生じたとしても、ピエゾアクチュエータ全体としての可動範囲をできるだけ広く保てるようにするには、複数の前記ピエゾブロックが、それぞれ伸縮方向の長さ寸法が同じものであればよい。また、１つのピエゾアクチュエータを構成するピエゾブロックの個数を増やしたり、ピエゾブロックの分割数を増やしたりすることでも同様の効果を得ることができる。

例えば各ピエゾブロックの伸縮に関する分解能を異ならせてより精密な位置決めを可能としたり、絶縁破壊が生じたときに現れる変化がピエゾブロックごとに異なるようにして前記故障判定部により、いずれのピエゾブロックに故障が発生したかを判定できるようにしたりするには、複数の前記ピエゾブロックの少なくとも１つが他の前記ピエゾブロックと伸縮方向の長さ寸法が異なっていればよい。

このように本発明に係るピエゾアクチュエータによれば、電源部に対して並列に接続された各ピエゾブロックに対してそれぞれ制限抵抗が直列に設けられているので、いずれかのピエゾブロックに絶縁破壊が生じたとしてもその部分に過大な電流が流れるのを防ぐことができる。このため、絶縁破壊発生時でも電源部の電流供給能力内での駆動が可能となるため、残りの正常なピエゾブロックには駆動するのに十分な電圧を印加でき、暫定的な運転を継続することができる。

本発明の第１実施形態におけるピエゾアクチュエータ、及び、それを用いた流体制御バルブ、流体制御装置を示す模式図。 第１実施形態のピエゾアクチュエータの回路構成を示す模式図。 第１実施形態のピエゾアクチュエータの回路構成を示す回路図。 本発明の第２実施形態におけるピエゾアクチュエータ、及び、それを用いた流体制御バルブ、流体制御装置を示す模式図。 本発明のその他の実施形態における流体制御バルブを示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態における流体制御装置を示す模式図。

本発明の第１実施形態におけるピエゾアクチュエータ７、及び、それを用いた流体制御バルブ３、流体制御装置１００について図１乃至図３を参照しながら説明する。

第１実施形態の流体制御装置１００はいわゆるマスフローコントローラであって、例えばチャンバに供給されるガスの流量を制御するために用いられるものである。なお、流体制御装置１００はガスだけでなく、液体を制御するものであってもよい。

図１に示すように流体制御装置１００は、内部に流路Ｃが形成されたボディ１と、流量センサ２と、流体制御バルブ３と、制御等を司る制御ボードＢと、を備えたものである。流量センサ２と流体制御バルブ３はボディ１の上面に対して取り付けられ、制御ボード、駆動回路７２等がボディ１の上面に被せられるカバー内に収容されている。このように流体制御装置１００は、流量制御に必要なセンサ、制御器、アクチュエータがパッケージ化されたものである。

流量センサ２は熱式の流量センサであり、流路Ｃに設けられた分流素子２１と、分流素子２１を上流側から分岐し、当該分流素子の下流側に合流する細管２２と、細管２２に巻回され、それぞれ一定温度に保たれるように電圧が印加される２つの電熱コイル２３と、各電熱コイル２３に印加される電圧差を検出する検出回路２４と、検出回路２４の出力に基づいて流路Ｃを流れるガスの流量を算出する流量算出部２５と、から構成される。なお、第１実施形態では熱式の流量センサを用いているが、例えば圧力式の流量センサを用いても構わない。

流体制御バルブ３は、ピエゾバルブであって、印加される電圧によってその開度が制御される。具体的に流体制御バルブ３は、ボディ１の上面に形成された凹部内に収容される弁座６１及び弁体６２からなる弁機構と、弁座６１に対する弁体６２の位置を変更する駆動力を発揮するピエゾアクチュエータ７と、弁機構とピエゾアクチュエータ７との間を接続するプランジャ８を備えている。

ピエゾアクチュエータ７は、圧電セラミック層と電極層を交互に積層して形成された複数のピエゾブロック７１と、各ピエゾブロック７１を電圧駆動する駆動回路７２と、を備えている。

ピエゾブロック７１は、圧電セラミック層を挟む一対の電極層により多数のピエゾ素子が形成されたものである。各ピエゾブロック７１は電気的には接続されていないが、各ピエゾ素子の伸縮方向が一致するにように重ねて設けられている。第１実施形態では各ピエゾブロック７１は図面に示す長手方向に対して伸縮するものであり、弁体６２を下方に押し下げる。なお、押し下げられた弁体６２はピエゾアクチュエータ７の伸び量が小さくなると、ばねの反発力で弁座６１へと押し付けられる。また、第１実施形態ではピエゾアクチュエータ７は３つの独立したピエゾブロック７１によって構成されており、各ピエゾブロック７１の長手方向の長さ寸法をそれぞれ同じに設定されている。すなわち、各ピエゾブロック７１の印加される電圧に対する伸縮量は同じ特性を有している。

駆動回路７２は、図２及び図３に示すように各ピエゾブロック７１が並列に接続される電源部ＰＳと、各ピエゾブロック７１に対してそれぞれ直列に設けられた制限抵抗Ｒと、各ピエゾブロック７１に対してそれぞれ並列に設けられ、各ピエゾブロック７１に溜まった電荷を逃がすための放電用抵抗ＲＡと、を備えている。この実施形態ではピエゾブロック７１は３つであるので、制限抵抗Ｒと放電用抵抗ＲＡについてもそれぞれ３つずつ設けてある。

電源部ＰＳは、制御ボードＢから出力される指令電圧に応じた電圧を出力するものである。ここで、各ピエゾブロック７１は電源部ＰＳに対して並列に接続されているので、各制限抵抗Ｒの抵抗値が同じ場合にはそれぞれ同じ電圧が印加されることになる。

各制限抵抗Ｒの抵抗値は、各ピエゾブロック７１のいずれかに絶縁破壊が生じた際に駆動回路７２に流れる電流値が電源部ＰＳの電流供給能力以下となるように設定されている。したがって、各ピエゾブロック７１のうちのいずれかが絶縁破壊し、その部分が短絡したとしても過大な電流が流れて、他の正常なピエゾブロック７１に対して電圧がかからなくなるといった事態が発生するのを防ぐことができる。

制御ボードＢは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力手段を備えたコンピュータであって、メモリに格納されているマスフローコントローラ用プログラムが実行され、各種機器と協業することによって制御器としての機能が実現される。すなわち、制御ボードＢは、少なくとも前述した流量算出部２５と、バルブ制御部５としての機能を発揮する。

バルブ制御部５は、外部から入力される指令流量と、流量センサ２で測定される測定流量とに基づいてバルブ３の開度を制御する。より具体的にはバルブ制御部５は、指令流量と測定流量の偏差が小さくなるように流体制御バルブ３の開度を制御する。具体的には、指令流量と測定流量の偏差に対してＰＩＤ演算を行い、その結果に応じた指令電圧を駆動回路７２中の電源部ＰＳに対して出力する。電源部ＰＳは入力されている指令電圧に対応する電圧を各ピエゾブロック７１に対して印加する。

このように構成された第１実施形態の流体制御装置１００によれば、ピエゾアクチュエータ７を構成するいずれかのピエゾブロック７１において絶縁破壊が生じたとしても、制限抵抗Ｒによって絶縁破壊が生じたピエゾブロック７１に対して過大な電流が流れないようにし、正常なピエゾブロック７１については駆動可能な電圧が供給される。

このため、いずれかのピエゾブロック７１において絶縁破壊が生じてもすぐにピエゾブロック７１が駆動不能になるのではなく、可動範囲は小さくなるものの引き続き運転を継続することができる。

したがって、絶縁破壊発生時でも流体制御装置１００は例えば小流量の範囲であれば流量制御を継続することができ、異常な流量のガスがチャンバ等に供給されてしまうといったことを防ぐことができる。

このため、第１実施形態のピエゾアクチュエータ７を用いた流体制御バルブ３は、例えばピエゾアクチュエータ７以外の構造が従来の流体制御バルブと同様の構造であったとしても、流体制御装置１００として故障時の信頼性を従来よりも向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。

第２実施形態の流体制御装置１００は、第１実施形態と比較して流体制御バルブ３に用いられているピエゾアクチュエータ７の故障の有無を判定するための機能をさらに備えている。

具体的には、第２実施形態の流体制御装置１００は、電源部ＰＳから出力されている電圧をモニタリングする電圧モニタ８１と、制御ボードＢによってその機能が実現される基準関係記憶部８２と、故障判定部８３と、をさらに備えている。

電圧モニタ８１は、例えば駆動回路７２中に設けられた電圧検出回路であり、電源部ＰＳが指令電圧に応じて出力している電圧をモニタリングしている。ここで、電圧モニタ８１は各ピエゾブロック７１に印加されている電圧を個別に検出するのではなく、ピエゾアクチュエータ７全体に印加されている電圧を検出している。

基準関係記憶部８２は、各ピエゾブロック７１が正常な場合における流体の流量と、その流量が流れている場合に電源部ＰＳから出力される電圧との関係である基準関係を記憶する。この基準関係は、流量と電圧を対にして記憶したデータテーブルであってもよいし、流量と電圧との間の関係を示す多項式等を示すデータであってもよい。ここで正常な場合とは、流体制御装置１００の各ピエゾブロック７１が所望の動作をしている状態であり、例えば流体制御装置１００が工場出荷された時点の状態である。なお、流体制御装置１００が校正された時の流量と電源部ＰＳの出力する電圧を正常な場合の基準関係としてもよい。

故障判定部８３は、流量センサ２で測定されている測定流量と、電圧モニタ８１で検出されている電圧と、基準関係とに基づいて、各ピエゾブロック７１に絶縁破壊が生じているかどうかを判定するものである。具体的には故障判定部８３は測定流量と基準関係に基づいて正常時に電源部ＰＳから出力されるべき電圧である基準電圧を取得する。そして、故障判定部８３は基準電圧と電源モニタで検出されている検出電圧とを比較する。例えば基準電圧と検出電圧の差が所定値以上となった場合には、故障判定部８３はピエゾブロック７１のいずれかにおいて故障が発生している判定する。

このような故障判定が可能な理由について１つのピエゾブロック７１において絶縁破壊が生じている場合を想定して説明する。

１つのピエゾブロック７１において絶縁破壊が生じた場合、各ピエゾブロック７１の伸縮方向の長さはそれぞれ同じに設定されているので、正常時に対してピエゾアクチュエータ７全体の伸びは約２／３倍となる。次に流体制御装置１００は、正常時と同じ電圧をピエゾアクチュエータ７に印加しても測定流量と指令流量との偏差が小さくならないので、さらに電圧を印加するように指令電圧を変更する。したがって、絶縁破壊が生じている場合には、流体制御装置１００は正常時と比較してより大きな電圧を各ピエゾブロック７１に印加して伸び量を大きくし、正常時と同じ開度を実現しようとする。

このように第２実施形態の流体制御装置１００は動作するので、ある流量が流れている状態において電源部ＰＳが出力する電圧を比較すれば各ピエゾブロック７１のいずれかに故障が発生しているかどうかを故障判定部８３は判定することができる。

また、このような故障判定が可能であるので、例えばプロセスが終了した時点でピエゾアクチュエータ７を交換すると言ったことが可能となる。

その他の実施形態について説明する。

図５に示すようにピエゾアクチュエータ７は、各ピエゾブロック７１の伸縮方向の長さ寸法が揃っておらず、一部又は全部のピエゾブロック７１で長さ寸法が異なっていても良い。すなわち、各ピエゾブロック７１において同じ電圧が印加されたとしても伸び量が異なるように構成してもよい。このようなものであれば、いずれのピエゾブロック７１が絶縁破壊したかによってピエゾアクチュエータ７全体の伸び量の変化が異なるので、いずれのピエゾブロック７１において故障が発生しているかを故障判定部８３は判定することができる。

また、図５に示すように高温にさらされるために絶縁破壊等の劣化が生じやすい部分には、最も長さ寸法が短いピエゾブロック７１を配置し、温度がそれほど高温とならない部分に長いピエゾブロック７１を配置すればよい。具体的には高温のガスや液体と接する弁体６２に対して最も近い位置に最も短い長さ寸法のピエゾブロック７１を配置し、弁体６２から最も離れた位置に最も長さ寸法の大きいピエゾブロック７１が配置されるようにすればよい。このように高温にさらされやすく、故障が発生しやすい部分のピエゾブロック７１の長さ寸法を短くすることで、故障時における伸びの低下影響を小さくすることが可能となる。

さらに、高温に対する耐性を高めるには、積層されたピエゾブロック７１において最も高温環境への距離が短い部分に樹脂材等の断熱性を有するスペーサ９を配置してもよい。具体的には最も弁体６２側にあるピエゾブロック７１の弁体６２側にスペーサ９を配置し、ガス等の熱によりピエゾブロック７１の劣化が進行するのを防ぐようにしてもよい。

流体制御弁、流体制御装置は流体の流量を制御するためだけでなく、流体の圧力を制御するために用いても構わない。また、第１実施形態では流体制御装置１００として熱式の流量センサを用いた熱式のマスフローコントローラについて説明したが、本発明は図６に示すように圧力式の流量センサを用いた圧力式のマスフローコントローラとしても構成することができる。具体的には図６の流体制御装置１００は、複数のピエゾブロック７１を具備するピエゾアクチュエータ７を搭載したバルブ２の下流側に圧力式の流量センサ２が設けられたものである。この流量センサ２は内部流路Ｃに設けられた層流素子２６と、層流素子２６の上流側と下流側のそれぞれに設けられた上流側圧力センサ２７及び下流側圧力センサ２８と、を備えている。流量算出部２５は、各圧力センサ２７、２８で測定される層流素子２６の上流側と下流側の圧力に基づいて、流量を算出する。すなわち、流量算出部２５は各圧力センサ２７、２８から上流側圧力、下流側圧力を示す信号をそれぞれ受付、それらの信号の示す各圧力値から既知の演算式に基づいて内部流路Ｃに流れている流量値を算出する。

故障判定部は測定値である測定流量ではなく、目標値である指令流量と検出電圧に基づいてピエゾアクチュエータの故障を判定するようにしてもよい。

制限抵抗及び放電用抵抗については、電源部と各ピエゾブロックとの間を接続する接続線上に設けられたものに限られず、電源部を構成する回路内に設けられていても良い。すなわち、制限抵抗についてはピエゾブロックと直列の関係にあればよく、放電用抵抗についてはピエゾブロックと並列の関係にあればよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の一部同士を組み合わせたり、変形したりしてもよい。

１００・・・流体制御装置
１ ・・・ボディ
２ ・・・流量センサ
３ ・・・流体制御バルブ
４ ・・・筐体
５ ・・・バルブ制御部
６１ ・・・弁座
６２ ・・・弁体
７ ・・・ピエゾアクチュエータ
７１ ・・・ピエゾブロック
７２ ・・・駆動回路
ＰＳ ・・・電源部
Ｒ ・・・制限抵抗

Claims (7)

1. 圧電セラミック層と電極層とを交互に積層して形成された複数のピエゾブロックと、
   複数の前記ピエゾブロックに接続された駆動回路と、を備え、
   複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ伸縮方向に並べて設けられており、
   前記駆動回路が、
   複数の前記ピエゾブロックがそれぞれ並列に接続される電源部と、
   複数の前記ピエゾブロックに対してそれぞれ直列に設けられた複数の制限抵抗と、を備えたピエゾアクチュエータ。
2. 複数の前記制限抵抗の抵抗値が、複数の前記ピエゾブロックに絶縁破壊が生じた際に前記駆動回路に流れる電流値が前記電源部の電流供給能力以下となるように設定されている請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
3. 請求項１又は２記載のピエゾアクチュエータと、
   前記ピエゾアクチュエータによって駆動され、弁座に対して接離する弁体と、を備えた流体制御バルブ。
4. 請求項３記載の流体制御バルブと、
   流体の圧力又は流量を測定する流体センサと、
   流体センサで測定される測定値が、予め設定される目標値となるように前記電源部が出力する電圧を制御するバルブ制御部と、を備えた流体制御装置。
5. 複数の前記ピエゾブロックが正常な場合における流体の圧力又は流量と、前記電源部から出力される電圧との関係である基準関係を記憶する基準関係記憶部と、
   前記電源部が出力する電圧を検出する電圧モニタと、
   前記流体センサで測定される測定値又はバルブ制御部に設定される目標値と、前記電圧モニタで検出される電圧と、前記基準関係に基づいて、複数の前記ピエゾブロックにおける故障の有無を判定する故障判定部と、を備えた請求項４記載の流体制御装置。
6. 複数の前記ピエゾブロックが、それぞれ伸縮方向の長さ寸法が同じものである請求項５記載の流体制御装置。
7. 複数の前記ピエゾブロックの少なくとも１つが他の前記ピエゾブロックと伸縮方向の長さ寸法が異なっている請求項５記載の流体制御装置。